MỞ ĐẦU 1. Tổng quan Hiện nay trên thế giới đa phần các cầu vượt nhịp lớn đều làm bằng kết cấu thép do những ưu điểm vượt trội về khả năng chịu lực, kết cấu nhẹ cũng như rất đẹp về mỹ quan. Ở Việt Nam thì các cầu lớn bằng kết cấu thép được xây dựng từ thời gian trước rất nhiều phải kể đến như cầu cầu Long Biên (Hà Nội), Nguyễn Văn Trỗi (Đà Nẵng), cầu Chương Dương, cầu Đuống (Hà Nội), cầu Hàm Rồng (Thanh Hóa), cầu Tràng Tiền (Huế)… Hình 1. Cầu Long Biên – Hà Nội [17] 2 Hình 1.
Cầu Tràng Tiền – Huế [18] Hình 1. Cầu cảng Sydney – Australia [19] Đa phần các cầu vượt đường sắt thường làm bằng cầu kết cấu thép. Tuy nhiên do chi phí bao gồm chi phí xây dựng và chi phí bảo trì cao hơn rất nhiều so với cầu BTCT nên ở Việt Nam hiện nay phần lớn là xây dựng cầu BTCT. Đối với cầu kết cấu thép có lẽ nhược điểm lớn nhất đó là vấn đề độ bền theo thời gian cho dù hiện nay đã có rất nhiều công trình nghiên cứu sản xuất sơn bảo vệ kết cấu thép chống lại tác động môi trường.
Độ bền kết cấu cầu thép phụ thuộc nhiều vào tác động môi trường nhưng để đánh giá độ bền của nó qua thời gian sử dụng thì rất khó khăn bởi vì khí hậu ở Việt Nam phân hóa đa dạng và biến động mạnh theo từng năm. Trên cả nước hình thành các miền và vùng khí hậu khác nhau rõ rệt. Miền khí hậu Phía Bắc có mùa đông lạnh, tương đối ít mưa và nửa cuối mùa đông rất ẩm ướt, mùa hạ 3 nóng và mưa nhiều. Miền khí hậu phía Nam có khí hậu cận xích đạo, nhiệt độ cao quanh năm, có 1 mùa mưa và 1 mùa khô.
Khu vực Đông Trường Sơn bao gồm phần lãnh thổ Trung Bộ phía đông dãy Trường Sơn, từ Hoành Sơn tới Mũi Dinh có mùa mưa lệch hẳn về thu đông. Khí hậu biển Đông Việt Nam mang tính chất gió mùa nhiệt đới hải dương. Ngoài đặc trưng vùng thì khí hậu nước ta rất thất thường biến động mạnh qua các năm. Năm rét sớm, năm rét muộn, năm mưa lớn, năm khô hạn, năm ít bão, năm nhiều bão.
Do vậy cần rất nhiều nghiên cứu đủ sâu và rộng trên khắp vùng miền đất nước về tác động của môi trường đến kết cấu thép. Cụ thể hơn là vấn đề ăn mòn kết cấu thép do tác động môi trường. Các nghiên cứu này sẽ xây dựng được nguồn dữ liệu đủ lớn giúp cho các đơn vị quản lý cầu đưa ra các giải pháp bảo trì sửa chữa phù hợp. Việc chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hƣởng ăn mòn dầm thép đến ứng xử của cầu giàn thép” là nghiên cứu về giàn thép Pony của Phà Cát Lái ở khu vực Quận 2, Thành phố Hồ Chí Minh cũng là một trong những nghiên cứu nhằm bổ sung thêm các dữ liệu quan trọng vào thư viện dữ liệu lớn của cả nước.
Mục tiêu nghiên cứu Đối với cầu kết cấu thép có lẽ nhược điểm lớn nhất đó là vấn đề độ bền theo thời gian cho dù hiện nay đã có rất nhiều công trình nghiên cứu sản xuất sơn bảo vệ kết cấu thép chống lại tác động môi trường. Khi kết cấu bị tác động điều kiện môi trường dẫn đến kết cấu bị gỉ sét và tiết diện chịu lực không còn được như ban đầu. Nên khả năng chịu lực cầu sẽ bị giảm. Lâu dần nếu không thay thế hoặc khắc phục dễ dẫn tới công trình cầu bị hư hỏng nặng và bị gãy đổ.
Vậy thì việc đánh giá mức độ hư hỏng hàng năm cụ thể đây là mức độ mất dần tiết diện thép dẫn đến giảm khả năng chịu lực và thời gian là việc làm vô cùng quan trọng cho công tác đánh giá tổng quan ban đầu nếu muốn làm cầu kết cấu thép. Đặc biệt hơn là giúp ích rất nhiều cho công tác quản lý, đánh giá, bảo trì cầu thép. Khi xây dựng được mối quan hệ giữa thời gian và khả năng chịu lực cực 4 hạn của tiết diện thép khi bị giảm dần tiết diện thì ta sẽ xác định được tuổi thọ cũng như thời gian để sửa chữa lớn công trình cầu thép. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá khả năng chịu tải của cầu giàn thép thông qua ứng suất, chuyển vị và chu kỳ dao động của cầu khi kết cấu thanh giàn và dầm bị giảm tiết diện do ăn mòn trong quá trình sử dụng.
Trong nghiên cứu này lấy ví dụ điển hình là cầu giàn thép Pony được dùng cho bến phà Cát Lái. Chiều dài giàn thép 30m. Phƣơng pháp nghiên cứu Để thực hiện mục tiêu trên, nghiên cứu sẽ tiến hành thu thập, tổng hợp và phân tích tài liệu để xác định ảnh hưởng của hư hỏng kết cấu thép do sự giảm yếu tiết diện đến khả năng chịu tải của cầu trong giai đoạn khai thác. Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn đánh giá khả năng khai thác của cầu giàn thép.
Trong nghiên cứu này, sử dụng phần mềm tính toán kết cấu Sap2000 V14 để mô hình tính toán kết cấu cầu giàn thép. Từ đó rút ra một số kết luận liên quan. 5 CHƢƠNG II HƢ HỎNG THƢỜNG GẶP CỦA KẾT CẤU GIÀN THÉP DO SỰ ĂN MÒN TRONG QUÁ TRÌNH KHAI THÁC 2. Đặc điểm chung của cầu giàn thép 2.
Hƣ hỏng do ăn mòn kết cấu thép: Phân loại và nguyên nhân 2. Ăn mòn đồng đều Ăn mòn hoặc rỉ đều trên khắp bề mặt kết cấu thép được hình thành do sắt kết hợp với oxy khi có mặt nước hoặc không khí ẩm. Trên bề mặt sắt thép bị rỉ hình thành những lớp vảy rất dễ vỡ, thường có màu nâu, nâu đỏ hoặc đỏ. Lớp rỉ này không có tác dụng bảo vệ sắt ở phía trong.
Chất xúc tác chính cho quá trình rỉ là nước. Cấu trúc thép có vẻ chắc chắn nhưng các phần tử nước có thể xâm nhập vào các kẽ nhỏ của vết nứt, sự kết hợp của nguyên tử hidro có trong nước với các nguyên tố khác để hình thành axít ăn mòn thép làm cho thép ngày càng giảm tiết diện. Nếu trong môi trường nước biển, sự ăn mòn có thể xảy ra nhanh hơn. Trong khi đó các nguyên tử oxy kết hợp với các nguyên tử sắt để hình thành oxít sắt hay rỉ sắt, chúng làm cho cấu trúc của sắt trở nên giòn và xốp.
Các thành phần này bao gồm các mạng dầm, các tấm ốp dọc, và các đường thẳng và đường chéo của giàn. Hình ảnh kết cấu thép bị ăn mòn đều trên bề mặt [3] 2. Hình ảnh ăn mòn điện hóa giữa tấm nhôm và bu lông thép [3] Ăn mòn điện hóa là ăn mòn kim loại không giống nhau được gây ra khi các kim loại có thành phần khác nhau được đặt cùng với sự có mặt của chất điện phân tạo ra dòng điện từ, với một trong những kim loại là cực dương và một là 7 cực âm. Ăn mòn điện hóa thường xảy ra trên cầu thép nơi cột đèn, tay vịn hoặc ống dẫn điện tiếp xúc với thép hoặc nơi thép mạ kẽm tiếp xúc với thép trần (như thép bị oxi hóa).
Vật liệu cách điện là thường được đặt giữa các kim loại để ngăn chặn sự hình thành sự ăn mòn điện. Ăn mòn điện hóa cũng có thể xảy ra trên thép nơi tiếp xúc lớp phủ của thép. Ăn mòn điện hóa có lợi trong việc ứng dụng mạ kẽm lên thép. Mục đích là kim loại kém bền hơn sẽ bị ăn mòn trong quá trình ăn mòn và phủ lên bề mặt thép để chống ăn mòn bề mặt thép.
Ăn mòn khe hở Hình 2. Hình ảnh ăn mòn khe hở giữa bản táp liên kết và thép góc [3] Ăn mòn khe hở là một hình thức ăn mòn cục bộ. Nó được gây ra bởi sự khác biệt trong môi trường bên trong và bên ngoài khe hở, chẳng hạn như nồng độ của phần tử oxy hoặc phần tử ion kim loại. Sự hiện diện của các ion clorua cũng thúc đẩy sự ăn mòn khe hở.
Ăn mòn khe hở thường có thể được quan sát trực quan. Ăn mòn khe hở là một trong những hình thức ăn mòn phổ biến nhất được tìm thấy trên cầu thép. Nó xảy ra trong khoảng cách giữa kẻ hở bề mặt 8 nhỏ tới vài phần nghìn cm. Ăn mòn kẽ hở cũng có thể xảy ra giữa thép và các vật liệu khác, chẳng hạn như sàn gỗ hoặc tấm bê tông.
Những khoảng trống này thường được hình thành bởi sự liên kết ép mặt của bu lông không kín, hoặc đường hàn giữa 2 tấm thép bị hở. Thép dựa vào màng oxit để bảo vệ, chẳng hạn như thép oxi hóa, đặc biệt dễ bị ăn mòn kẽ hở. Những màng này bị phá hủy bởi nơi có nồng độ cao của các ion clorua hoặc hydro có thể xảy ra ở các kẽ hở. Rỗ mặt thép Rỗ mặt thép là sự ăn mòn tập trung của hình thức ăn mòn kẽ hở gây ra bởi sự lắng cặn của chất lạ đóng vai trò là lá chắn để tạo ra một không gian hạn chế hoạt động giống như một kẽ hở.
Những vị trí rỗ mặt cũng có thể giữ độ ẩm, cung cấp chất điện phân. Rỗ mặt thép có thể được quan sát trực quan. Rỗ mặt thường xuyên xảy ra trên các cây cầu tại các vị trí của các mảng có độ ẩm. Các mảng thường bao gồm bụi bẩn trên đường hoặc rác thải đọng lại trên bề mặt nằm ngang do gió hoặc do nước thoát ra khỏi lòng đường.
Các mảng có thể có nguyên nhân từ vị trí vùng hay khu vực đặc trưng, chẳng hạn như bụi than trong khu vực khai thác, ngũ cốc hoặc các sản phẩm phụ khác trong khu vực trang trại, hoặc muối từ nước biển. Gỉ tự nó hoạt động như một lắng cặn và thúc đẩy ăn mòn hơn nữa. Một trong những loại lặng cặn khó chịu nhất đến từ yến sào và phân chim. Nhiều vật liệu lắng đọng chứa các chất làm tăng tốc độ ăn mòn.
Ví dụ, các mỏ bụi than có chứa carbon, có thể gây ra sự ăn mòn điện hóa và các hợp chất lưu huỳnh, tấn công thép. Phân chim có chứa axit làm hỏng các thành phần thép và lớp phủ bảo vệ. Hình ảnh ăn mòn rỗ bề mặt [3] 2. Ăn mòn dưới lớp màng Hình 2.
Hình ảnh ăn mòn do mặt tiếp xúc thép và màng sơn bị phá hoại [3] 10 Nó thường bắt đầu khi sơn bị hư hại về vật lý hoặc có khuyết tật trong lớp màng sơn. Hình thức này của ăn mòn tấn công bề mặt giữa lớp phủ và kim loại. Ăn mòn dưới lớp màng có thể được phân loại trực quan.
