Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khóa luận tốt nghiệp thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Cầu đường (Công trình Giao thông), tập trung vào nội dung thiết kế kỹ thuật công trình cầu vượt sông phục vụ giao thông đường bộ. Bối cảnh thực tiễn và các điều kiện kỹ thuật của đồ án được xác lập trực tiếp từ số liệu khảo sát hiện trường và quy chuẩn kỹ thuật chuyên ngành:

  • Bối cảnh thực tiễn và điều kiện tự nhiên:

    • Vị trí xây dựng cầu có địa tầng lớp 1 là sét hạt vừa (xác định qua số liệu thăm dò tại lỗ khoan khu vực dự án).
    • Điều kiện thủy văn: Mực nước cao nhất khảo sát điều tra nhiều năm đạt $MNCN = 7{,}15\text{ m}$. Dòng chảy sông ổn định, tốc độ dòng chảy không lớn, hạn chế xói lở và bồi lắng ở lòng sông cũng như hai bên bờ.
    • Cấp thông thuyền: Sông thông thuyền cấp V, quy định tĩnh không thông thuyền có bề rộng $B_{tt} = 25\text{ m}$ và chiều cao tĩnh không $H_{tt} = 3{,}5\text{ m}$.
    • Tần suất lũ thiết kế công trình: $P = 1%$.

  • Mục tiêu và nhiệm vụ thiết kế:

    1. Thiết kế tổng thể quy mô công trình cầu vĩnh cửu với tổng chiều dài $L_c = 173\text{ m}$, sơ đồ 6 nhịp giản đơn $L_{nh} = 33\text{ m}$, bề rộng toàn cầu $B_{c\hat{a}u} = 12\text{ m}$ (khổ xe chạy $B_{xe} = 8\text{ m}$, lề bộ hành $2 \times 1{,}5\text{ m}$, dải chân lan can $2 \times 0{,}5\text{ m}$).
    2. Xây dựng và tính toán chi tiết Phương án sơ bộ I: Kết cấu nhịp cầu dầm bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCT DƯL) tiết diện chữ I liên hợp bản mặt cầu đổ tại chỗ.
    3. Xây dựng và tính toán chi tiết Phương án sơ bộ II: Kết cấu nhịp cầu dầm liên hợp thép - bê tông cốt thép (dầm chủ thép chữ I kết hợp bản mặt cầu BTCT).
    4. Xác định tải trọng tác dụng, hệ số phân bố ngang, đường ảnh hưởng nội lực, tổ hợp nội lực theo các trạng thái giới hạn, bố trí cốt thép và kiểm toán khả năng chịu lực của kết cấu nhịp dầm chủ.

  • Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

    • Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu phần trên (dầm chủ, dầm ngang, bản mặt cầu) và kết cấu phần dưới (mố chữ U, 4 trụ đặc thân hẹp BTCT đặt trên móng cọc khoan nhồi đường kính $D = 100\text{ cm}$).
    • Phạm vi tính toán: Phân tích chuyên sâu kết cấu nhịp dầm biên (dầm chịu lực bất lợi nhất) cho 2 phương án dầm giản đơn nhịp $33\text{ m}$ theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án áp dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành của ngành Giao thông vận tải cùng các mô hình cơ học kết cấu cầu:

  • Tiêu chuẩn và khung lý thuyết áp dụng:

    • Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ: 22TCN 272 – 05.
    • Phương pháp tính toán kết cấu theo hệ thống Trạng thái giới hạn (TTGH): Trạng thái giới hạn Cường độ I và Trạng thái giới hạn Sử dụng.
    • Mô hình tải trọng thiết kế tiêu chuẩn:
      • Hoạt tải xe cơ giới: Tải trọng HL-93 gồm tổ hợp HL-93K (xe tải thiết kế Truck + tải trọng làn Lane) và tổ hợp HL-93M (xe 2 trục thiết kế Tandem + tải trọng làn Lane).
      • Tải trọng người đi bộ: $3\text{ kN/m}^2$.
      • Hệ số xung kích: $1 + IM = 1{,}25$ (áp dụng riêng cho xe tải và xe 2 trục thiết kế, không áp dụng cho tải trọng làn và người đi bộ).
      • Hệ số làn xe: Xét hệ số làn $m$ theo chiều dài nhịp $L_{tt} > 25\text{ m}$ (mặc định bằng 1).
    • Hệ số tải trọng:
      • Tĩnh tải cấu kiện và tiện ích phụ ($DC$): $1{,}25 / 0{,}90$ (TTGH Cường độ I); $1{,}0$ (TTGH Sử dụng).
      • Tĩnh tải lớp phủ mặt cầu ($DW$): $1{,}50 / 0{,}65$ (TTGH Cường độ I); $1{,}0$ (TTGH Sử dụng).
      • Hoạt tải xe và người: $1{,}75$ (TTGH Cường độ I); $1{,}0$ (TTGH Sử dụng).

  • Phương pháp tính toán thực tế:

    • Phương pháp xác định hệ số phân bố ngang (PBN): Áp dụng phương pháp đòn bẩy cho dầm biên và các công thức giải tích kinh nghiệm quy định trong tiêu chuẩn 22TCN 272-05 cho dầm trong và dầm biên theo trường hợp xếp 1 làn xe và 2 làn xe.
    • Phương pháp đường ảnh hưởng (ĐAH): Lập ĐAH mô men uốn ($M$) và lực cắt ($V$) tại các tiết diện xung yếu (mặt cắt gối $0-0$, mặt cắt giữa nhịp $L/2$), xác định diện tích ĐAH ($\omega$), xếp tải trọng phân bố đều và tải trọng trục bất lợi nhất lên đường ảnh hưởng.
    • Phương pháp quy đổi tiết diện và phân kỳ giai đoạn làm việc: Tính toán đặc trưng hình học tiết diện quy đổi tương đương theo tỷ số mô đun đàn hồi $n = E_s / E_c$ hoặc $n = E_{ps} / E_c$, chia nhỏ quá trình làm việc của dầm qua từng giai đoạn thi công (đúc dầm, kéo cáp DƯL, đổ bản liên hợp, chịu tải khai thác).

  • Nguồn dữ liệu tính toán:

    • Số liệu khảo sát địa chất công trình từ hố khoan tại hiện trường.
    • Số liệu thủy văn đo đạc nhiều năm về mực nước, chế độ dòng chảy và bảng phân cấp kỹ thuật đường thủy nội địa (sông cấp V).
    • Cơ sở dữ liệu vật liệu xây dựng cầu: Bê tông dầm ($f'c = 40\text{ MPa}$), bê tông bản mặt cầu ($f'c = 28\text{ MPa}$), thép DƯL tao 7 sợi $15{,}2\text{ mm}$ ($f{pu} = 1860\text{ MPa}$, $f{py} = 1674\text{ MPa}$), thép kết cấu dầm $345\text{W}$ ($f_y = 345\text{ MPa}$, $f_u = 485\text{ MPa}$), cốt thép thường ($f_y = 420\text{ MPa}$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Phương án sơ bộ I - Cầu dầm BTCT Dự ứng lực

Chương I trình bày toàn diện giải pháp kết cấu nhịp dầm bê tông cốt thép dự ứng lực căng sau liên hợp bản bê tông cốt thép đổ tại chỗ.

  • Quy mô và kích thước hình học:

    • Sơ đồ nhịp giản đơn $L_{nh} = 33\text{ m}$, chiều dài toàn cầu $L_c = 173\text{ m}$. Bề rộng cầu $B_{c\hat{a}u} = 12\text{ m}$, khổ xe chạy $B_{xe} = 8\text{ m}$, 2 dải người đi bộ $2 \times 1{,}5\text{ m}$, dải chân lan can $2 \times 0{,}5\text{ m}$. Độ dốc dọc nhịp giữa $0%$, nhịp biên $1%$; độ dốc ngang mặt cầu $2{,}0%$.
    • Mặt cắt ngang gồm $n_d = 6$ dầm chủ chữ I đặt cách nhau $S = 2{,}0\text{ m}$ ($2000\text{ mm}$).
    • Kích thước dầm chủ chữ I: Chiều cao dầm $h = 1{,}65\text{ m}$ ($1650\text{ mm}$); chiều rộng bản cánh trên $b_t = 800\text{ mm}$, chiều dày bản cánh trên $t_t = 200\text{ mm}$; chiều cao vút cánh $t_{ht} = 100\text{ mm}$, chiều rộng vút cánh $b_{ht} = 300\text{ mm}$; chiều cao bầu dầm $t_b = 250\text{ mm}$, chiều rộng bầu dầm $b_b = 600\text{ mm}$; chiều cao vút bầu $t_{hb} = 200\text{ mm}$, chiều rộng vút bầu $b_{hb} = 200\text{ mm}$.
    • Bản mặt cầu dày $t_s = 200\text{ mm}$, chiều rộng $B_{tt} = 12000\text{ mm}$, chiều dài $L = 33000\text{ mm}$. Bề rộng bản cánh hữu hiệu tính toán cho dầm giữa $b_i = 2000\text{ mm}$ và dầm biên $b_e = 2000\text{ mm}$ (với phần cánh hẫng $d_e = 1000\text{ mm}$).
    • Cấu tạo dầm ngang: Chiều rộng $b_{dn} = 1800\text{ mm}$, chiều cao $h_{dn} = 1320\text{ mm}$, chiều dày $t_{dn} = 200\text{ mm}$, khoảng cách giữa các dầm ngang là $8100\text{ mm}$, tổng số dầm ngang là 25 dầm (5 dầm trên một mặt cắt ngang).
    • Lớp phủ asphalt mặt cầu dày trung bình $h = 10\text{ cm}$, dung trọng $\gamma_a = 22\text{ kN/m}^3$ ($DW_{lp} = 0{,}93\text{ kN/m}$). Chân lan can $500 \times 500\text{ mm}$, tải trọng lan can tay vịn $DW_{lc} = 0{,}1\text{ kN/m}$.

  • Chỉ tiêu vật liệu:

    • Bê tông dầm chủ: Dung trọng $2450\text{ kg/m}^3$ ($24{,}5\text{ kN/m}^3$), cường độ chịu nén 28 ngày $f'_c = 40\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_c = 32797{,}76\text{ MPa}$, hệ số Poisson $\nu = 0{,}2$.
    • Bê tông bản mặt cầu: $f'_c = 28\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_c = 28561{,}31\text{ MPa}$.
    • Cốt thép DƯL: Tao thép 7 sợi không phủ sơn cấp M270, đường kính danh định $15{,}2\text{ mm}$, diện tích một tao $140\text{ mm}^2$, cường độ kéo đứt $f_{pu} = 1860\text{ MPa}$, giới hạn chảy $f_{py} = 1674\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_{ps} = 197000\text{ MPa}$.
    • Cốt thép thường: Giới hạn chảy $f_y = 420\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_s = 2{,}0 \times 10^5\text{ MPa}$.

  • Phân tích phân bố tải trọng và nội lực:

    • Kết quả so sánh hệ số PBN cho thấy dầm biên chịu lực bất lợi hơn dầm giữa và trường hợp xếp 2 làn xe bất lợi hơn 1 làn xe; do đó toàn bộ tính toán kiểm duyệt lấy theo dầm biên với 2 làn xếp tải:
      • Hệ số PBN mô men dầm biên: $g_M = 0{,}667$ (so với dầm giữa $g_{mg} = 0{,}592$).
      • Hệ số PBN lực cắt dầm biên: $g_V = 0{,}400$.
      • Hệ số PBN tải trọng người dầm biên: $g_{Ng} = 1{,}313$.
    • Nội lực do hoạt tải xe tải thiết kế tại mặt cắt giữa nhịp ($L/2$): Mô men uốn tiêu chuẩn $M_{tc,h} = 1497{,}572\text{ kNm}$, mô men uốn tính toán $M_{tt,h} = 3276{,}751\text{ kNm}$.
    • Nội lực lực cắt do hoạt tải: Tại mặt cắt gối $0-0$ đạt $V_{tc,h} = 118{,}24\text{ kN}$, $V_{tt,h} = 259{,}65\text{ kN}$; tại mặt cắt $L/2$ đạt $V_{tc,h} = 53{,}24\text{ kN}$, $V_{tt,h} = 117\text{ kN}$.
    • Tổng hợp nội lực dầm biên: Mô men lớn nhất theo TTGH Sử dụng đạt $M_{max}^{tc} = 3838{,}7\text{ kNm}$; mô men lớn nhất theo TTGH Cường độ I đạt $M_{max}^{tt} = 4797\text{ kNm}$.

  • Bố trí cốt thép và kiểm toán sức kháng uốn:

    • Xác định nhu cầu cáp: Bố trí 4 bó cáp DƯL (mỗi bó gồm 7 tao cáp $15{,}2\text{ mm}$, tổng diện tích $A_{ps} = 4 \times 980 = 3920\text{ mm}^2$). Quỹ đạo cáp trên mặt đứng gồm 3 đoạn: đoạn xiên tại đầu dầm, đoạn cong tròn vuốt nối có bán kính uốn cong $R = 10\text{ m}$, và đoạn thẳng nằm ngang ở giữa nhịp.
    • Vị trí trục trung hòa (TTH) tại mặt cắt giữa nhịp: Lực kéo cốt thép DƯL đạt $N = 8202{,}6\text{ kN} > N_{n\acute{e}n}$, kết luận trục trung hòa đi qua bản cánh trên của dầm chữ I.
    • Kiểm toán khả năng chịu uốn theo TTGH Cường độ I: Kiểm tra điều kiện cường độ $M_u \le M_r = \phi M_n$ (với hệ số sức kháng uốn $\phi = 1{,}0$) và giới hạn hàm lượng cốt thép thỏa mãn điều kiện quy định ($< 0{,}42$).

  • Đặc trưng hình học (ĐTHH) qua các giai đoạn làm việc:

    • Giai đoạn I: Sau khi đổ bê tông dầm đạt cường độ, chưa luồn và kéo căng cáp DƯL (mặt cắt dầm chữ I có lỗ ống ghen).
    • Giai đoạn II: Sau khi kéo căng các bó cáp DƯL và bơm vữa (mặt cắt dầm chữ I chứa cốt thép DƯL có dính bám).
    • Giai đoạn III: Sau khi đổ bản mặt cầu và bản đã đạt cường độ (mặt cắt dầm chữ I liên hợp cùng bản bê tông cốt thép).

Chương II: Phương án sơ bộ II - Cầu dầm liên hợp thép - BTCT

Chương II trình bày phương án kết cấu nhịp dầm thép liên hợp bản bê tông cốt thép, sử dụng dầm thép hình hàn tiết diện chữ I liên kết với bản mặt cầu bằng neo đinh chống cắt.

  • Quy mô và kích thước hình học:

    • Sơ đồ kết cấu nhịp: 6 nhịp giản đơn $L = 33\text{ m}$, khoảng cách tim gối $a = 0{,}3\text{ m}$, chiều dài tính toán kết cấu nhịp $L_{tt} = 33 - 2 \times 0{,}3 = 32{,}4\text{ m}$.
    • Mặt cắt ngang cầu gồm $n = 6$ dầm chủ thép, cự ly giữa các dầm $S = 200\text{ cm}$ ($2{,}0\text{ m}$), phần bản cánh hẫng $d_e = 100\text{ cm}$. Bề rộng cầu $B_{c\hat{a}u} = 1200\text{ cm}$ ($12\text{ m}$), phần xe chạy $B_{xe} = 800\text{ cm}$ (2 làn xe), lề bộ hành $n_{l\grave{e}} = 300\text{ cm}$, chân lan can $b_{clc} = 2 \times 50\text{ cm}$, chiều cao chân lan can $h_{clc} = 50\text{ cm}$.
    • Cấu tạo dầm thép chữ I:
      • Chiều cao bản bụng: $D_w = 150\text{ cm}$ ($1500\text{ mm}$), chiều dày bản bụng $t_w = 2\text{ cm}$ ($20\text{ mm}$).
      • Bản cánh trên: Bề rộng $b_t = 40\text{ cm}$ ($400\text{ mm}$), số tập bản $n_t = 1$, chiều dày $t_t = 3\text{ cm}$ ($30\text{ mm}$).
      • Bản cánh dưới: Bề rộng $b_b = 70\text{ cm}$ ($700\text{ mm}$), số tập bản $n_b = 1$, chiều dày $t_b = 3\text{ cm}$ ($30\text{ mm}$).
      • Tổng chiều cao dầm thép: $H_{sb} = 150 + 3 + 3 = 156\text{ cm}$ ($1{,}56\text{ m}$).
    • Cấu tạo bản bê tông mặt cầu: Chiều dày bản $t_s = 20\text{ cm}$ ($200\text{ mm}$), chiều cao vút bản $t_h = 12\text{ cm}$, bề rộng vút bản $b_h = 12\text{ cm}$. Tổng chiều cao dầm liên hợp đạt $H_{cb} = 156 + 12 + 20 = 188\text{ cm}$ ($1{,}88\text{ m}$).

  • Vật liệu chế tạo dầm:

    • Thép kết cấu dầm: Thép hợp kim chống gỉ M270M cấp 345W, giới hạn chảy quy định $f_y = 345\text{ MPa}$, giới hạn kéo đứt $f_u = 485\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_s = 200000\text{ MPa}$.
    • Liên kết: Dầm chủ liên kết bằng đường hàn; mối nối dầm tại công trường sử dụng bu lông cường độ cao.
    • Neo liên hợp: Thép neo chống cắt có giới hạn chảy nhỏ nhất $f_y = 420\text{ MPa}$. Cốt thép chịu lực trong bản mặt cầu có $f_y = 420\text{ MPa}$.
    • Bê tông bản mặt cầu (Cấp A): Cường độ chịu nén tuổi 28 ngày $f'_c = 28\text{ MPa}$, tỷ trọng bê tông $2500\text{ kg/m}^3$ ($25\text{ kN/m}^3$), hệ số Poisson $\nu = 0{,}2$. Bê tông phần kết cấu đổ tại chỗ có $f'_c = 30\text{ MPa}$.
    • Hệ số quy đổi mô đun đàn hồi:
      • Khi tính toán tác dụng ngắn hạn (không xét từ biến): $n = E_s / E_c = 8$.
      • Khi tính toán tác dụng dài hạn (có xét từ biến): $n' = 3n = 24$.

  • Các giai đoạn làm việc và phân tích tĩnh tải:

    • Tác giả giả thiết kết cấu được thi công theo phương pháp lắp ghép bằng cần cẩu hoặc lao kéo dọc (không dùng đà giáo cố định), sự làm việc chia làm 2 giai đoạn:
      • Giai đoạn 1: Sau khi lắp dựng dầm thép và đổ bản bê tông ướt. Mặt cắt chịu lực là tiết diện dầm thép nguyên ($A_{NC}$), gánh chịu tĩnh tải giai đoạn 1 gồm trọng lượng bản thân dầm thép, hệ liên kết dọc - ngang và trọng lượng bản bê tông ướt.
      • Giai đoạn 2: Khi bản bê tông đã đông cứng đạt cường độ, tạo hiệu ứng liên hợp cùng dầm thép. Mặt cắt tính toán là tiết diện liên hợp, gánh chịu tĩnh tải giai đoạn 2 (lớp phủ mặt cầu, chân lan can, gờ chắn bánh) và hoạt tải khai thác.

  • Đặc trưng hình học mặt cắt dầm thép giai đoạn I:

Thông số đại lượng Ký hiệu Giá trị tính toán Đơn vị
Diện tích mặt cắt dầm thép $A_{NC}$ $630{,}0$ $\text{cm}^2$
Mô men tĩnh tiết diện đối với đáy dầm $S_0$ $42255{,}0$ $\text{cm}^3$
Khoảng cách từ đáy dầm đến TTH I-I $Y_1$ $67{,}071$ $\text{cm}$
Khoảng cách từ mép trên dầm đến TTH I-I $Y_{1t}$ $88{,}929$ $\text{cm}$
Khoảng cách từ mép dưới dầm đến TTH I-I $Y_{1b}$ $67{,}071$ $\text{cm}$
Mô men quán tính phần bản bụng $I_w$ $598330{,}1$ $\text{cm}^4$
Mô men quán tính phần bản cánh trên $I_{cf}$ $917340{,}6$ $\text{cm}^4$
Mô men quán tính phần bản cánh dưới $I_{tf}$ $903076{,}1$ $\text{cm}^4$
Tổng mô men quán tính dầm thép ($I_w + I_{cf} + I_{tf}$) $I_{Nc}$ $2418746{,}8$ $\text{cm}^4$
Mô men tĩnh mặt cắt đối với trục TTH I-I $S_{Nc}$ $17875{,}15$ $\text{cm}^3$
Mô men quán tính đối với trục thẳng đứng $Oy$ $I_y$ $101850{,}0$ $\text{cm}^4$

Kết quả và đóng góp

  • Bảng tổng hợp so sánh các thông số kỹ thuật chính giữa hai phương án sơ bộ:
Tiêu chí so sánh Phương án I: Dầm BTCT Dự ứng lực Phương án II: Dầm Thép - BTCT liên hợp
Tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 272 – 05 22TCN 272 – 05
Tải trọng thiết kế Hoạt tải HL-93 + Người đi bộ ($3\text{ kN/m}^2$) Hoạt tải HL-93 + Người đi bộ ($3\text{ kN/m}^2$)
Sơ đồ nhịp 6 nhịp giản đơn $L = 33\text{ m}$ ($L_c = 173\text{ m}$) 6 nhịp giản đơn $L = 33\text{ m}$ ($L_c = 173\text{ m}$)
Khổ cầu $B = 8\text{ m} + 2 \times 1{,}5\text{ m} + 2 \times 0{,}5\text{ m} = 12\text{ m}$ $B = 8\text{ m} + 2 \times 1{,}5\text{ m} + 2 \times 0{,}5\text{ m} = 12\text{ m}$
Số lượng dầm chủ / cự ly 6 dầm chữ I / cự ly $S = 2{,}0\text{ m}$ 6 dầm chữ I / cự ly $S = 2{,}0\text{ m}$
Chiều cao dầm chủ $h = 1{,}65\text{ m}$ ($1650\text{ mm}$) Dầm thép $H_{sb} = 1{,}56\text{ m}$; toàn bộ $H_{cb} = 1{,}88\text{ m}$
Kích thước bản cánh Cánh trên $800 \times 200\text{ mm}$; Bầu dưới $600 \times 250\text{ mm}$ Cánh trên $400 \times 30\text{ mm}$; Cánh dưới $700 \times 30\text{ mm}$
Bản bụng / Sườn dầm Bê tông cốt thép đúc liền khối Thép tấm $D_w = 1500\text{ mm}$, $t_w = 20\text{ mm}$
Vật liệu kết cấu chính Bê tông $f'c = 40\text{ MPa}$; Cáp DƯL $f{pu} = 1860\text{ MPa}$ Thép hợp kim chống gỉ 345W ($f_y = 345\text{ MPa}$)
Cốt thép chịu lực chính 4 bó cáp DƯL 7 tao $\phi 15{,}2\text{ mm}$ ($A_{ps} = 3920\text{ mm}^2$) Tiết diện thép hàn kết hợp neo đinh chịu cắt
Bản mặt cầu BTCT Dày $t_s = 200\text{ mm}$, $f'_c = 28\text{ MPa}$ Dày $t_s = 200\text{ mm}$, vút $120\text{ mm}$, $f'_c = 28\text{ MPa}$
Kết cấu phần dưới Mố U, 4 trụ đặc thân hẹp, móng cọc khoan nhồi $D = 100\text{ cm}$ Mố U, 4 trụ đặc thân hẹp, móng cọc khoan nhồi $D = 100\text{ cm}$

  • Kết quả tính toán kỹ thuật đạt được:

    • Thiết lập đầy đủ quy trình xác định hệ số phân bố ngang theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05 cho kết cấu nhịp dầm chủ giản đơn nhịp $33\text{ m}$, chứng minh bằng số liệu dầm biên chịu điều kiện tải trọng bất lợi nhất với hệ số mô men $g_M = 0{,}667$ khi xếp 2 làn xe.
    • Phân tích và tổ hợp chính xác giá trị nội lực khống chế cho dầm biên BTCT DƯL: Mô men uốn tính toán lớn nhất theo TTGH Cường độ I đạt $M_{max}^{tt} = 4797\text{ kNm}$, mô men uốn tiêu chuẩn theo TTGH Sử dụng đạt $M_{max}^{tc} = 3838{,}7\text{ kNm}$.
    • Xác định cấu tạo bố trí cáp DƯL gồm 4 bó cáp (tao $15{,}2\text{ mm}$), vạch quỹ đạo cáp cong vuốt nối bán kính $R = 10\text{ m}$, kiểm toán vị trí trục trung hòa đi qua bản cánh trên và thỏa mãn điều kiện hàm lượng cốt thép theo TTGH Cường độ.
    • Tính toán chi tiết các chỉ tiêu diện tích ($A_{NC} = 630\text{ cm}^2$), vị trí trục trung hòa ($Y_1 = 67{,}071\text{ cm}$) và mô men quán tính ($I_{Nc} = 2418746{,}8\text{ cm}^4$) cho dầm thép Phương án II ở giai đoạn 1.

  • Đóng góp kỹ thuật của tác giả:

    • Xây dựng phương pháp tính toán và so sánh song song hai giải pháp kết cấu nhịp điển hình (Dầm BTCT DƯL và Dầm thép liên hợp BTCT) trên cùng một bình đồ tuyến, khổ cầu ($12\text{ m}$) và điều kiện địa chất - thủy văn thực tế.
    • Thể hiện rõ nét sự biến đổi của trạng thái ứng suất và đặc trưng hình học tiết diện theo từng phân kỳ công nghệ thi công (từ lúc đúc kết cấu riêng lẻ đến khi hình thành hiệu ứng liên hợp toàn phần).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế kỹ thuật trong văn bản:

    • Đồ án tập trung đi sâu vào phân tích kết cấu nhịp dầm chủ giản đơn của hai phương án sơ bộ; số liệu kiểm toán chi tiết về mất mát ứng suất dự ứng lực theo thời gian, kiểm toán nứt, kiểm toán mỏi dầm thép và neo liên hợp chưa được trình bày trọn vẹn trong phần văn bản trích xuất.
    • Các thông số tính toán phần mố chữ U và 4 trụ đặc thân hẹp móng cọc khoan nhồi $D = 100\text{ cm}$ mới dừng ở bước xác lập giải pháp quy mô tổng thể sơ bộ, chưa có bảng tính duyệt chi tiết nội lực và bố trí cốt thép cho kết cấu mố trụ.

  • Hướng phát triển tiếp theo:

    • Mở rộng tính toán kiểm duyệt chi tiết toàn bộ các trạng thái giới hạn cho dầm thép liên hợp (kiểm toán ổn định cục bộ bản bụng, bản cánh, kiểm toán mỏi liên kết hàn và bu lông cường độ cao).
    • Hoàn thiện tính toán thủy lực xói lở mố trụ và kiểm toán sức chịu tải của cọc khoan nhồi $D = 100\text{ cm}$ trong tầng địa chất sét hạt vừa.
    • Lập bảng so sánh chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật (khối lượng vật liệu, biện pháp thi công, giá thành xây lắp) để lựa chọn phương án tối ưu phục vụ giai đoạn thiết kế bản vẽ thi công.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng sử dụng tài liệu:

    • Sinh viên các ngành Kỹ thuật Xây dựng Cầu đường, Công trình Giao thông, Kỹ thuật Hạ tầng làm tài liệu mẫu phục vụ đồ án môn học Thiết kế cầu bê tông cốt thép, Thiết kế cầu thép và Đồ án tốt nghiệp Kỹ sư Cầu.
    • Kỹ sư thiết kế công trình giao thông tham khảo số liệu tính toán sơ bộ cho các nhịp dầm giản đơn khẩu độ $33\text{ m}$ vượt sông cấp V.

  • Các nội dung có giá trị tham khảo cao:

    • Quy trình từng bước tính toán hệ số phân bố ngang mô men và lực cắt áp dụng phương pháp đòn bẩy và công thức kinh nghiệm theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05.
    • Phương pháp thiết lập phương trình quỹ đạo đường cáp DƯL không gian 3 đoạn (đoạn thẳng, đoạn cong tròn $R = 10\text{ m}$, đoạn thẳng đáy) và bảng tọa độ cáp tại các tiết diện kiểm tra.
    • Phương pháp phân chia và tính toán đặc trưng hình học tiết diện quy đổi qua 3 giai đoạn làm việc đối với dầm BTCT DƯL và 2 giai đoạn làm việc đối với dầm liên hợp thép - bê tông.

Câu hỏi thường gặp

1. Tiêu chuẩn thiết kế và đoàn tải trọng xe cơ giới được sử dụng để tính toán trong khóa luận là gì?
Khóa luận áp dụng Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272 – 05 với đoàn tải trọng thiết kế HL-93 (gồm tổ hợp xe tải thiết kế HL-93K, xe 2 trục thiết kế HL-93M kết hợp tải trọng làn) cùng tải trọng người đi bộ $3\text{ kN/m}^2$, có xét hệ số xung kích $1 + IM = 1{,}25$ cho tải trọng trục xe.

2. Tại sao tác giả lựa chọn dầm biên chịu 2 làn xe làm đối tượng tính toán kiểm toán kết cấu chính?
Qua bước tính toán hệ số phân bố ngang, tác giả nhận thấy dầm biên có hệ số phân bố ngang lớn hơn dầm giữa ($g_M = 0{,}667 > 0{,}592$) và trường hợp xếp 2 làn xe cho nội lực bất lợi hơn xếp 1 làn xe. Do đó, dầm biên chịu lực nguy hiểm nhất và đóng vai trò khống chế thiết kế kết cấu nhịp.

3. Bố trí cốt thép dự ứng lực trong Phương án I gồm những thông số hình học và cơ lý nào?
Phương án I bố trí 4 bó cáp DƯL (mỗi bó gồm 7 tao cáp đường kính $15{,}2\text{ mm}$, diện tích một tao $140\text{ mm}^2$, tổng diện tích 1 bó là $980\text{ mm}^2$). Cáp thép thuộc cấp M270 có cường độ chịu kéo $f_{pu} = 1860\text{ MPa}$, giới hạn chảy $f_{py} = 1674\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_{ps} = 197000\text{ MPa}$, bán kính đường cong uốn chuyển hướng cáp chọn $R = 10\text{ m}$.

4. Quy cách kích thước và vật liệu của dầm thép trong Phương án II được xác định như thế nào?
Dầm thép chữ I có tổng chiều cao $H_{sb} = 1{,}56\text{ m}$ ($156\text{ cm}$), gồm bản bụng $D_w = 150\text{ cm}$, $t_w = 2\text{ cm}$; bản cánh trên $b_t = 40\text{ cm}$, $t_t = 3\text{ cm}$; bản cánh dưới $b_b = 70\text{ cm}$, $t_b = 3\text{ cm}$. Vật liệu sử dụng là thép chống gỉ M270M cấp 345W có giới hạn chảy $f_y = 345\text{ MPa}$, giới hạn kéo đứt $f_u = 485\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_s = 200000\text{ MPa}$.

5. Sự khác biệt trong các giai đoạn làm việc giữa hai phương án kết cấu là gì?
Phương án I (BTCT DƯL) làm việc qua 3 giai đoạn: Giai đoạn I (tiết diện dầm chữ I có lỗ ống ghen sau khi đúc bê tông), Giai đoạn II (tiết diện dầm chữ I chứa cốt thép DƯL đã kéo căng), Giai đoạn III (tiết diện dầm chữ I liên hợp cùng bản mặt cầu BTCT). Phương án II (Dầm thép liên hợp) làm việc qua 2 giai đoạn: Giai đoạn 1 (tiết diện dầm thép nguyên chịu tải trọng bản thân dầm và bản bê tông ướt) và Giai đoạn 2 (tiết diện dầm thép liên hợp cùng bản BTCT đã đông cứng chịu tĩnh tải 2 và hoạt tải).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã hoàn thành việc thiết kế kỹ thuật sơ bộ hai phương án kết cấu nhịp cầu dầm giản đơn khẩu độ $33\text{ m}$ vượt sông cấp V theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05, bao gồm phương án dầm BTCT DƯL chữ I và phương án dầm thép liên hợp BTCT. Tác giả đã phân tích chi tiết điều kiện tự nhiên, xác định hệ số phân bố ngang bất lợi cho dầm biên, tính toán nội lực theo các tổ hợp trạng thái giới hạn và kiểm toán sức kháng uốn của mặt cắt. Các số liệu hình học, đặc trưng vật liệu và quy trình tính toán đặc trưng hình học theo từng giai đoạn làm việc được trình bày mạch lạc, cung cấp tài liệu tham khảo kỹ thuật chuẩn xác cho công tác thiết kế cầu đường bộ.