- Các sơ đồ tổ chức thi công:
k) Tải trọng gió
* Tốc độ gió thiết kế:
Ở đây chỉ xét tốc độ gió nằm ngang tác dụng vào cơng trình cầu thơng thường, đối với những kết cấu nhịp lớn hay kết cấu nhạy cảm với gió như cầu treo dây võng, cầu dây văng…, cần có những khảo sát, nghiên cứu riêng và thí nghiệm trong các hầm thổi gió để xác định tác động của gió.
Tốc độ gió thiết kế được xác định theo cơng thức:
V VB.S
trong đó:
V – tốc độ gió thiết kế (m/s);
VB – tốc độ gió giật cơ bản trong 3 giây với chu kỳ xuất hiện 100 năm (p =1%) lấy theo bảng 4-5;
S – hệ số hiệu chỉnh theo địa hình và cao độ, lấy theo bảng 4-6.
Bảng 4-5. Các giá trị của VB cho các vùng
Ghi chú của bảng 4-5: Khi tính gió trong q trình lắp ráp có thể nhân tốc độ gió giật cơ bản VB cho trong bảng với hệ số 0,85.
Bảng 4-6. Hệ số hiệu chỉnh tốc độ gió theo địa hình và cao độ
* Tải trọng gió tác dụng lên cầu: * Gió ngang
Tải trọng gió ngang PD có phương nằm ngang, đặt ở trọng tâm diện tích chắn gió và có trị số (kN):
PD 0, 0006V 2 At C d1, 8At trong đó:
V – tốc độ gió thiết kế (m/s); At – diện tích chắn gió (m2);
Cd – hệ số chắn gió lấy theo đồ thị trên hình 4-2 76
Hình 4-2. Hệ số cản Cd dùng cho kết cấu phần trên có mặt hứng gió đặc
Diện tích chắn gió At phải là diện tích đặc chiếu lên mặt trước vng góc với hướng gió, trong trạng thái khơng có hoạt tải tác dụng với các điều kiện sau:
+ Đối với kết cấu phần trên có lan can đặc, diện tích At phải bao gồm cả diện tích của lan can đặc hứng gió (lan can đầu gió), khơng cần xét ảnh hưởng của lan can khơng hứng gió (lan can cuối gió hay lan can ở phía sau).
+ Đối với kết cấu phần trên có lan can hở, khi đó phải lấy bằng tổng tải trọng tác dụng lên từng phần bao gồm cả lan can đầu gió và lan can cuối gió khi xem như lan can này khơng ảnh hưởng gì đến lan can kia. Khi số lan can lớn hơn hai chỉ xét hai lan can có diện tích chắn gió lớn nhất.
+ Đối với cầu dàn tải trọng gió được tính riêng cho từng dàn, khơng xét tác dụng chắn gió của dàn nọ đối với dàn kia.
+ Đối với trụ không xét đến ảnh hưởng của các mặt che chắn.
Hệ số cản gió Cd lấy theo hình 4-2, trong đó trục hoành là tỷ số b/d với b là chiều rộng cầu giữa hai mặt lan can và d là chiều cao kết cấu phần trên bao gồm cả lan can đặc nếu có với các chú ý sau:
+ Khi kết cấu phần trên có mặt chính đặc, mép dốc đứng, khơng có góc vuốt thốt gió đáng kể thì Cd lấy như trên hình 4-2.
+ Trong cầu dàn, lan can, kết cấu phần dưới tính riêng, mỗi bộ phận có hệ số Cdtương ứng.
+ Mọi kết cấu phần trên khác, Cd được xác định theo thí nghiệm trong hầm thổi gió.
+ Giá trị Cd cho trong hình 4-2 ứng với mặt chắn gió thẳng đứng và gió tác dụng nằm ngang.
+ Nếu mặt chắn gió xiên với mặt phẳng thẳng đứng, Cd có thể giảm 0,5% cho mỗi độ xiên và giảm tối đa 30%.
+ Nếu mặt chắn gió có phần đứng và phần xiên hoặc hai phần xiên với góc nghiêng khác nhau thì:
Hệ số cản Cd tính với chiều cao toàn bộ kết cấu. Đối với từng phần hệ số cản Cd giảm theo ghi chú ở trên.
Tải trọng gió tổng cộng được tính theo tải trọng gió lên từng phần với hệ số cản gió Cd tương ứng.
+ Nếu kết cấu phần trên có độ dốc phải lấy Cd tăng thêm 3% cho mỗi độ nghiêng so với đường nằm ngang nhưng không quá 25%.
+ Nếu kết cấu phần trên chịu gió xiên khơng q 5% so với phương nằm ngang phải tăng Cd lên 15%, nếu góc xiên vượt quá 5% phải có thí nghiệm riêng để xác định Cd.
+ Nếu kết cấu phần trên dốc đồng thời chịu gió xiên phải lấy Cd theo kết quả khảo sát riêng.
* Gió dọc:
Đối với mố, trụ, kết cấu phần trên có bề mặt cản gió song song với tim dọc của kết cấu lớn thì phải tính tải trọng gió dọc cầu. Cách tính tải trọng gió dọc tương tự cách tính tải trọng gió ngang. Đối với kết cấu phần trên có mặt trước đặc, tải trọng gió dọc lấy bằng 0,25 tải trọng gió ngang tính như phần trên.
Các tải trọng gió dọc và ngang phải tính riêng rẽ, trường hợp cần thiết cần kiểm tốn theo hợp lực thì khơng lấy hai trường hợp riêng rẽ trên mà phải tính theo hướng thực của gió.
* Gió thẳng đứng:
Tải trọng gió thẳng đứng PV tác dụng vào trọng tâm diện tích chắn gió thích hợp có giá trị bằng (kN):
P 0, 00045V 2 A
V V
trong đó V là tốc độ gió thiết kế được lấy theo cơng thức ở trên, AV là diện tích phẳng của mặt cầu hay cấu kiện dùng để tính tải trọng gió thẳng đứng (m2).
Tải trọng gió thẳng đứng chỉ tính trong các trạng thái giới hạn khơng liên quan đến gió tác dụng lên hoạt tải, chỉ tính khi lấy hướng gió vng góc với trục dọc cầu. Tải trọng gió thẳng đứng tác dụng cùng gió nằm ngang.
Cơng thức tải trọng gió thẳng đứng áp dụng với điều kiện góc nghiêng của gió tác dụng vào kết cấu nhỏ hơn 50, nếu lớn hơn cần xác định bằng thí nghiệm.
* Tải trọng gió tác dụng lên hoạt tải WL:
Trong trạng thái giới hạn cường độ III phải xét cả tải trọng gió tác dụng lên hoạt tải. Tải trọng gió ngang lên hoạt tải được lấy là một lực rải đều hướng ngang cầu có trị số 1,5N/mm đặt tại độ cao 1800mm so với mặt đường xe chạy.
Tải trọng gió dọc lên hoạt tải cũng là một lực rải đều nằm ngang đặt tại độ cao 1800mm so với mặt đường xe chạy, phân bố dọc cầu và có cường độ 0,75N/mm.
Tải trọng gió ngang cầu và dọc cầu được tính riêng rẽ, nếu cần kiểm tốn theo hợp lực thì phải tính theo hướng thực của gió.
4.1.2. Các trạng thái giới hạn
Về tổng quát có ba trạng thái giới hạn:
- Trạng thái giới hạn về cường độ là trạng thái giới hạn có liên quan đến cường độ và ổn định.
- Trạng thái giới hạn sử dụng là trạng thái giới hạn liên quan đến ứng suất, biến dạng và vết nứt dưới điều kiện khai thác bình thường.
- Trạng thái giới hạn đặc biệt là trạng thái giới hạn liên quan đến các sự cố như động đất, va xô của tàu bè, xe cộ vào cơng trình, có thể cả trong điều kiện xói lở.
Do trạng thái giới hạn về cường độ được chia làm nhiều trường hợp khác nhau nên trong tính tốn các cấu kiện hay liên kết phải thỏa mãn điều kiệnii Qi Rn = Rr trong các trạng thái giới hạn cụ thể sau đây:
- Trạng thái giới hạn cường độ I là trạng thái giới hạn tính với tổ hợp tải trọng cơ bản khi trên cầu có xe và khơng có gió.
- Trạng thái giới hạn cường độ II là trạng thái giới hạn tính với tổ hợp tải trọng khi trên cầu khơng có xe nhưng có gió với tốc độ gió lớn hơn 25m/s.
Bài giảng: Cầu thép
- Trạng thái giới hạn cường độ III là trạng thái giới hạn tính với tổ hợp tải trọng khi trên cầu có xe và có gió với vận tốc 25m/s.
- Trạng thái giới hạn mỏi là trạng thái giới hạn tính với tổ hợp tải trọng gây ra mỏi và đứt gãy liên quan đến tác dụng lặp đi lặp lại và xung kích của một xe tải với khoảng cách trục cố định (khoảng cách trục giữa và trục sau là 9m).
- Trạng thái giới hạn sử dụng là tải trọng giới hạn tính với tổ hợp tải trọng liên quan đến khai thác bình thường của cầu với gió vận tốc 25m/s và với tất cả các tải trọng lấy theo giá trị danh định (trong quy trình cũ gọi là tải trọng tiêu chuẩn) dùng để kiểm tra độ võng, bề rộng vết nứt trong kết cấu bê tông cốt thép và bê tông cốt thép dự ứng lực, sự chảy dẻo của kết cấu thép và sự trượt của các liên kết có nguy cơ trượt do tác dụng của hoạt tải xe.
- Trạng thái giới hạn đặc biệt là trạng thái giới hạn tính với tổ hợp tải trọng có liên quan đến động đất, lực va của tầu thuyền, xe cộ.
4.2. Sự phân phối tải trọng
4.2.1. Phân bố ngang của tải trọng
Cầu là một kết cấu khơng gian. Có nhiều phương pháp để tính ra nội lực, chuyển vị ở từng vị trí của kết cấu, các phương pháp này đã được thể hiện trong các phần mềm tính tốn mà khi thiết kế người kỹ sư có thể dùng để tính tốn.
Tuy nhiên trong nhiều trường hợp người ta có thể đưa bài tốn khơng gian về bài tốn phẳng thơng qua hệ số phân bố ngang của tải trọng. Có rất nhiều phương pháp tính hệ số phân bố ngang đã được nghiên cứu, ở đây chỉ xét phương pháp đã được chấp nhận trong quy trình 22TCN-272-05.
So với các phương pháp khác, phương pháp tính hệ số phân bố ngang theo quy trình 22TCN-272-05 có các đặc điểm sau:
- Tính hệ số phân bố ngang riêng cho lực cắt, riêng cho mơmen uốn. - Có hệ số phân bố ngang riêng cho dầm biên và cho dầm trong. - Có hệ số hiệu chỉnh khi cầu xiên.
- Cầu dầm và cầu tiết diện hộp có phương pháp tính khác nhau.
4.2.1.1. Tính hệ số phân bố ngang cho các cầu dầm - bản
Cầu dầm - bản là loại cầu hay gặp nhất, trong đó dầm chủ có thể là thép, gỗ, bê tơng, mặt cầu cũng có thể là thép, gỗ, bê tông. Tuy nhiên trong phạm vi cầu thép thì dầm chủ bằng thép cịn mặt cầu bằng gỗ, thép hoặc bê tơng. Nếu mặt cầu khơng liên hợp với dầm chủ thì tạo thành cầu dầm thép bản kê. Nếu mặt cầu bằng bê tông được liên kết cứng với dầm thép thì tạo thành cầu dầm thép liên hợp với bản bê tông cốt thép. Nếu mặt cầu bằng thép và được cấu tạo sao cho cùng làm việc với dầm thép thì tạo thành cầu dầm có bản trực hướng.
Phương pháp tính hệ số phân bố ngang cho cầu dầm - bản (từ đây gọi tắt là cầu dầm) trong quy trình 22TCN-272-05 chỉ áp dụng cho cầu thỏa mãn các điều kiện sau:
- Bề rộng mặt cầu không đổi trên suốt chiều dài nhịp. - Số dầm khơng nhỏ hơn 4 trừ khi có quy định khác. - Các dầm song song với nhau và có độ cứng xấp xỉ nhau.
- Phần hẫng của đường xe chạy khơng vượt q 910mm trừ khi có quy định khác.
- Độ cong trong mặt bằng nhỏ.
- Mặt cắt ngang cầu phù hợp với quy định trong bảng 4-7.
Khi đã thỏa mãn các điều kiện trên, tải trọng thường xuyên của bản mặt cầu và trên bản mặt cầu được xem là phân bố đều cho các dầm chủ hoặc phân bố đều cho dầm chủ và dầm dọc hoặc phân bố đều cho dầm dọc như trong cầu dàn.
Để tính hệ số phân bố ngang của hoạt tải cần thực hiện theo trình tự: Đầu tiên tính tham số độ cứng dọc, sau đó từ tham số độ cứng dọc tra bảng để xác định hệ số phân bố ngang. Hệ số phân bố ngang của hoạt tải ở đây có thể sử dụng cho các loại xe mà bề rộng của chúng tương đương với bề rộng của xe tải thiết kế.