CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH CẦU TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 1. Tổng quan về công trình cầu 1. Khái niệm công trình cầu Công trình cầu là công trình xây dựng để vượt qua dòng nước, thung lũng, đường bộ, các khu vực sản xuất, khu thương mại, khu dân cư. Theo tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 11823:2017, cầu là một kết cấu bất kỳ vượt khẩu độ không dưới 6m tạo thành một phần của một con đường.
Các bộ phận của công trình cầu bao gồm: Cầu, đường dẫn vào cầu, các công trình điều chỉnh dòng chảy và gia cố bờ sông. Kết cấu của cầu gồm có: Kết cấu phần trên và kết cấu phần dưới. Kết cấu phần trên có kết cấu nhịp, là phần tạo ra bề mặt cho các phương tiện giao thông hoạt động trên cầu, giúp cho xe chạy an toàn. Kết cấu phần dưới gồm mố, trụ cầu, nền móng, đảm bảo đỡ kết cấu phần trên và truyền tải trọng từ kết cấu phần trên xuống đất nền.
1: Kết cấu cầu 1. Phân loại cầu Công trình cầu được phân loại dựa theo mục đích sử dụng, vật liệu làm kết cấu nhịp, theo chướng ngại vật, cao độ đường xe chạy và sơ đồ cấu tạo. Nếu phân loại theo sơ đồ cấu tạo thì cầu có các dạng sau: - Cầu dầm: Mặt cầu bằng phẳng, được nối dài, thường có phương nằm ngang, cùng độ cao kéo dài sang bên đầu kia. Chân cầu được đúc bê tông cứng, dầm vào đất, đáy sông.
Bộ phận chịu lực chủ yếu là dầm. TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat 7 V V Hình 1. 2: Mô hình kết cấu cầu dầm - Cầu vòm: Kết cấu chính trong cầu vòm bao gồm: Vòm, hệ giằng ngang, hệ thanh treo, hệ dầm ngang, hệ dầm dọc và hệ thanh kéo. Bộ phận chịu lực chủ yếu là vòm sẽ chịu nén, cắt và uốn trong mặt phẳng vòm dưới tác dụng của toàn bộ tải trọng.
3: Mô hình kết cấu nhịp cầu vòm - Cầu dàn: Kết cấu chịu lực chính của kết cấu nhịp cầu dàn là các mặt phẳng dàn, với các thanh dàn chỉ chịu lực dọc trục (kéo hoặc nén). Chiều cao dàn lớn nên khả năng chịu lực, vượt nhịp của kết cấu nhịp cầu dàn lớn hơn so với kết cấu nhịp cầu dầm. Nhược điểm chính của cầu dàn là cấu tạo và thi công phức tạp.4: Mô hình kết cấu nhịp cầu dàn - Cầu khung: Trụ và dầm được liên kết cứng với nhau để chịu lực.5: Công trình cầu khung TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat 8 - Cầu treo: Cầu treo có bộ phận chịu lực chủ yếu là dây cáp hoặc dây xích đỡ hệ mặt cầu. Cầu treo được phân thành 2 loại: + Cầu treo dây xiên (cầu dây văng): Cầu có cột tháp liên kết với dây cáp neo chịu đỡ toàn bộ hệ mặt cầu và các dầm cầu.
Cầu có kết cấu dầm cứng tựa trên các gối cứng là các gối cầu trên mố - trụ và trên các gối đàn hồi là các dây văng. Các bộ phận chính hợp thành cầu như cột tháp, dây cáp, dầm chính và trụ cầu. Cầu dây văng có ưu điểm như vượt được nhịp lớn, độ võng nhỏ hơn cầu dây võng, dễ thi công, có tính mỹ thuật cao, hiệu quả kinh tế cao. 6: Mô hình kết cấu nhịp cầu dây văng + Cầu treo dây võng: Cầu chủ yếu làm việc dưới dạng chịu kéo.
Khác với cầu dây văng là có cáp treo trực tiếp vào trụ cầu thì cầu dây võng có dạng cáp treo trên cáp. Hệ cáp treo chính của cầu được móc liên kết vào đỉnh các trụ cầu. Vì khoảng cách nhịp lớn và chịu tải nặng nên cầu thường bị võng xuống ở khoảng giữa nhịp cầu. Từ hệ cáp treo chính nằm ở hai bên thành cầu, các hệ cáp treo thẳng đứng được móc vào hệ cáp chính, treo rủ xuống với khoảng cách song song đều nhau đỡ lấy từng đốt bản mặt cầu.
7: Công trình cầu treo dây võng TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat 9 1. Tổng quan về quan trắc chuyển dịch công trình cầu 1. Khái niệm, nguyên nhân gây ra chuyển dịch công trình cầu 1. Khái niệm chuyển dịch công trình cầu Chuyển dịch công trình cầu là sự thay đổi vị trí của công trình trong không gian, thời gian so với vị trí ban đầu dưới tác động của tải trọng bản thân và ngoại lực.
Giá trị chuyển dịch được xác định qua sự thay đổi tọa độ, độ cao các điểm quan trắc gắn trên công trình. Chuyển dịch cầu gồm có chuyển dịch theo phương đứng và chuyển dịch theo phương ngang. - Chuyển dịch công trình theo phương đứng là sự thay đổi độ cao của các mốc quan trắc theo thời gian. - Chuyển dịch ngang là sự thay đổi vị trí của công trình trong mặt phẳng nằm ngang.
Chuyển dịch có thể được xác định theo phương của hệ tọa độ công trình hoặc theo phương áp lực. Nguyên nhân gây ra chuyển dịch công trình cầu Chuyển dịch công trình xảy ra do nhiều nguyên nhân như: - Sự thay đổi địa chất ở nền móng cầu: Thay đổi độ ẩm, áp lực nước lỗ rỗng… - Sự thay đổi điều kiện tự nhiên: Chế độ thủy văn, xói lở, lũ lụt, động đất… - Sự thay đổi áp lực: Do xây dựng các công trình xung quanh, các phương tiện giao thông gây ra sự rung động, tăng tải trọng sau nâng cấp sửa chữa, tầu thuyền va chạm làm hư hỏng các bộ phận của cầu. - Không đảm bảo về mặt chất lượng công trình: Do chất lượng xây dựng cầu không đạt yêu cầu. Yêu cầu kỹ thuật quan trắc chuyển dịch công trình cầu 1.
Đối tượng quan trắc chuyển dịch công trình cầu Đối tượng quan trắc chuyển dịch được lựa chọn sao cho nó phải phản ánh được dao động thực, là những nơi nhạy cảm với các thay đổi về độ cứng của cầu, những nơi có độ ổn định kém, có nguy cơ xảy ra chuyển dịch hay nếu xảy ra chuyển dịch thì gây nguy hiểm đối với công trình. Với công trình cầu có kết cấu cứng thì đối tượng quan trắc chuyển dịch là mố, trụ cầu. Vì nó có chức năng đỡ kết cấu nhịp và phải TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat 10 truyền áp lực của tải trọng ngang, tải trọng đứng xuống nền đất đồng thời các nhịp cầu lại thường có tải trọng bản thân lớn, kết cấu thành các khối lớn. Thêm vào nữa, mố, trụ cầu thường xuyên nằm sâu trong đất, thuộc phạm vi của dòng chảy nên rất dễ bị xâm thực, xói lở, bào mòn.
Thân trụ cầu còn có thể bị va đập do các vật trôi nổi, va chạm tàu thuyền. Mố cầu còn làm nhiệm vụ nữa là tường chắn đất nên chịu áp lực đẩy ngang của đất. Do đó, so với các bộ phận khác của cầu thì mố, trụ cầu là những bộ phận bị tác động nhiều nhất của tĩnh tải và hoạt tải nên nó dễ bị hư hỏng nhất. Với cầu dây văng, đối tượng quan trắc thường là các tháp cầu, nhịp chính cầu.
Tháp cầu có tính quyết định đến độ an toàn của cầu, nó cùng với dây văng đỡ mặt cầu. Tháp cầu có thể tựa lên đỉnh trụ hoặc tựa trực tiếp lên móng và nó được bố trí cố định vào một đầu dây văng, đầu còn lại của dây văng được neo vào dầm chủ. Các trụ tháp thường có chiều cao lớn, có dạng hộp rỗng mà phải chịu toàn bộ tải trọng của bản thân, hoạt tải tác động lên nhịp cầu thông qua trụ truyền tải trọng xuống đất. Do đặc điểm, cấu tạo của tháp cùng với sự tác động tải trọng, đỉnh tháp thường có xu hướng bị nghiêng hoặc chuyển dịch ngang theo phương dọc cầu [5], [9].
Dầm cầu có vai trò quan trọng trong cầu dây văng. Vai trò của dầm là truyền tải trọng tác dụng, trọng lượng bản thân và hoạt tải xe xuống hệ dây văng. Nó ảnh hưởng đến khả năng chịu tải, độ cứng, độ ổn định của cầu. Vật liệu xây dựng dầm chủ có thể bằng bê tông cốt thép hoặc thép.
Dầm chủ bằng bê tông cốt thép thường được áp dụng cho các cầu nhỏ nhờ đặc tính chịu nén tốt của bê tông. Nhưng khi chiều dài của nhịp chính tăng lên thì tĩnh tải cũng tăng lên lúc đó dầm chủ bằng thép sẽ tiện lợi hơn. Với đặc điểm nổi bật của cầu dây văng là chiều dài nhịp chính cầu thường rất dài, có thể lên tới 1000m hoặc hơn nữa, chiều dày bản dầm thanh mảnh, vật liệu dầm bằng thép nên khi chịu hoạt tải, tĩnh tải, điểm giữa nhịp chính thường bị võng xuống. Với tất cả những đặc điểm trên, khi quan trắc chuyển dịch cầu dây văng, các điểm quan trắc thường được bố trí tại những điểm đặc trưng của cầu như đỉnh tháp (nơi có biên độ dao động ngang lớn nhất), chân tháp, giữa nhịp chính (thường có độ võng lớn nhất), một phần tư nhịp chính.
Ngoài ra để cung cấp số liệu cho việc phân tích dao động uốn xoắn của dầm cầu thì điểm quan trắc chuyển dịch được bố trí tại phía thượng lưu, hạ lưu dầm chủ. TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat 11 1. Yêu cầu độ chính xác quan trắc chuyển dịch cầu Việc xác định hợp lý độ chính xác quan trắc chuyển dịch cầu rất quan trọng. Nếu chuyển dịch của công trình cầu diễn ra chậm, tốc độ chuyển dịch nhỏ mà quan trắc với độ chính xác thấp sẽ không phát hiện được chuyển dịch vì lúc đó sai số đo có thể lớn hơn giá trị chuyển dịch.
Ngược lại, nếu chuyển dịch cầu xảy ra nhanh với tốc độ chuyển dịch lớn thì vẫn có thể phát hiện được chuyển dịch ngay cả khi quan trắc với độ chính xác thấp. Trong quá trình quan trắc cầu, do đặc điểm kết cấu của công trình không giống nhau nên yêu cầu độ chính xác cũng khác nhau [15]. Chu kỳ quan trắc chuyển dịch công trình cầu Chu kỳ quan trắc là khoảng thời gian giữa hai lần đo kế tiếp nhau. Khi quan trắc cầu trong quá trình khai thác sử dụng, chu kỳ quan trắc phụ thuộc chủ yếu vào độ lớn, tốc độ chuyển dịch, đặc điểm cầu.
Việc xác định chu kỳ quan trắc sẽ mang giá trị về các mặt kinh tế và kỹ thuật. Nếu chuyển dịch cầu diễn ra chậm mà thời gian giữa hai chu kỳ quan trắc ngắn thì sẽ khó phát hiện được chuyển dịch, đồng thời không hiệu quả về kinh tế. Ngược lại, nếu chuyển dịch của cầu diễn ra nhanh mà thời gian giữa hai chu kỳ quan trắc quá dài thì không đạt về yêu cầu kỹ thuật vì khi đó công trình có thể đã bị biến dạng hoặc bị phá hủy.