Nghiên cứu đánh giá tính dư trong kết cấu cầu ở Việt Nam

 member Chỉ số độ tin cậy thành phần  sysem Chỉ số độ tin cậy hệ thống  ult  Chỉ số độ tin cậy của hệ thống kết cấu cho TTGH cuối cùng  funct Chỉ số độ tin cậy hệ thống cho TTGH h

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện Các số liệu

và kết quả trình bày trong luận án là trung thực, chưa được công bố bởi bất kỳ tác giả nào hay ở bất kỳ công trình nào khác

LỜI CẢM ƠN

Luận án Tiến sỹ được thực hiện tại Trường Đại học Giao thông Vận tải dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Trần Đức Nhiệm và PGS.TS Nguyễn Thị Minh Nghĩa Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy về định hướng khoa học, liên tục quan tâm sâu sát, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình nghiên cứu, có những lúc nghiên cứu sinh cảm tưởng khó có thể tiếp tục nghiên cứu nhưng nhờ sự động viên, khích lệ của các thầy cộng với sự

nỗ lực không ngừng nghỉ của bản thân, đến nay luận án đã được hoàn thành Nghiên cứu sinh cũng xin được chân thành cảm ơn các nhà khoa học trong và ngoài nước, tác giả của các công trình nghiên cứu đã được nghiên cứu sinh sử dụng trích dẫn trong luận án về nguồn tư liệu quý báu, những kết quả liên quan trong quá trình nghiên cứu hoàn thành luận án

Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu, Phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, Bộ môn Cầu Hầm, Hội đồng Tiến sỹ Trường Đại học Giao thông Vận tải đã tạo điều kiện để nghiên cứu sinh thực hiện và hoàn thành chương trình nghiên cứu của mình

Nghiên cứu sinh cũng xin trân trọng cảm ơn Bộ Giao thông Vận tải đã đưa vào quy hoạch đào tạo sau đại học giai đoạn 2011-2015, cảm ơn lãnh đạo Ban PPP đã tạo điều kiện cho nghiên cứu sinh vừa công tác vừa học tập, nghiên cứu

Cuối cùng là sự biết ơn đến ba mẹ, vợ và các con vì đã liên tục động viên

để duy trì nghị lực, sự hy sinh thầm lặng, sự cảm thông, chia sẻ về thời gian, sức khỏe và các khía cạnh khác của cuộc sống trong cả quá trình thực hiện luận án

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU xiv

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÍNH DƯ VÀ XÁC ĐỊNH MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1

1.1 Tổng quan về các công trình cầu ở Việt Nam 1

1.1.1 Các dạng kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép và bê tông cốt thép dự ứng lực [2],[5] 1

1.1.2 Các dạng kết cấu nhịp cầu thép [4] 4

1.1.3 Các dạng kết cấu mố, trụ [3] 6

1.2 Tổng quan về nghiên cứu tính dư 8

1.2.1 Các phương pháp được sử dụng để tính toán tính dư [29], [32], [48], [49], [50], [52], [57] 8

1.2.2 Nghiên cứu tính dư trong kết cấu công trình cầu 9

1.2.3 Nhận xét 13

1.2.4 Tính dư trong tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 272-05 13

1.3 Những vấn đề còn tồn tại trong nghiên cứu tính dư 14

1.4 Những vấn đề đề tài tập trung nghiên cứu giải quyết 15

1.5 Kết luận chương 1 16

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỊNH CHUẨN TÍNH DƯ CỦA KẾT CẦU VÀ ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH TỔNG QUAN XÁC ĐỊNH TÍNH DƯ 17

2.1 Đánh giá tính dư cho kết cấu phần dưới [48] 17

2.1.1 Xác định kết cấu bên dưới điển hình 17

2.1.2 Các giả thiết về trạng thái làm việc của kết cấu và TTGH tương ứng [27], [48], [56] 25

2.1.3 Phương pháp phân tích tính dư 28

2.1.4 Tính toán tính dư [75] 31

2.1.5 Quan hệ giữa hệ số hệ thống s với phương pháp độ tin cậy của tính dư

u và tỉ lệ bảo toàn hệ thống Ru 52

2.1.6 Tỉ lệ bảo toàn hệ thống của hình dạng kết cấu bên dưới định hình 54

2.1.7 Quy trình xác định tính dư cho kết cấu phần dưới [48] 55

2.2 Đánh giá và định chuẩn tính dư của kết cấu phần trên 62

2.2.1 Mức độ an toàn của kết cấu phần trên 63

2.2.2 Các trạng thái giới hạn 64

2.2.3 Chu kỳ vòng đời và mô hình tải trọng - chỉ số độ tin cậy 67

2.2.4 Phương pháp độ tin cậy 69

2.2.5 Xác định chỉ số độ tin cậy mục tiêu 70

2.2.6 Quy trình kiểm tra tính dư trực tiếp 72

2.2.7 Quy trình từng bước xác định hệ số dư 75

2.2.8 Hệ số hệ thống (tính dư) 77

2.2.9 Hệ số hệ thống cho cầu điển hình thông dụng 79

2.2.10 Xếp hạng tải trọng cho cầu đang tồn tại 80

2.3 Kết luận chương 2 82

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH PHI TUYẾN XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỰC HẠN CỦA KẾT CẤU 84

3.1 Tổng quan 84

3.2 Tóm tắt lý thuyết phần tử hữu hạn tích hợp bước nhảy chuyển vị cho phần tử dầm Timoshenko 88

3.2.1 Lý thuyết dầm Timoshenko và phương pháp phần tử hữu hạn truyền thống 88

3.2.2 Mở rộng phương pháp phần tử hữu cho dầm Timoshenko để xét đến phá hoại uốn và cắt trên dầm [78] 93

3.3 Mối quan hệ nội lực – biến dạng (mô-men/ độ cong, lực cắt – biến dạng cắt) trong dầm bê tông cốt thép 98

3.4 Phương pháp chia lớp mặt cắt để xác định trạng thái ứng suất, biến dạng trong dầm 101

3.5 Xây dựng bảng tính xác định đường cong chịu uốn (đường cong M-к)

phụ thuộc vào lực dọc và lực cắt trên dầm 109

3.6 Thí nghiệm kiểm chứng mô hình phân tích đề xuất 112

3.6.1 Cấu tạo của dầm BTCT thí nghiệm 113

3.6.2 Sơ đồ thí nghiệm 115

3.6.3 Xây dựng mô hình phi tuyến cho dầm thí nghiệm: 116

3.7 So sánh kết quả mô hình hóa và kết quả thí nghiệm 123

3.8 Kết luận chương 3 129

CHƯƠNG 4 CÁC VÍ DỤ ÁP DỤNG MÔ HÌNH PHI TUYẾN VÀ QUY TRÌNH TRỰC TIẾP 130

4.1 Trụ 2 cột chịu lực đẩy ngang 130

4.1.1 Phân tích sự làm việc của trụ dưới tác dụng của lực đầy ngang theo mô hình phi tuyến 130

4.1.2 Xác định tính dư của kết cấu trụ 2 cột theo quy trình trực tiếp 134

4.2 Trụ 3 cột 135

4.2.1 Phân tích sự làm việc của trụ 3 cột chịu lực ngang 135

4.2.2 Xác định tính dư của kết cấu trụ 3 cột theo quy trình trực tiếp 137

4.3 Dầm liên tục 2 nhịp 138

4.3.1 Phân tích khả năng chịu lực thẳng đứng của dầm liên tục 2 nhịp 138

4.3.2 Xác định tính dư của dầm liên tục hai nhịp theo Quy trình trực tiếp 140

4.4 Kết luận chương 4 140

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 142

DANH MỤC CÁC BÀI BÁO, ĐỀ TÀI CÔNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 147

TÀI LIỆU THAM KHẢO 148

PHỤ LỤC 157

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các thông số trung bình của 4 loại kết cấu bên dưới 19

Bảng 2.2 Các thông số của kết cấu uốn hai cột 20

Bảng 2.3 Các thông số của kết cấu uốn bốn cột 21

Bảng 2.4 Độ cứng móng - kết cấu uốn hai cột 22

Bảng 2.5 Độ cứng móng - kết cấu uốn bốn cột 23

Bảng 2.6 Kết quả phân tích lực đẩy phi tuyến kết cấu uốn 2 cột 31

Bảng 2.7 Các biến số kết cấu của kết cấu uốn hai cột và bốn cột 32

Bảng 2.8 Các điều kiện địa chất và móng 32

Bảng 2.9 Dữ liệu đầu vào cho phân tích ví dụ cầu hai cột 41

Bảng 2.10 Dữ liệu đầu vào cho phân tích ví dụ cầu bốn cột 42

Bảng 2.11 Khả năng tải trọng ngang đối với trụ bốn cột và hai cột 44

Bảng 2.12 Giá trị của biến ngẫu nhiên đã sử dụng trongphân tích kết cấu uốn hai cột 45

Bảng 2.13 Kết quả của phân tích đối với kết cấu uốn hai cột 45

Bảng 2.14 Kết quả của phân tích đối với kết cấu uốn bốn cột 46

Bảng 2.15 Giá trị trung bình và COV của tải trọng áp dụng như là tác động của 2 xe tải thiết kế đặt cạnh nhau 68

Bảng 2.16 Tỉ lệ hệ số tải trọng yêu cầu đối với phương pháptính dư hệ thống trực tiếp 73

Bảng 3.1 Kết quả thí nghiệm cường độ bê tông 113

Bảng 3.2 Kết quả thí nghiệm cường độ thép 114

Bảng 3.3 Chia lớp phần tử bê tông 116

Bảng 3.4 Chia lớp phần tử thép 117

Bảng 3.5 Giá trị mô men – độ cong cho phần tử dầm 122

Bảng 3.6 Thông số đầu vào cho phần tử chịu uốn thuần túy 123

Bảng 3.7 Thông số đầu vào cho phần tử chịu uốn (có xét đến ảnh hưởng của lực cắt) 124

Bảng 4.1 Đặc trưng vật liệu sử dụng trụ 2 cột 131 Bảng 4.2 Đặc trưng vật liệu sử dụng trụ 3 cột 136 Bảng 4.3 Đặc trưng vật liệu sử dụng dầm liên tục hai nhịp 139

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cầu dàn BTCT thường (Cầu Sê Rê Pôk cũ- Đăk Lăk) 1

Hình 1.2 Cầu Roòn- Quốc lộ 1A - Quảng Bình (1985) 2

Hình 1.3 Cầu Pá Uôn - Sơn La (2010) 3

Hình 1.4 Cầu Thanh Trì- Hà Nội (2006) 4

Hình 1.5 Cầu Bãi Cháy- Quảng Ninh (2006) 4

Hình 1.6 Cầu Long Biên 5

Hình 1.7 Cầu Hàm Rồng 6

Hình 1.8 Trụ Cầu Thăng Long (Hà Nội) 7

Hình 1.9 Một số hình dạng điển hình của trụ cầu 7

Hình 2.1 Cầu Turnpike sụp đổ 18

Hình 2.2 Mô hình kết cấu uốn hai cột 29

Hình 2.3 Mặt cắt cột rời rạc 30

Hình 3.1 Mô hình khung dầm cho kết cấu bê tông cốt thép 86

Hình 3.2 Phá hoại nén uốn đồng thời 86

Hình 3.3 Phá hoại cắt-uốn đồng thời (xem [91]) 87

Hình 3.4 Quan hệ giữa mô-men giới hạn và lực cắt giới hạn cho một số dạng mặt cắt dầm bê tông cốt thép [43] 87

Hình 3.5 Quan hệ chuyển vị -biến dạng của dầm theo lý thuyết của Timoshenko và Euler-Bernoulli (nguồn [92]) 89

Hình 3.6 Mô hình phần tử dầm chịu tác dụng của ngoài lực 89

Hình 3.7 Hàm dạng mô tả bước nhảy của góc xoay và chuyển vị thẳng đứng trong phần tử 95

Hình 3.8 Hàm Heaviside H x c và hàm  x 95

Hình 3.9 Quá trình phá hoại dầm bê tông cốt thép 99

Hình 3.10 Mô hình chịu uốn của dầm bê tông cốt thép (xem [22], [78]) 99

Hình 3.11 Mô hình quan hệ lực cắt – biến dạng cắt trượt (xem [78]) 100

Hình 3.12 Phân lớp dầm và trạng thái ứng suất, biến dạng tại một điểm 101

Hình 3.13 Trạng thái ứng suất- biến dạng tại một phân tố trên dâm 102

Hình 3.14 Vòng tròn Mohr ứng suất và vòng tròn Mohr biến dạng tại lớp đang xét 102

Hình 3.15 Trạng thái biến dạng của dầm khi chịu cắt và uốn đồng thời 103

Hình 3.16 Biều đồ ứng suất – biến dạng của bê tông theo mô hình vật liệu của Vecchio và Collins ([33], [44]) 105

Hình 3.17 Biều đồ ứng suất – biến dạng của thép (đàn hồi – dẻo lý tưởng) 106

Hình 3.18 Sơ đồ thuật toán xác định trạng thái ứng suất-biến dạng của dầm BTCT 108

Hình 3.19 Mô-đun nhập số liệu đầu vào (kích thước, thông số vật liệu dầm) 110 Hình 3.20 Mô-đun nhập số liệu đầu vào(lực cắt, lực dọc trục) 110

111

Hình 3.21 Kết quả đường cong mô-men/độ cong (M- к) 111

Hình 3.22 Đường cong M- к của dầm phụ thuộc vào lực dọc trục trong dầm 111 Hình 3.23 Đường cong M- к của dầm phụ thuộc vào lực cắt trong dầm 112

Hình 3.24 Bố trí cốt thép trong dầm thí nghiệm 115

Hình 3.25 Công tác chế tạo, gia công dầm thí nghiệm 115

Hình 3.26 Sơ đồ gia tải dầm (uốn 4 điểm) 116

Hình 3.27 Đường cong quan hệ ứng suất- biến dạng cho bê tông dầm (f’c =36.08MPa) 117

Hình 3.28 Đường cong quan hệ ứng suất- biến dạng cho cốt thép (fy = 523.67MPa) 118

Hình 3.29 (a) Biểu đồ biến dạng trên dầm 119

Hình 3.29 (b) Biểu đồ ứng suất trên dầm tại trạnig thai mô-men nứt 119

Hình 3.30 (a) Biểu đồ biến dạng trên dầm khi ứng suất ở vùng cốt thép chịu kéo đạt đến giới hạn chảy i

Hình 3.30 (b) Biểu đồ ứng suất trên mặt cắt ngang dầm khi ứng suất ở vùng cốt thép chịu kéo đạt đến giới hạn chảy 120

Hình 3.31 (a) Biến dạng trong bê tông khi ứng suất ở vùng nén bê tông đạt đến

giới hạn nén 121

Hình 3.31 (b) Ứng suất trong bê tông khi ứng xuất ở vùng nén bê tông đạt đến giới hạn 121

Hình 3.32 Quan hệ mô-men độ cong của phần tử dầm ứng với các giá trị lực cắt khác nhau 122

Hình 3.33 Mô-men giới hạn của dầm giảm xuống khi lực cắt tăng 123

Hình 3.34 Đánh số phần tử và đánh số nút cho mô hình dầm 124

Hình 3.35 Biểu đồ phân phối mô-men và lực cắt trên dầm tại thời điểm chuyển vị cưỡng bức bằng 5cm (mô hình thứ nhất) 125

Hình 3.36 Biểu đồ độ võng và góc xoay trên dầm ở thời điểm chuyển vị cưỡng bức bằng 5cm tại vị trí đặt lực (mô hình thứ nhất) 125

Hình 3.37 Biểu đồ phân phối mô-men và lực cắt trên dầm tại thời điểm chuyển vị cưỡng bức bằng 5cm tại vị trí đặt lực (mô hình thứ 2) 126

Hình 3.38 Biểu đồ độ võng và góc xoay trên dầm ở thời điểm chuyển vị cưỡng bức bằng 5cm (mô hình thứ hai) 126

Hình 3.39 Biểu đồ lực/độ võng của dầm theo kết quả mô hình hóa 127

Hình 3.40 Kết quả nén dầm trong phòng thí nghiệm 127

Hình 3.41.Kết quả từ mô hình phân tích (phóng đại 1000 lần) 128

Hình 3.42 So sánh kết quả mô hình hóa với đường cong lực /độ võng của dầm 128

Hình 4.1 Trụ khung 2 cột 131

Hình 4.2 Quan hệ mô men – độ cong cho cột và dầm ngang 132

Hình 4.3 Quan hệ lực cắt – biến dạng cắt cho cột 132

Hình 4.4 Quan hệ lực ngang và chuyển vị ngang tại xà mũ 133

Hình 4.5 Chuyển vị của trụ cột dưới tác dụng tại thời điểm chuyển vị ngang bằng 160mm 133

Hình 4.6 Trụ khung 3 cột 135

Hình 4.7 Quan hệ lực - chuyển vị ngang của trụ khung 3 cột 136

Hình 4.8 Biến dạng của trụ ứng với chuyển vị ngang ở xà mũ bằng 160mm 137

Hình 4.9 Dầm liên tục 2 nhịp chịu tải trọng thẳng đứng 138

Hình 4.10 Cấu tạo mặt cắt ngang dầm 138

Hình 4.11 Quan hệ lực và độ võng tại giữa nhịp 2 khi tăng tải 139

Hình 4.12 Dầm ở trạng thái phá hoại trong TTGH cường độ 139

 member Chỉ số độ tin cậy thành phần

 sysem Chỉ số độ tin cậy hệ thống

 ult  Chỉ số độ tin cậy của hệ thống kết cấu cho TTGH cuối cùng

 funct Chỉ số độ tin cậy hệ thống cho TTGH hoạt động

 damaged Độ tin cậy hệ thống cho điều kiện phá hoại

r 1  Tỉ lệ bảo toàn thành phần

R u  Tỉ lệ bảo toàn hệ thống cho TTGH cuối cùng

R f  Tỉ lệ bảo toàn hệ thống cho TTGH hoạt động

R d  Tỉ lệ bảo toàn hệ thống cho điều kiện phá hoại

 Hệ số điều chỉnh tải trọng; hệ số liên quan đến tính dẻo, tính dư và tầm quan

trọng trong khai thác

 D  Hệ số liên quan đến tính dẻo

 R  Hệ số liên quan đến tính dư

 I  Hệ số liên quan đến tầm quan trọng trong khai thác

Q n  Tác động tổng cộng của trọng lực

L n  Tổng của tác động của hoạt tải danh định

LW  Giá trị trung bình của hệ số tải trọng ngang

max

W

 Giá trị trung bình của tải trọng ngang lớn nhất

W n  Giá trị thiết kế danh định của tải trọng tác dụng

 Giá trị trung bình của hệ số tải trọng tương ứng với TTGH hoạt động

r u  Tỉ lệ tính dư cho TTGH cuối cùng

r f  Tỉ lệ tính dư cho TTGH hoạt động

r d  Tỉ lệ tính dư cho TTGH phá hoại

R final  Sức kháng cuối cùng

R exist  Khả năng thành phần đang tồn tại

P sd  TTGH về mặt sử dụng

P cd  TTGH cường độ

tế - xã hội của các nước trên thế giới và của Việt Nam Ở nước ta, với hơn 3000km bờ biển cùng hệ thống sông ngòi chằng chịt tại đồng bằng Sông Hồng

và đồng bằng Sông Cửu Long cùng với đa số các sông suối ở Miền Trung đều chảy dọc theo hướng Tây Bắc - Đông Nam đổ ra biển đã chia cắt mạng lưới đường bộ Bắc Nam cũng như hệ thống mạng lưới đường bộ liên tỉnh điều này dẫn đến nhu cầu xây dựng cầu vượt sông suối ở nước ta rất lớn, hàng năm có hàng chục cây cầu được xây dựng trên phạm vi toàn lãnh thổ Việt Nam Phần lớn các cây cầu này có kết cấu phần dưới bằng bê tông cốt thép và kết cấu phần trên là dạng dầm bê-tông cốt thép hoặc bê tông cốt thép dự ứng lực nhịp giản đơn hoặc liên tục Tuy nhiên, đi kèm với việc ngày càng có nhiều cầu được xây dựng mới thì việc đánh giá tính dư của các bộ phận kết cấu cầu là một chỉ tiêu quan trọng ảnh hưởng đến độ an toàn cũng như tính kinh tế khi xây dựng cầu Hiện nay, tiêu chuẩn ngành về thiết kế cầu 22TCN-272-05 mới chỉ đề nghị áp dụng hệ số liên quan đến tính dư trong các TTGH chưa đưa ra được cơ sở khoa học cũng như phương pháp tính dư trong kết cấu cầu

Tính dư là khả năng của một hệ thống chịu sự phá hoại mà không sập đổ Sập đổ theo định nghĩa của AASHTO-LRFD [9],[10] sự là thay đổi hình học

lớn, làm cầu làm mất đi khả năng làm việc của nó

Tính dư được phân thành 3 loại chính theo các định nghĩa dưới đây:

- Tính dư nội bộ: một thành phần bị phá hoại sẽ không dẫn đến sự phá

hoại của các thành phần khác Ví dụ, một thành phần của kết cấu bị phá hoại sẽ không dẫn đến các thành phần khác bị phá hoại

- Tính dư kết cấu: tính dư tồn tại như là kết quả của sự liên tục trong

đường truyền tải Kết cấu siêu tĩnh như dầm liên tục và khung cứng thuộc loại này

- Tính dư đường truyền tải: được định nghĩa bởi AASHTO-LRFD

[9],[10],[32],[40], là số các thành phần hỗ trợ Một kết cấu là không dư khi chỉ

có một đường truyền tải hoặc hai đường truyền tải nhưng độc lập với nhau Ví

dụ, một kết cấu nhịp cầu bao gồm một hoặc hai dầm song song được xem như là không dư Một dầm bị phá hoại với một hoặc hai đường truyền tải sẽ dẫn đến sự sụp đổ của nhịp Khi đó, cầu được xem như không dư

Tổng hợp các dạng tính dư nêu trên, tính dư có thể được hiểu là khả năng chịu lực còn lại của kết cấu cầu sau khi một thành phần chịu tải chính bị phá hoại

Tính dư phụ thuộc vào ứng xử tổng thế của toàn bộ kết cấu khi chịu lực

Để tính toán tính dư một công trình cầu, cần xem xét ứng xử của toàn bộ hệ thống và tương tác giữa các bộ phân của kết cấu như: nhịp, mố, trụ và móng Sự tương tác này rất phức tạp với nhiều hệ số ảnh hưởng đến toàn bộ phản ứng của toàn hệ thống Các nghiên cứu trên thế giới hiện tại cũng tiến hành phân chia hệ thống thành các hệ thống thành phần (kết cấu nhịp-kết cấu mố, trụ-địa chất/móng, ) để nghiên cứu riêng Với từng dạng kết cấu này, một số nhà nghiên cứu đã đưa ra quy trình nhiều bước để xác định tính dư cho kết cầu [11], [48], [49], [53], [57], [61], [66], [70] Tuy nhiên, các quy trình này còn phức tạp

và khó áp dụng, đặc biệt là với các kĩ sư thiết kế

Trong tiêu chuẩn thiết kế cầu của Việt Nam [1], tính dư được thể hiện thông qua hệ số dư (ɳr) là một tham số thiết kế đầu vào quan trọng, có thể làm thay đổi kích thước và quy mô của thiết kế do làm tăng, hoặc giảm hiệu ứng tải

trọng tác dụng lên công trình trong công thức kiểm toán Tuy nhiên, chưa có một nghiên cứu nào chỉ ra cách xác định hệ số này, hoặc đưa ra một chỉ dẫn đơn giản

để giúp các kĩ sư thiết kế có thể lựa chọn hệ số tính dư cho phù hợp với từng

loại, bộ phân và dạng kết cấu công trình

Từ tầm quan trọng của vấn đề, số lượng nghiên cứu hạn chế ở Việt Nam

và tính cấp thiết của nội dung nghiên cứu, Nghiên cứu sinh chọn đề tài “Nghiên

cứu đánh giá tính dư trong kết cấu cầu ở Việt Nam”

Mục đích nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của đề tài luận án là đề xuất một quy trình đơn giản

và trực tiếp để xác định tính dư của kết cấu để áp dụng trong quá trình thiết kế

và đánh giá kết cấu công trình cầu, làm cơ sở cho việc xây dựng được hệ thống bảng tra để giúp cho các kĩ sư thiết kế dễ dàng xác định hệ số tính dư cho từng loại kết cấu

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với kiểm chứng bằng thực nghiệm Theo đó, trước hết đề tài tổng hợp những kết quả nghiên cứu về tính dư cho kết cấu cầu trên thế giới và tại Việt Nam Từ đó xác định những điểm cần cải tiến trong quy trình và phương pháp đánh giá tính dư

để có thể xác định được hệ số tính dư chính xác và đơn giản hơn Trên cơ sở đó, luận án đề xuất mô hình lý thuyết cho phép xác định chính xác hơn tính dư của kết cấu cầu Kết quả phân tích lý thuyết được kiểm chứng lại bằng một số kết quả thí nghiệm

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án

Bằng việc nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết phân tích phi tuyến vật liệu và phương pháp PTHH mở rộng, luận án đã đề xuất quy trình xác định tính dư trực tiếp đơn giản hơn so với quy trình của các tác giả trước đó để áp dụng trong thiết

kế cầu Đồng thời đề xuất mô hình phân tích phi tuyến bằng phương pháp PTHH

mở rộng, cho phép xét đến sự làm việc của kết cấu sau khi những bộ phận chính đầu tiên bị phá hoại

Luận án đưa ra các dạng kết cấu điển hình trong công trình cầu để xác định tính dư, giúp thiết lập bảng tra về hệ số tính dư cho các kết cấu này để tiện

áp dụng trong thực tế Qua đó, phát triển một cơ sở hợp lý cho việc xem xét tính

dư kết cấu nhịp và phần dưới trong thiết kế và đánh giá kết cấu cầu, và phát triển

dữ liệu cần thiết để bổ sung vào tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN-272-05

Bố cục của luận án

Để đạt mục tiêu đề ra, luận án giải quyết 03 vấn đề chính: (1) Tổng quan

về tình hình nghiên cứu tính dư, xác định mục tiêu nghiên cứu tính dư (2) Đánh giá và định chuẩn tính dư của kết cấu công trình cầu trên cơ sở lý thuyết độ tin cậy (3) Tính toán, đánh giá tính dư kết cấu trụ cầu

Luận án được cấu thành các nội dung như sau:

Phần mở đầu: Giới thiệu về các lý do chọn lựa đề tài, mục đích nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ðề tài luận án

Chương 4 Các ví dụ áp dụng mô hình phi tuyến và quy trình trực tiếp Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÍNH DƯ VÀ XÁC ĐỊNH MỤC

TIÊU NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về các công trình cầu ở Việt Nam

Các công trình cầu bê tông cốt thép, bê tông cốt thép dự ứng lực và cầu thép đã và đang được xây dựng ngày càng nhiều, theo các giai đoạn lịch sử khác nhau

1.1.1 Các dạng kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép và bê tông cốt thép dự ứng lực [2],[5]

Trước năm 1954, đã có nhiều cầu thuộc hệ thống nhịp bản, dầm giản đơn, dầm hẫng, vòm bê tông cốt thép thường với nhịp 2 đến 20m được xây dựng trên các tuyến đường sắt và đường bộ Ví dụ chỉ trên tuyến đường sắt Hà Nội - TP

Hồ Chí Minh có khoảng hơn 600 cầu bê tông cốt thép nhịp từ 8 đến 11m xây dựng từ 1927 - 1932, đến nay vẫn còn tận dụng được sau khi gia cố sửa chữa nhiều đợt Trên các tuyến đường ô tô ở Nam bộ còn nhiều cầu dầm hẫng, cầu vòm chạy dưới thuộc loại này đang được khai thác, ở miền Bắc hầu hết cầu bê tông cốt thép do Pháp xây dựng đã bị phá hoại do bom Mỹ

Hình 1.1 Cầu dàn BTCT thường (Cầu Sê Rê Pôk cũ- Đăk Lăk)

Trong thời kỳ 1954-1975, nước ta bị chia làm hai miền và sự phát triển cầu bê tông cốt thép cũng đi theo hai hướng khác nhau Ở miền Bắc ngay sau năm 1954 nhiều cầu bê tông cốt thép thường thuộc hệ bản, dầm giản đơn, dầm hẫng đúc bê tông tại chỗ đã được xây dựng Các đề tài ứng dụng bê tông cốt thép dự ứng lực trong xây dựng cầu lần đầu tiên đã do Đại học Giao thông tiến

hành năm 1961: Một số cầu giản đơn bê tông cốt thép dự ứng lực đã được xây dựng như cầu Phủ lỗ, cầu Cửa tiền, cầu Tràng Thưa, cầu Bía (cầu dầm hẫng có chốt giữa) theo đồ án của Việt Nam Các đồ án điển hình về cầu bản mố nhẹ, dầm giản đơn lắp ghép mặt cắt chữ T có dầm ngang hoặc không có dầm ngang với nhịp 3 - 4 - 6 - 9 - 12 - 15 - 21 m đã được Viện Thiết kế Giao thông thiết kế được áp dụng rộng rãi trên các tuyến đường ô tô

Trong quá trình 10 năm xây dựng cầu Thăng Long, một hệ thống cầu dẫn gồm khoảng 4 km cầu đường sắt và 2 km cầu ô tô bằng các dầm bê tông cốt thépdự ứng lực kéo trước hoặc kéo sau đã được xây dựng với công nghệ Liên

Xô (cũ) Qua đó ngành công nghiệp xây dựng cầu bê tông cốt thép dự ứng lực ở nước ta đã tiến một bước mới

Tại miền Nam một số loại đồ án định hình cầu bê tông cốt thép dự ứng lực theo tiêu chuẩn Mỹ AASHTO [9], [10] đã được sản xuất và lắp ghép rộng rãi trên các tuyến đường bộ trục chính khẩu độ nhịp dầm xấp xỉ là 12 - 18 - 25m

Kết cấu dầm BTCT dự ứng lực kéo trước với loại cáp xoắn 7 sợi, d = 12,7mm, Các dầm T được lắp ghép theo phương ngang cầu bằng cáp thép dự ứng lực kéo sau cùng loại nói trên Dạng kết cấu này được lắp ghép nguyên dài bằng các cần cẩu cỡ 40 - 60 tấn, bánh xích

Thời kỳ 1975-1992, tại miền Bắc đã có các trung tâm chế tạo các dầm

dự ứng lực nhịp đến 33 m tại Hà Nội, TP Vinh Tại miền Nam việc sản xuất dầm dự ứng lực vẫn theo mẫu AASHO cũ của Mỹ tại xưởng dầm Châu Thới gần

TP Hồ Chí Minh

Hình 1.2 Cầu Roòn- Quốc lộ 1A - Quảng Bình (1985)

Một số cầu khung T-dầm đeo thuộc hệ tĩnh định có nhịp dài xấp xỉ 60 - 70m (cầu Rào, cầu Niệm, cầu An Dương, v.v ) với cốt thép dự ứng lực dạng bó

24 sợi  5mm đã được xây dựng

Bắt đầu từ năm 1992 nhiều công nghệ tiên tiến của thế giới đang được chuyển giao vào nước ta Đối với những kết cấu nhịp giản đơn dự ứng lực (kéo trước

và kéo sau), công nghệ dầm I, T và Super-T được phát triển rộng rãi với các khẩu độ phổ biến từ 20-42m, số lượng dầm chủ phụ thuộc vào bề rộng cầu đã được áp dụng rất nhiều cho đến hiện nay Bên cạnh đó, công nghệ đúc hẫng hiện đại đã áp dụng thành công ở nhiều dự án lớn như Dự án cải tạo Quốc lộ 1, các dự án cầu Phú Lương (hệ dầm liên tục), cầu Gianh, cầu Pá Uôn v.v, Đến cuối năm 2006 đã có khoảng 60 cầu thuộc hệ thống nhịp liên tục được đúc hẫng thành công

Hình 1.3 Cầu Pá Uôn - Sơn La (2010)

Công nghệ đúc đẩy cũng đã được áp dụng thi công các cầu Mẹt (Bắc Giang), Hiền-Lương., Quán-hầu, Sảo-Phong, Hà-Nha Công nghệ đúc trên đà giáo di đông đã được áp dụng cho phần cầu dẫn của các cầu Thanh-trì (Hà nội), cầu Bãi Cháy (Quảng Ninh)

Hình 1.4 Cầu Thanh Trì- Hà Nội (2006)

Công nghệ đúc hẫng dầm cứng của cầu dây văng-dầm cứng bê tông cốt thép đã áp dụng thành công ở cầu Mỹ thuận (Tiền Giang), cầu bãi Cháy (Quảng Ninh-2006) Công nghệ lắp hẫng của cầu dây văng-dầm cứng bê tông cốt thép

đã áp dụng thành công ở cầu Kiền (Hải-Phòng-2003)

Hình 1.5 Cầu Bãi Cháy- Quảng Ninh (2006)

1.1.2 Các dạng kết cấu nhịp cầu thép [4]

Trước năm 1954, mạng lưới giao thông đường sắt và đường bộ được triển khai, đặc biệt là tuyến đường sắt xuyên Việt (1920-1936) Khi đó nhiều cầu giàn thép đã được xây dựng Đặc điểm nổi bật của các cầu thép trong giai đoạn này là khổ hẹp, tải trọng nhẹ kết cấu theo dạng cổ điển ở các nước châu âu vào cuối thể kỉ 19 Trên đường sắt chỉ phục vụ một đường đơn chung với ôtô, trên đường bộ thưởng chỉ thiết kế cho một làn xe Dàn chủ có dạng nhiều thanh xiên

như cầu Đuống cũ, các dàn biên cong và vành lược như cầu Ninh Bình, Phú

Lương, Lai Vu, Tân An, Bến Lức; một số cầu có tính định hình bán vĩnh cửu trên

thế giới như các dàn Pigiô, Effel, Bailey [28], Cây cầu nổi tiếng được xây dựng

tại Việt Nam thời đó là cầu Long Biên Cầu dàn có biên đa giác với chiều dài

toàn cầu gần 3000m trong đó phần dàn thép dài 1860m, theo sơ đồ dàn hẫng, nhịp lớn nhất dài 130m và nhịp đeo dài 52,5m và đến nay cầu vẫn còn đang được sử dụng

Hình 1.6 Cầu Long Biên

Sau năm 1954, một số công trình được khôi phục và làm mới hàng loạt

các cầu thép như cầu Làng Giàng ở Lào Cai, cầu Việt Trì, cầu Ninh Bình, cầu

Hàm Rồng được xây dựng lại theo sơ đồ dàn liên tục 2 nhịp (80 + 80)m Một số

công trình được xây dựng như: Cầu Sài Gòn, Cầu Bình Triệu, Bến Lức, Từ năm

1954 - 1975 hầu hết các công trình cầu ở miền Bắc đều bị phá huỷ trong cuộc chiến tranh phá hoại do Mỹ phát động Các công trình cầu giai đoạn này chủ yếu

là công trình tạm để phục vụ giao thông trong thời chiến Sau năm 1975, hàng loạt các cầu thép trên tuyến đường sắt xuyên Việt lần lượt được thay thế và xây dựng mới

Như vậy, ở Việt Nam hiện tồn tại nhiều dạng kết cấu nhịp thép khác nhau (giàn thép và dầm thép), trong đó dạng kết cấu nhịp dầm thép liên hợp dạng nhiều dầm chủ chiếm tỷ lệ rất lớn

1.1.3 Các dạng kết cấu mố, trụ [3]

Cùng với sự phát triển kết cấu phần trên, các dạng mố trụ cầu được sử dụng trong các công trình cầu ở Việt Nam khá đa dạng, tùy vào dạng kết cấu nhịp Vật liệu cấu thành bao gồm: đá xây, bê tông, bê tông cốt thép, Một số ít mố trụ dạng lắp ghép và bán lắp ghép, còn lại chủ yếu là kết cấu toàn khối

Đối với mố cầu, khá nhiều cầu được đã xây dựng dưới dạng như mố kê,

mố chữ nhật hay mố vùi, Hầu hết các công trình xây dựng gần đây, mố cầu BTCT dạng chữ U đang được áp dụng Tùy theo dạng kết cấu nhịp và điều kiện

địa chất, thủy văn, các dạng trụ cầu được áp dụng khá đa dạng như: trụ thân hẹp, trụ thân cột (hai cột và nhiều cột) và trụ nặng Gần đây, một số công trình lớn được xây dựng với kết cấu lớn, do đó nhiều trụ cầu được xây dựng như trụ cầu

Pá Uôn (Sơn La), trụ tháp các cầu dây văng (Mỹ Thuận, Bãi Cháy, Nhật Tân, )

Hình 1.8 Trụ Cầu Thăng Long (Hà Nội)

Hình 1.9 Một số hình dạng điển hình của trụ cầu

1.2 Tổng quan về nghiên cứu tính dư

Một xu hướng có thể thấy trong xu thế phát triển chung của việc xây dựng công trình cầu ở Việt Nam là có mức độ phức tạp (có thể được hiểu là mức độ

dư thừa) tăng dần Tuy nhiên, việc đánh giá tính dư của kết cấu cầu ở Việt Nam

từ trước đến nay chưa được chú trọng, ngoại trừ một số nghiên cứu của PGS.TS Trần Đức Nhiệm, PGS.GS Phạm Văn Thứ về lý thuyết độ tin cậy như là một cơ

sở của việc xác định tính dư [6],[7],[8] Ở các phần sau, luận án giới thiệu các phương pháp được sử dụng để tính toán tính dư trên và kết quả nghiên cứu về tính dư của các tác giả trên thế giới cho đến thời điểm này

1.2.1 Các phương pháp được sử dụng để tính toán tính dư [29], [32], [48], [49], [50], [52], [57]

Hệ số hệ thống s sử dụng trong công thức kiểm tra thiết kế các thành phần kết cấu như sau:

n w n L d d

Hệ số sđược đặt vào vế trái của công thức (1.1) bởi vì hệ số hệ thống thì quan hệ với khả năng của hệ thống và do đó, được nhân với sức kháng Khi

Phương pháp của LRFD truyền thống dựa trên cơ sở độ tin cậy của các thành phần được thể hiện bằng chỉ số độ tin cậy thành phần member, độ tin cậy và

an toàn tăng cường của hệ thống cầu được thể hiện bằng chỉ số độ tin cậy hệ thống, sysem Vì vậy, phương pháp tính dư trên cơ sở độ tin cậy là chỉ số độ tin cậy tương đối, , thông số đại diện cho khoảng tăng sự an toàn/độ tin cậy sau khi phá hoại thành phần như được ứng dụng trong quy tắc AASHTO - LRFD truyền thống:

1.2.2.1 Hệ số bảo toàn hệ thống (R)

Tính dư của kết cấu cầu được định nghĩa là khả năng của kết cấu tiếp tục chịu được tải trọng sau khi một trong các thành phần của kết cấu bị phá hoại Một cách khác, là tỷ lệ bảo toàn hệ thống (được biết như là tỷ lệ bảo toàn cường độ) đại diện cho khả năng cuối cùng của hệ thống kết cấu khi so sánh với khả năng của hệ thống để chống lại sự phá hoại của thành phần đầu tiên

Các TTGH được nghiên cứu để xác định tỉ lệ bảo toàn hệ thống:

- Phá hoại thành phần: Là kiểm tra độ an toàn thành phần riêng lẽ sử

dụng phân tích đàn hồi và khả năng của thành phần như là định nghĩa trong tiêu chuẩn hiện tại Hệ số tải trọng được xác định là LFl

- TTGH cường độ: Được định nghĩa như là khả năng cuối cùng của hệ

thống cầu hay sự hình thành một cơ chế sụp đổ Tải trọng và hệ số tải trọng dẫn đến phá hoại thành phần đầu tiên là F1 và LF1; trong đó, F1 = LF1xWn, Wn là tải trọng ngang thiết kế (danh định) Tải trọng và hệ số tải trọng gây ra phá hoại của kết cấu nguyên vẹn là Fu và LFu; trong đó, Fu = LFuxWn Tỉ lệ bảo toàn hệ thống cho TTGH cuối cùng, Ru, được định nghĩa:

l u l

u u

LF

LF F

- TTGH về sử dụng: Trong trường hợp nhất định, tải trọng ngang áp

dụng trên kết cấu bên dưới cầu làm cho chuyển vị ngang tổng cộng lớn dẫn đến cầu không sử dụng được cho giao thông thậm chí trước khi cơ chế sụp đổ hay sự nén vỡ của bê tông xảy ra Vì vậy, cầu rơi vào “trạng thái không sử dụng được”

trước khi đạt đến TTGH cuối cùng Tiêu chí chuyển vị tổng cộng bao gồm chuyển vị ở trong địa chất, móng và biến dạng của bản thân kết cấu TTGH về

sử dụng được định nghĩa như là tải trọng mà chuyển vị ngang tổng cộng đạt đến một giá trị bằng H/50, trong đó, H là chiều cao của kết cấu trụ, mố (nếu là kết cầu phần dưới) Tải trọng ngang tương ứng với tiêu chí TTGH này được thể hiện bởi Ff bằng tải trọng danh định ban đầu (Wn) nhân với hệ số tải trọng LFf,, Ff =

LFf xWn Tỉ lệ bảo toàn hệ thống cho TTGH hoạt động là:

l f l

f f

LF

LF F

F

Đối với kết cấu bên trên, TTGH hoạt động được định nghĩa như là khả năng của kết cấu để chống lại chuyển vị do tải trọng động trong thành phần dọc chính bằng L/100 (với L là chiều dài nhịp) Hệ số tải trọng được xác định là LFf

- TTGH cuối cùng về cường độ: Được định nghĩa như là khả năng cuối

cùng của hệ thống cầu sau khi dở bỏ một thành phần chịu tải chính từ mô hình kết cấu Hệ số tải trọng được xác định là LFd

Các giá trị LFl, LFu, LFf và LFd là thông số của khả năng của kết cấu cho

4 TTGH trên Bởi vì tính dư thì được định nghĩa như là khả năng của kết cấu tiếp tục chịu tải sau khi phá hoại của thành phần chính, so sánh LFl, LFu, LFf và

LFd cung cấp một đánh giá của mức độ của tính dư cầu Tỉ lệ bảo toàn hệ thống cho TTGH cuối cùng Ru, cho TTGH hoạt động Rf, và cho điều kiện phá hoại Rdđược định nghĩa như sau:

R u = LF u /LF l

R d = LF d /LF l

Tỷ lệ bảo toàn hệ thống Ru, Rf và Rd là đơn vị danh định của tính dư cầu

Ví dụ: Khi tỷ số Ru bằng 1.0 (LFu=LFl), khả năng cuối cùng của hệ thống cầu bằng khả năng của cầu chống lại sự phá hoại của thành phần trọng yếu nhất

của nó; như là một cầu không dư Khi Ru tăng, mức độ tính dư cầu tăng Rf nhỏ hơn 1.0 nghĩa là cầu sẽ có một biến dạng bằng chiều dài nhịp/100 ở mức độ tải trọng nhỏ hơn tải trọng mà sẽ gây ra sự phá hoại của thành phần đầu tiên Rd nhỏ hơn 1.0 nghĩa là một cầu phá hoại sẽ có khả năng chịu tải trọng động nhỏ hơn tải trọng mà sẽ gây ra sự phá hoại của thành phần đầu tiên trong kết cấu nguyên vẹn Để kiểm tra hệ thống cầu có mức độ tính dư đầy đủ hay không, cần phải sử dụng chương trình phân tích kết cấu để tính LFl, LFu, LFf và LFd và để chứng minh rằng Ru, Rf và Rd là đầy đủ

1.2.2.2 Chỉ số độ tin cậy tương đối - phương pháp cơ sở của tính dư

Để nghiên cứu tính dư của hệ thống, cần thiết phải kiểm tra sự khác nhau giữa chỉ số độ tin cậy của hệ thống được thể hiện là damage, ult và funct và chỉ số độ tin cậy của thành phần trọng yếu nhất của kết cấu nguyên vẹn được thể hiện là

member Chỉ số độ tin cậy tương đối được định nghĩa là:

member ult

member funct

member damaged



Trong đó:

ult - chỉ số độ tin cậy của hệ thống kết cấu cho TTGH cuối cùng

funct - chỉ số độ tin cậy hệ thống cho TTGH hoạt động

damaged - độ tin cậy hệ thống cho điều kiện phá hoại Chỉ số độ tin cậy tương đối này đưa ra phương pháp của độ an toàn phụ thêm được cung cấp bởi hệ thống kết cấu bên dưới so sánh với độ an toàn danh định chống lại phá hoại của thành phần đầu tiên Vì vậy, một hệ thống kết cấu sẽ cung cấp mức độ đầy đủ tính dư hệ thống nếu chỉ số độ tin cậy tương đối là đầy

đủ

1.2.2.3 Hệ số hệ thống

Hệ số hệ thống slà hệ số liên quan với sự an toàn, tính dư và tính dẻo của hệ thống kết cấu Các nghiên cứu trước đây đã cung cấp các bảng hệ số hệ thống s, áp dụng cho hình dạng kết cấu cầu thông dụng Hệ số hệ thống có thể được sử dụng trong công thức (1.1) để kiểm tra thiết kế các thành phần kết cấu

1.2.3 Nhận xét

Như vậy hiện tại có 03 phương pháp tính toán tính dư kết cấu: Tỷ lệ bảo toàn hệ thống Rn; chỉ số độ tin cậy tương đối ; hệ số tính dư hệ thống s

1.2.4 Tính dư trong tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 272-05

Trong Tiêu chuẩn 22TCN 272-05 [1], tính dư được xét đến thông qua hệ

số tính dư nằm trong hệ số điều chỉnh tải trọng

Theo đó, tất cả các cấu kiện và liên kết đều phải thỏa mãn phương trình sau cho tất cả các TTGH, trừ khi được quy định khác Mọi TTGH được coi trọng như nhau

D = hệ số liên quan đến tính dẻo

 R = hệ số liên quan đến tính dư

I = hệ số liên quan đến tầm quan trọng trong khai thác Các kết cấu có nhiều đường truyền lực và kết cấu liên tục cần được xét đến tính dư trừ khi có những lý do bắt buộc khác

Các bộ phận hoặc cấu kiện chính mà sự hư hỏng của chúng gây ra sập đổ cầu phải được coi là có nguy cơ hư hỏng và hệ kết cấu liên quan không có tính

dư, các bộ phận có nguy cơ hư hỏng có thể được xem là phá hoại giòn

Các bộ phận hoặc cấu kiện mà sự hư hỏng của chúng không gây nên sập

đổ cầu được coi là không có nguy cơ hư hỏng và hệ kết cấu liên quan là dư

Đối với TTGH cường độ:

R≥ 1.05 cho các bộ phận không dư

= 1.00 cho các mức dư thông thường

≥ 0.95 cho các mức dư đặc biệt

1.3 Những vấn đề còn tồn tại trong nghiên cứu tính dư

Nghiên cứu tính dư trong thiết kế cầu là một ý tưởng khá mới mẻ được các nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm Tuy nhiên, ở Việt Nam vấn đề này vẫn chưa được các nhà khoa học nghiên cứu sâu

Tiêu chuẩn thiết kế AASHTO [9], [10] đã phác thảo một định dạng diễn giải tính dư và các thông số khác liên quan Trong quá trình thiết kế sử dụng một

“hệ số điều chỉnh tải trọng” R, liên quan đến tính dư của kết cấu

Theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05 [1] có định nghĩa và hướng dẫn cách áp dụng tương tự tiêu chuẩn thiết kế AASHTO – LFRD như trình bày ở trên

Tuy nhiên, theo các phương pháp trên thì giá trị của R được xác định bằng cách áp dụng trực tiếp chứ không phải bằng quá trình đánh giá điều chỉnh

Ngoài ra, khó khăn chính trong việc ứng dụng khái niệm tính dư vào thực

tế kỹ thuật là thiếu các phương pháp đơn giản mà người thiết kế có thể sử dụng

để xác định sự đầy đủ về thiết kế của họ Tiêu chuẩn AASHTO – 1996 [9] đòi hỏi xem xét đến tính dư khi thiết kế các thành phần công trình cầu thép Trong tiêu chuẩn này yêu cầu các khoảng ứng suất mỏi cho phép khác nhau đối với các kết cấu có “đường truyền tải không dư” và “dư” Theo định nghĩa của AASHTO

- 1996 [9], [10] “một thành phần có thể được xem là một thành phần đường

truyền tải không dư khi một thành phần bị phá hoại thì dẫn đến sự sụp đổ”

Ngoài ra, tiêu chuẩn còn xem xét tính dư của kết cấu bên dưới theo các điều kiện

thiết kế động đất đối với tải trọng ngang Tiêu chuẩn đề nghị “các hệ số điều

chỉnh phản ứng” phụ thuộc vào loại kết cấu và số cột trong một kết cấu uốn

Các tác giả trên thế giới [40], [42], [48], [49], [57], [53], [59], [61], [62], [65], [74], [75], [83], [86], [87] cũng đã nghiên cứu về các thông số về tính dư thông qua tỷ lệ bảo toàn hệ thống Rn; chỉ số độ tin cậy tương đối ; hệ số tính

dư hệ thống s Tuy nhiên, quy trình đề xuất bởi các tác giả này chưa cho phép xác định một cách trực tiếp tính dư trong kết cấu cầu, nguyên nhân là do các tác giả chưa đưa ra được một lý thuyết hay phương pháp tính cho phép xác định được trực tiếp tải trọng phá hoại tương ứng với TTGH cuối cùng của kết cấu về chịu lực và TTGH của kết cấu về sử dụng Quy trình xác định tải trọng phá hoại của kết cấu đề xuất bởi các tác giả này chưa xét được đến phá hoại của kết cấu

do ảnh hưởng của lực cắt, ngoài ra quá trình tính toán đòi hỏi phải tính lặp nhiều lần

Ở Việt Nam, khái niệm về tính dư đã đưa vào tiêu chuẩn thiết kế, tuy nhiên chưa có một nghiên cứu hay phương pháp tính toán nào giúp kĩ sư có thể xác định được mức độ dư của kết cấu, từ đó sử dụng được hệ số tính dư cho phù hợp

1.4 Những vấn đề đề tài tập trung nghiên cứu giải quyết

Dựa trên những phân tích trên về tình trạng nghiên cứu về tính dư và hệ

số tính dư trên thế giới và ở tại Việt Nam, tác giả xác định các nội dung chính để tập trung giải quyết như sau:

1) Làm rõ khái niệm tính dư và hệ số tính dư sử dụng trong thiết kế cấu theo tiêu chuẩn 22-TCN-272-05 ở Việt Nam

2) Xây dựng quy trình trực tiếp giúp xác định hệ số tính dư của kết cấu

3) Trong quy trình trực tiếp này, điểm mấu chốt là cần phát triển được một mô hình kết cấu và mô hình PTHH tương ứng cho phép xác định được tải trọng phá hoại của kết cấu tương ứng với TTGH cuối cùng về cường độ và tải trọng tác dụng lên kết cấu ứng với TTGH của kết cấu về sử dụng Mô hình này cần có khả năng xác định được tình trạng (chuyển vị, biến dạng, nội lực) trong kết cấu kể cả khi một bộ phận nào đó của kết cấu đã bị phá hoại

Kết quả cuối cùng của luận án là đưa ra cách xác định hệ số liên quan đến tính dư ɳD trong tiêu chuẩn 22TCN 272-05 Từ đó xác định được hệ số điều chỉnh tải trọng ɳ, nhằm đưa vào tính toán thiết kế

Kết quả ngoài việc áp dụng cho quá trình thiết kế mới, còn có thể được sử dụng để đánh giá mức độ an toàn cho các công trình đang tồn tại

1.5 Kết luận chương 1

Trong chương 1, luận án giới thiệu tổng quan về các kết cấu nhịp cầu hiện đang sử dụng tại Việt Nam và các phương pháp tính dư trên thế giới và ở Việt Nam đồng thời chỉ ra những vấn đề còn tồn tại mà luận án tập trung giải quyết Trong chương 2, luận án sẽ tập trung phân tích chi tiết cơ sở đánh giá, định chuẩn tính dư của kết cấu cầu và đề xuất một quy trình tổng quan tính dư làm cơ sở cho việc đề xuất một mô hình tính toán tính dư của kết cấu cầu.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỊNH CHUẨN TÍNH DƯ CỦA KẾT CẦU VÀ ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH TỔNG

QUAN XÁC ĐỊNH TÍNH DƯ

Trong chương này, luận án tập trung làm rõ khái niệm về tính dư và tổng kết các nghiên cứu trên thế giới về phân tích, đánh giá và định chuẩn tính dư cho kết cấu cầu trên thế giới, đặc biệt là các nghiên cứu về tính dư cho kết cấu cầu ở

Mỹ

Theo các nghiên cứu [40], [42], [48], [49], [57], [53], [59], [61], [62], [65], [74], [75], [83], [86], [87], để giảm sự phức tạp khi nghiên cứu tính dư cho kết cấu, các tác giả tách riêng để nghiên cứu xác định tính dư cho kết cấu phần trên và kết cấu phần dưới Việc nghiên cứu được tách thành các bước như sau:

- Bước thứ nhất là xác định các dạng kết cấu điển hình để xác định tính dư, tính toán tính dư cho từng dạng kết cấu chuẩn đã được xác định

- Bước thứ hai là định nghĩa các TTGH liên quan đến hiện tượng mất khả năng làm việc của kết cấu

- Bước thứ ba là sử dụng quy trình lặp và phân tích phi tuyến để xác định tải trọng tác giới hạn kết cấu tương ứng với từng TTGH cho các dạng kết cấu điển hình

- Cuối cùng, từ kết quả tải trọng giới hạn xác định từ bước trên để xác định

hệ số tính dư Hệ số tính dư có thể được thể hiện qua: hệ số bảo toàn hệ thống (R), chỉ số độ tin cậy tương đối βmember hoặc hệ số tính dư hệ thống s

Dưới đây, luận án tóm lược các kết quả này cho kết cấu phần dưới và kết cấu phần trên

2.1 Đánh giá tính dư cho kết cấu phần dưới [48]

2.1.1 Xác định kết cấu bên dưới điển hình

Theo khảo sát thì các hệ thống kết cấu bên dưới cầu định hình có thể được phân chia thành các loại sau đây:

- Kết cấu uốn định hình: trụ tường, kết cấu uốn đơn cột, kết cấu uốn hai cột

và kết cấu uốn nhiều cột

- Các loại móng: móng bè, móng cọc và móng giếng chìm

- Điều kiện địa chất: đá, cát và sét

- Liên kết: liền khối, liên tục và giản đơn

Ảnh hưởng của địa chất và móng lên phản ứng của kết cấu bên dưới là độ mềm tương đối, nên luận án đã phân nhóm loại móng và địa chất thành 8 nhóm theo độ mềm của móng Đây là thông số quan trọng đối với tính dư kết cấu bên dưới Tác động của liên kết kết cấu nhịp và kết cấu bên dưới được xem xét ít quan trọng hơn trừ kết cấu nhịp dầm hộp liền khối Đối với dầm trên gối đỡ định hình, khả năng để truyền các tải trọng ngang giữa các kết cấu uốn cạnh nhau qua kết cấu nhịp là rất giới hạn Sự phá hoại thường xảy ra tại các gối đỡ vì năng lực truyền tải trọng ngang của chúng rất yếu [12], [39], [50], [84]

Hình 2.1 Cầu Turnpike sụp đổ

2.1.1.1 Trụ điển hình

Dựa trên kết quả khảo sát của AASHTO [9], [10]; Gardoni và cộng sự [45], có 59 hình dạng trụ đã được thu thập Các thông số trung bình của 4 loại kết cấu bên dýới ðýợc tóm tắt trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Các thông số trung bình của 4 loại kết cấu bên dưới

a) Kết cấu uốn đơn cột

Bảng 2.2 Các thông số của kết cấu uốn hai cột

TT Thông số (m) Thấp Trung bình Cao

Bảng 2.3 Các thông số của kết cấu uốn bốn cột

Tải trọng tĩnh của kết cấu nhịp (kN) = 1.000nh2 + 1.500 Trong đó, n là số cột trong trụ, h là chiều rộng của cột (kích thước mặt cắt ngang) Trọng lượng thêm vào của bề mặt bị hao mòn là khoảng 27% của tải trọng tĩnh kết cấu nhịp

2.1.1.2 Móng điển hình

Dựa trên kết quả khảo sát của AASHTO [9], [10], ba loại móng và ba loại địa chất được xác định là điển hình nhất Sự kết hợp giữa loại móng và loại địa

chất lập thành 8 nhóm Cấu hình móng (ví dụ: số cọc, kích thước móng ) bị tác động bởi chiều rộng cột Hệ số độ cứng móng cho 8 nhóm trên được tóm tắt trong bảng 2.4 cho các kết cấu uốn 2 cột và bảng 2.5 cho các kết cấu uốn 4 cột

Bảng 2.4 Độ cứng móng - kết cấu uốn hai cột

a Chiều rộng cột trung bình - Kết cấu uốn hai cột

(kN/m)

K ngang (kN/m)

K quay (kN/m)

K quay (kN/m)

K quay (kN/m)

K quay (kN/m)