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
Khả năng chịu tải danh nghĩa (C) là giống nhau bất kể mức đánh giá dự kiến.
2.5.4. Tình trạng của các bộ phận cầu :
Cần xem xét tình trạng và mức độ xuống cấp của các cấu kiện kết cấu cầu trong việc tính toán nội lực do tĩnh tải và hoạt tải nếu ta chọn phương pháp đánh giá theo ứng suất. Việc xem xét này cũng cần thiết cho việc tính toán khả năng chịu tải nếu ta dùng mômen hoặc lực trong phương trình đánh giá cơ bản.
Việc đánh giá năng lực chịu tải của một cầu cũ phải dựa vào kết quả khảo sát hiện trường kỹ lưỡng gần đây nhất. Mọi đặc điểm vật lý của cầu có ảnh hưởng đến tình trạng nguyên vẹn của nó cần được kiểm trạ Cần chú ý mọi tiết diện bị hư hỏng hoặc xuống cấp và thu thập đầy đủ các dữ liệu về các khu vực này để đánh giá chính xác tác động của chúng trong phép phân tích. ở nơi thép bị gỉ nặng hay bê tông bị hỏng, cần xác định sự mất mát của tiết diện càng chính xác càng tốt. Kiểm tra xem có tồn tại các chỗ lõm, khía sâu hay các khuyết tật khác không vì chúng có thể tạo ra các khu vực tập trung ứng suất trong bất cứ cấu kiện nàọ Nếu có các khuyết tật đó, phải giảm năng lực chịu tải xuống thấp hơn so với bình thường, hoặc phải tiến hành công tác sửa chữa cần thiết.
2.5.5.Các tải trọng
Trong phần này giới thiệu về các tải trọng dùng trong việc xác định các hiệu ứng tải trọng trong phương trình đánh giá cơ bản.
2.5.5.1. Tĩnh tải (D)
Hiệu ứng của tĩnh tải trong kết cấu phải được tính toán phù hợp với tình trạng hiện tại ở thời điểm phân tích. Trọng lượng đơn vị nhỏ nhất của vật liệu cần dùng trong tính toán ứng suất do tĩnh tải cần phải phù hợp với Quy trình thiết kế AASHTỌ
Đối với những cấu kiện tổ hợp, cần phải xác định rõ phần tĩnh tải tác dụng lên tiết diện không tổ hợp và phần tĩnh tải tác dụng lên tiết diện tổ hợp.
Khi xác định trọng lượng của mặt cầu bê tông cần chú ý cẩn thận vì đã phát hiện sự thay đổi khá lớn về độ dày của bản mặt cầu, đặc biệt trên các cầu xây dựng trước năm 1965.
Giá trị danh định của tĩnh tải phải dựa trên kích thước thể hiện trên bản vẽ có xét đến các dung sai xây dựng bình thường.
Chiều dày lớp phủ gần đúng cần được đo đạc tại thời điểm kiểm trạ
2.5.5.2. Hoạt tải đánh giá
Hoạt tải được sử dụng trong phương trình đánh giá cơ bản phải là xe tải HS20 hoặc tải trọng làn xe như định nghĩa trong Quy trình thiết kế AASHTO và thể hiện trên Hình 2.4
2.5.5.3. Tải trọng bánh xe (Mặt cầu)
Nói chung, ứng suất trong bản mặt cầu sẽ không kiểm soát việc đánh giá phân cấp tải trọng trừ những trường hợp đặc biệt. Việc tính toán mômen uốn trong bản mặt cầu phải phù hợp với Quy trình thiết kế AASHTỌ Tải trọng bánh xe cũng phải phù hợp với Quy trình thiết kế AASHTO hiện hành.
2.5.5.4. Tải trọng xe tải
Hoạt tải hay tải trọng di động cần tác dụng lên mặt cầu để quyết định việc đánh giá phân cấp phải là tải trọng “HS” AASHTO tiêu chuẩn.
Số làn xe được chất tải, và việc bố trí ngang của các vệt bánh xe cần phải tuân thủ Quy trình thiết kế AASHTO hiện hành và quy định sau đây:
v Lòng đường có bề rộng từ 5,5- 6,0 m phải có hai làn thiết kế, mỗi làn bằng một nửa bề rộng của đường. Hoạt tải phải đặt vào giữa những làn nàỵ
v Bề rộng lòng đường nhỏ hơn 5,5 mét chỉ được lưu thông một làn xẹ
Có thể xem xét sử dụng số làn xe ít hơn như đã quy định bởi AASHTO nếu các điều kiện của dòng giao thông và lưu lượng xe có thể đảm bảo điều
đó.
2.5.5.5. Tải trọng làn xe
Cơ quan quản lý cầu có thể sử dụng tải trọng làn HS AASHTO tiêu chuẩn cho mọi chiều dài nhịp nếu nó có thể gây ra hiệu ứng tải trọng lớn hơn hiệu ứng mà xe tải HS tiêu chuẩn AASHTO gây rạ
2.5.5.6. Tải trọng đường bộ hành
Tải trọng đường bộ hành dùng trong các tính toán để đánh giá phân cấp khả năng chịu tải an toàn phải là tải trọng dự kiến lớn nhất có thể. Do có những khác biệt theo vị trí, việc xác định tải trọng để sử dụng sẽ đòi hỏi sự xem xét kỹ thuật, nhưng trong mọi trường hợp không được vượt quá giá trị quy định trong Quy trình thiết kế AASHTỌ Cần xem xét mức đánh giá Khai thác nếu xe tải chất đầy và hoạt tải trên đưòng bộ hành tác dụng một cách đồng thời trên cầụ
35 kN 145 kN 145 kN
4300 mm 4300 mm tới 900mm
600 mm nói chung
300mm mút thừa của mặt cầu
Làn thiết kế 3600 mm
Hình 2.4 Xe tải HS tiêu chuẩn
TảI PHÂN Bố 953,3 kg TRÊN MéT DàI CủA LàN XE
8,16 T CHO MÔMEN 11,79 T CHO LựC CắT Tải tập trung
Hình 2.5 Tải trọng xe HS 22-44
Trong đó
W = Trọng lượng tổ hợp trên hai trục trước giống như đối với xe tải HS tương ứng
V = Khoảng cách thay đổi - từ 4,3 mét đến 9,1 mét. Khoảng cách nào tạo ra ứng suất lớn nhất sẽ được dùng.
2.5.5.7. Phân bố tải trọng
Những phần hoạt tải truyền xuống một chi tiết đơn cần được lựa chọn theo Quy trình thiết kế AASHTO hiện hành. Những giá trị hoạt tải này thể hiện một tổ hợp khả dĩ của những trường hợp khác nhaụ Lựa chọn này cho phép thay thế các giá trị đo đạc tại hiện trường, các giá trị tính toán bằng cơ học kết cấu, hoặc các giá trị nhận được từ các phương pháp phân tích kết cấu tiên tiến dựa trên các tính chất của kết cấu hiện tạị Tải trọng cần đặt ở những vị trí tạo ra đáp ứng lớn nhất trong bộ phận đang được đánh giá.
2.5.5.8. Xung kích (I)
Lực xung kích phải được cộng vào hoạt tải dùng để đánh giá phân cấp tải trọng theo Quy trình thiết kế AASHTO hiện hành. Tuy nhiên, giá trị xung kích của quy trình cũng có thể giảm bớt nếu các điều kiện về hình dáng cầu, cắm biển hạn chế tốc độ, và các tình huống tương tự đòi hỏi một xe phải giảm đáng kể tốc độ khi đi qua cầụ
2.5.5.9. Độ võng
Các giới hạn về độ võng do hoạt tải không cần phải xét đến khi đánh giá phân cấp tải trọng trừ những trường hợp đặc biệt.
2.5.5.10. Tải trọng dọc cầu
Việc đánh giá phân cấp các cấu kiện cầu nhằm tính đến các hiệu ứng của tải trọng dọc cầu kết hợp với các hiệu ứng của tĩnh tải và hoạt tải phải được thực hiện ở mức Khai thác. Nếu độ ổn định dọc cầu được xem là không đủ thì phải cắm biển hạn chế tốc độ. Ngoài ra, các tải trọng dọc cầu phải được dùng
trong việc đánh giá tính đủ ổn định của các bộ phận kết cấu phần dướị
2.5.5.11. Tải trọng môi trường
Việc đánh giá phân cấp các cấu kiện cầu nhằm tính đến các hiệu ứng của tải trọng môi trường kết hợp với các hiệu ứng của tĩnh tải và hoạt tải phải được thực hiện ở mức Khai thác.
2.5.5.12. Gió