Bài giảng Khai thác kiểm định cầu - Trường Đại học Vinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA XÂY DỰNG BỘ MÔN CẦU ĐƯỜNG Đăng Huy Khánh Bộ môn Cầu Đường BÀI GIẢNG KHAI THÁC KIỂM ĐỊNH CẦU (TÀI LIỆU DÙNG CHO SINH VIÊN KHOA XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH) TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA XÂY DỰNG BỘ MÔN CẦU ĐƯỜNG -------- o0o ------- Ths. Đặng Huy Khánh BÀI GIẢNG HỌC PHẦN: KHAI THÁC KIỂM ĐỊNH CẦU (TÀI LIỆU DÙNG CHO SINH VIÊN KHOA XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH) Mã số môn học: GT20022 Số tín chỉ: 02 Học phần: Tự chọn Lý thuyết: 25 tiết Bài tập, thảo luận: 5 tiết Tự học: 60 tiết Vinh - 2019 Khai thác, kiểm định cầu_ĐH Khánh - 3 - MỤC LỤC BÀI GIẢNG TÍN CHỈ HỌC PHẦN KHAI THÁC KIỂM ĐỊNH CẦU MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... - 5 - CHƯƠNG I .................................................................................................................. - 7 - CÔNG TÁC KHAI THÁC, BẢO QUẢN VÀ SỬA CHỮA CẦU.............................. - 7 - 1.1. Khái niệm chung: .............................................................................................. - 7 - 1.2. Khai thác công trình cầu: .................................................................................. - 8 - 1.2.1. Tổ chức bộ máy quản lý khai thác công trình: ........................................... - 8 - 1.2.2. Tình trạng cầu cống ở nước ta hiện nay: .................................................... - 9 - 1.2.3. Tình trạng quản lý khai thác: ................................................................... - 10 - 1.2.4. Các yêu cầu chung đối với công tác quản lý khai thác: ........................... - 10 - 1.3. Bảo quản dòng chảy và điều chỉnh hướng dòng ............................................. - 11 - 1.4. Kiểm tra, sửa chữa cầu thép: ........................................................................... - 12 - 1.4.1. Công tác kiểm tra cầu thép: ...................................................................... - 12 - 1.4.2. Các hư hỏng, khuyết tật và giải pháp sửa chữa cầu thép. ........................ - 13 - 1.5. Kiểm tra và sửa chữa cầu bê tông cốt thép: .................................................... - 22 - 1.5.1. Công tác kiểm tra đối với kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép. .................. - 22 - 1.5.2. Các hư hỏng và khuyết tật của cầu bê tông cốt thép. ............................... - 22 - 1.5.3. Sửa chữa các khuyết tật của kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép. .............. - 24 - 1.6. Kiểm tra và sửa chữa mố trụ cầu: ................................................................... - 28 - 1.6.1. Công tác kiểm tra mố trụ cầu và những hư hỏng chủ yếu. ...................... - 28 - 1.6.2. Sửa chữa mố, trụ cầu. ............................................................................... - 30 - CHƯƠNG II ............................................................................................................... - 34 - KIỂM ĐỊNH CẦU VÀ GIA CỐ CẦU ...................................................................... - 34 - 2.1. Khái niệm chung: ............................................................................................ - 34 - 2.2. Kiểm định cầu: ................................................................................................ - 35 - 2.2.1. Công tác khảo sát và thu thập tài liệu về hiện trạng công trình: .............. - 35 - 2.2.2. Xác định khả năng chịu tải của công trình theo lý thuyết: ....................... - 38 - 2.2.3. Xác định khả năng chịu tải của công trình theo thực nghiệm: ................. - 41 - 2.3. Gia cố cầu thép: ............................................................................................... - 68 - 2.3.1. Gia cố hệ dầm mặt cầu thép: .................................................................... - 70 - 2.3.2. Gia cố kết cấu nhịp dầm thép đặc: ........................................................... - 72 - 2.3.3. Gia cố dàn chủ:......................................................................................... - 74 - 2.3.4. Gia cố hoặc làm lại hệ liên kết giữa các dàn chủ ..................................... - 77 - 2.4. Gia cố kết cấu nhịp và mố trụ cầu bê tông cốt thép, bê tông và đá xây: ......... - 78 - Khai thác, kiểm định cầu - 4 - 2.4.1. Gia cố kết cấu nhịp: ................................................................................. - 78 - 2.4.2. Gia cố mố, trụ cầu: ................................................................................... - 90 - Tài liệu – học liệu: - Tài liệu chính: [1]. Bài giảng khai thác, kiểm định cầu - tác giả Đặng Huy Khánh, Bộ môn Cầu đường, khoa Xây dựng, trường Đại học Vinh. [2]. Giáo trình khai thác, kiểm định, gia cố, sửa chữa cầu cống - tác giả GS.TS. Nguyễn Viết Trung - Trường Đại học Giao thông vận tải Hà Nội, 2008. - Tài liệu tham khảo [1]. Chẩn đoán công trình cầu, tác giả PGS.TS. Nguyễn Viết Trung, Nhà xuất bản xây dựng, 2003. [2]. Kiểm định cầu - tác giả Chu Viết Bình, Nguyễn Ngọc Long, Nguyễn Mạnh, Nguyễn Văn Nhậm, Nhà xuất bản Xây dựng 2009. Khai thác, kiểm định cầu_ĐH Khánh - 5 - MỞ ĐẦU I. Đối tượng nghiên cứu: Khai thác, kiểm định cầu là môn học nghiên cứu sự làm việc của các công trình cầu đang khai thác hoặc đã xây dựng xong chuẩn bị đưa vào khai thác nhằm đánh giá khả năng chịu lực của công trình phục vụ cho công tác quản lý, bảo dưỡng hoặc sửa chữa, gia cố tăng cường cầu. Như chúng ta đã biết, trong thiết kế cầu người ta lựa chọn các kích thước hình học của cầu trước sau đó tiến hành tính toán theo quy định của tiêu chuẩn hiện hành để xác định khả năng chịu lực của kết cấu công trình, trên cơ sở đó điều chỉnh lại các số liệu đầu vào để xác định kết cấu công trình phù hợp với công nghệ thi công và yêu cầu khai thác. Đối với công tác khai thác kiểm định cầu thì đối tượng nghiên cứu đã rõ ràng là các công trình cầu thực tế với đầy đủ đặc trưng hình học cũng như vật liệu. Người ta tiến hành đo đạc, tính toán trên các công trình cầu thực tế (cầu cũ đã qua sử dụng hoặc cầu mới hoàn thành chuẩn bị đưa vào khai thác) để xác định khả năng chịu lực thực tế của công trình cầu để từ đó đưa ra các giải pháp quản lý, khai thác, gia cố cầu hợp lý. II. Nội dung của môn học: Nội dung môn học gồm 2 chương với nội dung chính là các nội dung: Quản lý khai thác cầu, bảo quản sửa chữa cầu, kiểm định thử nghiệm cầu, gia cố tăng cường cầu. 2.1. Quản lý khai thác cầu: Phần này nghiên cứu nội dung và phương pháp quản lý khai thác cầu. Quản lý bao gồm các hồ sơ cầu và quan trọng hơn là quản lý tình trạng kỹ thuật của cầu. Một đơn vị quản lý phải nắm rõ các thông tin về cầu từ thiết kế, thi công, đến lịch sử khai thác cầu, các hư hỏng đã sửa chữa, nâng cấp, ... đề đề ra chế độ khai thác hợp lý cho công trình cầu như hạn chế tải trọng, tốc độ, số lượng xe qua cầu, ... và đồng thời đề ra kế hoạch, chương trình sửa chữa cầu thường xuyên, định kỳ hay sửa chữa lớn theo nguồn kinh phí hàng năm. Bằng các nghiệp vụ quản lý khai thác cầu với các hình thức kiểm tra chặt chẽ để nắm rõ thông tin về các công trình cầu đề từ đó xây dựng kế hoạch sửa chữa, nâng cấp theo đúng nhu cầu thực tế khai thác. 2.2. Bảo quản sửa chữa cầu: Bảo quản sửa chữa cầu là nhằm đảm bảo cầu trong suốt quá trình khai thác sử dụng vẫn giữ được khả năng làm việc như thiết kế ban đầu mà không phải thay đổi bất kỳ chế độ khai thác nào. Sửa chữa cầu có thể là những công việc rất nhỏ như siết bulông, trám rỗ bê tông, ... đến những công việc rất lớn như thay thế dầm cầu, giàn thép, dây văng, ... Công tác bảo quản sửa chữa cầu đề cập đến trong nội dung môn học sẽ là những kiến thức cơ bản, những phương pháp có thể sử dụng tại hiện trường, chỉ đỏi hỏi mức độ chuyên môn nhất định. Các sửa chữa mang tính chuyên gia, sữa chữa cao cấp chưa được nghiên cứu ở đây. 2.3. Kiểm định thử nghiệm cầu: Nội dung phần này là công tác đo đạc kiểm định và thử nghiệm cầu để nghiên cứu đánh giá khả năng chịu lực của cầu bằng thực nghiệm như: đo ứng suất, độ võng, dao động, ... sử dụng kết quả đo để đánh giá khả năng chịu lực của cầu. Khoan lấy mẫu để kiểm tra đặc trưng vật liệu làm cầu, kiểm toán cầu khả năng chịu lực thực tế của công trình cầu. Một số nội dung liên quan đến kiểm định thử nghiệm cầu như thí nghiệm mô hình trong quá trình thi công, thí nghiệm phá hủy tổng thể, ... các em có thể tìm hiểu thông qua các công trình dự án thực tế có yếu tố nước ngoài. Khai thác, kiểm định cầu - 6 - 2.4. Gia cố tăng cường cầu Đây là công việc khác với công việc sửa chữa cầu, công tác gia cố tăng cường cầu là công việc nhằm làm tăng khả năng khai thác hoặc chịu lực của một công trình cầu. Việc tăng cường cầu có thể phải làm thay đổi sơ đồ làm việc của cầu, kết cấu cầu, dầm chủ, khổ cầu, ... nhằm làm tăng khả năng chịu lực của công trình như bố trí thêm trụ đỡ, tăng chiều cao dầm chủ, .... hoặc làm tăng khả năng khai thác của cầu như thêm dầm, mở rộng xà mũ, tăng số làn xe trên cầu. III. Phương pháp nghiên cứu: Đây là môn học có yêu cầu tính thực tế cao, lý thuyết kết hợp với thực hành để nắm rõ quy trình kiểm định cầu. Tuy nhiên, trong điều kiện thực tế không thể đáp ứng như cầu thực hành, người học cần chủ động tìm kiếm tài liệu thông qua mạng internet, đọc các tài liệu có liên quan, đặt các câu hỏi và chủ động thảo luận trao đổi với bạn bè hặc với giáo viên dạy môn học này. Có thể hiểu kiểm định cầu là công việc khám bệnh, chữa bệnh và tiếp thêm sức khỏe cho một công trình cầu do đó người học cần nắm rõ các cấu tạo cơ bản của công trình cầu và nguyên lý tính toán đã được học ở các môn học có liên quan. Khai thác, kiểm định cầu_ĐH Khánh - 7 - CHƯƠNG I KHAI THÁC, BẢO QUẢN VÀ SỬA CHỮA CẦU * Mục tiêu: - Cung cấp kiến thức và hiểu biết về hình thức quản lý khai thác công trình cầu ở nước ta, tình hình thực tế và một số giải pháp khắc phục. - Cung cấp kiến thức và hiểu biết để kiểm tra, khắc phục những hư hỏng, khuyết tật của công trình giao thông. - Nắm được các phương pháp đo đạc, thử nghiệm để đánh giá năng lực chịu tải cũng như đánh giá năng lực công trình. - Hiểu biết và vận dụng các phương pháp sửa chữa, cải tạo, tăng cường nhằm khôi phục những hư hại, nâng cao năng lực chịu tải công trình cầu. * Nội dung: 1.1. Khái niệm chung: Mục đích chính của việc xây dựng các công trình cầu là để đưa vào khai thác phục vụ kết nối hệ thống hạ tầng giao thông khi phải đi qua các khu vực khó khăn như sông, hẻm núi, thung lũng, giao cắt, Khai thác cầu là công việc cuối cùng của quá trình đầu tư xây dựng dự án cầu gồm Khảo sát - Thiết kế - Xây dựng - Khai thác. Tuy nhiên, đây chưa phải là đã kết thúc mà bắt đầu một giai đoạn mới, do trong quá trình khai thác các công trình cầu bị suy giảm chất lượng theo thời gian, thậm chí là bị sụp đổ, vì thế cần thiết phải thực hiện công tác kiểm tra, duy tu, bảo quản, và sửa chữa công trình cầu. Các nguyên nhân làm suy giảm chất lượng công trình cầu gồm: Có những sai sót giữa thiết kế và thi công; Do tác dụng của hoạt tải luôn thay đổi; Ảnh hưởng của khí hậu, thời tiết, môi trường xung quanh; Tính chất của vật liệu xây dựng cầu; Thiên tai, địch họa. Để hạn chế tối đa các nguyên nhân gây suy giảm chất lượng cầu ta cần kiểm tra, bảo quản để cầu luôn ở trạng thái phục vụ tốt, phát hiện kịp thời và khắc phục các hiện tượng hư hỏng khi nó mới hình thành, ngăn chặn không cho phát triển thành những tai nạn đáng tiếc. Công tác quản lý khai thác cầu là công việc thường xuyên, ghi chép nhật ký một cách đầy đủ như thống kê lý lịch cầu, đặc tính kỹ thuật, đặc điểm địa chất, địa hình, thủy văn, các loại tải trọng xe qua cầu và đặc điểm phương tiện giao thông dưới cầu. Trên cơ sở đó, tiến hành các công tác duy tu, bảo dưỡng thường xuyên, hoặc tiến hành sửa chữa theo các mức độ nhỏ, vừa và lớn. - Sửa chữa nhỏ: Là công tác khắc phục những hư hỏng nhỏ, những hư hỏng này chưa làm ảnh hưởng đến chế độ khai thác nhưng ảnh hưởng đến tuổi thọ và tính bền vững của công trình. Khối lượng thi công ít và không cần phải đình chỉ giao thông trên cầu. - Sửa chữa vừa: Khắc phục những hư hỏng, mà những hư hỏng này chưa làm giảm khả năng chịu tải của kết cấu nhưng ảnh hưởng đến chế độ khai thác của công trình. Khối lượng thi công tương đối lớn, trong thời gian sửa chữa phải đình chỉ tạm thời hoặc hạn chế giao thông qua cầu. - Sửa chữa lớn (đại tu): Khắc phụ những hư hỏng, mà những hư hỏng này làm giảm khả Khai thác, kiểm định cầu - 8 - năng chịu tải của kết cấu nhằm đưa kết cấu trở lại chế độ khai thác của công trình. Khối lượng thi công lớn, trong thời gian sửa chữa phải đình chỉ giao thông trên cầu. Khi kết cấu không còn đủ khả năng chịu các hoạt tải phát triển nặng hơn hoặc cầu đã trở nên hẹp không còn đủ lưu thông lượng phương tiện qua cầu thì cần thiết phải xem xét tăng cường, mở rộng cầu. Kết cấu cầu gồm nhiều bộ phần chịu lực khác nhau, không phải bộ phận nào cũng có cùng cường độ vì thế ta chỉ tăng cường bộ phần nào yếu nhất mà thôi, mức độ cần thiết tùy theo nhu cầu phát triển giao thông để xem xét, xử lý. 1.2. Khai thác công trình cầu: 1.2.1. Tổ chức bộ máy quản lý khai thác công trình: Trong sự nghiệp đổi mới đất nước, yêu cầu phát triển giao thông vận tải ở Việt Nam rất lớn. Nhiều tuyến đường mới với các công trình cầu thi công theo công nghệ tiên tiến đã và đang được hình thành, cùng với việc nâng cấp, cải tạo các hệ thống cầu, đường cũ. Xây dựng cơ bản trong giao thông vận tải và quản lý, khai thác tốt các công trình hiện có là hai nhiệm vụ lớn phải song song thực hiện. Để đáp ứng được yêu cầu này, Bộ Giao thông vận tải đã quy định các chức năng, nhiệm vụ về quản lý duy tu cho các đơn vị chuyên ngành. Tổng Cục Đường bộ Việt Nam và Cục Đường sắt Việt Nam là hai cơ quan chủ yếu thực hiện chức năng quản lý khai thác hệ thống cầu - đường trên quốc lộ và các công trình khác trên mạng lưới giao thông đường bộ và đường sắt ở Việt Nam. Cơ cấu tổ chức của Tổng Cục Đường bộ Việt Nam gồm bốn cục quản lý đường bộ phụ trách các vùng lãnh thổ khác nhau: - Cục quản lý đường bộ 1: Quản lý các tỉnh phía Bắc từ Ninh Bình trở ra; - Cục quản lý đường bộ 2: Quản lý các tỉnh Bắc miền Trung từ Thanh Hóa đến Thừa Thiên Huế; - Cục quản lý đường bộ 3: Quản lý các tỉnh miền Trung và Tây Nguyên từ thành phố Đà Nẵng đến hết tỉnh Khánh Hòa; - Cục quản lý đường bộ 4: Quản lý các tỉnh Nam Trung Bộ và Nam bộ từ tỉnh Ninh Thuận, Lâm Đồng trở vào. Dưới các Cục quản lý đường bộ có các Chi cục làm nhiệm vụ khai thác và các công ty xây lắp thực hiện các nhiệm vụ sửa chữa, trung, đại tu công trình. Ngoài ra, cũng có một số công ty xây lắp trực thuộc Cục để thực hiện nhiệm vụ xây dựng các công trình có vốn xây lắp lớn hàng năm. Đối với Cục Đường sắt Việt Nam là cơ quan quản lý nhà nước về đường sắt, thực hiện chức năng nhiệm vụ quản lý nhà nước về mặt thủ tục pháp lý. Song song với nó là Tổng công ty đường sắt Việt Nam là Doanh nghiệp nhà nước thực hiện nhiệm vụ vận hành, khai thác và bảo trì hệ thống hạ tầng mạng lưới đường sắt quốc gia, tổ chức hành chính có xu hướng phân chia thành hai khối; quản lý khai thác (thông tin, tín hiệu, tàu, ga, v.v...) và quản lý công trình (cầu, đường, kiến trúc tầng trên như đá ba lát, ray, tà vẹt, v.v...). Dưới Tổng công ty đường sắt Việt Nam có bốn đơn vị chính là: Khai thác, kiểm định cầu - 9 - - Công ty vận tải hành khách Hà Nội; - Công ty vận tải hành khách Sài Gòn; - Công ty vận tải hàng hóa đường sắt; - Trung tâm Điều hành vận tải đường sắt và các phân ban, các công ty là các đơn vị quản lý và trung, đại tu các công trình đường sắt. Trên đây là cơ cấu tổ chức bộ máy quản lý khai thác, bảo dưỡng mạng lưới đường giao thông quốc gia (quốc lộ). Đối với hệ thống đường địa phương thì sự quản lý, khai thác, bảo dưỡng thuộc trách nhiệm các sở giao thông vận tải hoặc sở giao thông công chính. Các sở này chịu sự lãnh đạo trực tiếp của chính quyền tỉnh hoặc thành phố, đồng thời cũng chịu sự lãnh đạo theo ngành dọc là Bộ Giao thông vận tải. Hiện nay, trong quá trình cải cách hành chính Nhà nước, Bộ Giao thông vận tải đang tiếp tục hoàn thiện cơ cấu tổ chức để phát huy hiệu quả quản lý nhà nước, thực hiện tốt công tác khai thác và duy tu các công trình cầu - đường, phục vụ đắc lực cho sự nghiệp đổi mới của đất nước. Nhà nước đang triển khai áp dụng hệ thống quản lý hạ tầng giao thông trên cả nước thông qua hệ thống điện tử internet, mọi người dân đều có thể xem, cập nhật thông tin cần thiết để cùng với nhà nước quản lý tốt các cung đường thông qua dự án VRAMP gồm 4 hợp phần chính: - Hợp phần A - Quản lý tài sản đường bộ; - Hợp phần B - Bảo trì tài sản đường bộ; - Hợp phần C - Nâng cấp tài sản đường bộ; - Hợp phần D - Tăng cường năng lực cho Tổng cục ĐBVN. Các mục tiêu phát triển của Dự án VRAMP là tăng cường hiệu quả và tính bền vững của công tác quản lý và bảo trì tài sản đường bộ được Bộ GTVT thực hiện cho mạng lưới đường bộ quốc gia Việt Nam Hơn nữa, Chính phủ cũng đang huy động nguồn lực xã hội cho đầu tư phát triển hệ thống kết cấu hạ tầng kinh tế-xã hội, đặc biệt là hệ thống kết cấu hạ tầng giao thông. Việc huy động nguồn lực đầu tư theo hình thức Hợp đồng xây dựng-kinh doanh-chuyển giao (BOT) là chủ trương đúng đắn của Đảng và Nhà nước, đến nay đang được phát triển trên diện rộng. Theo đó, các công trình đầu tư theo hình thức BOT sẽ do Nhà đầu tư thực hiện nhiệm vụ quản lý khai thác công trình trong thời gian quy định theo hợp đồng với đại diện diện Nhà nước chịu sự quản lý trực tiếp của Chính phủ (đại diện là Bộ GTVT và các Bộ ngành liên quan). 1.2.2. Tình trạng cầu cống ở nước ta hiện nay: Do điều kiện địa hình, kinh tế, xã hội trên đường sắt và đường bộ nước ta hiện nay có rất nhiều cầu với quy mô không lớn, có đặc tính kỹ thuật thấp, đã được xây dựng từ khá lâu, trải qua thời gian khai thác dài, chịu ảnh hưởng nhiều của thời tiết khắc nghiệt cũng như chiến tranh. Trong 20 năm gần đây (từ 1995) trên tuyến Quốc lộ 1 đã có nhiều công trình cầu mới được xây dựng có công nghệ thi công và kết cấu đáp ứng được các tiêu chuẩn cầu hiện đại, có tuổi thọ cao hơn nhiều lần so với các công trình cầu trước đây. Tuy nhiên trên toàn tuyến quốc lộ 1, các tuyến tỉnh lộ và các đường giao thông khác còn tồn tại rất nhiều công trình cầu nhỏ, kỹ thuật công nghệ lạc hậu đang ngay càng xuống cấp, tình Khai thác, kiểm định cầu - 10 - trạng khai thác đang mất an toàn cho người sử dụng, do đó cấp thiết cần tổ chức kiểm định đánh giá để có giải pháp đầu tư gia cố và thay mới nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế xã hội nước ta những năm tiếp theo. 1.2.3. Tình trạng quản lý khai thác: Đối với công trình cầu đường sắt về cơ bản công tác quản lý khai thác thống nhất giao cho Tổng công ty đường sắt Việt Nam chịu trách nhiệm thực hiện do đó hệ thống cầu đường sắt được quản lý khai thác tương đối hiệu quả. Đối với công trình cầu đường bộ, công tác phân cấp quản lý còn nhiều bất cập, hệ thống công trình được phân cấp nhiều loại và giao cho nhiều cấp đơn vị khác nhau quản lý nên dẫn đến bất cập, chồng chéo. Quan điểm quản lý khai thác và tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng không thống nhất dẫn đến công tác quy tu bảo dưỡng công trình chưa thực sự tốt, đặc biệt là thiết bị công nghệ kiểm tra, đánh giá công trình cầu còn nhiều lạc hậu. Mặt khác kinh phí phân bổ cho công tác quản lý, khai thác, bảo dưỡng thường xuyên không đầy đủ, kịp thời dẫn đến nhiều công trình cầu đã xuống cấp trầm trọng, cần thiết phải tăng cường sửa chữa lớn hoặc thay mới để đảm bảo an toàn khai thác công trình. 1.2.4. Các yêu cầu chung đối với công tác quản lý khai thác: Đối với cầu đường sắt, do việc quản lý thống nhất từ đầu nên về cơ bản hồ sơ lịch sử các công trình cầu đều được quản lý thống nhất và đầy đủ, phục vụ hiệu quả trong công tác kiểm tra, đánh giá, bảo dưỡng công trình cầu. Đối với công trình cầu đường bộ, do việc phân cấp quản lý bất cấp dẫn đến việc lưu trữ hồ sơ, quản lý thông tin các công trình cầu bị thất lạc dẫn đến nhiều khó khăn trong công tác kiểm tra, bảo dưỡng và sửa chữa công trình cầu. Ngày nay, các công trình cầu do Tổng cục đường bộ Việt Nam quản lý đã được cập nhật và quản lý đầy đủ thông qua việc sử dụng hệ thống thông tin trên máy tính, đặc biệt chương trình quản lý khai thác được Chính phủ Nhật Bản hỗ trợ nguồn vốn ODA không hoàn lại để thiết lập hệ thống quản lý khai thác hệ thống đường bộ Việt Nam bao gồm cả thông tin cần thiết đến các hình ảnh cụ thể. Một số chỉ tiêu thông tin chính về công trình cầu được lưu trữ cụ thể như: - Tên cầu. - Tỉnh, thành phố. - Trên tuyến, lý trình, năm xây dựng. - Chiều dài toàn cầu. - Chiều rộng: của phần xe chạy, của lề đi bộ. - Chiều cao khống chế, tải trọng, đặc tính kỹ thuật, đặc điểm địa chất, thủy văn, Ngoài ra còn kèm theo các hình ảnh cụ thể của từng công trình cầu để công tác quản lý có tính trực quan hơn. Đây là dự án lớn, đến nay vẫn đang trong quá trình nghiên cứu và xây dựng chỉ tiêu thống nhất để áp dụng trên cả nước, đặc biệt là việc thống nhất quản lý về cùng một mối và một công nghệ kỹ thuật chung. Khai thác, kiểm định cầu - 11 - 1.3. Bảo quản dòng chảy và điều chỉnh hướng dòng Thu hẹp lòng sông và sự điều chỉnh dòng chảy là những nguyên nhân chính làm cho vận tốc dòng chảy và mực nước tại vị trí cầu tăng hơn nhiều so với chế độ tự nhiên của chúng, đặc biệt là vào mùa mưa lũ. Điều này gây ra hiện tượng sói chung của lòng sông tại vị trí cầu. Cùng với xói chung, còn xuất hiện xói cục bộ do dòng chảy gặp các vật cản như trụ cầu, các công trình điều chỉnh dòng chảy, đất đắp 1/4 ở mố Mức độ của sói cục bộ phụ thuộc nhiều vào chiều sâu cột nước, bề rộng và hình thù vật cản, hướng của dòng chảy. Hiện tượng xói cục bộ gây nguy hiểm cho sự làm việc bình thường của trụ, làm sụt lở các công trình điều chỉnh dòng chảy và đất đắp trước mố. Trong quá trình khai thác công trình cầu cần phải thường xuyên kiểm tra bảo quản dòng chảy theo các nội dung chính như sau: - Kiểm tra điều kiện làm việc của dòng chảy dưới chân công trình, đánh giá mức độ ảnh hưởng của dòng chảy đến móng công trình cầu. - Kiểm tra vị trí và hình dạng dòng chảy, đánh giá mức độ thay đổi và dự kiến khả năng thay đổi dòng chảy trong tương lai gần. - Đo đạc kiểm tra chiều rộng thông thủy, đánh giá mức độ cản dòng của các mố trụ cầu để đề xuất các giải pháp giảm thiểu. Một số hiện tượng có thể nhìn thấy bằng mắt thường như xói bờ sông, xói mố cầu và đường đầu cầu, xói trụ cầu, hay sạt lở taluy đường đầu cầu. Nguyên nhân chính dẫn đến các hiện tượng này là do dòng sông bị thu hẹp đột ngột, dòng chảy thay đổi, nước thường dâng cao và tốc độ dòng chảy lớn bất thường. Từ việc đánh giá mức độ các hiện tượng, xác định rõ nguyên nhân thì đơn vị quản lý khai thác công trình cầu cần đề xuất giải pháp hợp lý để bảo quản công trình như: Tiến hành thanh thải, nạo vét lòng sông để tiêu thoát nước, giảm tốc độ dòng chảy; Gia cố bờ sông, tứ nón mố, móng trụ cầu bằng rọ đá, đá hộc hay tấm bê tông; Thiết kế các công trình có tiết diện giảm thiểu mức độ chắn dòng chảy. Hình 1.1: Gia cố ta luy đất đắp a) Bằng rọ đá ; b) Bằng xếp đá 1. Ụ chắn ; 2. Đá xếp ; 3. Rọ ; 4. Xếp đá trong rọ h = MNCN + biên độ song = 0,5m Khai thác, kiểm định cầu - 12 - Trụ cầu cũng cũng như các công trình điều chỉnh dòng chảy và đất đắp trước mố phải được gia cố để chống lại tác động của xói. Tùy từng trường hợp cụ thể mà ta có biện pháp gia cố thích hợp. Biện pháp thường làm rọ đá (hình 1.1.a), xếp đá (hình 1.1.b) hoặc lát tấm bê tông (hình 1.2). Hình 1.2 - Gia có taluy bằng tấm lát bê tông 1. Lớp đệm; 2. Tấm bê tông; 3. Lớp dỏi dày 10-20cm; 4. Lớp sỏi dày 10cm; 5. Ụ bê tông Ta luy đất đắp đoạn đường đầu cầu, phần tư nón và các công trình điều chỉnh dòng chảy cũng phải được gia cố để chống sụt lở do nước thấm và tác động của sóng gây ra. 1.4. Kiểm tra, sửa chữa cầu thép: 1.4.1. Công tác kiểm tra cầu thép: Mục đích của công tác kiểm tra là xác định hiện trạng cầu, trên cơ sở đó đề ra những chỉ dẫn phù hợp cho công việc duy tu, bảo dưỡng và chế độ khai thác công trình. Trong quá trình kiểm tra, tất cả các bộ phận của kết cấu nhịp phải được xem xét một cách kỹ lưỡng để thấy hết các khuyết tật và hư hỏng cũng như dấu hiệu xuất hiện của chúng. Các hư hỏng, khuyết tật phải được vẽ lại một cách chi tiết với đầy đủ kích thước và những ghi chú cần thiết. Hiện trạng các bộ phận cũng như tổng thể công trình có thể được xác định bằng các phương tiện thủ công, thô sơ như thước thép, thước pan - me, máy kinh vĩ, kính lúp, hoặc bằng các thiết bị, máy móc chuyên dùng hiện đại như kính hiển vi có độ phóng đại cao, siêu âm, Việc kiểm tra cần được đặc biệt coi trọng đối với những bộ phận hư hỏng nặng, độ tin cậy thấp. Trong những trường hợp cần thiết, phải xác định tính chất cơ lý, thành phần hóa học của vật liệu, kích thước hình học của cấu kiện nói riêng và tổng thể công trình nói chung. Những hư hỏng đặc trưng cần được chụp ảnh để lưu giữ. Công tác kiểm tra cầu cần phải được kiểm tra thường xuyên và định kỳ dựa theo đề cương kỹ thuật và kết quả phải được ghi đầy đủ trong hồ sơ khai thác cầu. Về cơ bản các bộ phần cần kiểm tra đối với cầu thép: - Dầm chủ của cầu dầm bản kê, cầu dầm thép liên hợp BTCT. - Các thanh dàn chủ, nút liên kết cầu giàn. Khai thác, kiểm định cầu - 13 - - Hệ dầm mặt cầu, dầm ngang, dầm dọc phụ. - Hệ liên kết ngang, dọc. - Mối nối dầm chủ, các liên kết nút dàn, dầm. Các cơ quan chức năng căn cứ vào số liệu kiểm tra để xác định khả năng chịu tải thực tế của cầu và có các biện pháp sửa chữa, gia cố kịp thời đối với những bộ phận hư hỏng. Tùy thuộc vào hiện trạng công trình và mức độ yêu cầu, số liệu kiểm tra có thể được kiểm chứng bằng thử tải công trình. 1.4.2. Các hư hỏng, khuyết tật và giải pháp sửa chữa cầu thép. Kết quả nghiên cứu hàng loạt cầu với nhiều kiểu dáng, cấu tạo và thời gian khai thác khác nhau, trong đó đặc biệt quan tâm các công trình cầu thép vĩnh cửu như cầu dầm liên hợp thép - bê tông cốt thép, cầu giàn thép. Một số hư hỏng chính thường xuất hiện trong kết cấu thép như: - Gỉ làm tiêu hao diện tích tiết diện của kết cấu. - Nứt kết cấu thép, nứt bản bê tông cốt thép. - Cong, vênh, mất ổn định cục bộ sườn dầm. - Hư hỏng liên kết đinh tán, bulông cường độ cao, mất đinh tán, mất bulông, đầu đinh bị ăn mòn, lỏng đinh tán, nứt đường hàn. Qua nghiên cứu thực nghiệm cho thấy những nguyên nhân chính gây ra các hư hỏng, khuyết tật trong cầu thép, bao gồm: Chất lượng thép và gia công kết cấu chưa đạt yêu cầu; những khiếm khuyết về mặt cấu tạo; sai lệch giữa giả thuyết tính toán và sự làm việc thực tế của kết cấu; công tác duy tu bảo dưỡng kém; tác động của môi trường, đặc điểm của hoạt tải tác động lên cầu. Các hư hỏng của kết cấu nhịp cầu thép, tùy thuộc vào tính chất của nó, được phân chia thành các loại: hư hỏng của bộ phận liên kết (đinh tán, bu lông, mối hàn); hư hỏng do hiện tượng mỏi của vật liệu, do sự ăn mòn kim loại, do phá hoại giòn và các hư hỏng cơ học. 1.4.2.1. Hư hỏng của bộ phận liên kết: a. Nguyên nhân: Các bộ phận liên kết dễ bị hư hỏng như liên kết đinh tán, bu lông cường độ cao, đường hàn. Trong đó, hư hỏng phổ biến nhất của bộ phận liên kết nói riêng và kết cấu nhịp cầu thép nói chung là các hư hỏng, khuyết tật của đinh tán. - Liên kết đinh tán: Dạng hư hỏng chính của đinh tán là sự phân rã đinh trong quá trình khai thác. Nguyên nhân chủ yếu gây ra hiện tượng phân rã đinh là sự mài mòn cơ học của liên kết. Tốc độ mài mòn cơ học phụ thuộc vào chuyển vị trượt tương đối giữa các phân tố nối trên bề mặt tiếp xúc của chúng. Trị số chuyển vị trượt có quan hệ với lưu lượng xe qua cầu, trạng thái ứng suất của liên kết và đặc điểm tác dụng động của hoạt tải. Ngoài ra, các đặc điểm cấu tạo, điều kiện làm việc của liên kết và công nghệ chế tạo cấu kiện cũng ảnh hưởng rất đáng kể đến tốc độ mài mòn cơ học. Sự phân rã đinh tán làm tăng tác dụng động lên liên kết và phân tố nối, gây ra biến dạng của liên kết nói riêng và toàn bộ kết cấu nhịp nói chung, dẫn tới hiện tượng tăng nhanh ứng suất Khai thác, kiểm định cầu - 14 - tập trung ở vùng lỗ đinh. Hệ số ứng suất tập trung này có thể tăng lên nhiều lần tùy thuộc vào mức độ mài mòn của liên kết. Đồng thời cùng với việc tăng ứng suất tập trung thì khả năng xảy ra những hư hỏng do hiện tượng mỏi của vật liệu ở xung quang lỗ đinh cũng tăng nhanh, đặc biệt là đối với các cấu kiện làm việc chịu kéo hoặc làm việc chịu lực hai dấu, lặp theo chu kỳ. Chính vì vậy, những hư hỏng này thường kéo theo hiện tượng phá hủy mỏi. Sự phân rã đinh tán là một quá trình kéo dài và không ngừng tăng theo thời gian khai thác của công trình. Quá trình này được đặc trưng bằng sự truyền lực qua liên kết giữa các phân tố nối. Sự làm việc của liên kết, tùy thuộc vào đặc điểm truyền lực, có thể được chia thành 3 giai đoạn. Ở giai đoạn I, sự truyền lực giữa các phân tố nối thông qua ma sát bề mặt tiếp xúc của chúng. Lúc này, ứng suất tập trung ở mép lỗ đinh có trị số nhỏ nhất. Giai đoạn II được đặc trưng bằng sự truyền lực không chỉ thông qua ma sát của bề mặt tiếp xúc mà còn thông qua thân đinh tì lên thành lỗ. Ứng suất tập trung ở mép lỗ đinh bắt đầu phát triển. Trong giai đoạn III, sự truyền lực giữa các phân tố nối chỉ thông qua thân đinh tì lên thành lỗ. Ứng suất tập trung đạt tới trị số cực đại. Hư hỏng đinh tán do mài mòn cơ học xảy ra ở giai đoạn III. Cần chú ý rằng, độ mài mòn lớn còn tạo điều kiện thuận lợi cho sự xâm thực của môi trường, làm cho thép ở mép lỗ đinh bị gỉ nhanh hơn và khả năng làm việc chịu mỏi của vật liệu giảm. Trong cầu dàn, hiện tượng hư hỏng này thường xảy ra tại các liên kết: thanh xiên và thanh treo vào bản nút ở biên trên; các thanh của hệ liên dọc và ngang vào dàn chủ. Đối với hệ mặt cầu, sự phân rã đinh tán thường xảy ra ở các liên kết: dầm dọc với dầm ngang (đặc biệt là khi không có bản con cá); biên dầm vào sườn dầm dọc; các thanh của hệ liên kết dọc; các thanh của hệ liên kết dọc và ngang vào dầm dọc. Trong cùng một liên kết, các hàng đinh ngoài cùng chịu lực nhiều hơn, nên thường bị hư hỏng trước. Ngoài ra, với các điều kiện làm việc như nhau thì các đinh chịu cắt một mặt bị phân rã nhanh hơn các đinh chịu cắt hai mặt. Những vết gỉ từ đầu đinh tán hoặc từ khe hở giữa các phân tố nối và các vết nứt của lớp sơn gần đầu đinh thường là dấu hiệu của sự hư hỏng do mài mòn, nó đòi hỏi phải kiểm tra các đinh này một cách kỹ lưỡng. Thông thường, biện pháp gõ đầu đinh bằng búa cũng cho kết quả đủ độ tin cậy để đánh giá chất lượng liên kết. Ngoài ra, kích thước, hình dạng đinh và lỗ đinh cũng như việc lắp đặt đinh không đảm bảo tiêu chuẩn kỹ thuật đều được coi là khuyết tật của liên kết. Những loại khuyết tật của đinh tán thường gặp trong thực tế được thể hiện trên hình 1.3. Hình H1.3: Các khuyết tật của liên kết đinh tán và liên kết hàn a) Liên kết đinh tán; b) Liên kết hàn 1. Hở đầu đinh; 2. Đầu đinh bị nứt; 3. Đầu đinh bị lệch; 4. Đầu đinh có gờ Khai thác, kiểm định cầu - 15 - 5. Đầu đinh bị nhỏ; 6. Lệch đầu đinh; 7. Đầu đinh xiên; 8. Đầu dinh có rãnh 9. Rãnh ở thép phân tố; 10. Đầu đinh có vết; 11. Thân đinh không khít 12. Lỗ đinh xiên; 13. Lỗ đinh vẹo; 14. Lỗ đinh ô van; 15. Hàn không thấu 16. Vết nứt trong; 17. Vết nứt mặt; 18. Rãnh ở thép cơ bản 19. Vết nứt ở mặt thép - Liên kết đường hàn: Những nguyên nhân hư hỏng và khuyết tật của liên kết hàn thường thể hiện ở các dạng: do hàn không thấu - không có sự nấu chảy thép que hàn cùng với thép cơ bản; do thép cơ bản bị quá nhiệt cục bộ tạo ra các rãnh trên bề mặt của nó ở cạnh mối hàn; các lỗ rỗng nhỏ ở trong mối hàn; các vết nứt ở trên bề mặt và trong lòng liên kết - do không đảm bảo kích thước thiết kế (hình 1.3). - Liên kết bulông cường độ cao: Các hư hỏng và khuyết tật của liên kết bu lông cường độ cao thường là hiện tượng bị đứt, bị lỏng, mặt ma sát bị trượt do siết các bu lông chưa đạt yêu cầu, chất lượng vật liệu không tốt, bulông, đai ốc, vòng đệm và cả mặt ma sát bị gỉ. b. Giải pháp: - Sửa chữa liên kết đinh tán: Các đinh tán hư hỏng được thay thế bằng bu lông cường độ cao. Việc thay thế xen kẽ như vậy tạo ra một liên kết hỗn hợp đinh tán - bu lông cường độ cao. Kết quả nghiên cứu cho thấy, sự làm việc đồng thời giữa đinh tán và bu lông cường độ cao được đảm bảo tốt, độ bền và tuổi thọ của hai loại liên kết này cao hơn liên kết tán đinh. Khi bu lông cường độ cao được lắp ở những vị trí chịu lực nhiều hơn, nó có thể làm tăng một cách đáng kể khả năng chống mài mòn và mỏi của liên kết. Trong trường hợp không thực hiện các tính toán chi tiết, số lượng đinh tán thay thế đồng thời cùng một lúc không được vượt quá 10% tổng số lượng đinh trong liên kết. Để tránh gây ảnh hưởng đến sự làm việc bình thường của liên kết, các đinh thay thế được tháo bỏ theo hai giai đoạn: Trước tiên, dùng mũi khoan rỗng để cắt đầu đinh (hình 1.4a) hoặc cắt đầu đinh bằng mỏ cắt hơi (hình 1.4b), cần chú ý sao cho thép cơ bản không bị nung quá nóng. Sau đó, dùng đột đóng bật thân đinh ra. - Sửa chữa liên kết đường hàn: Nếu trên đường hàn có vết nứt, lẫn sỉ, rỗ khí, v.v... thì cần phải đục bỏ hết phần khuyết tật, riêng với vết nứt phải đục bỏ kéo dài thêm về mỗi phía ít nhất 10mm. Làm sạch bề mặt, hàn bù phần đã đục bỏ, vệ sinh và sơn phủ bảo vệ bề mặt. - Sửa chữa liên kết bulông cường độ cao: Tháo bulông cường độ cao đã hư hỏng, nếu bulông, vòng đệm, đai ốc gỉ thì cần thiết phải thay thế, ngược lại có thể vệ sinh sạch sẽ để sử dụng lại. Hình 1.4 - Cắt đầu đinh a. Bằng mũi khoan rỗng. 1. Cắt bằng mũi khoan; 2. Phần tháo bằng đột b. Bằng mỏ cắt hơi 1. Đinh; 2. Mỏ cắt; 3. Điểm tựa Khai thác, kiểm định cầu - 16 - Vệ sinh sạch sẽ lỗ đinh, dùng clê thường siết chặt bulông sau đó dùng clê lực siết đến mômen xiết thiết kế. Tiến hành sơn hoặc bôi mỡ bảo vệ bulông. 1.4.2.2. Những hư hỏng do hiện tượng nứt của thép: a. Nguyên nhân: Trong kết cấu thép không cho phép xuất hiện vết nứt vì nó làm giảm tiết diện chịu lực, gây ra hiện tượng tập trung ứng suất rất nguy hiểm cho kết cấu. Một số nguyên nhân chính gây ra nứt kết cấu thép có thể kể đến: - Chất lượng vật liệu không đảm bảo, có khuyết tật, và vết nứt thường xuất phát từ đây. - Chất lượng liên kết kém như hàn không đủ, đầu bulông và đinh tán nhỏ. - Ứng suất dư do hàn gây ra mà không có biện pháp hạn chế. - Do va chạm cơ học. - Do mỏi vật liệu, đây là nguyên nhân chính gây nứt trong kết cấu cầu thép: Hiện tượng mỏi của vật liệu là quá trình tích góp các hư hỏng dưới tác dụng thường xuyên của tải trọng lặp và tới một mức độ nhất định thì xảy ra sự phá hủy kết cấu. Phá hủy mỏi là hậu quả của quá trình phát triển vết nứt trong cấu kiện. Những vết nứt mỏi thường xuất hiện ở những vị trí có ứng suất tập trung lớn. Trong cầu dàn, những hư hỏng do mỏi thường xảy ra nghiêm trọng hơn cả ở các thanh xiên và thanh treo. Hình ảnh các vết nứt mỏi ở thanh xiên và vị trí các thanh này trong một số sơ đồ cầu dàn xem hình 1.5. Các vết nứt được phát triển theo phương vuông góc với trục thanh và xuất phát từ điểm giao giữa mép lỗ đinh với mặt phẳng đi qua tâm lỗ và vuông góc với trục thanh. Trong hệ dầm mặt cầu và các liên kết của nó, phá hoại mỏi cũng là hư hỏng phổ biến. Các vết nứt mỏi thường có tại vị trí chịu lực cục bộ của biên trên (hình 1.6), ở sườn dầm (hình 1.8), trên bản con cá (hình 1.7) và ở thép góc liên kết dầm dọc với dầm ngang (hình 1.9). Phá hoại mỏi ở sườn dầm thường được thể hiện qua các vết nứt xiên bắt đầu từ mép của hàng đinh tán thứ 2, thứ 3, thứ 4 và hướng lên trên (hình 1.6). Nguyên nhân chính của hiện tượng này là ứng suất kéo tập trung lớn và luôn thay đổi theo chu trình. Hình.1.5 - Vết nứt mỏi ở thanh xiên Khai thác, kiểm định cầu - 17 - Ứng suất pháp lớn trong liên kết dầm dọc với dầm ngang gây ra những vết nứt mỏi trong bản cá, các vết nứt này bao giờ cũng bắt đầu từ mép lỗ của hàng đinh thứ nhất hoặc thứ hai kể từ dầm ngang (hình 1.8). Phá hoại kiểu này còn xảy ra đối với biên dưới của những dầm ngang ngoài cùng trong kết cấu nhịp cầu dàn có chiều dài lớn hơn 80m (hình 1.10) Một trong những yếu tố chính gây ra hiện tượng này là sự đồng thời cùng làm việc giữa hệ dầm mặt cầu và dàn chủ cao. Hình 1.6 - Vết nứt mỏi tại vị trí chịu lực cục bộ Hình 1.7 - Vết nứt mỏi ở bản con cá 1. Bản con cá; 2. Dầm ngang; 3. Dầm dọc; 4. Vết nứt Hình 1.8 - Vết nứt mỏi ở sườn dầm 1. Dầm ngang; 2. Dầm dọc; 3. Vết nứt Hình 1.9 - Vết nứt mỏi ở thép góc liên kết dầm dọc với dầm ngang 1. Dầm dọc; 2. Dầm ngang; 3. Vết nứt Hình 1.10 - Vết nứt mỏi ở thép góc biên dưới của dầm ngang Khai thác, kiểm định cầu - 18 - Vết nứt xuất hiện ở thép góc liên kết (hình 1.7) là do tác động của mômen uốn tại mối nối và thành phần lực trong dầm dọc khi tham gia cùng làm việc với các biên của giàn chủ. Trong kết cấu nhịp cầu hàn, phá hoại mỏi có thể xảy ra ở những vùng tập trung ứng suất kéo do tác động của ngoại lực hoặc những nơi có ứng suất dư do hàn gây ra. Như vậy, các vết nứt mỏi có thể xuất hiện trong mối hàn hoặc ngay trong kết cấu khi tiết diện của nó thay đổi đột ngột. b. Giải pháp: - Với các vết nứt có thể sửa chữa bằng đường hàn ta làm như sau: Khoan chặn hai đầu vết nứt với đường kính lỗ khoan từ 14-18mm để giảm ứng suất tập trung hai đầu vết nứt. Tiến hành gia công bề mặt vết nứt thành hình chữ K (khi cắt vát hai phía từ một bên vết nứt), hình chữ V (khi cắt vát một phía từ hai bên vết nứt) hoặc chữ X (khi cắt vát hai phía từ hai bên vết nứt. Tùy độ dày bản thép chính và điều kiện thi công sửa chữa để lựa chọn cách xử lý phù hợp. Làm sạch rộng hơn vết nứt ít nhất 10mm, đốt nóng vết nứt lên nhiệt độ 1500C đến 2000C rồi tiến hành hàn. Mài dũa đường hàn và sơn bảo vệ. Hình 1.11: Sửa chữa vết nứt và khuyết tật a) Hàn phủ vết nứt; b, e) Phủ kín vết nứt bằng tấm thép bản với liên kết bu lông cường độ cao: 1. Bản đệm; 2. Thép bản táp; 3. Bu lông cường độ cao có sẵn; 4. Bu lông cường độ cao mới. c, d) Phủ vết nứt bằng táp thép góc với liên kết bu lông cường độ cao: 1.Thép góc táp; 2.Bu lông cường độ cao mới; 3.Lỗ ở đầu vết nứt; 4.Bu lông cường độ cao có sẵn. g) Khắc phục khuyết tật bằng táp thép bản với liên kết hàn: 1. Má kẹp; 2. Khuyết tật; 3. Nêm; 4. Thép bản táp. - Với vết nứt không lớn và ở mép lỗ đinh tán ta làm như sau: Khoan lỗ chặn đầu vết nứt tránh ứng suất tập trung, tiến hành thảo bỏ đinh tán, vệ sinh bề mặt liên kết để thay thế bằng bulông cường độ cao, sơn hoặc bôi dâu bảo vệ liên kết sau sửa chữa. Khai thác, kiểm định cầu - 19 - - Với vết nứt lớn, không thể hàn trực tiếp ta cần xử lý như sau: Sử dụng một bản thép bổ sung có tính chất thép giống với thép chủ, khoan lỗ chặn hai đầu vết nứt, lắp bản táp phủ lên vết nứt (tốt nhất là phủ cả hai mặt, trong điều kiện khó khăn có thể táp một mặt). Sau đó sử dụng bulông cường độ cao hoặc đường hàn để liên kết bản táp vào kết cấu, tiến hành vệ sinh, sơn bảo vệ liên kết sửa chữa. 1.4.2.3. Hư hỏng do hiện tượng ăn mòn kim loại: Các kết cấu nhịp cầu thép cùng với thời gian khai thác, đều có những hư hỏng do hiện tượng ăn mòn kim loại gây ra. Mức độ của những hư hỏng này phụ thuộc chủ yếu vào các biện pháp bảo vệ thép khỏi sự ăn mòn và công tác duy tu bảo dưỡng. Thép gỉ (hình 1.12) làm cho tiết diện của phân tố bị giảm yếu và sức chịu tải cũng giảm theo. Đặc biệt, tác động đồng thời của gỉ và tải trọng lặp theo chu kỳ dễ dàng làm xuất hiện các vết nứt gỉ - mỏi trong cấu kiện. Tốc độ phát triển gỉ phụ thuộc vào hàng loạt các yếu tố: thành phần hóa học của thép, công nghệ chế tạo cấu kiện, biện pháp chống gỉ, vùng khí hậu, môi trường và trạng thái ứng suất a. Nguyên nhân: - Lớp sơn bản vệ đã hư hỏng: + Do va chạm dẫn đến tróc sơn nhưng chưa được ssơn lại. + Khi sơn chưa làm sạch bề mặt để gỉ phát triển từ bên trong. + Quá niên hạn mà chưa sơn lại. - Do tác động của môi trường: + Yếu tố chính làm gỉ xuất hiện và quyết định tốc độ phát triển của gỉ là bề mặt thép bị ẩm ướt. Thực nghiệm cho thấy, ở môi trường có độ ẩm tương đối nhỏ hơn 40%, thép không bị gỉ ngay cả khi bề mặt của nó đọng rác bẩn. + Sự ô nhiễm môi trường tạo điều kiện thuận lợi cho gỉ xuất hiện và phát triển. Gỉ tồn tại ở hai thể là gỉ bề mặt và gỉ cục bộ. + Ở các biên dàn chủ, hệ dầm mặt cầu và hệ liên kết thường có gỉ bề mặt do việc thoát nước trên mặt kết cấu kém hoặc do hiện tượng rác bẩn đọng lại gây ra. Gỉ cục bộ thường xuất hiện tại các liên kết, mối nối và nút dàn. + Hiện tượng ăn mòn kim loại phát triển nhanh trong điều kiện khí hậu nóng ẩm như nước ta và sự đấu tranh chống lại nó phải được thực hiện thường xuyên, nghiêm túc, vì trong nhiều Hình 1.12 - Thép gỉ Khai thác, kiểm định cầu - 20 - trường hợp gỉ là nguyên nhân chính dẫn tới việc thay thế hoặc gia cố kết cấu nhịp rất tốn kém. b. Giải pháp: - Sử dụng sơn trong cầu thép: Thông thường tuổi thọ của sơn tối thiểu là 4 năm, mỗi bộ sơn sẽ gồm ba loại: sơn lót (chống gỉ), sơn phủ trung gian và sơn phủ ngoài cùng. Tuy nhiên, gần đây người ta thường sử dụng sơn gốc epoxy có tuổi thọ lên đến 20 năm, sau khi sơn sẽ tạo nên trên bề mặt một lớp bảo vệ có độ bền cao. - Yêu cầu kỹ thuật đối với sơn: + Màng sơn phải có tính cách ly cao. + Sơn lót phải dính bám cao với thép và có khả năng chống ăn mòn cao. + Sơn phủ phải tương hợp với sơn lót, dính bám cao với sơn lót và chống chịu được tác động của môi trường như thời tiết nóng ấm, bức xạ mặt trời, không bay màu. + Sơn đủ chiều dày quy định, chống chịu được tác động của các hóa chất độc hại. + Màu sơn nên phù hợp với cầu cũ. - Phương pháp sửa chữa khi xuất hiện gỉ: + Nếu gỉ làm tiêu hao đáng kể diện tích tiết diện thì cần phải có giải pháp bù tiết diện trước khi sơn sửa. + Trường hợp trên bề mặt gỉ còn các màng sơn cũ cần dùng bản chải sắt, chải bụi, dùng nước xà phòng, kiềm loãng lau sạch sau đó dùng nước sạch xối rửa, đánh dấy ráp trước khi sơn phủ bảo vệ + Xử lý xong bề mặt cần phải sơn ngay, để quá 3 ngày cần phải xử lý lại. Không sơn khi trời mưa, nhiệt độ nhỏ hơn 40C, sơn đều không được bỏ sót. + Dùng bột dẻo lấp phẳng các vết lõm do gỉ sau khi sơn phủ xong để tiến hành sơn bề mặt. 1.4.2.4. Hiện tượng phá hoại giòn: Hiện tượng kết cấu bị phá hủy dưới tác dụng của tải trọng mà biến dạng dẻo hầu như không xuất hiện được gọi là phá hoại giòn. Về bản chất, hiện tượng này là hậu quả của việc phát triển vết nứt một cách đột ngột tại những vị trí xung yếu có ứng suất vượt tải lớn. Tốc độ lan truyền vết nứt trong kết cấu có thể đạt tới 5000m/s. Khả năng xuất hiện phá hoại giòn phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể của thép, thành phần hóa học, độ tinh khiết, hình dạng cấu kiện, trạng thái ứng suất, tốc độ biến dạng, nhiệt độ của môi trường xung quanh, v.v Kinh nghiệm khai thác cho thấy, phá hoại kiểu này thường hay gặp ở kết cấu nhịp cầu hàn, ít thấy ở kết cấu nhịp cầu tán đinh. Để hạn chế hiện tượng này chúng ta phải thường xuyên tiến hành kiểm tra, xác định các vết nứt nhỏ trong cầu thép để tiến hành sửa chữa trước khi để xảy ra phá hoại giòn. 1.4.2.5. Các khuyết tật cơ học: a. Nguyên nhân: Sự va đập lên phân tố kết cấu do các tải trọng quá khổ giới hạn qua cầu hay do bom đạn hoặc xảy ra trong quá trình gia công và lắp ráp làm xuất hiện các khuyết tật cơ học. Những hư hỏng cơ học rất đa dạng, cấu kiện có thể bị đứt toàn bộ hay từng phần hoặc xẩy ra hiện tượng cong, vênh tổng thể hay cục bộ của phân tố kết cấu. Mức độ nguy hiểm của Khai thác, kiểm định cầu - 21 - hư hỏng được xác định cho từng trường hợp cụ thể, nó tùy thuộc vào độ lớn của khuyết tật và sự thay đổi trạng thái ứng suất ở phân tố kết cấu do va đập gây ra. Sự va đập có thể tạo ra những vết nứt ở vùng xung quanh khuyết tật. Hiện tượng cấu kiện bị uốn cong sẽ làm phát sinh ứng suất phụ, và riêng đối với các phân tố chịu nén, nó còn làm giảm khả năng chịu uốn dọc của chúng. Thông thường, độ thẳng của cấu kiện được kiểm tra bằng phương pháp đơn giản là căng dây thép mảnh dọc theo trục của thanh. Nếu đường tên đoạn uốn cong lớn hơn 1/7 bán kính quán tính của tiết diện trong mặt phẳng uốn cong đối với cấu kiện chịu nén và 1/10 chiều cao tiết diện đối với cấu kiện chịu kéo thì chỉ cần kiểm tra độ cong cho phép. Trong trường hợp ngược lại, phải có ngay biện pháp gia cố và sửa chữa phân tố kết cấu. Các cấu kiện chịu nén bị uốn cong, lại đồng thời có những hư hỏng ở hệ thanh giằng giữa các nhánh của tiết diện, phải được đặc biệt quan tâm. b. Giải pháp: Phần này chỉ đề cập đến các biện pháp sửa chữa những khuyết tật và hư hỏng nhẹ, ít gây ảnh hưởng đến sức chịu tải của kết cấu, còn việc khắc phục những hư hỏng nặng, làm giảm khả năng chịu tải của cầu, sẽ được xét đến ở phần gia cố kết cấu nhịp. - Phương pháp tác động cơ học: Các phân tố thép bị uốn cong nên được nắn thẳng hay phẳng trở lại trong điều kiện nhiệt độ bình thường, vì cấu trúc phân tử của thép dễ dàng bị thay đổi dưới tác dụng nhiệt. Chỉ sử dụng phương pháp gia nhiệt trong trường hợp đặc biệt. Những vùng cong cục bộ được làm phẳng bằng vam (hình 1.13a ). Các thép góc, thép U và thép bản bị uốn cong trên chiều dài nhỏ có thể được làm phẳng bằng má kẹp (hình H1.13b). Các điểm lồi nhỏ ở tấm thép có thể được khắc phục bằng cách dùng búa tạ đập lên nó thông qua một tấm đệm. Những biến dạng lớn, chẳng hạn như biến dạng của sườn dầm đặc, được làm phẳng bằng kích có sự hỗ trợ của thanh căng và dầm hãm (hình 1.13c). Trong trường hợp cần thiết, có thể hàn thêm sườn tăng cường phụ tại vị trí biến dạng. Bọc bê tông cục bộ phần sườn dầm bị biến dạng là biện pháp rất đơn giản để tăng cường. Liên kết giữa bê tông và thép được bảo đảm tốt nhờ các thanh cốt thép neo hàn trên bề mặt sườn dầm. Những biến dạng cục bộ của thanh dàn chủ có thể được làm phẳng bằng kích (hình 1.13d). Hình 1.13 - Làm phẳng cấu kiện a. Bằng vam; b. Bằng má kẹp; c. Làm phẳng thanh; d. Làm phẳng sườn dầm. 1. Dầm cứng; 2. Kích; 3. Thanh căng; 4. Dầm hãm Khai thác, kiểm định cầu - 22 - Hệ thanh giằng, bản giằng có thể được tháo bỏ trên đoạn thanh uốn cong trước khi nắn thẳng và sau đó lại được thay mới. Những cấu kiện của dàn chủ có biến dạng lớn cần được thay mới toàn bộ hay từng phần. - Phương pháp gia công nhiệt: Phương pháp này là sử dụng ngọn lửa khí axêtylen + gas + oxy để tạo ra biến dạng mới triệt tiêu biến dạng cũ. Do phương pháp này rất ảnh hưởng đến tính chất của kết cấu thép nên trước khi thực hiện phải có thiết kế chỉ định phạm vi được phép đốt nóng, nhiệt độ cho phép, tốc độ gia nhiệt và hạ nhiệt, ... cùng các thiết bị phụ trợ trong quá trình thi công. Trình tự xử lý khuyến nghị như sau: + Dùng ngọn lửa đốt nóng vị trị xử lý đến nhiệt độ thiết kế. + Chỉ nắn khi nhiệt độ chỉ định đến nhiệt độ 7500C (màu đỏ tím) và tối đa chỉ được phép đến 8500C (mầu đỏ) để tránh giảm cường độ của thép. + Khi gia nhiệt có thể kèm các thiết bị phụ trợ để nắn chỉnh. + Tốc độ gia nhiệt và hạ nhiệt phải đúng thiết kế quy định. + Sau khi nắn chỉnh cần kiểm tra các vị trí xung quanh để kịp thời phát hiện các hư hỏng phát sinh thứ cấp. + Tiến hành vệ sinh và sơn bảo vệ bề mặt. 1.5. Kiểm tra và sửa chữa cầu bê tông cốt thép: 1.5.1. Công tác kiểm tra đối với kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép. Công tác kiểm tra kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép là để nắm được những hư hỏng hiện có trên công trình thông qua việc kiểm tra thường xuyên, kiểm tra đột xuất hay kiểm tra chi tiết để từ đó đề ra những quyết định về chế độ duy tu, bảo dưỡng hay khai thác công trình hợp lý. Các bộ phận công trình cần kiểm tra như: - Dầm chủ. - Bản mặt cầu. - Đầu neo cáp dự ứng lực. - Mối nối cánh dầm, mối nối dầm ngang. - Hệ thống cáp dự ứng lực dọc và ngang cầu. - Các mối nối thi công cầu - Cường độ bê tông các bộ phận. 1.5.2. Các hư hỏng và khuyết tật của cầu bê tông cốt thép. Dạng hư hỏng phổ biến nhất ở cầu bê tông cốt thép là các vết nứt và hiện tượng bong, rộp bê tông. Đối với kết cấu bê tông cốt thép thường, các vết nứt thường xuất hiện ở miền chịu kéo. Nếu độ mở của vết nứt không vượt quá 0,2mm thì cốt thép trong kết cấu sẽ không bị gỉ và do đó không làm giảm đáng kể tuổi thọ của công trình. Nguy hiểm nhất là các vết nứt xuất hiện trong kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước (BTCTƯST) có bố trí cốt thép ứng suất trước dưới dạng các bó cốt thép, hoặc các thanh thép, bó cáp thép riêng biệt. Khi hơi nước thông qua các vết nứt xâm nhập vào sẽ làm gỉ và ăn mòn cốt thép, tiết diện thép nhanh chóng bị giảm yếu. Trong một số trường hợp, các vết nứt làm giảm sức chịu tải của một cấu kiện riêng biệt là nguyên nhân chính làm giảm khả năng chịu tải của kết cấu nhịp. Điều này liên quan trước hết đến các kết cấu ứng suất trước (chẳng hạn như khi có các vết nứt xiên ở sườn dầm). Khai thác, kiểm định cầu - 23 - Khi đánh giá mức độ nguy hiểm của các loại vết nứt khác nhau, cần phân tích kỹ ảnh hưởng của chúng đến các đặc điểm khai thác kết cấu, đồng thời phải chú ý đến khuynh hướng phát triển vết nứt. Hình 1.14 thể hiện các dạng vết nứt điển hình thường gặp trong kết cấu nhịp bê tông cốt thép. Hình 1.14 - Các vết nứt điển hình trong kết cấu nhịp dầm bê tông cốt thép Vết nứt co ngót 1 thường xuất hiện ở các bề mặt bê tông do quá trình co ngót không đều. Dấu hiệu đặc trưng của vết nứt co ngót là chúng phân bố hỗn độn, độ mở rộng và chiều dài không lớn. Các vết nứt xiên 2 ở sườn dầm là do tác dụng của ứng suất kéo chính và của các biến dạng do nhiệt độ. Loại vết nứt này đặc biệt nguy hiểm đối với kết cấu nhịp bê tông cốt thép ứng suất trước vì nó có thể làm giảm đáng kể khả năng chịu tải của kết cấu. Trường hợp này phải được kiểm toán chi tiết. Các vết nứt dọc 3 tại vị trí tiếp giáp giữa cánh dầm và sườn dầm, có ảnh hưởng xấu đến sự làm việc của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng. Các vết nứt này cần được đặc biệt quan tâm khi xác định khả năng chịu tải của công trình. Một trong những nguyên nhân chính gây ra vết nứt 3 là làm sai quy trình công nghệ chế tạo kết cấu nhịp. Các vết nứt ngang 4 ở cánh dầm phát sinh chủ yếu do cốt thép dọc ở phía dưới bị kéo quá căng và do tác dụng của mômen trong quá trình lao lắp dầm. Đối với dầm giản đơn, các vết nứt này sẽ khép lại trong quá trình khai thác dưới tác dụng của tĩnh và hoạt tải. Các vết nứt ngang 5 ở bầu dầm chịu kéo của kết cấu nhịp BTCTƯST cho thấy công tác căng cốt thép chưa đạt yêu cầu (lực căng chưa đủ), có sự mất mát ứng suất lớn (do co ngót, từ biến của bê tông), và do không bảo đảm sự làm việc bình thường của cơ cấu neo. Các vết nứt loại này không làm giảm khả năng chịu tải của kết cấu nhịp, song có thể thúc đẩy sự gỉ cốt thép. Các vết nứt dọc ở bầu dầm nén trước 6 xuất hiện chủ yếu trong những năm đầu của quá trình khai thác. Các vết nứt loại này cũng tạo điều kiện thuận lợi cho gỉ phát triển. Các vết nứt ngang 8 ở phần đầu dầm phát sinh dưới tác dụng của ứng suất cục bộ do căng cốt thép. Các vết nứt loại này thường phát triển trong thời kỳ đầu của quá trình khai thác. Các vết nứt 7 trong khu vực gối tựa thường là do những khiếm khuyết về cấu tạo (tập trung neo, thớt gối nhỏ, ) gây ra. Điều kiện làm việc của gối tựa gây ảnh hưởng đáng kể đến dự phát triển các vết nứt này. Khai thác, kiểm định cầu - 24 - Trong kết cấu nhịp vòm bê tông cốt thép, vết nứt thường phát sinh nhiều nhất ở các thanh treo và thanh giằng, nhưng cũng có thể xuất hiện cả ở bản thân vòm và thanh chống (hình 1.15). Sự thoát nước mưa và chống thấm có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với kết cấu bê tông cốt thép. Nếu giải quyết thoát nước và chống thấm kém, nước có thể xâm nhập vào trong kết cấu làm gỉ cốt thép và bong rộp bê tông. Hiện tượng rỗ mặt bê tông cũng được coi là khuyết tật của kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép. 1.5.3. Sửa chữa các khuyết tật của kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép. Sửa chữa các khuyết tật của kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép nằm trong phạm vi sửa chữa nhỏ và vừa, nó chỉ nhằm mục đích kéo dài thêm tuổi thọ của công trình, còn việc phục hồi hoặc nâng cao sức chịu tải của cầu thuộc phạm vi sửa chữa lớn, sẽ được đề cập trong phần gia cố kết cấu nhịp. 1.5.3.1. Vật liệu để sửa chữa cầu BTCT: a. Xi măng: Xi măng sử dụng trong sửa chữa cầu yêu cầu phải khô, không vón cục, lọt lỗ sàng 0,1mm và có độ ẩm nhỏ hơn hoặc bằng 0,1% mới đủ điều kiện để chế tạo các loại vữa Pôlyme, keo epôxy, ... b. Cát vàng: Cát phải đáp ứng yêu cầu sạch, không lẫn tạp chất, có hàm lượng muối SO3, bùn sét nhỏ hơn 1% khối lượng cát. Nếu sử dụng vào vữa Pôlyme thì độ ẩm của cát phải nhỏ hơn 0,1% và phải rang khô trước khi sử dụng. c. Đá dăm: Đá dăm yêu cầu có kích thước hạt 0,5-2cm, sạch không lẫn tạp chất, lượng bùn sét nhỏ hơn 0,5%, không chưa các hạt cốt liệu nhẹ, mềm. Đá phải đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn so mẫu và có độ ẩm trước khi đưa vào chế tạo vữa nhỏ hơn 0,5%. d. Nhựa êpôxy: Nhựa êpôxy là chất hóa học có tính chất dính bám rất tốt với một số loại vật liệu khác như gỗ, thép, bê tông, đá, v.v... Trong quá trình đông cứng tạo thành keo êpôxy, vữa pôlyme không sinh ra nước hay chất bay hơi và tạo thành vật liệu có độ bền cao, chống thấm tốt và gần như không co ngót. Hình 1.15 - Các vết nứt trong kết cấu nhịp cầu vòm Khai thác, kiểm định cầu - 25 - e. Chất hóa dẻo: Được dùng khi trộn với nhựa êpôxy nhằm làm tăng tính dẻo của hỗn hợp, giảm co ngót, tăng khả năng chịu rung động và va đập, đặc biệt là kéo dài thời gian thi công vữa Pôlyme. Các chất hóa dẻo có gốc là Cacbuahydro và các chất dẫn suất có trọng lượng phân tử thấp, thông dụng nhất là các chất Polyeste, Peclorovinyl, thiokel. f. Chất hóa rắn: Chất hóa rắn được sử dụng trong vữa pôlyme nhằm tạo ra hỗn hợp vữa đông kết nhanh, chất này có gốc amin nên dễ bay hơi và có tính độc hại đối với con người nên khi thi công cần có bảo hộ lao động cho công nhân. g. Chất độn: Là chất được trộn vào bê tông hoặc vữa pôlyme nhằm làm tăng tính dính bám với bề mặt kết cấu hoặc tiết kiệm nhựa êpôxy. Chất độn thường dùng các loại vật liệu gần giống với vật liệu kết cấu nhưng ở dạng bột như ximăng, bột đá hoặc dạng sợi. Ximăng làm chất độn yêu cầu độ ẩm nhỏ hơn 0,1% và có cường độ từ 30Mpa trở lên. Bột đá làm chất độn phải đảm bảo độ mịn, độ ẩm nhỏ hơn 0,1%, không chưa tạp chất. Dạng sợi độn thường sản xuất từ polypropylen với chiều dài khoảng 20mm nhằm làm tăng khả năng chống nứt, chống thấm cho kết cấu. h. Keo êpôxy: Là hỗn hợp gồm nhựa êpôxy, chất hóa dẻo, chất hóa rắn và chất độn pha trộn theo tỷ lệ thành phần thiết kế quy định. Thời gian sống của keo êpôxy thường từ 1-3 giờ, cần thí nghiệm cẩn thận để thiết kế thời gian thi công phù hợp. Chất lượng keo êpôxy được đánh giá thông qua mẫu thí nghiệm 2x2x2cm với số lượng 3 mẫu. i. Vữa Pôlyme: Vữa pôlyme là hỗ hợp gồm nhựa êpôxy, chất hóa dẻo, chất hóa rắn, chất độn, cát vàng khô hay còn gọi là bê tông hạt mịn. Một vài tỷ lệ thành phần vữa pôlyme tham khảo: TT Thành phần Tỷ lệ % theo trọng lượng 1 2 3 1 Cát vàng khô 100 100 100 2 Nhựa êpôxy ED-6 18-20 20-22,5 24-25,6 3 Chất hóa dẻo 2,8-3 3-3,4 3,6-3,9 4 Chất hóa rắn 1,9-2 2-2,3 2,4-2,6 5 Xi măng 30 40 50 Chế tạo vữa pôlyme: + Cân các thành phần vật liệu theo tỷ lệ thiết kế. Khai thác, kiểm định cầu - 26 - + Trộn cát với xi măng thành một hỗn hợp + Trộn chất hóa rắn, nhựa êpôxy, và chất hóa dẻo thành một một hỗn hợp khác. + Đổ hỗn hợp keo êpôxy vào hỗn hợp cát xi và trộn đều. + Nhanh chóng đưa vào thi công tránh bị đồng cứng sớm. Thí nghiệm kiểm tra chất lượng vữa thông qua 3 mẫu thí nghiệm kích thước 2x2x2cm. j. Bê tông pôlyme: Tương tự cấu tạo của vữa pôlyme, bê tông pôlyme sử dụng đá dăm làm cốt liệu và vữa pôlyme là chất kết dính, quy trình chế tạo tương tự như vữa pôlyme ở nhiệt độ thông thường. Tỷ lệ thành phần các cốt liệu đá, cát, xi măng, keo êpôxy, chất hóa rắn dẻo, cần được xác định thông qua thí nghiệm đảm bảo theo yêu cầu của công trình. Hiện nay ở nước ta bê tông pôlyme đã được các hãng chế tạo sẵn và chào bán, thông dụng nhất là hãng Sika, Ciec, Fico, ... 1.5.3.2. Khắc phục các vết nứt trong bê tông: Các vết nứt trong bê tông, tùy thuộc vào độ mở rộng, phải được chét kín bằng vữa xi măng với cốt liệu phù hợp. Hiện nay, các hóa chất xây dựng được sử dụng rộng rãi để chét các vết nứt trong bê tông. Hiệu quả của công tác sửa chữa này phụ thuộc rất nhiều vào sự tẩy bỏ và làm sạch bề mặt bê tông, cốt thép tại vị trí chét vữa. - Sửa chữa vết nứt có độ mở rộng nhỏ hơn 0,3mm: Trước khi chét vữa, phần long lở trên bề mặt bê tông được tẩy sạch, sau đó làm vệ sinh bằng rửa nước và khí nén, đồng thời cạo sạch gỉ cốt thép, tạo khe dạng hình nêm hoặc hình chữ nhật để chèn vữa lấp vết nứt (hình 1.16). Kết hợp với keo êpôxy tạo nền, vữa được nhồi vào vết nứt thông qua các ống, có độ sệt đúng quy định và được nhồi chặt trên suốt chiều dài cũng như chiều sâu của vết nứt. - Sửa chữa các vết nứt có độ mở rộng lớn hơn 0,3mm + Đục mở rộng vết nứt nếu phát hiện thấy hai bên vết nứt có bám rêu. Hình 1.16 - Sơ đồ tạo khe a. Dạng hình nêm b. Dạng hình chữ nhật 1. Vết nứt; 2. Cốt thép; 3. Lớp bảo vệ a b Khai thác, kiểm định cầu - 27 - + Dọc theo vết nứt khoan các lỗ khoan với khoảng cách từ 20-50cm, đường kính 0,5- 0,8cm, chiều sâu không nhỏ hơn chiều sâu vết nứt nhưng tối thiểu 2,5cm. + Vệ sinh vị trí vết nứt cả bên trong và bên ngoài, tuyệt đối không dùng hóa chất để tẩy rửa. + Cắm các đầu bơm vào các lỗ khoan, đầu bơm có cấu tạo đường kính ngoài phù hợp lỗ khoan, đường kính trong khoảng 0,2-0,4cm, cắm sâu vào trong lỗ khoan từ 1,5-3cm, để thừa ra ngoài 1,5-3cm để cắm vòi bơm. + Phủ lên vết nứt một lớp keo dầy để tránh vữa bơm đùn lên bề mặt. + Chuẩn bị keo, vữa bơm và máy bơm áp lực lớn hơn 20Atm. + Tiến hành cắm vòi bơm vào đầu bơm từ vị trí thấp nhất đến cao nhất, tiến hành bơm cho đến khi vữa không chảy vào vết nứt nữa thì rút đầu bơm chuyển sang lỗ tiếp theo, đầu bơm có van một chiều chống vữa trào ngược. Bơm lần lượt cho đến khi hết các đầu bơm, nếu thời gian thi công vữa chưa ninh kết thì nên tiếp tục bơm bổ sung lần hai vào các đầu bơm + Sau khi vữa đông cứng tiến hành cắt đầu bơm và làm phằng bề mặt. 1.5.3.3. Sửa chữa phần bê tông long lở, bong rộp hoặc rỗ mặt: - Nguyên nhân: Do chiều dày lớp bê tông bảo vệ không đủ dẫn đến hơi ẩm làm gỉ cốt thép và trương nở làm nứt vỡ bề mặt bê tông và đứt cốt thép, hiện tượng này thường thấy ở đáy dầm và những bộ phần dày cốt thép. Do va chạm với các phương tiện đường bộ đường thủy, thường hư hỏng ở các nhịp thông thuyền hay các chân lan can, giải phân cách trên cầu. Do áp lực cục bộ thường xẩy ra ở đầu dầm tại vị trí kê gối, đầu neo cáp dự ứng lực. Do bê tông bị phong hóa dưới tác dụng của môi trường đặc biệt là các môi trường có độ mặn cao. - Phương pháp sửa chữa: Phần bê tông long lở, bong rộp hoặc rỗ mặt được sửa chữa bằng cách phủ lại một lớp vữa bê tông với bề dày tương ứng và cốt liệu phù hợp. Trong trường hợp này, tùy theo tình hình cụ thể, có thể sử dụng bê tông pôlime hoặc các hóa chất xây dựng phù hợp. Trước khi tạo lớp phủ, bề mặt kết cấu phải được làm sạch, toàn bộ phần bê tông bong lở, bong rộp phải được đục bỏ. Những cốt thép gỉ phải được cạo sạch, trong trường hợp cốt thép bị mất mát lớn hơn 20% cần phải bố trí thêm cốt thép. Vữa bê tông phải có độ sệt thích hợp và đặc biệt phải tạo được sự dính kết tốt giữa bê tông mới với bê tông cũ. Sự dính kết giữa hai lớp bê tông cũ và mới có thể được đảm bảo bằng các râu cốt thép hoặc bằng keo dính kết. Để đảm bảo độ sệt thích hợp khi đổ bê tông, có thể sử dụng phụ gia hóa dẻo. Trong trường hợp sử dụng phụ gia và hóa chất xây dựng, phải đặc biệt lưu ý thời gian thi công cho phép. Việc bảo dưỡng bê tông và tháo dỡ dàn giáo, ván khuôn phải tuân thủ tuyệt đối theo quy trình kỹ thuật. Khai thác, kiểm định cầu - 28 - Có thể sử dụng phương pháp phun vữa bê tông áp lực song không phổ biến trong sữa chữa công trình cầu. 1.5.3.4. Cường độ bê tông bị suy giảm: Dễ phát hiện cường độ bê tông bị suy giảm thông qua quan sát bề mặt bê tông, dùng búa gõ, hoặc các thí nghiệm lấy mẫu, súng bật nẩy, siêu âm. Thông thường người ta dùng dung dịch phênôntalêin để xác định chiều sâu hư hỏng thông qua sự trung tính của bê tông. - Nguyên nhân: Suy yếu do sự trung tính của bê tông, trong quá trình đông cứng tạo ra tính kiềm mạnh ở sản phẩm hydrat hóa do đó thép trong bê tông không bị gỉ. Nhưng bê tông sẽ mất dần tính kiềm do bề mặt dần chuyển đổi thành cácbonát canxi do ảnh hưởng của khí cácbonníc trong môi trường, đây là hiện tượng trung tính của bê tông làm giảm khả năng bảo vệ cốt thép của bê tông gây gỉ, trương nở thép làm nứt vỡ bề mặt bê tông. Suy yếu vì thấm nước, vôi hydrát hóa trong bê tông bị hòa tan và chảy ra ngoài làm cho cường độ của bê tông bị suy giảm mạnh. Do tác động xấu từ môi trường, đặc biệt là các môi trường có tính xâm thực mạnh như ven biển, khu công nghiệp, ... hoặc trong bê tông đã có sẵn các khuyết tật như nứt, rỗ, ... - Giải pháp: Đối với các vùng kết cấu có bê tông bị suy giảm cường độ, có hay chưa có ảnh hưởng đến cốt thép phía trong đều cần thiết phải đục bỏ và thay thế bằng lớp vữa bê tông mới có tính chất tương đương với các giải pháp sửa chữa như sữa chữa bê tông nứt vỡ đã nói ở trên. 1.5.3.5. Thấm nước mặt cầu: Trong cầu BTCT có thể có hiện tượng nước thấm qua bê tông chảy xuống đáy dầm, đáy bản gây gỉ cốt thép và làm bê tông suy giảm cường độ. - Nguyên nhân: Lớp chống thấm mặt đường bị hư hỏng. Mặt đường xe chạy có ổ gà, vết nứt, hệ thống thoát nước không tốt gây ứ đọng nước và thấm qua bản mặt cầu. Bản mặt cầu bị nứt. Mật độ bê tông không cao, có khuyết tật bê tông lúc thi công. - Giải pháp: Bóc lớp phủ mặt cầu, các lớp chống thấm để vệ sinh và sửa chữa thay thế. Nếu bản mặt cầu bê tông bị nứt cần bơm vữa xử lý, bổ sung bê tông tạo độ dốc ngang cầu đảm bảo thoát nước Tiến hành sửa chữa lại lớp chống thấm, các lớp phủ và hệ thống thoát nước trên cầu. 1.6. Kiểm tra và sửa chữa mố trụ cầu: 1.6.1. Công tác kiểm tra mố trụ cầu và những hư hỏng chủ yếu. Khai thác, kiểm định cầu - 29 - Kiểm tra mố, trụ cầu nhằm xác định thực trạng của từng cấu kiện nói riêng và tổng thể công trình nói chung. Trong quá trình kiểm tra, tất cả các bộ phận đều phải được xem xét kỹ lưỡng để xác định vị trí, kích thước, các hư hỏng và dấu hiệu xuất hiện của chúng. Các phương tiện và thiết bị được dùng cho công tác kiểm tra mố, trụ cũng giống như đối với kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép. Kết quả điều tra phải được ghi lại đầy đủ trong hồ sơ khai thác cầu kèm theo những chú giải cần thiết. Đối với phần mố, trụ nằm chìm trong nước và đặc biệt là trong đất thì công tác kiểm tra gặp nhiều khó khăn và đòi hỏi phải có thợ lặn. Những năm gần đây, khi điều tra, khảo sát các công trình ngập nước, người ta sử dụng thành công thiết bị truyền hình di động dưới nước. Những hình thức hư hỏng phổ biến nhất của mố, trụ cầu là: - Hiện tượng phong hóa và xâm thực bề mặt; - Hiện tượng nứt nẻ, sứt vỡ và rỗ mặt; - Bản thân trụ bị chuyển vị (lún, trượt, nghiêng). - Móng bị xói lở. - Móng bị lún, đặc biệt là lún không đều làm nghiêng mố trụ. - Bề mặt trụ chịu tác động phong hóa. Qúa trình này diễn ra đặc biệt mạnh ở phần có mực nước thay đổi. Dấu hiệu chủ yếu để nhận biết sự phong hóa là hiện tượng bong tróc và bong lở bề mặt trụ. - Các công trình cầu ở vị trí sông gần các nhà máy, khu công nghiệp thì phần thân trụ chìm dưới nước dễ bị phá hoại bởi sự xâm thực hóa học của nước từ các phế thải đổ vào sông (hình 1.17). - Các vết nứt ở trụ cầu rất đa dạng: nứt mặt, nứt sâu hoặc nứt xiên thấu. Nguyên nhân và sự phát triển của vết nứt có thể xác định thông qua bề ngoài của chúng. Chẳng hạn, các vết nứt theo phương thẳng đứng hoặc xiên góc không lớn (hình 1.18) cho thấy trụ có thể bị lún không đều và khả năng chịu tải của nền không đủ. - Khi gối tựa không đảm bảo biến dạng tự do của kết cấu nhịp cũng sẽ làm phát sinh những lực ngang lớn tác động lên trụ và gây ra các vết nứt (hình 1.18b ). Đối với mố cầu có tường cánh, nếu đắp đất không đạt yêu cầu và thoát nước kém thì có thể xuất hiện áp lực hông lớn gây nứt tách tường cánh (hình 1.18a,c). - Do chiều dày bê tông bảo vệ không đủ gây ẩm cốt thép dẫn đến gỉ trương nở làm nứt vỡ bê tông mố trụ cầu. - Do va chạm với các phương tiện đừng thủy, cây trôi, ... làm nứt vỡ bề mặt bê tông mà nghiêm trọng hơn là gãy đổ trụ cầu. Tất cả các hình thức hư hỏng kể trên xuất hiện chủ yếu trong quá trình khai thác. Tuy nhiên, các vết nứt có thể hình thành ngay cả trong thời gian thi công trụ, nhất là các vết nứt do Hình 1.17 - Sự phá hoại trụ cầu do nước sông bị nhiễm phế thải Khai thác, kiểm định cầu - 30 - co ngót bê tông gây ra ở các trụ nặng. Các vết nứt xuất hiện trong thời gian thi công trụ có thể tiếp tục phát triển trong quá trình khai thác. Chuyển vị của trụ cầu thường xảy ra do nhiều nguyên nhân khác nhau: xói trụ, nền không đủ khả năng chịu tải, áp lực ngang của đất đắp tăng, hiện tượng trượt, Những chuyển vị đáng kể của trụ được nhận biết một cách dễ dàng thông qua những dấu hiệu bề ngoài. Chẳng hạn, khi mố dịch chuyển về phía nhịp thì gối tựa di động cũng chuyển dịch theo và kết quả là đầu mút của kết cấu nhịp có thể đụng vào tường đỉnh hoặc vào kết cấu nhịp kế tiếp theo. Hiện tượng nghiêng hay chuyển vị của trụ giữa theo phương dọc cầu dễ dàng thấy được thông qua sự thay đổi khoảng cách giữa các đầu mút của các nhịp liền kề nhau. Sự chuyển vị của trụ cũng có thể được khẳng định dựa theo vị trí của đường ray trên bình đồ và trắc dọc. Sự dịch chuyển của mố đôi khi còn kéo theo hiện tượng trượt lở khối đất đắp sau mố. Kết quả đo vẽ vị trí mố, trụ bằng các thiết bị chuyên dùng cho ta những số liệu chính xác về chuyển vị của chúng. Độ lún của trụ có thể được xác định bằng máy thủy bình, còn độ nghiêng và trượt được xác định bằng máy kinh vĩ. Các số liệu đo cao bằng thủy bình phải được ghi lại thông qua cọc mốc. Khi dùng máy kinh vĩ để quan trắc độ nghiêng của trụ, người ta thường gắn vào thân trụ các mốc đặc biệt tại vị trí đặt mia. Các kết quả quan trắc kèm theo những ghi chú về điều kiện thực hiện việc quan trắc đó phải được ghi đầy đủ vào hồ sơ khai thác cầu. 1.6.2. Sửa chữa mố, trụ cầu. Các hư hỏng ở mố, trụ cầu cần phải được khắc phục kịp thời để đảm bảo an toàn cho người và các phương tiện giao thông qua cầu. Phương pháp sửa chữa trong từng trường hợp cụ thể được xác định trên cơ sở đánh giá tổng hợp toàn diện tính chất hư hỏng và nguyên nhân gây ra chúng. Nguyên tắc, sửa chữa mố, trụ cũng tương tự như sửa chữa kết cấu nhịp bê tông cốt thép. Điều khác biệt là kích thước khuyết tật ở mố, trụ thường lớn hơn và có những phần việc phải thực hiện ở dưới nước. 1.6.2.1. Sửa chữa nứt, phong hóa, cường độ bê tông bị suy giảm: Đối với những vết nứt có độ mở rộng và chiều sâu lớn thì việc chét vữa ximăng có thể không mang lại hiệu quả mong muốn. Trong những trường hợp này, tùy tình hình thực tế, người ta có thể dùng đai thép hoặc đai bê tông cốt thép để khắc phục khuyết tật. Đai bê tông cốt thép thường được sử dụng để sửa chữa hư hỏng của phần trụ cầu ở trên cạn, còn đai thép có thể được Hình 1.18 - Các vết nứt trong bê tông mố, trụ cầu. Khai thác, kiểm định cầu - 31 - dùng cả ở trên cạn lẫn ở dưới nước (hình 1.19). Các đai thép và bu lông liên kết phải có lớp bảo vệ để tránh hiện tượng ăn mòn kim loại, đặc biệt khi công trình ở vùng nước mặn hoặc sông có phế thải công nghiệp đổ vào. Trước khi tiến hành sửa chữa, phần mặt trụ phải được làm sạch bằng bàn chải sắt hoặc vòi xói Phương pháp “áo” bê tông hoặc “áo” bê tông cốt thép cũng được áp dụng rộng rãi để khắc phục các hư hỏng của mố trụ cầu. Việc thi công lớp “áo” này ở phần trụ ngập nước có thể được thực hiện bằng phương pháp đổ bê tông dưới nước hoặc hút hết nước rồi mới đổ bê tông (hình 1.19). Trước khi thi công lớp “áo”, bề mặt phần trụ hư hỏng phải được làm sạch rêu, bẩn và lớp bê tông bong, rộp. Ngoài ra, “áo” bê tông phải được liên kết chặt với trụ bằng các râu thép hoặc keo dính kết. Để hút cạn nước, người ta thường sử dụng vòng vây cọc ván (hình 1.20a) để đổ bê tông sửa chữa thân mố trụ cầu. 1.6.2.2. Sửa chữa cột thép, cọc thép bị gỉ: - Nguyên nhân: Lớp sơn bảo vệ bị hư hỏng hoặc quá thời gian sử dụng chưa được làm lại. Hình 1.19 - Khắc phục vết nứt bằng các loại đai a) Đai bê tông cốt thép; b) Đai thép Hình 1.21 - Sửa chữa phần trụ ngập nước bằng phương pháp "áo" bê tông cốt thép. a) Có hút nước b) Không hút nước 1. Trụ; 2. Cọc ván; 3. Bê tông bịt đáy; 4. "Áo" bê tông cốt thép' 5. Đá hộc; 6. Vỏ bê tông cốt thép; 7. Bê tông Khai thác, kiểm định cầu - 32 - Chịu tác động mạnh mẽ từ môi trường, đặc biệt trong vùng nước dao động mực nước. - Giải pháp: Phần cột hoặc cọc cao hơn mặt nước người ta có thể tiến hành sơn lại để bảo vệ Phần cọc ngập trong nước thì có thể sửa chữa bằng việc bọc bê tông: + Làm vòng vây ngăn nước, tiến hành hút cạn nước. + Sửa chữa hư hỏng cọc thép nếu có, đào sâu xuống nền đất 0,5m dưới chân cọc. + Lắp đặt cốt thép, hàn cốt đai tạo khung. + Dựng ván khuôn, đổ bê tông, bảo dưỡng hoàn thiện kết cấu bảo vệ. 1.6.2.3. Xói lở, sụt lún: - Nguyên nhân: Dòng chảy bị thu hẹp, lưu lượng dòng chảy tăng đột biến. Chế độ dòng chảy thay đổi, chuyển dòng. Chất lượng thi công không tốt, đặc biệt là tứ nón chân khay đặt trên đường xói, không đầm chặt, lát đá sơ sài, ... - Phương pháp sửa chữa: Sửa chữa phần tứ nón chân khay trước mố: Phá bỏ phần đá đã bị sụt lún, dọn sạch mặt bằng, đổ đá đầm chặt đến cao độ thiết kế, tiến hành xây đá chân khay đảm bảo cường độ, đầm lèn mái dốc tứ nón, phủ đá có gia cố lưới thép hoặc bê tông liên kết. Trường hợp móng chân khay nằm trong nước bị sụt lở thì tiến hành ngăn nước, đóng cừ tràm gia cố chân khay, đổ bê tông lót trước khi tiến hành xây đá chân móng. Xói lở chân trụ thì tiến hành vệ sinh rác thải, xếp đá hoặc rọ đá dưới đáy móng, nên bơm vứa ximăng liên kết các khối đá, tùy điều kiện địa chất và dòng chảy có thể đóng thêm cọc cừ, phủ lưới B40 chống trôi đá. Hoặc nữa xây dựng bổ sung các trụ điều chỉnh dòng chảy để bảo vệ trụ cầu. * Tài liệu tham khảo: [1]. Giáo trình khai thác, kiểm định, gia cố, sửa chữa cầu cống – GS.TS. Nguyễn Viết Trung – Trường Đại học Giao thông vận tải Hà Nội, 2008. [2]. Chẩn đoán công trình cầu, PGS.TS. Nguyễn Viết Trung-Nhà xuất bản xây dựng, 2003. [3]. Kiểm định cầu - tác giả Chu Viết Bình, Nguyễn Ngọc Long, Nguyễn Mạnh, Nguyễn Văn Nhậm, Nhà xuất bản Xây dựng 2009. * Thảo luận: Trực tiếp trong các tiết giảng trên lớp theo các nội dung liên quan đến từng bài học. * Câu hỏi ôn tập: Câu 1: Mô hình quản lý khai thác cầu ở nước ta hiện nay, các vấn đề còn tồn tại và giải pháp khắc phục? Khai thác, kiểm định cầu - 33 - Câu 2: Phân biệt rõ bảo dưỡng thường xuyên với các sửa chữa nhỏ, vừa và lớn? Câu 3: Các dạng hư hỏng thường gặp ở cầu thép, xác định nguyên nhân và giải pháp sửa chữa? Câu 4: Các dạng hư hỏng thường gặp ở cầu bê tông cốt thép, xác định nguyên nhân và giải pháp sửa chữa? Câu 5: Các dạng hư hỏng thường gặp ở mố trụ cầu, xác định nguyên nhân và giải pháp sửa chữa? Khai thác, kiểm định cầu_ĐH Khánh - 34 - CHƯƠNG II KIỂM ĐỊNH CẦU VÀ GIA CỐ CẦU * Mục tiêu: - Cung cấp kiến thức và hiểu biết về công tác kiểm định cầu, mục tiêu và các nội dung cần thực hiện trong công tác kiểm định cầu. - Cung cấp kiến thức và kinh nghiệm trong việc gia cố và tăng cường các bộ phận công trình cầu. - Nắm bắt được kiến thức cơ bản, hiểu biết nhiệm vụ và yêu cầu công tác kiểm định, gia cố cầu để có thể phát huy sáng tạo trong thực hiện các dự án thực tế. * Nội dung: 2.1. Khái niệm chung: Các công trình xây dựng nói chung và công trình cầu nói riêng, sau một thời gian sử dụng thường có những thay đổi nhất định, có thể làm ảnh hưởng tới khả năng chịu lực của công trình. Những thay đổi này có thể do nguyên nhân như môi trường, thời gian, tác động của hoạt tải và tĩnh tải, và có thể do các nguyên nhân khác nữa. Những thay đổi bao gồm thay đổi về mặt hình dạng bên ngoài và thay đổi về bản chất cũng như tính chất cơ lý của vật liệu, sự liên kết, dính kết của các bộ phận kết cấu. Khảo sát thực trạng của công trình và đánh giá lại khả năng chịu lực của nó là mục đích của công tác kiểm định. Công tác kiểm định là cần thiết khi phải xem xét sự an toàn của công trình khi cho những hoạt tải vượt cấp tải trọng thiết kế đi qua, hoặc khi tiến hành thiết kế gia cố và cải tạo công trình. Nội dung của công tác kiểm định bao gồm: - Đo đạc lại thật chi tiết các kích thước hình học của các phân tố kết cấu và các bộ phận công trình; - Khảo sát kỹ lưỡng tình trạng của các bộ phận công trình. Đặc biệt lưu ý và xác định mức độ của các hư hỏng, khuyết tật có ảnh hưởng tới khả năng chịu lực. Khi cần thiết có thể phải lấy mẫu vật liệu để thí nghiệm các đặc trưng cơ lý cũng như phân tích thành phần hóa học; - Tính toán xác định lại khả năng chịu lực của bộ phận công trình, phân tố kết cấu và tổng thể công trình. Khả năng chịu lực này phải tương ứng với hiện trạng thực tế, nghĩa là phải xét tới đầy đủ ảnh hưởng và tác động của môi trường, thời gian và các nhân tố khác trong quá trình đã sử dụng công trình; - Thử tải trọng công trình để có những số liệu cụ thể về một số thông số kỹ thuật nói lên sự làm việc thực tế và khả năng chịu lực của công trình. Công việc kiểm định các công trình cầu là một loại công việc phức tạp, đòi hỏi một trình độ chuyên môn cao kết hợp với kỹ năng và kinh nghiệm thực tiễn sâu sắc về các mặt lý thuyết, thiết kế, thi công và khai thác đối với công trình cầu, đồng thời cũng đòi hỏi các thiết bị và phương tiện đo lường đặc chủng. Vì thế công tác này thường do đơn vị hoặc bộ phận chuyên môn thực hiện. Tham gia vào công tác kiểm định phải là những chuyên gia giỏi, có kiến thức vững chắc cả về chuyên môn xây dựng cầu lẫn về thí nghiệm công trình. Khai thác, kiểm định cầu - 35 - Vì các khâu công tác được tiến hành chủ yếu ngay tại hiện trường, tức là trên các cầu đang khai thác, cho nên công việc kiểm định phải được thực hiện theo một kế hoạch và đề cương rất chi tiết và sát sao, để hạn chế đến mức tối đa việc phong tỏa giao thông trên cầu. Bên cạnh đó vấn đề đảm bảo an toàn cho con người, cho máy móc thiết bị và cho cả công trình phải đặc biệt đề cao. Qua kiểm định, các tài liệu và số liệu thu thập được sẽ phải đưa vào hồ sơ kỹ thuật của công trình. Cụ thể là các bản vẽ có kích thước thực tế, các vị trí và mức độ hư hỏng và khuyết tật, thuyết minh và các báo cáo về thí nghiệm mẫu và thử tải trọng bao gồm những kết quả và số liệu đo đạc về ứng suất, biến dạng, độ võng, tần số dao động, đặc trưng cơ lý và thành phần hóa học của vật liệu kết cấu, ; những nhận xét đánh giá và kết luận về tình trạng và khả năng chịu lực của các phân tố kết cấu, bộ phận công trình nói riêng và tổng thể cả công trình nói chung. Kết quả kiểm định cầu sẽ cho ta những đánh giá gần chính xác nhất về tình trạng của công trình cầu, tình trạng khai thác thực tế và nhu cầu sử dụng trong tương lai để từ đó đề xuất các giải pháp gia cố, tăng cường hay mở rộng công trình nhằm đáp ứng các mục tiêu đề ra. 2.2. Kiểm định cầu: 2.2.1. Công tác khảo sát và thu thập tài liệu về hiện trạng công trình: Khảo sát và thu thập tài liệu về hiện trạng công trình là một khâu quan trọng cho phép xác định khả năng chịu tải của phân tố kết cấu, bộ phận công trình cũng như tổng thể công trình. Ở đây, các hồ sơ kỹ thuật được lưu trữ của công trình có một ý nghĩa rất quan trọng, có tính chất quyết định đối với khối lượng cũng như tính chất của một số công việc phải tiến hành tại thực địa, đồng thời nó cho phép có thể dựa vào để đối chiếu với những tài liệu thu thập được trong quá trình kiểm định mà đưa ra được những nhận xét, đánh giá chính xác về công trình. Nếu trong hồ sơ kỹ thuật lưu trữ có đầy đủ cả bản vẽ về kết cấu và các bộ phận của công trình thì sẽ giảm nhẹ được công việc đo đạc, xác định lại kích thước các phân tố và chi tiết kết cấu. Nếu cần thì chỉ đo đạc và xác định kích thước một số ít phân tố và chi tiết có tính chất kiểm tra mà thôi. Đối với kết cấu nhịp cầu thép cần phải có được những số liệu sau: - Lên được sơ đồ của kết cấu nhịp, bao gồm các kích thước hình học tổng thể của các dàn chủ, đường tim các thanh của dàn chủ trên chính diện và trên bình đồ, độ cong vênh cục bộ, đường tim của các thanh hệ liên kết giằng gió, hệ dầm mặt cầu; - Lên được bản vẽ cấu tạo các bộ phận và chi tiết kết cấu, các thanh, mối nối, liên kết nút và tình hình tiêu hao do gỉ, vị trí chỗ gỉ, những chi tiết kết cấu bị hư hỏng, khuyết tật, các mối liên kết đinh tán, bu lông và hàn. Khi quan trắc cao độ kết cấu nhịp thì lấy các điểm đo tại các nút dàn, đồng thời chú ý đặt mia trên những vị trí tương ứng của mỗi nút, chẳng hạn như cùng đặt mia trên các bản nằm ngang, trên cánh thép góc của thanh biên dưới dàn chủ, trên bản biên của dầm ngang nối vào nút dàn chủ. Trên hình 2.1 là ví dụ đo cao độ của các nút thuộc biên dưới kết cấu nhịp cầu dàn thép. Khai thác, kiểm định cầu - 36 - Hình 2.1: Số liệu đo cao độ các nút biên dưới kết cấu nhịp dàn thép a) Dàn hạ lưu ; b) Dàn thượng lưu ; c) độ nghiêng của thanh biên ; d) Đỉnh ray phía hạ lưu ; e) Đỉnh ray phía thượng lưu. Nếu đường biên dưới của kết cấu nhịp vẽ nên một độ vồng điều hòa là thể hiện chất lượng tất cả về mặt chế tạo lẫn thi công lắp ráp, kết cấu làm việc khả quan. Tuy nhiên, nếu hình dạng đường biên đó không được như vậy thì có thể cũng không hẳn là hậu quả của những biến dạng nguy hiểm, mà có thể do sai sót trong chế tạo hoặc lắp ráp. Muốn đánh giá đúng phải dựa trên sự so sánh kết quả quan trắc lần này và lần trước, để có thể kết luận sự diễn biến qua một quá trình khai thác công trình. Việc lên sơ đồ kết cấu nhịp trên bình đồ có thể thực hiện bằng các máy trắc đạc hoặc đơn giản hơn là dùng dây căng theo đường tim cầu, rồi từ đó đo khoảng cách tới các điểm nút dàn chủ. Thường thường nêu lên bình đồ cả ở mức thanh biên dưới lẫn thanh biên trên các dàn chủ để xác định xem kết cấu có bị vặn đi hay không. Trên hình 2.2 là số liệu quan trắc trên bình đồ của một kết cấu nhịp dàn thép. Hình 2.2: Số liệu quan trắc trên bình đồ mặt cầu dàn a) Dàn hạ lưu; b) Dàn thượng lưu; c) Độ lệch tim đường so với tim cầu; d) độ lệch của kết cấu nhịp. Khai thác, kiểm định cầu - 37 - Đối với kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép thì công việc thu thập các số liệu kích thước hình học có phần đỡ phức tạp hơn so với kết cấu nhịp cầu dàn thép. Công tác khảo sát phải đảm bảo: - Lên được sơ đồ và kích thước chung của toàn kết cấu nhịp, bao gồm các dầm dọc, bản mặt cầu. Cũng giống như đối với cầu thép, nếu có sẵn những hồ sơ kỹ thuật của cầu thì công việc lên kích thước và sơ đồ kết cấu nhịp đơn giản đi rất nhiều, đặc biệt là việc xác định những số liệu về cốt thép. - Thể hiện tình hình nứt của kết cấu nhịp cả về vị trí và mức độ, sự phong hóa và xâm thực đối với bề mặt kết cấu và tình trạng han gỉ của cốt thép. Công việc khảo sát tình trạng cốt thép là cực kỳ khó khăn phức tạp. Nếu không có những máy móc thiết bị hiện đại như máy chụp rơn-ghen, máy chụp phóng xạ thì có thể phải đục bê tông để xem xét một đôi chỗ. Những vết nứt do nguyên nhân lực thì phải quan tâm đặc biệt. Ngoài việc thể hiện trên bản vẽ của hồ sơ kiểm định, nên có sự đánh dấu vị trí cuối vết nứt và ghi rõ ngày tháng tiến hành khảo sát để tiện theo dõi sự phát triển. Những vết nứt có độ rộng vượt quá 0,2mm sẽ đe dọa sự an toàn của cốt thép, vì nước và hơi ẩm có khả năng thâm nhập tới gây gỉ. Bên cạnh sự khảo sát thu nhập số liệu kích thước và tình trạng bề ngoài của kết cấu, có thể phải xác định cường độ bê tông. Trong trường hợp này người ta thường sử dụng súng bắn bê tông. Cũng có thể sử dụng phương pháp khoan bê tông để lấy mẫu về thí nghiệm cường độ. Song, như vậy tương đối phức tạp và tốn kém, đồng thời sau đó phải trám lại lỗ khoan trên kết cấu. Người ta còn dùng thiết bị siêu âm để xác định cường độ của bê tông, dựa trên tốc độ truyền sóng có quan hệ với tính chất đàn hồi, độ chặt và kích thước hình học. Khảo sát mố trụ cầu phải đảm bảo có thể: - Lên được các kích thước tổng quát của các bộ phận kết cấu mố và trụ cầu. Trường hợp không có hồ sơ kỹ thuật lưu trữ thì công tác này rất khó khăn phức tạp, vì những bộ phận móng mố trụ nằm sâu trong đất hoặc ngập trong nước sâu sẽ khó có thể đo đạc khảo sát. Tuy nhiên khi rất cần thiết cũng phải đào bới, dùng thợ lặn để có thể thu thập được những tài liệu cần cho việc đánh giá một cách chính xác về công trình. Cũng có thể lựa chọn khảo sát điển hình để từ đó cho phép xét đoán ra toàn bộ. - Mô tả thực trạng của mố trụ như tình hình nứt nẻ, sứt vỡ, hiện tượng phong hóa và xâm thực bề mặt, sự xói lở chân bệ móng Cầu ở vị trí sông gần các nhà máy, khu công nghiệp thì nước sông thường chứa nước thải cho nên mố trụ cầu có thể bị xâm thực hóa mạnh. - Xác định cường độ vật liệu thân mố trụ có thể tiến hành như đối với kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép. Dùng súng bắn bê tông là đơn giản hơn cả. Khi khảo sát mố trụ cầu cần phải chú ý xem xét mố trụ cầu có bị lún hoặc nghiêng lệch hay không. Điều này có thể nhận biết bằng cách đối chiếu cao độ các điểm ở đỉnh hoặc bệ móng của mố trụ với những cột mố đã được thiết lập khi xây dựng cầu. Quan sát kỹ càng vị trí tương đối giữa đầu kết cấu nhịp và tường chắn đỉnh mố hoặc giữa các đầu hai kết cấu nhịp kề nhau, chỗ tiếp giáp giữa mố và nền đất đường đầu cầu có thể phán đoán sự chuyển dịch của mố trụ. Trên cơ sở những kết quả thu được từ công tác khảo sát sẽ lập thành hồ sơ kỹ thuật bổ sung vào tài liệu lưu trữ của công trình. Hồ sơ này bao gồm các bản vẽ về thực trạng hình học và cấu tạo của kết cấu, có kèm theo sự mô tả chi tiết những khuyết tật của các bộ phận và phân Khai thác, kiểm định cầu - 38 - tố và những nhận xét đánh giá. Nên có những đánh giá về mức độ hoặc định lượng của những hư hỏng và khuyết tật, giúp cho việc xác định khả năng chịu tải của các bộ phận hoặc phân tố nói riêng cũng như của tổng thể cả kết cấu nói chung. Ví dụ như sự tiêu hao tiết diện các thanh do hiện tượng gỉ có thể lượng hóa ra số phần trăm của diện tích tiết diện. Trong hồ sơ cũng xác định rõ các chỉ tiêu cơ lý và các chỉ tiêu khác nếu cần thiết của các mẫu thí nghiệm vật liệu và kiến nghị về việc sử dụng các giá trị cho phép. 2.2.2. Xác định khả năng chịu tải của công trình theo lý thuyết: Xác định khả năng chịu tải của công trình phải dựa trên tình hình thực tế về các mặt hình học, cơ lý và trạng thái công trình qua thời gian khai thác. Để làm được điều này sẽ phải tính toán lại công trình, cụ thể là phải xác định nội lực lớn nhất cho phép đối với các phân tố riêng rẽ của kết cấu và so sánh với nội lực do tải trọng thực tế gây ra. Tải trọng thực tế này gồm có tĩnh tải thực tế và hoạt tải đang khai thác hoặc dự kiến cho qua cầu. Khi tính toán lại công trình cầu phải căn cứ vào thực trạng của các bộ phận và phân tố kết cấu, nghĩa là phải dùng sơ đồ và kích thước hình học thật, các đặc trưng cơ lý của vật liệu có kể đến sự biến đổi qua thời gian khai thác, các hư hỏng và khuyết tật của kết cấu Các hồ sơ và tư liệu thu thập được trong khâu khảo sát, kiểm tra tại thực địa sẽ cho phép xác định được chính xác khả năng chịu tải thực tế của công trình. Trong một số trường hợp nếu tính toán lý thuyết không chắc chắn phản ánh đầy đủ các điều kiện làm việc của công trình thì cần có sự kết hợp với thử tải trọng để xác định khả năng chịu tải. Việc tính toán lại khả năng chịu tải của công trình có thể thực hiện theo hai phương pháp. Theo phương pháp thứ nhất sẽ xác định các ứng suất trong kết cấu do hoạt tải thực tế (hoặc hoạt tải tính toán) và so sánh chúng với ứng suất hoặc cường độ cho phép của vật liệu, trên cơ sở đó kết luận về sự an toàn hay không khi hoạt tải qua cầu. Phương pháp này có đặc điểm là mỗi khi thay đổi hoạt tải qua cầu sẽ phải tính toán lại một lần. Phương pháp thứ hai gọi tên là định cấp tải trọng, với nội dung là so sánh hoạt tải thực tế (hoặc hoạt tải tính toán) với hoạt tải mà kết cấu nhịp có thể chịu được. Để thực hiện việc so sánh này người ta sử dụng đoàn hoạt tải tiêu chuẩn gọi tên là hoạt tải đơn vị ký hiệu T-1. Hoạt tải mà kết cấu nhịp có thể chịu được biểu thị bằng số lần của hoạt tải đơn vị, gọi tên là cấp của kết cấu nhịp. Hoạt tải thực tế (hoặc hoạt tải tính toán) cũng được biểu thị ra bằng một số lần của hoạt tải đơn vị, gọi tên là cấp của hoạt tải. So sánh cấp của kết cấu nhịp và cấp của hoạt tải sẽ có thể kết luận về khả năng chịu tải an toàn hay không. Phương pháp này hiện nay ở nước ta chỉ áp dụng riêng cho cầu thép trên đường sắt, theo quy trình kỹ thuật kiểm định cầu đường sắt người ta tính đẳng cấp của các bộ phận cầu (thanh, dầm, nút, dàn, ...) và đẳng cấp của tải trọng khai thác để so sánh với tải trọng đoàn tàu đơn vị ký hiệu T-1 với quy ước T-1 bẳng 1/10 đoàn tàu tiêu chuẩn T10 (có tải trọng trục đầu máy là 10T và tải trọng phân bố các toa xe là 3,6T/m). Tính toán lại khả năng chịu tải của công trình có thể tiến hành theo phương pháp trạng thái giới hạn hoặc theo phương pháp ứng suất cho phép. Ở một số quốc gia có tồn tại sự không nhất quán trong các quy phạm, cụ thể là quy phạm thiết kế thì dựa trên phương pháp trạng thái giới hạn còn quy phạm kiểm định lại dựa trên phương pháp ứng suất cho phép. Sự không nhất quán này được giải thích bởi lý do là các cầu cũ cần kiểm định được thiết kế và xây dựng theo quy phạm ứng suất cho phép, vì thế kiểm định theo phương pháp ứng suất cho phép sẽ phù hợp hơn. Tình hình này cũng là một điều thực tế ở nước ta. Khai thác, kiểm định cầu - 39 - Việc tính toán lại khả năng chịu tải của công trình theo phương pháp thứ nhất không có gì đặc biệt, hoàn toàn giống như khi tính duyệt của giai đoạn thiết kế công trình. Dưới đây sẽ chỉ giới thiệu cách tính toán lại khả năng chịu tải của công trình theo phương pháp thứ hai, tức là phương pháp định cấp tải trọng. 2.2.2.1. Đẳng cấp của các bộ phận cầu: Đẳng cấp của một bộ phận cầu theo điều kiện nào đó (cường độ, ổn định, mỏi) là tỷ số giữa nội lực cho phép của hoạt tải tính theo cùng điều kiện với tải trọng đơn vị T-1 sinh ra trên bộ phận đó. K = [N] N Trong đó: K – đẳng cấp của bộ phận cầu; [Nh] – nội lực cho phép do hoạt tải của bộ phận tính đẳng cấp; N1 – nội lực do tải trọng đơn vị của bộ phận tính đẳng cấp. Khi tính N1 có xét đến xung kích (1+) nhưng không tính hệ số vượt tải. Xét một bộ phận nào đó, giả sử có đường ảnh hưởng nội lực với diện tích là , q là tải trọng rải đều tương đương của hoạt tải, ta có: [Nh] = q. Nếu gọi q1 là tải trọng rải đều tương đương của hoạt tải đơn vị T-1 cũng trên đường ảnh hưởng bộ phận kết cấu trên ta có: N1 = q1.(1+). Thay vào công thức trên ta có: K = [N] N = q q. (1 + μ) Với (1+) là hệ số xung kích của tải trọng T-1 tính theo công thức: 1 + μ = 1 + 18 30 + λ Trong đó  là chiều dài đặt tải (m). Theo QT79 hệ số xung kích không được lấy nhỏ hơn 1,2 khi tính theo TTGHCĐ và 1,1 khi tính theo TTGH về mỏi. Ví dụ: Tính đẳng cấp dầm chủ theo điều kiện cường độ. - Tính mômen hoạt tải cho phép: σ = M W ≤ [σ] Với: Wth - mômen chống uốn thu hẹp của mặt cắt. Từ đó ta có: [M] = [Wth Mặt khác: [M] = Mt + [Mh] Với: Mt - là mômen uốn do tĩnh tải. Nếu gọi p là tĩnh tải trên 1m dài cầu gồm n dầm chủ có Khai thác, kiểm định cầu - 40 - diện tích đường ảnh hưởng là  khi đó ta có: M = p n . ω [Mh] - là mômen uốn cho phép do hoạt tải. Thay [M] và Mt vào công thức trên ta có: [M] = [M] − M = [σ]. W − p n . ω - Tính mômen hoạt tải đơn vị: Nếu gọi M1 là mômen uốn do tải trọng T-1 sinh ra,  là hệ số phân bố ngang ta có: M = η. q. (1 + μ). ω - Tính đẳng cấp của dầm chủ là: K = [M] M = [σ]. W − p n . ω η. q. (1 + μ). ω = [σ]. W. n − p. ω η. q. (1 + μ). ω. n 2.2.2.2. Đẳng cấp của hoạt tải: Đẳng cấp của hoạt tải nào đó là tỷ số giữa nội lực do tải trọng đó với nội lực do tải trọng đơn vị T-1 sinh ra trên cùng một bộ phận kết cấu: K = N N Trong đó: Kht - đẳng cấp của hoạt tải. Nht - nội lực do hoạt tải sinh ra. N = η. n. qđ. (1 + μ). ω N1 - nội lực do tải trọng đơn vị T-1 sinh ra. N = η. n. q. (1 + μ). ω Do h và nh như nhau, riêng (1+) khác nhau theo quy định của QT79 phân loại theo đầu máy xe lửa, cụ thể: + Đầu máy hơi nước: 1 + μ = 1 + 27 30 + λ + Đầu máy Diezen: 1 + μ = 1 + 21 30 + λ Ta có đẳng cấp của hoạt tải: K = N N = qđ. (1 + μ) q. (1 + μ) Với mỗi bộ phận kết cấu có một đường ảnh hưởng để tính nội lực bất lợi nhất do vậy mỗi bộ phận kết cấu có một đẳng cấp của hoạt tải. Khai thác, kiểm định cầu - 41 - 2.2.2.3. Ý nghĩa của việc tính đẳng cấp của bộ phận kết cấu và đẳng cấp của hoạt tải: Nếu ta so sánh đẳng cấp của bộ phận kết cấu với đẳng cấp của hoạt tải, giả sử ta có: [N] N > N N Hay: [Nh] > Nh Nghĩa là nội lực cho phép do hoạt tải sinh ra của bộ phận kết cấu lớn hơn nội lực do hoạt tải sinh ra nên bộ phận kết cấu làm việc bình thường. Từ đó, so sánh đẳng cấp bộ phận kết cấu với đẳng cấp hoạt tải ta có thể kết luận: K  Kht : bộ phận kết cấu làm việc được K < Kht: bộ phận kết cấu không chịu được hoạt tải. Như vậy, mục đích tính đẳng cấp bộ phận kết cấu và đẳng cấp hoạt tải là để xác định bộ phận nào của kết cấu có thể làm việc được, nếu không đáp ứng yêu cầu thì tiến hành sửa chữa, nâng cấp để đảm bảo khai thác công trình an toàn, hiệu quả. 2.2.3. Xác định khả năng chịu tải của công trình theo thực nghiệm: 2.2.3.1. Thử tải trọng tĩnh đối với công trình, phương pháp thử tải tĩnh: Trong thử tải tĩnh nhất thiết phải xác định độ võng của các dàn làm chủ, sự phân phối nội lực giữa chúng và trị số ứng suất trong một số các phân tố, các thanh chủ yếu hoặc trong số tiết diện đặc trưng. Ngoài ra việc thử tải có thể nhằm giải quyết nhiều vấn đề như nghiên cứu sự làm việc của hệ dầm mặt cầu, xác định ứng suất cục bộ ở các bộ phận hoặc các nút của kết cấu, đo độ chuyển dịch của gối cầu và con lăn Nếu cầu nhiều nhịp kết cấu giống nhau thì thông thường chỉ cần thử tải chi tiết đối với mỗi nhịp đáng lo ngại nhất, còn đối với những nhịp khác chỉ cần đo độ võng là đủ, bởi vì độ võng là thông số kỹ thuật đặc trưng tổng quát cho khả năng chịu tải của kết cấu nhịp. Trong thời gian thử tải, giao thông trên cầu phải tạm ngừng. Nếu sông là sông thông thuyền thì tầu thuyền cũng không được qua lại dưới nhịp đang tiến hành thử tải. Vì thế công việc thử tải cần được thực hiện tương đối nhanh chóng, chỉ nên trong thời gian vài giờ đồng hồ. Tải trọng thử cầu thường là những xe ô tô tải nặng, đoàn tầu chở cát, đá đã được xác định trọng lượng để sau này có thể đối chiếu kết quả quan chắc với số liệu tính toán. Cường độ tải trọng thử tĩnh không được gây nguy hiểm cho công trình, làm sao để nội lực trong kết cấu hoặc các phân tố, thanh cần nghiên cứu nằm trong khoảng 80% đến 100% nội lực tính toán thiết kế. Cần lưu ý rằng nếu cường độ tải trọng nhỏ có thể cho các số liệu quan chắc không phản ánh đầy đủ sự làm việc của kết cấu. Nhưng mặt khác không được để trong phân tố hoặc thanh nào có nội lực do trọng lượng bản thân kết cấu và do tải trọng thử vượt quá 10% nội lực tính toán thiết kế. Trong trường hợp để giảm bớt số lượng xe tải trọng thử cầu, có thể bố trí cự ly giữa các xe gần nhau hơn để đạt được giá trị nội lực lớn cần thiết trong kết cấu. Trên mặt cầu phải đánh dấu vị trí của các bánh xe của tải trọng thử cầu ứng với từng thế tải cho việc quan trắc thông số kỹ thuật của các thanh, các phân tố kết cấu. Các vị trí đặt thiết bị và dụng cụ đo được xác định xuất phát từ những xét luận sau: 1. Cần đo độ võng của kết cấu nhịp không phải chỉ tại tiết diện cần nghiên cứu, mà cả ở vị trí gối để có thể loại trừ những biến của mố trụ; 2. Khi kết cấu nhịp có nhiều dầm hoặc dàn chủ thì đối với nhịp cần nghiên cứu chi tiết sẽ đo độ võng của từng dầm hoặc dàn chủ, đối với những nhịp khác sẽ chỉ đo đối với dầm hoặc dàn chủ phía thượng lưu và hạ lưu; Khai thác, kiểm định cầu - 42 - 3. Đối với tất cả các thanh hay phân tố kết cấu cầu cần nghiên cứu sẽ đo ứng suất tại các thớ mép tiết diện. Để loại trừ các kết quả ngẫu nhiên, nên bố trí tại mỗi thớ hai dụng cụ đo. Khi thử kết cấu nhịp có bản bê tông cốt thép liên hợp với dầm thép, cần đo ứng suất cả trong thép và trong bê tông. Trong trường hợp không có đủ dụng cụ đo thì sẽ chỉ đặt dụng cụ để đo trong dầm hoặc dàn chịu tải nhiều nhất; 4. Nên bố trí dụng cụ đo ở xa vị trí các đinh liên kết và các nơi tiết diện thay đổi, cũng không nên đặt dụng cụ đo tại nút hoặc gần nút dàn, vì trong những trường hợp đó kết quả đo sẽ không phản ánh đúng ứng suất trong thanh hoặc phân tố kết cấu; 5. Các vị trí đặt dụng cụ phải dễ dàng cho công việc lắp đặt, quan trắc. Trên hình 2.5 giới thiệu một ví dụ về sơ đồ thử tải trọng tĩnh đối với một cầu ô tô. Có tất cả 5 thế đặt tải trọng mà trên sơ đồ biểu diễn là tải trọng phân bố đều, tuy thực tế là đoàn xe ô tô sắp xếp tương ứng với các đường ảnh hưởng nội lực trong các thanh cần nghiên cứu. Thế tải trọng thứ nhất để có được mô men uốn trong dầm ngang mặt cầu nằm ở giữa vị của khoang 17 – 19. Thế tải trọng thứ hai để có độ võng của nhịp bờ trái và nội lực trong khoang 17 – 19 và 20 – 22. Thế tải trọng thứ ba gây ra nội lực xấp xỉ nội lực tính toán trong các khoang 2 - 4 và 3 – 5. Thế tải trọng thứ tư cho lực đẩy ngang của vòm và độ võng ở nhịp giữa. Thế tải thứ năm cho độ võng của nhịp bờ phải. Độ võng được đo đối với cả hai dàn thượng và hạ lưu, các số liệu của võng kế đặt trong dấu ngoặc là để đo dàn phía thượng lưu. Đối với ứng suất, ở đây chỉ đo dàn chịu lực nặng hơn. Trên các trụ mố có bố trí gối di động đều đặt thiết bị đo chuyển vị (Hình 2.5) Trình tự thử tải được tiến hành như sau: sau khi lắp đặt các thiết bị thì phong tỏa giao thông trên cầu và ghi chỉ số ban đầu của tất cả các dụng cụ đo. Sau đó cho tải trọng thử cầu vào và giữ đứng trên mặt cầu vì biến dạng của kết cấu nhịp sẽ diễn ra tăng khi đặt tải và giảm khi cất tải trong một khoảng thời gian. Cho nên sau khi đặt tải độ 20 phút mới đọc chỉ số trên các dụng cụ đo. Sau đó cất tải đi và cũng chờ khoảng 20 phút mới đọc chỉ số trên các dụng cụ đo. Các bước này nên lặp đi lặp lại 2, 3 lần cho mỗi thế tải trọng để tránh được những số đo ngẫu nhiên và giảm sai số. Hình 2.5 - Sơ đồ thử tải tĩnh một cầu ô tô T - Tenxômét V- Võng kế I- Inđicatơ K- Dụng cụ đo biến dạng góc Khai thác, kiểm định cầu - 43 - Để thuận tiện cho việc xử lý số liệu đo, nên cho mỗi dụng cụ đo một ký hiệu có kèm theo số thứ tự tùy theo chủng loại dụng cụ đo. Chẳng hạn tenxômét được ký hiệu là T, võng kế là V, thiên phân kế là C, v.v Như vậy, sẽ có các dụng cụ đo mang tên T1, T2, T3V8, V9, C12 Các số thứ tự tốt nhất cũng không nên trùng nhau. Ngoài ra còn có thể có những cách ký hiệu bổ sung thêm cho công việc xử lý kết quả đo được thuận tiện. Ví dụ lấy số thứ tự chẵn là chỉ dàn phía thượng lưu, số lẻ là dàn phía hạ lưu. Tất cả các số liệu quan trắc phải được ghi chép vào sổ nhật ký theo biểu mẫu nhất định. Trong khi thử tải trọng, người cán bộ chỉ đạo phải theo dõi chặt chẽ các số liệu quan trắc ở nơi có khả năng có được độ võng cực đại. Nếu trường hợp số liệu đo tăng lên đột ngột thì phải kịp thời dừng ngay việc chất tải. Vào cuối quá trình thử tải trọng người cán bộ chỉ đạo cần kiểm tra các sổ ghi chép. Nếu thấy không có những số liệu đáng ngờ thì có thể cho kết thúc công việc thử tải. Thử tải nên tiến hành vào thời tiết tốt và nhiệt độ ngoài trời không thay đổi nhiều. Vào ngày trời nắng nóng thì nên thực hiện thử tải vào sáng sớm hoặc chiều muộn để tránh sự thay đổi nhiệt độ của không khí và bức xạ mặt trời ảnh hưởng tới sự làm việc của kết cấu và khó khăn cho việc xử lý số liệu đo. Mặt khác nhiệt độ thay đổi cũng ảnh hưởng không tốt tới sự làm việc của các dụng cụ đo như tenxômét hoặc vòng kế sử dụng dây treo dài. a. Các dụng cụ đo độ võng, chuyển vị: - Dụng cụ đo độ võng: Độ võng của kết cấu nhịp có thể đo bằng máy thủy bình, mực nước trong ống dẫn theo nguyên lý bình thông nhau, võng kế các loại. Độ chính xác khi quan trắc bằng máy thủy bình thường không quá 1mm, cho nên thường sử dụng máy này trong trường hợp độ võng khá lớn khi sai số 1mm không có ý nghĩa đáng kể. Nếu dùng máy thủy bình siêu chính xác kết hợp với mia in – va có thể đạt độ chính xác cao hơn. Dùng máy thủy bình để đo độ võng sẽ thuận lợi trong những trường hợp không thể tạo được một điểm cố định gắn với đất dưới cầu, chẳng hạn khi cầu bắc qua sông có mật độ thông thuyền cao, cầu bắc qua khe núi, cầu vượt đường xe lửa gần ga đầu mối lớn luôn luôn có tàu chạy qua lại. Máy thủy bình thường đặt ở trên mặt mố trụ hoặc mái đất đắp phần tư nón. Thước hoặc mia được treo vào thanh biên dưới của dàn. Với cự ly từ điểm đặt máy đến điểm đo không vượt quá 50m thì có thể dùng máy thủy bình thông thường. Nếu cự ly xa thì nên dùng máy thủy bình siêu chính xác. Đo độ võng bằng mực nước trong ống dẫn theo nguyên lý bình thông nhau rất ít khi sử dụng vì thiết bị cồng kềnh phức tạp. Thiết bị hay được sử dụng để đo độ võng là võng kế có ròng rọc treo quả nặng kiểu Macxi mốp (hình 2.6). Cấu tạo và nguyên lý hoạt động như sau: Hộp 8 có gắn trục 7 vừa dùng để gắn lắp vào kết cấu nhịp vừa là trục tâm của ròng rọc quàng dây treo 5 buộc quả nặng. Khi ròng rọc quay sẽ làm cho đĩa 9 có răng cũng quay. Răng của đĩa 9 làm quay bánh xe 4 gắn với kim 3 chỉ trên mặt đồng hồ 1 có chia 100 vạch, mỗi vạch ứng với độ võng 0,1 mm. Quả nặng thường có trọng lượng 1,5 – 2,0 kg, còn dây treo là dây Hình 2.6 - Võng kế kiểu Macximốp Khai thác, kiểm định cầu - 44 - thép đường kính 0,3 – 0,5 mm một đầu buộc vào quả nặng một đầu buộc vào điểm cố định sau khi đã vòng qua ròng rọc. Để tránh hiện tượng trượt giữa dây và ròng rọc, nên để dây cuộn qua ròng rọc một vòng. Cũng có thể lắp đặt võng kế vào điểm cố định, và dây qua ròng rọc sẽ buộc một đầu vào quả nặng còn một đầu buộc vào điểm đo của kết cấu nhịp (hình 2.7a). Nếu nhịp cần đo võng ở chỗ lòng sông sâu, không thể buộc dây vào điểm cố định dưới sông; trong trường hợp đó có thể buộc dây vào một vật nặng không ít hơn 20kg và thả xuống đáy sông để tạo điểm cố định (hình 2.7b). - Dụng cụ đo chuyển vị và trượt: Đó là các Indicator hay còn gọi là thiên phân kế. Các Indicator thường có độ chính xác 0,01mm. Có loại độ chính xác cao hơn, đạt tới 0,001mm. Indicator dùng trong thử tải các công trình cầu thường có thể đo chuyển vị tới 10mm. Indicator có dạng như một đồng hồ tròn (hình 2.8) với một thanh ti 6 xuyên qua vỏ hộp theo phương đường kính. Thanh ti này có răng ăn khớp với răng của bánh xe răng nhỏ 1, cho nên khi thanh ti trượt lên xuống thì bánh xe răng này sẽ quay. Áp dưới và cùng trục với bánh xe 1 là một bánh xe răng lớn 2, do đó bánh xe 2 cũng quay và làm quay bánh xe răng 3 gắn liền trục với kim đồng hồ. Để tránh sự chênh chẹo giữa các bánh xe 2 và 3, bánh xe 3 được ăn răng vào với bánh xe phụ 4