PHẦN I: KHAI THÁC VÀ KIỂM ĐỊNH CẦU
CHƯƠNG I :
CÔNG TÁC KHAI THÁC, BẢO QUẢN VÀ SỬA CHỮA CẦU
I. Tổ chức bộ máy quản lý khai thác các công trình
*/ Đối với đường bộ.
Trong lĩnh vực đường bộ hiện nay, các quốc lộ và cầu cống trên đó chủ yếu do Cục đường bộ Việt Nam quản lý khai
thác. Các cấp quản lý khai thác được phân chia từ cao xuống thấp như sau:
- Cục đường bộ Việt Nam
- Các khu quản lý đường bộ bao gồm:
+ Khu QLĐB 2 (phạm vi các tỉnh miền bắc)
+ Khu QLĐB 4 (phạm vi từ Thanh hoá đến Thừa thiên huế)
+ Khu QLĐB 5 (phạm vi từ Đà nẵng đến Khánh hoà)
+ Khu QLĐB 7 (phạm vi từ Ninh thuận trở vào và toàn miền Nam bộ)
- Các phân khu quản lý đường bộ
- Các hạt QLĐB
- Các cung QLĐB, các cung quản lý cầu.
Các cầu và cống nhỏ được các “Cung đường” quản lý cùng với tuyến.
Các cầu lớn và cầu trung (chiều dài cầu 25 ÷ 100m) có thể do các “Cung quản lý cầu” chịu trách nhiệm quản lý.
Các cầu đặc biệt lớn (chiều dài cầu >100m) như: Cầu Thăng Long, cầu Chương Dương do “xí nghiệp quản lý” của cầu
đó quản lý.
Các sở giao thông công chính thuộc các tỉnh có nhiệm vụ quản lý mạng lưới tỉnh lộ và huyện lộ và một số đoạn quốc lộ
trong phạm vi tỉnh, do vậy các cầu nhỏ (L 25m ) và cầu trung trong mạng lưới đó cũng do Sở GTCC quản lý khai thác.
*/ Đối với đường sắt.
Trong ngành đưòng sắt Việt Nam, cao nhất là Liên hiệp đường sắt Việt Nam, bên dưới là các cấp thấp dần theo trình t
ự
như sau:
+ Các liên hiệp đường sắt khu vực:
- Khu vực 1 (từ miền Bắc đến Quảng Bình)
- Khu vực 2 ( từ Quảng Bình đến Diêu trì tỉnh Quy nhơn)
- Khu vực 3 (từ ga Diêu trì đến ga Sài gòn)
+ Các xí nghiệp quản lý từng đoạn tuyến
+ Các hạt quản lý đường sắt
+ Các cung quản lý đường và các cung quản lý cầu
Đối với cầu Long Biên có xí nghiệp quản lý khai thác cầu riêng.
Các đơn vị cấp dưới có nhiệm vụ hàng ngày quản lý khai thác cầu, kiểm tra trạng thái kỹ thuật của cầu đường hàng
ngày và đinh kỳ để phát hiện kịp thời các hư hỏng và sửa chữa ngay.
Các số liệu cơ bản:
Đường bộ: có 3560 cây cầu, tổng chiều dài: L=93 km
Đường sắt: có tổng chiều dài L=2544 km, có các khổ: 1m, 1,435m
Số cây cầu: 1562, tổng chiều dài L= 37km
Hầm 39 cái, tổng chiều dài L= 11,4km
II. Kiểm tra và sửa chữa cầu thép
2.1. Công tác kiểm tra cầu thép
Mục đích của công tác kiểm tra là xác dịnh hiện trạng cầu, trên cơ sở đó đề ra những chỉ dẫn phù hợp cho 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 nhiẹp phải được xem xét một các kỹ lưỡng để thấy hết các
khuyết tật và hư hỏng cũng như dấu hiệu xuất hiện của chúng.
Các hư hoảmg, kuyết tật phải được vẽ lại một cách chi tiết với đày đủ kích thước và những ghi chú thật cần thiết.
Các phương tiện kiểm tra cầu: thước thép, thước pan me, máy kinh vĩ, kính lúp...hoặc bằng các thiết bị, máy móc
chuyên dụng hiện đại như kính hiển vi có độ phóng đậi cao, siêu âm,...
Việc kiểm tra cần được coi trọng đối với những bộ phận hư hoảng nặng, độ tin cậy thấp. Trong những trường hợp thật
cần thiết, phải xác định tính chất cơ lý, thành phần hoá học của vật liệu, kích thước hình học của cấu kịên nói riêng và tổng
thể công trình nói chung.
Những hư hỏng đặc trưng cần được chụ ảnh để lưu giữ.
Công việc kiểm tra cầu phải được thực hiện thường xuyên và định kỳ dựa theo đề cương kỹ thuật và kết quả của nó cần
p
hải được
g
hi đ
ầ
y
đủ tron
g
h
ồ
sơ khai thác c
ầ
u.
≤
Các cơ quan chức năng căn cứ vào số liệu kiểm tra để xác định khả năng chịu tải của cầu và có biện pháp sửa chữa, gia
cố kịp thời đối với những bộ phận hư hỏng, khi cần thiết có thể kiểm chứng bằng cách thử tải cầu.
2.2. Các hư hỏng và khuyết tật của kết cấu nhịp cầu thép
Các nguyên nhân gây 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 thiết tính toán và sự làm việc thực tế của kết cấu, công tác duy
tu bảo dưỡng kém, tác động của môi trường, đặc điwmr của hoạt tải qua cầu.
2.2.1/ Hư hỏng của các bộ phận liên kết
+ Hư hỏng của đinh tán: là sự phân rã đinh trong quá trình khai thác.
Nguyên nhân: Do sự mài mòn cơ học của liên kết, tốc độ mài mòn phụ thuộc vào chuyển vị trượt tương đối giữa
các phân tố nổi trên bề mặt tiếp xúc của chúng.
Ngoài ra còn phụ thuộc vào:
Lưu lượng xe qua cầu, trạng thái ứng suất của liên kết, đặc điểm tác dụng của hoạt tải,các đặc điểm cấu tạo, công
nghệ chế tạo
Chú ý: Độ mài mòn lớn 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 giàn hiện tượng này thường xảy ra tại các liên kết: thanh xiên và thanh treo vào bản nút ở
b
iên trên, các
thanh của liên kết dọc và ngang vào dàn chủ.
Đối với hệ mặt cầu, hiện tượng này xảy ra tại các liên kết: dọc dầm với dầm ngang (đặc biệt khi không có bán táp
con cá), 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.
Trong cùng điều kiện làm việc như nhau: thì các đinh chịu cắt một mặt bị phân rã nhanh hơn các đinh chịu cắt hai
mặt.
Ngoài ra, kích thước, hình dạng đinh và lỗ đinh cũng như việc lắp đặt đinh không đảm bảo tiêu chuẩn kỹ thuật
đều đựoc coi là khuyết tật của liên kết
Các dạng khuyết tật của đinh thường gặp:
Hình 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
5. Dầu đinh bị nhỏ 6. Đầu đinh bị lệch 7.Đầu đinh bị xiên 8.Đầu
đinh có rãnh
9. Rãnh ở thép phân tố 10. Đầu đinh có vết 12. Thân đinh không
khớp
13. lỗ đinh vẹo 14. Lỗ đinh ôvan 15. Hàn không thấu. 16.Vết nứt trong
17.Vết nứt mặt 18.Rãnh ở thép cơ bản. 19. Vết nứt ở mặt thép.
Những khuyết tật của liên kết hàn:
+ Do hàn không thấu: do 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 trong mối
hàn, các vết nứt trên bề mặt và trong liên kết.
+ Do không đảm bảo kích thước thiết kế.
2.2.2/ Những hư hỏng do hiện tượng mỏi của thép
Hiện tượng mỏi của vật liệu: là quá trình tích góp những hư hỏng dưới tác dụng thường xuyên của tải trọng lặp và tới
mức độ nhất định thì xảy ra sự phá huỷ kết cấu.
65
Phá hoại do mỏi là hậu quả của quá trình phát triển vết nứt trong cấu kiện. Những vết nứt này thường xuất hiện
những vị trí có ứng suất tập trung lớn.
Trong cầu dàn, những vết nứt này xuất hiện ở các thanh xiên và thanh treo. Các vết nứt được phát triển theo phương
vuông góc với trục thanh và xuất phát từ điểm giao nhau giữa mép lỗ đinh với mặt phẳng đi qua tâm lỗ và vuông góc với
trục thanh.(Hình 4 & 5)
Trong hệ dầm mặt cầu và các liên kết của nó, vết nứt thường có tại vị trí
+ Chịu lực cục bộ của biên trên (Hình 6)
+
Ở
sườn
d
ầ
m (Hình7)
+ Trên bản con cá (Hình7)
+ Ở thép góc liên kết dầm dọc với dầm ngang.(Hình 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 7)
Ng
u
y
ên nhân:
+ Do ứng suất kéo tập trung lớn và luôn thay đổi theo chu trình
+ Do ứng suất pháp lớn trong liê kết dầm dọc với dầm ngang gây ra vết nứt mỏi trong bản con cá và các vết nứt này
xuất phát từ mép lỗ của hàng đinh thứ nhất hoặc thứ 2 kể từ dầm ngang (Hình 9)
Phá hoại 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.
Một trong những yếu tố chính gây ra hiện tượng này là sự tham gia đồng thời của hệ dầm mặt cầu và dàn chủ
cao.
Vết nứt xuất hiện ở thép góc liên kết là do tác dộng của mô men uốn tại mối nối và thành phần lực trong dầm dọc khi
tham gia cùng làm việc với các biên của dàn chủ. (Hình9)
Trong kết cấu nhịp cầu dàn, phá hoại mỏi có thể xảy ra ở những vùng tập tung ứng suất kéo do tác động của ngoại lực
hoặc ở những nơi có ứng suất dư ho hàn gây ra.
Các vết nứt hỏi có thể xuất hiện trong mối hàn hoặc trong kết cấu khi tiết diện thay đổi đột ngột.
2.2.3/ Hư hỏng do hiện tượng ăn mòn kim loại
Mức độ hư hỏng do ăn mòn phụ thuộc vào biện pháp bảo vệ thép và công tác duy tu bảo dưỡng.
Thép rỉ làm cho tiết diện của phân tố giảm yếu và mức chịu tải cũng giảm. Đặc biệt có sự tác dộng đồng thời của tải
trọng lặp theo chu kỳ làm xuất hiện các vết nứt rỉ-mỏi trong kết cấu.
Tốc độ phát triển gỉ phụ thuộc vào:
+Thành phần hoá học của thép
+ Công nghệ chế tạo cấu kiện, biện pháp chống rỉ
+ Điều kiện khí hậu.
+ T
r
ạn
g
thái ứn
g
su
ấ
t...
Sự ô nhiễm môi trưòng tạo điều kiện thuận lợi cho rỉ xuất hiện và phát triển. gỉ tồn tại ở hai trạng thái bề mặt và cục
bộ
Sự rỉ bề mặt là do việc thoát nước trên mặt kết cấu kém hoặc do hiện tượng rác bẩn đọng lại gây ra.
Sự rỉ cục bộ: thường xuất hiện tại các liên kết, mối nối và nút dàn.
2.2.4/ Hiện tượng phá hoại giòn
Dưới tác dụng của tải trọng mà biến dạng dẻo hầu như không xuất hiện được gọi là phá hoại giòn.
Nguyên nhân: là do phát triển vết nứt một cách đột ngột tại những vị trí xung yếu có ứng suất vựơt tải lớn.
Khả năng xuất hiện phá hoại giòn phụ thuộc vào:
+ Cấu trúc tinh thể của thép.
+ Thành phần hoá học
+ Độ tinh khiết
+ Hình dạng cấu kiện
+ Trạng thái ứng suất
+ Tốc độ biến dạng
+ Nhiệt độ của môi trường xung quanh...
Kinh nghiệm cho thấy, phá hoại kiểu này thường hay gặp ở kết cấu cầu hàn, ít thấy ở kết cấu nhịp cầu đinh tán.
2.2.5/ Các khuyết tật cơ học
Các hư hỏng co học thường xuất hiện trong thời gian khai thác cầu do tàu xe va quệt vì khổ cầu giới hạn, do lỗi chế tạo
và lắp dựng, và có thể do bom đạn gây ra trong chiến tranh.
Những hư hỏng dạng này rất đa dạng:
+ Cấu kiện có thể bị đứt toàn bộ hay từng phần.
+ Cấu kiện có thể xảy ra hiện tượng cong vênh tổng thể hay cục bộ của phân tố kết cấu.
Sự va đập tạo ra những vết nứt ở vùng xung quanh khuyết tật, làm phát sinh những ứng suất phụ, đối với những phân
tố chịu nén nó còn làm giảm khả năng chịu uốn dọc của chúng.
2.3 Sửa chữa các khuyết tật của kết cấu nhịp
2.3.1/ Nắn lại các bộ phận uốn cong và biến dạng cụ thể
Các phân tố thép bị uốn cong phải được nắn lại thẳng trong điều kiện bình thường vì cấu trúc phân tử của thép dễ bị
thay đổi dưới tác dụng nhiệt.
Những vùng cong cục bộ được làm phẳng bằng vam.(Hình 12a)
Các thép góc, thép U và thép bản bị uốn cong trên chiều dài nhỏ có thể làm phẳng bằng má kẹp.(Hình 12b)
Các điểm lồi nhỏ ở tấm thép có thể được khắc phục bằng các dùng búa tạp đập lên nó thông qua một tấm đệm.
Những biến dạng lớn đựoc làm phẳng bằng kích có sự hỗ trợ của thanh căng và dầm hãm.(Hình 12c)
Trong trưòng hợp cần thiết có thể hàn thêm sườn tăng cường phụ tại vi trí biến dạng và bọc bêtông cục bộ phần sườn
dầm bị biến dạng là biện pháp đơn giản để tăng cường.
Những biến dạng cục bộ của các thanh dàn chủ có thể được làm phẳng bằng kích.(Hình 12d)
Hệ thanh dằng, bản dằng có thể được tháo bỏ trên đoạn thanh uốn cong trước khi nắn thẳng và sau đó lại được thay
mới. Nhũng cấu kiện của dàn chủ có biến dạng lớn cần được thay mới hoàn toàn hay từng bộ phận.
2.3.2/ Sửa chữa vết nứt, lỗ thủng và tiết diện giảm yếu
Vết nứt trong kim loại thường đươc khắc phục bằng cách hàn phủ kín hoặc dùng bản thép táp lên bề mặt cấu kiện
Để phòng ngừa vết nứt tiếp tục phát triển, cần phải khoan lỗ với đưòng kính 8 ÷ 12 mm ở hai đầu vết nứt(chỉ dùng đối
với điều kiện thép cho phép hàn được).
Ngoài ra trước khi hàn, các mép vết nứt phải được gia công vát một góc 60 ÷700 (H13)
Mối hàn đựoc thực hiện ở cả hai mặt của bản thép và theo từng đợt để giảm biến giạng nhiệt, đồng thời tránh nung
nóng thép cơ bản.
Dùn
g
bản thé
p
hoặc thé
p
g
óc tá
p
vào c
ấ
u kiện tại các vị trí có v
ế
t nứt, lỗ thủn
g
ha
y
ti
ế
t hiện
g
iảm
y
ế
u.
Bản thép đựoc táp ở hai phía và phủ kín toàn bộ tiết diện của cấu kiện và đựoc liên kết bằng bulông cường độ cao
(H13b,c,d)
Hình 13: Sửa chữa vết nứt và khuyết tật
a) Hàn phủ vết nứt ;
b,e) Phủ kín vết nứt bằng táp thép bản với liên kết bulông cường độ cao
1. Bản đệm 2. Thép bản táp
3. Bulông cường độ cao 4. Bulông cường độ cao mới
c,d) Phủ vết nứt bằng táp thép góc với liên kết bulông cường độ cao
g) Khắc phục khuyết tật bằng tán thép bản với liên kết hàn
3.3/ Công tác thay thế đinh tán
Các đinh tán hư hoảng được thay thế bằng bulông cường độ cao. Khi bulông cường độ cao được lắp ở những vị trí chịu
lực nhiều hơn để tăng đáng kể khả năng chống mài mòn và mỏi của liên kết.
Đinh tán được thay thế đồng thời cùng một lúc không quá 10% tổng số lượng đinh trong liên kết.
Các đinh thay thế được tiến hành theo hai giai đoạn:
+ Dùng mũi khoan rỗng để cắt đầu đinh hoặc cắt đầu đinh bằng mỏ cắt hơi(H15).
+ Dùng đột đóng bật đinh ra
3. Kiểm tra và sửa chữa cầu BTCT
3.1 Công tác kiểm tra đối với kết cấu nhịp cầu BTCT
Công tác kiểm tra kết cấu nhịp cầu bêtông cốt thép được thực hiện giống cầu thép. Riêng cường độ bêtông được xác
định bằng súng bắn bêtông ở nhiều tư thế theo đúng chỉ dẫn kèm theo tường loại súng.
3.2 Các hư hỏng và khuyết tật của cầu BTCT
Hư hỏng phổ biến nhất là xuất hiện các vết và hiện tượng bong, rộp bêtông.
+ Đối với bêtông cốt thép thường:
Các vết nứt xuất hiện ở ở miền chịu kéo. Nếu độ mở rộng vết nứt không vượt quá 0,2mm thì cốt thứp trong kết cấu
không bị rỉ, không gây ảnh hưởng đến công trình.
+Đối với BTCTDƯL: nguy hiểm nhất là các vết nứt xuất hịên trong kết cấu bêtông cốt thép ứng suất trước, hơi nước
thông qua các vết nứt sẽ xâm nhập làm gỉ và ăn mòn cốt thép, tiết diện thép nhanh chóng bị giảm yếu (trong BTCTDƯL
thì không cho xuất hiên vết nứt).
Khi đánh giá mức độ nguy hiểm của các loại vết nứt khác nhau, cần phân tích đường ảnh hưởng hưởng của chúng đến
các đặc điểm khai thác kết cấu, đồng thời phải chue ý đến khuynh hướng phát triển vết nứt.
Hình15 biểu hiện các dạng vết nứt điển hình thường gặp trong kết cấu nhịp bêtông cốt thép.
Vết nứt co ngót 1 xuất hiện ở các bề mặt bêtông do quá trình co ngót không đều.
Vết nứt xiên 2 ở sườn dầm là do tác dụng của ứng suất kéo chính và của các biến dạng do nhiệt độ (truờng hợp này cần
phải được kiểm toán).
Các vết nứt 3 tại vị trí tiếp giáp giữa cách dầm và sườn dầm ảnh hưởng xấu đến sự làm việc của kết cấu dưới tác dụng
của tải trọng. Nguyên nhân gây ra vết nứt 3 là do làm sai quy trình công nghệ chế tạo kết cấu nhịp
Vết nứt 4 ở cánh dầm phát sinh chủ yếu do cốt thép dọc ở phía dưới bị kéo quá căng và do tác dụng của mô men trong
quá trình lao dầm.Đối với dầm giản đơn vết nứt này khép lại trong quá trình khai thác dưới tác dụng của tải trọng tĩnh tải
và hoạt tải.
Vết nứt 5 ở bầu dầm cho thấy công tác căng cốt thép chư đạt yêu cầu (lực căng chưa đủ), có sự mất mát ứng suất lớn
(do co ngót, từ biến của bêtông) và do không đảm bảo sự làm việc bình thường của cơ cấu neo (vết nứt này thúc đẩy s
ự
phát triển gỉ).
V
ế
t n
ứ
t dọc ở b
ầ
u d
ầ
m nén t
r
ước 6 xu
ấ
t hiện chủ y
ế
u trong những năm đ
ầ
u của quá trình khai thác (tạo đi
ề
u kiện cho gỉ