Tải bản đầy đủ

kiến thức mố cầu phân tích

Wang, L., Gong, C. "Trụ cầu và kết cấu giữ."
Sổ tay Kỹ thuật Cầu.
Ed. Wai-Fah Chen và Lian Duan Boca
Raton: CRC Press, 2000


29
Mố và
Giữ lại cấu trúc
29.1 Giới thiệu
29,2 mố
Các loại mố • Cân nhắc thiết kế chung • Cân nhắc thiết kế
địa chấn • Cân nhắc thiết kế khác • Ví dụ thiết kế

Linan Wang
Giao thông vận tải California

29.3 Cấu trúc lưu giữ

Phòng ban


Chao Gong

Các loại kết cấu giữ lại • Tiêu chí thiết kế • Ví dụ thiết kế
tường chắn bằng công xôn • Tường chắn • Kết cấu giữ đất
gia cố • Xem xét địa chấn cho kết cấu giữ

ICF Kaiser Engineers, Inc.

29.1 Giới thiệu
Là một bộ phận cấu thành của cầu, mố tạo ra giá đỡ thẳng đứng cho kết cấu thượng tầng cầu ở đầu cầu, kết nối
cầu với đường dẫn và giữ lại vật liệu nền đường từ các nhịp cầu. Mặc dù có rất nhiều loại mố và mố cho các cầu
quan trọng có thể cực kỳ phức tạp, nhưng nguyên tắc phân tích và phương pháp thiết kế rất giống nhau. Trong
chương này, các chủ đề liên quan đến thiết kế mố cầu đường cao tốc thông thường được thảo luận và một ví dụ
thiết kế được minh họa.
Không giống như mố cầu, các cấu trúc giữ đất chủ yếu được thiết kế để duy trì áp lực đất bên. Những cấu trúc đó
đã được sử dụng rộng rãi trong xây dựng đường cao tốc. Trong chương này, một số loại cấu trúc giữ lại được trình
bày và một ví dụ thiết kế cũng được đưa ra.

29,2 mố
29.2.1 Các loại mố
Trụ mở và mố cuối đóng
Từ quan điểm của mối quan hệ giữa mố cầu và đường bộ hoặc nước do cầu vượt qua, mố cầu có thể được chia
thành hai loại: mố mở và mố kín, như được trình bày trong Hình 29.1 .
Đối với mố lộ thiên là các đường dốc giữa mặt mố cầu và mép đường bộ, kênh sông mà cầu đi qua. Những
con dốc đó cung cấp một khu vực rộng mở cho các đường trượt hoặc nước dưới cầu. Nó ít tác động hơn đến môi
trường

© 2000 bởi CRC Press LLC


HÌNH 29.1 Các loại mố tiêu biểu.

và mái nhà nằm dưới cầu hơn là một mố trụ kín. Ngoài ra, việc mở rộng lòng đường hoặc kênh dẫn nước dưới cầu trong
tương lai bằng cách điều chỉnh tỷ lệ độ dốc sẽ dễ dàng hơn. Tuy nhiên, sự tồn tại của các mái dốc thường đòi hỏi những
nhịp cầu dài hơn và một số công việc đào đắp thêm. Điều này có thể làm tăng chi phí xây dựng cầu.

Mố kín thường được xây dựng sát mép đường giao thông hoặc kênh mương dẫn nước. Do yêu cầu về tĩnh
không theo phương thẳng đứng và hạn chế về quyền thi công, giữa mặt mố cầu và mép đường hoặc kênh dẫn
nước không được phép xây dựng các mái dốc và phải xây tường mố cao. Vì không có chỗ trống hoặc chỉ có một
khoảng trống nhỏ giữa mố và mép đường mòn hoặc nước, rất khó để thực hiện trong tương lai việc mở rộng


đường và nước dưới cầu. Ngoài ra, tường mố cao và khối lượng lớn hơn thường dẫn đến chi phí xây dựng mố
cao hơn và độ lún của đường tiếp cận nhiều hơn so với mố lộ thiên.

Nhìn chung, các mố mở có tính kinh tế, thích ứng và hấp dẫn hơn các mố đóng. Tuy nhiên, cầu có mố kín đã
được xây dựng rộng rãi ở các khu vực đô thị và hệ thống giao thông đường sắt do hạn chế quyền ưu tiên và quy
mô tải trọng lớn đối với tàu hỏa, thường dẫn đến nhịp cầu ngắn hơn.

© 2000 bởi CRC Press LLC


Trụ cầu nguyên khối và kiểu ghế ngồi

Dựa trên các kết nối giữa thân mố và kết cấu thượng tầng của cầu, các mố cũng có thể được phân nhóm thành
hai loại: mố có màng ngăn nguyên khối hoặc kết thúc và mố dạng an toàn, như trong Hình 29.1 .
Trụ cầu được kết cấu nguyên khối với kết cấu thượng tầng cầu. Không cho phép có chuyển vị tương đối giữa
kết cấu thượng tầng cầu và mố. Tất cả các lực của kết cấu thượng tầng ở đầu cầu được truyền lên thân mố và
sau đó truyền lên mố trụ lại đất và móng. Ưu điểm của loại mố này là chi phí xây dựng ban đầu thấp hơn và sự
gắn kết ngay lập tức của lớp đất trở lại giúp hấp thụ năng lượng khi cầu chuyển động quá độ. Tuy nhiên, áp lực
đất thụ động do lớp đất phía sau gây ra có thể dẫn đến thân mố không phù hợp với thiết kế và chi phí bảo trì có
thể cao hơn. Trong thực tế loại mố này chủ yếu được thi công cho các cầu ngắn.

Mố trụ kiểu ghế ngồi được xây dựng tách biệt với kết cấu thượng tầng cầu. Kết cấu thượng tầng của cầu nằm
trên thân mố thông qua các tấm đệm chịu lực, gối đá hoặc các thiết bị khác. Loại mố này cho phép người thiết
kế cầu kiểm soát các lực của kết cấu thượng tầng được truyền lên thân mố và đất nền. Bằng cách điều chỉnh
các thiết bị giữa cấu trúc thượng tầng cầu và mố, có thể kiểm soát được chuyển vị của cầu. Loại trụ này có thể
có thân ngắn hoặc thân cao, như hình Hình 29.1 . Đối với mố trụ thân ngắn, độ cứng của mố thường lớn hơn
nhiều so với các thiết bị liên kết giữa kết cấu thượng tầng và trụ cầu. Do đó, các thiết bị đó có thể được coi là
điều kiện biên trong phân tích cầu. Tương tự, trụ cầu cao có thể bị dịch chuyển đáng kể dưới lực tương đối ít
hơn. Độ cứng của trụ cầu thân cao và phản ứng của đất xung quanh có thể phải được xem xét trong phân tích
cầu. Tính khả dụng của dịch chuyển các thiết bị kết nối, khả năng co ngót của kết cấu thượng tầng và sự rút
ngắn bê tông khiến loại mố này được lựa chọn rộng rãi cho các công trình cầu dài, đặc biệt là cầu bê tông dự
ứng lực và cầu thép. Tuy nhiên, Thực tiễn thiết kế cầu cho thấy các thiết bị liên kết tương đối yếu giữa kết cấu
thượng tầng và mố thường yêu cầu các cột liền kề phải được thiết kế đặc biệt. Mặc dù mố trụ kiểu ghế ngồi có
chi phí xây dựng ban đầu tương đối cao hơn mố nguyên khối, nhưng chi phí bảo dưỡng của nó lại tương đối thấp
hơn.

Lựa chọn loại mố
Việc lựa chọn loại mố cần phải xem xét tất cả các thông tin sẵn có và các yêu cầu thiết kế cầu. Những yếu tố đó
có thể bao gồm hình dạng cầu, yêu cầu về đường và bờ sông, địa kỹ thuật và hạn chế quyền ưu tiên, yêu cầu
thẩm mỹ, cân nhắc kinh tế, v.v. Kiến thức về những ưu điểm và nhược điểm của các loại mố khác nhau sẽ giúp
ích rất nhiều cho nhà thiết kế cầu trong việc lựa chọn đúng loại mố cho kết cấu cầu từ giai đoạn đầu thiết kế
cầu.

29.2.2 Cân nhắc chung về thiết kế
Tải trọng thiết kế của mố thường bao gồm tải trọng thẳng đứng và tải trọng ngang từ thượng tầng cầu, áp lực đất
dọc và ngang, tải trọng trọng lực của mố, và tải trọng phụ tải lên vật liệu lưng mố. Một mố phải được thiết kế để
chịu được thiệt hại do áp suất Trái đất, tải trọng trọng lực của cấu trúc thượng tầng và mố cầu, tải trọng trực tiếp
lên cấu trúc thượng tầng hoặc cách tiếp cận, tải trọng gió và tải trọng chuyển tiếp được truyền qua các kết nối
giữa cấu trúc thượng tầng và trụ cầu. Bất kỳ sự kết hợp nào có thể có của các lực đó, tạo ra điều kiện tải trọng
khắc nghiệt nhất, cần được nghiên cứu trong thiết kế trụ cầu. Trong khi đó, đối với mố tích hợp hoặc loại mố
nguyên khối, ảnh hưởng của các biến dạng kết cấu thượng tầng cầu, bao gồm các chuyển động nhiệt của cầu,

© 2000 bởi CRC Press LLC


BẢNG 29.1 Tải trọng thiết kế mố (Thiết kế tải trọng dịch vụ)
Trường hợp

Tải trọng thiết kế mố

Tôi

II

III

IV

V

Tải trọng chết của kết cấu thượng tầng Tải

X

X

-

X

X

trọng chết của tường và móng

X

X

X

X

X

Tải trọng chết của đất trên chân tường bao gồm phụ phí Tải trọng chết

X

X

X

X

-

của đất trên chân tường

X

X

X

X

-

Áp suất trái đất lên phía sau tường bao gồm phụ phí Tải trọng trực tiếp lên

X

X

X

X

-

cấu trúc thượng tầng

Nhiệt độ và độ co ngót
Công suất cọc cho phép của áp lực đất cho phép tính bằng% hoặc cơ bản

X

-

-

X

-

-

-

-

X

-

100

100

150

125

150

HÌNH 29.2 Định lượng tải trọng thiết kế mố và tổ hợp tải trọng.

được xem xét trong thiết kế mố. Tải trọng thiết kế phi chủ nghĩa ở cấp độ dịch vụ và sự kết hợp của chúng được thể hiện trong Bảng
29.1 và Hình 29.2 . Có thể dễ dàng thu được tải trọng thiết kế mố trụ và tổ hợp tải trọng bằng cách nhân hệ số tải trọng với tải
trọng ở các cấp dịch vụ. Dưới tác dụng của địa chấn, trụ cầu có thể được thiết kế mà không làm mất đi sự hỗ trợ đối với kết cấu
thượng tầng của cầu trong khi trụ cầu có thể bị một số thiệt hại trong trận động đất lớn.
Thông số kỹ thuật thiết kế AASHTOBridge hiện tại khuyến nghị rằng thiết kế tải trọng dịch vụ hoặc phương pháp thiết kế hệ số
tải trọng được sử dụng để thực hiện thiết kế trụ cầu. Tuy nhiên, do sự không chắc chắn trong việc đánh giá phản ứng của đất đối với
tải trọng tĩnh, chu kỳ, động và địa chấn, phương pháp thiết kế tải trọng dịch vụ thường được sử dụng để kiểm tra độ ổn định của mố
và phương pháp hệ số tải trọng được sử dụng để thiết kế các bộ phận của mố.

Tải trọng và tổ hợp tải trọng được liệt kê trong Bảng 29.1 có thể gây trượt mố, lật và hỏng ổ trục. Các đặc tính
ổn định của mố phải được kiểm tra để thoả mãn một số

© 2000 bởi CRC Press LLC


những hạn chế. Đối với mố trụ có móng lan chịu tải trọng làm việc, hệ số an toàn chống trượt phải lớn hơn 1,5;
hệ số an toàn để chống lật phải lớn hơn
2,0; Hệ số an toàn chống phá hủy ổ trục của đất phải lớn hơn 3,0. Đối với trụ cầu có cọc đỡ, các cọc phải được
thiết kế để chống lại các lực gây trượt, lật và hư hỏng trụ. Thiết kế cọc có thể sử dụng phương pháp thiết kế tải
trọng dịch vụ hoặc phương pháp thiết kế hệ số tải trọng.
Sự phá hủy do cắt sâu của mố cũng cần được nghiên cứu trong thiết kế mố. Thông thường, khả năng hư hỏng này
được chỉ ra trong báo cáo địa kỹ thuật cho các nhà thiết kế cầu. Có thể sử dụng phương pháp điều hướng sâu hoặc di dời
trụ cầu để tránh loại hỏng hóc này.

29.2.3 Cân nhắc thiết kế địa chấn
Các cuộc điều tra về thiệt hại do động đất trong quá khứ đối với các cây cầu cho thấy thông thường có hai loại thiệt hại do
động đất trụ cầu - hư hỏng ổn định và hư hỏng thành phần.

Thiệt hại về ổn định của mố trong trận động đất chủ yếu là do nền bị hỏng do nền đất bị biến dạng quá mức
hoặc do mất khả năng chịu lực của đất nền. Những hư hỏng nền móng đó dẫn đến trụ cầu bị nghiêng, trượt, lún
và lật. Sự cố đất nền thường xảy ra do điều kiện đất xấu, chẳng hạn như đất yếu và sự tồn tại của mực nước
ngầm cao. Để tránh những hư hỏng này của đất trong trận động đất, có thể xem xét việc mượn lại đất, móng
cọc, độ nén của đất cao, vật liệu thấm và hệ thống thoát nước có thể được xem xét trong thiết kế.

Hư hỏng thành phần của mố thường do áp lực đất quá lớn, được huy động bởi sự dịch chuyển tương đối lớn giữa
mố và đất tựa lưng của nó. Những áp lực quá mức đó có thể gây ra hư hỏng nghiêm trọng cho các bộ phận của mố
như tường sau mố và tường cánh mố. Tuy nhiên, những hư hỏng của thành phần mố thường không làm cho kết cấu
thượng tầng của cầu mất đi lực đỡ ở mố và chúng có thể sửa chữa được. Điều này có thể cho phép nhà thiết kế cầu
tận dụng sự biến dạng của đất nền của mố dưới tác động của các lực địa chấn để tiêu tán năng lượng địa chấn nhằm
tránh cây cầu bị mất trụ đỡ tại các cột khi một trận động đất lớn. Ứng xử của đất nền của mố trụ bị biến dạng dưới tải
trọng địa chấn rất phù hợp khi tiêu tán năng lượng địa chấn, đặc biệt là đối với các cây cầu có tổng chiều dài dưới 300
ft (91. 5 m) không có bản lề, không bị lệch hoặc chỉ bị lệch một chút (tức là <15 °). Các thử nghiệm và phân tích cho
thấy rằng nếu các trụ cầu có khả năng di chuyển đất phía sau và được gắn chặt vào đất phía sau, thì tỷ lệ giảm chấn
trong khoảng 10 đến 15% là phù hợp. Điều này sẽ kéo dài thời gian của cầu và có thể làm giảm nhu cầu về độ dẻo
của các cột cầu. Đối với cầu ngắn, hệ số giảm chấn,

D, có thể được áp dụng cho các lực và chuyển vị thu được từ phân tích đàn hồi cầu thường có đường cong ARS giảm
chấn ở mức 5%. Yếu tố này D được đưa ra trong Eq. (29,1).

D = 1,5 +0,5

40 C + 1

(29,1)

Ở đâu C = tỉ lệ giảm xóc.
Dựa trên Eq. (29,1), đối với giảm chấn 10%, một hệ số D = 0,8 có thể được áp dụng cho lực đàn hồi và

sự dịch chuyển. Đối với giảm chấn 15%, một hệ số D = 0,7 có thể được áp dụng. Nói chung, hệ số giảm

D nên tác dụng các lực tương ứng với chế độ lắc cầu cho thấy mố được kích thích.
Các phản ứng của đất mố trụ đối với tải trọng địa chấn là rất khó dự đoán. Nghiên cứu và thử nghiệm cho thấy
lực đất tác dụng lên mố cầu dưới tải trọng địa chấn, chủ yếu phụ thuộc vào hướng và độ lớn chuyển động của
mố. Trong thực tế thiết kế, phương pháp Mononobe – Okabe thường được sử dụng để định lượng các tải trọng đó
cho trụ cầu không có vật cản ở phía trên. Gần đây, các thử nghiệm trụ cầu “gần như toàn bộ quy mô” được thực
hiện tại Đại học California tại Davis cho thấy mối quan hệ phi tuyến giữa chuyển vị của mố và

© 2000 bởi CRC Press LLC


Phản ứng trở lại của đất dưới tải trọng địa chấn nhất định khi mố di chuyển về phía đất sau của nó. Mối quan hệ này được
vẽ như thể hiện trong Hình 29.3 . Rất khó để mô phỏng mối quan hệ phi tuyến này giữa chuyển vị của mố và phản ứng của
đất trở lại trong khi thực hiện phân tích động lực học của cầu. Tuy nhiên, các thử nghiệm đã kết luận một giới hạn trên đối
với phản lực của đất trở lại trên trụ cầu. Trong thực tế thiết kế, áp lực đất cực đại tác động lên mố có thể được dự đoán
tương ứng với những chuyển vị nhất định của mố. Dựa trên các cuộc kiểm tra và điều tra về thiệt hại do trận động đất
trong quá khứ, Bộ Giao thông Vận tải California đề xuất các hướng dẫn phân tích cầu xem xét hành vi giảm chấn của trụ
cầu như sau.

HÌNH 29.3 Các đặc điểm đề xuất và đường bao thí nghiệm đối với tải trọng – biến dạng trở lại của mố.

Bằng cách sử dụng lực trụ đỉnh và diện tích hiệu dụng của nêm đất huy động, áp lực đỉnh của đất được so sánh
với khả năng tối đa là 7,7 ksf (0,3687 MPa). Nếu áp suất đỉnh của đất vượt quá khả năng chứa của đất thì phải lặp lại
phép phân tích với độ cứng của mố trụ giảm xuống. Điều quan trọng cần lưu ý là áp lực đất 7,7 ksf (0,3687 MPa) dựa
trên chiều cao tường tối thiểu đáng tin cậy là 8 ft (2,438 m). Nếu chiều cao tường nhỏ hơn 8 ft (2.438 m), hoặc nếu
tường dự kiến bị cắt ở độ sâu dưới lòng đường nhỏ hơn 8 ft (2.438 m), thì áp lực đất thụ động cho phép phải được
giảm bằng cách nhân với 7,7 ksf (0,3687 MPa) nhân với ( L / số 8) [2] , Ở đâu

L là chiều cao hiệu dụng của tường mố tính bằng feet. Hơn nữa, khả năng chịu cắt của tường vây mố (bộ phận
kết cấu huy động nêm đất) phải được so sánh với lực cắt cầu để đảm bảo động lực của đất. Sau đó, độ dịch
chuyển của lò xo trụ cầu được đánh giá dựa trên mức độ dịch chuyển có thể chấp nhận được là 0,2 ft (61 mm).
Đối với mố trụ một lớp, chuyển vị này bằng với chuyển vị của cấu trúc thượng tầng cầu. Đối với các mố kiểu yên
xe, chuyển vị này thường không bằng với chuyển vị của cấu trúc thượng tầng cầu, có thể bao gồm khe hở giữa
cấu trúc thượng tầng cầu và vách ngăn của mố. Tuy nhiên, không được vượt quá độ dịch chuyển thực khoảng
0,2 ft (61 mm) tại trụ cầu. Các cuộc điều tra hiện trường sau trận động đất San Fernando năm 1971 cho thấy trụ
cầu đã di chuyển lên 0.

© 2000 bởi CRC Press LLC


ít cần sửa chữa. Các trụ mà tường sau bị vỡ trước khi các trụ khác bị hư hại cũng có thể đạt yêu cầu nếu có thể
cung cấp một đường dẫn tải hợp lý cho các trụ liền kề và không có khả năng sụp đổ được chỉ ra.
Đối với tải trọng địa chấn theo phương ngang vẫn áp dụng các nguyên tắc chung tương tự. Giới hạn dịch chuyển 0,2
ft (61 mm) cũng được áp dụng theo hướng ngang, nếu độ cứng của trụ cầu được duy trì. Thông thường, các bức tường
cánh được buộc vào trụ cầu để làm cứng cầu theo phương ngang. Lực cản bên của tường cánh phụ thuộc vào khối
lượng đất có thể được huy động bởi tường cánh. Đối với tường cánh có đất dốc ra khỏi bề mặt bên ngoài, có thể dự
đoán ít lực cản bên. Để tăng khả năng chống cắt ngang của mố, có thể gắn các vách chống cắt bổ sung bên trong vào
mố hoặc có thể tăng độ dày của vách cánh, như thể hiện trong Hình 29.4 . Trong một số trường hợp, khả năng chịu tải
lớn hơn có thể đạt yêu cầu nếu có thể cung cấp đường dẫn tải hợp lý cho các rãnh liền kề và không có khả năng sụp đổ
được chỉ ra. [2 ]

HÌNH 29.4 Tăng cường chiều ngang của mố.

Dựa trên các hướng dẫn trên, việc phân tích mố có thể được thực hiện một cách thực tế hơn bằng phương pháp thử và
sai trên lò xo đất mố. Tiêu chí cho thiết kế kháng chấn của trụ cầu có thể được thiết lập như sau.

Mố nguyên khối hoặc Mố hoành ( Hình 29.5 )

© 2000 bởi CRC Press LLC


HÌNH 29,5 Các yếu tố kháng chấn cho mố nguyên khối.

Trụ cầu loại ghế ( Hình 29.6 )

© 2000 bởi CRC Press LLC


HÌNH 29,6 Các yếu tố kháng chấn đối với mố trụ kiểu chỗ ngồi.

Ở đâu

EQ L

= lực động đất dọc từ phân tích đàn hồi = lực động đất ngang từ

EQ T

phân tích đàn hồi = lực cản của đất tác động sau mố

R đất

R hoành = ϕ nhân với độ bền cắt danh nghĩa của màng ngăn
R đệ
= ϕ nhân với độ bền cắt danh nghĩa của tường cánh
R cọc
= ϕ nhân với sức chống cắt danh nghĩa của cọc = ϕ nhân với độ bền cắt danh nghĩa của các phím
R chìa khóa

theo hướng xem xét = hệ số sức bền đối với tải trọng địa chấn

ϕ
µ

= hệ số coef fi cient giữa đất và mặt bê tông ở đáy mố

Cần lưu ý rằng mục đích của việc áp dụng hệ số 0,75 vào thiết kế các khóa cắt là để giảm thiệt hại có thể xảy ra đối
với các cọc trụ cầu. Đối với tất cả các trường hợp ngang, nếu lực động đất ngang thiết kế vượt quá tổng sức chứa
của tường cánh và cọc, thì độ cứng ngang của
phân tích phải bằng 0 ( EQ T = 0). Do đó, một điều kiện giải phóng thường dẫn đến lực bên lớn hơn tại các vết lõm liền
kề nên được nghiên cứu.

Đáp ứng với tải trọng địa chấn, cầu thường chịu được dịch chuyển lớn. Để hỗ trợ tại các mố cho cầu có dịch
chuyển lớn, phải thiết kế đủ chiều rộng gối tựa tại mố. Chiều rộng hỗ trợ mố trụ tối thiểu, như thể hiện trong Hình
29.7 , có thể bằng chuyển vị của cầu do phân tích đàn hồi địa chấn hoặc được tính như thể hiện trong Công thức
(29-2), tùy theo giá trị nào lớn hơn:

N = ( 305 +2,5 L + 10 H) ( 1 +0,002 S 2)

© 2000 bởi CRC Press LLC

(29,2)


HÌNH 29,7 Chiều rộng trụ đỡ mố (địa chấn).

Ở đâu

N = chiều rộng hỗ trợ (mm)

L = chiều dài (m) của bản mặt cầu đến khe co giãn liền kề, hoặc đến cuối bản mặt cầu;
cho cầu một nhịp L bằng chiều dài của mặt cầu
S = góc xiên ở trụ theo độ
H = chiều cao trung bình (m) của các cột hoặc trụ đỡ bản mặt cầu từ mố đến trụ
khe co giãn liền kề, hoặc đến cuối bản mặt cầu; H = 0 đối với cầu nhịp đơn giản

29.2.4 Xem xét thiết kế khác
Abutment Wingwall
Tường chắn của mố trụ đóng vai trò như một kết cấu giữ để ngăn đất đổ lại của mố và đất nền đường trượt theo phương
ngang. Một số loại tường vây cho cầu đường cao tốc được hiển thị trong
Hình 29.8 . Thiết kế tường cánh tương tự như thiết kế tường chắn được trình bày trong Phần 29.3. Tuy nhiên, phụ phí tải
trực tiếp cần được xem xét trong thiết kế tường cánh. Bảng 29.2 liệt kê phụ phí tải sống động cho các trường hợp tải khác
nhau. Hình 29.9 hiển thị tải trọng thiết kế cho tường cánh hẫng thông thường. Đối với thiết kế địa chấn, cần tuân thủ các
tiêu chí theo hướng ngang được thảo luận trong Phần 29.2.3. Tường cánh của cầu có thể được thiết kế để chịu một số
thiệt hại trong một trận động đất lớn, miễn là cầu không bị sập.

Hệ thống thoát nước mố

Hệ thống thoát nước thường được cung cấp cho việc xây dựng mố. Hệ thống thoát nước được gắn trong đất nền
của mố cầu được thiết kế để giảm sự tích tụ của áp lực thủy tĩnh, để kiểm soát xói mòn nền đường và giảm khả
năng đất bị hóa lỏng trong trận động đất. Đối với mái dốc của mố được lát bê tông cũng cần phải có hệ thống
thoát nước dưới mặt đường. Hệ thống thoát nước có thể bao gồm các vật liệu thấm, ống PSP hoặc PVC, lỗ thoát
nước, v.v. Hình 29.10 cho thấy một hệ thống thoát nước điển hình cho việc xây dựng cầu đường cao tốc.

© 2000 bởi CRC Press LLC


HÌNH 29.8 Tường cánh điển hình.

BẢNG 29.2 Phụ phí tải trực tiếp cho thiết kế Wingwall

Tải đường cao tốc

Đất tương đương 2 ft 0 in. (610 mm) đất tương

Tải đường ray E-60

đương 7 ft 6 inch (2290 mm) đất tương đương 8

Tải ray E-70

ft 9 inch (2670 mm) đất tương đương 10 ft 0 in

Tải đường sắt E-80

(3050 mm)

Bảo vệ mái dốc của mố
Điểm nước chảy có thể làm hư hỏng nghiêm trọng kết cấu cầu do rửa trôi đất đỡ mố cầu. Để giảm hư hỏng do
nước chấm lên mố cầu, có thể sử dụng giá đỡ cọc, bảo vệ mái dốc đá, lát bê tông và lát dốc xi măng gunite. Hình
29.11 thể hiện thực tế thiết kế bảo vệ mái dốc đá và lát bê tông bảo vệ mố cầu. Tính ổn định của đá và bảo vệ
mái dốc bê tông cần được xem xét trong thiết kế. Một khối mở rộng thường được thiết kế ở chân của các biện
pháp bảo vệ.
Các chi tiết khác
Một số chi tiết liên quan đến thiết kế mố được đưa ra trong Hình 29.12 . Mặc dù chúng chỉ dành cho các tình huống xây dựng cầu thông
thường, nhưng những chi tiết đó có giá trị tham khảo cho các nhà thiết kế cầu.

© 2000 bởi CRC Press LLC


HÌNH 29,9 Tải thiết kế cho tường cánh hẫng.

HÌNH 29.10 Hệ thống thoát nước mố điển hình.

29.2.5 Ví dụ về thiết kế
Một cầu dầm hộp bê tông dự ứng lực với độ nghiêng 5 ° được đề xuất bắc qua xa lộ đông đúc như minh họa
trong Hình 29.13 . Dựa trên yêu cầu về đường đi, thông tin địa kỹ thuật và các chi tiết được đề cập ở trên, một mố
trụ mở, kiểu chỗ ngồi được chọn. Trụ cầu theo hướng ngang rộng 89 ft (27,13 m). Từ phân tích cầu, tải trọng lên
mố và chuyển vị cầu được liệt kê dưới đây:

© 2000 bởi CRC Press LLC


HÌNH 29.11 Các biện pháp bảo vệ mái dốc trụ cầu điển hình

Kết cấu thượng tầng chết tải

= 1630 kips (7251 kN) = 410

HS20 tải trực tiếp

kips (1824 kN) = 280 kips

1,15 P-tải + 1,0 HS Tải trọng
sống dọc
Tải trọng địa chấn dọc
(khả năng chịu lực)

(1245 kN) = 248 kips (1103

Tải trọng địa chấn ngang

= 1241 kips (5520 kN) = 2,0

Cầu nhiệt độ dịch chuyển
Cầu dịch chuyển địa chấn

inch (75 mm)

kN) = 326 kips (1450 kN)

= 6,5 inch (165 mm)

Thông tin địa kỹ thuật
Phụ phí tải trực tiếp

= 2 ft (0,61 m)

Trọng lượng đơn vị của đất trở lại

= 120 pcf (1922 kg / m 3)

© 2000 bởi CRC Press LLC


HÌNH 29.12 Mố cầu thiết kế các chi tiết linh tinh.

HÌNH 29.13 Cao độ cầu (ví dụ).

Đất chịu áp lực cho phép

= 4,0 ksf (0,19 MPa)

Hệ số áp suất bên của đất (Ka) Độ dốc

= 0,3

ma sát

= tan 33 °

Tiềm năng hóa lỏng đất

= rất thấp

Tăng tốc mặt đất

= 0,3 g

Tiêu chuẩn thiết kế

Thiết kế mố

Phương pháp hệ số tải

Độ ổn định của mố

Phương thức tải dịch vụ

Giả định thiết kế
1. Tải trọng thẳng đứng kết cấu tác dụng lên đường tâm của móng trụ;
2. Áp lực thụ động của đất do đất tại chân mố bị bỏ qua;
3. Mố trụ rộng 1,0 feet (0,305 m) được sử dụng trong thiết kế;
4. tăng cường năng suất căng thẳng, f y = 60000 psi (414 MPa)

5. cường độ bê tông, f c ′ = 3250 psi (22,41 MPa)
6. tường sau của mố cho phép thiệt hại trong trận động đất thiết kế

© 2000 bởi CRC Press LLC


Giải pháp

1. Thiết kế chiều rộng hỗ trợ mố

Áp dụng Eq. (29,2) với
L = 6,5 m

H = 90.0 m
S=5°

chiều rộng hỗ trợ sẽ là N = 600 mm. Thêm chuyển động nhiệt độ yêu cầu 75 mm, tổng chiều rộng hỗ trợ
yêu cầu bằng 675 mm. Chiều rộng hỗ trợ tối thiểu cần thiết cho trường hợp địa chấn bằng tổng của dịch
chuyển địa chấn cầu, dịch chuyển nhiệt độ cầu và dịch chuyển cạnh dự trữ (thường là 75 mm). Trong ví
dụ này, yêu cầu này bằng 315 mm, không nằm trong diện kiểm soát. Dựa trên yêu cầu tối thiểu 675 mm,
thiết kế sử dụng 760 mm, OK. Sơ đồ kết cấu mố trụ được thể hiện trong Hình 29.14
dựa trên thông tin đã cho và chiều rộng hỗ trợ được tính toán.

HÌNH 29.14 Abutment con fi guration (ví dụ).

2. Kiểm tra độ ổn định của mố

Hình 29.15 cho thấy biểu đồ lực của mố,
Ở đâu
q

= áp lực bên của đất do phụ tải tải trọng sống = áp lực

q

bên của đất

sc
e

eq

q

= áp lực bên của đất do tải trọng địa chấn = tải trọng chết

DL

P

của kết cấu thượng tầng

HS

P

= Tải trọng sống HS20 =

P

P

cho phép tải trực tiếp

© 2000 bởi CRC Press LLC


HÌNH 29.15 Mố ứng dụng biểu đồ lực (ví dụ).

F

= tải trọng sống dọc

F

= tải trọng địa chấn dọc cầu

eq

P

= kết quả của áp lực mặt đất địa chấn đang hoạt động = chiều cao

h

của phụ tải tải trọng

γ

= đơn vị trọng lượng của đất

AC

sc

Tôi

= trọng lượng của thành phần mố và khối đất

q

= a k × γ × sc h = 0,3 × 0,12 × 2 = 0,072 ksf (0,0034 MPa) = a k × γ × H = 0,3 × 0,12

q

× 15,5 = 0,558 ksf (0,0267 MPa) = ae k × γ × H = 0,032 × 0,12 × 15,5 = 0,06 ksf

sc
e

W

eq

q

(0,003 MPa)

Tải trọng thẳng đứng được tính toán, tải trọng bên và thời điểm về điểm A được liệt kê trong Bảng 29.3 . Áp
lực đất lớn nhất và nhỏ nhất tại chân mố được tính bằng
6e•

p=P•1
B •±

B•

(29,3)

Ở đâu

p = đất chịu áp lực
P = kết quả của lực dọc
B = chiều rộng móng mố
e = độ lệch tâm của kết quả của các lực và tâm của móng

e 2=B

-

M
P

(29,4)

M = tổng thời điểm đến điểm A

Đề cập đến Bảng 29.1 và Eqs. (29.3) và (29.4) áp lực đất lớn nhất và nhỏ nhất dưới móng tương ứng với
các trường hợp tải trọng khác nhau được tính như

Vì áp lực chịu tải của đất nhỏ hơn áp lực chịu tải của đất cho phép, nên độ ổn định của đất chịu tải là OK.

© 2000 bởi CRC Press LLC


p min

p tối đa

Trường hợp tải

p cho phép với% Overstress cho phép

Đánh giá

Tôi

3,81

3,10

4,00

đồng ý

II

3,42

2,72

4,00

đồng ý

III

1,84

1,22

6,00

đồng ý

IV

4,86

2,15

5.00

đồng ý

V

2,79

1,93

6,00

đồng ý

Địa chấn

6,73

0,54

8.00

đồng ý

BẢNG 29.3 Lực lượng dọc, Lực lượng bên và Khoảnh khắc về điểm A ( Thí dụ)

Theo chiều dọc

Bên

Tải

Tải

Tải

Cánh tay để A

Khoảnh khắc để A

Sự miêu tả

(kips)

(kips)

(ft)

(k-ft)

Bức tường phía sau W 1

0,94

-

7.75

7.28

Thân cây W 2

3.54

-

6,00

23.01

Chân W 3

4,50

-

6,00

27,00

Trở lại đất

5,85

-

10.13

59,23

-

4,33

5.17

- 22,34

Phụ phí đất

-

1.16

7.75

- 8,65

Đất trước W 4

1,71

-

2,38

4.06

Tường cánh

0,85

-

16.12

13,70

0,17

-

6,00

1,04

P DL

18,31

-

6,00

110,00
27,64

Chìa khóa

P HS

4,61

-

6,00

PP

3,15

-

6,00

18,90

F

-

2,79

9,25

- 25,80

F eq

-

3,66

9,25

- 33,90

Tải trọng địa chấn đất

-

0,47

9.30

- 4,37

Kiểm tra độ ổn định chống lật (điều khiển trường hợp tải III và IV):
Trường hợp tải

Khoảnh khắc lái xe

Thời điểm kháng cự

Yếu tố của sự an toàn

Đánh giá

III

31

133,55

4.3

đồng ý

IV

56,8

262,45

4,62

đồng ý

Kiểm tra độ ổn định chống trượt (điều khiển trường hợp tải III và IV)
Trường hợp tải

Động lực

Lực lượng kháng chiến

Yếu tố của sự an toàn

Đánh giá

III

5,44

11,91

2,18

đồng ý

IV

8.23

20,7

3,26

đồng ý

Do lực động bên của kết cấu chỉ được kết hợp với tải trọng chết và áp lực tĩnh bên của đất, và hệ số an toàn FS = 1,0
có thể được sử dụng, nên trường hợp địa chấn không được kiểm soát.

3. Thiết kế tường và thân trụ
Tham khảo hướng dẫn của AASHTO cho các tổ hợp tải trọng, tải trọng tính toán tối đa cho tường lưng và
thân trụ là
Vị trí
Mức tường nền
Phần dưới thân cây

© 2000 bởi CRC Press LLC

V ( kips)

M ( k-ft)

1,95

4,67

10,36

74,85


Tường lưng trụ cầu
Thử # 5 ở 12 inch (305 mm) với khoảng trống 2 inch (50 mm)

d = 9,7 inch (245 mm)

A S × f y = 0,31 × 60 ×

a=

12 = 13,95 kips (62,05 kN) 16

A S ⋅ f y = ( 0 85 (2) ()
= 0,42 inch (10,67 mm)
13,95
φ⋅ fc ′ ⋅ bw

.

M u = φ⋅ M n = φ⋅ A S ⋅ f •

) 3. 5 12

y•

d••

a
2•=

0,9 × 13,95 × •



9,7 -

0,42 • = 9,3 k ⋅ f (13 46 k ⋅ m)
2•

3

t

.

N

> 4,67 k ⋅ ft (6,33 kN ⋅ m) được
V c = 2 f c ′ ⋅ b w ⋅ d = 2 × 3250 × 12 × 9,7 = 13,27 kips (59,03 kN)

V u = φ⋅ V c = 0,85 × 13,27 = 11,28 kip (50,17 kN)> 1,95 kip (8,67 kN)

đồng ý

Không cần gia cố cắt.
Trụ cầu
Thân mố có thể được thiết kế dựa trên sự thay đổi mô men ứng dụng dọc theo chiều cao của mố. Ở đây
chỉ thiết kế phần ở dưới cùng của thân cây.
Thử # 6 ở mức 12 inch (305 mm) với khoảng sáng gầm 2 inch (50 mm).

A S × f y = 0,44 × 60 = 26,40 kips (117,43 kN)

d = 39,4 inch (1000 mm)

a=

ASf⋅ y =
φ ⋅ fc ′ ⋅ bw

M u = φ⋅ A f •S ⋅ y • d - a •

26.4
(0,85) (3,25) (12)

2 •=

0,9 × 26.4 ×

= 0,796 in (20,0 mm)




39.4 -

0,8 •
2 •

= 77,22 k ⋅ ft (104,7kN ⋅ m)
> 74,85 k ⋅ ft (101,5kN ⋅ m)

đồng ý

V c = 2 f c ′ b w d = 2 × 3250 × 12 × 39,4 = 53,91 kips (238 kN)

V u = φ⋅ V c = 0,85 × 53,91 = 45,81 kips (202,3 kN)> 10,36 kips (46,08 kN)

đồng ý

Không cần gia cố cắt.
4. Thiết kế móng trụ
Xem xét tất cả các tổ hợp tải trọng và các trường hợp tải trọng địa chấn, biểu đồ chịu áp lực của đất dưới móng
trụ được thể hiện trong Hình 29.16 .

© 2000 bởi CRC Press LLC


HÌNH 29.16 Chịu áp lực dưới móng trụ (ví dụ).
a. Lực lượng thiết kế:

Phần ở mặt trước của thân mố (thiết kế cho cốt thép ngoài):

q aa = 5,1263 ksf (0,2454 MPa)
M aa = 69,4 k-ft (94,1 kN · m)
Phần tại d = 30 - 3 - 1 = 26 inch (660 mm) từ mặt trước của thân mố (thiết kế để gia cố cắt):

q bb = 5,2341 ksf (0,251 MPa)
V bb = 15,4 kips (68,5 kN)
b. Thiết kế fl gia cố ngoại quan (đáy móng):
Thử # 8 ở 12, với khoảng hở 3 inch (75 mm) ở phía dưới

d = 30 - 3 - 1 = 26 inch (660 mm)
A S × f y = 0,79 × 60 = 47,4 kips (211 kN)

a=

AS⋅ f y =

47.4

φ ⋅ fc ′ ⋅ bw

M n = φ⋅ A S ⋅ f •

(0,85) (3,25) (12)

a•
y

d• • • =

2

= 1,43 inch (36 mm)

0 .× 9 47,4 × •



26 -

1,43 •

2



= 89,9 k ⋅ ft (121,89 kN ⋅ m)
> 69,4 k ⋅ ft (94,1 kN ⋅ m)

© 2000 bởi CRC Press LLC

đồng ý


V c = 2 f c ′ ⋅ b w ⋅ d = 2 × 3250 × 12 × 26 = 35,57 kips (158,24 kN)

V u = φ⋅ V c = 0,85 × 35,57 = 30,23 kips (134,5 kN)> 15,5 kips (68,5 kN)

đồng ý

Không cần gia cố cắt.
Vì áp lực đất nhỏ nhất chịu áp lực dưới móng là khi nén nên lực căng ở đỉnh móng không phải là
trường hợp. Tuy nhiên, nhiệt độ tối thiểu củng cố,
0,308 inch. 2 / ft (652 mm 2 / m) cần được cung cấp. Sử dụng # 5 ở 12 inch (305 mm) ở chân cho năng suất cao nhất

A s = 0,31 inch. 2 / ft, (656 mm 2 / m)

đồng ý

5. Thiết kế tường cánh mố
Hình dạng của bức tường cánh là

h = 3,0 ft (915 mm);

S = 2,0 ft (610 mm);

H = 13,0 ft (3960 mm);

L = 18,25 ft (5565 mm)

Đề cập đến Hình 29.15 , tải trọng thiết kế là
wL
VA-A=[ H

2+(

h + H) (h + 3 S)]

6

0,36 × 18,25 [13 2 + ( 3 +13) (3 + 3 × 2)] = 34 kips (152,39 kN) 6

=

wL 2 [ 3 h

MA-A=

2+(

H + 4 S) (H + 2 h)]

24

=

0,036 × 18,25 2 [ 3 (3) 2 + ( 13 +4 × 2) (12 +2 × 3)] = 212,8 k ⋅ ft (3129 kN ⋅ m) 24

Thiết kế fl gia cố ngoại lệ. Hãy thử sử dụng # 8 ở 9 (225 mm).

A S × f y = 13 × ( 0,79) × 60 × 12 = 821,6 kips (3682 kN)
9

a=

AS⋅ f y =

1280
(0,85) (3,25) (13) (12)

φ ⋅ fc ′ ⋅ bw

= 2,97 inch (75 mm)

d = 12 - 2 - 0,5 = 9,5 inch (240 mm)
M = φ⋅ A ⋅ f •
n
sy

a•



d••=
2

0,9 (821,6)
×
• 9 5× •

.

-

2,97 •

2 • = 493,8 k ⋅ ft (7261 kN ⋅ m)

> 212,8 k ⋅ ft (3129 kN ⋅ m)

© 2000 bởi CRC Press LLC


Kiểm tra lực cắt
V c = 2 f c ′ ⋅ b w ⋅ d = 2 × 3250 × 13 × 12 × 9,5 = 168 kips (757,3 kN)

V u = ϕ ⋅ V c = 0,85 × 168 = 142 kips (636 kN)> 34 kips (152,3kN)

đồng ý

Không cần gia cố cắt.
Vì tường cánh được phép bị phá vỡ trong một trận động đất lớn, các cột cầu liền kề phải được thiết kế để
chịu tải trọng địa chấn mà không có khả năng chống lại tường cánh. Các chi tiết gia cố phần mố, móng và
tường cánh được trình bày trong Hình 29.17a và b .

HÌNH 29,17 ( a) Thiết kế mặt cắt điển hình của mố (ví dụ). (b) Gia cố tường cánh (ví dụ).

© 2000 bởi CRC Press LLC


F

IG

U
R
E

29,18

R

etain
trong

g

w

tất cả
đánh máy
es.


29.3 Cấu trúc lưu giữ
29.3.1 Các kiểu cấu trúc lưu giữ
Kết cấu chắn, hay cụ thể hơn là kết cấu giữ đất, thường được yêu cầu trong một dự án thiết kế cầu. Thông
thường, bản thân mố cầu được sử dụng như một kết cấu giữ. Tường đúc hẫng, tường chắn, tường móng đất và
tường đắp ổn định cơ học (MSE) là các loại kết cấu chắn được sử dụng thường xuyên nhất. Chức năng thiết kế
chính của kết cấu giữ là chống lại các lực tác động bên.
Tường chắn công xôn là một kết cấu công xôn được sử dụng để chống lại áp lực tác động của đất tại các vị trí địa
hình. Thông thường, kết cấu công trình hẫng đất có chiều cao không quá 10 m. Một số đoạn tường chắn đúc hẫng điển
hình được thể hiện trong Hình 29.18a .
Tường tieback có thể được sử dụng cho các vị trí cắt địa hình. Các sợi giằng có độ bền cao được kéo dài vào vùng ổn
định và hoạt động như neo cho các phần tử mặt tường. Tường chắn có thể được thiết kế để có độ nghiêng tối thiểu về mặt
bên. Hình 29.18d cho thấy một phần tường rào.

Tường MSE là một loại cấu trúc "giữ đất được gia cố". Bằng cách lắp đặt nhiều lớp bers cường độ cao bên
trong mặt cắt sẽ hạn chế độ nghiêng về mặt bên của đất lát nền. Không có giới hạn chiều cao đối với tường
MSE nhưng độ lệch bên ở đỉnh tường cần được xem xét. Hình 29.18e cho thấy một ví dụ về tường MSE.
Tường đất trông giống như tường chắn nhưng hoạt động giống như tường MSE. Nó sử dụng một loạt các đinh đất được xây dựng bên trong
thân đất để chống lại chuyển động ngang của thân đất trong các mặt cắt. Thông thường, móng đất được thi công bằng cách bơm vữa xi măng vào
các lỗ đã khoét sẵn. Các đinh liên kết đất với nhau và hoạt động như một bức tường đất trọng lực. Mô hình tường móng bằng đất điển hình được
thể hiện trong Hình 29.18f .

29.3.2 Tiêu chí thiết kế
Yêu cầu tối thiểu
Tất cả các kết cấu chắn phải an toàn không bị lún dọc. Chúng phải có khả năng chống lật và trượt phù hợp. Kết
cấu giữ cũng phải có đủ cường độ cho tất cả các thành phần kết cấu.

1. Khả năng chịu đựng: Tương tự như bất kỳ thiết kế móng nào, hệ số khả năng chịu lực của sự an toàn phải

là ≥ 1,0. Bảng 29.4 là danh sách các giá trị khả năng chịu lực gần đúng của một số vật liệu thông thường. Nếu sử
dụng móng cọc thì không xét đến sức chịu tải của đất giữa các cọc.

2. Chống lật ngược: Điểm lật ngược của một cấu trúc giữ lại điển hình nằm ở
mép của móng chân. Hệ số an toàn lật ngược phải ≥ 1,50. Nếu kết cấu giữ lại có móng cọc, thì độ bền
của móng sẽ chỉ phụ thuộc vào cọc.
3. Chống trượt: Hệ số an toàn khi trượt phải ≥ 1,50. Khả năng trượt của tường chắn điển hình có thể bao gồm
cả áp lực đất bị động ở mặt chân của móng và các lực ma sát ở dưới cùng của móng. Trong hầu hết các
trường hợp, hệ số ma sát 0,3 và 0,4
BẢNG 29.4 Khả năng chịu đựng

Khả năng chịu lực [N]

Vật chất

min, kPa

Đất phù sa

24

48

Đất sét

48

190

Sand, con fi ned

48

190

Sỏi

95

190

240

480

Đá cát và sỏi xi măng

240

© 2000 bởi CRC Press LLC

tối đa, kPa

-


có thể được sử dụng cho đất sét và cát, tương ứng. Nếu cọc có rãnh được sử dụng để chống trượt thì lực
ma sát ở đáy móng cần được bỏ qua.
4. Độ bền của kết cấu: Mômen mặt cắt của kết cấu và khả năng chịu cắt phải được thiết kế theo các hệ số cường
độ chung của quy trình thiết kế an toàn.
Hình 29.19 chỉ ra các tải trọng điển hình cho thiết kế kết cấu công xôn.

HÌNH 29 19 Tải trọng điển hình trên tường chắn.

Tải trọng bên
Trọng lượng đơn vị của đất thường nằm trong khoảng 1,5 đến 2,0 tấn / m 3. Đối với các trường hợp ở phía sau, nếu vật liệu ở
phía sau là cát khô, không kết dính, thì áp suất đất bên ( Hình 29.20a ) phân phối trên tường sẽ như sau

Lực tác dụng trên một đơn vị chiều dài của tường (Pa) ở đáy tường có thể được xác định như

pa=kaγ H

(29,5)

Lực bị động trên một đơn vị chiều dài của tường (Pa) ở đáy tường có thể được xác định như

pp=kpγ H

(29,6)

Ở đâu

H = chiều cao của tường (từ đỉnh tường đến chân móng)
γ = đơn vị trọng lượng của vật liệu mặt sau

k a = hệ số áp suất đất hoạt động
k p = hệ số áp suất đất thụ động
Coef fi cient k a và k p nên được xác định bởi một nhà địa chất bằng cách sử dụng dữ liệu thử nghiệm trong phòng thí nghiệm từ một mẫu đất thích hợp.
Công thức chung là

© 2000 bởi CRC Press LLC


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×