Gia cường Cầu Nhiều Dầm Bê tông Dự ứng lực

Dự án liên quan đến một cây cầu đường bộ hiện hữu tại Tây Ban Nha, thuộc một tuyến đường cao tốc hai mặt cầu với kết cấu làn đường song song có thể nhìn thấy bên cạnh. Kết cấu phần trên gồm các nhịp đơn giản được tạo bởi các dầm chữ I bê tông dự ứng lực đúc sẵn đặt sát nhau, phủ phía trên bằng bản bê tông cốt thép đổ tại chỗ; mỗi dầm tựa độc lập lên mố tường bê tông cốt thép và các gối trụ trung gian. Đây là cấu hình cầu đúc sẵn - dự ứng lực tiêu chuẩn được xây dựng với số lượng lớn trên mạng lưới đường cao tốc Tây Ban Nha trong những năm 1980 và 1990.

Sau nhiều thập kỷ khai thác, kiểm tra định kỳ và đánh giá kết cấu cho thấy các dầm đang làm việc dưới mức khả năng mà điều kiện giao thông hiện tại yêu cầu. Bề mặt mố xuất hiện các vết ố nước và hiện tượng bốc muối lâu năm — bằng chứng của việc tiếp xúc ẩm theo thời gian tập trung tại đầu dầm — và việc đánh giá tải trọng xác nhận rằng cả khả năng chịu uốn giữa nhịp lẫn khả năng chịu cắt gần gối của dầm đều không còn đáp ứng yêu cầu đối với tải trọng xe cộ hiện nay.

• Tải trọng giao thông gia tăng: trọng lượng xe và lưu lượng giao thông đã tăng vượt xa các giả thiết được sử dụng khi thiết kế cầu, khiến các dầm đúc sẵn chỉ còn rất ít khả năng dự trữ.

• Hệ nhịp đơn giản không có khả năng dự trữ về tính liên tục: không giống như mặt cầu liên tục, mỗi nhịp tự chịu tải trọng của riêng mình một cách độc lập — nhu cầu uốn đạt đỉnh tại giữa nhịp và nhu cầu cắt đạt đỉnh tại đầu dầm, không thể phân phối lại giữa các nhịp kề nhau. Khi một trong hai khả năng bị vượt quá, sẽ không còn đường truyền tải trọng thay thế.

• Suy giảm theo thời gian: nhiều năm tiếp xúc với ẩm tại các khu vực mố đã làm suy giảm chất lượng bê tông đúng tại nơi lực cắt lớn nhất.

• Sự liên tục trong khai thác là điều không thể thỏa hiệp: thay thế hay xây dựng lại đều không thể xem xét. Tuyến đường cao tốc không thể chịu đựng việc đóng cửa, và mọi giải pháp đều phải được thi công hoàn toàn từ bên dưới mặt cầu.

Nâng cấp các dầm đúc sẵn bằng CFRP — bố trí gia cường phù hợp trực tiếp với mô hình lực của hệ nhịp đơn giản: các bản sợi carbon dọc theo nhịp cho nhu cầu uốn giữa nhịp, U-wrap sợi carbon tại vùng đầu dầm cho nhu cầu cắt.

Dự án sử dụng hệ thống CFRP kết hợp từ Horse Construction, được thi công theo hai giai đoạn bổ sung cho nhau:

1. Bản CFRP trên ba mặt dầm — gia cường chịu uốn

Các bản sợi carbon ép đùn (pultruded) được dán bằng keo dán bản kết cấu lên ba mặt của mỗi dầm chữ I đúc sẵn: mặt đáy (vùng chịu kéo dưới uốn dương) và phần dưới của cả hai bụng dầm, chạy dọc theo các nhịp.

Các bản ở mặt đáy đóng vai trò như cốt thép chịu kéo bên ngoài: sau khi dán, chúng biến dạng tương thích với bê tông và thép dự ứng lực bên trong, trực tiếp làm tăng khả năng chịu uốn mômen dương của dầm — nhu cầu chi phối tại giữa nhịp của một nhịp đơn giản. Các bản ở phía bụng dầm mở rộng vùng chịu kéo được gia cường và cải thiện sự truyền lực quanh các góc đáy–bụng. Bản ép đùn tại nhà máy được chọn nhờ hàm lượng sợi cao và đồng đều, một yếu tố quan trọng đối với các cấu kiện cầu chịu lực mà hiệu suất lâu dài phụ thuộc vào chất lượng vật liệu đồng nhất.

2. U-wrap bằng vải CFRP — gia cường chịu cắt và neo giữ bản

Phía trên các bản đã dán, vải sợi carbon một hướng (HM-30, 300 g/m², chiều dày sau khi đóng rắn 0,167 mm) được thi công theo phương pháp wet lay-up thành các lớp bọc hình chữ U: vải đã thấm nhựa đi qua dưới đáy dầm và vươn lên dọc hai bụng, tạo thành một dải bao quanh ba mặt. Vì bản mặt cầu cản trở việc bọc kín hoàn toàn, U-wrap là cấu hình chịu cắt tiêu chuẩn cho loại dầm này.

Các lớp bọc này thực hiện đồng thời hai chức năng:

• Cốt thép chịu cắt — đóng vai trò như các cốt đai bên ngoài, các lớp bọc cắt ngang các vết nứt kéo chính xiên phát triển trong bụng dầm gần gối, làm tăng khả năng chịu cắt của dầm. Các lớp bọc được bố trí tập trung về phía khu vực mố và trụ, nơi nhu cầu cắt trong nhịp đơn giản đạt đỉnh — thể hiện rõ qua mật độ gia cường dày hơn tại đầu dầm.

• Neo giữ cơ học cho các bản — bằng cách kẹp chặt lên các bản ở đáy và bụng dầm, các U-wrap ngăn chặn sự bong tróc ở đầu bản và ở vùng trung gian, cải thiện đáng kể độ bền và biên độ an toàn của việc nâng cấp khả năng chịu uốn.

Các khuyết tật trên bề mặt nền được sửa chữa và làm phẳng trước khi dán, các góc lượn được tạo tại các vị trí nối bụng–đáy để tránh tập trung ứng suất nơi vải uốn cong, và các nêm tạm thời giữ vải cố định trong quá trình đóng rắn nhựa nhằm đảm bảo tiếp xúc hoàn toàn với bê tông.

Hệ thống kết hợp bản và U-wrap đã khôi phục cả khả năng chịu uốn lẫn chịu cắt của các dầm đúc sẵn nhịp đơn giản để đáp ứng các yêu cầu tải trọng hiện tại, kéo dài tuổi thọ khai thác của cầu với chi phí và mức độ gián đoạn chỉ bằng một phần nhỏ so với việc thay thế.