- Trong thiết kế, cỏc kỹ sư phải kiểm tra độ an toàn vàổn định của phương ỏn đó được chọn. Cụng tỏc thiết kế bao gồm việc tớnh toỏn nhằm chứng minh mọi tiờu chuẩn tớnh toỏn và cấu tạo đều được thỏa món.
- Triết lý tớnh toỏn thiết kế là cỏc quan niệm về ứng x ử của kết cấu và sự làm việc an toàn của nú. Đồng thời xỏc lập điều kiện, phương thức để đảm bảo điều kiện an toàn cho kết cấu trong quỏ trỡnh xõy dựng và khai thỏc.
- Nguyờn tắc chung: Khi cú tải trọng tỏc động vào kết cấu, nú sẽ gõy ra một hiệu ứng trong kết cấu và hiệu ứng đú khụng được lớn hơn khả năng chịu lực của kết cấu.
TÁC ĐỘNG TRấN KẾT CẤU KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA KẾT CẤU
DO TẢI TRỌNG GÂY RA DO BẢN THÂNVẬT LIỆU
VÀ CẤU TẠO CỦA KẾT CẤU
- Quan hệ của bất đẳng thức này phải được xột trờn mọi bộ phận và vật liệu của kết cấu.
2.2.1. Phương phỏp thiết kế theo ứng suất cho phộp: (ASD - Allowance stress design)
- Phương trỡnh cơ b ản: Trong phương phỏp này, người ta nhỡn nhận ứng xử của kết cấu thụng quaứng suất của một điểm đại diện:
max [ ] với
[ ] gh
k
Trong đú:
+max: Ứng suất tiờu chuẩn (khụng hệsố) lớn nhất trong bộ phận kết cấu do tải trọng gõy ra.
+ []:Ứng suất lớn nhất cho phộp xuất hiện trong bộphận kết cấu. +gh: Cường độcủa vật liệu.
+ k: Hệsốan toàn (k>1). -Đặc điểm của phương phỏp:
+ Ưu điểm:
Tớnh toỏn đơn giản, cho phộp tớnh toỏn nhanh chúng và tiện dụng.
Đảm bảo an toàn chịu lực cho cỏc bộphận kết cấu. + Nhược điểm:
Khụng ỏp dụng được cho vật liệu làm việc ngoài giới hạn đàn hồi, do đú khụng tận dụng được hết khả năng chịu lực của cỏc bộphận kết cấu và gõy lóng phớ vật liệu.
Khụng xột đến tớnh làm việc thực tếcủa kết cấu.
Việc xỏc định hệsốan toàn thiếu sựphõn tớch cụthể.
2.2.2. Phương phỏpthiết kế theo hệ số tải trọng: (LFD - Load factor design)
- Phương trỡnh cơ bản: Trong phương phỏp này, sự làm việc của kết cấu được đỏnh giỏ thụng qua một mặt cắt đại diện:
max [ ] S S với [ ] Sgh S k Trong đú:
+ Smax: Nội lực lớn nhất do tải trọng gõy ra tại mặt cắt bất lợi. + [S]: Khả năng chịu lực lớn nhất cho phộp của mặt cắt bất lợi. + Sgh: Khả năngchịu lực lớn nhất của mặt cắt.
+ k: Hệsốan toàn (k>1). -Đặc điểm của phương phỏp:
+ Ưu điểm:
Cú tớnh trực quan, rừ ràng.
Ngoài ra LFD cũn tiến bộ hơn ASD do đó xộtđến sựlàm việc chung của toàn bộ mặt cắt.
+ Nhược điểm:
Chưa xột tới sựlàm việc chung của cỏc bộphận kết cấu.
2.2.3. Phương phỏp thiết kếtheo trạng thỏi giới hạn: (LSD - Limit state design)
- Trạng thỏi giới hạn (TTGH) là trạng thỏi mà ở đú cụng trỡnh bị hỏng hoàn toàn hoặc khụng thểsửdụng bỡnh thường được nữa.
- Quy trỡnh thiết kế cầu cống của Liờn Xụ (cũ) CH200-62, ban hành năm 1962, sau này Bộ Giao thụng vận tải nước ta dựa trờn quy trỡnh này để biờn soạn Quy trỡnh thiết kế cầu cống theo TTGH ký hiệu 22TCN18-79 nhưsau:
+ Phươngtrỡnh cơ bản:
ni.Ni.(m,k1.R1tc,k2.R2tc,...,F0)
Trong đú:
ni: Hệ số tải trọng.
Ni: Nội lực trong kết cấu do tải trọng tiờu chuẩn gõy ra.
: Hàm số xỏc định mỗi TTGH của kết cấu.
m: Hệ số điều kiện làm việc.
k1, k2,…: Hệ số đồng nhất vật liệu.
R1tc, R2tc,…: Cường độ tiờu chuẩn của vật liệu.
F0: Đặc trưng hỡnh học của kết cấu. + Cỏc TTGH:
TTGH thứ nhất: Là TTGH mà kết cấu khụng cũnđủ khả năng chịu lực hoặc xuất hiện cỏc biến dạng dẻo lớn, nhằm đảm bảo về mặt chịu lực cho cụng trỡnh (về cường độ, ổn định và độ chịu mỏi).
TTGH thứ hai: Là TTGH mà kết cấu bị phỏt sinh cỏc biến dạng dư quỏ lớn như dao động, chuyển vị, lỳn, … gõy khú khăn cho việc sử dụng bỡnh thường.
TTGH thứ ba: Là TTGH mà tiết diện kết cấu bị xuất hiện cỏc vết nứt lớn gõy khú khăn cho việc sử dụng bỡnh thường.
+ Khi tớnh toỏn theo cỏc TTGH trong 22TCN18-79, để thay thế cho hệ số an toàn duy nhất trong phương phỏp ứng suất cho phộp, đó dựng cỏc hệ số tớnh toỏn sau:
Hệ số tải trọng (n): Xột đến những sai lệch cú thể xảy ra theo chiều hướng bất lợi so với cỏc trị số tiờu chuẩn của chỳng trong cỏc tổ hợp tải trọng và tỏc động khỏc nhau.
Hệ số đồng nhất (k): Xột khả năng giảm thấp cường độ của vật liệu và đất so với trị số tiờu chuẩn do những thay đổi về tớnh chất cơ học và tớnh khụng đồng nhất của chỳng.
Hệ số điều kiện làm việc (m): Phản ỏnh sự chưa phự hợp của tớnh toỏn lý thuyết với điều kiện làm việc thực tế của kết cấu.
2.2.4. Phương phỏp thiết kế theo hệ số tải trọng và sức khỏng: (LRFD - Load and
resistance factor design)
- Phương trỡnh cơ bản: Trong thiết kế, để đảm bảo an toàn cụng trỡnh thỡ khả năng chịu lực của vật liệu và tiết diện (sức khỏng) phải lớn hơn nội lực gõy ra do tải trọng:
i.i.Qi .Rn Rr
Trong đú:
+ ηi: Hệ số điều chỉnh tải trọng liờn quan đến tớnh dẻo và tớnh dư cũng như tầm quan trọng trong khai thỏc. +γi: Hệ số tải trọng. + Qi:Ứng lực do tải trọng. + Rn: Sức khỏng danh định. + Rr: Sức khỏng tớnh toỏn. + : Hệ số sức khỏng.
- Hệ số sức khỏng :Đối với một TTGH nào đú thỡ hệ số sức khỏ ng được sử dụng để xột đến tớnh thất thường trong tớnh chất của kết cấu, của vật liệu và độ chớnh xỏc của cỏc phương trỡnh thiết kế đỏnh giỏ khả năng chịu tải, tỡnh huống hư hỏng của cụng trỡnh.
- Hệ số tải trọng γi: Áp dụng đối với cỏc loại tải trọng, để xột đến tớnh thất thường của cỏc tải trọng và hiệu ứng tải như độ lớn của tải trọng, vị trớ tải, tổ hợp tải trọng.
- Hệ số điều chỉnh tải trọng ηi:
+ηi=ηD.ηR.ηI 0.95 đối với cỏc tải trọng dựng hệ số tải trọng γimax. +ηi=
I R D . .
1 1.0 đối với cỏc tải trọng dựng hệ số tải trọng γimin. Trong đú:
+ηD:Độ dẻo: Độ dẻo của vật liệu rất quan trọng cho độ an toàn của cầu. Nếu vật liệu dẻo, khi một bộ phận chịu lực quỏ tải nú sẽ phõn bố nội lực sang bộ phận khỏc.
1.ηD1.05 cho cỏc cấu kiện và liờn kết khụng dẻo.
2.ηD=1.0 cho cỏc thiết kế thụng thường, theo đỳng yờu cầu của tiờu chuẩn thiết kế. 3.ηD0.95 cho cỏc cấu kiện cú dựng cỏc biện phỏp để tăng thờm tớnh dẻo.
+ηR:Độ dư thừa: Độ dư thừa cú ý nghĩa đối với giới hạn an toàn của cầu. Một số kết cấu siờu tĩnh được co i là dư thừa vỡ nú cú nhiều liờn kết hơn so với yờu cầu cõn bằ ng tĩnh định. Hệ cầu cú một đường tiếp đất được coi là khụng dư thừa (khụng nờn dựng loại này).
Trong trạng thỏi giới hạn cường độ (TTGH cường độ). 1.ηR1.05 cho cỏc bộ phận khụng dư thừa.
3.ηR0.95 cho cỏc mức dư thừa đặc biệt. +ηI:Độ quan trọng:
Dựng trong cỏc TTGH cường độ và TTGH đặc biệt. 1.ηI1.05 cho cỏc cầu quan trọng.
2.ηI=1.0 cho cỏc cầu điển hỡnh.
3.ηI0.95 cho cỏc cầu tương đối ớt quan trọng. -Đặc điểm của phương phỏp:
+Ưu điểm:
Đó xộtđến sự khỏc nhau giữa tải trọng và sức khỏng.
Đạt được mức độ an toàn tương đối đồng đều đối với cỏc TTGH khỏc nhau và cỏc loại cầu mà khụng cần đến phõn tớch thống kờ hoặc xỏc suất phức tạp.
Là một phương phỏp thiết kế thớch hợp vàổn định. +Nhược điểm:
Thay đổi tư duy thiết kế so với AASHTO cũ.
Yờu cầu hiểu biết cơ bản về lý thuyết xỏc suất và thống kờ.
Yờu cầu cú cỏc số liệu thống kờ đầy đủ và cỏc thuật toỏn thiết kế xỏc suất để cú thể chỉnh lý hệ số sức khỏng trong từng trường hợp riờng.
2.3. CÁC TIấU CHUẨN THIẾT KẾ CẦU HIỆN HÀNH:
Mỗi một dự ỏn đều phải tuõn thủ theo cỏc quy trỡnh thiết kế, hiện nay nước ta tồn tại song hành hai quy trỡnh thiết kế:
+ Quy trỡnh tớnh toỏn thiết kế cầu cống theo cỏc trạng thỏi giới hạn do Bộ GTVT ban hành năm 1979:
22TCN 18 - 79
+ Quy trỡnh theo hệ số tải trọng và sức khỏng (Quy trỡnh AASHTO 98): 22TCN 272 - 05
CHƯƠNG 3:
THIẾT KẾ CÁC PHƯƠNG ÁN CẦU
3.1. CÁCCĂN CỨ LẬP PHƯƠNG ÁN CẦU:
3.1.1. Khỏi niệm chung:
Việc thiết kế và lựa chọn phương ỏn cầu là một bài toỏn tổng th ể nhiều mặt: Kỹ thuật cụng nghệ, quy hoạch, mụi trường, kinh tế. Cỏc phương ỏn cầu nờu ra phải thỏa món yờu cầu kỹ thuật, kinh tế, cụng nghệ thi cụng, điều kiện khai thỏc duy tu bảo dưỡng, ý nghĩa quốc phũng và yờu cầu mỹ quan.
Trong thiết kế, người ta ph ải thành lập nhiều phương ỏn, sau đú tớnh toỏn cụ thể từng phương ỏn và đỏnh giỏ chỳng để từ đú lựa chọn ra phương ỏn tối ưu nhất.
3.1.2. Phõn tớch cỏc tài liệu khi thiết kế cỏc phương ỏn cầu:
3.1.2.1. Chọn vị trớ cầu:
- Cầu nhỏ (L<25m): Vị trớ cầu phụ thuộc vào tuyến đường. Do đú việc khảo sỏt và xõy dựng tuyến là hết sức quan trọng, xõy dựng tuyến kết hợp với việc xõy dựng cầu.
- Cầu lớn (L>100m): Tuyến đường phụ thuộc vào cầu. Như vậy việc khảo sỏt, lựa chọn vị trớ cầu là rất quan trọng nhằm chọn được vị trớ xõy dựng cầu hợp lý nhất sau đú cú thể nắn tuyến theo vị trớ cầu đó chọn.
- Cầu trung (L=25ữ100m): Phải xem xột cả hai khả năng cầu theo tuyến hoặc tuyến theo cầu, sau đú so sỏnh phõn tớch xem phương ỏn nào cú lợi hơn thỡ lựa chọn và triển khai xõy dựng.
Trong thực tế, khi thành lập phương ỏn cầu thỡ ta phải đưa ra rất nhiều cỏc phương ỏn vị trớ cầu khỏc nhau sau đú so sỏnh cỏc phương ỏn trờn nhiều phương diện:
- Về mặt kỹ thuật: So sỏnh theo cỏc điều kiện địa hỡnh,địa chất, thủy văn, thicụng và bố trớ cụng trường, …Vị trớ cầu nờn trỏnh đặt tại cỏc vị trớ sau:
+ Cầu đi qua địa hỡnh thấp, địa chất hai đầu cầu yếu dẫn đến việc xử lý lỳn phức tạp và gặp rất nhiều khú khăn.
+ Khụng đặt cầu gần cỏc căn cứ quõn sự, sõn bay hoặc những nơi yờu cầu phải đảm bảo an ninh đặc biệt.
+ Khụng nờn đặt cầu chộo với dũng chảy.
- Về mặt quy hoạch: Phải so sỏnh về việc phỏt triển cỏc vựng lõn cận trong tương lai, vị trớ cầu theo quan điểm bố trớ kiến trỳc tổng thể của khu vực và theo quan điểm quốc phũng.
- Về mặt kinh tế: Phải so sỏnh theo giỏ thành (thi cụng và khai thỏc), so sỏnh về giỏ thành vận doanh cỏc phương ỏn tuyến do cỏc vị trớ cầu khỏc nhau gõy nờn.
Vị trớ cầu cú liờn quan chặt chẽ đến việc chọn phương ỏn kết cấu nờn sau k hi phõn tớch chọn được vị trớ cầu tốt nhất mới tiến hành thiết kế cỏc phương ỏn kết cấu ứng với vị trớ cầu đú một cỏch cụ thể.
3.1.2.2. Mặt cắt dọc tim cầu:
Dựa vào mặt cắt dọc tim cầu cho phộp xỏc định vị trớ của mố trụ, trỏnh đặt trụ vào chỗ sõu nhất, phõn bố cỏc nhịp thụng thuyền, xỏc đ ịnh độ dốc dọc cầu (một chiều hay hai chiều).
3.1.2.3. Mặt cắt địa chất dọc tim cầu:
Căn cứ vào tỡnh hỡnhđịa chất dọc đường tim cầu, sơ bộ xỏc định cỏc loại múng cầu, đồng thời xỏc định cỏc phương ỏn kết cấu nhịp (tĩnh định haysiờu tĩnh).
- Nếu trụ cao, địa chất xấu, tỡnh hỡnh thi cụng phức tạp, giỏ thành trụ sẽ đắt, khi đú nờn làm cỏc kết cấu nhịp dài.
- Nếu địa chất tốt, tầng đất cứng nằm khụng sõu, điều kiện thi cụng dễ dàng thỡ cú thể dựng cỏc kết cấu nhịp siờu tĩnh, cỏc loại kết cấu nhịp cú lực đẩy ngang.
3.1.2.4. Cỏc số liệu thủy văn:
- Mực nước thấp nhất (MNTN):
+ Cho biết vị trớ sõu nhất của lũng sụng trong mựa cạn. Căn cứ vào những vị trớ đú để bố trớ cỏc nhịp thụng thuyền theo bề rộng của sụng. Tuy nhiờn, ở những con sụng dễ bị xúi lở cần tớnh đến khả năng di chuyển cỏc khu vực sõu theo thời gian và như vậy luồng lạch để tàu bố qua lại cũng phải dịch chuyển theo bề rộng ngang sụng.
+ Xỏc định cao độ đỉnh bệ múng của trụ đặt trong nước: Cú thể đặt bệ múng sỏt với mặt đất hoặc cũng cú thể đặt bệ múng nổi trờn mặt đất. Trong trường hợp đặt bệ múng nổi lờn trờn mặt đất, thỡ cao độ đỉnh bệ múng thụng thường lấy thấp hơn MNTN tối thiểu là 0.5m. Vị trớ đỉnh múng như vậy sẽ làm giảm khối lượng xõy và giảm thu hẹp dũng chảy, đồng thời cũnđảm bảo vấn đề mỹ quan cho cụng trỡnh cầu.
- Căn cứ vào MNCN để xỏc định chiều dài tớnh toỏn của khẩu độ thoỏt nước, đồng thời xỏc định cao độ đỉnh xà mũ mố, trụ và cao độ đỏy KCN:
+Đỉnh xà mũ mố, trụ ph ải cao hơn MNCN tối thiểu là 0. 25m.
+ Đỏy dầm tại mọi vị trớ phải ca o hơn MNCN tối thiểu là 0.5m đối với sụng khụng thụng thuyền khụng cú cõy trụi đỏ lăn, khi cú cõy trụi đỏ lăn thỡ cao độ đỏy dầm phải cao hơn MNCN tối thiểu 1m(cầu đường ụtụ)và 1.5m (cầu đường sắt).
+ Tại những nơi khụ cạn hoặc đối với cầu cạn, cầu vượt thỡ caođộ đỏy dầm phải cao hơn mặt đất tự nhiờn≥1m.
-Căncứ vào MNTT và chiều cao thụng thuyền để xỏc định cao độ đỏy KCN.
3.1.2.5. Khẩu độ thoỏt nước:
3.1.3. Khổ giới hạn và khổ thụng thuyền:
3.1.3.1. Khổ giới hạn:
- Khổ giới hạn thụng xe trờn cầu (thường gọi tắt là khổ giới hạn) là khoảng khụng gian được giành riờng cho giao thụng trờn cầu mà khụng một kết cấu hay bộ phận kết cấu nào được vi phạm khoảng khụng gian đú để đảm bảo an toàn g iao thụng.
- Khổ giới hạn trờn cầu đường ụtụ: Đối với cầu đường ụtụ thỡ khổ giới hạn lấy theo cỏc tiờu chuẩn thiết kế đường tương ứng do Bộ Giao thụng vận tải ban hành. Núi chung chiều rộng mặt cầu thường gồm cỏc phần sau:
+ Phần xe chạy cú thể là: 4, 6, 7, 8, 9, 10.5, …(m). + Phần lề người đi bộ cú thể là: 0.5, 1, 1.5, 2, … (m). + Phần lan can, dóy bảo vệ, dóy phõn cỏch.
- Khổ giới hạn trờn cầu đường sắt: Lấy theo kớch thước như hỡnh vẽ đối với khổ ray 1000mm và khổ ray 1435mm.(mục 2.3.3.4 trong 22TCN272-05)
Hỡnh 3.1a: Trờnđường sắt khổ 1000mm Hỡnh 3.1b: Trờnđường sắt khổ 1435mm
Trong đú:
+ Đương nột liền ____: Cho cỏc cụng trỡnh vượt phớa trờn đường sắt dựng sức kộo hơi nước và điờzen.
+ Đường nột đứt ---: Cho cỏc cụng trỡnh vượt phớa trờn đường sắt dựng sức kộo điện xoay chiều.
+ Số trong ngoặc đơn dựng khi cú khú khăn về chiều cao.
3.1.3.2. Khổ thụng thuyền:
- Khổ thụng thuyền là khoảng khụng gian được dành cho giao thụn g đường thủy dưới gầm cầu mà khụng một kết cấu hay bộ phận kết cấu nào được vi phạm vào khoảng khụng gian đú để đảm bảo an toàn cho giao thụng đường thủy.
Hỡnh 3.2: Khổ thụng thuyền.