16 axles, spaced at 1.8m
centres
Total load per axle = 200kN for HLP 320 250kN for HLP400 3.6 for HLP 320 4.5 for HLP 400 1.4m 1.4m 0.5m 0.5m Elevation of HLP loading
Từ những năm 60 của thế kỷ trớc ngành cầu Việt Nam đã có những quy trình quy phạm thiết kế đầu tiên chủ yếu đợc dịch từ nớc ngoài. Sau đó hàng loạt tiêu chuẩn Nhà nớc (TCVN) và các bộ (TCN) đã đợc ban hành cho các công tác khảo sát, thiết kế, vật liệu và phơng pháp thi công, nghiệm thu và khai thác quản lý. Các tiêu chuẩn trên hầu nh đều có tính bắt buộc phải thực hiện, nhất là các Quy chuẩn mới đây. Nhng do nhiều tiêu chuẩn đợc biên dịch từ các quy trình nớc ngoài nên có cả những khuyến nghị mang tính h- ớng dẫn. Đặc biệt là Tiêu chuẩn thiết kế cầu mới ban hành 22 TCN 272.01 có quy định rõ ràng điều nào là phải theo, điều nào là nên theo và điều nào là có thể theo.
Theo các thông t số 12/BXD/ KHCN ngày 24/4/1995 và 78 BXD-KHCN ngày 7/7/1995, Nhà nớc cho phép dùng các tiêu chuẩn hiện hành của ISO và các nớc Anh, Đức, Mỹ, Pháp, Nhật, úc cho các công trình xây dựng ở Việt Nam trừ các lĩnh vực:
• Số liệu khí hậu, địa chất và thuỷ văn. • Phòng chống cháy nổ, gió bão, sét. • Vệ sinh môi trờng.
• An toàn công trình dới tác động khí hậu địa phơng. • An toàn lao động.
Do đó khi dùng các tiêu chuẩn trên chúng ta cần lu ý các đòi hỏi này phải đợc xét cho phù hợp điều kiện Việt Nam.
Mặt khác do các tiêu chuẩn cầu hiện hành đợc biên dịch từ nhiều nguồn qua nhiều năm nên khi vận dụng cần lu ý:
Trờng hợp có cả TCVN và TCN thì phải tuân thủ TCVN.
Trờng hợp có cả tiêu chuẩn trớc và tiêu chuẩn sau thì nên u tiên tuân thủ tiêu chuẩn sau.
Các tiêu chuẩn đã quá cũ, ban hành từ các năm 70, 80, khi vận dụng nên xem xét kỹ, đối chiếu với thực tế sản xuất để đề xuất các sửa đổi và xin phép điều chỉnh, vì suốt thời gian sau ban hành các tiêu chuẩn này cha đợc sửa đổi và cập nhật cho phù hợp với điều kiện Việt Nam và tồn tại khá nhiều sai sót, bất hợp lý.
Sau đây là liệt kê các tiêu chuẩn hiện hành về cầu và liên quan đến cầu
1. Quy trình thiết kế cầu cống theo trạng thái giới hạn 22 TCN 18.79
2. Quy phạm thiết kế đờng phố, đờng, quảng trờng đô thị 20 TCN 104.83 (Bộ Xây dựng) 3. Đờng ôtô - tiêu chuẩn thiết kế TCVN 4054.85
4. Đờng ôtô - tiêu chuẩn thiết kế TCVN 4054.98 5. Đờng ôtô cao tốc - yêu cầu thiết kế TCVN 5729.97 6. Tiêu chuẩn thiết kế đờng giao thông nông thôn 22 TCN.92 7. Tiêu chuẩn về giao thông đờng thuỷ TCVN 5664.92
8. Quy phạm kỹ thuật khai thác đờng sắt Việt Nam 22 TCN 240.99 9. Hầm đờng sắt và đờng ôtô - tiêu chuẩn thiết kế TCVN 4257.88
10. Công trình giao thông trong vùng có động đất tiêu chuẩn thiết kế 22 TCN 220.95 11. Tính toán các đặc trng dòng chảy lũ 22 TCN 220.95
12. Tiêu chuẩn tải trọng gió TCVN 2737.95
13. Tiêu chuẩn về tải trọng do nhiệt TCVN 4088.88
14. Quy trình khoan thăm dò địa chất công trình 22 TCN 82.85 và 22 TCN 295.2000 (mới) 15. Quy trình thi công và nghiệm thu cầu cống theo quyết định số 166 QĐ ngày 22/1/1975. 16. Cầu cống - quy phạm thi công và nghiệm thu 22 TCN 266.2001 (mới)
17. Quy trình thiết lập tổ chức xây dựng và thiết kế thi công TCVN 4252.88 18. Quy trình thử nghiệm cầu 22 TCN 170.87.
20. Hầm đờng sắt và hầm đờng ôtô, tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu TCVN 5428.88. 21. Tổ chức thi công TCVN 4055.85.
22. Quy trình thi công và nghiệm thu dầm cầu bê tông dự ứng lực 22 TCN 277.98. 23. Quy trình nghiệm thu dầm cầu thép liên kết bằng bu lông cờng độ cao 22 TCN.24.84. 24. Kết cấu bêtông và bêtông cốt thép lắp ghép và toàn khối TCVN 4452.87 và TCVN 4453.95. 25. Cọc khoan nhồi - quy phạm thi công và nghiệm thu 22 TCN 276.2001 (mới).
26. Sơn cho cầu thép và kết cấu thép 22 TCN 235.97. 27. Gối cầu cao su cốt bản thép 22 TCN 217.94. 28. Móng cọc - tiêu chuẩn thiết kế 20 TCN.86.
29. Quy trình đánh giá tác động môi trờng khi lập dự án khả thi và thiết kế xây dựng các công trình giao thông 22 TCN 242.98.
30. Quy định nội dung tiến hành lập hồ sơ báo cáo nghiên cứu tiền khả thi và khả thi các dự án xây dựng kết cấu hạ tầng GTVT 22 TCN 268.2000 (mới).
31. Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272.01 (dùng thử nghiệm 2 năm từ 2001). 32. Tiêu chuẩn thiết kế đờng ôtô 22 TCN 273.01 (dùng thử nghiệm 2 năm từ 2001).
Học phần BT.05.103 Tiêu chuẩn và quy trình
Tiết 8: Tiêu chuẩn mới của việt nam về thiết kế cầu (a) Triết lý thiết kế theo trạng thái giới hạn (LRFD)
Mở đầu
Giai đoạn hiệu chỉnh thiết kế có thể bắt đầu sau khi hoàn tất việc lựa chọn các phơng án cầu khả dĩ thoả mãn các yêu cầu về chức năng và mỹ học của vị trí cầu. Công việc hiệu chỉnh đòi hỏi ngời kỹ s kiểm tra sự an toàn kết cấu và tính ổn định của thiết kế đề xuất. Việc hiệu chỉnh bao gồm các tính toán để chứng minh cho những ngời có quyền sở hữu công trình rằng mọi tiêu chuẩn áp dụng, các yêu cầu về thiết kế và thi công đều đợc thoả mãn.
Một xác nhận chung về bảo đảm sự an toàn trong thiết kế công trình là cờng độ của vật liệu và của các tiết diện cung cấp vợt quá những yêu cầu đề ra với chúng bằng các tải trọng tác dụng, nghĩa là:
Cờng độ ≥ Hiệu ứng của các tải trọng (1)
Khi áp dụng nguyên tắc giản đơn này, nhất thiết cả hai vế của bất đẳng thức phải đợc xác định trong cùng điều kiện. Ví dụ, nếu hiệu ứng của các tải trọng áp dụng là sản ra ứng suất nén trên đất thì rõ ràng là ứng suất này phải đợc so sánh với sức chịu nén của đất, chứ không so với lợng khác. Nói cách khác, việc đánh giá bất đẳng thức phải đợc tiến hành trong điều kiện chất tải cụ thể nghĩa là nó liên kết sức kháng và hiệu ứng tải trọng với nhau. Sự liên kết chung này có đợc nhờ đánh giá cả hai vế trong cùng trạng thái giới hạn.
Khi một điều kiện chất tải riêng tiến tới giới hạn của nó, thì kết quả sẽ là phá vỡ, có nghĩa là điều kiện chất tải trở thành một trạng thái phá vỡ. Điều kiện nh vậy đợc gọi là một trạng thái giơí hạn và có thể định nghĩa nh sau:
Trạng thái giới hạn là một điều kiện mà vợt ra ngoài điều kiện đó thì toàn bộ một cái cầu hoặc một cấu kiện cầu không còn thực hiện đợc chức năng thiết kế của nó nữa
Những thí dụ về các trạng thái giới hạn đối với các cầu kiểu dầm bao gồm biến dạng, nứt, mỏi, uốn, cắt, xoắn, oằn, lún, ép và trợt. Những trạng thái giới hạn đợc xác định đúng là đợc thiết lập sao cho ngời thiết kế biết là trạng thái nào đợc xem nh không chấp nhận đợc.
Một mục đích quan trọng của thiết kế là ngăn ngừa không để đạt đến một trạng thái giới hạn. Tuy nhiên, đó không phải là một mục đích duy nhất. Những mục đích khác cũng cần đợc xem xét và cân đối trong thiết kế toàn bộ nh chức năng, vẻ ngoài, và kinh tế. Sẽ không kinh tế nếu thiết kế một cây cầu mà không có cấu kiện nào của nó có lúc bị hỏng. Do đó, cần xác định mức độ rủi ro hoặc xác suất phá hoại nào là chấp nhận đợc. Việc xác định giới hạn an toàn chấp nhận đợc (lực kháng phải lớn hơn bao nhiêu khi so sánh với hiệu ứng các tải trọng) không dựa trên ý kiến của một cá nhân nào mà phải dựa trên kinh nghiệm thu lợm và điều chỉnh của một nhóm các kỹ s và viên chức giỏi nghề. Trong cộng đồng thiết kế cầu đờng ôtô ở Hoa kỳ chẳng hạn, AASHTO là một nhóm nh vậy, vì nhóm đó dựa trên kinh nghiệm của Vụ quốc gia các kỹ s giao thông, các kỹ s nghiên cứu, các nhà t vấn, và các kỹ s liên quan đến tiêu chuẩn thiết kế ở ngoài nớc Mỹ.
Thiết kế theo hệ số sức kháng và hệ số tải trọng (LRFD)
Để tính toán chotính khả biến của cả hai vế trong bất đẳng thức ở Phơng trình(1), vế sức kháng đợc nhân với hệ số sức kháng dựa theo thống kê φ thờng có giá trị nhỏ hơn 1, và vế tải trọng thì nhân với hệ số tai trọng dựa theo thống kê γ thờng có giá trị lớn hơn 1. Vì hiệu ứng tải trọng ở một trạng thái giới hạn riêng bao gồm sự tổ hợp của các loại tải trọng khác nhau (Qi) có mức độ khác nhau về khả năng dự đoán, nên vế hiệu ứng tải trọng đợc thể hiện bằng một tổng của φiQi; các giá trị. Nếu sức kháng danh định cho là Rn, chuẩn an toàn là
φRn ≥ Hiệu ứng của Σγi Qi (2)
Vì Phơng trình (2) bao gồm cả các hệ số tải trọng và hệ số sức kháng, nên phơng pháp thiết kế đợc gọi là thiết kế theo hệ số sức kháng và hệ số tải trọng (LRFD). Hệ số sức kháng φ đối với một trạng thái giới hạn riêng phải đợc tính cho những bất trắc về:
• Các đặc tính vật liệu
• Các phơng trình dự báo cờng độ • Nhân công
• Kiểm tra chất lợng • Hậu quả của đứt gãy
Hệ số tải trọng γ đợc chọn cho một loại tải trọng riêng phải xét những bất trắc về • Độ lớn của các tải trọng
• Sơ đồ (vị trí) của các tải trọng • Các tổ hợp có thể của các tải trọng.
Khi lựa chọn các hệ số sức kháng và hệ số tải trọng cho cầu, đã áp dụng lý thuyết xác suất đối với các số liệu về cờng độ vật liệu, các số thống kê về trọng lợng của vật liwuj và tải trọng xe cộ.
Những mặt mạnh và yếu của phơng pháp LRFD có thể tóm tắt nh sau:
Những mặt mạnh của Phơng pháp LRFD:
Tính đến tính chất khả biến của cả tải trọng và sức kháng
Đạt đợc mức độ khá đồng nhất về an toàn đối với các trạng thái giới hạn khác nhau của các loại cầu mà không cần đa vào phân tích xác suất hoặc thống kê phức tạp.
Cung cấp một phơng pháp thiết kế hợp lý và nhất quán.
Những mặt yếu của Phơng pháp LRFD
Yêu cầu thay đổi triết lý thiết kế (của các phơng pháp AASHTO trớc đây) Yêu cầu hiểu biết các quan niệm cơ bản về xác suất và thống kê.
Yêu cầu phải có đủ các số liệu thống kê và các thuật toán thiết kế xác suất để hiệu chỉnh các hệ số sức kháng cho thích hợp với các tình hình cụ thể.
Các Trạng thái giới hạn thiết kế trong Tiêu chuẩn Thiết kế cầu của Việt nam 22TCN-272-01
Biểu thức thiết kế chủ yếu trong 22TCN-272-01 phải thoả mãn đối với mọi trạng thái giới hạn, cả toàn bộ và cục bộ, có thể thể hiện nh sau
ηΣγi Qi ≤ φRn (3)
trong đó Qi là hiệu ứng lực, Rn là sức kháng danh định, γi là hệ số tải trọng dựa trên thống kê áp dụng cho các hiệu ứng lực, φ là hệ số sức kháng dựa trên thống kê áp dụng cho sức kháng danh định, và η là số hiệu chỉnh tải trọng (hệ số hiệu chỉnh). Đối với mọi trạng thái giới hạn phi cờng độ, φ = 1,0.
Hệ số hiệu chỉnh tải trọng là một hệ số đợc đa vào để tính đến tính dẻo, tính d, và tầm quan trọng trong khai thác của một cây cầu. Nó đợc tính theo biểu thức
η = ηDηRηI ≥ 0,95
trong đó ηD - hệ số dẻo, ηR - hệ số d, và ηI - hệ số tầm quan trọng trong khai thác. Hai hệ số đầu nói đến cờng độ của cầu và hệ số thứ ba nói về hệ quả của cầu khi không sử dụng đợc nữa. Đối với mọi trạng thái giới hạn phi ứng suất ηD = ηR = 1,0.
Hệ số dẻo ηD : Tính dẻo là quan trọng đối với an toàn của cầu. Nếu có tính dẻo, các phần quá tải của kết cấu có thể phân bố lại tải trọng của các phần khác có cờng độ dự phòng. Sự phân bố lại này phụ thuộc vào tính năng của cấu kiện quá tải và sự liên kết của nó để phát triển các biến dạng không đàn hồi mà không làm đứt gãy.
Nếu một cấu kiện cầu đợc thiết kế mà các biến dạng dẻo có thể xuất hiện, thì sẽ phải đề phòng cấu kiện sẽ bị quá tải. Nếu đó là bê tông cốt thép thì vết nứt sẽ tăng lên và cấu kiện sẽ thể hiện là nó đang bị quá sức chịu. Nếu đó là kết cấu thép, thì các vẩy thép sẽ cho thấy độ oằn và các độ võng sẽ tăng lên.
Tính giòn cần phải tránh, vì nó gây mất khả năng chịu tải đột ngột khi giới hạn đàn hồi bị vợt quá. Các cấu kiện và các liên kết bằng bê tông cốt thép có thể làm cho dẻo bằng cách hạn chế cốt thép uốn và cung cấp móc cốt thép và cốt đai. Tiết diện thép có thể thiết kế để tránh mất ổn định, nhng có thể cho tính
năng dẻo. Những điều khoản tơng tự cũng đợc chỉ ra trong các tiêu chuẩn đối với các vật liệu khác.Trên thực tế nếu các điều khoản của Tiêu chuẩn đợc tuân theo trong thiết kế, thì kinh nghiệm đã cho thấy rằng các cấu kiện sẽ có độ dẻo thích hợp. Các giá trị cần dùng cho trạng thái giới hạn cờng độ với hệ số dẻo là: ηD = 1,05 đối với các cấu kiện và mối liên kết dẻo
ηD = 0,95 đối với các cấu kiện và mối liên kết dẻo
Hệ số d ηR Tính d có tác động đáng kể đối với giới hạn an toàn của một kết cấu cầu. Một kết cấu siêu tĩnh là d. Có nghĩa là nó có cờng độ lớn hơn cần thiết để duy trì trạng thái cân bằng. Chẳng hạn, dầm cầu ba nhịp liên tục trong đất sét cũ sẽ đợc phân loại siêu tĩnh cấp hai. Bất cứ tổ hợp nào giữa hai gối tựa hoặc hai mômen, hoặc một gối tựa và một mômen có thể bị hỏng mà không bị sụp đổ ngay, bởi các tải trọng tác dụng có thể tìm thấy các đờng truyền xuống đất. Quan điểm về đa đờng truyền tải cũng là d.
Các đờng truyền tải đơn hoặc các kiểu cầu không d không đợc khuyến khích sử dụng. Cầu Bạc qua sông Ohio giữa Pt. Pleasnt, WV, và Gallipolis. OH là một kết cấu một đờng truyền tải. Cầu đợc xây năm 1920 nh một cầu treo với hai xích chính tạo thành bởi các thanh có lỗ, rất giống với xích xe đạp, căng giữa hai tháp. Tuy nhiên, để làm cho kết cấu dễ phân tích hơn, liên kết chốt đợc cấu tạo ở chân các tháp. Khi một trong các thanh thép có lỗ bị hỏng vào tháng12 năm 1967, đã không có đờng truyền tải khác, các tháp là không d và sự sụp đổ hoàn toàn đã xảy ra bất ngờ, mất 46 nhân mạng.
Năm 1950 một kiểu cầu dầm phổ biến là kiểu có dầm hẫng, dầm treo, hệ dầm hẫng. Các kết câú này là hệ tĩnh định và chi tiết nguy hiểm là sự liên kết hoặc treo, nó đỡ nhịp treo qua các nhịp hẫng. Liên kết là liên kết đờng truyền tải đơn và nếu nó hỏng thì dầm treo sẽ rơi xuống đất hoặc nớc ở dới. Sự sụp đổ này đã xảy ra với cầu qua sông Mianus ở bang Connecticut vào tháng 6 -1983, làm chết 3 ngời.
Độ d trong hệ thống cầu sẽ tăng giới hạn an toàn và điều này đợc phản ánh trong các hệ số d của trạng thái giới hạn cờng độ nh sau
ηR = 1,05 đối với các cấu kiện không có độ d ηR = 0,95 đối với các cấu kiện có độ d
Hệ số tầm quan trọng trong khai thác ηI Các cầu có thể đợc xem nh có tầm quan trọng trong khai thác