CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HIỆN TRẠNG CẦU BÊTÔNG CỐT THÉP TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH KHÁNH HÒA
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC CHỊU TẢI KẾT CẤU NHỊP CỦA CẦU BTCT, CẦU BTCT DƢL
2.1 Cơ sở đánh giá khả năng chịu tải của kết cấu nhịp cầu dầm BTCT
- Hiện trạng cầu thông qua kết quả kiểm tra, khảo sát, đo đạc kích thước các bộ phận cầu để xác định đƣợc các đặc trƣng hình học nhƣ diện tích thực, diện tích nguyên, mô men quán tính thực, nguyên,...
- Khoan lấy mẫu hoặc thực hiện các thí nghiệm không phá hủy để xác định các đặc trưng cơ học của vật liệu. Ở nhiều nước nếu biết năm xây dựng cầu có thể tra bảng để tìm ra các đặc trƣng cơ học của vật liệu chẳng hạn Fy của thép, f’c của bê tông.
- Thu thập số liệu thông qua việc thu thập hồ sơ nhƣ:
+ Hồ sơ thiết kế.
+ Hồ sơ hoàn công.
+ Hồ sơ thiết kế sửa chữa, ...
- Điều tra tình hình khai thác, xác định lưu lượng xe qua cầu.
- Thí nghiệm tải trọng có thể được dùng như là một phương pháp thay thế để đánh giá trực tiếp khả năng chịu tải của cầu khi các phương pháp phân tích để đánh giá là không thể áp dụng (do thiếu số liệu tin cậy nhƣ cốt thép có trong bê tông, lực kéo các bó cáp dự ứng lực, ... hoặc có những hƣ hỏng bên trong khó xác định chính xác) hoặc cần thiết để kiểm chứng các tính toán.
- Các bộ phận của kết cấu phần dưới không cần định kỳ kiểm tra khả năng chịu tải. Kết cấu phần dưới phải kiểm tra khi có lý do để tin là khả năng chịu lực của chúng có thể khống chế năng lực chịu tải của cầu. Khi cần kiểm tra phải kiểm tra với mọi tải trọng thường xuyên và các tải trọng do hãm phanh do ly tâm nhưng bỏ qua các tải trọng tức thời nhƣ gió, nhiệt độ.
- Phải đặc biệt ch ý đến các bộ phận có dấu hiệu nguy hiểm hoặc mất ổn định, ở đó sự phá hoại của nó gây nên sụp đổ cầu.
2.1.2 Các phương pháp đánh giá tải trọng cầu:
- Có 3 phương pháp dùng để đánh giá tải trọng:
+ Đánh giá theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng (LRFR) trên cầu đường bộ.
Lần đầu tiên có trong sổ tay SHTO năm 2003 và đƣợc ban hành vào các năm sau chẳng hạn 2011, mới đây nhất là 2013. Đánh giá theo phương pháp này phù hợp với tiêu chu n 22TCN 272-05.
+ Đánh giá theo ứng suất cho phép (ASR) - sổ tay AASHTO 1994.
+ Đánh giá theo hệ số tải trọng (LFR) - sổ tay AASHTO 1994.
- Về nguyên tắc không ưu tiên cho phương pháp đánh giá nào nghĩa là bất kỳ phương pháp nào cũng có thể dùng để đánh giá tải trọng khai thác của cầu. Ở Việt Nam để phù hợp với 22TCN 272-05 nên dùng phương pháp đánh giá theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng (LRFR)
- Đánh giá cầu theo hệ số sức kháng và hệ số tải trọng bao gồm ba nội dung:
+ Đánh giá tải trọng thiết kế.
+ Đánh giá tải trọng hợp pháp.
+ Đánh giá tải trọng cấp phép.
Trong phạm vi đề tài chỉ chú trọng đến hai cấp đánh giá tải trọng là đánh giá tải trọng thiết kế và đánh giá tải trọng hợp pháp để đánh giá tải trọng cầu phục vụ cắm biển hạn chế tải trọng cầu theo QCVN41:2016/BGTVT. Khi cần đánh giá tải trọng cấp phép thì thực hiện theo Hướng dẫn đánh giá cầu AASHTO 2014.
- Ở đây chỉ xét đánh giá cho tải trọng thường xuyên và tải trọng xe chạy. Động đất, va xô tàu thuyền, gió, lũ, hỏa hoạn không xét. Việc đánh giá các cầu nhịp lớn, các cầu di động và các cầu phức tạp khi đánh giá cần bổ sung thêm các tiêu chí đánh giá nếu cần.
2.1.3 Các bước đánh giá tải trọng theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng:
- Có 3 quy trình đánh giá tải trọng phù hợp với đánh giá theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng:
+ Đánh giá tải trọng thiết kế (đánh giá cấp thứ nhất).
+ Đánh giá tải trọng hợp pháp (đánh giá cấp thứ hai).
+ Đánh giá tải trọng cấp phép (đánh giá cấp thứ ba).
- Mỗi quy trình có một tải trọng cụ thể với các hệ số tải trọng đƣợc hiệu chỉnh đặc biệt nh m đảm bảo mức độ tin cậy nhƣ nhau và có thể chấp nhận đƣợc trong mọi đánh giá.
- Với một tải trọng cụ thể đánh giá tải trọng biểu thị qua hệ số đánh giá (RF).
- Trình tự đánh giá:
+ Đánh giá theo tải trọng thiết kế HL93:
Khi đánh giá theo tải trọng thiết kế đƣợc thể hiện qua hệ số đánh giá RF ≥ 1, tức là cầu khai thác đƣợc với HL93 thì không cần đánh giá tải trọng hợp pháp vì cầu đã khai thác đƣợc với HL93 sẽ khai thác đƣợc với tải trọng hợp pháp. Cầu không cần
cắm biển hạn chế tải trọng, cho phép tính toán đánh giá với tải trọng cấp phép khi cần thiết. Nếu RF < 1 chuyển sang bước 2.
+ Đánh giá theo 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 dài cơ sở 5,7m, tải trọng 223kN;
- Xe 3-S2 có 5 trục, chiều dài cơ sở 12,5m, tải trọng 321kN;
- Xe 3-3 có 6 trục, chiều dài cơ sở 16,5m, tải trọng 356kN.
Hình 2. 1 Xe chu n thực tế loại 3 (a); loại 3S2 (b) và loại 3-3 (c)
Hình 2. 2 Tải trọng trục của 3 loại xe chuẩn 3 (a), 3S2 (b) và 3-3 (c)
Chỉ đánh giá tải trọng hợp pháp khi đánh giá HL93 có hệ số đánh giá RF < 1 ở cấp độ OR. Nếu đánh giá theo tải trọng hợp pháp có RF ≥ 1 cũng không cần cắm biển hạn chế tải trọng và cho phép đánh giá tải trọng cấp phép vì chỉ có cầu đạt đánh giá tải trọng hợp pháp mới cho phép vƣợt tải. Nếu đánh giá theo tải trọng hợp pháp có 0,3 ≤ RF < 1 thì phải tính toán cắm biển hạn chế tải trọng. Nếu đánh giá theo tải trọng hợp pháp có RF < 0,3 thì phải dừng khai thác cầu.
+ Đánh giá theo tải trọng cấp phép:
Công việc này chỉ đƣợc thực hiện khi đánh giá theo HL93 có RF ≥1 hoặc đánh giá theo tải trọng hợp pháp có RF ≥ 1 .
- Mọi cầu đã cắm biển hạn chế tải trọng không đánh giá tải trọng cấp phép.
- Trình tự đánh giá đƣợc thể hiện trên sơ đồ sau:
Hình 2. 3 Các bước đánh giá tải trọng theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng:
2.1.4 Công thức đánh giá tải trọng:
- Trong đó:
+ RF: Hệ số đánh giá;
+ C: Khả năng chịu lực của bộ phận đánh giá;
+ DL: Hiệu ứng của tĩnh tải;
+ LL: Hiệu ứng của hoạt tải;
+ C – DL: Khả năng chịu hoạt tải của bộ phận đánh giá.
- RF ≥1 bộ phận đánh giá chịu đựng đƣợc hoạt tải kiểm toán; RF < 1bộ phận đánh giá không làm việc được dưới tác dụng của tải trọng kiểm toán.
- Xác định khả năng chịu lực C:
+ Trong trạng thái giới hạn cường độ:
với
+ Trong trạng thái giới hạn sử dụng:
+ : Hệ số tình trạng kết cấu lấy theo Bảng 2.1
Bảng 2. 1 Hệ số tình trạng kết cấu Tình trạng của kết cấu
Tốt 1,00
Khá 0,95
Kém 0,85
Nếu các đặc trƣng của mặt cắt thu đƣợc chính xác b ng cách đo đạc tại hiện trường để xác định diện tích mất mát chứ không phải ước lượng theo tỷ lệ phần trăm để đánh giá diện tích mất mát thì hệ số ở trong bảng có thể tăng thêm 0,05 nhƣng không đƣợc lớn hơn 1. Nếu thông tin thu đƣợc không đầy đủ có thể quy đổi từ đánh giá điều kiện kết cấu phần trên, khi hệ số lớn hơn hoặc b ng 6 kết cấu là tốt, 5 là khá, còn b ng hoặc nhỏ hơn 4 là kém.
+ Hệ số hệ thống : hệ số này phản ánh tính dƣ của kết cấu, các kết cấu không có tính dƣ yêu cầu phải có mức độ an toàn cao hơn. Mục đích của hệ số là thêm khả năng dự trữ để độ tin cậy tăng từ xấp xỉ cấp độ OR (cho hệ thống có tính đủ) lên mức độ IR (cho hệ thống có tính dƣ). Có thể lấy hệ số theo Bảng 2.2
Bảng 2. 2 Hệ số hệ thống Loại kết cầu phần trên
Các cấu kiện hàn trong cầu vòm, dàn hai dầm chủ 0,85 Các cấu kiện đinh tán trong cầu vòm, dàn hai dầm chủ 0,90
Cấu kiện có nhiều tai treo trong cầu dàn 0,90
Cầu có 3 dầm chủ với khoảng cách dầm 1,83m 0,85
Cầu có 4 dầm chủ với khoảng cách dầm ≤ 1,22m 0,95
Tất cả các cầu bản và cầu dầm còn lại 1,00
Các dầm ngang với k/cách > 3,66m và các dầm dọc không liên tục 0,85 Các hệ thống dầm dọc phụ có tính dƣ giữa các dầm ngang 1,00
Ghi chú:
Nếu chứng minh đƣợc hệ thống kết cấu đánh giá có tính dƣ thì có thể lấy = 1. Trong một số trường hợp mức độ dư có thể cho phéo lớn hơn 1 nhưng không lớn hơn 1,20.
Có thể xem hệ 3 dầm chủ bất kể khoảng cách dầm bao nhiêu là không có tính dư. Trong trường hợp này có thể lấy = 0,85 cho mối nối hàn; = 0,90 cho mối nối đinh tán.
Với các cầu hẹp 3 hoặc 4 dầm chủ khoảng cách gần nhau, các dầm gần nhƣ chịu tải b ng nhau và không có cường độ dự trữ khi đó có thể lấy = 0,85.
Khi xác định với dầm hộp (1 hoặc lớn hơn) mỗi vách dầm (sườn dầm) có thể xem nhƣ một dầm I.
Các hệ nói chung không thích hợp với lực cắt phá hoại giòn, ở đây có thể
= 1 .
+ Hệ số sức kháng : lấy theo tiêu chu n thiết kế LRFD, các trường hợp thường gặp nhất như trong Bảng 2.3
Bảng 2. 3 Hệ số sức kháng
Loại kết cấu
Kết cấu thép (đối với uốn và cắt) 1,00 Kết cấu BTCT chịu uốn và kéo 0,90 Kết cấu BTDUL chịu uốn và kéo 1,00
Kết cấu BT chịu cắt 0,9
+ R: Sức kháng tiêu chu n của kết cấu lấy theo thiết kế.
+ : Ứng suất cho phép.
2.1.5 Hiệu ứng tải trọng
Nói chung chỉ các tải trọng thường xuyên và hoạt tải được xem xét khi đánh giá tải trọng. Các tải trọng môi trường như gió, nhiệt độ, dòng chảy, động đất thường không được xem xét trừ trường hợp bất thường.
- Xác định hiệu ứng của tĩnh tải DL:
DL = DCDC + DWDW + PP + DC: Hiệu ứng của tĩnh tải các bộ phận;
+ DW: Hiệu ứng của tĩnh tải lớp phủ và các tiện ích;
+ : Hệ số tải trọng của DC, lấy theo Bảng 2.4;
+ : Hệ số tải trọng của DW, lấy theo Bảng 2.4;
+ P: Hiệu ứng của các tải trọng thường xuyên khác ngoài tĩnh tải;
+ P: Hệ số tải trọng của P; P=1. - Xác định hiệu ứng của hoạt tải LL:
LL= L(LL+IM) - Trong đó:
+ L: Hệ số tải trọng của hoạt tải đánh giá, lấy theo Bảng 2.4;
+ LL: Hiệu ứng của hoạt tải đánh giá;
+ IM: Lực xung kích của hoạt tải.
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 các 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 + 0,25 = 1,25
CÁC TTGH VÀ HỆ SỐ TẢI TRỌNG DÙNG TRONG ĐÁNH GIÁ TẢI TRỌNG Bảng 2. 4 Hệ số tải trọng dùng trong đánh giá tải trọng
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 2.5
Cường độ II 1,25 1,50 - -
Sử dụng II 1,00 1,00 1,30 1,00
Mỏi 0,00 0,00 0,75 -
BTCT Cường độ I 1,25 1,50 1,75 1,35 Bảng 2.5
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 2.5
Cường độ II 1,25 1,50 - -
Sử dụng III 1,00 1,00 0,80 - 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 toán và lưu thông giao thông qua cầu (riêng hệ số tải trọng của tĩnh tải đƣợc quy định giống SHTO LRFD). Theo đó, hệ số tải trọng của hoạt tải được quy định phụ thuộc vào nhiều yếu tố như là trạng thái giới hạn, lưu lượng xe chạy, các loại cầu khác nhau, tính chất tác dụng của tải trọng, và đƣợc thể hiện qua bảng 2.5.
Bảng 2. 5 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