LÝ THUYẾT.
Xác định khả năng chịu tải của công trình phải dựa trên tình hình thực tế về các mặt hình học, cơ lý và trạng thái công trình qua thời gian khai thác. Để làm được điều này sẽ phải tính toán lại công trình, cụ thể là phải xác định nội lực lớn nhất cho phép đối với các phân tố riêng rẽ của kết cấu và so sánh với nội lực do tải trọng thực tế gây ra. Tải trọng thực tế này gồm có tĩnh tải thực tế và hoạt tải đang khai thác hoặc dự kiến cho qua cầu.
Khi tính toán lại công trình cầu phải căn cứ vào thực trạng của các bộ phận và phân tố kết cấu, nghĩa là phải dùng sơ đồ và kích thước hình học thật, các đặc trưng cơ lý của vật liệu có kể đến sự biến đổi qua thời gian khai thác, các hư hỏng và khuyết tật của kết cấu… Các hồ sơ và tư liệu thu thập được trong khâu khảo sát, kiểm tra tại thực địa sẽ cho phép xác định được chính xác khả năng chịu tải thực tế của công trình. Trong một số trường hợp nếu tính toán lý thuyết không chắc chắn phản ánh đầy đủ các điều kiện làm việc của công trình thì cần có sự kết hợp với thử tải trọng để xác định khả năng chịu tải.
Việc tính toán lại khả năng chịu tải của công trình có thể thực hiện theo hai phương pháp. Theo phương pháp thứ nhất sẽ xác định các ứng suất trong kết cấu do
hoạt tải thực tế (hoặc hoạt tải tính toán) và so sánh chúng với ứng suất hoặc cường độ cho phép của vật liệu, trên cơ sở đó kết luận về sự an toàn hay không khi hoạt tải qua cầu. Phương pháp này có đặc điểm là mỗi khi thay đổi hoạt tải qua cầu sẽ phải tính toán lại một lần.
Phương pháp thứ hai gọi tên là định cấp tải trọng, với nội dung là so sánh hoạt tải thực tế (hoặc hoạt tải tính toán) với hoạt tải mà kết cầu nhịp có thể chịu được. Để thực hiện việc so sánh này người ta sử dụng đoàn hoạt tải tiêu chuẩn gọi tên là hoạt tải đơn vị ký hiệu H-1. Hoạt tải mà kết cấu nhịp có thể chịu được biểu thị bằng số lần của hoạt tải đơn vị, gọi tên là cấp của kết cấu nhịp. Hoạt tải thực tế (hoặc hoạt tải tính toán) cũng được biểu thị ra bằng một số lần của hoạt tải đơn vị, gọi tên là cấp của hoạt tải. So sánh cấp của kết cấu nhịp và cấp của hoạt tải sẽ có thể kết luận về khả năng chịu tải an toàn hay không.
Tính toán lại khả năng chịu tải của công trình có thể tiến hành theo phương pháp trạng thái giới hạn hoặc theo phương pháp ứng suất cho phép. Ở một số quốc gia có tồn tại sự không nhất quán trong các quy phạm, cụ thể là quy phạm thiết kế thì dựa trên phương pháp trạng thái giới hạn còn quy phạm kiểm định lại dựa trên phương pháp ứng suất cho phép. Sự không nhất quán này được giải thích bởi lý do là các cầu cũ cần kiểm định được thiết kế và xây dựng theo quy phạm ứng suất cho phép, vì thế kiểm định theo phương pháp ứng suất cho phép sẽ phù hợp hơn. Tình hình này cũng là một điều thực tế ở nước ta.
Việc tính toán lại khả năng chịu tải của công trình theo phương pháp thứ nhất không có gì đặc biệt, hoàn toàn giống như khi tính duyệt của giai đoạn thiết kế công trình. Dưới đây sẽ chỉ giới thiệu cách tính toán lại khả năng chịu tải của công trình theo phương pháp thứ hai, tức là phương pháp định cấp tải trọng.
Như ta đã biết, tải trọng tương đương của một dẫy các tải trọng tập trung (đoàn tàu hoặc đoàn xe ô tô) được xác định theo công thức
Trong đó:
K – tải trọng tương đương ;
Pi – trị số của các tải trọng tập trung ;
Yi – tung độ ngay dưới tải trọng tập trung Pi của đường ảnh hưởng nội lực trong phân tố kết cấu.
Ω – diện tích đường ảnh hưởng.
Tải trọng tương đương này bao giờ cũng có thể tra tìm được trong các bảng có sẵn và trên cơ sở đó có thể xác đinh được nội lực trong từng thanh hoặc từng phân tố kết cấu.
Nếu theo phương pháp ứng suất cho phép thì nội lực trong thanh hoặc phân tố kết cấu do hoạt tải gây ra được tính như sau :
Còn nội lực do hoạt tải đơn vị H-1 sẽ là :
Trong đó :
K’, K’’... - các tải trọng tương đương của hoạt tải đồng thời có thể có trên cầu, η', η'’... - các hệ số phân phối ngang của các hoạt tải,
(1+µ’), (1+µ’’) ... - các hệ số xung kích của các hoạt tải,
Ω’, Ω’’ ... - các diện tích đường ảnh hưởng nội lực So được chất các hoạt tải, K1 - tải trọng tương đương của hoạt tải đơn vị H - 1,
(1+µ1) - hệ số xung kích của hoạt tải H - 1,
Ω1 - diện tích đường ảnh hưởng nội lực chất tải H - 1. Như vậy cấp của hoạt tải sẽ là :
Dưới đây là hai ví dụ để minh họa cho phương pháp định cấp tải trọng cho hoạt tải vừa giới thiệu.
Kết cấu nhịp dàn (hình 24a) dự kiến cho 3 làn xe ô tô và đoàn người đi bộ trên lề bộ hành. Khi đó cấp của tải trọng đối với thanh xiên m - n sẽ là :
Trong đó : α - là hệ số làn xe.
Ví dụ thứ hai là xác định cấp tải trọng của xe bánh lốp, xét đối với tiết diện giữa nhịp biên một kết cấu nhịp dầm liên tục ba nhịp (hình 24b)
Trong đó:
K’1 – tải trọng tương đương của hoạt tải đơn vị H-1 khi chất tải phần diện tích Ω’ của đường ảnh hưởng
Cấp của một thanh hay một phân tố kết cấu là tỷ số giữa hoạt tải lớn nhất mà thanh hay phân tố đó có thể chịu được và hoạt tải đơn vị H-1. Nội lực lớn nhất mà thanh hay phân tố có thể xác định đựoc như sau:
Từ đó sẽ có hoạt tải lớn nhất cần tìm:
Trong đó:
ωtt - đặc trưng hình học tính toán của tiết diện thanh hay phân tố, [σ] - ứng suất cho phép,
q – tĩng tải
Ωq – tổng diện tích đường ảnh hưởng chất tĩnh tải. Những ký hiệu khác vẫn như đã sử dụng ở trên.
So sánh cấp của hoạt tải Ko và cấp tải trọng Kk mà thanh hay phân tố kết cấu có thể chịu được, cho phép kết luận về sự an toàn của công trình khi cho hoạt tải đó qua cầu. Đối với một công trình thì mỗi bộ phận công trình, một phân tố kết cấu sẽ có một cấp tải trọng riêng. Vì vậy cấp tải trọng của công trình sẽ là cấp tải trọng nhỏ nhất Kk1 min trong số đó.
Ở trên, đặc trưng hình học tính toán ωtt của tiết diện thanh hay phân tố kết cấu nói lên khả năng về sức chịu tải. Khi xem xét tác dụng của nội lực dọc thì cấp của thanh hay phân tố sẽ xác định theo điều kiện về cường độ, về ổn định và về độ bền của mối liên kết.
Nếu tính toán vầ cường độ thì ωtt lấy đặc trưng hình học của tiết diện giảm yếu ωgi , còn khi xét về ổn định (khi chịu lực nén) thì lấy đặc trưng hình học của tiết diện nguyên nhân với hệ số uốn dọc φωng. Đặc trưng hình học trong trường hợp xét với mối liên kết được xác định trên cơ sở phân tích những phá hoại có thể xảy ra của thanh hay phân tố. Ví dụ như có mối liên kết thanh xiên vào bản nút như ở hình 25, và khả năng bị phá hoại theo mặt 1-1. Khi đó nội lực cho phép sẽ bằng:
Trong đó:
ωgi- diện tích tính toán của bản nối n - số đinh liên kết thép [,
[ ] - ứng suất cho phép khi cắt của đinh Từ công thức trên rút ra được:
Trong đó : µ1 - hệ số để tính đinh theo phương pháp diện tích (cho trường hợp làm việc chịu cắt).
Nếu ký hiệu:
Gọi là hệ số của mối liên kết, nói lên quan hệ giữa diện tích tính đổi của mối liên kết và diện tích ωgi của thanh. Như vậy sẽ có:
Có thể có nhiều mắt cắt nguy hiểm của mối liên kết thanh xiên đó vào nút, và đương nhiên sẽ có hệ số β tương ứng. Khi xác định ωtt cần phải lấy giá trị β nhỏ nhất.
Đối với dầm là phân tố chịu uốn, do đó khả năng chịu tải sẽ xét với momen, lực cắt và điều kiện liên kết biên dầm vào sườn dầm (cho dầm tán đinh). Vì thế đặc trưng hình học tính toán sẽ là:
Theo momen uốn: ωtt = Wgi
Theo lực cắt:
Trong đó:
Wgi - momen chống uốn nhỏ nhất của tiết diện dầm; I - momen quán tính;
S - momen tĩnh của nửa tiết diện; δ- bề dày sườn dầm.
Đặc trưng hình học khi xét theo điều kiện bước dịnh liên kết biên dầm vào sườn dầm được xác định như sau:
Nội lực tác dụng lên đinh bằng
Trong đó :
S’ – momen tĩnh của biên dầm;
a – bước của đinh liên kết biên dầm vào sườn dầm. Theo điều kiện chịu cắt của đinh sẽ có:
Nếu theo điều kiện chịu ép mặt của đinh:
Do đó:
Trong đó : d - là đường kính tính toán của đinh.
Nếu theo phương pháp trạng thái giới hạn thì cấp của tải trọng được xác định như sau:
Trong đó:
n,, n,,,…các hệ số vượt tải của các hoạt tải; n1 – hệ số vượt tải của các hoạt tải đơn vị H-1; Những ký hiệu khác vẫn như cũ.
Cấp tải trọng của thanh hay phân tố kết cấu:
Trong đó : R-cường đọ tính toán của vật liệu.
Những bước tính toán khác hoàn toàn giống như trong phương pháp ứng suất cho phép vì thế sẽ không nhắc lại ở đây nữa.