Bài giảng Kết cấu thép (Theo 22TCN272-05 & AASHTO-LRFD 1998)

[r]

(1)

Bài giảng kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22TCN272-05- Đào Văn Dinh 2015

BÀI GI

Ả

NG K

Ế

T C

Ấ

U THÉP

(THEO 22TCN272-05 & AASHTO-LRFD 1998)

MỤC LỤC

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1.1 Ưu nhược điểm phạm vi sử dụng

1/ Ưu điểm :

2/ Nhược điểm :

3/ Phạm vi sử dụng :

1.1.2 Yêu cầu kết cấu thép

1.2 THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP THEO TIÊU CHUẨN 22TCN 272-05

1.2.1 Quan điểm chung thiết kế

1.2.2 Sự phát triển trình thiết kế

1.2.3 Nguyên tắc tiêu chuẩn 22TCN 272-05 10

1.2.4 Giới thiệu tải trọng tổ hợp tải trọng theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05 17

1.3 VẬT LIỆU THÉP XÂY DỰNG 21

1.3.1 Thành phần hoá học phân loại thép 22

1.3.2 Khái niệm vềứng suất dư 27

1.3.3 Gia công nhiệt 28

1.3.4 Ảnh hưởng ứng suất lặp ( mỏi) 28

1.3.5 Sự phá hoại giòn 31

2 LIÊN KẾT TRONG KẾT CẤU THÉP 33

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LIÊN KẾT TRONG KẾT CẤU THÉP 33

2.1.1 Liên kết dạng đinh: ( đinh tán, bu lông) 33

2.1.2 Liên kết hàn 33

2.1.3 Phân loại liên kết theo tính chất chịu lực 33

2.2 CẤU TẠO LIÊN KẾT BU LÔNG 34

2.2.1 Cấu tạo , phân loại bu lơng 34

2.2.2 Các hình thức cấu tạo liên kết bu lông 37

2.2.3 Bố trí bu lơng 39

(2)

2.3.1 Các trường hợp phá hoại liên kết bu lông thường 42

2.3.2 Cường độ chịu ép mặt cường độ chịu cắt liên kết 44

1/ Cường độ chịu cắt bu lông 44

2/ Cường độ chịu ép mặt bu lông 44

2.3.3 Cường độ chịu ma sát liên kết bu lông cường độ cao 48

1/ Đặc điểm chế tạo đặc điểm chịu lực liên kết bu lông cường độ cao chịu ma sát, phương pháp xử lý bề mặt thép: 48

2/ Tính tốn sức kháng trượt 49

2.3.4 Tính tốn liên kết bu lơng chịu cắt 50

2.4 LIÊN KẾT BU LÔNG CHỊU KÉO 59

2.4.1 Liên kết bu lông chịu kéo 59

2.4.2 Liên kết bu lông chịu kéo cắt kết hợp 61

2.5 LIÊN KẾT HÀN 62

2.5.1 Cấu tạo chế tạo liên kết hàn 62

2.5.2 Sức kháng tính tốn mối hàn 72

2.5.3 Liên kết hàn lệch tâm chịu cắt 76

2.6 CẮT KHỐI 80

2.6.1 Cắt khối liên kết bu lông 80

2.6.2 Cắt khối liên kết hàn 81

3 CẤU KIỆN CHỊU KÉO 84

3.1 Đặc điểm cấu tạo : 84

3.1.1 Các hình thức mặt cắt : 84

3.1.2 Các dạng liên kết : 84

3.2 Tính tốn cấu kiện chịu kéo tâm 85

3.2.1 Tổng quát : 85

3.2.2 Sức kháng kéo chảy 86

3.2.3 Sức kháng kéo đứt 86

3.2.4 Giới hạn độ mảnh 91

4 CẤU KIỆN CHỊU NÉN 93

4.1 Đặc điểm cấu tạo 93

4.1.1 Hình thức mặt cắt kín 94

4.1.2 Hình thức mặt cắt hở 95

4.2 Khái niệm vềổn định cột 96

4.2.1 Khái niệm ổn định đàn hồi 96

4.2.2 Khái niệm ổn định đàn hồi 100

4.3 Tính tốn cấu kiện chịu nén tâm 102

(3)

4.3.2 Tỷ số bề rộng/bề dày giới hạn 104

4.3.3 Tỷ sốđộ mảnh giới hạn 105

4.3.4 Các dạng toán 106

5 CẤU KIỆN CHỊU UỐN TIẾT DIỆN CHỮ I 111

5.1 ĐẶC ĐIỂM CHUNG VỀ CẤU TẠO 111

5.1.1 Các kích thước dầm 111

5.1.2 Các loại dầm phạm vi sử dụng: 112

1/ Dầm thép hình 112

2/ Dầm ghép ( dầm tổ hợp) 112

5.2 SỰ LÀM VIỆC CHỊU UỐN CỦA DẦM I 113

5.2.1 Các giai đoạn làm việc mặt cắt dầm chịu uốn túy Khái niệm mô men chảy mô men dẻo 113

5.2.2 Mômen chảy mô men dẻo 115

5.2.3 Sự phân bố lại mômen 126

5.2.4 Khái niệm vềổn định dầm 128

5.2.5 Phân loại tiết diện 130

5.2.6 Độ cứng 131

5.3 CÁC TRẠNG THÁI GIỚI HẠN 132

5.3.1 Trạng thái giới hạn cường độ 132

5.3.2 Trạng thái giới hạn sử dụng 132

5.3.3 Trạng thái giới hạn mỏi đứt gãy 133

5.4 SỨC KHÁNG UỐN CỦA MẶT CẮT DẦM I 146

5.4.1 Ảnh hưởng độ mảnh vách đứng đến sức kháng uốn dầm 146

5.4.2 Ảnh hưởng độ mảnh cánh nén đến sức kháng uốn dầm 153

5.4.3 Ảnh hưởng chiều dài tự cánh nén đến sức kháng uốn dầm 157

5.4.4 Sức kháng uốn tiết diện I 166

5.5 SỨC KHÁNG CẮT CỦA MẶT CẮT CHỮ I 174

5.5.1 Sức kháng cắt tác động lên dầm 174

5.5.2 Sức kháng cắt tác động trường căng 176

5.5.3 Sức kháng cắt tổ hợp 180

5.5.4 Sức kháng cắt vách khơng có sườn tăng cường 181

5.5.5 Sức kháng cắt vách tăng cường 183

5.6 SƯỜN TĂNG CƯỜNG 191

5.6.1 Sườn tăng cường đứng trung gian 191

5.6.2 Sườn tăng cường gối 197

5.7 MỐI NỐI DẦM 201

(4)

5.7.2 Mối nối công trường bu lông 202

6 CẤU KIỆN CHỊU UỐN, LỰC DỌC TRỤC KẾT HỢP 207

6.1 Cấu kiện chịu uốn chịu kéo kết hợp 207

6.2 Cấu kiện chịu uốn chịu nén kết hợp 208

6.2.1 Mô men uốn sơ cấp mô men uốn thứ cấp 208

(5)

1

ĐẠI CƯƠNG VỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP

1.1

GIỚI THIỆU CHUNG

1.1.1 Ưu nhược điểm phạm vi sử dụng 1/ Ưu điểm :

Kết cấu thép sử dụng rộng rãi cơng trình xây dựng có ưu điểm sau:

Kết cấu thép có khả chịu lực lớn Do cường độ thép cao nên kết cấu thép chịu lực lớn với mặt cắt không cần lớn lắm, lợi dụng khơng gian cách hiệu

Việc tính tốn kết cấu thép có độ tin cậy cao Thép có cấu trúc đồng đều, mô đun đàn hồi lớn Trong phạm vi làm việc đàn hồi, kết cấu thép phù hợp với giả thiết sức bền vật liệu đàn hồi (như tính đồng chất, đẳng hướng vật liệu, giả thiết mặt cắt phẳng, nguyên lý độc lập tác dụng)

Kết cấu thép “nhẹ” so với kết cấu làm vật liệu thông thường khác (bê tông, gạch đá, gỗ) Độ nhẹ kết cấu đánh giá hệ số c = γ /F, tỷ số tỷ trọng

γcủa vật liệu cường độ F của Hệ số c nhỏ vật liệu nhẹ Trong bê tơng cốt thép (BTCT) có

m

24.10

c= − , gỗ có

m

4, 5.10

c= − hệ số c thép

m

3, 7.10− (Tài liệu [1])

Kết cấu thép có tính cơng nghiệp hố cao: Nó thích hợp với thi cơng lắp ghép có khả giới hoá cao chế tạo Các cấu kiện thép dễđược sản xuất hàng loạt xưởng với độ xác cao Các liên kết kết cấu thép (đinh tán, bu lông, hàn) tương đối đơn giản, dễ thi công

Kết cấu thép có tính kín : Vật liệu liên kết kết cấu thép không thấm chất lỏng chất khí nên thích hợp để làm kết cấu chứa chất lỏng, chất khí

Ngồi thép cịn vật liệu tái chế sử dụng lại sau cơng trình hết thời hạn sử dụng , xem thép vật liệu thân thiện với môi trường

So với kết cấu bê tông, kết cấu thép dễ kiểm nghiệm, sửa chữa tăng cường

2/ Nhược điểm :

Bên cạnh ưu điểm chủ yếu kể trên, kết cấu thép có hai nhược điểm:

(6)

cho việc kiểm tra sơn bảo dưỡng Trong thiết kế phải đưa biện pháp chống gỉ bề mặt cho thép sơn, mạ.Từ nhược điểm dẫn đến hệ chi phí tu bảo dưỡng thường xuyên kết cấu thép thông thường cao.Để chống gỉ người ta dùng thép hợp kim

Thép chịu nhiệt Ở nhiệt độ 4000C, biến dạng dẻo thép phát triển tác dụng tĩnh tải (từ biến thép) Vì thế, mơi trường có nhiệt độ cao, khơng có biện pháp đặc biệt để bảo vệ khơng phép sử dụng kết cấu thép

3/ Phạm vi sử dụng :

Thép sử dụng rộng rãi lĩnh vực xây dựng nói chung xây dựng cầu đường nói riêng Trong thực tế thấy thép dùng làm dầm, giàn cầu, khung, giàn kèo nhà cơng nghiệp, dân dụng, cột điện, bể chứa… Tuy nhiên, kết cấu thép đặc biệt có ưu kết cấu vượt nhịp lớn, đòi hỏi độ mảnh cao, chịu tải trọng nặng kết cấu địi hỏi tính không thấm

1.1.2 Yêu cầu kết cấu thép

1/ Yêu cầu mặt sử dụng, yêu cầu người thiết kế

- Kết cấu thép phải thiết kếđểđủ sức kháng lại tải trọng suốt thời gian sử dụng

- Kết cấu thép đảm bảo tuổi thọ đề Hình dáng, cấu tạo phải cho tiện bảo dưỡng, kiểm tra sơn bảo vệ

- Đẹp yêu cầu mặt sử dụng Kết cấu thép phải có hình dáng hài hịa thốt, phù hợp với cảnh quan chung khu vực

2/ Yêu cầu mặt kinh tế:

- Tiết kiệm vật liệu.Thép cần dùng cách hợp lý Khi thiết kế cần chọn giải pháp kết cấu hợp lý, dung phương pháp tính tốn tiên tiến

- Tính cơng nghệ chế tạo Kết cấu thép cần thiết kế cho phù hợp với việc chế tạo xưởng, sử dụng thiết bị chuyên dụng có, để giảm công chế tạo

- Lắp ráp nhanh

(7)

1.2

THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP THEO TIÊU CHUẨN 22TCN 272-05

1.2.1 Quan điểm chung thiết kế

Công tác thiết kế bao gồm việc tính tốn nhằm chứng minh cho người có trách nhiệm thấy rằng, tiêu chuẩn tính tốn cấu tạo thỏa mãn Quan điểm chung để đảm bảo an toàn thiết kế sức kháng vật liệu mặt cắt ngang phải không nhỏ hiệu ứng gây tải trọng tác động ngoài, nghĩa

Sức kháng vật liệu ≥ Hiệu ứng tải trọng hay R ≥ Q (1.1)

Khi áp dụng nguyên tắc đơn giản này, điều quan trọng hai vế bất đẳng thức phải đánh giá điều kiện Nói cách khác, đánh giá bất đẳng thức phải tiến hành cho điều kiện tải trọng riêng biệt liên kết sức kháng hiệu ứng tải trọng với Liên kết thông thường quy định việc đánh giá hai vếở trạng thái giới hạn

Trạng thái giới hạn (TTGH) định nghĩa sau:

Trạng thái giới hạn trạng thái mà vượt ,thì kết cấu cầu phận nó khơng đáp ứng yêu cầu mà thiết kếđặt cho

Các ví dụ TTGH cho cầu dầm hộp bao gồm độ võng, nứt, mỏi, uốn, cắt, xoắn, ổn định (oằn), lún, ép mặt trượt

Một mục tiêu quan trọng thiết kế ngăn ngừa để không đạt tới TTGH Tuy nhiên, khơng phải đích Các mục tiêu khác phải xem xét cân đối thiết kế toàn thể chức năng, thẩm mỹ tính kinh tế Sẽ khơng kinh tế thiết kế cầu mà khơng có phận bị phá hoại Do đó, cần phải xác định đâu mức độ rủi ro hay xác suất xảy phá hoại chấp nhận Việc xác định miền an toàn chấp nhận (sức kháng cần phải lớn so với hiệu ứng tải trọng) vào ý kiến cá nhân mà phải dựa kinh nghiệm tập thể kỹ sư quan nghiên cứu Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05, dựa tiêu chuẩn AASHTO LRFD (1998) Hiệp hội cầu đường Mỹ, có thểđáp ứng yêu cầu

1.2.2 Sự phát triển trình thiết kế

Qua nhiều năm, trình thiết kếđã phát triển nhằm cung cấp miền an toàn hợp lý Quá trình dựa ý kiến đóng góp phân tích hiệu ứng tải trọng cường độ vật liệu sử dụng

1.Thiết kế theo ứng suất cho phép (-SCP-ASD)-Allowable Stress Design

(8)

ứng suất chảy fy Giá trị tương đương với việc quy định hệ số an toàn F 2, nghĩa

søc kh¸ng,

2 hiƯu øng t¶i träng, 0,5

y y f R F Q f = = =

Vì phương pháp thiết kế đặt giới hạn vềứng suất nên biết đến với tên gọi thiết kế theo ứng suất cho phép (Allowable Stress Design, ASD)

Khi phương pháp thiết kế theo ứng suất cho phép đời, hầu hết cầu có cấu tạo giàn vịm Với giả thiết cấu kiện liên kết với chốt kết cấu tĩnh định, việc phân tích cho thấy cấu kiện thường chịu kéo chịu nén Diện tích hữu hiệu cần thiết kéo chịu ứng suất phân bố xác định đơn giản cách chia lực kéo T cho ứng suất kéo cho phép ft

net

hiÖu ứng tải trọng diện tích hữu hiệu cần thiết

øng suÊt cho phÐp t

T A

f

≥ =

Đối với cấu kiện chịu nén, ứng suất cho phép fc phụ thuộc vào độ mảnh cấu kiện, nhiên, sởđể xác định diện tích cần thiết mặt cắt ngang cấu kiện chịu kéo; diện tích mặt cắt cần thiết lực nén C chia cho ứng suất cho phép fc

gross

hiƯu øng t¶i träng diƯn tÝch hữu hiệu cần thiết

ứng suất cho phép c

C A

f

≥ =

Phương pháp áp dụng năm sáu mươi kỷ 19 để thiết kế thành công nhiều cầu giàn tĩnh định nhịp lớn Ngày nay, cầu tương tự xây dựng chúng không cịn tĩnh định chúng khơng cịn liên kết chốt Do đó, ứng suất cấu kiện khơng cịn phân bốđều

Phương pháp thiết kế theo ứng suất cho phép áp dụng cho dầm chịu uốn Với giả thiết mặt cắt phẳng quan hệ ứng suất-biến dạng tuyến tính, mơ đun mặt cắt (mơ men chống uốn) cần thiết có thểđược xác định cách chia mô men uốn M cho ứng suất uốn cho phép fb

hiƯu øng t¶i trọng mô đun mặt cắt cần thiết

ứng suất cho phÐp b

M S

f

≥ =

(9)

Một khó khăn khác áp dụng phương pháp thiết kế theo ứng suất cho phép dầm thép uốn thường kèm với cắt hai ứng suất tương tác với Do vậy, khơng hồn tồn sử dụng thí nghiệm kéo mẫu để xác định cường độ chảy fy cho dầm chịu uốn Một quan niệm khác ứng suất chảy có kết hợp xem xét hiệu ứng cắt logic

Như vậy, phương pháp thiết kế theo ứng suất cho phép xây dựng cho thiết kế kết cấu thép tĩnh định Nó khơng thiết phải áp dụng cách cứng nhắc cho vật liệu khác cho kết cấu siêu tĩnh

Phương pháp thiết kế theo ứng suất cho phép dùng làm sở cho số tiêu chuẩn thiết kế nước giới, chẳng hạn, tiêu chuẩn Viện kết cấu thép Mỹ (AISC)

Phương pháp có nhiều nhược điểm :

- Quan điểm vềđộ bền dựa làm việc đàn hồi vật liệu đẳng hướng ,đồng

- Không biểu cách hợp lý cường độ giới hạn tiêu khả chịu lực ứng suất cho phép

- Hệ số an toàn áp dụng riêng cho cường độ , chưa xét đến biến đổi tải trọng

- Việc chọn hệ số an toàn dựa ý kiến chủ quan khơng có sở tin cậy xác suất hư hỏng

Để khắc phục thiếu sót cần phương pháp thiết kế :

- Dựa sở cường độ giới hạn vật liệu

- Xét đến thay đổi tính chất học vật liệu biến đổi tải trọng

- Đánh giá độ an toàn liên quan đến xác suất phá hoại

Phương pháp khắc phục thiếu sót AASHTO-LRFD 1998 chọn làm sở biên soạn tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN272-05

2 Thiết kế theo hệ số tải trọng sức kháng LRFD ( Load and Resistance Factors

Design)

Để xét đến thay đổi hai phía bất đẳng thức phương trình 1.1 Phía sức kháng nhân với hệ số sức kháng Φ dựa sở thống kê (Φ<=1).Phía tải trọng nhân lên với hệ số tải trọng γ dựa sở thống kê tải trọng , γ thường lớn 1.Vì hiệu ứng tải trạng thái giới hạn bao gồm tổ hợp nhiều loại tải trọng (Qi) nhiều

mức độ khác dự tính nên phía tải trọng biểu tổng giá trị γi Qi

.Nếu sức kháng danh định Rn , tiêu chuẩn an toàn :

hiƯu øng cđa

n i i

R Q

φ ≥

∑

(10)

Bài giảng kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22TCN272-05- Đào Văn Dinh 2015 10

Factors Design, viết tắt LRFD) Hệ số sức kháng φ cho TTGH định phải xét đến không chắn trong:

- Tính chất vật liệu

- Phương trình dự tính cường độ - Tay nghề công nhân - Việc kiểm tra chất lượng - Tầm quan trọng phá hoại

Hệ số tải trọng γiđược chọn loại tải trọng định phải xét đến không chắn trong:

- Độ lớn tải trọng

- Sự xếp (vị trí) tải trọng - Tổ hợp tải trọng xảy

Trong việc chọn hệ số sức kháng hệ số tải trọng cho cầu, lý thuyết xác xuất áp dụng cho số liệu cường độ vật liệu thống kê học, cho trọng lượng vật liệu tải trọng xe cộ

Một số ý kiến đánh giá phương pháp LRFD có thểđược tóm tắt sau: Ưu điểm phương pháp

1 Xét tới thay đổi sức kháng tải trọng

2 Đạt mức độ an toàn đồng cho TTGH loại cầu khác nhau, không cần phân tích thống kê hay xác xuất phức tạp

3 Đưa phương pháp thiết kế hợp lý quán

Nhược điểm phương pháp

1 Đòi hỏi thay đổi quan điểm thiết kế (so với tiêu chuẩn cũ) Yêu cầu có hiểu biết lý thuyết xác xuất thống kê

3 Yêu cầu có số liệu thống kê đầy đủ thuật tốn tính xác xuất đểđiều chỉnh hệ số sức kháng cho phù hợp với trường hợp đặc biệt

Phương pháp LRFD dùng làm sở cho tiêu chuẩn thiết kế Mỹ tiêu chuẩn Viện kết cấu thép Mỹ (AISC), Hiệp hội cầu đường Mỹ (AASHTO) tiêu chuẩn thiết kế cầu nước ta

1.2.3 Nguyên tắc tiêu chuẩn 22TCN 272-05

Bản Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 ( lúc đời, năm 2001, mang ký hiệu 22 TCN 272-01) biên soạn phần công việc dự án Bộ giao thông vận tải mang tên “Dự án phát triển Tiêu chuẩn cầu đường ”

(11)

nam Đó hệ thống Tiêu chuẩn hồn thiện thống nhất, có thểđược cải biên để phù hợp với điều kiện thực tếở nước ta Ngôn ngữ tài liệu tài liệu tham chiếu tiếng Anh, ngơn ngữ kỹ thuật thông dụng giới ngôn ngữ thứ hai phổ biến Việt nam Hơn nữa, hệ thống Tiêu chuẩn AASHTO có ảnh hưởng lớn nước thuộc khối ASEAN mà Việt nam thành viên

Tiêu chuẩn thiết kế cầu dựa Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD, lần xuất thứ hai (1998), theo hệđơn vịđo quốc tế SI Tiêu chuẩn LRFD đời năm 1994, sửa đổi xuất lần thứ hai năm 1998 Tiêu chuẩn soạn thảo dựa kiến thức phong phú tích lũy từ nhiều nguồn khác khắp giới nên có thểđược coi đại diện cho trình độ đại hầu hết lĩnh vực thiết kế cầu vào thời điểm

Các tài liệu Việt nam liệt kê tham khảo nguồn gốc liệu thể điều kiện thực tếở Việt nam:

Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 18–1979 Tiêu chuẩn tải trọng gió TCVN 2737 – 1995 Tiêu chuẩn tải trọng nhiệt TCVN 4088 – 1985 Tiêu chuẩn thiết kế chống động đất 22 TCN 221 – 1995 Tiêu chuẩn giao thông đường thủy TCVN 5664 – 1992

Các quy định Tiêu chuẩn thiết kế cầu nhằm sử dụng cho công tác thiết kế, đánh giá khôi phục cầu cốđịnh cầu di động tuyến đường Các điều khoản không liên quan đến cầu đường sắt, xe điện phương tiện công cộng khác Các yêu cầu thiết kếđối với cầu đường sắt dự kiến sẽđược ban hành phụ tương lai

1.2.3.1 Tổng quát

Cầu phải thiết kếđểđạt mục tiêu: thi cơng được, an tồn sử dụng được, có xét đến yếu tố: khả dễ kiểm tra, tính kinh tế, mỹ quan Khi thiết kế cầu, đểđạt mục tiêu này, cần phải thỏa mãn trạng thái giới hạn Kết cấu thiết kế phải có đủđộ dẻo, phải có nhiều đường truyền lực (có tính dư) tầm quan trọng khai thác phải xét đến

Mỗi cấu kiện liên kết phải thỏa mãn công thức 1.3 tất trạng thái giới hạn iQi Rn Rr

η γ

∑

trong đó:

Qi hiệu ứng tác động (ví dụ, nội lực tải trọng sinh ra)

γi hệ số tải trọng: hệ số nhân dựa thống kê dùng cho hiệu ứng tác động

(12)

φ hệ số sức kháng: hệ số nhân dựa thống kê dùng cho sức kháng danh định

Rr sức kháng tính tốn (hay sức kháng có hệ số), Rr = φ.Rn

η hệ sốđiều chỉnh tải trọng, xét đến tính dẻo, tính dư tầm quan trọng khai thác

η η η η= D R I≥0,95 tải trọng dùng giá trịγmax

1

1,

R D l

η

η η η

= ≤ tải trọng dùng giá trị γmin ηD hệ số xét đến tính dẻo

ηR hệ số xét đến tính dư

ηI hệ số xét đến tầm quan trọng khai thác

Hai hệ sốđầu có liên quan đến cường độ cầu, hệ số thứ ba xét đến làm việc cầu trạng thái sử dụng Đối với tất trạng thái giới hạn cường độ, ηD = ηR = 1,0 1.2.3.2 Khái niệm tính dẻo, tính dư tầm quan trọng khai

thác

1/ Hệ số xét đến tính dẻo ηηηηD

Tính dẻo yếu tố quan trọng an toàn cầu Nhờ tính dẻo, phận chịu lực lớn kết cấu phân phối lại tải trọng sang phận khác có dự trữ cường độ Sự phân phối lại phụ thuộc vào khả biến dạng phận chịu lực lớn liên quan đến phát triển biến dạng dẻo mà không xảy phá hoại

Nếu cấu kiện cầu thiết kế cho biến dạng dẻo xuất có dự báo cấu kiện bị tải Nếu kết cấu BTCT vết nứt phát triển cấu kiện xem vào tình trạng nguy hiểm Phải tránh làm việc giịn dẫn đến khả chịu lực đột ngột vượt giới hạn đàn hồi Các cấu kiện liên kết BTCT làm việc dẻo hạn chế hàm lượng cốt thép chịu uốn bố trí cốt đai để kiềm chế biến dạng Cốt thép có thểđược bố trí đối xứng để chịu uốn, điều cho phép xảy làm việc dẻo Nói tóm lại, thiết kế, quy định Tiêu chuẩn tuân theo thực nghiệm cho thấy rằng, cấu kiện có đủ tính dẻo cần thiết

Đối với trạng thái giới hạn cường độ, hệ số liên quan đến tính dẻo quy định sau:

ηD ≥ 1,05 cấu kiện liên kết không dẻo

ηD = 1,0 thiết kế thông thường chi tiết theo Tiêu chuẩn

ηD ≥ 0,95 cấu kiện liên kết có biện pháp tăng thêm tính dẻo vượt yêu cầu Tiêu chuẩn

(13)

Tính dư có tầm quan trọng đặc biệt to lớn khoảng an toàn kết cấu cầu Một kết cấu siêu tĩnh dư có nhiều liên kết số liên kết cần thiết đểđảm bảo khơng biến dạng hình học Ví dụ, dầm cầu liên tục ba nhịp kết cấu siêu tĩnh bậc hai Một tổ hợp hai liên kết đơn, hai liên kết chống quay, liên kết đơn liên kết chống quay bị mà khơng dẫn tới hình thành khớp dẻo tải trọng tác dụng tìm đường khác để truyền xuồng đất Khái niệm nhiều đường truyền lực tương đương với tính dư Các đường truyền lực đơn hay kết cấu cầu không dưđược khuyến cáo không nên sử dụng

Tính dư kết cấu cầu làm tăng khoảng an toàn chúng điều phản ánh trạng thái giới hạn cường độ qua hệ số xét đến tính dưηR, quy định Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 sau:

ηR ≥ 1,05 đối với cấu kiện không dư

ηR = 1,0 cấu kiện có mức dư thông thường

ηR ≥ 0,95 cấu kiện có mức dưđặc biệt

3/ Hệ số xét đến tầm quan trọng khai thác ηηηηI

Các cầu xem có tầm quan trọng khai thác chúng nằm đường nối khu dân cư bệnh viện trường học, đường dành cho lực lượng công an, cứu hỏa phương tiện giải cứu nhà ở, quan khu công nghiệp Cầu có thểđược coi quan trọng chúng giúp giải tình trạng vịng tắc đường, giúp tiết kiệm thời gian xăng dầu cho người lao động làm trở nhà Nói tóm lại, khó tìm thấy tình mà cầu không coi quan trọng khai thác Một ví dụ cầu khơng quan trọng cầu đường phụ dẫn tới vùng hẻo lánh sử dụng khơng phải quanh năm

Khi có cốđộng đất, điều quan trọng tất đường huyết mạch, cơng trình cầu, phải thơng Vì vậy, u cầu sau đặt trạng thái giới hạn đặc biệt nhưđối với trạng thái giới hạn cường độ:

ηI≥ 1,05 đối với cầu quan trọng

ηI = 1,0 cầu điển hình

ηI ≥ 0,95 cầu quan trọng Đối với trạng thái giới hạn khác:

ηI = 1,0

1.2.3.3 Các trạng thái giới hạn theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05

(14)

tất TTGH sức kháng có hệ số phải khơng nhỏ hiệu ứng tổ hợp tải trọng có hệ số (công thức 1.3)

Theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05, kết cấu thép, có bốn trạng thái giới hạn đề cập:

• Trạng thái giới hạn sử dụng: xét đến nhằm hạn chế biến dạng cấu kiện hạn chếứng suất thép

• Trạng thái giới hạn cường độ: xét đến nhằm đảm bảo khả chịu lực phận kết cấu cường độ vềổn định tổ hợp tải trọng • Trạng thái giới hạn mỏi: xét đến nhằm hạn chế biên độứng suất xe tải

thiết kế gây với số chu kỳ biên độứng suất dự kiến

• Trạng thái giới hạn đặc biệt: xét đến nhằm đảm bảo tồn cầu xảy cốđặc biệt nhưđộng đất, va đâm xe, xói lở, lũ lớn

1/Trạng thái giới hạn sử dụng

TTGH sử dụng liên quan đến đặc tính cầu chịu tải trọng trạng thái khai thác Ở TTGH sử dụng kết cấu thép, giới hạn đặt độ võng biến dạng đàn hồi tải trọng sử dụng Bằng hạn chếđộ võng, độ cứng thích hợp đảm bảo độ dao động giảm tới mức chấp nhận Bằng kiểm tra chảy cục bộ, tránh biến dạng đàn hồi thường xun cải thiện khả giao thơng

Vì quy định cho TTGH sử dụng dựa kinh nghiệm phán người thiết kế xác định theo thống kê, hệ số sức kháng φ, hệ sốđiều chỉnh tải trọng η hệ số tải trọng γi công thức 1.3 lấy đơn vị

Giới hạn vềđộ võng không bắt buộc Nếu chủ đầu tư yêu cầu, lấy độ võng tương đối cho phép hoạt tải

800l, với l chiều dài nhịp tính tốn Trong tính tốn độ

võng, phải giả thiết phân phối tải trọng dầm, vềđộ cứng chống uốn dầm có tham gia làm việc mặt cầu đóng góp độ cứng chi tiết gắn liền rào chắn gờ chắn bánh bê tơng Nói chung, kết cấu cầu có độ cứng lớn giá trịđược xác định tính tốn Do vậy, việc tính tốn độ võng sựước lượng độ võng thực tế

Các giới hạn biến dạng đàn hồi bắt buộc Sự chảy cục tải trọng sử dụng II (theo AASHTO LRFD) không phép Sự chảy cục không xảy cho mặt cắt thiết kế công thức 1.3 TTGH cường độ hiệu ứng lực lớn xác định phân tích đàn hồi Tuy nhiên, có phân phối lại mơ men q đàn hồi khớp dẻo hình thành ứng suất phải kiểm tra Trong trường hợp này, ứng suất biên chịu uốn dương chịu uốn âm cần khơng vượt q:

• Đối với hai biên thép mặt cắt liên hợp (dầm thép, bê tông)

0, 95

f h yf

(15)

• Đối với hai biên thép mặt cắt không liên hợp

0,80

f h yf

f ≤ R F (1.5)

trong đó, Rh hệ số giảm ứng suất biên cho dầm lai (là dầm mà vách biên làm vật liệu khác nhau), ff ứng suất đàn hồi biên gây tải trọng sử dụng II (MPa) Fyf ứng suất chảy biên (MPa) Đối với trường hợp dầm thơng thường có loại thép vách biên, Rh =1, Việc đảm bảo công thức 1.4 (hay 1.5) ngăn chặn phát triển biến dạng thường xuyên chảy cục biên tác động vượt tải sử dụng xảy

2/Trạng thái giới hạn mỏi đứt gãy

Thiết kế theo TTGH mỏi bao gồm việc giới hạn biên độứng suất xe tải mỏi thiết kế sinh tới giá trị phù hợp với số chu kỳ lặp biên độứng suất suốt trình khai thác cầu Thiết kế cho TTGH đứt gãy bao gồm việc lựa chọn thép có độ dẻo dai thích hợp cho phạm vi nhiệt độ định

3/Trạng thái giới hạn cường độ

TTGH cường độ có liên quan đến việc quy định cường độ sức kháng đủđể thoả mãn bất đẳng thức công thức 1.3 cho tổ hợp tải trọng quan trọng theo thống kê cho cầu khai thác an toàn tuổi thọ thiết kế TTGH cường độ bao hàm sựđánh giá sức kháng uốn, cắt, xoắn lực dọc trục Các hệ số sức kháng φ xác định thống kê thường nhỏ 1,0 có giá trị khác vật liệu TTGH khác

Các hệ số tải trọng xác định thống kê γiđược cho ba tổ hợp tải trọng khác bảng 1.1 theo xem xét thiết kế khác

TTGH cường độđược định cường độ tĩnh vật liệu hay ổn định mặt cắt cho Có tổ hợp tải trọng cường độ khác quy định bảng 1.2 (Theo AASHTO LRFD: có tổ hợp tải trọng cường độ) Đối với phận riêng biệt kết cấu cầu, hai số tổ hợp tải trọng cần xét đến Sự khác biệt tổ hợp tải trọng cường độ chủ yếu liên quan đến hệ số tải trọng quy định hoạt tải Tổ hợp tải trọng sinh hiệu ứng lực lớn so sánh với cường độ sức kháng mặt cắt ngang cấu kiện

Trong tính tốn sức kháng hiệu ứng tải trọng có hệ số lực dọc trục, lực uốn, lực cắt xoắn, không chắn biểu thị qua hệ số giảm cường độ hay hệ số sức kháng φ Hệ sốφ hệ số nhân sức kháng danh định Rn thỏa mãn thiết kế đảm bảo công thức 1.3

(16)

sự phá hoại cột kéo theo nguy hiểm cho kết cấu tựa Các xem xét phản ánh hệ số sức kháng TTGH cường độđược cho bảng 1.1

B

ả

ng 1.1 Các h

ệ

s

ố

s

ứ

c kháng cho TTGH c

ườ

ng

độ

Trường hợp chịu lực Hệ số sức kháng

Uốn φf = 1,00

Cắt φυ = 1,00

Nén dọc trục, cấu kiện có thép φc = 0,90 Nén dọc trục, cấu kiện liên hợp φc = 0,90 Kéo, đứt gãy mặt cắt thực (mặt cắt hữu hiệu) φu = 0,80 Kéo, chảy mặt cắt nguyên φy = 0,95 Ép mặt chốt, lỗ doa, khoan, lỗ bu lông bề

mặt cán

φb = 1,00 Ép mặt bu lông lên thép φbb = 0,80

Neo chống cắt φsc = 0,85

Bu lông A325M A490M chịu kéo φt = 0,80

Bu lông A307 chịu kéo φt = 0,65

Bu lông A325M A490M chịu cắt φs = 0,80

Cắt khối φbs = 0,80

Kim loại hàn đường hàn ngấu hoàn toàn - Cắt diện tích hữu hiệu

- Kéo nén vng góc với diện tích hữu hiệu - Kéo nén song song với diện tích hữu hiệu

φel = 0,85

φ = φ thép

φ = φ thép Kim loại hàn đường hàn ngấu khơng hồn tồn

- Cắt song song với trục đường hàn

- Kéo nén song song với trục đường hàn - Nén vng góc với diện tích hữu hiệu - Kéo vng góc với diện tích hữu hiệu

φe2 = 0,80

φ = φ thép

φ = φ thép bản

φel = 0,80 Kim loại hàn đường hàn góc

- Kéo nén song song với trục đường hàn - Cắt mặt phẳng tính tốn đường hàn

φ = φ thép

φe2 = 0,80

(17)

TTGH đặc biệt xét đến cố với chu kỳ xảy lớn tuổi thọ cầu Động đất, tải trọng băng tuyết, lực đâm xe va xô tàu thuyền coi cố đặc biệt thời điểm, xét đến cố Tuy nhiên, cố có thểđược tổ hợp với lũ lụt lớn (khoảng lặp lại > 100 năm < 500 năm) với ảnh hưởng xói lở

Hệ số sức kháng φđối với TTGH đặc biệt lấy đơn vị

1.2.4 Giới thiệu tải trọng tổ hợp tải trọng theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05 1/ Các tổ hợp tải trọng

Tải trọng thường xuyên

DC = tải trọng thân phận kết cấu thiết bị phụ phi kết cấu DW = tải trọng thân lớp phủ mặt tiện ích cơng cộng

EH = tải trọng áp lực đất nằm ngang

EL = hiệu ứng bị hãm tích luỹ phương pháp thi công ES = tải trọng đất chất thêm

EV = áp lực thẳng đứng tự trọng đất đắp Tải trọng tạm thời

BR : lực hãm xe CE : lực ly tâm CR : từ biến CT : lực va xe CV : lực va tầu EQ : động đất FR : ma sát

IM : lực xung kích xe LL: hoạt tải xe

LS: hoạt tải chất thêm PL: tải trọng người SE: lún

SH: co ngót TG: gradien nhiệt TU: nhiệt độđều

WA: tải trọng nước áp lực dịng chảy

WL: gió hoạt tải

WS: tải trọng gió kết cấu

Tiêu chuẩn AASHTO LRFD quy định xét 11 tổ hợp tải trọng

(18)

Bảng 1.2 Các tổ hợp tải trọng theo Tiêu chuẩn 22TCN 272-05

Tổ hợp tải trọng Trạng thái

giới hạn

DC DD DW EH EV ES

LL IM CE BR PL LS EL

WA WS WL FR

TU CR SH

TG SE

Cùng lúc chỉ dùng

các tải trọng

EQ CT CV

Cường độ I γp 1,75 1,00 - - 1,00 0,5/1.20 γTG γSE - - -

Cường độ II γp - 1,00 1,40 - 1,00 0,5/1.20 γTG γSE - - -

Cường độ III γp 1,35 1,00 0.4 1,00 1,00 0,5/1.20 γTG γSE - - -

Đặc biệt γp 0,50 1,00 - - 1,00 - - - 1,00 1,00 1,00

Sử dụng 1.0 1,00 1,00 0,30 1,00 1,00 1,0/1,20 γTG γSE - - -

Mỏi có LL,

IM & CE - 0,75 - - - -

1 Khi phải kiểm tra cầu dùng cho xe đặc biệt Chủ đầu tư quy định xe có giấy phép thơng qua cầu hệ số tải trọng hoạt tải tổ hợp cường độ I giảm xuống cịn 1,35

2 Các cầu có tỷ lệ tĩnh tải hoạt tải cao (tức cầu nhịp lớn) cần kiểm tra tổ hợp khơng có hoạt tải, với hệ số tải trọng 1,50 cho tất kiện chịu tải trọng thường xuyên

3 Đối với cầu vượt sông trạng thái giới hạn cường độ trạng thái sử dụng phải xét đến hậu thay đổi móng lũ thiết kế xói cầu

4 Đối với cầu vượt sông, kiểm tra hiệu ứng tải EQ, CT CV trạng thái giới hạn đặc biệt tải trọng nước (WA) chiều sâu xói dựa lũ trung bình hàng năm Tuy nhiên kết cấu phải kiểm tra về hậu thay đổi lũ, phải kiểm tra xói trạng thái giới hạn đặc biệt với tải trọng nước tương ứng (WA) khơng có tải trọng EQ, CT CV tác dụng

5 Để kiểm tra chiều rộng vết nứt kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực trạng thái giới hạn sử dụng, giảm hệ số tải trọng hoạt tải xuống 0,08

6 Để kiểm tra kết cấu thép trạng thái giới hạn sử dụng hệ số tải trọng hoạt tải phải tăng lên 1,30

(19)

0,0 trạng thái giới hạn cường độ đặc biệt

1,0 trạng thái giới hạn sử dụng không xét hoạt tải, 0,50 trạng thái giới hạn sử dụng xét hoạt tải

Bảng 1.2b Hệ số tải trọng dùng cho tải trọng thường xuyên, γp

Loại tải trọng Hệ số tải trọng

Lớn Nhỏ DC: Cấu kiện thiết bị phụ 1,25 0,90 DW: Lớp phủ mặt cầu tiện ích 1,50 0,65

2/ Hoạt tải xe thiết kế a/ Số xe thiết kế

Bề rộng xe lấy 3500 mm để phù hợp với quy định “Tiêu chuẩn thiết kếđường ô tô” Số xe thiết kếđược xác định phần nguyên tỉ số w/3500, đó w bề rộng khoảng trống lòng đường hai đá vỉa hai rào chắn, tính mm

b/ Hệ số xe

Hệ số xe quy định bảng 1.3

Bảng 1.3 Hệ số xe m

Số chất tải Hệ số 1,20 1,00 0,85 >3 0,65

c/ Hoạt tải xe ô tô thiết kế

Hoạt tải xe ô tô mặt cầu hay kết cấu phụ trợ có ký hiệu HL-93, tổ hợp xe tải thiết kế xe hai trục thiết kế tải trọng thiết kế (hình 1.2)

• Xe tải thiết kế

Trọng lượng, khoảng cách trục khoảng cách bánh xe xe tải thiết kếđược cho hình 1.1 Lực xung kích lấy theo bảng 1.4

Cự ly hai trục sau xe phải thay đổi 4300 mm 9000 mm để gây ứng lực lớn

Đối với cầu tuyến đường cấp IV thấp hơn, chủ đầu tư xác định tải trọng trục thấp tải trọng cho hình 1.1 hệ số chiết giảm 0,50 0,65

• Xe hai trục thiết kế

(20)

Lực xung kích lấy theo bảng 1.4

Đối với cầu tuyến đường cấp IV thấp hơn, chủ đầu tư xác định tải trọng hai trục thấp tải trọng nói hệ số chiết giảm 0,50 0,65

Hình 1.1 Đặc trưng xe tải thiết kế • Tải trọng thiết kế

Tải trọng thiết kế tải trọng có cường độ 9,3 N/mm phân bốđều theo chiều dọc cầu Theo chiều ngang cầu, tải trọng giả thiết phân bố bề rộng 3000 mm Khi tính nội lực tải trọng thiết kế, khơng xét tác động xung kích Đồng thời, giảm tải trọng thiết kế cho tuyến đường cấp IV thấp hơn, tải trọng giữ nguyên giá trị 9,3 N/mm, không nhân với hệ số (0,50 hay 0,65)