mmm
600 mm Nói chung
300mm Mút thừa của mặt cầu
Làn thiết kế 3600 mm
Hình 2 thể hiện xe tải thiết kế. Khoảng cách trục thay đổi giữa các tải trọng 145 kN đợc điều chỉnh để tạo điều kiện tới hạn cho thiết kế mỗi vị trí của kết cấu. Theo hớng ngang xe tải thiết kế rộng 3m và có thể đặt vào vị trí bất kỳ trong làn xe tiêu chuẩn rộng 3,5m. Tuy nhiên tải trọng bánh xe không đợc đặt ở vị trí gần hơn 0,6m kể từ tim làn, hoặc 0.3m kể từ mặt của bó vỉa, thanh barie hoặc lan can.
Xe hai trục thiết kế gồm có hai trục 110 kN cách nhau 1,2 m kể từ tâm nh thể hiện ở Hình 3(b). Tải trọng làn xe thiết kế AASHTO bằng 9,3 N/mm và ngang với một đoàn xe tải nh thể hiện trong Hình 3 (a),(b) và (c). Tơng tự tải trọng xe tải, tải trọng làn xe trải ra trên một diện tích với chiều rộng 3m trên làn tiêu chuẩn 3,5m. Tải trọng làn xe không bị gián đoạn, trừ khi tạo thành hiệu ứng lực cực trị nh trong tải trọng “vệt” của các nhịp xen kẽ nhau. Chỉ có các trục tham gia tạo ra cực trị mới đợc tính.
Khi kiểm tra phản lực cực trị tại một trụ phía trong hoặc mômen âm giữa cac điểm chống uốn ở kết cấu phần trên, thì phải đặt hai xe tải thiết kế với khoảng cách 4,3m giữa các trục 145kN trên cầu với khoảng cách tối thiểu 15m kể từ trục sau của xe tải thứ nhất đến trục trớc của xe tải thứ hai nh thể hiện trong Hình 3 (c). Chỉ sử dụng 90% tải trọng xe tải và tải trọng làn xe.
Khi xét các hệ số tải trọng, các hệ số xung kích (các tải trọng động cho phép) và các hệ số làn, thì hiệu ứng của hoạt tải xe (dựa theo AASHTO LRFD tải trọng HL-93) lớn hơn ở trạng thái giới hạn cờng độ so với tải trọng XB80 cũ của Việt nam. Tải trọng XB80 do đó đã bị loại khỏi tiêu chuẩn mới 22TCN-272-01.
Mặt khác, tải trọng HL-93 là quá lớn đối với các cầu nhỏ trên những đờng hẹp,đ- ờng nông thôn ở Việt nam ( đờng cấp IV và cấp thấp hơn),vì loại xe tải lớn không thể hoặc rất khó đi lại đợc trên đờng đó. Do đó, Tiêu chuẩn mới đã đa ra vài phơng án tuỳ chọn để Chủ đầu t sẽ quyết định loại
tải trọng trục xe tải hay xe hai trục cỡ nhẹ hơn - hoặc là bằng 50% hoặc là bằng 65% của trị số cơ bản. Các tải trọng đã giảm này là tơng đơng với trờng hợp xếp tải xe H10 và H13 hiện có của Việt nam.
Hình 3: Các hoạt tải thiết kế Tác động xung kích cho phép
Trong Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD thì tác động xung kích của xe (hệ số xung kích có nghĩa là tăng các lực trục vợt tự trọng khi xe tăng tốc) đợc tăng đến 33%. Trong Tiêu chuẩn 22TCN-272-01 của Việt nam quy định trị số 25%.
Hoạt tải đoàn tầu hoả
Vì đây là Tiêu chuẩn cầu đờng ô-tô, nên các quy định về hoạt tải đoàn tầu hoả trớc đây đã đa vào Tiêu chuẩn ngành 22 TCN 18-1979 nay bị lợc bỏ.
Độ lớn của tải trọng ngời đi bộ là 3 kPa cho cầu đờng ôtô và 4 kPa cho cầu bộ hành và xe đạp đã giảm chút ít so với trị số AASHTO LRFD để thích hợp với điều kiện thực tế của Việt nam.
Tải trọng gió
Việt nam có điều kiện khí hậu về gió rất thay đổi. Vùng trong đất liền điển hình có tốc độ gió tơng đối thấp, còn vùng ven biểnphải chịu bão có thể đặc biệt mạnh ở miền Bắc Việt nam. Các tải trọng gió của Tiêu chuẩn AASHTO LRFD dựa trên tốc độ gió cơ bản 44 m/s nên không phù hợp điều kiện Việt nam, đặc biệt là ở những vùng có gío bão.
Đối với Tiêu chuẩn Việt nam mới 22 TCN-272-01, tốc độ gió cơ bản nhận đợc từ TCVN 2737-1995, thể hiện các dữ liệu về gió tuỳ theo áp lực gió. Chúng đã đợc tính chuyển ngợc lại về tốc độ gió, bằng cách dùng công thức P = 0,0613 V2. Bảng 4 của TCVN 2737-1995 cho các dữ liệu gió của 5 vùng gió từ I đến V. Các vùng gió này đã đợc chấp nhận trong Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN-272-01, ngoại trừ vùng V là vùng giữa biển rộng và vì thế không liên quan đến thiết kế và thi công cầu.
Kết quả là dải các tốc độ gió cơ bản từ 38 m/s cho Vùng gió I ( vùng trên đất liền) đến 59 m/s cho Vùng gió IV (vùng ven biển miền Bắc và ven biển miền Trung). Các dữ liệu từ TCVN 2737 cũng đợc xem xét để lấy hệ số hiệu chỉnh theo chiều cao và địa hình chịu gió. Hệ số hiệu chỉnh này đợc áp dụng vào tốc độ gió cho các Vùng gió tơng ứng để tính ra tốc độ gió thiết kế đối với cầu.
Phơng pháp cơ bản thừa nhận trong 22 TCN-272-01 để tính tải trọng gió lên cầu đã tham khảo từ Tiêu chuẩn thiết kế của Ôxtrâylia “AustRoads” nhiều hơn là từ AASHTO.
Để nhất quán với Tiêu chuẩn thiết kế cầu Việt nam cũ 22 TCN 18-1979, vẫn giữ lại trị số áp lực gió ngang tối thiểu 1,8 kPa Thực ra, điều này làm tăng đôi chút lực gió tính toán đối với cầu ở Vùng gió I, còn các cầu trong ba Vùng gió khác thì nói chung có các lực tính toán bằng hoặc lớn hơn trị số tối thiểu này.
Các quy định về sự mất ổn định khí đàn hồi đã đợc nêu ra trong Tiêu chuẩn với lời cảnh báo về các giới hạn áp dụng của các phơng pháp quy định đối với các kết cấu nhạy cảm với gió (với tỷ lệ chiều dài trên chiều rộng hoặc chiều cao vợt quá 30 ở cầu treo dây văng và dây võng dài)
Các hiệu ứng động đất
Quy trình tính toán các tải trọng động đất đợc dạ theo phơng pháp trong Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD với bản đồ địa chấn Mỹ cho các hệ số gia tốc đợc thay thế bằng bản đồ gia tốc địa chấn tơng đơng của Việt nam (Hình 4).
Quy trình xét đến những biến số sau đây:
• Cấp quan trọng của cầu dựa trên những yêu cầu về cấp cứu và an toàn
• Vùng xảy ra động đất dựa trên các hệ số gia tốc động đất (Bảng 3)
• Các hiệu ứng vị trí dựa theo các loại đất phổ biến nh sét, cát hoặc đá.
Bảng 3: Các vùng động đất Vùng động đất Cấp MSK-64 Hệ số gia tốc, A 1 Cấp ≤ 6,5 A ≤ 0,09 2 6,5 < Cấp ≤ 7,5 0,09 < A ≤ 0,19 3 7,5< Cấp ≤ 8,0 0,19 < A ≤ 0,29
Quy trình đa ra những yêu cầu phân tích tối thiểu để tính toán lực và các hiệu ứng động đất cho những vùng động đất khác nhau trên cơ sở vùng động đất và cấp hạng quan trọng của cầu. Các phơng pháp phân tích nói đến trong Tiêu chuẩn nh sau:
• Phơng pháp đàn hồi tải trọng trải đều
• Phơng pháp đàn hồi dạng đơn
• Phơng pháp đàn hồi dạng phức
• Phơng pháp lịch sử thời gian
Nhiệt độ
Việt nam có hai vùng khí hậu khác nhau đợc xác định theo TCVN 4088-1985 là miền Bắc và miền Nam vĩ tuyến 160 N (đèo Hải vân), với khoảng biến đổi nhiệt độ không khí từ 0 đến + 450 C ở miền Bắc và từ +5 đến 450 C ở miền Nam, có điều chỉnh bớt 50 C cho trị số nhiệt độ thấp nhất cho vùng núi phía Bắc. Các nhiệt độ cầu tơng ứng đẫ đợc tham khảo của các Tiêu chuẩn AustRoads - Australia và Tiêu chuẩn Anh BS 5400 (mà tiêu chuẩn dựa vào) .
Đối với gradien nhiệt, một sự phân bố nhiệt đơn giản trên toàn chiều cao của kết cấu nhịp cầu đã đợc chấp nhận. Điều này dựa vào Tiêu chuẩn AASHTO LRFD , mà dạng phân bố nhiệt độ dựa trên quy định của Tiêu chuẩn AustRoads, mà Tiêu chuẩn này lại xuất xứ từ Tiêu chuẩn BS 5400 . Các trị số đợc chọn của mức chênh nhiệt độ là phù hợp với tình hình các vùng khí hậu tơng tự Việt nam ở Hoa kỳ và Australia, và dựa trên trờng hợp dạng kết cấu bất lợi nhất theo điều kiện nhiệt độ, nghĩa là trờng hợp đối với kết cấu bản bê tông trên dầm thép.
Lực va tầu thuyền
Phơng pháp luận của AASHTO về xác định lực va tầu thuyền bao gồm 2 bớc cơ bản:
1- Xác định một hay nhiều tầu thuyền thiết kế, và một hay nhiều tốc độ va thiết kế đối với cầu cụ thể đang đợc thiết kế. Bớc này yêu cầu chẩn đoán xác suất về nguy cơ va chạm ( và cả nguy cơ phá huỷ kết cấu) trên mỗi phần của cầu căn cứ vào mỗi loại cấp tầu thuyền lu thông trên đờng thuỷ dới cầu.
2- Tính toán các tải trọng va tĩnh tơng đơng, dùng các công thức đơn giản rút ra từ thực nghiệm về mối quan hệ giữa trọng tải tầu thuyền, tốc độ va và lực va.
Hình 4: Bản đồ vùng động đất ở Việt nam
Phơng pháp luận này đã đợc phát triển cho các cầu lớn qua những dòng sông thông tầu thuyền nhộn nhịp với các tầu thuỷ cỡ lớn. Và đợc ghi nhận rộng rãi khắp thế giới nh một giải pháp hợp lý nhất cho ứng dụng này.Tuy nhiên, đối với các cầu nhỏ hơn vợt qua các dòng sông ít nhộn nhịp thông tầu thuyền hơn thì bớc đầu tiên- xác định cấp tầu thuyền thiết kế- nói chung là có thể tiến hành một cách thoả mãn mà không cần các nghiên cứu tính toán xác suất. Tuy nhiên khuôn khổ AASHTO cơ bản vẫn đợc giữ lại trong Tiêu chuẩn Việt nam với vài cải sửa nhằm đơn giản hoá. Các dữ liệu về đoàn tầu thuỷ đợc phép và thông dụng đã đợc Cục đờng sông Việt nam cung cấp cho Dự án. Chúng đã đợc lấy là cơ sở cho đề xuất về các tầu thuỷ thiết kế của Dự thảo Tiêu chuẩn này.Đó là:
• Nhóm các tầu thuỷ cỡ từ 2000 DWT đợc phép đi trên đờng sông cấp I cho đến cỡ 40 DWT đợc phép đi trên đờng sông Cấp VI và
• Ba loại xà lan không tự hành. cỡ từ 500 DWT đợc phép đi trên đờng sông cấp I và cấp II cho đến cỡ 100 DWT đợc phép đi trên đờng sông Cấp V và Cấp VI Các tàu thiết kế này là tối thiểu đối với cầu đang đợc thiết kế, Dự thảo Tiêu chuẩn mới cũng cho phép tuỳ chọn dùng các tầu thuỷ thiết kế lớn hơn nữa đối với cầu cụ thể đang xét ở địa điểm thích hợp, chẳng hạn nh nơi gần cảng hoặc cửa sông.
Trong hầu hết các trờng hợp, các cầu vợt sông thờng có vài trụ hoặc tất cả các trụ ở ngay cạnh các nhịp thông thuyền. ( Điều này chỉ có thể tránh đợc nếu kết cấu nhịp đủ dài). Các trụ đó cần đợc thiết kế với giả định rằng sẽ bị tầu thuỷ va xô vào do lỗi của ngời lái tầu hoặc do hỏng máy hoặc do nguyên nhân khác. Tiêu chuẩn AASHTO yêu cầu tốc độ va xô thiết kế ‘ phải là tốc độ di chuyển điển hình của tầu thuỷ trong dòng sông dới các điều kiện môi trờng bình thờng’ và khuyến nghị việc giảm tốc độ dòng nớc chảy cũng đợc xét đến. AASHTO cho phép có sự giảm dần tốc độ va xô đối với các trụ ở xa dòng thông thuyền.
Theo triết lý nói trên, trong Tiêu chuẩn đề nghị rằng tốc độ va tầu thiết kế đợc lấy bằng tổng của ‘tốc độ di chuyển điển hình của tầu thuỷ’ tơng ứng và tốc độ trung bình hàng năm của dòng nớc chảy kề bên cạnh trụ cầu., Trị số của ‘tốc độ di chuyển điển hình của tầu thuỷ’ lấy bằng một nửa của tốc độ tối đa của tầu thủy, nhng để đơn giản chỉ dùng 3 tốc độ : một cho tầu tự hành lớn hơn 1000 DWT, một cho tầu tự hành nhỏ hơn 1000 DWT và một cho sà lan kéo.
HọC PHầN BT.05.103 Tiêu chuẩn và quy trình
Tiết 10: Tiêu chuẩn mới của việt nam về thiết kế cầu
(c)
Các chuẩn phân tích và thiết kế
Trong bài trớc ta đã nhận định là các quy trình dùng làm tài liệu hớng dẫn thuận tiện cho các tiêu chuẩn đã đợc thiết lập và mô tả những thực tiễn kỹ thuật thiết kế và thi công đã đợc công nhận để tạo nên những kết cấu công trình an toàn và thích hợp nh cầu hoặc hầm.
Trong bài này, chúng ta dừng lại xem xét các yêu cầu tải trọng thiết kế cầu đợc trình bày trong Tiêu chuẩn thiết kế cầu của Việt nam ban hành gần đây 22 TCN- 272-01, dựa theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu của Mỹ AASHTO LRFD.
Phạm vi và bố cục của Tiêu chuẩn thiết kế cầu mới 22 TCN-272-01
Tiêu chuẩn thiết kế mới đợc dựa trên Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD, lần xuất bản thứ hai (1998) theo hệ đơn vị đo quốc tế SI . Các phần giải thích, tham khảo và các phụ lục trong bản gốc của Tiêu chuẩn AASHTO không đợc đa vào Dự thảo này, nhng bạn đọc nên tham khảo chúng để nhận đợc nhiều thông tin hữu ích trong các tài liệu đó.
Các tài liệu Việt nam hiện hành đợc liệt kê dới đây đã đợc tham khảo hoặc là nguồn gốc của các dữ liệu thể hiện các điều kiện thực tế của Việt nam:
• Tiêu chuẩn về thiết kế cầu 22 TCN 18 - 1979
• Tiêu chuẩn về tải trọng gió TCVN 2737 - 1995
• Tiêu chuẩn về tải trọng do nhiệt TCVN 4088 - 1985
• Tiêu chuẩn về thiết kế chống động đất 22 TCN 221 - 1995
• Tiêu chuẩn về giao thông đờng thuỷ TCVN 5664 – 1992
Các Tiêu chuẩn cấp quốc gia hay cấp tỉnh của một số nớc ngoài nêu dới đây cũng đã đợc dùng để tham khảo:
• Tiêu chuẩn Ôxtrâylia: Tiêu chuẩn thiết kế cầu ô-tô AustRoads 1992
• Tiêu chuẩn Vơng quốc Anh: Tiêu chuẩn BS5400, bản in 1978 và các năm gần đây
• Tiêu chuẩn của tỉnh Ontario, Canada Tiêu chuẩn cầu Ontario, 1991
Bản Dự thảo Tiêu chuẩn thiết kế cầu mới của Việt nam bao gồm các phần sau đây:
• Phần 1 Giới thiệu chung
• Phần 3 Tải trọng và hệ số tải trọng
• Phần 4 Phân tích và đánh giá kết cấu
• Phần 5 Kết cấu bê tông
• Phần 6 Kết cấu thép • Phần 7 lợc bỏ • Phần 8 lợc bỏ • Phần 9 Mặt cầu và hệ mặt cầu • Phần 10 Nền móng • Phần 11 Mố, trụ và tờng chắn
• Phần 12 Kết cấu vùi và áo hầm
• Phần 13 Lan can
• Phần 14 Khe co giãn và gối cầu
Trong suốt nội dung tài liệu này có tham chiếu đến các tài liệu khác đợc soạn thảo đồng thời trong cùng nhóm tài liệu nh “Tiêu chuẩn thiết kế đờng bộ” và “ Tiêu chuẩn thi công”. Một số tham chiếu đến “Tiêu chuẩn thi công cầu AASHTO LRFD” và đến các Tiêu chuẩn vật liệu của AASHTO và ASTM đã đợc xét đến. Tiêu chuẩn này vẫn giữ nguyên thuật ngữ ‘Chủ đầu t’ (Owner) liên quan đến những cấp có thẩm quyền quyết định xây dựng, sở hữu và chịu trách nhiệm bảo d- ỡng, duy tu cầu. Thuật ngữ ‘Chủ đầu t’ có thể đợc hiểu là Bộ GTVT hoặc Chính quyền địa phơng hoặc ngay cả một pháp nhân nào đó trong khu vực t nhân. Trong khi hầu hết các yêu cầu của Tiêu chuẩn này là áp dụng cho mọi loại cầu thì có một vài khía cạnh thiết kế yêu cầu phải đựơc quyết định đối với từng cầu cụ thể đang đ- ợc xem xét. Các quyết định này chỉ có thể do Chủ đầu t đa ra. Một ví dụ của điều này là quyết định về các chỉ tiêu lực va xô tàu thuyền trên những cửa sông lớn. Trong toàn bộ nội dung Tiêu chuẩn, các yêu cầu bắt buộc phải thực hiện và các yêu cầu khuyến cáo thực hiện sẽ đợc phân biệt bởi thuật ngữ '' phải'' (shall) thuật ngữ '' nên'' (should) và '' có thể '' (may).
Tóm tắt những yêu cầu của Tiêu chuẩn
Dới đây là tóm tắt những yêu cầu của Tiêu chuẩn 22 TCN-272-01 nêu bật những chỉnh sửa Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD cho phù hợp với