Bài giảng Thiết kế và xây dựng cầu 1: Chương 4 - TS. Nguyễn Ngọc Tuyển (Chi tiết)

11/9/2012

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Website: http://www.nuce.edu.vn

Bộ môn Cầu và Công trình ngầm Website: http://bomoncau.tk/

THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG CẦU 1

TS. NGUYỄN NGỌC TUYỂN Website môn học: http://47XDCT‐GTVT.TK/

Hà Nội, 10‐2012

CHƯƠNG IV

Tải trọng, hệ số tải trọng và các TTGH

180

11/9/2012

4.1. Tải trọng

Tải trọng được chia ra làm hai nhóm: (1) Tải trọng thường xuyên và (2) Tải trọng nhất thời.

Tải trọng thường xuyên

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

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

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

ES Tải trọng đất chất thêm

EV Áp lực thẳng đứng do tự trọng đất đắp

Earth Surcharge load Vertical pressure from dead load of Earth fill

181

Tải trọng (t.theo)

Tải trọng nhất thời

vehicular BRaking force vehicular CEntrifugal force CReep vehicular (Truck ?) Collision force Vessel Collision force EarthQuake FRiction vehicular dynamic load allowance (IMpact ?) vehicular Live Load Live load Surcharge Pedestrian live Load SEttlement SHrinkage Temperature Gradient Uniform Temperature

BR Lực hãm xe CE Lực ly tâm CR Từ biến CT Lực va xe CV Lực va tàu EQ Động đất FR Ma sát IM Lực xung kích LL Hoạt tải xe LS Hoạt tải chất thêm PL Hoạt tải người đi SE Lún SH Co ngót TG Gradien nhiệt TU Nhiệt độ đều WA Tải trọng nước và áp lực dòng chảy WAtter load and stream pressure WL Tải trọng gió trên hoạt tải WS Tải trọng gió trên kết cấu

Wind on live Load Wind load on Structure

182

11/9/2012

4.2. Các Trạng Thái Giới Hạn (TTGH) quy định

trong Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN‐272‐05

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

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

TTGH CƯỜNG ĐỘ II

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

TTGH CƯỜNG ĐỘ III

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

TTGH SỬ DỤNG

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)

183

4.3. Các hệ số và tổ hợp tải trọng

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

‐ Trong một tổ hợp tải trọng, 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

184

mỗi tổ hợp tải trọng, cả trị số cực hạn âm lẫn trị số cực hạn dương đều phải được xem xét.

11/9/2012

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

Tổ hợp tải trọng

Cùng một lúc chỉ dùng một trong các tải trọng

WA WS WL

FR

TG SE

DC DD DW EH

TU CR SH

EQ

CT

CV

Trạng thái giới hạn

LL IM CE BR PL LS EL 1,75

Cường độ I

1,00

‐

1,00

‐

Cường độ II

1,35

1,00

1,40

‐

1,00

‐

Cường độ III

‐

1,00

1,40

‐

1,00

‐

Đặc biệt

‐

1,00

‐

1,00

0,50

1,00

‐

Sử dụng

EV ES p  p  p  p 1.0

1,00

0,30

1,00

0,5/1.20 TG SE 0,5/1.20 TG SE 0,5/1.20 TG SE ‐ 1,0/1,20 TG SE

‐

0,75

‐

‐ ‐ ‐

Mỏi chỉ có LL, IM & CE

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.

185

Các hệ số và tổ hợp tải trọng (t.theo)

• Hệ số tải trọng tính cho gradien nhiệt TG và lún SE cần được xác định trên cơ sở một đồ án cụ thể riêng. Nếu không có thông tin riêng có thể lấy bằng:

– 0,0 ở các trạng thái giới hạn cường độ và đặc biệt – 1,0 ở trạng thái giới hạn sử dụng khi không xét hoạt tải, và – 0,50 ở trạng thái giới hạn sử dụng khi xét hoạt tải

186

11/9/2012

Các hệ số và tổ hợp tải trọng (t.theo)

187

4.4. Xác định tải trọng thường xuyên

‐ Đối với 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

188

‐ 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 ‐ Các tải trọng đất EH, ES, DD được xác định theo điều 3.11 trong Tiêu chuẩn cầu 22 TCN‐272‐05

11/9/2012

4.5. Xác định tải trọng nhất thời – Hoạt tải xe

Số làn xe: n = w/3500, trong đó w là bề rộng lòng đường (khoảng cách giứa 2 đá vỉa tính bằng mm)

Hệ số làn xe m (phụ thuộc vào số làn xe) được quy định trong bảng 3.6.1.1.2.1

189

Xác định hoạt tải xe (t.theo)

Hoạt tải ô tô trên mặt cầu được đặt tên là HL‐93 sẽ gồm tổ hợp của: ‐ ‐ Xe tải thiết kế + Tải trọng làn thiết kế, hoặc Xe 2 trục thiết kế + Tải trọng làn thiết kế

Xe tải thiết kế

‐

4300mm

4300mm tới 9000mm

Xe tải thiết kế gồm có 1 trục trước (35KN) và 2 trục sau (145KN) => tổng trọng lượng xe là 325 KN

Xe 3 trục

(145+145+35)

=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

190

‐ Cự ly chiều ngang của các bánh xe lấy bằng 1800 mm

11/9/2012

Xác định hoạt tải xe (t.theo)

110KN 110KN

Xe 2 trục thiết kế

1.2m

‐ 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

Tải trọng làn thiết kế

9.3N/mm

‐ 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

191

Xác định hoạt tải xe (t.theo)

‐ Ứng lực của tải trọng làn thiết kế không xét tới lực xung kích

Trừ khi có quy định khác, ứng lực lớn nhất phải được lấy theo giá trị lớn hơn của 2 trường hợp sau:

145KN 145KN

110KN 110KN

35KN

1.2m

4.3 m

4.3 tới 9 m

9.3 KN/m

192

Xe tải thiết kế + Tải trọng làn thiết kế Xe 2 trục thiết kế + Tải trọng làn thiết kế

11/9/2012

Xác định hoạt tải xe (t.theo)

Hoạt tải thiết kế HL‐93 (3.6.1.3.1)

Xe 3 trục (Truck) + Tải trọng làn

Xe 2 trục (Tandem) + Tải trọng làn

≥

193

Xác định hoạt tải xe (t.theo)

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

Hoạt tải

Người đi bộ (PL) Pedestrian Load

Xe (LL) Live Load

Tải phân bố đều

Xe tải thiết kế (Design Truck)

Xe 2 trục thiết kế (Design Tandem)

Tải trọng làn (Lane Load)

Xe 3 trục

Xe 2 trục

Tải phân bố đều

3 kN/m2: có xe

(145+145+35)

(110+110)

9.3 kN/m

4 kN/m2: ko có xe

=325 kN

=220 kN

194

Các tải trọng xe được bố trí trong chiều rộng 3m theo phương ngang cầu để có hiệu ứng bất lợi nhất (3.6.1.3.1). Tuy nhiên, theo Lecture 7 của NHI, hai làn xe Truck được xếp cách nhau 3600mm, tim đến tim!

11/9/2012

4.6. Xác định các tải trọng nhất thời khác

4.6.1. Tải trọng bộ hành (PL)

‐ Đối với tất cả đường bộ hành rộng hơn 600mm phải lấy tải trọng

người đi bộ bằng 3x10‐3 MPa 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 4x10‐3 MPa

195

4.6.2. Lực xung kích (IM)

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

Trừ trường hợp với 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.

196

Lực xung kích không áp dụng cho Tải trọng bộ hành hoặc Tải trọng làn thiết kế.

11/9/2012

Lực xung kích (t.theo)

Không cần xét lực xung kích đối với: ‐ ‐ Tường chắn không chịu phản lực thẳng đứng từ kết cấu phần trên 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*10‐4DE) ≥ 0%

trong đó, DE = chiều dày tối thiểu của lớp đất phủ phía trên kết cấu (mm)

197

4.6.3. Lực ly tâm (CE)

=> Hệ số áp dụng cho tải trọng tĩnh được lấy bằng: (1 + IM/100)

‐ Lực ly tâm được lấy bằng tích số của các Trọng lượng trục của: Xe tải thiết kế hoặc Xe 2 trục thiết kế với hệ số C



24 v gR 3

‐ Hệ số C được lấy bằng:

trong đó: 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)

198

‐ Lực ly tâm tác dụng theo phương nằm ngang cách phía trên mặt đường 1.8 m.

11/9/2012

Lực ly tâm (t.theo)

‐ 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

‐

199

4.6.4. Lực hãm (BR)

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.

‐ Lực hãm được lấy bằng 25% tổng trọng lượng các trục của: Xe tải thiết kế hoặc Xe 2 trục thiết kế

‐ 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

200

những xe khác đại diện bởi Tải trọng làn thiết kế được mong đợi là hãm ngoài pha.

11/9/2012

4.6.5. Lực va xe (CT)

‐

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

‐

201

4.6.6. Tải trọng nước (WA)

Tất cả mố trụ (không thỏa mãn điều kiện bảo vệ nói trên) 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

Áp lực dòng chảy theo chiều dọc

‐ Tác dụng theo chiều dọc của kết cấu phần dưới:

p = 5.14 x 10‐4 CD V2 trong đó:

202

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; tính theo lũ kiểm tra xói khi tính theo TTGH đặc biệt

11/9/2012

Áp lực dòng chảy theo chiều ngang

‐ 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 10‐4 CL V2 trong đó:

203

4.7. Triết lý thiết kế theo TTGH

 Trạng thái giới hạn (TTGH) là gì?

p = áp lực dòng chảy theo chiều ngang (Mpa) CL = hệ số cản của trụ lấy theo bảng 3.7.3.2‐1

TTGH là trạng thái mà ở đó công trình bị phá hoại hoặc không thể thỏa mãn các yêu cầu sử dụng bình thường (như bị võng quá mức hoặc rung động quá lớn…)

 Theo điều 1.3.1. (22TCN‐272.05)

TTGH là trạng thái mà tại đó công trình cầu hoặc các bộ phận của nó ngừng đáp ứng các nhiệm vụ thiết kế.

. 

 i i

“Cầu phải được thiết kế theo các TTGH quy định để đạt được các mục tiêu thi công, an toàn và sử dụng được, có xét đến khả năng dễ kiểm tra, tính kinh tế và mỹ quan.”



HiÖu øng cña t¶i träng ≤ Søc kh¸ng

204

11/9/2012

Triết lý thiết kế theo TTGH (t.theo)

. 

‐ Đối với các tải trọng dùng hệ số tải trọng γi max thì hệ số điều chỉnh: ηi = ηD ηR ηI ≥ 0.95

 i i



‐ Đối với các tải trọng dùng hệ số tải trọng γi min thì hệ số điều chỉnh: ηi = 1/(ηD ηR ηI) ≤ 1

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 nghĩa

Rn – Sức kháng danh nghĩa

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). +ηR liên 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). +ηI liên 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 tương đối ít quan trọng).

205

Triết lý thiết kế theo TTGH (t.theo)

‐ Tiêu chuẩn 22‐TCN 272‐05 được Bộ GTVT ban hành năm 2005 dựa trên Tiêu chuẩn AASHTO LRFD 1998. => Phương pháp tính theo TTGH trong 22TCN‐272‐05 được gọi là phương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng (Load and Resistance Factor Design – LRFD).

‐ Ưu điểm của phương pháp LRFD: Đã 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

206

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.

11/9/2012

4.8. Tổ hợp nội lực

Xét một dầm chủ có hệ số phân phối ngang gLL

DC .



. 

. 

D . W.



Q D

.  D

DC  D

‐ Nội lực tính toán do tĩnh tải DC và DW:

Truck

m g . .

9.3.





 1



P i

y i





Tandem

m g . .

9.3.





 1



P i

y i

 

 

 .  .

   

 .    .   

        

‐ Nội lực tính toán do hoạt tải HL93:

207

4.9. Ví dụ tính toán

trong đó: ‐ ω = diện tích đường ảnh hưởng nội lực ‐ m = hệ số làn xe ‐ ‐ P = trọng lượng trục xe y = tung độ đường ảnh hưởng nội lực tại vị trí lực P.

Đề bài: Cho kết cấu nhịp dầm đơn giản (1 dầm chủ, 1 làn xe) như hình vẽ. ‐ Chiều dài nhịp tính toán Ltt = 32m Trọng lượng dầm chủ 14 KN/m ‐ ‐ Trọng lượng các lớp phủ mặt cầu 5KN/m ‐ Hoạt tải tác dụng: HL93 ‐ Giả thiết hệ số điều chỉnh tải trọng η = 1.05

Ltt = 32 m

208

Yêu cầu: Xác định mômen tính toán tại ½ nhịp theo TTGH cường độ I.

11/9/2012

Ltt = 32 m

wDC = 14 KN/m

wDW = 5 KN/m

Diện tích đ.a.h: A = 128 m2.

đ.a.h (M)

Ltt / 4 = 8 m

MDC = γDC*η*(wDC*A) = 1.25*1.05*(14*128) = 2352 KN.m

209