Bài giảng thiết kế cầu

MỤC LỤC
Chương 1: Tổng luận cầu ........................................................................................................ 4
1.1. Công trình cầu ..................................................................................................................... 4
1.2. Các tài liệu khảo sát phục vụ thiết kế ................................................................................ 13
1.3. Tiêu chuẩn thiết kế cầu ...................................................................................................... 14
1.4. Khổ giới hạn ...................................................................................................................... 29
1.5. Yêu cầu vật liệu trong thiết kế và xây dựng cầu ............................................................... 32
Chương 2: Mố, trụ và gối cầu dầm ....................................................................................... 40
2.1. Khái niệm chung về mố trụ cầu. ........................................................................................ 40
2.2. Cấu tạo trụ cầu dầm ........................................................................................................... 42
2.3. Cấu tạo mố cầu dầm .......................................................................................................... 49
2.4. Cấu tạo gối cầu .................................................................................................................. 60
2.5. Tính toán mố trụ cầu.......................................................................................................... 64
Chương 3: Cầu dầm bê tông cốt thép ................................................................................... 79
3.1. Cầu dầm bê tông cốt thép .................................................................................................. 79
3.2. Cầu dầm bê tông cốt thép nhịp giản đơn. .......................................................................... 88
3.3. Tính toán thiết kế kết cấu nhịp cầu dầm bê tông cốt thép.. ............................................. 113
3.4. Cầu dầm bê tông cốt thép nhịp liên tục….…………..…………...………………….….126
Chương 4: Cầu thép ............................................................................................................. 148
4.1. Giới thiệu chung về cầu thép. .......................................................................................... 148
4.2. Cầu dầm thép ................................................................................................................... 152
Chương 5: Cầu dàn thép ...................................................................................................... 177
5.1. Khái niệm chung.............................................................................................................. 177
5.2. Các bộ phận chính của cầu dàn thép ............................................................................... 178
5.3. Các sơ đồ chính của cầu dàn thép.................................................................................... 179
5.4. Hệ mặt cầu ....................................................................................................................... 181
5.5. Cấu tạo các thanh dàn ...................................................................................................... 182
5.6. Cấu tạo tiếp điểm (nút dàn) ............................................................................................. 186
Tài liệu tham khảo………………………….………………………………………………185
 

3 
 


Chương 1

TỔNG LUẬN CẦU
1.1. CÔNG TRÌNH CẦU
1.1.1. Các dạng công trình phục vụ giao thông trên đường
Để bảo đảm tuyến đường liên tục và xe cộ lưu thông được an toàn, người ta xây dựng cầu,
cống, hầm, đường tràn và các công trình khác gọi là các công trình nhân tạo phục vụ giao
thông trên đường.
1. Công trình cầu: Cầu được định nghĩa là các công trình vượt qua các chướng ngại như
dòng nước, thung lũng, đường, các khu vực sản xuất hoạc các khu thương mại hoạc cũng có
thể là vật cản bất kì. Theo tiêu chuẩn 22 TCN 272 – 05 thì Cầu là một kết cấu bất kì vượt
khẩu độ không dưới 6m tạo thành một phần của con đường.

Hinh 1.1: Một số dạng công trình cầu
a- Cầu qua sông, b- cầu vượt, c-cầu cao (viaduct), d- cầu cạn

2. Công trình thoát nước nhỏ: Đường tràn, Cầu tràn, Cống
Đường tràn là công trình vượt sông có mặt đường nằm sát cao độ đáy sông. Hay nói cách
khác là độ chênh cao giữa cao độ đáy sông và cao độ mặt đường tràn là không lớn. Thông
4 
 


thường tại các khu vực này vào mùa khô nước cạn. Vào mùa mưa, nước chảy tràn qua mặt
đường nhưng xe cộ vẫn đi lại được. Khi thiết kế cho phép một số ngày trong năm xe cộ không
qua lại được.

Hinh 1.2: Đường tràn

Cầu tràn là công trình được thiết kế dành một lối thoát nước phía dưới, đủ để dòng chảy
thông qua với 1 lượng nhất định. Khi mực nước vượt quá lưu lượng này, nước sẽ tràn qua
công trình. Cầu tràn và đường tràn thường tạo nên chướng ngại vật trong lòng song nên cần
chú ý chống xói lở cho công trình.
Cống là một công trình thoát nước dành lối thoát nước ở phía dưới đường và không cho
phép nước chảy qua công trình khi lưu lượng lớn. Cống thường được làm từ vật liệu có độ
bền cao, có khả năng thoát nước có lưu lượng trung bình và tương đối lớn. Cống có nhiều
dạng mặt cắt khác nhau, thường thấy là dạng cống tròn và cống hộp.
Trên thực tế có hai hình thức sử dụng cống, đó là cống dọc và cống ngang đường. Cống
dọc dẫn nước cần thoát theo dọc tuyến đường đến nơi xả nước nhất định; cống ngang đường
thường được thiết kế để tuyến vượt qua các dòng nước nhỏ hoạc dùng để thoát nước theo
ngang đường
Trên cống có đất đắp dày tối thiểu 0,5m để phân bố áp lực bánh xe và giảm lực xung kích.
3. Tường chắn:
Là công trình được xây dựng để chắn đất. Tường chắn thường được xây dựng trong các
trường hợp như: khi xây dựng nền đường trong điều kiện không thể duy trì được độ dốc tự
nhiên của mái taluy nền đường hay khi cần hạn chế việc chiếm dụng mặt bằng của nền đắp.
4. Hầm là công trình nhân tạo nằm trong lòng đất hoạc dưới nước và có ít nhất một lối
thông ra bên ngoài.

Hinh 1.3: Hầm Kim Liên – Hà Nội

Các công trình nhân tạo chiếm đến 10-15% giá thành xây dựng đường ô tô. Tại những nơi
tuyến đường qua miền núi cao, sông lớn, giá thành công trình còn tăng lên nhiều. Vì vậy việc
chọn loại công trình thích hợp, thiết kế đảm bảo các tiêu chuẩn kĩ thuật có ý nghĩa rất lớn
5 
 

trong việc hạ thấp giá thành xây dựng. Các công trình nhân tạo có tầm quan trọng trong việc
phát triển kinh tế - xã hội, văn hóa và an ninh quốc phòng
1.1.2. Các bộ phận và kích thước cơ bản của công trình cầu
Công trình cầu bao gồm: Cầu, đường dẫn vào cầu, các công trình điều chỉnh dòng chảy
và gia cố bờ sông tại vị trí đặt cầu (nếu có). Các bộ phận cơ bản của Cầu gồm có kết cấu

phần trên và kết cấu phần dưới.

Hình 1.4: Các bộ phận cơ bản của công trình cầu
1- kết cấu nhịp; 2- trụ; 3- mố; 4- gối cầu; 5- móng;
6- mô đất đắp ¼ nón; 7- nền đường đầu cầu

1. Kết cấu phần trên (Kết cấu nhịp cầu)
Kết cấu nhịp cầu: là bộ phận trực tiếp đỡ các tải trọng tác động trên cầu. Kết cấu nhịp cầu
rất đa dạng và được phân loại theo sơ đồ tĩnh học, dạng mặt cắt ngang dầm và theo vật liệu.
Kết cấu nhịp cầu bao gồm các bộ phận cơ bản sau: bộ phận mặt cầu, bộ phận chịu lực chính,
các bộ phận liên kết và gối cầu.
a) Bộ phận mặt cầu: là tập hợp tất cả các bộ phận tiếp nhận tải trọng từ xe cộ lưu thông
trên cầu sau đó truyền tải trọng xuống bộ phận chịu lực chính. Bộ phận mặt cầu bao gồm các
bộ phận chịu lực của mặt cầu, các lớp phủ mặt cầu, các bộ phận khác.

Hình 1.5: Các bộ phận của mặt cầu: 1 – vỉa hè, 2 – lớp phủ mặt đường dành cho người đi bộ và xe
thô sơ, 3- lan can, 4- đèn chiếu sáng, 5- ống thoát nước, 6- lớp phủ mặt đường dành cho ô tô, 7- bộ
phận chịu lực của mặt cầu, 8- bộ phận chịu lực chính của nhịp cầu.

6 
 

+ Bộ phận chịu lực của mặt cầu tiếp nhận tải trọng từ phương tiện giao thông lưu thông
trên cầu và chuyền chúng xuống các kết cấu chịu lực của nhịp cầu. Có 3 dạng bộ phận chịu
lực của mặt cầu:


Giá đỡ: tổng hợp của các dầm dọc và ngang tạo thành hệ mạng dầm.



Các tấm bản bê tông cốt thép hoặc gỗ, thép.



Bản mặt cầu thép: là kết cấu hàn từ bản thép với các sườn dọc và ngang.

+ Các lớp phủ mặt cầu và các bộ phận khác tổng hợp của tất cả các bộ phận nằm phía
trên bản mặt cầu đảm bảo cho các phương tiện lưu thông được êm thuận cũng như đưa nước
ra khỏi mặt cầu. nó bao gồm các lớp phủ mặt cầu, bó vỉa, lan can trên cầu, các hệ thống thoat
nước, đèn chiếu sáng.
b) Bộ phận chịu lực chính của nhịp cầu chịu tải trọng bản thân của nhịp và tải trọng động
và truyền các tải trọng đó xuống trụ cầu thông qua các gối cầu, ví dụ như dầm, dàn, vòm….
c) Bộ phận liên kết giữa các bộ phận chịu lực chính của nhịp cầu (các thanh dầm, dàn
hoạc vòm) được cấu tạo với mục đích liên kết các bộ phận chịu lực chính thành một kết cấu
không gian cứng, có khả năng tiếp nhận tiếp nhận tất cả các tải trọng đứng, ngang mà không
phụ thuộc vào vị trí đặt tải trọng.
Gối cầu là một bộ phận quan trọng của kết cấu phần trên, nó giúp truyền tải trọng từ kết
cấu nhịp xuống các kết cấu phần dưới, là hệ liên kết giữa các kết cấu phần trên và kết cấu
phần dưới của công trình cầu. Ngoài ra gối cầu cho phép các chuyển vị góc và chuyển vị dọc
ngang của dầm cầu khi dầm cầu chịu tác động của các tải trọng động và những chuyển vị gây

ra bởi sự thay đổi nhiệt độ.
2. Kết cấu phần dưới
Kết cấu phần dưới là bộ phận tiếp nhận toàn bộ các tải trọng truyền xuống từ kết cấu phần
trên và truyền lực trực tiếp tới địa tầng hoặc nước thông qua kết cấu móng. Kết cấu phần dưới
bao gồm: mố, trụ, nền móng.
Trụ cầu tiếp nhận tải trọng bản thân nhịp, tải trọng động, tải trọng gió, va đập tầu thuyền
và lũ.
Mố cầu được xây dựng tại các đầu cầu, là bộ phận chuyển tiếp giữa đường và cầu, bảo
đảm xe chạy êm thuận từ đường vào cầu, mố cầu ngoài tiếp nhận các tải trọng như trụ cầu,
Mố cầu còn làm việc như một thành chống, tiếp nhận các áp lực đẩy ngang của đất đầu cầu.
Các giải pháp thiết kế kết cấu cầu phụ thuộc nhiều vào chiều rộng, chiều sâu và vận tốc
dòng chảy của sông hoạc các chướng ngại mà nó vượt qua, phụ thuộc vào tính chất của nền
đất, các yêu cầu về thông thuyền và quan trọng nhất chính là mục đích sử dụng.
3. Các kích thước cơ bản của cầu
Để nắm vững được nhiệm vụ cơ bản nhất của môn học quan trọng là phải hiểu được các
kích thước cơ bản của cầu:
- Chiều dài toàn cầu L0: là khoảng cách giữa đuôi của hai mố hay khoảng cách giữa các
đầu mút của kết cấu nhịp tiếp xúc trực tiếp với đất đắp đầu cầu.
Căn cứ vào chiều dài toàn cầu, phân biệt cầu nhỏ có tổng chiều dài cầu dưới 25m, cầu vừa
có tổng chiều dài từ 25 đến 100m, cầu lớn có tổng chiều dài lớn hơn 100m.
7 
 


Tuy nhiên, trong hồ sơ thiết kế lập cho các dự án có vốn vay nước ngoài, chiều dài cầu
được tính từ đầu dầm trên mố này đến đầu dầm trên mố kia, không tính chiều dài trên mố.
- Chiều dài nhịp cầu L: khoảng cách tim các trụ hoạc khoảng cách từ tim trụ đến đầu
dầm trên mố;
- Chiều dài nhịp dầm tính toán Ltti : Khoảng cách giữa tim hai gối cầu tính từ tim gối
cầu đầu này của dầm đến tim gối cầu đầu kia của dầm.;

- Khổ giới hạn (tịnh không): Khoảng không gian trống không có chướng ngại, được
dành cho thông xe trên cầu hoặc thông xe dưới cầu hoặc thông thuyền dưới cầu;
- Chiều cao kiến trúc hkt: là khoảng cách từ mặt xe chạy đến điểm thấp nhất của đáy kết
cấu nhịp.

Hình 1.6: Các kích thước cơ bản của công trình cầu

-

Chiều cao tĩnh không dưới cầu H0:

+ Đối với trường hợp sông không có thông thuyền : Chiều cao tĩnh không dưới cầu là
khoảng cách tính từ đáy KCN đến MNCN, chiều cao này được lấy như sau:


Không có cây trôi thì chiều cao này lấy ít nhất 0.5m.

 Có cây trôi hoặc đá lăn, đá đổ thì đối với cầu ôtô thì lấy ít nhất bằng 1.0m và cầu
đường sắt thì lấy bằng 1.5m
+ Đối với trường hợp sông có thông thuyền: Chiều cao tĩnh không dưới cầu là khoảng
cách tính từ đáy KCN đến MNTT, chiều cao này phải được lấy theo qui định của tiêu chuẩn
thiết kế cầu 22TCN-272-05, nó phụ thuộc vào cấp sông do Cục đường sông quy định.
+ Đối với trường hợp phía dưới là đường giao thông: Chiều cao tĩnh không dưới cầu là
khoảng cách tính từ đáy KCN đến cao độ tim mặt đường phía bên dưới. Chiều cao này được
quy định tùy theo cấp đường dưới cầu.
- MNTN - mực nước thấp nhất, được xác định bằng cao độ mực nước thấp nhất vào
mùa khô.
- MNTT - mực nước thông thuyền, là mực nước cao nhất cho phép tàu bè qua lại một
cách an toàn, từ mực nước này xác định chiều cao tĩnh không thông thuyền của nhịp thông
thuyền. Trong các bản vẽ thiết kế người ta còn kí hiệu là H5%.

8 
 


- MNCN - Mực nước cao nhất, được xác định theo số liệu quan trắc thủy văn về mực
nước lũ tính toán theo tần xuất quy định tùy theo công trình. Trong các bản vẽ thiết kế người
ta còn kí hiệu là H1%.
Phải thiết kế kích thước cầu phù hợp với lũ thiết kế khẩu độ cầu ứng với lũ 100 năm trừ khi
được chủ đầu tư chỉ định khác. Có thể chọn chu kì tái xuất hiện ít hơn 100 năm nếu có luận
chứng kinh tế (như lũ 50 năm hoạc 25 năm cho các cầu trên đường cấp 2 hoạc cấp thấp hơn
theo tiêu chuẩn thiết kế đường).
1.1.3. Phân loại công trình cầu
Có nhiều cách phân loại cầu khác nhau, một số cách phân loại chính sau:
1.

Phân loại theo chướng ngại vật cầu phải vượt qua:

-

Cầu qua sông, qua suối là loại cầu phổ biến

-

Cầu qua đường hay cầu vượt, như cầu vượt Ngã Tư Sở, cầu vượt đường sắt v.v…

- Cầu cạn hay cầu dẫn, là cầu được xây dựng ngay trên mặt đất nhằm dẫn lên một cầu
chính hoặc nâng cao độ tuyến đường lên để giải phóng không gian bên dưới như cầu dẫn ở hai
đầu cầu chính Thăng Long, cầu vượt vành đai 3 – Hà Nội.
-

Cầu cao (viaduct), là loại cầu có chiều cao trụ rất lớn được bắc qua các thung lũng sâu.

- Cầu mở: là loại cầu có một hoạc hai nhịp sẽ được di động khỏi vị trí để tầu bè qua lại
trong khoảng thời gian nhất định
- Cầu phao: ngoài việc sử dụng trong thời chiến để vượt sông, hoạc là dùng trong những
nhu cầu đặc biệt, ví như khi thi công mặt đường cầu Thăng Long để giảm ùn tắc giao thông
người ta đã lắp cầu phao qua sông Hồng, cầu phao còn được áp dụng khi xây dựng trụ vĩnh
cửu quá đắt, phức tạp.
2.

Phân loại theo mục đích sử dụng:

-

Cầu ô tô (cầu đường bộ)

-

Cầu đường sắt

-

Cầu cho người đi bộ.

-

Cầu hỗn hợp : dành cho cả đường bộ và đường sắt.

-

Cầu đặc biệt dùng để dẫn khí, dẫn dầu, dẫn nước, dẫn cáp điện v.v…

3.

Phân loại theo vật liệu làm kết cấu nhịp

-

Cầu gỗ

-

Cầu đá

-

Cầu bê tông, cầu BTCT

-

Cầu thép

4.

Phân loại theo cao độ đường xe chạy

-

Cầu có đường xe chạy trên: Khi đường xe chạy đặt trên đỉnh kết cấu nhịp (hình 1.7 a).

9 
 


Hình 1.7: Cao độ đường xe chạy

- Cầu có đường xe chạy dưới: Khi đường xe chạy bố trí dọc theo biên dưới của kết cấu
nhịp (hình 1.7b)
- Cầu có đường xe chạy giữa: khi đường xe chạy bố trí trong phạm vi chiều cao của kết
cấu nhịp (hình 1.7c)
5.

Phân loại theo sơ đồ tĩnh học:

Theo sơ đồ tĩnh học của kết cấu chịu lực chính có thể phân chia công trình cầu thành các
hệ thống sau:

-

Cầu Dầm: dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng kết cấu nhịp làm việc chịu uốn và
chỉ truyền áp lực thẳng đứng xuống mố trụ. Hệ thống cầu dầm bao gồm dầm giản đơn, dầm
liên tục và dầm mút thừa. Theo cấu tạo của kết cấu chịu lực chính có thể phân thành cầu dầm
có sườn đặc và cầu dầm hộp.

Hình 1.8: Một dạng cầu dầm (cầu vượt vành đai 3 - Hà Nội)

- Cầu Vòm: là kết cấu chịu lực chủ yếu là còm; vòm chịu nén và uốn là chủ yếu. Sơ đồ
tính toán đối với kết cấu vòm theo các dạng vòm trong cơ học kết cấu đã được làm quen như
10 

 


là: dạng vòm không chốt (hai đầu ngàm), dạng vòm 1 chốt trên đỉnh vòm, dạng vòm 2 chốt tại
hai mố cầu, dạng vòm 3 chốt…

Hình 1.9: Một dạng sơ đồ cầu vòm (Nguyễn Văn Trỗi – Trần Thị Lý, Tp Hồ Chí Minh)

-

Cầu Khung: là loại cầu mà mố, trụ được ngàm cứng với kết cấu nhịp tạo thành khung

cùng tham gia chịu lực. Với loại cầu này, sơ đồ chịu lực là dạng khung, các lực tác dụng vào
kết cấu sẽ được phân chia cho cả nhịp cầu và kết cấu mố trụ phía dưới. Phản lực gối phía dưới
gồm có lực thẳng đứng V và lực đẩy ngang H, nếu chân khung liên kết khớp thì không có
mômen M.

Hình 1.10: Một dạng cầu khung (Cầu vượt xa lộ Hà Nội, Tp. Hồ Chí Minh)

- Cầu Treo: thành phần chịu lực chủ yếu là dây cáp đỡ hệ mặt cầu. Cầu gồm hệ thống
dây cáp chủ và hệ thống cáp treo hoạc thanh treo, hệ thống dây này tham gia đỡ kết cấu nhịp
cầu.
11 
 


Hình 1.11: Cầu treoThuận Phước

- Cầu dây văng: là loại cầu có dầm cứng tựa trên các gối cứng là các mố trụ và các gối
đàn hồi là các điểm treo dây văng. Dây văng là các dây xiên, một đầu neo vào tháp cầu, đầu

kia neo vào kết cấu nhịp cầu để tạo thành các gối đàn hồi.

Hình 1.13: Cầu dây văng Nhật Tân, Hà Nội

Ngoài ra còn có các cách phân loại theo trụ cầu, theo quy mô công trình, theo thời hạn sử
dụng...

12 
 


1.2. CÁC TÀI LIỆU KHẢO SÁT PHỤC VỤ THIẾT KẾ
1.2.1. Lựa chọn vị trí cầu
Đối với cầu nhỏ, cầu trung nói chung vị trí cầu phụ thuộc vào tuyến đường, còn cầu lớn thì
vị trí cầu lại quyết định, cần lựa chọn cẩn thận để giá thành công trình rẻ nhất. Yêu cầu khi
lựa chọn vị trí cầu là:
-

Không làm tăng kinh phí xây dựng đường quá mức

-

Các tài liệu địa chất thủy văn khu vực định làm cầu phải ổn định

-

Nơi dòng sông hẹp nhất và không có khả năng đổi hướng dòng chảy

-

Tim cầu nên vuông góc với dòng chảy để dòng chảy êm thuận

-

Bảo đảm giao thông đường thủy nếu có

- Phải phục vụ yêu cầu phát triển kinh tế xã hội hiện tại và tương lai, phục vụ quốc
phòng
1.2.2. Các tài liệu cần đo đạc điều tra khảo sát ở vị trí cầu
Sau khi lựa chọn được vị trí cầu hợp lý ta cần tiến hành thu thập các tài liệu sau đây tại vị
trí cầu làm cơ sở cho thiết kế.

- Đo vẽ bình đồ khu vực kể cả khu vực dự kiến bố trí công trường và đường đầu cầu,
trắc ngang sông tại vị trí cầu. Phạm vi đo đạc về phía thượng lưu bằng hoặc gấp rưỡi chiều
rộng sông về mùa lũ, về phía thượng lưu bằng chiều rộng sông về mùa lũ.

- Điều tra thủy văn: điều tra các mực nước MNCN, MNTN, MNTT, MNTC v.v…vận
tốc dòng chảy, độ dốc lòng sông, bề rộng dòng sông, tình hình xói bồi, vật trôi cây trôi vào
mùa lũ. Các tài liệu này dùng để phục vụ tính toán khẩu độ cầu, đường xói lở, quyết định
chiều cao đáy dầm, thiết kế các công trình bảo vệ và nắn dòng chảy.
Ngoài ra phải xác định thông thương đường thủy, cấp sông, tải trọng tàu bè, các yêu cầu về
luồng lạch.
Nếu sông nằm trong khu vực gần biển cần điều tra về ảnh hưởng của thủy triều, khả năng
xâm thực và các ảnh hưởng khác của hơi nước mặn.

- Điều tra địa chất công trình: bao gồm công việc xác định vị trí các lỗ khoan và khoan
thăm dò để biết địa chất chỗ xây dựng, lấy mẫu đất đá về thí nghiệm, xác định các chỉ tiêu cơ
lý của đất, cuối cùng vẽ được mặt cắt địa chất của sông tại vị trí cầu thể hiện chiều dày các
lớp đất, loại đất, các tính năng cơ lý của đất v.v…nhằm phục vụ cho việc thiết kế nền móng,
chọn loại móng và chiều sâu đặt móng. Trong quá trình điều tra cần phát hiện có hiện tượng

cát chảy, đất trượt, xói ngầm, nước xâm thực, phong hóa v.v…không. Nhiều trường hợp phải
thay đổi thiết kế kỹ thuật và phương pháp thi công do điều tra không chính xác không đầy đủ.

- Điều tra khí tượng: bao gồm thời tiết, khí hậu, mùa khô, mùa mưa bão, hướng gió, tốc
độ gió, thời gian lũ, nhiệt độ cao nhất, thấp nhất v.v…Các tài liệu này rất cần cho việc bố trí
công trường, vạch tiến độ thi công và cũng liên quan tới thiết kế kỹ thuật chẳng hạn như cần
tính lực gió, tính ảnh hưởng biến dạng do nhiệt độ v.v…

- Điều tra khả năng cung cấp nhân lực, nguyên vật liệu địa phương, các xí nghiệp
công nghiệp có liên quan cung ứng vật tư, máy móc, thiết bị, năng lượng, phương tiện vận
chuyển, đường giao thông sắt, thủy bộ, tình hình cung cấp lương thực, thực phẩm, chất đốt
13 
 


phục vụ sinh hoạt, tình hình an ninh chính trị và phong tục tập quán địa phương. Các tài liệu
này rất cần cho thiết kế tổ chức thi công nhằm rút ngắn thời hạn xây dựng và hạ giá thành
công trình.
1.3. TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ CẦU
1.3.1. Khái quát về thiết kế cầu đường bộ theo trạng thái giới hạn
1.

Các phương pháp tính toán kết cấu

Quan điểm chung về thiết kế
Trong thiết kế các kỹ sư phải kiểm tra độ an toàn và ổn định của phương án khả thi đã
được chọn. Công tác thiết kế bao gồm việc tính toán nhằm chứng minh cho những người có
trách nhiệm thấy rằng mọi tiêu chuẩn tính toán và cấu tạo đều được thoã mãn.
Để đảm bảo độ an toàn của một công trình thì:
Hiệu ứng của tải trọng ≤ Sức kháng của vật liệu phải

Quan hệ của bất đẳng thức này phải được xét trên mọi bộ phận và vật liệu của kết cấu.
Khi nói về sức kháng của vật liệu, ta xét khả năng làm việc tối đa của vật liệu mà ta gọi là
trạng thái giới hạn.
Một trạng thái giới hạn là một trạng thái mà vượt qua nó thì kết cấu hay một bộ phận nào
đó không hoàn thành được nhiệm vụ của thiết kế đề ra.
Mục tiêu là không vượt quá trạng thái giới hạn. Tuy nhiên, đó không phải là mục đích duy
nhất, mà cần xét đến các mục đích quan trọng khác, như chức năng, thẩm mỹ, tác động đến
môi trường và yếu tố kinh tế. Sẽ là không kinh tế nếu thiết kế một cây cầu mà chẳng có bộ
phận nào, chẳng bao giờ hư hỏng. Do đó cần xác định đâu là chấp nhận được trong rủi ro của
xác suất phá huỷ. Việc xác định một miền an toàn chấp nhận được (cường độ lớn hơn bao
nhiêu so với hiệu ứng của tải trọng) không dựa trên ý kiến của một cá nhân nào mà dựa trên
kinh nghiệm của một tập thể. Tiêu chuẩn Thiết kế cầu 22TCN 272 – 05 có thể đáp ứng được
các yêu cầu trên.
2. Sự phát triển của quá trình thiết kế:
Qua nhiều năm, quá trình thiết kế được các kỹ sư phát triển nhằm tạo dựng một miền an
toàn hợp lí. Quá trình này dựa trên những phân tích kỹ về hiệu ứng của tải trọng và độ bền
của vật liệu áp dụng.
a) Thiết kế theo ứng suất cho phép
Trước đây (trước 1969) các tiêu chuẩn thiết kế được soạn ưu tiên hàng đầu cho kết cấu
thép. Vật liệu thép thường có quan hệ tuyến tính giữa ứng suất và biến dạng khi xác đinh
đúng cường độ chảy và độ an toàn thường thấp hơn cường độ chảy của vật liệu.
Độ an toàn được xác định bằng cách cho rằng hiệu ứng của tải trọng sẽ gây ra ứng suất chỉ
bằng một phần của giới hạn chảy
F=Cường độ vật liệu R/Hiệu ứng tải trọng Q

(1.1)

Vì tiêu chuẩn đặt dưới dạng ứng suất nên gọi là thiết kế theo ứng suất cho phép (ASD).
Khi ứng suất cho phép ra đời, hầu hết các cầu được xác định đều là tĩnh định dạng đơn
giản hoặc vòm, nội lực chủ yếu chỉ chịu kéo hoặc nén. Với giả thuyết ứng suất phân bố đều

14 
 


trên toàn tiết diện. Sau này, các kết cấu này vẫn được xây dựng nhưng nó không còn là tĩnh
định nữa (bỏ liên kết chốt). Kết quả là ứng suất trong tiết diện không còn là phân bố đều nữa.
Ẩn ý trong ứng suất cho phép là giả thiết ứng suất trong phần tử bằng không trước khi có
tác động của tải trọng, nghĩa là không có ứng suất dư khi chế tạo các phần tử. Giả thiết trên
không hoàn toàn chính xác. Thực tế, trong thép cán tồn tại ứng suất dư. Các ứng suất này
không những phân bố không đều mà còn rất khó dự đoán trước. Một khó khăn khác trong việc
áp dụng ứng suất cho phép cho kết cấu thép là khi chịu uốn thường kéo theo lực cắt và hai
ứng suất này tương tác với nhau. Do đó, sẽ không hoàn toàn chính xác khi xác định mẫu thí
nghiệm chịu kéo để xác định cường độ chảy cho dầm chịu uốn.
Như vậy phương pháp ứng suất cho phép được soạn thảo để thiết kế cho kết cấu thép hệ
tĩnh định, nó không nhất thiết được áp dụng một cách cứng nhắc cho các loại vật liệu khác
hoặc kết cấu siêu tĩnh.
Các nhà thiết kế bêtông cốt thép ban đầu đã thực hiện phương pháp này và sau cùng đã
chấp nhận thiết kế theo sức kháng. Các nhà thiết kế gỗ cũng đã hướng về thiết kế theo sức
kháng. Cả bêtông và gỗ đều là vật liệu không tuyến tính, tính chất của vật liệu thay đổi theo
thời gian và theo sự thay đổi của môI trường.
Trong bêtông không biết được ứng suất ban đầu vì nó thay đổi theo phương pháp đúc,
phương pháp bảo dưỡng, gradien nhiệt, biến dạng do từ biến, co ngót, lượng nước và mức độ
đông cứng. Chỉ có một trị số duy nhất có thể xác định chính xác là cường độ bêtông tại các
trạng thái giới hạn. Cường độ cực hạn độc lập với các biến dạng trước và ứng suất gây ra
trong quá trình chế tạo và xây dựng. Tóm lại là cường độ giới hạn dễ dự đoán và có độ tin cậy
cao hơn các tính chất ở mức cường độ thấp. Như vậy chấp nhận phương pháp thiết kế theo
sức kháng hợp lý hơn.
- Tính thay đổi của tải trọng
Khi xem xét về tính thất thường của tải trọng. Thiết kế theo ứng suất cho phép không công

nhận là tải trọng khác nhau có mức độ khác nhau về độ thất thường. Tải trọng tĩnh, hoạt tải và
gió được đối xử như nhau trong ứng suất cho phép. Hệ số an toàn được áp dụng về mặt độ
bền của bất đẳng thức thiết kế, còn về tải trọng không có hệ số.
Đối với ứng suất cho phép chỉ cần chọn giá trị cố định của tải trọng thiết kế. Mức độ thay
đổi dự báo trước của các loại tải trọng không được xem xét.
Các khiếm khuyết của ứng suất cho phép
Như vậy ứng suất cho phép không thích hợp để thiết kế các kết cấu hiện đại, các nhược
điểm cơ bản có thể kể như sau:
+ Quan niệm về độ bền dựa trên tính đàn hồi của vật liệu đẳng hướng, đồng nhất.
+ Không biểu hiện được một cách hợp lý về cường độ giới hạn là chỉ tiêu cơ bản về khả
năng chịu lực hơn là ứng suất cho phép.
+ Hệ số an toàn chỉ áp dụng riêng cho cường độ, tải trọng được coi như cố định (không
thay đổi).
+ Việc chọn hệ số an toàn dựa trên ý kiến chủ quan và không có cơ sở tin cậy về xác suất
hư hỏng.
Để khắc phục những thiếu sót này cần có một phương pháp cụ thể:
15 
 


- Dựa trên cơ sở cường độ giới hạn của vật liệu;
- Xét tới sự thay đổi không những ở vật liệu mà còn cả ở hiệu ứng của tải trọng;
- Đánh giá độ an toàn liên quan đến xác suất phá hoại.
Phương pháp trên như được kết hợp trong Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO-LRFD 1998
và được chọn làm cơ sở biên soạn Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272 – 05 của Bộ Giao
thông Vận tảI nước ta.
b) Thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD Load and resistance factors design)
Để xét tới sự thay đổi ở cả hai phía của bất đẳng thức trong phương trình (1.1), phía cường
độ vật liệu được nhân với một hệ số trên cơ sở thống kê cường độ của vật liệu  , có giá trị
thường nhỏ hơn 1, và phía tải trọng nhân với một hệ số trên cơ sở thống kê tải trọng, có giá trị

thường lớn hơn 1. Vì hiệu ứng tải trọng trong trạng thái giới hạn bao gồm một tổ hợp của
nhiều loại tải trọng ở nhiều mức độ khác nhau có thể dự đoán trước được. Phía tải trọng được
thể hiện bằng tổng số của giá trị.
Hiệu ứng của  i Qi ≤  Rn

(1.2)

Vì bất đẳng thức (2.2) chứa cả hệ số tải trọng và hệ số sức kháng nên phương pháp thiết kế
được gọi là thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD). Hệ số cường độ  cho trạng
thái giới hạn cần xét tới tính phân tán của:
Tính chất vật liệu;
Phương trình dự tính cường độ;
Tay nghề của công nhân;
Chất lượng kiểm tra;
Tình huống hư hỏng.
Hệ số tảI trọng  dùng cho các loại tải trọng đặc biệt cần xét tới độ phân tán của:
Độ lớn của tải trọng;
Sự xắp xếp tải trọng;
Tổ hợp tải trọng có thể xảy ra.
Bằng cách chọn hệ số tải trọng và sức kháng cho cầu đã áp dụng lý thuyết xác suất cho
cường độ vật liệu và lý thuyết thống kê cho khối lượng vật liệu và trọng lượng xe.
Các Ưu và nhược điểm của phương pháp LRFD có thể kể như sau:
Ưu điểm:
Có xét tới sự khác biệt về cả cường độ và tải trọng;
Đạt được mức an toàn đồng đều cho các trạng thái giới hạn khác nhau và các loại cầu mà
không cần phân tích xác suất và thống kê phức tạp;
Phương pháp thiết kế thích hợp và ổn định.
Nhược điểm:
Yêu cầu thay đổi tư duy thiết kế (so với tiêu chuẩn cũ);
Yêu cầu hiểu biết cơ bản về lý thuyết xác suất và thống kê;

Yêu cầu có các số liệu đầy đủ về thống kê và thuật toán tính xác suất để chỉnh lý hệ số sức
kháng trong trường hợp đặc biệt.
16 
 


1.3.2. Tiêu chuẩn 22TCN 272-05 - thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng.
Tiêu chuẩn thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng của Việt Nam được xây dựng dựa
trên tham khảo Tiêu chuẩn AASHTO LRFD 1998.
Triết lý thiết kế.
Khi tính toán kết cấu thiết kế theo 22TCN 272 -05 tuân theo triết lý chung là: Khi có tải
trọng tác động vào kết cấu, nó sẽ gây ra một hiệu ứng trong kết cấu và hiệu ứng đó không
được lớn hơn khả năng chịu lực của kết cấu.
HIỆU ỨNG TRÊN KẾT CẤU DO
TẢI TRỌNG GÂY RA

≤

KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA KẾT CẤU
DO BẢN THÂN VẬT LIỆU
VÀ CẤU TẠO CỦA KẾT CẤU

Đặc điểm khai thác vật liệu.
 Khi thiết kế theo 22TCN 272-05 khai thác vật liệu làm việc cho đến khi đạt đến giới
hạn chảy, cụ thể:


Đối với thép thì khai thác đến giới hạn chảy fy.



Đối với bê tông thì khai thác đến cường độ chịu nén phá hoại mẫu: fc.


Không những thế, khi tính toán theo 22TCN 272-05 cũn khai thác sự làm việc của
mặt cắt đến khi toàn bộ mặt cắt đạt đến giới hạn chảy, điều đó có thể thấy trong biểu đồ phân
tích phát triển ứng suất trong mặt cắt dầm.

Như vậy tính toán thiết kế theo 22TCN 272-05 đó tận dụng tối đa khả năng làm việc
của vật liệu cũng như khản năng làm việc của tiết diện kết cấu (mặt cắt dầm chủ). Do đó,nếu
xét điều kiện kiểm toán về mặt cường độ thì tính toán thiết kế theo 22TCN 272-05 sẽ tiết
kiệm vật liệu tối đa.
1.

Bất đẳng thức cơ bản của tiêu chuẩn 22TCN 272-05.
i i Qi   Rn = Rr

(1.3)

Trong đó :
Qi = các hiệu ứng do tải trọng gây ra trong kết cấu; Qi có thể là moment, lực cắt, lực dọc,
độ võng, góc xoay, ứng suất...
i = hệ số tải trọng ;
 = hệ số sức kháng: hệ số nhân dựa trên thống kê dùng cho sức kháng danh định được ghi
ở các Phần 5, 6, 10, 11 trong 22TCN 272-05;
Rn = sức kháng danh định của kết cấu;
Rr = sức kháng tính toán : Rn
i = hệ số điều chỉnh tải trọng; hệ số liên quan đến tính dẻo, tính dư thừa và tầm quan
trọng trong khai thác. Hệ số tải trọng được xác định đối với giá trị cực tiểu của i bởi:
i= D.R.I > 0,95

Đối với tải trọng dùng giá trị cực đại của i:

17 
 

(1.4)


i 
Trong đó:

1
1,0
ηDηRηI

(1.5)

ηD -hệ số độ dẻo;
ηR-hệ số dư thừa;
ηI-hệ số quan trọng;

Trừ trạng thái giới hạn cường độ, đối với tất cả các trạng thái giới hạn khác:

D  R  1
Hệ số dẻo ηD

Độ dẻo của vật liệu rất quan trọng cho độ an toàn của cầu. Nếu vật liệu dẻo,khi một
bộ phận chịu lực quá tải nó sẽ phân bố nội lực sang các phần tử khác do đó có độ bền
dự trữ.
Nếu một phần tử của kết cấu được thiết kế để có thể xuất hiện biến dạng dẻo thì

phần tử đó bị quá tải. Nếu là bê tông cốt thép vết nứt sẽ phát triển vàphần tử đó sẽ là
nguy hiểm. Nếu là kết cấu thép ,vật liệu đạt tới giới hạn chảy và biến dạng sẽ tăng.
Cần tránh tính ròn của vật liệu vì nó gây ra hiện tượng mất khả năng chịu lực một
cách đột ngột khi vượt qua giai đoạn đàn hồi. Có thể biến kết cấu bê tông cốt thép
thành dẻo nếu cốt thép chịu uốn được bao trong cốt đai và cốt giá.
Thật ra khi thiết kế cầu,nếu tuân theo các điều khoản trong tiêu chuẩn, thì kinh
nghiệm cho thấy các phần tử chịu lực có tính dẻo.
Các trị số dùng cho giới hạn bền là:
ηD =1,05 cho các bộ phận và liên kết không dẻo.
ηD =0,95 cho các bộ phận có tính dẻo, hoặc dùng các biện pháp tăng cường tính dẻo.
ηD =1 cho các kết cấu thông thường theo đúng yêu cầu của tiêu chuẩn thiết kế.
Hệ số dư thừa ηR
Độ dư thừa có liên quan đến miền an toàn của cầu. Một kết cấu siêu tĩnh được xem là dư
thừa vì nó có nhiều liên kết hơn so với yêu cầu cân bằng tĩnh học cần thiết. Khái niệm về
nhiều đường dẫn tải (nhiều đường tiếp đất) cũng giống như khái niện dư thừa.
Độ dư thừa trong cầu sẽ làm tăng miền an toàn và điều này được phản ánh trong hệ số an
toàn ở trạng thái giới hạn cường độ:

 R = 1,05 đối với các bộ phận không dư thừa;
 R = 0,95 đối với bộ phận dư thừa;
 R = 1 đối với mức thông thường;
Hệ số quan trọng ηI
Cầu được coi là quan trọng nếu nằm trên đường dẫn ngắn nhất giữa một khu dân cư và
bệnh viện hoặc trường học, hoặc nằm trên đường dẫn tới trạm cảnh sát, trạm phòng cháy hoặc
trên đường thoát xe về nhà, về cơ quan hoặc các về khu công nghiệp. Cầu cũng có thể coi là
18 
 


quan trọng nếu tránh được các đường vòng vèo, tiết kiệm được thời gian và xăng dầu trên

đương đi làm và về nhà.Thực tế rất khó tìm được vị trí mà cầu trở thành không quan trọng, vì
cầu cần được xây dựng trên cơ sở các nhu cầu xã hội và an toàn, đã đủ luận chứng để được
đặt vào vị trí xác đáng.
Một ví dụ cề cầu không quan trọng có thể nằm trên một con đường phụ dẫn tới một vùng
nghỉ hẻo lánh, không được khai thác quanh năm. Nhưng khi ban là người đi cắm trại hoặc là
khách du lịch ba lô va đang bị ốm thì bạn sẽ cho rằng bất kỳ chiếc cầu nào nối bạn với thế
giới văn minh hơn đều là quan trọng.
Trong trường hợp động đất, vấn đề quan trọng là sau động đất cầu vẫn hoạt động được.Do
đó ηl chỉ áp dụng cho các trạng thái giới hạn đặc biệt cũng như trạmg thái giới hạn cường độ.
ηI ≥1,05 đối với cầu quan trọng;
ηI ≥0,95 đối với cầu không quan trọng;
ηI ≥1 đối với tất cả các trạng thái giới hạn khác và các cầu định hình;
2.

Hệ số tải trọng và các trạng thái giới hạn (TTGH)

Tiêu chuẩn 22TCN 272-05 quy định ký hiệu các tải trọng bằng cách sử dụng hai chữ cái
được chỉ rõ để nói về các loại tải trọng thường xuyên hay tức thời. Những loại tải trọng đưa ra
bao gồm:
Tải trọng thường xuyên:
DD : Tải trọng kéo xuống (xét ma sát âm)
DC : Tải trọng bản thân của các bộ phận kết cấu và các thiết bị phi kết cấu
DW : Tải trọng bản thân của lớp phủ và các tiện ích công cộng
EH : Tải trọng áp lực đất nằm ngang
ES : Tải trọng đất chất thêm
EV : áp lực thẳng đứng do tự trọng đất đắp
Tải trọng tức thời:
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
IC : Tải trọng băng
IM : Lực xung kích của xe
LL : Hoạt tải xe
LS : Hoạt tải chất thêm
PL : Tải trọng người đi
SE : Lún
SH : Co ngót
19 
 


TG : Gradien nhiệt độ
TU : Nhiệt độ đều
WA : Tải trọng nước và áp lực dòng chảy
WL : Gió trên hoạt tải
WS : Tải trọng gió trên kết cấu
Các Trạng thái giới hạn
Như đã thảo luận ở trên, phương pháp luận theo trạng thái giới hạn dựa trên cường độ và
khả năng phục vụ hiện có của kết cấu theo trạng thái giới hạn. Tiêu chuẩn thiết kế theo hệ số
tải trọng và sức kháng của 22TCN 272-05 xác định 3 trạng thái giới hạn cường độ và 1 trạng
thái giới hạn sử dụng. Thêm vào đó nó còn có hai trạng thái giới hạn đặc biệt và một trạng
thái giới hạn mỏi.
Tổ hợp tải trọng bao gồm các nhóm tải trọng tác dụng lên kết cấu. Các nhóm này là tổ hợp
các tải trọng có thể tác dụng lên kết cấu cùng một thời điểm. Mọi cấu kiện của kết cấu phải
được thiết kế sao cho chịu được mọi tổ hợp tải trọng có thể tác dụng lên kết cấu. Trong thiết
kế cầu đường bộ, tổ hợp tải trọng được lựa chọn với khả năng nguy hiểm cho kết cấu.

a) Trạng thái giới hạn cường độ.
- Là TTGH đảm bảo về cường độ và ổn định của các bộ phận kết cấu khi chịu tác dụng
của các tổ hợp tải trọng tính toán theo kinh nghiệm có thể xảy ra trong thời gian sử dụng. Các
tải trọng này có thể dẫn đến tình trạng nguy hiểm và hư hỏng kết cấu nhưng toàn bộ kết cấu
vẫn còn.
+ TTGH cường độ I: Là tổ hợp tải trọng tính toán khi có xe chạy bình thường và trên
cầu không có gió.
+ TTGH cường độ II: Là tổ hợp tải trọng tính toán khi trên cầu có gió với vận tốc gió
V>25m/s và với vận tốc gió như vậy thì trên cầu không cho phép có xe chạy.
+ TTGH cường độ III: Là tổ hợp tải trọng tính toán khi cú xe chạy bình thường và trên
cầu có gió với vận tốc V = 25m/s.
- Tính toán theo TTGH cường độ bao gồm việc kiểm toán về độ bền chịu uốn, chịu cắt,
chịu xoắn và chịu lực doc trục. Hệ số sức kháng  được xác định theo thống kê và thường lấy
nhỏ hơn 1 và có giá trị khác nhau đối với các vật liệu và TTGH cường độ khác nhau.
- Tải trọng khi tính theo TTGH cường độ là tải trọng tính toán, tức là có xét đến hệ số
vượt tải và hệ số xung kích, các hệ số này được qui định cụ thể trong bảng.
b) Trạng thái giới hạn sử dụng.
- Là TTGH nhằm hạn chế ứng suất, biến dạng và độ mở rộng vết nứt trong điều kiện sử
dụng bình thường. Mục đích của TTGH này để đảm bảo thực hiện chức năng của cầu trước
tuổi thọ sử dụng.
- TTGH sử dụng: Là tổ hợp tải trọng tính toán khi có xe chạy bình thường và 2 trên cầu
có gió với vận tốc V = 25 m/s.
- Tải trọng khi tính theo TTGH sử dụng là tải trọng tiêu chuẩn, tức là không xét đến hệ
số vượt tải và hệ số xung kích.
c) Trạng thái giới hạn mỏi và đứt gãy do mỏi.
- Là TTGH nhằm hạn chế sự phát triển vết nứt và tránh hiện tượng đứt gãy do xe tải
thiết kế. Xe tải thiết kế để tính mỏi là một xe tải đơn, có khoảng cách các trục xe cố định.
20 
 

- Trạng thái giới hạn phá hoại giòn phải được xét đến như một số yêu cầu về tính bền
của vật liệu theo Tiêu chuẩn vật liệu.
d) Trạng thái giới hạn đặc biệt.
- Là TTGH đảm bảo cầu vẫn tồn tại sau những dưới tác dụng của các tải trọng bình
thường phát sinh cùng với các tải trọng đặc biệt như: lực động đất, lực va xe tàu thuyền, tải
trọng thi công…
- Tải trọng khi tính theo TTGH cường độ là tải trọng tính toán, tức là có xét đến hệ số
vượt tải và hệ số xung kích, các hệ số này được qui định cụ thể trong bảng.
Các hệ số tải trọng cho các tổ hợp khác nhau và tĩnh tải được trình bày trong bảng 1.1 và 1.2
Bảng 1.1: Các tổ hợp tải trọng và hệ số tải trọng
Tổ hợp tải
trọng

Cường độ I

p

LL
IM
CE
BR
PL
LS
1,75

Cường độ II

p

-

1,0

1,4

-

1,0

0,50/1,2

 TG

 SE

-

-

-

Cường độ III

p

1,35

1,0

0,4

0,4

1,0

0,50/1,2

 TG

 SE

-

-

-

Đặc biệt

p

0,5

1,0

-

-

1,0

-

-

-

1,0

1,0

1,0

Sử dụng – 1

1,0

1,0

1,0

0,3

0,3

1,0

1,00/1,2

 TG

 SE

-

-

-

0,75

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Trạng thái
giới hạn

DC
DD
DW
EH
EV
ES

Mỏi chỉ có
LL,IM và
CE

WA

WS

WL

FR

TU
CR
SH

1,0

-

-

1,0

0,50/1,2

 TG

 SE

-

-

-

TG

SE

EQ

CT

CV

Bảng 1.2: Hệ số tải trọng cho tĩnh tải thường xuyên, γp
Loại tải trọng

Hệ số tải trọng
Max
Min
1,25
0,9
1,8
0,45
1,5
0,65

DC: Các bộ phận và liên kết
DD: Lực ma sát âm
DW: Lớp áo đường và thiết bị
EH: Áp lực ngang của đất
+ Chủ động
+ Bị động

0,9
0,9

EL: Các ứng suất do lắp ráp
EV: Áp lực đất thẳng đứng
+ Ổn định tổng thể
+ Tường chắn
+ Kết cấu cứng bị vùi lấp
+ Khung cứng
+ Kết cấu mềm bị vùi, không phải cống hộp thép
+ Cống hộp thếp mềm

1,0

1,0

1,35
1,35
1,30
1,35
1,95
1,50

KAD
1,00
0,9
0,9
0,9
0,9

ES:Đất chất thêm

1,5

0,75

21 
 

1,5
1,35

Ghi chú:
1)Khi tính với các xe đặc biệt do chủ đầu tư quy định hoặc xe có giấy phép qua cầu thì hệ số tải
trọng của hoạt tải trong tổ hợp cường độ I có thể giảm còn 1,35.
2)Các cầu có tỷ lệ tĩnh tải /hoạt tải rất cao (cầu nhịp lớn), cần kiểm tra tổ hợp không có hoạt tải,
nhưng với hệ số tải trọng bằng 1,50 cho tất cả tải trọng thường xuyên.
3)Đối với cầu qua sông, phải xét đến sự thay đổi về điều kiện nền móng do lũ xói ở các trạng thái
giới hạn cường độ và sử dụng.
4) Đối với các cầu qua sông, khi kiểm tra các hiệu ứng của tải trọng EQ,CT vàCV trạng thái giới
hạn đặc biệt thì tải trọng nước(WA)và chiều sâu xóicó thể dựa trên mức lũ trung bình hàng năm.
Nhưng kết cấu phải được kiểm tra những tình huống thay đổi điều kiện của móng do lũ xói trong trạng
thái giới hạn đặc biiệt với tải trọng nước tương ứng (WA) nhưng không có EQ,CT hay CV tác dụng.
5) Để kiểm tra chiều rộng vết nứt, trong kết cấu bê tông ứng suất trước ở trạng thái giới hạn sử
dụng , hệ số tải trọng của hoạt tải có thể giảm xuóang còn 0,80.
6) Để kiểm tra kết cấu thép ở trạng thái giới hạn sử dụng thì hệ số tải trọng của hoạt tải phải tăng
lên 1,30.
7) Các hệ số lớn của hệ số tải trọng trong TU,CR và SH để tính biến dạng, giá trị nhỏ hơn để tính
các hiệu ứng khác.
8) Hệ số tải trọng với tải trọng nhiệt

 TG lấy như sau:

- bằng 0,0 tại trạng thái giới hạn cường độ và đặc biệt
- bằng 1,0 tại trạng thái giới hạn sử dụng khi không xét hoạt tải
- bằng 0,5 tại trạng thái giới hạn sử dụng khi có hoạt tải

Đối với cầu thi công phân đoạn phải xét tổ hợp sau đây ở TTGH sử dụng:
DC+DW+EH+EV+ES+WA+CR+SH+TG+EL
Hệ số tải trọng thi công:
Hệ số tải trọng dùng cho tĩnh tải không được nhỏ hơn 1,25. Hệ số tải trọng cho các thiết bị

và tác động xung kích không được nhỏ hơn 1,50.Hệ số tải trọng gió trong thi công không nhỏ
hơn 1,25.
Các tải trọng khác lấy bằng 1,0.
3. Tải trọng
a) Tải trọng đứng
Tải trọng thẳng đứng là tải trọng gây ra do trọng lượng của các vật thể nằm trên cầu. Các
loại này vừa là tĩnh tải vừa là hoạt tải và tác dụng từ trên xuống theo hướng vào trọng tâm của
quả đất.
Tảitrọngthườngxuyên

Các tải trọng đó bao gồm tĩnh tải và tải trọng đất. Tĩnh tải lên kết cấu là toàn bộ trọng
lượng của kết cấu, nó bao gồm bản mặt cầu, lớp phủ mặt cầu, kết cấu đổ tại chỗ, lan can, lề
người đi bộ, cấu kiện ban đầu, cấu kiện lần hai (bao gồm các phần gia cường, bản nối..). Một
trong các bước đầu tiên của việc thiết kế cầu trên đường cao tốc là thu thập các nhân tố tạo
nên tĩnh tải.
Tải trọng đất là những loại tải trọng bao gồm áp lực đất, đất đắp phụ thêm và tải trọng kéo
xuống. Trong khi các tải trọng đó ảnh hưởng chính đến các cấu kiện bên dưới, chúng có khả

22 
 


năng ảnh hưởng đến các cấu kiện bên trên cũng như các vị trí mà có hai mặt chung (ví dụ ở
tường thân mố).
Tảitrọngtứcthời

Là tải trọng khai thác tác dụng bất kỳ theo không gian và thời gian, khác nhau về độ lớn và
tính chất … Tải trọng thiết kế không giống bất kỳ loại xe cộ nào trên thực tế, nhưng nó đủ
đảm bảo có hiệu ứng phủ toàn bộ các loại xe cộ hiện hành thông thường. Trên thế giới đã có
nhiều nỗ lực, nhiều bàn bạc để thống nhất tải trọng thiết kế trên toàn thế giới nhưng không

thành. Mỗi nước có một quan niệm riêng về tải trọng thiết kế.
Lànthiếtkế

Số lượng làn thiết kế trên cầu là tiêu chuẩn thiết kế quan trọng. Khi thiết kế làn trên cầu, ta
dùng hai loại làn là làn giao thông và làn thiết kế. Làn giao thông là số lượng làn do người
thiết kế đưa ra để giao thông đi trên cầu. Bề rộng làn liên quan đến làn giao thông và thường
lấy chuẩn 3500mm. Làn thiết kế là làn được dành cho hoạt tải. Bề rộng làn thiết kế có thể
bằng hoạc không bằng làn giao thông. Ở đây, ta dùng làn thiết kế là 3000 mm và xe tải phải
được đặt trong làn để gây hiệu ứng lớn nhất.
Số làn thiết kế được xác định bằng cách lấy số nguyên của chiều rộng phần xe chạy chia
cho 3500mm.
Hoạt tải xe ô tô:LL
Hoạt tại thiết kế HL-93 gồm tổ hợp của:
- Xe tải thiết kế kết hợp với tải trọng làn hoặc.
- Xe hai trục kết hợp với tải trọng làn.
Xe tải thiết kế.
Trọng lượng và khoảng cách giữa các trục và bánh xe của xe tải thiết kế (hình 1. 14).Cự
li giữa hai trục 145 KN thay đổi từ 4300mm và 9000mm để gay ra ứng lực lớn nhất .
Đối với các cầu trên tuyến đường cấp IV và thấp hơn, chủ đầu tư có thể xác định tải
trọng trục của xe tải thiết kế (hình 1.14) nhân với hệ số 0,50 hoặc 0,65

35 kN
145 kN
145 kN
4300 mm
4300 mm - 9000mm

600 mm nãi chung
300mm mót thõa cña mÆt cÇu
Lμn thiÕt kÕ 3600 mm

Hình 1.14: Xe tải thiết kế.
23 
 


Xe hai trục thiết kế (xe tandem).
Xe đặc biệt gồm hai trục, mỗi trục 110kN cách nhau 1200mm. Cự ly phương ngang của
các bánh xe là 1800mm. Xe hai trục cũng chỉ xếp một chiếc trên mỗi làn xe.
Đối với các cầu trên tuyến đường cấp IVvà thấp hơn,chủ đầu tư có thể xác định tải trọng
trục của xe tải hai trục nhân với hệ số 0,5. hoặc 0,65.
Tải trọng làn.
Tải trọng làn thiết kế là tải trọng 9,3N/mm phân bố đều chiều dọc cầu. Theo phương ngang
cầu ,tải trọng này được phân bố theo chiều rộng 3000mm.Tải trọng làn phải xê dịch theo
chiều ngang đề gây hiệu ứng lớn nhất. Tải trọng làn không xét đến hệ số xung kích.
 Hệ số làn xe.
Các xe tải đều đi trên các làn bố trí trên cầu nhưng không chắc chắn rằng tất cả các làn đều
đồng thời có xe tải. Vì vậy, cần thiết phải điều chỉnh tải trọng thiết kế, nghĩa là đưa ra hệ số
điều chỉnh làn xe hay còn gọi là hệ số làn xe (bảng 1.3)
Bảng 1.3: hệ số làn xe“m”
Số làn xe
1
2
3
>3

Hệ số làn
1,2
1,0
0,85

0,65



Tải trọng người .
Tải trọng người trền cầu ô tô (có lề đường dành cho người đi rộng hơn 600mm) bằng
3x10-3MPa.
Đối với cầu chỉ dành cho người đi bộ hoặc đi xe đạp phải thiết kế tải trọng người đi bằng
4,1x10-3MPa.
Không tính hệ số xung kích cho tải trọng người đi.
Lực xung kích.
Tiêu chuẩn thiết kế hiện hành đưa ra các tính hệ số xung kích được xác định ở bảng 1.4
Bảng 1.4: Hệ số xung kích IM.
Kết cấu
Mối nốt bản mặt cầu ở tất cả các trạng thía giới
hạn.
Tất cả các kết cấu khác:
- Trạng thái giới hạn mỏi và đứt gãy.
- Các trạng thái giới hạn khác.

IM
75%
15%
25%

Đối với các xe tải hay xe hai trục, khi tính lực xung kích hiệu ứng gây ra được nhân với hệ
số (1+IM/100).
b)Tải trọng ngang.
Lực ly tâm CE.
24 

 


Hình 1.15 thể hiện cách xác định lực ly tâm tác dụng lên xe khi vào đường cong. Lực ly
tâm CE tác dụng theo phương ngang cầu hướng vào tâm đường cong và cách mặt cầu 1800
mm và được tính bởi

 
Hình 1.15: Sơ đồ tính lực ly tâm.

CE  C  W

(1.6)

Với
C =

4 v2
3 gR

(1.7)

Trong đó:
W – Trọng lượng xe;
v - tốc độ thiết kế đường ô tô (m/s);
g - gia tốc trọng lực 9,807 (m/s2)
R -bán kính cong của làn xe (m)
Hệ số làn xe cũng được tính vào lực ly tâm này
Lực hãm xe.
Lực hãm xe truyền xuống bản và tác dụng qua gối truyền xuống kết cấu phần dưới. Tất cả

các lái xe có thể đều phải hãm phanh ở trên cầu khi cần thiết. Chính vì vậy trong thiết kế cần
xét đến lực hãm ở tất cả các làn xe nhưng cũng phải xét đến hệ số làn xe
Các lực tác dụng lên xe khi hãm được thể hiện ở hình 1.16. Lực hãm FB được xác định bởi

Hình 1.16: Sơ đồ tính lực hãm xe.

25 
 


FB = bW

(1.8)

Với
b

1  v2 


2  g  s 

(1.9)

Trong đó:
W – Trọng lượng xe;
v - tốc độ thiết kế đường ô tô (m/s);
g - gia tốc trọng lực 9,807 (m/s2)
s – chiều dài hãm xe (m).
Theo AASHTO 1998 để xác định lực hãm xe tải chạy với vận tốc 90km/h (=25m/s) và

chiều dài hãm xe là 122m. Khi đó, giá trị b được tính bằng (1/2)[252/(9,81x122)]≈25%. Chính
vì vậy, lực hãm lấy bằng 25% trọng lượng các trục xe tải hoặc xe đặc biệt trên tất cả các làn
xe chạy cùng một hướng. Lực lãm nằm ngang theo phương dọc cầu . cách mặt cầu 1800mm.
Lực va xô của tàu thuyền.
Tất cả các cầu vượt qua đường giao thông thuỷ phải được thiết kế xét tàu thuyền va với kết
cấu phần dưới
 Lực va đâm thẳng đầu tàu vào trụ phải được lấy như sau
PS = 1,2.105 V. DWT

(1.10)

Trong đó:
Ps = lực va tàu tĩnh tương đương (N)
DWT = tấn trọng tải của tàu (Mg)
V = vận tốc va tàu (m/s)
 Lực va của xà lan vào trụ
PV= 6.104.aB nếu aB < 100mm
= 6.106.aB + 1600.aB nếu aB ≥ 100mm
Trong đó aB là chiều dài hư hỏng của mũi xà lan (mm)
 Chú ý

Lực va tàu theo phương dọc cầu lấy bằng 50% Lực va tàu thiết kế, theo phương
ngang cầu lấy bằng 100% Lực va thiết kế.

Lực va tàu được tính là một lực tập trung, tác dụng tại MNTT khi tính ổn định chống
lật và chống trượt.

Trong trường hợp kiểm toán về mặt cường độ, coi là một lực rải đều theo phương
dọc và ngang cầu nhưng vẫn đặt ở MNTT.
Tải trọng gió WL và WS.

Tốc độ gió thiết kế V phải xác định theo công thức .
V =V B S (m/s)
Trong đó :
26 
 

(1.11)


VB- Tốc độ gió giật cơ bản trong 3 giây với chu kì xuất hiện 100 năm thích hợp với vùng
tính gió có đặt cầu ( bảng 1.5).
S – Hệ số điều chỉnh đối với khu đất chịu gió và độ cao mặt cầu.(bảng 1.6 )
Bảng 1.5: Các giá trị của VB cho các vùng tính gió ở Việt Nam .
Vùng tính gió theo
TCVN 2737-1995
I
II
III
IV

V B (m/s)
38
45
53
59

Để tính gió trong q trình lắp ráp có thể nhân các giá trị VB trong bảng trên với hệ số 0,85.
Bảng 1.6: Các giá trị của S.
Độ cao mặt cầu trên
mặt đất hay trên mặt

nước(m)
10
20
30
40
50

Khu vực thơng
Khu vực rừng cây ,có
thống hay mặt nước nhà cửa với cây cối, nhà
thống
cao tối đa khỏang10m.
1,09
1,00
1,14
1,06
1,17
1,10
1,20
1,13
1,21
1,16

Khu vực co nhà cửa
với đa số nha cao với
10m
0,81
0,89
0,94
0,98

1,01

Tải trọng gió tác động nên cơng trình WS.
 Tải trọng gió ngang .
Tải trọng gió ngang PD phải được lấy theo chiều tác dụng name ngang và đặt tại trọng của
các phần diện tích thích hợp và đưiợc lấy như sau .
P D = 0,0006 V 2 A t C d ≥ 1,8 A t (kN)

(1.12)

Trong đó: V- Tốc độ gió thiết kế xác định theo phương trình (1.8), (m/s )
At - Diện tích kết cấu hay cấu kiện phải tính tải trọng gió ngang (m2)
Cd - Hệ số cản (hình 1.17) .
2.8
hệ số cản
hệ số tối thiểu đối với
mặt cấu trên dầm
với trên 4 dầm hoặc
dầm hộp

2.4
Giới hạn
mỏi

2.0
1.6
1.2
0.8
0.4
0

0.4 0.8 1.2 1.6 2.0

2

6

10 14

18

22 26 30

tỷ số b/d

Hình 1.17: Hệ số cản Cd dùng cho kết cấu phần trên có mặt hứng gió đặc.
27