trong đó: a là giá trị tiền định phụ thuộc cấu hình xe tải tiêu chuẩn và chiều dài nhịp; m là biến ngẫu nhiên liên quan đến sự thay đổi hiệu ứng lực của các xe tải ngẫu nhiên và xe tải tiêu chuẩn, nó là hàm phụ thuộc chiều dài nhịp và cấu hình xe tải tiêu chuẩn; H liên quan đến các biến cố quá tải do nhiều xe trên cầu, H là hàm của lƣu lƣợng giao thông và chiều dài nhịp; W95 là giá trị đ c trƣng của tổng tải trọng xe 95% tìm đƣợc từ phân tích dữ liệu cân xe hiện trƣờng. Nghiên cứu này chỉ xét cho hai loại xe tải đ c trƣng là xe thân liền hai trục và xe bán đầu kéo-rơmooc.
Một phƣơng pháp khác đƣợc đề xuất bởi Moses (2001) cho xác định hệ số tải trọng hoạt tải khi đánh giá cầu một làn xe bằng cách chiết giảm từ giá trị tiêu chuẩn 1.8 căn cứ dữ liệu cân động WIM.
>1.3 (1-2)
trong đó: W*20 là trọng lƣợng xe tải tính bằng tấn 20% phía trên của tập mẫu trọng lƣợng các xe tải; σ20 là độ lệch chuẩn 20% phía trên mẫu các xe tải; t(ADTT)phụ thuọc lƣu lƣợng trung bình xe tải ngày (ADTT) từ 4.0 với 100 xe/ngày tới 4.9 với 5000 xe/ngày.
Báo cáo số 368 của chƣơng trình nghiên cứu đƣờng bộ Quốc gia Hoa kỳ (NCHRP Report 368, Nowak 1999) về hiệu chuẩn tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD [35] đã phát triển mô hình hoạt tải dựa trên dữ liệu khảo sát giao thông của Bộ giao thông bang Ontario-Canađa năm 1975 và mô hình sức kháng cũng nhƣ nhiều dữ liệu thống kê về tải trọng, sức kháng cho phân tích và đánh giá độ tin cậy cầu.
Mô hình thống kê cho hiệu ứng hoạt tải có một số giới hạn là dựa trên thống kê số xe tải nhất định (thậm chí là 10000 xe tải) nhƣng cũng rất là nhỏ so với số xe tải n ng có thể qua cầu trong tuổi thọ thiết kế (75 năm) chƣa kể đến các xe tải n ng tránh trạm cân. Hiệu ứng lớn nhất do hoạt tải trong khoảng thời gian dài đƣợc tính toán ngoại suy từ dữ liệu khảo sát xe tải n ng hiện có. Giả định giới hạn tải trọng hợp phápvà lƣu lƣợng xe trong tƣơng tai giống ở hiện tại giống nhƣ các giả định khi phát triển tiêu chuẩn thiết kế cầu bang Ontario. Nghiên cứu ngày sử dụng số liệu 10.000 xe
tải n ng tính cho hai tuần, qua các nhịp giản đơn và hai nhịp bằng nhau; chiều dài nhịp trong khoảng (30ft-200 ft). Kết quả nghiên cứu này đã đƣa ra mô hình tải trọng thiết kế HL93 thay cho mô hình tải trọng cũ HS20. Mô hình hoạt tải thiết kế HL93 đƣợc dùng trong tiêu chuẩn thiết kế cầu LRFD hiện tại (2010) của Hoa Kỳ và 22TCN 272- 05 của Việt Nam .
Các mô hình hoạt tải thiết kế cho các kết cấu nhịp dài từ 200ft-5000ft (61m- 152m) cũng đã đƣợc nghiên cứu và phát triển dựa trên 3 mô hình xe tải 5 trục, xe tải hợp phápvà mô phỏng dòng giao thông từ dữ liệu WIM (Marta Lutomirska,2009) [ 37]. Một số kết quả của luận án này nhƣ sau: Giá trị trung bình của tải phân bố cho các nhịp lớn khoảng 0.5-0.75 kf/ft; các nhịp lớn tải trọng phân bố giảm gần giá trị trung bình hơn, hệ số biến thiên tải trọng (bias factor) của các trạm WIM nghiên cứu không vƣợt quá 1.25 tƣơng tự các nhịp ngắn hơn trong báo cáo NCHRP 368 (Nowak,1999).
Giá trị hệ số xung kích tải trọng 0.33 là quá cao trong các nhịp dài. Tuy nhiên nghiên cứu này cũng chỉ mô phỏng trên chiều dài mang tải giả định để xác định tải trọng rải đều tƣơng đƣơng chứ chƣa xét cụ thể cho các dạng cầu nhịp lớn có các hiệu ứng lực trong các bộ phận phụ thuộc nhiều tham số mô hình tải trọng và sơ đồ hình học hệ thống.
Hầu hết các qui trình thiết kế kết cấu của các nƣớc phát triển hiện nay đều chuyển sang định dạng LRFD (Load and resistance factor Design) trong đó các hệ số cho sức kháng và cho các loại tải trọng đƣợc hiệu chỉnh để độ tin cậy đạt đến độ tin cậy mục tiêu và đồng đều cho các cấu kiện và các TTGH. Độ tin cậy mục tiêu cho thiết kế thƣờng chọn khoảng 3.5, trong khi đó độ tin cậy mục tiêu cho bài toán đánh giá kết cấu hiện hữu chọn khoảng 2.5. Phƣơng trình cơ bản của phƣơng pháp hệ số sức kháng và hệ số tải trọng (các hệ số riêng phần) nhƣ sau (ISO 2394:2012):
(
) (1-3)
Trong đó fki là cƣờng độ đ c trƣng (danh định) của vật liệu thứ i, mi là hệ số riêng phần vật liệu thứ i, Fki là giá trị đại diện cho tải trọng thứ i, fi là hệ số riêng phần cho tải trọng thứ i.
Với mỗi tập hợp các hệ số riêng phần (m1, m2,.. f1, f2) đại điện cho các phần tử kết cấu đƣợc thiết kế. Mỗi phần tử kết cấu sẽ có độ tin cậy lớn hơn ho c nhỏ hơn độ tin cậy mục tiêu βt. Sử dụng chỉ số độ tin cậy β và độ lệch tổng hợp D
∑ ( ) (1-4) Trong đó βk là độ tin cậy phần tử k khi thiết kế dùng hệ số (m1, m2,.. f1, f2), βt là giá trị độ tin cậy mục tiêu của β. Sử dụng tập hợp các hệ số (mi,fi) làm cho D là cực tiểu.
Trong tiêu chuẩn ISO 13822:2010 về cơ sở cho thiết kế và đánh giá kết cấu cũng xác định rõ phƣơng pháp đánh giá kết cấu hiện hữu cần thực hiện theo phƣơng pháp phân tích xác suất thông qua độ tin cậy β. Khi đánh giá kết cấu cũ cần dựa trên các dữ liệu kiểm định kết cấu và thử tải nếu cần. Phƣơng pháp cập nhật phân tích độ tin cậy dựa trên kết quả thử tải cũng đƣợc giới thiệu.
Để đơn giản hóa cho tính toán thiết kế và đánh giá kết cấu cũ các nƣớc thƣờng dựa trên các dữ liệu thống kế đã thu thập đƣợc về sức kháng vật liệu và tải trọng từ thí nghiệm, quan trắc ho c mô phỏng thống kê sau đó hiệu chuẩn để xác định các hệ số sức kháng, hệ số tải trọng đƣa vào cho từng tổ hợp tải trọng từng trạng thái giới hạn để tránh sự phân tích xác suất phức tạp cho các kỹ sƣ thực hành, phƣơng pháp này còn gọi là phƣơng pháp bán xác suất. Định dạng các tiêu chuẩn thiết kế và đánh giá kết cấu hiện nay thƣờng theo kiểu này.
Để đánh giá mỏi cầu thép, sử dụng xe tải mỏi đại diện cho các xe tải sử sử dụng. Trọng lƣợng xe tải có hiệu cho đánh giá mỏi có thể tính toán từ dữ liệu cân động WIM theo công thức W=√∑ với fi là phần trọng lƣợng của khoảng thứ i và Wi là chiều rộng ở giữa khoảng i.
Từ dữ liệu cân động Quốc gia, Moes và đồng nghiệp (1987) đã xác định trọng lƣợng trung bình xe tải mỏi là 54 kip.
-Với bản m t cầu, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tải trọng trục có ảnh hƣởng lớn đến sự hƣ hỏng bản hơn là trọng lƣợng xe nguyên (Batchelor et al., 1978, Kostem et al., 1978, and James et al. 1988).
- Để chẩn đoán sự hƣ hỏng do mỏi cầu dầm BTDUL Overman et al. (1984) đã đề xuất công thức sau:
Log N= 11.0 – 3.5 Log Sr (1-5)
trong đó: N là tuổi thọ mỏi theo số vòng l p; Sr là khoảng ứng suất trong cáp DUL bằng US max-US min (ksi).
Tiêu chuẩn thiết kế mỏi cầu thép đã đƣợc phát triển từ những năm 1970 (Fisher và cộng sự 1970, Fisher và cộng sự 1974), là kết quả nghiên cứu của NHCRP tại đại học Lehigh. Năm 1990 AASHTO ban hành tiêu chuẩn thiết kế mỏi cầu thép từ kết quả nghiên cứu NHCRP -299 (Moses và cộng sự, 1987). Hiệu ứng tải trọng l p đến tuổi thọ mỏi cầu đƣợc diễn tả bằng tuổi thọ còn lại. Điều này có ngh a sự vƣợt ứng suất mỏi cho phép làm giảm tuổi thọ còn lại chứ không phải làm hƣ cầu ngay tức khắc.
1.7.Phân tích các công trình nghiên cứu liên quan ở Việt Nam.
Một số nghiên cứu ở Việt Nam liên quan đến vấn đề đánh giá cầu cũ cũng đã đƣợc thực hiện. Trong luận án “Nghiên cứu tác động của xe tải n ng đến các bộ phận kết cấu nhịp cầu và xác lập chế độ khai thác thích hợp cho hệ thống khai thác cầu đƣờng bộ” của tác giả Trịnh Văn Toàn năm 2009 [5] đã nghiên cứu một số vấn đề sau: Tổng quan về hệ thống cầu đƣờng bộ Việt nam; Hiện trạng hƣ hỏng các bộ phận kết cấu nhịp các cầu trên Quốc lộ 1; Thực trang quá tải trên các tuyến Quốc lộ trên cơ sở thu thập phân tích các dữ liệu đếm xe của các trạm cân t nh năm 1997-1998; Phân tích hƣ hỏng một số bộ phận kết cấu nhịp cầu do tác động của xe tải n ng. Ví dụ tính toán cho một nhịp cầu BTDUL giản đơn và chỉ giới hạn ở tính số vòng l p gây hƣ hỏng mỏi theo lý thuyết tổn thƣơng mỏi tuyến tính của Palgerm-Miner cho các loại xe tải từ 2-6 trục trên cơ sở đó khuyến nghị một số giải pháp quản lý kiểm soát xe tải n ng đang khai thác. Nghiên cứu này chƣa đƣa ra phƣơng pháp khoa học xác định tải trọng khai thác cho phép và nội dung biển hạn chế tải trọng đối với các cầu yếu; sử dụng các số liệu kiểm định hiện trƣờng về kết cấu và phổ tải trọng xe cho đánh giá cầu cũ và xác định tải trọng cho phép khai thác của cầu cũ.
Trong đề tài nghiên cứu KHCN cấp Bộ GTVT năm 2011 mã số: DT114057, chủ nhiệm đề tài Nguyễn Xuân Học mang tên “ Nghiên cứu cơ sở qui định biển báo hạn chế tải trọng xe cơ giới trên các cầu đƣờng bộ Việt nam” [6] cũng đã hệ thống lại một số nội dung nhƣ: Hạn chế tải trọng khai thác cầu đƣờng bộ trên thế giới và Việt Nam hiện hành; cơ sở phƣơng pháp đánh giá cầu theo tiêu chuẩn hiện hành 22TCN
243-98 3, 22TCN 180-78 [7] và tiêu chuẩn đánh giá cầu của Hoa kỳ LRFR-2003, các kết luận của nghiên cứu này là dựa theo phƣơng pháp đánh giá của Mỹ áp dụng cho Việt nam. Nghiên cứu này chƣa đề cập tƣờng minh cách sử dụng các số liệu kiểm định cho đánh giá, các dữ liệu giao thông thực tế ở Việt nam cho đánh giá và vấn đề tuổi thọ còn lại của cầu ảnh hƣởng đến việc xác định tải trọng khai thác cho phép và cắm biển giới hạn tải trọng cũng nhƣ phƣơng pháp phân tích độ tin cậy trực tiếp trong đánh giá cầu.
Các nghiên cứu và bình luận của PGS.TS. Tống Trần Tùng [8] cho rằng sơ đồ tải trọng xe và đoàn xe thiết kế đƣợc qui định trong các tiêu chuẩn thiết kế cầu đều mang tính chất lý thuyết và giả định sao cho việc tính toán thiết kế đƣợc đơn giản nhƣng các cây cầu đƣợc thiết kế và xây dựng phải đáp ứng yêu cầu lƣu hành bình thƣờng cho tất cả các phƣơng tiện giao thông đƣợc chế tạo để làm nhiệm vụ vận tải đƣờng bộ. Việc lấy nguyên xi các trị số tải trọng xe 30 tấn, 25 tấn, 20 tấn, 13 tấn ho c 10 tấn đƣợc qui định trong các tiêu chuẩn thiết kế cầu để qui định tải trọng khai thác và cắm biển hạn chế tải trọng đối với các cầu vừa đƣợc xây dựng và đƣa vào khai thác là không đúng và cần đƣợc chấm dứt. PGS.TS. Tống Trần Tùng cho rằng cách dùng một đoàn xe thử tải rồi căn cứ đƣa ra giá trị biển cắm nhƣ đang thực hiện là chƣa đủ căn cứ khoa học.
Trong [9] cho rằng các phƣơng tiện đã đƣợc Cục Đăng kiểm Việt Nam kiểm tra và cấp giấy chứng nhận kiểm định phƣơng tiện và cấp phép lƣu hành theo Quyết định số 4597/2001/QĐ-BGTVT và Quyết định số 60/2007/QĐ-BGTVT của Bộ trƣởng Bộ Giao thông vận tải đều là các phƣơng tiện đã đƣợc chế tạo để tham gia giao thông trên hệ thống đƣờng bộ. Những phƣơng tiện này không thể là các “xe quá tải” so với khả năng chịu tải của cầu, đƣờng bộ đã đƣợc thiết kế và xây dựng theo các tiêu chuẩn hiện hành (sử dụng hoạt tải thiết kế là H30 - XB 80; H18 - X60; H13 - X60 ho c H10 - X60 cũng nhƣ HL93, HS25 - 44, HS20 - 44, HS15 - 44), chƣa hết tuổi thọ theo qui định, không bị hƣ hại bởi thiên tai ho c các tác động bất thƣờng khác, không bị ảnh hƣởng của bom đạn, đƣợc bảo trì đúng qui định. Tuy nhiên trong bàn luận nêu trên cũng khuyến cáo cần thiết phải kiểm soát các xe chở quá tải so với tải trọng cho phép để hạn chế mức độ gây hƣ hỏng, cầu đƣờng.
Một số kết quả nghiên cứu liên quan của PGS.TS.Trần Đức Nhiệm [10 ] thì các “xe chở quá tải” 10%; 20%; 30% và 95% sẽ gây tổn hại đến tuổi thọ của cây cầu tăng lên 1,5; 2,0; 2,7 và 12,42 lần.
Trong [11] Bùi Xuân Trƣờng, Nguyễn Viết Trung cũng đã tập hợp, phân tích so sánh phƣơng pháp cắm biển giới hạn hiện tại của Việt Nam và Hoa Kỳ, đồng thời kiến nghị thực hiện các nghiên cứu về lƣu hành tải trọng n ng cũng nhƣ thêm biển báo giới hạn tải trọng theo loại xe.
Trong l nh vực chẩn đoán hƣ hỏng kết cấu trên cơ sở phép đo dao động, cũng đã có khá nhiều tác giả nghiên cứu nhƣ: Trong luận án “ Chẩn đoán vết nứt của dầm đàn hồi bằng phƣơng pháp đo dao động” tác giả Trần Thanh Hải [12] xây dựng mô hình mô hình xe chạy trên dầm giản đơn đàn hồi bằng phƣơng pháp PTHH và sử dụng phép biến đổi wavelet đáp ứng của xe di động trên dầm để xác định vị trí vết nứt trong dầm đàn hồi. Phƣơng pháp này cũng là một dạng sử dụng các kết quả quan trắc kết cấu (đáp ứng dao động) cho nhận dạng hƣ hỏng kết cấu trên cơ sở nguyên tắc của bài toán ngƣợc trong cơ học, tuy nhiên để áp dụng cho một mô hình cầu thực có nhiều phần tử chịu tác động ngẫu nhiên của lực kích thích thì vẫn còn khá nhiều khó khăn về độ chính xác dự đoán các hƣ hỏng trên cầu. Phƣơng pháp phân tích các đáp ứng động để chẩn đoán hƣ hỏng cầu chƣa thể thay thế hẳn cho phƣơng pháp kiểm định, đo đạc trực quan trên cầu.
Luận án của NCS Ngô Châu Phƣơng (2014) mang tên “ Phân tích các yếu tố ảnh hƣởng và cơ sở xác định hệ số sức kháng cọc khoan nhồi móng mố trụ cầu ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh “ [13 ] đã đề xuất mô hình xác định hệ số sức kháng và xác định giá trị sức kháng cho loại cọc khoan nhồi khu vực Thành phố Hồ Chí Minh trên áp dụng lý thuyết độ tin cậy và 24 bộ dữ liệu kết quả thử tải cọc khoan nhồi ở khu vực Thành Phố Hồ Chí Minh . Luận án này chƣa đề cập đến định chuẩn hệ số tải trọng giao thông cũng nhƣ phát triển các mô hình tải trọng hợp phápcho đánh giá và cắm biển cầu tại Việt Nam.
1.8.Các vấn đề còn tồn tại
Từ kết quả phân tích các nghiên cứu đã thực hiện liên quan đến vấn đề đánh giá và xác định tải trọng cho phép khai thác cầu trên thế giới và Việt Nam còn tồn tại một số vấn đề sau đây:
- Thiết kế và đánh giá cầu hiện nay chủ yếu là ứng dụng phƣơng pháp bán xác suất. Sự không chắc chắn các tham số đánh giá đƣợc xác định thông qua hệ số tải trọng và hệ số sức kháng . Để xác định các hệ số này cần nhiều dữ liệu nghiên cứu thống kê về sức kháng và tải trọng và qua một quá trình hiệu chuẩn cẩn thận. Các dữ liệu thống kê về sức kháng và tải trọng cần đƣợc cập nhật thƣờng xuyên tùy theo điều kiện từng khu vực và đất nƣớc. Ở Việt Nam hiện chƣa có nhiều dự án nghiên cứu qui mô về l nh vực định chuẩn các hệ số sức kháng và tải trọng phục vụ cho việc biên soạn các tiêu chuẩn thiết kế và đánh giá cầu.
- Bài toán đánh giá cầu cũ chứa đựng nhiều yếu tố không chắc chắn hơn bài toán thiết kế, bởi qui luật suy thoái vật liệu, tính biến động của tải trọng khai thác