CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC KIỂM TRA VÀ ðÁNH GIÁ CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP 1. Tổng quan về kiểm tra, ñánh giá các cầu BTCT trên thế giới 1. Tình hình nghiên cứu các phương pháp kiểm tra kết cấu nhịp cầu BTCT: Cùng với sự ra ñời của công trình xây dựng nói chung và kết cấu nhịp cầu BTCT, BTCT DƯL nói riêng, người ta ñã quan tâm ñến việc kiểm tra ñánh giá nó nhằm duy trì ñiều kiện khai thác an toàn và thuận lợi. Các công trình nghiên cứu và các quy trình kiểm tra ñánh giá ra ñời và liên tục ñược cập nhật cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, sự tích luỹ kiến thức thực tiễn và yêu cầu ngày càng cao của công tác quản lý.
Hiện nay khó có thể liệt kê hết các thư mục tóm tắt các công trình nghiên cứu trên thế giới về ñánh giá, xử lý hư hỏng của kết cấu BTCT và BTCT DƯL, ở ñây chỉ ñề cập ñến một số quy trình sẽ ñược xem xét trong luận án. Tại Mỹ và các nước phát triển vấn ñề ñánh giá khả năng chịu tải của cầu ñang khai thác ñã ñược quan tâm và thực hiện rất bài bản, các nghiên cứu và quy trình do các tổ chức như Cục ðường bộ Liên bang Mỹ [16, 17], AASHTO [9, 10, 11, 12] ñều ñặn ñược cập nhật, xuất bản và ñược nhiều nước trên thế giới (trong ñó cóViệt Nam) áp dụng. Các quy trình và các kết quả nghiên cứu của Anh [13, 14, 15] cũng là những quy trình ñược chấp nhận và áp dụng ở nhiều nước. Kiểm tra và ñánh giá cầu ở các nước như Liên bang Nga [1], ðức [18],,.
cũng rất ñược coi trọng. Các quy trình của LB Nga trong ñó có quy trình kiểm tra cầu là một trong những cơ sở ñể xây dựng quy trình kiểm tra và ñánh giá cầu ở Việt Nam. Trong quy trình của LB Nga việc ñánh giá kết cấu nhịp cầu BTCT và BTCT DƯL dựa trên việc khảo sát, ñánh giá hư hỏng tại từng bộ phận của công trình ñể xây dựng mô hình thực trạng của cầu, mô hình này Luận văn Thạc sỹ 6 Kho¸ häc 2009-2011 SVTH: NguyÔn V¨n Hßa GVHD: PGS-TS Nguyễn Ngọc Long ñược ñiều chỉnh ñể có sự phù hợp với các kết quả thử nghịêm (tĩnh, ñộng). Trên cơ sở mô hình thực trạng sẽ tiến hành tính toán ñể xác ñịnh tải trọng khai thác thực tế cho cầu.
Qua các tài liệu ñã công bố, có thể phân loại tóm tắt những yếu tố gây hư hỏng công trình BTCT và BTCT DƯL thành 4 nhóm chính là chất lượng bê tông, môi trường, thời tiết và các tác ñộng cơ học. Trong ñó ảnh hưởng của môi trường, ñặc biệt là của các tác nhân hóa học như sunfat, clo và cacbonat ñược ñặc biệt quan tâm. ðã có nhiều công trình nghiên cứu về quá trình xâm thực, cơ chế phá hoại bê tông và gỉ cốt thép, ngưỡng ăn mòn cốt thép của các tác nhân trên ñã ñược công bố. Từ những kết quả nghiên cứu về nguyên nhân bản chất và hậu quả của các hư hỏng khuyết tật thường gặp trong vật liệu cũng như trong kết cấu, các nghiên cứu tập trung tìm cách phát hiện xác ñịnh các hư hỏng khuyết tật ñó.
Qua các nghiên cứu ñã công bố có thể phân loại các số liệu cần thu thập và xử lý trong chẩn ñoán và ñánh giá cầu BTCT thành 3 nhóm chính: các số liệu về bê tông, các số liệu về cốt thép và các số liệu về kết cấu. ðể thu thập và xử lý ñược những số liệu ñó phải sử dụng rất nhiều các phương pháp kỹ thuật khác nhau, kể từ những phương pháp ñơn giản nhất là tiếp cận và ño ñạc kiểm tra bằng các thiết bị ñơn giản như thước, kính lúp ñến những phương pháp và kỹ thuật NDT với những trang thiết bị hiện ñại. Những phương pháp và kỹ thuật thông dụng có tính hiệu quả cao thường thấy trong các tài liệu ñược lập thành Tiêu chuẩn như các Tiêu chuẩn thí nghiệm của AASHTO [10, 11, 12] và ASTM (Mỹ). Tình hình nghiên cứu ñánh giá kết cấu nhịp cầu BTCT trên thế giới Giới thiệu chung Trước khi tiến hành ñánh giá kết cấu nhịp cầu (cầu BTCT nói riêng) cần phải xây dựng mô hình thực trạng của nó.
Mô hình thực trạng là sơ ñồ kết cấu và tiết diện có tính ñến những hư hỏng suy thoái của vật liệu và các suy giảm kết cấu của chúng. Các hư hỏng suy thoái của vật liệu bao gồm các hư hỏng Luận văn Thạc sỹ 7 Kho¸ häc 2009-2011 SVTH: NguyÔn V¨n Hßa GVHD: PGS-TS Nguyễn Ngọc Long khuyết tật bề mặt có thể phát hiện khi kiểm tra trực tiếp tại hiện trường. Các hư hỏng bên trong kết cấu hoặc suy thoái các ñặc trưng vật liệu có thể phát hiện bằng các phương pháp NDT. Các suy thoái kết cấu có thể ñược nhận biết qua ñánh giá các trạng thái cơ học nhận ñược khi thử tải ở hiện trường.
Nhiệm vụ của ñánh giá kết cấu nhịp cầu BTCT là từ các số liệu trong Hồ sơ công trình (nếu có), các số liệu ño ñạc kiểm tra, thử tải ở hiện trường ñể xây dựng và ñiều chỉnh mô hình thực trạng của nó, cuối cùng từ mô hình thực trạng ñó tiến hành các tính toán ñánh giá ở mức ñộ cao hơn như xác ñịnh khả năng chịu lực, ñộ tin cậy, tuổi thọ… Xác ñịnh mô hình thực trạng vật liệu dựa trên Cơ sở dữ liệu của cầu Cơ sở dữ liệu của một công trình cụ thể thường gồm hai phần: • Phần thứ nhất: Gồm tập hợp các Hồ sơ thiết kế, thi công, hoàn công của công trình, hồ sơ trạng thái của công trình trước khi ñưa vào khai thác sử dụng (trạng thái 0), hồ sơ các ñợt kiểm tra hàng năm, kiểm tra chi tiết, kiểm tra ñặc biệt…dựa vào ñó có thể biết ñược những thông tin cơ bản của cầu về quá trình thiết kế, thi công và khai thác. • Phần thứ hai: Gồm các phương pháp, thuật toán trong lĩnh vực chẩn ñoán công trình. ðó là các tri thức về hư hỏng vật liệu, về hư hỏng kết cấu, về tác ñộng môi trường, về ảnh hưởng của các hư hỏng khuyết tật ñến sự làm việc của công trình mà con người ñã biết chính xác hoặc chưa chính xác…Có những tri thức ñã ñược ñưa vào các Tiêu chuẩn, Quy trình ñánh giá công trình, nhưng cũng có các tri thức chỉ là các kinh nghiệm của các chuyên gia…Tùy theo từng loại công trình (loại vật liệu, loại kết cấu…) mà vận dụng cho phù hợp. Một hư hỏng có thể do nhiều nguyên nhân khác nhau gây ra và nó cũng có thể gây ra nhiều hậu quả khác nhau ñối với cầu.
Tổng quan về các phương pháp ñánh giá KCN cầu BTCT Hiện nay các phương pháp ñánh giá kết cấu nhịp cầu BTCT phần lớn vẫn dựa trên triết lý thiết kế theo phương pháp trạng thái giới hạn (TTGH), Triết Luận văn Thạc sỹ 8 Kho¸ häc 2009-2011 SVTH: NguyÔn V¨n Hßa GVHD: PGS-TS Nguyễn Ngọc Long lý này dựa trên các khái niệm về TTGH là: - TTGH về phá huỷ do bộ phận công trình ñạt tới giới hạn về cường ñộ, về mỏi hay mất ổn ñịnh khiến công trình không sử dụng ñược nữa. Phương trình cơ bản của TTGH biểu diễn dưới dạng: Q≤R (1.1) Trong ñó Q là hiệu ứng tải lớn nhất lên bộ phận công trình do tác ñộng của tải trọng ngoài ở tổ hợp bất lợi nhất. R ñặc trưng cho khả năng chịu tải tối ña (sức kháng) của bộ phận công trình ở trạng thái hiện tại của nó (các tính chất cơ lý hiện có). - TTGT mất an toàn cho việc sử dung bình thường như biến dạng, dịch chuyển quá lớn, kết cấu BTCT bị nứt khiến công trình phải hạn chế mức ñộ khai thác hay phải sửa chữa.
Về nguyên tắc ñiều kiện (1,1) ñược áp dụng trong ñánh giá cho mọi kết cấu và mọi trường hợp kiểm toán, tuy nhiên trong các tiêu chuẩn kiểm tra và ñánh giá cầu người ta phát triển và cụ thể hoá ñể thuận lợi hơn trong áp dụng. ðánh giá trên cơ sở hiệu ứng của hoạt tải xe: Gọi Q = QD + QL Trong ñó QD là hiệu ứng tải trên kết cấu do tải trọng tĩnh gây ra, QL là hiệu ứng do hoạt tải xe dùng ñể ñánh giá gây ra. Tương tự biểu diễn R = RD + RL Với RD=QD khi ñó RL sẽ là phần năng lực chịu tải mà bộ phận kết cấu có thể tiếp nhận ñược tác ñộng của hoạt tải một cách an toàn. Rõ ràng ñiều kiện kiểm toán sẽ là QL ≤ RL (1.2) Tiêu chuẩn ñánh giá cầu của Liên Xô (cũ) với dẫn xuất là hiệu ứng của tải trọng chuẩn ñơn vị, các ñại lượng QL và RL ñược biến ñổi tương ứng thành cấp của tải trọng KL (theo tác ñộng) và cấp của bộ phân kết cấu KR (theo khả năng chịu tải).
Như vậy ñiều kiện ñánh giá sẽ là: KL ≤ RR (1.3) Luận văn Thạc sỹ 9 Kho¸ häc 2009-2011 SVTH: NguyÔn V¨n Hßa GVHD: PGS-TS Nguyễn Ngọc Long Tại Mỹ, song hành với các tiêu chuẩn thiết kế cầu, Hiệp hội ñường bộ Hoa kỳ (AASHTO) ñã ban hành ñồng bộ các tài liệu kỹ thuật và hướng dẫn ñánh giá năng lực chịu tải của cầu cũ (thường gọi là ñánh giá tải trọng - Load rating). Thực chất của nguyên lý ñánh giá tải trọng cầu theo AASHTO cũng dựa trên ñiều kiện ñánh giá (1.2), thay cho so sánh trực tiếp hiệu ứng của hoạt tải xe với năng lực còn lại của kết cấu, người ta ñưa ra chỉ tiêu là hệ số ñánh giá tải trọng RF (Rating Factor) RF = RL/ QL (1.4) Từ ý nghĩa của RLvà QL ta có thể biểu diễn RF= (C-A1.5) Với RF – hệ số ñánh giá tải trọng cho bộ phận kết cấu ñang xét. C - khả năng chịu tải (sức kháng) của bộ phận kết cấu ứng với từng trường hợp chịu tải và hiện trạng công trình. D – Hiệu ứng lực gây ra do tác ñộng của tĩnh tải L – Hiệu ứng lực gây ra do tác ñộng của hoạt tải xe (là hoạt tải sử dụng ñể ñánh giá) A1, A2 là các hệ số tải trọng ứng với từng phương pháp ñánh giá (ASR, LFR hay LRFR) hay từng ñiều kiện ñánh giá I – hiệu ứng ñộng lực của ñoàn xe Như vậy giá trị RF luôn biểu thị khả năng chịu tải, mức ñộ dự trữ hay thiếu hụt khả năng chịu tải của bộ phận kết cấu.
RF càng lớn hơn 1 thì bộ phận kết cấu có ñộ dự trữ càng lớn và ngược lại, ngoài ra theo thời gian tốc ñộ thay ñổi của RF cũng cho phép ñưa ra nhận ñịnh về sự an toàn khai thác của kết cấu.