3.3.1. Tổng quan:
Nguyên lý tính tốn kết cấu cầu theo trạng thái giới hạn yêu cầu phải tổ hợp các tải trọng riêng thành từng tổ hợp tải trọng với các hệ số tác dụng khác nhau nhằm gây ra các trạng thái ứng lực bất lợi nhất cho kết cấu. Theo đó, tổng ứng lực được tính tốn theo cơng thức sau:
Q = ηΣγ Q
Trong đó:
là hệ số điều chỉnh tải trọng xem trong mục 1.5.2 chương I tài liệu này.
i là hệ số tải trọng lấy theo bảng 3.2
Qi là ứng lực do tải trọng tương ứng gây ra.
Các cấu kiện và các liên kết của cầu phải thoả mãn điều kiện Q < Rr (sức kháng tính tốn) cho các tổ hợp thích hợp của ứng lực cực hạn tính tốn được quy định cho mỗi tổ hợp tải trọng qui định trong Bảng 3.2 theo các trạng thái giới hạn sau đây:
CƯỜNG ĐỘ I: Tổ hợp tải trọng cơ bản liên quan đến việc sử dụng cho xe tiêu chuẩn của cầu khơng xét đến gió.
CƯỜNG ĐỘ II: Tổ hợp tải trọng liên quan đến việc sử dụng cầu cho các loại xe đặc biệt theo quy định riêng hoặc đánh giá cầu để cấp phép cho xe đặc biệt qua cầu, khơng xét đến gió trong cả hai trường hợp.
CƯỜNG ĐỘ III: Tổ hợp tải trọng liên quan đến cầu chịu gió với vận tốc vượt quá 25m/s.
CƯỜNG ĐỘ IV: Tổ hợp tải trọng liên quan đến cầu có tỷ lệ giữa ứng lực do tĩnh tải với hoạt tải trong kết cấu phần trên rất lớn.
CƯỜNG ĐỘ V: Tổ hợp tải trọng liên quan đến việc sử dụng xe tiêu chuẩn của cầu với gió có vận tốc 25m/s
ĐẶC BIỆT I: Tổ hợp tải trọng có tải trọng động đất. Hệ số tải trọng hoạt tải, γEQ được xác định trên cơ sở quy định của dự án.
ĐẶC BIỆT II: Tổ hợp tải trọng liên quan đến lực va của tầu thuyền và xe cộ, lũ kiểm tra và một số hiện tượng thuỷ lực với hoạt tải đã chiết giảm mà chính là một phần của tải trọng xe va xơ, CT. Các trường hợp tính lũ kiểm tra khơng tổ hợp với CV,CT.
SỬ DỤNG I: Tổ hợp tải trọng liên quan đến khai thác bình thường của cầu với gió có vận tốc 25m/s với tất cả tải trọng lấy theo giá trị danh định. Cũng dùng tổ hợp này để kiểm soát độ võng trong các kết cấu kim loại vùi, vách hầm vỏ thép, ống nhựa nhiệt dẻo, kiểm soát bề rộng vết nứt trong kết cấu bê tông cốt thép
thường, và kiểm tra chịu kéo trong phân tích theo chiều ngang của dầm bê tơng phân đoạn. Tổ hợp trọng tải này cũng cần được dùng để khảo sát ổn định mái dốc.
SỬ DỤNG II: Tổ hợp tải trọng dự kiến để kiểm soát giới hạn chảy của kết cấu thép và trượt của mối nối bu lông cường độ cao chịu ma sát tới hạn do hoạt tải xe.
SỬ DỤNG III: Tổ hợp tải trọng trong phân tích dọc liên quan đến kéo trong kết cấu phần trên bê tơng cốt thép dự ứng lực để kiểm sốt nứt và liên quan đến ứng suất kéo chủ trong bản bụng của dầm bê tông phân đoạn.
SỬ DỤNG IV: Tổ hợp tải trọng chỉ liên quan đến kéo trong cột bê tông dự ứng lực để kiểm soát nứt.
MỎI I: Tổ hợp tải trọng gây mỏi và nứt gẫy dịn, với tuổi thọ chịu mỏi vơ hạn.
MỎI II: Tổ hợp tải trọng gây mỏi và nứt gẫy dòn, với tuổi thọ chịu mỏi hữu hạn. Các hệ số phải chọn sao cho gây ra tổng ứng lực tính tốn bất lợi nhất. Đối với mỗi tổ hợp tải trọng, cả trị số cực hạn âm lẫn trị số cực hạn dương đều phải được xem xét.
Trong tổ hợp tải trọng nếu tác dụng của một tải trọng làm giảm tác dụng của một tải trọng khác thì phải lấy giá trị nhỏ nhất của tải trọng làm giảm giá trị tải trọng kia. Đối với tác động của tải trọng thường xuyên thì hệ số tải trọng gây ra tổ hợp bất lợi hơn phải được lựa chọn theo Bảng 3.2. Khi tải trọng thường xuyên làm tăng sự ổn định hoặc tăng năng lực chịu tải của một cấu kiện hoặc của tồn cầu thì trị số tối thiểu của hệ số tải trọng đối với tải trọng thường xuyên này cũng phải được xem xét.
3.3.2. Hệ số tải trọng và tổ hợp tải trọng:
Theo quy định tủa TCVN 11823-2017, các hệ số tải trọng cho từng tổ hợp hợp tải trọng theo các trạng thái giới hạn như trong bảng 3.2 dưới đây. Các hệ số tải trọng chưa ghi rõ trong bảng 3.2 sẽ được sử dụng tùy thuộc từng trường hợp tính tốn cụ thể được cho trong các bảng 3.3 và 3.4, khi tính tốn tổ hợp hợp tải trọng, các kỹ sư phải phụ thuộc vào dự án cụ thể và nội dung tính tốn có liên quan để lựa chọn hệ số tải trọng thích hợp với mục tiêu tạo ra tổ hợp tải trọng bất lợi nhất cho kết cấu theo từng trạng thái giới hạn cần kiểm tra.
Bảng 3.2 – Hệ số tải trọng và tổ hợp tải trọng TỔ HỢP TẢI TRỌNG THEO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN DC DD DW EH EV ES EL PS CR SH LL IM CE BR PL LS WA WS WL FR TU TG SE Chỉ một trong các tải trọng đồng thời EQ CT CV CƯỜNG ĐỘ I (trừ ghi chú) γp 1,75 1,00 - - 1,00 0,5/1,2 γTG γSE - - - CƯỜNG ĐỘ II γp 1,35 1,00 - - 1,00 0,5/1,2 γTG γSE - - -
CƯỜNG ĐỘ III γp - 1,00 1,40 - 1,00 0,5/1,2 γTG γSE - - -
CƯỜNG ĐỘ IV γp - 1,00 - - 1,00 0,5/1,2 - - -
CƯỜNG ĐỘ V γp 1,35 1,00 0,40 1.0 1,00 0,5/1,2 γTG γSE - -
ĐẶC BIỆT II γp 0,50 1,00 - - 1,00 - - - - 1,00 1,00 SỬ DỤNG I 1,00 1,00 1,00 0,30 1.0 1,00 1,0/1,2 γTG γSE - - - SỬ DỤNG II 1,00 1,30 1,00 - - 1,00 1,0/1,2 - - - - - SỬ DỤNG III 1,00 0,80 1,00 - - 1,00 1,0/1,2 γTG γSE - - - SỬ DỤNG IV 1,00 - 1,00 0,70 - 1,00 1,0/1,2 - 1,0 - - - MỎI I – chỉ LL, IM & CE - 1,50 - - - - - - - - - - MỎI II – chỉ LL, IM & CE - 0,75 - - - - - - - - - -
Bảng 3.3 - Hệ số tải trọng cho tải trọng thường xuyên p
Loại tải trọng, Loại móng, Phương pháp tính lực kéo xuống
Hê số tải trọng Lớn
nhất
Nhỏ nhất
DC: Cấu kiện và các thiết bị phụ DC: Chỉ cho Cường độ IV 1,25 1,50 0,90 0,90 DD: Ma sát âm
Cọc tính theo phương pháp α Tomlinson Cọc tính theo Phương pháp λ
Cọc khoan tính theo, Phương pháp O’ Neil và Reese(1999)
1,40 1,05 1,25 0,25 0,30 0,35 DW: Lớp phủ mặt cầu và các tiện ích 1,50 0,65 EH: Áp lực đất ngang • Chủ động • Nghỉ
• Áp lực đất chủ động cho tường neo
1,50 1,35 1,35 0,90 0,90 N/A EL: Ứng suất do lực cưởng bức tích lũy khi thi công 1,00 1.00 EV: Áp lực đất thẳng đứng • Ổn định tổng thể • Tường chắn và mố • Kết cấu vùi cứng • Khung cứng • Kết cấu vùi mềm o Cống hộp và cống kim loại lựợn sóng o Cống nhựa chất dẻo o Các loại khác 1,00 1,35 1,30 1,35 1,50 1,30 1,95 N/A 1,00 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90
ES: Tải trọng đất chất thêm 1,50 0,75
Bảng 3.4 - Hệ số tải trọng cho tải trọng thường xuyên do tích lũy biến dạng p
Cấu kiện cầu PS CR, SH
Kết cấu phần trên thi công phân đoạn
Kết cấu phần dưới bằng bê tông đỡ kết cấu phần trên phân đoạn 1,0
Xem γP cho DC, Bảng 3.3. Kết cấu phần trên bằng bê tông – không thi công phân đoạn 1,0 1,0 Kết cấu phần dưới đỡ kết cấu phần trên khơng phân đoạn:
Sử dụng Ig Sử dụng Icó hiệu 0,5 1,0 0,5 1,0 Kết cấu phần dưới bằng thép 1,0 1,0
Hệ số tải trọng tính cho gradient nhiệt γTG cần được xác định trên cơ sở một dự án cụ thể riêng. Nếu khơng có thơng tin riêng có thể lấy γTG bằng:
0,0 ở các trạng thái giới hạn cường độ và đặc biệt
1,0 ở trạng thái giới hạn sử dụng khi không xét hoạt tải, và
0,50 ở trạng thái giới hạn sử dụng khi xét hoạt tải
Hệ số tải trọng cho lún, γSE, nên được xem xét trên cơ sở của từng dự án cụ thể. Trong trường hợp thiếu các quy định cụ thể, γSE, có thể lấy bằng 1,0. Tổ hợp tải trọng có xét lún cũng phải áp dụng khi khơng lún.
Ví dụ:
Một cầu dầm nhịp giản đơn có chiều dài nhịp tính tốn Ltt = 30m, mặt cắt ngang gồm 6 phiến dầm chữ I, giá trị ứng lực mômen xác định được do các thành phần tải trọng gây ra trên kết cấu như sau: MDC = 302 kN.m; MDW = 150 kN.m; Mxe tải TK = 230 kN.m; Mxe hai trục = 210 kN.m; Mlàn = 80 kN.m; MPL = 60 kN.m; Msiêu trọng = 540 kN.m
Tổ hợp giá trị ứng lực Mơmen tính tốn trong một số trường hợp thông thường như sau, ở đây giả thiết hệ số điều chỉnh tải trọng = 1,0:
- Cường độ I: M1 = 1.(1,25.302 + 1,5.150 + 1,75.(230+80+60)) = 1250 kN.m M2 = 1.(1,25.302 + 1,5.150 + 1,75.(210+80+60)) = 1215 kN.m M = max(M1; M2) = 1250 kN.m - Cường độ II: M = 1.(1,25.302 + 1,5.150 + 1,35.540) = 1331,5 kN.m
Như vậy, trong trường hợp này tổ hợp tải trọng theo trạng thái cường độ II sẽ được sử dụng để thiết kế kết cấu.
3.3.3. Hệ số tải trọng dùng trong thi công:
- Trong thi công cũng cần xem xét sử dụng các hệ số tải trọng như trong bảng 3.2, tuy nhiên trong các điều kiện cụ thể, khi xem xét các tổ hợp tải trọng cường độ I, III, và V thì hệ số tải trọng cho trọng lượng kết cấu và các phụ kiện (DC) khơng được nhỏ hơn 1,25. Trừ khi có quy định khác, các tải trọng thi công cho thiết bị cùng với các hiệu ứng xung kích thì khơng được lấy nhỏ hơn 1,5 cho tổ hợp tải trọng cường độ I, đối với tổ hợp tải trọng cường độ III không được nhỏ hơn 1,25.
- Khi đánh giá độ võng theo trạng thái giới hạn sử dụng thì phải áp dụng tổ hợp tải trọng sử dụng I, độ võng cho phép khi thi công phải ghi rõ trong hồ sơ thiết kế.
3.3.4. Các phương pháp phân tích kết cấu được chấp nhận:
Theo tiêu chuẩn quốc gia về thiết kế cầu đường bộ TCVN11823-2017, khi thiết kế, kỹ sư được sử dụng bất cứ phương pháp phân tích kết cấu nào thoả mãn các yêu cầu về điều kiện cân bằng với tính tương hợp và sử dụng được mối liên hệ ứng suất - biến dạng cho loại vật liệu đang xét, chúng bao gồm các phương pháp sau:
Phương pháp sai phân hữu hạn,
Phương pháp phần tử hữu hạn,
Phương pháp bản gấp khúc,
Phương pháp dải băng hữu hạn,
Phương pháp tương tự mạng dầm,
Phương pháp chuỗi hoặc các phương pháp điều hoà khác,
Phương pháp dựa trên sự hình thành các chốt dẻo, và
Phương pháp đường chảy dẻo.
Tổ chức thiết kế có trách nhiệm sử dụng các chương trình máy tính có bản quyền để dễ phân tích kết cấu cũng như sử dụng các kết quả và giải trình. Trong tài liệu tính tốn và báo cáo thiết kế cần chỉ rõ tên, phiên bản và ngày phần mềm được đưa vào sử dụng. Phần mềm thiết kế kết cấu cơng trình cầu phổ biến ở nước ta hiện nay là phần mềm RM và MIDAS, khuyến khích các học viên nghiên cứu học tập trong thời gian học tập tại trường đại học theo chuyên ngành cầu.
* Tài liệu tham khảo:
[1]. GS.TS.Lê Đình Tâm – Cầu bê tông cốt thép trên đường ô tô, Tập 1, Nhà xuất bản xây dựng.
[2]. Tiêu chuẩn quốc gia về thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823-2017.
* Câu hỏi ơn tập:
Câu 1: Tĩnh tải là gì? Có mấy loại tĩnh tải tác dụng cần xem xét khi thiết kế cầu BTCT? Câu 2: Hoạt tải là gì? Phân biệt giữa xe tải thiết kế, xe hai trục thiết kế, tải trọng làn và
tải trọng người đi?
Câu 3: Các tải trọng thiết kế được phân ra những tổ hợp tải trọng nào? Vì sao người ta
phân ra những tổ hợp tải trọng ấy?
Câu 4: Hãy cho biết nguyên nhân và nhân tố phát sinh ra lực xung kích. Cho biết hệ số
xung kích trong tính tốn thiết kế được xác định như thế nào?
Câu 5: Tải trọng gió tác dụng lên cơng trình cầu được tính tốn như thế nào? Sự phân bố
của nó khi tác dụng lên nhịp, lên mố trụ. Khơng tính tải trọng gió trong trường hợp nào? Tính tốn với tải trọng gió dùng để làm gì?
Câu 6: Phân biệt giữa tải trọng tính tốn và tải trọng tiêu chuẩn. Hãy cho biết với ba trạng
thái giới hạn cơ bản, trạng thái nào phải tính với tải trọng tính tốn cịn trạng thái nào được tính với tải trọng tiêu chuẩn?
Câu 7: Tại sao hồ sơ thiết kế cầu phải bao gồm khơng những có tập bản vẽ mà phải kèm
CHƯƠNG 4
CẦU BẢN BÊ TÔNG CỐT THÉP
* Mục tiêu:
- Nhớ được các đặc điểm và sơ đồ thiết kế cầu bản.
- Hiểu cấu tạo cầu bản, phạm vi áp dụng, ưu nhược điểm của loại kết cấu này. - Vận dụng để lựa chọn kết cấu phù hợp trong thực tế.
- Hiểu ngun lý tính tốn, áp dụng được các quy định trong tiêu chuẩn thiết kế cầu để thiết kế cơng trình thực tế.
* Nội dung: