Phõn loại tiết diện

2/ Dầm ghộ p( dầm tổ hợp)

5.2.4 Phõn loại tiết diện

Tiết diện ngang được phõn biệt là tiết diện chắc, khụng chắc, hay mảnh tuỳ theo tỉ số rộng/dày của bộ phận chịu nộn và khoảng cỏch cỏc thanh giằng.

Một tiết diện chắc là tiết diện cú thể phỏt triển mụmen dẻo toàn phần Mp trước khi xảy ra mất ổn định ngang hoặc mất ổn định cục bộ bản biờn hoặc vỏch đứng.

Tiết diện khụng chắc là tiết diện cú thể phỏt triển mụmen bằng hoặc lớn hơn mụmen chảy My trước khi xảy ra mất ổn định của bất kỳ bộ phận nào.

Tiết diện mảnh là tiết diệncú bộ phận chịu nộn quỏ mảnh để cú thể xảy ra mất ổn định cục bộ trước khi đạt tới mụmen chảy My. Sự so sỏnh giữa đường cong ứng sử mụmen của cỏc dạng này trờn hỡnh 5.4 thể hiện tớnh chất khỏc nhau của tiết diện mảnh, chắc và khụng chắc.

Tiết diện cũng được phõn loại là liờn hợp và khụng liờn hợp. Tiết diện liờn hợp là tiết diện khi thiết kế dựng cỏc liờn kết chống cắt giữa bản bờ tụng mặt cầu và dầm thộp . Tiết diện mà bản mặt cầu bờ tụng khụng liờn kết với dầm thộp thỡ coi là tiết diện khụng liờn hợp.

Hỡnh 5.4: Ứng xử của ba loại dầm

Khi cú neo chống cắt, bản mặt cầu và dầm làm việc cựng nhau chống lại mụmen uốn. Ở miền cú mụmen dương, bản bờ tụng chịu nộn và tăng khả năng khỏng uốn. Trong miền mụmen õm, bờ tụng mặt cầu chịu kộo và chỉ cú cốt thộp chịu nộn thờm vào khả năng khỏng uốn của

Mụ men Mp My Độ cong  Khụng chắc Mảnh Chắc

dầm thộp. Khả năng khỏng uốn của tiết diện liờn hợp do đú được nõng cao, vỡ neo giữa bản bờ tụng và dầm thộp tạo cỏc điểm giữ ngang liờn tục cho bản biờn chịu nộn, chống mất ổn định xoắn ngang. Vỡ cỏc ưu điểm trờn đõy, AASHTO LRFD (1998) kiến nghị khi nào cú thể, nờn dựng kết cấu liờn hợp.

5.2.5 Độ cứng

Khi tớnh phần tử chịu uốn cú tiết diện khụng liờn hợp, chỉ dựng độ cứng của dầm thộp. Khi tớnh phần tử chịu uốn cú tiết diện liờn hợp, dựng diện tớch chuyển đổi của bờ tụng để tớnh độ cứng, dựa trờn tỉ số mụđuyn đàn hồi n (bảng ) cho tải trọng tức thời và 3n cho tải trọng thường xuyờn.

Tỉ số mụđuyn đàn hồi 3n là để xột tới độ tăng biến dạng do từ biến của bờ tụng dưới tỏc dụng của tải trọng thường xuyờn. Từ biến của bờ tụng cú khuynh hướng chuyển ứng suất dài hạn từ bờ tụng sang thộp, làm tăng độ cứng tương đối của thộp. Việc nhõn với 3n là để xột tới hiện tượng này. Độ cứng của tiết diện liện hợp toàn phần cú thể được dựng cho toàn chiều dài cầu, gồm cả miền chịu mụmen õm. Độ cứng khụng đổi này là hợp lớ và tiện lợi vỡ cỏc thớ nghiệm hiện trường của dầm liờn tục liờn hợp đó cho thấy cú tỏc dụng liờn hợp đỏng kể trong vựng chịu mụmen õm.

5.3 CÁC TRẠNG THÁI GIỚI HẠN

Tiết diện I chịu uốn cần được thiết kế để chịu cỏc tổ hợp tải trọng trong trạng thỏi giới hạn cường độ, sử dụng và mỏi theo bảng tổ hợp tải trọng ở chương 1.

5.3.1 Trạng thỏi giới hạn cường độ

Đối với tiết diện chắc hệ số khỏng uốn là hệ số cho mụmen:

r f n

M  M (5.2)

f là hệ số khỏng uốn theo bảng và Mn = Mp là sức khỏng danh định đặc trưng cho tiết diện chắc.

Đối với tiết diện khụng chắc hệ số khỏng uốn được xỏc định theo dạng ứng suất:

r f n

F  F (5.3)

Trong đú Fn là sức khỏng danh định đặc trưng cho tiết diện khụng chắc. Sức khỏng và hệ số Vr sẽ được lấy:

r v n

Trong đú v là hệ số khỏng cắt theo bảng sau và Vn là sức khỏng cắt danh định đặc trưng cho vỏch đứng khụng gia cường và cú gia cường.

Các hệ số sức kháng, , đối với trạng thái giới hạn cường độ phải lấy như sau:

 Đối với uốn... f = 1,00  Đối với cắt ... v = 1,00  Đối với cắt khối ... bs= 0,80

5.3.2 Trạng thỏi giới hạn sử dụng

1/Kiểm tra độ vừng dài hạn

Áp dụng tổ hợp tải trọng sử dụng . Dựng tổ hợp tải trọng này để kiểm tra chảy của kết cấu thộp và ngăn ngừa độ vừng thường xuyờn bất lợi cú thể ảnh hưởng xấu đến điều kiện khai thỏc. Khi kiểm tra ứng suất bản biờn, sự phõn bố lại mụmen cú thể được xột đến nếu tiết diện ngang trong miền chịu mụmen õm là chắc. Ứng suất của bản biờn chịu mụmen dương và õm đối với tiết diện liờn hợp khụng được quỏ:

0.95

f h yf

f  R F (5.5)

và đối với tiết diện khụng liờn hợp 0.80

f h yf

f  R F (5.6)

Trong đú ff là ứng suất đàn hồi của bản biờn do tải trọng cú hệ số, Rh là hệ số giảm ứng suất của bản biờn lai (đối với tiết diện đồng nhất Rh = 1) và Fyflà cường độ chảy của bản biờn.

2/Kiểm tra độ vừng do hoạt tải khụng bắt buộc (A2.5.2.6.2 & A3.6.1.3.2) Độ võng của dầm phải thoả mãn điều kiện sau đây:

L 800 1 Δ Δ cp  Trong đó: L = Chiều dài nhịp dầm (m);

 = Độ võng lớn nhất do hoạt tải ở TTGHSD, bao gồm cả lực xung kích, lấy trị số lớn hơn của:

+ Kết quả tính toán do chỉ một mình xe tải thiết kế, hoặc

+ Kết quả tính toán của 25% xe tải thiết kế cùng với tải trọng làn thiết kế.

Độ võng lớn nhất (tại mặt cắt giữa dầm) do xe tải thiết kế gây ra có thể lấy gần đúng ứng với trường hợp xếp xe sao cho mô men uốn tại mặt cắt giữa dầm là lớn nhất. Khi đó ta có thể sử dụng hoạt tải tương đương của xe tải thiết kế để tính toán.

Độ võng lớn nhất (tại mặt cắt giữa dầm) do tải trọng rải đều gây ra được tính theo công thức của lý thyết đàn hồi như sau:

384EI 5wL Δ 4  Trong đó:

w = Tải trọng rải đều trên dầm (N/m);

E = Mô đun đàn hồi của thép làm dầm (MPa);

I = Mô men quán tính của tiết diện dầm, bao gồm cả bản BTCT mặt cầu đối với dầm liên hợp (mm4

).

5.3.3 Trạng thỏi giới hạn mỏi và đứt góy

Thiết kế theo TTGH mỏi bao gồm giới hạn ứng suất do hoạt tải của xe tải thiết kế mỏi chỉ đạt đến một trị số thớch hợp ứng với một số lần tỏc dụng lặp xảy ra trong tuổi thọ thiết kế của cầu .

Thiết kế theo TTGH đứt góy bao gồm việc chọn thộp cú độ dẻo dai thớch hợp ở một nhiệt độ quy định.

1/Tải trọng mỏi

Tuổi thọ mỏi được xỏc định bằng biờn độ ứng suất kộo trong liờn kết, do vậy khụng quan tõm đến ứng suất thực cũng như ứng suất dư.

Biờn độ ứng suất chịu kộo được xỏc định bằng cỏch đặt hoạt tải mỏi trờn cỏc nhịp khỏc nhau của cầu .Nếu cầu là dầm giản đơn chỉ cú ứng suất cực đại ứng suất cực tiểu bằng khụng.khi tớnh toỏn cỏc ứng suất này dựng lý thuyết đàn hồi tuyến tớnh .

Trong một số vựng dọc theo chiều dài dầm chớnh ứng suất nộn do tải trọng thường xuyờn khụng hệ số ( tĩnh tải danh định ) lớn hơn ứng suất kộo do hoạt tải mỏi gõy ra , với hệ số tải trọng mỏi theo quy định . Để bỏ qua hiện tượng mỏi tại cỏc vựng này thỡ ứng suất nộn phải lớn hơn hoặc bằng hai lần ứng suất kộo ,vỡ xe tải nặng nhất qua cầu xấp xỉ bằng hai lần hoạt tải mỏi dựng để tớnh ứng suất kộo .

35KN 145KN 145KN

Hỡnh 5.5 Xe t ải thiết kế mỏi

Lực xung kớch là IM= 15% và hệ số tải trọng = 0,75.

Vỡ sức khỏng mỏi phụ thuộc vào chu kỳ ứng suất , do vậy cần biết chu kỳ của tải trọng mỏi .

2/ Tiờu chuẩn thiết kế mỏi

Phương trỡnh tổng quỏt viết dưới dạng tải trọng mỏi và sức khỏng mỏi cho mỗi mối nối như sau: ) ( ) (F n  f  (5.7)

Trong đú : (F)n là sức khỏng mỏi danh định ( MPa) ;

( f) là biờn độ ứng suất do xe tải mỏi gõy ra (MPa)  là hệ số tải trọng ( lấy theo tổ hợp tải trọng mỏi ) Ở TTGH mỏi =1 và =1 do vậy ta cú : ) ( ) (F n  f (5.8) Xỏc định chu kỳ ứng suất

Chu kỳ ứng suất phụ thuộc vào số chu kỳ tải trọng mỏi trong tuổi thọ thiết kế của cầu. Chu kỳ tải trọng mỏi được lấy như số lần giao thụng trung bỡnh của một làn xe tải đơn hàng ngày ADTTST.Trừ trường hợp cú điều khiển giao thụng , số lượng xe của một làn đơn cú thể tớnh từ lượng xe tải trung bỡnh hàng ngày ADTT bằng :

ADTTSL = p*ADTT (5.9)

ADTT = số xe tải / ngày theo một chiều tính trung bình trong tuổi thọ thiết kế;

ADTTSL = số xe tải / ngày trong một làn xe đơn tính trung bình trong tuổi thọ thiết kế; p là phõn số xe tải trong một làn xe đơn :

Số làn xe tải p

1 1

2 0,85

≥3 0,80

Nếu chỉ biết lượng giao thụng trung bỡnh ngày ADT , ADTT cú thể xỏc định bằng cỏch nhõn với tỷ lệ xe tải trong luồng :

Cấp đường tỉ lệ xe tải trong luồng Đường nụng thụn liờn quốc gia 0,2

Đường thành phố liờn quốc gia 0,15

Đường nụng thụn 0,15

Đường Thành phố 0,10

Giới hạn trờn của tổng số xe khỏch và xe tải vào khoảng 20.000 xe một làn trong ngày và cú thể dựng để tớnh ADT.

Số lượng chu kỳ ứng suất N là số lượng xe dự kiến qua cầu của làn xe nặng nhất trong tuổi tho thiết kế . Với tuổi thọ 100 năm cú thể biểu diễn như sau:

N= (365)(100)n(ADTTST) (5.10)

Trong đú n là số chu kỳ ứng suất trờn một xe tải lấy theo bảng .Trị số n>1 chứng tỏ chu kỳ phụ xuất hiện do dao động sau khi xe ra khỏi cầu.

Bảng 5.1 : Số chu kỳ ứng suất trờn một xe tải n

Phần tử dọc Chiều dài nhịp

>12.000 mm 12.000 mm

Dầm giản đơn 1,0 2,0

Dầm liờn tục : 1. Gần trụ gữa 1,5 2,0

2. Chỗ khỏc 1,0 2,0

Vớ dụ 5.1 : Tớnh chu kỳ biờn độ ứng suất N để thiết kế mỏi cho một cầu dầm đơn giản hai làn xe nhịp L=12000 mm , thuộc đường thành phố liờn quốc gia cú ADT=25000 xe một làn trong ngày .

ADTT =0,15*2*25000 =7.500 xe/ ngày

ADTTSL = p*ADTT =0,85*7.500=6375 xe /ngày

N=365*100*n*ADTTST = 365*100*2*6.375=465,4*106 chu kỳ

3/ Cỏc loại cấu tạo Cỏc bộ phận và cỏc cấu tạo chi tiết cú thể chịu được hiệu ứng mỏi được tập hợp vào tỏm loại , tuỳ theo sức khỏng mỏi của chỳng .Mỗi loại ký hiệu bằng chữ in hoa : A là loại tốt nhất , và E’ là loại xấu nhất .Loại cấu tạo A và B dựng cho cỏc bộ phận phẳng và liờn kết hàn chất lượng tốt trong cỏc phần tử lắp rỏp khụng mối nối .Loại chi tiết D và E dựng cho cỏc loại liờn kết hàn gúc và hàn rónh khụng cú bỏn kớnh chuyển thớch hợp hoặc chiều dày tấm bản khụng phự hợp .Loại C cú thể ỏp dụng cho cỏc mối hàn của cỏc liờn kết cú bỏn kớnh chuyển lớn hơn 150 mm và thớch hợp với mối hàn tốt .Yeu cầu cho mỗi loại cấu tạo khỏc nhau tổng kết trong bảng 6.6.1.2.3-1 quy trỡnh 22TCN272-05 bảng dưới dõy trớch dẫn 1 phần .

Bảng 5.2 - Các loại chi tiết đối với tải trọng gây ra mỏi (6.6.1.2.3-1) Điều kiện chung Trạng thái Loại chi tiết Thí dụ minh họa, xem hình (6.6.1.2.3-1) Các cấu kiện thường

Kim loại cơ bản:

 Với các bề mặt cán và làm sạch. Các mép cắt

bằng lửa với ANSI/AASHTO/AWS D1.5 (Bản cánh 3.2.2), độ nhẵn 0,025mm hoặc thấp hơn

 Thép có xử lý chống ăn mòn không sơn, tất cả các cấp được thiết kế và cấu tạo theo đúng với FHWA (1990)

 ở mặt cắt thực của các đầu của thanh có tai treo và các bản chốt. A B E 1,2 Kết cấu tổ hợp

Kim loại cơ bản và kim loại hàn trong các bộ phận, không có các gắn kết phụ, được liên kết bằng:

 Các đường hàn rãnh liên tục ngấu hoàn toàn với

các thanh đệm lót lấy đi, hoặc

 Các đường hàn liên tục song song với phương

của ứng suất

 Các đường hàn rãnh liên tục ngấu hoàn toàn với

các thanh đệm lót để lại, hoặc

 Các đường hàn rãnh liên tục ngấu không hoàn

toàn song song với phương của ứng suất

Kim loại cơ bản ở các đầu của các bản phủ trên một phần chiều dài:

 Với các liên kết ở đầu bằng bulông trượt tới hạn

 Hẹp hơn bản cánh, với có hoặc không có các mối hàn đầu, hoặc rộng hơn bản cánh với các mối hàn đầu

+ Chiều dày bản cánh  20mm

+ Chiều dày bản cánh > 20mm

 Rộng hơn bản cánh không có các mối hàn đầu.

B B B’ B’ B E E’ E’ 3,4,5,7 22 7 Bảng 5.3

Loại chi tiết Hằng số A 1011 (MPa)3

Giới hạn mỏi (F)TH(MPa)

A 82,0 165

B' 20,0 82,7 C 14,4 69,0 C' 14,4 82,7 D 7,21 48,3 E 3,61 31,0 E' 1,28 17,9 Bulông M164 M (A325M) chịu kéo dọc trục 5,61 214 Bulông M253 M (A490M) chịu kéo dọc trục 10,3 262

Các thí dụ minh hoạ

Bán kính 600 mm

Đường hàn rãnh hoặc hàn góc

Loại C**

Điều kiện hàn Loại

Chiều dày không bằng nhau-Cốt hàn để tại chỗ

Chiều dày không bằng nhau-Cốt hàn lấy đi Chiều dày bằng nhau-Cốt hàn để tại chỗ Chiều dày bằng nhau-Cốt hàn lấy đi

E D C B * Đối với tải trọng ngang-kiểm tra bán kính chuyển tiếp về loại thấp hơn có khả năng Loại R** Hàn góc Hàn rãnh R >610 610 >R >150 150 > R > 50 50 > R D D D E B C D E ** cũng áp dụng cho tải trọng ngang

Đầu của đường hàn

(chỗ cho một bulông) Loại B

Diện tích mặt cắt thực

Diện tích mặt cắt thực Gút xé vách ngăn

Đầu vuông vuốt thon hoặc rộng hơn cánh Loại E/ * Loại B Loại B Loại B Loại E* Loại E*

trong kim loại cơ bản)

Loại Figure (trong kim loại hàn)

Lọại E*

(trong kim loại cơ bản

Bảng 6.6.1.2.3-2 - Các loại chi tiết đối với tải trọng gây ra mỏi của các mặt

cầu trực hướng

Thí dụ minh hoạ Chi tiết Mô tả điều kiện Loại chi tiết

Mối nối đối đầu bản mặt cầu được hàn ngang

Hàn nối đối đầu rãnh đơn trên tấm lót cố định. Các đường hàn của tấm lót phải hàn liên tục

Mối nối đối đầu bản mặt cầu được bắt bu lông ngang

Trong các mối nối đối đầu không đối xứng, các tác dụng của độ lệch tâm phải được xét trong tính toán ứng suất

Các mối nối đối đầu của sường được hàn

Các mối hàn rãnh kép. Chiều cao của độ lồi hàn không được vượt quá 20% của chiều rộng đường hàn. Phải sử dụng các dải hàn chảy và sau đó lấy đi, các mép bản được làm cho phẳng đến tận bản nền ở phương của ứng suất

Mối nối đối đầu của sườn được hàn

Hàn nối đối đầu rãnh đơn với tấm lót cố định. Các mối hàn góc của tấm lót phải hàn liên tục

Mối nối đối đầu của sườn được hàn không có tấm lót

Hàn nối đối đầu rãnh đơn không có tấm lót

4 Sức khỏng mỏi

Từ đường cong mỏi điển hỡnh S-N ,sức khỏng mỏi được chia thành hai loại tớnh chất: một loại cho tuổi thọ vụ cựng và một loại cho tuổi thọ hữu hạn.Nếu biờn độ ứng suất kộo thấp hơn giới hạn mỏi hoặc ngưỡng ứng suất , chu kỳ tải trọng phụ thờm sẽ khụng lan truyền vết nứt mỏi và mối nối cú tuổi thọ cao. Nếu ứng suất kộo lớn hơn giới hạn mỏi, vết nứt mỏi cú thể lan truyền và mối nối cú tuổi thọ hữu hạn Khỏi niệm chung của sức khỏng mỏi được thể hiện:

TH n F N A F ( ) 2 1 ) ( 3   (5.11)

( F)n là sức khỏng mỏi danh định (MPa) , A là hệ số cấu tạo (MPa)3 lấy theo bảng , N chu kỳ biờn độ ứng suất theo phương trỡnh 5.10, (F)TH là ngưỡng ứng suất mỏi cú biờn độ khụng đổi (MPa)lấy theo bảng .

Đường cong S-N của tất cả cỏc cấu tạo chi tiết trỡnh bày trong phương trỡnh 5.11chỳng được vẽ trờn hỡnh 5.6 bằng cỏch lấy giỏ trị A và (F)TH nhưtrong bảng 5.3 .

Trong đoạn tuổi thọ hữu hạn của đường cong S-N ảnh hưởng của độ thay đổi biờn độ biờn độ ứng suất đến số chu kỳ phỏ hỏng cú thể cú được bằng cỏch giải phương trỡnh 5.11 :