GIỚI THIỆU tóm tắt về TIÊU CHUẨN THIẾT kế THEO hệ số tải TRỌNG và hệ số sức KHÁNG (LRFD) của AASHTO và TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ CẦU MỚI CỦA VN, KÝ HIỆU 22 TCN -272-01

GIỚI THIỆU tóm tắt về, TIÊU CHUẨN THIẾT kế, THEO hệ số tải TRỌNG ,hệ số sức KHÁNG (LRFD) của AASHTO,TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ, CẦU MỚI CỦA VN, KÝ HIỆU 22 TCN -272-01

Giới thiệu tóm tắt về tiêu chuẩn thiết kế theo

hệ số tải trọng và hệ số sức kháng (LRFD) của AASHTO và tiêu chuẩn thiết kế cầu mới của VN.

ký hiệu 22 TCN -272-01

PGS TS Nguyễn Viết Trung.

Đại Học Giao Thông Vận Tải.

Hà nội, Tháng 8/2002.

1 Tổng quan

1.1 Lời nói đầu

1.2 Quá trình hình thành

1.3 Nhiệm vụ

1.4 Triết lí thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng

1.5 Các kí hiệu và đơn vị

1.1 Lời nói đầu

Đây là một bài giới thiệu sơ lợc về tiêu chuẩn thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng, gồm một số chủ đề chung và cách xử lí đơn giản trong thiết kế bê tông Nhiệm vụ chính của bài này là đa ra một bức tranh tổng quan về LRFD là gì Trong bài này, chúng

ta có thể thấy những thông tin chi tiết và những phân tích kĩ thuật sâu sắc qua những ví dụ thiết kế và những công cụ trợ giúp thiết kế

Để giúp cho bài viết súc tích, ngắn gọn lại dễ hiểu, trong toàn bộ bài, các tên, các tiêu đề

và các vấn đề đợc dùng ở dạng viết tắt Những từ này đợc dùng hoặc không đợc dùng trong các thuật ngữ của AASHTO Dới đây là danh sách các từ:

Từ viết tắt Nghĩa

LRFD Tiêu chuẩn thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng của

AASHTO

SS Tiêu chuẩn thiết kế chung cho đờng bộ của AASHTO

STM Mô hình chống và giằng (xem trong phần thiết kế chống

lực cắt và lực xoắn)

MCFT Học thuyết về lực nén thay đổi (xem trong phần thiết kế chống lực cắt và lực xoắn)

1.2 Quá trình hình thành

Vào năm 1986, tiểu ban của AASHTO về cầu và kết cấu thấy rằng tiêu chuẩn chung cho cầu đờng bộ ( Standard Specification, viết tắt là SS ) còn có một số mâu thuẫn và cha đại diện cho *********** trong thiết kế cầu và bớc đầu tiên cần làm là thay thế nó đi Họ thừa nhận rằng yêu cầu đặt ra đối với uỷ ban nghiên cứu là phải thực hiện đánh giá về tiêu chuẩn hiện có và so sánh nó với tiêu chuẩn thiết kế của nớc ngoài cũng nh đối với các triết

lí thiết kế khác nhau Công việc này đợc hoàn thành vào năm 1987 và đánh giá rằng tiêu chuẩn này so với tiêu chuẩn nớc ngoài còn có khoảng cách và có thể dễ dàng nhận thấy

đ-ợc sự khác biệt, thậm chí có một số điểm trái ngđ-ợc hoàn toàn Hơn nữa, tiêu chuẩn này không phải là hiện thân của triết lí thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng

Sau khi nghiên cứu này đợc công bố, một quy trình mới, đầy đủ đã đợc phát triển – Tiêu chuẩn thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng Nỗ lực kéo dài 5 năm đã kết thúc vào năm 1993 và tiêu chuẩn thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng(viết tăt tiếng Anh là LRFD) đã đợc AASHTO công nhận cùng với SS Nhng lúc này, phần lớn các bang vẫn thiết kế cầu theo Tiêu chuẩn SS nên khi đa ra tiêu chuẩn LRFD, AASHTO thừa nhận cả 2 Tiêu chuẩn và xem LRFD là sự thay thế dần dần cho SS Điều này nghĩa là lúc này không phải là lúc trả lời cho câu hỏi liệu LRFD có thay thế đợc cho SS hay không mà chỉ

là sự chuyển tiếp từ SS lên LFRD mất bao lâu

Hiện nay, một số bang đã và đang dần công nhận LFRD Một số bang khác cũng đang xem xét LRFD ở các mức độ khác nhau

1.3 Nhiệm vụ

 ***

 Dễ hiểu

 Phù hợp với ngành, nghề

 Giống với cuốn sách chuyên ngành (hơn là giống một cuốn sách giáo khoa)

 Thiết kế cẩn thận, tỉ mỉ

 Nhận thức rõ về những nơi có tầm quan trọng cao: tính dẻo, tính d

Để đạt đợc những mục đích nh trên, cần phải thực hiện nhiều thay đổi đối với quy trình

cũ, bao gồm:

 Đa ra triết lí thiết kế có tính an toàn cao

 Xác định 4 trạng thái giới hạn trong quá trình thiết kế

 Phát triển các hệ số tải trọng và hệ số sức kháng mới

 Phát triển các mô hình tải trọng đã đợc cải tiến

 Xem xét kĩ những kĩ thuật dùng để phân tích và phân bố tải trọng

 Kết hợp cả bê tông cốt thép, bê tông dự ứng lực một phần hay toàn phần vào kết cấu

 Phát triển các nhận xét, t tởng độc lập

1.4 Triết lí thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức

kháng(LRFD)

Tiêu chuẩn LRFD chính là sự biểu hiện của triết lí trong đó cầu phải đợc thiết kế để đạt

đ-ợc các mục tiêu :thi công đđ-ợc, an toàn và sử dụng đđ-ợc, có xét đến các vấn đề: khả năng dễ kiểm tra, tính kinh tế, mĩ quan Khi thiết kế cầu, để đạt đợc những mục tiêu này, cần phải thoả mãn các trạng thái giới hạn: kết cấu phải đủ độ dẻo, phải có nhiều đờng truyền lực (nh tính d) và phải xét đến tầm quan trọng trong khai thác

1.5 Kí hiệu, đơn vị

Trong khi một số kí hiệu đợc sử dụng trong tiêu chuẩn LRFD giống với trong tiêu chuẩn

SS thì có một số kí hiệu lại khác hoàn toàn ở những ví dụ mà kí hiệu trong tiêu chuẩn LRFD khác với trong tiêu chuẩn SS thì nói chung là kí hiệu này giống với kí hiệu trong ACI318, quy trình xây dựng kết cấu bằng bê tông cốt thép

Trong tiêu chuẩn LRFD có cả hệ đơn vị của Mĩ lẫn hệ đơn vi quốc tế (tính theo đơn vị mét) Do đó, trong bản tính theo đơn vị của Mĩ thì ngời ta thay các đơn vị “lb” và “psi” bằng các đơn vị “KIP” và “KSI” (chú ý theo quy ớc, các đơn vị đợc viết bằng chữ in hoa) Kết quả là những hệ số tơng tự trong các phơng trình phải thay đổi mặc dù thực ra các

ph-ơng trình này là nh nhau Ví dụ nh “6f’c” (có đơn vị psi) bây giờ thành “0.190 f’c” (có

đơn vị KSI)

2 Tải trọng

2.1 Các trạng thái giới hạn

2.2 Các loại tải trọng

2.3 Tải trọng thờng xuyên

2.4 Tải trọng tạm thời

2.5 Tác dụng của tải trọng bánh xe

2.6 Tải trọng mỏi

2.7 Hệ số làn xe

2.8 Các hệ số tải trọng

2.1 Các trạng thái giới hạn

Trong LRFD, các cấu kiện đều phải thoả mãn cái mà ta gọi là các trạng thái giới hạn Tất cả các trạng thái giới hạn cần phải thoả mãn là:

hSQigifRn=Rr

với

h : hệ số điều chỉnh tải trọng

gi : hệ số tải trọng thứ i

Qi : các ứng lực

f : các hệ số sức kháng

Rn : sức kháng danh định

Rt : sức kháng tính toán

Để hiểu về khái niệm này, ngời ta đã đa một khái niệm dựa trên thực nghiệm về trạng thái giới hạn đợc ghi trong tiêu chuẩn LRFD

Trạng thái giới hạn là trạng thái mà lớn hơn sự chịu lực của công trình để đảm bảo công trình khai thác đợc bình thờng

Theo LRFD, có 4 trạng thái giới hạn là:

 Trạng thái giới hạn cờng độ: đảm bảo cờng độ và sự ổn định

 Trạng thái giới hạn đặc biệt: liên quan đến những sự kiện đặc biệt chỉ lặp lại sau một thời gian dài (nh động đất, băng trôi, va tàu thuỷ, xe cộ)

 Trạng thái giới hạn sử dụng: liên quan đến ứng suất, biến dạng, nứt

 Trạng thái giới hạn mỏi: để hạn chế biên độ của ứng suất

Mỗi trạng thái giới hạn đều có một hoặc nhiều loại, mỗi loại lại có mục đích riêng:

Trạng thái giới hạn cờng độ

I : Tổ hợp tải trọng cơ bản

II : Lợng xe tiêu chuẩn.

III: Vận tốc gió > 55 dặm/giờ

IV: Sự chênh lệch lớn giữa tĩnh và hoạt tải

V : Hoạt tải cộng thêm tải trọng gió (55 dặm/giờ)

Trạng thái giới hạn những sự kiện đặc biệt

I : Tổ hợp tải trọng liên quan đến động đất

II : Tải trọng băng tuyết, va tàu thuyền, xe cộ

Trạng thái giới hạn sử dụng

I : Tổ hợp tải trọng sử dụng thông thờng

II : Kết cấu thép

III: Chịu kéo trong trờng hợp bê tông cốt thép dự ứng lực kéo trớc

Trạng thái giới hạn mỏi : Hoạt tải xe trùng phục

Đối với tiêu chuẩn SS, các phơng pháp kiểm tra thiết kế cũng nh vậy Tuy nhiên, chúng đợc thực hiện trên một kết cấu hoàn toàn khác

2.2 các Loại tải trọng

Tiêu chuẩn LRFD chia tải trọng thành 2 loại chính là tải trọng thờng xuyên và tải trọng nhất thời Trong 2 loại chính này, mỗi loại lại chia thành nhiều loại nhỏ hơn và cộng thêm vài loại tải trọng nữa Hiện nay, mỗi loại tải trọng đều đợc kí hiệu bằng 2 chữ cái

2.3 Tải trọng thờng xuyên

Khi xem xét tải trọng thờng xuyên, cần xác định rõ một số loại tải trọng Chú ý rằng trớc

đây, tĩnh tải(tải trọng bản thân) của cầu chỉ có một loại Nhng giờ đây, nó đợc chia thành

2 loại chính là DC và DW, với các hệ số tải trọng khác nhau

Kí hiệu Nghĩa

DD Tải trọng kéo xuống

DC Tải trọng bản thân của các bộ phận kết cấu và thiết bị phụ phi kết cấu

DW Tải trọng bản thân của lớp phủ mặt và các tiện ích công cộng

EH áp lực đất nằm ngang

ES Tải trọng đất chất thêm

EV áp lực thẳng đứng do tự trọng đất đắp

2.4 Tải trọng tạm thời

Theo LRFD, một số loại tải trọng nhất thời đợc định nghĩa nh sau:

Kí hiệu Nghĩa

BR Lực hãm xe

CE Lực li tâm

CR Từ biến

CT Lực va xe

CQ Lực va tàu

EQ Động đất

FR Ma sát

IC Tải trọng băng tuyết

IM Lực xung kích của xe

LL Hoạt tải xe

LS Hoạt tải chất thêm

PL Tải trọng ngời đi

SE Lún

SH Co ngót

TG Gradien nhiệt

TU Nhiệt độ phân bố đều

WA Tải trọng nớc và áp lực dòng chảy

WL Gió trên hoạt tải

WS Tải trọng gió trên kết cấu

Hoạt tải

Một trong số những thay đổi lớn nhất đợc đa ra trong thiết kế cầu ở quy trình mới là mô hình hoạt tải xe Trong LRFD, có 3 loại xe nh sau:

Xe tải thiết kế : gồm một trục xe trớc nặng 8 KIP và hai trục xe sau, mỗi trục xe nặng 32 KIP Hai trục xe đầu cách nhau một khoảng không đổi là 14 feet, trong khi đó thì khoảng cách hai trục xe sau thay đổi từ 14 đến 32 feet

Xe hai trục thiết kế: gồm hai trục, mỗi trục nặng 25 KIP, cách nhau một khoảng không

đổi là 4 feet

Tải trọng làn thiết kế : là tải trọng phân bố đều 0.64 KIP/foot

Từ quan điểm tạo hình, xe tải thiết kế trong LRFD có tỉ lệ tải trọng giữa các trục xe giống với xe tải HS 20 trong tiêu chuẩn SS nh chúng ta thấy ở hình 1 Tuy nhiên, cần chú ý rằng,

xe tải thiết kế trong tiêu chuẩn LRFD không hoàn toàn tỉ lệ với xe HS 20 trong tiêu chuẩn

SS Ví dụ nh xe HS 25 sẽ không tơng đơng với xe tải thiết kế trong LRFD

2.5 Tác dụng của hoạt tải xe thiết kế

Nói chung, cần phải kiểm tra hai tổ hợp xe trong các thành phần của hoạt tải xe thiết kế cho tất cả các loại cầu để xác định đợc trờng hợp bất lợi nhất do hoạt tải gây ra Những tổ hợp tải trọng mà ta đặt tên là HL93 gồm:

 Tải trọng xe tải thiết kế + tải trọng làn thiết kế

 Tải trọng xe 2 trục + tải trọng làn thiết kế

Đối với những cây cầu liên tục, ở giữa những điểm uốn ngợc chiều chịu tác dụng của tĩnh tải và để xác định đợc phản lực gối giữa gây bất lợi nhất thì ngời ta lấy 90% hiệu ứng của hai xe tải thiết kế với 90% hiệu ứng của tải trọng làn thiết kế Khoảng cách giữa các trục

của xe tải lấy không đổi là 14FT và khoảng cách giữa trục bánh trớc xe này với trục sau

xe kia không đợc nhỏ hơn 50FT

Khi xác định tải trọng gây ra bất lợi nhất, cần dùng những tải trọng và kĩ thuật khác tác dụng mà gây ra ứng lực lớn nhất Những trục bánh xe không gây ra ứng lực lớn nhất phải

bỏ qua

2.6 Tải trọng mỏi

Lấy một xe đặc biệt dùng để thí nghiệm mỏi Đây là một xe tải thiết kế nh đã quy định ở trên nhng trục xe sau nặng 32KIP, cách trục xe trớc một khoảng cố định là 32FT và

không tính đến tải trọng rải đều

2.7 Hệ số làn xe

Để tính ảnh hỏng của cầu có nhiều làn xe, ngời ta đa vào hệ số làn xe Chúng đợc dùng ở những trờng hợp : 1 làn xe, 2 làn xe, 3 làn xe hay nhiều hơn nữa Nhng cần chú ý rằng,

ảnh hỏng của hệ số làn xe đợc tính toán từ các phơng trình tính gần đúng hệ số phân bố tải trọng đợc quy định trong tiêu chuẩn LRFD Tuy nhiên, đối với trờng hợp phân tích mỏi, khi xem xét một làn xe, hệ số phân bố tìm đợc bằng cách sử dụng phơng pháp xấp xỉ cần phải đợc chia cho hệ số phân bố của một làn là 1.2

Bảng 1 : Hệ số làn xe “m” (bảng 3.6.1.1.2-1 trong tiêu chuẩn LRFD)

Số làn chất tải Hệ số làn " m"

2.8 Các hệ số tải trọng

Đối với từng trạng thái giới hạn, hệ số tải trọng khác hẳn so với tiêu chuẩn SS Bảng 3.4.1-1 và 3.4.1-2 trong tiêu chuẩn LRFD cho thấy các hệ số tải trọng và tổ hợp tải trọng ứng với từng trạng thái giới hạn.Ví dụ nh đối với một cây cầu dầm hộp bê tông ứng suất trớc nhịp giản đơn, cờng độ ở trạng thái giới hạn I đợc xác định nh sau:

Q=1.25DC + 1.5DW + 1.75LL

Với Q là tổng ứng lực và DC, DW, LL đợc xác định nh trên

Bảng 2 : Các tổ hợp tải trọng và hệ số tải trọng (Bảng 3.4.1-1 trong tiêu chuẩn LRFD)

tải trọng DD IM WA WS WL FR CR TG SE một trong

giới hạn EV PL EQ IC CT CV

-ES,DW và DC

0

-Bảng 3 : Các hệ số tải trọng đối với tải trọng thờng xuyên, gp ( bảng 3.4.1-2 trong tiêu chuẩn LRFD)

Loại Tải Trọng Hệ số tảI trọng

Lớn nhất nhỏ nhất

EH: áp lực ngang của đất

EV: áp lực đất thẳng đứng

ổn định tổng thể 1.35 N/A

3 Hệ số sức kháng

Hệ số sức kháng , f , là hệ số nhân (điều chỉnh) dựa trên thống kê dùng cho sức kháng danh định của từng cấu kiện Đối với bê tông, những hệ số sức kháng lấy từ chơng

5 nh sau:

Bảng 4 : hệ số sức kháng theo tiêu chuẩn LRFD

Chịu kéo và uốn:

Chịu cắt và xoắn:

Chịu nén ở neo

4 Phân tích

4.1 Giới thiệu chung

4.2 Phơng pháp xấp xỉ

4.3 Bản mặt cầu

4.4 Hệ số phân bố đối với cầu dầm bản

4.1 Giới thiệu chung

Tiêu chuẩn LRFD cho rằng bất kì phơng pháp phân tích nào mà hợp lí đều có thể sử dụng

để phân tích cầu, đảm bảo thoả mãn tất cả các điều kiện cân bằng, tính tơng hợp và sử dụng đợc mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng cho loại vật liệu đang xét Các phơng pháp đợc tiêu chuẩn công nhận nói tới ở đây là:

 Phơng pháp chuyển vị và phân tích lực cổ điển

 Phơng pháp sai phân hữu hạn

 Phơng pháp phần tử hữu hạn

 Phơng pháp bản gập

 Phơng pháp dải băng hữu hạn

 Phơng pháp tơng tự mạng dầm

 Phơng pháp chuỗi hoặc hàm điều hoà khác

 Phơng pháp đờng chảy dẻo

Bên cạnh đó, tiêu chuẩn còn chú ý ngời kĩ s khi sử dụng các chơng trình máy tính dựa trên các phơng pháp trên Tiêu chuẩn chỉ rõ là ngời thiết kế phải là ngời chịu trách nhiệm

về kết quả chơng trình đợc sử dụng Điều muốn nói tới ở đây là chơng trình chỉ là công cụ trợ giúp thiết kế và ngời kĩ s có thể sử dụng tuỳ ý bất kì công cụ nào Tuy nhiên, ngời kĩ s này phải hoàn toàn chịu trách nhiệm về sự sử dụng của mình Đó là khi sử dụng một phần mềm thì tên, phiên bản và ngày phần mềm đợc đa vào sử dụng phải đợc ghi rõ trong các tài liệu của hợp đồng

4.2 Phơng pháp xấp xỉ

Thay cho phân tích chi tiết, nếu tất cả các tiêu chuẩn đều đã thoả mãn, có thể sử dụng phơng pháp xấp xỉ nh trong tiêu chuẩn LRFD Tất nhiên, những phơng pháp này là kinh nghiệm nhng lại tiết kiệm đợc rất nhiều thời gian so với phơng pháp chính xác Nếu dùng phơng pháp xấp xỉ, chúng ta chỉ cần thực hiện một số phơng trình khá đơn giản Ví dụ nh, nếu lấy công sức bỏ ra để so sánh thì so với phơng pháp phân tích phần tử hữu hạn hay phân tích một khung đơn giản, phơng pháp xấp xỉ sẽ tiết kiệm đợc một lợng công việc

đáng kể

4.3 Bản Mặt cầu

Mặt cầu có thể đợc thiết kế bằng phơng pháp dựa vào kinh nghiệm hay phơng pháp cổ

điển Cái tên có thể nói lên tất cả, phơng pháp dựa vào kinh nghiệm không phải là phơng pháp dựa vào lí trí, cũng chẳng liên quan đến một phân tích nào.Hơn nữa, cốt thép đợc quy định bố trí trên và dới nh nhau thay vì bố trí lới cốt thép ở phía trên và dới theo tính toán Tuy nhiên, đầu tiên,phải thoả mãn số tiêu chuẩn đợc nêu ở chơng 9 mới có thể sử dụng đợc phơng pháp dựa vào kinh nghiệm

Phơng pháp cổ điển này chia mặt cầu thành những dải nhỏ có bề rộng khác nhau phụ thuộc vào cách nghiên cứu Bề rộng các dải chỉ rõ mômen dơng, mômen âm và cách thiết

kế bản hẫng

Bảng 3 : Bề rộng dải tơng đơng của mặt cầu

Loại kết cấu nhịp

Phần hẫng 45.0 + 10.0X

Bê tông đúc tại chỗ hoặc song song +M: 26.0 + 6.6S

hoặc vuông góc -M: 48.0 + 3.0S

Bê tông đúc tại chỗ có ván

hoặc vuông góc -M: 48.0 + 3.0S

Đúc sẵn, căng sau hoặc song song +M: 26.0 + 6.6S

hoặc vuông góc -M: 48.0 + 3.0S

4.4 Hệ số phân bố đối với cầu dầm bản

Đối với việc phân tích đơn giản cầu dầm bản, các phơng trình tính hệ số phân bố hoạt tải trong tiêu chuẩn LRFD còn khá phức tạp so với trong tiêu chuẩn SS Trớc đây, chỉ có một

hệ số phân bố dùng cho cả mômen, lực cắt và mômen lẫn lực cắt thờng đợc tính bằng các phơng trình hết sức đơn giản (ví dụ nh trong S/5.5) Mặc dù, hiện nay, phơng trình tính hệ

số phân bố của mômen và lực cắt đợc chia ra chứ không tính chung nữa, và những phơng trình này đều là hàm của một vài tham số Tuy nhiên, nếu có thể dùng đợc, sử dụng những phơng trình tính hệ số phân bố chắc chắn hợp lí hơn là lựa chọn dùng phơng pháp phân tích phần tử hữu hạn hay phơng pháp tơng tự mạng dầm

Tuy nhiên, để có thể sử dụng hệ số phân bố hoạt tải đợc quy định trong tiêu chuẩn LRFD, trớc hết phải thoả mãn các điều kiện sau:

 Bề rộng mặt cầu là hằng số

 Số lợng dầm không nhỏ hơn 4

 Các dầm song song với nhau

 Các dầm phải có độ cứng nh nhau

 Phần đờng xe chạy của bản hẫng là 3FT

 Độ cong phải nhỏ hơn giới hạn nêu trong điều 4.6.1.2

 Mặt cắt ngang phải giống với các mặt cắt đã quy định

Cũng có một số hạn chế đối với mỗi trờng hợp hệ số phân bố đặc biệt Nói chung là phạm vi áp dụng chúng ta có thể thấy qua bảng

4.4.1 Hệ số phân bố cho mômen

Để xác định đợc phơng trình tính các hệ số phân bố, theo LRFD, trớc hết phải xác

định đợc chính xác loại cầu Đối với cầu dầm I điển hình dự ứng lực có bản mặt cầu liên hợp, loại cầu này là thuộc loại K Tra bảng 4.6.2.2.2b-1để tìm hệ số phân bố dùng cho mômen ở dầm giữa Đối với cầu có 2 làn hoặc hơn 2 làn thiết kế chất tải, hệ số phân bố là: với Kg=n(1 + eg) (theo công thức 4.6.2.2.1-1 trong tiêu chuẩn LRFD)

Cho rằng

 3.5S16

9.5













0.6

S L













0.2

12.0L  tg 3















0.1





