nghiên cứu đánh giá và xác định tải trọng cho phép qua cầu trên cơ sở kết quả kiểm định cầu

Trong một thời gian dài trước khi ra đời tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05, công tác đánh giá cầu cũ để cắm biển giới hạn tải trọng ở Việt Nam chủ yếu là kiểm toán lại các đoàn xe thi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGƯỜI HƯỚNG DẪN HOA HỌC:

1 GS.TS Nguyễn Viết Trung- Đại học GTVT

2 TS Đỗ Hữu Thắng- Viện H&CN GTVT

HÀ Nội - năm 2014

Tác giả luận án

Nguyễn Lan

LỜI CÁ N

Luận án thực hiện các phân tích nghiên cứu và thực nghiệm tại Bộ môn Công trình Giao Thông Thành Phố, Khoa Công trình, Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải; Khoa kỹ Kỹ Thuật Xây dựng- Trường Đại Học Quốc Gia Yokohama-Nhật Bản; Khoa Xây dựng Cầu Đường- Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Đà Nẵng dưới sự hướng dẫn tận tình của GS.TS.Nguyễn Viết Trung, TS Đỗ Hữu Thắng và sự giúp đỡ tận tình của GS.TS.Katsuchi, GS.TS.Yamada trong thời gian tác giả thực tập nghiên cứu sinh tại Trường Đại học Quốc Gia Yokohama-Nhật bản hơn 7 tháng

Tác giả xin bày tỏ lòng biết hơn sâu sắc tới GS.TS.Nguyễn Viết Trung và TS.Đỗ Hữu Thắng đã tận tình hướng dẫn khoa học trong quá trình thực hiện luận án

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS.Katsuchi, GS.TS.Yamada, PGS.TS.Nishio tại khoa kỹ thuật xây dựng trường Đại Học Quốc Gia Yokohama-Nhật bản (YNU) đã giúp đỡ cho tác giả trong thời gian thực tập sinh hơn 7 tháng tại trường YNU

Tác giả xin chân thành cám ơn ban Giám Hiệu, Phòng Đào Tạo sau Đại Học, Khoa Công Trình, các Thầy cô giáo trong Bộ Môn Công trình Giao Thông Thành Phố

và Công Trình Thủy- Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải đã giúp đỡ và tạo điều kiện để hoàn thành luận án

Tác giả xin chân thành cám ơn các đồng nghiệp tại Khoa Xây dựng Cầu Đường- Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng và Trung tâm KHCN&Tư vấn đầu tư-Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng đã hổ trợ trong công tác thực hiện các thí nghiệm tại hiện trường

ỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CÁM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix

THUẬT NGỮ VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT xii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 6

1.1 Hoạt tải thiết kế công trình cầu đường bộ 6

1.2 Qui định hoạt tải cho phép lưu hành trên đường bộ 8

1.2.1 Các qui định ở Hoa kỳ 8

1.2.2 Các qui định ở châu Âu 8

1.2.3 Các qui định ở Việt Nam: 9

1.3 Đánh giá cầu và xác định tải trọng cho phép qua cầu 10

1.3.1 Ở Mỹ và Canađa 10

1.3.2 Ở Châu Âu 12

1.3.3 Ở Trung Quốc 12

1.3.4 Ở Việt Nam 13

1.4 Hình thức và nội dung biển giới hạn tải trọng cầu đường bộ 14

1.4.1 Qui định cắm biển hạn chế tải trọng cầu của Hoa kỳ: 14

1.4.2 Qui định cắm biển hạn chế tải trọng một số nước châu Âu 14

1.4.3 Qui định cắm biển hạn chế tải trọng cầu của Việt Nam: 15

1.5 Kiểm soát tải trọng lưu hành trên đường bộ 17

1.5.1 Hoa kỳ và châu Âu 17

1.5.2 Việt Nam 18

1.6 Phân tích các công trình nghiên cứu liên quan ở nước ngoài 20

1.7 Phân tích các công trình nghiên cứu liên quan ở Việt Nam 24

1.8 Các vấn đề còn tồn tại 27

1.9 Mục tiêu nghiên cứu của luận án 28

1.10 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 29

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ VÀ XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG CHO PHÉP QUA CẦU THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY 30

2.1 Cơ sở thiết kế và đánh giá cầu theo lý thuyết độ tin cậy 30

2.1.1 Khái niệm độ tin cậy và các phương pháp xác định chỉ số độ tin cậy 30

2.1.2 Tuổi thọ thiết kế và độ tin cậy mục tiêu 35

2.1.3 Định dạng các tiêu chuẩn thiết kế và đánh giá kết cấu cầu theo hệ số sức kháng và hệ số tải trọng 36

2.1.4 Các mức phân tích xác suất trong thiết kế, phân tích và đánh giá kết cấu 37

2.2 Đánh giá cầu cũ theo phương pháp hệ số sức kháng và hệ số tải trọng 38

2.2.1 Tổng quát 38

2.2.2 Phương trình đánh giá cầu theo LRFR 38

2.2.3 Đánh giá các tải trọng hợp pháp 42

2.2.4 Đánh giá cấp phép 43

2.2.5 Hạn chế tải trọng khai thác của cầu 44

2.2.6 Đánh giá cầu thép theo TTGH mỏi 45

2.2.7 Đánh giá cầu BTCT theo TTGH mỏi 51

2.2.8 Phương pháp mô hình hóa kết cấu cho đánh giá cầu 52

2.3 Đánh giá cầu dựa trên kiểm định, thử tải và quan trắc 53

2.3.1 Khái niệm chung về kiểm định, thử tải và quan trắc công trình cầu 53

2.3.2 Đánh giá sự suy thoái vật liệu và kết cấu cầu 54

2.3.3 Đánh giá cầu sử dụng kết quả thử tải 57

2.4 Đánh giá cầu theo phương pháp tích hợp 63

2.4.1 Xác định hệ số phân bố ngang của hoạt tải từ thử tải chẩn đoán 63

2.4.2 Xác định hệ số xung kích của hoạt tải từ thử tải chẩn đoán 64

2.4.3 Xét sự sự tham gia làm việc của bản m t cầu 65

2.4.4 -Xem xét điều kiện biên mô hình PTHH của cầu 66

2.4.5 Cập nhật mô hình cầu dựa trên số liệu thử tải chẩn đoán 66

2.5 Cải thiện thủ tục đánh giá cầu theo nhiều cấp độ 67

2.5.1 Đánh giá cầu theo cấp độ 1 67

2.5.2 Đánh giá cầu theo cấp độ 2 67

2.5.3 Đánh giá cầu theo cấp độ 3 67

2.5.4 Đánh giá cầu theo cấp độ 4 69

2.5.5 Đề xuất thủ tục đánh giá và cắm biển cầu trên cơ sở sử dụng kết quả kiểm định cầu 78

2.6 Kết luận chương 2 84

CHƯƠNG 3 : PHÁT TRIỂN CÁC MÔ HÌNH TẢI TRỌNG HỢP PHÁP VÀ HỆ SỐ TẢI TRỌNG CHO ĐÁNH GIÁ VÀ XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG CHO PHÉP QUA CẦU DỰA TRÊN DỮ LIỆU CÂN ĐỘNG Ở VIỆT NAM 85

3.1 Sử dụng dữ liệu cân động mô hình hóa tải trọng giao thông 85

3.2 Cơ sở dữ liệu cân động cho nghiên cứu trong luận án 86

3.3 Xây dựng chương trình phân tích dữ liệu cân động 87

3.3.1 Chương trình lọc và thống kế dữ liệu WIM 87

3.3.2 Chương trình dự báo hiệu ứng lực từ dữ liệu trạm cân động cho mô hình hóa hoạt tải giao thông và đánh giá cầu cũ 94

3.4 Xác định các mô hình tải trọng hợp pháp cho đánh giá và cắm biển tải trọng cầu ở Việt nam 97

3.5 Xác định các hệ số tải trọng cho đánh giá và cắm biển tải trọng cầu 106

3.6 Kết luận chương 3 111

CHƯƠNG 4 : PHÁT TRIỂN CÁC HỆ THỐNG PHỤC VỤ THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ VÀ XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG CHO PHÉP QUA CẦU CẦU ĐƯỜNG BỘ 113

4.1 Xây dựng hệ thống đánh giá cầu theo phương pháp tích hợp 113

4.1.1 Kiến trúc chung hệ thống 113

4.1.2 Giao diện hệ thống thu thập dữ liệu thử tải chẩn đoán 115

4.1.3 Hệ thống thử tải kiểm chứng 115

4.1.4 Hệ thống chẩn đoán lực căng dây cáp 116

4.2 Xây dựng hệ thống đánh giá tuổi thọ mỏi từ kết quả thử tải, quan trắc biến dạng 117

4.3 Thực nghiệm đánh giá và cắm biển tải trọng cầu 118

4.3.1 Đánh giá kết cấu nhịp cầu Trà Khúc cũ phương pháp LRFR 118

4.3.2 Đánh giá cầu BTCT dựa trên kết quả thử tải chẩn đoán 122

4.3.3 Đánh giá cầu thép cũ dựa trên kết quả thử tải chẩn đoán 127

4.3.4 Đánh giá cầu và cắm biển có xem xét đến tuổi thọ mỏi 130

4.3.5 Đánh giá cầu theo phân tích độ tin cậy trực tiếp 133

4.4 Kết luận chương 4 137

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 138

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 140

TÀI LIỆU THAM KHẢO 141

DANH ỤC CÁC BẢNG

Bảng 1-1: Hình thức một số biển báo liên quan đến tổ chức khai thác cầu ở Anh, 15

Bảng 1-2: Các loại biển báo điều khiển giao thông qua cầu theo QCVN 41 : 2012/BGTVT 16

Bảng 2-1: Phân loại độ tin cậy theo EN 1990 [19] 35

Bảng 2-2: Các tiêu chuẩn an toàn cho đánh giá cầu 36

Bảng 2-3: Hệ số tải trọng tổng quát cho các tuyến giao thông thương mại 43

Bảng 2-4: Hệ số tải trọng tổng quát cho các tải đầu kéo đ c biệt 43

Bảng 2-5: Hướng dẫn đánh giá hiện trạng cầu theo NBIS 55

Bảng 2-6: Hệ số hiện trạng c (AASHTO LRFR,2005, Table 6-2) 55

Bảng 2-7: Các hệ số hiện trạng theo kiến nghị của Naiyu Wang (2010) [56] 56

Bảng 2-8: Giá trị hệ số Kb 60

Bảng 2-9: Các tham số thống kê của sức kháng [Nowak,1999] 69

Bảng 2-10: Các tham số thống kê cho t nh tải 70

Bảng 3-1: Bảng tổng hợp kết quả xử lý dữ liệu trạm cân động Dầu Giây trong 6 tháng 93

Bảng 3-2: Thống kê tải trọng xe và tải trục trung bình từ dữ liệu cân động trạm cân Dầu dây trong 6 tháng của các loại xe quá tải 98

Bảng 3-3: Bảng thông kê khoảng cách trục các loại xe quá tải từ dữ liệu cân động 98

Bảng 3-4: Nội lực momen (kN.m) các mô hình xe hợp pháp thân liền Việt Nam 101

Bảng 3-5: Nội lực momen (kN.m) các mô hình xe hợp pháp tổ hợp đầu kéo-sơmi rơmooc Việt Nam 101

Bảng 3-6: Tổng hợp các thông số các loại xe hợp pháp từ cơ sở dữ liệu đăng kiểm năm 2014 105

Bảng 3-7: Bảng tính toán trị số t(ADTT) 110

Bảng 3-8: Kết quả tính toán hệ số tải trọng với ADTT=5000 110

Bảng 3-9: Kết quả tính toán hệ số tải trọng với ADTT=1000 110

Bảng 3-10: Kết quả tính toán hệ số tải trọng với ADTT=100 110

Bảng 3-11: Tổng hợp kết quả tính toán hệ số tải trọng tổng quát theo dữ liệu xe cân động trạm cân động Dầu Giây, Việt Nam 111

Bảng 3-12: Tổng hợp kết quả tính toán hệ số tải trọng các mô hình xe hợp pháp Việt Nam đề xuất 111Bảng 4-1: Công thức tính các hàm sai số biến dạng 114Bảng 4-2: Kết quả đánh giá cầu Trà khúc- phương pháp tuyến dầm 120Bảng 4-3: Kết quả tính toán tuổi thọ mỏi theo lưu lượng xe qua cầu Trà khúc cũ 121Bảng 4-4: Kết quả tính toán tuổi thọ mỏi theo loại xe tải mỏi cầu Trà khúc cũ 121

DANH ỤC HÌNH VẼ, ĐỒ TH

Hình 1-1: Tỷ lệ momen các mô hình hoạt tải tiêu chuẩn thiết kế cầu các nước so với

mô hình HL93-Hoa Kỳ 7

Hình 1-2: Các mô hình tải trọng xe hợp pháp của AASHTO [31] 11

Hình 1-3: Hình thức biển báo giới hạn tải trọng ở Hoa Kỳ 14

Hình 1-4: Ví dụ cắm biển tải trọng cầu thực tế tại Việt nam 17

Hình 1-5: Sơ đồ và cận cảnh hệ thống WIM+VID ở Hà Lan [42] 18

Hình 1-6: Cân t nh di động ở slovenia [42.] 18

Hình 1-7: Trạm cân Dầu Giây, tỉnh Đồng Nai 19

Hình 1-8: Kiểm tra xe quá tải bằng cân lưu động ở TP Hồ Chí Minh 19

Hình 2-1: Hàm mật độ xác suất tải trọng, sức kháng và biên an toàn 31

Hình 2-2: Sự thay đổi độ tin cậy theo thời gian 35

Hình 2-3: Các mức phương pháp xác suất trong thiết kế, phân tích và đánh giá kết cấu [55] (2004) 37

Hình 2-4: Lưu đồ đánh giá cầu theo AASHTO LRFR (MBE-2011) 41

Hình 2-5: Các mô hình tải trọng xe đầu kéo đ c biệt (đơn vị foot, kips)[31] 42

Hình 2-6: Đánh giá sơ bộ hệ số an toàn mỏi 48

Hình 2-7: Tính toán hư hỏng tích lũy do mỏi 48

Hình 2-8: Ví dụ dạng hư hỏng go gỉ và nứt do mỏi 56

Hình 2-9: Cảm biến quan trắc tốc độ gỉ cầu treo Thuận Phước, Đà nẵng [47] 57

Hình 2-10: Kết quả quan trắc gỉ cầu treo Thuận Phước, Đà nẵng [47] 57

Hình 2-11: Ví dụ phân tích thử tải ảo kết cấu nhịp cầu Trà khúc trên MIDAS 62

Hình 2-12: Biến dạng t nh và động của xe tải ở tốc độ bình thường trên đường ô tô [49] 65

Hình 2-13: Hiệu ứng liên hợp của bản m t cầu và dầm 66

Hình 2-14: Lưu đồ đánh giá cầu cấp 1 68

Hình 2-15: Sơ đồ khối chương trình phân tích độ tin cậy theo mô phỏng Monte Calô MCTRT 75

Hình 2-16: Quan hệ giữa chỉ số độ tin cậy  với momen (kN.m) do hoạt tải trong dầm ngang 77

Hình 2-17: Quan hệ giữa xác suất hỏng với momen (kN.m) do hoạt tải trong dầm

ngang 77

Hình 2-18: Kết quả tính toán phổ ứng suất trong dầm chủ cầu Phò Nam, m t cắt giữa nhịp 80m 78

Hình 2-19: Sơ đồ khối đánh giá cầu theo các cấp độ 82

Hình 2-20: Sơ đồ khối xác định nội dung thông tin biển giới hạn tải trọng cầu đường bộ kiến nghị 83

Hình 3-1: Sơ đồ khối chương trình xử lý dữ liệu cân động , WIMPRO 87

Hình 3-2: Tổng hợp kết quả phân tích dữ liệu WIM tháng 1/2013 88

Hình 3-3: Biểu đồ thống kê % xe quá tải trong 6 tháng qua trạm cân Dầu Giây 88

Hình 3-4: CDF Tổng tải trọng xe tải 89

Hình 3-5: Phân bố tổng trọng lượng xe quá tải 89

Hình 3-6: Phân bố tổng tải trọng xe quá tải 2 trục 90

Hình 3-7: Phân bố tải trọng trục 1 các xe quá tải 2 trục 90

Hình 3-8: Phân bố tải trọng trục 2 xe hai trục quá tải 91

Hình 3-9: Đồ thị xác suất tổng tải trọng các xe qua tải 3 trục 91

Hình 3-10: Mật độ phân bố tải trọng các trục xe 3 trục quá tải 92

Hình 3-11: Mật độ phân bố tổng tải xe quá tải 4, 5, 6 trục 92

Hình 3-12: Ví dự đồ thị xác xuất chuẩn của hiệu ứng momen các xe tải của dữ liệu trạm cân số I-81 NB [54] 95

Hình 3-13: Sơ đồ khối chương trình LLPR1 dự báo hiệu ứng hoạt tải qua nhịp cầu giản đơn từ dữ liệu cân động 96

Hình 3-14: So sánh nội lực momen các nhóm tải trọng với tải trọng hợp pháp AASHTO 99

Hình 3-15: So sánh nội lực cắt các nhóm tải trọng với tải trọng hợp pháp AASHTO99 Hình 3-16: So sánh tỷ lệ momen các mô hình tải so với tải hợp pháp 3S2 100

Hình 3-17: Kiến nghị hai mô hình xe hợp pháp cho đánh giá và cắm biển tải trọng cầu ở Việt Nam 102

Hình 3-18: Kiến nghị hai mô hình xe thân liền kéo theo rơmooc cho đánh giá cầu 102

Hình 3-19: Ví dụ kết quả tính toán phổ momen từ dữ liệu WIM Trạm Dầu Giây 108

Hình 3-20: Ví dụ kết quả tính toán phổ lực cắt từ dữ liệu WIM Trạm Dầu Giây 109

Hình 4-1: Sơ đồ khối hệ thống đánh giá cầu theo phương pháp tích hợp 113

Hình 4-2: Giao diện hệ thống BrLoadTest 115

Hình 4-3: Ví dụ màn hình giao diện hệ thống thử tải kiểm chứng 116

Hình 4-4: Giao diện hệ thống chẩn đoán lực căng cáp (CTD) 117

Hình 4-5: Sơ đồ khối hệ thống chẩn đoán mỏi FAPRE 117

Hình 4-6: Ví dụ một cửa sổ giao diện hệ thống chẩn đoán tuổi thọ mỏi-FAPRE 118

Hình 4-7: Cắt ngang cầu Trà khúc-cũ, thành phố Quảng Ngãi 118

Hình 4-8: Mô hình kết cấu nhịp trong CsiBridge 119

Hình 4-9: Bố trí thử động cầu Nguyễn Tri Phương (tháng 04/2013) 123

Hình 4-10: Kết quả đo độ võng động nhịp 2 (dầm bản) 15 123

Hình 4-11: Biểu đồ so sánh dữ liệu đo thực tế và mô hình phân tích dầm G1 (hệ thống BDI) 123

Hình 4-12: Một số kết quả thử tải cầu Phổ Phong-Quảng Ngãi [16] 126

Hình 4-13: Thử tải kiểm chứng cầu Phò Nam, Đà nẵng tháng 03/2014 127

Hình 4-14: Biểu đồ độ võng động vị trí giữa nhịp biên do xe hai trục 8.56T, V = 20Km/h 128

Hình 4-15: Biểu đồ chuyển vị động vị trí giữa nhịp biên sau khi cập nhật mô hình FEM dựa trên kết quả đo hiện trường V = 20Km/h 128

Hình 4-16: Giao diện chương trình FAPR tính toán mỏi dựa trên phổ biến dạng 131

Hình 4-17: Quan hệ tuổi thọ mỏi-lưu lượng xe và tải trọng xe 133

Hình 4-18: Các mô hình tải hợp pháp của AASHTO và Việt Nam 134

Hình 4-19: Mô phỏng kết cấu nhịp trong phần mềm CSiBridge 135

Hình 4-20: Các biểu đồ quan hệ hệ số RF- chỉ số độ tin cậy- Tải trọng cắm biển các loại xe hợp pháp 136

THUẬT NGỮ VÀ CÁC CHỮ VI T TẮT

AASHTO The American Association of State Highway and

Transportation Officials (Hiệp hội các viên chức giao thông và đường bộ Hoa kỳ)

ASD Allowable Stress Design (Thiết kế theo ứng suất cho phép)

ASR Allowable Stress Rating (đánh giá theo ứng suất cho phép)

ASTM American Society for Testing and Materials (Hội thử

nghiệm và vật liệu Mỹ)

BTCT Bê tông cốt thép

BTDUL Bê tông dự ứng lực

CDF Cumulative distribute function (hàm phân bố tích lũy)

CEN Comité Européen de Normalisation (Ủy ban tiêu chuẩn

P(x) Xác xuất của sự kiện x

E(X n ) Mô men cấp n của đại lượng ngẫu nhiên X

∫

F X (x) Hàm phân bố tích lũy của biến ngẫu nhiên X

FX(x)=P(X<=x)= tổng (tích phân) các hàm xác suất có giá trị <=x

f X (x) Hàm mật độ xác suất sử dụng cho các biến ngẫu nhiên liên

tục

; ∫

GTVT Giao thông vận tải

LFR Load Factor Rating (đánh giá theo hệ số tải trọng)

LRFD Load and Resistance Factor Design (thiết kế theo hệ số sức

kháng và hệ số tải trọng)

LRFR Load and Resistance Factor Rating (đánh giá theo hệ số

sức kháng và hệ số tải trọng)

MBE Manual for Bridge Evaluation (Hướng dẫn đánh giá cầu)

MCE Manual for Condition Evaluation of Bridges (Hướng dẫn

đánh giá hiện trạng cầu

NBIS National Bridge Inspection Standards (Tiêu chuẩn kiểm

định cầu Quốc gia)

NCHRP The National Cooperative Highway Research Program

(chương trình nghiên cứu hợp tác đường bộ quốc gia)

OHBDC Ontario Highway Bridge Design Code (tiêu chuẩn thiết kế

cầu bang Ontario, Canada)

PDF Probability density function (hàm mật độ xác suất)

PPSX Phân phối xác suất

PTHH Phần tử hữu hạn

p X (x) Hàm khối lượng xác suất (probability mass function)

PX(x)=P(X=x): là xác suất để biến ngẫu nhiên rời rạc có giá trị bằng x

RF Hệ số thể hiện khả năng chịu hoạt tải của cầu (rating

factor) RF= (R-DL)/(LL+IM) R là sức kháng, DL là hiệu ứng do t nh tải; (LL+IM) là hiệu ứng ho hoạt tải đánh giá

TTGH Trạng thái giới hạn

V X Hệ số biến thiên (coefficient of variance)

σX Độ lệch chuẩn (standard deviation) √

σ X 2 Phương sai (variance) của đại lượng ngẫu nhiên X

∫ (biến liên tục) ∑ (biến rời rạc)

(.) Hàm phân phối chuẩn hóa

X Hệ số độ chệch (Bias factor) của biến ngẫu nhiên X

X=µX/Xn (Giá trị trung bình chia cho giá trị danh định (thiết kế)

µ X Giá trị trung bình của biến ngẫu nhiên X µX=E(X) E(X)

là giá trị kỳ vọng (expected value) đại lượng ngẫu nhiên X

Ở Đ U

1.Lý do chọn đề tài

Thông thường thì khả năng chịu tải của công trình cầu suy giảm theo thời gian khai thác sử dụng do các tác động của tải trọng môi trường và tải trọng giao thông làm cho vật liệu bị suy thoái theo thời gian dẫn đến giảm khả năng chịu tải của công trình Trái lại, tải trọng giao thông thường có xu hướng tăng dần theo thời gian theo sự phát triển kinh tế xã hội và nhu cầu vận tải M c khác mạng lưới các cầu đang khai thác tại Việt Nam hiện nay tồn tại nhiều cầu được thiết kế theo nhiều tiêu chuẩn khác nhau, có mức độ hoạt tải thiết kế khác nhau từ mô hình hoạt tải H10,H13,H18,H30 theo tiêu chuẩn thiết kế 22TCN-18-79; Mô hình hoạt tải HS20, HS20-44 theo tiêu chuẩn AASHTO Standard-86 và HL93 theo AASHTO-LRFD-98 (tiêu chuẩn hiện hành 22TCN 272-05) Sự chênh lệch nhau về hiệu ứng lực giữa các mô hình hoạt tải thiết kế nhiều trường hợp rất lớn mà thường mô hình hoạt tải thiết kế mới có hiệu ứng lực lớn hơn các mô hình hoạt tải thiết kế cũ Do nguồn kinh phí dành cho công tác duy tu, bảo dưỡng, bảo trì các cầu còn hạn chế nên nhiều cầu được phân loại là cầu yếu vẫn phải tiếp tục khai thác và đi kèm là biện pháp cắm biển giới hạn tải trọng khai thác cho các cầu này Sự phát triển của ngành công nghiệp chế tạo xe tải và đòi hỏi của ngành vận tải, ngày càng có nhiều loại xe tải n ng lưu thông trên đường, cầu với mật độ ngày càng tăng gây nguy cơ mất an toàn trên các cây cầu có khả năng chịu tải đã bị suy giảm so với thiết kế ban đầu, đây là lý do ngày càng xuất hiện nhiều tai nạn sụp đổ cầu

do xe quá tải vượt qua

Trong một thời gian dài trước khi ra đời tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05, công tác đánh giá cầu cũ để cắm biển giới hạn tải trọng ở Việt Nam chủ yếu là kiểm toán lại các đoàn xe thiết kế H10,H13,H18,H30 trên cơ sở cập nhật các dữ liệu kiểm định cầu từ đó tư vấn kiến nghị trị số tải trọng khai thác an toàn và đơn vị quản lý căn

cứ trị số này để cắm biển duy nhất là biển giới hạn tổng tải trọng xe (biển số 115) Cách làm này đã gây cản trở rất nhiều cho giao thông đ c biệt là việc lưu hành các loại

xe đầu kéo-sơmi rơmooc gây nhiều bức xúc trong giới vận tải

Vấn đề cắm biển hạn chế tải trọng cho Cầu ở Việt Nam trong những năm gần đây

có nhiều quan điểm khác nhau, chưa thống nhất về phương pháp cắm biển giới hạn,

cách hiểu nội dung biển bảo giới hạn tải trọng giữa giới vận tải, cơ quan quản lý cầu,

cơ quan thực thi giám sát tải trọng lưu thông Hiện tại cũng chưa có một qui trình chuẩn cho công tác đánh giá và cắm biển các cầu cũ cần phải hạn chế tải trọng để đảm bảo an toàn ở Việt Nam

Hiện tại Bộ GTVT Việt Nam đang thực hiện nhiều chính sách đồng bộ như: Bố trí

hệ thống trạm cân t nh, trạm cân động để kiểm soát tải trọng lưu hành trên đường bộ; cho kiểm định đánh giá và cắm lại biển giới hạn tải trọng (nếu cần) hệ thống các cầu hiện hữu trên Quốc lộ; tăng cường các chương trình nghiên cứu, biên soạn và ban hành

bổ sung các văn bản pháp lý liên quan đến quản lý vận tải; biên soạn cập nhật các qui trình về kiểm định, đánh giá cầu phù hợp với xu thế mới,

Nhằm góp phần hoàn thiện phương pháp đánh giá cầu, xác định tải trọng cho phép qua cầu trên cơ sở sử dụng các kết quả kiểm định cầu phục vụ việc lựa chọn

phương án cắm biển hạn chế tải trọng (nếu cần), tác giả lựa chọn đề tài: ”Nghiên cứu

đánh giá và xác định tải trọng cho phép qua cầu trên cơ sở kết quả kiểm định cầu ”

3 ục đích nghiên cứu :

Mục đích nghiên cứu của luận án là sử dụng các phương pháp phân tích, đánh giá cầu theo lý thuyết xác suất ứng dụng cho đánh giá và xác định tải trọng cho phép qua cầu trên cơ sở sử dụng các kết quả kiểm định cầu với các nội dung chính như sau: 1) Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy đánh giá và xác định tải trọng cho phép qua cầu trên cơ sở sử dụng các dữ liệu kiểm định, thử tải hiện trường làm cơ sở cho việc lựa chọn phương án cắm biển hạn chế tải trọng cầu phù hợp hơn

2) Nghiên cứu phân tích dữ liệu cân động xe tại Việt nam những năm gần đây và

cơ sở dữ liệu xe đăng kiểm để xác định các mô hình tải trọng hợp pháp phù hợp với dữ liệu tải trọng giao thông tại Việt Nam; Tính toán xác định các hệ số tải trọng tổng quát cho đánh giá và cắm biển tải trọng cầu theo phương pháp bán xác suất (phương pháp LRFR)

3) Phát triển thủ tục đánh giá cầu và xác định tải trọng khai thác cho phép phục vụ việc ra quyết định lựa chọn phương án cắm biển phù hợp với các mục tiêu định trước có xét đến tuổi thọ còn lại và độ tin cậy của cầu

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án:

Đối tượng nghiên cứu là các loại công trình cầu đường bộ

Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn cho các loại cầu đường bộ có chiều dài nhịp

<=60m Dữ liệu cân động xe chỉ nghiên cứu cho trạm cân động Dầu Giây, tỉnh Đồng Nai

5 Phương pháp nghiên cứu:

Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm trong bài toán đánh giá cầu và xác định tải trọng khai thác cho phép

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

Ý nghĩa khoa học của luận án:

- Sử dụng lý thuyết tiên tiến về xác suất thống kê và độ tin cậy áp dụng cho bài toán đánh giá cầu và xác định tải trọng cho phép qua cầu trên cơ sở sử dụng các kết quả kiểm định cầu có xét đến các yêu tố tuổi thọ mỏi còn lại và độ tin cậy

- Sử dụng dữ liệu trạm cân động Dầu Giây, cơ sở dữ liệu xe đăng kiểm phân tích phổ tải trọng giao thông thực tế trong điều kiện Việt nam Từ đó phát triển các

mô hình tải hợp pháp cho đánh giá cầu; định chuẩn các hệ số tải trọng tổng quát cho đánh giá cầu theo phương pháp bán xác suất (phương pháp LRFR)

Ý nghĩa thực tiển của luận án:

- Đã xác định một thủ tục chi tiết cho đánh giá và xác định tải trọng cho phép qua cầu theo nhiều cấp độ khác nhau tùy theo cơ sở dữ liệu kiểm tra, thử tải cầu có được và yêu cầu đánh giá

- Đã phát triển được một số phần mềm, phần cứng áp dụng cho thử tải chẩn đoán, thử tải kiểm chứng, đánh giá cầu theo phương pháp tích hợp và các chương trình máy tính cho phân tích đánh giá cầu theo phương pháp phân tích độ tin cậy trực tiếp

Bố cục luận án: Bao gồm phần mở đầu, 4 chương và kết luận có cấu trúc như sau;

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở đánh giá và xác định tải trọng cho phép qua cầu theo lý thuyết độ tin cậy

Chương 3: Phát triển các mô hình tải trọng hợp pháp và hệ số tải trọng cho đánh giá và xác định tải trọng cho phép qua cầu dựa trên dữ liệu cân động ở Việt nam

Chương 4: Phát triển các hệ thống phục vụ thực nghiệm đánh giá và xác định tải trọng cho phép qua cầu đường bộ

Hình MD-0-1: Bản đồ tư duy của luận án

Đánh giá cầu và xác định tải trọng cho phép qua cầu

Khả năng chịu tải cầu hiện tại Hiệu ứng tải trọng khai thác hợp lệ ( Các

xe thỏa mãn qui định tải trọng lưu hành)

Cường độ danh định (Rn) - Xét yêu tố ngẫu nhiên cường đồ vật liệu (M) -

Xét yếu tố ngẫu nhiên do công nghệ thi công (F)

Xét yêu tố ngẫu nhiên do mô hình hóa (P) -

- Dữ liệu cân động xe WIM Việt Nam

- Các mô hình xe tải hợp lệ cho đánh giá cầu

- Mô phỏng ngẫu nhiên xác định hiệu ứng Lmax ở năm tính toán tương lai từ dữ liệu WIM

- Hiệu chuẩn hệ số tải trọng, dùng hiệu ứng danh định (Qn)

Ra quyết định lựa chọn tải trọng khai thác cho cầu

Sử dụng lý thuyết xác suất

và độ tin cậy

Sử dụng dữ liệu kiểm tra cầu -

Sử dụng dữ liệu thử tải cầu -

Sử dụng dữ liệu điều tra tải trọng -

- Xem xét độ tin cậy khai thác chấp nhận được

- Xét tuổi thọ còn lại của cầu

- Sự cần thiết của nhu cầu vận tải trong một số trường hợp đ c biệt (cấp phép),

CHƯ NG 1 :TỔNG QUAN

1.1 Hoạt tải thiết kế công trình cầu đường bộ

Các mô hình hoạt tải cho thiết kế công trình cầu đường bộ đã được phát triển

và cập nhật liên tục trong các tiêu chuẩn thiết kế cầu của các nước theo thời gian Tùy theo dữ liệu điều tra quan trắc tải trọng giao thông hiện có và lựa chọn phương pháp định dạng tiêu chuẩn thiết kế cầu, các nước đã nghiên cứu biên soạn các tiêu chuẩn thiết kế cầu trong đó bao gồm các mô hình hoạt tải thiết kế cầu để đảm bảo thuận lợi cho tính toán hiệu ứng lực của cầu và bao các giá trị hiệu ứng lực của tải trọng giao thông thực tế có xét đến sự phát triển tương lai và khả năng quá tải

Chi tiết về mô hình hoạt tải thiết kế cầu có thể xem trong các tiêu chuẩn thiết

kế cầu của các nước ở [1,17,18,19, 22,23,24,25,26,27, 28,29] và được mô tả trong phụ lục số 01 của luận án

Hầu hết các qui trình thiết kế cầu và đường đều có qui định về cấp hoạt tải thiết kế theo cấp đường Một số mô hình hoạt tải trọng n ng cũng được phát triển để thiết kế cho các tuyến đường vận tải đ c biệt như mô hình LM3 của tiêu chuẩn Châu

ho c HLP300, HLP420 tiêu chuẩn Úc năm 2008

Kết quả tính toán và so sánh momen cho hai làn xe rộng 7m cho các nhịp cầu giản đơn nhịp từ 5m-80 m như ở Hình 1-1 Kết quả phân tích cho thấy tỷ lệ mômen các hoạt tải tiêu chuẩn của các nước khác nhau rất lớn, tỷ lệ mômen các mô hình hoạt tải tiêu chuẩn các nước so với mô hình hoạt tải HL93 của Hoa Kỳ thay đổi từ 0.3 đến 3.5

Kết quả phân tích và so sánh hiệu ứng lực các mô hình hoạt tải tiêu chuẩn dầm liên tục ở phụ lục 01 cũng cho kết quả hiệu ứng lực giữa các mô hình hoạt tải thay đổi rất nhiều

Như vậy các mô hình hoạt tải tiêu chuẩn do các nước phát triển chỉ là mô hình danh định cho tính toán hiệu ứng lực của hoạt tải giao thông, nó được điều chỉnh bằng các hệ số tải trọng, hệ số làn xe, hệ số xung kích và liên quan mật thiết đến vế phải của phương trình thiết kế (sức kháng) Mô hình hiệu ứng lực và sức kháng khi phát triển một tiêu chuẩn thiết kế ho c đánh giá cầu cần được nghiên cứu đồng bộ cùng với

sự phát triển các hệ số (sức kháng và tải trọng) trong quá trình phát triển tiêu chuẩn thiết kế ho c đánh giá cầu

Hình 1-1: Tỷ lệ momen các mô hình hoạt tải tiêu chuẩn thiết kế cầu các nước so với

Chiều dài nhịp giản đơn (m)

Tỷ số momen các hoạt tải tiêu chuẩn so với HL93

HS20-44 H15-44 H30-XB80 H13-X60 S1600-AS08 T44-AUS92 HA-1978 HA-BS2006 HB30-BS HB45-BS HL93-VN OHBD-81 BCL-625-CSA07 CL-W-625-CSA07 JTG604-LANE L20-JAPAN-84 L-JAPAN-2012 EURO1-LM1

1.2 Qui định hoạt tải cho phép lưu hành trên đường bộ

1.2.1 Các qui định ở Hoa kỳ.

Ở Hoa kỳ sử dụng công thức trọng lượng cầu Liên bang (Federal Bridge Gross Weight Formula) để xác định trọng lượng gần đúng lớn nhất cho các loại xe ô tô thương mại (commercial motor vehicle (CMV) căn cứ vào số lượng trục và khoảng cách trục

12 36)

1

*(

Trong đó :

w = Trọng lượng lớn nhất (pounds) cho phép trên một nhóm của hai ho c nhiều trục

ℓ = Khoảng cách (feet) giữa các trục biên của bất kỳ hai ho c nhiều trục liên tiếp nhau

n = Số lượng trục được xem xét

Luật liên bang hiện tại qui định một số giới hạn về trọng lượng xe thương mại như sau:

- Trọng lượng lớn nhất trên 1 trục đơn bất kỳ: 20.000 pounds (9060 kG)

- Trọng lượng lớn nhất trên một trục kép: 34.000 pounds (15419 kG)

- Trọng lượng toàn bộ xe lớn nhất: 80.000 pounds (36240 kG)

Các xe tải thường được cho phép lưu thông mà không có sự giới hạn nào và được xem là tải trọng hợp pháp ( Legal load) nếu trọng lượng xe phù hợp với công thức cầu của Liên bang [30] Cầu thường không cắm biển giới hạn tải trọng nếu có khả năng chịu được các mô hình tải trọng hợp lệ dùng để đánh giá và cắm biển được mô tả trong sổ tay hướng dẫn đánh giá cầu theo phương pháp hệ số sức kháng và hệ số tải trọng [31] Có một số Bang cho phép trọng lượng toàn bộ xe vượt giới hạn 80.000 lbs lưu thông trên hệ thống đường nội Bang

1.2.2 Các qui định ở châu Âu

Theo chỉ thị 96/53/EC của Hội đồng Châu Âu về qui định giới hạn kích thước

và trọng lượng các xe giao thông và Quốc gia và Quốc tế như sau

Giới hạn về trọng lượng xe và thành phần tổ hợp xe:

 Đầu kéo 2 trục: 18 tấn

 Đầu kéo 3 truch: 24 tấn

 Ô tô 2 trục+ rơmooc 3 trục: 40 tấn

- Có tổng số trục bằng năm ho c lớn hơn, tổng trọng lượng của xe ≤ 34 tấn;

b) Đối với tổ hợp xe đầu kéo với rơ moóc ho c sơ mi rơ moóc:

- Có tổng số trục bằng ba, tổng trọng lượng của xe ≤ 26 tấn;

- Có tổng số trục bằng bốn, tổng trọng lượng của xe ≤ 34 tấn;

- Có tổng số trục bằng năm ho c lớn hơn, tổng trọng lượng của xe ≤ 44 tấn;

- Có tổng số trục bằng sáu ho c lớn hơn, tổng trọng lượng của xe ≤ 48 tấn;

c) Đối với tổ hợp xe thân liền kéo rơ moóc ho c sơ mi rơ moóc: Tổng trọng lượng của tổ hợp xe gồm tổng trọng lượng của xe thân và tổng các tải trọng trục xe của

rơ moóc ho c sơ mi rơ moóc được kéo theo, nhưng không được lớn hơn 45 tấn Tại Việt Nam hiện nay chưa có qui trình hướng dẫn chi tiết công tác đánh giá cầu cũ và nghiên cứu công bố các mô hình tải trọng hợp phápcho đánh giá và cắm biển tải trọng cầu

1.3 Đánh giá cầu và xác định tải trọng cho phép qua cầu

1 Đánh giá tải theo tải trọng thiết kế HL93 (mức thống kê và khai thác)

2 Nếu hệ số chịu tải RF bước 1 <1 thì tiếp tục đánh giá cho các mô hình tải trọng hợp pháp với độ tin cậy ở mức khai thác (=2.5)

3 Nếu RF bước 2 <1 thì tiếp tục đánh giá ở mức cao hơn

4 Đánh giá mức cao hơn: Sử dụng các dữ liệu hiện trường, thử tải, dùng mô hình chi tiết hơn ho c sử dụng phương pháp phân tích độ tin cậy trực tiếp (không dùng các hệ số tải trọng và hệ số sức kháng)

5 Nếu kết quả đánh giá bước 4 cho RF<1 thì cần thực hiện biện pháp gia cường cầu ho c cắm biển hạn chế tải trọng

Hình 1-2: Các mô hình tải trọng xe hợp pháp của AASHTO [31]

Tiêu chuẩn cũng hướng dẫn đánh giá cho trạng thái giới hạn mỏi và tính toán tuổi thọ mỏi còn lại của cầu thép [31]

Phần 8 sổ tay hướng dẫn đánh giá cầu MBE-2011 cũng hướng dẫn đánh giá cầu dựa trên thử tải không phá hủy Có thể sử dụng thử tải chẩn đoán ho c thử tải kiểm chứng Dựa trên kết quả thử tải có thể định lượng chính xác hơn các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu tải của hệ thống như: Các hiệu ứng liên hợp; sự liên tục ngoài dự định; sự tham gia chịu lực của các bộ phận phụ; sự phân bố tải trọng cho các cấu kiện;

hệ số xung kích và các đ c tính động lực học của cầu

7.71 7.71 7.26 (T)

1.3.2 Ở Châu Âu

Châu Âu cũng đã có dự án nghiên cứu qui mô mang tên BRIME để nghiên cứu phát triển nền tảng cho công tác quản lý các cầu trên mạng lưới đường bộ châu Âu

từ những năm 1990 [39]

Tương tự ở Hoa kỳ, Châu Âu cũng sử dụng phương pháp xác suất (độ tin cậy)

để phát triển các tiêu chuẩn đánh giá kết cấu cầu theo phương pháp các hệ số riêng phần Trong quá trình phát triển các tiêu chuẩn đánh giá kết cấu hiện hữu, các dữ liệu thống kê của mô hình sức kháng kết cấu và mô hình tải trọng (dữ liệu cân xe qua WIM) được sử dụng để hiệu chuẩn các hệ số riêng phần

Hướng dẫn đánh giá cầu ở Châu Âu chia làm 5 mức đánh giá từ đơn giản đến phức tạp như sau:

Cấp 0: Mô tả trạng thái kết cấu được chấp nhận đưa vào hệ thống quản lý mà không cần đánh giá chính thức

Cấp 1 và 2: Đánh giá khả năng chịu tải sử dụng dữ liệu kích thước và vật liệu

đã có Cấp 1 sử dụng các phương pháp phân tích kết cấu đơn giản, cấp 2 sủ dụng phương pháp phân tích kết cấu chi chính xác hơn

Cấp 3 và cấp 4: Cấp này sử dụng thí nghiệm và khảo sát để thu thập các dữ liệu hiện trường của cầu và cho phép hiệu chỉnh các hệ số an toàn tiêu chuẩn Cấp 4 sử dụng phương pháp bán xác suất nhưng xem xét lại các hệ số an toàn tính đến các thông tin hiện trường của cầu

Cấp 5: Sử dụng phương pháp phân tích độ tin cậy đầy đủ Sử dụng các mô hình không chắc chắn, độ tin cậy mục tiêu và các yếu tố ảnh hưởng đến các tham số này

Đánh giá kết cấu cầu thép có xét thêm TTGH mỏi và yêu cầu chỉ ra tuổi thọ mỏi còn lại của kết cấu [40]

1.3.3 Ở Trung Quốc

Thiết kế cầu và cống ở Trung Quốc dùng qui trình JTG D60-2004 của Bộ GTVT Trung Quốc Phương pháp thiết kế theo JTG D60 theo TTGH Hiện vẫn chưa phát triễn qui trình riêng cho đánh giá cầu Nghiên cứu của Fu và You [45] sử dụng dữ liệu cân động ở Trung Quốc trong những năm gần đây để để xây dựng mô hình hoạt

tải giao thông và trên cơ sở đó xác định các hệ số tải trọng cho t nh tải và hoạt tải cho đánh giá các cầu ở Trung Quốc theo phương pháp phân tích độ tin cậy Chỉ số độ tin cậy mục tiêu Fu kiến nghị dùng cho Trung Quốc là 3.6 so với chỉ số độ tin cậy mục tiêu 4.1 trong tiêu chuẩn thiết kế cầu

1.3.4 Ở Vi t Nam

Tiêu chuẩn hiện hành cho công tác kiểm định, đánh giá kết cấu cầu ở Việt Nam hiện nay là 22TCN 243-98 ”Qui trình kiểm định cầu trên đường ô tô” [3] Phương pháp đánh giá kết cấu cầu là kiểm toán dựa trên các công thức của qui trình thiết kế cầu 22TCN 18-79 [1] Một thời gian dài các cầu cũ ở Việt Nam đã được kiểm định, đánh giá theo tiêu chuẩn này, kết quả kiểm toán theo các đoàn xe tiêu chuẩn H30, XB80 ho c xe cấp phép Dựa trên kết quả kiểm toán đơn vị kiểm định, đơn vị quản lý cầu tiến hành cắm biển giới hạn tải trọng mà kết quảt thường là biển có giới hạn tải trọng nhỏ hơn 30T, điều này gây nhiều bất cập với qui định về tải trọng lưu hành trên đường bộ và bức xúc cho giới vận tải

Từ khi qui trình 22TCN 272-05 có hiệu lực năm 2005, nhiều cầu mới được thiết kế theo tiêu chuẩn này với phương pháp thiết kế LRFD (AASHTO LRFD-1998) Tuy nhiên hiện nay vẫn chưa có nghiên cứu ban hành tiêu chuẩn đánh giá cầu phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế LRFD

Hiện tại có một số đơn vị tư vấn vận dụng phương pháp đánh giá cầu LRFR của Hoa Kỳ để đánh giá và cắm biển theo Qui chuẩn Báo hiệu đường bộ mới (QCVN 41:2012/BGTVT) Tuy nhiên, nhiều vấn đề cần nghiên cứu hiệu chỉnh cho phù hợp với điều kiện Việt Nam như điều kiện về tải trọng, sự không chắc chắn về sức kháng kết cấu trong điều kiện Việt Nam và nghiên cứu đề xuất các mô hình tải trọng hợp pháp cho đánh giá và cắm biển cầu phù hợp với hệ thống Luật liên quan ở Việt Nam

Phương pháp thử tải cầu hiện nay ở Việt nam thực hiện theo tiêu chuẩn thử nghiệm cầu 22TCN 170-87 Cường độ tải thử từ không nhỏ hơn 80% hoạt tải tiêu chuẩn nhân với xung kích Sơ đồ tải trọng thử cầu giống với sơ đồ hoạt tải trong thiết

kế Nhiệm vụ cơ bản của thử tải là nhằm so sánh sự làm việc thực tế của công trình sơ với những giả thiết đề ra trong tính toán để đánh giá sự làm việc tổng thể của công trình và khả năng thông qua của tải trọng Tiêu chuẩn 22TCN 170-87 chưa có hướng

dẫn cụ thể đánh giá cầu xác định khả năng chịu hoạt tải của cầu dựa trên các kết quả thử nghiệm

1.4 Hình thức và nội dung biển giới hạn tải trọng cầu đường bộ

1.4.1 ui đị c i c t i tr c u c ỳ

Ở Hoa Kỳ, các cầu yếu không đáp ứng được tải trọng quy định đối với xe hợp pháp (legal vehicles) thì phải đ t biển báo hạn chế tải trọng đối với ba loại xe tiêu chuẩn như sau:

 Xe tải đơn;

 Xe tải kéo theo sơmi-rơmoóc;

 Xe tải kéo theo rơmoóc

Giá trị hạn chế tải trọng đối với từng loại xe được quyết định trên cơ sở kết quả kiểm tra, đánh giá (kiểm định) từng cầu Biển báo sẽ được lắp đ t trước cầu ở cả hai phía và cũng được cảnh báo ở các điểm đầu tuyến Một số Bang còn dùng loại biển báo giới hạn trọng lượng xe theo số trục xe Một số ví dụ như Hình 1-3

Hình 1-3: Hình thức biển báo giới hạn tải trọng ở Hoa Kỳ

1.4.2 ui đị c i c t i tr một số ước châu Âu

Tương tự Mỹ, ở châu Âu ngoài các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu mới thì cũng có các tiêu chuẩn cho đánh giá kết cấu cũ như: “Assessment of Existing Steel Structures: Recommendations for Estimation of Remaining Fatigue Life- European Communities,

2008 ”

Việc quyết định cắm biển, nội dung biển cắm dựa vào kết quả đánh giá cầu cụ thể Hình thức biển báo cho cầu theo hướng dẫn tiêu chuẩn qui tắc báo hiệu đường bộ của từng nước thuộc liên minh châu Âu có khác nhau đôi chút Một số mẫu biển báo liên quan đến tổ chức khai thác công trình cầu ở Anh Quốc ở Bảng 1-1

Bảng 1-1: Hình thức một số biển báo liên quan đến tổ chức khai thác cầu ở Anh,

Hiện nay vẫn còn rất nhiều cây cầu cũ sử dụng loại biển 115 với giá trị hạn chế thường nhỏ hơn 30 tấn gây khó khăn cho việc lưu thông các loại xe đầu kéo sơmi-rơmooc và xe đầu kéo+rơ mooc với tải trọng cho phép lưu hành theo thông tư 06/VBHN-BGTVT/2014 lên đến 48 tấn Tình trạng này gây nhiều bức xúc, tranh cãi cho giới vận tải trong thời gian qua

Qui chuẩn Quốc gia về báo hiệu đường bộ QCVN 41 : 2012/BGTVT bổ sung thêm biển số 505(b) cho phép hạn chế tải trọng xe qua cầu theo loại xe và biển số 505(c) hạn chế tải trọng trục xe theo loại trục đơn, trục kép hay trục 3

Vấn đề đánh giá tải trọng cầu và xác định tải trọng cho phép khai thác để cắm biển hạn chế tải trọng liên quan đến tải trọng thiết kế, tải trọng lưu hành thực tế, qui định pháp luật về giới hạn tải trọng, dữ liệu kiểm soát đo đạc tải trọng thực tế, cần được nghiên cứu một cách đồng bộ cho điều kiện giao thông của từng Quốc gia Hiện tại ở Việt Nam chưa có những nghiên cứu hệ thống đầy đủ cho các vấn đề nêu trên Bảng 1-2: Các loại biển báo điều khiển giao thông qua cầu theo QCVN 41 :

2012/BGTVT

Biển số 115

Hạn chế trọng lượng xe (cả xe và hàng trên xe)

và hàng) tương ứng với mỗi loại xe không phụ thuộc vào số lượng trục

Hình 1-4: Ví dụ cắm biển tải trọng cầu thực tế tại Việt nam

1.5 iểm soát tải trọng lưu hành trên đường bộ

1.5.1 Hoa kỳ và châu Âu

Việc lưu hành các loại xe không hợp pháp (quá khổ, quá tải) ở Hoa Kỳ đều phải thực hiện thủ tục cấp phép (permit) được qui định bởi chính quyền các Bang Các

sở giao thông cấp Bang đều có bộ phận quản lý cấp phép cho các xe qua khổ, quá tải

và có cổng thông tin qua website ho c điện thoại để tương tác với khách hàng (người xin cấp phép) khá thuận tiện Cổng thông tin website liên quan đến cấp phép lưu thông

Biển số 505(b)

Biển số 505(c)

Biển số 505c được đ t bên dưới biển báo số 106a “Cấm ôtô tải” để chỉ các loại xe tải có tải trọng trục lớn nhất cho phép tương ứng với mỗi loại trục (trục đơn, trục kép, trục ba)

chứa nhiều tài liệu, hướng dẫn, biểu mẫu cần thiết cho khách hàng thực hiện các thủ tục kê khai để được cấp phép Một số Bang còn có hệ thống cấp phép tự động qua Internet như bang Califonia Đã có những nghiên cứu qui mô và xuất bản các tài liệu tiêu chuẩn cho vấn đề cấp phép lưu thông các loại xe quá khổ quá tải như tài liệu [34].

Các cơ quan quản lý giao thông có bộ phận chuyên trách thực thi chính sách

về quản lý xe quá khổ, quá tải Sử dụng các biện pháp dựa trên nền tảng công nghệ cân động và video (WIM+VID) và cân t nh để thực thi chính sách quản lý xe quá khổ quá tải lưu thông trên đường bộ

06/VBHN-bố tải trọng, khổ giới hạn của quốc lộ; lưu hành xe quá tải trọng, xe quá khổ giới hạn,

xe bánh xích trên đường bộ; vận chuyển hàng siêu trường, siêu trọng và giới hạn xếp hàng hóa trên phương tiện giao thông đường bộ khi tham gia giao thông trên đường bộ”

Hiện nay Bộ giao thông Vận Tải và các cơ quan liên quan đã thực hiện nhiều chính sách kiên quyết kiểm soát tải trọng lưu hành trên đường bộ như: Trang bị các hệ thống cân xe di động cho các địa phương kể kiểm tra tải trọng xe lưu hành; Thực hiện

đề án tổng thể kiểm soát tải trọng xe trên đường bộ; Quy hoạch tổng thể Trạm kiểm tra tải trọng xe trên đường bộ đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030

Mục tiêu chính của đề án kiểm soát tải trọng xe trên đường bộ là : Từng bước hình thành hệ thống, mạng lưới kiểm soát tải trọng, khổ giới hạn xe trên đường bộ nhằm nâng cao hiệu lực, hiệu quả quản lý nhà nước về giao thông đường bộ, ngăn

ch n các hành vi vi phạm quy định về tải trọng, khổ giới hạn của đường bộ, góp phần bảo vệ và duy trì tuổi thọ của công trình đường bộ; thiết lập trật tự kỷ cương trong hoạt động vận tải đường bộ, hạn chế xảy ra tai nạn giao thông trên đường bộ

Theo qui chuẩn kỹ thuật Quốc gia về trạm kiểm tra tải trọng xe thì trạm cần đầu tư đồng bộ thiết bị hiện đại để giảm tối đa sự can thiệp của con người và quá trình cân kiểm tra tải trọng Từ đây đến năm 2030 sẽ đầu tư thêm 45 trạm cân hiện đại theo qui chuẩn QCVN 66:2013/BGTVT trên các tuyến đường giao thông quan trọng sẽ hứa hẹn kiểm soát tốt tình trạng xe quá tải, quá khổ lưu thông nhiều gây hư hỏng hạ tầng giao thông và mất an toàn giao thông

Hình 1-7: Trạm cân Dầu Giây, tỉnh

Đồng Nai

Hình 1-8: Kiểm tra xe quá tải bằng cân lưu động ở TP Hồ Chí Minh Qui định mức phạt tiền lưu hành xe quá tải trọng theo 171/2013/NĐ- CP ban hành ngày 13/11/2013của Chính phủ như sau:

- Từ 2.000.000 đ đến 3.000.000 đ với mức quá tải (tổng tải xe hoặc tải trục) từ

10%-20% so với khả năng chịu tải của cầu và đường

- Từ 3.000.000 đ đến 5.000.000 đ với mức quá tải từ 20%-50%

- Từ 5.000.000 đ đến 7.000.000 đ với mức quá tải hơn 50%

Bảng 1-1: Phân tích mức phạt quá tải theo qui định Việt Nam và Hoa Kỳ

Theo kết quả phân tích mức phạt lưu hành xe quá tải giữa Việt Nam và Hoa Kỳ,

cho thấy mức phạt của Việt Nam khá thấp chỉ bằng từ 2% đến 11% so với mức phạt

lưu hành xe quá tải ở Hoa Kỳ Mức phạt quá tải thấp nên chưa đủ tính răn đe để hạn chế lưu hành quá tải làm cho hạ tầng đường bộ xuống cấp nhanh chóng và tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn giao thông

1.6 Phân tích các công trình nghiên cứu liên quan ở nước ngoài

Mục đích của việc đánh giá và xác định tải trọng khai thác cho phép của cầu phục vụ cho việc quản lý khai thác cầu cũng như cắm biển giới hạn tải trọng nhằm đảm bảo cho việc giao thông qua cầu hiện tại được an toàn trong phạm vi tuổi thọ còn lại theo thiết kế ho c theo dự định trong đó có xem xét đến yếu tố kinh tế vận tải và đôi khi có xem xét đến cả yếu tố xã hội Bài toán đánh giá sự an toàn của một cây cầu hiện hữu tương ứng với các tác động tải trọng giao thông hiện tại, tương lai và các tác động khác (tải trọng môi trường, ) là bài toán phức tạp, nó liên quan đến nhiều yêu tố như khả năng chịu tải hiện tại của cầu, hiệu ứng của các tác động (tải trọng) lên cầu, trong đó cần xét đến các yếu tố như sự suy thoái của vật liệu, kết cấu theo thời gian; sự thay đổi của tải trọng giao thông, điều kiện khai thác duy tu công trình, chính sách quản lý các loại phương tiện giao thông, sự phát triển kinh tế của các khu vực hấp dẫn xung quanh cầu,

Có rất nhiều yếu tố trong bài toán đánh giá cầu hiện hữu có tính không chắc chắn

và biến đổi theo thời gian, nên để giải bài toán trên cần đến công cụ như lý thuyết xác suất thống kê, lý thuyết tập mờ và độ tin cậy Cũng có nhiều nghiên cứu cho mục đích đánh giá cầu và các nghiên cứu liên quan đã được thực hiện và vẫn còn tiếp tục nghiên cứu do tính chất phức tạp của bài toán

Việc áp dụng tải trọng giao thông là vấn đề khá quan trọng trong tính toán độ

an toàn cầu đã thu nhận được sự quan tâm đáng kể (Kulichi,2007) Trên cơ sở mô

Vượt tải 15%

Vượt tải 35%

Vượt tải 100% Vượt tải 15% Vượt tải 35% Vượt tải

Mức phạt hoạt tải theo Hoa Kỳ (đồng) Loại xe

phỏng tải trọng giao thông từ dữ liệu các xe tải đã đo được qua khảo sát cân xe, Ghons

và Moes (1986) đã đề xuất công thức tính giá trị momen trung bình lớn nhất cho các nhịp giản đơn trong 50 năm theo công thức:

xe tải đ c trưng là xe thân liền hai trục và xe bán đầu kéo-rơmooc

Một phương pháp khác được 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

trong đó: W*20 là trọng lượng xe tải tính bằng tấn 20% phía trên của tập mẫu trọng lượng các xe tải; σ20 là độ lệch chuẩn 20% phía trên mẫu các xe tải; t(ADTT)phụ thuọc lưu lượng 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 chương trình nghiên cứu đường 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 như 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) nhưng cũng rất là nhỏ so với số xe tải

n ng có thể qua cầu trong tuổi thọ thiết kế (75 năm) chưa kể đến các xe tải n ng tránh trạm cân Hiệu ứng lớn nhất do hoạt tải trong khoảng thời gian dài được tính toán ngoại suy từ dữ liệu khảo sát xe tải n ng hiện có Giả định giới hạn tải trọng hợp phápvà lưu lượng xe trong tương tai giống ở hiện tại giống như 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 đưa ra mô hình tải trọng thiết

kế HL93 thay cho mô hình tải trọng cũ HS20 Mô hình hoạt tải thiết kế HL93 được 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 152m) cũng đã được 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 như 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 vượt quá 1.25 tương tự các nhịp ngắn hơn trong báo cáo NCHRP 368 (Nowak,1999)

(61m-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 tương đương chứ chưa 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 nước 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 được 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 thường 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 Phương trình cơ bản của phương pháp hệ số sức kháng và hệ số tải trọng (các hệ số riêng phần) như sau (ISO 2394:2012):

Với mỗi tập hợp các hệ số riêng phần (m1, m2, f1, f2) đại điện cho các phần

tử kết cấu được 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 phương pháp đánh giá kết cấu hiện hữu cần thực hiện theo phương 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 Phương pháp cập nhật phân tích độ tin cậy dựa trên kết quả thử tải cũng được giới thiệu

Để đơn giản hóa cho tính toán thiết kế và đánh giá kết cấu cũ các nước thường dựa trên các dữ liệu thống kế đã thu thập được 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 đưa vào cho từng tổ hợp tải trọng từng trạng thái giới hạn để tránh sự phân tích xác suất phức tạp cho các kỹ sư thực hành, phương pháp này còn gọi là phương pháp bán xác suất Định dạng các tiêu chuẩn thiết kế và đánh giá kết cấu hiện nay thường theo kiểu này

Để đánh giá mỏi cầu thép, sử dụng xe tải mỏi đại diện cho các xe tải sử sử dụng Trọng lượng 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 lượng 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 lượng 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 hưởng lớn đến sự hư hỏng bản hơn là trọng lượng xe nguyên (Batchelor et al., 1978, Kostem et al., 1978, and James et al 1988)

- Để chẩn đoán sự hư hỏng do mỏi cầu dầm BTDUL Overman et al (1984) đã

đề xuất công thức sau:

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 được 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 đường bộ” của tác giả Trịnh Văn Toàn năm 2009 [5] đã nghiên cứu một số vấn đề sau: Tổng quan về hệ thống cầu đường bộ Việt nam; Hiện trạng hư 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

hư 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 hư hỏng mỏi theo lý thuyết tổn thương 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 chưa đưa ra phương 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 trường 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 đường bộ Việt nam” [6] cũng đã hệ thống lại một số nội dung như: Hạn chế tải trọng khai thác cầu đường bộ trên thế giới và Việt Nam hiện hành; cơ sở phương pháp đánh giá cầu theo tiêu chuẩn hiện hành 22TCN