Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 13594-10:2023 về Thiết kế cầu đường sắt khổ 1435mm, vận tốc đến 350 km/h - Phần 10: Cầu chịu tác động của động đất là văn bản kỹ thuật cốt lõi quy định các nguyên tắc, phương pháp phân tích kết cấu và yêu cầu cấu tạo kháng chấn đối với hệ thống cầu đường sắt tốc độ cao và đường sắt đô thị tại Việt Nam.

PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG ÁP DỤNG

• Phạm vi áp dụng: Tiêu chuẩn này áp dụng cho việc thiết kế mới, cải tạo và nâng cấp các công trình cầu đường sắt khổ 1435mm có vận tốc thiết kế lên đến 350 km/h chịu tác động của động đất.
• Đối tượng áp dụng: Các tổ chức tư vấn thiết kế, chủ đầu tư, nhà thầu thi công, cơ quan quản lý nhà nước và các bên liên quan đến xây dựng hạ tầng đường sắt tốc độ cao, đường sắt đô thị (bao gồm cầu cạn, cầu vượt sông, cầu vượt đường bộ).

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ ỨNG XỬ ĐỘNG ĐẤT (ĐIỀU 7)

Tiêu chuẩn quy định chi tiết các phương pháp phân tích động lực học từ đơn giản đến phức tạp nhằm xác định chính xác nội lực và chuyển vị của cầu dưới tác động của động đất:

• Thành phần thẳng đứng của tải trọng động đất: Phải được tính đến đối với các vùng có gia tốc nền thiết kế lớn hơn 0,25g, đặc biệt bắt buộc đối với dầm bê tông ứng suất trước chịu lực hướng lên, các cấu kiện dạng công xôn dài trên 5m, dầm đỡ cột và các kết cấu có cách chấn đáy.
• Phân loại ứng xử động đất (Cầu đều đặn và không đều đặn):
  • Cầu được coi là đều đặn khi hệ số giảm lực cục bộ tại các khớp dẻo thỏa mãn điều kiện đồng đều, hạn chế sự tập trung biến dạng dẻo quá mức tại một trụ đơn lẻ.
  • Cầu không đều đặn phải được thiết kế với hệ số ứng xử q chiết giảm hoặc phải tiến hành phân tích phi tuyến để đánh giá chính xác sự hình thành khớp dẻo liên tiếp.
• Phương pháp phổ phản ứng (Tuyến tính): Áp dụng mô hình động đầy đủ (thường là mô hình không gian) để tính toán đỉnh phản ứng động của tất cả các mode dao động đáng kể, đảm bảo tổng khối lượng phương thức có hiệu chiếm ít nhất 90% tổng khối lượng cầu. Tổ hợp các phản ứng phương thức được thực hiện theo quy tắc SRSS hoặc CQC khi các chu kỳ tự nhiên gần nhau.
• Phương pháp dạng cơ bản: Áp dụng cho các kết cấu có ứng xử động có thể xấp xỉ bằng hệ một bậc tự do. Tiêu chuẩn cho phép sử dụng ba mô hình đơn giản hóa: Mô hình dầm cứng, mô hình dầm mềm (sử dụng số Rayleigh) và mô hình trụ riêng lẻ.
• Phân tích lịch sử thời gian phi tuyến động: Sử dụng tối thiểu 7 cặp chuyển động mặt đất độc lập để lấy giá trị trung bình của các phản ứng làm giá trị thiết kế. Phương pháp này nhằm xác định mô hình hình thành khớp dẻo thực tế, kiểm tra nhu cầu xoay khớp dẻo và ngăn ngừa các dạng hư hỏng giòn không dẻo.
• Phân tích tĩnh phi tuyến (Pushover - Đẩy dần): Đánh giá trình tự hình thành khớp dẻo, sự phân bổ lại nội lực và vẽ đường cong khả năng chịu lực của kết cấu cho đến khi đạt chuyển vị mục tiêu tại điểm tham chiếu.

KIỂM TRA ĐỘ BỀN VÀ THIẾT KẾ THEO KHẢ NĂNG (ĐIỀU 8)

Thiết kế kháng chấn theo tiêu chuẩn này dựa trên nguyên lý thiết kế theo khả năng (Capacity Design) nhằm đảm bảo kết cấu tiêu tán năng lượng một cách dẻo dai, tránh các phá hoại giòn đột ngột:

• Yêu cầu về vật liệu:
  • Đối với cầu thiết kế dẻo (hệ số ứng xử q > 1,5), các cấu kiện bê tông cốt thép tại vùng khớp dẻo phải sử dụng cốt thép loại C có độ dẻo cao.
  • Đối với kết cấu thép, giới hạn chảy thực tế lớn nhất của thép trong vùng tiêu tán năng lượng không được vượt quá 1,1 lần tích số của hệ số vượt cường độ vật liệu (khuyến nghị 1,25) và giới hạn chảy danh nghĩa.
• Nguyên lý thiết kế theo khả năng: Các hiệu ứng thiết kế theo khả năng (lực cắt, lực dọc, mô men) tại các vùng ngoài khớp dẻo phải được tính toán dựa trên mô men vượt cường độ của khớp dẻo: Mo = yo * MRd (với yo = 1,35 cho bê tông và 1,25 cho thép). Điều này đảm bảo dầm, móng và các liên kết không bị phá hoại trước khi các khớp dẻo ở trụ phát triển hoàn toàn.
• Tổ hợp tải trọng động đất: Tải trọng động đất thiết kế được tổ hợp với các tải trọng thường xuyên, ứng suất trước và tải trọng giao thông có xét đến hệ số tổ hợp thích hợp. Tác động của gió được bỏ qua trong tổ hợp thiết kế động đất cực hạn.
• Sức kháng cắt của khớp dẻo: Kiểm tra nghiêm ngặt khả năng phá hoại kéo theo đường chéo của bụng tường và phá hoại trượt do cắt tại các mối nối thi công trong vùng khớp dẻo. Tiêu chuẩn đưa ra công thức chi tiết tính toán cốt thép xiên và cốt thép ngang chịu cắt chống trượt.
• Kiểm tra mối nối kề khớp dẻo (Nút khung): Xác định lực cắt dọc và ngang thiết kế của mối nối giữa trụ và dầm/móng. Kiểm tra ứng suất nén xiên của bê tông trong mối nối không được vượt quá cường độ nén giới hạn và bố trí cốt thép đai kín bao quanh để kiềm chế.
• Trụ thép và cấu kiện liên hợp: Quy định chi tiết tiêu chí thiết kế cho trụ kiểu khung chịu mô men, khung có hệ giằng đúng tâm (chữ X, chữ V), hệ giằng lệch tâm (sử dụng các đoạn nối kháng chấn ngắn, dài, trung bình) và kết cấu kiểu con lắc ngược.

YÊU CẦU CẤU TẠO KHÁNG CHẤN (ĐIỀU 9)

Cấu tạo chi tiết là yếu tố quyết định để đảm bảo độ cong và độ dẻo xoay tối thiểu tại các vị trí khớp dẻo dự kiến:

• Sự kiềm chế bê tông vùng nén: Bố trí cốt thép đai kiềm chế tối thiểu trong vùng khớp dẻo tiềm năng dựa trên tỷ lệ cốt thép cơ học. Khoảng cách đai dọc sL không được vượt quá 6 lần đường kính thanh dọc và 1/5 kích thước nhỏ nhất của lõi bê tông bị kiềm chế.
• Chống oằn cốt thép dọc chịu nén: Để tránh oằn cốt thép dọc sau khi lớp bê tông bảo vệ bị bong tróc, các thanh dọc phải được giữ bằng các chân đai hoặc đai móc với khoảng cách dọc khống chế nghiêm ngặt.
• Móng cọc: Xác định các vị trí khớp dẻo tiềm năng dọc theo cọc (tại đầu cọc sát bệ, tại vị trí mô men uốn cực đại trong đất và tại ranh giới giữa các lớp đất có độ cứng thay đổi đột ngột) để bố trí cốt thép kiềm chế trên một chiều dài thích hợp.
• Gối và liên kết động đất:
  • Gối cố định phải được thiết kế theo khả năng chịu lực cực hạn truyền từ trụ. Gối di động phải đảm bảo không bị hư hỏng dưới chuyển vị thiết kế cực hạn.
  • Bắt buộc bố trí chiều dài chồng tối thiểu (lov) tại các hệ đỡ di động để ngăn ngừa hiện tượng rơi dầm do sự biến đổi không gian của chuyển động đất.
  • Khuyến khích sử dụng thiết bị truyền xung động (STU) để phân phối lực động đất giữa các trụ và mố.
• Mố và tường chắn: Thiết kế mố liên kết mềm hoặc liên kết cứng với dầm phải xét đến áp lực đất động đất bổ sung và lực quán tính của khối mố. Chuyển vị của mố liên kết cứng phải được giới hạn để tránh hư hỏng nền đắp phía sau.
• Đánh giá hiện tượng hóa lỏng nền đất: Quy định phương pháp đánh giá khả năng hóa lỏng của đất cát bão hòa nước dựa trên chỉ số SPT hoặc CPT, đồng thời đưa ra các biện pháp xử lý nền hoặc thiết kế móng cọc đi qua lớp hóa lỏng.

CẦU CÓ HỆ THỐNG CÁCH LY ĐỘNG ĐẤT (ĐIỀU 10)

Thiết kế cầu sử dụng thiết bị cách ly (gối cao su giảm chấn cao, gối cao su lõi chì, gối con lắc ma sát) nhằm giảm thiểu lực động đất truyền vào kết cấu phần dưới:

• Nguyên lý cách ly: Kéo dài chu kỳ cơ bản của kết cấu và tăng cường độ giảm chấn có hiệu của hệ thống. Kết cấu phần trên và phần dưới phải được thiết kế để cơ bản vẫn giữ được ứng xử đàn hồi (hệ số q ≤ 1,5).
• Đặc tính thiết kế giới hạn trên và giới hạn dưới (UBDP và LBDP): Thiết kế phải thực hiện song song hai phân tích: sử dụng thuộc tính giới hạn trên (UBDP) để tính toán lực lớn nhất tác dụng lên trụ/mố, và sử dụng thuộc tính giới hạn dưới (LBDP) để xác định chuyển vị lớn nhất của hệ cách ly.
• Hệ số khuếch đại chuyển vị: Chuyển vị thiết kế của từng bộ cách ly phải được nhân với hệ số khuếch đại an toàn (khuyến nghị bằng 1,5) để kiểm tra khả năng biến dạng cực hạn của thiết bị.
• Khả năng phục hồi ngang: Hệ cách ly phải có đủ lực phục hồi để hạn chế chuyển vị dư tích lũy sau các trận động đất liên tiếp.
• Kiểm tra và bảo trì: Tất cả các thiết bị cách ly phải được bố trí không gian tiếp cận dễ dàng để phục vụ công tác kiểm tra định kỳ, bảo trì và thay thế khi cần thiết.

CÁC PHỤ LỤC KỸ THUẬT KÈM THEO

Tiêu chuẩn bao gồm 21 phụ lục từ A đến U cung cấp các công cụ, công thức và biểu đồ tính toán chi tiết:

• Phụ lục A: Quy định mức độ và hệ số tầm quan trọng của công trình cầu đường sắt (hệ số khuyến nghị bằng 1,0 cho cấp thông thường).
• Phụ lục B & C: Hướng dẫn xây dựng phổ phản ứng chuyển vị đàn hồi và xác định chuyển vị mục tiêu cho phân tích đẩy dần (Pushover).
• Phụ lục D: Quy định thiết kế bản liên hợp thép - bê tông tại nút khung liên hợp chịu mô men âm và dương.
• Phụ lục G: Phương pháp đánh giá độ cứng có hiệu của cấu kiện bê tông cốt thép bị nứt trong phân tích tuyến tính.
• Phụ lục H: Mô hình toán học và phương pháp phân tích sự thay đổi không gian của chuyển động nền đất đối với cầu nhiều nhịp.
• Phụ lục I: Xác định đặc tính vật liệu thực tế (bê tông bị kiềm chế, cốt thép) và khả năng xoay dẻo của khớp dẻo phục vụ phân tích phi tuyến.
• Phụ lục J: Tính toán khối lượng nước bổ sung bám theo các trụ cầu bị ngập nước khi dao động động đất.
• Phụ lục M & N: Phương pháp xác định hệ số thay đổi đặc tính của thiết bị cách chấn do lão hóa, nhiệt độ, nhiễm bẩn và hao mòn.
• Phụ lục O: Quy trình thử nghiệm nguyên mẫu (thử kiểu) đối với các thiết bị cách ly động đất trước khi đưa vào sử dụng.
• Phụ lục Q & U: Biểu đồ thực nghiệm đánh giá khả năng hóa lỏng của đất và công thức xác định sức chịu tải động đất của móng nông.