CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan các nghiên cứu về trụ thân đôi 1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới Sétra (2003, 2007), đã giới thiệu hướng dẫn cách thức thiết kế những dạng cầu bê tông ứng suất trước được xây dựng theo phương pháp đúc hẫng cân bằng, trong đó tác giả cũng có nhắc đến một số sự khác nhau giữa trụ thân đôi và thân đơn, tuy nhiên chưa đi vào phân tích chuyên sâu về nội lực và ảnh hưởng độ mảnh của riêng 2 dạng trụ này để làm nổi bật sự ảnh hưởng khác nhau giữa chúng từ sự chịu lực tác dụng [1]. Liolios, Antoniou và Konstantinidis (2005) giới thiệu một cách tổng quan một số công trình có sử dụng dạng trụ thân đôi ở Hy Lạp và nêu lên phương án thiết kế, biện pháp thi công và một số các số liệu về quy mô công trình cũng như vật liệu, chưa đi sâu vào phân tích chi tiết trụ thân đôi [2].1: Cầu G2, Hy Lạp (01/2005) [2] Kuzmanovic (2014) đã nghiên cứu ứng dụng 22 cầu trên cao tốc hiện có và hệ thống trụ của chúng xác định những ảnh hưởng khác nhau của các thông số hình học và vật liệu như cường độ bê tông, tỷ lệ cốt thép và tỷ lệ độ mảnh…Những phương pháp gần đúng được dùng cho mục đích thiết kế sơ bộ được thảo luận và xem xét, thông qua đó xác định kích thước mặt cắt ngang sơ bộ thích hợp của trụ và tỷ lệ cốt –4– thép cho từng trụ cầu với các tỷ lệ độ mảnh khác nhau, luân văn chưa đi vào nghiên cứu chi tiết về đúng dạng trụ cầu thân đôi [3]. Fang và Chen (2020) đã nghiên cứu về phương pháp xác định độ cứng dọc của những trụ cầu kết hợp giữa trụ đặc và trụ thân đôi làm một dựa trên sự tương tác cầu đường sắt. Kết cấu này bao gồm hai phần, tức là trụ rỗng thông thường có độ cứng cao (phần dưới) và trụ hai thành mỏng có độ cứng thấp (phần trên), Tuy nhiên bài báo chỉ nêu gói gọn trong phạm vi cầu chịu dạng tải trọng của đường sắt và cũng chưa nêu chi tiết về sự làm việc cũng như phân tích nội lực cụ thể của trụ [4].
Qi Qiming, Wei Wang, Shao Changjiang, Xiao Zhenghao, He Junming (2020) đã nghiên cứu về tác động của địa chấn lên trụ cầu cho đường sắt ở Trung Quốc, dạng hollow tall piers (dạng trụ rỗng, một dạng trụ khá giống với trụ thân đôi). Bài báo viết khá chi tiết về thiết kế dạng trụ này, tuy nhiên đây không phải là dạng đối tượng kết cấu trụ thân đôi trong phạm vi luận văn này muốn đề cập mà chỉ là một dạng họ hàng gần giống [5].2 Tình hình nghiên cứu trong nước Nghiên cứu ứng dụng trụ cầu thân đôi ở cầu Hàm luông. Hai bờ sông khu vực cầu là vùng dân cư và vườn cây ăn quả. Địa hình thấp, tương đối bằng phẳng.
Hàm Luông là nhánh chính của sông Mê Kông dài 70 km, bề rộng lòng sông biến đổi 1. Chế độ thuỷ văn và thuỷ lực của dòng sông vừa chịu ảnh hưởng của lũ và triều, có Hmax-1% = 1. Địa chất khu vực phía trên là đất yếu xen kẹp giữa cát bụi, sét dẻo chảy, tiếp theo đó là sét cứng, phía dưới là các lớp cát mịn. Căn cứ vào yêu cầu kỹ thuật, dựa trên điều kiện tự nhiên của khu vực và các vấn đề liên quan khác, qua nghiên cứu phân tích và so sánh các phương án kết cấu chính gồm: dầm hộp thi công theo phương pháp đúc hẫng cân bằng, dàn thép, dây văng; thấy rằng phương án nhịp chính là kết cấu khung BTCTDƯL đúc hẫng cân –5– bằng đáp ứng tốt nhất các tiêu chí của dự án và đã được chọn làm phương án nghiên cứu chi tiết [6].
Các dạng trụ cầu có thể áp dụng cho cầu Hàm Luông: Trụ hai thân, trụ một thân đặc như hình vẽ. Bảng 1-1 Các dạng kết cấu trụ được đề xuất nghiên cứu [6] Hạng mục Phương án 1 Phương án 2 so sánh Trụ hai thân Trụ thân đặc Khả năng Trụ dẻo giảm thiểu phát sinh nội Nội lực do từ biến co ngót, làm việc lực trong dầm và thân trụ do từ nhiệt độ lên trụ và dầm liên biến, co ngót, nhiệt độ tục lớn hơn Vật liệu Tiết kiệm vật liệu do chiều cao Chiều cao dầm và kích thước dầm thấp, thân trụ mảnh thân trụ lớn hơn Kiến trúc Sự có mặt của trụ hai thân sẽ góp Kết cấu thân đặc làm giảm phần làm giảm bớt mức độ nặng mức độ thông thoáng nề của hệ thống kết cấu phần trên và dưới –6– Hình 1.2: Cầu Hàm Luông với nhịp chính 150 m [6]. Nghiên cứu ứng dụng trụ cầu thân đôi ở cầu Pá Uôn Cầu Pá Uôn bắc qua sông Đà, thuộc địa bàn huyện Quỳnh Nhai, tỉnh Sơn La. Dự án là công trình trọng điểm tránh ngập giao thông Tây Bắc khi có thuỷ điện Sơn La.
Đây là dự án rất phức tạp do có chiều cao thân trụ rất lớn (trụ chính cầu cao nhất là 89.5m) được thiết kế và thi công trong thời gian rất ngắn để phù hợp với tiến trình ngăn đập dâng nước của thuỷ điện Sơn La. Dự án được khởi công xây dựng ngày 28/5/2007 và thông xe kỹ thuật trong năm 2010 [7]. Bảng 1-2 Lựa chọn kết cấu thân trụ chính của cầu Pá Uôn [7]. Chỉ tiêu so Trụ 2 thân Trụ đặc sánh Kích thước Thân trụ: 2x(250 x 600)cm.
Thân trụ: (600 x 800)cm. Khả năng làm Độ cứng kháng uốn dọc cầu Độ cứng kháng uốn dọc cầu nhỏ: việc lớn: Jdọc= 144 m4 ; Jngang = 256m4 –7– Jdọc= 332.5m4 ; Jngang = Nội lực trong thân trụ do nhiệt 90m4 độ, động đất, co ngót, từ biến Nội lực trong thân trụ do lớn. nhiệt độ, động đất, co ngót, từ biến nhỏ. Khối lượng vật 30m3 / m dài 48m3 / m dài liệu Kiến trúc Kết cấu thanh mảnh, có tính Kết cấu nặng nề, kém mỹ quan mỹ quan cao - Với dạng kết cấu thân trụ 2 nhánh tường bản BTCT có chiều dài tự do lớn, cần phải bố trí giằng ngang nhằm đảm bảo khả năng ổn định của các nhánh trong quá trình thi công và khai thác [7].
Bảng 1-3 Số liệu kích thước trụ cầu - số lượng giằng ngang cầu Pá Uôn [7] Trụ chiều cao Khoảng Bề dày Số lượng Bề rộng thân trụ, cách tim 2 thân giằng thân trụ m tường, m tường, m ngang * T5 51 6.0 * mỗi giằng ngang dày 2.0m Các thân trụ chính bị ngập trong lòng hồ, nên việc bố trí DƯL cho thân trụ không có tính khả thi, do đó bố trí cốt thép thường [7].3: Cầu Pá Uôn có trụ cầu cao khi xây dựng [8].4: Cầu Pá Uôn khi nước dâng [9]. Nghiên cứu ứng dụng trụ cầu thân đôi ở cầu Móng Sến Cầu Móng Sến nối 2 điểm đầu cuối của dốc ba tầng trên quốc lộ 4D, là một trong những cung đường khó đi nhất, nguy hiểm nhất khi di chuyển từ TP Lào Cai lên thị xã Sa Pa. Cầu đang được gấp rút hoàn thành các hạng mục cuối cùng. Cầu được xây dựng bằng bê tông cốt thép, bề mặt rộng 14m với 4 làn xe.
Cầu dài 612m, với năm nhịp liên tục. Trong đó, nhịp dài nhất là 132m, được thi công bằng phương pháp dầm hộp đúc hẫng cân bằng. Do bắc qua thung lũng lại có độ cao gần 100m nên công trường cầu Móng Sến thường xuyên có mây mù bao phủ, cả cây cầu như đi xuyên vào mây [10]. –9– Được khởi công từ tháng 2/2020, là một cây cầu cạn cao ở Việt Nam, có ý nghĩa “then chốt” trong xây dựng tuyến đường kết nối cao tốc Nội Bài – Lào Cai đến Khu du lịch quốc gia Sa Pa.
Tuyến đường này hoàn thành sẽ tạo thuận cho việc đi lại của du khách và người dân, thúc đẩy sự phát triển kinh tế xã hội của tỉnh Lào Cai và khu vực Tây Bắc [10].5: Trụ cầu Móng Sến, cao tốc Nội Bài - Lào Cai [10].2 Nhận xét của chương Các nghiên cứu vẫn còn rời rạc và hầu như nghiên cứu chính xác về dạng trụ cầu trụ thân đôi là chưa có, hơn nữa cho đến nay vẫn chưa có tiêu chuẩn Việt Nam nào dành cho việc thiết kế và thi công kết cấu trụ thân đôi. Từ những nền tảng nghiên cứu đã tổng hợp ở trên, có thể thấy rằng các nghiên cứu về ứng xử của kết cấu trụ thân đôi là còn rất ít. Mặc dù trong những năm gần đây dạng trụ cầu này đang dần khẳng định được vị thế của nó, nhất là được áp dụng nhiều hơn cho những cây cầu đặc thù và nổi tiếng về chiều cao trụ cũng như vượt nhịp lớn trong quy mô nước nhà và cả khu vực…Vì vậy cần thiết nghiên cứu chi tiết hơn nữa về khả năng chịu lực cũng như các tác nhân ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của kết trụ thân đôi và so sánh nó với kết cấu trụ thân đơn thông thường để từ đó áp dụng cho hợp lý là điều cấp thiết. – 10 – CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ CỘT 2.1 Cột chịu nén và uốn Cột chịu nén P và mô men uốn M đồng thời thường được gọi là cột chịu nén lệch tâm.
Khi đó, độ lệch tâm của lực dọc sẽ e = M/P. Nếu độ lệch tâm nhỏ, toàn bộ tiết diện sẽ chịu nén. Khi tải trọng tăng lên đến giới hạn, bê tông sẽ bị ép vỡ và cốt thép đạt đến giới hạn chảy. Nếu độ lệch tâm lớn, một phần tiết diện sẽ chịu kéo.
Khi tải trọng tăng đến giới hạn, cột bị phá hoại do cốt thép ở vùng cách xa nhất so với lực dọc đạt đến giới hạn chảy. Khi thiết kế cột chịu nén lệch tâm theo trạng thái giới hạn, kết cấu cột phải thỏa mãn các điều kiện: Mn >= Mu (2.2) Hệ số giảm độ bền = 0.7 đối với cột bố trí cốt thép đai thường, = 0.75 cho đai xoắn (mục 9.1 Tương thích biến dạng và đường cong tương tác: Hình 2.1 Cột chịu nén lệch tâm: ứng suất – biến dạng [11]. – 11 – Giả thiết tiết diện phẳng và tính tương thích biến dạng vẫn được áp dụng khi tính toán kết cấu cột chịu nén lệch tâm. Ở trạng thái giới hạn, biến dạng của cốt thép là s và ’s , biến dạng giới hạn của bê tông vùng nén là u.
Ứng suất của bê tông vùng nén với biểu đồ khối chữ nhật tương đương bằng 0. Chiều cao vùng bê tông chịu nén bằng a = 1c. Sau đây là hai phương trình cơ bản đối với cột tiết diện chữ nhật chịu nén lệch tâm. Phương trình cân bằng lực (hình 2.1) được viết như sau: (2.