CHƯƠNG 1: CÔNG TÁC KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ CẦU BTCT 1. Sơ lược về các công trình cầu ở Việt Nam Cầu là loại công trình vượt qua phía trên chướng ngại vật trên đường như sông suối, khe núi, thung lũng sâu, các tuyến đường khác hoặc các khu vực phải duy trì bình thường các hoạt động xã hội như sản xuất, giao thông, thương mại … Cầu là công trình nhân tạo vì vậy sự phát triển của nó gắn liền với sự phát triển của xã hội. Các công trình cầu đã tồn tại lâu đời và ngày một phát triển mạnh mẽ, phong phú về mọi phương diện. Từ các cây cầu làm từ thời kì sơ khai như các cây cầu gỗ, bằng đá cho đến các cây cầu bằng bêtông cốt thép, các cây cầu bằng kim loại được xây dựng với các sơ đồ khác nhau, có chiều dài đạt hàng nghìn mét… Ở Việt Nam vào thời kì trước cách mạng tháng 8 có rất nhiều cầu thuộc hệ thống nhịp bản, dầm giản đơn, dầm hẫng, vòm BTCT thường với nhịp 2 đến 20m được xây dựng trên các tuyến đường sắt và đường bộ.
Ví dụ như chỉ trên tuyến đường sắt Bắc Nam có khoảng 600 cây cầu BTCT nhịp từ 8 đến 11m xây dựng từ 1927-1932 đến nay vẫn còn tận dụng được sau khi gia cố sửa chữa nhiều đợt. Vào thời kì từ năm 1954 đến 1975 ở nước ta bắt đầu có sự phát triển về công nghệ xây dựng và thiết kế cầu BTCT. Ở miền Bắc từ năm 1954 nhiều cầu BTCT thường thuộc hệ bản, dầm giản đơn, dầm hẫng đúc bêtông tại chỗ đã được xây dựng. Các đề tài ứng dụng cầu BTCT dự ứng lực trong xây dựng cầu lần đầu tiên đã được tiến hành.
Một số cầu giản đơn BTCT dự ứng lực đã được xây dựng như cầu Phủ Lỗ, cầu Cửa Tiền, cầu Trang Thưa, cầu Bía theo đồ án Việt Nam. Trong khi đó do hoàn cảnh lịch sử hầu hết các cầu BTCT được xây dựng ở miền Trung và miền Nam kể từ Huế trở vào đều sử dụng loại dầm T dự ứng lực kéo trước theo đồ án điển hình của Hoa Kì và được thiết kế theo tiêu chuẩn Mỹ AASHTO đã được sản xuất và lắp ghép rộng rãi trên các tuyến đường bộ trục chính khẩu độ dầm xấp xỉ 12-18-25m. Đến nay, có các trung tâm chế tạo các dầm dự ứng lực nhịp đến 33m tại Hà Nội và Bình Dương. Nguyễn Công Chức - Lớp Cao học Cầu hầm khóa T2/2009 Trang 14 Song song với việc thi công các cầu bê tông cốt thép thì cầu thép cũng được sử dụng rộng rãi do tính chất ưu việt của vật liệu thép.
ở nước ta cầu thép được xây dựng từ thời thực dân pháp xâm chiếm. Trong đó cầu dầm,cầu dàn được sử dụng rộng rãi, phổ biến nhất từ trước đến nay vì chỉ truyền áp lực thẳng đứng (dưới tải trọng thẳng đứng) nên kích thước mố trụ tương đối nhỏ, cấu tạo đơn giản dễ tiêu chuẩn hoá, định hình hoá, thi công đơn giản, có thể làm dầm giản đơn, dầm liên tục. Về mặt qui trình, tiêu chuẩn cho thiết kế và nghiệm thu thì hiện nay ở nước ta đang sử dụng tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05. Đây là tiêu chuẩn hiện đại, dựa trên nội dung cơ bản là tiêu chuẩn AASHTO năm 1998, vì vậy sẽ góp phần thúc đẩy nhanh quá trình hội nhập và phát triển của Việt Nam.
Hiện trạng hệ thống cầu trên mạng lưới giao thông đường bộ Việt Nam 1. Tổng quan về hệ thống cầu trên mạng lưới giao thông đường bộ Việt Nam Hệ thống cầu đường bộ nước ta rất phong phú, đến nay mới chỉ thống kê được số cầu trên hệ thống Quốc lộ (QL) và tỉnh lộ (TL). Tình trạng của hệ thống cầu còn nhiều yếu tố kỹ thuật ảnh hưởng đến công tác quản lý và khai thác. Việc phân loại cầu còn đang trong giai đoạn nghiên cứu xây dựng tiêu chí đánh giá.1 trình bày phân loại cầu theo thời gian khai thác khi thiết kế.1: Phân loại cầu trên hệ thống đường Quốc lộ và tỉnh lộ Tên Tổng cộng Phân loại theo tỷ lệ % so với tổng chiều dài hệ Số Chiều dài Vĩnh cửu Bán vĩnh cửu Tạm thống cầu (m) Số cầu (%) Số cầu (%) Số cầu (%) QL 4239 144539 3097 73,1 998 23,5 144 3,4 TL 3640 79279 1879 51,6 1117 30,7 644 17,7 Tổng cộng 7879 223828 4976 63,2 2115 26,8 788 10,0 Qua số liệu trên bảng 1.1, có thể nhận thấy số lượng cầu được phân loại là Nguyễn Công Chức - Lớp Cao học Cầu hầm khóa T2/2009 Trang 15 vĩnh cửu chỉ chiếm 73,10% số lượng cầu trên hệ thống Quốc lộ; loại bán vĩnh cửu chiếm tới 23,5% và loại cầu tạm chiếm 3,40%.
Số lượng cầu vĩnh cửu trên tỉnh lộ còn thấp hơn nữa chỉ chiếm 51,60%; còn lại là cầu bán vĩnh cửu và cầu tạm. Để có một cái nhìn chi tiết về hiện trạng cầu hiện có trên hệ thống Quốc lộ, trong hình 1.2 đã trình bày thống kê chi tiết về các loại cầu hiện có trên các tuyến Quốc lộ. Cầu được phân thành 5 loại chính theo vật liệu sử dụng trong kết cấu nhịp, bao gồm cầu bê tông cốt thép (BTCT) thường; BTCT dự ứng lực (BTCT DƯL), thép-BTCT liên hợp; cầu dầm dàn thép; còn lại là các loại khác. Có thể nhận thấy cầu BTCT DƯL chiếm tới 13% về số lượng và 31% về chiều dài.1: Phân loại cầu trên Quốc lộ theo số lượng Hình 1.2: Phân loại cầu trên Quốc lộ theo chiều dài Các đặc điểm chung của hệ thống cầu ở Việt Nam được trình bày khá tỉ mỉ trong một số công trình đã công bố.
Trong phần này chỉ trình bày một số đặc điểm Nguyễn Công Chức - Lớp Cao học Cầu hầm khóa T2/2009 Trang 16 cơ bản cho hệ thống cầu ở Việt Nam như sau: - Có số lượng và chiều dài tương đối lớn. - Đa dạng về chủng loại : Cầu cống Việt Nam được xây dựng từ nhiều loại vật liệu khác nhau như bê tông (BT), bê tông cốt thép (BTCT), bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCT DUL), thép, thép-BTCT liên hợp, gạch, đá.Có nhiều dạng kết cấu nhịp đã được xây dựng : kết cấu nhịp dạng giản đơn, kết cấu nhịp dạng liên tục, kết cấu nhịp dạng khung hẫng chốt giữa, kết cấu nhịp dạng khung T-dầm treo, kết cấu nhịp dạng dàn, kết cấu nhịp dạng vòm, kết cấu nhịp cầu treo dây võng. - Có thời gian xây dựng khác nhau, theo nhiều cấp độ tải trọng khác nhau. Đặc điểm này không chỉ mang tính phổ biến trong phạm vi toàn lãnh thổ mà còn trong phạm vi miền vùng, thậm chí ngay cả trên cùng một tuyến.
- Được thi công và thiết kế theo các Tiêu chuẩn và Quy trình khác nhau (Pháp, Mỹ, Trung quốc, Liên xô (cũ), Việt Nam. - Nhiều cầu đã tồn tại qua hai cuộc chiến tranh, là mục tiêu đầu tiên bị đánh phá trong chiến tranh. - Hiện nay rất nhiều cầu đang bị xuống cấp trầm trọng do nhiều nguyên nhân. Một số đặc trưng tiết diện cầu ở Việt Nam 1.
Cầu BTCT Hình 1.3: Ví dụ về mặt cắt ngang cầu dầm BTCT Nguyễn Công Chức - Lớp Cao học Cầu hầm khóa T2/2009 Trang 17 Hình 1.4: Một số dạng tiết diện dầm BTCT a: Dầm BTCT thường; b: Dầm BTCT DƯL c: Dầm BTCT DƯL liên hợp với bản BTCT Dạng mặt cắt chữ T có dầm ngang là phổ biến nhất. Nếu mối nối chỉ thực hiện ở các dầm ngang thì bản mặt cầu sẽ chịu lực giống như bản hẫng. Chiều dày bản sẽ giảm dần từ chỗ sát nách dầm ra đến đầu mút hẫng. Nách dầm có thể có vút hoặc không.
Bản thường dày từ 8-12 cm, sườn dầm khoảng 20cm, khoảng cách giữa các dầm có thể từ 90 đến 170 cm. Dạng mặt cắt chữ T không có dầm ngang được dùng phổ biến ở Liên Xô cũ, cũng được tham khảo áp dụng nhiều ở các tỉnh phía Bắc nước ta trong nhiều năm. Loại mặt cắt này làm cho kết cấunhịp có độ cứng ngang kém so với loại cầu có dầm ngang và khi xe qua cầu có cảm giác rung rõ rệt, tuy nhiên vẫn đảm bảo khả năng khai thác bình thường của cầu. Khoảng cách giữa các dầm chủ thường là 210 cm, trong đó phần bản rộng 180 cm và mối nối 30 cm.
Chiều rộng sườn dầm lấy trong khoảng 15 – 20 cm. Dạng mặt cắt nhịp gồm các dầm chữ I lắp ghép trước, sau đó tiếp tục lắp ghép hoặc đúc bêtông tại chỗ phần bản mặt cầu để tạo kết cấu liên hợp nửa lắp ghép. Hình dạng mặt cắt không có chỗ gãy góc hay thay đổi kích thước đột ngột để Nguyễn Công Chức - Lớp Cao học Cầu hầm khóa T2/2009 Trang 18 tránh hiện tượng ứng suất tập trung quá lớn. Cầu dầm thép: Hình 1.5: Ví dụ mặt cắt ngang cầu dầm thép liên hợp với bản BTCT Hình 1.6: Một số dạng tiết diện dầm thép a.
Dầm tán đinh Hình 1.7: Một số dạng tiết diện dầm thép liên hợp bản BTCT a. Dầm thép I định hình b: Dầm thép I định hình có thêm bản thép táp vào biên dưới (gọi là bản táp đáy) c. Dầm I tán ghép có biên dưới lớn hơn biên trên d. Dầm I tán ghép có biên dưới lớn hơn biên trên và có phần BTCT hình chữ T - Cầu dầm thép nhịp giản đơn không liên hợp với bản BTCT mặt cầu Nguyễn Công Chức - Lớp Cao học Cầu hầm khóa T2/2009 Trang 19 Tiết diện kiểu chữ I đối xứng, tán ghép hoặc hàn được sử dụng phổ biến nhất.
- Cầu dầm thép nhịp giản đơn liên hợp với bản BTCT mặt cầu Tiết diện dầm thép I định hình hoặc I định hình có thêm bản thép táp vào biên dưới (thường gọi là bản táp đáy). Dầm I tán ghép hoặc hàn ghép có biên dưới lớn hơn biên trên. Tình hình nghiên cứu các phương pháp tính toán kiểm tra kết cấu cầu BTCT 1. Tổng quan về kiểm tra, đánh giá các cầu BTCT trên thế giới Hiện nay khó có thể liệt kê hết các thư mục tóm tắt các công trình nghiên cứu trên thế giới về hư hỏng của BTCT và BTCT DƯL.
Tất cả các công trình nghiên cứu đã công bố đều cố gắng phát hiện, tìm hiểu các nguyên nhân, hậu quả của các trạng thái bệnh lý của vật liệu BTCT. Ở Mỹ, ngay từ những năm đầu của thập kỷ 60, Champion S. đã giới thiệu những công trình nghiên cứu của mình về hư hỏng của kết cấu BTCT. Từ những năm 1980 trở lại có các công trình nghiên cứu của các tác giả như Fisher J.Ngoài ra còn hàng loạt các công trình được công bố bởi các tổ chức như ACI, ASCE, ASTM, AASHTO về vấn đề này.