Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế cầu - Thiết kế sơ bộ" do sinh viên Nguyễn Huy Hoàng (Lớp Cầu Đường Bộ 2 - K56, Trường Đại học Giao thông Vận tải - Phân hiệu tại TP. Hồ Chí Minh) thực hiện năm 2018 dưới sự hướng dẫn của GVHD Nguyễn Thạc Quang. Đề tài tập trung vào việc thiết kế sơ bộ công trình cầu đường bộ vượt sông nhằm đáp ứng nhu cầu giao thông khu vực và bảo đảm an toàn khai thác đường thủy nội địa.
Bối cảnh thực tế của đề tài đặt ra yêu cầu xây dựng cầu vượt qua sông cấp V, kết nối tuyến giao thông đường bộ có vận tốc thiết kế $V_{tk} = 60\text{ km/h}$. Việc lựa chọn khẩu độ nhịp, cao độ đáy dầm và trắc dọc công trình phải giải quyết đồng thời bài toán thoát nước lũ, tĩnh không thông thuyền và tĩnh không an toàn đối với đường dây điện cao thế chạy qua khu vực cầu.
Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu/thiết kế kỹ thuật được văn bản xác định cụ thể theo các bước sau:
- Xác định mặt cắt ngang sông, khổ thông thuyền cấp V ($B_{tt} = 25\text{ m}$, chiều cao tĩnh không thông thuyền $H_{tt} = 3,5\text{ m}$, tĩnh không dây điện $h = 8\text{ m}$).
- Xác định sơ bộ chiều dài toàn cầu ($L_{cầu} = 176,7\text{ m}$), chiều dài nhịp giữa và nhịp biên ($L = 33\text{ m}$), cao độ đáy dầm dựa trên mực nước thông thuyền (MNTT) và mực nước cao nhất (MNCN).
- Thiết kế trắc dọc tuyến với bán kính đường cong đứng lồi $R = 5500\text{ m}$, chiều dài đường cong đứng tối thiểu $L = 50\text{ m}$ theo quy chuẩn đường ô tô.
- Đề xuất và cấu tạo sơ bộ 02 phương án kết cấu nhịp: Phương án cầu dầm bê tông cốt thép (BTCT) dự ứng lực (DƯL) căng sau và Phương án cầu dầm thép liên hợp bản bê tông cốt thép.
- Tính toán chi tiết phương án dầm BTCT DƯL căng sau: xác định kích thước dầm chủ, dầm ngang, đặc trưng hình học tiết diện nguyên và tiết diện quy đổi, hệ số phân bố hoạt tải theo mô men uốn và lực cắt, tĩnh tải các giai đoạn, tổ hợp nội lực Trạng thái giới hạn (TTGH) Cường độ I ở giữa nhịp, lựa chọn bố trí cáp DƯL (7 tao $15,2\text{ mm}$), kiểm tra tải trọng tác dụng lên mố, trụ và tính toán sức chịu tải móng cọc đài cao.
- Tính toán chi tiết phương án dầm thép liên hợp bản BTCT: chọn kích thước hình học dầm thép chữ I và hệ liên kết ngang, liên kết dọc, xác định đặc trưng hình học tiết diện liên hợp, hệ số phân bố hoạt tải, tĩnh tải các giai đoạn, tổ hợp nội lực TTGH Cường độ I tại mặt cắt giữa nhịp và kiểm tra phản lực chân công trình.
Đối tượng nghiên cứu là kết cấu công trình cầu đường bộ nhịp giản đơn và móng mố trụ trên nền đất dính. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở giai đoạn thiết kế sơ bộ kết cấu nhịp $5 \times 33\text{ m}$, địa tầng khảo sát tại khu vực sông cấp V và áp dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành tại Việt Nam năm 2018.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án sử dụng khung lý thuyết tính toán kết cấu công trình giao thông theo nguyên lý hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD), kết hợp phương pháp cơ học đất nền và móng mố trụ cầu:
- Tiêu chuẩn thiết kế cầu TCVN 11823-2017: Áp dụng để xác định khổ thông thuyền, tổ hợp tải trọng thiết kế (tĩnh tải $DC, DW$, hoạt tải xe thiết kế HL-93, tải trọng người đi bộ $PL$), hệ số điều chỉnh tải trọng ($\eta = \eta_D \cdot \eta_R \cdot \eta_I = 1,0 \times 1,0 \times 1,05 = 1,05$), công thức thực nghiệm xác định hệ số phân bố ngang dầm trong và phương pháp đòn bẩy cho dầm biên.
- Tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô TCVN 4054-2005: Áp dụng để tính toán các chỉ tiêu kỹ thuật trắc dọc tuyến với cấp tốc độ $60\text{ km/h}$.
- Tiêu chuẩn vật liệu cáp và cốt thép: Tiêu chuẩn ASTM A416-85 cấp 270 cho cáp dự ứng lực tự chùng thấp (bó 7 tao đường kính $15,2\text{ mm}$, cường độ kéo đứt $f_{pu} = 1860\text{ MPa}$, giới hạn chảy $f_{py} = 1670\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_p = 197000\text{ MPa}$); cốt thép thường ASTM A615M Grade 420 ($f_y = 420\text{ MPa}$).
- Phương pháp tính toán sức kháng của cọc trong đất nền: Phương pháp $\alpha$ theo tiêu chuẩn của Viện Dầu khí Hoa Kỳ (API) áp dụng cho nền đất sét bão hòa, xác định sức kháng ma sát thân cọc ($R_s$) và sức kháng chống mũi cọc ($R_p$) qua cường độ kháng cắt không thoát nước ($S_u$).
Phương pháp nghiên cứu trong đồ án là phương pháp giải tích kỹ thuật và mô hình hóa tải trọng tĩnh - động:
- Phương pháp quy đổi tiết diện hình học dầm chữ I vút cạnh phức tạp về tiết diện chữ nhật tương đương nhằm xác định diện tích mặt cắt ($A$), tọa độ trọng tâm ($Y_c$) và mômen quán tính ($I$).
- Phương pháp đường ảnh hưởng (ĐAH) kết hợp xếp tải bất lợi nhất đối với xe tải 3 trục ($35\text{ kN} - 145\text{ kN} - 145\text{ kN}$), xe 2 trục ($110\text{ kN} - 110\text{ kN}$) và tải trọng làn rải đều $9,3\text{ kN/m}$ có xét hệ số xung kích và hệ số làn.
- Phương pháp tách giai đoạn chịu tải: Giai đoạn I (kết cấu tự mang trọng lượng khi bê tông bản chưa đạt cường độ hoặc dầm thép chịu tải bản mặt cầu ướt) và Giai đoạn II (kết cấu liên hợp cùng chịu tĩnh tải lớp phủ, lan can, lề bộ hành và hoạt tải khai thác).
Dữ liệu đầu vào bao gồm: số liệu trắc dọc, trắc ngang sông cấp V, cao trình mực nước thiết kế; chỉ tiêu cơ lý địa chất nền đất sét bão hòa với thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn ($N = 30$ tại độ sâu $25,1\text{ m}$); cường độ nén bê tông dầm chủ $f'_c = 45\text{ MPa}$ (dầm BTCT) hoặc dầm thép $E = 200000\text{ MPa}$, bê tông bản mặt cầu và dầm ngang $f'_c = 35\text{ MPa}$.
Thiết kế và triển khai phương án kết cấu
Đồ án đã thiết lập và so sánh hai phương án kết cấu nhịp hoàn chỉnh với các thông số thiết kế sơ bộ chi tiết như sau:
| Thông số kỹ thuật |
Phương án 1: Dầm BTCT DƯL căng sau |
Phương án 2: Dầm thép liên hợp bản BTCT |
| Sơ đồ nhịp |
$5 \times 33\text{ m}$ nhịp giản đơn |
$5 \times 33\text{ m}$ nhịp giản đơn |
| Chiều dài toàn cầu ($L_{cầu}$) |
$176,7\text{ m}$ |
$176,3\text{ m}$ |
| Số lượng dầm chủ trên mặt cắt ($N_b$) |
6 dầm (khoảng cách $S = 2000\text{ mm}$) |
6 dầm (khoảng cách $S = 2000\text{ mm}$) |
| Chiều cao dầm chủ ($H$) |
$1600\text{ mm}$ |
$1400\text{ mm}$ (Bản bụng $1340 \times 20\text{ mm}$) |
| Bản cánh dầm |
Bầu dưới $650\text{ mm}$, cánh trên $850\text{ mm}$ |
Cánh nén $400 \times 30\text{ mm}$, cánh kéo $600 \times 30\text{ mm}$ |
| Bản mặt cầu BTCT ($h_f$) |
Dày $180\text{ mm}$, bê tông $f'_c = 35\text{ MPa}$ |
Dày $180\text{ mm}$ + vút bản $120\text{ mm}$ ($f'_c = 35\text{ MPa}$) |
| Chiều cao dầm liên hợp ($H_{lh}$) |
$1800\text{ mm}$ |
$1700\text{ mm}$ |
| Tĩnh tải giai đoạn I ($DC_I$) |
$26,078\text{ kN/m}$ |
$11,343\text{ kN/m}$ |
| Tĩnh tải giai đoạn II ($DC_{II}, DW$) |
$DC_{II} = 12,555\text{ kN/m}; DW = 4,089\text{ kN/m}$ |
$DC_{II} = 12,555\text{ kN/m}; DW = 4,089\text{ kN/m}$ |
| Tổng tĩnh tải tác dụng ($DC$) |
$38,633\text{ kN/m}$ |
$23,898\text{ kN/m}$ |
| Hệ số phân bố mômen dầm trong ($m_{gg}$) |
$0,559$ |
$0,537$ |
| Hệ số phân bố mômen dầm biên ($m_g$) |
Xe: $0,60$; Làn: $0,625$; Bộ hành: $0,875$ |
Xe: $0,60$; Làn: $0,625$; Bộ hành: $0,875$ |
| Mômen tĩnh tải dầm giữa ($M_{DC}$) |
$5069,422\text{ kN}\cdot\text{m}$ |
$3135,896\text{ kN}\cdot\text{m}$ |
| Mômen hoạt tải xe giữa nhịp ($M_{HL93}$) |
$2252,75\text{ kN}\cdot\text{m}$ |
$2245,50\text{ kN}\cdot\text{m}$ |
| Bố trí kết cấu phần dưới |
Trụ thân hẹp ($8 \times 1,5\text{ m}$), mố chữ U |
Trụ thân hẹp, mố chữ U |
| Móng cọc đài cao |
Cọc vuông BTCT $400 \times 400\text{ mm}$ |
Cọc vuông BTCT $400 \times 400\text{ mm}$ |
Nội dung chính theo từng chương
Phần I: Lên phương án cầu
Phần này trình bày công tác định hình tuyến, xác định khẩu độ cầu và so sánh tổng quan hai phương án kết cấu:
- Xác định thông số hình học và thủy văn: Sông cấp V quy định bề rộng thông thuyền $B_{tt} = 25\text{ m}$, chiều cao tĩnh không $H_{tt} = 3,5\text{ m}$, tĩnh không an toàn dây điện $h = 8\text{ m}$. Bề rộng trụ chọn $B_{trụ} = 1,75\text{ m}$, dẫn đến chiều dài nhịp giữa tính toán $L_{giữa} \ge 25 + 4 + 1,75 = 30,75\text{ m}$; chọn nhịp giữa và nhịp biên thống nhất $L = 33\text{ m}$. Bán kính đường cong đứng lồi chọn $R = 5500\text{ m}$ (vượt yêu cầu tối thiểu giới hạn $2500\text{ m}$ của TCVN 4054-2005).
- Đề xuất hai phương án kết cấu:
- Phương án a (Cầu dầm BTCT DƯL căng sau): Sơ đồ $5 \times 33\text{ m}$, tổng chiều dài $L_{cầu} = 176,7\text{ m}$. Mặt cắt ngang gồm 6 dầm chủ chữ I cách nhau $2\text{ m}$, cánh hẫng $1\text{ m}$, bản mặt cầu dày $180\text{ mm}$, lớp phủ $100\text{ mm}$, độ dốc ngang $i = 2%$, lề người đi bộ cùng mức ngăn cách bằng vạch sơn. Dọc nhịp bố trí 5 mặt cắt dầm ngang (tại gối, $L/4, L/2$) gồm tổng cộng 25 dầm ngang. Mố chữ U và trụ thân hẹp bằng BTCT.
- Phương án b (Cầu thép liên hợp bản BTCT): Sơ đồ $5 \times 33\text{ m}$, chiều dài toàn cầu $L_{cầu} = 176,3\text{ m}$. Mặt cắt ngang giữ nguyên quy mô 6 dầm chủ, khoảng cách $2\text{ m}$, bản mặt cầu BTCT dày $180\text{ mm}$ đổ tại chỗ liên hợp với dầm thép chế tạo sẵn.
Phần II: Phương án cầu dầm bê tông DƯL căng sau
Phần này tập trung tính toán chi tiết toàn bộ các bộ phận của phương án dầm BTCT DƯL căng sau:
- Kích thước dầm chủ và quy đổi tiết diện: Dầm chữ I cao $H = 1600\text{ mm}$, bề rộng bầu dưới $b_1 = 650\text{ mm}$, bề rộng sườn $b_2 = 200\text{ mm}$, bề rộng cánh trên $b_3 = 850\text{ mm}$, chiều cao dầm liên hợp $h = 1800\text{ mm}$. Tiết diện giữa nhịp quy đổi có chiều dày bản cánh $h'_c = 210\text{ mm}$, chiều dày bầu $h'_b = 350\text{ mm}$, chiều cao sườn $h's = 1040\text{ mm}$. Dầm ngang đúc tại chỗ kích thước $H_n = 1300\text{ mm}, b_n = 2000\text{ mm}, l_n = 300\text{ mm}$. Bề rộng hữu hiệu bản cánh $B{ef} = 2000\text{ mm}$ cho cả dầm trong và dầm biên.
- Đặc trưng hình học:
- Tiết diện trên gối: Diện tích $A = 1.067.400\text{ mm}^2$, trọng tâm $Y_c = 800,73\text{ mm}$, mô men quán tính $J_c = 2,63 \times 10^{11}\text{ mm}^4$.
- Tiết diện giữa dầm không liên hợp: $A = 614.000\text{ mm}^2$, $Y_c = 794,186\text{ mm}$, $I = 1,966 \times 10^{11}\text{ mm}^4$.
- Tham số độ cứng dọc: Tỷ số mô đun đàn hồi $n = E_{c_dầm} / E_{c_bản} = 3,278 \times 10^4 / 2,956 \times 10^4 = 1,109$; diện tích liên hợp $A = 649.750\text{ mm}^2$, khoảng cách trọng tâm $e_g = 884,186\text{ mm}$, độ cứng dọc $K_g = 1,109 \times 10^{11}\text{ mm}^4$.
- Hệ số phân bố hoạt tải và tĩnh tải tác dụng:
- Phân bố mômen: Dầm giữa nhận $m_{gg} = \max(0,426; 0,559) = 0,559$; dầm biên (quy tắc đòn bẩy) $m_{g_xe} = 0,60$, $m_{g_làn} = 0,625$, $m_{g_người} = 0,875$.
- Tĩnh tải Giai đoạn I: $DC_{dc} = 15,371\text{ kN/m}$, $DC_{bmc} = 8,193\text{ kN/m}$, $DC_{dn} = 2,036\text{ kN/m}$, $DC_{vk} = 0,478\text{ kN/m} \rightarrow DC_I = 26,078\text{ kN/m}$.
- Tĩnh tải Giai đoạn II: Lan can tay vịn $DC_{II} = 12,555\text{ kN/m}$, lớp phủ mặt cầu $DW = 4,089\text{ kN/m}$. Tổng tĩnh tải $DC = 38,633\text{ kN/m}$.
- Tổ hợp nội lực và bố trí cốt thép DƯL:
- Nội lực giữa nhịp: $M_{DC} = 5069,422\text{ kN}\cdot\text{m}$, $M_{DW} = 536,559\text{ kN}\cdot\text{m}$, hoạt tải xe HL-93 $M_{HL93} = 2252,75\text{ kN}\cdot\text{m}$, người đi bộ $M_{PL} = 688,905\text{ kN}\cdot\text{m}$.
- Mômen uốn tính toán TTGH Cường độ I: $M_u = 15.887,157\text{ kN}\cdot\text{m}$.
- Tính toán cáp DƯL: Diện tích cáp cần thiết $A_{ps} = 59.101,28\text{ mm}^2$. Chọn 7 bó cáp loại 7 tao $15,2\text{ mm}$ ASTM A416-85 cấp 270 (tổng diện tích bố trí $A_{ps} = 68.600\text{ mm}^2$).
- Tính toán kết cấu phần dưới và móng cọc:
- Hệ số phân bố lực cắt: Dầm trong $m_{gv} = 0,721$; dầm biên $m_g = 0,60$.
- Trụ thân hẹp: Mũ trụ $1,75 \times 11,6\text{ m}$, thân trụ cao $8\text{ m}$, bề rộng $8\text{ m}$, bề dày $1,5\text{ m}$ (bo tròn bán kính $R = 0,75\text{ m}$), bệ trụ $4 \times 10 \times 1,2\text{ m}$. Trọng lượng trụ $P_{trụ} = 3648,937\text{ kN}$, phản lực gối kết cấu nhịp $R_{DC} = 7649,334\text{ kN}$, $R_W = 809,622\text{ kN}$, lực đẩy Archimedes $P_{Acimet} = 1257,838\text{ kN}$. Tổng tải trọng TTGH Cường độ I ở đáy bệ trụ đạt $17.164\text{ kN}$.
- Móng cọc trụ: Cọc vuông $400 \times 400\text{ mm}$, bê tông $f'c = 28\text{ MPa}$, cốt thép dọc 8$\phi$20 ($f_y = 420\text{ MPa}$). Mũi cọc tựa tại độ sâu $25,1\text{ m}$ ($N = 30$). Sức kháng dọc trục theo vật liệu $R{vl} = 2881,952\text{ kN}$; sức kháng theo đất nền $R_R = 848,738\text{ kN}$ (kháng mũi $R_p = 181,44\text{ kN}$, kháng ma sát thân $R_s = 1334,163\text{ kN}$, hệ số sức kháng $\phi_{sta} = 0,56$). Sức chịu tải thiết kế cọc $R_0 = 848,738\text{ kN}$. Số lượng cọc trụ tính toán $n = 1,0 \times 17164 / 848,738 = 20,22 \rightarrow$ Chọn bố trí 21 cọc.
- Mố chữ U: Chiều rộng mũ mố $b_m = 850\text{ mm}$, dài $12.000\text{ mm}$, tường đỉnh cao $2310\text{ mm}$ dày $400\text{ mm}$, tường thân cao $3870\text{ mm}$, tường cánh dày $500\text{ mm}$. Trọng lượng bản thân mố $P_{MỐ} = 3311,395\text{ kN}$, phản lực nhịp $R_{DC1} = 3824,667\text{ kN}$, $R_{DW} = 404,811\text{ kN}$, áp lực đất thẳng đứng $V_1 = 2217,238\text{ kN}$. Tổng tải trọng TTGH Cường độ I ở đáy bệ mố là $14.457,866\text{ kN}$. Số lượng cọc mố tính toán $n = 17,034 \rightarrow$ Chọn bố trí 18 cọc vuông $400 \times 400\text{ mm}$.
Phần III: Phương án cầu thép liên hợp bản bê tông cốt thép
Phần này trình bày chi tiết các thông số dầm thép và kết cấu liên hợp:
- Kích thước hình học và cấu tạo dầm thép: Chiều cao dầm thép $H_{sb} = 1400\text{ mm}$ (gồm bản bụng $D_w = 1340\text{ mm}, t_w = 20\text{ mm}$; bản cánh chịu nén $b_c = 400\text{ mm}, t_c = 30\text{ mm}$; bản cánh chịu kéo $b_t = 600\text{ mm}, t_t = 30\text{ mm}$). Bản mặt cầu BTCT dày $t_s = 180\text{ mm}$ kết hợp vút bản $t_h = 120\text{ mm}$, nâng tổng chiều cao dầm liên hợp lên $H_{cb} = 1700\text{ mm}$.
- Đặc trưng hình học dầm thép và phân bố tải: Diện tích dầm thép $A_{NC} = 56.800\text{ mm}^2$, mô men quán tính $I_{NC} = 1,74 \times 10^{10}\text{ mm}^4$. Tỷ lệ mô đun $n = E_s / E_{c_bản} = 200000 / 2,956 \times 10^4 = 6,769$; tham số độ cứng dọc $K_g = 6,769 \times 10^{11}\text{ mm}^4$ ($e_g = 962,36\text{ mm}$). Hệ số phân bố mô men dầm giữa $m_{gg} = 0,537$; dầm biên $m_g = 0,60$.
- Cấu tạo hệ thống liên kết phụ trợ và tĩnh tải:
- Dầm ngang tại gối: Dầm thép định hình cao $70\text{ cm}$, cánh rộng $30\text{ cm}$ dày $2,4\text{ cm}$, bụng dày $1,3\text{ cm}$, diện tích $A_{dn} = 229\text{ cm}^2$, gồm 2 mặt cắt $\times 5$ dầm $= 10$ dầm $\rightarrow DC_{ng} = 0,179\text{ kN/m}$.
- Hệ liên kết ngang trung gian: Cấu tạo từ 6 thanh thép góc L100x100x10, bước bố trí $a_n = 2,7\text{ m}$ (13 hàng dọc $\times 5$ khoang ngang $= 65$ hệ toàn cầu) $\rightarrow DC_{tgn} = 0,578\text{ kN/m}$.
- Sườn tăng cường bản bụng: Kích thước $190 \times 16\text{ mm}$, cao $1340\text{ mm}$, khoảng cách $d_0 = 1\text{ m} \rightarrow DC_{stc} = 1,204\text{ kN/m}$.
- Hệ liên kết dọc cầu: Thép góc L100x100x10 trên 12 khoang, mỗi khoang 5 thanh xiên dài $3,83\text{ m}$ (tổng cộng 60 thanh) $\rightarrow DC_{lkd} = 0,177\text{ kN/m}$.
- Tĩnh tải Giai đoạn I: $DC_I = DC_{dc} (0,729) + DC_{ng} (0,179) + DC_{tgn} (0,578) + DC_{stc} (1,204) + DC_{lkd} (0,177) + DC_{bmc} (8,476) = 11,343\text{ kN/m}$.
- Tĩnh tải Giai đoạn II: Lan can $12,555\text{ kN/m}$, lớp phủ $4,089\text{ kN/m}$. Tổng tĩnh tải $DC = 23,898\text{ kN/m}$, $DW = 4,089\text{ kN/m}$.
- Tổ hợp nội lực dầm chủ giữa nhịp: $M_{DC} = 3135,896\text{ kN}\cdot\text{m}$, $M_{DW} = 536,559\text{ kN}\cdot\text{m}$, mô men hoạt tải xe HL-93 $M_{HL93} = 2245,50\text{ kN}\cdot\text{m}$, mô men người đi bộ $M_{PL} = 688,905\text{ kN}\cdot\text{m}$. Hệ số phân bố lực cắt dầm trong đạt $m_{gv} = 0,721$; dầm biên đạt $0,60$.
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã cung cấp các kết quả tính toán định lượng cụ thể:
- Số liệu so sánh tĩnh tải và nội lực: Trọng lượng kết cấu dầm thép liên hợp ở Giai đoạn I nhẹ hơn $56,5%$ so với dầm BTCT DƯL ($11,343\text{ kN/m}$ so với $26,078\text{ kN/m}$). Tổng tĩnh tải dầm chủ $DC$ giảm từ $38,633\text{ kN/m}$ xuống $23,898\text{ kN/m}$ (giảm $38,1%$), kéo theo mô men tĩnh tải $M_{DC}$ tại giữa nhịp giảm từ $5069,422\text{ kN}\cdot\text{m}$ xuống $3135,896\text{ kN}\cdot\text{m}$.
- Kết quả thiết kế cáp DƯL và móng cọc: Bố trí 7 bó cáp 7 tao $15,2\text{ mm}$ đáp ứng mô men tính toán $M_u = 15.887,157\text{ kN}\cdot\text{m}$. Kết cấu móng xác định được sức chịu tải thiết kế của cọc $400 \times 400\text{ mm}$ là $R_0 = 848,738\text{ kN}$ (bị khống chế bởi sức kháng đất nền, nhỏ hơn nhiều so với sức kháng vật liệu cọc $2881,952\text{ kN}$), tương ứng bố trí 21 cọc cho đài trụ và 18 cọc cho đài mố.
Giải pháp và đề xuất kỹ thuật của tác giả:
- Áp dụng dầm ngang định hình tại vị trí gối kết hợp hệ thanh giằng chữ V bằng thép góc L100x100x10 tại 13 mặt cắt trung gian cách nhau $2,7\text{ m}$, giúp giảm đáng kể trọng lượng thép so với việc dùng dầm ngang định hình liên tục suốt chiều dài nhịp.
- Đề xuất phương pháp thi công đúc sẵn dầm BTCT kết hợp đổ bê tông bản mặt cầu và dầm ngang tại chỗ nhằm đảm bảo tính toàn khối của kết cấu nhịp.
Đóng góp của đồ án:
- Thiết lập quy trình tính toán thiết kế sơ bộ hoàn chỉnh cho hai loại kết cấu nhịp phổ biến theo tiêu chuẩn TCVN 11823-2017.
- Cung cấp bảng tính chi tiết các hệ số phân bố tải trọng ngang cho dầm chữ I và các công thức phân bổ tĩnh tải từng giai đoạn thi công cho công trình cầu nhịp giản đơn $33\text{ m}$.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Văn bản đồ án dừng lại ở giai đoạn thiết kế sơ bộ; các kiểm tra về trạng thái giới hạn sử dụng (độ võng, nứt bê tông, mất mát dự ứng lực theo thời gian), kiểm tra trạng thái giới hạn mỏi cho dầm thép và các liên kết bu lông/hàn, cũng như tính toán cốt thép thường trong dầm BTCT chưa được trình bày chi tiết trong thuyết minh. Phần tính toán móng mố trụ mới thực hiện cho phương án 1, chưa hoàn thiện phần tải trọng móng cho phương án 2.
- Hướng mở rộng: Triển khai thiết kế kỹ thuật và bản vẽ thi công chi tiết cho phương án được lựa chọn; tính toán chi tiết vùng neo ứng suất cục bộ; đánh giá toàn diện chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật (tổng mức đầu tư, biện pháp thi công, chi phí duy tu bảo dưỡng định kỳ) giữa phương án dầm BTCT DƯL và dầm thép liên hợp.
Giá trị tham khảo
Tài liệu này hữu ích cho sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Cầu đường bộ, Kỹ thuật Công trình Giao thông và kỹ sư thiết kế công trình cầu khi thực hiện đồ án tốt nghiệp hoặc thiết kế sơ bộ cầu nhịp giản đơn:
- Quy trình tính toán hệ số phân bố ngang: Cung cấp ví dụ thực hành áp dụng công thức TCVN 11823-2017 cho dầm trong và phương pháp đòn bẩy cho dầm biên có xét tải trọng bộ hành.
- Quy đổi tiết diện và tính tĩnh tải phân kỳ: Hướng dẫn chi tiết cách quy đổi hình học dầm chữ I và bóc tách khối lượng tĩnh tải Giai đoạn I (kết cấu tự mang) và Giai đoạn II (hoàn thiện mặt cầu).
- Tính toán sức chịu tải cọc theo phương pháp $\alpha$: Cung cấp biểu mẫu tính toán sức kháng thân cọc và mũi cọc trong đất sét bão hòa theo khuyến nghị của API.
Câu hỏi thường gặp
1. Khổ thông thuyền và các thông số trắc dọc chính của cầu được chọn dựa trên quy chuẩn nào?
Khổ thông thuyền được chọn theo cấp sông cấp V trong tiêu chuẩn TCVN 11823-2017 gồm bề rộng thông thuyền $B_{tt} = 25\text{ m}$, tĩnh không dưới cầu $H_{tt} = 3,5\text{ m}$ và tĩnh không dây điện $h = 8\text{ m}$. Bán kính đường cong đứng lồi chọn $R = 5500\text{ m}$ theo TCVN 4054-2005 ứng với vận tốc thiết kế $60\text{ km/h}$.
2. Tĩnh tải Giai đoạn I và tổng tĩnh tải của phương án dầm BTCT DƯL và dầm thép liên hợp chênh lệch nhau như thế nào?
Ở Giai đoạn I, tĩnh tải dầm BTCT DƯL là $26,078\text{ kN/m}$, trong khi dầm thép liên hợp là $11,343\text{ kN/m}$. Tổng tĩnh tải tác dụng $DC$ của phương án dầm BTCT DƯL là $38,633\text{ kN/m}$, cao hơn $61,7%$ so với mức $23,898\text{ kN/m}$ của phương án dầm thép liên hợp.
3. Phương án dầm BTCT DƯL sử dụng loại cáp dự ứng lực nào và số lượng bố trí là bao nhiêu?
Phương án sử dụng cáp DƯL tự chùng thấp loại 7 tao đường kính $15,2\text{ mm}$ theo tiêu chuẩn ASTM A416-85 cấp 270 ($f_{pu} = 1860\text{ MPa}, E_p = 197000\text{ MPa}$). Tổng số lượng cáp được chọn là 7 bó với diện tích bố trí $A_{ps} = 68.600\text{ mm}^2$.
4. Sức chịu tải của cọc móng mố, trụ được tính toán ra sao và số lượng cọc cho từng vị trí là bao nhiêu?
Cọc vuông BTCT $400 \times 400\text{ mm}$ có sức kháng theo vật liệu $R_{vl} = 2881,952\text{ kN}$ và sức kháng theo đất nền $R_R = 848,738\text{ kN}$. Sức chịu tải thiết kế lấy giá trị nhỏ hơn là $R_0 = 848,738\text{ kN}$. Đài trụ chịu tải $17.164\text{ kN}$ bố trí 21 cọc; đài mố chịu tải $14.457,866\text{ kN}$ bố trí 18 cọc.
5. Cấu tạo hệ liên kết ngang trung gian và hệ liên kết dọc của dầm thép liên hợp gồm những chi tiết gì?
Hệ liên kết ngang trung gian gồm 65 hệ (13 hàng dọc cách nhau $2,7\text{ m} \times 5$ khoang ngang), mỗi hệ gồm 6 thanh thép góc L100x100x10. Hệ liên kết dọc gồm 12 khoang với 60 thanh xiên thép góc L100x100x10 dài $3,83\text{ m}$ liên kết vào sườn dầm chủ qua các bản nút hàn.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế cầu - Thiết kế sơ bộ" của sinh viên Nguyễn Huy Hoàng đã hoàn thành việc thiết lập và tính toán hai phương án cầu dầm giản đơn nhịp $33\text{ m}$ vượt sông cấp V theo tiêu chuẩn TCVN 11823-2017. Các kết quả tính toán định lượng thể hiện rõ đặc tính chịu lực, mức độ chênh lệch tĩnh tải và nội lực uốn giữa dầm BTCT DƯL căng sau và dầm thép liên hợp bản BTCT. Thuyết minh cung cấp đầy đủ số liệu thiết kế kết cấu nhịp, kết cấu mố trụ và móng cọc đài cao trên nền đất sét bão hòa, tạo cơ sở kỹ thuật hoàn chỉnh cho các bước thiết kế chi tiết tiếp theo.
