Những vấn đề liên quan đến công tác thử tải, đánh giá khả năng chịu tải của cầu theo quy trình AASHTO

Để đánh giá khả năng chịu tải của cầu, người Mỹ đã đưa ra rất nhiều các sổ tay hướng dẫn, tiêu chuẩn, quy trình đánh giá cầu. Năm 1971, Tiêu chuẩn kiểm tra cầu quốc gia NBIS được áp dụng cho các cầu trong hệ thống đường bộ có sự giúp đỡ của Liên Bang thường là các cầu trên tuyến nối các bang, tuyến đường Liên Bang hoặc hệ thống đường Bang. Sau đó, năm 1980, Cục đường bộ Liên Bang FHWA đã mở rộng tiêu chuẩn để bao phủ tất cả các cầu công cộng có chiều dài lớn hơn 6m.

Các thủ tục chi tiết cho việc đánh giá tải trọng đầu tiên xuất hiên trong AASHTO Sổ tay duy trì kiểm tra các cầu. Năm 1989, AASHTO xuất bản Các tiêu chuẩn hướng dẫn đánh giá cường độ của các cầu Thép và Bê tông hiện có, cung cấp phiên bản đầu tiên của các thủ tục LRFD. Năm 1994 AASHTO in bản Sổ tay đánh giá tình trạng của cầu thay thế cho bản Sổ tay duy trì kiểm tra các cầu. Năm 2003 AASHTO xuất bản Sổ tay đánh giá tình trạng và đánh giá hệ số sức kháng tải trọng của các cầu đường bộ. Sổ tay hướng dẫn này xem xét một cách chi tiết phần chính của Sổ tay đánh giá Tình trạng của các Cầu trước đây. Theo công bố của TS. Abba G. Lichtenstein, thử tải cầu cũng vẫn được sử dụng như một công cụ hữu hiệu trong một số trường hợp cần kiểm chứng lại giả thiết tính toán hay đánh giá khả năng chịu tải của cầu với các tải trọng đặc biệt.

Trong nhiều trường hợp khác, thử tải cầu được sử dụng để hỗ trợ việc xác định khả năng chịu tải thực tế của cầu. Từ những thử nghiệm như vậy, đã biết được một số kết cấu có khả năng chịu tải trọng lớn hơn giá trị được tính toán theo các phân tích thông thường. Dự án NCHRP 12-28 đã được triển khai và hoàn thành tháng 9 năm 1987 với mục đích là để phát triển các hướng dẫn cho thí nghiệm tải trọng không phá huỷ các cầu đường bộ để làm tăng thêm hoặc nâng cao phương pháp quy trình phân tích đánh giá cầu. Thử tải càu thường được dùng như là một công cụ nghiên cứu và mở rộng hơn là một phương pháp để xác định khả năng chịu tải trọng của cầu. Dự án NCHRP 12-28 mới chỉ cung cấp các hướng dẫn về phương pháp thử tải cầu mà chưa bao hàm các thủ tục để đánh giá khả năng chịu tải trọng.

Do vậy dự án nghiên cứu cấp quốc gia NCHRP 12-28 được thực hiện từ tháng 12 năm 1990 đến tháng 02 năm 1994, đã được bổ sung nhằm đưa ra phương pháp đánh giá khả năng chịu tải của cầu thông qua các số liệu đo đạc thử tải. Kết quả dự án đã khẳng định thử tải cầu được sử dụng chủ yếu như một công cụ nghiên cứu để hiểu biết tốt hơn về các ứng xử của những cây cầu khi chịu tải trọng, cách phân phối tải trọng trong các bộ phận của cầu. Các kết quả nghiên cứu trên được trình bầy trong Sổ tay đánh giá cầu thông qua thử tải. Từ các thử tải cầu trước đây, người ta đã phát hiện ra nhiều kết cấu có khả năng chịu tải trọng lớn hơn các giá trị tính toán mà các quy trình tính toán phân tích tải trọng đưa ra.

Do đó sẽ có những lợi ích đáng kể nếu phát triển một cách tiêu chuẩn hoá thí nghiệm và đánh giá. Theo TS. V.K. Raina, một dự án khác cũng được nghiên cứu khá lâu dài và công phu cũng xác nhận về việc đánh giá khả năng chịu tải trọng cầu theo các dữ liệu thử tải, trong đó có chứa báo cáo của 150 các số liệu liên quan đến thử tải các cầu. Báo cáo có bàn luận chi tiết đến các hệ số nâng cao khả năng chịu tải hiện tại của các cầu. Các hệ số đó bao gồm ảnh hưởng của sự phan bố tải trọng trong các bộ phận, các vật liệu làm việc liên hợp, sự liên tục của nhịp không dự tính trước và một số các hệ số phân bố khác. Ghi chú của Michael Barker trong “ Định lượng ứng xử thí nghiệm hiện trường trong Đánh giá các cầu dầm thép” được xuất bản tháng 7-8 năm 2001 trong Tạp chí Kỹ thuật Cầu: Đánh giá cầu có xu hướng công bằng thận trọng, thí nghiệm tải trọng hiện trường thường có thể phát hiện khả năng chịu tải lớn hơn theo lý thuyết. AASHTO năm 2001 ấn bản Sổ tay hướng dẫn cho việc đánh giá tình trạng về đánh giá hệ số sức kháng và tải trọng của các cầu đường bộ. Cuốn sổ tay hướng dẫn này đề cập đến các công nghệ mới nhất và xây dựng phương pháp độ tin cậy của kết cấu, kế thừa các tiêu chuẩn của thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng LRFD, trong đó thử nghiệm tải trọng cầu là một lựa chọn trong đánh giá kết cấu ở mức độ cao. Theo AASHTO, trong đánh giá cầu theo hệ số tải trọng và sức kháng LRFD, thử tải cầu được tiến hành trong những trường hợp sau:

+Khi các kết quả phân tích cho hệ số đánh giá nhỏ hơn 1, nhưng lại không có dấu hiệu suy giảm ứng suất của cầu.

+ Khi các hố sơ lưu trữ của cầu không còn.

+ Các kiểu cầu đặc biệt mà không thể phân tích đánh giá. Tải trọng thử tải toàn phần full scaled loading test là tải trọng tĩnh tương đương có giá trị bằng với “hoạt tải thiết kế làm việc có xung kích” được áp dụng cộng thêm với tất cả các tĩnh tải đặt ở chỗ bất lợi nhất mômen uốn, lực cắt, võng…theo các trường hợp có thể xẩy ra . Sau đây là một vài tải trọng thử đã dùng ở một số cầu:

– Cầu “Bridge Street” ở Southfield, bang Michigan mômen thử tải gây ra đạt 90% mômen 2027,9KNm do tải trọng tiêu chuẩn thiết kế bao gồm cả hệ số động lực. Tải trọng tiêu chuẩn của cầu Michigan MS -23 AASHTO HS 25.

– Thử tải cầu Deans Mill Road bắc qua sông Hannacrois Creek thuộc hạt Greene, Anh 2005: 2 xe 15T xếp quay đầu gây ra mômen tương đương với mômen do tải trọng khai thác 1 xe 30T.

– Thử tải cầu Goliad, bắc qua sông An Antonio, bang Texas 1999: Tải trọng xe rơ-mooc chở dầm bê tông tương đương với tải trọng HS 20.

– Thử tải cầu Liano, bang Texas 2003: Tải trọng xe 3 trục tương đương với xe tải HS 20.

– Cầu bắc qua sông Bennetts, nam Rexville, New York 2002: Mômen thử tải 755kNm trong chiếm 86,5% mômen tính toán 873kNm, lực cắt thử tải là 486kN bằng 70,1% lực cắt tính toán 693kN. Cầu số 58 ở Kacanik, Kosovo 2005: tải trọng thử là xe tăng 50T của lực lượng KFOR NATO. Việc thay đổi quy trình thiết kế của ta có làm thay đổi tải trọng thử tải tác động lên kết cấu không, đó là câu hỏi cần có sự giải đáp trên cơ sở tính toán một vài kết cấu nhịp điển hình. Các công trình là kết cấu mới trong những năm gần đây ở Việt Nam và hiện nay đang được xây dựng rất phổ biến. Kết quả tính toán cho thấy:

+ Tính toán với những cầu giản đơn, nhịp 24-33m, trung bình mômen do tải trọng thiết kế tiêu chuẩn HL 93 gây ra có xét xung kích bằng 1,0103 mômen do tải trọng XB80 tạo ra, độ lệch chuẩn 0,1624, độ biến sai 0,1608.

+ Tính toán với cầu liên tục, nhịp 24 ÷ 105m:

– Xét riêng từng cầu, mômen do tải trọng thiết kế tiêu chuẩn HL93 gây ra có xét xung kích so với tải trọng H30 + người xét cả mômen âm trên đỉnh trụ như sau: Giá trị trung bình cộng dao động từ 0,9721 ÷ 0,9955, độ lệch chuẩn từ 0,0514 ÷ 0,1072.

– Xét chung cả nhóm cầu, trung bình cộng mômen dương do tải trọng thiết kế tiêu chuẩn HL93 gây ra có xét xung kích so với tải trọng H30+người là 1,0671, độ lệch chuẩn 0,0693, độ biến sai 0,0649; trung bình cộng mômen âm do tải trọng HL93 gây ra so với tải trọng H30+người là 0,8920, độ lệch chuẩn 0,0565, độ biến sai 0,0633.

+ Về xếp xe trên cầu khi thử tải, cần xếp các xe theo các vị trí bất lợi nhất theo cả phương dọc và ngang cầu để tạo ra nội lực thử tải lớn lên kết cấu để thoả mãn yêu cầu trong khi vẫn đảm bảo lực cục bộ không quá lớn.

+ Các giá trị tính toán về tải trọng hoạt tải tiêu chuẩn có xét cả hệ số xung kích theo quy trình 22TCN 272-05 AASHTO LRFD hoàn toàn xấp xỉ tải trọng tiêu chuẩn có xét xung kích của quy trình 22TCN 18-79. Với những nhịp ngắn thì tải trọng HL 93 xấp xỉ với tải trọng XB80; với những nghịp dài thì chúng xấp xỉ với tải trọng H30+người.

+ Quy định về tải trọng thử tải của AASHTO cũng tương đương với quy trình thử tải cầu của Việt Nam. Với các cầu thiết kế theo quy trình mới 22TCN 272-05, nội lực thử trong kết cấu được quy định trong quy trình hiện hành 22TCN 170-87, 22TCN 243-98 như mục II.2.1.1 đã dẫn vẫn đảm bảo sự phù hợp. Nội lực do tải trọng thử sẽ so sánh với tải trọng thiết kế và các hệ số và cách tính lấy theo quy trình thiết kế mới 22 TCN 272-05. Qua các trình bày trên, dễ dàng nhận ra các quy định trong thử tải cầu tại Việt Nam và AASHTO là tương tự nhau. Về lâu dài, chúng ta cần bổ sung quy trình về đánh giá cầu theo hệ sốtải trọng và sức kháng LRFR song hành với quy trình thiết kế cầu theo hệ số tải trọng và sức kháng LRFD để đảm bảo sự thống nhất về phương pháp tính toán trong thiết kế và kiểm định công trình.

Theo ThS. Tôn Chí Hùng

Nguồn tin: T/C Giao thông Vận tải, số 4/2007