Nhận định đúng đắn về tải trọng là nền tảng cơ bản để thiết kế được một cơng trình cầu. Về thực chất, thiết kế là một quá trình lặp đi lặp lại với việc tạo ra các kích cỡ cấu kiện để mang tải rồi từ tải trọng tác dụng để điều chỉnh lại các kích cỡ cấu kiện cho phù hợp. Như vậy thì điều cần thiết đầu tiên là phải tạo ra được một kết cấu cân xứng dựa trên kinh nghiệm rồi sau đó tiến hành điều chỉnh cho phù hợp với khả năng mang tải thực tế và kiến trúc hình học của cơng trình cầu.
Nội dung chương học này sẽ cung cấp thông tin về các loại tải trọng tác dụng lên cơng trình cầu theo quy định của Tiêu chuẩn quốc gia số TCVN11823-2017 “Thiết kế cầu đường bộ” dựa trên bộ tiêu chuẩn thiết kế cầu của Mỹ ASSHTO 2012-2014. Trong đó, lưu ý một điều quan trọng là khơng phải tất cả các loại tải trọng trong dánh sách đều áp dụng cho mọi loại cầu mà tùy từng trường hợp cụ thể để áp dụng. Ví dụ, như cầu thiết kế ở vùng khơng động đất thì khơng xét đến tải trọng động đất, hoặc cầu đi bộ thì khơng xét đến tải trọng xe tải thiết kế.
Đường đi của tải trọng: Người kỹ sư cần phải nắm rõ đường đi của tải trọng, như mô ta trong hình 3.1 về đường đi của tải trọng xe tải tác dụng trên mặt cắt ngang dầm hộp. Theo đó, trọng lượng xe tải sẽ phần bổ qua các trục xe rồi chia hai phần cho bánh xe để truyền xuống bản mặt cầu rồi truyền sang các sườn dầm hộp.
Hình 3.1-Tải trọng trục xe truyền lên bản mặt cầu
Tải trọng sau khi truyền xuống bản mặt cầu thì có xu thế truyền sang phương ngang để phần bố cho các dầm hoặc sườn dầm để truyền tải trọng dọc theo nhịp cầu giữa các trụ và mố. Sau đó tải trọng lại được phần bố sang ngang tại xà mũ trụ để chuyển đổi thành lực dọc truyền xuống thân mố trụ và phần bố cho các cọc trong nền móng truyền trực tiếp vào đất nền.
Hình 3.2- Hướng truyền của tải trọng xe tải trên cầu 3.2. Tải trọng:
- Khái niệm: Tải trọng là các tác động có tính chất truyền trọng lượng hoặc các tác động có tính chất lực hay áp lực lên một kết cấu làm phát sinh nội lực trong các bộ phận của kết cấu cơng trình đó.
- Phân loại: Theo quy định của TCVN11823-2017, trong thiết kế cầu BTCT người ta phân ra hai loại tải trọng chính là tải trọng thường xuyên và tải trọng nhất thời.
Tải trọng thường xuyên là những tải trọng tác dụng liên lục, không thay đổi về phương, chiều và độ lớn trong suốt thời gian tác động lên kết cấu cơng trình cầu, gồm: Ký hiệu Mô tả Ký hiệu Mô tả CR Hiệu ứng lực do từ biến EL Các hiệu ứng lực bị hãm tích lũy do phương pháp thi công bao gồm cả căng dự ứng lực trong thi công hẫng phần đoạn DD Tải trọng kéo xuống (ma sát
âm) ES Tải trọng đất chất them DC Tải trọng bản thân kết cấu hoặc
thiết bị phụ trợ phi kết cấu EV
Áp lực thẳng đứng do tải trọng đất đắp
DW Tải trọng bản thân lớp phủ hoặc các tiện ích cơng cộng PS
Hiệu ứng lực thứ cấp sau khi căng dự ứng lực
EH Tải trọng áp lực đất nằm ngang SH Hiệu ứng lực do co ngót
Tải trọng nhất thời là những loại tải trọng tác dụng vào từng thời điểm nhất định, riêng biệt, có tính đột ngột với phương, chiều và độ lớn thay đổi trong thời gian hoạt động của cơng trình cầu, gồm:
Ký
hiệu Mơ tả
Ký
hiệu Mô tả
BR Lực hãm xe PL Tải trọng người đi CE Lực li tâm SE Ứng lực do lún CT Lực va xe BL Tải nổ
CV Lực va tàu thủy TG Ứng lực do gradient nhiệt độ
EQ Tải trọng động đất TU Ứng lực do chuyển đổi nhiệt độ đều FR Lực ma sát WA Tải trọng nước và dịng chảy
IM Lực xung kích WL Tải trọng gió trên hoạt tải LL Hoạt tải xe WS Tải trọng gió trên kết cấu LS Hoạt tải chất thêm
- Cơng trình cầu phải chịu dưới tác dụng của nhiều tải trọng khác nhau. Khi tính tốn thiết kế từng bộ phận phải căn cứ vào tính chất chịu lực của chúng mà xét tới chứ ta không thể kể tới tất cả các tải trọng tác dụng. Các tải trọng này được quy định theo quy trình thiết kế và có thể phân loại chi tiết theo phương tác dụng như sau:
Tải trọng thẳng đứng gồm: Tải trọng cố định (gọi tắt là tĩnh tải, tải trọng tác dụng thường xuyên) và hoạt tải (tải trọng di động).
Tải trọng nằm ngang bao gồm: Lực gió, lực ly tâm, lực hãm, áp lực đất, ... (tải trọng nhất thời)
Ngoài tải trọng thẳng đứng và nằm ngang kể trên ra cịn có các tác dụng khác ảnh hưởng đến tính chất chịu lực của cơng trình như tác dụng xung kích và lắc ngang của hoạt tải chạy trên cầu gây ra, ảnh hưởng của nhiệt độ thay đổi, co ngót và từ biến của bê tông, ảnh hưởng của động đất v.v ...
- Khi khơng có thí nghiệm hoặc số liệu cân đong chính xác, kỹ sư có thể sử dụng khối lượng một số loại vật liệu phổ biến được quy định trong TCVN11823-2017 như bảng sau.
Bảng 3.1 - Khối lượng riêng
Vật liệu Khối lượng riêng
(kg/m3)
Hợp kim nhôm 2.800
Lớp phủ bê tông asphalt 2.250
Thép đúc 7.200
Xỉ than 960
Đất đầm chặt loại cát, bụi, sét 1.925
Bê tông Nhẹ 1.775
Bê tông cát nhẹ 1.925
Bê tông thường với f’c ≤ 35MPa 2.320 Bê tông thường với 35 < f’c ≤ 105MPa 2.240+2,29f’c Đất xốp loại cát, bụi, đá sỏi 1.600
Sét mềm 1.600
Sỏi cuội, Ma ca đam hoặc ba lát 2.250
Thép 7.850 Đá xây 2.725 Gỗ Cứng 960 Gỗ Mềm 800 Nước ngọt 1.000 Nước mặn 1.025
Hạng mục Khối lượng trên đơn vị chiều dài (kg/mm) Ray, nối, cóc hãm cho mỗi đường ray 0,30
3.2.1 Tải trọng thường xuyên: a. Tĩnh tải DC:
Tĩnh tải là trọng lượng bản thân kết cấu được xác định dựa trên kích thước hình học cấu kiện và khối lượng riêng của vật liệu.
Ví dụ: Một cơng trình cầu có mặt cắt ngang như hình vẽ Hình 3.3 dưới đây:
Hình 3.3- mặt cắt ngang điển hình một kết cấu nhịp
Theo ví dụ trên ta có tĩnh tải DC gồm: trọng lượng dầm chủ + dầm ngang + bản mặt cầu + tấm ván khn vĩnh cửu.
Tính tốn trọng lượng dầm chủ: Nếu dầm chủ có diện tích trung bình mặt cắt ngang là 0,62m2 với chiều dài dầm là 33m, ta có thể tích bê tơng dầm chủ là 0,62*33 = 20,46m3; bê tơng dầm có cường độ f’c = 40MPa, vậy trong lượng của dầm chủ là DCdầm chủ = 20,46*2.331,6 = 47.704,5kg 47,7 tấn.
Các thành phần các tính tương tự dầm chủ, sau đó cộng tổng lại ta có tĩnh tải DC tác dụng lên kết cấu nhịp cầu thiết kế.
b. Tĩnh tải DW:
Tĩnh tải DW (hay gọi là tĩnh tải giai đoạn 2) là trọng lượng bản thân các lớp phủ mặt cầu và trọng lượng các cấu kiện khác trên cầu. Có thể hiểu đơn giản, tĩnh tải giai đoạn 2 là toàn bộ trọng lượng của các kết cấu hoặc cấu kiện phi kết cấu được lắp đặt lên kết cấu cầu đã cơ bản hoàn thiện về mặt chịu lực, các kết cấu giai đoạn 2 chủ yếu phục vụ việc khai thác cơng trình cầu.
Như ví dụ trên hình 3.3 thì tĩnh tải DW gồm: trọng lượng bê tông nhựa + lớp mui luyện + lớp phòng nước + vạch sơn + lan can.
Tính trọng lượng lớp bê tơng nhựa: Lớp BTN thiết kế dày 5cm, rộng 10m, dài 33m. Như vậy theo bảng 3.1 trên ta có: DWBTN = 0,05*10*33*2.250 = 37.125kg 37,13 tấn.
Các thành phần khác tính tương tự BTN, sau đó cộng tổng lại với nhau ta có tĩnh tải DW tác dụng lên nhịp cầu thiết kế.
c. Tải trọng kéo xuống DD:
Tải trọng kéo xuống hay còn gọi là hiện tượng ma sát âm, là loại tải trọng tác dụng lên cọc trong móng mố trụ cầu do trong q trình khai thác cơng trình thì nền đất có thể bị lún
xuống do nguyên nhân nào đó (đất yếu, tải trọng chất trên đất, …). Ma sát giữa nền đất và thân cọc móng có xu thế giữ việc lún xuống của đất nền và như vậy nó sẽ sinh ra một phản lực trên thân cọc móng có xu thế kéo xuống làm cho cọc trong móng phải gánh thêm phần tải trọng tăng thêm này. Do đó, trong tính tốn cọc móng cần phải xét đển ảnh hưởng của tải trọng thường xuyên này để thiết kế kích thước cọc đảm bảo ổn định. Tham khảo các quy định tại mục 10.8, phần 3m TCVN11823-2017.
d. Tải trọng áp lực EH, EV và ES:
Tải trọng áp lực đất lần lượt là áp lực ngang EH, thẳng đứng EV và đất chất thêm ES được xác định tác động chủ yếu lên mố cầu, tham khảo các quy định tính toán chi tiết tại mục 10, phần 3, TCVN11823-2017.
e. Hiệu ứng lực do co ngót và từ biến CR, SH:
Hiện tượng co ngót và từ biến rất đặc thù trong vật liệu bê tơng, trong đó hiện tượng co ngót xẩy ra chủ yếu do q trình bảo dưỡng sản phẩm bê tơng cịn từ biến xẩy ra do tác động lâu dài của tải trọng. Về cơ bản, hai hiệu ứng lực này chú yếu ảnh hưởng đến việc mất mát ứng suất trong bê tông dự ứng lực chứ không không làm ảnh hưởng nhiều đến khả năng chịu lực của kết cấu cơng trình. Do dó, các hiệu ứng này được xét cụ thể trong các trường hợp sử dụng dự ứng lực cho bê tông.
f. Hiệu ứng lực do tác động căng sau cáp dự ứng lực, PS và EL:
Việc căng sau cốt thép dự ứng lực sẽ làm phát sinh lực nén dọc trong kết cấu nhịp để chống lại trọng lượng bản thân của kết cấu. Hiệu ứng lực do căng cốt thép này chủ yếu tác động lên kết cấu nhịp liên tục khi phát sinh các chuyển vị tại gối cầu trung gian. Do đó, khi tính tốn thiết kế cầu liên tục nhiều nhịp, người ta mới xét đến lực PS như là một hiệu ứng lực thứ cấp trong cấu trúc đàn hồi ngắn hạn về hướng khơng có chuyển vị.
Hiệu ứng lực EL chỉ xuất hiện khi chúng ta thi cơng một kết cấu cơng trình nhưng vì một lý do nào đó phải tác dụng trước vào kết cấu một lực nhất định, khi đó tác động của EL lên kết cấu có thể xem là tải trọng vĩnh cửu. Như việc thi công theo biện pháp đúc hoặc ghép phần đoạn, các đốt dầm đều được tác dụng một lực kích trước khi kết cấu được hợp long tại nhịp giữa. Khi kết cấu hoàn chỉnh, hiệu ứng lực do tác động của việc căn cáp DƯL trong các đốt dầm trước đó cần được tính tốn, tuy nhiên trên thực tế rất ít khi xét đến.
3.2.2. Tải trọng nhất thời:
Trong thiết kế cầu, một số tải trọng nhất thời rất quan trọng luôn luôn cần phải xem xét tới như tải trọng xe (LL) và các hiệu ứng sinh ra từ nó gồm lực hãm phanh (BR), lực li tâm (CE), và lực xung kích (IM). Những hiệu ứng này luôn được xem xét tổ hợp với trọng lực của tải trọng xe tải như là một tác động phụ thêm.
Hiệu ứng nhiệt độ đều có thể có ý nghĩa quan trọng trong các loại cầu khung với nhịp lớn và/hoặc các trụ cầu thấp. Tải trọng gió lên kết cấu (WS) và lên xe tải (WL) cần xét đến với với các cầu có trụ cao trên 9m. Tải trọng động đất (EQ) chỉ xét đến đối với các vùng có hiện tượng động đất thường xảy ra.
a. Tải trọng hoạt tải xe LL:
Hoạt tải xe ôtô trên mặt cầu hay kết cấu phụ trợ được đặt tên là HL-93 sẽ gồm một tổ hợp của:
Xe tải thiết kế hoặc xe 2 trục thiết kế, và
Tải trọng làn thiết kế
Nếu khơng có quy định cụ thể nào khác thì các tải trọng này được coi như là chiếm 3000mm theo chiều ngang trong một làn xe thiết kế.
a.1. Xe tải thiết kế:
- Cấu tạo của xe tải thiết kế:
Trọng lượng trục trước 35KN, chia đều cho mỗi bánh xe 17,5KN.
Trọng lượng các trục sau là 145KN, chia đều cho mỗi bánh xe là 72,5KN.
Độ gia tăng lực do xung kích của hoạt tải là IM.
Khoảng cách giữa trục trước và trục giữa cố định 4300mm
Khoảng cách giữa hai trục sau thay đổi từ 4300mm đến 9000mm để gây ra ứng lực lớn nhất khi xếp xe lên cầu để tính tốn nội lực. Riêng trường hợp tính theo giới hạn mỏi thì khoảng cách này là 9000mm
Khoảng cách giữa hai bánh xe theo phương ngang là 1800m.
a.2. Xe hai trục thiết kế:
Xe hai trục thiết kế là xe có cấu tạo dạng một cặp trục 110KN cách nhau 1.200mm với cự ly theo chiều ngang của các bánh xe lấy bằng 1800mm. Đối với các cầu trên các tuyến đường cấp IV và thấp hơn, có thể điều chỉnh tải trọng trục nhân với hệ số 0,50 hoặc 0,65 nếu có yêu cầu. Độ gia tăng lực do xung kích của hoạt tải là IM.
a.3. Tải trọng làn thiết kế:
Tải trọng làn thiết kế gồm tải trọng 9,3N/mm phân bố đều theo chiều dọc cầu. Theo chiều ngang cầu được giả thiết là phân bố đều trên chiều rộng 3.000mm. Ứng lực của tải trọng làn thiết kế khơng xét lực xung kích.
a.4. Diện tích tiếp xúc của lốp xe:
Diện tích tiếp xúc của lốp xe của một bánh xe có một hay hai lốp được giả thiết là một hình chữ nhật có chiều rộng là 510mm và chiều dài là 250mm.
Áp lực lốp xe được giả thiết là phân bố đều trên diện tích tiếp xúc. Áp lực lốp xe giả thiết phân bố như sau: Trên bề mặt liên tục, phân bố đều trên diện tích tiếp xúc quy định.
Trên bề mặt bị gián đoạn, phân bố đều trên diện tích tiếp xúc thực tế trong phạm vi vệt bánh xe với áp lực tăng theo tỷ số của diện tích quy định trên diện tích tiếp xúc thực tế.
Đối với thiết kế mặt cầu bản trực hướng và lớp phủ mặt cầu bản trực hướng, các bánh xe phía trước phải được giả định là một hình chữ nhật đơn có chiều rộng và chiều dài là 250mm.
a.5. Làn xe thiết kế:
Chiều rộng làn xe thiết kế là 3600mm. Số làn xe thiết kế được xác định bởi phần số nguyên của tỷ số w/3600, ở đây w là bề rộng khoảng trống của lòng đường giữa hai đá vỉa hoặc hai rào chắn, đơn vị là mm. Cần xét đến khả năng thay đổi trong tương lai về vật lý hoặc chức năng của bề rộng trống của lòng đường của cầu.
Trong trường hợp bề rộng làn xe nhỏ hơn 3600mm thì số làn xe thiết kế lấy bằng số làn giao thông và bề rộng làn xe thiết kế phải lấy bằng bề rộng làn giao thơng. Lịng đường rộng từ 6000 mm đến 7200 mm phải có 2 làn xe thiết kế, mỗi làn bằng một nửa bề rộng lòng đường.
a.6. Hệ số làn xe:
Hệ số làn xe được sử dụng để xét đến xác xuất có mặt đồng thời đầy đủ hoạt tải thiết kế HL93 trên tất cả các làn, hệ số này đã được xét đến trong phương pháp xác định hệ số phân phối ngang theo công thức thực nghiệm, chỉ xét đến hệ số này nếu sử dụng phương pháp địn bẩy. Nếu khơng có quy định nào khác, hệ số làn xe có thể tham khảo bảng sau:
Số làn chất tải Hệ số làn xe, m
1 1,2
2 1,0
3 0,85
>3 0,65
a.7. Xếp xe lên cầu:
Theo quy định của Tiêu chuẩn AASHTO, khi xếp tải HL-93 chỉ xếp một xe lên kết cấu phần trên cầu tại thời điểm tính tốn. Có 3 trường hợp xếp xe như sau:
- Trường hợp 1: Xếp 1 xe hai trục thiết kế và tải trọng làn như hình dưới đây.
- Trường hợp 3: Theo quy định tại mục 6.1.3.1 phần 3 TCVN11823-2017, Đối với mô