Đang tải... (xem toàn văn)
Bài giảng Nhập môn cầu - Chương 2: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế và thi công cầu (P3) cung cấp một số kiến thức về nguyên lý thiết kế và tính toán cầu theo TTGH bao gồm: Triết lý thiết kế và các trạng thái giới hạn, những điểm cơ bản của tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN‐272‐05,... Mời các bạn tham khảo.
11/5/2013 TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Bộ mơn Cầu Cơng trình ngầm Website: http://www.nuce.edu.vn Website: http://bomoncau.tk/ NHẬP MƠN CẦU TS. NGUYỄN NGỌC TUYỂN Website mơn học: http://nhapmoncau.tk/ Link dự phòng: https://sites.google.com/site/tuyennguyenngoc/courses‐in‐ vietnamese/nhap‐mon‐cau Hà Nội, 10‐2013 2.3. Ngun lý T.kế tính tốn cầu theo TTGH • 2.3‐1. Triết lý thiết kế tiêu chuẩn 22TCN‐272‐05 – Theo điều 1.3.1. (22TCN‐272.05): “Cầu phải thiết kế theo TTGH quy định để đạt mục tiêu thi cơng được, an tồn sử dụng được, có xét đến khả dễ kiểm tra, tính kinh tế mỹ quan.” – Kết cấu thiết kế phải thỏa mãn tất TTGH xét tổng thể lẫn cục – Nguyên lý đảm bảo an toàn thiết kế theo phương pháp là: hiệu ứng tải trọng phải nhỏ sức kháng kết cấu Hiệu ứng tải trọng ≤ Sức kháng 125 11/5/2013 Nguyên lý T.kế tính tốn … (t.theo) – Tiêu chuẩn 22TCN‐272‐05 được Bộ GTVT ban hành năm 2005 dựa Tiêu chuẩn AASHTO LRFD 1998 (Mỹ). – Tiêu chuẩn 22TCN‐272‐05 sử dụng triết lý thiết kế sau: i Qi Rn Hiệu ứng tải trọng ≤ Sức kháng tính tốn • Chú ý rằng hai vế bất đẳng thức phải xem xét điều kiện hay nói cách khác, giá trị 2 vế bất đẳng thức phải xem xét TTGH • Để tính tới biến động ở cả 2 vế bất đẳng thức trên, phía sức kháng nhân với hệ số sức kháng φ (thường 1) 126 Nguyên lý T.kế tính tốn … (t.theo) Q R i i n • Vế trái: hiệu ứng tải trọng ở một trạng thái giới hạn cụ thể tổ hợp nhiều loại tải trọng (Qi) với mức độ tác dụng khác dự đoán trước Do vậy hiệu ứng tải trọng biểu thị tổng giá trị γiQi • Vế phải: Rn sức kháng danh định. Tích số φRn gọi sức kháng tính tốn. • Bất đẳng thức bao gồm hệ số tải trọng γ hệ số sức kháng φ nên phương pháp thiết kế gọi “Phương pháp hệ số tải trọng sức kháng”. Tên tiếng anh: Load and Resistance Factor Design (LRFD) 127 11/5/2013 Ngun lý T.kế tính tốn … (t.theo) • Hệ số tải trọng γi loại tải trọng cần phải tính đến khơng chắn về: – Độ lớn tải trọng; i Qi Rn – Vị trí tải trọng; – Các tổ hợp tải trọng xảy • Hệ số sức kháng φ ở một trạng thái giới hạn cần phải tính đến khơng chắn về: – Tính chất vật liệu; – Các biểu thức xác định cường độ; – Tay nghề công nhân; – Kiểm sốt chất lượng cơng trình; – Ảnh hưởng hư hỏng hay khuyết tật kết cấu… 128 Ngun lý T.kế tính tốn … (t.theo) • Trong việc lựa chọn hệ số tải trọng sức kháng cho cầu, lý thuyết độ tin cậy áp dụng cho liệu cường độ vật liệu đồng thời áp dụng phương pháp thống kê trọng lượng vật liệu tải trọng xe Q R i i n 129 11/5/2013 Ngun lý T.kế tính tốn … (t.theo) Ưu điểm phương pháp LRFD: Xét đến khác tải trọng sức kháng; Đạt mức độ an toàn tương đối đồng cấu kiện khác nhau, các TTGH khác loại cầu khác Nhược điểm phương pháp LRFD: Yêu cầu hiểu biết lý thuyết xác suất thống kê; Yêu cầu có số liệu thống kê đầy đủ thuật toán thiết kế xác suất để chỉnh lý hệ số sức kháng trường hợp riêng 130 Nguyên lý T.kế tính tốn … (t.theo) • 2.3‐2. Các trạng thái giới hạn (TTGH) – Định nghĩa TTGH: • Trạng thái giới hạn trạng thái mà cơng trình phận ngừng đáp ứng nhiệm vụ thiết kế – Chú ý, khi thiết kế theo TTGH thì TTGH đều xem quan trọng – Thiết kế theo tiêu chuẩn 22TCN‐272‐05 là phải thỏa mãn tất TTGH, xét tổng thể lẫn cục thể biểu thức sau: i i Qi Rn Hiệu ứng tính tốn tải trọng ≤ Sức kháng tính tốn 131 11/5/2013 Ngun lý T.kế tính tốn … (t.theo) i i Q i R n ηi – hệ số điều chỉnh tải trọng γi – hệ số tải trọng, là số nhân dựa 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 TTGH cường độ mà 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 cấu kiện liên kết không dẻo;ηD = 1 cho thiết kế thông thường; ηD ≥ 0.95 cho cấu kiện có dùng biện pháp tăng tính dẻo) – điều 1.3.3 + ηR liên quan đến độ dư thừa (ηR ≥ 1.05 cho cấu kiện không dư thừa; ηR = 1 cho mức dư thông thường;ηD ≥ 0.95 cho mức dư đặc biệt) – điều 1.3.4 + ηI liên quan đến độ quan trọng (ηI ≥ 1.05 cho cầu quan trọng; ηI = 1 cho cầu điển hình; ηI ≥ 0.95 cho cầu quan trọng) – điều 1.3.5 132 Nguyên lý T.kế tính tốn … (t.theo) i i Q i R n ηi – hệ số điều chỉnh tải trọng γi – hệ số tải trọng, là số nhân dựa 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 TTGH cường độ mà tải trọng sử dụng hệ số tải trọng γi min thì hệ số điều chỉnh tải trọng là: i D R I 1 • Đối với TTGH khơng phải TTGH cường độ hệ số : ηD = ηR = ηI = 1 Rn – Sức kháng danh định 133 11/5/2013 Các TTGH quy định 22TCN‐272‐05 TTGH CƯỜNG ĐỘ I Là tổ hợp tải trọng để tính với tải trọng khai thác cầu có xe khơng có gió TTGH CƯỜNG ĐỘ II Là tổ hợp tải trọng để tính cầu chịu gió V>25m/s, cầu khơng có xe TTGH CƯỜNG ĐỘ III Là tổ hợp để tính với trường hợp xe chạy bình thường cầu chịu gió V tổng trọng lượng xe 325 KN ‐ Trừ quy định Điều 3.6.1.3.1 và 3.6.1.4.1, cự ly 2 trục 145 KN phải thay đổi 4300 và 9000 mm để gây ứng lực lớn 4300mm 4300mm tới 9000mm ‐ Cự ly chiều ngang bánh xe lấy 1800 mm 144 Ngun lý T.kế tính tốn … (t.theo) Xe 2 trục thiết kế 110KN 110KN ‐ Xe 2 trục gồm 1 cặp trục 110KN => tổng trọng lượng = 220KN (2 trục cách 1200mm) ‐ Cự ly chiều ngang bánh xe lấy 1800mm 1.2m Tải trọng thiết kế ‐ Tải trọng thiết kế gồm tải trọng 9.3N/mm phân bố theo chiều dọc ‐ Chiều ngang cầu giả thiết phân bố chiều rộng 3000mm ‐ Ứng lực tải trọng thiết kế khơng xét tới lực xung kích 9.3N/mm 145 11 11/5/2013 Ngun lý T.kế tính tốn … (t.theo) Trừ có quy định khác, ứng lực lớn phải lấy theo giá trị lớn trường hợp sau: Xe 3 trục thiết kế + Tải trọng thiết kế Xe 2 trục thiết kế + Tải trọng 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 Ngun lý T.kế tính tốn … (t.theo) Hoạt tải thiết kế HL‐93 (3.6.1.3.1) Xe 3 trục (Truck) + Tải trọng Xe 2 trục (Tandem) + Tải trọng ≥ Khi tính mơ men âm phản lực gối giữa, lấy 90% hiệu ứng tải trọng hình 147 12 11/5/2013 Ngun lý T.kế tính tốn … (t.theo) Tải trọng thiết kế không thiết phải liên tục để gây hiệu ứng bất lợi cho kết cấu 148 Ngun lý T.kế tính tốn … (t.theo) Xếp tải để tính mơ men âm đỉnh trụ cầu dầm liên tục 149 13 11/5/2013 Nguyên lý T.kế tính tốn … (t.theo) • 2.3‐7. Xác định tác động số tải trọng thời khác – (1) Tác động xung kích (IM) • Trừ trường hợp với cấu kiện vùi, tác động tĩnh học Xe tải thiết kế Xe 2 trục thiết kế (không kể lực ly tâm lực hãm) phải tăng thêm tỷ lệ phần trăm quy định Bảng 3.6.2.1.‐1 cho lực xung kích • Lực xung kích khơng áp dụng cho Tải trọng hành Tải trọng thiết kế 150 Nguyên lý T.kế tính tốn … (t.theo) • Khơng cần xét lực xung kích đối với: – Tường chắn khơng chịu phản lực thẳng đứng từ kết cấu phần trên; và – Thành phần móng nằm hồn tồn mặt đất • Đối với cống cấu kiện vùi đất, lực xung kích (tính %) phải lấy sau: IM = 33(1 ‐ 4.1 × 10‐4 × DE) ≥ 0% đó: DE = chiều dày tối thiểu lớp đất phủ phía kết cấu (mm) • Hệ số xung kích áp dụng cho hoạt tải lấy bằng: (1 + IM/100) 151 14 11/5/2013 Nguyên lý T.kế tính tốn … (t.theo) – (2) Tải trọng hành (PL) • Đối với tất đường hành có bề rộng Bbh ≥ 600mm thì phải lấy tải trọng người 3x10‐3 MPa phải tính đồng thời hoạt tải xe thiết kế ≥ 600mm • Đối với cầu dùng cho người và/hoặc xe đạp, phải thiết kế với hoạt tải 4x10‐3 MPa • Khơng xét lực xung kích tải trọng hành 152 Ngun lý T.kế tính tốn … (t.theo) Hoạt tải Người (PL) Pedestrian Load Xe (LL) Live Load Xe tải thiết kế (Design Truck) Xe trục thiết kế (Design Tandem) Tải trọng (Lane Load) Tải phân bố Xe 3 trục Xe 2 trục Tải phân bố 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 xe bố trí chiều rộng 3m theo phương ngang cầu để có hiệu ứng bất lợi (3.6.1.3.1) 153 15 11/5/2013 Nguyên lý T.kế tính tốn … (t.theo) – (3) Lực ly tâm (CE) • Lực ly tâm được lấy bằng tích số của: hệ số C với trọng lượng trục của Xe tải thiết kế hoặc Xe 2 trục trong đó: • Hệ số C được lấy bằng: C v2 gR • v = vận tốc thiết kế đường ơ tơ (m/s) • g = gia tốc trọng lực 9,807 (m/s2) • R = bán kính cong của làn xe (m) 154 Ngun lý T.kế tính tốn … (t.theo) • Lực ly tâm tác dụng theo phương nằm ngang cách phía trên mặt đường 1.8 m • Lực ly tâm khơng xét đến lực xung kích; • Phải áp dụng hệ số xe quy định điều 3.6.1.1.2 • Tốc độ thiết kế đường ô tô không lấy nhỏ trị số quy định Tiêu chuẩn thiết kế đường • Tải trọng thiết kế bỏ qua trong tính tốn lực ly tâm cự ly xe có tốc độ cao coi lớn dẫn đến mật độ xe phía trước sau xe tải thiết kế thấp 155 16 11/5/2013 Ngun lý T.kế tính tốn … (t.theo) – (4) Lực hãm (BR) • Lực hãm lấy 25% tổng trọng lượng trục Xe tải thiết kế hoặc Xe 2 trục • Cần ý: – Các xe giả thiết chiều – Các lực hãm coi tác dụng theo phương dọc cầu cách phía mặt đường 1.8m – Các lực hãm phải tính cho 2 chiều theo phương dọc cầu để gây ứng lực lớn – Phải áp dụng hệ số quy định Điều 3.6.1.1.2 – Chỉ có Xe tải thiết kế Xe 2 trục thiết kế xét tính lực hãm xe khác đại diện Tải trọng thiết kế mong đợi hãm ngồi pha 156 Ngun lý T.kế tính tốn … (t.theo) – (5) Tải trọng va xe (CT) • Theo điều 3.6.5.1: khơng cần tính lực va xe nếu cơng trình được bảo vệ bởi: – Nền đắp, hoặc – Kết cấu rào chắn độc lập cao 1370mm chịu được va đập, chơn 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 tính tốn … (t.theo) • Theo điều 3.6.5.2: – Tất cả mố trụ (khơng 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 tính tốn … (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 tính theo lũ kiểm tra xói khi tính theo TTGH đặc biệt) 159 18 11/5/2013 Ngun lý T.kế tính tốn … (t.theo) • Tác dụng theo chiều ngang (vng góc với trục của trụ) Áp lực phân bố kết cấu phần do dòng chảy lệch với chiều dọc trụ góc θ 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 ...11/5 /20 13 Ngun lý T.kế tính tốn … (t.theo) – Tiêu chuẩn 22 TCN 27 2‐05 được Bộ GTVT ban hành năm 20 05 dựa Tiêu chuẩn AASHTO LRFD 1998 (Mỹ). – Tiêu chuẩn 22 TCN 27 2‐05 sử dụng triết... toán … (t.theo) Xe 2 trục thiết kế 110KN 110KN ‐ Xe 2 trục gồm 1 cặp trục 110KN => tổng trọng lượng = 22 0KN (2 trục cách 120 0mm) ‐ Cự ly chiều ngang bánh xe lấy 1800mm 1.2m Tải trọng thiết... 3.5.1‐1 để tính tĩnh tải 141 11/5 /20 13 Ngun lý T.kế tính tốn … (t.theo) – Các tải trọng đất EH, ES, DD được xác định theo điều 3.11 Tiêu chuẩn cầu 22 TCN 27 2‐05 • 2. 3‐6. Cách xác định tác động hoạt