Các dạng hư hỏng điển hình của kết cấu áo đường mềm trên mặt cầu thép bản trực hướng

Từ khóa: Mặt cầu, bê tông asphalt trên mặt cầu thép, mặt cầu thép.

Abstract: This paper analyses the working behavior of the asphaltic pavement on orthotropic steel deck. Based on the received results, the paper identifies the typical damages of the asphaltic pavement and explains the results.

Keywords: Asphaltic pavement, steel deck.

1. Đặt vấn đề

Hiện tại, trên thế giới và ở Việt Nam sử dụng rất nhiều cầu có mặt thép bản trực hướng. Cùng với thời gian sử dụng, lớp áo đường trên các mặt cầu này xuất hiện các hư hỏng. Dạng hư hỏng bao gồm các dạng chính gồm có nứt dọc lớp bê tông asphalt dọc theo sườn tăng cường dọc phía dưới, trồi sụt và trượt của lớp bê tông asphalt mặt cầu trên mặt cầu thép phía dưới và các nứt – lõm cục bộ trên mặt asphalt. Việc phân tích nguyên nhân của các hư hỏng này là rất quan trọng vì từ việc phân tích được chính xác nguyên nhân hư hỏng, người thiết kế sẽ có cơ sở để định ra chỉ dẫn kỹ thuật cho vật liệu và có giải pháp thiết kế hình học lớp áo đường mềm sao cho đủ đảm bảo để những hư hỏng trên không xảy ra trong quá trình khai thác.

Các phân tích về sự làm việc của kết cấu áo đường trên mặt cầu thép trước đây thường bỏ qua sự làm việc kết hợp của kết cấu áo đường mềm với mặt cầu trực hướng. Người thiết kế thường có xu hướng coi kết cấu áo đường mềm như kết cấu làm việc trên mặt tuyệt đối cứng. Quan điểm này là không đúng do bản thân mặt cầu thép cũng có biến dạng rất lớn dưới tác dụng của tải trọng hoạt tải.

Trong bài báo này, nhóm tác giả tiến hành định dạng các dạng hư hỏng chính trên áo đường mềm bằng asphalt trên mặt dầm thép trực hướng. Sau đó, tiến hành mô hình hóa mặt cầu thép bằng phương pháp phần tử hữu hạn có xét đến sự làm việc kết hợp giữa lớp phủ mặt cầu và mặt cầu bằng thép trực hướng để làm rõ sự làm việc chung của 2 kết cấu này. Trên cơ sở đó xác định chính xác hơn nguyên nhân dẫn đến các hư hỏng trên áo đường.

2. Nhận dạng các hư hỏng điển hình trên áo đường mềm trên cầu thép có bản trực hướng

Dạng kết cấu áo đường mềm trên mặt cầu thép điển hình có dạng như sau:

Hư hỏng trên lớp bê tông asphalt trên mặt cầu thép thường do các nguyên nhân từ: Điều kiện khí hậu địa phương, độ mềm của bản mặt cầu thép, mật độ của xe tải nặng và chất lượng của lớp áo đường mềm. Các dạng hư hỏng chính trong kết cấu áo đường mềm trên dầm thép bao gồm: Nứt mặt do mỏi, trồi sụt và trượt, nứt cục bộ.

2.1. Nứt dọc lớp áo đường do mỏi

Hiện tượng nứt lớp áo đường bằng bê tông asphalt trên mặt cầu thép được phát hiện thấy trên hầu hết các mặt cầu bằng thép hướng. Vết nứt nằm trên mặt cầu, trên đỉnh phần sườn tăng cường dọc. Vết nứt ban đầu là các vết rạn nhỏ theo chiều dọc, sau đó mở rộng dần và phát triển về chiều dài. Sau vài tuần, các vết rạn nhỏ kết nối với nhau trở thành vết nứt dọc trên suốt chiều dài. Cuối cùng, các vết nứt liên kết với nhau theo chiều ngang tạo thành vết nứt dạng khối (dạng ô) trên mặt cầu.

2.2. Trồi sụt, trượt và bong tróc mặt đường

Dạng hư hỏng trồi sụt và trượt lớp bê tông asphalt trên mặt cầu thép trực hướng thường xuất hiện vào mùa hè khi nhiệt độ áo đường lên cao. Nguyên nhân chính của hư hỏng dạng này là do tại nhiệt độ cao, vật liệu asphalt bị suy giảm cường độ dẫn đến bị lún hằn dưới tác dụng của hoạt tải xe thẳng đứng. Ngoài ra, chuyển dịch quá lớn dưới tác dụng của tải trọng khi cường độ của lớp asphalt giảm xuống sẽ dẫn đến lớp asphalt bị trượt và bong tróc dưới tác dụng của lực ma sát ngang do hoạt tải.

2.3. Nứt – lõm cục bộ, ổ gà

Vết nứt cục bộ cũng là dạng vết nứt thường xuất hiện trên áo đường mềm trên mặt cầu thép. Hư hỏng này khi nhỏ thường có dạng một vài vết rạn nhỏ dạng tia đồng tâm tại một điểm. Theo thời gian, số lượng vết nứt dạng tia nhiều hơn và xuất hiện vết nứt tròn bao xung quanh. Cuối cùng toàn bộ mặt asphalt trong vòng tròn bị lõm xuống tạo thành ổ gà.

3. Phân tích hư hỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Để phân tích sơ bộ nguyên nhân hư hỏng mặt cầu thép, T.O Medani (xem Medani, 2006) đã tiến hành mô phỏng trạng thái chịu lực của lớp phủ bê tông asphalt trên mặt cầu thép trực hướng chịu tải trọng bánh xe kép với tổng tải trọng bằng 14,5 tấn đặt tại vị trí giữa 2 sườn tăng cường bằng phương pháp phần tử hữu hạn, sử dụng phần mềm CAPA – 3D. Lớp áo đường gồm 2 lớp chính theo cấu tạo điển hình của áo đường mềm trên cầu thép. Lớp thứ nhất bằng vật liệu bê tông asphalt có mô đun đàn hồi bằng 5000MPa, lớp dính kết phía dưới bằng màng phủ có cường độ chịu cắt bằng 1N/mm³ các giá trị này được lấy theo kết quả thí nghiệm.

 

Kết quả mô hình hóa bằng phần tử hữu hạn có xét đến sự làm việc đồng thời của bản mặt cầu thép và lớp phủ mặt cầu cho kết quả như sau:

Hình 2.8 thể hiện biến dạng trượt của lớp áo đường mềm trên mặt cầu thép, có thể nhận thấy bước nhảy của biến dạng trượt tại vị trí tiếp giáp giữa mặt cầu và lớp phủ. Biến dạng trượt này là nguyên nhân gây ra trượt lớp phủ mặt trên mặt cầu.

Hình 2.9 thể hiện biến dạng của mặt cầu thép trực hướng dưới tác dụng của hoạt tải. Trên hình vẽ, chúng ta có thể thấy được sự biến dạng tổng thể dưới của mặt cầu dưới tác dụng của hoạt tải xe.

Từ kết quả phân tích nhận thấy mặt cầu thép bị lõm đáng kể (biến dạng thẳng đứng bằng -250×10^-6 tại vị trí giữa 2 sườn tăng cường dọc. Trong khi đó, tại vị trí đỉnh sườn tăng cường dọc, mặt cầu thép biến dạng không đáng kế. Điều này dẫn đến ứng suất cắt rất lớn tại vị trí tiếp giáp giữa đỉnh sườn tăng cường và phần mặt cầu thép giữa các sườn. Ứng suất cắt này lặp đi lặp lại dưới tác dụng trùng phục của bánh xe gây ra vết nứt dọc theo sườn tăng cường của mặt cầu.

Hình 2.10 thể hiện biện dạng của mặt cầu thép làm việc đồng thời với lớp phủ phía trên.

Biến dạng kéo dương lớn nhất theo phân tích nằm tại điểm A có giá trị lên đến 900×10^-6, biến dạng kéo lớn nhất cũng là nguyên nhân gây ra vết nứt cục bộ trên mặt cầu. Vết nứt cục bộ này khi phát triển đủ lớn và liên kết với các vết nứt cục bộ khác sẽ dẫn đến nứt vỡ cục bộ trên lớp mặt asphalt trên cầu.

4. Kết luận

Trong các phần trên, chúng ta đã xác định được 3 loại hư hỏng chính xảy ra với kết cấu áo đường trên mặt cầu thép trực hướng. Mỗi loại hư hỏng đều có nguyên nhân riêng và do đó đòi hỏi cách xử lý riêng. Các loại hư hỏng này chỉ có thể được giải thích rõ ràng nếu như tiến hành phân tích sự làm việc của kết cấu áo đường đồng thời với mặt dầm thép trực hướng. Như vậy, trong các phân tích, thiết kế lớp phủ mặt đường trên mặt cầu thép, cần lưu ý phân tích sự làm việc liên hợp của lớp áo đường mềm và lớp mặt cầu thép trực hướng.

 

Tài liệu tham khảo

[1]. Bộ GTVT (2006), Áo đường mềm – Các yêu cầu và chỉ dẫn thiết kế, 22-TCN-211-06.

[2]. Bộ GTVT CH Pháp, French standard used for the determination of fatigue resistance for asphalt concrete laid on steel deck bridge.

[3]. Directoracte of Public Roads (2011), Bridge Decks – Waterproofing and Wearing Course, Norway.

[4]. EAPA (2013), European Asphalt Pavement Association-Asphalt pavement on bridge decks. Brussels, Belgium.

[5]. Edoardo Bocci, F. C (2012), Experimental analysis of structural experimental analysis of structural asphalt concrete pavements and orthotropic steel deck surfaces, trb 91st, Annual Meeting, Washington DC.

[6]. EN 13103 (2006), The European Standard for Asphalt .

[7]. LAGENG SHAO, Y. L (2004), Research of structural properties of asphalt pavement system on orthotropic steel bridge deck in full scall test.

[8]. Medani T.O., S. A (2006), Design aspects for wearing courses on orthotropic steel bridge, Delf: Delf University.

[9]. Medani, T (2006), Design Principles of Surfacings on Orthotropic Steel Bridge Decks, T.U Delf.