Nghiên cứu các dạng hư hỏng và gia cường bằng phương pháp tạo ứng suất sau trong kết cấu nhịp cầu thép trên đường ô tô
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.73 MB, 119 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
TRẦN NHẬT LÂM
NGHIÊN CỨU CÁC DẠNG HƯ HỎNG VÀ GIA CƯỜNG
BẰNG PHƯƠNG PHÁP TẠO ỨNG SUẤT SAU TRONG
KẾT CẤU NHỊP CẦU THÉP TRÊN ĐƯỜNG ÔTÔ
CHUYÊN NGÀNH: CẦU, TUYNEN VÀ CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG KHÁC
TRÊN ĐƯỜNG ÔTÔ VÀ ĐƯỜNG SẮT
MÃ SỐ NGÀNH: 2.15.10
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH THÁNG 07 NĂM 2005
Luận Văn Thạc Só
CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. LÊ THỊ BÍCH THỦY
Cán bộ phản biện 1:
Cán bộ phản biện 2:
Luận văn thạc só được bảo vệ tại Hội Đồng Chấm Bảo Vệ Luận Văn
Thạc Só.
Trường Đại Học Bách Khoa, ngày . . . . . thaùng . . . . . năm 2005
HVTH: TRẦN NHẬT LÂM
Luận Văn Thạc Só
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
………………………………………………………………….
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
…………………………………………………………….
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: TRẦN NHẬT LÂM
Ngày tháng năm sinh: 06 – 11 - 1979
Chuyên ngành: Cầu, tuynen và các công trình khác
trên đường ôtô và đường sắt
Phái: Nam
Nơi sinh: Cần Thơ
MSHV: 00103014
I- Tên đề tài:
Nghiên cứu các dạng hư hỏng và gia cường bằng phương pháp tạo ứng
suất sau trong kết cấu nhịp cầu thép trên đường ôtô
II- Nhiệm vụ và nội dung:
1. Nhiệm vụ:
Nghiên cứu các dạng hư hỏng và gia cường bằng phương pháp tạo ứng suất
sau trong kết cấu nhịp cầu thép trên đường ôtô.
2. Nội dung:
Chương 1: Tổng quan về cầu thép.
Chương 2: Các dạng hư hỏng và các nguyên nhân gây hư hỏng trong cầu
thép.
Chương 3: Đặc điểm tính toán, ảnh hưởng của phương pháp tạo ứng suất sau
bằng cáp cường độ cao đến sự làm việc trong kết cấu nhịp cầu thép hiện hữu.
Chương 4: Ví dụ tính toán.
Chương 5: Công nghệ thi công gia cố và tăng cường theo phương pháp tạo
ứng suất sau bằng cáp cường độ cao trong kết cấu nhịp cầu thép.
Chương 6: Kết luận và kiến nghị.
III- Ngày giao nhiệm vụ: 17/01/2005
IV- Ngày hoàn thành:
30/06/2005
V- Họ và tên cán bộ hướng dẫn : TS. LÊ THỊ BÍCH THỦY
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
TS. LÊ THỊ BÍCH THỦY
HVTH: TRẦN NHẬT LÂM
CHỦ NHIỆM NGÀNH
BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGAØNH
Luận Văn Thạc Só
Nội dung và đề cương Luận Văn Thạc Só đã được Hội Đồng Chuyên
Ngành thông qua.
Tp. HCM, ngày
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH
HVTH: TRẦN NHẬT LÂM
tháng năm 2005
KHOA QUẢN LÝ NGÀNH
Luận Văn Thạc Só
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi xin chân thành gởi lời cảm ơn sâu sắc
đến Cô TS. Lê Thị Bích Thủy đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn
này, qúy Thầy Cô bộ môn Cầu Đường trường Đại Học Bách Khoa, qúy Thầy Cô khoa
Kỹ Thuật Công Trình trường Đại Học Dân Lập Kỹ Thuật Công Nghệ Tp. HCM đã giúp
đỡ tôi trong suốt khoá học, đồng thời gởi lời cảm ơn đến các anh chị đồng nghiệp, các
anh chị học viên cao học lớp Cầu Đường khóa 14 trường Đại Học Bách Khoa đã tận
tình giúp đỡ và động viên tôi trong qúa trình học tập cũng như làm tốt nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn !
Học viên cao học
Trần Nhật Lâm
HVTH: TRẦN NHẬT LÂM
Luận Văn Thạc Só
SUMMARY
TITLE: STUDING DAMAGE FORMS AND STRENGTHENING
BY POST-TENSIONING METHOD IN STEEL BRIDGE SPANS
ON ROADS
The time goes by, steel bridges will be damaged on account of the load
and the environment. With the cost of constructing and replacing bridges
escalating, it is imperative that we make the most out of our existing bridges.
Therefore, it is necessary for us to study damage forms and causes of damage to
find the repair methods.
There are different methods of strengthening steel bridge spans, the thesis
only concentrates on post – tensioning method by mutistrand reinforcement.
Posttensioning can be applied to an existing bridge to meet a variety of
objectives. It can relieve tension overstresses with respect to service load and
fatigue – allowable stresses, reduce or reverse undesirable displacements, and
add ultimate strength to an existing bridge. Posttensioning follows estalished
structural analysis and design principles.
The thesis includes six chapters:
Chapter 1: General view about steel bridges.
Chapter 2: Studing damage forms and the cause of damage in steel
bridges.
Chapter 3: Calculation method, post – tensioning method influence on
existing steel bridge spans.
Chapter 4: Calculation examples, application of post-tension strengthening
method for the existing bridge spans.
Chapter 5: Construction repair technology and strengthening by posttensioning method in bridge spans.
Chapter 6: Conclusion and proposal.
HVTH: TRẦN NHẬT LÂM
Luận Văn Thạc Só
MỤC LỤC
Nhiệm vụ luận văn thạc só
Trang
Summary
GIỚI THIỆU CHUNG
1. Mục đích của đề tài nghiên cứu
1
2. Phạm vi, cơ sở của việc nghiên cứu
1
3. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ dự ứng lực ngoài trong cầu và cầu
thép nói riêng
2
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CẦU THÉP
1.1. Tình hình phát triển của cầu thép và các dạng cầu thép đang sử dụng 4
1.1.1. Tình hình phát triển của cầu thép
4
1.1.2. Các loại thép và sơ đồ cầu thép đang sử dụng
5
1.2. Những vấn đề tồn tại trong việc khai thác cầu thép ở nước ta
10
CHƯƠNG 2
CÁC DẠNG HƯ HỎNG VÀ CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY HƯ HỎNG TRONG
CẦU THÉP
2.1. Hư hỏng do sự ăn mòn kim loại
12
2.2. Hư hỏng do vật liệu thép bị mỏi và phá hoại dòn
15
2.3. Hư hỏng do tác động cơ học và các dạng hư hỏng khác
22
2.4. Các biện pháp sửa chữa, gia cố, tăng cường kết cấu nhịp cầu dầm thép
27
2.4.1. Đánh giá nguyên nhân, mức độ hư hỏng cần gia cố, tăng cường các bộ
phận và toàn bộ công trình
27
2.4.2. Các biện pháp sửa chữa cấu kiện bị hư hỏng
29
2.4.2.1. Cấu kiện bị ăn mòn
29
2.4.2.2. Cấu kiện bị mỏi
30
2.4.2.3. Cấu kiện bị tác động cơ học và các biến dạng khác
32
HVTH: TRẦN NHẬT LÂM
Luận Văn Thạc Só
2.4.3. Các biện pháp gia cố và tăng cường cầu
33
2.5. Một số ví dụ về các công trình áp dụng cáp căng ngoài trong việc tăng cường
cầu dầm thép trên đường ôtô
40
2.5.1. Tăng cường cầu Condet ở Indonesia
40
2.5.2. Tăng cường cầu Kemlaka Gede ở Indonesia
41
CHƯƠNG 3
ĐẶC ĐIỂM TÍNH TOÁN, ẢNH HƯỞNG CỦA PHƯƠNG PHÁP TẠO ỨNG
SUẤT SAU ĐẾN SỰ LÀM VIỆC TRONG KẾT CẤU NHỊP CẦU THÉP
HIỆN HỮU
3.1. Khái quát về việc tạo ứng suất sau bằng cáp cường độ cao trong cầu thép
44
3.2. Nguyên lý làm việc của kết cấu khi dùng phương pháp tạo ứng suất sau bằng
cáp cường độ cao để tăng khả năng chịu lực
45
3.2.1. Trường hợp bố trí dây căng làm cho kết cấu chịu nén đúng tâm
45
3.2.2. Trường hợp bố trí dây căng làm cho kết cấu chịu nén lệch tâm
46
3.2.3. Kết cấu chịu lực nén khi sử dụng dây căng cường độ cao
47
3.3. Các phương pháp tạo ứng suất sau bằng cáp cường độ cao tăng khả năng chịu
lực của kết cấu nhịp dầm thép
48
3.3.1. Bố trí cáp theo hình gãy khúc
49
3.3.2. Bố trí cáp theo đường thẳng
50
3.3.3. Bố trí cáp theo sơ đồ dây căng gãy khúc kết hợp với sơ đồ dây căng
thẳng
3.4. Cấu tạo các chi tiết thiết kế tăng cường trong kết cấu nhịp dầm thép
51
52
3.4.1. Ụ neo
52
3.4.2. Ụ chuyển hướng
53
3.4.3. Cáp dự ứng lực dùng cho việc tăng cường
55
3.4.4. Ống bảo vệ cáp dự ứng lực
55
3.4.5. Bulông cường độ cao dùng trong các liên kết ụ neo và ụ chuyển hướng
56
3.5. Đặc điểm tính toán của cầu thép khi sử dụng các phương pháp tạo ứng suất
sau để gia cố và tăng cường
HVTH: TRẦN NHẬT LAÂM
56
Luận Văn Thạc Só
3.5.1. Tính toán nội lực trong kết cấu nhịp khi tăng cường bằng cáp cường độ
cao ngoài tiết diện trong cầu dầm thép
61
3.5.2. Tính toán các ụ neo, ụ chuyển hướng
64
3.5.3. Tính toán các mất mát ứng suất trong cáp
65
3.5.4. Kiểm tra nứt của bản mặt cầu trong quá trình căng kéo
66
3.5.5. Ảnh hưởng của việc căng cáp đến ổn định của kết cấu và dao động của
cáp
66
3. 6. Nhận xét
67
CHƯƠNG 4
CÁC VÍ DỤ TÍNH TOÁN
4.1. Tính toán kết cấu nhịp cầu Kemlaka Gede
69
4.1.1. Tính toán kết cấu nhịp trước khi tăng cường với tải trọng khai thác
69
4.1.2. Tính toán kết cấu nhịp tăng cường với tải trọng khai thác
71
4.2. Tính toán kết cấu nhịp cầu Condet
76
4.2.1. Tính toán tăng cường nhịp giữa L=48m
77
4.2.1.1. Tính toán kết cấu nhịp trước khi tăng cường với tải trọng khai thác
77
4.2.1.2. Tính toán kết cấu nhịp tăng cường với tải trọng khai thác
79
4.2.2. Tính toán tăng cường nhịp biên L=24m
83
4.2.2.1. Tính toán kết cấu nhịp trước khi tăng cường với tải trọng khai thác
83
4.2.2.2. Tính toán kết cấu nhịp tăng cường với tải trọng khai thác
85
4.3. Nhận xét
88
CHƯƠNG 5
CÔNG NGHỆ THI CÔNG GIA CỐ VÀ TĂNG CƯỜNG THEO PHƯƠNG
PHÁP TẠO ỨNG SUẤT SAU BẰNG CÁP CƯỜNG ĐỘ CAO TRONG KẾT
CẤU NHỊP CẦU THÉP
5.1. Công tác chuẩn bị cho việc gia cố và tăng cường
91
5.1.1. Chuẩn bị mặt bằng
91
5.1.2. Chuẩn bị vật liệu
92
5.1.3. Chuẩn bị thiết bị
93
HVTH: TRẦN NHẬT LÂM
Luận Văn Thạc Só
5.2. Trình tự thi công gia cố và tăng cường
93
5.3. Các công nghệ thi công gia cố và tăng cường
94
5.3.1. Gia cố sườn tăng cường, dầm ngang, liên kết dọc
94
5.3.2. Định vị các vị trí ụ neo và ụ chuyển hướng
94
5.3.3. Vệ sinh bề mặt thép dầm chủ tại vị trí đặt neo và ụ chuyển hướng
95
5.3.4. Chuẩn bị đường cáp đi qua
96
5.3.5. Lắp đặt ụ neo cáp và ụ chuyển hướng
97
5.3.6. Kích nâng dầm thay gối và khe co dãn
98
5.3.7. Cắt bản mặt cầu
99
5.3.8. Lắp đặt các tao cáp cường độ cao vào vị trí và căng kéo
100
5.3.9. Hoàn thiện và thử tải
102
5.4. Nhận xét
103
CHƯƠNG 6
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
105
TÓM TẮT LÝ LỊCH KHOA HỌC
107
CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO
108
HVTH: TRẦN NHẬT LÂM
Luận Văn Thạc Só
Trang 1
GIỚI THIỆU CHUNG
1- Mục đích của đề tài nghiên cứu
Hiện nay ở nước ta có nhiều công trình cầu thép với quy mô không lớn,
tiêu chuẩn kỹ thuật thấp, được xây dựng từ khá lâu. Trải qua quá trình sử dụng
chịu ảnh hưởng của điều kiện khí hậu thời tiết, tải trọng cũng như chiến tranh đã
có những biểu hiện hư hỏng, xuống cấp không đảm bảo nhu cầu khai thác. Qua
thực tế tìm hiểu và đánh giá các cầu thép đang khai thác cho thấy:
- Đa số các cầu thép đều bị gỉ sét và ăn mòn, có xuất hiện các vết nứt ở
những khu vực thay đổi tiết diện, tập trung ứng suất, tại các liên kết, hư hỏng
đinh, đứt mối hàn, tiết diện chịu lực bị biến dạng cục bộ hoặc biến dạng tổng thể,
bộ phận gối truyền lực cũng như các khe biến dạng bị hư hỏng.
- Tải trọng khai thác cho phép cũng như khổ giới hạn thông xe không đáp
ứng được nhu cầu vận tải hiện tại.
Để đáp ứng nhu cầu vận tải ngày càng tăng về lưu lượng và tải trọng, do
đó nhiệm vụ cấp thiết đặt ra song song với việc làm mới một số cầu lớn trọng
điểm thì giải quyết việc bảo dưỡng, sửa chữa, tăng cường một số cầu cũ là một
công việc phải làm trước mắt trong khi chưa đủ điều kiện để xây dựng mới hoàn
toàn các cầu trên hệ thống đường của nước ta. Vì vậy, việc nghiên cứu các dạng
hư hỏng và biện pháp sửa chữa, gia cố, tăng cường cầu thép hiện đang khai thác
là việc làm cần thiết.
2- Phạm vi, cơ sở của việc nghiên cứu
Trong đề tài chủ yếu tập trung tìm hiểu các dạng và nguyên nhân chính
dẫn đến hư hỏng để có biện pháp sửa chữa nhằm nâng cao khả năng khai thác
của công trình. Nghiên cứu gia cố tăng cường cũng chủ yếu tập trung vào việc tạo
ứng suất sau bằng cáp cường độ cao căng ngoài tiết diện trong kết cấu nhịp cầu
dầm thép trên đường ôtô.
HVTH: TRẦN NHẬT LÂM
Luận Văn Thạc Só
Trang 2
Cơ sở nghiên cứu của đề tài là dựa vào việc thu thập tài liệu, các số liệu
qua những công trình thực tế và các lý thuyết tính toán kết cấu theo quy trình,
quy phạm hiện hành tại Việt Nam, đồng thời sử dụng một số phần mềm ứng dụng
hỗ trợ cho việc tính toán.
3- Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ dự ứng lực ngoài trong cầu và
cầu thép nói riêng
Những ứng dụng đầu tiên về biện pháp căng cáp dự ứng lực bên ngoài
trong [25] vào những năm 1930 khi Karl Dischinger sử dụng các tao cáp căng
ngoài cho những cầu đầu tiên ở Đức. Cho đến những năm 1960 cáp căng ngoài
cũng được sử dụng cho một số cầu ở Bỉ, Pháp và Anh. Tuy nhiên việc bảo vệ cáp
chưa hoàn thiện nên dẫn đến hiện tượng gỉ cáp. Do đó việc căng cáp ngoài tiết
diện ít được sử dụng. Công nghệ căng sau bên ngoài được áp dụng trở lại trong
việc gia cường những kết cấu bê tông ứng suất trước vào những năm 1970. Nhiều
cầu chủ yếu là loại kết cấu đúc sẵn lắp ghép từng đoạn không đủ ứng lực trước
trong khi thi công cần tăng cường bằng những tao cáp bố trí bên ngoài.
Trên cơ sở những kinh nghiệm về sửa chữa tăng cường cầu thì công nghệ
căng cáp bên ngoài được tiếp tục phát triển rộng rãi ở Mỹ và pháp vào những
năm 1980. Các công trình và công nghệ dự ứng lực ngoài đã được áp dụng rộng
rãi vào những năm 1985, các công tác nghiên cứu lý thuyết, công nghệ và vật
liệu để hình thành công nghệ mới là công nghệ các kết cấu dự ứng lực ngoài. Tại
pháp vào năm 1991 đã ban hành qui tắc thiết kế và tính toán những công trình về
kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực theo phương pháp trạng thái giới hạn gọi tắc
là BPEL 91, quy tắc này đề cập đến các vấn đề liên quan đến dự ứng lực ngoài.
Các báo cáo của trung tâm nghiên cứu giao thông thuộc trường đại học
IOWA của Mỹ vào năm 2003 trong [29] đã thực hiện thành công về việc tăng
cường cầu thép bằng cách tạo ứng suất sau cho một loạt các công trình cầu ở
nước này. Đối với việc tăng cường bằng cáp cường độ cao trong cầu thép được
HVTH: TRẦN NHẬT LÂM
Luận Văn Thạc Só
Trang 3
nhiều nước trên thế giới nghiên cứu và ứng dụng, dự án HR-214, HR-238, của
Giáo sư Klaiber và Giáo sư Dunker thuộc trường đại học IOWA đã tăng cường
thành công một số cầu của Mỹ vào năm 1981, 1983 và 1985, các nhịp là các dầm
giản đơn và liên tục liên hợp bản bê tông cốt thép.
Các công trình sử dụng cáp của công ty VSL cũng đã áp dụng biện pháp
căng ngoài đối với dầm thép (dầm hộp) ở Switzerland. Cầu Kemlaka Gede và
Condet ở Indonesia bằng thép liên hợp bản bê tông cốt thép được tăng cường vào
năm 1994 bằng cáp cường độ cao tao 12.7mm trong [31], cáp được đặt bên ngoài
theo đường gãy khúc.
Ở Việt Nam, dự ứng lực ngoài được áp dụng từ đầu những năm 1990
nhưng chủ yếu cho cầu bê tông cốt thép như cầu Niệm (1992), cầu chữ Y (1993)
và các cầu khác như cầu Sài Gòn … Tuy nhiên việc áp dụng biện pháp căng sau
bằng cáp cường độ cao nhằm nâng cao khả năng khai thác trong cầu thép còn
nhiều hạn chế. Do đó trong đề tài này chủ yếu tập trung nghiên cứu về cách tính
toán, cấu tạo cũng như công nghệ thi công của phương pháp này.
HVTH: TRẦN NHẬT LÂM
Luận Văn Thạc Só
Trang 4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CẦU THÉP
Nội dung trong chương này nhằm tìm hiểu về quá trình phát triển của cầu
thép, các loại vật liệu sử dụng trong thiết kế sửa chữa và tăng cường, đồng thời
qua các tài liệu khảo sát cầu thép hiện đang khai thác ở nước ta cho thấy còn có
những tồn tại dẫn đến tình trạng cầu thép xuống cấp nhanh chóng.
1. 1. Tình hình phát triển của cầu thép và các dạng cầu thép đang sử dụng
1.1.1. Tình hình phát triển của cầu thép
Cầu thép được xây dựng vào khoảng cuối thế kỉ 18 trong [7]. Vào nửa cuối
thế kỉ 19, những cầu thép đầu tiên đã ra đời, bước đầu là các nhịp cầu hệ dầm
bản bụng đặc có mặt cắt chữ I, sau đó các nhịp có chiều dài lớn dùng các dàn
thép. Đầu thế kỉ 20 là thời kì phát triển mạnh ngành xây dựng cầu, nhiều lý
thuyết tính toán mới về kết cấu, nhiều loại thép mới đã được áp dụng. Các cầu hệ
liên hợp vòm – dàn với các thanh vòm mặt cắt đa dạng hình hộp đến dạng tròn
đã chiếm ưu thế ở khẩu độ lớn. Cầu treo dây cáp cũng có những tiến bộ lớn, cho
đến nay các nhịp cầu lớn nhất vẫn được làm bằng thép và sơ đồ kết cấu là hệ dây
dầm cứng.
Do đặc điểm của thép dễ bị môi trường xâm thực nên việc tiếp tục nghiên
cứu các biện pháp chống gỉ cho vật liệu thép và hoàn thiện vật liệu thép chống gỉ
là vấn đề cấp thiết, trong khi đó vẫn tiếp tục sử dụng các biện pháp bọc lót hữu
hiệu để bảo vệ các công trình bằng thép đương thời, nhiều loại sơn mới chất
lượng cao được nghiên cứu áp dụng nhằm kéo dài tuổi thọ của cầu.
Song song với các sơ đồ chịu lực đã được áp dụng thì các sơ đồ cầu thép
hệ liên hợp tiếp tục được nghiên cứu. Các loại tiết diện hộp kín được nghiên cứu
áp dụng để tăng cường độ cứng chống xoắn và để tạo môi trường không gỉ bên
trong lòng hộp. Các liên kết trong cầu thép, cùng với các tiến bộ về thép chất
lượng cao, liên kết đinh tán không thích hợp nữa, thay thế bằng liên kết hàn và
bulông cường độ cao mang tính công nghiệp và hiện đại. Ngoài ra còn có liên kết
HVTH: TRẦN NHẬT LÂM
Chương 1
Luận Văn Thạc Só
Trang 5
dán đang được áp dụng, dán hoàn toàn hoặc dán kết hợp với bulông cường độ
cao.
Vấn đề điều chỉnh nội lực là biện pháp hiệu quả nhất trong việc chủ động
phân bố một cách hợp lí nội lực và ứng suất trong công trình, nhằm nâng cao khả
năng chịu lực và tiết kiệm vật liệu, cũng như việc áp dụng các tiến bộ của khoa
học kỹ thuật trong việc gia cố, tăng cường cầu bằng các công nghệ mới và vật
liệu cường độ cao nhằm làm tăng khả năng chịu lực và tăng tuổi thọ cho công
trình xây dựng góp phần làm giảm đáng kể chi phí phải xây dựng công trình mới
với yêu cầu vận tải ngày càng cao.
1.1.2. Các loại thép và sơ đồ cầu thép đang sử dụng
a) Các loại thép dùng trong cầu thép
Các loại thép dùng trong cầu thường là thép cán có hàm lượng cacbon
chiếm 0,10 : 0,25%, các loại thép dùng trong cầu thường có dạng thép bản, thép
hình, đối với các bộ phận đặc biệt dùng các loại thép đúc trong [6].
- Thép cacbon: đối với các bộ phận chịu lực chính thường dùng thép CT3
cầu cho các kết cấu liên kết bằng đinh tán, thép M16C cho các kết cấu liên kết
bằng hàn, thép dùng làm đinh tán thường là thép CT2 (Bảng 1.1 và 1.2).
Bảng 1.1
Loại thép
Thành phần hoá học (%)
Cacbon
Mangan
Silic
Lưu huỳnh
Phôtpho
CT3 cầu
0,14 – 0,22
0,40 – 0,65
0,15 – 0,65
< 0,050
< 0,045
M16C
0,12 – 0,20
0,40 – 0,70
0,40 – 0,70
< 0,045
< 0,040
Bảng 1.2
Các loại thép
Số hiệu
Độ bền chịu
Giới hạn chảy
Độ dãn tỉ đối
kéo nhỏ nhất
nhỏ nhất
nhỏ nhất (%)
(Kg/mm2)
(Kg/mm2)
Thép cho các
CT3 cầu
38
24
22 – 24
bộ phận chính
M16C
38
23
22 – 24
Thép đinh tán
CT2
34
21
26
HVTH: TRẦN NHẬT LÂM
Chương 1
Luận Văn Thạc Só
Trang 6
- Thép hợp kim thấp: ngoài thép cacbon người ta còn dùng các thép hợp
kim thấp, trong quá trình luyện thép đưa thêm một số chất phụ gia vào làm tăng một số
tính chất tốt của thép do từng loại kết cấu đòi hỏi ( Manggan, silic, đồng, crôm,
niken…) với một tỉ lệ nhất định làm tăng cường độ, chống gỉ cao và một số tính
chất cơ học khác, thép hợp kim thấp là loại thép có cường độ lớn gấp 1.4 : 1.5 lần
cường độ thép CT3 cầu, với tính chất như vậy thép hợp kim thấp được ứng dụng rộng
rãi.
- Thép đúc: là loại thép đặc biệt dùng cho các bộ phận như gối cầu, khớp cầu …
(Bảng 1.3).
Bảng 1.3
Độ bền chịu kéo
Các loại thép
nhỏ nhất
2
(Kg/mm )
Bộ phận đặc biệt
45
Giới hạn chảy nhỏ
Độ dãn tỉ đối nhỏ
nhất (Kg/mm2)
nhất (%)
24
19
- Thép dùng làm dây cáp, thanh thép cường độ cao: Có rất nhiều loại cáp
được sử dụng hiện nay, (bảng 1.4) và (bảng 1.5) sẽ giới thiệu một số tiêu chuẩn
và các thông số kỹ thuật của cáp cường độ cao được sản suất bởi công ty VSL.
Bảng 1.4
Loại cáp
Loại cáp 13mm (0.5’’)
Loại cáp 15mm (0.6’’)
EN138
ASTM A416
EN138
ASTM
BS5896
Grade 270
BS5896
A416
Grade 270
Đường kính chuẩn (mm)
12.9
12.7
15.7
15.2
Diện tích chuẩn (mm2)
100
98.7
150
140
Trọng lượng chuẩn (Kg/m)
0.785
0.775
1.18
1.1
Giới hạn chảy (MPa)
1580
1670
1500
1670
Giới hạn bền (MPa)
1860
1860
1770
1860
Lực kéo đứt nhỏ nhất (KN)
186
183.7
265
260.7
HVTH: TRẦN NHẬT LÂM
Chương 1
Luận Văn Thạc Só
Trang 7
Bảng 1.5
Loại cáp 13mm (0.5’’)
Số hiệu
5-4
5-7
5-12
5-19
5-22
Số cáp
Loại cáp 15mm (0.6’’)
Lực kéo đứt (KN)
12.9
12.7
2
372
367
3
558
551
4
744
735
5
930
919
6
1116
1102
7
1302
1286
Số
hiệu
6-3
6-7
Số cáp
Lực kéo đứt (KN)
15.7
15.2
2
530
521
3
795
582
4
1060
1043
5
1325
1304
6
1590
1564
7
1855
1825
8
2120
2068
9
2385
2346
10
2650
2607
8
1488
1470
9
1674
1653
10
1860
1837
11
2046
2021
11
2915
2868
12
2232
2204
12
3180
3128
13
2418
2388
13
3445
3389
14
2604
2572
14
3710
3650
15
2790
2756
15
3975
3911
16
2976
2939
16
4240
4171
17
3162
3123
17
4505
4432
18
3348
3307
18
4770
4693
19
3534
3490
19
5035
4953
20
3720
3674
20
5300
5214
21
3906
3858
21
565
5475
22
4092
4041
22
5830
5735
6-12
6-19
6-22
Thanh thép cường độ cao (thanh Maccaloy), đây là thép hợp kim gồm
crôm, niken, đồng, cacbon, silic… với tỷ lệ phối hợp khác nhau. Chúng có thể
dùng tăng cường thay cho cáp cường độ cao ở những vị trí yêu cầu bố trí thanh
HVTH: TRẦN NHẬT LÂM
Chương 1
Luận Văn Thạc Só
Trang 8
thẳng và không dài lắm. Các thông số kỹ thuật của loại thép này được trình bày ở
(Bảng 1.6).
Bảng 1.6
Đường kính (mm)
Þ26
Þ32
Þ36
Þ40
Þ50
Lực khai thác (KN)
328
498
629
780
1213
Ứng suất khai thác (N/mm2)
618
619
618
620
618
Cường độ kéo đứt tiêu chuẩn (N/mm2)
1030
1030
1030
1030
1030
- Bulông cường độ cường độ cao:
Bulông cường độ cao là loại liên kết thường được dùng trong cầu thép,
theo tiêu chuẩn 22TCN 204-91 trong [3], các thông số kỹ thuật được trình bày ở
(Bảng 1.7 và 1.8).
Bảng 1.7
Đường kính bu lông (mm)
Þ18
Þ20
Þ22
Þ24
Bước ren
2.5
2.5
2.5
3
Chiều cao đầu bulông (mm)
13
14
15
17
Kích thước miệng chưa vặn (mm)
30
32
36
41
1.5-2
1.5-2
Bán kính góc lượn đầu bulông
2.5-3 2.5-3
Bảng 1.8
Giới hạn bền (KG/mm2)
Đường kính
Diện tích mặt cắt
(mm)
(mm2)
Min
Max
18
192
21.1
25.0
20
245
27.1
31.9
22
303
35.3
39.4
24
352
38.7
45.9
- Hợp kim nhôm: đối với công trình cầu thường dùng hợp kim nhôm gia
công đặc biệt (Bảng 1.9).
HVTH: TRẦN NHẬT LÂM
Chương 1
Luận Văn Thạc Só
Trang 9
Bảng 1.9
Các loại thép
Độ bền chịu kéo
nhỏ nhất
Giới hạn chảy nhỏ Độ dãn tỉ đối nhỏ
nhất (Kg/mm2)
nhất (%)
25 – 30
12 - 18
(Kg/mm2)
Hợp kim nhôm
40 – 45
b) Các sơ đồ cầu thép và các dạng cầu thép đang sử dụng ở Việt Nam
Thép là vật liệu có cường độ cao, dễ thi công, dễ tạo hình, trọng lượng
nhẹ, có thể vượt khẩu độ lớn. Do đó cầu thép được chế tạo thành các dạng theo
các sơ đồ kết cấu khác nhau như cầu dầm thép, dàn thép, vòm thép gồm các dạng
sơ đồ: sơ đồ cầu giản đơn, sơ đồ cầu liên tục, sơ đồ cầu mút thừa. Ngoài ra còn có
các loại cầu hệ liên hợp và cầu dây, hiện nay cũng đang được sử dụng rộng rãi.
Ở Việt Nam trước những năm 1954 đặc điểm của các cầu thép trong giai
đoạn này là khổ hẹp tải trọng nhẹ, trên cầu đường sắt chỉ phục vụ một đường đơn
chung với ôtô, trên đường bộ thường chỉ thiết kế cho một làn xe trong [7]. Dàn
chủ có dạng nhiều thanh xiên như cầu Đuống cũ, một số cầu có kiến trúc đặc biệt
như cầu Long Biên, chiếc cầu vòm nổi tiếng về mỹ quan là cầu Hàm Rồng qua
sông Mã ở Thanh Hoá.
Sau khi kết thúc kháng chiến chốùng Pháp (1954) trong một thời gian ngắn
chúng ta đã khôi phục hàng loạt các cầu thép như: cầu Làng Giàng ở Lào Cai,
cầu Việt Trì, cầu Ninh Bình, cầu Hàm Rồng được xây dựng laiï theo sơ đồ dàn
liên tục. Thời kì này ở miền Nam Mỹ đầu tư khá nhiều vào giao thông vận tải,
một vài chiếc cầu thép được xây dựng như: cầu Sài Gòn, cầu Bình Triệu, cầu
Bình Phước, cầu Tân An, cầu Hoá An, cầu Bến Lức thuộc loại dầm thép mút
thừa.
Sau năm 1975 các cầu thép trên đường xuyên Việt lần lượt được thay thế
xây dựng mới trong đó đáng kể là cầu Thăng Long qua sông Hồng là cầu dàn
thép liên tục, cầu Long Đại dàn liên tục (1976), cầu Chương Dương dàn thép
(1985), cầu Việt Trì, cầu Đò Quan ở Nam Định dưới dạng thép liên tục liên hợp
HVTH: TRẦN NHẬT LÂM
Chương 1
Luận Văn Thạc Só
Trang 10
(1994), cầu dây văng Đakrông ở Quảng Trị (1976) bị sự cố năm 1999, được xây
dựng lại năm 2000, cầu Sông Hàn ở Đà Nẳng, cầu Bính ở Hải Phòng…
1. 2. Những vấn đề tồn tại trong việc khai thác cầu thép ở nước ta
Theo thời gian vật liệu ngày càng giảm cường độ và khả năng chịu lực,
trong khi đó lưu lượng và tải trọng càng lúc càng tăng. Vì vậy, việc duy tu bảo
dưỡng cầu là một việc làm mang tính cấp thiết khi hệ thống cầu thép trên đường
ôtô và đường sắt của nước ta đã và đang bị xuống cấp trầm trọng, có những biểu
hiện của những hư hỏng đáng kể, dẫn đến chất lượng công trình không ngừng suy
giảm, giá thành vận tải không thể hạ thấp, chưa đáp ứng được nhu cầu giao thông
hiện tại một cách tối đa và có hiệu quả. Sự suy giảm đó cũng do nhiều nguyên
nhân quyết định:
Tình trạng quản lý cho đến nay thiếu tính hệ thống, không rõ ràng, trách
nhiệm các đơn vị chồng chéo nhau trong [20].
Đội ngũ cán bộ, công nhân với trình độ kỹ thuật chưa đáp ứng được nhu
cầu cần thiết, thiết bị kiểm tra và thi công sửa chữa còn rất hạn chế.
Việc quản lý công trình lỏng lẻo, kiểm tra không thường xuyên và thiếu
tính hệ thống, không có tiêu chuẩn để đánh giá công trình, phương pháp kiểm tra
và chẩn đoán rất lạc hậu càng làm cho tình trạng cầu xuống cấp trầm trọng, hạn
chế và làm trở ngại lớn cho việc vận tải trong [20].
Các hồ sơ thiết kế và thi công công trình cũ đôi khi không còn được lưu
giữ, dẫn đến việc kiểm định, đánh giá tình trạng cầu cũ rất khó khăn.
Sự thiếu hụt kinh phí và vốn đầu tư cho công tác khôi phục và sửa chữa các
công trình cầu.
Các vật liệu mới, vật liệu cường độ cao, chưa được áp dụng rộng rãi trong
xây dựng và sửa chữa, mặt khác giá thành còn đắt, chủ yếu nhập khẩu, dẫn đến
khó khăn cho việc chủ động nguồn vật liệu.
Nhận xét: Trong thiết kế cầu, việc sử dụng kết cấu nhịp thép là một giải
pháp hợp lý cả về mặt kỹ thuật, kinh tế lẫn mỹ quan. Tuy nhiên để duy trì khả
năng khai thác của chúng theo thời gian thì phải có một hệ thống quản lý chặt
HVTH: TRẦN NHẬT LÂM
Chương 1
Luận Văn Thạc Só
Trang 11
chẽ, công việc chẩn đoán và đánh giá các nguyên nhân gây ra hư hỏng phải
chính xác để có biện pháp sửa chữa kịp thời nhằm nâng cao tuổi thọ và độ bền
của công trình.
HVTH: TRẦN NHẬT LÂM
Chương 1
Luận Văn Thạc Só
Trang 12
CHƯƠNG 2
CÁC DẠNG HƯ HỎNG VÀ CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY HƯ
HỎNG TRONG CẦU THÉP
Nội dung trong chương này nhằm phân tích các nguyên nhân gây ra hư
hỏng công trình cầu thép trong quá trình khai thác dưới tác động của các yếu tố
khác nhau, từ đó đưa ra biện pháp sửa chữa, gia cố và tăng cường.
2. 1. Hư hỏng do sự ăn mòn kim loại
Vật liệu thép được dùng trong cầu thép sau một thời gian sử dụng bị hang
gỉ, giảm tiết diện cục bộ hay trên diện rộng, làm gỉ mặt tiếp xúc giữa hai chi tiết
áp sát vào nhau, làm sùi bề mặt, trương nở phần tiếp xúc giữa hai chi tiết liên kết,
đây là các dạng hư hỏng phổ biến nhất của thép.
Các dạng phổ biến nhất là bề mặt bị ố vàng, sần sùi bong tróc cho đến ăn
mòn tiết diện cục bộ và trên diện rộng làm mất khả năng chịu lực của kết cấu
trong quá trình khai thác.
Hình 2.1. Dầm bị gỉ nặng gây mất ổn định cho toàn cầu
HVTH: TRẦN NHẬT LÂM
Chương 2
Luận Văn Thạc Só
Trang 13
Hình 2.2. Cánh dầm và đoạn congson liên kết với bản mặt cầu bị gỉ
Hình 2.3. Gối cầu bị gỉ
Hình 2.4. Các thanh ở nút gối cầu bị gỉ toàn bộ
HVTH: TRẦN NHẬT LÂM
Chương 2
Luận Văn Thạc Só
Trang 14
Hình 2.5. Thanh biên dưới của dàn mất hẳn tiết diện chịu lực
Hình 2.6. Bản nút của dàn mất hẳn tiết diện chịu lực
Các nguyên nhân trực tiếp dẫn đến gỉ các bộ phận của cầu thép:
Thoát nước kém trên bề mặt cấu kiện cũng như trên mặt cầu, môi trường
khí hậu nhiệt đới, các vùng ven biển thường có độ ẩm cao, hơi nước biển lại
mang theo muối nên tốc độ gỉ trên các công trình cầu thép rất cao.
Công tác thiết kế thi công bố trí khoảng cách các đinh tán không hợp lý
do đó ảnh hưởng đến độ ép khít các chi tiết, phần lớn bị gỉ và trương nở gỉ, một số
khác do sử dụng bản đệm mỏng, khe hở giữa các chi tiết không đủ không gian để
HVTH: TRẦN NHẬT LÂM
Chương 2
Luận Văn Thạc Só
Trang 15
làm sạch gỉ và quét sơn bảo vệ. Sử dụng loại sơn không đúng và chuẩn bị bề mặt
sơn không tốt.
Nguyên nhân chính cũng là do bảo dưỡng duy tu không thường xuyên dẫn
đến các bộ phận kết cấu hư hỏng ngày càng trầm trọng, gây ra phá hoại. Mặt
khác cũng do việc thiết kế chế tạo quá phức tạp dẫn đến những chi tiết không thể
bảo dưỡng được trong quá trình khai thác.
Gỉ thép thực chất là quá trình ăn mòn kim loại trong các môi trường.
Trước tiên ăn mòn kim loại xuất phát từ quá trình chế tạo trong [12], ảnh
hưởng của thành phần cacbon trong thép và đặc tính gia công bề mặt. Trong quá
trình khai thác, ảnh hưởng của thành phần không khí đặc biệt là oxi, các hợp chất
lưu huỳnh và hơi nước, làm ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn kim loại, tạo nên các
phản ứng khử cacbon. Quá trình khử cacbon trong thép sẽ làm giảm độ cứng bề
mặt, giảm độ bền mài mòn và giới hạn đàn hồi của thép. Khi tăng hàm lượng
cacbon trong thép thì tốc độ khử cacbon giảm đi do lượng khí CO tạo thành quá
lớn sẽ khống chế qúa trình khử.
Tại các vị trí đọng nước hay dễ bị ẩm của các bộ phận cầu, sắt (Fe) bị ăn
mòn điện hoá tạo thành Fe(OH)2 → phản ứng oxi hoá → Fe(OH)3 có màu vàng
cam (màu đặc trưng của gỉ sét).
2. 2. Hư hỏng do vật liệu thép bị mỏi và phá hoại dòn
Quá trình tác dụng thường xuyên của tải trọng lặp gây nên những hư hỏng
tích lũy trong kết cấu, đến một mức độ nhất định sẽ phá hủy kết cấu. Thép bị phá
hoại ở biến dạng nhỏ có kèm theo vết nứt, các vết nứt thường khó phát hiện.
Vết nứt phát triển ở vùng chịu lực cục bộ, nơi có ứng suất tập trung lớn
nhất, vết nứt đi qua các lỗ đinh ở đầu thanh, vết nứt mỏi kết hợp việc các đinh tán
bị lỏng.
Vết nứt xuất hiện ở cánh nằm ngang của thép góc cánh trên dầm dọc.
Vết nứt xuất hiện ở bản bụng dầm dọc theo hướng nghiêng đi từ mép lỗ
đinh của liên kết bản bụng với thép góc nối thẳng đứng.
HVTH: TRẦN NHẬT LÂM
Chương 2
