Bài giảng Nhập môn cầu: Chương 2 - TS. Nguyễn Ngọc Tuyển (P3)

Bài giảng Nhập môn cầu - Chương 2: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế và thi công cầu (P3) cung cấp một số kiến thức về nguyên lý thiết kế và tính toán cầu theo TTGH bao gồm: Triết lý thiết kế và các trạng thái giới hạn, những điểm cơ bản của tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN‐272‐05,... Mời các bạn tham khảo.

Trang 1

TS. NGUYỄN NGỌC TUYỂN Website môn học: http://nhapmoncau.tk/

Link dự phòng:

https://sites.google.com/site/tuyennguyenngoc/courses‐in‐

vietnamese/nhap‐mon‐cau

Hà Nội, 10‐2013

2.3. Nguyên lý T.kế và tính toán cầu theo TTGH

• 2.3‐1. Triết lý thiết kế của tiêu chuẩn 22TCN‐272‐05

– Theo điều 1.3.1. (22TCN‐272.05): “Cầu phải được thiết kế theo

các TTGH quy định để đạt được các mục tiêu thi công được, an

toàn và sử dụng được, có xét đến khả năng dễ kiểm tra, tính

kinh tế và mỹ quan.”

– Kết cấu được thiết kế phải thỏa mãn tất cả các TTGH xét cả về

tổng thể lẫn cục bộ

– Nguyên lý đảm bảo an toàn trong thiết kế theo bất kỳ phương

pháp nào đều là: hiệu ứng của tải trọng phải nhỏ hơn sức

kháng của kết cấu

Hiệu ứng của tải trọng ≤ Sức kháng

Trang 2

Nguyên lý T.kế và tính toán … (t.theo)

– Tiêu chuẩn 22TCN‐272‐05 được Bộ GTVT ban hành năm 2005 dựa

trên Tiêu chuẩn AASHTO LRFD 1998 (Mỹ).

– Tiêu chuẩn 22TCN‐272‐05 sử dụng triết lý thiết kế như sau:

• Chú ý rằng hai vế của bất đẳng thức trên phải được xem xét trong cùng

một điều kiện hay nói cách khác, giá trị của 2 vế bất đẳng thức phải được

xem xét trong cùng một TTGH

• Để tính tới sự biến động ở cả 2 vế của bất đẳng thức trên, phía sức kháng

được nhân với hệ số sức kháng φ (thường < 1) và phía trải trọng nhân với

hệ số tải trọng γ (thường > 1).



Hiệu ứng của tải trọng ≤ Sức kháng tính toán

• Vế trái: hiệu ứng tải trọng ở một trạng thái giới hạn cụ thể là tổ hợp

của nhiều loại tải trọng (Qi) với các mức độ tác dụng khác nhau được

dự đoán trước Do vậy hiệu ứng của tải trọng được biểu thị là tổng của

các giá trị γiQi

• Vế phải: Rnlà sức kháng danh định. Tích số φRnđược gọi là sức kháng

tính toán.

• Bất đẳng thức trên bao gồm cả hệ số tải trọng γ và hệ số sức kháng φ

nên phương pháp thiết kế được gọi là “Phương pháp hệ số tải trọng và

sức kháng”.

Tên tiếng anh: L oad and R esistance F actor D esign ( LRFD ).

  



Trang 3

• Hệ số tải trọng γicủa mỗi loại tải trọng cần phải tính đến sự không chắc

chắn về:

– Độ lớn của tải trọng;

– Vị trí của tải trọng;

– Các tổ hợp tải trọng có thể xảy ra.

• Hệ số sức kháng φ ở một trạng thái giới hạn cần phải tính đến sự

không chắc chắn về:

– Tính chất của vật liệu;

– Các biểu thức xác định cường độ;

– Tay nghề công nhân;

– Kiểm soát chất lượng công trình;

– Ảnh hưởng của các hư hỏng hay khuyết tật của kết cấu…

  



• Trong việc lựa chọn hệ số tải trọng và sức kháng cho cầu, lý thuyết độ

tin cậy đã được áp dụng cho các dữ liệu về cường độ của vật liệu và

đồng thời áp dụng phương pháp thống kê về trọng lượng vật liệu cũng

như tải trọng xe.

  



Trang 4

 Ưu điểm của phương pháp LRFD:

 Xét đến sự khác nhau của cả tải trọng và sức kháng;

 Đạt được mức độ an toàn tương đối đồng đều giữa các

cấu kiện khác nhau, các TTGH khác nhau và các loại cầu

khác nhau

 Nhược điểm của phương pháp LRFD:

 Yêu cầu hiểu biết cơ bản về lý thuyết xác suất và thống kê;

 Yêu cầu có các số liệu thống kê đầy đủ và các thuật toán

thiết kế xác suất để có thể chỉnh lý hệ số sức kháng trong

từng trường hợp riêng

• 2.3‐2. Các trạng thái giới hạn (TTGH)

– Định nghĩa TTGH:

• Trạng thái giới hạn là trạng thái mà tại đó công trình hoặc các bộ phận

của nó ngừng đáp ứng các nhiệm vụ đã được thiết kế.

– Chú ý, khi thiết kế theo TTGH thì mọi TTGH đều được xem là

quan trọng như nhau

– Thiết kế theo tiêu chuẩn 22TCN‐272‐05 là phải thỏa mãn tất cả

các TTGH, xét cả về tổng thể lẫn cục bộ và được thể hiện bằng

biểu thức sau:



Hiệu ứng tính toán của tải trọng ≤ Sức kháng tính toán

Trang 5

ηi– hệ số điều chỉnh tải

trọng

γi– hệ số tải trọng, là số

nhân dựa trên thống kê

dùng cho hiệu ứng lực

Qi– hiệu ứng tải trọng

φ – hệ số sức kháng, là số

nhân dùng cho sức kháng

danh định

Rn– Sức kháng danh định

• Đối với các TTGH cường độ mà các tải trọng

sử dụng hệ số tải trọng γimax thì hệ số điều chỉnh tải trọng là: ηi= ηDηRηI ≥ 0.95 Trong đó:

+ ηD liên quan đến độ dẻo (ηD≥ 1.05 cho các cấu kiện và liên kết không dẻo;ηD= 1 cho các thiết kế thông thường; ηD≥ 0.95 cho các cấu kiện có dùng biện pháp tăng tính dẻo) – điều 1.3.3.

+ ηRliên quan đến độ dư thừa (ηR≥ 1.05 cho các cấu kiện không dư thừa; ηR= 1 cho các mức dư thông thường;ηD≥ 0.95 cho các mức dư đặc biệt) – điều 1.3.4.

+ ηIliên quan đến độ quan trọng (ηI≥ 1.05 cho các cầu quan trọng; ηI= 1 cho các cầu điển hình;

ηI≥ 0.95 cho các cầu ít quan trọng) – điều 1.3.5.

.



ηi– hệ số điều chỉnh tải

trọng

γi– hệ số tải trọng, là số

nhân dựa trên thống kê

dùng cho hiệu ứng lực

Qi– hiệu ứng tải trọng

φ – hệ số sức kháng, là số

nhân dùng cho sức kháng

danh định

Rn– Sức kháng danh định

• Đối với các TTGH cường độ mà các tải trọng

sử dụng hệ số tải trọng γimin thì hệ số điều chỉnh tải trọng là:

• Đối với các TTGH không phải là TTGH cường

độ thì các hệ số : ηD= ηR= ηI= 1

.



1 1

i



  

Trang 6

TTGH CƯỜNG ĐỘ I

Là tổ hợp tải trọng cơ bản để tính với tải trọng khai thác khi trên cầu có xe và không có gió

TTGH CƯỜNG ĐỘ II

Là tổ hợp tải trọng để tính cầu chịu gió V>25m/s, trên cầu không có xe

TTGH CƯỜNG ĐỘ III

Là tổ hợp để tính với trường hợp xe chạy bình thường khi cầu chịu gió V<25m/s

TTGH SỬ DỤNG

Giới hạn đối với ứng suất, biến dạng và vết nứt dưới điều kiện sử dụng bình thường

TTGH MỎI VÀ ĐỨT GÃY DO MỎI

Nhằm hạn chế sự phát triển vết nứt, gãy do tải trọng khai thác gây biến đổi ứng suất (mỏi)

TTGH ĐẶC BIỆT

Nhằm đảm bảo cầu vẫn tồn tại sau biến cố (động đất, va tàu…) mặc dù cầu có thể bị hỏng

Các TTGH quy định trong 22TCN‐272‐05

(1) Tải trọng thường xuyên

DC Tải trọng bản thân của các bộ phận kết cấu

và thiết bị phụ phi kết cấu

Dead load of structural Components

and nonstructural attachments

DW Tải trọng bản thân của lớp phủ mặt cầu và

các tiện ích công cộng

Dead load of Wearing surfaces and

utilities

DD Tải trọng kéo xuống (hiện tượng ma sát âm) Down Drag

EH Tải trọng áp lực đất nằm ngang Horizontal Earth pressure load

EL Các hiệu ứng bị hãm tích lũy do phương

pháp thi công

accumulated Locked‐in Effects resulting

from the construction process

EV Áp lực thẳng đứng do tự trọng đất đắp Vertical pressure from dead load of

Earth fill

2.3‐3. Các tải trọng (được chia ra làm hai nhóm)

(1) Tải trọng thường xuyên và (2) Tải trọng nhất thời

Trang 7

(2) Tải trọng nhất thời

IM Lực xung kích vehicular dynamic load allowance (IMpact ?)

LL Hoạt tải xe vehicular Live Load

PL Hoạt tải người đi Pedestrian live Load

WA Tải trọng nước và áp lực dòng chảy WAtter load and stream pressure

WL Tải trọng gió trên hoạt tải Wind on live Load

WS Tải trọng gió trên kết cấu Wind load on Structure

• 2.3‐4. Hệ số tải trọng cho các TTGH

– Trong mỗi TTGH, hệ số tải trọng cho các tải trọng khác nhau

được lấy như quy định trong bảng 3.4.1‐1

– Các hệ số phải chọn sao cho gây ra tổng ứng lực tính toán cực

hạn. Đối với mỗi tổ hợp tải trọng, cả trị số cực hạn âm lẫn trị

số cực hạn dương đều phải được xem xét

Trang 8

Bảng 3.4.1‐1‐ Tổ hợp và hệ số tải trọng

Tổ hợp tải

trọng

Trạng thái

giới hạn

DC

DD

DW

EH

EV

ES

LL IM CE BR PL LS EL

TU CR SH

TG SE

Cùng một lúc chỉ dùng một trong các tải trọng

Mỏi chỉ có

Ghi chú: AASHTO LRFD (1998) có tổng cộng 11 tổ hợp tải trọng. Để xét tới các điều kiện tại

Việt Nam, 5 tổ hợp tải trọng được lược bỏ và do đó, tổng số các tổ hợp tải trọng cần xét

đến giảm xuống còn 6 tổ hợp như trong bảng 3.4.3‐1.

– Hệ số tải trọng tính cho gradien nhiệt TGvà lún SEcần được

xác định tùy thuộc vào từng đồ án cụ thể

Nếu không có thông tin riêng có thể lấy như sau:

= 0 với các trạng thái giới hạn cường độ và đặc biệt;

= 1 với TTGH sử dụng khi không xét hoạt tải; và

= 0.5 với TTGH sử dụng khi xét hoạt tải

Trang 9

– Đối với các tác động của tải trọng thường xuyên thì hệ số tải

trọng gây ra tổ hợp bất lợi hơn phải được lựa chọn theo bảng

3.4.1‐2

• 2.3‐5. Cách xác định các tĩnh tải

– Các tĩnh tải DC, DW và EV nếu không đủ số liệu chính xác thì có

thể lấy tỷ trọng như Bảng 3.5.1‐1 để tính tĩnh tải

Trang 10

– Các tải trọng đất EH, ES, DD được xác định theo điều 3.11

trong Tiêu chuẩn cầu 22 TCN‐272‐05

• 2.3‐6. Cách xác định tác động của hoạt tải

– Xác định số làn xe

trong đó: Bxe= bề rộng đường xe chạy, mm (bằng khoảng cách

giữa hai mép đá vỉa tính bằng mm)

3500

xe

B

nnguyên 

Bxe

– Hệ số làn xe m (phụ thuộc vào số làn xe) được quy định trong

bảng 3.6.1.1.2.1

– Hoạt tải HL93 gồm 2 tổ hợp sau:

• (TH1): Xe 3 trục thiết kế + Tải trọng làn thiết kế hoặc

• (TH2): Xe 2 trục thiết kế + Tải trọng làn thiết kế

Trang 11

‐ Xe tải thiết kế gồm có 1

trục trước (35KN) và 2 trục

sau (145KN) => tổng trọng

lượng xe là 325 KN

‐ Trừ quy định trong Điều

3.6.1.3.1 và 3.6.1.4.1, cự

ly giữa 2 trục 145 KN phải

thay đổi giữa 4300 và

9000 mm để gây ra ứng

lực lớn nhất

‐ Cự ly chiều ngang của các

bánh xe lấy bằng 1800 mm

Xe 3 trục thiết kế (hoặc gọi là xe tải thiết kế)

4300mm tới 9000mm 4300mm

Xe 2 trục thiết kế

‐ Xe 2 trục gồm 1 cặp trục 110KN => tổng trọng

lượng = 220KN (2 trục cách nhau 1200mm)

‐ Cự ly chiều ngang của các bánh

xe lấy bằng 1800mm

110KN 110KN 1.2m

Tải trọng làn thiết kế

‐ Tải trọng làn thiết kế gồm tải trọng 9.3N/mm

phân bố đều theo chiều dọc

‐ Chiều ngang cầu được giả thiết phân bố

đều trên chiều rộng 3000mm

‐ Ứng lực của tải trọng làn thiết kế không xét

tới lực xung kích

9.3N/mm

Trang 12

Xe 2 trục thiết kế

+ Tải trọng làn thiết kế

110KN 110KN 1.2m

9.3 KN/m

Xe 3 trục thiết kế

+ Tải trọng làn thiết kế

145KN 145KN

4.3 m

9.3 KN/m

4.3 tới 35KN

9 m

Trừ khi có quy định khác, ứng lực lớn nhất phải được lấy theo giá trị

lớn hơn của 2 trường hợp sau:

Xe 3 trục (Truck) + Tải trọng làn

Xe 2 trục (Tandem) + Tải trọng làn

Khi tính mô men âm và phản lực gối giữa, lấy 90% hiệu ứng của các tải trọng trên hình

≥

Hoạt tải thiết kế HL‐93 (3.6.1.3.1)

Trang 13

Tải trọng làn thiết kế không nhất thiết phải liên tục

để có thể gây hiệu ứng bất lợi nhất cho kết cấu

Xếp tải để tính mô men âm trên đỉnh trụ cầu dầm liên tục

Trang 14

• 2.3‐7. Xác định tác động một số tải trọng nhất thời khác

– (1) Tác động xung kích (IM)

• Trừ trường hợp với các cấu kiện vùi, tác động tĩnh học của

Xe tải thiết kế hoặc Xe 2 trục thiết kế (không kể lực ly tâm

và lực hãm) phải được tăng thêm một tỷ lệ phần trăm

được quy định trong Bảng 3.6.2.1.‐1 cho lực xung kích

• Lực xung kích không áp dụng cho Tải trọng bộ hành hoặc

Tải trọng làn thiết kế.

• Không cần xét lực xung kích đối với:

– Tường chắn không chịu phản lực thẳng đứng từ kết cấu

phần trên; và

– Thành phần móng nằm hoàn toàn dưới mặt đất

• Đối với cống và các cấu kiện vùi trong đất, lực xung kích

(tính bằng %) phải lấy như sau:

IM = 33(1 ‐ 4.1 × 10‐4× DE) ≥ 0%

trong đó: DE= chiều dày tối thiểu của lớp đất phủ phía trên

kết cấu (mm)

• Hệ số xung kích áp dụng cho hoạt tải được lấy bằng:

(1 + IM/100)

Trang 15

– (2) Tải trọng bộ hành (PL)

• Đối với tất cả đường bộ hành có bề rộng Bbh≥ 600mm thì

phải lấy tải trọng người đi bộ bằng 3x10‐3MPa và phải tính

đồng thời cùng hoạt tải xe thiết kế

• Đối với cầu chỉ dùng cho người đi bộ và/hoặc đi xe đạp,

phải thiết kế với hoạt tải bằng 4x10‐3MPa

• Không xét lực xung kích đối với tải trọng bộ hành

≥ 600mm

Các tải trọng làn xe được bố trí trong chiều rộng 3m theo

phương ngang cầu để có hiệu ứng bất lợi nhất (3.6.1.3.1).

Hoạt tải

Xe (LL) Live Load

Xe tải thiết kế

(Design Truck)

Xe 2 trục thiết kế (Design Tandem)

Tải trọng làn (Lane Load)

Người đi bộ (PL) Pedestrian Load

Tải phân bố đều

Xe 3 trục

(145+145+35)

=325 kN

Xe 2 trục (110+110)

=220 kN

Tải phân bố đều 9.3 kN/m

3 kN/m2: có xe

4 kN/m2: ko có xe

Trang 16

– (3) Lực ly tâm (CE)

• Lực ly tâm được lấy bằng tích số của: hệ số C với trọng

lượng các trục của Xe tải thiết kế hoặc Xe 2 trục.

trong đó:

• Hệ số C được lấy bằng:

• v = vận tốc thiết kế đường ô tô (m/s)

• g = gia tốc trọng lực 9,807 (m/s2)

• R = bán kính cong của làn xe (m)

2 4 3

v C

gR



• Lực ly tâm tác dụng theo phương nằm ngang cách phía trên

mặt đường 1.8 m

• Lực ly tâm không xét đến lực xung kích;

• Phải áp dụng hệ số làn xe như quy định trong điều 3.6.1.1.2

• Tốc độ thiết kế đường ô tô không lấy nhỏ hơn trị số quy

định trong Tiêu chuẩn thiết kế đường bộ

• Tải trọng làn thiết kế được bỏ qua trong tính toán lực ly

tâm vì cự ly giữa các xe có tốc độ cao được coi là lớn dẫn

đến mật độ xe phía trước và sau xe tải thiết kế thấp

Trang 17

– (4) Lực hãm (BR)

• Lực hãm được lấy bằng25%tổng trọng lượng các trục của

Xe tải thiết kế hoặc Xe 2 trục.

• Cần chú ý:

– Các làn xe được giả thiết đi cùng một chiều

– Các lực hãm được coi là tác dụng theo phương dọc cầu

cách phía trên mặt đường 1.8m

– Các lực hãm phải được tính cho cả 2 chiều theo

phương dọc cầu để gây ra ứng lực lớn nhất

– Phải áp dụng hệ số làn quy định trong Điều 3.6.1.1.2

– Chỉ có Xe tải thiết kế và Xe 2 trục thiết kế là được xét

tính lực hãm vì những xe khác đại diện bởi Tải trọng làn

thiết kế được mong đợi là hãm ngoài pha

– (5) Tải trọng va xe (CT)

• Theo điều 3.6.5.1: không cần tính lực va xe nếu công trình

được bảo vệ bởi:

– Nền đắp, hoặc

– Kết cấu rào chắn độc lập cao 1370mm chịu được va đập,

chôn trong đất và đặt trong phạm vi cách bộ phận cần được

bảo vệ 3000mm, hoặc

– Rào chắn cao 1070mm đặt cách bộ phận cần bảo vệ hơn

3000mm

Trang 18

• Theo điều 3.6.5.2:

– Tất cả mố trụ (không thỏa mãn điều kiện bảo vệ trong

điều 3.6.5.1) đặt trong phạm vi cách mép lòng đường

bộ 9m hay trong phạm vi 15m đến tim đường sắt đều

phải thiết kế cho một lực tĩnh tương đương là 1800KN

tác dụng ở bất kỳ hướng nào trong mặt phẳng nằm

ngang và cách mặt đất là 1.2m

1.2m 1800KN

– Tải trọng nước (WA)

• Tác dụng theo chiều dọc của trụ: p = 5.14 x 10‐4CdV2

trong đó:

 p = áp lực dòng chảy (MPa)

 Cd= hệ số cản của trụ lấy theo bảng 3.7.3.1‐1

 V = vận tốc nước thiết kế (tính theo lũ thiết kế cho xói ở

TTGH cường độ và sử dụng và tính theo lũ kiểm tra xói khi tính theo TTGH đặc biệt).

Trang 19

• Tác dụng theo chiều ngang (vuông góc với trục của trụ)

Áp lực phân bố đều trên kết cấu phần dưới do dòng chảy

lệch với chiều dọc của trụ một góc θ được lấy bằng:

p = 5.14 x 10‐4CLV2

trong đó:

 p = áp lực dòng chảy theo chiều ngang (MPa);

 CL= hệ số cản của trụ lấy theo bảng 3.7.3.2‐1

Định dạng
Số trang	19
Dung lượng	1,28 MB