1
chơng 4 Các căn cứ cơ bản để thiết kế cầu
4.1 Khái niệm, các giai đoạn của dự án đầu t xây dựng
4.1.1 Khái niệm, phân loại dự án đầu t xây dựng
Dự án đầu t là một tập hợp các đề xuất về kỹ thuật, tài chính, kinh tế và xã hội, làm cơ sở
cho việc quyết định bỏ vốn xây dựn g công trình. ở nớc ta, tùy theo tổng mức đầu t mà
phân thành 3 nhóm dự án đầu t :
Phân loại
Tổng mức đầu t
Nhóm A

600 tỷ
Nhóm B
7 tỷ

V

600 tỷ
Nhóm C

7tỷ
4.1.2 Các giai đoạn của một dự án đầu t xây dựng
Gồm 3 giai đoạn : Chuẩn bị đầu t, Thực hiện đầu t, Kết thúc đầu t
4.1.2.1 Giai đoạn chuẩn bị đầu t
Nội dung của công tác chuẩn bị đầu t lại bao gồm 2 việc chính : lập dự án đầu t và
thẩm định dự án để quyết đ ịnh đầu t.
4.1.2.1.1 Lập dự án đầu t
Trình tự lập dự án đầu t gồm
Xác định sự cần thiết của dự án đầu t
Nghiên cứu tiền khả thi (chỉ với dự án nhóm A và các dự án thuộc vốn ODA) và
nghiên cứu khả thi.

Đánh giá tác động của môi trờng
5
Phân tích tài chính, xác định sơ bộ tổng
mức đầu t, các khả năng và điều kiện
huy động các ngu ồn vốn, khả năng hoàn
vốn và trả nợ, thu lãi
Phân tích tài chính kinh tế
6
Sơ bộ tính toán hiệu quả đầu t về mặt
kinh tế, xã hội của dự án.
7
Các mốc thời gian chính thực hiện đầu t
4.1.2.1.2 Thẩm định dự án đầu t
Các báo cáo nghiên cứu khả thi và tiền khả thi đều phải đợc thẩm định, sau đó sẽ đợc
các cấp có thẩm quyền quyết định và cấp giấy phép đầu t
4.1.2.2 Giai đoạn thực hiện đầu t
Giai đoạn thực hiện đầu t bao gồm các công việc :
Giao nhận đất, chuẩn bị mặt bằng xây dựng
Tuyển chọn t vấn xây dựng để khả o sát, thiết kế, giám định kĩ thuật và chất lợng
công trình.
Thiết kế công trình
3
o Đối với các công trình có yêu cầu kĩ thuật cao, có nền móng địa chất thủy
văn phức tạp thì phải thực hiện thiết kế theo hai bớc : thiết kế kĩ thuật và
thiết kế bản vẽ thi c ông.
o Đối với công trình kỹ thuật đơn giản hoặc đã có thiết kế mẫu, xử lý nền
móng không phức tạp thì thực hiện một bớc : thiết kế kỹ thuật thi công
Thẩm định, duyệt thiế t kế kỹ thuật và tổng dự toán
Tổ chức đấu thầu về mua sắm thiết bị và thi công xây lắ p
Xin giấy phép xây dựng

tuyến khác nhau do việc lựa chọn vị trí cầu khác nhau gây nên
4.2.2.2 Mặt cắt dọc tim cầu
Dựa vào mặt cắt dọc tim cầu cho phép xác định vị trí của mố trụ, tránh đặt trụ vào chỗ sâu
nhất, phân bố các nhịp thông thuyền, xác định độ dốc dọc cầu ( một chiều hay hai chiều)
4.2.2.3 Mặt cắt địa chất dọc tim cầu
Căn cứ vào tình hình địa chất dọc đờng tim cầu, sơ bộ xác định các loại móng cầu, đồng
thời xác định các phơn g án kết cấu nhịp ( siêu tĩnh, nhiều nhịp hay giản đơn, bê tông hay
thép )
4.2.2.4 Số liệu thủy văn
Bao gồm 3 mực nớc MNCN, MNTT , MNTN
MNTN : Xác định nhịp thông thuyền
4.2.2.5 Khẩu độ thoát nớc và chiều dài cầu
Từ khẩu độ thoát nớc sẽ định ra chiều dài toàn bộ cầu.
4.2.2.6 Khổ giới hạn
Khổ giới hạn là khoảng không gian đợc dành cho giao thông trên cầu hoặc dới cầu mà
không một kết cấu hay bộ phận kết cấu nào đợc vi phạm để đảm bảo an toàn giao
thông.
5
a) Khổ giới hạn trên cầu
Khổ giới hạn thông xe trên cầu : là khoảng không gian dành cho giao thông trên cầu mà
không cho phép các kiến trúc thuộc hệ thống thiết bị trên cầu đợc phép xâm phạm.
Khổ giới hạn thông xe trên cầu bao gồm (1-G) phần xe chạy ( số làn x bề rộng làn 4m,
6m, 7m, 10.5m ), (2 -T) phần dành cho ngời đi bộ hoặc xe thô sơ ( 0.75m, 1.0 m, 1.5
m ), (3) phần lan can, gờ chắn, dải phân cách
b) Khổ giới hạn dới cầu
Bao gồm (1) khổ thông thuyền với cầu cầu vợt sông và (2) khổ thông xe dới cầu với cầu
vợt đờng.
G
3000 1500
730

kết cấu đảm bảo thoả mãn điều kiện về chịu lực, sử dụng
Quá trình tính toán thiết kế thờng qua 3 giai đoạn
i. Xác định các hiệu ứng tải bất lợi nhất tác động trên mỗi mặt cắt hay mỗi bộ phận
của kết cấu.
ii. Tính toán khả năng chịu tải tối đa của kết cấu
iii. Kiểm toán theo nguyên lí : Tác động < khả năng
7
4.3.2 S¬ ®å khèi
8
4.4 Các triết lí tính toán thiết kế, các phơng pháp tính toán
thiết kế, các tiêu chu ẩn tính toán thiế t kế.
4.4.1 Các triết lí tính toán thiết kế - Phơng pháp tính toán th iết kế
Triết lí tính toán thiết kế là các quan niệm về ứng xử của kết cấu và sự làm việc an toàn
của nó, đồng thời xác lập điều kiện, phơng thức để đảm bảo điều kiện an toàn .
Khi có tải trọng tác động vào kết cấu, nó sẽ gây ra một hiệu ứng trong kết cấu. Hiệu ứng
đó không đợc lớn hơn khả năng của kết cấu.
Triết lí trên đợc viết dới dạng công thức nh sau:
i i
Q R
(3-1)
Trong đó:
: là hệ số phân bố của tải trọng lên phần kết cấu đang xét
i

: hệ số tải trọng của hiệu ứng tải thứ i
Q
i
: giá trị hiệu ứng tải thứ i

: hệ số sức kháng

: là giới hạn chảy của vật liệu
K : là hệ số an toàn
Phơng pháp ứng suất cho phép có các u điểm là đơn giản, rõ ràng, cho phép t ính toán
nhanh chóng, do đó rất thuận tiện trong việc áp dụng. Tuy nhiên, phơng pháp này cũng
có các nhợc điểm nh không áp dụng đợc cho vật liệu làm việc ngoài giới hạn đàn hồi
(ví dụ bê tông), ngoài ra, việc xác định hệ số an toàn là không rõ ràng, ch ủ yếu phụ thuộc
vào kinh nghiệm.
4.4.2.2 Thiết kế theo phơng pháp tải trọng phá hoại (LFD)
Phơng pháp tải trọng phá hoại đánh giá sự an toàn của kết cấu thông qua một mặt cắt đại
diện. Công thức cơ bản của phơng pháp :
S
max
[S]
(3-4)
Trong đó:
S
max
: nội lực tại mặt cắt bất lợi ( nội lực lớn nhất, mặt cắt bị suy
giảm)
[S] : giá trị lớn nhất của nội lực mà mặt cắt có thể tiếp nhận ( có xét đến
hệ số an toàn). [S] đợc tính theo công thức:

S
K

gioihan
S
(3-5)
Với
S

- Trạng thái giới hạn sử dụng
Tiêu chuẩn EuroCode quy định 2 trạng thái giới hạn
- Trạng thái giới hạn 1
- Trạng thái giới hạn 2
4.4.2.3.2 Công thức cơ bản của phơng pháp trạng thái giới hạn
Điều kiện cơ bản của của phơng pháp trạng thái giới hạn đợc thể hiện dới dạng công
thức nh sau:
S
max
[R]
(3-6)
Trong đó :
dấu "<" xảy ra khi kết cấu thuộc miền
dấu "=" xảy ra khi kết cấu rơi vào các trạng thái giới hạn
dấu ">" xảy ra khi kết cấu thuộc miền
S
max
là hàm của S
c
(nội lực tại mặt cắt nguy hiểm) và các hệ số tải trọng
[R] là hàm của R
c
( sức kháng tại mặt cắt nguy hiểm) và các hệ số sức kháng
Công thức (3-6) đợc cụ thể trong các quy trình đã áp dụng ở nớc ta nh sau:
Theo quy trình 22TCN18 -79:

1
tc tc
i i i
n S mkR

Li
: hệ số tải trọng
Q
i
: hiệu ứng của tải trọng trên mặt cắt đang xét
: hệ số sức kháng
R
n
: sức kháng danh định
4.4.2.3.3 Nhận xét, đánh giá về phơng pháp trạng thái giới hạn
Phơng pháp trạng thái giới hạn cho phép hình dung một các đầy đủ về sự làm việc của
toàn bộ kết cấu. Phơng pháp này cũng đánh giá đợc các yếu tố ảnh hởng đến sự làm
việc an toàn của kết cấu về cả hai phía là sức kháng và tải trọng chứ không xét gộp trong
một hệ số k nh trớc nữa. Nh vậy, phơng pháp này khoa học, thuyết phục hơn các
phơng pháp trớc đó và đang ngày càng đợc sử dụng rộng rãi trong các tiểu chuẩn tính
toán thiết kế công trình trên thế giới.
4.4.2.4 Thiết kế dựa trên lí thuyết độ tin cậy
4.4.2.4.1 Nguyên lí của phơng pháp
Phơng pháp thiết kế dựa trên lí thuyết độ tin cậy quan niệm tất cả các yếu tố tham gia
vào quá trình so sánh tơng quan để khẳng định sự tin cậy của kết cấ u là các đại lợng
ngẫu nhiêu. Cụ thể, các yếu tố thuộc về tác động (kí hiệu là
S

) nh :
13
- trọng lợng xe
- gió
- động đất
hay các yếu tố thuộc về khả năng chịu tác động (kí hiệu là
R

LRFD

hay theo tiêu
chuẩn EuroCode, R
tc
= 0.999 0.9999.
Công thức (3-9) cũng có thể viết dới dạng sau:
tt tc
fail fail
P P
(3-11)
Trong đó :
tt
fail
P
: là xác suất phá hoại của kết cấu, đợc tính bằng công thức:
14

1
fail
P R prob S R


(3-12)
tc
fail
P
: là giá trị xác suất phá huỷ tiêu chuẩn, đợc quy định trong tiêu
chuẩn.
Công thức chung để tính toán độ tin cậy :

Trong đó:
S
t
: là giá trị tính toán của tác động
R
t
: là giá trị tính toán của sức kháng
S
t
, R
t
đợc tính toán nh sau
t
n
S S
(3-15)
15
t
n
R R
(3-16)
Với
S
n
xác định từ công thức

n
prob S S a

R

t
thì xác suất
xảy ra biến cố
S R


sẽ là a' x b' = 0.01 x 0.01 = 0.0001. Khi đó, xác suất để
kết cấu bị phá huỷ (P
fail
) là a' x b' = 0.0001, tơng đơng với độ tin cậy khi
thiết kế kết cấu là R = 1 - P
fail
= 1 - 0.0001 = 0.9999. Nếu nh thiết kế để cho
S
t
< R
t
thì độ tin cậy còn lớn hơn 0.9999
Các giá trị S
n
, R
n
, S
t
, R
t
đợc biểu diễn nh hình vẽ dới đây.
,S R



trong ASSTHO LRFD, độ tin cậy đợc lấy bằng 0.9987) chứ không còn đơn thuần đợc lấy
dựa vào kinh nghiệm nh phơng pháp trớc.
Phơng pháp thiết kế d ựa trên độ tin cậy riêng đang phát triển rất rộng trên thế giới, đây là
phơng pháp cơ bản dùng trong các quy trình nh ASSHTO LRFD 1998 (2002), BS 5400.
ở nớc ta, quy trình 22TCN272 - 05 cũng ứng dụng phơng pháp này.
17
4.5 Các nội dung cơ bản của việc thiết kế theo tiêu chuẩn
TCN272-05
4.5.1 Tải trọng, tổ hợp tải trọng và hệ số tải trọng
Công thức chung xác định hiệu ứng tải trọng tính toán


ii
QQ
(3-19)
Trong đó :
Q
i
: các thành phần ứng lực gây ra do tải trọng thứ i. Việc có hay không
có thành phần ứng lực này phụ thuộc vào trạng thái giới hạn đang xét.

i

: Các hệ số tải trọng. Hệ số tải trọng bằng bao nhiêu đợc tra trong
Tiêu chuẩn thiết kế theo 2 yếu tố : loại tải trọng, trạng thái giới hạn.


: Hệ số tập hợp và điều chỉnh tải trọng lấy theo điều 1.3.2. Hệ số này
xét đến tính dẻo, tính d và tầm quan trong khai thác của kết cấu.
95.0

Tiêu chuẩn 22TC N272-05 quy định 2 loại tải trọng chính là tải trọng thờng xuyên và tải
trọng tức thời. Tải trọng thờng xuyên ví dụ nh (DD, DC, DW, EH ), tải trọng tức thời
ví dụ nh LL, BR, CE, CR, CT, Các tải trọng này đợc tổ hợp với nhau theo các trạng
thái giới hạn.
4.5.1.1.1 Tải trọng thờng xuyên
Tải trọng thơng xuyên là tải trọng nằm bất động trên cầu trong một thời gian dài, có lẽ
trong suốt thời gian phục vụ. Các loại tải trọng thờng xuyên :
- DD : Lực ma sát âm
- DC : Tĩnh tải của các bộ phận kết cấu và liên kết.
- DW : Tải trọng tĩnh của lớp mặt cầu và các thiết bị trên cầu
- EH : áp lực ngang của đất
- ES : Tải trọng của đất chất thêm
- EV : áp lực thẳng đứng do tĩnh tải của đất đắp
4.5.1.1.2 Tải trọng tức thời
19
Là tải trọng khai thác tác dụng không xác định đợc trớc về không gian, thời gian, độ
lớn hoặc tính chất
Các loại tải trọng tức thời đợc quy định trong 22TCN272 -05 :
- BR : Lực hãm xe
- CE : Lực li tâm
- CR : Từ biến
- CT : Lực va xô của xe cộ
- CV : Lực va xô của tàu bè
- EQ : Lực động đất
- FR : Lực ma sát
- IM : Lực xung kích của xe cộ
- LL : Hoạt tải
- LS : áp lực đất do hoạt tải sau mố
- PL : Tải trọng ngời đi
- SE : Lún

- Xe 3 trục thiết kế ( Truck) + Tải trọng làn
- Xe 2 trục thiết kế (Tandem) + Tải trọng làn
Chú ý : Mỗi làn xe thiết kế đợc xem xét phải đợc bố trí hoặc xe tải thiết kế hoặc xe hai
trục chồng với tải trọng làn.
Xe 3 trục thiết kế
Hình : Các đặc trng kích thớc và tải trọng của xe 3 trục thiết kế
21
Xe 2 trục thiết kế :
Theo phơng dọc cầu, xe 2 trục gồm một cặp trục nặng 110 kN đặt cách nhau 1200 mm.
Cự ly của các bánh xe theo phơng ngang bằng 1800 mm.
Chú ý, với đờng cấp IV và thấp hơn, chủ đầu t có thể xác định tải trọng trục của xe tải
thiết kế bằng cách nhân giá trị thông thờng với hệ số từ 0.5 đến 0.65 . Tùy từng trạng thái
giới hạn mà phải nhân ứng lực do tải trọng xe tiêu chuẩn với giá trị hệ số xung kích t ơng
ứng. ( Quy định tại điều 3.6.2)
Tải trọng làn xe :
Theo phơng dọc cầu, tải trọng làn bao gồm tải trọng rải đều 9.3 N/mm. Theo phơng
ngang cầu, tải trọng này đợc phân bố theo chiều rộng 3000 mm. Tải trọng làn không tính
đến hệ số xung kích.
4.5.1.1.2.2 Tải trọng mỏi
a. Độ lớn và dạng của tải trọng mỏi
Hình dạng, độ lớn của tải trọng tính mỏi
Trong tính toán đối với tải trọng mỏi không xét đến hệ số xung kích.
b. Tần số
Tần số của tải trọng mỏi phải đợc lấy theo lu lợng xe tải trung bình một ngà y của
làn xe đơn (ADTT
SL
). ADTT
SL
có thể đợc xác định thông qua phân tích xác suất trên
hệ thống dữ liệu thông kế đợc trong nhiều năm, hoặc tính theo công thức gần đúng.


(3-21)
Với :
v : tốc độ thiết kế đờng ô tô (m/s) (lấy theo Tiêu chuẩn thiết kế đờng bộ)
g : gia tốc trọng trờng, lấy bằng 9,807 m/s
2
R : bán kính cong của làn xe.
Lực ly tâm CE tác dụng theo phơng ngang - ngang cầu, cách phía trên mặt đờng
1800 mm.
Hiệu ứng tải do CE gây ra pải xét đến hệ số làn xe.
b. Lực hãm xe BR (theo điều 3.6.4)
i
PBR %25
(3-22)
Lực hãm lấy bằng 25% trọng lợng các trục xe tải hoặc xe hai trục thiết kế đặt tại tất
cả các làn thiết kế và coi nh các xe đi cùng chiều. Các lực này hớng theo phơng
23
ngang dọc cầu, điểm đặt cách phía trên mặt đờng 18 00mm. Khí tính hiệu ứng tải
do lực hãm xe phải xét đến hệ số làn.
c. Lực va xô tầu thuyền CV
d. Tải trọng gió WL và WS.
Xác định tải trọng gió tác dụng lên công trình WL
Bắt đầu
Vb: Tóc độ gió giật trong 3 giây với chu kỳ 100 năm,
xác định từ Bảng 3.8.1.1-1
S : hệ số điều chỉnh theo cao độ và khu vực, tra bảng
3.8.1.1-2
Xác định vận tốc
gió thiết kế
SVV

4.5.1.2.1 Hệ số tải trọng dùng cho tải trọng thờng xuyên
4.5.1.2.2 Hệ số tải trọng dùng cho tải trọng tức thời
25