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

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: 
/>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
125

1

11/5/2013

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:



i

Qi    Rn

Hiệu ứng của tải trọng ≤Sức kháng tính toán
• 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).
126

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

 Q    R
i

i

n

• 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: Rn là sức kháng danh định. Tích số φRn được 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: Load and Resistance Factor Design (LRFD).
127

2


11/5/2013

Nguyên lý T.kế và tính toán … (t.theo)
• Hệ số tải trọng γi của mỗi loại tải trọng cần phải tính đến sự không chắc
chắn về:
– Độ lớn của tải trọng;
 i Qi    Rn
– 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…

128

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

 Q    R
i

i

n

129

3


11/5/2013

Nguyên lý T.kế và tính toán … (t.theo)
 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.
130

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

 
i

i

Qi    Rn

Hiệu ứng tính toán của tải trọng

≤

Sức kháng tính toán
131

4


11/5/2013

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

 
i

i

Q i   .R n

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 γi max thì hệ số điều
chỉnh tải trọng là: ηi = ηD ηR ηI ≥ 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.
+ 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) – điều 1.3.4.
+ 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 cầu ít quan trọng) – điều 1.3.5.
132

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

 
i

i

Q i   .R n

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

• Đối với các TTGH cường độ mà các tải trọng
sử dụng hệ số tải trọng γi min thì hệ số điều
chỉnh tải trọng là:

i 

1

 D  R I

1

• Đối với các TTGH không phải là TTGH cường
độ thì các hệ số : ηD = ηR = ηI = 1

Rn – Sức kháng danh định
133

5

11/5/2013

Các TTGH quy định trong 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

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
134

Nguyên lý T.kế và tính toán … (t.theo)
2.3‐3. Các tải trọng (được chia ra làm hai nhóm)
(1) Tải trọng thường xuyên và (2) Tải trọng nhất thời.
(1) Tải trọng thường xuyên
DC

Tải trọng bản thân của các bộ phận kết cấu Dead load of structural Components 

và thiết bị phụ phi kết cấu
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
EL

Các hiệu ứng bị hãm tích lũy do phương 
pháp thi công

ES Tải trọng đất chất thêm
EV Áp lực thẳng đứng do tự trọng đất đắp

Horizontal Earth pressure load
accumulated Locked‐in Effects resulting 
from the construction process
Earth Surcharge load
Vertical pressure from dead load of 
Earth fill
135

6

11/5/2013

Nguyên lý T.kế và tính toán … (t.theo)
(2) Tải trọng nhất thời
BR
CE
CR
CT
CV
EQ
FR
IM
LL
LS
PL
SE
SH
TG
TU
WA
WL
WS

Lực hãm xe
Lực ly tâm
Từ biến
Lực va xe
Lực va tàu

Động đất
Ma sát
Lực xung kích
Hoạt tải xe
Hoạt tải chất thêm
Hoạt tải người đi
Lún
Co ngót
Gradien nhiệt
Nhiệt độ đều
Tải trọng nước và áp lực dòng chảy
Tải trọng gió trên hoạt tải
Tải trọng gió trên kết cấu

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
WAtter load and stream pressure

Wind on live Load
Wind load on Structure
136

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

137

7


11/5/2013

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

WA

WS

WL

FR

TU
CR
SH

TG SE

Cùng một lúc chỉ
dùng một trong
các tải trọng
EQ

CT

CV

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

‐

‐

‐

‐

1,00

1,40

‐

1,00

0,5/1.20

‐

‐

‐

1,00

1,00

1,00

‐

‐

‐

‐

‐

‐

Đặc biệt

p
p

0,50

1,00

‐

‐

1,00

‐

Sử dụng

1.0

1,00

1,00

0,30

1,00

1,00

1,0/1,20

Mỏi chỉ có
LL,  IM & CE

‐

0,75

‐

‐

‐

‐

‐

Cường độ III

TG SE
‐ ‐
TG SE
‐

‐

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.

138

Nguyên lý T.kế và tính toán … (t.theo)
– Hệ số tải trọng tính cho gradien nhiệt TG và lún SE cần 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.

139

8


11/5/2013

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

140

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

141

9


11/5/2013

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

Bxe

 B 
n  nguyên  xe 
 3500 

trong đó: Bxe = bề rộng đường xe chạy, mm (bằng khoảng cách
giữa hai mép đá vỉa tính bằng mm).
142

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

143

10


11/5/2013

Nguyên lý T.kế và tính toán … (t.theo)
Xe 3 trục thiết kế (hoặc gọi là xe tải thiết kế)
‐ 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

4300mm

4300mm tới 9000mm

‐ Cự ly chiều ngang của các
bánh xe lấy bằng 1800 mm
144

Nguyên lý T.kế và tính toán … (t.theo)
Xe 2 trục thiết kế

110KN    110KN

‐

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

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

145

11


11/5/2013

Nguyên lý T.kế và tính toán … (t.theo)
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 thiết kế
+
Tải trọng làn thiết kế

Xe 2 trục thiết kế
+
Tải trọng làn thiết kế

145KN      145KN

110KN    110KN

4.3  tới
9 m

1.2m

35KN
4.3 m

9.3 KN/m

9.3 KN/m

146

Nguyên lý T.kế và tính toán … (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

≥

Khi tính mô men âm và
phản lực gối giữa, lấy
90% hiệu ứng của các
tải trọng trên hình
147

12


11/5/2013

Nguyên lý T.kế và tính toán … (t.theo)
Tải trọng làn thiết kế không nhất thiết phải liên tục
để có thể gây hiệu ứng bất lợi nhất cho kết cấu

148

Nguyên lý T.kế và tính toán … (t.theo)
Xếp tải để tính mô men âm trên đỉnh trụ cầu dầm liên tục

149

13


11/5/2013

Nguyên lý T.kế và tính toán … (t.theo)
• 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.
150

Nguyên lý T.kế và tính toán … (t.theo)
• 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)
151

14


11/5/2013

Nguyên lý T.kế và tính toán … (t.theo)
– (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 3x10‐3 MPa và phải tính
đồng thời cùng hoạt tải xe thiết kế.
≥ 600mm

• Đối với cầu chỉ dùng cho người đi bộ và/hoặc đi xe đạp, 
phải thiết kế với hoạt tải bằng 4x10‐3 MPa.
• Không xét lực xung kích đối với tải trọng bộ hành
152

Nguyên lý T.kế và tính toán … (t.theo)
Hoạt tải
Người đi bộ (PL)
Pedestrian Load

Xe (LL)
Live Load

Xe tải thiết kế
(Design Truck)

Xe 2 trục thiết kế
(Design Tandem)

Tải trọng làn
(Lane Load)

Tải phân bố đều

Xe 3 trục

Xe 2 trục

Tải phân bố đều

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 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).
153

15


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 với trọng
lượng các trục của Xe tải thiết kế hoặc Xe 2 trục.
trong đó:
• Hệ số C được lấy bằng: C 

4 v2
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 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.
155

16


11/5/2013

Nguyên lý T.kế và tính toán … (t.theo)
– (4) Lực hãm (BR)
• Lực hãm được lấy bằng 25% 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.

156

Nguyên lý T.kế và tính toán … (t.theo)
– (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
157

17


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)
– Tải trọng nước (WA)
• Tác dụng theo chiều dọc của trụ: p = 5.14 x 10‐4 Cd V2
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


11/5/2013

Nguyên lý T.kế và tính toán … (t.theo)
• 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 10‐4 CL V2
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