Kiểm định cầu là đánh giá xem một cây cầu có đủ khả năng chịu tải và an toàn khai thác hay không, gồm khảo sát hiện trạng bằng mắt và thiết bị, đo đạc kích thước, vật liệu, rồi khi cần thì thử tải: thử tải tĩnh bằng cách đặt các xe chất tải nặng theo sơ đồ định trước để đo độ võng, ứng biến; thử tải động bằng cách cho xe chạy qua ở các tốc độ để đo dao động. Kết quả đo được so với tính toán lý thuyết để kết luận cầu làm việc đúng như thiết kế hay không, và tải trọng cho phép bao nhiêu.
Người dân thường chỉ nhìn thấy phần nổi: một ngày cầu bị chặn, hàng chục xe tải chở cát đỗ thành hàng trên mặt cầu. Phía sau đó là cả một quy trình chuẩn bị, tính toán và đo đạc. Bài này giải thích quy trình ấy ở mức nguyên lý, cho người quản lý cầu nhỏ ở địa phương, chủ đầu tư và kỹ sư mới vào nghề.
Khi nào một cây cầu cần kiểm định
Kiểm định không chỉ dành cho cầu cũ có dấu hiệu hỏng. Các trường hợp thường gặp theo quy định quản lý, bảo trì công trình và thực tế khai thác:
- Trước khi đưa cầu mới vào khai thác, nhất là cầu có kết cấu mới, nhịp lớn, hoặc khi hồ sơ thi công có những điểm cần xác nhận lại bằng đo đạc.
- Định kỳ trong quá trình khai thác theo quy trình bảo trì của cầu, để phát hiện xuống cấp trước khi thành nguy hiểm.
- Khi cầu có hư hỏng rõ: nứt dầm phát triển, gối cầu hỏng, trụ bị xói, dầm võng thấy bằng mắt, cầu rung mạnh bất thường khi xe qua.
- Sau sự cố: tàu thuyền va vào trụ, lũ lớn, động đất, xe quá tải đi qua, cháy dưới gầm cầu.
- Khi cần cho xe nặng hơn tải trọng đang biển báo đi qua, ví dụ chở thiết bị siêu trường siêu trọng, hoặc khi nâng cấp tuyến đường cho tải trọng lớn hơn.
- Khi hồ sơ cầu đã mất, không ai biết cầu được thiết kế cho tải trọng nào, thường gặp ở cầu cũ do địa phương tự làm.
Với cầu dân sinh nhỏ ở xã, thôn, hai trường hợp cuối là phổ biến nhất: cầu làm từ nhiều năm trước, không còn hồ sơ, nay xe tải chở nông sản, vật liệu bắt đầu đi qua. Một lần kiểm định để xác định tải trọng cho phép và cắm biển đúng rẻ hơn rất nhiều so với hậu quả của việc đoán.
Bước đầu tiên luôn là khảo sát hiện trạng
Trước khi nghĩ tới thử tải, kỹ sư kiểm định đi khảo sát từng bộ phận của cầu: mặt cầu, lan can, khe co giãn, dầm, bản mặt cầu nhìn từ dưới, gối cầu, xà mũ, thân trụ, mố, móng và lòng sông quanh trụ. Mỗi hư hỏng được chụp ảnh, đo kích thước, đánh dấu vị trí trên sơ đồ: vết nứt dài bao nhiêu, rộng bao nhiêu, hướng nào; bê tông bong ở đâu, cốt thép lộ ra rỉ tới mức nào; gối cầu có bị xô lệch, kẹt không.
Kèm theo là các phép đo vật liệu trên kết cấu: súng bật nẩy, siêu âm, khoan lõi khi cần để biết cường độ bê tông hiện tại; đo chiều dày lớp bê tông bảo vệ và mức độ cacbonat hoá để dự báo cốt thép bắt đầu rỉ khi nào; đo điện thế ăn mòn cốt thép ở những vùng nghi ngờ; dò cốt thép để đối chiếu với bản vẽ hoặc dựng lại bản vẽ khi không còn hồ sơ. Với cầu thép, kiểm mối hàn, bulông, mức gỉ và chiều dày thép còn lại.
Với móng trụ trong sông, khảo sát dưới nước bằng thợ lặn hoặc thiết bị đo sâu cho biết lòng sông quanh trụ có bị xói sâu hơn thiết kế hay không. Xói chân trụ là loại hư hỏng nguy hiểm vì khó thấy từ trên cầu, và thường diễn biến nhanh trong mùa lũ.
Nhiều trường hợp, chỉ riêng khảo sát hiện trạng và tính toán lại đã đủ kết luận. Thử tải là bước tốn kém, phải chặn cầu, nên chỉ làm khi cần xác nhận bằng số liệu đo thực tế.
Thử tải tĩnh diễn ra thế nào
Thử tải tĩnh là đặt một tải trọng lớn đã biết lên cầu và đo phản ứng. Trình tự nguyên lý:
- Lập đề cương: chọn nhịp thử, tính các sơ đồ xếp xe để gây ra nội lực và độ võng lớn nhất ở các mặt cắt cần kiểm, tính trước độ võng và ứng suất lý thuyết cho từng sơ đồ.
- Chuẩn bị xe tải: chở vật liệu và cân từng xe để biết chính xác tải trọng từng trục; đánh dấu vị trí đỗ xe trên mặt cầu theo sơ đồ.
- Lắp thiết bị đo: đầu đo chuyển vị hoặc mốc đo cao độ dưới dầm để đo độ võng; cảm biến ứng biến (tenzo) dán ở các thớ dầm quan trọng; đo chuyển vị gối và nghiêng trụ khi cần.
- Đọc số liệu ban đầu khi cầu không có tải; tổ chức giao thông, chặn cầu, bố trí người cảnh giới và phương án dừng khẩn cấp.
- Đưa xe vào theo từng cấp, mỗi cấp chờ số đọc ổn định rồi ghi; theo dõi liên tục, nếu số đo vượt dự kiến hoặc xuất hiện nứt mới thì dừng tăng tải.
- Dỡ tải, chờ và đọc số liệu sau dỡ tải để biết độ võng dư, tức phần cầu không hồi phục lại.
- Xử lý số liệu: so độ võng, ứng biến đo được với tính toán, tính hệ số kết cấu, xem xét độ võng dư và các vết nứt trước, trong và sau thử.
An toàn là phần quan trọng nhất của thử tải. Tải thử thường được chọn để gây nội lực gần với tải trọng khai thác thiết kế chứ không phải để thử phá cầu; tăng tải theo cấp và dừng ngay khi có dấu hiệu bất thường. Không ai đứng dưới gầm cầu trong lúc tăng tải trừ người vận hành thiết bị ở vị trí được tính toán an toàn.
Thử tải động: nghe cây cầu rung
Thử tải động cho xe chạy qua cầu ở nhiều tốc độ, có khi đặt một chướng ngại nhỏ trên mặt cầu để tạo va đập, và đo dao động của kết cấu bằng gia tốc kế hoặc đầu đo chuyển vị. Từ số liệu này, kỹ sư tính được tần số dao động riêng của cầu, hệ số tắt dần và hệ số xung kích, tức là tải trọng động làm nội lực tăng lên bao nhiêu so với tải tĩnh.
Tần số dao động riêng giống như giọng nói của cây cầu: nó phụ thuộc độ cứng và khối lượng. Một cây cầu bị nứt nhiều, gối hỏng, liên kết lỏng sẽ mềm đi và tần số riêng giảm. So tần số đo được với tính toán, hoặc với lần đo trước đó của chính cây cầu, là cách gián tiếp để nhận ra kết cấu đã suy giảm độ cứng.
Hệ số xung kích lớn thường gắn với mặt cầu gồ ghề, khe co giãn hỏng, lún đầu cầu. Đó là lý do sửa khe co giãn và mặt cầu không chỉ để xe chạy êm mà còn để giảm tải trọng động tác động lên dầm.
Ngày nay một số cầu lớn được gắn hệ thống quan trắc sức khoẻ kết cấu, đo dao động, ứng biến, nhiệt độ, gió liên tục. Với cầu nhỏ, đo động định kỳ bằng thiết bị mang theo vẫn cho thông tin đáng giá với chi phí thấp hơn nhiều.
Đọc kết quả thử tải: các con số chính
Báo cáo thử tải thường có nhiều bảng số. Những chỉ số dưới đây là phần cốt lõi; tiêu chí đánh giá cụ thể theo tiêu chuẩn kiểm định cầu và đề cương được duyệt:
| Chỉ số | Cách hiểu | Điều đáng lo |
|---|---|---|
| Độ võng đo so với độ võng tính | Cầu cứng hơn hay mềm hơn mô hình tính toán | Độ võng đo lớn hơn tính toán đáng kể |
| Ứng biến đo so với tính toán | Vật liệu ở các thớ dầm chịu lực đúng dự kiến không | Ứng biến vượt, hoặc phân bố giữa các dầm lệch nhiều |
| Độ võng dư sau dỡ tải | Phần biến dạng không hồi phục | Độ võng dư lớn so với độ võng toàn phần |
| Phân bố tải giữa các dầm | Các dầm có cùng gánh tải theo thiết kế không | Một dầm gánh quá nhiều, dầm khác gần như không làm việc |
| Tần số dao động riêng | Độ cứng tổng thể của kết cấu | Thấp hơn tính toán hoặc giảm so với lần đo trước |
| Hệ số xung kích | Tải trọng động tăng bao nhiêu so với tĩnh | Lớn hơn giá trị dùng trong thiết kế |
Kết luận cuối cùng của kiểm định thường là một trong mấy dạng: cầu khai thác bình thường với tải trọng thiết kế; khai thác với tải trọng hạn chế và cắm biển; cần sửa chữa, gia cường trước khi khai thác tiếp; hoặc cấm khai thác. Kết luận phải đi kèm khuyến nghị cụ thể về những hư hỏng cần xử lý và thời điểm kiểm tra lại.
Quan trắc vết nứt: theo dõi thay vì đoán
Đo bề rộng. Bề rộng vết nứt đo bằng kính lúp có vạch chia hoặc thước đo vết nứt dạng thẻ. Vết nứt bê tông cốt thép rất nhỏ là bình thường trong giới hạn thiết kế cho phép; điều cần biết là nó rộng bao nhiêu và có lớn dần hay không. Với dầm dự ứng lực, vết nứt thường không được phép xuất hiện dưới tải khai thác nên nứt là tín hiệu cần chú ý hơn.
Đánh dấu đầu mút. Vạch một nét sơn hoặc bút đánh dấu tại hai đầu vết nứt, ghi ngày bên cạnh. Lần kiểm tra sau nhìn ngay được vết nứt có dài thêm không.
Gắn mốc theo dõi. Mốc vữa thạch cao hoặc tấm chỉ thị vết nứt gắn ngang qua vết nứt sẽ bị nứt theo nếu vết nứt còn hoạt động. Trên cầu quan trọng có thể gắn đầu đo chuyển vị điện tử ghi liên tục để thấy vết nứt mở ra khép vào theo nhiệt độ và tải.
Ghi sổ có hệ thống. Mỗi vết nứt có mã số, vị trí trên sơ đồ, ảnh chụp cùng thước tham chiếu, số đo theo ngày. Sổ theo dõi qua nhiều năm là tài sản quý cho lần kiểm định sau và cho quyết định sửa chữa.
Khi nào báo ngay. Vết nứt mới xuất hiện sau sự cố, vết nứt nghiêng gần gối dầm, vết nứt phát triển nhanh giữa hai lần đo, bê tông bong kèm cốt thép đứt, hoặc dầm võng thấy rõ bằng mắt: cần báo cơ quan quản lý cầu để hạn chế tải và mời đơn vị kiểm định ngay, không chờ kỳ kiểm tra định kỳ.
Thuê đơn vị kiểm định cho cầu ở địa phương
Kiểm định cầu là công việc đòi hỏi đơn vị có năng lực phù hợp theo quy định hiện hành về hoạt động kiểm định xây dựng, có kỹ sư kết cấu cầu, thiết bị đo chuyển vị, ứng biến, dao động và kinh nghiệm lập đề cương thử tải. Đề cương phải được phê duyệt trước khi thử; báo cáo kiểm định là căn cứ để cơ quan quản lý quyết định tải trọng khai thác.
Khi mời đơn vị, nên cung cấp mọi thông tin còn có về cây cầu: năm xây, ai làm, bản vẽ nếu có, các lần sửa chữa, ảnh cũ, lưu lượng và loại xe đang qua lại, các sự cố từng xảy ra. Thông tin càng đầy đủ, đơn vị kiểm định càng ít phải đoán và chi phí khảo sát càng hợp lý.
Danh bạ doanh nghiệp cầu đường của trang có nhóm tư vấn, kiểm định theo tỉnh; xã, thôn hay doanh nghiệp có cầu nội bộ có thể lọc theo tỉnh để tìm vài đơn vị, hỏi về các cầu họ đã kiểm định và mời khảo sát sơ bộ trước khi quyết định có cần thử tải hay không.
Câu hỏi thường gặp
Thử tải có làm hỏng cầu không?
Thử tải được thiết kế để gây nội lực gần tải trọng khai thác thiết kế, không phải để thử phá. Tải được tăng theo cấp, theo dõi liên tục và dừng ngay khi có dấu hiệu bất thường. Với cầu đã hư hỏng nặng, đơn vị kiểm định có thể quyết định không thử tải mà đánh giá bằng khảo sát và tính toán.
Một lần thử tải cầu mất bao lâu?
Phần thử tải tĩnh và động tại hiện trường với cầu nhỏ thường gói gọn trong một ngày hoặc vài ngày, nhưng chuẩn bị đề cương, tính toán, khảo sát, cân xe, lắp thiết bị mất nhiều thời gian hơn. Báo cáo kết quả còn cần thời gian xử lý số liệu và đánh giá.
Cầu không còn hồ sơ thiết kế thì kiểm định thế nào?
Đơn vị kiểm định sẽ đo vẽ lại kích thước, dò cốt thép, khoan lõi xác định cường độ bê tông, rồi dựng mô hình tính toán dựa trên số liệu thực đo. Thử tải khi đó càng có giá trị vì giúp hiệu chỉnh mô hình bằng phản ứng thực của cầu.
Biển tải trọng trên cầu được xác định từ đâu?
Từ tải trọng thiết kế của cầu, hoặc từ kết luận của kiểm định khi cầu đã xuống cấp hay không rõ hồ sơ. Cơ quan quản lý đường bộ căn cứ kết luận đó để cắm biển hạn chế tải trọng. Xe vượt tải trọng biển báo qua cầu là nguyên nhân phổ biến làm cầu nhỏ xuống cấp nhanh.
Có thể tự đo vết nứt trên cầu ở xã mình không?
Việc đánh dấu, chụp ảnh và ghi ngày các vết nứt dễ thấy là việc người quản lý cầu ở địa phương làm được và rất hữu ích. Nhưng đánh giá vết nứt nguy hiểm hay không là việc của kỹ sư kết cấu. Không leo xuống gầm cầu hay ra trụ giữa sông khi không có trang bị an toàn.
Kiểm định cầu khác kiểm tra cầu định kỳ thế nào?
Kiểm tra định kỳ là quan sát, ghi nhận hư hỏng theo quy trình bảo trì, thường do đơn vị quản lý cầu làm. Kiểm định là đánh giá chuyên sâu có đo đạc, thí nghiệm, có thể thử tải, do đơn vị có năng lực thực hiện, kết luận về khả năng chịu tải và an toàn khai thác.