ẢNH HƯỞNG CỦA MẤT MÁT ỨNG SUẤT CÁP DỰ ỨNG LỰC NGOÀI ĐẾN KHẢ
NĂNG CHỊU TẢI CỦA CẦU DẦM HỘP BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐÚC HẪNG
EFFECT OF PRESTRESS LOSS IN THE EXTERNAL TENDONS ON
LOADING CAPACITY OF CANTILEVER REINFORCED CONCRETE BOX GIRDER BRIDGE
KS. Phạm Ngọc Hưng, TS. Nguyễn Danh Thắng, TS. Hồ Thu Hiền
TÓM TẮT
Một trong những vấn đề thường gặp của cầu bê tông cốt thép
dự ứng lực căng ngoài là hư hỏng cáp dự ứng lực căng ngoài do
các tác động va chạm của xe cộ, tàu thuyền hay do môi trường
ăn mòn. Các hư hỏng xảy ra ở cáp dự ứng lực sẽ làm giảm hiệu
ứng lực dự ứng lực, làm cho bê tông chịu tải nhiều hơn, giảm
khả năng chịu tải của cầu và có thể dẫn đến sự sụp đổ của công
trình. Bài báo này đi sâu vào việc phân tích ảnh hưởng của hư
hỏng cáp dự ứng lực căng ngoài đến khả năng chịu tải của cầu
dầm hộp bê tông cốt thép đúc hẫng cân bằng.
ABSTRACT
One of the common problems of external tendon reinforced
concrete bridge is damaged by vehicle collision or corrosion.
The damage occurred in the tensioning cable will reduce the
effects of post-tensioning force, making concrete overload and
could lead to the collapse of bridge. This paper concentrates to
analyze the influence of loss of stress in the external tendons on
loading capacity of cantilever reinforced concrete box girder
bridge.
KS. Phạm Ngọc Hưng
Học viên Cao học, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học
Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Tp.HCM
Email:
Điện thoại: 08.3849 3594

tục - một số cầu sử dụng cáp dự ứng lực căng ngoài, được thi

Giảng viên, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách
Khoa – Đại Học Quốc Gia Tp.HCM
Email:
Điện thoại: 08.3864 5856
1. Giới thiệu
Những năm gần đây, ở Việt Nam, việc sử dụng cáp dự ứng
lực căng trong kết hợp cùng với cáp căng ngoài cho cầu bê tông
cốt thép là hướng phát triển mới trong kỹ thuật xây dựng cầu.
Điều này được minh chứng bằng những công trình đã được xây
dựng như cầu Sông Gianh, cầu Yên Lệnh…
Dự ứng lực ngoài là phương pháp dự ứng lực căng sau với
các bó cáp được đặt ngoài tiết diện của các phần tử trong kết
cấu. Trước đây, cáp dự ứng lực căng ngoài được sử dụng để
tăng cường khả năng kháng uốn cho cầu hay công trình bị hư
hỏng, xuống cấp. So với cáp căng trong, việc sử dụng cáp dự
ứng lực căng ngoài khi thiết kế ngày càng được áp dụng rộng rãi
nhờ vào một số ưu điểm như giảm tổn thất ứng suất do ma sát,
giảm tiết diện giảm yếu, duy tu bảo dưỡng đơn giản…. Tuy
nhiên, do nằm ngoài tiết diện, không được lớp bê tông của dầm
bảo vệ như cáp căng trong nên cáp dự ứng lực căng ngoài dễ bị
hư hỏng và ảnh hưởng đến sự làm việc của cáp như ăn mòn do
môi trường, va chạm xe cộ, tàu thuyền…
Hiện nay, thành phố Hồ Chí Minh đang tập trung xây dựng
tuyến metro số 1 để giải quyết nhu cầu giao thông công cộng
của người dân. Với hơn 17 km tuyến metro đi trên cao, hàng
loạt cầu bê tông dự ứng lực, trong đó có đến 9 cầu 3 nhịp liên

Hình 1. Hư hỏng cáp dự ứng lực căng ngoài do ăn mòn [3].

Hình 2. Đứt cáp dự ứng lực ở đầu neo Cầu Niles Channel


Trong nghiên cứu này, cầu đúc hẫng với nhịp chính dài
102.50 m và 2 nhịp biên dài 82.50m mỗi nhịp được lựa chọn để
xây dựng mô hình và phân tích dựa vào phần MIDAS/Civil.
Trong đó, cáp căng ngoài sử dụng là loại cáp T15, 31 tao/bó, và
diện tích chiếm 27.68% của tổng diện tích cáp dự ứng lực (Hình
6, Hình 7, Hình 8). Bên cạnh đó, mô hình hoạt tải được sử dụng
là hoạt tải đoàn tàu (Hình 9). Chuyển vị lớn nhất của cầu do
hoạt tải gây ra là 31.41mm (Hình 10).

Khi có một hoặc nhiều tao cáp bị ăn mòn dẫn đến đứt một số
tao cáp, ứng suất trong các tao cáp còn lại tăng nhưng làm giảm
hiệu ứng dự ứng lực của cáp đối với bê tông, dẫn đến ứng suất
nén trong bê tông giảm.

Hình 4. Đứt một số tao cáp dự ứng lực căng ngoài [8].
Như vậy, trong quá trình quản lý khai thác cầu bê tông cốt
thép dự ứng lực, để theo dõi, phát hiện hư hỏng của bê tông
cũng như cáp dự ứng lực, cần phải có phương pháp và thiết bị
phù hợp với các loại hư hỏng khác nhau. Các số liệu đo về biến
dạng, chuyển vị, dao động hay ứng suất trong cáp dự ứng lực,
ứng suất trong bê tông,… sẽ xác định được hư hỏng của cầu và
ảnh hưởng của hư hỏng đến sự làm việc của cầu bê tông dự ứng
lực
Tóm lại, có nhiều nguyên nhân gây mất mát ứng suất trong cáp
dự ứng lực theo thời gian sử dụng và ảnh hưởng đến khả năng
chịu tải của cầu bê tông như: tăng độ võng, xuất hiện các vết nứt
bê tông… (Hình 5).

Hình 6. Mô hình 3D cầu đúc hẫng

Hình 11. Quan hệ giữa ứng suất tiếp lớn nhất trong bê tông và tỷ
lệ mất mát ứng suất trong cáp dự ứng lực căng ngoài.


Hình 14. So sánh sự gia tăng ứng suất trong cáp dự ứng lực
căng trong và cáp dự ứng lực căng ngoài theo tỷ lệ mất mát ứng
suất cáp dự ứng lực căng ngoài.
Trong các trường hợp phân tích mất mát ứng suất của cáp dự
ứng lực căng ngoài, kết quả tính toán cho thấy:
+ Ứng suất tiếp tăng không đáng kể (Hình 11). Với cấu tạo
của cốt thép đai, dầm vẫn đảm bảo khả năng chịu cắt.
+ Ứng suất trong bê tông vượt qua giới hạn chịu kéo
(1.85MPa) khi mất 72% ứng suất trong toàn bộ các bó cáp
(Hình 12).
+ Chuyển vị của dầm tăng tuyến tính theo tỷ lệ mất mát
ứng suất trong cáp dự ứng lực căng ngoài và giá trị lớn nhất tại
vị trí giữa nhịp biên là 73.15mm nhưng vẫn nhỏ hơn trị số cho
phép L/1000=82500/1000=82.5mm (Hình 13).
+ Khi tỷ lệ mất mát ứng suất trong cáp dự ứng lực căng
ngoài trong khoảng 0-20%, gia tăng ứng suất trong cáp căng
ngoài và căng trong có sự chênh lệch không đáng kể (1.02MPa).
Khi tỷ lệ mất mát ứng suất này tăng lên 100% thì sự chênh lệch
tăng 6.15 Mpa (Hình 14). Mặc dù ứng suất trong cáp căng ngoài
và cáp căng trong tăng, nhưng ứng suất kéo cuối cùng trong cáp
vẫn nhỏ hơn giá trị cho phép (0.80f py =1336 MPa).
+ Mất mát 63% ứng suất trong 3 bó cáp (N=3), tương
đương mất mát 31.50% ứng suất trong 6 bó cáp dự ứng lực căng
ngoài; đây là trường hợp bê tông chuyển sang trạng thái chịu
kéo nhanh nhất (Bảng 1).
Bảng 1. Sự tương quan giữa mất mát ứng suất trong N bó cáp

48%

32.00%

N=5

40%

33.33%

N=6

33%

33.00%

N

4. Kết luận và kiến nghị
Bài báo tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của việc mất
mát ứng suất của cáp dự ứng lực căng ngoài đến khả năng chịu
tải của cầu dầm hộp dựa vào việc phân tích mô hình phần tử
hữu hạn của cầu. Thông qua các kết quả phân tích, ta có thể rút
ra các kết luận chính sau:
+ Trong trường hợp cáp dự ứng lực căng ngoài bị mất mát
ứng suất, vị trí nguy hiểm nhất của cầu sẽ là đỉnh trụ. Khi tỷ lệ
mất mát ứng suất trong cáp dự ứng lực căng ngoài là 31.50%, bê
tông chuyển sang trạng thái chịu kéo và sẽ vượt qua giới hạn
chịu kéo khi tỷ lệ mất mát ứng suất lên đến 72%. Trong khi đó,
bê tông tại các vị trí khác vẫn chịu nén.

[5] ACI 222.2R-01, Corrosion of Prestressing Steels,
American Concrete Institute, 2001.
[6] ACI 423.4R-98, Corrosion and Repair of Unbonded Single
Strand, American Concrete Institute, 1998.
[7] Keith Kesner and Randall W.Poston, Evaluation of
Corrosion Damage in Unbonded Post-Tensioned Concrete
Structures: Misunderstandings and Moving Forward,
Whitlock Dalrymple Poston & Associates, Inc, Consulting
Engineer.
[8] Jeff Pouliotte, PT Grouting and Corrosion Issues in
Florida, FDOT State Structures Maintenance Engineer ,
State of Florida.
[9] Nguyen Danh Thang, Fundamental Study On Structural
Damage Detection Vibration Response Of Long Span
Suspension Bridge, Dr.Eng. Thesis, Yokohama National
University, Japan, 2010.
[10] G.T.Webb; P.J.Vardanega,Ph.D.,M.ASCE; P.R.A.Fidler;
and C.R. Middleton, PhD., C.Eng, Analysis of Structural
Health Monitoring Data from Hammersith Flyover, Journal
of Bridge Engineering, ASCE, vol. 19, no. 6, 28 February
2014.