Luận văn: Đánh giá chịu tải cầu bê tông cốt thép qua khảo sát và tải trọng xe

Luận văn thạc sĩ phân tích, đánh giá khả năng chịu tải cầu bê tông cốt thép. Bao gồm khảo sát hiện trạng, đo chuyển vị và kiểm toán kết cấu.

• Tác giả: Trần Như Chinh
• Người hướng dẫn: TS. Cao Văn Lâm
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông
• Đề tài: Đánh Giá Năng Lực Chịu Tải Kết Cấu Nhịp Cầu Bê Tông Cốt Thép Thông Qua Khảo Sát Hiện Trạng Và Đo Chuyển Vị Dưới Tác Dụng Của Tải Trọng Xe
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Tổng quan về đánh giá chịu tải cầu bê tông cốt thép

Đánh giá chịu tải cầu BTCT là quá trình quan trọng nhằm xác định khả năng chịu tải của kết cấu nhịp cầu trong điều kiện hoạt động thực tế. Phương pháp này kết hợp khảo sát hiện trạng công trình và đo chuyển vị dưới tác dụng của tải trọng xe để dự đoán sức kháng còn lại. Trên địa bàn tỉnh Khánh Hòa, nhiều công trình cầu bê tông cốt thép đã có tuổi thọ dài và cần được đánh giá năng lực chịu tải định kỳ. Việc áp dụng hệ số tải trọng và hệ số sức kháng giúp kỹ sư xây dựng đưa ra quyết định chính xác về khả năng tiếp tục khai thác hoặc cần nâng cấp công trình. Luận văn thạc sĩ này tập trung vào phương pháp đánh giá thực tiễn thông qua thí nghiệm thực tế trên các cầu Giăng Dây và Bãi Giếng.

1.1. Hiện trạng công trình cầu bê tông cốt thép

Các công trình cầu bê tông cốt thép ở Khánh Hòa hiện đang gặp nhiều hư hỏng phổ biến như nứt dầm, giảm cường độ bê tông và mất lực căng. Khảo sát hiện trạng cho thấy cần thiết phải có phương pháp đánh giá chịu tải khoa học. Những khó khăn trong quản lý bao gồm thiếu tài liệu thiết kế gốc và khó xác định lực căng còn lại trong cáp dự ứng lực.

1.2. Phương pháp đánh giá tải trọng hiện đại

Phương pháp đánh giá tải trọng theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng là cơ sở khoa học để xác định khả năng chịu lực của kết cấu. Kết hợp với đo chuyển vị dưới tác dụng xe thực tế, phương pháp này cho phép dự đoán chính xác lực căng còn lại của dầm bê tông cốt thép dự ứng lực, từ đó đánh giá năng lực chịu tải toàn bộ công trình.

II. Cơ sở lý thuyết đánh giá năng lực chịu tải

Cơ sở lý thuyết cho đánh giá chịu tải cầu BTCT dựa trên các nguyên lý cơ học kết cấu và lý thuyết bê tông cốt thép. Để đánh giá năng lực, cần xác định các thông số kỹ thuật như cường độ bê tông, diện tích bộ công suất, và lực căng còn lại trong cáp. Xác định chuyển vị của dầm chủ dưới tác dụng tải trọng là bước quan trọng để suy ngược lực căng. Phương pháp đo chuyển vị sử dụng thiết bị đo độ chính xác cao như cảm biến laserorng, máy đo độ võng LVDT để thu thập dữ liệu. Thí nghiệm thực tế trên cầu Giăng Dây và cầu Bãi Giếng đã chứng minh hiệu quả của phương pháp này trong đánh giá chịu tải công trình cầu cũ.

2.1. Xác định lực căng còn lại trong dầm

Lực căng còn lại trong cáp dự ứng lực là yếu tố quyết định khả năng chịu tải của dầm. Thông qua đo chuyển vị dưới tải trọng nhẹ, có thể sử dụng công thức cơ học để suy ngược lực căng. Độ võng của dầm do bản thân trọng lượng và do cáp dự ứng lực gây ra có mối quan hệ toán học rõ ràng.

2.2. Kiểm toán theo trạng thái giới hạn

Kiểm toán năng lực chịu tải theo hai trạng thái: trạng thái giới hạn cường độ (ULS) và trạng thái giới hạn sử dụng (SLS). Đánh giá chịu tải phải đảm bảo kết cấu không bị phá hủy và không có nứt quá mức cho phép, thỏa mãn yêu cầu an toàn và độ bền.

III. Phương pháp đo chuyển vị thực tế

Đo chuyển vị là phương pháp thực nghiệm quan trọng để đánh giá chịu tải cầu BTCT trực tiếp trên công trình. Quá trình thí nghiệm đo chuyển vị thực hiện bằng cách sử dụng xe tải chuẩn có tải trọng xác định chạy qua cầu, đồng thời ghi nhận độ võng tại vị trí giữa nhịp cầu. Các thiết bị đo hiện đại như cảm biến LVDT, máy đo laser độ chính xác cao cho phép thu thập dữ liệu chuyển vị với sai số nhỏ. Khảo sát hiện trạng kết hợp với đo chuyển vị giúp xác định tình trạng thực tế của kết cấu, từ đó đánh giá năng lực một cách khoa học và chính xác. Trên cầu Giăng Dây và cầu Bãi Giếng, kết quả đo chuyển vị cho thấy sức kháng của kết cấu vẫn đảm bảo an toàn hoạt động.

3.1. Quy trình thí nghiệm đo chuyển vị

Quy trình đo chuyển vị bao gồm: chuẩn bị thiết bị đo, lắp đặt cảm biến tại mặt cắt giữa nhịp, ghi nhận độ võng ban đầu, chạy xe tải thí nghiệm qua cầu, ghi nhận độ võng cực đại, và phân tích dữ liệu. Đánh giá chịu tải dựa trên mối quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị.

3.2. Phân tích kết quả đo chuyển vị

Kết quả đo chuyển vị được so sánh với giá trị lý thuyết để xác định lực căng còn lại. Nếu độ võng thực tế nhỏ hơn lý thuyết, chứng tỏ cáp dự ứng lực vẫn hoạt động tốt. Đánh giá năng lực chịu tải từ đây trở thành cơ sở để quyết định tiếp tục khai thác công trình.

IV. Kết quả đánh giá chịu tải hai công trình cầu

Kết quả đánh giá chịu tải trên cầu Giăng Dây và cầu Bãi Giếng cho thấy năng lực chịu tải của hai công trình vẫn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật. Khảo sát hiện trạng phát hiện các vị trí nứt nhỏ nhưng không ảnh hưởng đến sức kháng chính. Thông qua đo chuyển vị dưới tác dụng của xe tải 15 tấn, độ võng đo được tương đối nhỏ, cho thấy lực căng còn lại trong cáp dự ứng lực vẫn ở mức tốt. Đánh giá năng lực theo trạng thái giới hạn cường độ và sử dụng cho kết quả tích cực. Tuy nhiên, công trình cần bảo dưỡng định kỳ và giám sát tiếp tục để đảm bảo an toàn dài hạn.

4.1. Kết quả đánh giá cầu Giăng Dây

Cầu Giăng Dây có khả năng chịu tải tốt với hệ số RF đạt 0.85, đảm bảo yêu cầu an toàn. Đo chuyển vị cho độ võng 8.5mm dưới tải trọng xe tiêu chuẩn. Lực căng còn lại trong cáp dự ứng lực được xác định khoảng 60% lực ban đầu, cho phép tiếp tục khai thác.

4.2. Kết quả đánh giá cầu Bãi Giếng

Cầu Bãi Giếng cũng có năng lực chịu tải chấp nhận được với hệ số RF = 0.82. Đo chuyển vị ghi nhận 9.2mm, cao hơn cầu Giăng Dây do lực căng thấp hơn. Đánh giá chịu tải khuyến nghị tăng cường giám sát định kỳ và hạn chế tải trọng vượt tiêu chuẩn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Phần mở đầu Chƣơng 1: Tổng quan về hiện trạng cầu BTCT trên địa bàn tỉnh Khánh Hòa Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết đánh giá năng lực chịu tải kết cấu nhịp của cầu BTCT Chƣơng 3: Đánh giá năng lực chịu tải kết cấu nhịp của cầu Bãi Giếng và cầu Giăng Dây Kết luận và kiến nghị 7. Tổng quan tài liệu nghiên cứu: - Các tài liệu nghiên cứu đƣợc tìm trên thƣ viện và mạng Internet về chuyển vị của dầm cầu và lực căng còn lại của cáp DƢL 3 8. Ý nghĩa thực tế của đề tài - Đề tài nghiên cứu thực trạng cầu Bãi Giếng và cầu Giăng Dây, đƣa ra các biện pháp khai thác sử dụng cầu hiệu quả, làm tăng tuổi thọ công trình. TỔNG QUAN VỀ HIỆN TRẠNG CẦU BÊTÔNG CỐT THÉP TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH KHÁNH HÒA 1.1 Tổng quan chung về các công trình giao thông và công tác quản lý công trình cầu ở Khánh Hòa.

Khánh Hòa là một trong những tỉnh có hệ thống giao thông đƣờng bộ, đƣờng sắt, đƣờng thủy và hàng không phát triển. Về giao thông đƣờng bộ, trên địa bàn tỉnh có nhiều tuyến đƣờng giao thông huyết mạch, phải kể đến là quốc lộ 1A – trục giao thông chính ven bờ biển, nối liền các tỉnh phía Bắc với phía Nam. Bên cạnh là quốc lộ 26 và Quốc lộ 27 kết nối, lƣu thông đến khu vực Tây Nguyên và các tỉnh lân cận. Về giao thông đƣờng sắt, Khánh Hòa có hệ thống giao thông đƣờng sắt rất phát triển và lâu đời.

Thời Pháp thuộc đã lựa chọn Nha Trang là địa bàn bảo hộ và cho xây dựng nhiều tuyến đƣờng sắt. Đến tận ngày nay giao thông đƣờng sắt vẫn đƣợc duy trì và đƣợc nâng cấp, cải tạo. Trên địa bàn tỉnh có 12 ga tàu lớn nhỏ khác nhau phân đố đồng đều tại các huyện thành phố, thị xã. Bên cạnh hệ thống giao thông đƣờng sắt và đƣờng bộ phát triển, Khánh Hòa còn có tiềm năng phát triển giao thông đƣờng thủy.

Vịnh Nha Trang tƣơng đối kín gió, nƣớc sâu thích hợp cho việc xây dựng cảng lớn và neo đậu tàu thuyền có tải trọng lớn. Hiện tại, Khánh Hòa có 5 cảng biển trong đó cảng Vân Phong và cảng Cam Ranh có quy mô lớn nhất. Về giao thông hàng không, sân bay quốc tế Cam Ranh đã đƣợc đầu tƣ và nâng cấp từ nhiều năm về trƣớc. Tính đến thời điểm hiện tại sân bay phục vụ hơn 8,5 triệu lƣợt khách trong năm 2018 và dự kiến trong năm 2019 đạt hơn 10 triệu lƣợt khách.

Nhiều hãng hàng không đã đặt đƣờng bay tại đây với nhiều chuyến bay nội địa và quốc tế. Trong khoảng 25 năm trở lại đây nhiều công trình cầu đã đƣợc xây dựng mới và mở rộng đáp ứng các tiêu chu n kỹ thuật hiện đại trên các tuyến Quốc lộ và Tỉnh lộ. Nhƣ cầu Sông Khế, Cầu Sông Cầu trên Quốc lộ 27C, Cầu Lùng, cầu vƣợt đƣờng sắt thị trấn Ninh Hòa, thị trấn Vạn Giã, cầu Rọ Tƣợng trên Quốc lộ 1, Cầu Sơn Bình trên đƣờng Tỉnh lộ 9, cầu Phú Cốc trên đƣờng Hƣơng lộ 39…. Kết nối giao thông giữa những vùng bị ngăn cách, góp phân th c đ y kinh tế xã hội những vùng này phát triển.

Nổi bật có thể kể ra đây là cầu Trần Phú bắc qua sông Cái n m trên tuyến đƣờng giao thông ven biển, kết nối giao thông từ Phía bắc vào trung tâm thành phố Nha Trang. Từ khi đƣợc hoàn thành bàn giao đƣa vào sử dụng cầu Trần Ph đã làm cho tuyến giao thông ven biển của thành phố Nha Trang đƣợc xuyên suốt và là con đƣờng có nhiều cảnh quan đẹp, góp phần phát triển du lịch, th c đ y cho sự phát triển kinh tế, xã hội tỉnh Khánh Hòa. 1 Bản đồ quy hoạch giao thông tỉnh Khánh Hoà Nổi bật có thể kể ra đây là cầu Trần Phú bắc qua sông Cái n m trên tuyến đƣờng giao thông ven biển, kết nối giao thông từ Phía bắc vào trung tâm thành phố Nha Trang. Từ khi đƣợc hoàn thành bàn giao đƣa vào sử dụng cầu Trần Ph đã làm cho tuyến giao thông ven biển của thành phố Nha Trang đƣợc xuyên suốt và là con đƣờng có nhiều cảnh quan đẹp, góp phần phát triển du lịch, th c đ y cho sự phát triển kinh tế, xã hội tỉnh Khánh Hòa.

2 Cảnh quan cầu Trần Phú Hình 1. 3 Cầu Trần Phú bắc qua sông Cái, nằm trên tuyến đường ven biển nằm tại vị trí cửa ngõ Phía Bắc thành phố Nha Trang Cầu Bình Tân vị trí cửa ngõ phía Nam thành phố Nha Trang, n m trên tuyến đƣờng huyết mạch kết nối với sân bay quốc tế Cam Ranh, các Khu du lịch ven Biển phía Nam thành phố Nha Trang. 4 Cầu Bình Tân bắc qua sông Quán Trường, tại vị trí cửa ngõ Đông Nam TP Nha Trang.2 Hiện trạng các công trình cầu và những khó khăn trong công tác quản lý các công trình cầu trên địa bàn tỉnh Khánh Hòa 1.1 Hiện trạng các công trình cầu trên địa bàn tỉnh Khánh Hòa Hiện nay, trên địa bàn tỉnh Khánh Hòa gồm có 102 cầu trên các tuyến Tỉnh lộ và 72 cầu trên các tuyến Quốc lộ. Các cầu xây dựng qua nhiều thời kỳ khác nhau.

Các cầu xây dựng từ 1975 - 1995 thƣờng có tải trọng H13 khổ hẹp từ 4 - 6m. Các cầu xây dựng từ 1995 đến nay có tải trọng lớn hơn và khổ lớn hơn. Hệ thống cầu trên địa bàn tỉnh Khánh Hòa có số lƣợng tƣơng đối lớn nhƣng phân bố không đồng đều, đƣợc xây dựng qua nhiều năm, kết cấu đơn giản, chủ yếu cầu bản BTCT và cầu dầm BTCT và dầm thép liên hợp với bản BTCT. Qua quá trình khai thác sử dụng nhiều cầu đã hỏng, xuống cấp cần phải đƣợc cải tạo sửa chữa nâng cấp để đảm bảo an toàn công trình, an toàn giao thông vận tải.

Một số tuyến đƣờng đã đƣợc thiết kế và thi công mới một số công trình cầu với quy mô tải trọng là HL93. Đối với các tuyến Tỉnh lộ thì 83 cầu đánh giá là yếu, trong quá trình khai thác phải cắm biển hạn chế tải trọng từ 8T-15T và 12 cầu đối với các tuyến Quốc lộ phải tiến hành gia cố, sửa chữa nâng cấp cầu. 8 120 100 80 60 Tổng số cầu Cầu yếu 40 20 0 Tỉnh lộ Quốc lộ Hình 1. 5Tỷ lệ cầu yếu trên các tuyến giao thông tỉnh Khánh Hòa Do điều kiện địa hình kinh tế, xã hội trên đƣờng sắt và đƣờng bộ nƣớc ta có nhiều cầu với quy mô không lớn, có đặc tính kỹ thuật thấp, đã đƣợc xây dựng từ khá lâu, trải qua thời gian dài khai thác, chịu ảnh hƣởng nhiều của thời tiết khắc nghiệt cũng nhƣ do chiến tranh nên đã bị hƣ hỏng xuống cấp Nhiều cầu BTCT cũ đã xuất hiện nhiều vết nứt, bị phá hủy lớp bảo hộ, hƣ hại liên kết ngang Vì vậy thƣờng xuyên không đảm bảo điều kiện an toàn cho vận tải.

6 Hư hỏng dầm cầu do bị bong tróc lớp bê tông Hình 1. 7 Hư hỏng đầu dầm 9 Hình 1. 8 Hư hỏng gối cầu Hình 1. 9 Hư hỏng trụ cầu Hình 1.

10 Thân trụ bị nước biển ăn mòn Việc quản lý và khai thác các công trình cầu trên địa bàn tỉnh Khánh Hòa tƣơng đối hệ thống, Sở Giao thông Vận tải ủy quyền cho Công ty CP Quản lý & Xây dựng giao thông Khánh Hòa đối với các tuyến Tỉnh lộ và Cục quản lý đƣờng bộ III.3 ủy quyền cho Công ty CP Quản lý & Xây dựng đƣờng bộ Khánh Hòa đối với các tuyến 10 Quốc lộ. Việc kiểm tra công trình thông thƣờng chỉ b ng phƣơng pháp b ng mắt và trên bề mặt cầu, chỉ khi qua các đợt mƣa lớn mới kiểm tra các cấu kiện phía dƣới cầu nhƣ dầm, mố, trụ… Mục tiêu của công tác kiểm tra thƣờng xuyên nh m duy tu công trình, phát hiện những bộ phận không bình thƣờng để xử lý hoặc báo cáo cấp trên tìm cách xử lý. Đây là công việc phải làm thƣờng xuyên. Thời hạn kiểm tra thƣờng xuyên: trong 2 năm đầu cứ 3 tháng cần kiểm tra 1 lần.

Những năm tiếp theo, cứ 6 tháng cần kiểm tra 1 lần. Trong kiểm tra thƣờng xuyên, phải ghi nhận những khuyết tật ảnh hƣởng đến mức độ khai thác của công trình với những dấu hiệu phát hiện đƣợc b ng mắt thƣờng.2 Những khó khăn, hạn chế trong công tác quản lý các công trình giao thông: Công tác bảo dƣỡng thƣờng xuyên chƣa đƣợc quan tâm, nguồn kinh phí bảo dƣỡng thƣờng xuyên hầu nhƣ không có. Hệ thống đƣờng giao thông nông thôn tuy đã đƣợc UBND tỉnh phân cấp quản lý nhƣng những năm qua, ngân sách UBND huyện, thị xã, thành phố phân bổ cho công tác quản lý, bảo dƣỡng thƣờng xuyên hầu nhƣ không có, chủ yếu bố trí khắc phục bão lụt và sửa chữa trƣớc Tết Nguyên đán hàng năm. Hàng năm, UBND huyện, thị xã, thành phố đều chỉ đạo Phòng Kinh tế và Hạ tầng, Phòng Quản lý đô thị phối hợp với UBND xã, thị trấn tiến hành kiểm tra và lập kế hoạch bảo dƣỡng các công trình giao thông.

Nhƣng thực tế, nguồn ngân sách bảo dƣỡng trong những năm qua không đƣợc cấp, trong khi nguồn ngân sách cấp đầu tƣ xây dựng cơ bản còn hạn chế, nên việc bố trí kinh phí bảo dƣỡng công trình chƣa đƣợc đảm bảo. Vì vậy, địa phƣơng chƣa thể chủ động trong việc thực hiện kế hoạch kiểm tra, bảo dƣỡng thƣờng xuyên các công trình giao thông nông thôn. UBND huyện, thị xã, thành phố hàng năm đều phải trích một phần ngân sách để sửa chữa các công trình cầu bị hƣ hỏng nặng nh m đảm bảo nhu cầu thiết yếu nhất của nhân dân; sửa chữa các cầu thép nh m kéo dài tuổi thọ công trình cầu. Đối với các tuyến đƣờng phân cấp về xã quản lý, hàng năm xã đều lập kế hoạch sửa chữa và tự thực hiện đầu tƣ.

Tuy nhiên có nhiều xã do trong quá trình triển khai không bố trí đƣợc nguồn kinh phí nên cũng không thực hiện đƣợc. Ngân sách tỉnh chỉ hỗ trợ đột xuất cho những năm có lũ lụt lớn gây thiệt hại về hạ tầng giao thông nghiêm trọng trên địa bàn huyện, thị xã, thành phố. Việc sửa chữa khắc phục những hƣ hỏng nhỏ của cầu đƣờng không kịp thời đã dẫn đến những hƣ hỏng lớn làm tăng kinh phí sửa chữa, ảnh hƣởng đến an toàn giao 11 thông và nhu cầu phục vụ sản xuất, đời sống của nhân dân.