4.1. Tổng quỏt
Cầu phải được thiết kếđểđạt được cỏc mục tiờu: thi cụng được, an toàn và sử dụng được, cú xột đến cỏc yếu tố: khả năng dễ kiểm tra, tớnh kinh tế, mỹ quan. Khi thiết kế cầu, để đạt được những mục tiờu này, cần phải thỏa món cỏc trạng thỏi giới hạn. Kết cấu thiết kế phải cú đủ độ dẻo, phải cú nhiều đường truyền lực (cú tớnh dư) và tầm quan trọng của nú trong khai thỏc phải được xột đến.
Nguyờn tắc cơ bản của tiờu chuẩn TK cầu 22 TCN 272-05 là: Mỗi cấu kiện và liờn kết phải thỏa món tất cả cỏc TTGH cả tổng thể và cục bộ, được biểu diễn dưới dạng biểu thức sau:
∑ηi.γi.Qi≤φRn (3.3) Trong đú:
Qi Hiệu ứng tải trọng theo quy định (nội lực do tải hoặc cỏc tỏc động bờn ngoài sinh ra) γi hệ số tải trọng theo thống kờ
Rn sức khỏng danh định của vật liệu
φ hệ số sức khỏng theo thống kờ của sức khỏng danh định.
Đối với mọi trạng thỏi giới hạn (trừ TTGHCĐ), hệ số sức khỏng φ = 1,0
η hệ sốđiều chỉnh tải trọng, xột đến tớnh dẻo, tớnh dư và tầm quan trọng trong khai thỏc của cầu, cú dạng tổng quỏt sau: 95 , 0 . . ≥ = D R I i η η η η ηD = hệ số dẻo ηR = hệ số dư thừa ηI = hệ số tầm quan trọng
Hai hệ sốđầu cú liờn quan đến cường độ của cầu, hệ số thứ ba xột đến sự làm việc của cầu ở trạng thỏi sử dụng.
Trừ trạng thỏi giới hạn cường độ, đối với tất cả cỏc TTGH khỏc , ηD = ηR = 1,0. 1. Tớnh dẻo
Tớnh dẻo là một yếu tố quan trọng đối với sự an toàn của cầu. Nhờ tớnh dẻo, khi một bộ phận chịu lực quỏ tải nú sẽ phõn bố nội lực sang cỏc bộ phận khỏc, do đú kết cấu cú dự trữđộ bền.
Nếu vật liệu khụng dẻo thỡ kết cấu sẽ bị phỏ hoại đột ngột khi bị quỏ tải ⇒ phỏ hoại giũn. Cú thể biến kết cấu BTCT thành dẻo nếu ta bố trớ cốt thộp một cỏch hợp lý. Nếu ta tuõn thủđầy đủ cỏc quy
định của tiờu chuẩn thỡ cỏc phần tử sẽ cú tớnh dẻo. Cỏc trị sốđối với trạng thỏi giới hạn cường độ:
ηD ≥ 1,05 cho cấu kiện và liờn kết khụng dẻo.
= 1,00 cho cỏc thiết kế thụng thường và cỏc chi tiết theo đỳng Tiờu chuẩn này.
≥ 0,95 cho cỏc cấu kiện và liờn kết cú tớnh dẻo, hoặc dựng cỏc biện phỏp tăng thờm tớnh dẻo 2. Tớnh dư
Tớnh dư cú tầm quan trọng đặc biệt đối với khoảng an toàn của kết cấu cầu . Một kết cấu siờu tĩnh được xem là dư thừa vỡ nú cú nhiều liờn kết hơn so với yờu cầu cõn bằng tĩnh học.
Cỏc kết cấu cú nhiều đường truyền lực và kết cấu liờn tục cần được sử dụng trừ khi cú những lý do bắt buộc khỏc. Khỏi niệm nhiều đường truyền lực là tương đương với tớnh dư thừa. Cỏc đường truyền lực đơn hay cỏc kết cấu cầu khụng dưđược khuyến cỏo khụng nờn sử dụng.
Cỏc bộ phận hoặc cấu kiện chớnh mà sự hư hỏng của chỳng gõy ra sập đổ cầu phải được coi là cú nguy cơ hư hỏng và hệ kết cấu liờn quan khụng cú tớnh dư, cỏc bộ phận cú nguy cơ hư hỏng cú thể được xem là phỏ hoại giũn.
Cỏc bộ phận hoặc cấu kiện mà sự hư hỏng của chỳng khụng gõy nờn sập đổ cầu được coi là khụng cú nguy cơ hư hỏng và hệ kết cấu liờn quan là dư.
Đối với trạng thỏi giới hạn cường độ :
ηR ≥ 1,05 cho cỏc bộ phận khụng dư
= 1,00 cho cỏc mức dư thụng thường ≥ 0,95 cho cỏc mức dưđặc biệt 3. Tầm quan trọng trong khai thỏc
Điều quy định này chỉ dựng cho trạng thỏi giới hạn cường độ và trạng thỏi giới hạn đặc biệt.
Cỏc cầu cú thểđược xem là cú tầm quan trọng trong khai thỏc nếu chỳng nằm trờn con đường nối giữa cỏc khu dõn cư và bệnh viện hoặc trường học, hay là con đường dành cho lực lượng cụng an, cứu hỏa và cỏc phương tiện giải cứu đối với nhà ở, cơ quan và cỏc khu cụng nghiệp. Cầu cũng cú thểđược coi là quan trọng nếu chỳng giỳp giải quyết tỡnh trạng đi vũng do tắc đường, giỳp tiết kiệm thời gian và xăng dầu cho người lao động khi đi làm và trở về nhà. Núi túm lại, khú cú thể tỡm thấy tỡnh huống mà cầu khụng được coi là quan trọng trong khai thỏc. Một vớ dụ về cầu khụng quan trọng là cầu trờn đường phụ dẫn tới một vựng hẻo lỏnh được sử dụng khụng phải quanh năm.
Chủđầu tư cú thể cụng bố một cầu hoặc bất kỳ cấu kiện hoặc liờn kết nào của nú là loại cầu quan trọng trong khai thỏc.
Đối với trạng thỏi giới hạn cường độ và đặc biệt. ηI ≥ 1,05 cho cỏc cầu quan trọng = 1,00 cho cỏc cầu điển hỡnh
≥ 0,95 cho cỏc cầu tương đối ớt quan trọng
4.2. Cỏc trạng thỏi giới hạn theo 22 TCN 272-05
TTGH là trạng thỏi mà vượt qua nú kết cấu hay một bộ phận nào đú khụng hoàn thành được nhiệm vụ
mà thiết kếđề ra. Tiờu chuẩn 05 đề cập tới 4 TTGH sau:
4.2.1. TTGH sử dụng
- TTGHSD phải xột đến như một biện phỏp nhằm hạn chế đối với ứng suất, biến dạng và bề rộng vết nứt dưới điều kiện sử dụng bỡnh thường.
Trạng thỏi giới hạn mỏi phải được xột đến trong tớnh toỏn như một biện phỏp nhằm hạn chế
về biờn độứng suất do một xe tải thiết kế gõy ra với số chu kỳ biờn độứng suất dự kiến.
Trạng thỏi giới hạn phỏ hoại giũn phải được xột đến như một số yờu cầu về tớnh bền của vật liệu theo Tiờu chuẩn vật liệu.
4.2.3. Trạng thỏi giới hạn cường độ
Trạng thỏi giới hạn cường độ phải được xột đến đểđảm bảo cường độ và sựổn định cục bộ và
ổn định tổng thểđược dự phũng để chịu được cỏc tổ hợp tải trọng quan trọng theo thống kờ được định ra để cầu chịu được trong phạm vi tuổi thọ thiết kế của nú.
Trạng thỏi giới hạn cường độ I: Tổ hợp tải trọng cơ bản liờn quan đến việc sử dụng cho xe tiờu chuẩn của cầu khụng xột đến giú
Trạng thỏi giới hạn cường độ II: Tổ hợp tải trọng liờn quan đến cầu chịu giú với vận tốc vượt quỏ 25m/s
Trạng thỏi giới hạn cường độ III: Tổ hợp tải trọng liờn quan đến việc sử dụng xe tiờu chuẩn của cầu với giú cú vận tốc 25m/s
TTGH cường độ là một TTGH được quyết định bởi cường độ tĩnh của vật liệu tại một mặt cắt cú vết nứt đó cho. Cú 3 tổ hợp tải trọng cường độ khỏc nhau được quy định trong bảng 1.1. Đối với một bộ phận riờng biệt của kết cấu cầu, chỉ một hoặc cú thể hai trong số cỏc tổ hợp tải trọng này cần được xột đến. Sự khỏc biệt trong cỏc tổ hợp tải trọng cường độ chủ yếu liờn quan đến cỏc hệ số tải trọng
được quy định đối với hoạt tải. Tổ hợp tải trọng sinh ra hiệu ứng lực lớn nhất được so sỏnh với cường
độ hoặc sức khỏng của mặt cắt ngang của cấu kiện.
Trong tớnh toỏn sức khỏng đối với hiệu ứng tải trọng đó nhõn hệ số như lực dọc trục, lực uốn, lực cắt hoặc xoắn, sự khụng chắc chắn được biểu thị qua hệ số giảm cường độ hay hệ số sức khỏng φ.. Hệ
sốφ là hệ số nhõn của sức khỏng danh định Rn và điều kiện an toàn là thoả món phương trỡnh tổng quỏt 3.3.
Trong cỏc cấu kiện BTCT, cú những yếu tố khụng đảm bảo được chớnh xỏc như chất lượng vật liệu, kớch thước mặt cắt ngang, việc đặt cốt thộp và những cụng thức được dựng để tớnh sức khỏng.
Một số mụ hỡnh phỏ hoại cú thểđược đưa ra với độ chớnh xỏc cao hơn cỏc mụ hỡnh khỏc và hậu quả
do sự cố của chỳng là ớt nguy hiểm. Chẳng hạn, dầm chịu uốn thường được thiết kế tương đối ớt cốt thộp, do đú phỏ hoại xảy ra do sự chảy từ từ của cốt thộp chịu kộo, trong khi cỏc cột chịu nộn thường bị
phỏ hoại đột ngột khụng cú bỏo trước. Mụ hỡnh phỏ hoại do cắt thường ớt được hiểu biết và nú là sự kết hợp của mụ hỡnh phỏ hoại do kộo và do nộn. Do vậy, hệ số φ trong trường hợp này phải nằm trong khoảng giữa hệ số φ của dầm chịu uốn và của cột chịu nộn. Hậu quả sự phỏ hoại của cột là nghiờm trọng hơn của dầm vỡ một cột bị phỏ hoại sẽ kộo theo sự sụp đổ của một số dầm, do đú, dự trữ trong thiết kế cột cần phải lớn hơn. Tất cả cỏc lý do trờn cũng như cỏc nguyờn nhõn khỏc được phản ỏnh trong hệ số sức khỏng, được quy định bởi AASHTO và được giới thiệu trong bảng sau
Bảng Hệ số sức khỏng đối với cỏc kết cấu thụng thường Trạng thỏi giới hạn cường độ Hệ sốφ Đối với uốn và kộo Bờ tụng cốt thộp Bờ tụng cốt thộp dựứng lực 0,90 1,00 Đối với cắt và xoắn Bờ tụng cú trọng lượng trung bỡnh Bờ tụng nhẹ 0,90 0,70 Đối với nộn dọc trục cú cốt thộp xoắn, trừ trường hợp động đất vựng 3 và 4 0,75 Đối với bộ phận đỡ tựa trờn bờ tụng 0,70 Đối với nộn trong mụ hỡnh chống và giằng 0,70 Đối với nộn tại vựng neo Bờ tụng cú trọng lượng trung bỡnh Bờ tụng nhẹ 0,80 0,65
Đối với kộo trong cốt thộp tại vựng neo 1,00
Đối với trường hợp uốn và nộn kết hợp, hệ sốφ trong trường hợp nộn cú thểđược lấy tăng lờn tuyến tớnh từ giỏ trị 0,75 ở lực dọc trục nhỏ cho tới hệ sốφđối với uốn thuần tuý ở lực dọc bằng khụng. Một lực dọc nhỏđược định nghĩa là 0,10.f’c.Ag với f’c là cường độ chịu nộn 28 ngày của bờ tụng và Ag là diện tớch mặt cắt ngang nguyờn của cấu kiện chịu nộn.
Đối với cỏc dầm chịu kộo hoặc khụng chịu kộo được đặt cốt thộp thường và cốt thộp dựứng lực hỗn hợp, hệ sốφ phụ thuộc vào tỉ lệ dựứng lực bộ phận (PPR) và được tớnh bằng cụng thức sau:
φ= 0,90 + 0,10.(PPR) trong đú: ( ) ps py ps py s y A f PPR A f A f = + với Aps = diện tớch cốt thộp dựứng lực, fpy = giới hạn chảy của cốt thộp dựứng lực, As = diện tớch cốt thộp thường, fy = giới hạn chảy của cốt thộp thường.
4.2.4. Trạng thỏi giới hạn đặc biệt
Trạng thỏi giới hạn đặc biệt phải được xột đến đểđảm bảo sự tồn tại của cầu khi động đất hoặc lũ lớn hoặc khi bị tầu thuỷ, xe cộ va. Những sự cố này thường xảy ra với chu kỳ lớn tuổi thọ thiết kế
của cầu, nờn được coi là những sự cố đặc biệt và tại mỗi thời điểm, chỉ xột đến một sự cố. Tuy nhiờn những sự cố này cú thểđược tổ hợp với lũ lụt lớn (T = 100 ữ 500năm) hoặc với cỏc ảnh hưởng của xúi lở.