Tổng quan thiết kế cầu thép

Cầu dầm bản thép steel plate girder bridge • Được dùng nhiều ở chiều dài nhịp ngắn-vừa • Thường dùng tiết diện chữ I, H • Sử dụng các ràng buộc ngang để tăng cường ổn định cho cầu •

Trang 1

2

Phần 1: Phân loại và lịch sử phát triển

I Phân loại – theo cách thức chịu lực

1 Cầu dầm (Girder bridge)

Nhịp liên tục

Continuous spans

Nhịp giản đơn Discontinuous spans Mút thừa Suspended-and- cantilever spans

3

(1.1) Cầu dầm bản thép (steel plate girder bridge)

• Được dùng nhiều ở chiều dài nhịp ngắn-vừa

• Thường dùng tiết diện chữ I, H

• Sử dụng các ràng buộc ngang để tăng cường ổn định cho cầu

• Là loại cầu cơ bản nhất, cũng là cơ sở cho TK các loại cầu khác

4

Trang 2

08/03/2016

2

(1.1) Cầu dầm bản thép (steel plate girder bridge)

5

(1.2) Cầu dầm hộp thép (box girder bridge)

• Thích hợp cho nhịp lớn

• Độ cứng chịu xoắn cao, trong lượng tối ưu, thích hợp cho cầu cong

• Mỹ thuật tốt, bền môi trường

• Loại hộp chữ nhật (rectangular) hoặc hình thang (trapezodial) sections

6

7

Cầu dầm hộp thép mặt cầu liên hợp

Composite box girder bridge

8

Dầm hộp thép với mặt cầu trực giao Full steel box girder

Trang 3

• Sử dụng rỗng rãi trong cầu đường sắt

• Vật liệu sử dụng hiệu quả hơn cầu dầm?

• Chế tạo, bảo trì phức tạp

• Sơ đồ: Đơn giản, liên tục, mút thừa

• Bố trí đi trên hoặc đi dưới

(1.3) Cầu giàn thép (truss bridge)

10

Through truss bridge Deck truss bridge

11

Cầu Long Biên, 1902

2 Cầu vòm thép (Steel Arch Bridge)

• Khác biệt với cầu dầm ?

• Kết cấu chịu lực chính là vòm

• Mỹ quan, chịu lực hợp lý, vượt nhịp lớn

• Các vấn đề cần lưu ý: Thiết kế, thi công, ổn định, động lực học, mỏi

• Phân loại: rất nhiều cách

12

Trang 4

08/03/2016

4

13

Deck arch bridge (cầu vòm chạy trên) Half-through arch bridge (chạy giữa)

Through arch bridge (chạy dưới)

14

Sydney Harbour bridge, Úc (nhịp 503,1932) New River Gorge Bridge, Mỹ (nhịp 518.5,1977)

3 Cầu dây văng thép (Steel cable-stayed bridge)

15

• Vượt nhịp lớn

• Chịu lực: Dầm + Dây

• Dây treo có tác dụng như gối đàn hồi

• Thi công đúc hẫng, lắp hẫng; không yêu cầu neo

• Khác cầu dầm?

• So với cầu dây văng BTCT? ( Thiết kế, chi tiết, chế

tạo, thi công, vận hành, bảo dưỡng)

3 Cầu dây văng thép (Steel cable-stayed bridge)

16

Cầu Stromsund (Thụy Điển) - 1956

Trang 5

08/03/2016

5

3 Cầu dây văng (Steel cable-stayed bridge)

17

Russky Island Bridge, Russian ( main span 1104 m), dài nhất thế giới

3 Cầu dây văng (cable-stayed bridge)

18

Sutong Bridge, China ( main span 1088 m)

19

Tatara Bridge, Japan ( main span 890 m, 1999)

20

Cầu Mỹ Thuận, cầu dây văng đầu tiên của Việt Nam (350 m, 2000)

(dầm BTCT DUL)

Trang 6

08/03/2016

6

21

Cầu Bãi cháy, cầu dây văng 1 mp đầu tiên của Việt Nam (nhịp 435 m, 2006)

22

Cầu Bính, Việt Nam (100 +260+100 m, 2005)

23

Cầu Nhật Tân, Việt Nam ( 150+4*300+150, 2015)

4 Cầu treo dây võng (suspension bridge)

24

• Kết cấu chịu lực chủ yếu là dây võng (cáp chủ)

• Vượt nhịp rất lớn; thi công ít cản trở

• Chịu tải động đất tốt

• Thay thế được mặt cầu

• Phương thức chịu lực vs cầu vòm?

• Phân loại: Self-anchored (tự neo) và neo ngoài

Trang 7

08/03/2016

7

25

26

Akashi-Kaikyo Bridge, Japan ( main span 1991 m), dài nhất thế giới

27

Cầu Thuận Phước, Việt Nam ( nhịp chính 405 m, 2009, dài nhất Việt Nam)

5 Cầu khung cứng (Rigid Frame Bridge)

• Dầm và trụ (hoặc mố) liên kết cứng với nhau, cùng làm việc

• Là cầu lai giữa cầu dầm và cầu vòm

• Loại 1 nhịp phân thành kiểu cổng hay kiểu chân xiên

• Loại nhiều nhịp có cầu liên tục và không liên tục

28

Trang 8

08/03/2016

8

29

Sfalassa bridge ( span 376 m) World longest rigid frame bridge

30

Jiang han bridge, China ( span 176 m) Chinese longest

6 Cầu thép hệ liên hợp

31

• Do 2 hay nhiều loại kết cấu tạo thành

• Có các loại chủ yếu như: (1) Dầm và vòm kết hợp; (2)

dầm và dây treo; (3) dầm và dây văng; (4) dây treo và

Trang 9

Dây treo và dây văng kết hợp

• Trước khi vật liệu thép ra đời, cầu được làm bằng gỗ, gạch,

đá, gang (cast iron) Những cầu thép thời kỳ đầu được làm bằng gang và sắt rèn (wrought iron)

• 1870, thép xuất hiện, từ 1890 mới được ứng dụng nhiều

• Từ 1930, đường bộ phát triển , các cầu nhịp lớn của đường sắt đều bị vượt nhịp bởi cầu đường bộ Từ sau thế chiến thứ 2, Đức và Nhật xây dựng nhiều sau chiến tranh Lý thuyết thiết kế, kỹ thuật chế tạo được hoàn thiện 36

II Lịch sử phát triển

Trang 10

08/03/2016

10

2 Các giai đoạn phát triển

2.1 Trước 1890

• Chủ yếu là cầu sắt, dùng vật liệu gang và sắt rèn là chủ yếu

• Lý thuyết thiết kế sơ khai, chưa có tiêu chuẩn, chủ yếu dựa

trên kinh nghiệm Sự cố nhiều (trung bình 4 vụ/ năm) i.e.:

cầu Ashtabulam, US, do va chạm và mỏi, sập năm 1877,

chết 92 người Cầu Tay River, UK, sập năm 1879, chết 75

người

• Cầu sắt đầu tiên là xây dựng năm 1777 (coalbrookdale

bridge) Nay vẫn được sử dụng cho một số giao thông nhẹ

Một số công trình tiêu biểu

• Royal Abert bridge, UK (xây dựng: 1854-1859)

• Tổng chiều dài: 666.8 m

• Nhịp chính: 138.7 m

• Liên hợp: Vòm + Võng + dàn+ dầm

40

• Forth bridge, UK (xây dựng: 1882-1890)

• Tổng chiều dài: 2528.7 m

• Thiết kế, thi công theo nguyên lý cầu dầm hẫng (cantilever)

Trang 11

• Nhiều cầu thép được xây dựng, loại hình cầu phong phú

• Thép bắt đầu được ứng dụng rỗng rãi trong cầu thép

42

43

• Quebec first bridge

Trang 12

08/03/2016

12

2 Các giai đoạn phát triển

2.1 Từ 1920 - 1945

• Lý thuyết thiết kế cầu thép phát triển mạnh 1923, nước Anh

thành lập hội cơ học cầu, đi sâu nghiên cứu các vấn đề nổi

trội trong tk cầu 1929 ứng suất cho phép tăng 12% 1926,

Đức có tiêu chuẩn kết cấu thép

• 1931, Mỹ xây cầu treo dây võng nhịp chính 1067 m

• 1932, Cầu vòm Sydney Harbour nhịp chính 503 m

45

46

• Sydney Harbour bridge

• Xuất hiện cầu thép hiện đại: (1) sử dụng thép cường độ cao,

hợp kim thấp; bê tông dự ứng lực; bê tông cường độ cao;

vật liệu composite; (2) sử dụng mặt cầu thép trực giao, kết

cấu thép-bê tông cốt thép liên hợp; dầm hộp; kết cấu có độ

siêu tĩnh cao,các loại kết cấu cầu hệ liên hợp; (3) trong thiết

kế sử dụng phân tích phi tuyến, phân tích không gian, động

lực học, độ tin cậy (3) trong thi công sử dụng công nghệ

mới, thi công nước sâu, cọc đường kính lớn, thi công lắp

hẫng, đúc hẫng, liên kết sử dụng hàn, bu lông cường độ

Trang 13

• Một lượng nhỏ Carbon và manganse

• Các tạp chất không thể hoàn toàn loại bỏ từ quặng (sulphur, phosphorus)

• Một số thành phần hợp kim được đưa và để tăng tính chất cho thép: Copper, Silicon, Nickel, chromium,vv

Cường độ của thép tăng theo tỉ lệ carbon, nhưng một số tính chất như độ dẻo, độ hàn giảm

• Đặc tính phụ thuộc phương pháp, công nghệ chế tạo

• Hot-rolled or welded from flat plate

51

II Một số loại thép cơ bản

1 Thép carbon (carbon steels)

• Có thành phần của Mn, Cu, Si

• Rẻ; dễ hàn

• Fy up to 275 MPa

• Châu âu: EN S235 và S275; Mỹ AASTHO M270 (và ASTM

A709) cấp 36 (fy=248 Mpa))

Phần 2 Tính chất vật liệu thép

52

2 Thép cường độ cao (high-strength steels)

• Fy:300-390 MPa

• EN S355; AASHTO M270 (ASTM) cấp 50 (fy=345 MPa)

Trang 14

08/03/2016

14

53

3 Thép carbon xử lý nhiệt (heat-treated carbon steels)

• Được xử lý nhiệt qua quá trình tôi và ram

• EN S420, S460; AASHTO M270 (ASTM A709) cấp 100

(fy=621-689 Mpa)

• Vẫn giữ được tính chất tốt của thép, tăng cường độ

54

4 Thép bền thời tiết (weathering steel)

• Được xử lý nhiệt qua quá trình tôi và ram

• EN 10155 S235, S355; AASHTO M270 (ASTM A709) cấp 50W, 70W và 100W (fy= 345; 483; 621-689 Mpa)

• Yield stress fy: 250 –

400 MPa;

• Strain hardening:

10-11 times of Yield strain

• Based on Uniaxial loading of specimen

dẻo cao; hàn được

• Grade 485: HK thấp, xử lý nhiệt, nhúng nóng-> CĐ,

Độ cứng, độ dai cao; hàn được

• Grade 690: gia công nhiệt

cd cao; độ dẻo kém

Trang 15

- fy (yield strength): Tham số quan trọng nhất trong KC thép

+ Xác định qua quan hệ US-Biến dạng từ thí nghiệm kéo

+ A/h bởi: (1) cấu tạo hình học của mẫu, (2) tốc độ thí nghiệm ,

(3) vị trí, hướng của mẫu; (4) độ cứng của máy đo

- Mô đun đàn hồi (Young’s modulus) E 200-210 GPa

• Độ dẻo dai (Ductility)

- Khả năng vật liệu có thể kéo dài được từ lúc chảy – phá hoại

- Có lợi cho: (1) sự phân bố lại ứng suất tại trạng thái giới hạn cường độ; (2) thiết kế nhóm bulong; (3) giảm rủi ro phá hoại mỏi

Cách đánh giá độ dai: Bằng thí nghiệm kéo (i.e ASTM E8) ( generally Lo=5.65 sqrt(So))

Còn chịu ảnh hưởng bởi bề dày cấu kiện

6 5 15

Mn Cr Mo V Ni Cu

C     

Trang 16

08/03/2016

16

61

III Một số tính chất cơ bản

• Notch Ductility (Độ bền khía)

Là khả năng của thép chống lại gãy dòn

Gãy dòn: là phá hoại đột ngột dưới điều kiện tải trọng ở

mức thấp hơn tải trọng làm thép đạt cường độ chảy

Nguyên nhân: Thay đổi mặt cắt đột ngột-> local stress

concentration (ứng suất tập trung cục bộ)

Cấu kiện bị hàn dễ bị gãy dòn hơn vì: (1) thêm khiếm

khuyết; (2) giảm độ bền ở vùng gần mối hàn: (3) bổ sung

kim loại khác vào cấu kiện; (4) phát sinh ứng suất dư

Xác định bằng thí nghiệm: Charpy V-notch impact test

Bài tập: Tìm hiểu quy định về Notch Ductility theo aashto và

eurocode Lấy ví dụ (thời gian: 1 tuần)

• Weather resistance (độ bền thời tiết)

• Weathering steel (i.e M270 cấp 50W, fu =485; fy=345)

• Hình thành lớp iron oxide, chống lại rỉ

• Màu đỏ-vàng đến tím-nâu; không cần sơn nếu hợp mỹ quan

Trang 17

Vượt được nhịp lớn; dễ gia công

• Cấu kiện dễ công nghiệp hóa chế tạo, vận chuyển, thi công đơn giản-> thời gian thi công ngắn

• Tính dẻo cao, phá hoại kèm biến dạng lớn-> phân bố lại ứng suất, cảnh báo nguy hiểm

• Bị hư hỏng dễ sửa chữa, thay thế

• Cầu cũ có thể tái sử dụng, tốt cho môi trường

67

I Ưu điểm

• Độ bền cao (durability)

- Dễ sửa chữa

- Tuổi thọ được kéo dài

bằng việc sơn bảo trì

- Dễ gia cố, gia cường

Golden gate Bridge, US

Phần 3 Các đặc điểm của cầu thép

• Lowry Bridge, Manchester, UK

Trang 18

08/03/2016

18

69

II Nhược điểm

• Dễ bị ăn mòn, gỉ sét cần thường xuyên kiểm tra, sơn bảo

dưỡng (tốn thời gian, chi phí, ảnh hưởng sức khỏe, môi

trường)

• Cầu đường sắt tiếng ồn và rung động cao

70

III Kết cấu và chịu lực

(1) Kết cầu thành mỏng (thin-walled): Cầu thép chủ yếu

được chế tạo thành kết cầu thành mỏng, tính toán ứng suất cần tính đến biến dạng cắt xuất hiện sau (shear lag), xoắn (tự

do, ràng buộc)

(2) Ổn định (stability): Cầu thép độ cứng thấp,vấn để ổn định

cần được lưu ý Để tránh mất ổn định cục bộ, cần bố trí sườn gia cường, hạn chế tỉ lệ bề rộng và bề dày cấu kiện (3) Độ cứng (stiffness): Để đảm bảo độ cứng, trong thiết kế

thông qua độ mảnh (slenderness ratio), độ võng (deflection),

tỉ lệ nhịp/bề rộng cầu) để khống chế

71

III Kết cấu và chịu lực

(4) Mỏi (fatigue): Nơi mà ứng suất kéo thay đổi độ lớn hoặc

xuất hiện ứng suất kéo, nén thay đổi cần tính đến ảnh hưởng

của độ mỏi

(5) Liên kết (connection): Cấu kiện cầu thép chủ yếu do thép

bản hoặc thép hình hàn kết mà thành Tại công trường sử

dụng liên kết hàn hoặc bu lông cường độ cao (high-strength

bolt) để kết nối

72

Phần 4 Xu thế phát triển của cầu thép

I Các vấn đề cần nghiên cứu giải quyết

(1) Đánh giá an toàn cầu và phương pháp thiết kế dựa trên lý thuyết độ tin cậy và trạng thái xác suất cực hạn

(2) Sản phẩn thép, bu lông, vật liệu hàn mới (3) Nghiên cứu về cấu tạo chi tiết để chống lại vấn để mỏi của cầu thép

(4) Cấu tạo hợp lý của bản mặt cầu trực giao dị tính (5) Mất ổn định tổng thể, cục bộ, hình thái phá hoại của bản chịu nén

(6) Vấn đề xoắn và kỳ biến của cầu dầm hộp

Trang 19

(10) Kỹ thuật đánh giá, khống chế chất lượng cầu

74

II Xu hướng phát triển

(1) Nhịp dài hơn, cầu lớn hơn, mềm hơn: Sử dụng các hệ cầu hỗn hợp, phát huy hiệu quả tính chất vật liệu (2) Nghiên cứu ứng dụng các loại thép mới: Cường độ cao, độ dẻo tốt, nhẹ, khả năng hàn tốt; nghiên cứu các thiết bị cách chấn, giảm chấn hiệu quả

(3) Sử dụng mô phỏng chính xác trong quá trình thiết kế (trong điều kiện động đất, bão, sóng biển…) để tối ứu hóa thiết kế cầu

(4) Tôn trọng mỹ thuật cầu, môi trường sống hơn (5) Công xưởng hóa chế tác quy mô lớn, thiết bị thi công lớn (6) Thiết kế và vận hành cầu hiệu quả

75

CÁC NỘI DUNG CẦN NẮM

(1) Cách phân loại cầu và đặc điểm chịu lực của các loại cầu

(2) Các tính chất quan trọng của vật liệu thép

(3) Các đặc điểm của cầu thép

(4) Các xu hướng phát triển và các vấn đề cần nghiên cứu

giải quyết

Trang 20

2

Phần 1: Các nguyên lý cơ bản

I Nguyên lý và các yêu cầu cơ bản

Cầu thép chủ yếu sử dụng thép bản, thép hình Công đoạn

gia công nhiều, phức tạp, yêu cầu kỹ thuật cao, sản xuất

công nghiệp hóa Sử dụng cấu kiện hàn tại xưởng, lắp ghép

tại hiện trường (bu lông cường độ cao, hàn)

• Thiết kế phải đảm bảo phù hợp phương án thi công,

thuận lợi gia công, vận tải, lắp đặt, kiểm tra, dưỡng hộ

• Là kết cấu cường độ cao, nhẹ, thành mỏng, vượt nhịp lớn

Độ cứng nhỏ, biến dạng, dao động lớn hơn cầu bê tông

Cầu thép phải có độ cứng tổng thể phù hợp để đảm bảo

xe cộ di chuyển an toàn, thoải mái

3

4

KC Cầu Cầu DBTQ Cầu DS TQ Nhật Mỹ Việt nam

Cầu dàn giản đơn L/800 L/900 L/600 - Cầu dầm bản L/600 L/800 L/500 L/800 L/800 Dây văng L/400 - L/350 - Dây võng L/400 - L/400 -

Độ võng cho phép của cầu do tải trọng xe

Trang 21

08/03/2016

2

• Đối với cầu có độ võng do tải trọng bản thân và hoạt tải

tĩnh lớn (>L/1600), cần thiết kế độ vồng (= tải trọng bản

thân+ ½ hoạt tải)

• Đối với cầu sử dụng liên kết hàn tại công trường, phải

tính đến biến dạng kết cấu do quá trình hàn sinh ra

• Phải đủ độ cứng theo phương ngang để tránh mất ổn

định theo phương này Đặc biệt là cầu đường sắt, cầu

nhịp lớn (i.e cầu vòm thép) Nếu L/b>20, cần đảm bảo

• Thông thường lớp sơn bảo vệ chỉ được tối đa 10 năm

Tất cả các bộ phận có khả năng bị ăn mòn phải tk không

giao bảo dưỡng cầu (đủ diện tích cho người chui vào

hoặc làm kín) Tránh việc sử dụng mặt cắt hộp có chiều

cao hoặc rộng của dầm quá nhỏ, gây khó khăn cho

dưỡng hộ và a/h mối hàn

• Vấn đề mỏi chịu ảnh hưởng của (1) phẩn chất thép, (2)

tích chất tải trọng, trạng thái ứng suất, liên kết Trong

thiết kế sử dụng thép có độ dẻo cao, tránh ứng suất tập

trung; Tránh biến đổi mặt cắt quá đột ngột

• Giảm thiểu chủng loại cấu kiện, cố gắng sử dụng cấu

kiện tiêu chuẩn Kích thước cấu kiện phải tính đến điều

kiện, khả năng vận tải 7

Phần 2: Các triết lý thiết kế

• Mục tiêu của tiêu chuẩn thiết kế cầu là gi?

(đảm bảo cầu là an toàn, tức là sức kháng về mặt cường độ,

độ cứng, ổn định của các cấu kiện cầu và cả hệ thống cầu vượt qua hiệu ứng lớn nhất do các loại tải trọng gây ra trong suốt tuổi thọ thiết kế)

• Để đảm bảo an toàn công trình, thông thường yêu cầu:

Resistance (of material and section) ≥ Effect of applied load

• Có 3 quy trình, với triết lý tk khác nhau: (1)ASD; (2)LFD

và (3) LRFD

8

Trang 22

08/03/2016

3

• 1927, tiêu chuẩn tk cầu đầu tiên của Mỹ ra đời (AASHO)

• Trước 1970: triết lý tk duy nhất la ASD

• Sau 1970, xuất hiện LFD (load factor design)

• 2002, cả ASD và LFD xuát hiện trong tctk cầu (standard

specifications for highway bridges)

• Reliability-based and Probability based LRFD, xuất hiện

trọng LRFD bridge design specifications (1994) LRFD chỉ

được sử dụng rộng rãi khi AASHTO ngừng cập nhật

standard specifications vào 2003

9

I PP ứng suất cho phép (ASD) (WSD)

Quan điểm: Ứng suất tối đa do tải trọng gây ra < Ứng suất

cho phép trong đk làm việc bt

• Cơ sở là lý thuyết thiết kế đàn hồi; USCP thường là giới hạn chảy fy/ hệ số an toàn

• Ra đời sớm, áp dụng nhiều

• Độ lớn của F.o.S dựa vào kinh nghiệm có sẵn và các phán xét kỹ thuật (engineering judgement) i.e F.o.S của cấu kiện chịu kéo là 1.82, chịu nén 2.12 (standard specifications, 2002)

10

.

n i

R Q

F o S





I PP ứng suất cho phép (ASD) (WSD)

• Về mặt thống kê, ASD đối xử với các tổ hợp tải trọng như

nhau, không tí nh đến tải có thể lớn hơn kỳ vọng, hoặc sức

kháng thấp hơn thực thế xảy ra đồng thời Các yếu tố này

được đưa hết vào hệ số an toàn

• Mặc dù có nhiều khuyết điểm, các cầu thiết kế theo ASD

hầu hết hoạt động tốt và ít gặp vấn đề về an toàn

11

II PP Tk theo Hệ số tải trọng (LFD)

• Còn gọi là thiết kế theo cường độ Quan điểm là hoạt tải (vd tải xe, gió), biến động nhiều hơn tĩnh tải Như vậy sử dụng các hệ số khác nhau cho các tải khác nhau này

• hệ số tải trọng, : Hệ số triết giảm cường độ (strength reduction factor)

• Xác suất của việc xuất hiện tải lớn hơn dự tính và sức kháng nhỏ hơn kỳ vọng là không được tính đến

• Hệ số tải trọng và sức khangs không tính đến xác suất thống kê của các tham số tk trong tự nhiên 12

Trang 23

08/03/2016

4

II PP hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD)

• Từ năm 1993, AASHTO sử dụng LRFD cho thiết kế cầu

• 1994, tiêu chuẩn TK (design specifications) ra đời

• 1998, ra đời bản 2 (2 nd edition); 22 TCN 272-05 tham

khảo phiên bản này

• 2012, phiên bản 6

 Gọi là tk dựa theo xác suất: Để đảm bảo rằng xác suất

phá hoại của 1 kết cấu là nhỏ hơn mức độ mà xã hội chấp

Rn : Sức kháng danh định của tiết diện, Rr: Sức kháng tính toán

 : HS sức kháng vật liệu (phụ thuộc trạng thái chịu lực, TTGH)

 : Hệ số DC tải trọng xét đến tính dẻo (ductility), độ dư thừa

(redundancy) và mức độ quan trọng của công trình ((operational

importance)

I : Hệ số tải trọng ( phụ thuộc Trạng thái giới hạn)

Qi : Hiệu ứng tải trọng tại tiết diện đang xét : Moment, Lực cắt…

III PP hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD)

16

Trang 24

1 Về các trạng thái giới hạn (limit state)

Là điều kiện mà vượt qua nó thì cầu hoặc cấu kiện của cầu

ngừng thõa mản các quy định đã được dựa vào để thiêt kế

TTGH mỏi và phá hoại giòn: là việc hạn chế biên độ US

do 1 xe tải tk gây ra với số chu kỳ biên độ us dự kiến

TTGH phá hoại dòn: yc về tính bên của vật liệu theo tc

Trang 25

I Định nghĩa và phân loại

Thông thường chúng ta hay sử dụng “tải trọng” để gọi

cho các yếu tố tạo ra phản ứng cho kết cấu Điều nay

là chưa thực sự đầy đủ Nên phân 2 loại:

Loại 1: là ngoại lực tác dụng lên kết cấu: tải trọng bản

thân, hoạt tải xe, người…

Loại 2: Là loại tác dụng mà hiệu ứng do nó sinh ra có

mối lên hệ đến đặc tính, môi trường xung quanh kc

cầu: Động đất, dịch chuyển móng, co ngót và từ biến,

biến đổi nhiệt độ…

23

Phần 3: Tác dụng trên cầu

Phân thành 2 loại: Tải trọng thường xuyên (Permanent loads) và tải trọng thay đổi (Transient loads or variable loads)

24

Trang 26

08/03/2016

7

Permanent loads: Là tải trọng hoặc tác dụng có giá trị

không đổi hoặc thay đổi trong thời gian dài cho đến khi hoàn

thành công trì nh

DC: Tĩnh tải của các bộ phận kết cấu cầu (phân bố) ( D ead

Components): phụ thuộc vào kích thước hình học và vật liệu

Có thể tính được bằng phần mềm

DW: Tĩnh tải của KC áo đường (phân bố) (Dead Wearing),

các tiện ích công cộng: Thông thường là bê tông asphalt

DD: Down d rag forces (lực kéo xuống hay ma sát âm): làm

tăng tải trọng lên cọc Nếu cột nằm ở vị trí mà 1 khối lượng

lớn đất đắp sẽ đắp lên các lớp đất có thể nén được thì tải

này phải tính đến

27

EH: Áp lực đất theo phương ngang ( H orizontal E arth Pressure): là tải trọng ảnh hưởng đến thiết kế của mố, bao gồm bệ mố, cọc và tường cánh

28

Trang 27

08/03/2016

8

EV: (Earth Vertical pressure): Áp lực thẳng đứng do tự trọng

đất đắp

ES: E arth S urcharge: tải trọng đất chất thêm gây ra áp lực

ngang không đổi Áp lực này phải được bổ sung vào áp lực

đất cơ bản

29

CR: Hiệu ứng tải trọng do từ biến Từ biến là một hiện tượng phụ thuộc thời gian của kc bê tông do việc duy trì lực nén

Thông thường từ biến ít gây ah đến cường độ của kc, nhưng nó làm mất mát ứng suất trong dul, gây ra việc gia tăng độ võng trong quá trình sử dụng (a/h đến độ vồng tính toán)

SH: Co ngót xảy ra trong quá trình dưỡng hộ bê tông, gây ra mất mát us trong dul do kc bị ngắn lại vượt qua sự co ngắn đàn hồi ban đầu do quá trình truyền lực

30

31

Transient loads: Đối với hầu hết các cầu, có một số tải tức thời luôn phải xét đến: LL (Vehicular L ive L oads - hoạt tải)

và hiệu ứng thứ cấp do nó gây ra BR (BRaking Forces), lực

ly tâm CE ( Ce ntrifugal Force); và lực xung kích (động) của

xe IM (Dynamic Load allowance or Dynamic Im pact Force)

TU (Uniform Temperature) có thể gây ra ảnh hưởng lớn đến

kc cầu đặc biệt do sinh ra sự co hoặc nở của cấu kiện, gây a/h cho kc siêu tĩnh

Tải gió lên kc WS ( W ind load on S tructure) và tải gió lên xe

WL ( W ind on L ive load) gây ảnh hưởng lớn đến

Tải động đất ( EQ )

32

Trang 28

08/03/2016

9

Lực hãm xe BR: Tính đến; là lực ngang (lateral force) tác

dụng theo phương dọc cầu, chủ yếu ảnh hưởng đến thiết kế

của trụ và gối

AASHTO 3.6.4: Lực BR là giá trị lớn nhất của: (1) 25% trong

lượng các trục của xe tải tk (3 trục) hoặc xe tadem (2 trục);

(2) 5% của xe tải TK + Tải trọng làn hoặc 5% của xe tandem

+ tải làn

33

Lực xung kích IM: Tính đến hiệu ứng bouncing và khả

năng cộng hưởng do xe đang chạy gây ra, hoạt tải tĩnh và các hiệu ứng của nó cần được tăng thêm % của tải động cho phép (i.e x 1.33) Lực này không áp dụng cho tải trọng làn

34

Lực hướng tâm CE: Các cầu cong có thể phải chịu lực

hướng tâm Những lực này chủ yếu ảnh hưởng tk kết cấu

tầng dưới, lực này hướng vào tâm đường cong Không tính

đến hiệu ứng động (IM) đối với lực này Áp dụng hs làn

35

2

4 3

v C gR



Gradient nhiệt (TG): nhiệt độ mặt cầu tăng nhanh hơn kc

phần dưới, gây us cho kc siêu tĩnh Đối với cần giản đơn nhịp dưới 60 m, hiệu ứng này là nhỏ Đối với cầu btct có kc tầng trên dày, ảnh hưởng này khá lớn

36

Trang 29

08/03/2016

10

Water Load and Stream Pressure (WA):

37

Wind Load on Structure (WS): Tải trọng gió ngang Dựa trên tải trọng gió cơ bản, tải năng tăng lên khi cầu cao hơn

10 m (tính từ đất đến đỉnh của lancan) Chỉ xét đến gió cho các công trình cầu thông thường Các công trình kc nhạy cảm với gió cần tính riêng

38 2

0.0006 1.9

D t d t

P  V A C  A

Wind Load on Structure (WS): Tải trọng gió ngang

39

Wind Load on Vehicular Live load (WL): Tải trọng gió tác dụng lên xe cộ: Tác dụng trực tiếp lên xe Phải được xét trong tổ hợp tải trọng cường độ III (xét cả gió lên kc và xe cộ)

40

Trang 30

DC : Tĩnh tải của các bộ phận kết cấu cầu (lực phân bố)

DW : Tĩnh tải của kết cấu áo đường (lực phân bố)

HL 93 Design load (Highway Loading – adopted in 1993)

• Trước đây sử dụng H20 (nặng 20 tấn), HS20- 44 cho phép xe có tải trọng nặng hơn tại thời đó (1944)

44

II Tải trọng thiết kế

2 Hoạt tải

Trang 31

08/03/2016

12

• 1950s: Thêm “tải trọng liên bang”, cho phép xe quân sự chuyên chở

khí tài quân sự, xe 2 trục, cách nhau 4 foot (1.2 m), mỗi trục chịu

24000 Pounds (khoảng 12 tấn mỗi trục)

• Một hệ thống tải trọng làn được sử dụng để tính momen và lực cắt

45

2 Hoạt tải

• Về sau đề xuất sử dụng HS25 để phản ánh chính xác hơn điều kiện tải trọng ở các kết cấu hầm (25% cao hơn so với HS20) Trong nhiều thiết kế làm tăng số lượng thép và bề dày bản bê tông

• Những năm gần đây, AASHTO đề xuất tiêu chuẩn “LRFD Bridge Design Specifications” Tận dụng các kết quả nghiên cứu về thống kê,

vật liệu mới Dùng HL 93, có thêm tải trọng làn

• Tải trọng làn không sử dụng cho các kết cấu ngầm (ASTM C1577)

Lµn thiÕt kÕ 3600 mm

Trang 32

1 Mỗi làn chỉ được xếp 1 xe (hoặc 2 trục hoặc 3 trục) và tải trọng làn

2 90% (xếp 2 xe cách nhau 15m và tải trọng làn){momen

âm + Phản lực gối giữa}

2 Hoạt tải

Hê ̣ số làn xe : Khi trên cầu đồng thời có một số làn xe cần phải

nhân với hệ số làn để xét đến xác suất xảy ra hiệu ứng cực trị

Hệ số làn xe : “m” phụ thuộc vào số làn xe

Chú ý :Không áp dụng hệ số làn cho trạng thái giới hạn mỏi vì

khi tí nh mỏi chỉ dùng một xe tải thiết kế, bất kể số làn xe là bao

Tí nh cho các cấu kiện :

 Trạng thái giới hạn mỏi : IM = 15%

 Trạng thái giới hạn khác : IM = 25%

Khi tí nh mối nối bản mặt cầu ở tất cả trạng thái giới hạn thì IM lấy bằng 75%

Trang 33

08/03/2016

14

Cầu thép được thiết kế theo TTGH (LSD)

Trạng thái giới hạn: Là trạng thái mà vượt qua nó thì kết cấu hay 1 bộ

phận nào đó không hoàn thành nhiệm vụ thiết kế đề ra

• TTGH sử dụng (Service Limit State)

TTGH liên quan đến: ứng suất, biến dạng, nứt trong điều kiện sử dụng

• TTGH cường độ (Strength Limit State)

TTGH liên quan đến: Cường độ, ổn định

• TTGH mỏi và phá hoại (Fatigue and Fracture Limit State)

TTGH liên quan đến sự phát triển vết nứt và đứt gãy do tải trọng khai

thác

• Trạng thái giới hạn đặc biệt (Extreme Event Limit state)

TTGH đảm bảo KC cầu vẫn tồn tại sau những tình huống đặc biệt (động

 Các tải trọng khác lấy  = 1, riêng tải trọng gió WL=0.3

Hệ số sức kháng  =1

 Chú ý: Hoạt tải được lấy tăng lên 30% khi kiểm tra cầu

thép  LL =  PL = 1.3

Phần 4: TKCT theo TCN 272-05

I Trạng thái giới hạn và hệ số tải trọng

• Với TTGH cường độ chia thành 3 loại:

- Cường độ I: Tổ hợp tải trọng cơ bản với xe tiêu chuẩn, không có gió

- Cường độ II: THTT liên quan đến cầu chịu gió, không có hoạt tải,

gió trên 25 m/s

- Cường độ III: THTT sử dụng xe tiêu chuẩn + gió trên 25m/s

(AASHTO có thêm cường độ IV, V I, II, III của 272-05 là I, III, V của

AASHTO)

• TTGH mỏi: chỉ xét tác động của 1 xe tải (3 trục)

• TTGH đặc biệt: (AASHTO phân thành I (earthquake) và II (ice load,

colision by vessels and vehicles, hydraulic events)

Trang 34

 Hoạt tải thiết kế : 1 xe tải 3 trục, 2 trục sau (145KN) cách

nhau 9m ( có xét đến CE và IM) Hệ số tải trọng  LL =0.75

 Các bộ phận chịu mỏi : bản biên, vách dầm + Mối nối +

Neo chống cắt

Chú ý :

 Cầu thiết kế nhiều làn xe nhưng chỉ xếp 1 xe tải mỏi duy

nhất trên cầu

 Khi tính nội lực của các dầm cầu khi chịu tải trọng mỏi thì

phải lấy hệ số phân bố ngang cho 1 làn xe và không có xét

hệ số làn xe “m”

1 Tổng quan

• Cầu được cấu thành bởi kết cấu chịu lực (dầm chủ) và kết cấu truyền lực (dầm ngang, bản mặt cầu) Các dầm chủ dựa vào dầm ngang và

BM cầu để hình thành kết cấu không gian tổng thể

• Khi tải trọng tác dụng lên cầu, các dầm chủ cùng nhau chịu lực Đây là vấn đề cơ học kết cấu không gian Có thể sử dụng các PP phần tử hữu hạn để giải quyết (SAP2000, ANSYS, ADINA, ALGOR, LUSAS, BRIDGE) hoặc FSM (Finite Strip Method)

• Trước đây phổ biến sử dụng lý thuyết “mạng dầm” để phân tích

xem dầm chủ và dầm ngang là các hệ thanh liên kết Tải trọng bản mặt cầu phân bố lên cánh dầm chủ

• Đối với cầu bố trí nhiều dầm chủ, có thể sử dụng “lý thuyết tấm”

Chuyển độ cứng cửa dầm bố trí thành tấm, theo phương ngang, và

dọc cầu-> chuyển thành mô hình tấm mỏng trực hướng

58

II Phân phối tải trọng kết cấu nhịp dầm thép

1 Tổng quan

• Như vậy: Phân tích KC cầu = phân bố tải trọng

• Đối với cầu dầm, ngoại trừ một số tác dụng đặc biệt (vd động đất),

thông thường tính toán nội lực bằng lý thuyết xấp xỉ -> Sử dụng hệ số

phân bố tải trọng ngang (HSPBN)

59

2 Đường ảnh hưởng, mặt ảnh hưởng

60

• Đối với dầm đơn (a), đơn thuần là vấn đề trong mặt phẳng

• Đối với hệ dầm (b), tải trọng truyền theo cả 2 phương, làm cho các

dầm chủ đều tham gia chịu lực với mức độ khác nhau Đây là vấn đề thuộc lý thuyết tính toán không gian

Trang 35

• Từ năm 1950s, trên thế giới có nhiều nghiên cứu lý thuyết và thực

nghiệm, tuy nhiên do thực tế kết cấu phức tạp, lời giải chính xác rất

khó thực hiện

• Mỗi lý thuyết đều có điều kiện giả thiết và phạm vi sử dụng phù hợp

• Đối với vấn đề không gian, có thể trực tiếp tìm nội lực, hoặt biến dạng

của vị trí trên kết cấu;

• Hoặc có thể sử dụng mặt ảnh hưởng để tính nội lực:

• Do theo phương dọc cầu có nhiều tải xe di chuyển, dùng mặt ảnh

hưởng để tìm giá trị nội lực bất lợi nhất vẫn phực tạp, không thực

( , ) ( ) ( ) ( )

• n1(x): đường ảnh hưởng nội lực của dầm đơn; n2(y): là đường cong

tỉ số phân bố nội lực của một dầm nào đó khi tải trọng đơn vị tác dụng

ở các vị trí khác nhau theo phương ngang cầu; còn gọi là đường ảnh hưởng phân bố tải trọng của dầm

- ym: Tọa độ giữa mặt cắt giữa nhịp

64

• Việc tính toán tọa độ của mặt ảnh hưởng khá phức tạp, đặc biệt khi

số lượng dầm chủ và dầm ngang nhiều

• Nên xuất phát từ quan hệ tải trọng và độ võng, sử dụng các phương

pháp gần đúng cho các loại cầu dầm khác nhau Trong ví dụ này, giả thiết độ cứng kháng uốn dầm ngang là vô cùng lớn; dưới tác dụng của tải trọng, biến dạng của dầm ngang là đường thẳng Từ đó

tí nh HSPBN:

Trang 36

67

2 Hệ số phân bố ngang (HSPBN) (Load Lateral Distribution Factor) (g factor)

• Có nhiều PP xác định tải trọng tác dụng lên dầm Tính chính xác phụ thuộc cách mô hình hóa (Approximate methods LRFD Art 4.6.2;

Refined Methods LRFD Art 4.6.3)

• Thực tế thiết kế sử dụng các PP gần đúng, đảm bảo độ chính xác (vd

PP hệ số phân phối ngang

• PP hệ số PP ngang-> vấn đề không gian của hệ dầm trở thành bài toán của 1 dầm đơn lẻ

“Phần tải trọng lớn nhất ghi nhận được trên dầm khi 1 tải trọng đơn

vị di chuyển trên mặt cầu gọi là hệ số phân bố tải trọng”

“Tổng các phần của tải trọng lớn nhất truyền cho 1 dầm/ tổng tải trọng của hoạt tải tương ứng -> HSPBN ”

68

Trang 37

- PP Dầm liên tục trên gối tựa đàn hồi

- PP quy phạm 22 TCN 272-05 (Công thức “S-over” )

• Dựa vào độ cứng liên kết ngang, tỉ lệ bề rộng/chiều dai; Để sử dụng

các phương pháp khác nhau cho phù hợp

2.1 PP Đòn bẩy (lever rule)

• Giả thiết cơ bản: Bỏ qua liên kết ngang giữa các dầm chủ; nghĩa là

xem như bản mặt cầu là các dầm giản đơn (đối với các dầm chủ ở

giữa) tựa trên các dầm chủ; và liên tục với phần hẫng (đối với dầm

biên)

• Chuyển bài toán phân bố tải trọng thành bài toàn tính phản lực gối

của dầm giản đơn có hoặc không có phần hẫng

71

72

• Rõ ràng tải P1/2 tác dụng lên phần bản bên trái chỉ truyền tải trọng lên dầm 1 và dầm 2

Trang 38

• Điều kiện áp dụng:

(1) Cầu dầm có 2 dầm

(2) Mặt cắt gối hoặc mố cầu

(3) Các cầu có hệ lk ngang rất yếu

(không có dầm ngang)

• Trong tất cả các pp, pp đòn bẩy

phù hợp cho việc tính toán hspbn

ở mặt cắt đầu dầm m o

Trang 39

Chương 2: Nguyên lý thiết kế

Khoa CTGT

TS Nguyễn Tiến Thủy

1

Định dạng
Số trang	812
Dung lượng	32,72 MB