Thuyết minh đồ án thiết kế cầu BTCT DƯL nhịp giản đơn - SV: Phan Văn Hải

Tải trọn bộ thuyết minh đồ án thiết kế cầu bê tông cốt thép DƯL nhịp giản đơn. Tài liệu tham khảo đầy đủ, chi tiết cho sinh viên ngành cầu đường.

• Tác giả: Phan Văn Hải
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Văn Toản
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi - Cơ Sở 2
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Giao Thông
• Đề tài: Thiết Kế Cầu Bê Tông Cốt Thép Dư Lực Nhịp Giản Đơn
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đồ Án Cầu BTCT DƯL Nhịp Giản Đơn

Đồ án Cầu BTCT DƯL nhịp giản đơn là một công trình thiết kế quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật công trình giao thông. Đây là một trong những dự án tiêu biểu để hiểu rõ về thiết kế cầu bê tông cốt thép dưới tác dụng của các tải trọng khác nhau. Công trình được thực hiện tại Đại học Thủy Lợi cơ sở 2 với mục tiêu ứng dụng các kiến thức lý thuyết vào thực tế. Chiều dài nhịp tính toán là 30,4 mét, sử dụng tải trọng thiết kế HL-93 để đảm bảo an toàn và độ bền. Kết cấu sử dụng dầm chữ I hoặc T căng sau với phương pháp bán lắp ghép, giúp tối ưu hóa chi phí xây dựng và tiến độ thi công. Đồ án này cung cấp giải pháp toàn diện từ thiết kế cơ sở đến thiết kế kỹ thuật chi tiết.

1.1. Đặc Điểm Kỹ Thuật Cầu BTCT

Cầu bê tông cốt thép là loại công trình giao thông có độ bền cao và khả năng chịu tải tốt. Khổ cầu thiết kế là 9,3 mét, không bao gồm đường bộ hành. Cấp hạng đường qua cầu là VI đồng bằng, tương ứng với cấp kênh VI có khổ thông thuyền 10x2,5 mét. Tần suất lũ thiết kế P = 4%, đảm bảo công trình không bị ngập trong điều kiện lũ lụt thông thường. Kết cấu dầm chủ được thiết kế với chiều cao và chiều rộng phù hợp để tiết kiệm vật liệu và đảm bảo an toàn.

1.2. Mục Tiêu Và Ý Nghĩa Của Đồ Án

Mục tiêu chính của đồ án thiết kế cầu BTCT DƯL nhịp giản đơn là giúp sinh viên nắm vững quy trình thiết kế kỹ thuật công trình giao thông từ A đến Z. Đồ án bao gồm hai phần chính: thiết kế cơ sở và thiết kế kỹ thuật phần trên. Sinh viên phải áp dụng các tiêu chuẩn hiện hành, tính toán chi tiết các tải trọng, và lựa chọn vật liệu hợp lý. Đây là nền tảng quan trọng để sinh viên có thể thiết kế các công trình cầu phức tạp hơn trong tương lai.

II. Quy Mô Công Trình Và Tiêu Chuẩn Kỹ Thuật

Quy mô công trình cầu BTCT DƯL được xác định dựa trên các tiêu chuẩn quốc gia và quy định kỹ thuật hiện hành. Cấp hạng đường qua cầu là VI đồng bằng, quy định khối lượng giao thông và tách trọng tối đa cho phép. Tĩnh không dưới cầu đạt yêu cầu tối thiểu để đảm bảo thông thuyền an toàn cho các phương tiện giao thông thủy. Chiều dài nhịp tính toán 30,4 mét được lựa chọn dựa trên các điều kiện địa hình và yêu cầu kinh tế kỹ thuật. Bình đồ địa hình mặt cắt ngang cung cấp thông tin về độ cao, độ dốc, và địa chất nền. Tải trọng thiết kế HL-93 là tiêu chuẩn quốc tế áp dụng cho các công trình giao thông có tầm quan trọng cao.

2.1. Cấp Hạng Đường Và Yêu Cầu Thiết Kế

Cấp hạng đường VI đồng bằng quy định các yêu cầu kỹ thuật cụ thể về chiều rộng khổ cầu, độ dốc ngang, và bán kính cong. Yêu cầu thiết kế bao gồm tính toán chi tiết các tải trọng tĩnh và động, kiểm tra sức chịu uốn, cắt và xoắn của kết cấu. Công trình phải đáp ứng các tiêu chuẩn về an toàn, bền vững, và tính linh hoạt trong quá trình sử dụng. Các yêu cầu này được quy định trong TCVN và các tiêu chuẩn quốc tế có liên quan.

2.2. Mặt Cắt Ngang Cầu Và Cơ Sở Thiết Kế

Mặt cắt ngang cầu gồm bản mặt cầu, dầm chủ, dầm ngang và các kết cấu phụ trợ khác. Khổ cầu 9,3 mét được chia sẻ giữa làn đường chính và khoảng trống an toàn. Bình đồ địa hình cho biết mực nước thiết kế, mực nước lũ, và độ cao nền móng. Các kết cấu bề mặt được thiết kế để chịu tải trọng và ứng suất phát sinh từ giao thông và các tác động môi trường khác.

III. Giải Pháp Thiết Kế Kết Cấu Và Vật Liệu

Giải pháp thiết kế kết cấu cầu BTCT DƯL nhịp giản đơn được lựa chọn dựa trên các nguyên tắc tối ưu kinh tế, an toàn kỹ thuật và khả năng thi công. Kết cấu dầm chữ I hoặc T căng sau cho phép giảm bớt chiều cao dầm và tiết kiệm vật liệu. Phương pháp bán lắp ghép giúp rút ngắn thời gian thi công và tăng chất lượng công trình do sản xuất tại nhà máy. Bản mặt cầu được tính toán để chịu đựng tải trọng bánh xe và lực mài mòn. Cốt thép thường được sử dụng với lực kéo mẻ 300-400 MPa tùy theo loại. Thép kết cấu được lựa chọn từ các loại có độ bền cao để tối ưu hóa các chi tiết kết nối và móng.

3.1. Lựa Chọn Vật Liệu Và Kết Cấu Dầm Chủ

Dầm chủ bê tông cốt thép sử dụng bê tông cường độ cao với lực nén thiết kế từ 25-35 MPa. Cốt thép cao su được bố trí theo tính toán để chịu lực kéo phát sinh từ mômen uốn. Cốt thép xoắn được sử dụng để chịu lực xoắn và cắt. Dầm chữ I hoặc T giúp tăng moment quán tính so với kích thước mặt cắt, cho phép giảm bớt chiều cao dầm. Các chi tiết như bố trí thép, khoảng cách tấm dấu, và độ bao phủ bê tông được tính toán chi tiết.

3.2. Thiết Kế Bản Mặt Cầu Và Kết Cấu Phụ

Bản mặt cầu được thiết kế như tấm hình chữ nhật hỗ trợ hai đầu chịu tải trọng bánh xe tập trung. Chiều dày bản được xác định từ yêu cầu độ cứng và ứng suất cho phép. Cốt thép mặt được bố trí theo hai hướng chính để phân tán tải trọng đều. Các kết cấu phụ như bộ hành, tường chắn, và đầu cầu được thiết kế phù hợp với điều kiện địa hình và yêu cầu kỹ thuật.

IV. Tính Toán Thiết Kế Và Biện Pháp Thi Công

Tính toán thiết kế sơ bộ cho công trình cầu BTCT DƯL bao gồm xác định các tải trọng thiết kế, phân bổ tải cho các dầm chủ, và tính toán ứng suất. Tải trọng thiết kế HL-93 bao gồm tải trọng giao thông chuẩn (HS20-44 hoặc HL-93) kết hợp với tải trọng bông (lane load). Tải trọng lũ, sóng và gió được xem xét tùy theo địa vị công trình. Các tổ hợp tải được lập theo quy định với các hệ số an toàn phù hợp. Kiến trúc hình học bao gồm tính tổng bề rộng cầu, chọn số lượng dầm chủ, chiều cao dầm và bản mặt. Biện pháp thi công được lập để đảm bảo tuân thủ quy trình, chất lượng công trình, an toàn lao động và bảo vệ môi trường.

4.1. Phương Pháp Tính Toán Tải Trọng Và Ứng Suất

Tải trọng thiết kế HL-93 được áp dụng để tính toán các dầm chủ theo phương pháp phân tích kết cấu thanh. Tải trọng giao thông được phân bổ cho các dầm chủ dựa trên các hệ số phân bổ được quy định. Moment uốn tối đa xảy ra ở giữa nhịp dầm và được tính toán chi tiết. Lực cắt tối đại ở vùng tựa cần được kiểm tra cẩn thận. Các tổ hợp tải độc lập được xem xét: tải trọng tĩnh + tải động, tải trọng không cân đối, và các tác động khác.

4.2. Biện Pháp Tổ Chức Thi Công Chính

Biện pháp thi công bao gồm các công đoạn: san gạt mặt bằng, xây dựng móng, lắp đặt các dầm chủ, rót bê tông bản mặt, lắp đặt lan can và các chi tiết hoàn thiện. Phương pháp bán lắp ghép cho phép sản xuất dầm chủ tại nhà máy theo tiêu chuẩn cao, sau đó vận chuyển và lắp đặt tại công trường. Các biện pháp an toàn và bảo vệ môi trường được tuân thủ nghiêm ngặt trong quá trình thi công.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: QUY MÔ CÔNG TRÌNH VÀ TIÊU CHUẨN KỸ THUẬT 1.1 CẤP HẠNG CÔNG TRÌNH 1.1 Cấp hạng đường Đường hai đầu cầu thiết kế theo tiêu chuẩn đường cấp IV đồng bằng, tốc độ thiết kế 60Km/h (TCVN 4054-2005).2 Tĩnh không dưới cầu Khổ thông thuyền: Theo văn bản quy định cấp kỹ thuật đường thuỷ nội địa Việt Nam (Thông tư 46/2016/TT-BGTVT). Kênh thông thuyền cấp VI, khổ thông thuyền B = 10m, H = 2. Mực nước thông thuyền H5% = …m, mực nước lũ thiết kế H4% = …m (Theo hệ toạ độ VN2000, hệ cao độ quốc gia Hòn Dấu, lấy gốc tọa độ địa phương tương đối tại đáy sông).3 Yêu cầu thiết kế 1.1 Phần cầu Tải trọng thiết kế cầu: HL93, người đi bộ: 0kG/m2. Tần suất lũ thiết kế: P= 4 %.

Khổ thông thuyền: BxH = 10 x 2. Cấp động đất: VII Vận tốc gió cơ bản: 45m/s. Độ ẩm trung bình năm: 85%. Các tải trọng khác tuân thủ: Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05.2 Phần đường Từ cấp hạng công trình đã xác định ở trên, các tiêu chí thiết kế (căn cứ theo TCVN 4054-2005) chủ yếu sẽ được áp dụng là: Bảng 1 Chỉ tiêu thiết kế tổng thể hình học công trình Hạng mục Đơn vị Trị số A.

Tốc độ thiết kế km/h 60 Đồ án Thiết kế Cầu BTCT1 SV: Phan Văn Hải –3– B. Bình diện tuyến - Độ dốc siêu cao lớn nhất % 4 - Bán kính cong nằm tối thiểu m 250 - Chiều dài tầm nhìn trước chướng ngại vật cố định m 75 - Chiều dài tầm nhìn thấy xe ngược chiều m 150 C. Mặt cắt dọc tuyến - Độ dốc dọc lớn nhất % 6 - Bán kính đường cong đứng lồi nhỏ nhất m 4000 - Bán kính đường cong đứng lõm nhỏ nhất m 1500 - Chiều dài tối thiểu của đường cong đứng m 50 D. Các yếu tố mặt cắt ngang - Chiều rộng làn cơ giới (2 làn) m 7 - Chiều rộng làn hỗn hợp (.

- Chiều rộng dải an toàn m. - Độ dốc ngang mặt đường thông thường % 1. Kết cấu mặt đường - Môđun đàn hồi yêu cầu MPa 160 1.2 MẶT CẮT NGANG CẦU VÀ ĐƯỜNG 1.1 Mặt cắt ngang cầu Mặt cắt ngang cầu có tổng chiều rộng : Bcầu = 10.1 m Chiều rộng phần xe chạy : Bxe_chạy = 9.3 m Lan can : Blan_can = 2x0. m 4 Dải phân cách cố định : Bphân_cách = … m Đồ án Thiết kế Cầu BTCT1 SV: Phan Văn Hải –4– Độ dốc ngang mặt cầu : ingang = 1.5-2 % Độ dốc dọc cầu dẫn : idọc_max = 4 % 1.2 Mặt cắt ngang đường Chiều rộng mặt đường : Bmặt_đường = 10 m Chiều rộng nền đường : Bnền_đường = 9 m Chiều rộng lề đất : Blề_đất = 2x0.

m 5 Độ dốc ngang mặt đường : imặt = 2 % Độ dốc ngang lề đất : ilề = 6 % 1.3 QUY TRÌNH QUY PHẠM ÁP DỤNG - Tiêu chuẩn thiết kế đường ôtô TCVN 4054 - 2005. - Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272 - 05. - Quy trình thiết kế áo đường mềm 22 TCN 211 - 06. - Điều lệ báo hiệu đường bộ 22TCN 237 - 01.

- Tính toán dòng chảy tính lũ TCVN 9845-2013. - Công trình giao thông trong vùng có động đất - Tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 211 - 95 Đồ án Thiết kế Cầu BTCT1 SV: Phan Văn Hải –5– CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP THIẾT KẾ 2.1 NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ 2.1 Nguyên tắc thiết kế Các phương án đề xuất cho cầu … được phải đảm bảo được các nguyên tắc thiết kế sau:  Phù hợp với điều kiện tự nhiên tại vị trí xây dựng cầu (đặc biệt là điều kiện địa chất và thuỷ lực, thuỷ văn);  Thoả mãn khẩu độ thoát nước và yêu cầu giao thông đường sông;  Kết cấu áp dụng có tính khả thi thông dụng phù hợp công nghệ hiện tại;  Thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật trong thiết kế và khai thác;  Đáp ứng các yêu cầu kiến trúc, cảnh quan;  Kết cấu cầu phải đảm bảo tận dụng được vật liệu địa phương và vật liệu trong nước;  Thi công thuận lợi, thời gian thi công ngắn ít ảnh hưởng đến môi sinh;  Giảm thiểu chi phí xây dựng, đơn giản duy tu bảo dưỡng.2 Lựa chọn chiều dài nhịp chính  Phù hợp với điều kiện địa hình, địa chất, thuỷ văn khu vực xây dựng cầu.  Là điểm nhấn kiến trúc trong tổng thể công trình và không gian khu vực.  Thoả mãn yêu cầu thông thuyền, kết cấu nhịp chính có khẩu độ lớn đảm bảo yêu cầu khổ thông thuyền [H = 10m; B = 2.

 Hạn chế tối đa ảnh hưởng tới khả năng thoát nước dưới cầu.  Khả năng thi công của các đơn vị thi công.  Giá thành xây dựng hợp lý. Đồ án Thiết kế Cầu BTCT1 SV: Phan Văn Hải –6– 2.2 GIẢI PHÁP KẾT CẤU MÓNG Thực tế các công trình cầu hiện nay có nhiều loại kết cấu móng được sử dụng nhưng thông dụng nhất là loại móng cọc khoan nhồi và cọc đóng vì khả năng chịu lực cao, công nghệ thi công đã được các nhà thầu nắm vững.

Kiến nghị : Chọn loại kết cấu móng là móng cọc khoan nhồi, trong các phương án thiết kế cơ sở sử dụng: Cọc khoan nhồi D1.0m sử dụng cho móng trụ và mố. Đồ án Thiết kế Cầu BTCT1 SV: Phan Văn Hải –7– CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ SƠ BỘ 3.1 THIẾT KẾ LỰA CHỌN VẬT LIỆU CHUNG Các vật liệu chính sử dụng xây lắp gồm: 3.1 Bê tông Bê tông theo tiêu chuẩn ASTM: Bảng 2 Lựa chọn cấp bê tông cho từng bộ phận kết cấu Khối lượng Cường độ chịu Module đàn Phần kết cấu riêng γc nén f’c (MPa) hồi Ec (MPa) (kg/m3) Kết cấu nhịp - Dầm chính 40 2400 31975 - Dầm phụ 40 2400 31975 - Bản mặt cầu 30 2350 26830 Mố trụ 30 2350 26830 Móng 25 2350 24493 Bê tông lót 10 2300 14999 3.2 Cốt thép thường Cốt thép thường theo tiêu chuẩn TCVN 1651-2008 “Thép cốt bê tông” hoặc tương đương: Bảng 3 Bảng thép cốt bê tông theo TCVN 1651-2008 Giới hạn chảy Giới hạn bền nhỏ Loại thép Mác thép nhỏ nhất (MPa) nhất (MPa) Thép tròn trơn CB240-T 240 380 Thép có gờ CB300-V 300 450 Thép có gờ CB400-V 400 570 Đồ án Thiết kế Cầu BTCT1 SV: Phan Văn Hải –8– 3.3 Cốt thép DƯL Cáp dự ứng lực sử dụng loại tao 15.2mm (hoặc tao 12.7mm) gồm 7 sợi, có độ chùng thấp theo tiêu chuẩn ASTM A416-90a, cấp 270. Các đặc tính của cáp dự ứng lực như sau: Giới hạn bền : fpu = 1860 MPa Giới hạn chảy : fpy = 1670 MPa Môđun đàn hồi : Eps = 197 000 MPa 3.4 Thép kết cấu Thép kết cấu sử dụng phù hợp với tiêu chuẩn M 270M (ASTM A709), cấp 345W hoặc tương đương, phải thỏa mãn các tiêu chuẩn về thép kết cấu hàn được của AASHTO, ASTM hoặc tương đương, có đặc trưng cơ lý như sau: Giới hạn bền : Fu = 485 MPa. Giới hạn chảy : Fy = 345 MPa.

Mô đun đàn hồi : E = 200 000 MPa. Hệ số dãn nở nhiệt :  = 11.7 x 10-6 mm/mm/oC 3.2 THIẾT KẾ KIẾN TRÚC HÌNH HỌC 3.1 Kết cấu phần trên 3.1 Tính tổng bề rộng cầu  Lựa chọn lan can: Cấp lan can: cấp thiết kế L3 Vật liệu: BTCT Bề rộng chân lan can: Blc = 0. Chiều cao lan can: 960mm (tính từ mặt đường)  Tổng bề rộng cầu: B = Bxe + 2B lc = 9. Đồ án Thiết kế Cầu BTCT1 SV: Phan Văn Hải –9– 3.2 Chọn số lượng dầm chủ và chiều dài nhịp hẫng - Căn cứ vào số liệu đầu bài chọn sơ bộ: Ndc = 5 - Khoảng cách giữa các dầm chủ: điều kiện (1.3 Chiều cao bản mặt cầu - Chiều cao bản mặt cầu: chọn Hb=200(mm) 200 Hình 3.1Chiều cao bản mặt cầu 3.4 Chiều cao dầm chủ - Tối thiểu: Hdc = 0.8(m) - Theo kinh nghiệm: (m) (m) - Theo số liệu đầu bài: 27.5(m) Kích thước của tiết diện dầm chủ tiết diện chữ I bán lắp ghép: =>chọn mặt cắt ngang dầm I30, chiều cao Hdc = 1600 (mm) Đồ án Thiết kế Cầu BTCT1 SV: Phan Văn Hải – 10 – => chiều dài dầm chủ Ldc=Ltt+2  =30.1(m) 850 850 100 650 100 100 650 100 120 120 80 80 34 110 225 200 225 840 1600 1600 200 200 200 V¸T GãC 20x20 250 V¸T GãC 20x20 250 640 650 ĐẦU DẦM GIỮA DẦM Hình 3.2 Tiết diện dầm chủ 3.5 Dầm ngang - Chọn số lượng dầm ngang: Với chiều dài nhịp tính toán L tt = 30.4 (m) có thể bố trí n=7 dầm ngang (2 dầm ở vị trí gối cầu và 5 dầm ở vị trí trung gian) Khoảng cách dầm ngang: 4m < Sdn< 6m.

Chọn Sdn=5(m) (thỏa mãn) cho giữa dầm.2(m) cho đầu dầm. - Kích thước tiết diện dầm ngang: -Bề rộng: bn=200(mm) Đồ án Thiết kế Cầu BTCT1 SV: Phan Văn Hải – 11 – -Chiều cao: Giữa dầm: Hdn=Hdc-[chiều dày tấm đan]-[chiều cao bầu dưới] => Hdn=Hdc-80-250=1600-80-250=1270(mm) -Chiều dài một dầm ngang: Ln=2050-200=1850(mm) 3.6 Mặt cắt ngang cầu 10100 400 4650 4650 400 2% 2% 1400 950 2050 2050 2050 2050 950 Hình 3.3 Mặt cắt ngang dầm 3.2 Biện pháp tổ chức thi công chính Cầu được thi công xây lắp theo biện pháp bán lắp ghép. - Kết cấu phần dưới: Thi công đổ tại chỗ - Kết cấu phần trên: Bán lắp ghép Đồ án Thiết kế Cầu BTCT1 SV: Phan Văn Hải – 12 – PHẦN 2: THIẾT KẾ KỸ THUẬT Đồ án Thiết kế Cầu BTCT1 SV: Phan Văn Hải – 13 – CHƯƠNG 4: CÁC SỐ LIỆU CHUNG 4.1 GIỚI THIỆU CHUNG 4.1 Thông số thiết kế kỹ thuật - Dầm chủ: Chữ I, cao 1600 (mm) - Mặt cắt ngang cầu rộng: 10. - Bản mặt cầu BTCT dày: 200 (mm) - Dầm ngang: Tiết diện chữ nhật kích thước: 200 x 1800 (mm) - Độ dốc ngang mặt cầu là 2% và được tạo bằng bản cánh trên.

- Mặt cầu bao gồm : Lớp bê tông astphan dày 7.5cm, lớp phòng nước dày 4mm. - Trụ thân đặc bằng BTCT đổ tại chỗ. Móng trụ sử dụng cọc khoan nhồi DK=1. - Mố chữ U cải tiến bằng BTCT.

Móng mố sử dụng cọc khoan nhồi ĐK=1.2 Tiêu chuẩn thiết kế [1]. Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN272-05; [2]. Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế, TCVN 2737 : 1995; [3]. Thiết kế công trình chịu động đất, TCVN 375 : 2006; [4].

AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, Third Edition 2004; [5]. AASHTO LRFD Construction Specifications, 2002 Interim Edition; [6].2 ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU Một số vật liệu kết cấu sử dụng chính và đặc trưng như sau: 4.1 Bê tông Bê tông theo tiêu chuẩn AASHTO T22 “Compressive Strength of Cylindrical Concrete Specimens” và AASHTO T23 “Marking and Curing Concrete Test Specimens in the Field” (hoặc ASTM, tiêu chuẩn khác tương đương). Đồ án Thiết kế Cầu BTCT1 SV: Phan Văn Hải – 14 – 4.