TÓM TẮT TIÊU CHUẨN QUỐC GIA TCVN 11823-4:2017 - THIẾT KẾ CẦU ĐƯỜNG BỘ - PHẦN 4: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT CẤU

Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 11823-4:2017 quy định các nguyên tắc, phương pháp và yêu cầu kỹ thuật đối với việc phân tích và đánh giá kết cấu cầu đường bộ. Nội dung tiêu chuẩn tập trung vào hai phương pháp phân tích chủ đạo là phương pháp phân tích gần đúng và phương pháp phân tích chính xác, đồng thời đưa ra các chỉ dẫn chi tiết về phân tích động lực học, phân tích động đất, phân tích mô hình vật lý và các bảng tra thiết kế bản mặt cầu.

1. Phương pháp phân tích gần đúng (Điều 6)

Phương pháp phân tích gần đúng sử dụng hệ số phân bổ hoạt tải để xác định mô-men uốn và lực cắt cho các bộ phận kết cấu dầm. Phương pháp này được áp dụng khi kết cấu cầu thỏa mãn các điều kiện biên tiêu chuẩn:

• Bề rộng mặt cầu là hằng số hoặc thay đổi không đáng kể.
• Số lượng dầm chủ không nhỏ hơn 4 (trừ một số trường hợp đặc biệt quy định tối thiểu là 3 dầm).
• Các dầm đặt song song với nhau và có độ cứng xấp xỉ nhau.
• Phần hẫng của đường xe chạy (khoảng cách de) không vượt quá 910 mm.
• Độ cong trên mặt bằng nhỏ hơn giới hạn quy định hoặc được xử lý bằng phương pháp tính chính xác.

Hệ số phân bổ hoạt tải cho mô-men và lực cắt:

• Dầm bên trong: Hệ số phân bổ hoạt tải (g) được xác định dựa trên loại kết cấu phần trên (dầm thép, dầm bê tông chữ T, dầm hộp bê tông nhiều ngăn đổ tại chỗ, dầm hộp đúc sẵn). Đối với dầm bê tông (trừ dầm hộp), bắt buộc phải bố trí các vách ngăn đầu dầm cứng và cao để đảm bảo phân bổ tải trọng hợp lý.
• Dầm biên: Xác định bằng cách áp dụng quy tắc đòn bẩy hoặc thông qua hệ số điều chỉnh (e) nhân với hệ số phân bổ của dầm bên trong. Khoảng cách de được lấy giá trị dương nếu bản bụng dầm biên ở phía trong của lan can chắn xe và âm nếu ở phía ngoài.
• Cầu chéo: Khi đường tim của các gối tựa bị chéo và độ sai khác góc chéo không quá 10°, mô-men uốn trong dầm dọc có thể được giảm bớt theo hệ số điều chỉnh giảm (phụ thuộc vào góc chéo θ). Ngược lại, lực cắt tại góc tù của cầu chéo phải được điều chỉnh tăng lên bằng hệ số hiệu chỉnh tương ứng để đảm bảo an toàn.
• Dầm ngang hệ mặt cầu: Thiết kế dựa trên phần số tải trọng bánh xe quy định cho mỗi dầm sàn, áp dụng đồng thời với tải trọng trục thiết kế 145 kN.

Bề rộng dải tương đương đối với cầu bản:

Áp dụng cho các loại cầu bản đặc hoặc cầu bản có lỗ rỗng đúc tại chỗ. Bề rộng tương đương theo làn (E) cho cả lực cắt và mô-men được tính toán riêng biệt cho trường hợp một làn xe chịu tải và trường hợp nhiều làn xe chịu tải, phụ thuộc vào chiều dài nhịp điều chỉnh (L1) và bề rộng mép-tới-mép điều chỉnh (W1). Đối với cầu bản chéo, hiệu ứng lực dọc được giảm đi theo hệ số điều chỉnh phụ thuộc vào góc chéo θ.

Hệ số chiều dài có hiệu (K):

Chiều dài thực tế của cột chịu nén phải nhân với hệ số chiều dài có hiệu K để bù vào các điều kiện biên về chuyển vị quay và tịnh tiến. Khi độ ổn định bên được tăng cường bằng hệ giằng chéo, hệ số K được quy định:

• Liên kết bu-lông hoặc hàn ở cả hai đầu: K = 0,750.
• Liên kết chốt ở cả hai đầu: K = 0,875.
• Thanh thép góc đơn (bất kể liên kết đầu): K = 1,0.
• Giàn kiểu Vierendeel được coi là khung không được giằng.

Bề rộng bản cánh có hiệu của dầm:

Bề rộng bản cánh có hiệu của dầm liên hợp hoặc dầm bê tông liền khối được xác định để tính toán sức kháng uốn và độ cứng mặt cắt. Tiêu chuẩn quy định chi tiết cho từng loại cấu kiện:

• Dầm bê tông hộp đúc tại chỗ và thi công phân đoạn: Bề rộng bản cánh có hiệu (be, bm, bs) được xác định dựa trên tỷ lệ giữa bề rộng thực (b) và chiều dài nhịp quy ước (li), có xét đến ảnh hưởng của hiện tượng cắt trễ ở vùng đầu dầm và trên trụ.
• Mặt cầu thép bản trực hướng: Bề rộng có hiệu bao gồm bản mặt thép và sườn tăng cường, phụ thuộc vào tỷ số giữa chiều dài nhịp dầm (L) và chiều rộng bản giữa các dầm (B).
• Dầm ngang và xà mũ trụ khung: Chiều rộng có hiệu của bản hẫng về mỗi phía không được vượt quá 6 lần chiều dày nhỏ nhất của bản hoặc 1/10 chiều dài nhịp.

Phân bổ tải trọng ngang và động đất:

• Tải trọng gió ngang: Đối với dầm chữ I, tải trọng gió tác dụng lên nửa trên dầm biên và mặt cầu được truyền trực tiếp qua mặt cầu làm việc như tấm cứng nằm ngang đến các gối tựa; tải trọng gió lên nửa dưới tác dụng vào bản cánh dưới. Đối với dầm hộp, 1/4 lực gió tác dụng lên bản cánh dưới dầm biên ngoài, 3/4 còn lại truyền qua vách ngăn đến gối tựa.
• Tải trọng động đất: Thiết lập đường truyền tải trọng rõ ràng từ kết cấu phần trên xuống kết cấu phần dưới. Đối với cầu có mặt cầu bê tông làm việc như tấm cứng hoặc có hệ giằng ngang bản cánh trên, tải trọng ngang truyền trực tiếp đến gối đỡ qua vách ngăn đầu dầm. Nếu mặt cầu không đủ độ cứng tấm, tải trọng phải phân phối qua vách ngăn trung gian xuống hệ giằng ngang dưới rồi đến gối đỡ.

Phân tích cầu bê tông thi công phân đoạn và cống hộp:

• Cầu bê tông phân đoạn: Sử dụng phân tích đàn hồi và lý thuyết dầm, có xét đến co ngót, từ biến, thay đổi nhiệt độ, biến dạng cắt trễ và mô-men thứ cấp do dự ứng lực. Phân tích theo phương ngang phải coi đốt dầm hộp như một khung hộp cứng.
• Cống hộp (chiều cao đắp dưới 600mm): Phân tích theo hai trường hợp xe chạy song song hoặc vuông góc với nhịp để xác định chiều rộng phân bố tương đương (E). Đối với cống hộp đúc sẵn, quy định cụ thể về cấu tạo truyền lực cắt tại khe nối dựa trên tỷ lệ chiều dài nhịp và chiều dày bản.

2. Phương pháp phân tích chính xác (Điều 6.3)

Phương pháp phân tích chính xác được áp dụng cho các kết cấu cầu có hình học phức tạp hoặc khi phương pháp gần đúng không đáp ứng được các điều kiện biên. Phương pháp này đòi hỏi xem xét kỹ lưỡng tỷ lệ hình học, vị trí nút và các đặc trưng biến dạng xoắn, uốn của kết cấu:

• Mặt cầu: Sử dụng mô hình bản đẳng hướng hoặc bản trực hướng. Đối với bản trực hướng chịu tải trọng bánh xe trực tiếp, phải xây dựng mô hình phần tử hữu hạn 3 chiều chi tiết (tấm hoặc khối) để tính toán ứng suất cục bộ tại chân mối hàn và chi tiết chịu mỏi.
• Cầu dầm - bản và cầu thép cong: Tỷ số kích thước các phần tử hữu hạn không vượt quá 5,0. Cầu thép cong phải ưu tiên phân tích bằng phương pháp chính xác để kiểm soát hiệu ứng xoắn và uốn cong.
• Cầu hình hộp và nhiều ngăn: Sử dụng mô hình 3 chiều để xác định độ vênh xoắn và tác động khung ngang. Hộp thép chỉ được coi là cứng xoắn khi có hệ giằng trong thích hợp.
• Cầu giàn và cầu vòm: Phân tích khung không gian hoặc phẳng phải xét đến tính liên hợp với mặt cầu, tính liên tục của cấu kiện, ảnh hưởng của lực dọc trục và sự mất ổn định ngoài mặt phẳng (oằn). Đối với vòm nhịp lớn, bắt buộc sử dụng phép phân tích biến dạng lớn.
• Cầu dây văng và cầu treo dây võng: Phải xét đến hiệu ứng phi tuyến do độ võng cáp văng (sử dụng mô-đun đàn hồi điều chỉnh), biến dạng của dầm và tháp, và tính phi tuyến vật liệu. Tính toán phải giả định cả tình huống đứt hoặc thay thế một dây văng. Cầu treo dây võng phải phân tích bằng lý thuyết biến dạng lớn đối với tải trọng thẳng đứng.

3. Phân bổ lại mô-men âm, ổn định và gra-đi-en nhiệt độ (Điều 6.4 - 6.6)

• Phân bổ lại mô-men âm: Cho phép giảm mô-men âm trên gối tựa của dầm liên tục nhiều nhịp và tăng tương ứng mô-men dương trong nhịp. Sự làm việc không đàn hồi chỉ giới hạn cho chịu uốn, không áp dụng cho lực cắt hoặc oằn dọc.
• Ổn định: Tính toán ổn định bắt buộc phải sử dụng lý thuyết biến dạng lớn.
• Gra-đi-en nhiệt độ: Phân tích ảnh hưởng của gra-đi-en nhiệt độ thẳng đứng phải xét đến độ giãn dài dọc trục, biến dạng uốn và các nội ứng suất phát sinh trong kết cấu.

4. Phân tích động lực học (Điều 7)

Phân tích động lực học yêu cầu mô hình hóa chính xác độ cứng, khối lượng và đặc tính giảm chấn của hệ kết cấu:

• Dao động do xe cộ: Hệ số xung kích được xác định từ tỷ số giữa hiệu ứng lực động cực trị và hiệu ứng lực tĩnh. Độ gia tăng tải trọng động thiết kế không được nhỏ hơn 50% trị số quy định trong tiêu chuẩn chung.
• Dao động do gió: Đối với kết cấu nhạy cảm với gió, phải xác định áp lực và sức hút cực trị bằng thí nghiệm hầm gió. Phải phân tích các hiệu ứng động học như lắc do gió xoáy, gió giật, rung giật, chao đảo và oằn ngang. Sử dụng bộ giảm chấn để kiểm soát dao động khi cần thiết.
• Phân tích tải trọng động đất: Quy định các yêu cầu phân tích tối thiểu dựa trên vùng động đất (Cấp 1, 2, 3) và tầm quan trọng của cầu (Bình thường, Không bình thường, Chủ yếu, Đặc biệt). Các phương pháp phân tích bao gồm: Phương pháp phổ dạng đơn, Phương pháp tải trọng rải đều, Phương pháp phân tích phổ dạng phức (đa mốt - yêu cầu mô hình không gian 3 chiều) và Phương pháp lịch sử thời gian (yêu cầu tối thiểu 5 lịch sử thời gian với phổ tương thích).
• Chiều rộng đỡ dầm tối thiểu (N): Tại các gối di động, chiều dài chồng lấn tối thiểu N được tính toán theo công thức thực nghiệm phụ thuộc vào chiều dài mặt cầu (L), chiều cao cột/trụ (H) và độ chéo mặt đỡ (S) nhằm phòng ngừa rủi ro rơi dầm khi xảy ra động đất.

5. Phân tích theo mô hình vật lý và Phụ lục A

• Thí nghiệm mô hình vật lý: Cho phép chế tạo mô hình tỷ lệ thu nhỏ để kiểm nghiệm ứng xử của kết cấu, yêu cầu mô phỏng chính xác các điều kiện biên, vật liệu và tải trọng. Thử nghiệm cầu hiện hữu bằng thiết bị đo dưới tải trọng xe chuyên dùng để đánh giá khả năng chịu tải thực tế.
• Bảng tra thiết kế bản mặt cầu (Phụ lục A): Cung cấp bảng tra sẵn giá trị mô-men uốn lớn nhất (mô-men dương và mô-men âm tại các khoảng cách thiết kế từ tim dầm) trên một đơn vị chiều rộng bản bê tông tựa trên các dầm song song. Các giá trị này đã được nhân với hệ số làn và hệ số xung kích, áp dụng cho bản tựa trên ít nhất 3 dầm với chiều rộng tổng thể không nhỏ hơn 4200 mm.