nó bằng bê tông với các thanh cốt thép nh thể hiện trên hình vẽ, thì ta sẽ đợc gì với đồng tiền bỏ ra? Rất có thể là nó có hình dạng giống nh chỉ ra trên bản vẽ, nó có thể có bề ngoài chấp nhận đợc, nhng sức chịu tải của nó thì thế nào?
Cha khi nào ta bảo nhà thầu phải dùng cấp bê tông nào hoặc cờng độ cốt thép phải là bao nhiêu.
Nếu chúng ta cấp các chỉ dẫn nh vậy cho một nhà thầu khác, có thể chúng ta sẽ có một chiếc cầu tơng tự, với sức chịu tải hoặc lớn hơn hoặc nhỏ hơn, và họ có thể đòi chúng ta trả nhiều hoặc ít tiền hơn cho chiếc cầu đó, do giá cả vật liệu khác nhau.
Tình hình nh vậy rõ ràng là không ổn, và chúng ta phải đa ra chi tiết hơn về những yêu cầu của chúng ta. chúng ta.
Để thiết kế một kết cấu hoặc một con đờng chúng ta phải thừa nhận các tính chất riêng biệt của vật liệu bất kỳ nó dùng cho bê tông, vật liệu xây dựng đờng, công tác làm đất hoặc bất kỳ bộ phận nào của công trình. Và rồi có một điều tiên quyết là những tính chất này phải đợc phản ánh vào công trình xây dựng cuối cùng.
Vì vậy mà chúng ta phải soạn thảo ra một quy trình cho tất cảa các loại vật liệu sẽ đợc sử dụng trong công trình.
Việc làm nh vậy sẽ chẳng những bảo đảm cho ngời thiết kế là những giả thiết của họ phù hợp với những tính năng của sản phẩm cuối cùng, mà còn làm cho tất cả những ngời dự thầu một dự án đợc biết rõ các yêu cầu và có thể định giá thích hợp.
Các tải trọng thiết kế qui định
Các tải trọng thiết kế cho cầu, hầm hoặc đờng ôtô bao gồm không chỉ các tải trọng xe cộ đợc phép lu thông trên đờng mà cả các lực tác động do vật liệu xây dựng, đất đắp và các tác động của môi trờng nh gió và động đất. Do đó, nhất thiết các tải trọng thiết kế phải quy định với xác suất vợt quá rất nhỏ trong suốt tuổi thọ thiết kế của công trình, để đạt đợc một công trình hoàn thiện an toàn và tơng xứng.
Nếu chúng ta xem xét kỹ mỗi loại tải trọng nói trên thì sẽ thấy một số loại có thể định lợng khá chính xác, nhng một số khác thì khó xác định hơn. Do đó, đôi khi ta phải chấp nhận dùng phơng pháp thống kê để xác định gần đúng.
Các nớc khác nhau chấp nhận các tải trọng thiết kế khác nhau, nhất là giao thông xe cộ dùng trên hệ thống đờng, nh ở Việt nam tải trọng thiết kế cầu đợc quy định trong Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN-272- 01.
Tiêu chuẩn nhân công
Cầu và hầm đợc xây dựng từ các vật liệu nh bê tông và thép mà ta biết đợc hình dang cuối cùng và tính năng làm việc đợc giả thiết trong thiết kế. Do đó, cần chú ý trong thi công và chế tạo để đảm bảo các sai số hợp lý không đợc vợt quá và kết cấu cuối cùng làm việc theo đúng ý đồ của ngời thiết kế. Tiêu chuẩn nhân công và sai số trong thi công và chế tạo để nghiệm thu công trình thờng đợc quy định trong các quy trình thi công và là chỉ dẫn khi chấp nhận thanh toán cho nhà thầu.
Các phơng pháp thử nghiệm
Các tiêu chuẩn cũng đề ra các phơng pháp thử đối với các loại vật liệu khác nhau để kiểm tra sự phù hợp của chúng với các tiêu chuẩn về cờng độ và các đặc tính khác. Ví dụ phơng pháp ép các mẫu bê tông lăng trụ đúc trong khi đổ bê tông cọc khoan nhồi để kiểm tra xem cờng độ nén của bê tông trong cọc có đảm bảo các yêu cầu thiết kế không.
Điều này rất có ích khi có tranh chấp về chất lợng thi công và chấp nhận thanh toán.
Tiêu chuẩn nghiệm thu
Gắn với tiêu chuẩn và quy trình tải trọng và vật liệu là tiền đề để ta kiểm tra giải pháp an toàn và tin cậy đối với công trình xem nó có thoả mãn yêu cầu trong tuổi thọ thiết kế thờng là 100 năm đối với cầu và hầm không.
Điều này đợc thực hiện bằng cách đa ra các tiêu chuẩn nghiệm thu công trình qua các điều khoản trong tiêu chuẩn, nó đảm bảo cờng độ thiết kế của kết cấu luôn lớn hơn tải trọng tác động tới hạn.
Giới thiệu
Chúng ta đã đề cập đến sự cần thiết đối với các tiêu chuẩn và quy trình và loại hình của các tiêu chuẩn đó dùng cho cầu và hầm. Bài giảng này tóm tắt cấu trúc và nội dung của các quy trình quốc tế và quốc gia khác nhau đợc sử dụng cho thiết kế cầu và hầm.
Triết lý thiết kế
Hầu hết các quy chuẩn quốc tế và quốc gia đang đợc sử dụng đều giới thiệu khái niệm về thiết kế các trạng thái giới hạn. Đó là tiêu chuẩn AASHTO của Mỹ, BS 5400 của Anh, AUSTRROADS của Ôxtrâylia và 22 TCN-272-01 của Việt nam. Nh vậy, nhiều phép tiếp cận khác nhau đã đợc đa vào trong các quy chuẩn khác nhau, song những nguyên tắc cơ bản đều đợc sử dụng, dù cho các phơng pháp và chi tiết không giống nhau.
Quá trình thiết kế nhằm đảm bảo kết cấu thoả mãn mục đích đã định trong suốt tuổi thọ do thiết kế quy định thờng là 100 năm. Trong thiết kế theo trạng thái giới hạn, mỗi trạng thái giới hạn đợc xem xét riêng nhằm kiểm tra nếu kết cấu không đạt. Với triết lý thiết kế này, điều cần là:
• Xử lý riêng từng loại;
• Xem xét thuộc tính khả biến của tải trọng và các tính chất vật liệu.
Các trạng thái giới hạn thờng đợc xem xét, chẳng hạn nh trong tiêu chuẩn thiết kế cầu Việt nam 22 TCN- 272-01 (dựa trên tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD), là:
Trạng thái giới hạn sử dụng (SLS): trạng thái này tơng ứng với những hạn chế về ứng suất, biến dạng và bề rộng vết nứt của các cấu kiện cầu xuất hiện trong những điều kiện sử dụng bình thờng và có thể gây tác hại đến tính năng dài hạn kể cả độ bền của công trình.
Trạng thái giới hạn mỏi và phá hoại giòn (FLS): Mỏi ứng với những hạn chế về biên độ ứng suất do kết quả của sự qua lại nhiều lần của một xe tải thiết kế. Phá hoại giòn ứng với một loạt yêu cầu về tính bền của vật liệu đề ra trong Tiêu chuẩn vật liệu. Đó là nhằm vết nứt phát triển dới tác dụng của các tải trọng lặp lại có thể dẫn tới sập đổ công trình trớc tuổi thọ.
Trạng thái giới hạn cực hạn (ULS): Trạng thái này ứng với sức chịu tải cực đại (dựa trên cờng độ và độ ổn định) của kết cấu mà vợt quá thì có thể gây sập đổ công trình ngay tức thì.
Trạng thái giới hạn đặc biệt (FLS): ứng với sự tồn tại của một cái cầu khi có động đất hoặc lũ lớn, hoặc khi bị va đập với tàu thuyền hoặc xe cộ.
Phân tích kết cấu
Phân tích kết cấu bao gồm việc xác định các hiệu ứng tải trọng (ứng suất, ứng biến, biến dạng, v.v ) trên… cơ sở kiến thức về tải trọng, hình học và các tính chất vật liệu của kết cấu. Có những phơng pháp khác nhau để phân tích kết cấu là:
• Phân tích đàn hồi
• Phân tích đàn hồi với sự phân bổ lại hạn chế • Phân tích dẻo
• Phân tích phi tuyến
Những quy chuẩn khác nhau quy định những phơng pháp phân tích nào đợc phép dùng. Trong một số tr- ờng hợp, cũng có yêu cầu phân tích cục bộ, đặc biệt khi không áp dụng giả thiết phân bổ ứng suất tuyến tính. Những hiệu ứng thứ cấp do biến dạng cũng có thể cần đợc xem xét, vì chúng có thể có tác động đến tính ổn định của kết cấu hoặc một bộ phận của nó.
Các phơng pháp phân tích và phần mềm dùng cho cầu sẽ đợc đề cập chi tiết hơn trong một bài khác.
Bố cục các tiêu chuẩn
Bố cục các tiêu chuẩn có chiều hớng giống nhau. Một số tiêu chuẩn nh AASHTO, BS 5400, 22 TCN-272- 01 v.v đ… ợc biên soạn dành riêng cho thiết kế cầu, với những tài liệu tách riêng liên quan đến các loại kết cấu khác. Tiêu chuẩn châu Âu (Eurocodes) khác biệt ở chỗ là những quy chuẩn kết cấu nói chung, áp dụng cho tất cả các loại kết cấu và những điều khoản dành riêng cho các loại kết cấu đặc biệt nh cầu, thì sắp xếp cho các phần riêng của các quy chuẩn này.
Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO hiện có hai dạng:
• Tiêu chuẩn thiết kế AASHTO cho cầu đờng ô tô (dạng đã tồn tại từ lâu) • Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD (dạng mới ban hành gần đây)
AASHTO có ý định trong đôi ba năm tới sẽ không dùng tiêu chuẩn thiết kế cầu đờng ô tô nữa và trong t- ơng lai sẽ u tiên phát triển tiêu chuẩn thiết kế cầu theo trạng thái giới hạn LRFD. Lần in đầu tiên Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD đợc AASHTO xuất bản vào năm 1994. Tuổi thọ thiết kế 75 năm đợc quy định cho các kết cấu thiết kế theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD. Tiêu chuẩn gồm có 14 Phần nh sau:
• Giới thiệu chung
• Thiết kế tổng thể và đặc điểm vị trí cầu • Tải trọng và hệ số tải trọng
• Phân tích và đánh giá kết cấu • Kết cấu bê tông
• Kết cấu thép • Kết cấu nhôm • Kết cấu gỗ • Mặt cầu và hệ mặt cầu • Nền móng • Mố, trụ và tờng chắn
• Kết cấu vùi (cống) và áo hầm • Lan can
• Khe co giãn và gối cầu
Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD hiện hành là bản in lần thứ 2 – năm1998.
Việt Nam: Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN-272-01
Tiêu chuẩn Việt nam dựa theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD in lần thứ 2 năm 1998 có sửa chữa ít nhiều về các tải trọng nh động đất và nhiệt độ để phù hợp với điều kiện Việt nam.
Bố cục của bản Tiêu chuẩn cũng dựa theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD nói trên, trừ các Phần 7 và 8 lợc bỏ và trong tơng lai có thể sẽ đa vào.
Anh: BS 5400 Thiết kế cầu thép, cầu bê tông và cầu liên hợp
BS 5400 là quy trình thiết kế cầu ở Vơng quốc Anh và đợc Viện tiêu chuẩn Anh xuất bản, gồm 10 phần sau:
• Phần 1: Lời nói đầu
• Phần 2: Tiêu chuẩn tải trọng
• Phần 3: Quy trình thực hành về thiết kế cầu bêtông • Phần 4: Quy trình thực hành về thiết kế cầu thép • Phần 5: Quy trình thực hành về thiết kế cầu liên hợp • Phần 6: Tiêu chuẩn về vật liệu và tay nghề, thép
• Phần 7: Tiêu chuẩn về vất liệu và tay nghề, bêtông, cốt thép và cáp dự ứng lực • Phần 8: Chỉ dẫn về vật liệu và tay nghề bêtông, cốt thép và cáp dự ứng lực • Phần 9: Gối cầu
• Phần 10: Quy trình thực hành về tính mỏi
Thiết kế trạng thái giới hạn đợc giới thiệu lần đầu trong quy trình thiết kế của Vơng quốc Anh, BS 5400, năm 1978. Thời gian này nó tạo nên một thay đổi cơ bản trong triết lý thiết kế. Đến