Giáo trình Kiểm định và khai thác cầu (Phần 2)

62 trang hapham 1560

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Kiểm định và khai thác cầu (Phần 2)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_kiem_dinh_va_khai_thac_cau_phan_2.pdf

Nội dung text: Giáo trình Kiểm định và khai thác cầu (Phần 2)

2.5.3. CÁC MÁY ĐO DAO ĐỘNG KIỂU DÙNG ĐIỆN Thực chất, đó là tổ hợp của bộ cảm biến (đát-tríc) với các thiết bị đo điện. Các bộ cảm biến có khả năng biến đổi các chuyển vị tƣơng đối giữa các bộ phận kết cấu hoặc các sự thay đổi theo thời gian của ứng suất, của tốc độ gia tốc chuyển vị tại các điểm riêng lẻ của kết cấu thành các đại lƣợng điện và truyền về máy đo điện. Trên hình 2-25 a, b là sơ đồ đo dao động thẳng đứng của kết cấu nhịp nhờ dùng bộ cảm biến kiểu một dầm công xon ngắn có dán các đát-tric điện trở. Trên hình 2-25 c, d là sơ đồ đo dùng bộ cảm biến kiểu vòng thép. Những biến đổi của dòng điện lúc đo đạc trong phần đƣờng chéo của cầu đo điện trở đƣợc ghi lại bằng máy oxy clograph lên phim ảnh. Khi sử dụng các dây căng nhƣ hình vẽ cần phải xét ảnh hƣởng của biến dạng do nhiệt độ, còn trong trƣờng hợp đo các chuyển vị lớn thì phải xét cả đến các biến dạng có liên quan đến sự thay đổi độ căng dây trong quá trình đo vì dầm dao động lên xuống. Ngƣời ta cũng có thể dùng các bộ cảm kiểu điện cảm để đo dao động a) b) c) d) R4 R T1 T  3  2 1 1 R1 R2 T1 T4 T3 T2 T4 T3 2 T1 T1 5 T2 3 T2 3 4 4 Hình 2-25. Các sơ đồ dao động có dùng các bộ cảm biến điện trở. a, b-Khi dùng dầm công xon ngắn có dán lá điện trở; c, d-Khi dùng vòng thép có gắn lá điện trở. 1-Dây nối xuống đất; 2-Dầm công xon ngắn; 3-Lò so; 4-Cọc neo; 5-Cọc giữa dầm công xon; T1, T2, T3, T4-Các ten-xơ-mét kiểu lá điện trở. -Bộ ghi dao động (oxyclograph). 2.6. XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ LÝ VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU. Khi tính toán đánh giá khả năng chịu tải và trạng thái kĩ thuật của cầu cống cũ rất cần có các trị số đặc trƣng cơ lí của vật liệu trong kết cấu thực. Việc xác định các trị số này nói chung là khó đạt độ chính xác cao. Thông thƣờng trƣớc tiên cần tham khảo hồ sơ thiết kế hay hồ sơ hoàn công cũ 67
để biết các đặc trƣng ban đầu của vật liệu. Tuy nhiên ở Việt Nam các hồ sơ này thƣờng không đủ hoặc không có. Các thí nghiệm vật liệu phải đƣợc kết hợp thực hiện ở cả trong phòng thí nghiệm và cả ở trên kết cấu thực. Các thí nghiệm trong phòng cho kết quả chính xác cao hơn nhƣng lại phụ thuộc việc lấy mẫu thử từ kết cấu có làm đƣợc hay không. Số mẫu lấy ra cũng bị hạn chế. Các thí nghiệm ngay trên kết cấu thực sẽ cho các thí nghiệm trong phòng, có thể thực hiện nhanh chóng hơn, nhiều số liệu thu đƣợc hơn nhƣng có thể là kém chính xác hơn. Đa số các thí nghiệm trong phòng thuộc loại thí nghiệm có phá hủy mẫu thử, đa số các thí nghiệm trên kết cấu thực thuộc loại thí nghiệm không phá huỷ mẫu và dùng các cách đo gián tiếp. 2.6.1. KIM LOẠI Trƣớc khi thí nghiệm cần xác định rõ loại vật liệu bằng kim loại, ví dụ đó là gang, sắt mềm (đối với các cầu thép cũ do Pháp để lại), thép thƣờng, thép hợp kim thấp v.v Các thí nghiệm kim tƣơng sẽ trả lời chính xác vấn đề phân loại vật liệu kim loại. Khi lấy mẫu kim loại từ kết cấu cầu cũ phải có biện pháp hợp lí sao cho không làm suy yếu quá nhiều đến sức chịu lực của kết cấu. Tại chỗ đã cắt khoét lấy mẫu ra phải đặt các bản thép bù và liên kết bằng hàn hoặc liên kết bulông cƣờng độ cao ngay. Miếng mẫu kim loại đã lấy ra phải đƣợc gia công sao cho mẫu thí nghiệm có các đƣờng biên lùi vào ít nhất 10mm so với mép vết cắt bằng nửa lúc lấy mẫu. Mẫu thử kim loại phải đƣợcgia công theo đúng các “Tiêu chuẩn thí nghiệm vật liệu” do Bộ GTVT và Bộ Xây dựng ban hành. Nói chung mẫu để thí nghiệm về giới hạn bền (cƣờng độ phá hủy tức thời) giới hạn chảy, độ dãn dài tƣơng đối hay độ co ngắn tƣơng đối của kim loại thép có dạng nhƣ hình 2- 26a, mẫu để xác định độ dai va chạm đƣợc cắt lõm nhƣ hình 2-26b. a) b) c) d) R4 R T1 T  3  2 1 1 R1 R2 T1 T4 T3 T2 T4 T3 2 T1 T1 5 T2 3 T2 3 4 4 Hình 2-26. Ví dụ loại mẫu thử để xác định các đặc trƣng cơ học của thép. a) Mẫu thường; b) Mẫu thử độ dai va đập. Mỗi loại thí nghiệm phải có ít nhất ba mẫu giống nhau các mẫu thử có thể đƣợc phân tích hoá học và phân tích phổ nếu thấy cần thiết. 68
Do đặc điểm của công nghệ cán thép, đặc trƣng cơ lí của kim loại cán theo hƣớng dọc chiều cán và theo hƣớng ngang chiều cán sẽ không giống nhau. Vì vậy lúc lấy mẫu phải đánh dấu rõ hƣớng tác động chủ yếu của lực trên mẫu đó nhƣ lúc nó ở trong kết cấu thực. Để thí nghiệm nhanh chóng đối với thép ở trên kết cấu thực ngƣời ta thƣờng dùng phƣơng pháp đập bi tạo vết lõm trên bề mặt thép. Phƣơng pháp này cho biết độ cứng của kim loại để từ đó suy ra giới hạn cƣờng độ của nó với độ tin cậy chấp nhận đƣợc. Tuy nhiên nếu muốn suy diễn ra trị số giới hạn chảy thì không đủ tin cậy. Sai số xác định giới hạn cƣờng độ dựa vào thí nghiệm xác định độ cứng bề mặt thép vào khoảng 7%, còn nếu suy diễn từ giới hạn cƣờng độ đó ra giới hạn chảy thì sai số lớn đến 30%. Việc thí nghiệm độ cứng có thể làm theo thí nghiệm Brinell hoặc thí nghiệm Rockwell. Thí nghiệm Brinell: Tạo một tải trọng 3000kg cho vật liệu cứng và 1500kg hay 500kg cho các mặt cắt mỏng hay vật liệu mềm, tác dụng thông qua một viên bi cứng có đƣờng kính 10mm để gây ra vết lõm trên bề mặt vật liệu. Đƣờng kính trung bình của vết lõm là cơ sở để tính ra độ cứng Brenell (HB) theo công thức: HB = P/[( -D/2)(D- D2 d 2 ) (2-16) Trong đó: HB - Số đo cứng Brinell. P - Tải trọng tác dụng (kg). D - Đƣờng kính viên bi thép. d - Đƣờng kính trung bình của vết ấn, (mm). Tiêu chuẩn AASHTO T244-90 và ASTM A 370-88 của Mỹ cho sẵn các bảng tra đã đƣợc tính sẵn theo công thức trên. Ngƣời ta đã chế tạo máy đo độ cứng Brinell xách tay để làm thí nghiệm dễ dàng tại vị trí cầu. Thí nghiệm Rockwell: Trong thí nghiệm này, trị số độ cứng đƣợc đọc trực tiếp từ máy đo. Độ cứng đƣợc xác định căn cứ vào chiều sâu vết ấn của đầu nhọn kim cƣơng hoặc của viên bi thép vào vật liệu. Trƣớc tiên gia tải bằng tải trọng phụ 10kg để tạo vết ấn ban đầu và đƣa đầu ấn lên rồi giữ nó đúng vị trí trên mặt vật liệu. Tải trọng chính phụ thuộc vào thang đo đƣợc sử dụng và đƣợc gia tải dần sẽ làm tăng dần độ sâu vết ấn. Sau đó bỏ tải trọng chính nhƣng vẫn duy trì tải trọng phụ, trên máy đo sẽ cho biết trị số độ cứng Rockwell. Dựa vào trị số độ cứng bề mặt, có thể theo công thức thực nghiệm suy ra hàm lƣợng Các bon trong kim loại một cách gần đúng theo dãy số so sánh sau: -Hàm lƣợng C,% 0.05 0.15 0.20 0.30 0.40 0.50 -Độ cứng kim loại, MPa 1100 1200 1350 1560 1650 1800 69
2.6.2. BÊTÔNG Nói chung độ chính xác của việc thí nghiệm cƣờng độ bêtông trên kết cấu cũ thƣờng không cao do bêtông không đồng nhất và suy thoái theo thời gian một cách không đồng đều. Ngoài ra còn có ảnh hƣởng của vết nứt, độ ẩm ƣớt, cốt thép trong bêtông v.v Để thí nghiệm trong phòng phải khoan lấy mẫu bêtông rồi gia công thành hình trụ tròn đƣờng kính 70-150mm từ kết cấu cầu thực. Nhƣ vậy lỗ khoan trên kết cấu khá lớn và nếu cầu đang khai thác thì thƣờng không đƣợc phép khoan trên dầm. Chỉ có thể lấy mẫu từ các khối xây to lớn của mố trụ. Do vậy ngƣời ta thƣờng dùng các phƣơng pháp không phá huỷ mẫu để đo cƣờng độ bêtông ngay trên kết cấu thực. Hai phƣơng pháp đƣợc dùng phổ biến nhất hiện nay là phƣơng pháp siêu âm và phƣơng pháp dùng súng bật nẩy kiểu Schmid. Bộ Xây dựng đã ban hành tiêu chuẩn sử dụng kết hợp hai loại thiết bị đo này. Ngoài ra trong một số trƣờng hợp đặc biệt, có thể dùng phƣơng pháp tia Gamma (ví dụ đã áp dụng đo cƣờng độ bêtông trong cọc khoan nhồi sâu 40m dƣới lòng sông ở cầu Việt Trì 1993). 2.6.2.1 - Súng bật nẩy kiểu Schmidt (hình 2-27a). 4 5 6 7 1 2 3 8 9 10 11 Hình 2-27a. Súng bật nẩy kiểu Schmidt. 1-Bề mặt kết cấu bêtông; 2-Thanh va đập; 3-Nắp bịt đầu; 4-Lò so va đập; 5-Cửa sổ nhìn thang đo vạch; 6-Con chạy chỉ thị; 7-Thanh dẫn hướng; 8-Vòng đệm dẫn hướng; 9-Lò so nén; 10-Nắp vỏ thân súng; 11-Núm bấm giữ khi súng không hoạt động; 12-Vỏ thân súng; 13-Quả búa; 14-Đá mài; 15-Hộp đựng súng; 16-Dạng chung của súng. Nguyên lí hoạt động của thiết bị này nhƣ sau: Khi dùng sức tay ấn cho thân súng tiến dần đến bề mặt bê tông thì thanh 2 tụt sâu vào thân súng 11 cho đến lúc chạm vào quả búa13. Do cú va đập này quả búa 3 chuyển động về phía sau làm di chuyển con chạy 6 trên thang đo vạch. Vị trí con chạy 6 chỉ rõ số bật nẩy khi đo. Căn cứ số bậc này có thể tra đồ thị hay bảng mà hãng sản xuât Schmid đã bán kèm súng để suy ra cƣờng độ bề mặt nhỏ để lấy trị số bật nẩy trung bình. Trong các tài liệu kèm theo súng có các bảng tra cụ thể ứng với các góc bắn khác nhau, ví dụ: 45, 90, - 45, v.v Các súng do Trung Quốc sản xuất còn xét đến hiệu chỉnh theo mức độ các bô nát hóa bề mặt bê tông để gián tiếp xét đến tuổi bê tông cũ. Các súng do hãng Schmid bán ở Việt Nam chỉ đo cƣờng độ bê tông có tuổi cao nhất là 56 ngày. Tác giả Nga OCU OB khuyên đối với bê tông cũ phải cạo bỏ lớp bề mặt đi sâu 10mm rồi mới dùng súng bật nẩy để thử cƣờng độ bê tông. Điều này khó đƣợc áp dụng ở Việt Nam. 70
Hình 2-27b. Thử cƣờng độ BT đáy bản dầm liên hợp cầu Văn-điển bằng súng Schmidt 2.6.2.2 - Phƣơng pháp siêu âm. Để xác định cƣờng độ bê tông trong kết cấu có thể dùng máy siêu âm tạo ra sóng siêu âm và đo tốc độ truyền sóng. Từ tốc độ này suy ra cƣờng độ bê tông R. Sóng siêu âm đƣợc lan truyền theo hƣớng dọc và theo hƣớng ngang. Tốc độ truyền sóng là hàm số phụ thuộc vào độ đàn hồi, mật độ và dạng hình học theo hƣớng dọc và theo hƣớng ngang của kết cấu. Lúc thí nghiệm bê tông bằng siêu âm phải xét đƣợc mọi yếu tố ảnh hƣởng đến độ truyền sóng và quan hệ giữa nó với cƣờng độ bê tông R (đặc tính của cốt liệu, hàm lƣợng cốt liệu trong bê tông, công nghệ chế tạo bê tông nhiệt độ, sự bố trí cốt thép v.v ). Muốn vậy phải lập ra các đồ thị chuẩn thể hiện quan hệ giữa tốc độ truyền sóng siêu âm và cƣờng độ phá huỷ nén mẫu thử bê tông trong phòng thí nghiệm. Sau đó sử dụng đồ thị này để suy diễn các kết quả đo ở ngoài hiện trƣờng. Nhƣ vậy độ chính xác đo đạc phụ thuộc độ chính xác của việc lập đồ thị chuẩn, mẫu thử bê tông của cầu sẽ tính theo công thức: 4 v c Rc Rcl vcl Trong đó: Rcl : - Cƣờng độ bêtông của mẫu thử nén vỡ, mẫu này đƣợc lấy ra từ kết cấu thực. vc và vcl : -Tốc độ truyền sóng siêu âm trong bêtôngcủa kết cấu thực và trong mẫu thử nén vỡ. Ngƣời ta còn đƣa ra thêm các hệ số hiệu chỉnh thực nghiệm để xét đến các ảnh hƣởng khác. Nói chung sai số của phƣơng pháp siêu âm đo cƣờng độ bêtông vào cỡ 10%. Có rất nhiều loại máy siêu âm khác nhau do các hãng nƣớc ngoài sản xuất đang đƣợc dùng ở Việt Nam. Nguyên lý chung của chúng đƣợc vẽ trên hình 2-28. Các xung điện đƣợc phát ra từ máy phát cao tần kích động 1, truyền định kỳ lên đầu dò phát 10 để truyền vào bề mặt kết cấu bê tông hay bê tông cốt thép. Đồng thời một tín hiệu điện tử đƣợc đƣa vào khối quét chờ 3 rồi gửi đến ống tia điện tử. Khi sóng siêu âm từ đầu dò phát 10 đi qua bê tông đến đầu dò thu 9, nó tạo ra tín hiệu điện biến đổi để gửi đến bộ khuyếch đại 7, sau đó tín hiệu đi đến ống 71
tia điện tử làm lệch tia điện tử theo hƣớng thẳng đứng. Thời điểm phát sóng siêu âm ở đầu phát 10 và thời điểm nhận đỉnh nhọn trên đƣờng biểu diễn trên màn ảnh của ống tia điện tử 5. Khoảng cách giữa các đỉnh nhọn theo một tỷ lệ xích đã quy định sẵn sẽ tƣơng ứng với khoảng thời gian t mà xung đi qua vật thể bê tông. Nhờ khối 4 mà trên màn ảnh có thấy thang chia khoảng thời gian 6, theo đó ta biết đƣợc thời gian t. Căn cứ trị số t và độ dầy vật thể bê tông chúng ta xác định đƣợc tốc độ truyền sóng siêu âm v = 1/t. Từ đó suy ra cƣờng độ bê tông dựa vào đồ thị chuẩn của máy. Nói chung các máy siêu âm hiện đại còn có nhiều bộ phận khác để dễ đo, dễ mang đi công trƣờng và tăng độ chính xác. Có thể đo các kết cấu dày từ 0.1m đến 12m. Hình 2-28. Sơ đồ khối của máy siêu âm đo cƣờng độ bê tông. 4 5 1-Bộ phát xung tần số cao; 2- Bộ 2 3 phát chính; 3- Khối quét chờ; 4- Khối đo thời gian; 1 6 5- Bộ hiện sóng; 6- Thang chia; 7 7- Bộ khuyếch đại; 8- Cấu kiện l BTCT cần đo 8 cường độ; 9- Đầu dò thu; 10- Đầu dò phát 10 9 2.7- PHÁT HIỆN CÁC KHUYẾT TẬT VÀ HƢ HỎNG ẨN GIẤU Trong kết cấu cũ thƣờng có những khuyết tật ẩn giấu mà không nhận biết đƣợc nhƣ các vết nứt, vết rỗ vết rỗng xốp bên trong bê tông, trong mối hàn. Các loại máy dò khuyết tật ẩn giấu đƣợc phát triển ngày càng hiện đại nhƣng đều dựa trên các nguyên lý chung của các phƣơng pháp âm thanh, phƣơng pháp từ trƣờng, phƣơng pháp phóng xạ và tia Rơn-ghel. 2.7.1- PHƢƠNG PHÁP ÂM THANH Phƣơng pháp này sử dụng sóng đàn hồi ở dải tần rộng. Tuỳ theo tần số dao động đàn hồi có thể phân loại: - Sóng hạ âm (tần số 20Hz) - Sóng âm thánh nghe đƣợc (tần số 20 Hz đến 20 kHz) - Sóng siêu âm (tấn số từ 20 kHz trở lên) Nhƣng chỉ có sóng âm thanh và siêu âm là dúng đƣợc trong công tác chuẩn đoán bên trong. Các sóng đàn hồi ở dải tần siêu âm có thể đƣợc phát ra liên tục hoặc ngắt quảng từng sung. Siêu âm có thể áp dụng cho kiểm tra không phát huy mẫu đối với các bộ phận kết cấu làm bằng bất cứ loại vật liệu nào. Để phát hiện khuyết tật ẩn giấu phải căn cứ vào sự phản xạ và khuyết tán của các sóng siêu âm khi gặp sự bất thƣờng trên con đƣờng mà sóng đi qua (ví dụ đó là các lỗ rỗng, các vết nứt ngầm, các chỗ bị phân lớp v.v ) hoặc khi đi qua môi trƣờng không đồng chất. 72
Tần số siêu âm thông dụng trong chẩn đoán là từ 0,5 đến 255 MHz. Có thể đo sóng xuyên hoặ sóng phản xạ từ bề mặt. Trên hình 2-29 giới thiệu sơ đồ khồi của máy dò khuyế tật đơn giản hoạt động theo nguyên lý tiếng vọng âm. 2 1 3 5 4 6 a 7 D b Hình 2-29. Sơ đồ khối của máy đo khuyết tật a- Bề mặt truyền sóng âm; b- Bề mặt đối diện; D- Khuyết tật; I- Biểu diễn khuyết tật trên màn hình; 1- Bộ đồng bọ dao động; 2- Bộ phát xung; 3- Bộ phát quét; 4- Đầu dò vừa thu vừa phát; 5- Máy thu; 6- Bộ chỉ thị màn hình; 7- Kết cấu bê tông Để kích động những dao động đàn hồi có thể dùng các bộ cảm biến kiểu áp điện hoặc kiểu từ điện. Muốn cho sóng siêu âm từ đầu dò đến bề mặt kết cấu một cách thuận lợi cần phải bôi mỡ công nghiệp lên chỗ tiếp xúc. Các khuyết tật ẩn giấu bên trong kết cấu thép và kết cấu BTCT thƣờng đƣợc phát hiện bằng phƣơng pháp âm vọng hoặc phƣơng pháp xung. Trên hình 2-29 giới thiệu sơ đồ của một thiết bị âm vọng đơn giản. Nếu trên đƣờng đi qua của tín hiệu siêu âm gặp một khuyết tật nhƣ lỗ rỗng chẳng hạn thì sức cản âm đó sẽ khác với sức cản bình thƣờng của vật liệu kết cấu này, gây ra các đỉnh nhọn trên màn hình hiện sóng. Sau khi đó đƣợc thời gian, tốc độ và hƣớng đi của sóng siêu âm chúng ta có thể suy đoán vị trí và độ lớn của lỗ rỗng ẩn giấu. Căn cứ vào sự biến đổi đột ngột của tốc độ truyền sóng siêu âm trong các phần khác nhau của kết cấu chúng ta có thể suy đoán đƣợc về mặt độ bê tông, các vết nứt v.v Các khuyết tật và hƣ hỏng trong mối hàn có thể phát hiện bằng máy siêu âm bằng các đầu dò hình lăng trụ đặt sao cho phát ra các sóng nghiêng 30o - 60o (hình 2-30). Dùng tay đƣa đầu dò và trên mối hàn theo một quỹ đạo hiện sóng nhƣ hình vẽ thể hiện. Khi đến chỗ có khuyết tật thì trên màn hình sẽ hiện lên xung nhô cao, đồng thời máy phát ra tín hiệu ánh sáng và cói báo động. Để xác định đƣờng biên bao quanh khuyết tật phải dùng tay đƣa đầu dò rà quét theo các hƣớng khác nhau từ vị trí mà tƣơng ứng với đỉnh nhọn trông thấy trên màn hình cho đến lúc nào mà biên độ A của xung trên màn hình giảm xuống còn một nửa so với lúc đầu. Vị trí lúc đó của đầu dò sẽ tƣơng ứng với một điểm trên biên bao quanh khuyết tật. 73
Phƣơng pháp xung siêu âm cũng có thể dùng rất tiện lợi để theo dõi lâu dài sự biến động của cấu trúc và cƣờng độ bê tông. l2 l1 A/2 1 h 2 TP A h  L 3 l'1 A/2 l'2 1 2 Hình 2-30. Sơ đồ xác định hƣ hỏng trong mối hàn 1- Đầu dò; 2- Quỹ đạo rà quét của đầu dò; 3- Đậc tính xung hiện trên màn hình ứng với các vị trí đã vẽ của đầu dò. Phƣơng pháp phát xạ âm thanh đƣợc dùng để phát hiện các khuyết tật và hƣ hỏng ẩn giấu để thu lƣợm thông tin về các quá trình diễn ra bên trong vật liệu v.v Phƣơng pháp này dựa trên sự ghi nhận các sóng âm thanh xuất hiện trong vật thể cứng khi biến dạng dẻo và có các nứt. Thực chất của phƣơng pháp nhƣ sau. Trên bề mặt kết cấu đặt một vài đầu dò có khả năng nhạy cảm đối với các biến dạng trƣợt hoặc các sóng bề mặt, hoạt động ở tần số 1 - 3 MHz. Trong quá trình chịu lực sẽ xuất hiện các biến dạng lớn trong kết cấu và vết nứt. Điều này thể hiện qua sự phản xạ của sóng ứng suất có đặc tính xung. Sóng này đƣợc đi, đầu dò thu nhận và từ đó ta có thể đoán ra đƣợc khuyết tật hay hƣ hỏng. Trên hình 2-31 nêu sơ đồ nguyên lý của máy phản xạ âm thanh. Đầu dò 1 thu sóng phản xạ,, truyền qua bộ khuyếch đại 2 rồi đi vào bộ loạc điện tử 3 để tách tín tần số thấp, sau đó đi đến bộ khuyếch đại 4 rồi rẽ 2 nhánh, một nhánh vào khối điều chỉnh 5, một nhánh vào bộ tách sóng 8. Từ bộ tách sóng 8 tín hiệu đi vào bộ ghi lên băng từ 7. Nguồn cung cấp điện là 6. 2 3 4 Hình 2-31. Sơ đồ khối của thiết bị phản xạ âm thanh 1- Đầu dò; 2- Bộ tiền khuyếch đại; 1 5 3- Bộ lọc điện tử; 4- Bộ khuyếch đại; 5- Khối điều chỉnh; 6- Nguồn điện; 7- Thiết bị ghi băng từ; 8- Bộ tách sóng 6 7 8 74
2.7.2. PHƢƠNG PHÁP TỪ TRƢỜNG Phƣơng pháp này dùng để phát hiện khuyết tật và hƣ hỏng ẩn giấu trong các vật liệu có thể nhiễm từ, xác định độ dày lớp bê tông bảo hộ cho cốt thép, đo độ đầy lớp sơn phủ kết cấu thép v.v Nguyên lý của phƣơng pháp này dựa vào sự phát triển mức độ biến đổi của dòng từ đị qua vật thể. Các bột sắt hoặc dung dịch bột sắt trộn dung môi (ví dụ dầu hoả) đƣợc bôi lên bề mặt kết cấu. Dƣới tác động của từ trƣờng ở nơi có sắt sẽ phân bố theô một dạng khác thƣờng ở nơi có khuyết tật hay hƣ hỏng ẩn giấu bên dƣới. Một phƣơng pháp khác có hiệu quả hơn là dùng các đầu dò kiểu từ điện có lôi phe rít và dây đồng và dây đồng cuốn quanh. Từ trƣờng đƣợc tạo ra sẽ có dạng chữ U nhƣ hình vẽ 2-32. Khi dùng tay và quét đầu dò trên bề mặt kết cấu, bằng cách đó sức điện động có thể suy đoán và khuyết tật trong kết câu. Sơ đồ thiết bị vẽ trên hình 2-32 để xác định vị trí cốt thép nằm trong bê tông, đo chiều dầy lớp bê tông bảo hộ và đo đƣờng kính cốt thép đó. Bộ cảm biến từ điện 1 đƣợc đƣa rà quét trên bề mặt kết cấu bê tông cốt thép. Trong hộp máy của thiết bị còn có một bộ cảm biến 2 tƣơng tự nhƣng thêm tấm rung nhiễm từ 3, có tác dụng thay đổi độ cản kháng khi ta điều chỉnh cân bằng sơ đồ. Tuỳ theo mức độ xa gần từ bộ cảm biến 1 đến thanh cốt thép năm f sâu trong bê tông mà mức độ dầy lớp bê tông bảo hộ và đƣờng kính cốt thép. Dùng tay đƣa đầu dọc theo cốt thép đến chỗ phát hiện thấy vị trí số đô nhỏ nhất thì đó là điểm giao nhau của hai thanh cốt thép. 3 Hình 2-32. Thiết bị kiểu điện cảm để dò cốt thép và đo chiều dày bê tông bảo hộ 2 4 1-Bộ cảm biến ngoài (đầu dò); 2- 1 Bộ cảm biến trong hộp máy; 3- Bản để điều chỉnh cảm kháng; 4- Đồng hồ đo sức điện động; 5- Thanh cốt thép; 6- Cấu kiện BTCT 5 6 2.7.3- PHƢƠNG PHÁP TIA RƠN GHEN VÀ PHƢƠNG PHÁP TIA GAMA Hai phƣơng pháp này có thể dùng dò khuyết tật cho bất cứ loại vật liệu nào: gỗ, thép, BTCT, polyme v.v Có thể dùng chúng dò vị trí cốt thép và đƣờng kính của nó trong bê tông. Các tia phóng xạ này đi qua vật và đƣợc chụp bằng phim ảnh. Khả năng xuyên của tia  và tia Rơn ghen tuỳ thuộc mật độ của vật liệu, chiều dày kết cấu v.v Nếu gặp khuyết tật hƣ hỏng nhƣ lỗ rỗng, vết nứt thì khả năng xuyên qua của tia sẽ mạnh hơn, trên phim ảnh sẽ có các vùng tối đậm khác nhau. Phân tích ảnh chụp sẽ cho ta suy đoán về khuyết tật nhƣ bác sỹ xem phim chụp X quang. Nói chung việc sử dụng các phƣơng pháp này còn hạn chế ở Việt Nam và cần đặc biệt chú ý đảm bảo an toàn phóng xạ. 75
2.8. XỬ LÝ KẾT QUẢ ĐO VÀ PHÂN TÍCH KẾT LUẬN Công việc này đòi hỏi trình độ kiến thức và kinh nghiệm nhiều năm của kỹ sƣ thanhh tra. Thƣờng áp dụng các phƣơng pháp xử lý thống kê số liệu đo đạc. nhƣ đã đƣợc học ở môn học toán thống kê xác suất. Tuy nhiên nếu có ít số liệu thì phƣơng pháp này không áp dụng đƣợc. Nói chung thƣờng cần phân tích các số liệu đo sau: - Số liệu thử cƣờng độ bê tông (bằng các phƣơng pháp khác nhau) - Số liệu đo độ võng các dầm chủ dƣới tác dụng của hoạt tải xếp lệch để suy ra hệ số phân bố ngang hoạt tải. - Số liệu điều tra và đo độ rộng, độ dài các vết nứt bê tông các vết nứt trên kết cấu thép. - Số liệu đo góc xoay ở các mối dầm thép. - Số liệu đo biến dạng và ứng suất. - Số liệu đo dao động để suy ra trị số của hệ số xung kích (1+) và chu kỳ dao động riêng T của kết cấu nhịp. - Số liệu thí nghiệm vật liệu thép và cốt thép (nếu có) Trong phạm vi tài liệu này chỉ giới thiệu một số vấn đề xử lý kết quả chủ yếu. 2.8.1. HỆ SỐ PHÂN BỐ NGANG HOẠT TẢI Căn cứ vào kết quả đo đọ võng giữa nhịp cầu của các dầm chủ (dàn chủ) dƣới tác dụng hoạt tải xếp trên cầu theo một cách nào đó (hoặc chính giữa phần xe chạy, hoặc lệch về thƣợng lƣu, hoặc lệch về hạ lƣu) có thể tính ra hệ số phân bố ngang của từng dầm chủ đó tƣơng ứng cách xếp tải đã thực hiện. Công thức tính toán là: yi Ki = n (2-17)  y j 1 Trong đó: Ki - Hệ số phân bố ngang của dầm (dàn) của thứ i yi - Độ võng của dầm thứ i n  yj - Tổng độ võng của tất cả các dầm (dàn) chủ 1 n - Số lƣợng dầm (dàn chủ) Khi tính toán lại kết cấu cần phải sử dụng hệ số phân bố ngàn thực tế này chứ không dùng trị số tính toán lý thuyết nữa. 76
2.8.2. XỬ LÝ SỐ LIỆU DO ỨNG BIẾN Căn cứ kết quả đo bằng ten-xơ-mét cơ hay ten-xơ-mét điện, đối với kết cấu thép nhƣ thanh dầm thép có thể suy diễn ra ứng suất hoạt tải theo định luật Hook: ơ = E.  (2-18) Tuy nhiên đối với kết cấu bê tông việc suy diễn này phải thận trọng và chỉ có ý nghĩa tham khảo ở mức độ gần đúng vị trí số mô đuyn đàn hồi thực tế của bê tông cầu cũ nói chung là không xác định đƣợc đúng. Mặt khác ngay cả đối với phần bê tông chịu nén của mặt cắt, việc suy diễn ứng suất hoạt tải theo công thức trên cũng gƣợng ép vì quan hệ tuyến tính giƣa ơ và  đối với bê tông chịu nén chỉ đúng khi ứng suật ơ 0,2 Ru. Trong các cầu thực tế cũ ứng do riêng tĩnh tải cũng đã có thể vƣợt quá trị số 0,2 Ru. Vì vậy khi có thêm hoạt tải nữa thì quan hệ ơ và  càng không đủ căn cứ để coi là tuyến tính nữa. Đối với bê tông vùng chịu kéo, công thức định luật Hook hoàn toàn không thể áp dụng đƣợc. Vì vậy kết quả đo  ở vùng này cần xem xét kỹ có thể cọi đó là phép đo độ rộng vết nứt chứ không phải là đo độ dãn kéo dài tƣơng đối . Để nói về ứng suất trong cốt thép chịu kéo, nhất thiết phải đục bỏ lớp bê tông bảo hộ và gắn ten-xơ- mét cơ học hoặc lá điện trở vào trực tiếp cốt thép nhằm đo trị số  của nó. Từ đó có thể dùng định luật Hook để tính ra ứng suất cốt thép đƣợc. Hiện nay trong công tác đo cầu ở Việt nam còn rất hãn hữu bố trí đo theo trạng thái ứng suất phẳng mà thƣờng chỉ đo theo trạng thái ứng suất đƣờng. Đối với các thanh dàn chịu lực dọc trục cũng nhƣ đối với các bản cánh dầm, đo nhƣ vậy là tạm đủ nhƣng đối với phần bản bụng dầm, bản nút dàn và những trƣờng hợp mà trạng thái ứng suất phẳng thể hiện rõ thì phải bố trí các xen tơ mét cơ học hoặc lá điện trở theo các hƣớng khác nhau để từ kết đo suy ra trị số và hƣớng của các ứng suất chính. Xét ví dụ một mặt cắt ngang cấu kiện nhƣ hình 2-28 đã đặt các ten-xơ-mét để đo biến dạng thớ tại các điểm 1, 2, 3, 4 là 1, 2, 3, 4. Theo định luật Hook suy ra cá trị số ứng suất ơ1, ơ2, ơ3, ơ4. Căn cứ các đặc trƣng hình học mặt cắt (F, Ix, Iy, x1, x2, x3, x4, y1, y2) và biểu đồ ứng suất nhƣ hình vẽ. Ta lập đƣợc phƣơng trình: N Mx.y1 My.x1 1E = ơ1 = + - (2-19) F Ix Iy N Mx.y1 My.x2 2E = ơ2 = + - (2-20) F Ix Iy N Mx.y2 My.x3 3E = ơ3 = + - (2-21) F Ix Iy Myx4 4E = ơ4 = + - (2-22) Iy Khi giải hệ này ta tìm đƣợc các nội lực N, Mx, My. Ở đây có 4 phƣơng trình mà chỉ có 3 ẩn số nên chúng ta có khả năng kiểm tra độ chính xác của phép đo đã thực hiện. Muốn vậy chỉ cần xác định một nội lực nào đó bằng cách giải các nhóm phƣơng trình khác nhau. Ví dụ giải hệ 3 phƣơng trình 77
1,2,3 thì tìm đƣợc N1, Mx1, Mx2 còn khi giải hệ 3 phƣơng trình 2, 3, 4 lại đƣợc N2, Mx2, My2. Chênh lệch giữa các trị số N1 với N2, Mx1 với Mx2, My1 với My2 sẽ suy đoán về sai số đo đạc và ảnh hƣởng của các yếu tố nhƣ cong vênh cục bộ, ứng suất tập trung, mô men xoắn v.v Tóm lại để đánh giá sai số đo đạc thì phải tăng số lƣợng điểm đo biến dạng nhiều hơn số lƣợng các yếu tố nội lực cần tính. 2.8.3. XỬ LÝ KẾT QUẢ ĐO ĐỘNG Khi thử tải động đối với cầu, kết quả đo đƣợc ghi lên băng giấy hoặc phim dƣới dạng biểu đồ dao động nhƣ hình 2-33, Hệ số xung kích thực tế đƣợc suy ra từ kết quả đo theo công thức sau: y (1+  ) = max (2-23) y Trong đó: ymax - Độ võng lớn nhất khi hoạt tải chạy qua y - Độ võng tĩnh khi hoạt tải đứng yên Mỗi tốc độ xe thử chạy qua cầu sẽ cho một vị trí số (1+ ) riêng. Do đó khi thử đầu phải cho xe chạy với vài tốc độ khác nhau 20, 25, 35, 45 km/h lần lƣợt. Thông thƣờng trên cầu ôtô hệ số xung kích lớn nhất ứng với tốc độ từ 25 – 35 km/h. Để tìm độ võng y phải vẽ thêm đƣờng trung bình lên biểu đồ độ võng nhƣ hình 2-29. Trên hình đó cũng giải thích cách xác định các thời điểm xe ra vào cầu. Để xác định chu kỳ T và tần số f của dao động trên một đoạn biểu đồ dao động thì phải đếm số dao động n trên ứng với thời gian t rồi dùng các công thức sau: t n 1 T = ; f = = (2-24) n t T Công thức dùng chung cho cả khi xét dao động cƣỡng bức và dao động riêng. Muốn tính chu kỳ dao động riêng Tc để so sánh với trị số mà quy trình thiết kế cầu cho phép thì phải đếm đo trên đoạn c của biểu đồ (xem hình vẽ). Để đọc các băng ghi dao động phải có kính phóng đại với vạch chia cự ly đọc chính xác đến 0,1 mm. Trong lúc nhận xét kết quả thử tải phải xét toàn diện tất cả các vấn đề. Chú ý phân tích nguyên nhân và hậu quả của các hƣ hỏng, các hiện tƣợng độ võng dƣ và ứng suất dƣ của kết cấu. Phải có nhận xét về tuổi thọ của kết cấu. Sau khi tính toán đầy đủ các số liệu đo, báo cáo tổng kết cần làm theô trình tự nội dung sau: - Mô tả kết cấu và toàn bộ cầu - Nêu các số liệu tóm tắt rút ra từ hồ sơ thiết kế. - Nêu các vấn đề đặc biệt xảy ra trong quá trình thi công. - Mô tả các khuyết tật và hƣ hỏng. - Nhắc lại yêu cầu và nội dung thử nghiệm cầu. 78
- Danh mục các dụng cụ, thiết bị đƣợc dùng để thử nghiệm cầu. - Tải trọng thử cầu đã sử dụng - Trình tự thử tải cầu - Các hiện tƣợng phát sinh trong quá trình thử - Các kết quả đo đạc thử tĩnh và thử động ở tất cả các điểm đo dƣới mỗi cấp tải trọng. - Phân tích các số liệu có kết hợp với các tài liệu kiểm tra và đặc điểm của kết cấu - Đánh giá mức độ đúng đắn về những giả thiết tính toán và giải pháp kết cấu của đồ án. - Những kết luận về trạng thái chất lƣợng của công trình và khả năng thông qua của hoạt tải. - Những đề nghị về quản lý công trình, cá chỉ dẫn về giải pháp kỹ thuật cần áp dụng nhằm khắc phục những sai sót hƣ hỏng đã phát hiện. - Kèm theo báo cáo chung còn có các tài liệu kỹ thuật phản ánh quá trình đo đạc nhƣ hồ so thiết kế thử tải, ảnh chụp các dao động, biểu đồ ứng suất và độ võng và các tài liệu minh hoạ khác. Tb a) b)  1 ytb ymax Tc T T Tb 2 B C Hình 2-33. Biểu đồ ghi dao động cƣỡng bức (a) và dao động riêng (b). B - Đoạn ghi dao động cưỡng bức; C - Đoạn ghi dao động riêng. TB - Chu kỳ dao động cưỡng bức; TC - Chu kỳ dao động riêng Để đánh giá tốc độ tắt dần của dao động riêng cần phải tính hệ số tắt dần A  ln n (2-25) An 1 Trong đó An , An 1 là các biên độ của dao động 2.8.4. - ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ THỬ TẢI CẦU Căn cứ phân tích kết quả thử tải cầu có thể nên nhận xét về các vấn đề sau: - Mức độ thích hợp của phƣơng pháp tính toán đã áp dụng. - Độ chính xác và trình độ công nghệ chế tạo kết cấu - Đặc điểm cụ thể về tác động của tải trọng lên cầu. - Các đặc trƣng thực tế của trạng thái ứng suất của các bộ phận và các mối nối. 79
- Ảnh hƣởng của những yếu tố khác nhau và các khuyết tật, hƣ hỏng đến trạng thái kỹ thuật của kết cấu cầu. - Xác định độ an toàn thông xe qua cầu của hoạt tải cụ thể hoặc hoạt tải tiêu chuẩn nào đó: Trọng tải xe, cách cho xe qua cầu, tốc độ cho phép - Đề nghị về công tác duy tu sửa chữa hoặc nâng cấp cầu. Mức độ chênh lệch giữa các trị số tính ra đƣợc và trị số đo đƣợc của cùng một đại lƣợng vật lý đƣợc đánh giá bằng hệ số kết cấu:  do k (2-26)  tinh  do, tinh Các trị số đo đƣợc và tính đƣợc. Các hệ số kết cấu sẽ dùng để đánh giá năng lực chịu tải thực tế của kết cấu. 80
CHƢƠNG 3: ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC CHỊU TẢI CỦA CẦU ĐÃ QUA KHAI THÁC 3.1. KHÁI NIỆM CHUNG Khi đánh giá chất lƣợng kỹ thuật của một công trình cầu cũ không chỉ đơn thuần dựa vào việc tính toán mà phải kết hợp tất cả các công việc khảo sát, đo đạc, thử nghiệm mẫu trong phòng thí nghiệm, thử tải cầu, làm các thí nghiệm không phá huỷ ngay trên kết cấu thực, tính toán nhiều lần theo một số giả thiết khác nhau. Trong nhiều trƣờng hợp kinh nghiệm của kỹ sƣ thanh tra có một vai trò quan trọng quyết định. Nói chung, khả năng chịu lực của cầu có thể dự đoán bằng các tính toán lại, xác định các nội lực cho phép lớn nhất ở từng bộ phận kết cấu và so sánh chúng với các nội lực do các tải trọng (tĩnh tải và hoạt tải) gây ra. Những tải trọng đƣợc xét sẽ là tải trọng dự kiến đi qua cầu trong tƣơng lai. Khi tính toán lại kết cấu phải căn cứ vào trạng thái thực tại của nó, có liên quan đến: - Sơ đồ hình học thực tế của kết cấu và công trình. - Các mặt cắt chịu lực thực tế (có hƣ hỏng và khuyết tật) - Đặc điểm và thực trạng của hệ liên kết các bộ phận. - Các đặc trƣng cƣờng của vật liệu thực tế trên kết cấu. Có 2 đƣờng lối thƣờng áp dụng khi tính toán cầu cũ Xác định ứng suất trong kết cấu do hoạt tải thực tế và so sánh với ứng suất cho phép (hoặc cƣờng độ tính toán) của vật liêu kết cấu. Từ đó kết luận về khả năng thông qua cầu. Các kết cấu cầu thép sẽ đƣợc tính toán đẳng cấp chỉ theo điều kiện cƣờng độ và điều kiện mỏi. Các tải trọng qua cầu cũng sẽ đƣợc tính đẳng cấp của chúng. Nếu đẳng cấp tải trọng nhỏ hơn đẳng cấp các kết cấu thì thông xe đƣợc. Trong chƣơng này, chỉ trình bày một số vấn đề về tính toán lại kết cấu và tính toán đẳng cấp của kết cấu cầu đƣờng sắt cũ. 3.2. CÔNG THỨC CHUNG TÍNH TOÁN ĐẲNG CẤP CẦU THÉP ĐƢỜNG SẮT. 3.2.1. XÉT KẾT CẤU NHỊP Nguyên tắc tính toán năng lực chịu tải của kết cấu nhịp thép bằng phƣơng pháp phân đẳng cấp: Khi xác định năng lực chịu tải của kết cấu nhịp và điều kiện khai thác phải xét đến: Dạng cấu tạo của kết cấu nhịp và các bộ phận Loại vật liệu thép và tính chất cơ học. Hiện trạng của kết cấu, các hƣ hỏng. 81
Chất lƣợng chế tạo và thi công kết cấu nhịp Sự làm việc thực tế của kết cấu nhịp dƣới tác dụng của các tải trọng. Khổ giới hạn thực tế của kết cấu nhịp. Vị trí cầu (trên mặt bằng, trên trắc dọc, phạm vi ga, ) Các kết qủa thí nghiệm cầu (nếu có). Các kết quả tính toán lại bao gồm tính toán phân đẳng cấp. Khi tính toán phân đẳng cấp chỉ xét trạng thái giới hạn thứ nhất về cƣờng độ, ổn định hình dáng và mỏi. Đẳng cấp của một kết cấu nhịp đƣợc tính toán theo công thức: k K k1 (1 μ) Trong đó: 1+ - Hệ số xung kích. k - Hoạt tải rải đều tƣơng đƣơng cho phép (T/m) tính theo các điều kiện của trạng thái giới hạn thứ nhất. k1 - Hoạt tải rải đều tƣơng đƣơng của đoàn tàu đơn vị chuẩn. Các trị số k và k1 đƣợc tính với cùng một đƣờng ảnh hƣởng đang đƣợc xét (cùng độ dài và vị trí đỉnh đƣờng ảnh hƣởng). Đẳng cấp của một cấu kiện đƣợc lấy là trị số nhỏ nhất trong các trị số đẳng cấp của nó đã tính theo các điều kiện khác nhau. đẳng cấp của kết cấu nhịp lấy theo đẳng cấp thấp nhất của các cấu kiện. 3.2.2. XÉT ĐOÀN TÀU. Đẳng cấp của tải trọng Ko bằng tỷ số của tải trọng rải đều tƣơng đƣơng của đoàn tàu đang đƣợc xét (có cả hệ số xung kích) với tải trọng đơn vị chuẩn (có kể hệ số xung kích). k o (1 μ o ) K o Trong đó: k H (1 μ) ko - Tải trọng rải đều tƣơng đƣơng của đoàn tàu đang đƣợc phân cấp (T/m). kH - Tải trọng đơn vị chuẩn theo sơ đồ T1, đƣờng (T/m) 1+o - Hệ số xung kích của đoàn tàu đang đƣợc phân cấp (lấy theo Quy trình Thiết kế cầu mới hiện hành hoặc theo kết quả thử nghiệm cụ thể) 1+ - Hệ số xung kích đối với tải trọng đơn vị chuẩn theo sơ đồ T1 Các trị số ko và kH đƣợc lấy đối với cùng một đƣờng ảnh hƣởng. 82
Các tải trọng tƣơng đƣơng k0 và đẳng cấp tàu Ko đƣợc xác định với đƣờng ảnh hƣởng tam giác dài  =1 -:- 200(m), với hệ số. Khi xác định tải trọng tƣơng đƣơng ko phải đặt đoàn tàu đƣợc xét lên đƣờng ảnh hƣởng ở vị trí bất lợi nhất để cho giá trị ko đạt lớn nhất. Khi đó có một trong các lực tập trung, đƣợc gọi là lực chính, sẽ nằm đúng trên đỉnh đƣờng ảnh hƣởng. 3.3. TÍNH ĐẲNG CẤP DẦM CHỦ VÀ HỆ DẦM MẶT CẦU 3.3.1. NGUYÊN TẮC CHUNG Đối với dầm đặc chủ và các dầm trong hệ mặt cầu của cầu đƣờng sắt đơn trên tuyến thẳng phải tính toán đẳng cấp cũng nhƣ kiểm toán dƣới tải trọng thử cầu theo các nội dung sau: Tính toán theo ứng suất pháp Tính toán theo ứng suất tiếp Tính toán về cƣờng độ của đinh tán hoặc bu lông tinh chế, của mối hàn để liên kết bản bụng với bản cánh của dầm. Tính toán ổn định chung của dầm. Tính toán ổn đinh cục bộ của bản bụng dầm. Tính toán ổn định cục bộ của bản bụng có sƣờn đứng tăng cƣờng ở mặt cắt gối. Tính toán về mỏi Tính toán mối nối (nếu có) Ngoài ra, đối với các dầm dọc và dầm ngang của hệ mặt cầu, phải tính toán thêm các nội dụng sau: Tính toán liên kết dầm dọc và dầm dọc cụt với dầm ngang. Tính toán liên kết giữa dầm ngang và dầm chủ 3.3.2. TÍNH TOÁN CƢỜNG ĐỘ THEO ỨNG SUẤT PHÁP  Trong tính toán hoạt tải rải đều tƣơng đƣơng cho phép, các mặt cắt cần phải xét bao gồm: Đối với dầm chủ và dầm dọc mặt cầu: Mặt cắt giữa dầm Mặt cắt chỗ cắt đứt bản phủ cánh dầm (theo hàng đinh đầu tiến) Mặt cắt giảm yếu do khuyết tật hoặc hƣ hỏng Mặt cắt nguy hiểm khác. Mặt cắt nối (nếu dầm có mối nối) Đối với dầm ngang: Mặt cắt đi qua các lỗ đinh liên kết dầm ngang và dầm dọc 83
 Hoạt tải rải đều tƣơng đƣơng cho phép (T/m) khi tính theo ứng suất pháp đối với mặt cắt 1 vuông góc bất kỳ của dầm đƣợc tính theo công thức: k (mRCW ε Ω pn ) ' o p p  p ε k n k Ωk Trong đó: k - Hệ số phân bố ngang của hoạt tải đối với phiến dầm đang xét nk - Hệ số tải trọng đối với đoàn tàu 2 p = k - Diện tích đƣờng ảnh hƣởng mô men uốn tại mặt cắt đang xét của dầm (m ) m - Hệ số điều kiện làm việc. R - Cƣờng độ tính toán cơ bản của thép. C - Hệ số xét đến sự cho phép xuất hiện biến dạng dẻo hạn chế ở các thớ biên của dầm, lấy bằng 1,1 đối với dầm chủ và dầm dọc mặt cầu, bằng 1 đối với dầm ngang và đối với mọi trƣờng hợp tính toán về mỏi. 3 Wo - Mô men chống uốn của mặt cắt đang xét (m ) k - Hệ số phân bố ngang của tĩnh tải đối với cấu kiện đang xét p np - Tổng các tĩnh tải rải đều tính toán (mỗi loại tĩnh tải tƣơng ứng với một hệ số tải trong) (T/m)  Mô men chống uốn tính toán Wo của mặt cắt dầm ở ngoài phạm vi mối nối đƣợc lấy bằng mô men chống uốn của mặt cắt thu hẹp Wth Ith Wo Wth Ymax Trong đó: Ith - Mô men quán tính của mặt cắt thu hẹp đối với trục trung hoà Ymax - Khoảng cách từ trục trung hoà đến thớ xa nhất của mặt cắt đang xét. Đối với các dầm đinh tán mà không có tấm nằm ngang của bản cánh, đƣợc phép lấy Wth = 0,82WP, còn đối với dầm đinh tán có tấm nằm ngang ở bản cánh thì lấy Wth = 0,8WP. Trong đó Wp là mô men chống uốn của mặt cắt nguyên. Mức độ giảm yếu của bụng dầm đƣợc phép lấy bằng 15%.  Khi tính toán mặt cắt nằm trong phạm vi mối nối thì mô men chống uốn tính toán đƣợc lấy nhƣ sau:  I1  I 2 Wo Ymax 84
Trong đó: I1 - Tổng các mô men quán tính của mặt cắt thu hẹp của phần không có mối nối hoặc không bị gián đoạn tại mặt cắt đƣợc xét, lấy đối với trục trung hoà của toàn mặt cắt. I2 - Tổng các mô men quán tính thu hẹp của các tập bản nối, lấy đối với trục trung hoà của toàn mặt cắt Inối, hoặc tổng các mô men quán tính của các diện tích tính đổi của các đinh tán hay các bu lông tinh chế liên kết các nửa tập bản nối, lấy đối với trục trung hoà của toàn mặt cắt Io (lấy trị số nhỏ hơn) 1 2 I o  yi  o yi - Khoảng cách từ trục trung hoà của toàn mặt cắt đến đinh tán, bu lông thứ i, liên kết nửa tập bản nối. Đối với các đinh tán nằm ngang thì yi lấy đến tâm lỗ đinh, đối với các đinh tán thẳng đứng thì yi lấy đến mặt chịu cắt tƣơng ứng của đinh 1/o - Diện tích tính đổi của đinh tán hoặc bu lông tinh chế. Nếu mối nối dùng liên kết hàn thì giá trị I2 sẽ là mô men quán tính đối với trục trung hoà toàn mặt cắt của diện tích tính toán mối hàn. Khả năng chịu lực của mối nối đƣợc xác định bằng khả năng của tập bản nối hoặc bằng khả năng của các liên kết của tập bản nối đó(của các đinh tán, bu lông, mói hàn). Do vậy đối với mỗi tập bản của mối nối đều phải xác định số I2 2 lần: Lần đầu theo mô men quán tính thu hẹp của các tập bản nối, lần sau theo mô men quán tính của các diện tích tính đổi của các đinh tán hay bu lông liên kết.  Diện tích đƣờng ảnh hƣởng mô men uốn tại mặt cắt đang xét của dầm tính toán theo sơ đồ dầm giản đơn: Đối với dầm chủ thì nhịp tính toán bằng khoảng cách giữa hai tim gối l ( = l) Đối với dầm dọc hệ mặt cầu thì nhịp tính toán bằng khoảng cách giữa 2 dầm ngang hai đầu dầm đƣợc xét ( = d) Đối với dầm ngang nhịp tính toán bằng khoảng cách giữa hai tim dàn chủ (hoặc dầm chủ) Đối với dầm dọc cụt phải tính toán theo sơ đồ công xon có nhịp bằng khoảng cách từ tim dầm ngang biên đến đầu mút hẫng của dầm dọc cụt lk Các công thức tính diện tích đƣờng ảnh hƣởng mô men uốn nhƣ sau: Đối với dầm chủ: k = p = (1- ) l2/ 2 Đối với dầm dọc hệ mặt cầu: k = p = (1- ) d2/ 2 Đối với dầm ngang phía trong: k = p = d eo Đối với các dầm ngang đầu (biên): k = p = (d + lk) eo/ 2d 85
Trong đó: eo - Khoảng cách từ tim dầm chủ (dàn chủ) đến mặt cắt đƣợc xét của dầm ngang; eo phải nhỏ hơn hoặc bằng khoảng các từ tim dầm chủ (dàn chủ) đến dầm dọc hệ mặt cầu gần đó nhất, (m). d - chiều dài khoang dầm dọc lk - chiều dài dầm dọc cụt Hệ số thể hiện vị trí tƣơng đối của đỉnh đƣờng ảnh hƣởng đƣợc xác định nhƣ sau: Đối với dầm chủ: = ao/l Đối với dầm dọc hệ mặt cầu: = ao/d Đối với dầm ngang phía trong = 0.5 Đối với dầm ngang đầu = 0 Trong đó: ao - Khoảng cách từ đỉnh đƣờng ảnh hƣởng đến đầu gần nhất của nó, (m) 3.3.3. TÍNH TOÁN CƢỜNG ĐỘ THEO ỨNG SUẤT TIẾP  Các mặt cắt cần phải xét bao gồm: Đối với dầm chủ và dầm dọc mặt cầu: Mặt cắt tại gối và các mặt cắt bị giảm yếu do các lỗ đinh hoặc do các khuyết tật hƣ hỏng khác (thớ qua trục trung hoà) Cần xét thớ qua trục trung hoà của mặt cắt nói trên Đối với dầm ngang: Mặt cắt qua các lỗ đinh để liên kết với dầm dọc Mặt cắt nguy hiểm đi qua các lỗ đinh để liên kết với dầm dọc Các mặt cắt nguy hiểm khác.  Hoạt tải rải đều tƣơng đƣơng cho phép (T/m) khi tính theo ứng suất pháp đối với mặt cắt vuông góc bất kỳ của dầm đƣợc tính theo công thức: 1 0,75 mRI k ( ε pΩ p pn p ) ε k n k Ω k S Trong đó: 2 k - Diện tích đƣờng ảnh hƣởng lực cắt tại mặt cắt đang xét của dầm (m ) 2 p - Tổng diện tích đƣờng ảnh hƣởng lực cắt (m ). 86
I - Mô men quán tính của mặt cắt nguyên lấy đói với trục trung hoà (m4) S - Mô men tĩnh của nửa mặt cắt nguyên bên trên trục trung hoà lấy đối với trục trung hoà (m3).  - Chiều dầy bản bụng dầm. k - Hệ số phân bố ngang của hoạt tải đối với phiến dầm đang xét nk - Hệ số tải trọng đối với đoàn tàu m - Hệ số điều kiện làm việc. R - Cƣờng độ tính toán cơ bản của thép. 0.75 - Hệ số chuyển đổi từ cƣờng độ cơ bản của thép sang cƣờng độ chịu cắt C - Hệ số xét đến sự cho phép xuất hiện biến dạng dẻo hạn chế ở các thớ biên của dầm, lấy bằng 1,1 đối với dầm chủ và dầm dọc mặt cầu, bằng 1 đối với dầm ngang và đối với mọi trƣờng hợp tính toán về mỏi. 3 Wo - Mô men chống uốn của mặt cắt đang xét (m ) k - Hệ số phân bố ngang của tĩnh tải đối với cấu kiện đang xét p np - Tổng các tĩnh tải rải đều tính toán (mỗi loại tĩnh tải tƣơng ứng với một hệ số tải trong) (T/m) Có thể tính toán gần đúng tỷ số I/S đối với dầm tán đinh không có tấm nằm ngang ở bản cánh (với bụng dầm cao từ 350 đến 1500mm) bằng 0,835 hb, nếu bụng dầm cao từ 550 đến 1700 mm có thể lấy I/S bằng 0,865 hb, với hb - chiều cao bụng dầm. Nếu tại mặt cắt gối không có bản đệm thẳng đứng, trong tính toán chỉ lấy mặt cắt bụng dầm, lúc đó có thể lấy I/S ~ 0,667 hb.  Các diện tích đƣờng ảnh hƣởng lực cắt đƣợc tính toán nhƣ sau: (0,5l C ) 2 Đối với dầm chủ  o k 2l (ứng với  = 0,5 l + Co và = 0); p = Co Riêng mặt cắt tại gối thì k = p = l / 2 (ứng với  = 1 và = 0) Trong đó: 87
Co - Khoảng cách từ giữa nhịp đến mặt cắt đƣợc xét của dầm (m) Đối với dầm dọc hệ mặt cầu: 2 (0,5d Co ) p = Co;  k 2d (ứng với  = 0,5 d + Co và = 0) Riêng mặt cắt tại gối thì k = p = d / 2 Đối với dầm ngang phía trong k = p = d (ứng với  = 2d và = 0,5) Đối với dầm ngang đầu (d l ) 2   k k p 2d (ứng với  = d + lk và = 0) lk - Chiều dài dầm dọc cụt, (m) 3.3.4. TÍNH TOÁN THEO CƢỜNG ĐỘ CỦA LIÊN KẾT THÉP GÓC BẢN CÁNH VỚI BẢN BỤNG (BẰNG ĐINH TÁN, BU LÔNG HOẶC HÀN) Trong các tính toán đều xét trên một đoạn bản cánh dài 1 m. Công thức tính hoạt tải rải đều tƣơng đƣơng cho phép (T/m) theo điều kiện nói trên nhƣ sau: - Khi tà vẹt kê trực tiếp lên bản cánh trên của dầm: mRF k o 2 100α S' Ω ε n p k A k k 3 I - Khi tà vẹt không kê trực tiếp lên bản cánh trên của dầm: mRF I k o 100 p ε k n k  k S' Trong đó: 88
Fo - Diện tích tính toán tính toán tính đổi của các đinh tán (bu lông) hoặc mối nối hàn liên kết bản bụng với thép góc của bản cánh hoặc với bản cánh. + Đối với đinh tán (bu lông) Fo = nd / o + Đối với mối hàn: Fo = sFmh 1 / o - Diện tích tính toán tính đổi của đinh tán (bu lông) nd - Số lƣợng đinh tán (bu lông) trên đoạn cánh dài 1 m đang đƣợc xét S - hệ số tính toán mối hàn Fmh - Diện tích các mối hàn trên đoạn dài 1 m p - Hệ số xét đến trọng lƣợng bản thân dầm: + Khi tính dầm dọc và dầm ngang hay dầm chủ ngắn hơn 20 m p =1,1 + Khi tính dầm chủ có nhịp dài 20 – 45 m p =1,1 – 1,2. + Các số trung gian lấy nội suy S’ - Mô men tĩnh của mặt nguyên cánh dầm (gồm bản cánh và các thép góc cánh), lấy đối với trục trung hoà của nó (m3) I - Mô men quán tính của mặt cắt nguyên của dầm, lấy đối với trục trung hoà của nó (m4) A3 Tham số xét đến áp lực tập trung do tà vẹt kê trực tiếp lên bản cánh trên của dầm. 3.3.5. TÍNH TOÁN THEO ỔN ĐINH CHUNG Đẳng cấp của dầm theo điều kiện ổn đinh chung đƣợc tính toán theo công thức chung đã nêu ở mục 3.2.1, trong đó trị số hoạt tải rải đều tƣơng đƣơng cho phép (T/m) đƣợc tính theo các quy đinh dƣới đây: Phải tính toán theo điều kiện ổn đingh chung của dầm khi chiều dài tự do lo của bản cánh chịu nén (khoảng cách giữa các nút của hệ liên kết dọc ở bản cánh này) lớn hơn 15 lần chiều rộng của nó. Không phải tính toán theo điều kiện ổn định chung của dầm nếu mặt cầu có các tà vẹt thép đã đƣợc liên kết chặt chẽ với dầm thép bằng các bu lông móc hoặc neo ccs kiểu của dầm liên hợp thép – bê tông cốt thép.  Điều kiện ổn định chung là trị số ứng suất pháp nén lớn nhất xuất hiện trong bản cánh khi khai thác, tính theo mặt cắt nguyên, không vƣợt quá cƣờng độ tính toán bằng R, nhƣ trong kết cấu chịu nén đúng tâm. Đặc trƣng hình học của mặt cắt nguyên lấy đối với thớ chịu nén nhiều nhất là W Từ công thức cơ bản: 89
mR'G   pn k p p  p ε k n k Ω k Thay R’ = R, thay G = W ta có công thức sau: 1 k (m RW ε pΩp pn p ) ε k n k Ωk Là công thức tính hoạt tải rải đều tƣơng đƣơng cho phép dùng để tính đẳng cấp của dầm theo điều kiện ổn định chung. Trong đó: p = k - Diện tích đƣờng ảnh hƣởng mô men uốn của dầm đối với mặt cắt ở giữa chiều dài tự do đƣợc xét của bản cánh chịu nén (m2) - Hệ số uốn dọc lấy tuỳ theo độ mảnh quy ƣớc của bản cánh chịu nén o = lo/r lo - Chiều dài tự do của bản cánh chịu nén r - Bán kính quán tính quy ƣớc của bản cánh chịu nén (m) I r c Fc m - Hệ số điều kiện làm việc 4 Ic - Mô men quán tính nguyên của bản cánh chịu nén, lấy đối với trục trọng tâm (m ) 2 Fc - Diện tích mặt cắt nguyên của bản cánh chịu nén của dầm (m ) W - Mô men chống uốn của toàn mặt cắt nguyên của dầm ứng với thớ biên chịu nén của dầm, lấy đối với trục trung hoà của dầm (m3). Mặt cắt đƣợc xét ở đây là mặt cắt ở giữa chiều dài tự do của bản cánh chịu nén.  Trị số chiều dài tự do lo đƣợc lấy theo các quy định sau: Nếu có hệ liên kết dọc ở vùng bản cánh chịu nén của dầm và có hệ liên kết ngang ở các mặt cắt gối của dầm thì lo bằng khoảng cách giữa các nút của hệ liên kết dọc (m). Nếu chỉ có hệ liên kết dọc ở vùng bản cánh chịu kéo của dầm và có hệ liên kết ngang ở trong phạm vi nhịp cũng nhƣ ở các mặt cắt gối của dầm thì lo bằng khoảng cách giữa các liên kết ngang (m) Nếu không có hệ liên kết trong phạm vi nhịp thì lo bằng chiều dài nhịp dầm l (m) Khi tính toán dầm ngang, lo sẽ đƣợc lấy trị số nào lớn hơn trong hai trị số sau: Khoảng các giữa các dầm dọc. Khoảng cách từ tim dàn chủ đến dầm dọc gần đó nhất. 90
Thành phần của mặt cắt bản cánh chịu nén đƣợc lấy nhƣ sau: Đối với dầm tán đinh: Bao gồm các bản cánh và các thép góc cánh, và phần bản bụng nằm trong phạm vị chiều cao của thép góc cánh. Đối với dầm hàn: chỉ gồm các bản cánh. 3.3.6. TÍNH TOÁN THEO ĐIỀU KIỆN ỔN ĐỊNH CỤC BỘ CỦA BẢN BỤNG CÓ SƢỜN ĐỨNG TĂNG CƢỜNG Ở MẶT CẮT GỐI DẦM. Sơ đồ tính toán là một cột chịu nén đúng tâm bởi lực nén là phản lực gối bất lợi nhất thẳng đứng, mặt cắt của cột quy ƣớc này bao gồm phần bản bụng dầm ở trên gối và phần diện tích mặt cắt của các sƣờn tăng cƣờng đứng ở mặt cắt gối dầm. Hoạt tải rải đều tƣơng đƣơng cho phép, dùng để tính toán đẳng cấp của dầm điều kiện đã nêu tên đƣợc tính nhƣ sau: 1 k ( mRFb - ε p Ω p pn p ) ε k n k Ω k Trong đó: k = p - Diện tích đƣờng ảnh hƣởng phản lực gối của dầm (m) - Hệ số uốn dọc lấy tuỳ theo độ mảnh của cột quy ƣớc nói trên khi uốn ra ngoài mặt phẳng của dầm; chiều dài tự do lo của cột quy ƣớc lấy bằng khoảng cách thẳng đứng giữa tim các nút của hệ liên kết ngang nằm trong mặt phẳng của sƣờn cứng trên gối, nhân với 0,7. Fo - Diện tích nguyên của mặt cắt ngang cột quy ƣớc chịu nén, bao gồm các thép góc hoặc thép bản của sƣờn tăng cƣờng đứng và phần bản bụng dầm có độ rộng 14 tính về mỗi phía từ tâm của cột quy ƣớc (tức là xét độ rộng 28 đo theo dọc nhịp dầm), (m2)  - Chiều dày bản bụng ở mặt cắt trên gối (m) 3.3.7. TÍNH TOÁN THEO ĐIỀU KIỆN ỔN ĐỊNH CỤC BỘ CỦA BẢN BỤNG DẦM 3.3.7.1. Phải tính toán ổn định cục bộ của bản bụng dầm trong trƣờng hợp sau: - Khi không có sƣờn tăng cƣờng đứng mà h > 50 - Khi có các sƣờn tăng cƣờng thẳng đứng đặt cách nhau xa quá 2h hoặc 2 m. - Khi có các sƣờn cứng thẳng đứng, đặt cách nhau ít hơn 2h hay ít hơn 2 m, nếu h > 80 đối với bụng dầm thép than, nếu h > 60 đói với bụng dầm bằng thép hợp kim thấp. Trong đó: 91
h - Chiều cao tính toán của bụng dầm, đƣợc lấy đối với dầm hàn bằng toàn bộ chiều cao bụng dầm, còn đối với dầm tán đinh thì lấy bằng khoảng cách giữa các hàng đinh gần trục dầm nhất của bản cánh.  - Chiều dày bụng dầm. 3.3.7.2. Hoạt tải rải đều tƣơng đƣơng cho phép (T/m) xét theo điều kiện ổn định cục bộ của bản bụng dầm, đƣợc tính trong 2 trƣờng hợp a. Khi tà vẹt kê trực tiếp lên bản cánh trên của dầm: 1 1 k ε p p ε n 2 2 k k Ω M y A 0,9Ω Q k o M k ω Iζ α δp δhη 1 o p o o b. Khi tà vẹt không kê trực tiếp lên bản cánh trên của dầm: 1 1 k ε p p ε n M 2 Q 2 k k Ω y 0,9Ω k o k ω Iζ δhη 1 o o 3.3.7.3. Khi các sƣờn tăng cƣờng nằm ngang thì ổn định cục bộ của bụng dầm đƣợc tính toán theo chỉ dẫn của Quy trình thiết kế cầu mới hiện hành Đẳng cấp của bụng dầm và đẳng cấp của tải trọng đƣợc xác định với  = l hay  = d và = ao/l hay = ao/d 3.3.8. TÍNH TOÁN THEO ĐIỀU KIỆN MỎI Năng lực chịu tải của các dầm chủ và dầm phần xe chạy theo điều kiện mỏi đƣợc xác định tại chỗ cắt đứt bản thép nằm ngang, cũng nhƣ các chỗ khác mà có hệ số tập trung ứng suất cao. Hoạt tải cho phép (T/m) 1 k γRWo ε p p'Ω p ε k θΩk 92
Trong đó:  - Hệ số chuyển đổi 2 k, p - Các diện tích đƣờng ảnh hƣởng mô men uốn tại mặt cắt đang xét của dầm (m )  - Hệ số giảm cƣờng độ tính toán, khi tính toán về mỏi Wo - Mô men kháng uốn tính toán của mặt cắt đang xét của dầm p’ =pi - Tổng cƣờng độ tĩnh tải tiêu chuẩn (T/m) pi - Cƣờng độ tĩnh tải tiêu chuẩn thứ i (không xét hệ số) 3.3.9. TÍNH TOÁN DẦM DỌC CỤT Năng lực chịu tải của dầm dọc cụt xác định bằng cách tính toán trực tiếp đẳng cấp mà không tính toán hoạt tải cho phép. Đẳng cấp tính đƣợc của dầm dọc cụt sẽ đƣợc so sánh với đẳng cấp của đoàn tàu đã đƣợc tính toán. 3.3.9.1. Đẳng cấp của dầm dọc cụt theo ứng suất pháp là: 0,13RWth K1 ε k al 1 Trong đó: Wth - Mô men kháng uốn của mặt cắt thu hẹp tại vị trí ngàm của dầm dọc cụt có xét mặt cắt của bản cá (nếu có) và không xét mặt cắt của tấm bản nằm ngang cũng nhƣ của các thép góc cánh (m3) a - Hệ số, phụ thuộc vào số tà vẹt đặt trên dầm dọc cụt, lấy bằng 0,6 thi có 1 tà vẹt, bằng 0,8 khi có 2 tà vẹt. L1 - Khoảng cách từ trục dầm ngang đến trục của tà vẹt nằm ở đầu dầm dọc cụt (m) R - Cƣờng độ tính toán cơ bản chịu uốn của thép (T/m2) 3.3.9.2. Đẳng cấp của dầm dọc cụt về cƣờng độ theo ứng suất tiếp là: 0,063Rh K 2 ε k a 93
Trong đó: h - Chiều cao bụng dầm dọc cụt tại mặt cắt bên dƣới tà vẹt gần dầm ngang nhất (m)  - Chiều dầy tấm bản thẳng đứng của dầm dọc cụt (m). 3.3.9.3. Đẳng cấp của dầm dọc cụt theo cƣờng độ của bản cá trên về liên kết của nó là 0,13RhFp K 3 ε k al 1 Trong đó: Fb - Diện tích tính toán mặt cắt thu hẹp của bản cá Fth hoặc diện tích tính toán tính đổi của các 2 đinh tán liên kết “nửa bản cá” Fo (m ), trong công thức trên lấy giá trị nào nhỏ hơn. 3.3.9.4. Đẳng cấp của dầm dọc cụt với dầm ngang khí có bản cá trên (theo cƣờng độ của đinh tán nối với bụng dầm ngang) là: 0,13Rh k Fo K 4 ε k a Trong đó: Fo - Diện tích tính toán tính toán tính đổi của các đinh tán liên kết thép góc nối với dầm ngang (m2) 3.3.9.5. Đẳng cấp của dầm dọc cụt với dầm ngang khí không có bản cá trên (theo cƣờng độ của đinh tán nối với bụng dầm ngang) đƣợc tính theo công thức sau: 0,027Rh k Fo - Khi tính về cƣờng độ: K 5 ε k al 1 0,032Rh k Fo - Khi tính về mỏi: K 6 ε k al 1θ Trong đó: 2 Fo - Diện tích tính toán tính toán tính đổi của các đinh tán chịu đứt đầu đinh (chịu nhổ) (cm ) hk - Khoảng cách giữa các đinh tán biên trong dầm ngang trong phạm vi chiều cao dầm dọc cụt (cm)  - Hệ số chuyển đổi. 94
3.3.9.6. Đẳng cấp của dầm dọc cụt theo cƣờng độ đinh tán ở bụng dầm dọc cụt là: 0,13RFo K 7 - Khi có bản cá trên 2 l ε a 1 8,4 1 k ' h k 0,13RFo K 8 - Khi không có bản cá trên 2 l ε a 1 21 1 k ' h k Trong đó: Fo - Diện tích tính toán tính đổi của các đinh tán trong bản thẳng đứng của dầm dọc cụt, lấy theo sự làm việc của đinh tán chịu cắt 2 mặt hay chịu ép đập (m2) h’k - Khoảng cách giữa các đinh tán biên trong bụng dầm dọc cụt (m). 3.3.9.7. Đẳng cấp của dầm dọc cụt đã xác định theo các công thức trên đƣợc so sánh với đẳng cấp của tải trọng: Ko = 0,15 Po (1 + o) Trong đó: Po - Tải trọng do trục nặng nhất của đoàn tàu đè lên ray (T) (1 + o) - Hệ số xung kích của tải trọng đó đƣợc tính với  = 0. 3.3.10. ĐIỀU KIỆN TÍNH TOÁN LIÊN KẾT DẦM DỌC VỚI DẦM NGANG - Theo cƣờng độ đinh tán liên kết thép góc với dầm dọc (nếu dùng bu lông thƣờng hoặc bu lông cƣờng độ cao thì cũng tính toán nhƣ đối với đinh tán có xét đến diện tích tính toán tính đổi tƣơng đối của bu lông. - Theo cƣờng độ đinh tán nối thép góc với dầm ngang - Theo độ mỏi của đinh tán nối thép góc với dầm ngang khi không có bản cá. - Theo cƣờng độ và độ mỏi của bản cá và theo cƣờng độ của liên kết của bản cá Các công thức để tính toán kiên kết dầm dọc và dầm ngang só xét đến tính liên tục của dầm dọc, độ đàn hồi thẳng đứng của dầm ngang, độ biến dạng đàn hồi góc của liên kết và độ dãn dài của thanh treo. Mối nối các dầm dọc kiểu đặt chồng lên các dầm ngang, theo kiểu liên kết mặt bích đƣợc tính toán cũng giióng nhƣ liên kết dầm dọc với dầm ngang đặc. 95
Đẳng cấp theo liên kết dầm dọc với dầm ngang và đẳng cấp tƣơng ứng của tải trọng trong mọi trƣờng hợp nói dƣới đây đƣợc tính với  = d và = 0 3.3.11. TÍNH TOÁN LIÊN KẾT DẦM NGANG VỚI DÀN CHỦ. a) b) c) A B Hình 3.1. Cấu tạo nối ghép dầm ngang với dàn chủ a. Kiểu nối chắp; b. Có bản hình thang; c. Có bản nối tam giác A. Bản nối chắp; B. Bản nối hình thang 3.3.11.1. Nếu mối nối cấu tạo nhƣ trên hình vẽ 3.1a thì hoát tải cho phép (T/m đƣờng) là: 1 k (mRFo ε p pΩ p ε k n k Ω k Trong đó: k = p Diện tích đƣờng ảnh hƣởng lực cắt trong mặt cắt dầm ngang, nằm trên giữa dầm dọc và dàn chủ (m2) m = 1 Hệ số điều kiện làm việc n3 Fo Diện tích tính toán tính đổi của các đinh tán n3 chịu cắt hoặc chịu ép mặt dùng để liên  o kết bản nối đầu dầm ngang với hai nhánh của thanh đứng của dàn chủ (m2). Ngoài ra cần kiểm toán cƣờng độ mối nối bản nối đầu dầm ngang với tấm thẳng đứng của dầm ngang 3.3.11.2. Khi trong mối nối dầm ngang vào dàn chủ có các thép góc nối và bản hẫng thẳng đứng nhƣ hình 3.1b thì tính toán nhƣ công thức sau: 96
với m = 1,0 Khi xác định diện tích tính toán tính đổi Fo đƣợc phép xét đến các đinh tán liên kết théo góc nối với dàn chủ (không kể các đinh tán trong phạm vi chiều cao thanh biên của dàn) hoặc nối với dầm ngang (không kể các đinh tán trong phạm vi chiều cao bản nối hẫng thẳng đứng nói trên). Trong các tính toán sẽ lấy trị số nào nhỏ hơn 3.3.11.3. Khi có bản tam giác tăng cƣờng nhƣ trên hình 3.1c cũng nhƣ khi liên kết dầm ngang bằng các thép góc đặt chỉ trong phạm vi chiều cao dầm ngang thì tính toán theo công thức 1 k (mRFo ε p pΩ p ε k n k Ω k Hệ số điều kiện làm việc m = 0,85. Diện tích làm việc tính đổi của đinh tán cũng đƣợc xác định giống nhƣ trƣờng hợp có bản nối hẫng ở hình vẽ 3.1b. 3.4. TÍNH TOÁN CÁC BỘ PHẬN CỦA DÀN CHỦ 3.4.1 TÍNH THANH CHỊU NÉN THEO CƢỜNG ĐỘ CỦA BẢN GIẰN HAY THANH GIẰNG Năng lực chịu tải của thanh dàn chịu nén theo điều kiện cƣờng độ của bản giằng hoặc thanh giằng đƣợc kiểm toán đối với trƣờng hợp mặt cắt ghép hình hộp hoặc hình H gồm các nhánh đƣợc nối ghép với nhau trên suốt chiều dài bằng một hay hai mặt phẳng thanh giằng hoặc bản giằng. 3.4.2. TÍNH TOÁN THANH BIÊN TRÊN CỦA DÀN KHI TÀ VẸT ĐẶT TRỰC TIẾP LÊN NÓ Xác định hoạt tải cho phép (T/m) đối với các thanh biên trên (chịu nén) của dàn có tà vẹt đặt trực tiếp lên chúng trong hai trƣờng hợp Khi tính về cƣờng độ Khi tính về ổn định Đẳng cấp để tính toán năng lực chịu tải của các thanh biên trên của dàn chủ khi có tà vẹt đặt trực tiếp lên chúng đƣợc xác định nhƣ phần 3.1.6 khi  = l; = ao/l. 3.4.3. TÍNH TOÁN NÖT GỐI NHỌN CỦA DÀN. Nút gối nhọn là nút đầu dàn, chịu uốn Đẳng cấp của nút gối nhọn của dàn chủ kết cấu nhịp đƣợc xác định: Theo ứng suất pháp đƣợc xác định tại các mặt cắt a) Mặt cắt 1-1 tại chỗ bắt đầu của thanh biên b) Mặt cắt 2-2 ở cách mặt cắt 1-1 một khoảng bằng 0,4 – 0,5 m c) Mặt cắt đứt các tấm nằm ngang 97
Theo ứng suất tiếp ở gối theo điều kiện cƣờng độ của các tập bản thảng đứng, ở vị trí trục trung hoà và theo điều kiện cƣờng độ của các đinh tán nằm ngang liên kết bản cánh. Tất cả các mặt cắt tính toán đều thẳng đứng. 3.4.4. TÍNH TOÁN HỆ LIÊN KẾT VÀ GIẰNG GIÓ Hệ liên kết dọc của dàn chủ kết cấu nhịp đƣợc kiểm toán theo độ mảnh o = lo/r - Đối với cấu kiện của hệ liên kết dọc nằm ở mặt phẳng của thanh biên chịu kéo, lấy bằng 200. - Đối với cấu kiện của hệ liên kết dọc, nằm ở mặt phẳng các thanh biên chịu nén, cũng nhƣ đối với hệ liên kết ngang và dầm hẫng lấy bằng 150. - Chiều dài tự do của các cấu kiện hệ liên kết lo, đƣợc xác định cũng nhƣ tính toán các thanh của dàn chủ. Đối với các thanh biên có hai thành đứng thì chiều dài hình học của các cấu kiện đƣợc lấy bằng chiều dài của chúng giữa các thành đứng bên trong của các thanh biên dàn Đối với hệ liên kết có các thanh bắt chéo nhau làm bằng các thép góc giống nhau thì kiểm toán theo hai giả thiết: - Bán kính quán tính mặt cắt r đƣợc lấy đối với trục đi qua trọng tâm mặt cắt và song song với mặt phẳng của hệ liên kết, còn chiều dài tự do lấu đối với dạng dàn phức tạp - Bán kính quán tính mặt cắt đƣợc lấy là nhỏ nhất, còn chiều dài tự do lấy bằng nửa khoảng cách của tâm liên kết của thanh chéo 3.5. XÉT ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC HƢ HỎNG VÀ KHUYẾT TẬT CÁC BỘ PHẬN. 3.5.1. ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ GIẢM YẾU BỘ PHẬN DO GỈ Khi trong kết cấu nhịp có những bộ phận bị gỉ đáng kể thì ngoài việc tính toán mặt cắt mà ở đó có ứng lực lớn nhất tác động, cần phải tính toán phân cấp thêm cả những mặt cắt đăc bị giảm yếu do gỉ. ảnh hƣởng của gỉ kim loại đƣợc xét đến bằng cách đƣa vào trong công thức tính toán các đặc trƣng hình học thực tế của mặt cắt đƣợc xét đến có kể đến sự giảm yếu do chúng bị gỉ. Trong mỗi mặt cắt nhƣ thế cần xác định các đặc trƣng hình học tƣơng ứng đối với phần mặt cắt còn lại chƣa bị gỉ. Khi tính toán về độ mỏi của các cấu kiện đã bị giảm yếu do gỉ thép thì cần phải xét hệ tập trung ứng suất. 3.5.2. ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ CONG VÊNH CỦA CÁC CẤU KIỆN Khi cấu kiện chịu nén có độ cong vênh với đƣờng tên f > 0,0025 lo đối với kết cấu mặt cắt tổ hợp hoặc mặt cắt thép hình H có bản tấm nằm ngang đặc hoặc có f > 0,143 đối với cấu kiện có mặt cắt ngang  (lo - chiều dài tự do; - bán kính lõi của mặt cắt) ảnh hƣởng của dộ cong vênh cần phải đƣợc kể đến khi xác định hệ số uốn dọc . Hế số uốn dọc trong trƣờng hợp đó lấy tuỳ thuộc vào độ mảnh o và độ lệch tâm tƣơng đối i. Nếu trong một cấu kiện tổ hợp mà độ cong vênh của nhánh là f > 0,004 lo thì trong diện tích tính toán của cấu kiện khi tính toán chỉ đƣợc dựa vào diện tích của nhánh không bị cong vênh. 98
Các cấu kiện chịu nén có các chỗ cong vênh cục bộ của các tấm bản thép hoặc của thép góc khi mà đƣờng tên do uốn lớn hơn trị số đã đƣợc tính toán mà không xét đến các tấm bản thép góc đó ( - bán kính lõi của phần bị hƣ hỏng của mặt cắt, bao gồm mọi bộ phận đã bị hƣ hỏng - các bản thép, các thép góc theo hƣớng ngƣợc với hƣớng của độ lệch tâm) Dầm có thành bụng đặc bị cong vênh trong mặt bằng giữa các nút của hệ giằng liên kết sẽ đƣợc kiểm toán về ổn định chung có xét đé độ cong vênh của bản cánh chịu nén. 3.5.3. ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC LỖ THỦNG, CÁC CHỖ MÓP LÕM VÀ CÁC VẾT NỨT. Tất cả các lỗ thủng, các chỗ lõm và các vết nứt làm giảm yếu mặt cắt, đều phả đƣợc xét đến khi xác định các đặc trƣng hình học tính toán của mặt cắt đƣợc xét. Ở mỗi mặt cắt bị giảm yếu càn phải đƣợc xác định vị trí tƣơng ứng của trọng tâm có kể đến các hƣ hỏng. Đối với mặt cắt bị giảm yếu do lỗ thủng và vết lõm thì khi tính đặc trƣng hình học mặt cắt phải xét phần chƣa bị hỏng của kim loại và vị trí bắt đầu của phần đó ở cách 3-5 mm kể từ mép biên vết lõm hoặc mép lỗ thủng. Khi có vết nứt đã đƣợc khoan lỗ chặn hai đầu vết nứt thì mặt cắt tính toán đƣợc lấy từ mép lỗ. Nếu vết nứt hoặc lỗ thủng làm giảm yếu ở một mặt bên của thanh chịu nén hoặc thanh chịu kéo với các hƣ hỏng ở mép thanh thì khi tính toán, ngoài việc xét sự giảm yếu của mặt cắt còn phải xét đến mức độ lệch tâm truyền ứng lực lên phần còn nguyên lành của mặt cắt. Muốn vậy diện tích tính toán đƣợc xác định nhƣ sau: - Đối với cấu kiện chịu nén: G F'p 1 - Đối với cấu kiện chịu kéo: G F' 0 e F' 1 o p W'p Trong đó: 2 3 F’p, W’p - Diện tích (m ) và mô men kháng uốn (m ) của phần nguyên lành của mặt cắt bị giảm yếu nhất. Trên hình vẽ 3.2 các vùng hƣ hỏng của dầm thép đặc. Những hƣ hỏng vùng 1 không có ảnh hƣởng lớn đến năng lực chịu tải của kết cấu nhịp và nếu thép góc tăng cƣờng cứng không bị hƣ hỏng thì có thể bỏ qua không xét đến các hƣ hỏng. Nếu hƣ hỏng ở vùng 3 thì phải kiểm toán mặt cắt bị giảm yếu theo ứng suất tiếp. 99
l 2 1 3 1 3 1 h h/2 2 2/3 l Hình 3 - 2: Các vùng hư hỏng của dầm đặc Phải kiểm toán về cƣờng độ và về mỏi đối với dầm đã hƣ hỏng theo ứng suất pháp tại mặt cắt giảm yếu bằng các công thức giống nhƣ đối với dầm không bị hƣ hỏng. Trong tính toán sẽ lấy trị số nào nhỏ hơn của mô men kháng uốn tính toán của phần nguyên lành của mặt cắt đã đƣợc tính toán hai lần, đối với: - Trục đi qua trọng tâm của mặt cắt chƣa bị hỏng - Trục đi qua trọng tâm của phần mặt cắt còn lại sau khi hƣ hỏng Mô men kháng uốn tính toán trong cả hai trƣờng hợp đƣợc tính đối với thớ biên trên và thớ biên dƣới của mặt cắt. Các mép phần chƣa hƣ hỏng của mặt cắt dầm chịu uốn đƣợc lấy cũng nhƣ đới với cấu kiện của dàn. Để tính gần đúng, có thể tính hoạt tải hoạt tải cho phép (T/m đƣờng), khi tính toán theo ứng suất pháp có kể đến hƣ hỏng nằm trong vùng 3 là: 1 1,15Rδ(h Δh) k 0,5p ε k n k l Trong đó: R - Cƣờng độ tính toán cơ bản (T/m2)  - Chiều dày bản bụng dầm (m) h - Chiều cao toàn bộ của bụng dầm trên gối (m) h - Chiều cao phần hƣ hỏng của bụng dầm (m) l - Nhịp tính toán của dầm (m) 100
3.6. TÍNH TOÁN CÁC BỘ PHẬN ĐƢỢC TĂNG CƢỜNG. 3.6.1. NĂNG LỰC CHỊU TẢI CÁC CẤU KIỆN KẾT CẤU NHỊP ĐÃ ĐƢỢC TĂNG CƢỜNG BẰNG CÁCH THÊM THÉP, ĐƢỢC XÁC ĐỊNH NHƢ SAU: Hoạt tải cho phép theo cƣờng độ và ổn định của cấu kiện dàn chủ sau khi gia cố đƣợc xác định theo các công thức (T188-189, Quy trình kỹ thuật kiểm định cầu đƣờng sắt) phụ thuộc vào phƣơng pháp gia cố, dấu của nội lực và tải trọng (Tính toán theo cƣờng độ, tính toán theo ổn định) Hoạt tải cho phép khi tính toán theo mỏi đối với cấu kiện sau khi gia cố đƣợc xác định theo các công thức: - Khi tính các cấu kiện đƣợc gia cố có dỡ trọng lƣợng bản thân 1 k B (mRG y ε p p'Ω p ε k θΩk - Khi tính các cấu kiện đƣợc gia cố không dỡ trọng lƣợng bản thân: 1 k B (mRG y ε p ycp'Ω p ε k θΩk Trong đó yc Hệ số tính toán khi cấu kiện đƣợc gia cố mà không có dỡ trọng lƣợng bản thân mρ o G H γ yc 1 G o 3.6.2. NĂNG LỰC CHỊU TẢI CỦA CẤU KIỆN BỊ NÉN, ĐÃ ĐƢỢC TĂNG CƢỜNG BẰNG GỖ 1 Đƣợc xác định theo công thức k (mRCW ε Ω pn về cƣờng độ theo diện tích ' o p p  p ε k n k Ω k nguyên của phần chƣa bị hƣ hỏng của bộ phận F, còn về ổn định thì theo diện tích tính toán Fo =1,1 2 F’p (m ) - Hệ số uốn dọc đƣợc xác định theo độ mảnh quy ƣớc o 2 F’d - Diện tích mặt cắt nguyên của phần chƣa bị hƣ hỏng của bộ phận (m ) Độ mảnh quy ƣớc:  = lo/r lo - Chiều dài tự do của bộ phận I r p r - Bán kính quán tính (m) ' 1,1Fp 4 Ip - Mô men quán tính tính đổi của mặt cắt nguyên (m ) 101
Ip = I’p + 0,05 Id I’p - Mô men quán tính của phần không bị hƣ hỏng của mặt cắt ngang thép đối với trục bản thân 4 Id - Tổng các mô men quán tính của các bộ phận bằng gỗ đối với trục bản thân (m ) 3.7. CÁC CHỈ DẪN THỰC HÀNH TÍNH TOÁN Tính toán đẳng cấp của các bộ phận, các mối nối, các cấu kiện và các liên kết của chúng nên đƣợc làm dƣới dạng bảng. Nếu có các tính toán đặc biệt khác bổ sung thì tập hợp trong phần mục lục của hồ sơ. Khi các hƣ hỏng (do rỉ, do lực, cong vênh ) chỉ ở các bộ phận riêng lẻ của kết cấu nhịp, thì nên tính toán đẳng cấp của mọi bộ phận kết cấu nhịp, không kể đến hƣ hỏng, sau đó sẽ xác định năng lực chịu tải của các bộ phận hƣ hỏng. Điều đó cho phép đánh giá cụ thể ảnh hƣởng của hƣ hỏng bộ phận đến năng lực chịu tải của nó. Trong bảng kết luận về đẳng cấp của kết cấu nhịp cần phải chỉ rõ đẳng cấp của các bộ phận có đến các hƣ hỏng kèm theo các chú thích tỉ mỉ. Trong các trƣờng hợp các bộ phận kết cấu nhịp bị rỉ đáng kể hoặc bị hƣ hỏng thì việc xác định năng lực chịu tải của các bộ phận đó cần đƣợc ƣu tiên làm ngay lập tức trong đó có kể đến rỉ và các hƣ hỏng để có quyết định về chế độ khai thác cầu Khi tính toán cấu kiện chịu nén của dàn, năng lực chịu tải của nó cần phải xác định theo cƣờng độ và ổn định, để giảm khối lƣợng tính toán cần xác định trƣớc các diện tích tính toán quy ƣớc của các bộ phận khi tính toán về cƣờng độ - mFth và khi tính toán về ổn định - m Fp. Sau đó chỉ cần tính toán, hoặc về cƣờng độ, hoặc về ổn định tuỳ theo trị số diện tích tính toán quy ƣớc nào bé hơn. Khi tính toán các mối nối và các liên kết (kể cả bản nút dàn) của các cấu kiện chịu kéo và cấu kiện chịu nén thì cần xác định diện tích tính toán quy ƣớc tính đổi của các đinh tán (bu lông) mFo và diện tích quy ƣớc của bản nút chịu xé rách mF’o. Nếu trị số mF0 hay mF’o lớn hơn trị số tƣơng ứng của diện tích tính toán quy ƣớc của bộ phận (mFth, hay m Fp) năng lực chịu tải của bộ phận và cƣờng độ mối (liên kết) hay bản nút cáo thể không đƣợc xác định. Trong trƣờng hợp năng lực chiu tải của các bộ phận dàn về mỏi là không đủ thì cần xác định lƣợng tích tuỹ hƣ hỏng mỏi (độ dự trữ) theo lý thuyết hƣ hỏng tính luỹ (thuộc phần tính toán đặc biệt của hồ sơ kiểm định cầu). Theo kết quả của tính toán đó mà lập điều kiện khai thác mà chọn biện pháp tăng cƣờng kết cấu nhịp phù hợp 102
CHƢƠNG 4: SỬA CHỮA VÀ TĂNG CƢỜNG CẦU 4.1. CÁC GIẢI PHÁP KẾT CẤU CÔNG NGHỆ SỬA CHỮA KẾT CẤU NHỊP CẦU THÉP. 4.1.1. SỬA CHỮA MẶT CẦU. Công tác sửa chữa mặt cầu phải đƣợc thực hiện thƣờng xuyên nhất so với các dạng sửa chữa khác vì, mặt cầu là bộ phận chịu sự tác động trực tiếp của tải trọng và sự tác động bất lợi của môi trƣờng. Hơn nữa nếu các hƣ hỏng mặt cầu không đƣợc sử lý kịp thời thì nó dẫn đến nƣớc mƣa có thể ngấm xuống phần kết cấu thép bên dƣới, gây rỉ Mặt cầu ô tô cần đƣợc bảo dƣỡng thƣờng xuyên, khi các lớp phủ phần xe chạy và vỉa hè bị bong bật, nứt, cần sửa chữa kịp thời, tránh các chỗ hƣ hỏng lan rộng nhanh chóng vì không đƣợc sửa ngay. Các bộ phận khác thƣờng phải sửa là khu vực ống thoát nƣớc và khe biến dạng. Đối với cầu đƣờng sắt thƣờng dùng loại mặt cầu trần không máng ba lát trên cầu thép nên công việc sửa chữa chủ yếu là thay thế các tà vẹt hỏng, các bu lông hỏng, các ray mòn. Công tác sửa chữa phải làm nhanh chóng trong phạm vi thời gian trống, ít tàu chạy và áp dụng mọi biện pháp an toàn tàu chậy cần thiết. Khi thay tà vẹt mới cần lƣu ý việc cắt khấc để đảm bảo độ vồng cần thiết của trắc dọc ray trên cầu. Phải dọn vệ sinh bản cánh trên của dầm dọc, sơn phòng rỉ trƣớc khi đặt tà vẹt mới. 4.1.2. THAY THẾ CÁC ĐINH TÁN VÀ BU LÔNG HỎNG Các đinh tán bị lỏng đã đƣợc phát hiện cần phải chát ra và tán đinh mới. Tuy nhiên do việc tán một số ít đinh không lợi về mặt tổ chức công tác nên ở nhiều nƣớc thƣờng thay bằng bu lông cƣờng độ cao. Việc này có ƣu điểm là giảm tình trạng ứng suất cục bộ quanh lỗ đinh, nếu ở đó có vết nứt thì việc thay bằng bu lông cƣờng độ cao càng có tác dụng. Mỗi đinh chặt ra phải đƣợc thay ngay bằng 1 bu lông cƣờng độ cao. tuy nhiên tổng số bu lông cƣờng độ cao công lớn hơn 10% tổng số đinh tán trong liên kết. Đƣờng kính bu lông cƣờng độ cao lấy nhỏ hơn 1 - 3 mm so với đƣờng kính của đinh hỏng. Khi thay thế, trƣớc tiên phải khoan lỗ ở mũ đinh hỏng hoặc dùng mỏ cắt ô xy - axetylen để cắt mũ đinh nhƣng không đƣợc đốt nóng quá mức phần thép của cấu kiện. Lỗ khoan mũ đinh thƣờng có đƣờng kính nhỏ hơn 4 - 5 mm so với đƣờng kính đinh và sâu hơn 1 - 3 mm so với chiều cao mũ đinh. Sau đó dùng chạm chặt đứt mũ đinh và đột bỏ phần thân đinh còn lại. Đôi khi phải doa thêm lỗ cho rộng ra để luồn đƣợc bu lông cƣờng độ cao vào. Chiều dài của bu lông cƣờng độ cao đƣợc chọn sao cho phù hợp với chiều dày tập bản thép và không phải dùng quá nnhiều chủng loại bu lông. Trƣớc đó các bu lông phải đƣợc tẩy sạch dầu mỡ rỉ, các ê cu phải đƣợc xoay thử cho đi hết đoạn chiều dài ren răng thân bu lông. Lắp gá xong phải dùng cờ lê xiết chặt bu lông. Sau đó dùng cờ lê đo lực để xiết đến lực căng thiết kế tuỳ theo đƣờng kính bu lông. Xiết xong bu lông phải kiểm tra các đinh tán còn lại xung quanh. Nếu thấy đinh tán nào lỏng phải thay tiếp. Tổ công nhân làm việc này cần có 3 ngƣời 103
1 2 1 2 3 d Hình 4.1: Sơ đồ khoan cắt bỏ phần đinh tán hỏng. a) Bằng cách khoan lỗ; 1 - Phần sẽ bị chặt bằng chạm sắt 2 - Phần bị khoan lỗ; b) Bằng cách dùng mỏ cắt; 1 - Đinh tán; 2 – Mỏ cắt; 3 – Miếng đệ tỳ. Hình 4.2: Ốp phủ vết nứt ở thanh 3 xiên của dàn. 1 – Thép góc ốp phủ; 2 2 – Bulông cường độ cao trong các lỗ khoan mới 3 – Lỗ khoan chặn đầu vết nứt;   3 4 4 – Bulông cường độ cao trong lỗ khoan cũ. 4.1.3. SỬA VẾT NỨT Các vết nứt trên bản thép kết cấu không đƣợc hàn vá mà phải phủ lên bằng các bản thép đệm và liên kết bu lông cƣờng độ cao. Trƣớc đó phải khoan chận hai đầu vết nứt bằng lỗ khoan đƣờng kính 1418mm (hình 4.2) để giảm ứng suất tập trung. Trên thực tế, vết nứt có thể vẫn tiêp tục phát triển, vì thế bản đệm phủ phải bao trùm toàn bộ mặt cắt chứ không phải chỉ phủ qua vùng có vết nứt, đặc biệt là đối với cấu kiện mặt cắt hàn. Diện tích tổng cộng phải lớn hơn diện tích mặt cắt cấu kiện đƣợc sửa chữa. Số lƣợng bu lông ở một bên của vết nứt tuỳ thuộc vào diện tích làm việc của bản đệm. Trong một số trƣờng hợp đặc biệt đã đƣợc nghiên cứu thiết kế kỹ lƣỡng và hợp lý thì có thể hàn vá vết nứt nhƣng phải theo đúng công nghệ hàn quy định trong đồ án sửa chữa. Các mép vết nứt phải 104
đƣợc mài vát góc 600 – 800, rồi hàn nửa tự động dƣới lớp thuốc hàn. Nếu vết nứt ở các bản cánh của dầm thép hoặc thép góc cánh phải đƣợc đặt lên bản đệm thép phủ qua toàn bộ bề rộng cánh dầm hoặc bề rộng thép góc (hình 4-3). Thép góc đệm mới phải có cùng mặt cắt với thép góc bị nứt và phải mài vát sống để đặt sát đƣợc vào thép góc cánh bị nứt. a) b)   80-100 >40 80-100 >40 lç khoan chÆn VÕt nøt Hình 4.3: ốp phủ vết nứt trong thép góc cánh của dầm dọc bằng bản phủ phẳng (a) và bằng thép góc (b). Các bản cá bị hƣ hỏng cùng có thể sửa theo nhƣ trên hoặc thay bản cá mới. Chiều dày bản cá mới phải ít nhất là 12mm và không mỏng hơn cá cũ. Các vết nứt trong bản bụng của dầm dọc ở chỗ nối nó với dầm ngang (hình 4-4) phải đƣợc áp hai bản đệm hai bên dày ít nhất 10mm và xiết bulông cƣờng độ cao ép chặt lại. Bản đệm phải đƣợc đặt trên toàn chiều cao dầm dọc cho đến áp sát vào cánh nằm ngang của thép góc cánh. Nhƣ vậy, có thể phải đặt ít nhất 2 hàng bu lông cƣờng độ cao bên ngoài đầu vết nứt. 2 3 Hình 4.4: Ốp phủ vết nứt ở bản bụng của dầm dọc 1 1. Bản đệm 2. Bản ốp phủ 4 3. Bu lông cường độ cao trong lỗ khoan cũ 4. Cũng vậy, trong lỗ khoan mới. 4.1.4. SỬA CHỖ MÓP MÉO. Các bộ phận kết cấu bị phồng móp nên sửa chữa nhƣ sau: Các chỗ phồng, móp nên cắt khoét bỏ, lƣợn tròn các mép để tránh ứng suất tập trung. Sau đó đặt hai bản phủ hai bên và dùng các bu lông cƣờng độ cao để liên kết. 105
Những cấu kiện phủ bị hƣ hỏng nhƣ giằng liên kết, bản nút dàn liên kết v.v có thể thay thế lần lƣợt theo nguyên tắc bảo đảm đủ mặt cắt có mặt cắt nhƣ cũ. Để an toàn, không đƣợc thay thế đồng thời ở hai khoang dàn cạnh nhau. Đối với cầu đƣờng sắt chỉ đƣợc thay thế các bộ phận khi không có tàu qua cầu để đảm bảo an toàn. 4.1.5. SỬA CONG VÊNH. Đối với các bộ phận bị cong vênh nhƣ thanh dàn do va quệt xe nếu đƣờng tên chỗ cong vênh quá 1/7 bán kính quán tính mặt cắt thì phải tính toán lại kết cấu. Có thể sửa tạm bằng cách đặt các nẹp gỗ ép sát hai bên. Để sửa cong vênh nên dùng các bộ nẹp và kích ép. Cần lƣu ý là khi nắn nguội nhƣ vậy thì trong thép đã phát sinh biến dạng dẻo khiến cho tính chất cơ lý của thép ở đó bị thay đổi (hình 4- 5). Hình 4.5: Nắn sửa c) a) các chỗ cong móp 1. Van 2. Thanh đỡ ép 6 b) 3 2 3. Dầm thép 3 4 2 4. Kích 4 5. Chỗ kê kích 5 6 6. Thanh căng 7 7. ụ kê Các cầu thép cũ làm bằng loại thép có độ dẻo thấp thì trong lúc nắn sửa có thể xuất hiện các vết nứt. Còn nếu đốt nóng chỗ hỏng lên để dễ nắn sửa thì có thể làm giảm cƣờng độ thép. Vì vậy, chỉ nên đốt nóng thép đến 750 – 8500C rồi nắn sửa. Sau đó phải làm nguội từ từ. Trƣờng hợp đặc biệt có thể phải kê kích kết cấu cho an toàn rồi thay hẳn cấu kiện thép mới. Trong thời gian chiến tranh, nhiều cầu thép kể cả cầu đƣờng sắt đã đƣợc sửa chữa bằng cách hàn vá một cách vội vã, vì vậy, có thể sau quá trình khai thác lâu dài đến nay sẽ phát sinh nứt mối hàn. Trong trƣờng hợp này cần khảo sát kỹ lƣỡng, có thể tăng cƣờng bằng các bu lông cƣờng độ cao. 106
a) b) A A - A 1 2 3 5 3 6 7  6 4 4 2 2030 4 7 A Hình 4.6: ốp phủ và vá đắp bản bụng dầm thép 1. Bu lông 2. Bản đệm (nét gạch chéo) thay cho phần bị hỏng 3. Thép góc ốp đệm 4. Tấm ốp phủ ở bản bụng 5. Tấm ốp phủ nằm ngang liên kết bằng bu lông 6. Miếng vá liên kết bằng hàn 7. Mối hàn 4.1.6. SƠN LẠI CẦU THÉP. Điều kiện khí hậu Việt Nam thuận lợi cho sự ăn mòn của kết cấu thép. Các cầu thép trên các tuyến đƣờng sắt và đƣờng bộ ven biển cũng nhƣ ở các khu vực công nghiệp thƣờng bị ăn mòn đe doạ nặng nề. Do đó việc sơn cầu định kỳ và đúng kỹ thuật là rất quan trọng. Đáng tiếc là do khó khăn kinh phí, phần lớn các cầu thép ít đƣợc quan tâm sơn lại đúng mức. Nhiều cầu lớn nhƣ: Đà Rằng, Long Biên cũng bị rỉ nghiêm trọng. Các loại sơn đặc biệt dùng cho kết cấu thép vùng ăn mòn nặng nhƣ dàn khoan biển đã đƣợc sản xuất ngay trong nƣớc và có chất lƣợng cao, có thể bền nhất 20 năm. Tuy nhiên, đáng tiếc là các cầu thép hiện nay chỉ đƣợc sơn bằng các loại sơn thƣờng, sau 3 tháng sơn đã có thể bị hƣ hỏng và thép lại bị rỉ. Điều này cần đƣợc xem xét thay đổi cho tốt hơn. Muốn sơn tốt, trƣớc tiên phải chuẩn bị làm sạch bề mặt thép cho tốt. Ở Pháp chi phí cho làm sạch bề mặt hoặc phun hạt gang chiếm khoảng 70% chi phí cho việc sơn lại cầu. Ở nƣớc ta vẫn cạo rỉ bằng phƣơng pháp thủ công do đó chất lƣợng công tác chuẩn bị bề mặt không cao do đó màng sơn bám dính kém và mau chóng bị hƣ hỏng. Tại nhiều nƣớc công nghiệp phát triển đã cấm áp dụng việc phun cát tẩy rỉ để tránh ô nhiễm. Ngƣời ta dùng các hạt gang nhỏ ly ty do công niệp luyện kim tạo ra để phun tẩy và chuẩn bị bề mặt cho việc sơn. 107
Ở Việt Nam, ngay việc phun cát cũng chƣa đƣợc áp dụng rộng rãi. Kỹ thuật phun cát dùng các hạt cát thạch anh khô, sạch, cỡ hạt 12mm phun với áp lực khí nén ở đầu vòi phun ít nhất 20kG/cm2 vào bề mặt thép. Góc phun khoảng 450. Cũng có thể tẩy rỉ bằng phƣơng pháp phun lửa từ mỏ cắt ôxy – xêtylen làm nóng bề mặt thép đến 2000 – 4000 nhƣng có hại là làm cho thép chóng già và dòn hơn trƣớc. Phƣơng pháp dùng chất hoá học để tẩy ít đƣợc áp dụng. Hệ thống sơn thông dụng để sơn cầu ở nƣớc ngoài thƣờng gồm 34 lớp. Lớp trong cùng là lớp nền có tác dụng bám chắc vào bề mặt thép đã làm sạch để chống rỉ, sau đó là hai lớp sơn dầu hoặc sơn pôlime. Chiều dày tổng cộng của các lớp sơn không ít hơn 100 – 200 km. ở một số nƣớc ngoài, các hệ thống sơn cầu thép đƣợc tiêu chuẩn hoá thành quy định chung cho cả nƣớc. Để sơn phải dùng súng phun sơn mới đảm bảo chất lƣợng cao. Nếu dùng chổi sơn nhƣ ở nƣớc ta hiện nay thì rất khó tạo đƣợc chiều dày đồng đều của lớp màng sơn, các sợi của chổi sơn tụt ra sẽ dính lên bề mặt thép và đó sẽ là chỗ hỏng lớp sơn sau này. Súng phun sơn nên có công suất 10 – 30 m3/giờ với áp lực khí nén 3  4 kG/cm2. Ở nƣớc ngoài còn dùng phƣơng pháp tĩnh điện để sơn bám chắc hơn vào thép. 4.2. CÁC GIẢI PHÁP KẾT CẤU CÔNG NGHỆ SỬA CHỮA KẾT CẤU NHỊP CẦU BTCT. 4.2.1. GIẢI PHÁP CHUNG: Tuỳ theo mục đích của việc sửa chữa là để kéo dài tuổi thọ kết cấu hay để khôi phục lại khả năng chịu lực nhƣ ban đầu của kết cấu mà chọn vật liệu, thiết bị và phƣơng pháp để sửa chữa. Ở nƣớc ta, trên các cầu BTCT cũ của đƣờng sắt cũng nhƣ bộ, nhiều nơi đã dùng xi măng để trám vá hoặc bịt các vết nứt các chỗ sứt vỡ. Biện pháp này thực tế là không có hiệu quả, sau một thời gian ngắn, vết nứt mới lại xuất hiện do sự co ngót và sự dính bám kém giữa lớp bêtông cũ và bêtông mới trát. Cần thiết phải áp dụng các vật liệu mới hữu hiệu hơn nhƣ các loại vữa sửa chữa đặc biệt của công ty Sika – Việt Nam hoặc bêtông polyme tự pha trộn trên cơ sở nhựa êpôxy theo các công thức của Đại học giao thông vận tải, Viện KHKTGTVT đã nghiên cứu ra. Nói chung, công nghệ sửa chữa (phƣơng pháp và vật liệu, thiết bị) đƣợc chọn tuỳ theo đặc điểm của hƣ hỏng. Có thể phân loại các hƣ hỏng nhƣ sau: Nhóm hư hỏng loại 1: là những hƣ hỏng không làm giảm cƣờng độ và tuổi thọ kết cấu (các vết nứt bé 0,2 mm, các sứt vỡ bêtông nhỏ mà không lộ cốt thép, các vết rạn chân chim trên bề mặt bêtông). Nhóm hư hỏng loại 2: là những hƣ hỏng làm giảm tuổi thọ kết cấu: Vết nứt quá 0,2 mm, các vết sứt vỡ bêtông lõi cốt thép, các chỗ bêtông bị ăn mòn và suy thoái. Nhóm hư hỏng loại 3: là những hƣ hỏng làm giảm cƣờng độ kết cấu: Vết nứt xiên ở bụng dầm, các vết nứt nằm ngang ở chỗ tiếp giáp bản cánh với bụng dầm, các sứt vỡ lớn bêtông ở vùng bị nén v v 108
Các hƣ hỏng nhóm 1 chỉ cần sửa chữa khi bảo dƣỡng định kì và làm cho khôi phục vẻ đẹp của kết cấu. Đối với các hƣ hỏng nhóm 2 phải dùng các vật liệu sửa chữa có tính bảo vệ tốt cho kết cấu. Còn đối với các hƣ hỏng nhóm 3 cần phải dùng các vật liệu và công nghệ thích hợp để sửa chữa nhằm đảm bảo cƣờng độ cho kết cấu. Các công tác sửa chữa thông thƣờng chỉ đối phó với hƣ hỏng nhóm 1 và nhóm 2. Riêng đối với hƣ hỏng nhóm 3 thì cần phải có đồ án thiết kế sửa chữa cụ thể cho từng trƣờng hợp. Các vật liệu dùng để sửa chữa cầu có thể đƣợc phân loại thành 2 nhóm: Nhóm vật liệu thứ 1: gồm những hợp chất mà sau khi thi công thì tạo ra lớp phủ cứng bên ngoài, có tính chất gần giống đá ximăng. Ngƣời ta dùng vật liệu này để sửa chữa hƣ hỏng trên đoạn kết cấu có biến dạng nhỏ, ví dụ có những vết nứt thay đổi đến 0,1 mm dƣới hoạt tải qua cầu, hoặc các vết nứt dọc cốt thép thƣờng và vết nứt co ngót trong các kết cấu dự ứng lực. Các vật liệu đó có thể là vữa ximăng, cát, vữa polyme, vữa dùng keo tổng hợp. Các vật liệu sửa chữa thuộc nhóm 2: là những vật liệu dẻo kiểu co su không bị hỏng khi có biến dạng lớn. Chúng đƣợc dùng để trát bịt các vết nứt có độ rộng biến đổi cỡ bằng hoặc quá 0,15 mm. Có thể là các hợp chất cao su – bitum chẳng hạn. Vật liệu trên cơ sở nhựa êpôxy nên dùng để che phủ bảo vệ cho kết cấu nhịp ở vùng môi trƣờng ăn mòn mạnh. Tuy nhiên giá thành cao. Các chất keo peclovynil và sơn silíc hữu cơ cũng có thể đƣợc dùng. Công ty Sika Việt Nam có nhiều loại vật liệu để chọn lựa áp dụng thích hợp cho việc sửa chữa này. 4.2.2. CHUẨN BỊ KẾT CẤU TRƢỚC KHI SỬA CHỮA. Cũng giống nhƣ sơn cầu thép, trong việc sửa chữa cầu BTCT, công tác chuẩn bị bề mặt kết cấu rất quan trọng và quyết định chất lƣợng sửa chữa. Công tác này thƣờng gồm một hay vài việc sau: - Đục tẩy bỏ phần bêtông yếu đã bị suy thoái hoặc nứt vỡ nhiều. - Cọ rửa bề mặt bêtông, phun khí nén thổi sạch bụi đất trên bề mặt gia công. - Cạo mép các vết nứt, làm cho khô bề mặt gia công. - Khoan, chôn các đầu tiêm để tiêm vữa hoặc keo. - Cạo rỉ, tẩy sạch cốt thép đã bị lộ ra v v Các dụng cụ nhƣ bàn chải sắt, máy phun cát, máy nén khí nên đƣợc sử dụng khi chuẩn bị bề mặt bêtông. Những chỗ bề mặt bêtông bị bẩn do dầu mỡ, nhựa đƣờng phải đƣợc làm sạch bằng các hoá chất nhƣ xăng, azêtôn và các dung môi hoà tan khác. Sau đó phải xối lại bằng nƣớc sạch. Các vết nứt rộng quá 1mm phải đƣợc đục vát cạnh 45o  60o hoặc rãnh hình chữ nhất sâu 10  30 mm cho đến cốt thép. (Hình 4 – 7) 109
Ở những chỗ có vết vỡ rộng lộ ra nhiều cốt thép phải buộc thêm lƣới thép gồm các sợi thép đƣờng kính nhỏ hơn 6 mm, ô lƣới 2,5  10 cm vào cốt thép. Còn các cốt thép rỉ của kết cấu phải đƣợc cạo sạch bằng bàn chải thép hay phun cát. 4.2.3. TIÊM VỮA XI MĂNG HOẶC KEO EPOXI Phƣơng pháp tiêm có thể áp dụng cho các vết nứt rộng 10 mm. Tuy nhiên đối với kết cấu nhịp cầu chỉ tiêm cho các vết nứt 3 mm vì nếu nứt to hơn nữa thì phải thay kết cấu mới. Để keo thấm sâu thì phải có các đầu tiêm bằng thép đƣợc đặt trƣớc vào các lỗ khoan trên bêtông chỗ nứt (hình 4.8 và 4.9). 45° - 60°° 1 2 3 >10 1 2 3 10 - 30 - 10 Hình 4.7: Sơ đồ cắt rộng vết nứt để chuẩn bị trám vá. a) Cắt rãnh chữ V b) Cắt rãnh chữ nhật. 1 – Vết nứt bêtông; 2 – Cốt thép; 3 – Lớp bêtông bảo vệ. 1 40 15 Hình 4.8: Sơ đồ đầu tiêm 4 trên bề mặt. 2 3 4 1 – Cao su khoét lỗ. 5 2 – Bản thép 3 – Lỗ để bơm vữa 20 D5 40 40 4 – Ống thép 20 5 – Ống cao su dẫn vữa 130 150 110
Hình 4.9: Đầu tiêm sâu. 1 2 3 1 - Vết nứt 2 - Keo êpôxy 3 - Đầu tiêm bằng thép. Số lƣợng đầu tiêm và cự ly giữa chúng phụ thuộc vào đặc điểm vết nứt. Nói chung cự ly không quá 50cm. Đầu tiêm đƣợc cắm sâu 7  10cm vào bê tông. Đoạn dài của vết nứt giữa các đầu tiêm đƣợc trám kín bề mặt bằng keo êpôxy. Trƣớc khi tiêm phải làm thí nghiệm kiểm tra nhiệt độ và thời gian hoá cứng của keo. Mỗi lần chỉ trộn 0.5 lít keo êpôxy rồi tiêm ngay. Tỷ lệ thành phần pha trộn nhựa êpôxy, chất hoá dẻo, chất hoá rắn, dung môi axeton do thí nghiệm chọn lựa. Nói chung cứ 100% nhựa êpôxy thì trộn với 510% chất hoá dẻo và 1012% chất hoá rắn. Nếu dùng vữa xi măng để tiêm thì do thời gian hoá cứng lâu, thƣờng phải ngừng thông xe vài ngày. Tiêm keo êpôxy có thể thực hiện mà không cần ngừng thông xe. 4.2.4. DÙNG BÊ TÔNG POLIME VÀ VỮA ĐẶC BIỆT ĐỂ VÁ CÁC CHỖ VỠ VÀ BỊT VẾT NỨT. Hiện nay ở Việt Nam đã có một số cầu đƣợc sửa bằng bê tông polyme trên cơ sở keo êpôxy. Vật liệu này có ƣu điểm lâu bền, độ chịu kéo cao, dính bám rất tốt với bê tông cứng nhanh nên không cần ngừng thông xe qua cầu lúc đang sửa chữa. Có thể dùng chổi quét hoặc máy phun, cũng có thể dùng ván khuôn để đổ bê tông. Trong thành phần của bê tông có xi măng khô, nhựa êpôxy, chất hoá dẻo, chất hoá rắn, có thể thêm cát khô và đá dăm 1 2cm nếu chỗ vỡ to và dầy. Tỷ lệ mẫu và nén thử trƣớc. Công ty Sika – Việt Nam đã giới thiệu nhiều loại vữa sửa chữa thích hợp cho những điều kiện khác nhau và giá rẻ hơn khi dùng êpôxy. Cƣờng độ vữa sau khi hoá cứng cũng có thể đạt đến 600 kG/cm2, có thể trát vữa này bằng tay hoặc bằng cách đặt ván khuôn nhƣ khi đổ bê tông thông thƣờng. 4.2.5. PHUN BÊ TÔNG. Để phun bê tông cần có các thiết bị sau: - Máy bơm và máy trộn - Đƣờng ống dẫn từ máy bơm đến vòi phun - Vòi phun Có 2 phƣơng pháp là phun khô và phun ƣớt: 111
4.2.5.1. Phun bê tông khô Các cốt liệu nhỏ ở độ ẩm tự nhiên đƣợc trộn với xi măng trong máy trộn rồi nhờ áp lự khí nén đƣa hỗn hợp đến đầu vòi phun. Tại đó có nƣớc đƣợc đƣa đến từ một ống khác và cũng đƣợc phun ra. Tốc độ phun nhanh đến 80100m/s, có thể đặt vòi phun cách xa máy bơm đến 500m nằm ngang và 150m thẳng đứng. 4.2.5.2. Phun bê tông ƣớt Hỗn hợp bê tông trộn xong ở máy trộn đƣợc rót vào máy bơm. Từ đó hỗn hợp đƣợc khi nén đảy đến đầu vòi phun và phun ra. Tốc độ phun chậm khoảng 1040m/s, có thể phun với lƣu lƣợng lớn, thƣờng dùng thêm các phụ gia hoá dẻo cho bê tông. Nhờ phƣơng pháp bê tông phun có thể tạo đƣợc lớp vữa dày bảo vệ bề mặt bê tông cũ và cùng tham gia chịu hoạt tải, các cốt thép cũ đã lộ ra cũng sẽ đƣợc che phủ bảo vệ. Phƣơng pháp này đƣợc dùng kết hợp với việc đặt thêm cốt thép có thể tăng cƣờng đƣợc sức chịu tải của kết cấu cũ. 4.3. CÁC GIẢI PHÁP KẾT CẤU CÔNG NGHỆ SỬA CHỮA MỐ TRỤ CẦU. Các mố trụ cầu bằng đá xây lâu ngày thƣờng bị hƣ hỏng ở các mạch vữa, hoặc bị xói lở gây ra vỡ, bong đá xây. Khi đó cấn đục bỏ vữa xấu cũ, trát mạch xây lại bằng vữa xi măng – cát với tỉ lệ pha trộn 1:1 đến 1:2. Các vết nứt vỡ của mố trụ bê tông và bê tông cốt thép (BTCT) cũng có thể trát lại tƣơng tự nhƣng hiệu quả không cao vì dính bám kém giữa bê tông cũ và vữa mới. Nên dùng các loại vữa sửa chữa đã đƣợc đặc biệt chế sẵn cho mục đích này. Loại vữa đó không co nhót, hoá cứng nhanh và đạt độ dính bám cao, cƣờng độ cao(xem phụ lục). Các vết nứt của mố trụ BTCT cũng có thể đƣợc tiêm hoặc bịt vá bằng bê tông pôlyme và keo epôxy. Trong nhiều trƣờng hợp, nên đặt thêm cốt thép và đỡ bê tông tạo đai vòng quanh thân trụ hoặc đổ bê tông một lớp ngoài dầy ít nhất 12 cm bọc ngoài thân trụ cũ. Đối với xà mũ cũng sửa chữa nhƣ vậy. Có thể dùng bê tông phun thay cho việc đổ bê tông với ván khuôn thông thƣờng. Hình 4.10: Cấu tạo đai bê tông cốt thép 1 2 bao quanh thân trụ cũ 150 3 150 1- Bệ kê gối 150 4 40 2- Vành đai bê tông cốt thép 150 3- Cốt thép neo 5 4- Cốt thép vành đai 5- Cốt thép đai 6 50 6- Thân trụ cũ Trên hình 4.10 giới thiệu cấu tạo đai bê tông cốt thép bao quanh thân trụ cũ, bê tông M250. Hình 4.11 nêu vài ví dụ cấu tạo các bộ gông giữ để sửa chữa mố cầu đã bị nứt. Các gông này bằng thép nên phải chú ý sơn phủ bảo vệ chống rỉ. Nếu cần làm lớp áo bọc ngoài bê tông có chiều sâu 112
xuống dƣới mực nƣớc thì phải dùng các phƣơng pháp thi công vòng vây cọc ván ngăn nƣớc hoặc đổ bê tông dƣới nƣớc. Nếu đất đắp nền đƣờng sát ngay sau mố bị lún sụt hoặc vì lý do nào đó có lực đẩy ngang lớn sau mố thì có thể đào bỏ đất đắp cũ thay bằng cát thô đầm chặt, đá dăm hay xếp chèn đá hộc đá dăm. Khi đó thƣờng kết hợp làm lại bản quá độ sau mố. a) b) A AA 5 1 1 2 4 3 1 3 A Hình 4.11: Bộ gông thép gia cố mố cũ a) Tường cánh ; b) Giữ tường trước ; 1- Các vết nứt ; 2- Dầm phân bố lực ; 3- Thanh căng ; 4- Tăng đơ ; 5- Các dầm phân bố đặt thẳng đứng 1 2 3 4 MÆt cÇu Hình 4.12: Thay đất đắp sau mố 210cm 350 230 1- Hố đào sau mố 2- Chồng nề tà vẹt 3- Dầm đỡ kê tạm để xe đi qua 4- Tường ván chống vách hố đào 4 5- Cột 7 6- Dầm gối kê 6 150 7- Thanh chống 150 7 150 4.4. SỬA CHỮA CẦU ĐÁ, CẦU VÕM BÊ TÔNG, CỐNG 4.4.1. SỬA CHỮA CẦU ĐÁ VÀ CẦU BÊ TÔNG Nội dung sửa chữa bao gồm: - Khôi phục lớp cách nƣớc của vành vòm và kết cấu trên vòm - Sửa lại các mạch vữa cũ đã hỏng - Trát bịt các vết nứt 113
- Vá sửa các chỗ sứt vỡ - Sửa lại nón mố, chân khay, gia cố ta luy đầu cầu - Làm vệ sinh tổng thể bề mặt kết cấu Các vật liệu và công nghệ sửa chữa cũng đƣợc áp dụng tƣơng tự nhƣ khi sửa chữa cầu BTCT. Các cầu vòm đá cũ tuy còn ít ở Việt Nam nhƣng nếu sửa chữa tốt vẫn kéo dài thời gian khai thác đƣợc. Các viên đá bị bong bật, các mạch vữa xây bị hỏng cần đƣợc sửa chữa ngay, có thể bằng cách đặt cốt thép và đổ bê tông cục bộ để sửa chữa nhƣ hình 4.13. Hình 4.13: Vá vòm đá bằng cách đổ 1 bê tông mới. 1- Khung cốt thép; 2- Dầm gỗ đỡ ván khuôn; 3- Ván khuôn 4- Neo; 5- Con nêm 7 6- Vành vòm đá cũ 6 4 3 2 5 Bê tông và vòm có hàm lƣợng xi măng chừng 320 kG/cm2 bê tông. Tỷ lệ pha trộn xi măng - cát - đá theo trọng lƣợng có thể là 1:2:3. Để bảo vệ bề mặt bê tông và đá cũ có thể phun lớp áo bê tông bọc bên ngoài. Bê tông phun có tỷ lệ xi măng – cát chừng 1:3, lƣợng nƣớc bằng 1018% lƣợng xi măng. Lớp bảo vệ này nên phun hai đợt, mỗi đợt chiều dày 1020mm. Nên trộn thêm phụ gia vào bê tông phun. 4.4.2.SỬA CHỮA CỐNG Nội dung công tác sửa chữa cống bao gồm: - Sửa chữa sân cống thƣợng lƣu và hạ lƣu, trát lại các mạch vữa xây, đổ bê tông vá sửa. - Sửa cửa cống - Sửa các mối nối giữa các đốt cống (nếu cống đã bị biến dạng, nƣớc thấm tự do vào nền đƣờng). Khi đó phải đào đƣờng và hạn chế giao thông. - Sửa chữa gia cố mái đƣờng xung quanh cửa cống. Nói chung các cống ở chế độ chảy có áp thƣờng dễ xảy ra hƣ hỏng hơn trƣờng hợp cống chảy không áp. Trƣớc và sau mỗi mùa lũ phải kiểm tra và sửa chữa kịp thời mọi hƣ hỏng. Trên các đƣơng tràn hỗn hợp cống, việc sửa chữa cống phải kết hợp với sửa chữa đƣờng tràn. 114
Các vật liệu và phƣơng tràn hỗn hợp cống, việc sửa chữa cống phải kết hợp với việc sửa chữa đƣờng tràn. Các vật liệu và phƣơng pháp sửa chữa cũng đƣợc áp dụng giống nhƣ đối với các cầu BTCT, cầu bê tông và cầu đá xây. 4.5. CÁC GIẢI PHÁP KẾT CẤU CÔNG NGHỆ TĂNG CƢỜNG MỞ RỘNG KẾT CẤU CẦU THÉP. 4.5.1. NGUYÊN TẮC CHUNG Khi cầu thép không còn đủ khả năng chịu các hoạt tải phát triẻn nặng hơn hoặc cầu đã trở nên hẹp không đáp ứng lƣu lƣợng xe qua cầu nhiều hơn trƣớc, cần phải tăng cƣờng và mở rộng cầu. Kết cấu cầu, đặc biệt là cầu thép, gồm nhiều bộ phận chịu lực khác nhau, không phải mọi bộ phận đều có đồng cƣờng độ vì vậy có thể chỉ cần tăng cƣờng bộ phận nào yếu nhất. Mức độ cần thiết tăng cƣờng cầu tuỳ theo yêu cầu phát triển giao thông và quy hoạch chung của cả tuyến đƣờng. Phƣơng pháp tăng cƣờng có rất nhiều và áp dụng cho những tình huống khác nhau tuỳ trạng thái thực tế của cầu và mục đích của việc tăng cƣờng, khả năng vốn đầu tƣ và công nghệ sẵn có. Các phƣơng pháp đó có thể liệt kê nhƣ sau: - Tăng cƣờng mặt cắt ngang các bộ phận kết hợp cùng chịu lực với các bộ phận cũ. - Làm thêm các bộ phận mới trong hệ thống kết cấu, ví dụ thêm thanh dàn, thêm các sƣờn tăng cƣờng, thanh liên kết. - Thay đổi sơ đồ tĩnh học của kết cấu dàn hay dầm bằng cách đặt hệ tăng đơ dƣới đáy dầm, làm thêm một biên dàn nữa, chuyển kết cấu nhịp giản đơn thành kết cấu nhịp liên tục. - Làm thêm các trụ tạm - Biến đổi kết cấu nhịp thép thành kết cấu liên hợp thép-bản BTCT. - Tạo dự ứng lực ngoài bổ xung cho kết cấu nhịp thép. Việc tăng cƣờng mặt cắt cho các bộ phận của kết cấu nhịp bằng cách thêm thép và dùng liên kết đinh tán, bu lông cƣờng độ cao hoặc hàn là dạng thƣờng gặp nhất. Nếu muốn tăng cƣờng khả năng chịu mỏi của các bộ phận kết cấu tán đinh thì nên thay các đinh tán ở hàng ngoài cùng trong các liên kết bằng bu lông cƣờng độ cao. Cần lƣu ý là khi muốn dùng liên kết hàn để tăng cƣờng cầu cũ phải cân nhắc kỹ vì có thể gặp loại thép cũ không chịu hàn và dễ xảy vết nứt do ứng suất tập trung, do trình độ hàn kém v.v Trên thế giới ngƣời ta chú trọng nhiều đến phƣơng pháp dự ứng lực ngoài bổ xung để tăng cƣờng cầu. Ở Việt Nam, cầu Tân Thuận thuộc TP HCM đã đƣợc tăng cƣờng nhƣ vậy để tăng tải trọng từ xe H13 lên xe H30. Tuy nhiên muốn áp dụng phƣơng pháp này phải có đủ thiết bị, vật tƣ đặc biệt là trình độ kỹ thuật cao mới đảm bảo chất lƣợng. 115
Vấn đề tăng cƣờng phải thực hiện theo đồ án thiết kế tăng cƣờng. Đặc biệt chú ý việc đảm bảo an toàn giao thông lúc đang thi công. 4.5.2. TĂNG CƢỜNG PHẦN XE CHẠY Trên hình 4.14 là các cách điển hình để tăng cƣờng bản cánh dầm dọc hoặc dầm ngang. Liên kết bản táp mới vào dầm có thể bằng đinh tán, bu lông cƣờng độ cao hoặc mối hàn. Trƣớc khi ghép bản thép tán cần làm sạch các bề mặt tiếp xúc với nhau bằng cách phun cát hoặc caọ hết sơn, rỉ cũ. Thông thƣờng vừa sửa cầu vừa thông xe nên việc chuẩn bị các bản thép, khoan lỗ, phân làm chu đáo từ trƣớc. Đến lúc cấm cầu để sửa chỉ cần chặt đinh cũ, lắp bản táp và xiết lại bằng bu lông cƣờng độ cao ngay. Nếu thời gian giữa hai đợt có tàu qua cầu rất ngắn thì có thể cắt đôi bản táp, lắp dần từng nửa bản táp đó để đảm bảo thời gian thi công nhƣ hình 4.14b. Các bu lông cƣờng độ cao phải đƣợc xiết làm hai đợt. Lúc đang vội chỉ cần xiết chặt bằng cờlê thƣờng nhằm lắp bản táp cho nhanh. Sau khi lắp xong an toàn sẽ xiết đợt 2 bằng cờ lê đo lực cho đủ mức cần thiết. Nếu do điều thông xe liên tục mà không thể táp thêm bản cánh trên của dầm thì có thể táp thêm 2 thép góc nhƣ hình 4.14c. Lúc đó có thể bị vƣớng vào sƣờn tăng cƣờng đứng của bụng dầm. Cần phải khoét rãnh sƣờn đó. Phƣơng pháp hiệu quả nhất là đặt cốt thép dự ứng lực ngoài dọc theo đáy dầm Nói chung nếu đã tăng cƣờng dầm thì cũng phải tăng cƣờng liên kết giữa dầm dọc với dầm ngang và liên kết giữa dầm ngang với dàn chủ. Muốn vậy có thay các đinh tán ở liên kết bằng bu lông cƣờng độ cao hặc đặt đinh tán to hơn nhƣng mức độ tăng cƣờng chỉ đƣợc không nhiều. Tốt hơn cả là đặt thêm nhiều đinh tán và bu lông cƣờng độ cao hơn trƣớc, nhƣ vậy phải thêm bản đệm rộng nhƣ hình 4.14a. Nếu không muốn làm bản đệm mới thì có thể hàn vào nhánh sắt góc nhƣ hình 4.14b. Tuy vậy có thể đứt mối hàn. b) a) c) Hình 4.14: Tăng cƣờng dầm dọc Có những cầu cũ mà ở chỗ nối dầm dọc với dầm ngang không có bản cá nên thƣờng bị nứt và dứt đầu đinh tán ở liên kết. Trên hình 4.15 giới thiệu một cách đặt các thanh tăng cƣờng thêm để làm nhiệm vụ bản cá. Các thanh này đƣợc luồn qua lỗ khoan sẵn ở bụng dầm ngang. Đầu các thanh hàn vào bản thép, bản này đƣợc liên với cánh dầm dọc bằng bu long cƣờng độ cao 116
a) b) 1 3 2 1 Hình 4.15: Tăng cƣờng liên kết dầm dọc với dầm ngang bằng cách thêm bản đệm (a) hoặc hàn rộng cánh thép góc (b). 1- Bản đệm ; 2- Bản nối ; 3- Mối hàn Một số ít cầu cũ có dầm ngang kiểu dàn rất khó khăn cho việc tăng cƣờng. Tốt nhất là thay bằng các dầm ngang đặc bụng. Cũng có thể áp dụng dự ứng lực ngoài ở đây. Thông thƣờng việc tăng cƣờng hệ dầm mặt cầu kết hợp với vá sửa các chỗ hƣ hỏng, rỉ nát v.v A - A 2 3 2 A A 1 3 1 d=19 102 Hình 4.16: Dùng các thanh nối làm thay nhiệm vụ bản cá 1- Thanh nối ; 2- Bản nối ; 3- Mối hàn 4.5.2. TĂNG CƢỜNG DẦM CHỦ ĐẶC BỤNG Nếu mức độ tăng cƣờng không cần nhiều thì đối với dầm cũng có thể làm thêm các bản táp cánh và thép góc táp nhƣ đối với dầm dọc và dầm ngang. Muốn hợp lý hơn thì nên áp dụng các biện pháp điều chỉnh nội lực để cho phần thép mới thêm cũng tham gia tĩnh tải. Ví dụ tháo dỡ tạm hệ bản BTCT mặt cầu trƣớc lúc táp thêm thép hoặc tọ hệ tăng đơ ở đáy dầm tạm thời để gây ra mômen ngƣợc dấu với mômen tĩnh tải. Sau khi táp thêm thép thì tháo dỡ hệ tăng đơ tạm thời đó. Cũng có thể để lại vĩnh viễn hệ tăng đơ. Nhƣ vậy ta có một hệ thống dự ứng lực ngoài để tăng cƣờng dầm chủ. Thanh chịu dự ứng lực kéo của hệ này có thể bằng thép tròn cƣờng độ cao hoặc bó cáp cƣờng độ cao nhƣ ở các cầu BTCT dự ứng lực. Khó khăn nhất là liên kết ụ neo vào kết cấu thép cũ (Hình 4.17). 117
L90x90x10x1500 L90x90x10x1300 200 7X100 7X100 6X80 T¸n l¹i 80 ®inh 1250 I L100x100x12x80 20 L100x100x12x1640 2np.200x6x600 6x80 II 180 138 6x80 Hình 4.17: Tăng cƣờng dầm bằng hệ tăng đơ a) Các sơ đồ tăng cường b) Cấu tạo bản nút Để biến các dầm thép có các bản BTCT đặt trên thành các dầm thép liên hợp, bản BTCT cùng chịu lực phải tạo ra các neo liên kết giữa dầm thép và bản BTCT. Có thể dùng loại neo cứng, bulông cƣờng độ cao nhƣ hình 4.18. Cùng với việc tăng cƣờng dầm chủ, cũng phải tăng cƣờng các liên kết và các mối nối trên nó. Biện pháp thông dụng là thay các đinh tán cũ bằng các bulông cƣờng độ cao có đƣờng kính lớn hơn (nhƣ vậy phải doa rộng thêm các lỗ đinh cũ). Việc này đƣợc thực hiện làm dần nhiều đợt, sao cho trong mỗi đợt chỉ thay thế 10% tổng số đinh cũ. Nếu biện pháp này chƣa đủ tăng cƣờng thì có thể thay cả bảng nối dày hơn và to hơn. Lúc tăng cƣờng nhƣ vậy cũng kết hợp sửa các chỗ rỉ, nứt trên dầm chủ. 1 2 1 2 3 4 Hình 4.18: Liên kết bản BTCT với dầm thép cũ để tạo ra kết cấu thép liên hợp BTCT. 118
4.5.3. TĂNG CƢỜNG DÀN CHỦ Cách làm thông thƣờng nhất để tăng cƣờng dàn chủ là tăng mặt cắt thép cho các thanh dàn và thay đổi sơ đổ tĩnh học của dàn. Biện pháp điều chỉnh nội lực nhân tạo bằng cách thay đổi sơ đồ tĩnh học, tạo dự ứng lực ngoài, thay đổi vị trí các gối tựa, thêm gối tựa, giảm bớt tĩnh tải mặt cầu đều tỏ ra hữu hiệu. Trên hình 4.19 là vài dạng tăng cƣờng bằng cách thay đổi sơ đổ tĩnh học của dàn chủ. Trên hình 4.20 giới thiệu những sơ đồ đặt cáp dự ứng lực ngoài để tăng cƣờng dàn thép. Đây là biện pháp tốt nhất vì tăng đƣợc nhiều sức chịu tải của cầu mà không cản trở việc thông xe qua cầu lúc thi công. Khó khăn là đòi hỏi trình độ công nghệ cao và các giải pháp cấu tạo an toàn chống ăn mòn cáp dự ứng lực cũng nhƣ liên kết các ụ neo vào thanh dàn cũ. Sơ đồ 4.20 a, b chỉ tăng cƣờng dự ứng lực cho một số thanh riêng lẻ. Các thanh khác của dàn không có dự ứng lực nén. Sơ đồ 4.20 c, d đã làm thay đổi sơ đồ tĩnh học ban đầu của dàn, dự ứng lực bổ xung đã ảnh hƣởng đến hầu hết các thanh dàn. Sơ đồ 4.20 e gây ra dự ứng lực cho mọi thanh dàn, tuy nhiên các thanh biên chịu kéo sẽ đƣợc tạo dự ứng lực nén mạnh đủ mức cần thiết. Khi thay đổi sơ đồ dàn nhƣ trên, cũng phải tăng cƣờng cục bộ cho các liên kết, các bản tiếp điểm bằng cách táp thêm thép, thêm đinh, dùng bulông cƣờng độ cao. Trên hình vẽ 4.21 là các sơ đồ đặt thêm thép cho các loại dạng mặt cắt thanh dài. Nguyên tắc chung là phải gây ra các độ lệch tâm bổ xung trên các mặt cắt đó cũng nhƣ trên các liên kết của thanh dàn. Vì vừa thi công tăng cƣờng, vừa đảm bảo cho xe qua cầu nên không thể đồng thời táp bản thép rộng bằng cả bề rộng mặt cắt mà phải làm dần từng dải nhƣ hình 4.21 a. Để liên kết phần thép mới táp thêm vào thanh với bản nút dàn có thể làm nhƣ hình 4.22. Cốt thép dự ứng lực ngoài để tăng cƣờng dàn có thể là dạng thanh tròn cƣờng độ cao hoặc cáp thép cƣờng độ cao. Vị trí của cốt thép này trên mặt cắt trên dàn đƣợc đặt sao cho gây ra dự ứng lực nén đúng tâm trên thanh đó. Đôi khi cũng có trƣờng hợp cố tình tạo dự ứng lực nén lệch tâm cho thanh dàn, điều này tuỳ thuộc vào tính toán và cấu tạo cụ thể của dàn. Để giữ đúng vị trí cốt thép dự ứng lực ngoài phải đặt các tấm ngăn ngang có khoét rãnh hoặc khoan lỗ thích hợp cho cốt thép đi qua. Các thanh dàn chịu nén dƣới tải trọng có thể đƣợc tăng cƣờng khả năng chịu nén và ổn định bằng cách thêm các thép góc bổ xung vào mặt cắt hoặc các biện pháp khác nhằm làm giảm chiều dài tự do của thanh. 119
Hình 4.19: Vài ví dụ thay đổi sơ đồ dàn cũ. a) d) b) e) c) Hình 4.20: Ví dụ các sơ đồ tăng cƣờng cầu dàn cũ bằng cách tạo dự ứng lực ngoài. a, b – Chỉ tạo dự ứng lực ngoài cho vài thanh riêng lẻ. c, d – Thay đổi sơ đồ hình học. e – Tăng cường cho dàn liên tục. a) b) c) Hình 4.21: Các sơ đồ đặt thêm thép cho mặt cắt các thanh dàn 120
Hình 4.22: Liên kết phần thép mới tăng cƣờng vào bản nút dàn nhờ bản nối (a) và thép góc (b). 1 – Bản nối; 1 2 2 – Thép góc nối Bu l«ng c•êng ®é cao §inh t¸n cò Hình 4.23: Các sơ đồ đặt cáp dự ứng lực ngoài trên mặt cắt thanh dàn 4.5.4. TÍNH TOÁN TĂNG CƢỜNG KẾT CẤU NHỊP THÉP Đây là vấn đề rất phức tạp và nhiều khi dựa vào kinh nghiệm của ngƣời thiết kế. Về mặt pháp lí, cách tính toán phải theo Quy trình 1979 của Bộ GTVT, nhƣng nội dung của Quy trình này nhiều chỗ không phù hợp tình hình sửa chữa cầu cũ. Vì vậy phải dựa thêm vào các nguyên lí cơ bản của môn học: Cơ học xây dựng, Sức bền vật liệu và kết cấu thép để tính toán. Đôi khi phải đề ra và chấp nhận một số giả thiết tính toán nhằm đơn giản hoá nhƣng phải tổ chức thử tải cầu để có quyết định sát thực tế. Những câu hỏi luôn luôn cần đặt ra và tìm cách giải đáp trong lúc tính toán tăng cƣờng cầu: - Sự phân chia trách nhiệm chịu tải giữa phần kết cấu cũ của mặt cắt và phần thép mới thêm vào mặt cắt nhƣ thế nào? - Cấu tạo liên kết nào hợp lí để nối giữa phần kết cấu cũ và các bộ phận thép mới thêm vào. - Sau một thời gian tiếp tục khai thác, liệu các biện pháp điều chỉnh ứng lực nhân tạo nhƣ tạo dự ứng lực nhân tạo, tạo dự ứng lực ngoài bổ xung, điều chỉnh theo độ gối có giữ nguyên hiệu quả ban đầu không, diễn biến nội lực theo thời gian nhƣ thế nào. - Tình trạng ứng suất tập trung và ứng suất dƣ do hàn? - Khả năng bảo vệ các dự ứng lực ngoài bổ xung. - Sự làm việc thực tế của các bulông cƣờng độ cao mới đặt thêm trên cầu cũ nhƣ thế nào? - Cách xét đến những khuyết tật và hƣ hỏng của kết cấu thép cũ. 121
Đặc biệt khi dự định dùng dự ứng lực ngoài bổ xung để tăng cƣờng cầu thép phải chọn hợp lí đƣợc các tham số sau: r – tỉ số các đặc trƣng cƣờng độ của vật liệu thép cũ và vật liệu thép dự ứng lực ngoài bổ xung. 2 – hệ số hiệu quả tập trung ứng suất của thép dự ứng lực ngoài bổ xung 2 - độ mềm đàn hồi của các liên kết của thép dự ứng lực nhƣ neo, ụ đặt neo, Tỉ số r càng lớn thì càng tiết kiệm vật liệu tăng cƣờng cầu nhƣng đòi hỏi trình độ công nghệ cao. Để giảm hệ số hiệu quả tập trung ứng suất nếu dùng thép thanh dự ứng lực thì các ren răng đƣợc gia công bằng cách cán ren và tăng bán kính vuốt tròn của ren răng. Độ mêm đàn hồi của liên kết thép dự ứng lực càng cao thì độ bền mỏi của thép đó càng cao. Một điều đáng chú ý là hiệu quả tăng cƣờng cầu càng lớn nếu phần tĩnh tải chiếm tỉ lệ càng lớn. Vì vậy việc tăng cƣờng các bộ phận của dàn chủ nhịp lớn sẽ hiệu quả hơn khi tăng cƣờng nhịp ngắn. Trong thiết kế tăng cƣờng bằng dự ứng lực ngoài bổ xung cần đặc biệt lƣu ý thiết kế liên kết giữa ụ neo và kết cấu thép cũ. Sau một thời gian sẽ xảy ra trƣợt trên các bề mặt tiếp xúc đã đƣợc liên kết bởi đinh tán hoặc bulông cƣờng độ cao khiến cho sớm xảy ra hƣ hỏng liên kết. Để an toàn hơn nên bulông cƣờng độ cao ở phía hàng lỗ ngoài cùng của liên kết và trong tính toán không nên lấy hệ số ma sát cao 4.6. TĂNG CƢỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU BTCT, BÊTÔNG VÀ ĐÁ XÂY Cầu BTCT, bêtông và đá xây có tĩnh tải rất lớn, so với hoạt tải, vì vậy khi hoạt tải phát triển nặng thêm thì những cầu đƣợc bảo dƣỡng tốt vẫn có thể chịu tải mà không cần tăng cƣờng. Trong mọi trƣờng hợp phải so sánh kinh tế giữa việc tăng cƣờng cầu BTCT cũ với việc phá bỏ nó và thay bằng kết cấu mới. Giá thành dự toán tăng cƣờng cầu nếu chỉ bằng 1/2 giá xây cầu mới thì lúc thi công xong giá thực tế có thể cũng xấp xỉ bằng giá xây cầu mới vì có rất nhiều vấn đề nảy sinh thêm trong quá trình thi công sửa chữa tăng cƣờng mà lúc thiết kế đồ án để tăng cƣờng thì chƣa phát hiện ra. Trên tuyến đƣờng sắt Hà Nội – Sài Gòn có đến xấp xỉ 600 chiếc cầu BTCT cũ với tuổi xấp xỉ 60  70 năm. Nhiều cầu đã hỏng đến mức không thể tăng cƣờng sửa chữa một cách kinh tế mà phải thay dầm mới. Trên các tuyến đƣờng ôtô cả miền Trung và miền Nam còn rất nhiều cầu BTCT cũ do Pháp xây dựng từ năm 1930 khổ hẹp nhƣng vẫn còn khai thác. Rất nhiều cầu dầm BTCT dự ứng lực kéo trƣớc sản xuất theo đồ án mẫu của Mỹ đang bị hƣ hỏng do hiện tƣợng đứt dần cáp dự ứng lực ngang. Nhƣ vậy yêu cầu thực tế của việc tăng cƣờng cầu BTCT ở nƣớc ta là rất lớn. Các cầu bêtông và cầu đá cũ nói chung còn rất ít và vấn đề tăng cƣờng chúng thƣờng không đƣợc đặt ra ở Việt Nam lúc này. Nói chung công việc tăng cƣờng cầu BTCT cũ chủ yếu là tăng khả năng chịu ứng suất pháp và ứng suất kéo chủ. 122