Theo tiêu chuẩn AASHTO, đối với công trình cầu đường bộ hiện nay có 3 phương ph p đã dùng để đ nh gi tải trọng:
- Đ nh gi theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng (LRFR) [2].
- Đ nh gi theo ứng suất cho phép (ASR) [2].
- Đ nh gi theo hệ số tải trọng (LFR) [2].
Về nguyên tắc, bất kỳ phương ph p n o cũng có thể dùng để đ nh gi tải trọng khai thác của cầu. Tuy nhiên, ở Việt Nam phương ph p đ nh gi theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng (LRFD) là phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 nên đƣợc áp dụng rộng rãi.
Thông thường hi đ nh gi cầu chỉ xét tải trọng thường xuyên và tải trọng xe.
Không xét va xô của tầu, thuyền, gió, lũ, hỏa hoạn, động đất. Các cầu nhịp lớn, cầu di động và các cầu phức tạp cần bổ sung th m ti u chí đ nh gi nếu cần thiết.
2.1.1. Đánh giá cầu theo hệ số sức kháng và hệ số tải trọng [2]
Đ nh gi cầu theo hệ số sức kháng và hệ số tải trọng bao gồm ba nội dung:
- Đ nh gi tải trọng thiết kế.
- Đ nh gi tải trọng hợp pháp.
- Đ nh gi tải trọng cấp phép.
Trong phạm vi đề tài chỉ chú trọng đến hai cấp đ nh gi tải trọng l đ nh gi tải trọng thiết kế v đ nh gi tải trọng hợp ph p để đ nh gi tải trọng cầu phục vụ cắm biển hạn chế tải trọng cầu theo QCVN41:2016/BGTVT. Khi cần đ nh gi tải trọng cấp phép thì thực hiện theo Hướng dẫn đ nh gi cầu AASHTO 2014.
2.1.1.1. Đánh giá tải trọng thiết kế
Theo phương ph p đ nh gi cầu theo hệ số tải trọng và sức kháng, tải trọng đ nh gi cấp thiết kế là hoạt tải HL93. Tải trọng đ nh gi cấp thiết kế đƣợc đ nh gi ở 02 cấp độ:
- Độ tin cậy ở cấp độ thiết kế Inventory Rating (viết tắt là IR) kết cấu cầu có thể sử dụng cầu an toàn trong tuổi thọ thiết kế.
- Độ tin cậy cấp thấp hơn Operating Rating (viết tắt l OR) l đ nh gi với hoạt tải cho phép lớn nhất có thể qua cầu, khi khai thác không giới hạn ở cấp độ OR sẽ làm
DUT.LRCC
giảm tuổi thọ của công trình cầu.
Các cầu đạt với kiểm toán hoạt tải thiết kế ở cấp độ IR (hệ số đ nh gi RF ≥ 1) thì cũng đạt hi đ nh gi cho tải trọng thiết kế cấp OR và mọi tải trọng hợp pháp.Hệ số RF đƣợc c định nhƣ sau:
(2.1)
Trong đó: DC là hệ số tải trọng của trọng lƣợng bản thân kết cấu;
DW là hệ số tải trọng của trọng lƣợng lớp phủ mặt cầu;
P là hệ số tải trọng của tải trọng thường xuyên không phải của kết cấu;
LL là hệ số tải trọng của hoạt tải;
DC làhiệu ứng do tải trọng bản thân kết cấu gây ra;
DW làhiệu ứng do tải trọng lớp phủ mặt cầu gây ra;
P làhiệu ứng do tải trọng thường xuyên không phải kết cấu gây ra;
LL làhiệu ứng do hoạt tải gây ra;
IM làtải trọng xung kích.
2.1.1.2. Đánh giá tải trọng hợp pháp
Tải trọng hợp pháp là các xe 3, 3-S2 và 3-3, cụ thể nhƣ sau:
- Xe 3 có ba trục, chiều d i cơ sở 5,7m, tải trọng 223kN;
- Xe 3-S2 có 5 trục, chiều d i cơ sở 12,5m, tải trọng 321kN;
- Xe 3-3 có 6 trục, chiều d i cơ sở 16,5m, tải trọng 356kN.
Khi đ nh gi tải trọng hợp pháp (xe 3, 3-S2 và 3-3), nếu chiều dài nhịp lớn hơn 24m thì ngoài xe hợp pháp còn có các xe khác trên nhịp, tải trọng của c c e n y đƣợc thay bằng tải trọng làn lấy là 3kN/m.[2]
Việc đ nh gi tải trọng hợp pháp chỉ tiến hành khi hệ số đ nh gi tải trọng thiết kế cấp OR nhỏ hơn 1. Khi đó cần phải cắm biển hạn chế tải trọng (biển 505b) theo QVCN 41-2016.[2]
2.1.1.3. Đánh giá tải trọng cấp phép
Đ y l cấp đ nh gi tải trọng thứ ba, cấp này chỉ áp dụng cho các cầu không cắm biển hạn chế tải trọng, nghĩa l hi đ nh gi tải trọng thiết kế v đ nh gi tải trọng hợp pháp có hệ số đ nh gi RF ≥ 1. Đ nh gi tải trọng cấp phép là kiểm toán sự an toàn và khả năng chịu tải của cầu trong quá trình cấp phép cho c c phương tiện có tải trọng vƣợt quá giới hạn cho phép.
1
DC DW P
LL
C DC DW P
RF IM LL
DUT.LRCC
Ở nước ta hiện nay chỉ có e si u trường, siêu trọng mới xin cấp phép và giấy phép thường cấp cho một chuyến đi hoặc một số chuyến đi tr n những tuyến nhất định.
Căn cứ vào thông số của xe xin cấp phép (lưu lượng xe qua cầu, cấu hình xe, tải trọng trục xe, tải trọng tổng cộng, ...) phải tiến hành tính toán hệ số đ nh gi RF, từ đó quyết định có cấp phép hay hông. Khi đ nh gi cầu theo tải trọng cấp phép cũng cần phải chỉ rõ c c điều kiện giao thông lưu thông trên cầu (cấm các xe khác qua cầu, hạn chế tốc độ, ...) phù hợp với mô hình kiểm to n để đảm bảo an toàn và tuổi thọ cho công trình cầu.
2.1.2. Quy trình đánh giá tải trọng theo phương pháp đánh giá hệ số tải trọng và hệ số sức kháng[2]
2.1.2.1. Trình tự đánh giá
Có 3 quy trình đ nh gi tải trọng phù hợp với đ nh gi theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng:
- Đ nh gi tải trọng thiết kế (cấp đ nh gi thiết kế).
- Đ nh gi tải trọng hợp pháp (cấp đ nh gi thứ hai).
- Đ nh gi tải trọng cấp phép (cấp đ nh gi thứ ba).
Mỗi quy trình có một tải trọng cụ thể với các hệ số tải trọng đƣợc hiệu chỉnh đặc biệt nhằm đảm bảo mức độ tin cậy nhƣ nhau v có thể chấp nhận đƣợc trong mọi đ nh gi v đƣợc đ nh gi theo trình tự đƣợc thể hiện trên Hình 2.1.
Hình 2.1. Trình tự đánh giá tải trọng hợp pháp
DUT.LRCC
2.1.2.2. Công thức đánh giá tải trọng
Công thức (2.1) có thể đƣợc viết gọn lại nhƣ sau:
LL HL LL
DL
RF C
(2.2)
Trong đó: RF = hệ số đ nh giá;
C = khả năng chịu tải của bộ phận đ nh gi ; DL = hiệu ứng của tải trọng thường xuyên;
LL = Hiệu ứng của hoạt tải đ nh gi ; HL = C – DL là khả năng chịu hoạt tải.
Khi RF ≥ 1 tức là khả năng chịu hoạt tải lớn hơn hoặc bằng hiệu ứng của hoạt tải, bộ phận đ nh gi hai th c đƣợc với hoạt tải đ nh gi , tr i lại khi RF < 1 bộ phận đ nh gi hông hai th c đƣợc với hoạt tải đ nh gi .
Việc đ nh gi tải trọng đƣợc biểu thị tổng qu t nhƣ l một hệ số đ nh gi đối với một dạng tải trọng động nhất định, sử dụng công thức đ nh gi tổng quát.
Theo AASHTO LRFD, qu trình đ nh gi đƣợc thực hiện tại mỗi trạng thái giới hạn áp dụng và hiệu ứng tải với giá trị nhỏ nhất c định hệ số đ nh gi điều khiển.
Công thức tổng qu t sau đƣợc sử dụng để c định mức đ nh gi tải trọng của mỗi cấu kiện đối với một hiệu ứng tải trọng riêng lẽ.
2.1.3. Tính toán khả năng chịu tải C
Đối với trạng thái giới hạn cường độ, C được c định bởi:
C c s Rn (2.3) Đối với trạng thái giới hạn sử dụng:
C fr (2.4) Trong đó C : Hệ số điều kiện;
s : Hệ số hệ thống ;
: Hệ số sức kháng theo AASHTOLRFD;
Rn : Sức kháng danh định của cấu kiện
fR : ứng suất cho phép đƣợc quy định trong Tiêu chuẩn.
Hệ số điều kiện c (Condition factor):
Chỉ có vật liệu tốt dựa vào sự kiểm tra kỹ lƣỡng mới đƣợc xem xét trong việc c định sức h ng danh định của mặt cắt. Hệ số sức kháng đƣợc sử dụng trong đ nh gi giống như đối với thiết kế mới trong AASHTOLRFD. Phương ph p n y chỉ có giá trị đối với các cấu kiện trong tình trạng tốt hoặc thoả mãn. Một khi cấu kiện đã có hƣ hỏng và bắt đầu xuống cấp, sự không chắc chắn v thay đổi sức kháng sẽ thay
DUT.LRCC
đối lớn (độ không đồng nhất là tăng lên) và hệ số sức kháng đối với thiết kế mới không phản nh đƣợc sự không chắc chắn đó.
Hệ số điều kiện định ra sự suy giảm ƣớc lƣợng để tính toán mức độ không chắc chắn trong sức kháng của các cấu kiện bị hƣ hỏng và sự tăng mức độ hƣ hỏng trong tương lai của cấu kiện đó trong giai đoạn giữa 2 đợt kiểm tra. Hệ số điều kiện c thay đổi từ 0,85 đối với cấu kiện trong tình trạng xấu đến 1,0 đối với cấu kiện tốt hoặc thoả mãn.
Mục tiêu của hệ số điều kiện l để tính toán mức độ tăng của sự không chắc chắn và những mất m t được dự b o trước trong tương lai. Nó hông dùng để tính toán cho những thay đổi thực tế quan s t được của c c ích thước vật lý. Phương ph p n y l để lấy các thông tin của các cấu kiện kiểm tra và áp dụng nó vào trong việc xác định sức kháng của cấu kiện v sau đó p dụng hệ số điều kiện sức h ng để chiết giảm sức kháng của cấu kiện đã có hƣ hỏng với lý do nhƣ đã trình b y ở trên.
Hệ số hệ thống s(System factor):
Các cấu kiện kết cấu tương t c với nhau để tạo thành một hệ thống kết cấu. Khả năng còn lại của cầu (bridge redundancy) là khả năng mang tải của hệ thống kết cấu cầu sau hi có hƣ hại của một hoặc nhiều cấu kiện. Hệ số hệ thống đƣợc nhân với sức h ng danh định, và liên hệ với mức độ của sự còn lại so với hệ thống kết cấu hoàn chỉnh. Những cầu có tính dƣ thấp sẽ có khả năng của cấu kiện giảm do đó chúng có mức đ nh gi thấp. Các cầu hông có tính dƣ sẽ bị bất lợi khi yêu cầu các cấu kiện của nó cung cấp mức độ an to n cao hơn so với các cầu tương tự với tính dư về hình dạng.
Mục đích của s l để bổ sung một khả năng dự trữ v do đó độ tin cậy của cả hệ thống sẽ tăng từ cấp độ Khai th c (đối với hệ thống có dự trữ) tới mục tiêu thực tế hơn đối với các hệ thống không có dự trữ tương ứng với cấp độ kiểm kê.
2.1.4. Hiệu ứng tải trọng[1],[2]
2.1.4.1. Hiệu ứng tĩnh tải
DC DW P
DL DC DW P (2.5) Trong đó: DC: Hiệu ứng của tĩnh tải bản thân;
DW: Hiệu ứng của tĩnh tải lớp phủ và các thiết bị tiện ích;
P: Hiệu ứng của các tải trọng thường uy n h c ngo i tĩnh tải;
DC, DW: Hệ số tải trọng lần lƣợt của DC v DW đƣợc lấy theo Bảng 2.1
P: Hệ số tải trọng lần lƣợt của P đƣợc lấy bằng 1.
DUT.LRCC
Bảng 2.1. Hệ số tải trọng của hoạt tải theo TTGH
Loại cầu TTGH
Tĩnh tải
Tĩnh tải
Tải trọng thiết
kế Tải trọng
hợp pháp
IR OR
DC DW LL LL LL
Thép
Cường độ I 1,25 1,50 1,75 1,35 Bảng 2.2
Cường độ II 1,25 1,50 - - -
Sử dụng II 1,00 1,00 1,30 1,00 1,30
Mỏi 0,00 0,00 0,75 - -
BTCT
Cường độ I 1,25 1,50 1,75 1,35 Bảng 2.2
Cường độ II 1,25 1,50 - - -
Sử dụng I 1,00 1,00 - - -
BTCT DUL
Cường độ I 1,25 1,50 1,75 1,35 Bảng 2.2
Cường độ II 1,25 1,50 - - -
Sử dụng III 1,00 1,00 0,80 - 1,00
Sử dụng I 1,00 1,00 - - -
Hệ số tải trọng của từng loại hoạt tải theo quy định của AASHTO LRFD tuỳ thuộc vào trạng thái giới hạn tính to n v lưu thông giao thông qua cầu (riêng hệ số tải trọng của tĩnh tải đƣợc quy định giống AASHTO LRFD). Theo đó, hệ số tải trọng của hoạt tải được quy định phụ thuộc vào nhiều yếu tố như l trạng thái giới hạn, lưu lượng xe chạy, các loại cầu khác nhau, tính chất tác dụng của tải trọng, v đƣợc thể hiện qua Bảng 2.2.
Bảng 2.2. Hệ số tải trọng của tải trọng hợp pháp Lưu lượng xe tải theo một chiều
(ADTT)
Hệ số γLLcho xe 3, 3-S3, 3-3 và tải trọng làn
Không có số liệu 1,80
ADTT > 5000 1,80
ADTT = 1000 1,65
ADTT < 100 1,4
DUT.LRCC
2.1.4.2. Hiệu ứng hoạt tải
Hoạt tải đ nh gi của c c trường hợp cụ thể phù hợp với cấp đ nh gi được trình bày ở mục 2.1.4. Đ nh gi tải trọng thiết kế là một mức độ đ nh gi đầu tiên của cầu sử dụng tải trọng xe HL93 và tiêu chuẩn thiết kế LRFD với c c ích thước và tính chất của cầu trong điều kiện tại thời điểm kiểm tra của nó. Đó l ti u chuẩn để đ nh giá cầu cũ theo y u cầu đồng bộ với tiêu chuẩn thiết kế cầu mới. Trong khi kiểm tra, các cầu cũ đƣợc xem xét ở mức độ tin cậy thiết kế (cấp độ kiểm kê) hoặc ở mức độ tin cậy thứ hai thấp hơn (có thể so sánh với cấp độ tin cậy hai th c) đối với trạng thái giới hạn cường độ.
Kiểm toán trạng thái giới hạn mỏi dùng xe tải thiết kế với khoảng cách trục giữa đến trục sau 9m.
Hệ số xung kích (1+IM) phụ thuộc vào nhiều vào hiện trạng lớp phủ mặt cầu, tình trạng khe co giãn và chất lượng đường đầu cầu. Nếu như c c cấu kiện trên có dấu hiệu xuống cấp từ thời điểm kiểm định thì cần phải đo lại dao động để có đƣợc hệ số xung kích thực tế. Nếu không thể đo thì lấy (1 + IM) = 1 + 0,33 = 1,33 [1][2].