Mở đầu
Phần trớc đã có nhận định là các quy trình dùng làm tài liệu hớng dẫn thuận tiện cho các tiêu chuẩn đã đ- ợc thiết lập và mô tả những thực hành kỹ thuật thiết kế và thi công đã đợc công nhận để tạo nên những kết cấu công trình an toàn và thích hợp nh cầu hoặc hầm.
Trong bài này, chúng ta dừng lại xem xét các yêu cầu tải trọng thiết kế cầu đợc trình bày trong Tiêu chuẩn thiết kế cầu của Việt nam ban hành gần đây 22 TCN-272-01, dựa theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu của Mỹ AASHTO LRFD.
Dới đây là tóm tắt những yêu cầu về tải trọng thiết kế cầu trong 22 TCN-272-01, nêu bật những khác biệt với Tiêu chuẩn thiết kế cầu của Mỹ AASHTO LRFD để cho phù hợp với các điều kiện của Việt nam.
Các đặc điểm về thiết kế tổng thể Tuổi thọ thiết kế
Tuổi thọ thiết kế đợc áp dụng cho các công trình là 100 năm. Sự lựa chọn tuôỉ thọ thiết kế đã dựa trên cơ sở nguồn gốc thống kê các tải trọng tức thời và các điều khoản về độ bền lâu.
Khổ giới hạn thông thuyền
Đối với đờng thuỷ nội địa, các khổ giới hạn thông thuyền theo TCVN 5664-1992 đã đợc đa vào. Khổ giới hạn thông thuyền đợc xác định từ mức nớc cao 20 năm và biến thiên từ:
• 10 – 80m theo chiều nằm ngang
• 2,5 – 10m theo chiều thẳng đứng tuỳ thuộc vào cấp đờng thuỷ.
Khổ giới hạn đờng sắt
Đối với các cầu vợt qua bên trên đờng sắt, đa vào áp dụng khổ giới hạn với tĩnh không theo chiều thẳng đứng là 5300 mm cho đờng sắt khổ 1000 mm và 6550mm cho khổ đờng 1435 mm.
Thiết kế thủy văn và thủy lực
Nội dung thiết kế thuỷ văn và thuỷ lực của AASHTO đã đợc cải biên cho phù hợp với điều kiện thực tế Việt nam. Các loại lũ thiết kế đợc định nghĩa nh sau :
• Lũ thiết kế cho khẩu độ cầu (design flood for waterway opening) là dòng lũ thiết kế chu kỳ 100 năm, đợc dùng để xác định khẩu độ cầu. Dự kiến rằng cầu vẫn giữ nguyên đợc khả năng khai thác (không xảy ra mức nớc dâng không chấp nhận đợc, v.v ).. Các dòng lũ có chu kỳ ngắn hơn (50 năm hay 25… năm) đợc phép áp dụng cho các khẩu độ cầu ít quan trọng hơn (trên các tuyến đờng cấp II hoặc cấp thấp hơn) vì khi đó việc xét chu kỳ lũ 100 năm là không kinh tế.
• Lũ thiết kế để tính xói cầu (design flood for bridge scour) cũng là lũ chu kỳ 100 năm, đợc dùng để thiết kế cho mọi trờng hợp tải trọng trừ trờng hợp trạng thái giới hạn đặc biệt. Các tải trọng thuỷ lực do dòng lũ này gây ra đợc xét đồng thời với các tải trọng khác và với hệ số tải trọng bằng 1,0. Khi phân tích kết cấu cầu phải giả thiết rằng tình trạng xói tơng ứng với dòng lũ này sẽ xảy ra.
• Lũ kiểm tra xói cầu (check flood for bridge scour) là lũ chu kỳ 500 năm, đợc dùng để kiểm tra ổn định của móng trụ cầu ở trạng thái giới hạn đặc biệt. Cho tác dụng các tải trọng thuỷ lực do dòng lũ này gây ra khi không có các tải trọng khác, ngoài tải trọng tĩnh và 50 % hoạt tải, với hệ số tải trọng bằng 1,0. Khi phân tích kết cấu cầu ở trạng thái giới hạn đặc biệt phải xét đến giả thiết sẽ xảy ra xói kết hợp với dòng lũ này. Tuy nhiên, cần lu ý rằng khi kiểm tra kết cấu đối với các trờng hợp tải trọng đặc biệt khác (động đất, va xe trên cầu, va xô tầu thuyền dới cầu) thì các tải trọng thuỷ lực đồng thời và chiều sâu xói sẽ đợc tính toán ứng với lu lơng lũ trung bình hàng năm.
Việc chọn chu kỳ 100 năm tái xuất hiện cho dòng lũ thiết kế là phù hợp với thực tế nhiều năm qua ở Việt nam nhng việc dùng lũ chu kỳ 500 năm để kiểm tra ổn định cầu sau khi bị xói thì cần đợc bình luận thêm. Nhiều kinh nghiệm quản lý cầu khắp thế giới cho thấy rằng các sự cố phá huỷ cầu do xói xảy ra nhiều hơn các sự phá huỷ do bất cứ nguyên nhân nào khác. Điều không may là: các chiều sâu xói và trắc dọc lòng sông, đặc biệt ở khu vực lân cận các trụ cầu thờng là rất khó có thể tính toán dự báo chính xác đợc. Do đó phải thận trọng kiểm tra ổn định của cầu dới các điều kiện xói xấu nhất, coi nh một nội dung xét trạng thái giới hạn đặc biệt. Trong trạng thái giới hạn này, các tải trọng khác vẫn cho tác dụng lên cầu bình thờngvà kết cấu chỉ cần đợc kiểm toán chống lật đổ. Điều đáng lu ý là hiện nay ở Việt nam không có
đủ các ghi chép quan sát để phục vụ cho việc tính toán chính xác về lũ chu kỳ 500 năm- trong trờng hợp này, một ớc lợng trên cơ sở các số liệu thực có sẽ đợc coi là chấp nhận đợc.
Các tổ hợp tải trọng
Tiêu chuẩn AASHTO LRFD quy định xét 11 tổ hợp tải trọng, gồm: Trạng thái giới hạn cờng độ: 5 tổ hợp tải trọng
Trạng thái giới hạn đặc biệt: 2 tổ hợp tải trọng Trạng thái giới hạn khai thác: 3 tổ hợp tải trọng Trạng thái giới hạn mỏi: 1 tổ hợp tải trọng
Các tổ hợp tải trọng này trong 22 TCN-272-01 đã đợc đơn giản hoá để phản ánh các điều kiện Việt nam. Hai tổ hợp tải trọng về Cờng độ (số II và IV) đã đợc lợc bỏ và thay thế bằng các ghi chú . Các tổ hợp lợc bỏ này thờng liên quan đến việc kiểm tra cầu dới các tải trọng và hiệu ứng gió bất thờng thích ứng với các cầu nhịp dài, - cả hai tổ hợp đó đều không phải là tình hình thờng gặp ở Việt nam.
Hai tổ hợp tải trọng đặc biệt đã đựoc ghép thành một tổ hợp tải trọng, với hệ số tải trọng của hoạt tải đối với tổ hợp tải trọng động đất, đã đợc lấy cố định là 0,5. Phép tính kiểm tra sẽ đợc thực hiện đối với các lực EQ, CT và CV ( động đất, va xe, va tầu thuyền ) riêng rẽ từng trờng hợp.
Ba tổ hợp tải trọng khai thác số I, II và III của nguyên bản AASHTO đã đợc ghép chung lại thành 1 tổ hợp và thêm các ghi chú ở Bảng 3.4.1-1.
Kết quả của các thay đổi nhằm đơn giản hoá làtổng số tổ hợp tải trọng mà ngời thiết kế phải xét giảm xuống còn 6 tổ hợp , nh đợc nêu dới đây trong Bảng 1
Bảng 1 : Các tổ hợp tải trọng
Tổ hợp tải trọng Mục đích của Tổ hợp tải trọng Các hệ số tải trọng chủ yếu
Cờng độ - I Xét xe bình thờng trên cầu không có gió Hoạt tải γL = 1,75 Cờng độ - II Cầu chịu gió tốc độ quá 25 m/s Tải trọng gió γL = 1,40 Cờng độ - III Xét xe bình thờng trên cầu có gió tốc độ
25m/s Hoạt tải γL = 1,35 Tải trọng gió γL = 0,40 Đặc biệt Kiểm tra về động đất, va xe, va xô tầu thuyền
và dòng nớc Hoạt tải γL = 0,50 tải trọng đặc biệt γL = 1,.00 Khai thác Kiểm tra tính khai thác,nghĩa là độ võng và bề
rộng vết nứt bê tông, ổn định ta luy v. .v .… Hoạt tải γL = 1, 00 Tải trọng gió γL = 0,30 Mỏi Kiểm tra mỏi đối với mặt cắt thép đặc biệt dới
tác động của tải trọng xe cộ lặp lại Hoạt tải γL = 0,75
Tải trọng thiết kế Tải trọng thờng xuyên
Bao gồm:
Tải trọng bản thân của lớp phủ mặt và các tiện ích công cộng Tự trọng đất đắp
áp lực đất nằm ngang Tải trọng đất chất thêm Tải trọng kéo xuống
Hoạt tải
Các làn xe thiết kế
Bề rộng làn xe thiết kế để tính toán chất tải nhiều làn xe trên cầu đợc ấn định là 3500mm, để phù hợp với “Tiêu chuẩn thiết kế đờng”. Điều đó có nghĩa là bề rộng đờng xe chạy thờng dùng 10500mm sẽ chịu tải của 3 làn xe, phản ánh tình hình thực tế.
Các hệ số làn
Các làn xe kề nhau trên một cầu thờng không đồng thời bị chất tải trọng nặng. Để xét điều này, đã quy định các hệ số làn nh ghi trong Bảng 2 Số các làn xe chất tải Các hệ số trùng phục “m” 1 1,20 2 1,00 3 0,85 > 3 0,65 Bảng 2: Các hệ số làn
Các hệ số làn không áp dụng cho trạng thái giới hạn mỏi.
Tải trọng xe cộ
Hoạt tải xe cộ thiết kế quy định là một tổ hợp bao gồm: • Xe tải thiết kế
• Xe hai trục thiết kế • Tải trọng làn thiết kế
Các hiệu ứng tải của xe tải thiết kế và xe hai trục thiết kế phải đợc chồng với các hiệu ứng tải của tải trọng làn thiết kế nh thể hiện trong Hình 3.
Các kết cấu phần trên với các khẩu độ rất ngắn, đặc biệt là những khẩu độ ngắn hơn 12m, thì thờng đợc kiểm tra bằng tổ hợp xe hai trục.
35 kN 145 kN 145 kN 4300 mm 4300 mm tới 900mm
mmm
600 mm Nói chung
300mm Mút thừa của mặt cầu
Làn thiết kế 3600 mm
Hình 2: Xe tải thiết kế
Hình 2 thể hiện xe tải thiết kế. Khoảng cách trục thay đổi giữa các tải trọng 145 kN đợc điều chỉnh để tạo điều kiện tới hạn cho thiết kế mỗi vị trí của kết cấu. Theo hớng ngang xe tải thiết kế rộng 3m và có thể đặt vào vị trí bất kỳ trong làn xe tiêu chuẩn rộng 3,5m. Tuy nhiên tải trọng bánh xe không đợc đặt ở vị trí gần hơn 0,6m kể từ tim làn, hoặc 0.3m kể từ mặt của bó vỉa, thanh barie hoặc lan can.
Xe hai trục thiết kế gồm có hai trục 110 kN cách nhau 1,2 m kể từ tâm nh thể hiện ở Hình 3(b). Tải trọng làn xe thiết kế AASHTO bằng 9,3 N/mm và ngang với một đoàn xe tải nh thể hiện trong Hình 3 (a),(b) và (c). Tơng tự tải trọng xe tải, tải trọng làn xe trải ra trên một diện tích với chiều rộng 3m trên làn tiêu chuẩn 3,5m. Tải trọng làn xe không bị gián đoạn, trừ khi tạo thành hiệu ứng lực cực trị nh trong tải trọng “vệt” của các nhịp xen kẽ nhau. Chỉ có các trục tham gia tạo ra cực trị mới đợc tính.
Khi kiểm tra phản lực cực trị tại một trụ phía trong hoặc mômen âm giữa cac điểm chống uốn ở kết cấu phần trên, thì phải đặt hai xe tải thiết kế với khoảng cách 4,3m giữa các trục 145kN trên cầu với khoảng cách tối thiểu 15m kể từ trục sau của xe tải thứ nhất đến trục trớc của xe tải thứ hai nh thể hiện trong Hình 3 (c). Chỉ sử dụng 90% tải trọng xe tải và tải trọng làn xe.
Khi xét các hệ số tải trọng, các hệ số xung kích (các tải trọng động cho phép) và các hệ số làn, thì hiệu ứng của hoạt tải xe (dựa theo AASHTO LRFD tải trọng HL-93) lớn hơn ở trạng thái giới hạn cờng độ so với tải trọng XB80 cũ của Việt nam. Tải trọng XB80 do đó đã bị loại khỏi tiêu chuẩn mới 22TCN-272-01. Mặt khác, tải trọng HL-93 là quá lớn đối với các cầu nhỏ trên những đờng hẹp,đờng nông thôn ở Việt nam ( đờng cấp IV và cấp thấp hơn),vì loại xe tải lớn không thể hoặc rất khó đi lại đợc trên đờng đó. Do đó, Tiêu chuẩn mới đã đa ra vài phơng án tuỳ chọn để Chủ đầu t sẽ quyết định loại
tải trọng trục xe tải hay xe hai trục cỡ nhẹ hơn - hoặc là bằng 50% hoặc là bằng 65% của trị số cơ bản. Các tải trọng đã giảm này là tơng đơng với trờng hợp xếp tải xe H10 và H13 hiện có của Việt nam.
Hình 3: Các hoạt tải thiết kế
Tác động xung kích cho phép
Trong Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD thì tác động xung kích của xe (hệ số xung kích có nghĩa là tăng các lực trục vợt tự trọng khi xe tăng tốc) đợc tăng đến 33%. Trong Tiêu chuẩn 22TCN-272-01 của Việt nam quy định trị số 25%.
Hoạt tải đoàn tầu hoả
Vì đây là Tiêu chuẩn cầu đờng ô-tô, nên các quy định về hoạt tải đoàn tầu hoả trớc đây đã đa vào Tiêu chuẩn ngành 22 TCN 18-1979 nay bị lợc bỏ.
Hoạt tải ngời đi bộ
Độ lớn của tải trọng ngời đi bộ là 3 kPa cho cầu đờng ôtô và 4 kPa cho cầu bộ hành và xe đạp đã giảm chút ít so với trị số AASHTO LRFD để thích hợp với điều kiện thực tế của Việt nam.
Việt nam có điều kiện khí hậu về gió rất thay đổi. Vùng trong đất liền điển hình có tốc độ gió tơng đối thấp, còn vùng ven biểnphải chịu bão có thể đặc biệt mạnh ở miền Bắc Việt nam. Các tải trọng gió của Tiêu chuẩn AASHTO LRFD dựa trên tốc độ gió cơ bản 44 m/s nên không phù hợp điều kiện Việt nam, đặc biệt là ở những vùng có gío bão.
Đối với Tiêu chuẩn Việt nam mới 22 TCN-272-01, tốc độ gió cơ bản nhận đợc từ TCVN 2737-1995, thể hiện các dữ liệu về gió tuỳ theo áp lực gió. Chúng đã đợc tính chuyển ngợc lại về tốc độ gió, bằng cách dùng công thức P = 0,0613 V2. Bảng 4 của TCVN 2737-1995 cho các dữ liệu gió của 5 vùng gió từ I đến V. Các vùng gió này đã đợc chấp nhận trong Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN-272-01, ngoại trừ vùng V là vùng giữa biển rộng và vì thế không liên quan đến thiết kế và thi công cầu.
Kết quả là dải các tốc độ gió cơ bản từ 38 m/s cho Vùng gió I ( vùng trên đất liền) đến 59 m/s cho Vùng gió IV (vùng ven biển miền Bắc và ven biển miền Trung). Các dữ liệu từ TCVN 2737 cũng đợc xem xét để lấy hệ số hiệu chỉnh theo chiều cao và địa hình chịu gió. Hệ số hiệu chỉnh này đợc áp dụng vào tốc độ gió cho các Vùng gió tơng ứng để tính ra tốc độ gió thiết kế đối với cầu.
Phơng pháp cơ bản thừa nhận trong 22 TCN-272-01 để tính tải trọng gió lên cầu đã tham khảo từ Tiêu chuẩn thiết kế của Ôxtrâylia “AustRoads” nhiều hơn là từ AASHTO.
Để nhất quán với Tiêu chuẩn thiết kế cầu Việt nam cũ 22 TCN 18-1979, vẫn giữ lại trị số áp lực gió ngang tối thiểu 1,8 kPa Thực ra, điều này làm tăng đôi chút lực gió tính toán đối với cầu ở Vùng gió I, còn các cầu trong ba Vùng gió khác thì nói chung có các lực tính toán bằng hoặc lớn hơn trị số tối thiểu này.
Các quy định về sự mất ổn định khí đàn hồi đã đợc nêu ra trong Tiêu chuẩn với lời cảnh báo về các giới hạn áp dụng của các phơng pháp quy định đối với các kết cấu nhạy cảm với gió (với tỷ lệ chiều dài trên chiều rộng hoặc chiều cao vợt quá 30 ở cầu treo dây văng và dây võng dài)
Các hiệu ứng động đất
Quy trình tính toán các tải trọng động đất đợc dạ theo phơng pháp trong Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD với bản đồ địa chấn Mỹ cho các hệ số gia tốc đợc thay thế bằng bản đồ gia tốc địa chấn tơng đơng của Việt nam (Hình 4).
Quy trình xét đến những biến số sau đây:
• Cấp quan trọng của cầu dựa trên những yêu cầu về cấp cứu và an toàn • Vùng xảy ra động đất dựa trên các hệ số gia tốc động đất (Bảng 3) • Các hiệu ứng vị trí dựa theo các loại đất phổ biến nh sét, cát hoặc đá.
Bảng 3: Các vùng động đất Vùng động đất Cấp MSK-64 Hệ số gia tốc, A 1 Cấp ≤ 6,5 A ≤ 0,09 2 6,5 < Cấp ≤ 7,5 0,09 < A ≤ 0,19 3 7,5< Cấp ≤ 8,0 0,19 < A ≤ 0,29
Quy trình đa ra những yêu cầu phân tích tối thiểu để tính toán lực và các hiệu ứng động đất cho những vùng động đất khác nhau trên cơ sở vùng động đất và cấp hạng quan trọng của cầu. Các phơng pháp phân tích nói đến trong Tiêu chuẩn nh sau:
• Phơng pháp đàn hồi dạng đơn • Phơng pháp đàn hồi dạng phức