Cơ sở đánh giá khả năng chịu tải cầu cũ [3]

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH HIỆU ỨNG TẢI TRỌNG

2.4. Cơ sở đánh giá khả năng chịu tải cầu cũ [3]

Trình tự đánh giá khả năng chịu tải của cầu theo phương pháp hệ số sức kháng và hệ số tải trọng trong MBE-2011 thể hiện ở Hình 2.16.

Hình 2.15: Sơ đồ khối chương trình LLPR-1 dự báo hiệu ứng hoạt tải qua nhịp cầu giản đơn từ dữ liệu cân động [2]

Bắt đầu

+ Nhập đường dẫn đến file chứa dữ liệu các xe tải từ cân động.

+ Nhập chiều dài các nhịp cần phân tích

+ Nhập đường dẫn tên file lưu dữ liệu

phân tích

I = 1

+ Khởi tạo file dữ liệu mô hình cho SAP2000 + Gọi SAP2000 phân tích mô hình

+ Lấy kết quả trả ra sheet Excel

I= i + 1 i  số nhịp

Kết thúc

Hình 2.16: Lưu đồ đánh giá cầu theo AASHTO LRFR (MBE-2011)

 Như vậy, đối với các cầu có RF ≥ 1 khi kiểm tra với hoạt tải HL-93 coi như thỏa mãn chịu lực với tất cả các hoạt tải hợp pháp của AASHTO (Type 3S2, Type 3-3) cũng như với các hoạt tải hợp pháp của từng Bang.

 Đối với các cầu không thoả mãn khả năng chịu tải tối đa theo HL-93 (có RF <1)

sẽ được đánh giá khả năng chịu tải theo các hoạt tải hợp pháp của AASHTO hoặc của từng Bang. Nếu cầu không thoả mãn khả năng chịu tải đối với các loại hoạt tải hợp pháp của AASHTO hoặc của từng Bang thì có thể tiến hành đánh giá mức chi tiết hơn như dùng phương pháp phân tích kết cấu chính xác hơn, thử tải trọng, sử dụng các hệ số xác định theo số liệu hiện trường, đánh giá độ an toàn trực tiếp. Nếu vẫn cho hệ số chịu tải RF<1 thì phải có biện pháp hạn chế tải trọng hoặc cải tạo gia cường cầu.

Khả năng chịu tải của cầu theo LRFR được tính toán như sau:

) (

W -

DC DW P

IM LL

P D

RF C

L DC





   







 (2. 19)

Trong đó:

RF - hệ số khả năng chịu hoạt tải của cầu.

DC- Hiệu ứng lực của tĩnh tải bản thân kết cấu và tiện ích đính kèm.

DW- Hiệu ứng lực của tĩnh tải do trọng lượng lớp phủ mặt cầu.

P- Hiệu ứng lực của các loại tải trọng thường xuyên khác với tĩnh tải DC.

LL – Hiệu ứng lực của hoạt tải.

IM - hệ số xung kích.

DC- DW hệ số tải trọng của tĩnh tải và các lớp mặt cầu theo qui định tiêu chuẩn LRFD.

P – Hệ số tải trọng lâu dài khác với tĩnh tải.

L - hệ số tải trọng của hoạt tải đánh giá.

C – Khả năng chịu tải

C=c. s. .Rn : khi tính toán với trạng thái giới hạn cường độ C=fR: khi tính toán đối với trạng thái giới hạn khai thác Rn: sức kháng danh định (xác định theo kết quả kiểm định).

fR: ứng suất cho phép theo quy trình thiết kế LRFD

: hệ số sức kháng

c . s ≥ 0.85

c : hệ số hiện trạng của kết cấu xét đến sự không chắc chắn của các cấu kiện bị

xuống cấp trong khoảng thời gian giữa các lần kiểm định.

Kết cấu có hiện trạng tốt: c = 1

Kết cấu có hiện trạng trung bình: c = 0,95 Kết cấu có hiện trạng xấu: c = 0.85

s : hệ số nhằm xét đến tính dẻo và tính dư của kết cấu nhịp có giá trị từ 0.85-1.

Xem chi tiết ở bảng 6A.4.2.4-1-MBE 2011.

Đánh giá tải trọng thực hiện cho mỗi TTGH và hiệu ứng lực (momen, lực cắt, ứng

suất,..). Hệ số tải trọng thấp nhất là hệ số chịu tải toàn cầu.

Các cấu kiện chịu lực tổ hợp phải được đánh giá xét đên sự tương tác các hiệu ứng lực (tương tác lực dọc- lực uốn hoặc cắt-uốn). Xem chi tiết ở phụ lục G6A, H6A của MBE-2011.

Các hiệu ứng thứ cấp do lực ứng suất trước trong các nhịp liên tục xem như hiệu ứng lực lâu dài ( hiệu ứng lực P).

Hệ số xung kích cho hoạt tải đánh giá là bài toán phức tạp, nó phụ thuộc điều kiện mặt cầu và các đặc trưng động học của cầu và mặt cầu. Giá trị điển hình của IM là 33%, với các cầu nhịp từ 40 ft và mặt cầu ít hư hỏng có thể giảm hệ số IM xuống như sau:

+ Chuyển tiếp nhẹ nhàng từ bản dẫn, mặt cầu và các khe nối : IM=10%

+ Mặt cầu ít gồ ghề: IM=20%

Hệ số xung kích IM có thể xác định thông qua thí nghiệm hiện trường. Các cầu mảnh và dài dể dây xung động lớn thì yêu cầu phải thử tải khi đánh giá.

Hệ số tải trọng của tỉnh tải và hoạt tải HL93 theo quy định của AASHTO LRFR tuỳ thuộc vào trạng thái giới hạn tính toán và lưu thông qua cầu. Chi tiết các hệ số tải trọng theo TTGH và mức đánh giá xem Bảng 2.1.

Bảng 2.1: Các TTGH và hệ số tải trọng cho đánh giá khả năng chịu tải cầu (MBE-2011)

Loại cầu

Các trạng thái giới

hạn *

Tĩnh tải Tĩnh tải

Hoạt tải thiết kế HL93

Hoạt tải hợp lệ

Hoạt tải cấp phép

DC DW Thống

kê

Khai

thác LL LL

Thép

Cường độ I 1.25 1.5 1.75 1.35

Bảng 2.2 và bảng

2.3

- Cường độ

II 1.25 1.5 - - - Bảng 2.4

Sử dụng II 1 1 1.3 1 1.3 1

Mỏi 0 0 0.75 - -

BTCT

Cường độ I 1.25 1.5 1.75 1.35

Bảng 2.2 và bảng

2.3

- Cường độ

II 1.25 1.5 - - Bảng 2.4

Sử dụng II 1 1 - - 1

BTCT ứng suất trước

Cường độ I 1.25 1.5 1.75 1.35

Bảng 2.2 và bảng

2.3

- Cường độ

II 1.25 1.5 - - - Bảng 2.4

Sử dụng III 1 1 0.8 - 1 -

Sử dụng I 1 1 - - - 1

Gỗ

Cường độ I 1.25 1.5 1.75 1.35

Bảng 2.2 và bảng

2.3

- Cường độ

II 1.25 1.5 - - Bảng 2.4

* Các TTGH xác định theo tiêu chuẩn AASHTO-LRFD Ghi chú bảng 2.1:

 Các ô chữ bóng và gạch chân là kiểm tra tùy chọn.

 TTGH sử dụng I dùng kiểm tra giới hạn ứng suất 0.9Fy trong cốt thép

 Hệ số tải trọng cho DW ở TTGH cường độ có thể lấy 1.25 khi chiều dày xác định qua đo đạc tại hiện trường.

 TTGH mỏi dùng xe tải thiết kế mỏi theo tiêu chuẩn LRFD.

Đánh giá các tải trọng hợp pháp

Các mô hình tải trọng hợp pháp được nghiên cứu và đề xuất cho mục đính đánh giá và cắm biển tải trọng cầu. Các mô hình tải trọng hợp pháp cho đánh giá cầu phải bao tất cả hiệu ứng các loại xe tải hợp pháp lưu thông trên cầu và phù hợp với qui tắc về giới hạn tải trọng lưu hành.

Trên cơ sở nghiên cứu từ dữ liệu giao thông khảo sát được, Hoa kỳ đã đưa ra các mô hình tải trọng hợp pháp cho đánh giá cầu là Loại 3, Loại 3S2, Loại 3-3 đại diện cho các loại xe tải thân liền, xe bán Sơmi-roomoc và xe đầu kéo-rơmooc.

Các nghiên cứu cập nhật dữ liệu giao thông qua cân động WIM gần đây đã đề xuất thêm các mô hình tải hợp pháp cho các loại xe đầu kéo đặc biệt như:

SU4,SU5,SU6,SU7 và mô hình tải danh định NRL đại điện cho các xe đầu kéo đặc biệt.

Khi cầu không đủ khả năng chịu tải thiết kế thì tiếp tục đánh giá cho các tải trọng hợp pháp để xác định sự cần thiết phải đặt biển báo giới hạn tải trọng hoặc gia cường cầu. Đánh giá tải trọng cho các tải hợp pháp của AASHTO hoặc của các Bang có sử dụng các tiêu chí an toàn và khả năng sử dụng. Một khả năng chịu tải an toàn cho một cấu hình xe hợp pháp tương ứng.

Đối với các tuyến giao thông thương mại bình thường đánh giá với các mô hình tải trục và tải làn hợp pháp của AASHTO. Giá trị hiệu ứng hoạt tải hợp pháp lấy lớn hơn trong các trường hợp chất tải sau:

 Các xe tải hợp pháp của AASHTO hoặc xe hợp pháp của Bang cho các loại hiệu ứng tải trọng.

 Cho momen âm và phản lực các gối giữa trong kết cấu nhịp liên tục: 1 tải trọng làn 0.2 Kip/feet (với hai xe tải hợp pháp Type 3-3 hoặc tải hợp pháp của Bang nhân với hệ số 0.75.

 Với các nhịp lớn hơn 200 ft (61 m), hiệu ứng tải khống chế bao gồm tải hợp pháp Type 3-3 hoặc tải hợp pháp Bang nhân với 0.75 công với hiệu ứng tải làn 0.2 K/f (1448 kg/m).[2]

Tải làn hợp pháp đại diện cho các loại xe tải thông thường.

Hệ số xung kích chỉ áp dụng cho tải trục hợp pháp AASHTO hoặc tải hợp pháp Bang. Nếu ADTT<=500 có thể không xét tải làn và thay hệ số 0.75 của hiệu ứng tải trục hợp pháp bằng 1.

Với các loại xe đầu kéo đặc biệt (Specialized Hauling Vehicles-SHVs) thì sử dụng tải trọng đánh giá danh định (NRL).

Hiệu ứng tải NRL bao tất cả các cấu hình xe đầu kéo đặc biệt có trọng lượng lên đến 80 kips.

LRFR cung cấp các hệ số tải trọng cho các xe tổng quát đã được hiệu chỉnh để đạt được mức độ tin cậy đồng đều và chấp nhận được. Nó phụ thuộc hiện trạng giao thông tại hiện trường của cầu thông qua trị số ADTT. Hệ số tải trọng các xe tổng quát cho TTGH cường độ I xác định theo bảng 2.3 cho các tuyến đường giao thông thương mại.

Bảng 2.2: Hệ số tải trọng tổng quát cho các tuyến giao thông thương mại Lưu lượng giao thông

(một hướng)

Hệ số tải trọng cho xe hợp pháp Type 3, Type 3S2, Type 3-3

Không biết 1.8

ADTT>=5000 1.8

ADTT>=1000 1.65

ADTT<=100 1.4

Hệ số tải trọng tổng quát cho các loại xe đầu kéo đặc biệt xác định theo bảng 2.3.

Nếu theo đánh giá của kỹ sư cần tăng hệ số tải trọng để xét đến các điều kiện hoặc các tình huống chưa tính đến trong MBE-2011 khi xác định tải trọng hợp pháp thì có thể tăng lên nhưng không vượt quá 1.3 lần trị số cho trong bảng 2.3.

Bảng 2.3: Hệ số tải trọng tổng quát cho các tải đầu kéo đặc biệt Lưu lượng giao thông

(một hướng)

Hệ số tải trọng cho tải NRL, SU4,SU5,SU6,SU7

Không biết 1.6

ADTT>=5000 1.6

ADTT>=1000 1.4

ADTT<=100 1.15

Đánh giá cấp phép

Các chủ sở hữu cầu thường thiết lập các thủ tục và qui tắc để cấp phép cho các loại xe có trọng lượng vượt giới hạn hợp pháp. Hầu hết các nước, trong thủ tục cấp phép bao gồm các mô tả tính năng xe, tải trọng và tuyến đường được cấp phép.

Giấy phép do các Bang cấp cho một chuyên đi duy nhất, cho nhiều chuyến hoặc cho cả năm. Giấy phép thường xuyên và hàng năm hợp lý cho những chuyến đi không giới hạn trong khoảng thời gian không quá một năm ứng với một cấu hình xe xác định về giới hạn tổng tải trọng toàn bộ và tải trọng các trục. Cấp phép đặc biệt thường hợp lý cho cấp phép một chuyến đơn hoặc giới hạn số chuyến với các cấu hình xe đặc biệt về tổng tải trọng và cấu hình tải trục.

Tùy theo cơ quan cấp phép, có thể cấp phép lưu thông bình thường hoặc phải dùng xe hộ tống để kiểm soát tốc độ, vị trí làn xe, sự tồn tại của các loại xe khác.

Hoạt tải dùng trong đánh giá để quyết định cấp phép là hoạt tải cấp phép thực tế hoặc loại xe gây ra hiệu ứng lực cao nhất trong loại xe cấp phép khi cấp phép duy nhất.

Sử dụng các hệ số tải trọng cấp phép như Bảng 2.4, nó đã được hiệu chuẩn để đạt mức tin cậy đồng đều chấp nhận được.

Bảng 2.4: Hệ số tải trọng tổng quát cho các tải đầu kéo đặc biệt (MBE-2011)

Loại cấp

phép Tần suất Điều kiện tải trọng

Hệ số phân bố tải trọng

DFa

ADTT - một hướng

Hệ số tải trọng ứng với tải trọng cấp

phépb

<=100 kips

>=150 kips Thường

xuyên hoặc hàng

năm

Không giới hạn vượt qua

Giao thông hổn hợp (Các xe khác có thể

trên cầu)

Hai hoặc nhiều làn

>5000 1.8 1.3

1000 1.6 1.2

<100 1.4 1.1 Tất cả trọng lượng

Cấp phép đặc biệt hoặc giới hạn vượt

qua

một chuyến duy nhất

Có hộ tống và không có xe khác trên cầu

một làn N/A 1.15

một chuyến duy nhất

Giao thông hổn hợp (Các xe khác có thể

trên cầu)

một làn

>5000 1.5

1000 1.4

<100 1.35 Nhiều

chuyến (<

100 lần vượt qua)

Giao thông hổn hợp (Các xe khác có thể

trên cầu)

một làn

>5000 1.85

1000 1.75

<100 1.55

DF= Hệ số phân bố tải trọng LRFD. Khi dùng một làn thì chia cho hệ số làn xe.

Khi cấp phép thường xuyên cho tải từ 100 kips-150 kips thì nội suy hệ số tải

trọng.

Hệ số xung kích cho tải trọng cấp phép lấy giống tải trọng hợp pháp. Khi di chuyển chậm vận tốc <10 m/h thì không xét hệ số xung kích.

Đối với các nhịp cầu liên tục, các tải trục nặng gần nhau có thể gây ra lực nhổ ở

đầu dầm (gây vồng đầu dầm). Khi đánh giá cấp phép phải xem xét vấn đề này.

Hạn chế tải trọng khai thác của cầu

Khi tải trọng hợp lệ tối đa theo luật liên bang vượt quá khả năng chịu tải an toàn của cầu thì yêu cầu cắm biển giới hạn tải trọng. Có một số khác nhau về kiểu biển báo hiệu tải trọng cầu giữa các bang, hầu hết các bang sử dụng biển báo giới hạn trọng lượng xe đơn hoặc tổ hợp 3 xe. Trong nhiều trường hợp biển báo tải trọng tuân theo hướng dẫn thống nhất về thiết bị điều khiển giao thông.

Hoạt tải dùng xem xét cắm biển có thể là tải trọng hợp lệ điển hình của AASHTO như dưới đây hoặc tải trọng hợp lệ của Bang.

 Loại 3, loại 3S2, loại 3-3 hoặc tải làn cho các xe đơn thông thường và các xe tổ

hợp thương mại hoặc

 Xe đơn kiểu SU4, kiểu SU5, SU6 hoặc SU7 cho các xe đầu kéo đặc biệt.

Hệ số đánh giá RF của các tải trọng AASHTO và tải trọng kiểu làn dùng để tính toán tải trọng cắm biển an toàn cho xe đơn và xe tổ hợp.

Việc quyết định tải trọng cắm biển của một cây cầu do Chủ đầu tư cầu căn cứ theo các thủ tục tổng quát trong tài liệu MBE-2011 (Manual for Bridge Evaluation, 2011) và các hướng dẫn thực hành của chủ đầu tư cầu. Hướng dẫn sau đây hổ trợ cho các cơ quan chức năng lập giới hạn tải trọng cắm biển.

Khi hệ số đánh giá RF tính toán cho mỗi tải trọng hợp lệ đều lớn hơn 1 thì cầu không cần cắm biển. Khi có bất kỳ tải trọng hợp lệ nào có RF từ 0.3 đến 1 thì dùng công thức sau tính toán tải trọng cắm biển an toàn cho loại xe đó.

Tải trọng cắm biển an toàn = (W/0.7) (RF – 0.3) (2.20) Trong đó:

W: trọng lượng xe dùng trong đánh giá cầu.

RF: hệ số khả năng chịu tải đối với tải trọng đánh giá.

Khi RF của bất kỳ loại xe nào nhỏ hơn 0.3 thì loại xe này không nên cho qua cầu.

Khi RF của tất cả các loại xe AASHTO hợp lệ nhỏ hơn 0.3 thì nên xem xét đóng cầu.

Khi RF có giá trị khống chế bởi tải trọng làn thì giá trị của W trong công thức (2.

20) lấy bằng 80 kips (36.3 T).

Xe loại 3

Xe loại 3S2

Xe loại 3-3

Hình 2.17: Các mô hình tải trọng trục hợp pháp của AASHTO Error! Reference source not found.

a) Mô hình hoạt tải hợp pháp khi chiều dài nhịp trên 61 m (0.75* tải trục+ tải làn 2.9kN/m)

Hình 2.18: Các mô hình tải trọng trục pháp cho nhịp dài và moomen âm dầm liên tục

P1=71.2 kN P2=75.6 kN P3=75.6 kN

4.6 m 1.2 m

P1=44.5 kN P2=68.9 kN P3=68.9 kN P4=68.9 kN P5=68.9 kN

3.4 m 1.2 m 3.4 m 1.2 m

P1=53.4 kN P2=53.4 kN P3=53.4 kN P4=71.2 kN P5=62.3 kN P6=62.3 kN

4.6 m 1.2 m 4.6 m 4.6 m 1.2 m

b) Mô hình hoạt tải hợp pháp cho mô men âm và phản lực trụ giữa (0.75* hai tải trục+ tải làn 2.9 KN/m)

V’ = 1.83- 4.27m L(chiều rộng giữa 2 trục ) = 1.83m

Hình 2.19: Tải trọng đánh giá danh định cho các loại đầu kéo đặc biệt phù hợp công thức cầu. (NRL)

Hình 2.20: Tải trọng cắm biển cầu cho các loại xe đầu kéo đặc biệt phù hợp với công thức cầu liên bang.

V' 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2

26.7 kN

35.6 kN

75.6 kN 35.6

kN

35.6 kN 35.6

kN 35.6

kN 75.6

kN

1.2 1.2

3.0

53.4 kN

35.6 kN

75.6 kN

75.6 kN

1.2 1.2

3.0

53.4 kN

35.6 kN

75.6 kN

75.6 kN 1.2

35.6 kN

1.2 1.2

3.0

51.2 kN

35.6 kN

75.6 kN

75.6 kN 1.2

35.6 kN

35.6 kN 1.2

1.2 1.2

3.0

51.2 kN

35.6 kN

75.6 kN

75.6 kN 1.2

35.6 kN

35.6 kN 1.2

35.6 kN 1.2

SU4, G=240.2kN

SU5, G=275.8kN

SU6, G=309.2kN

SU7, G=344.7kN