CHƯƠNG 1 MỞ DAU 1.1 Tổng quan Trên thế giới cầu bê tông cốt thép (BTCT) dự ứng lực (DUL) công nghệ đúc hang can bang với kết cau dầm hộp đã được sử dụng từ những năm 1950, trong đó sử dụng cáp DUL căng trong, căng ngoài hay kết hợp cả hai loại cáp căng trong và căng ngoài để chịu tải cho kết cau. Ở các quốc gia phát triển hệ thong cơ sở hạ tang giao thông vận tải được xây dựng hiện đại, đồng bộ từ nông thôn đến đô thị từ sau chiến tranh thế giới thứ II. Vì thế công tác duy tu, sửa chữa cơ sở hạ tầng được đặc biệt quan tâm chú trọng, thực hiện bài bản để đảm bảo an toàn, bền vững và giảm chi phí sửa chữa trong quá trình khai thác. Hệ thống tàu điện nhanh nội đô (Metro) oO các quốc gia phát triển thường chọn ngâm dưới đất để tiết kiệm diện tích và tạo mỹ quan cao nhất cho thành phố, còn với các nước đang phát triển lại thường được kết hợp giữa dưới mặt đất và trên cao để tiết kiệm chỉ phí và khó khăn khi thi công.
Vì là hệ thong tàu điện nội đô, nên phân chạy trên cao thường sử dụng cầu bê tông cốt thép dự ứng lực nhăm giảm tiếng ôn và chi phí duy tu bảo dưỡng khi sử dụng. Cầu đóng vai trò quan trọng trong hệ thống giao thông đô thị, ngoài phục vụ nhu cầu đi lại của các phương tiện, mỗi cây cầu còn mang một ý nghĩa lịch sử, văn hóa của mỗi địa phương. Nên tại các quốc gia phát triển và đang phát triển có hệ thống giao thông vận tải cầu phát triển rất quan tâm và chú trọng tới việc thông kê và phát hiện các hư hỏng của công trình cầu để phục vụ cho công tác duy tu bảo dưỡng và sửa chữa các hư hỏng trong giai đoạn khai thác của từng công trình câu. Nhu ở nước Mỹ theo thông kê năm 2016 trong [1] có 614.387 cây cau, trong đó có 9,1% cây cầu bị xuống cấp và số lượng các cây cầu xuống cấp ngày một tăng lên theo thời gian.
Ở Mỹ số lượng cầu cũ chiếm số lượng lớn trong tổng số cầu của quốc gia, cầu có tuôi khai thác trên 50 năm chiếm 39%, từ 40-49 năm chiếm 15% ( Hình 1. Tuôi Công Trình Câu ở Mỹ =a =z 30-39 _ «0.1 Tudi công trình Cầu ở Mỹ [1] Hàng nam, Mỹ đã chi ngân sách cho công tác duy tu bảo dưỡng cầu xuống cấp rất lớn và tăng lên theo thời gian, ước tính chi phí mat 11,5 ty đô la năm 2006, chi phí này cao nhất vào năm 2010 lên đến 18 tỷ đô la. Với chi phí sửa chữa cầu đắt đỏ như thế việc ứng dụng các công nghệ mới nhằm nâng cao thudi thọ của công trình cầu được chú trọng, hệ thống cảm biến cầu được sử dụng, giúp cho các kỹ sư có sô liệu liên tục và chính xác về câu đê sớm có các giải pháp đảm bảo an toàn cho cầu nhằm giảm chi phí duy tu bảo dưỡng. Từ đó ty lệ xuống cấp của cầu giảm đi đáng kế theo thời gian (Hình 1.2) Cong Trình Câu xuong cap Tỷlệ% số lượng Cau Cau xuông cap +-+ xuong cap- - - 4-2 theo vùng ` Hình 1.2 Tình trạng xuống cấp công trình Câu ở Mỹ [1] Ở Việt Nam, cầu BTCT DUL bắt đầu được đưa vào sử dụng từ những năm 1970.
Từ đó, cùng với sự phát triển của đất nước, hệ thống cơ sở hạ tầng giao thông cũng được đầu tư và triển khai nhiều dự án dé phục vụ cho nhu cầu giao thong vận tải. Kết cầu cầu BTCT DUL từ đơn giản đến phức tạp ngày càng được sử dụng phổ biến. Trong đó, công nghệ đúc hãng cân băng đã được Việt Nam làm chủ và áp dụng rộng rãi trong nhiều dự án cầu đường lớn nhỏ khác nhau. Tại hội thảo Giao thông đô thị - công nghệ và kinh nghiệm của Pháp , các chuyên gia đánh giá với tốc độ đô thị hóa nhanh và các yếu t6 thuận lợi khác, Việt Nam can phát triển hệ thong đường sắt đô thị, và mục tiêu đặt ra đến năm 2020 là ngành đường sắt phải đáp ứng 13% vận tải hành khách và 14% vận tải hang hóa.
Vi thế với sự phát triển của đường sắt đô thị sử dụng tàu chạy trên cao, với địa hình sông ngòi cũng như hệ thống giao thông hiện hữu, thì việc áp dụng cầu BTCT dự ứng lực theo phương pháp đúc hang sẽ cho phép vượt nhịp lớn qua sông, qua các vị trí nút giao mà van đảm bảo khổ thông thuyền và hạn chế được việc cản trở sự lưu thông của các dòng xe. Đặc biệt là các tuyến đường sắt đô thị tại các thành phố Hỗ Chí Minh và thành phố Hà Nội, kết cau bê tông cốt thép dự ứng lực được sử dụng rộng rãi vì giảm được tiếng ôn do tàu chạy và hiệu quả kinh tế hơn so với kết cau thép. Tại thành phố Hồ Chí minh tuyến Metro số 1 Bến Thành — Suối tiên với 17,1 km đi trên cao có 9 cầu bê tông cốt thép dự ứng lực 3 nhịp liên tục (Hình 1. Do chi phí xây dựng lớn và tầm quan trọng của tuyến Metro này đối với hệ thống cơ sở hạ tầng của thành phố nên van dé quản lý khai thác cần được quan tâm ngay từ giai đoạn ban dau của quá trình xây dựng.3 Bản đồ các tuyến Metro tại thành phố Hồ Chí Minh ( Nguồn https://vi.org) Theo Helmut Wenzel [2], khi kết câu hư hỏng tức là tính chất của vật liệu hay sự thay đối khác thường vẻ hình dáng của kết cau; chăng hạn như sự thay đối về điều kiện biên, độ võng, nứt vỡ hoặc sự liên kết giữa các phan tu trong kết cấu.
Trong công tác kiểm định cau, bên cạnh những hư hỏng được phát hiện bằng mắt thường, người kỹ sư còn tiễn hành đo đạc các thông số như chuyên vi, dao động, và biến dạng của các phần tử trong kết câu. Dựa trên các số liệu đo đạc và dữ liệu ban đầu của câu, người quản lý cầu sẽ đưa các thông số đó vào mô hình phần tử hữu hạn (FEM) để phân tích, sau đó so sánh với dữ liệu ban đầu của cầu trước khi có hư hỏng để đánh giá ảnh hưởng của hư hỏng đến khả năng chịu tải, thời gian phục vụ khai thác của câu và đưa ra các biện pháp sữa chữa khi can thiết. Theo thời gian sử dụng, do các yếu tổ chủ quan hay khách quan mà cốt thép trong kết cau có thé bị hư hỏng, khi có hư hỏng xảy ra đối với thép dự ứng lực, mức độ nguy hiểm sẽ cao hơn so với hư hỏng của thép thường. Theo thống kê của tổng cục đường bộ Việt Nam [3] ngân sách duy tu bảo dưỡng công trình cầu hàng năm rất cao, đỉnh điểm đạt gần 3500 nghìn tỷ VND năm 2011 (Hình 1.
Vì vậy, đối với công tác quản lý cầu, việc phải phân tích và đánh giá những hu hỏng trong kết cau bê tông cốt thép dự ứng lực là rất quan trọng nhăm đảm bảo an toàn khai thác trong thời gian sử dụng. Việc mồ phỏng trước các hư hỏng thường gặp trong cầu bê tông cốt thép dự ứng lực sẽ giúp cho việc xây dựng cơ sở dữ liệu để đánh giá tình trạng khai thác của cầu. Từ đó, với số lượng công trình càng nhiều, công tác kiểm định sẽ được thực hiện nhanh hơn và tiết kiệm chỉ phí. Qua đó, để đem lại hiệu quả khai thác lâu dài, cần có các nghiên cứu dự đoán trước về ảnh hưởng của hư hỏng cáp dự ứng lực đến chịu tải của công trình.
Như vậy, từ kết quả nghiên cứu, kỹ sư có thể thành lập được kho dữ liệu các hư hỏng thường gặp của công trình; từ đó sẽ tiết kiệm được thời gian cũng như chi phí duy tu, sửa chữa khi xảy ra các hư hỏng thường gặp. 4000 3500 Ề 3000 © Š ~ 2500 S P 2000 = ư - a F 1500 ob a 4 1000 500 0 © Tổng | "Duvtudiohky * Duy tu thưởng niên Hình 1.4 Biểu đồ ngân sách bao trì GTVT Việt Nam [2] Tóm lại, đối với cầu bê tông bê tông cốt thép DUL, khả năng chịu tải của cầu chủ yếu phụ thuộc vào cáp DUL; do đó hư hỏng do mat mát tiết diện cáp DUL của cáp căng trong được xem là hư hỏng và cân phải được đánh giá mức độ ảnh hưởng đền khả năng chịu tải của ket câu.5 Cầu đường sắt vượt sông Sài Gòn thi công theo phương pháp đúc hãng cân băng 1.2 Mục tiêu nghiên cứu Từ những báo cáo thường niên trong [1, 2] cho thấy chi phí duy tu bảo dưỡng đối với các công trình giao thông vận tải là rất tốn kém. Nên ở Việt Nam rất cần các số liệu thống kê thực trạng và hư hỏng của các công trình cầu ở giai đoạn khai thác để cung cấp cho cơ quan quản lý cầu, nhằm kịp thời đưa ra các phương án sửa chữa để giảm chi phí sửa chữa xuống thấp nhất có thé. Vì thế, mục tiêu nghiên cứu trong bài là phân tích mức độ ảnh hưởng của mất mát tiết diện của cáp dự ứng lực căng trong đến khả năng chịu tải của cầu dầm hộp bê tông cốt thép dự ứng lực thi công theo phương pháp đúc hãng cân bằng sau nhiều năm khai thác.
Kết quả của nghiên cứu sẽ là tài liệu tham khảo cho cơ quan quản lý cầu sau này.3 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá khả năng chịu tải của cầu dầm hộp liên tục bằng bê tông cốt thép dự ứng lực căng trong trong quá trình khai thác, và trong nghiên cứu này lay ví dụ điển hình là cầu đường sắt vượt sông Sài Gòn thuộc tuyến Metro số 1 Bến Thành — Suối Tiên có sơ đồ nhịp là 82.5 m, thông qua ứng suất trong bêtông và chuyền vị của cầu khi mất mát tiết diện cáp dự ứng lực căng trong trong quá trình khai thác.4 Phương pháp nghiên cứu Dé thực hiện mục tiêu trên, nghiên cứu đi thu thập, tong hợp va phân tích tài liệu về ảnh hưởng của hư hỏng cáp dự ứng lực căng trong do sự giảm yếu đến khả năng chịu tải của câu trong giai đoạn khai thác. Sử dụng phương pháp phan tử hữu hạn đánh giá khả năng khai thác của cầu dầm hộp thi công theo phương pháp đúc hang cân bằng. Trong nghiên cứu này, sử dụng phan mềm tính toán kết câu MIDAS/CIVIL dé mô hình tính toán kết cau cầu bê tông có sử dụng cáp dự ứng lực căng trong và cáp dự ứng lực căng ngoài, từ đó rút ra một sô kêt luận liên quan.
