Luận văn thạc sĩ đánh giá khả năng chịu lực và đề xuất phương án cải tạo cầu hội yên thành phố đà nẵng

..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGÔ NHẬT ANH

C
C

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC VÀ

R
L
.
T

ĐỀ XUẤT PHƢƠNG ÁN CẢI TẠO CẦU HỘI YÊN
THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG

U
D

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG

Đà Nẵng, Năm 2019


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGÔ NHẬT ANH

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC VÀ
ĐỀ XUẤT PHƢƠNG ÁN CẢI TẠO CẦU HỘI YÊN

C
C

THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG

R
L
.
T

U
D

Chuyên ngành

: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình giao thơng

Mã số

: 85.80.205

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. HOÀNG PHƢƠNG HOA

Đà Nẵng, Năm 2019


LỜI CẢM ƠN
Học vi n in ch n th nh cảm ơn Thầy giáo PGS.TS. Hồng Phƣơng Hoa đã
tận tình hƣớng dẫn - chỉ bảo trong quá trình làm luận văn.
Xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo, tập thể cán bộ, giảng viên Khoa Xây
dựng Cầu đƣờng, Phòng KH, SĐH & HTQT Trƣờng Đại học B ch hoa - Đại học Đ
Nẵng, Ban đ o tạo Sau đại học - Đại học Đà Nẵng, cùng gia đình, bạn bè đã động viên
và tạo điều kiện cho học vi n trong thời gian học cao học v ho n th nh luận văn tốt
nghiệp này.
Với thời gian nghiên cứu v năng lực bản thân còn hạn chế , luận văn chắc chắn
khơng tránh khỏi những thiếu sót, tồn tại. Học vi n rất mong nhận đƣợc những ý kiến
đóng góp từ phía các thầy cơ và bạn bè đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn.
Trân trọng cảm ơn!

C
C

U
D

R
L
.
T


LỜI CAM ĐOAN

Tơi cam đoan đ y l cơng trình nghi n cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả tính tốn nêu trong luận văn l trung thực v chƣa từng
đƣợc ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả luận văn

Ngô Nhật Anh

C
C

U
D

R
L
.
T


ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC VÀ ĐỀ XUẤT PHƢƠNG ÁN CẢI TẠO
CẦU HỘI YÊN THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG
Học viên

: NGƠ NHẬT ANH.

Chun ngành
Mã số
Khóa

: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng.

: 85.80.02.05
: K36 Trƣờng Đại học Bách khoa – Đại học Đ Nẵng.

Tóm tắt: Đ nh gi năng lực chịu tải của cầu Hội Yên thuộc huyện Hòa Vang và giải
pháp thiết kế nâng cấp sửa chữa là áp dụng c c phƣơng ph p đ nh gi cầu để c định các
nguy n nh n hƣ hỏng, năng lực chịu tải thực tế của cầu; nhu cầu vận chuyển hàng hố, từ đó
có giải pháp nâng cấp sửa chữa. Đồng thời đ nh gi lại việc cắm biển tải trọng cầu tại thời
điểm khảo sát so với QCVN 41:2016/BGTVT của Bộ Giao thông vận tải để các loại xe có số
lƣợng trục khác nhau , có tải trọng khác nhau có thể hợp pháp qua cầu mà không gây nguy
hiểm cho kết cấu. Trong nội dung luận văn t c giả tiến hành thực nghiệm v đ nh gi năng
lực chịu tải của cầu. Áp dụng phƣơng ph p đ nh gi cầu theo tiêu chuẩn AASSHTO, từ kết
quả đ nh t c giả chọn giải ph p gia cƣờng bằng phƣơng ph p d n vật liệu FRP cho cầu, từ kết
quả tính to n đề xuất cắm biển tải trọng hợp ph p trƣớc hi gia cƣờng v sau hi gia cƣờng
đảm bảo phục vụ tốt cho việc vận chuyển hàng hố và an tồn cho cơng trình cầu.
Từ khóa: Đ nh gi , năng lực chịu tải, cầu thép, thiết kế, nâng cấp sửa chữa.
Summary: The assessment of the load-carrying capacity of Hoi Yen bridge in Hoa
Vang District and the design solution for improvement and repair is to apply the method of
bridge assessment to identify causes of damage and performance, the actual bearing load of

C
C

R
L
.
T

U
D

the bridge; Demand for transportation of goods, from which solutions to improve and repair.
Meanwhile, it is necessary to evaluate weight limit of the old bridges at the time when these
bridges were monitored compared to QCVN 41:2016/BGTVT standard enacted by Ministry
of Transport which allows vehicles with different axle and weight to pass the bridge without
endangering its structure members. In this thesis, Hoi Yen bridge was selected to carry out
testing the bridge load capacity. The standard used to assess in the study is AASHTO LRFD.
Based on the results of the examination, using FRP material to cover reinforced concrete
beam bridge solutions to strengthen bridge performance. Eventually, to ensure bridge safety
and best service for the carriage of products, the research suggested the appropriate weight
limit of bridges before and after the time when adding strength.
Keyword: Evaluation, load-carrying capacity, reinforced concrete, strengthen.


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................... 1
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................... 2
ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC VÀ ĐỀ XUẤT PHƢƠNG ÁN CẢI TẠO CẦU
HỘI YÊN THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG .................................................................................. 3
MỤC LỤC ................................................................................................................................ 4
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................................... 6
DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................................... 6
MỞ ĐẦU .................................................................................................................................. 1
1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................ 1
2. Đối tƣợng nghiên cứu ......................................................................................... 1
3. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................ 1
4. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 1
5. Phƣơng ph p nghi n cứu ....................................................................................2
6. Cấu trúc của luận văn.......................................................................................... 2

C

C

R
L
.
T

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠNG TRÌNH CẦU HỘI YÊN VÀ VẬT LIỆU
SỢI FPR ................................................................................................................................... 3
1.1. GIỚI THIỆU VỀ CẦU HỘI YÊN ...................................................................3
1.1.1. Tiêu chuẩn thiết kế ban đầu .........................................................................3
1.1.2. Giải pháp kết cấu cầu ....................................................................................3

U
D

1.2. TÌNH TRẠNG, CHẤT LƢỢNG CẦU ........................................................... 5
1.2.1. C c hƣ hỏng và sự cố cầu Hội Yên .............................................................. 5
1.3. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU FRP ................................................................ 6
1.3.1 Đặc tính cấu tạo của tấm composite .............................................................. 6
1.3.2. Đặc tính vật lý của vật liệu composite .......................................................... 7
KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ..................................................................................................... 10
CHƢƠNG 2: ĐÁNH GÍA NĂNG LỰC CHỊU TẢI CỦA CẦU HỘI YÊN VÀ CƠ
SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN GIA CƢỜNG CẦU BẰNG VẬT LIỆU FRP ...... 11
2.1. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CẦU .................................................... 11
2.1.1. Đ nh gi cầu theo hệ số sức kháng và hệ số tải trọng ................................ 11
2.1.2. Quy trình đ nh gi tải trọng theo phƣơng ph p đ nh gi hệ số tải trọng và
hệ số sức kháng..............................................................................................................13
2.1.3. Tính tốn khả năng chịu tải C .....................................................................14
2.1.4. Hiệu ứng tải trọng ....................................................................................... 15

2.2. ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC CHỊU TẢI CỦA CẦU HỘI YÊN ....................... 17
2.2.1. Giới thiệu chung ......................................................................................... 17


2.2.2. Đ nh gi tải trọng hợp pháp cầu Hội Yên ..................................................17
2.2.3. Đ nh gi hiện trạng về khả năng chịu lực của kết cấu nhịp ....................... 19
KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ..................................................................................................... 24
CHƢƠNG 3: TÍNH TỐN TĂNG CƢỜNG SỨC KHÁNG UỐN, SỨC KHÁNG
CẮT CỦA DẦM CẦU HỘI YÊN BẰNG TẤM SỢI FRP VÀ SO SÁNH ĐÁNH
GIÁ VỚI SỐ LIỆU BAN ĐẦU ......................................................................................... 25
3.1. MỘT SỐ GIẢI PHÁP GIA CƢỜNG TRONG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP
VÀ CẦU THÉP .............................................................................................................25
3.1.1. Gia cƣờng cầu BTCT và BTCT dự ứng lực ...............................................25
3.1.2. Gia cƣờng cầu thép ..................................................................................... 25
3.1.3. Lựa chọn giải ph p gia cƣờng cho một số cầu Hội Yên............................. 26
3.2. THIẾT KẾ GIA CƢỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU HỘI YÊN ...................... 26
3.2.1.Cơ sở tính to n gia cƣờng bằng vật liệu FRP đối với dầm BTCT ..............26
3.2.2. Tính to n tăng cƣờng sức kháng uốn dầm bê tông cốt thép tiêu chuẩn

C
C

ACI220,2R-08 ...............................................................................................................31
3.2.3. Thiết kế gia cƣờng kết cấu nhịp dầm .......................................................... 35
3.3. ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC CHỊU TẢI CẦU HỘI YÊN SAU GIA CƢỜNG ..............44
3.3.1 Hiện trạng cầu Hội Yên sau sửa chữa gia cƣờng và mở rộng ..................... 44
3.3.2 Thử tải cầu với tải trọng tĩnh .......................................................................47
3.3.3 Thử tải động kết cấu nhịp ............................................................................51

R

L
.
T

U
D

KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 ..................................................................................................... 53
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 54
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (bản sao)


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Số hiệu

Tên bảng

Trang

Bảng 1.1.

Khối lƣợng riêng của các loại vật liệu composite (g/cm3)[11]

7

Bảng 1.2.

Hệ số dãn nở nhiệt của các loại vật liệu composite [11]

7

Bảng 2.1.

Hệ số tải trọng của hoạt tải theo TTGH

16

Bảng 2.2.

Hệ số tải trọng của tải trọng hợp pháp

16

Bảng 2.3.

Khoảng cách và tải trọng các trục của xe tải đo

17

Bảng 2.4.

Chuyển vị của dầm chủ với tải trọng thử nhịp 1

19

Bảng 2.5.

Chuyển vị của dầm chủ với tải trọng thử nhịp 2

19

Bảng 2.6.

Các thông số mặt cắt ngang cầu

20

Bảng 2.7.

Cƣờng độ bê tông dầm chủ

20

Bảng 2.8.

Tính chất cơ lý của bê tơng

Bảng 2.9.

Tính chất cơ lý của cốt thép

Bảng 2.10.

X c định sức kháng uốn của tiết diện dầm chủ tại giữa nhịp

Bảng 2.11.

X c định sức kháng cắt của tiết diện dầm chủ tại gối

22

Bảng 2.12.

X c định hệ số đ nh gi RF theo mô men

22

Bảng 2.13.

X c định hệ số đ nh gi RF theo lực cắt

23

Bảng 3.1.

Đặc trƣng hình học của tấm sợi

36

Bảng 3.2.

Sức kháng uốn sau hi gia cƣờng

38

Bảng 3.3.

X c định hệ số đ nh gi RF đối với mô men

38

Bảng 3.4.

X c định hệ số đ nh gi RF đối với lực cắt

39

Bảng 3.5.

X c định tải trọng cắm biển

39

Bảng 3.6.

X c định hệ số đ nh gi RF đối với mô men

40

Bảng 3.7.

X c định hệ số đ nh gi RF đối với lực cắt

40

Bảng 3.8.

X c định tải trọng cắm biển

40

Bảng 3.9.

X c định hệ số đ nh gi RF đối với mô men

41

Bảng 3.10.

X c định hệ số đ nh gi RF đối với lực cắt

41

Bảng 3.11.

X c định tải trọng cắm biển

42

Bảng 3.12.

X c định hệ số đ nh gi RF đối với mô men

42

C
C

R

L
.
T

U
D

20
20
21


Bảng 3.13.

X c định hệ số đ nh gi RF đối với lực cắt

43

Bảng 3.14.

X c định tải trọng cắm biển

43

Bảng 3.15.

Chỉ ti u cơ lý vải FRP đƣợc sử dụng gia cƣờng cầu Hội Yên

45

Bảng 3.16.

Khoảng cách và tải trọng các trục của xe tải đo

47

Bảng 3.17.

Ứng suất thớ dƣới dầm nhịp 1 và 2

50

Bảng 3.18.

Độ võng tại giữa nhịp dầm nhịp 1 và 2

51

Bảng 3.19.

Hệ số phân bố ngang các dầm của nhịp 1 và 2

51

Bảng 3.20.

Hệ số xung kích các dầm của nhịp 1 và 2

52

Bảng 3.21.

Kết quả phân tích tần số và chu kỳ của kết cấu nhịp 1 và 2

52

C
C

U
D

R
L
.
T


DANH MỤC HÌNH VẼ

Số hiệu

Tên hình

Trang

Hình 1.1.

Bố trí chung cầu

4

Hình 1.2.

Mặt cắt ngang cầu tại trụ

4

Hình 1.3.

Mặt cắt ngang cầu tại mố

5

Hình 1.4.

Bê tơng dầm chủ bị sứt mẻ cục bộ, khơng bằng phẳng

5

Hình 1.5.

Khe co giãn bị hƣ hỏng

6

Hình 2.1.

Trình tự đ nh gi tải trọng hợp pháp

13

Hình 2.2.

Hai xe tải đo cầu Hội Yên

18

Hình 2.3.

Sơ đồ chất tải theo phƣơng dọc cầu

18

Hình 2.4.

Sơ đồ chất tải theo phƣơng ngang cầu

18

Hình 3.1.

Ứng suất - biến dạng tiết diện chữ T dầm BTCT

27

Hình 3.2.

Biến dạng dầm BTCT trƣờng hợp phá hoại đồng thời

27

Hình 3.3.

Biểu đồ biến dạng dầm BTCT trƣờng hợp tấm sợi đứt

29

Hình 3.4.

Tăng cƣờng sức kháng cắt cho dầm BTCT bằng tấm sợi FRP

35

Hình 3.5.

Gia cƣờng dầm chủ theo phƣơng dọc cầu

36

Hình 3.6.

Gia cƣờng dầm chủ theo phƣơng ngang cầu

37

Hình 3.7.

Biển cắm tải trọng hợp ph p sau gia cƣờng

39

Hình 3.8.

Biển cắm tải trọng hợp ph p sau gia cƣờng

41

Hình 3.9.

Biển cắm tải trọng hợp ph p sau gia cƣờng

42

Hình 3.10.

Biển cắm tải trọng hợp ph p sau gia cƣờng

43

Hình 3.11.

Cầu Hội Yên sau sửa chữa và mở rộng

44

Hình 3.12.

Mặt cắt ngang cầu trên trụ và mố sau sửa chữa và mở rộng

45

Hình 3.13.

Gia cƣờng dầm chủ bằng FRP

46

Hình 3.14.

Hệ thống lan can tay vịn cầu cũ

46

Hình 3.15.

Hệ thống lan can tay vịn thay mới

47

Hình 3.16.

Xe thử tải cầu 13T

47

Hình 3.17:

Xếp tĩnh tải và thiết bị đo tại giữa nhịp 1 v 2 theo phƣơng dọc
cầu

48

Hình 3.18:

Xếp tĩnh tải và thiết bị đo tại giữa nhịp 1 v 2 theo phƣơng
ngang cầu

48

Hình 3.19:

Chất xe trên nhịp 1

49

C
C

R
L
.

T
U

D


Hình 3.20:

Chất xe trên nhịp 2

50

Hình 3.21.

Biển cắm tải trọng hợp ph p sau gia cƣờng

53

Hình 3.22.

Biển cắm tải trọng đề xuất sau gia cƣờng

53

C
C

U
D

R
L
.
T


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay các công trình xây dựng phục vụ dân sinh sau một thời gian đƣa v o
sử dụng, một số cơng trình đã uống cấp cần có biện pháp sửa chữa, cải tạo và nâng
cấp. Nguyên nhân dẫn đến những hỏng hóc và cơng trình xuống cấp có thể do ngun
nhân chủ quan v nguy n nh n h c quan nhƣ sau:
Nguyên nhân chủ quan:
+ Trong quá trình thiết kế chƣa đồng bộ các quy chuẩn, tiêu chuẩn; áp dụng các
quy chuẩn về tải trọng và dự báo tải trọng chƣa hợp lý.
+ Trong q trình thi cơng các hạng mục thi cơng chƣa đúng với hồ sơ thiết kế,
quy trình, quy phạm. Cơng t c gi m s t qu trình thi công chƣa đƣợc quan t m đúng
mức.
+ Công tác duy tu, bảo dƣỡng cơng trình cầu theo định kỳ chƣa có.
Nguyên nhân khách quan:
+ Những yếu tố về ảnh hƣởng mơi trƣờng làm việc của các cơng trình dẫn đến
hiện tƣợng các cơng trình bị ăn mịn g y ra những hƣ hỏng trƣớc thời hạn nhƣ thiết kế

C
C

R
L
.
T

ban đầu.
+ Do nhu cầu vận tải và trọng tải của c c phƣơng tiện giao thơng tăng cao, dẫn
đến tình trạng cầu thƣờng xuyên làm việc quá tải.
Điều này dẫn đến sự xuống cấp, hƣ hỏng của cầu, cầu hông đủ khả nẵng đảm

bảo đƣợc nhu cầu cấp thiết về vận chuyển h ng hóa cũng nhƣ tồn tại nguy cơ tiềm ẩn
gây mất an tồn giao thơng.
Tr n cơ sở đó, việc đ nh gi hiện trạng v đề xuất giải pháp thiết kế nâng cao
năng lực chịu tải của cầu Hội Yên, thuộc huyện Hòa Vang, TP. Đ Nẵng là rất cần
thiết và cấp bách.

U
D

2. Đối tƣợng nghiên cứu
C c cơ sở lý thuyết, mơ hình tính tốn lý thuyết tăng cƣờng cho dầm BTCT
bằng công nghệ dán tấm dẻo sợi carbon.
Nghiên cứu sử dụng công nghệ dán tấm dẻo sợi carbon để tăng cƣờng khả năng
chịu lực cho kết cấu dầm BTCT.
3. Phạm vi nghiên cứu
Đ nh gi năng lực chịu tải và nâng cao khả năng chịu lực của cầu bằng biện pháp
gia cƣờng dán sợi FRP cho cầu Hội Yên, huyện Hòa Vang, TP Đ Nẵng.
Đề xuất các giải pháp thiết kế nâng cấp sửa chữa cho các cầu nói trên.
4. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu quá trình xuống cấp, hƣ hỏng kết cấu BTCT v phƣơng ph p đ nh


2
giá mức độ hƣ hỏng của kết cấu BTCT.
Nghiên cứu c c đặc trƣng cơ học của vật liệu FRP v đ nh gi những ƣu điểm
của vật liệu FRP so với các vật liệu truyền thống.
Đ nh gi năng lực chịu tải của cầu
Tính tốn hiệu quả dầm BTCT tăng cƣờng tấm sợi FRP.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phƣơng ph p nghi n cứu thực nghiệm kết hợp với lý thuyết. Trong đó:

- Phƣơng ph p thực nghiệm: đƣợc áp dụng để thực hiện c c phép đo phục vụ
c định năng lực chịu tải thực tế của cầu.
- Phƣơng ph p lý thuyết: xây dựng mơ hình tính tốn lý thuyết nhằm đ nh gi
năng lực của kết cấu cầu và lựa chọn giải pháp thiết kế đ p ứng nhu cầu kinh tế - kỹ
thuật.
6. Cấu trúc của luận văn
Để đạt đƣợc mục tiêu nêu trên, luận văn trình b y trong 03 chƣơng
Phần mở đầu

C
C

R
L
.
T

Chƣơng 1: Tổng quan về cơng trình cầu Hội n và vật liệu sợi FPR.
Chƣơng 2: Đ nh gía năng lực chịu tải của cầu Hội Y n v cơ sở lý thuyết tính
to n gia cƣờng cầu bằng vật liệu FRP
Chƣơng 3: Tính to n tăng cƣờng sức kháng uốn, sức kháng cắt của dầm cầu
Hội Yên bằng tấm sợi FRP v so s nh đ nh gi với số liệu ban đầu.
Kết luận và Kiến nghị

U
D


3
CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CƠNG TRÌNH CẦU HỘI N VÀ VẬT LIỆU
SỢI FPR
1.1. GIỚI THIỆU VỀ CẦU HỘI YÊN
1.1.1. Tiêu chuẩn thiết kế ban đầu
Cầu Hội Yên thuộc huyện Hòa Vang, thành phố Đ Nẵng với quy mô và tiêu
chuẩn kỹ thuật sau đ y:
- Quy mô
: Vĩnh cửu bằng BTCT.
- Tải trọng thiết kế

: 0,5HL93.

- Cấp động đất

: Động đất cấp 7 (A = 0,1).

- Bề rộng cầu
- Tần suất thiết kế

: B = 0,5 + 3,0 + 0,5 = 4,0m.
: P = 15%.

C
C

1.1.2. Giải pháp kết cấu cầu
1.1.2.1 Kết cấu thượng bộ
- Kết cấu nhịp bằng dầm giản đơn BTCT thƣờng 40MPa dạng chữ T, chiều dài
dầm L=18m; cắt ngang nhịp bố trí 2 dầm, chiều cao dầm h = 1,28m.

- Các dầm đƣợc liên kết với nhau thông qua mối nối và dầm ngang
- Lớp phủ mặt cầu bằng BTN hạt trung dày 7cm, lớp phòng nƣớc dạng màng
phun.

R
L
.
T

- Gối cầu bằng thép.

U
D

- Ống tho t nƣớc bằng thép mạ kẽm 100.
- Lan can, tay vịn bằng BTCT.
1.1.2.2. Kết cấu hạ bộ
- Tồn cầu có 2 mố và 1 trụ.
- Mố cầu dạng mố tƣờng chữ U bằng BTCT 20Mpa,
- Bản dẫn bằng BTCT 20MPa đổ tại chỗ KT(3x3x0,2)m.
- Trụ dạng trụ đặc thân hẹp chữ T bằng BTCT
- Gia cố tứ nón bằng đ hộc xây vữa M100 trên lớp dăm sạn đệm dày 10cm.


4

bố trí chung cầu

C
C

Hỡnh 1.1. B trớ chung cu

R
L
.
T

cắt ngang t¹i trơ

U
D

Hình 1.2. Mặt cắt ngang cầu tại trụ


5
cắt ngang tại mố

Hỡnh 1.3. Mt ct ngang cu ti mố

C
C

1.2. TÌNH TRẠNG, CHẤT LƢỢNG CẦU
1.2.1. Các hƣ hỏng và sự cố cầu Hội Yên
1.2.1.1. Kết cấu nhịp
- C c ích thƣớc hình học nhƣ chiều cao, chiều rộng, chiều dài, khoảng cách
của các kết cấu dầm chủ cơ bản đảm bảo theo đồ án thiết kế. Bề rộng phần đƣờng xe

R
L
.
T

chạy có sự sai khác 5cm.

U
D

- Dầm BTCT bị sứt mẻ cục bộ, bề mặt không phẳng, không nhẵn (Hình 1.4).
- Khe biến dạng cơ bản bị hƣ hỏng nặng, gây nguy hiểm cho phƣơng tiện lƣu
thơng trên cầu.

Hình 1.4. Bê tông dầm chủ bị sứt mẻ cục bộ, không bằng phẳng


6

Hình 1.5. Khe co giãn bị hư hỏng
1.2.1.2. Kết cấu mố trụ
- C c ích thƣớc hình học của các kết cấu mố trụ cơ bản đảm bảo theo đồ án
thiết kế.
- Hình dáng bên ngồi mố trụ cơ bản nhẵn và phẳng, chƣa thấy có vấn đề khác
thƣờng.

C
C

R

L
.
T

1.2.1.3. Các kết cấu khác
- Kết cấu lan can, tay vịn làm việc bình thƣờng.
- Gối cầu làm việc bình thƣờng. Tuy nhiên, xung quanh gối cầu có nhiều rác
bẩn, ẩm ƣớt.

U
D

- Khe biến dạng cơ bản ở trạng thái làm việc bình thƣờng.
- Lớp phủ mặt cầu bình thƣờng.
1.3. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU FRP
1.3.1 Đặc tính cấu tạo của tấm composite
1.3.1.1. Nhựa nền
Chất kết dính đƣợc sử dụng để gắn kết tấm vật liệu composite và bề mặt bê
tông của cấu kiện. Chất kết dính cung cấp đƣờng dẫn tải trọng cắt giữa bề mặt bê tông
và hệ thống gia cƣờng tấm vật liệu composite. Chất kết dính cũng đƣợc sử dụng để
gắn các lớp vật liệu composite lại với nhau. Vật liệu kết dính đƣợc dùng là keo epoxi,
polyester khơng no hoặc tƣơng tự. Để đóng rắn nhựa nền các chất úc t c đƣợc sử
dụng theo h m lƣợng phù hợp.
1.3.1.2. Cốt sợi
Các cốt sợi thủy tinh, aramid v c c bon thƣờng đƣợc sử dụng với hệ thống gia
cƣờng bằng vật liệu composite. Các cốt sợi này giúp cho hệ thống gia cƣờng về mặt
cƣờng độ v độ cứng.


7

1.3.1.3. Lớp áo bảo vệ
Lớp áo bảo vệ giúp giữ gìn cốt vật liệu gia cƣờng đã đƣợc kết dính khỏi các tổn
hại tiềm năng do t c động môi trƣờng v cơ học. Lớp bảo vệ đƣợc sử dụng ở bề mặt
ngoài của hệ thống gia cƣờng; Chúng bao gồm keo epoxy hoặc tƣơng tự, hệ thống kết
dính, lớp bảo vệ chống cháy, tạo màu sắc thẩm mỹ,...
Nhƣ vậy, độ bền cũng nhƣ hả năng chịu lực của vật liệu composite sẽ phụ
thuộc chủ yếu vào các thành phần chính sau:
- Vật liệu tạo cốt sợi
- Nhựa nền, có thể pha thêm chất độn
- Keo dính giữa lớp vật liệu gia cƣờng và bề mặt bê tơng
Ngồi ra, cách gia cố, cách bố trí vật liệu cũng có ảnh hƣởng tới hiệu quả của
việc gia cƣờng.
1.3.2. Đặc tính vật lý của vật liệu composite
1.3.2.1. Khối lượng riêng
Vật liệu composite có khối lƣợng riêng trong khoảng từ 1,2 tới 2,1 g/cm3, theo

C
C

R
L
.
T

đó nhỏ hơn thép từ 4 đến 6 lần tùy thuộc vào loại cốt sợi hoặc chất độn, xem Bảng 1.1.
Việc giảm khối lƣợng riêng giúp giảm giá thành vận chuyển, giảm phần tĩnh tải gia tăng
của kết cấu và có thể dễ dàng xử lý vật liệu ở công trƣờng.
Bảng 1.1. Khối lượng riêng của các loại vật liệu composite (g/cm3)[11]

U

D

Thép

Cốt sợi thủy tinh

7,9

1,2-2,1

Cốt sợi các bon

Cốt sợi aramid

1,5-1,6

1,2-1,5

1.3.1.2. Hệ số dãn nở nhiệt
Hệ số dãn nở nhiệt của vật liệu composite chịu lực mỗi chiều khác nhau theo
phƣơng dọc và ngang tùy thuộc vào kiểu loại cốt sợi, cách dệt, loại nhựa nền và tỷ lệ
cốt sợi.
Bảng 1.2. Hệ số dãn nở nhiệt của các loại vật liệu composite [11]
Thép

Hệ số dãn nở nhiệt (× 10-6/°C)
GFRP

CFRP

AFRP

Theo chiều dọc, DL

6 tới 10

–1 tới 0

–6 tới –2

Theo chiều ngang, DT

19 tới 23

22 tới 50

60 tới 80

Ghi chú: đây là các giá trị điển hình đối với hàm lượng thể tích cốt sợi thay đổi
trong phạm vi 0,5 tới 0,7


8
1.3.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ cao
Phụ thuộc vào nhiệt độ giới hạn của vật liệu kết dính Tg, mơ đun đ n hồi của
vật liệu polymer bị giảm đ ng ể do sự thay đổi cấu trúc vật liệu của nó. Giá trị của
Tg phụ thuộc vào dạng chất dính kết nhƣng thơng thƣờng nằm trong khoảng từ
60°C tới 82°C. Các kết quả thí nghiệm cho thấy, ở nhiệt độ 250°C (cao hơn nhiều
so với nhiệt độ giới hạn Tg của vật liệu kết dính) sẽ làm giảm cƣờng độ chịu kéo
của các vật liệu cốt sợi thủy tinh cũng nhƣ của các vật liệu cốt sợi các bon tới 20%.

C c đặc tính khác bị t c động bởi sự truyền lực cắt qua phần vật liệu kết dính,
chẳng hạn nhƣ cƣờng độ chịu uốn, sẽ bị giảm ở nhiệt độ thấp.
Lực dính bám mặt tiếp xúc giữa bê tông và vật liệu composite là rất quan trọng.
Ở nhiệt độ gần với giá trị nhiệt độ tới hạn của vật liệu kết dính Tg, c c đặc tính cơ học
của vật liệu composite bị giảm nhiều và mất khả năng chuyển đổi ứng suất từ bê tông
sang vật liệu gia cƣờng.
1.2.3.3 Đặc tính cơ học
a) Cường độ chịu kéo

C
C

R
L
.
T

Ứng xử kéo của vật liệu này đƣợc biểu diễn bằng quan hệ ứng suất - biến dạng
đ n hồi tuyến tính đến khi bị phá hoại, v trong trƣờng hợp này sự phá hoại l đột ngột
và giòn.
Cƣờng độ chịu éo v độ cứng của vật liệu cốt sợi composite phụ thuộc vào
nhiều tham số. Vì các sợi là thành phần chịu tải chính, nên kiểu cốt sợi, chiều sắp xếp
của cốt sợi, lƣợng cốt sợi v phƣơng ph p cũng nhƣ điều kiện chế tạo cốt sợi ảnh

U
D

hƣởng tới đặc tính chịu kéo của vật liệu này.
b) Ứng xử nén
Mô đun đ n hồi nén thƣờng nhỏ hơn so với mô đun đ n hồi kéo. Các kết quả thí

nghiệm với composite cốt sợi thủy tinh h m lƣợng 55-60% trên nền nhựa
polyester cho thấy mô đun đ n hồi có giá trị trong khoảng từ 34000 Mpa đến 48000
MPa. Mô đun đ n hồi nén xấp xỉ 80% mô đun đ n hồi éo đối với vật liệu GFRP, 85%
đối với CFRP v 100% đối với AFRP[11].
1.2.3.4 Ứng xử theo thời gian của kết cấu sau gia cường
a) Phá hoại do từ biến
Vật liệu composite chịu một tải trọng là hằng số sau một thời gian có thể bị phá
hủy. Thời gian n y đƣợc gọi là tuổi thọ của vật liệu. Dạng phá hoại n y đƣợc gọi là
phá hoại từ biến. Tuổi thọ giảm trong điều kiện môi trƣờng nhiệt độ tăng, t c động của
tia tử ngoại, hoặc chịu t c động khô ẩm liên tục.
Cốt sợi các bon ít bị phá hoại do từ biến ít nhất. Cốt sợi aramid ở mức trung
bình và cố sợi thủy tinh có nguy cơ cao nhất. Các nghiên cứu về phá hoại từ biến đƣợc


9
thực hiện với cốt sợi thủy tinh, aramid và các bon với nhiều mức tải trọng khác nhau ở
nhiệt độ phịng cho thấy có quan hệ tuyến tính giữa cƣờng độ phá hoại do từ biến và
logarithm của thời gian. Tỷ số ứng suất tại thời điểm phá hoại sau 50 năm so với ứng
suất tới hạn khởi điểm của vật liệu GFRP, AFRP và CFRP lần lƣợt khoảng 0,3, 0,5 và
0,9.
b) Phá hoại do mỏi
Các thí nghiệm cho thấy vật liệu composite có độ bền tƣơng tự nhƣ c c vật
liệu kim loại[11]. Để đảm bảo tuổi thọ mỏi trong hai th c, bi n độ ứng suất trong
vật liệu dƣới tác dụng của tải trọng thƣờng đƣợc khống chế. Nhờ vật liệu có cƣờng
độ chịu kéo cao, nên những yêu cầu về độ bền mỏi dễ d ng đƣợc đảm bảo.

C
C

U

D

R
L
.
T


10

KẾT LUẬN CHƢƠNG 1
Qua kết quả kiểm tra khảo sát các cầu Hội Yên cho thấy rằng các cầu BTCT có
c c hƣ hỏng phổ biến đó l lớp bê tơng bảo vệ mặt cầu bị bong tróc, hƣ hỏng cục bộ,
bề mặt không phẳng, không nhẵn; dầm BTCT bị nứt, vết nứt phát triển từ đ y dầm đến
trục trung hịa, độ võng các dầm hơng đều nhau.
Từ những kết quả khảo s t c c hƣ hỏng nêu trên, việc đ nh gi năng lực chịu tải
của cầu để có giải pháp sửa chữa, nâng cấp là rất cần thiết trong giai đoạn hiện nay;
đồng thời đ nh gi lại việc cắm biển tải trọng cầu tại thời điểm khảo sát so với QCVN
41:2016/BGTVT của Bộ GTVT để các loại xe có số lƣợng trục khác nhau, có tải trọng
khác nhau có thể hợp pháp qua cầu mà khơng gây nguy hiểm cho kết cấu. Từ đó, đề
xuất các giải pháp nâng cấp sửa chữa.

C
C

U
D

R
L

.
T


11
CHƢƠNG 2

ĐÁNH GÍA NĂNG LỰC CHỊU TẢI CỦA CẦU HỘI N VÀ CƠ SỞ
LÝ THUYẾT TÍNH TỐN GIA CƢỜNG CẦU BẰNG
VẬT LIỆU FRP
2.1. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CẦU [2]
Theo tiêu chuẩn AASHTO, đối với cơng trình cầu đƣờng bộ hiện nay có 3
phƣơng ph p đã dùng để đ nh gi tải trọng:
- Đ nh gi theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng (LRFR) [2].
- Đ nh gi theo ứng suất cho phép (ASR) [2].
- Đ nh gi theo hệ số tải trọng (LFR) [2].
Về nguyên tắc, bất kỳ phƣơng ph p n o cũng có thể dùng để đ nh gi tải trọng
khai thác của cầu. Tuy nhiên, ở Việt Nam phƣơng ph p đ nh gi theo hệ số tải trọng
và hệ số sức kháng (LRFD) là phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 nên
đƣợc áp dụng rộng rãi.

C
C

R
L
.
T

Thông thƣờng hi đ nh gi cầu chỉ xét tải trọng thƣờng xuyên và tải trọng xe.

Không xét va xô của tầu, thuyền, gió, lũ, hỏa hoạn, động đất. Các cầu nhịp lớn, cầu
di động và các cầu phức tạp cần bổ sung th m ti u chí đ nh gi nếu cần thiết.

U
D

2.1.1. Đánh giá cầu theo hệ số sức kháng và hệ số tải trọng [2]
Đ nh gi cầu theo hệ số sức kháng và hệ số tải trọng bao gồm ba nội dung:
- Đ nh gi tải trọng thiết kế.
- Đ nh gi tải trọng hợp pháp.

- Đ nh gi tải trọng cấp phép.
Trong phạm vi đề tài chỉ chú trọng đến hai cấp đ nh gi tải trọng l đ nh gi tải
trọng thiết kế v đ nh gi tải trọng hợp ph p để đ nh gi tải trọng cầu phục vụ cắm
biển hạn chế tải trọng cầu theo QCVN41:2016/BGTVT. Khi cần đ nh gi tải trọng cấp
phép thì thực hiện theo Hƣớng dẫn đ nh gi cầu AASHTO 2014.
2.1.1.1. Đánh giá tải trọng thiết kế
Theo phƣơng ph p đ nh gi cầu theo hệ số tải trọng và sức kháng, tải trọng
đ nh gi cấp thiết kế là hoạt tải HL93. Tải trọng đ nh gi cấp thiết kế đƣợc đ nh gi ở
02 cấp độ:
- Độ tin cậy ở cấp độ thiết kế Inventory Rating (viết tắt là IR) kết cấu cầu có thể
sử dụng cầu an toàn trong tuổi thọ thiết kế.
- Độ tin cậy cấp thấp hơn Operating Rating (viết tắt l OR) l đ nh gi với hoạt
tải cho phép lớn nhất có thể qua cầu, khi khai thác không giới hạn ở cấp độ OR sẽ làm


12
giảm tuổi thọ của cơng trình cầu.
Các cầu đạt với kiểm toán hoạt tải thiết kế ở cấp độ IR (hệ số đ nh gi RF ≥ 1)
thì cũng đạt hi đ nh gi cho tải trọng thiết kế cấp OR và mọi tải trọng hợp pháp.Hệ số

RF đƣợc c định nhƣ sau:

RF 

C   DC DC   DW DW   P P
 LL 1  IM  LL

Trong đó:

 DC

(2.1)

là hệ số tải trọng của trọng lƣợng bản thân kết cấu;

 DW là hệ số tải trọng của trọng lƣợng lớp phủ mặt cầu;
P
là hệ số tải trọng của tải trọng thƣờng xuyên không phải của kết cấu;

 LL

là hệ số tải trọng của hoạt tải;

DC

làhiệu ứng do tải trọng bản thân kết cấu gây ra;

DW

làhiệu ứng do tải trọng lớp phủ mặt cầu gây ra;

P

làhiệu ứng do tải trọng thƣờng xuyên không phải kết cấu gây ra;

LL

làhiệu ứng do hoạt tải gây ra;

IM

làtải trọng xung kích.

C
C

R
L
.
T

U
D

2.1.1.2. Đánh giá tải trọng hợp pháp
Tải trọng hợp pháp là các xe 3, 3-S2 và 3-3, cụ thể nhƣ sau:
- Xe 3 có ba trục, chiều d i cơ sở 5,7m, tải trọng 223kN;
- Xe 3-S2 có 5 trục, chiều d i cơ sở 12,5m, tải trọng 321kN;
- Xe 3-3 có 6 trục, chiều d i cơ sở 16,5m, tải trọng 356kN.
Khi đ nh gi tải trọng hợp pháp (xe 3, 3-S2 và 3-3), nếu chiều dài nhịp lớn hơn

24m thì ngồi xe hợp pháp cịn có các xe khác trên nhịp, tải trọng của c c e n y đƣợc
thay bằng tải trọng làn lấy là 3kN/m.[2]
Việc đ nh gi tải trọng hợp pháp chỉ tiến hành khi hệ số đ nh gi tải trọng thiết
kế cấp OR nhỏ hơn 1. Khi đó cần phải cắm biển hạn chế tải trọng (biển 505b) theo
QVCN 41-2016.[2]
2.1.1.3. Đánh giá tải trọng cấp phép
Đ y l cấp đ nh gi tải trọng thứ ba, cấp này chỉ áp dụng cho các cầu không
cắm biển hạn chế tải trọng, nghĩa l hi đ nh gi tải trọng thiết kế v đ nh gi tải trọng
hợp pháp có hệ số đ nh gi RF ≥ 1. Đ nh gi tải trọng cấp phép là kiểm tốn sự an
tồn và khả năng chịu tải của cầu trong quá trình cấp phép cho c c phƣơng tiện có tải
trọng vƣợt quá giới hạn cho phép.


13
Ở nƣớc ta hiện nay chỉ có e si u trƣờng, siêu trọng mới xin cấp phép và giấy phép
thƣờng cấp cho một chuyến đi hoặc một số chuyến đi tr n những tuyến nhất định.
Căn cứ vào thông số của xe xin cấp phép (lƣu lƣợng xe qua cầu, cấu hình xe, tải
trọng trục xe, tải trọng tổng cộng, ...) phải tiến hành tính tốn hệ số đ nh gi RF, từ đó
quyết định có cấp phép hay hơng. Khi đ nh gi cầu theo tải trọng cấp phép cũng cần
phải chỉ rõ c c điều kiện giao thông lƣu thông trên cầu (cấm các xe khác qua cầu, hạn
chế tốc độ, ...) phù hợp với mơ hình kiểm to n để đảm bảo an toàn và tuổi thọ cho
cơng trình cầu.
2.1.2. Quy trình đánh giá tải trọng theo phƣơng pháp đánh giá hệ số tải
trọng và hệ số sức kháng[2]
2.1.2.1. Trình tự đánh giá
Có 3 quy trình đ nh gi tải trọng phù hợp với đ nh gi theo hệ số tải trọng và
hệ số sức kháng:
- Đ nh gi tải trọng thiết kế (cấp đ nh gi thiết kế).
- Đ nh gi tải trọng hợp pháp (cấp đ nh gi thứ hai).

C
C

R
L
.
T

- Đ nh gi tải trọng cấp phép (cấp đ nh gi thứ ba).
Mỗi quy trình có một tải trọng cụ thể với các hệ số tải trọng đƣợc hiệu chỉnh
đặc biệt nhằm đảm bảo mức độ tin cậy nhƣ nhau v có thể chấp nhận đƣợc trong mọi
đ nh gi v đƣợc đ nh gi theo trình tự đƣợc thể hiện trên Hình 2.1.

U
D

Hình 2.1. Trình tự đánh giá tải trọng hợp pháp


14
2.1.2.2. Cơng thức đánh giá tải trọng
Cơng thức (2.1) có thể đƣợc viết gọn lại nhƣ sau:
C  DL HL

LL
LL

RF 

Trong đó:

(2.2)

RF
C

= hệ số đ nh giá;
= khả năng chịu tải của bộ phận đ nh gi ;

DL

= hiệu ứng của tải trọng thƣờng xuyên;

LL
HL

= Hiệu ứng của hoạt tải đ nh gi ;
= C – DL là khả năng chịu hoạt tải.

Khi RF ≥ 1 tức là khả năng chịu hoạt tải lớn hơn hoặc bằng hiệu ứng của hoạt
tải, bộ phận đ nh gi

hai th c đƣợc với hoạt tải đ nh gi , tr i lại khi RF < 1 bộ phận

đ nh gi hông hai th c đƣợc với hoạt tải đ nh gi .
Việc đ nh gi tải trọng đƣợc biểu thị tổng qu t nhƣ l một hệ số đ nh gi đối với
một dạng tải trọng động nhất định, sử dụng công thức đ nh gi tổng quát.
Theo AASHTO LRFD, qu trình đ nh gi đƣợc thực hiện tại mỗi trạng thái giới
hạn áp dụng và hiệu ứng tải với giá trị nhỏ nhất c định hệ số đ nh gi điều khiển.
Công thức tổng qu t sau đƣợc sử dụng để c định mức đ nh gi tải trọng của mỗi cấu

kiện đối với một hiệu ứng tải trọng riêng lẽ.

C
C

R
L
.
T

U
D

2.1.3. Tính toán khả năng chịu tải C
Đối với trạng thái giới hạn cƣờng độ, C đƣợc

c định bởi:

C   c  s Rn

(2.3)

Đối với trạng thái giới hạn sử dụng:

C  fr
Trong đó

(2.4)

C

: Hệ số điều kiện;

s

: Hệ số hệ thống ;



: Hệ số sức kháng theo AASHTOLRFD;

Rn
fR

: Sức kháng danh định của cấu kiện
: ứng suất cho phép đƣợc quy định trong Tiêu chuẩn.

Hệ số điều kiện c (Condition factor):
Chỉ có vật liệu tốt dựa vào sự kiểm tra kỹ lƣỡng mới đƣợc xem xét trong việc
c định sức h ng danh định của mặt cắt. Hệ số sức kháng  đƣợc sử dụng trong
đ nh gi giống nhƣ đối với thiết kế mới trong AASHTOLRFD. Phƣơng ph p n y chỉ
có giá trị đối với các cấu kiện trong tình trạng tốt hoặc thoả mãn. Một khi cấu kiện đã
có hƣ hỏng và bắt đầu xuống cấp, sự không chắc chắn v thay đổi sức kháng sẽ thay