Hiện nay phƣơng pháp đánh giá kết cấu cầu đang đƣợc sử dụng ở Mỹ phổ biến là phƣơng pháp LRFR trên cơ sở phù hợp với phƣơng pháp thiết kế LRFD. Ở châu Âu cũng tƣơng tự nhƣng dùng khái niệm ”Các hệ số riêng phần”. M c dù trong tài liệu hƣớng dẫn thực hành đánh giá cầu MBE-2011 vẫn còn nêu phƣơng pháp đánh giá theo ứng suất cho phép (ASR) và đánh giá theo hệ số tải trọng (LFR), tuy nhiên xu thế hiện nay chuyển sang dùng phƣơng pháp đánh giá LRFR là chính.
Khi đánh giá cầu thƣờng phải xác định khả năng chịu hoạt tải của cầu. Hệ số đánh giá (rating factor) RF thể hiện khả năng chịu hoạt tải của cầu xác định theo công thức tổng quát nhƣ sau:
RF= (Sức kháng cấu kiện (R)- Hiệu ứng lực do t nh tải (DL))/(Hiệu ứng lực do hoạt tải đánh giá cộng xung kích (LL+IM)).
Nếu RF>=1 thì xem nhƣ cấu kiện có khả năng chịu đƣợc hoạt tải đánh giá. Sơ đồ khối tổng quát đánh giá cầu theo phƣơng pháp LRFR nhƣ Hình 2-4.
2.2.2.P ươ trì đá iá c u theo LRFR
Khả năng chịu tải của cầu theo LRFR đƣợc tính toán nhƣ sau:
( ) W - DC DW P IM LL P D C RF L DC (2-13) trong đó:
RF - Hệ số khả năng chịu tải của cầu;
DW- Hiệu ứng của t nh tải lớp phủ m t cầu;
P: - Hiệu ứng của các loại tải trọng thƣờng xuyên khác; LL - Hiệu ứng của hoạt tải đánh giá;
IM: - Hệ số xung kích;
DC, DW - Hệ số tải trọng của t nh tải và các lớp m t cầu theo qui định tiêu chuẩn LRFD;
P – Hệ số tải trọng lâu dài khác với t nh tải;
L - Hệ số tải trọng của hoạt tải đánh giá; C - Khả năng chịu tải của cầu;
C=c. s. .Rn - Khi tính toán với trạng thái giới hạn cƣờng độ; C=fR - Khi tính toán đối với trạng thái giới hạn khai thác; Rn: Sức kháng danh định;
fR -Ứng suất cho phép theo quy trình thiết kế LRFD;
- Hệ số sức kháng;
c . s ≥ 0.85;
c - Hệ số điều kiện làm việc 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 điều kiện làm việc tốt: c = 1
Kết cấu có điều kiện làm việc trung bình: c = 0,95 Kết cấu có điều kiện làm việc xấu: c = 0.85
s - Hệ số nhằm xét đến tính dẻo và tính dƣ của kết cấu nhịp có giá trị từ 0.85- 1. Xem chi tiết ở bảng 6A.4.2.4-1-MBE 2011;
Hệ số xung kích cho hoạt tải đánh giá là bài toán phức tạp, nó phụ thuộc điều kiện m t cầu và các đ c trƣng động học của cầu và m t cầu. Giá trị điển hình của IM là 33%, với các cầu nhịp từ 40 ft (12.2m) và m t cầu ít hƣ hỏng có thể giảm hệ số IM xuống nhƣ sau:
+ Chuyển tiếp nhẹ nhàng từ bản dẫn, m t cầu và các khe nối : IM=10%; + M t cầu ít gồ ghề: IM=20%;
Hệ số xung kích IM có thể xác định thông qua thí nghiệm hiện trƣờng. Các cầu mảnh và dài dể gây rung động lớn thì yêu cầu phải thử tải khi đánh giá.
Hệ số tải trọng của t nh tải và hoạt tải HL93 theo quy định của AASHTO LRFR tuỳ thuộc vào trạng thái giới hạn tính toán và lƣu lƣợng xe cầu. Chi tiết các hệ số tải trọng theo TTGH và mức đánh giá xem ―Table 6A.4.2.2-1—Limit States and Load Factors for Load Rating, MBE-2011‖ [31].
*a cho cấp phép thường xuyên trên đường các ang chấp nhận luật ngoại lệ trọng lượng liên bang. *b cho các tải trọng hợp pháp tu n theo luật trọng lượng liên bang và công thức cầu
2.2.3.Đá iá các t i tr ng hợp pháp
Các mô hình tải trọng hợp pháp đƣợc 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 lƣu thông trên cầu và phù hợp với qui tắc về giới hạn tải trọng lƣu hành [30].
Trên cơ sở nghiên cứu từ dữ liệu giao thông khảo sát đƣợc, Hoa kỳ đã đƣa 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 đ c biệt nhƣ: SU4,SU5,SU6,SU7 và mô hình tải danh định NRL đại điện cho các xe đầu kéo đ c biệt [30,31]. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2-5: Các mô hình tải trọng xe đầu kéo đ c biệt (đơn vị foot, kips)[31] MBE-2011 cung cấp các hệ số tải trọng cho các xe tổng quát đã đƣợc hiệu chỉnh để đạt đƣợc mức độ tin cậy đồng đều và chấp nhận đƣợc. Nó phụ thuộc hiện trạng giao thông tại hiện trƣờng của cầu thông qua trị số ADTT. Hệ số tải trọng các xe
tổng quát cho TTGH cƣờng độ I xác định theo Bảng 2-3 cho các tuyến đƣờng giao thông thƣơng mại.
Bảng 2-3: Hệ số tải trọng tổng quát cho các tuyến giao thông thƣơng mại Lƣu lƣợng giao thông
(một hƣớng) (xe/ngày.đêm)
Hệ số tải trọng cho xe hợp pháp Loại 3, Loại 3S2, Loại 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 đ c biệt (SU) xác định theo Bảng 2-4 . Nếu theo đánh giá của kỹ sƣ cần tăng hệ số tải trọng để xét đến các điều kiện ho c các tình huống chƣa tính đến trong MBE-2011 khi xác định tải trọng hợp pháp thì có thể tăng lên nhƣng không vƣợt quá 1.3 lần trị số cho trong Bảng 2-4.
Bảng 2-4: Hệ số tải trọng tổng quát cho các tải đầu kéo đ c biệt Lƣu lƣợng giao thông
(một hƣớng) (xe/ngày.đêm)
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 2.2.4.Đá iá cấp phép
Các chủ sở hữu cầu thƣờng thiết lập các thủ tục và qui tắc để cấp phép cho các loại xe có trọng lƣợng vƣợt giới hạn hợp pháp. Hầu hết các nƣớc, trong thủ tục cấp phép bao gồm các mô tả tính năng xe, tải trọng và tuyến đƣờng đƣợc cấp phép.
Giấy phép do các Bang cấp cho một chuyến đi duy nhất, cho nhiều chuyến ho c cho cả năm. Giấy phép thƣờng 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 đ c biệt thƣờng hợp lý cho cấp phép một chuyến đơn ho c giới hạn số chuyến với các cấu hình xe đ c biệt về tổng tải trọng và cấu hình tải trục.
Tùy theo cơ quan cấp phép, có thể cấp phép lƣu thông bình thƣờng ho c 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 ho c 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 ―Table 6A.4.5.4.2a-1—Permit Load
Factors-MBE- 2011‖ nó đã đƣợc hiệu chuẩn để đạt mức độ tin cậy đồng đều chấp
nhận đƣợc.
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 n ng 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.
2.2.5.H n ch t i tr ng khai thác c a c u
Khi tải trọng hợp pháp tối đa theo qui tắc giới hạn tải trọng lƣu hành vƣợt quá khả năng chịu tải an toàn của cầu thì yêu cầu cắm biển giới hạn tải trọng.
Hoạt tải dùng xem xét cắm biển có thể là tải trọng hợp pháp điển hình của AASHTO nhƣ dƣới đây ho c tải trọng hợp pháp của Bang.
+ Loại 3, loại 3S2, loại 3-3 ho c tải làn cho các xe đơn thông thƣờng và các xe tổ hợp thƣơng mại ho c
+ Xe đơn kiểu SU4, kiểu SU5,SU6 ho c SU7 cho các xe đầu kéo đ c biệt. Việc quyết định tải trọng cắm biển của một cây cầu do Chủ đầu tƣ cầu căn cứ theo các thủ tục tổng quát trong tài liệu MBE-2011 và các hƣớng dẫn thực hành của chủ đầu tƣ cầu.
Khi hệ số đánh giá RF tính toán cho mỗi tải trọng hợp pháp 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) (2-14) W: trọng lƣợng xe dùng trong đánh giá cầu.
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. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.2.6.Đá iá c u thép theo TTGH mỏi.
Có hai phƣơng pháp phổ biến để đánh giá hƣ hỏng mỏi và dự báo tuổi thọ kết cấu cầu. Phƣơng pháp thứ nhất là phƣơng đƣờng cong mỏi S-N truyền thống, trong đó quan hệ giữa khoảng biên độ ứng suất hằng số S và số vòng l p tải trọng gây phá hủy N đƣợc xác định bằng các thí nghiệm mỏi phù hợp. Lý thuyết hƣ hỏng tuyến tính Palmgren-Miner cũng đƣợc gọi là nguyên tắc Miner (1945) đƣợc mở rộng cho các tải có biên độ thay đổi. Phƣơng pháp thứ hai là phƣơng pháp cơ học phá hủy. Phƣơng pháp này diễn tả mối liên hệ giữa chiều dài của vết nứt kỹ thuật và một ứng suất ngƣỡng mà dƣới tác dụng của ứng suất vƣợt ngƣỡng này có sự phá hủy xảy ra.
Phƣơng pháp đƣờng cong S-N sử dụng cho giai đoạn thiết kế và đánh giá sơ bộ tuổi thọ mỏi và phƣơng pháp cơ học phá hũy dùng đánh giá chi tiết tuổi thọ mỏi còn lại căn cứ trên vết nứt ho c để quyết định đƣa ra các chiến lƣợt kiểm định/bảo trì cầu hiệu quả (JSC, 2008 [40]).
Đã có nhiều khảo sát và áp dụng đánh giá hƣ hỏng và dự báo tuổi thọ mỏi của cầu theo phƣơng pháp đƣờng cong S-N truyền thống (Moes và đồng nghiệp -1987; Peil và đồng nghiệp-2001,…) và bằng phƣơng pháp cơ học phá hũy (Fisher 1984; Zhao và Haldar 1996; Luckic và Cremona 2001). Một số tiêu chuẩn (BSI 1980; AASHTO 1990; CEN 1992) chấp nhận phƣơng pháp truyền thống S-N cho thiết kế và đánh giá mỏi cầu thép. Theo các tiêu chuẩn này dự báo tuổi thọ mỏi của kết cấu chịu tải ngẫu nghiên là xác định liên quan giữa tuổi thọ mỏi, phổ ứng suất và khả năng chịu đựng của vật liệu. Sức chịu đựng của vật liệu cho trên đƣờng cong S-N ứng với cƣờng độ tải hằng số. Nói chung phổ ứng suất là chƣa biết và cần xác định bằng tính toán mô phỏng ho c đo đạc thực nghiệm. Trong quá trình dự báo tuổi thọ mỏi phổ ứng suất thu đƣợc bằng việc tách các vòng ứng suất từ lịch sử ứng suất theo thời gian bằng một phƣơng pháp đếm thích hợp.
Tiếp theo chọn qui luật hƣ hỏng tích lũy do mỏi phù hợp để tính toán hƣ hỏng mỏi do các cấp ứng suất riêng. Tổng hƣ hỏng mỏi bằng tổng hƣ hỏng do các cấp ứng suất riêng. Một trong những phƣơng pháp đƣợc sử dụng rộng rãi nhất là nguyên lý hƣ
hỏng tích lũy tuyến tính do mỏi của Miner và phƣơng pháp đếm vòng ứng suất theo dòng mƣa (rainflow) để tách các vòng ứng suất từ phổ ứng suất theo thời gian.
Qui trình kiểm toán mỏi và xác định tuổi thọ mỏi theo MBE-2011 theo các bƣớc chính nhƣ sau:
- Ước tính các khoảng ứng suất:
Khoảng ứng suất có hiệu đƣợc ƣớc tính nhƣ sau:
(f)eff= Rs. f (2-15) trong đó:
Rs= Hệ số tải trọng riêng phần cho ƣớc tính khoảng ứng suất, tính bằng Rsa.Rst đƣợc tóm tắt trong bảng 7.2.2.1-1 của MBE-2011 31 trừ phi có chỉ định khác.
f = Khoảng ứng suất có hiệu đo đƣợc ho c 75% khoảng ứng suất tính toán do xe tải mỏi thiết kế đi qua xác định theo tiêu chuẩn thiết kế LRFD mục 3.6.1.4 [9.] ho c xe tải mỏi xác định bởi một xe tải khảo sát ho c qua nghiên cứu số liệu cân động (WIM).
- hoảng ứng suất ước tính từ đo đạc
Khoảng ứng suất hữu hiệu có thể ƣớc tính từ số liệu đo biến dạng hiện trƣờng tại các chi tiết dể bị mỏi dƣới tải trọng giao thông điển hình. Khoảng ứng suất hữu hiệu tính theo công thức sau:
(f)eff= Rs. (ifi3)1/3 (2-16) trong đó:
i= Phần trăm số chu kỳ của khoảng ứng suất riêng biệt.
fi= Khoảng ứng suất riêng biệt.
Rs lấy bằng 0.85 khi đánh giá tuổi thọ mỏi tối thiểu; Rs=1 khi đánh giá tuổi thọ mỏi trung bình.
- ác định các chi tiết dể bị nứt do mỏi:
Các chi tiết của cầu chỉ đƣợc xem xét dể bị hƣ hỏng do vết nứt mỏi theo kinh nghiệm là tại các vùng chịu ứng suất kéo. Do đó hƣ hỏng mỏi chỉ đánh giá tại các chi tiết khi:
2Rs.(f)tension> fdead load-compression (2-17) trong đó:
(f)tension - Ứng suất kéo đã nhân hệ số tải trọng của khoảng ứng suất do xe tải mỏi đi qua.
fdead load-compression - ứng suất nén chƣa nhân hệ số tại chi tiết do t nh tải.
- iểm tra tuổi thọ vô hạn.
Nếu (f)max <= (F)TH (2-18) Thì Y=
trong đó:
(f)max - Khoảng ứng suất lớn nhất xảy ra tại chi tiết dể mỏi, có thể lấy bằng 2.(f)eff.
(F)TH - Hằng số biên độ ngƣỡng mỏi xác định theo tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO- LRFD mục 6.6.1.2.5-3 18.
-Ước tính tuổi thọ mỏi hữu hạn.
Tổng tuổi thọ mỏi hữu hạn của chi tiết dể mỏi theo năm xác định nhƣ sau: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3 ef . 365 ( ) [( ) ] R SL f R A Y n ADTT f (2-19) trong đó:
RR - Hệ số sức kháng cho đánh giá mỏi theo tuổi thọ tối thiểu ho c trung bình cho ở bảng 7.2.5.2-1 MBE-2011.
A - Hằng số danh mục chi tiết cho ở bảng 6.6.1.2.5-1 tiêu chuẩn thiết kế cầu LRFD.
n - Số vòng l p khoảng ứng suất do trên xe tải qua ƣớc tính theo mục 7.5.2.2 (MBE-2011)
(ADTT)SL - Số xe tải trung bình trong một ngày trên một làn đơn trung bình trong tuổi thọ mỏi xác định theo tiêu chuẩn thiết kế cầu LRFD mục 3.6.1.4.2. [18].
-Tính tuổi thọ mỏi còn lại:
Tuổi thọ mỏi còn lại bằng tuổi thọ mỏi hữu hạn xác định ở trên trừ tuổi hiện tại của cầu.
Tài liệu MBE-2011 cũng cho phép ƣớc tính lại tuổi thọ mỏi khi chấp nhận mức độ rủi ro cao hơn ho c thông qua các dữ liệu chính xác hơn nhƣ: khoảng ứng suất
hữu hiệu ho c trọng lƣợng xe tải hữu hiệu; Cƣờng độ xe tải trung bình ngày ho c số vòng l p tải trên 1 xe tải qua cầu.
Ở châu Âu, đánh giá mỏi cầu thép cũ theo nhiều giai đoạn nhƣ sau [40]:
+ Giai đoạn 1 (khảo sát sơ bộ): Sử dụng phân loại chi tiết và đƣờng cong mỏi S-N của cấu kiện.
Hình 2-6: Đánh giá sơ bộ hệ số an toàn mỏi
Hình 2-7: Tính toán hƣ hỏng tích lũy do mỏi
Trong giai đoạn đánh giá sơ bộ sử dụng phƣơng pháp phân loại và đƣờng cong S-N của từng loại chi tiết. Độ an toàn ở TTGH mỏi tính nhƣ sau:
( 2-20) trong đó: µatlà độ an toàn mỏi; Ff là hệ số an toàn riêng phần của khoảng ứng suất hằng số tƣơng tƣơng σE,2; σE,2 là khoảng biên độ ứng suất tƣơng đƣơng ở 2.106