v Mở đầu :
Các cấp độ hoạt tải đánh giá được trình bày ở phần nàỵ Đối với chiều dài đặt tải từ 2 m đến 50 m, sử dụng các hoạt tải sau đây :
• Một UDL (thay đổi phụ thuộc chiều dài đặt tải) cùng với một KEL
• Một tải trọng xe đơn trục
• Một tải trọng xe đơn bánh
Đối với chiều dài đặt tải nhỏ hơn 2 m thì sử dụng 2 loại tải trọng saụ Khi chiều dài đặt tải lớn hơn 50 m, tải trọng được sử dụng phải được sự đồng ý của
Cơ quan quản lý.
v Các hoạt tải đánh giá :
Các loại hoạt tải đánh giá bao gồm các xe : 40 tấn, 38 tấn, 25 tấn, 17 tấn, 7.5 tấn, tải trọng động cơ (Fire Egine Loading - FE Loading) và tải trọng 3 tấn.
v Tải trọng UDL và KEL trong loại tải trọng HA :
Đối với chiều dài đặt tải từ 2 m đến 50 m, loại tải trọng HA được đại diện bởi DUL đạt được từ đường cong tải trọng W = 336 (1/L)0.67, trong đó W là UDL tính bằng kN/m của làn xe 3.65 m.
Hình 2.1 Đường cong UDL của loại hoạt tải HA
Bảng 2.4 Tải trọng UDL đối với chiều dài đặt tải từ 2 đến 50 m Chiều dài đặt tải
(m)
Tải trọng KN/m
Chiều dài đặt tải (m) Tải trọng KN/m 2 4 6 8 211.2 132.7 101.2 83.4 28 30 32 34 36.0 34.4 33.0 31.6 W= 336x (1/L) 0.67 (KN/m) 0 50 100 150 200 250 0 10 20 30 40 50 60 Loaded Length L(m) Lo a d W p e r M et re o f l a n e (KN /m)
Chiều dài đặt tải (m)
Tải trọng KN/m
Chiều dài đặt tải (m) Tải trọng KN/m 10 12 14 16 18 20 22 24 26 71.8 63.6 57.3 52.4 48.5 45.1 42.4 40.0 37.9 36 38 40 42 44 46 48 50 30.5 29.4 28.4 27.5 26.6 25.8 25.1 24.4
Tải trọng UDL được xác định trên chiều dài đặt tải tương ứng còn tải trọng KEL sẽ được áp dụng đỗi với mỗi làn xe quy ước trong một phần tương ứng của đường ảnh hưởng.
2.4.4.4. Hệ số triết giảm cho UDL và KEL :
Hệ số chiết giảm K được định nghĩa bằng tỷ số: Hoạt tải đánh giá/Tải trọng loại HẠ
Nếu sử dụng phương pháp phân tích đàn hồi tuyến tính để xác định hiệu ứng tải thì K cũng là tỷ số : Hiệu ứng tải trọng đánh giá/Hiệu ứng của tải trọng loại HẠ Cả 2 thành phần UDL và KEL của tải HA đều được chiết giảm bởi một hệ số Chiết giảm giống nhau cho mỗi trường hợp tải trọng đánh giá, và do đó hiệu ứng của Hoạt tải đánh giá có thể đạt được một cách trực tiếp từ hiệu ứng của loại hoạt tải HA đối với UDL và KEL với chiều dài đặt tải lớn hơn 2 m. Giá trị của hệ số chiết giảm K của UDL và KEL tương ứng với các cấp tải đánh giá được cho trong hình ..
Hình 2.2 Hệ số triết giảm K của tải trọng đánh giá UDL và KEL
2.4.4.5. Tải trọng đơn trục và đơn bánh :
v Giới thiệu chung :
Tải trọng đơn trục và đơn bánh được sử dụng riêng lẽ như một trường hợp tải trọng khác so với UDL và KEL đối với chiều dài đặt tải bé hơn 2m. Tải trọng đơn trục với bề rộng 1.8m hoặc tải trọng 1 bánh xe có thể được đặt lên một làn.
v Tải trọng đơn trục danh định :
bảng 2.5
v Tải trọng đơn trục danh định :
Giá trị của tải trọng đơn trục cho đối với hoạt tải đánh giá được cho trong bảng 2.5
Bảng 2.5 Tải trọng trục xe và bánh xe danh định Hoạt tải đánh giá Tải trong đơn trục
danh định (kN)
Tải trong đơn bánh danh định (kN) 40 tấn 38 tấn 25 tấn 17 tấn 7.5 tấn 3 tấn FE nhóm 1 FE nhóm 2 200 180 180 180 100 50 120 60 100 90 90 90 50 25 60 30
Bảng 2.6 Tải trọng bánh xe ngẫu nhiên danh định Hoạt tải đánh giá W1(kN) W2 (kN) a (m)
40 tấn 38 tấn 25 tấn 17 tấn 7.5 tấn 3 tấn FE nhóm 1 FE nhóm 2 100 90 90 90 50 25 60 30 60 60 40 10 10 - 10 20 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 - 1.5 1.5 Hình 2.3 2.4.4.6. Hiệu ứng ly tâm :
Hiệu ứng thẳng đứng sinh ra từ lực ly tâm khi đường xe chạy nằm trên đường cong bằng được xác định bằng cách điều chỉnh hoạt tải tĩnh, bằng cách sử dụng hệ số hiệu ứng ly tâm sẽ được trình bày ở phần saụ Hiệu ứng ly tâm sẽ được bỏ qua nếu một trong các điều kiện sau đây thoả mãn :
• Chiều dài của nhịp dầm lớn hơn 15 m.
• Cầu có bản mặt bằng BTCT hoặc BTCT ƯST.
2.4.5.Phân tích kết cấu :
2.4.5.1. Phương pháp phân phối :
v Phân tích chung :
Trong việc xác định khả năng chịu tải của cầu, hiệu ứng của tải trọng xe cần phải được đánh giá bằng việc sử dụng một vài dạng phân tích phân phối để xác định tính chất phân phối ngang của dầm.
Trong Tiêu chuẩn này cũng khuyến nghị việc sử dụng một phương pháp thích hợp phụ thuộc vào dạng kết cấu dầm và độ chính xác yêu cầụ
2.4.5.2. Các giả thiết chấp nhận :
Các phương pháp phân tích phải tuân thủ theo các nguyên tắc cơ bản trong BS 5400. Kết cấu phải được mô hình hoá một cách gần với thực tế nhất có thể được. Các phương pháp phân tích đàn hồi được chấp nhận như những giải pháp an toàn cho trạng thái giới hạn cực hạn.
2.4.5.3. Chiều dài nhịp tính toán :
Chiều dài nhịp tính toán được xác định trong BS 5400. Trong trường hợp không có vật lầm cứng gối thì chiều dài nhịp tính toán được lấy bằng khoảng cách giữa các tâm của biểu đồ áp lực gốị Trong trường hợp này cần phải xác định biểu đồ áp lực gối bằng cách quan niệm rằng phản lực được phân bố tuyến tính từ một giá trị lớn nhất tại đầu trước của gối cho tới giá trị bằng không tại phía sau của khu vực gốị Chiều dài của khu vực gối không được lớn hơn một phần tư chiều cao của dầm.
2.4.6.Nhận xét :
- Tiêu chuẩn đã trình bày khá kỹ lưỡng, chi tiết về công tác kiểm tra phục vụ công tác đánh giá chất lượng kết cấu nhịp cầu, bao gồm việc kiểm tra xác định tải trọng (kiểm tra kích thước xác định tĩnh tải, kiểm tra xác định hoạt tải) và kiểm tra xác định sức kháng (kiểm tra kích thước hình học, tính chất vật liệu).
- Việc kiểm tra được thực hiện theo trạng thái sử dụng hoặc trạng thái giới hạn cực hạn.
- Tiêu chuẩn này không quy định việc đánh giá mỏị
- Việc thử tải không bắt buộc mà chỉ để bổ sung cho việc phân tích kết cấu khi cần thiết.
- Việc kiểm tra đánh giá chất lượng kết cấu nhịp theo Tiêu chuẩn Anh là rất chi tiết. Tuy nhiên việc áp dụng để đánh giá các công trình cầu ở nước ta là không thực sự phù hợp vì các công trình cầu ở nước ta chủ yếu được thiết kế theo các tiêu chuẩn Liên Xô cũ (trước đây) và của Hoa Kỳ (trước đây có một thời kỳ chúng ta thiết kế theo tiêu chuẩn AASHTO spec, gần đây và trong thời gian tới chúng ta sẽ sử dụng tiêu chuẩn 22TCN 272- 01(05) mà thực chất là tiêu chuẩn AASHTO).
2.5.Đánh giá cầu BTCT theo AASHTO
2.5.1.Giới thiệu chung :
2.5.1.1. Triết lý của phương pháp đánh giá cầu theo AASHTO
Hiện trạng đánh giá cầu theo AASHTO dựa trên cơ sở của các phương pháp hệ số tải trọng (LFD) và phương pháp hệ số tải trọng LRFD (Load and Resistance Factor Design . Nguyên tắc đánh giá là khả năng chịu tải của bộ phận kết cấu đánh giá (R) phải lớn hơn tổng tác động của tải trọng theo biểu thức sau:
R ≥ QD + QL + ΣQi (2.32) Trong đó:
R : sức kháng của bộ phận kết cấu; QD : hiệu ứng lực do tĩnh tải; QL : hiệu ứng lực do hoạt tải; Qi : hiệu ứng lực do tải trọng thứ i
Phương trình (2.32) được áp dụng cho thiết kế cũng như đánh giá cầụ Khi đánh giá cầu, mục tiêu là cần xác định khả năng cho phép lớn nhất của hoạt tảị Từ phương trình (2.32) ta có thể viết hoạt tải lớn nhất cho phép là:
L d i i
Q ≤ −R Q + Q
∑
(2.33) Sau khi đánh giá phải trả lời được câu hỏi là có cho phép tải trọng xe đánh giá qua cầu hay không, nếu không thì có thể cho phép bao nhiêu phần trăm của tải trọng đó được qua cầụ Để trả lời câu hỏi này người ta đưa ra hệ số đánh giá (rating factor-RF) được xác định bằng tỷ số giữa khả năng chịu hoạt tải và hiệu ứng lực do hoạt tải gây rạ
d i i L R Q Q RF Q − + = ∑
Khi hệ số đánh giá RF ≥ 1 , cầu có khả năng chịu được tác động của xe tải đánh giá.
Khi hệ số đánh giá RF < 1, cầu không thể chịu được tác động của xe tải đánh giá. Và dựa vào giá trị R mà người ta có thể cho phép bao nhiêu phần trăm tải trọng xe đánh giá qua cầụ
2.5.1.2. Các mức đánh giá :
Theo quy định của AASHTO, mỗi cầu đường bộ cần được đánh giá phân cấp tải trọng ở hai mức, mức Kiểm kê và mức Khai thác.
v Mức đánh giá Kiểm kê :
Mức đánh giá Kiểm kê nói chung tương ứng với mức thiết kế thông thường theo ứng suất nhưng phản ánh được tình trạng của vật liệu và cầu hiện tại về mặt xuống cấp và mất mát tiết diện. Đánh giá tải trọng ở mức Kiểm kê cho phép so sánh với khả năng chịu tải của kết cấu mới, do đó tính ra được một hoạt tải có thể tác dụng một cách an toàn lên kết cấu hiện tại trong một khoảng thời gian lâu dàị
v Mức đánh giá Khai thác :
Đánh giá tải trọng ở mức đánh giá Khai thác nói chung miêu tả hoạt tải cho phép tối đa mà kết cấu có thể phải chịụ Việc cho phép số lượng xe không giới hạn chạy qua cầu ở mức Khai thác có thể làm giảm tuổi thọ của cầụ
2.5.1.3. Chỉ số độ tin cậy đánh giá :
Trong đánh giá cần thiết phải đưa ra được một quy trình tính toán để có thể khẳng định được kết cấu đủ độ tin cậy hoặc ngược lại có khả năng bị sự cố. Nhìn chung, phương pháp được sử dụng phổ biến nhất để khẳng định độ an toàn là tính toán chỉ số an toàn hay chỉ số độ tin cậy β. Chỉ số độ tin cậy thường được tính toán dựa trên số dự trữ an toàn hay phương trình trạng thái giới hạn, thường được biểu diễn bằng hàm g. Biểu diễn hàm g dưới dạng số dư độ an toàn như sau:
Trong đó :
R : sức kháng ngẫu nhiên
D : hiệu ứng tải trọng tĩnh ngẫu nhiên; L : hiệu ứng tải trọng động ngẫu nhiên;
Cấu kiện là an toàn nếu g > 0. Vì R, D, L đều là các biến ngẫu nhiên do đó giá trị của g cũng là ngẫu nhiên. Nếu giá trị trung bình của g là lớn và độ lệch liêu chuẩn của g nhỏ, thì chỉ có một khả năng rất nhỏ g giảm xuống giá trị zero hay sự cố có thể xảy rạ Người ta đưa ra mộ chỉ số không thứ nguyên ,
β để đánh giá mức độ an toàn của cấu kiện được biểu diễn bằng : Chỉ số độ an toàn β =
g
g σ
Trong đó : g là giá trị trung bình của g σg : độ lệch tiêu chuẩn của g
Trong phương pháp thiết kế các cấu kiện theo ứng suất làm việc hoặc ứng suất cho phép có các chỉ số độ tin cậy không thống nhất. Do đó, ưu điểm của thiết kế theo LRFD đứng về mặt độ tin cậy là là có chỉ số độ tin cậy không thay đổi với các loại vật liệu, nhịp và hiệu ứng lực khác nhaụ
Việc lựa chọn giá trị độ tin cậy mục tiêu phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Theo Tiêu chuẩn thiết kế Cầu LRFD của AASHTO (AASHTO LRFD Bridge Design Specification) ban hành năm 1998 thì chỉ số độ tin cậy được lấy bằng 3.5 trong khi “Quy trình hướng dẫn đánh giá tình trạng cầu thép và cầu bê tông cũ” của AASHTO (AASHTO Guide Specification for Strength Evaluation of Existing Steel and Concrete Bridges-1989) lại dùng chỉ số độ tin cậy từ 2.3- 2.5, dựa vào cơ sở của việc xác định mức độ đánh giá khai thác theo ứng suất cho phép và hệ số tải trọng.
2.5.2.Các phương pháp đánh giá :
Trong việc đánh giá tải trọng các cấu kiện cầu, AASHTO cung cấp 3 phương pháp kiểm tra khả năng chịu tải của cấu kiện, đó là phương pháp ứng suất Cho phép (ASR), phương pháp Hệ số Tải trọng (LFR) và phương pháp hệ số sức kháng và hệ số tải trọng (LRFR).
2.5.2.1. Đánh giá theo ứng suất cho phép (ƯSCP-ASR) :
Phương pháp ứng suất cho phép hay ứng suất làm việc tạo nên một quy trình truyền thống để đảm bảo độ an toàn kết cấụ Các tải trọng thực tế được tổ hợp để tạo ra ứng suất lớn nhất trong một cấu kiện, nó không được vượt quá ứng suất cho phép hay ứng suất làm việc. ứng suất làm việc tính bằng cách lấy ứng suất giới hạn của vật liệu nhân với một hệ số an toàn thích hợp.
2.5.2.2. Đánh giá theo hệ số tải trọng (HSTT-LFR)
Phương pháp hệ số tải trọng dựa trên sự phân tích một kết cấu chịu nhiều tải trọng thực tế (tải trọng đã được nhân hệ số). Các hệ số khác nhau được áp dụng cho từng loại tải trọng, chúng phản ánh độ bất định cố hữu trong các tính toán về tải trọng. Việc đánh giá phân cấp được tiến hành sao cho ứng suất gây bởi các tải trọng đã nhân hệ số sẽ không vượt quá độ bền của cấu kiện.
2.5.3.Phương trình đánh giá :
2.5.3.1. Khái quát :
Việc đánh giá tải trọng cho kết cấu được xác định theo chỉ số RF tính theo công thức dưới đây:
1 2 (1 ) C A D RF A L I − = + (2.34) Trong đó :
RF = Hệ số đánh giá đối với khả năng chịu hoạt tải khi lấy hệ số đánh giá nhân với trọng lượng xe đánh giá tính bằng tấn sẽ cho kết quả đánh giá của kết cấụ
D = Nội lực do tĩnh tải trên cấu kiện. Đối với các cấu kiện tổ hợp, nội lực do tĩnh tải trên tiết diện thuần nhất và nội lực do tĩnh tải trên tiết diện tổ hợp cần được phân tích khi sử dụng phương pháp ứng suất Cho phép.
L = Nội lực do hoạt tải trên cấu kiện.
I = Hệ số xung kích được dùng với hoạt tảị
A1 = Hệ số cho tĩnh tảị
A2 = Hệ số cho hoạt tảị
Trong phương trình trên, “nội lực do tải trọng” là nội lực của tải trọng làm việc sinh ra trên cấu kiện. Các “nội lực do tải trọng” điển hình sử dụng bởi các kỹ sư gồm có lực dọc trục, lực cắt thẳng đứng, mômen uốn, ứng suất kéo nén, ứng suất cắt và ứng suất uốn. Một khi “nội lực do tải trọng” cần đánh giá đã được người kỹ sư tính toán ra, thì “khả năng chịu tải” của một cấu kiện để chịu nội lực đó sẽ xác định được.
Dùng Hệ số Đánh giá (RF) để xác định tải trọng đánh giá của cấu kiện cầu (tính bằng tấn) như sau:
RT = (RF) W (2.35)
trong đó :
RT = giá trị tải trọng đánh giá của cấu kiện cầu tính bằng tấn
W = trọng lượng (tấn) của xe tải danh nghĩa dùng để xác định hiệu ứng nội lực do hoạt tải (L).
2.5.3.2. Đánh giá theo phương pháp ứng suất cho phép (ASR):
Khi tiến hành đánh giá tải trọng theo phương pháp ứng suất cho phép, lấy
A1 = 1,0 và A2 = 1,0 trong phương trình đánh giá chung (2.34).
Khả năng chịu tải (C) phụ thuộc vào mức đánh giá mong muốn, trong đó dùng giá trị “C” cao hơn đối với mức Khai thác.
2.5.3.3. Đánh giá theo phương pháp hệ số tải trọng (LFR):
Đối với phương pháp hệ số tải trọng, A1 =1,3 còn A2 thay đổi tùy theo mức đánh giá dự kiến. Đối với mức Kiểm kê, A2 = 2,17 và đối với mức Khai thác