MỞ ĐẦU Cầu BTCT và bản mặt cầu liên hợp thép-bê tông cốt thép là loại cầu đƣợc sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới trong những thập kỷ gần đây nhờ có nhiều ƣu điểm so với các thể loại cầu khác. Tuy nhiên, cầu BTCT cũng bộc lộ nhiều nhƣợc điểm nhƣ trọng lƣợng bản thân lớn làm tăng trọng lƣợng công trình xuống nền móng, tốc độ ăn mòn cốt thép nhanh. Một trong những nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng hƣ hỏng của cầu BTCT là sự ăn mòn của cốt thép trong bê tông - yếu tố quan trọng liên quan mật thiết tới tuổi thọ của kết cấu cũng nhƣ công trình BTCT. Sự ăn mòn cốt thép dẫn đến hiện tƣợng trƣơng nở cốt thép, làm bong bật lớp bê tông bảo vệ, phá vỡ bê tông, mất cƣờng độ chịu kéo, giảm tiết diện cốt thép và nghiêm trọng hơn là dẫn đến tình trạng đứt cốt thép, gây nguy hại cho công trình với hậu quả khó lƣờng.
Để giải quyết vấn đề ăn mòn, một số hƣớng nghiên cứu đã chuyển sang tăng cƣờng kim loại, nhƣ các thanh thép đƣợc phủ epoxy. Tuy nhiên, trong một số trƣờng hợp, hiệu quả mang lại có thể không hoàn toàn loại bỏ các vấn đề chống ăn mòn của thép. Tuy nhiên, giải pháp sửa chữa, tăng cƣờng cầu BTCT bằng hệ thống tấm composite đã đƣợc áp dụng nhiều cho tăng cƣờng dầm, dầm bản nhƣng chƣa đƣợc áp dụng nhiều cho tăng cƣờng bản mặt cầu BTCT ở nƣớc ta. Vì vậy, đề tài là bƣớc khởi đầu nghiên cứu về thiết kế, công nghệ sửa chữa, nâng cấp cầu BTCT bằng vật liệu composite cốt sợi (FRP), để góp phần ứng dụng và triển khai vật liệu mới này vào các công trình cầu và bản mặt cầu BTCT trong thời gian tới ở Việt Nam.
Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu các thông số kỹ thuật và đặc tính của vật liệu FRP. Đánh giá các lợi thế khi sử dụng loại vật liệu này trong công tác xây dựng đặc biệt là trong công tác sửa chữa tăng cƣờng bản mặt cầu BTCT. Nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật và công nghệ ứng dụng vật liệu FRP trong tăng cƣờng bản mặt cầu BTCT với đặc điểm trong nƣớc. Đánh giá về hiệu quả kinh tế và so sánh với các phƣơng án tăng cƣờng truyền thống từ đó rút ra hiệu quả kinh tế trong ứng dụng vật liệu FRP.
Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu các đặc tính kỹ thuật của vật liệu FRP. Các dạng và các thông số kỹ thuật. Các giải pháp cấu tạo và công nghệ thi công sử dụng vật liệu FRP trong tăng 5 cƣờng kết cấu bản mặt cầu BTCT. Phƣơng pháp nghiên cứu: Tổng hợp các ứng dụng trên thế giới đã áp dụng cho công tác xây dựng mới sử dụng vật liệu FRP, phân tích việc ứng dụng, đánh giá các kết quả nghiên cứu nhằm chọn ra đƣợc phƣơng pháp thích hợp đối với kết cấu bản mặt cầu BTCT.
Vận dụng các lý thuyết đã áp dụng đối với kết cấu bản mặt cầu BTCT thông thƣờng để đánh giá sử dụng vật liệu FRP. Dựa trên các tính toán thiết kế tăng cƣờng của bản mặt cầu BTCT hiện hữu tại Việt Nam để đánh giá hiệu quả tăng cƣờng của phƣơng pháp sử dụng vật liệu FRP. Bố cục của luận văn Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống cầu BTCT ở Việt Nam và giới thiệu các phƣơng pháp sửa chữa tăng cƣờng cầu BTCT. Chƣơng 2: Tổng quan về vật liệu Polime cốt sợi.
Chƣơng 3: Nghiên cứu sử dụng vật liệu FRP trong tăng cƣờng sửa chữa bản mặt cầu BTCT và các giải pháp sử dụng vật liệu FRP. Kiến nghị và đề xuất. 6 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP Ở VIỆT NAM VÀ GIỚI THIỆU CÁC PHƢƠNG PHÁP SỬA CHỮA TĂNG CƢỜNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.1 Sơ lƣợc lịch sử phát triển cầu BTCT 1.1 Lịch sử phát triển cầu bê tông cốt thép trên thế giới: Ngay từ khi ngành sản xuất thép mới ra đời, ngƣời ta đã nghĩ đến việc đặt cốt thép trong bê tông để tận dụng khả năng của mỗi loại vật liệu. Năm 1850, một ngƣời Pháp là Lăm – bô đã làm chiếc thuyền bằng bê tông cốt thép (BTCT) đầu tiên.
Đến năm 1861 ông Ky-a-nê, một ngƣời Pháp khác, làm ra các kết cấu mái che, vòm, ống cống dựa trên nguyên tắc bê tông cùng chịu lực với cốt thép. Tuy vậy mãi đến năm 1875 chiếc cầu BTCT đầu tiên mới đƣợc xây dựng tại Pháp theo đồ án của kỹ sƣ Mônlê, cầu này có dạng vòm, dài 16m, rộng 4m cho ngƣời đi bộ. Kết cấu nhịp vòm đƣợc ngàm chặt hai chân vòm vào các mố nặng bằng BTCT. Trong những năm tiếp theo đó, các cầu BTCT không đƣợc phát triển rộng vì thiếu những cơ sở lý thuyết tính toán và số liệu nghiên cứu thử nghiệm về sự chịu lực của kết cấu BTCT.
Đến năm 1884 các thí nghiệm của Vaixơ và Bacsinge đƣợc thực hiện ở nƣớc Đức nhằm xác định cƣờng độ, độ chịu lực của BTCT, sự dính bám của cốt thép với bê tông, v. Tiếp theo đó là các thí nghiệm của Kenen về bản và các phƣơng pháp tính toán bản BTCT do ông đề ra lần đầu tiên năm 1896. Còn ở nƣớc Nga từ những năm (1891- 1896) có các thí nghiệm về bản, dầm, vòm của Beleliuxki. Năm 1892, kỹ sƣ Enkxobico, ngƣời Pháp, đề xuất hệ thống kết cấu có sƣờn bằng BTCT và phƣơng pháp thi công kết cấu BTCT toàn khối không có dầm thép đỡ nhƣ trƣớc.
Ông này không chỉ dùng BTCT để làm bản dầm mà còn làm cột, móng tƣờng chắn, cọc, v.v… Sau sáng kiến này, có thể coi là từ cuối thế kỷ 19 đã bắt đầu giai đoạn đầu tiên phát triển rộng rãi các kết cấu BTCT và áp dụng phƣơng pháp tính toán theo lý thuyết ứng suất cho phép. Sang đầu thế kỷ 20, cầu BTCT đƣợc phát triển ngang hàng với các cầu bằng thép, gỗ. Trong giai đoạn đầu, các cầu BTCT thƣờng có dạng kết cấu bản dầm và vòm. Đến 7 trƣớc đại chiến thế giới thứ I (1914-1918) phần lớn các cầu BTCT thuộc hệ thống dầm giản đơn, dầm liên tục và cầu khung với kết cấu có sƣờn, khẩu độ nhịp đến 30m, cá biệt đến 40m.
Dần dần, các nhịp cầu BTCT dài hơn đã đƣợc xây dựng, đặc biệt vào những năm 1930. Có thể kể ra một số cầu nổi tiếng: Cầu qua sông Moscova, năm 1935, dạng nhịp vòm dài 116m cho 4 làn xe lửa, cầu Stockhom (Thụy Điển) với nhịp dài 181m, cầu Eooe (Pháp) có 3 nhịp, mỗi nhịp dài 186m, cầu Esla (Tây Ban Nha) có 3 nhịp cầu mỗi nhịp dài 205m. Từ sau chiến tranh thế giới thứ II, các cầu BTCT dự ứng lực bắt đầu phát triển rộng rãi ở châu Âu. Thực ra ý định tạo dự ứng lực kéo cho cốt thép đã đƣợc đề ra từ năm 1896 do Măngđen (ngƣời Áo) và Dodecxon (ngƣời Mỹ).
Nhƣng những thử nghiệm lúc đầu đã thất bại vì họ dùng loại cốt thép có cƣờng độ thấp (khoảng 600 kG/cm2), dù có tạo đƣợc ứng suất kéo thì cũng sẽ mất mát hết. Mãi đến năm 1928, kỹ sƣ Freyssinet (ngƣời Pháp) mới đề xuất đƣợc những cơ sở lý thuyết và thực nghiệm ban đầu cho kết cấu BTCT dự ứng lực. Ông đã chứng minh rằng phải dùng bê tông mác cao và cốt thép cƣờng độ cao, trị số dự ứng suất kéo cốt thép phải lớn hơn 4000 kG/cm2, đồng thời phải xét đến các mất mát dự ứng suất trong cốt thép do co ngót và từ biến bê tông. Công cuộc phục hồi và phát triển kinh tế ở châu Âu sau chiến tranh thế giới thứ II đã thúc đẩy khoa học kỹ thuật xây dựng cầu lên một bƣớc mới: sử dụng các kết cấu lắp ghép và các kết cấu dự ứng lực rất đa dạng.
Số lƣợng cầu BTCT chiếm tỷ lệ đáng kể trong số các cầu mới xây dựng. Nhiều dạng sơ đồ kết cấu và phƣơng pháp thi công khác nhau đã đƣợc sáng chế và áp dụng rộng rãi trên khắp thế giới. Việc lựa chọn áp dụng sơ đồ nào hay áp dụng phƣơng pháp thi công nào thƣờng căn cứ vào việc so sánh, xét tổng hợp nhiều yếu tố nhƣ: Các điều kiện địa lý, địa hình, địa chất, khí hậu, trình độ công nghiệp xây dựng, và nhiều yếu tố kinh tế xã hội khác, thể hiện đặc điểm riêng của mỗi nƣớc, mỗi nền kinh tế. Trƣớc đây, khi kết cấu BTCT dự ứng lực chƣa phát triển thì kết cấu vòm có lực đẩy ngang vào mố trụ là kiểu cầu chủ yếu để vƣợt qua các nhịp dài.
Tuy nhiên, nó chỉ phù hợp với một số loại địa hình, địa chất tốt. Ngày nay do kỹ thuật xây dựng cầu BTCT dự ứng lực đã đạt tới mức hoàn thiện nên các cầu vòm rất ít đƣợc xây dựng. Hầu hết các nhịp cầu BTCT dài từ 21m đến 200m đều là kết cấu dự ứng lực có cấu tạo rất đa dạng và hợp lý. 8 Kết cấu BTCT dự ứng lực đƣợc dùng không những trong kết cấu nhịp cầu mà còn đƣợc dùng cả trong mố trụ cầu khi cần thiết.
Cùng với phƣơng pháp thi công đúc tại chỗ trên đà giáo hoặc lắp hẫng, lắp ghép nguyên dài, các phƣơng pháp đúc hẫng, đúc đẩy, đúc trên đà giáo di động để thi công các dạng cầu hệ khung liên tục, dầm liên tục nhịp lớn đã phát triển khắp thế giới. Đôi khi phƣơng pháp chở nổi cũng đƣợc áp dụng. Để đạt hiệu quả kinh tế cao và giảm thời gian thiết kế, thi công, các đồ án điển hình hóa hoặc đồ án thống nhất hóa đƣợc áp dụng rộng rãi khắp thế giới, đặc biệt là đối với các hệ thống nhịp dầm giản đơn. Hiện nay, có khuynh hƣớng dùng các bó cáp thép lớn cƣờng độ cao cho các cầu lớn.
Nói chung cáp có sức kéo cỡ 200 tấn đƣợc dùng rộng rãi.2 Phân loại cầu bê tông cốt thép: Cầu bê tông cốt thép có thể đƣợc phân loại theo những tiêu chuẩn, căn cứ khác nhau. Sau đây là một số phân loại thông dụng: 1.1 Phân loại theo vị trí cầu: Tùy theo chƣớng ngại có thể vƣợt qua mà có thể gọi là: - Cầu qua sông, suối; - Cầu vƣợt đƣờng; - Cầu cạn; - Cầu có trụ cao để vƣợt qua thung lũng, hẻm núi,… 1.2 Phân loại theo tải trọng qua cầu: - Cầu đƣờng ô tô; - Cầu đƣờng sắt; - Cầu thành phố; - Cầu đi bộ; - Cầu đi chung đƣờng sắt, đƣờng ô tô; - Cầu máng dẫn nƣớc; - Cầu dành cho đƣờng ống dẫn nƣớc, hay dẫn dầu, dẫn khí đốt.3 Phân loại theo cao độ tương đối của mặt xe chạy: - Cầu chạy trên; - Cầu chạy giữa; - Cầu chạy dƣới.