Giới thiệu sơ lợc về tiêu chuẩn thiết kế theo
hệ số tải trọng và hệ số sức kháng(LRFD) của
AASHTO và tiêu chuẩn thiết kế cầu mới của VN.
PGS TS Nguyễn Viết Trung.
ĐH GTVT.
Tháng 8/2001.
Tổng quan:
Lời nói đầu
Quá trình hình thành
Nhiệm vụ
Triết lí thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng.
Các kí hiệu và đơn vị.
Lời nói đầu
Đây là một bài giới thiệu sơ lợc về tiêu chuẩn thiết kế theo hệ số tải trọng
và hệ số sức kháng, gồm một số chủ đề chung và cách xử lí đơn giản trong
thiết kế bê tông. Nhiệm vụ chính của bài này là đa ra một bức tranh tổng quan
về LRFD là gì. Trong bài này, chúng ta có thể thấy những thông tin chi tiết và
những phân tích kĩ thuật sâu sắc qua những ví dụ thiết kế và những công cụ trợ
giúp thiết kế.
Để giúp cho bài viết súc tích, ngắn gọn lại dễ hiểu, trong toàn bộ bài, các
tên, các tiêu đề và các vấn đề đợc dùng ở dạng viết tắt. Những từ này đợc dùng
hoặc không đợc dùng trong các thuật ngữ của AASHTO. Dới đây là danh sách
các từ:
Từ viết tắt Nghĩa
LRFD Tiêu chuẩn thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng
của AASHTO.
SS Tiêu chuẩn thiết kế chung cho đờng bộ của AASHTO.
STM Mô hình chống và giằng (xem trong phần thiết kế chống
lực cắt và lực xoắn).
MCFT Học thuyết về lực nén thay đổi (xem trong phần thiết kế
chống

lực cắt và lực xoắn).
Quá trình hình thành:
1
Vào năm 1986, tiểu ban của AASHTO về cầu và kết cấu thấy rằng tiêu
chuẩn chung cho cầu đờng bộ còn có một số mâu thuẫn và cha đại diện cho
*********** trong thiết kế cầu và bớc đầu tiên cần làm là thay thế nó đi. Họ
thừa nhận rằng yêu cầu đặt ra đối với uỷ ban nghiên cứu là phải thực hiện đánh
giá về tiêu chuẩn hiện có và so sánh nó với tiêu chuẩn thiết kế của nớc ngoài
cũng nh đối với các triết lí thiết kế khác nhau. Công việc này đợc hoàn thành
vào năm 1987 và đánh giá rằng tiêu chuẩn này so với tiêu chuẩn nớc ngoài còn
có khoảng cách và có thể dễ dàng nhận thấy đợc sự khác biệt, thậm chí có một
số điểm trái ngợc hoàn toàn. Hơn nữa, tiêu chuẩn này không phải là hiện thân
của triết lí thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng mà triết lí này từng
đợc xem là ***********
Sau khi nghiên cứu này đợc công bố, một quy trình mới, đầy đủ đã đợc
phát triển Tiêu chuẩn thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng. Nỗ
lực kéo dài 5 năm đã kết thúc vào năm 1993 và tiêu chuẩn thiết kế theo hệ số
tải trọng và hệ số sức kháng(LRFD) đã đợc AASHTO công nhận cùng với SS.
Nhng lúc này, phần lớn các bang vẫn thiết kế cầu theo tiêu chuẩn SS nên khi
đa ra tiêu chuẩn LRFD, AASHTO thừa nhận cả 2 tiêu chuẩn và xem LRFD là
sự thay thế dần dần cho SS. Điều này nghĩa là lúc này không phải là lúc trả lời
cho câu hỏi liệu LRFD có thay thế đợc cho SS hay không mà chỉ là sự chuyển
tiếp từ SS lên LFRD mất bao lâu.
Hiện nay, một số bang đã và đang dần công nhận LFRD. Một số bang
khác cũng đang xem xét LRFD ở các mức độ khác nhau.
Nhiệm vụ:
***
Dễ hiểu.
Phù hợp với ngành, nghề.
Giống với cuốn sách chuyên ngành (hơn là giống một cuốn sách giáo

khoa).
Thiết kế cẩn thận, tỉ mỉ.
Nhận thức rõ về những nơi có tầm quan trọng cao: tính dẻo, tính d.
Để đạt đợc những mục đích nh trên, cần phải thực hiện nhiều thay đổi đối
với quy trình cũ, bao gồm:
Đa ra triết lí thiết kế có tính an toàn cao.
Xác định 4 trạng thái giới hạn trong quá trình thiết kế.
Phát triển các hệ số tải trọng và hệ số sức kháng mới.
Phát triển các mô hình tải trọng đã đợc cải tiến.
Xem xét kĩ những kĩ thuật dùng để phân tích và phân bố tải trọng.
2
Kết hợp cả bê tông cốt thép, bê tông dự ứng lực một phần hay toàn phần
vào kết cấu.
Phát triển các nhận xét, t tởng độc lập.
Triết lí thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng(LRFD):
Tiêu chuẩn LRFD chính là sự biểu hiện của triết lí trong đó cầu phải đợc
thiết kế để đạt đợc các mục tiêu :thi công đợc, an toàn và sử dụng đợc, có xét
đến các vấn đề: khả năng dễ kiểm tra, tính kinh tế, mĩ quan. Khi thiết kế cầu,
để đạt đợc những mục tiêu này, cần phải thoả mãn các trạng thái giới hạn: kết
cấu phải đủ độ dẻo, phải có nhiều đờng truyền lực (nh tính d) và phải xét đến
tầm quan trọng trong khai thác.
Kí hiệu, đơn vị
Trong khi một số kí hiệu đợc sử dụng trong tiêu chuẩn LRFD giống với
trong tiêu chuẩn SS thì có một số kí hiệu lại khác hoàn toàn. ở những ví dụ mà
kí hiệu trong tiêu chuẩn LRFD khác với trong tiêu chuẩn SS thì nói chung là kí
hiệu này giống với kí hiệu trong ACI318, quy trình xây dựng kết cấu bằng bê
tông cốt thép.
Trong tiêu chuẩn LRFD có cả hệ đơn vị của Mĩ lẫn hệ đơn vi quốc tế (tính
theo đơn vị mét). Do đó, trong bản tính theo đơn vị của Mĩ thì ngời ta thay các
đơn vị lb và psi bằng các đơn vị KIP và KSI (chú ý theo quy ớc, các

đơn vị đợc viết bằng chữ in hoa). Kết quả là những hệ số tơng tự trong các ph-
ơng trình phải thay đổi mặc dù thực ra các phơng trình này là nh nhau. Ví dụ
nh 6f
c
(có đơn vị psi) bây giờ thành 0.190 f
c
(có đơn vị KSI).
Giới thiệu về LRFD:
Tải trọng
Các trạng thái giới hạn
Các loại tải trọng
Tải trọng thờng xuyên
Tải trọng tạm thời
Tác dụng của tải trọng bánh xe
Tải trọng mỏi
Hệ số làn xe
Các hệ số tải trọng
Các trạng thái giới hạn
3
Trong LRFD, các cấu kiện đều phải thoả mãn cái mà ta gọi là các trạng
thái giới hạn. Tất cả các trạng thái giới hạn cần phải thoả mãn là:
hSQ
i
g
i
fR
n
=R
r
với

h : hệ số điều chỉnh tải trọng
g
i
: hệ số tải trọng thứ i
Q
i
: các ứng lực
f : các hệ số sức kháng
R
n
: sức kháng danh định
R
t
: sức kháng tính toán
Để hiểu về khái niệm này, ngời ta đã đa một khái niệm dựa trên thực
nghiệm về trạng thái giới hạn đợc ghi trong tiêu chuẩn LRFD.
Trạng thái giới hạn là trạng thái mà lớn hơn sự chịu lực của công trình
để đảm bảo công trình khai thác đợc bình thờng.
Theo LRFD, có 4 trạng thái giới hạn là:
Trạng thái giới hạn cờng độ: đảm bảo cờng độ và sự ổn định.
Trạng thái giới hạn đặc biệt: liên quan đến những sự kiện đặc biệt chỉ lặp
lại sau một thời gian dài (nh động đất, băng trôi, va tàu thuỷ, xe cộ).
Trạng thái giới hạn sử dụng: liên quan đến ứng suất, biến dạng, nứt.
Trạng thái giới hạn mỏi: để hạn chế biên độ của ứng suất.
Mỗi trạng thái giới hạn đều có một hoặc nhiều loại, mỗi loại lại có mục
đích riêng:
Trạng thái giới hạn cờng độ
I : Tổ hợp tải trọng cơ bản.
II : Lợng xe tiêu chuẩn.
III: Vận tốc gió > 55 dặm/giờ.

IV: Sự chênh lệch lớn giữa tĩnh và hoạt tải.
V : Hoạt tải cộng thêm tải trọng gió (55 dặm/giờ).
Trạng thái giới hạn những sự kiện đặc biệt
I : Tổ hợp tải trọng liên quan đến động đất.
II : Tải trọng băng tuyết, va tàu thuyền, xe cộ.
Trạng thái giới hạn sử dụng
I : Tổ hợp tải trọng sử dụng thông thờng.
II : Kết cấu thép.
III: Chịu kéo trong trờng hợp bê tông cốt thép dự ứng lực kéo trớc.
Trạng thái giới hạn mỏi : Hoạt tải xe trùng phục
Đối với tiêu chuẩn SS, các phơng pháp kiểm tra thiết kế cũng nh vậy. Tuy
nhiên, chúng đợc thực hiện trên một kết cấu hoàn toàn khác.
4
Loại tải trọng
Tiêu chuẩn LRFD chia tải trọng thành 2 loại chính là tải trọng thờng
xuyên và tải trọng nhất thời. Trong 2 loại chính này, mỗi loại lại chia thành
nhiều loại nhỏ hơn và cộng thêm vài loại tải trọng nữa. Hiện nay, mỗi loại tải
trọng đều đợc kí hiệu bằng 2 chữ cái.
Tải trọng thờng xuyên
Khi xem xét tải trọng thờng xuyên, cần xác định rõ một số loại tải trọng.
Chú ý rằng trớc đây, tĩnh tải(tải trọng bản thân) của cầu chỉ có một loại. Nhng
giờ đây, nó đợc chia thành 2 loại chính là DC và DW, với các hệ số tải trọng
khác nhau.
Kí hiệu Nghĩa
DD Tải trọng kéo xuống
DC Tải trọng bản thân của các bộ phận kết cấu và thiết bị phụ phi
kết cấu
DW Tải trọng bản thân của lớp phủ mặt và các tiện ích công cộng
EH áp lực đất nằm ngang
ES Tải trọng đất chất thêm

EV áp lực thẳng đứng do tự trọng đất đắp
Tải trọng nhất thời : theo LRFD, một số loại tải trọng nhất thời đợc định
nghĩa nh sau:
Kí hiệu Nghĩa
BR Lực hãm xe
CE Lực li tâm
CR Từ biến
CT Lực va xe
CQ Lực va tàu
EQ Động đất
FR Ma sát
IC Tải trọng băng tuyết
IM Lực xung kích của xe
LL Hoạt tải xe
LS Hoạt tải chất thêm
PL Tải trọng ngời đi
SE Lún
SH Co ngót
TG Gradien nhiệt
TU Nhiệt độ phân bố đều
5
WA Tải trọng nớc và áp lực dòng chảy
WL Gió trên hoạt tải
WS Tải trọng gió trên kết cấu
Hoạt tải
Một trong số những thay đổi lớn nhất đợc đa ra trong thiết kế cầu ở quy
trình mới là mô hình hoạt tải xe. Trong LRFD, có 3 loại xe nh sau:
Xe tải thiết kế : gồm một trục xe trớc nặng 8 KIP và hai trục xe sau, mỗi trục
xe nặng 32 KIP. Hai trục xe đầu cách nhau một khoảng không đổi là 14 feet,
trong khi đó thì khoảng cách hai trục xe sau thay đổi từ 14 đến 32 feet.

Xe hai trục thiết kế: gồm hai trục, mỗi trục nặng 25 KIP, cách nhau một
khoảng không đổi là 4 feet.
Tải trọng làn thiết kế : là tải trọng phân bố đều 0.64 KIP/foot.
Từ quan điểm tạo hình, xe tải thiết kế trong LRFD có tỉ lệ tải trọng giữa
các trục xe giống với xe tải HS 20 trong tiêu chuẩn SS nh chúng ta thấy ở hình
1. Tuy nhiên, cần chú ý rằng, xe tải thiết kế trong tiêu chuẩn LRFD không
hoàn toàn tỉ lệ với xe HS 20 trong tiêu chuẩn SS. Ví dụ nh xe HS 25 sẽ không
tơng đơng với xe tải thiết kế trong LRFD.
Tác dụng của hoạt tải xe thiết kế
Nói chung, cần phải kiểm tra hai tổ hợp xe trong các thành phần của hoạt
tải xe thiết kế cho tất cả các loại cầu để xác định đợc trờng hợp bất lợi nhất do
hoạt tải gây ra. Những tổ hợp tải trọng mà ta đặt tên là HL93 gồm:
Tải trọng xe tải thiết kế + tải trọng làn thiết kế.
Tải trọng xe 2 trục + tải trọng làn thiết kế.
Đối với những cây cầu liên tục, ở giữa những điểm uốn ngợc chiều chịu tác
dụng của tĩnh tải và để xác định đợc phản lực gối giữa gây bất lợi nhất thì ngời
ta lấy 90% hiệu ứng của hai xe tải thiết kế với 90% hiệu ứng của tải trọng làn
thiết kế. Khoảng cách giữa các trục của xe tải lấy không đổi là 14FT và
khoảng cách giữa trục bánh trớc xe này với trục sau xe kia không đợc nhỏ hơn
50FT.
Khi xác định tải trọng gây ra bất lợi nhất, cần dùng những tải trọng và kĩ
thuật khác tác dụng mà gây ra ứng lực lớn nhất. Những trục bánh xe không
gây ra ứng lực lớn nhất phải bỏ qua.
Tải trọng mỏi
Lấy một xe đặc biệt dùng để thí nghiệm mỏi. Đây là một xe tải thiết kế nh
đã quy định ở trên nhng trục xe sau nặng 32KIP, cách trục xe trớc một khoảng
cố định là 32FT và không tính đến tải trọng rải đều.
6
Hệ số làn xe
Để tính ảnh hỏng của cầu có nhiều làn xe, ngời ta đa vào hệ số làn xe.

Chúng đợc dùng ở những trờng hợp : 1 làn xe, 2 làn xe, 3 làn xe hay nhiều hơn
nữa. Nhng cần chú ý rằng, ảnh hỏng của hệ số làn xe đợc tính toán từ các ph-
ơng trình tính gần đúng hệ số phân bố tải trọng đợc quy định trong tiêu chuẩn
LRFD. Tuy nhiên, đối với trờng hợp phân tích mỏi, khi xem xét một làn xe, hệ
số phân bố tìm đợc bằng cách sử dụng phơng pháp xấp xỉ cần phải đợc chia
cho hệ số phân bố của một làn là 1.2.
Bảng 1 : Hệ số làn xe m (bảng 3.6.1.1.2-1 trong tiêu chuẩn LRFD)
Số làn chất tải Hệ số làn " m"
1 1.20
2 1.00
3 0.85
>3 0.64
Các hệ số tải trọng
Đối với từng trạng thái giới hạn, hệ số tải trọng khác hẳn so với tiêu chuẩn
SS. Bảng 3.4.1-1 và 3.4.1-2 trong tiêu chuẩn LRFD cho thấy các hệ số tải
trọng và tổ hợp tải trọng ứng với từng trạng thái giới hạn.Ví dụ nh đối với một
cây cầu dầm hộp bê tông ứng suất trớc nhịp giản đơn, cờng độ ở trạng thái giới
hạn I đợc xác định nh sau:
Q=1.25DC + 1.5DW + 1.75LL
Với Q là tổng ứng lực và DC, DW, LL đợc xác định nh trên.
Bảng 2 : Các tổ hợp tải trọng và hệ số tải trọng (Bảng 3.4.1-1 trong tiêu chuẩn
LRFD)
Tổ hợp DC LL TU Cùng một lúc chỉ
dùng
tải trọng DD IM WA WS WL FR CR TG SE một
trong
DW CE SH các tải
trọng
Trạng thái
EH BR

giới hạn
EV PL EQ IC CT CV
ES LS
Cờng độ I
g
p
1.7
5
1.0
0
- - 1.0
0
0.5/1.
20
g
TG
g
SE
- - - -
Cờng độ II
g
p
1.3 1.0 - - 1.0 0.5/1. g
TG
g
SE
- - - -
7
5 0 0 20
Cờng độ III

g
p
- 1.0
0
1.4
0
- 1.0
0
0.5/1.
20
g
TG
g
SE
- - - -
Cờng độ IV
g
p
chỉ có
EH,EV,
1.5 - 1.0
0
- - 1.0
0
0.5/1.
20
- - - - - -
ES,DW và
DC
Cờng độ V

g
p
1.3
5
1.0
0
0.4
0
0.4
0
1.0
0
0.5/1.
20
g
TG
g
SE
- - - -
Đặc biệt I
g
p
g
eq
1.0
0
- - 1.0
0
- 1.00 - - -
Đặc biệt II

g
p
0.5
0
1.0
0
- - 1.0
0
- - 1.0
0
1.0
0
1.0
0
Sử dụng I
1.0
0
1.0
0
1.0
0
0.3
0
0.3
0
1.0
0
1.00/
1.20
g

TG
g
SE
- - - -
Sử dụng II
1.0
0
1.3
0
1.0
0
- - 1.0
0
1.00/
1.20
- - - - - -
Sử dụng III
1.0
0
0.8
0
1.0
0
- - 1.0
0
1.00/
1.20
g
TG
g

SE
- - - -
Mỏi
- 0.7
5
- - - - - - - - - - -
Bảng 3 : Các hệ số tải trọng đối với tải trọng thờng xuyên, g
p
( bảng 3.4.1-2
trong tiêu chuẩn LRFD)
Loại Tải Trọng Hệ số tảI
trọng
Lớn
nhất
nhỏ
nhất
DC: Cấu kiện và các thiết bị
phụ
1.25 0.90
DD: Kéo xuống
1.80 0.45
DW: Lớp phủ mặt cầu và các
tiện ích
1.50 0.65
EH: áp lực ngang của đất
Chủ động
1.50 0.90
Bị động
1.35 0.90
EV: áp lực đất thẳng đứng

ổn định tổng thể
1.35 N/A
Kết cấu tờng chắn
1.35 1.00
8