Nhập môn Cầu - Nguyên lý thiết kế và tính toán cầu theo TTGH

Nội dung text: Nhập môn Cầu - Nguyên lý thiết kế và tính toán cầu theo TTGH

1. 11/5/2013 TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Bộ môn Cầu và Công trình ngầm Website: Website: NHẬP MÔN CẦU TS. NGUYỄN NGỌC TUYỂN Website môn học: Link dự phòng: ‐in‐ vietnamese/nhap‐mon‐cau Hà Nội, 10‐2013 2.3. Nguyên lý T.kế và tính toán cầutheoTTGH • 2.3‐1. Triếtlýthiếtkế củatiêuchuẩn 22TCN‐272‐05 – Theo điều 1.3.1. (22TCN‐272.05): “Cầuphải đượcthiếtkế theo các TTGH quy định để đạt đượccácmục tiêu thi công được, an toàn và sử dụng được, có xét đếnkhả năng dễ kiểmtra, tính kinh tế và mỹ quan.” – Kếtcấu đượcthiếtkế phảithỏamãntấtcả các TTGH xét cả về tổng thể lẫncụcbộ. – Nguyên lý đảmbảoan toàn trong thiếtkế theo bấtkỳ phương pháp nào đềulà: hiệu ứng củatảitrọng phảinhỏ hơnsức kháng củakếtcấu. Hiệu ứng củatảitrọng ≤ Sứckháng 125 1
2. 11/5/2013 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) – Tiêu chuẩn 22TCN‐272‐05 đượcBộ GTVT ban hành năm 2005 dựa trên Tiêu chuẩn AASHTO LRFD 1998 (Mỹ). – Tiêu chuẩn 22TCN‐272‐05 sử dụng triếtlýthiếtkế như sau:  iiQR  n Hiệu ứng củatảitrọng ≤ Sức kháng tính toán • Chú ý rằng hai vế củabất đẳng thứctrênphải được xem xét trong cùng một điềukiệnhay nói cách khác, giá trị của2 vế bất đẳng thứcphải được xem xét trong cùng mộtTTGH • Để tính tớisự biến động ở cả 2 vế củabất đẳng thứctrên, phía sức kháng được nhân vớihệ số sức kháng φ (thường 1). 126 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) iiQR  n • Vế trái: hiệu ứng tảitrọng ở mộttrạng thái giớihạncụ thể là tổ hợp của nhiềuloạitảitrọng (Qi) với các mức độ tác dụng khác nhau được dựđoán trước. Do vậyhiệu ứng củatảitrọng đượcbiểuthị là tổng của các giá trịγiQi • Vế phải: Rn là sức kháng danh định. Tích sốφRn đượcgọilàsức kháng tính toán. • Bất đẳng thức trên bao gồmcả hệ số tảitrọng γ và hệ số sức kháng φ nên phương pháp thiếtkếđượcgọilà“Phương pháp hệ số tảitrọng và sức kháng”. Tên tiếng anh: Load and Resistance Factor Design (LRFD). 127 2
3. 11/5/2013 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) • Hệ số tảitrọng γi củamỗiloạitảitrọng cầnphảitínhđếnsự không chắc chắnvề: – Độ lớncủatảitrọng; – Vị trí củatảitrọng; iiQR  n – Các tổ hợptảitrọng có thể xảyra. • Hệ số sức kháng φở mộttrạng thái giớihạncầnphảitínhđếnsự không chắcchắnvề: – Tính chấtcủavậtliệu; – Các biểuthứcxácđịnh cường độ; – Tay nghề công nhân; – Kiểmsoátchấtlượng công trình; – Ảnh hưởng của các hư hỏng hay khuyếttậtcủakếtcấu 128 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) • Trong việclựachọnhệ số tảitrọng và sức kháng cho cầu, lý thuyết độ tin cậy đã đượcápdụng cho các dữ liệuvề cường độ củavậtliệuvà đồng thờiápdụng phương pháp thống kê về trọng lượng vậtliệucũng như tảitrọng xe. iiQR  n 129 3
4. 11/5/2013 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) . Ưu điểmcủaphương pháp LRFD: . Xét đếnsự khác nhau củacả tảitrọng và sức kháng; . Đạt đượcmức độ an toàn tương đối đồng đềugiữacác cấukiện khác nhau, các TTGH khác nhau và các loạicầu khác nhau. . Nhược điểmcủaphương pháp LRFD: . Yêu cầuhiểubiếtcơ bảnvề lý thuyếtxácsuấtvàthống kê; . Yêu cầucócácsố liệuthống kê đầy đủ và các thuậttoán thiếtkế xác suất để có thể chỉnh lý hệ số sức kháng trong từng trường hợpriêng. 130 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) • 2.3‐2. Các trạng thái giớihạn (TTGH) – Định nghĩaTTGH: • Trạng thái giớihạnlàtrạng thái mà tại đó công trình hoặc các bộ phận củanóngừng đáp ứng các nhiệmvụđã đượcthiếtkế. – Chú ý, khi thiếtkế theo TTGH thì mọiTTGH đều đượcxemlà quan trọng như nhau. – Thiếtkế theo tiêu chuẩn 22TCN‐272‐05 là phảithỏamãntấtcả các TTGH, xét cả về tổng thể lẫncụcbộ và đượcthể hiệnbằng biểuthứcsau:  iiQR i  n Hiệu ứng tính toán củatảitrọng ≤ Sức kháng tính toán 131 4
5. 11/5/2013 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo)  QR . • ĐốivớicácTTGH cường độ mà các tảitrọng  ii i n sử dụng hệ số tảitrọng γi max thì hệ sốđiều chỉnh tảitrọng là: ηi = ηD ηR ηI ≥ 0.95 Trong đó: ηi –hệ sốđiềuchỉnh tải trọng + ηD liên quan đến độ dẻo(ηD ≥ 1.05 cho các cấu kiện và liên kết không dẻo;ηD = 1 cho các thiếtkế γ –hệ số tảitrọng, là số i thông thường; ηD ≥ 0.95 cho các cấukiệncó nhân dựatrênthống kê dùng biện pháp tăng tính dẻo) – điều 1.3.3. dùng cho hiệu ứng lực + ηR liên quan đến độ dư thừa(ηR ≥ 1.05 cho các Qi –hiệu ứng tảitrọng cấukiện không dư thừa; ηR = 1 cho các mứcdư thông thường;ηD ≥ 0.95 cho các mứcdưđặc φ –hệ số sức kháng, là số biệt) – điều 1.3.4. nhân dùng cho sức kháng danh định + ηI liên quan đến độ quan trọng (ηI ≥ 1.05 cho các cầu quan trọng; ηI = 1 cho các cầu điển hình; Rn –Sức kháng danh định ηI ≥ 0.95 cho các cầu ít quan trọng) – điều 1.3.5. 132 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo)   iiQR i . n • ĐốivớicácTTGH cường độ mà các tảitrọng ηi –hệ sốđiềuchỉnh tải sử dụng hệ số tảitrọng γi min thì hệ sốđiều trọng chỉnh tảitrọng là: γ –hệ số tảitrọng, là số 1 i  1 nhân dựatrênthống kê i DRI dùng cho hiệu ứng lực Qi –hiệu ứng tảitrọng • ĐốivớicácTTGH không phảilàTTGH cường φ –hệ số sức kháng, là số độ thì các hệ số : ηD = ηR = ηI = 1 nhân dùng cho sức kháng danh định Rn –Sức kháng danh định 133 5
6. 11/5/2013 Các TTGH quy định trong 22TCN‐272‐05 TTGH CƯỜNG ĐỘ I Là tổ hợptảitrọng cơ bản để tính vớitảitrọng khai thác khi trên cầu có xe và không có gió TTGH CƯỜNG ĐỘ II Là tổ hợptảitrọng để tính cầuchịu gió V>25m/s, trên cầu không có xe TTGH CƯỜNG ĐỘ III Là tổ hợp để tính vớitrường hợpxechạybìnhthường khi cầuchịu gió V<25m/s TTGH SỬ DỤNG Giớihạn đốivới ứng suất, biến dạng và vết nứt dưới điều kiện sử dụng bình thường TTGH MỎI VÀ ĐỨT GÃY DO MỎI Nhằmhạnchế sự phát triểnvếtnứt, gãy do tảitrọng khai thác gây biến đổi ứng suất(mỏi) TTGH ĐẶC BIỆT Nhằm đảmbảocầuvẫntồntại sau biếncố (động đất, va tàu ) mặcdùcầucóthể bị hỏng 134 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) 2.3‐3. Các tảitrọng (đượcchia ra làm hai nhóm) (1) Tảitrọng thường xuyên và (2) Tảitrọng nhấtthời. (1) Tải trọng thường xuyên Tảitrọng bảnthâncủacácbộ phậnkếtcấu Dead load of structural Components DC và thiếtbị phụ phi kếtcấu and nonstructural attachments Tảitrọng bảnthâncủalớpphủ mặtcầuvà Dead load of Wearing surfaces and DW các tiệníchcôngcộng 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 Các hiệu ứng bị hãm tích lũy do phương accumulated Locked‐in Effects resulting EL pháp thi công from the construction process ES Tải trọng đất chất thêm Earth Surcharge load Vertical pressure from dead load of EV Áp lực thẳng đứng do tự trọng đất đắp Earth fill 135 6
7. 11/5/2013 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) (2) Tảitrọng nhấtthời BR Lựchãmxe vehicular BRaking force CE Lựclytâm vehicular CEntrifugal force CR Từ biến CReep CT Lựcvaxe vehicular (Truck ?) Collision force CV Lựcvatàu Vessel Collision force EQ Động đất EarthQuake FR Ma sát FRiction IM Lực xung kích vehicular dynamic load allowance (IMpact ?) LL Hoạttảixe vehicular Live Load LS Hoạttảichấtthêm Live load Surcharge PL Hoạttảingười đi Pedestrian live Load SE Lún SEttlement SH Co ngót SHrinkage TG Gradien nhiệt Temperature Gradient TU Nhiệt độ đều Uniform Temperature 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 136 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) • 2.3‐4. Hệ số tảitrọng cho các TTGH – Trong mỗiTTGH, hệ số tảitrọng cho các tảitrọng khác nhau đượclấynhư quy định trong bảng 3.4.1‐1 – Các hệ số phảichọnsaochogâyratổng ứng lựctínhtoáncực hạn. Đốivớimỗitổ hợptảitrọng, cả trị số cựchạnâmlẫntrị số cựchạndương đềuphải đượcxemxét. 137 7
8. 11/5/2013 Bảng 3.4.1‐1‐ Tổ hợpvàhệ số tảitrọng DC LL Tổ hợptải DD IM Cùng mộtlúcchỉ trọng DW CE TU dùng mộttrong EH BR WA WS WL FR CR TG SE các tảitrọng PL SH Trạng thái EV LS giớihạn EQ CT CV ES EL Cường độ I p 1,75 1,00 ‐‐1,00 0,5/1.20 TG SE ‐‐‐ Cường độ II  p 1,35 1,00 1,40 ‐ 1,00 0,5/1.20 TG SE ‐‐‐ Cường độ III  p ‐ 1,00 1,40 ‐ 1,00 0,5/1.20 TG SE ‐‐‐ Đặcbiệt  p 0,50 1,00 ‐‐1,00 ‐ ‐‐1,00 1,00 1,00 Sử dụng 1.0 1,00 1,00 0,30 1,00 1,00 1,0/1,20 TG SE ‐‐‐ Mỏichỉ có ‐ 0,75 ‐‐‐ ‐ ‐ ‐‐ ‐‐‐ LL, IM & CE Ghi chú: AASHTO LRFD (1998) có tổng cộng 11 tổ hợptảitrọng. Để xét tớicácđiềukiệntại ViệtNam, 5 tổ hợptảitrọng đượclượcbỏ và do đó, tổng số các tổ hợptảitrọng cầnxét đếngiảmxuống còn 6 tổ hợpnhư trong bảng 3.4.3‐1. 138 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) – Hệ số tảitrọng tính cho gradien nhiệt TG và lún SE cần được xác định tùy thuộcvàotừng đồ án cụ thể. Nếu không có thông tin riêng có thể lấynhư sau: = 0 vớicáctrạng thái giớihạncường độ và đặcbiệt; = 1 vớiTTGH sử dụng khi không xét hoạttải; và = 0.5 vớiTTGH sử dụng khi xét hoạttải. 139 8
9. 11/5/2013 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) – Đốivớicáctácđộng củatảitrọng thường xuyên thì hệ số tải trọng gây ra tổ hợpbấtlợihơnphải đượclựachọntheobảng 3.4.1‐2 140 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) • 2.3‐5. Cách xác định các tĩnh tải – Các tĩnh tảiDC, DW và EV nếu không đủ số liệu chính xác thì có thể lấytỷ trọng như Bảng 3.5.1‐1 để tính tĩnh tải. 141 9
10. 11/5/2013 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) – Các tảitrọng đấtEH, ES, DD đượcxácđịnh theo điều3.11 trong Tiêu chuẩncầu22 TCN‐272‐05. • 2.3‐6. Cách xác định tác động củahoạttải – Xác định số làn xe Bxe Bxe n nguyên 3500 trong đó: Bxe = bề rộng đường xe chạy, mm (bằng khoảng cách giữahaimépđávỉatínhbằng mm). 142 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) – Hệ số làn xe m (phụ thuộcvàosố làn xe) được quy định trong bảng 3.6.1.1.2.1 – HoạttảiHL93 gồm2 tổ hợpsau: • (TH1): Xe 3 trụcthiếtkế + Tảitrọng làn thiếtkế hoặc • (TH2): Xe 2 trụcthiếtkế + Tảitrọng làn thiếtkế 143 10
11. 11/5/2013 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) Xe 3 trụcthiếtkế (hoặcgọilàxetảithiếtkế) ‐ Xe tảithiếtkế gồmcó1 trụctrước (35KN) và 2 trục sau (145KN) => tổng trọng lượng xe là 325 KN ‐ Trừ quy định trong Điều 4300mm 4300mm tới 9000mm 3.6.1.3.1 và 3.6.1.4.1, cự ly giữa2 trục 145 KN phải thay đổigiữa 4300 và 9000 mm để gây ra ứng lựclớnnhất ‐ Cự ly chiềungangcủacác bánh xe lấybằng 1800 mm 144 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) Xe 2 trụcthiếtkế 110KN 110KN ‐ Xe 2 trụcgồm1 cặptrục 110KN => tổng trọng lượng = 220KN (2 trục cách nhau 1200mm) 1.2m ‐ Cự ly chiềungangcủa các bánh xe lấybằng 1800mm Tảitrọng làn thiếtkế ‐ Tảitrọng làn thiếtkế gồmtảitrọng 9.3N/mm phân bốđều theo chiềudọc ‐ Chiềungangcầu đượcgiả thiết phân bố 9.3N/mm đềutrênchiềurộng 3000mm ‐Ứng lựccủatảitrọng làn thiếtkế không xét tớilực xung kích 145 11
12. 11/5/2013 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) Trừ khi có quy định khác, ứng lựclớnnhấtphải đượclấy theo giá trị lớnhơncủa2 trường hợp sau: Xe 3 trụcthiếtkế Xe 2 trụcthiếtkế + + Tảitrọng làn thiếtkế Tảitrọng làn thiếtkế 145KN 145KN 110KN 110KN 35KN 4.3 tới 1.2m 4.3 m 9 m 9.3 KN/m 9.3 KN/m 146 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) Hoạttảithiếtkế HL‐93 (3.6.1.3.1) Xe 3 trục(Truck) + Tảitrọng làn Xe 2 trục (Tandem) + Tảitrọng làn Khi tính mô men âm và ≥ phảnlựcgốigiữa, lấy 90% hiệu ứng củacác tảitrọng trên hình 147 12
13. 11/5/2013 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) Tảitrọng làn thiếtkế không nhấtthiếtphải liên tục để có thể gây hiệu ứng bấtlợinhấtchokếtcấu 148 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) Xếptải để tính mô men âm trên đỉnh trụ cầudầm liên tục 149 13
14. 11/5/2013 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) • 2.3‐7. Xác định tác động mộtsố tảitrọng nhấtthờikhác – (1) Tác động xung kích (IM) • Trừ trường hợpvớicáccấukiệnvùi, tác động tĩnh họccủa Xe tảithiếtkế hoặcXe2 trụcthiếtkế (không kể lựclytâm và lựchãm) phải đượctăng thêm mộttỷ lệ phầntrăm được quy định trong Bảng 3.6.2.1.‐1 cho lực xung kích. • Lực xung kích không áp dụng cho Tảitrọng bộ hành hoặc Tảitrọng làn thiếtkế. 150 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) • Không cầnxétlực xung kích đốivới: – Tường chắn không chịuphảnlựcthẳng đứng từ kếtcấu phầntrên; và – Thành phầnmóngnằm hoàn toàn dướimặt đất. • Đốivớicống và các cấukiện vùi trong đất, lực xung kích (tính bằng %) phảilấynhư sau: ‐4 IM = 33(1 ‐ 4.1 ×10 ×DE) ≥ 0% trong đó: DE = chiềudàytốithiểucủalớp đấtphủ phía trên kếtcấu (mm). • Hệ số xung kích áp dụng cho hoạttải đượclấybằng: (1 + IM/100) 151 14
15. 11/5/2013 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) – (2) Tảitrọng bộ hành (PL) • Đốivớitấtcảđường bộ hành có bề rộng Bbh ≥ 600mm thì phảilấytảitrọng người đibộ bằng 3x10‐3 MPa và phảitính đồng thời cùng hoạttảixethiếtkế. ≥ 600mm • Đốivớicầuchỉ dùng cho người đibộ và/hoặc đixeđạp, phảithiếtkế vớihoạttảibằng 4x10‐3 MPa. • Không xét lực xung kích đốivớitảitrọng bộ hành 152 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) Hoạttải Xe (LL) Người đibộ (PL) Live Load Pedestrian Load Xe tảithiếtkế Xe 2 trụcthiếtkế Tảitrọng làn Tải phân bốđều (Design Truck) (Design Tandem) (Lane Load) Xe 3 trục Xe 2 trục Tải phân bốđều 3 kN/m2: có xe (145+145+35) (110+110) 9.3 kN/m =325 kN =220 kN 4 kN/m2: ko có xe Các tảitrọng làn xe đượcbố trí trong chiềurộng 3m theo phương ngang cầu để có hiệu ứng bấtlợinhất (3.6.1.3.1). 153 15
16. 11/5/2013 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) – (3) Lực ly tâm (CE) • Lực ly tâm được lấy bằng tích số của: hệ số C vớitrọng lượng các trục của Xe tải thiết kế hoặc Xe 2 trục. trong đó: 4 v2 • Hệ số C được lấy bằng: C 3 gR • 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) 154 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) • Lực ly tâm tác dụng theo phương nằm ngang cách phía trên mặt đường 1.8 m. • Lực ly tâm không xét đếnlực xung kích; • Phảiápdụng hệ số làn xe như quy định trong điều 3.6.1.1.2 • Tốc độ thiếtkếđường ô tô không lấynhỏ hơntrị số quy định trong Tiêu chuẩnthiếtkếđường bộ • Tảitrọng làn thiếtkếđượcbỏ qua trong tính toán lựcly tâm vì cự ly giữacácxecótốc độ cao đượccoilàlớndẫn đếnmật độ xe phía trướcvàsauxetảithiếtkế thấp. 155 16
17. 11/5/2013 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) – (4) Lựchãm(BR) • Lựchãmđượclấybằng 25% tổng trọng lượng các trụccủa Xe tải thiết kế hoặc Xe 2 trục. • Cầnchúý: – Các làn xe đượcgiả thiết đi cùng mộtchiều – Các lựchãmđượccoilàtácdụng theo phương dọccầu cách phía trên mặt đường 1.8m – Các lựchãmphải đượctínhchocả 2 chiềutheo phương dọccầu để gây ra ứng lựclớnnhất. – Phảiápdụng hệ số làn quy định trong Điều 3.6.1.1.2. – Chỉ có Xe tảithiếtkế và Xe 2 trụcthiếtkế là đượcxét tính lựchãmvìnhững xe khác đạidiệnbởiTảitrọng làn thiếtkếđượcmongđợi là hãm ngoài pha. 156 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) – (5) Tảitrọng 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 157 17
18. 11/5/2013 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) • 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. 1800KN 1.2m 158 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) – Tảitrọng nước(WA) ‐4 2 • Tác dụng theo chiều dọc của trụ: p = 5.14 x 10 Cd V 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). 159 18
19. 11/5/2013 Nguyên lý T.kế và tính toán (t.theo) • Tác dụng theo chiều ngang(vuônggócvớitrụccủa trụ). Áp lực phân bốđềutrênkếtcấuphầndướido dòng chảy lệch vớichiềudọccủatrụ mộtgócθđượclấybằng: ‐4 2 p = 5.14 x 10 CL V trong đó: . p = áp lực dòng chảy theo chiều ngang (MPa); . CL = hệ số cản của trụ lấy theo bảng 3.7.3.2‐1 160 19