Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Hồ Trọng Huỳnh (Lớp Cầu hầm K53) tập trung vào nội dung thiết kế sơ bộ công trình cầu vượt sông. Trong kỹ thuật xây dựng công trình giao thông, việc lập và so sánh các phương án sơ bộ là bước bắt buộc nhằm lựa chọn giải pháp kết cấu tối ưu về mặt chịu lực, biện pháp thi công và hiệu quả kinh tế trước khi bước vào giai đoạn thiết kế kỹ thuật chi tiết.

1. Bối cảnh thực tế và điều kiện tự nhiên tại vị trí xây dựng

Theo tài liệu khảo sát và điều tra nhiều năm được trình bày trong đồ án, vị trí xây dựng cầu có các đặc trưng tự nhiên như sau:

  • Điều kiện địa chất: Kết quả thăm dò lỗ khoan tại khu vực xây dựng xác định địa tầng gồm các lớp đất chính:
    • Lớp 1: Sét dẻo cứng.
    • Lớp 3: Cát hạt vừa. Địa tầng tại khu vực xây dựng được đánh giá là đồng dạng, làm cơ sở để tính toán sức chịu tải của móng cọc theo đất nền cho cả mố và trụ cầu.
  • Điều kiện thủy văn: Mực nước cao nhất ghi nhận $MNCN = 4,4\text{ m}$. Dòng chảy ổn định với tốc độ chảy không lớn, hạn chế phát sinh hiện tượng xói lở hoặc bồi lắng lòng sông và hai bên bờ.
  • Điều kiện thông thuyền: Sông thuộc cấp thông thuyền cấp V. Theo quy chuẩn phân cấp, các thông số tĩnh không thông thuyền yêu cầu gồm:
    • Bề rộng thông thuyền tĩnh không: $B_{tt} = 25\text{ m}$.
    • Tĩnh không thông thuyền theo phương đứng: $H_{tt} = 3,5\text{ m}$.

2. Mục tiêu và nhiệm vụ thiết kế

Đồ án thực hiện các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể theo trình tự:

  1. Xác định quy mô công trình vĩnh cửu, lựa chọn tần suất lũ thiết kế $P = 1%$, khổ cầu và các tổ hợp tải trọng thiết kế tiêu chuẩn.
  2. Xây dựng và tính toán chi tiết Phương án sơ bộ 1: Cầu dầm Bê tông cốt thép Dự ứng lực (BTCT DƯL) nhịp giản đơn $L = 33\text{ m}$.
  3. Xây dựng và tính toán các đặc trưng hình học Phương án sơ bộ 2: Cầu dầm thép liên hợp bản BTCT nhịp giản đơn $L = 33\text{ m}$.
  4. Tính toán hệ số phân bố ngang, xác định đường ảnh hưởng, tổ hợp nội lực theo các trạng thái giới hạn (TTGH Sử dụng và TTGH Cường độ I) cho dầm chủ bất lợi nhất.
  5. Kiểm toán tiết diện chịu uốn, bố trí cốt thép/cáp DƯL cho dầm chủ và thiết kế các hạng mục kết cấu phần dưới (mố chữ U, trụ đặc thân hẹp, móng cọc khoan nhồi).

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu nhịp giản đơn và kết cấu phần dưới của hai kết cấu cầu nhịp $33\text{ m}$ (dầm BTCT DƯL chữ T và dầm thép chữ I liên hợp bản BTCT).
  • Phạm vi không gian: Toàn bộ chiều dài cầu $L_c = 211,3\text{ m}$ gồm 6 nhịp $33\text{ m}$, bao gồm mố chữ U hai đầu cầu và 4 trụ đặc thân hẹp đặt trên nền móng cọc khoan nhồi đường kính $D = 1000\text{ mm}$.
  • Phạm vi kỹ thuật: Thiết kế sơ bộ phần I, tập trung vào mô hình hóa chịu lực, phân bố tải trọng ngang, xác định nội lực nguy hiểm và kiểm toán sức kháng cấu kiện chính.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán

Đồ án vận dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật cầu đường hiện hành cùng các phương pháp cơ học kết cấu công trình để phân tích ứng xử của dầm cầu và móng mố trụ.

1. Khung tiêu chuẩn và mô hình tải trọng

  • Tiêu chuẩn thiết kế: Áp dụng Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272–05.
  • Tải trọng thiết kế:
    • Hoạt tải xe HL-93: Gồm tổ hợp xe tải thiết kế (Truck) với tải trọng làn (Lane), hoặc tổ hợp xe 2 trục thiết kế (Tandem) với tải trọng làn.
    • Hệ số xung kích: $1 + IM = 1,25$ (chỉ áp dụng đối với xe tải và xe hai trục thiết kế).
    • Tải trọng người đi bộ: Phân bố đều $q_{ng} = 3\text{ kN/m}^2$.
    • Tải trọng gió thẳng đứng: $P_V = 0,00045 \cdot V^2 \cdot A_V\text{ (kN)}$, trong đó vận tốc gió thiết kế $V = 38\text{ m/s}$.
    • Tĩnh tải: Gồm tĩnh tải giai đoạn I ($DC$ - trọng lượng bản thân kết cấu nhịp, dầm ngang, ván khuôn) và tĩnh tải giai đoạn II ($DW$ - lớp bê tông nhựa asphalt dày $5\text{ cm}$, lớp phòng nước dày $0,4\text{ cm}$, lớp bê tông mui luyện dày từ $2$ đến $13\text{ cm}$, dung trọng riêng $\gamma_a = 23,4\text{ kN/m}^3$).
  • Hệ số tải trọng:
    • Tĩnh tải giai đoạn I: $\gamma_1 = 1,25$ (và $0,90$).
    • Tĩnh tải giai đoạn II: $\gamma_2 = 1,50$ (và $0,65$).
    • Hoạt tải HL-93 và tải trọng người: $\gamma_h = 1,75$ (TTGH Cường độ I) và $1,00$ (TTGH Sử dụng).

2. Phương pháp tính toán và phân tích kết cấu

  • Phương pháp đường ảnh hưởng (ĐAH): Dùng để xác định vị trí đặt tải bất lợi nhất của đoàn xe tải thiết kế và tải trọng phân bố đều tại các mặt cắt nguy hiểm (mặt cắt giữa nhịp $L/2$ và mặt cắt gối $0-0$).
  • Phương pháp xác định hệ số phân bố ngang (PBN): Sử dụng nguyên tắc đòn bẩy (cho trường hợp 1 làn xe) và công thức thực nghiệm của tiêu chuẩn 22TCN 272-05 dựa trên tham số độ cứng dọc $K_g$ (cho trường hợp 2 làn xe): $$K_g = n(I + A \cdot e_g^2)$$ Trong đó $n = E_B / E_S$ là tỷ số mô đun đàn hồi giữa vật liệu dầm và vật liệu bản; $I$ và $A$ là mômen quán tính và diện tích mặt cắt dầm; $e_g$ là khoảng cách trọng tâm dầm đến trọng tâm bản.
  • Phương pháp quy đổi tiết diện dầm liên hợp: Trong phương án dầm liên hợp thép - BTCT, phần bản bê tông được quy đổi tương đương về thép thông qua tỷ số mô đun đàn hồi $n = E_s / E_c$:
    • Chịu lực ngắn hạn (không xét từ biến): $n = 8$.
    • Chịu lực dài hạn (có xét từ biến của bê tông): $n' = 3n = 24$.
  • Phương pháp tính toán sức chịu tải móng cọc khoan nhồi: Tính toán theo chỉ tiêu cường độ vật liệu ($Q_{vl}$) và theo chỉ tiêu đất nền ($Q_{R}$ dựa trên ma sát thành bên $Q_s$ và sức kháng mũi cọc $Q_p$ từ số búa SPT $N$ và sức kháng cắt không thoát nước $S_u$).

3. Cơ lý vật liệu sử dụng trong tính toán

Hạng mục vật liệu Thông số cơ lý chính Giá trị trong đồ án
Bê tông dầm DƯL Cường độ chịu nén 28 ngày ($f'_c$)
Mô đun đàn hồi ($E_c$)
Hệ số Poisson ($\nu$)		 $40\text{ MPa}$
$32.979\text{ MPa}$
$0,20$
Bê tông bản mặt cầu Cường độ chịu nén 28 ngày ($f'_c$)
Mô đun đàn hồi ($E_c$)
Dung trọng ($\gamma_c$)		 $30\text{ MPa}$ (PA1) / $28\text{ MPa}$ (PA2)
$28.561\text{ MPa}$ (PA1) / $28.441\text{ MPa}$ (PA2)
$24,5\text{ kN/m}^3$ (PA1) / $25,0\text{ kN/m}^3$ (PA2)
Cáp DƯL (7 sợi) Cường độ chịu kéo đứt ($f_{pu}$)
Giới hạn chảy ($f_{py}$)
Mô đun đàn hồi cáp ($E_{ps}$)
Đường kính danh định / Tiết diện 1 tao		 $1860\text{ MPa}$ (Cấp M270)
$1674\text{ MPa}$
$197.000\text{ MPa}$
$15,2\text{ mm}$ / $140\text{ mm}^2$
Thép kết cấu dầm (PA2) Mác thép hợp kim chống gỉ
Giới hạn chảy ($f_y$)
Giới hạn bền kéo đứt ($f_u$)
Mô đun đàn hồi ($E_s$)		 M270M cấp 345W (tương đương ASTM A709M)
$345\text{ MPa}$
$485\text{ MPa}$
$2,1 \times 10^5\text{ MPa}$
Cốt thép thường Cường độ chảy danh định ($f_y$) $420\text{ MPa}$ (Nhóm AII)

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Phương án sơ bộ 1 - Cầu dầm BTCT Dự ứng lực

Chương 1 trình bày toàn diện các bước thiết kế và kiểm toán phương án cầu dầm BTCT DƯL gồm 6 nhịp giản đơn $L_{nh} = 33\text{ m}$.

1. Kích thước hình học và cấu tạo dầm chủ chữ T

  • Chiều dài toàn cầu $L_c = 211,3\text{ m}$. Chiều dài nhịp giản đơn $L = 33\text{ m}$, khoảng cách tim gối đến đầu dầm $0,3\text{ m}$, cho chiều dài tính toán $L_{tt} = 32,4\text{ m}$.
  • Mặt cắt ngang cầu rộng $B_{cầu} = 12\text{ m}$, gồm bề rộng phần xe chạy $B_{xe} = 7\text{ m}$ (2 làn xe), 2 lề người đi bộ rộng $2 \times 1,5\text{ m}$, 2 chân lan can rộng $2 \times 0,5\text{ m}$.
  • Kết cấu nhịp bố trí 5 dầm chủ chữ T với khoảng cách dầm $S = 2,2\text{ m}$. Độ dốc ngang cầu $2%$, dốc dọc nhịp giữa $0%$ và nhịp biên $1,0%$.
  • Kích thước dầm chủ chữ T:
    • Chiều cao dầm: $h = 1650\text{ mm}$.
    • Bản cánh: bề rộng $b_t = 800\text{ mm}$, chiều dày $t_t = 200\text{ mm}$.
    • Sườn dầm: chiều dày $t_w = 200\text{ mm}$.
    • Bầu dầm: bề rộng $b_b = 600\text{ mm}$, chiều cao $t_b = 250\text{ mm}$.
    • Các phần vút: vút cánh dầm rộng $b_{ht} = 300\text{ mm}$, cao $t_{ht} = 100\text{ mm}$; vút bầu dầm rộng $b_{hb} = 200\text{ mm}$, cao $t_{hb} = 200\text{ mm}$.
    • Diện tích mặt cắt dầm chủ nguyên: $A_b = 620.000\text{ mm}^2 = 0,62\text{ m}^2$.
  • Dầm ngang: Bố trí 4 dầm ngang trên một mặt cắt ngang, tổng cộng 20 dầm ngang trên toàn cầu (5 hệ liên kết ngang). Chiều rộng dầm ngang $b_{dn} = 2000\text{ mm}$, chiều cao $h_{dn} = 1320\text{ mm}$, bề dày $t_{dn} = 200\text{ mm}$, thể tích một dầm ngang $V = 0,528\text{ m}^3$.

2. Tải trọng, hệ số phân bố ngang và nội lực dầm chủ

  • Tĩnh tải:
    • Tĩnh tải giai đoạn I tiêu chuẩn: $DC_{tcb} = 31,05\text{ kN/m}$.
    • Tĩnh tải giai đoạn II tiêu chuẩn: $DW_{tc} = 5,61\text{ kN/m}$.
  • Hệ số phân bố ngang (PBN):
    • So sánh giữa dầm biên và dầm giữa cho thấy dầm biên có hệ số PBN lớn hơn và chịu lực bất lợi hơn, đồng thời trường hợp xếp tải trên 2 làn xe nguy hiểm hơn 1 làn.
    • Tác giả chọn dầm biên dưới tác dụng của 2 làn xe để tính toán thiết kế chi tiết: Hệ số PBN mômen $g_M = 0,631$, hệ số PBN lực cắt $g_V = 0,36$.
  • Nội lực tính toán lớn nhất:
    • Tại mặt cắt giữa nhịp ($L/2$): Mômen uốn tính toán lớn nhất theo TTGH Cường độ I là $M_{u\max} = 12.085\text{ kNm}$.
    • Mômen uốn do hoạt tải tiêu chuẩn (xe tải thiết kế) tại $L/2$ đạt $M_{tc,h} = 1416,80\text{ kNm}$, hoạt tải tính toán đạt $M_{tt,h} = 3099,62\text{ kNm}$.
    • Lực cắt tính toán lớn nhất tại mặt cắt gối ($0-0$) do hoạt tải tính toán là $V_{tt,h} = 231,91\text{ kN}$.

3. Bố trí cốt thép dự ứng lực và kiểm toán khả năng chịu uốn

  • Diện tích cốt thép DƯL yêu cầu gần đúng: $A_{ps} = 4605,67\text{ mm}^2$.
  • Tác giả chọn bố trí 5 bó cáp DƯL, mỗi bó gồm 7 tao thép đường kính $15,2\text{ mm}$, tổng diện tích cốt thép DƯL thực tế $A_{ps} = 4900\text{ mm}^2$.
  • Cáp được bố trí theo đường cong tròn trong mặt phẳng đứng của sườn dầm.
  • Kiểm toán TTGH Cường độ I:
    • Xác định vị trí trục trung hòa: Lực nén bê tông $N_1 = 8970\text{ kN} >$ Lực kéo của cáp $N_2$, trục trung hòa nằm trong chiều dày bản mặt cầu với chiều cao vùng nén tính toán $a = 187,42\text{ mm}$ (chiều cao lý thuyết $c = 228,8\text{ mm}$).
    • Khoảng cách hữu hiệu đến trọng tâm cốt thép chịu kéo $d_e = 1458\text{ mm}$.
    • Sức kháng uốn tính toán của mặt cắt: $M_r = \phi M_n = 13.410,11\text{ kNm}$ (với $\phi = 1,0$).
    • Đánh giá: $M_r = 13.410,11\text{ kNm} > M_{u\max} = 12.085\text{ kNm}$, kết cấu dầm chủ đảm bảo an toàn chịu uốn.
    • Tỷ số giới hạn hàm lượng cốt thép: $c / d_e = 228,8 / 1458 = 0,157 < 0,42$, tiết diện dẻo đạt yêu cầu.

4. Tính toán kết cấu phần dưới (Mố và Trụ)

  • Mố chữ U:
    • Kích thước bệ mố: rộng $12,0\text{ m}$ (ngang cầu) $\times$ $5,0\text{ m}$ (dọc cầu), chiều dày bệ $b_1 = 2,0\text{ m}$. Chiều cao mố từ đáy bệ đến đỉnh tường đầu $b_5 = 7,079\text{ m}$. Bề dày tường thân $a_3 = 1,7\text{ m}$, bề dày tường đầu $a_8 = 0,5\text{ m}$.
    • Tổng tải trọng thẳng đứng tác dụng lên đáy móng tại TTGH Cường độ I: $V = 16.632\text{ kN}$ (gồm tĩnh tải KCN và mố $7292,9\text{ kN}$, đất đắp $2653,3\text{ kN}$, hoạt tải xe ô tô $1040,2\text{ kN}$, tải trọng người $144,9\text{ kN}$, lực gió $P_V = 116,3\text{ kN}$, áp lực đất hoạt tải $V_S = 355,8\text{ kN}$).
    • Sức chịu tải của cọc khoan nhồi $D = 1000\text{ mm}$: Sức chịu tải theo vật liệu $Q_{vl} = 16.028\text{ kN}$; Sức chịu tải theo đất nền $Q_{cọc} = 4243,6\text{ kN}$ (sức kháng thân cọc $4890,9\text{ kN}$, sức kháng mũi cọc $2048,0\text{ kN}$).
    • Số lượng cọc móng mố: $n = 1,5 \times (15.822 / 4243,6) = 5,6 \to$ Bố trí 6 cọc khoan nhồi (chia làm 2 hàng $\times$ 3 cọc).
  • Trụ đặc thân hẹp:
    • Kích thước trụ: Thân trụ cao $h_c = 9,0\text{ m}$, bề rộng trụ $d_h = 1,5\text{ m}$, bệ trụ cao $h = 2,0\text{ m}$, xà mũ cao $h_{cb} = 1,5\text{ m}$. Bệ trụ có kích thước $11,0\text{ m} \times 5,0\text{ m} \times 2,0\text{ m}$.
    • Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên mặt cắt đáy móng trụ đạt $P = 16.387\text{ kN}$.
    • Số lượng cọc móng trụ: $n = 1,6 \times (16.387 / 4243,6) \to$ Bố trí 8 cọc khoan nhồi $D = 1000\text{ mm}$, chiều dài cọc ngập trong đất $L = 25\text{ m}$ (bố trí 2 hàng $\times$ 4 cọc).

Chương 2: Phương án sơ bộ 2 - Cầu dầm liên hợp thép - BTCT

Chương 2 trình bày các thông số cấu tạo và tính toán đặc trưng hình học tiết diện của phương án dầm liên hợp thép - bản bê tông cốt thép.

1. Cấu tạo kết cấu dầm thép liên hợp

  • Sơ đồ nhịp gồm 6 nhịp giản đơn $L = 33\text{ m}$, chiều dài tính toán $L_{tt} = 32,4\text{ m}$. Mặt cắt ngang gồm 5 dầm thép chữ I liên hợp với khoảng cách giữa các dầm chủ $S = 2,2\text{ m}$.
  • Kích thước mặt cắt ngang: Bề rộng toàn cầu $B_{cầu} = 11\text{ m}$, bề rộng xe chạy $B_{xe} = 7\text{ m}$, lề người đi bộ $2 \times 1,5\text{ m}$, chân lan can $2 \times 0,5\text{ m}$.
  • Chiều cao dầm thép được chọn theo điều kiện kinh nghiệm $H_{sb} \ge L / 30 = 33 / 30 = 1,08\text{ m}$, chọn $H_{sb} = 1,56\text{ m}$. Chiều cao toàn bộ dầm liên hợp sau khi đổ bê tông vút và bản mặt cầu là $H_{cb} = 156 + 12 + 20 = 188\text{ cm} = 1,88\text{ m}$.
  • Kích thước chi tiết các bộ phận dầm thép chữ I:
    • Bản bụng (Web): Chiều cao $D_w = 150\text{ cm}$, chiều dày $t_w = 2\text{ cm}$.
    • Bản cánh trên (Top flange): Rộng $b_t = 40\text{ cm}$, chiều dày $t_t = 3\text{ cm}$ (1 tập bản). Bản cánh trên có kích thước nhỏ hơn cánh dưới do có bản bê tông cùng tham gia chịu nén.
    • Bản cánh dưới (Bottom flange): Rộng $b_b = 70\text{ cm}$, chiều dày $t_b = 3\text{ cm}$ (1 tập bản).
    • Bản mặt cầu BTCT: Chiều dày bản $t_s = 20\text{ cm}$, chiều cao vút bản $t_h = 12\text{ cm}$, bề rộng vút bản $b_h = 12\text{ cm}$, phần cánh hẫng $d_e = 110\text{ cm}$.

2. Phân tích các giai đoạn làm việc và tính toán đặc trưng hình học

Công trình được giả thiết thi công theo phương pháp lắp ghép bằng cần cẩu hoặc lao kéo dọc không có trụ tạm, do đó quá trình làm việc chia làm 2 giai đoạn:

  • Giai đoạn I (Dầm thép độc lập):

    • Tiết diện làm việc chỉ bao gồm dầm thép chịu trọng lượng bản thân dầm, hệ liên kết và bản bê tông ướt.
    • Diện tích mặt cắt nguyên dầm thép: $A_{NC} = 630\text{ cm}^2$.
    • Khoảng cách từ đáy dầm đến trục trung hòa: $Y_1 = 67,07\text{ cm}$.
    • Chiều cao phần sườn dầm chịu nén: $D_{C1} = 156 - 3 - 67,07 = 85,93\text{ cm}$.
    • Mômen tĩnh đối với trục đáy: $S_0 = 42.255\text{ cm}^3$; Mômen tĩnh đối với trục trung hòa: $S_{NC} = 17.875,15\text{ cm}^3$.
    • Mômen quán tính của tiết diện dầm thép: $I_{NC} = I_w + I_{cf} + I_{tf} = 2.418.747\text{ cm}^4$.
    • Mômen quán tính đối với trục đứng $O_y$: $I_y = 101.850\text{ cm}^4$.

  • Giai đoạn II (Tiết diện liên hợp thép - bê tông):

    • Khi bản mặt cầu đạt cường độ, dầm thép và bản BTCT liên kết qua neo thép tạo thành tiết diện liên hợp cùng chịu tĩnh tải giai đoạn II ($DW$) và hoạt tải xe cộ ($LL + IM$).
    • Bề rộng tính toán của bản cánh bê tông: Xác định giá trị nhỏ nhất theo 22TCN 272-05 cho dầm biên $b_s = b_1 + b_2 = 110 + 110 = 220\text{ cm}$, và dầm trong $b_s = 2 b_2 = 220\text{ cm}$.
    • Vật liệu bê tông bản được quy đổi sang thép qua hệ số $n = 8$ (ngắn hạn, $E_s / E_c = 2,1 \cdot 10^5 / 28.441$) và $n' = 24$ (dài hạn có từ biến).

Kết quả và đóng góp

1. Tổng hợp kết quả tính toán giữa hai phương án

Dưới đây là bảng tổng hợp các chỉ tiêu kỹ thuật chính của hai phương án sơ bộ được tác giả tính toán chi tiết trong văn bản:

Hạng mục so sánh Phương án 1: Dầm BTCT DƯL Phương án 2: Dầm thép liên hợp BTCT
Sơ đồ nhịp 6 nhịp giản đơn $L = 33\text{ m}$ 6 nhịp giản đơn $L = 33\text{ m}$
Tổng chiều dài cầu ($L_c$) $211,3\text{ m}$ $211,3\text{ m}$
Số lượng dầm chủ mặt cắt 5 dầm chữ T ($S = 2,2\text{ m}$) 5 dầm chữ I liên hợp ($S = 2,2\text{ m}$)
Chiều cao dầm chủ $h = 1,65\text{ m}$ $H_{sb} = 1,56\text{ m}$ (Tổng $H_{cb} = 1,88\text{ m}$)
Khối lượng/Diện tích dầm $A_b = 0,62\text{ m}^2$ ($620.000\text{ mm}^2$) $A_{NC} = 0,063\text{ m}^2$ ($630\text{ cm}^2$)
Vật liệu dầm chủ Bê tông $f'c = 40\text{ MPa}$, cáp DƯL 7 sợi $f{pu} = 1860\text{ MPa}$ Thép M270M cấp 345W ($f_y = 345\text{ MPa}$)
Số lượng cáp / neo 5 bó cáp ($A_{ps} = 4900\text{ mm}^2$) Bản cánh trên $40 \times 3\text{ cm}$, cánh dưới $70 \times 3\text{ cm}$
Nội lực uốn cực đại ($M_u$) $12.085\text{ kNm}$ (tại giữa nhịp $L/2$) Đang xác định qua đặc trưng tiết diện quy đổi
Sức kháng uốn ($M_r$) $13.410,11\text{ kNm}$ ($M_r > M_u$, Đạt) —
Kết cấu mố & số cọc Mố chữ U bệ $12 \times 5\text{ m}$, 6 cọc khoan nhồi $D = 1000\text{ mm}$ Sử dụng tương tự quy mô mố trụ PA1
Kết cấu trụ & số cọc Trụ đặc thân hẹp bệ $11 \times 5\text{ m}$, 8 cọc khoan nhồi $D = 1000\text{ mm}$ Sử dụng tương tự quy mô mố trụ PA1

2. Các giải pháp kỹ thuật đề xuất trong đồ án

  • Lựa chọn cấu tạo dầm: Trong phương án 1, dầm chủ chữ T được tăng chiều dày và mở rộng bầu dầm ở gối để bố trí cốt neo cáp và chịu lực cắt lớn; trong phương án 2, bản cánh trên dầm thép được thiết kế hẹp hơn bản cánh dưới ($40\text{ cm}$ so với $70\text{ cm}$) nhằm phát huy tối đa khả năng chịu nén của bản bê tông đổ tại chỗ bên trên.
  • Biện pháp thi công kết cấu nhịp: Đề xuất biện pháp cẩu lắp ghép hoặc lao kéo dọc dầm cho cả hai phương án, không cần xây dựng hệ đà giáo cố định dưới sông, phù hợp với lòng sông thông thuyền cấp V.
  • Giải pháp nền móng: Sử dụng đồng bộ móng cọc khoan nhồi đường kính lớn $D = 1000\text{ mm}$ ngập sâu $25\text{ m}$ vào tầng sét dẻo cứng và cát hạt vừa, đảm bảo sức chịu tải $4243,6\text{ kN/cọc}$ và khắc phục triệt để điều kiện đẩy nổi của nước thủy văn.

Phạm vi áp dụng và hạn chế của phương án sơ bộ

  • Giả thiết tính toán thủy lực: Mố cầu được giả thiết nằm hoàn toàn trên mực nước thông thường ($MNTT$) và hầu như không bị ngập nước, do đó trong đồ án chưa tính đến tải trọng va xô tàu bè và áp lực đẩy nổi tác dụng trực tiếp lên thân mố.
  • Giới hạn số liệu Chương 2: Bản thuyết minh đồ án ở Chương 2 mới dừng lại ở việc thiết lập các đặc trưng hình học tiết diện dầm nguyên và dầm liên hợp tính đổi, chưa hoàn thiện toàn bộ bước tổ hợp nội lực và bố trí chi tiết các chi tiết đường hàn, bu lông liên kết mối nối và đinh neo chịu cắt.
  • Phạm vi địa chất: Địa tầng khu vực xây dựng được giả định là đồng dạng dọc tuyến cầu, cho phép dùng chung kết quả tính toán sức chịu tải cọc theo đất nền của mố cho kết cấu móng trụ.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có cấu trúc rõ ràng cho sinh viên và kỹ sư chuyên ngành:

  • Đối tượng thụ hưởng: Sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông, Kỹ thuật Cầu - Hầm, kỹ sư thiết kế kết cấu cầu đường bộ.
  • Hạng mục chuyên môn nổi bật để tham khảo:
    1. Quy trình xếp tải hoạt tải HL-93: Trình tự vẽ đường ảnh hưởng mômen và lực cắt tại các mặt cắt đặc trưng ($L/2$, $0-0$) kết hợp hệ số phân bố ngang dầm biên và dầm trong theo 22TCN 272-05.
    2. Quy trình quy đổi đặc trưng hình học tiết diện dầm liên hợp: Phương pháp tính toán diện tích nguyên, trục trung hòa và mômen quán tính dầm thép chữ I và dầm liên hợp có xét/không xét từ biến bê tông ($n = 8$ và $n' = 24$).
    3. Mô hình tính toán mố chữ U và trụ đặc thân hẹp: Bảng tổng hợp các tổ hợp tải trọng tác dụng lên đáy móng mố và bệ trụ kèm thuật toán bố trí số lượng cọc khoan nhồi chịu tải trọng lệch tâm.

Câu hỏi thường gặp

1. Cấp thông thuyền và các thông số tĩnh không yêu cầu tại vị trí xây dựng cầu là bao nhiêu?

Theo số liệu khảo sát trong đồ án, công trình vượt qua sông có cấp thông thuyền cấp V. Tra bảng cấp thông thuyền theo tiêu chuẩn, các thông số tĩnh không bắt buộc gồm: bề rộng thông thuyền $B_{tt} = 25\text{ m}$ và chiều cao tĩnh không thông thuyền $H_{tt} = 3,5\text{ m}$, mực nước cao nhất $MNCN = 4,4\text{ m}$.

2. Tại sao dầm biên được chọn làm dầm đại diện để tính toán nội lực và bố trí cáp DƯL trong Phương án 1?

Qua quá trình tính toán và so sánh hệ số phân bố ngang (PBN) giữa các dầm, dầm biên cho giá trị hệ số PBN lớn hơn dầm giữa (với mômen $g_M = 0,631$ và lực cắt $g_V = 0,36$ khi xếp 2 làn xe). Do dầm biên chịu tác dụng của các tổ hợp tải trọng bất lợi nhất trong toàn bộ hệ mặt cắt ngang, tác giả đã lựa chọn dầm biên để tính toán kiểm toán chịu uốn nhằm đảm bảo an toàn cho toàn bộ công trình.

3. Phương án dầm BTCT DƯL bố trí bao nhiêu bó cáp và kết quả kiểm toán uốn đạt hay không?

Dầm chủ $33\text{ m}$ yêu cầu diện tích cốt thép DƯL $A_{ps} = 4605,67\text{ mm}^2$, tác giả chọn bố trí 5 bó cáp DƯL 7 tao đường kính $15,2\text{ mm}$ (tổng diện tích thực tế $A_{ps} = 4900\text{ mm}^2$). Kết quả kiểm toán tại trạng thái giới hạn cường độ I cho thấy sức kháng uốn tính toán của dầm $M_r = 13.410,11\text{ kNm}$, lớn hơn mômen uốn tính toán lớn nhất $M_{u\max} = 12.085\text{ kNm}$, chứng minh kết cấu dầm hoàn toàn đảm bảo an toàn chịu lực.

4. Móng mố và móng trụ trong đồ án sử dụng loại móng gì và có bao nhiêu cọc?

Móng mố và móng trụ đều sử dụng móng cọc khoan nhồi đường kính $D = 1000\text{ mm}$ cắm vào tầng địa chất sét dẻo cứng và cát hạt vừa với chiều dài ngập đất $L = 25\text{ m}$ (sức chịu tải tính toán theo đất nền $Q_{cọc} = 4243,6\text{ kN}$):

  • Móng mố chữ U: Bố trí 6 cọc khoan nhồi (2 hàng $\times$ 3 cọc) trên bệ móng $12\text{ m} \times 5\text{ m} \times 2\text{ m}$.
  • Móng trụ đặc thân hẹp: Bố trí 8 cọc khoan nhồi (2 hàng $\times$ 4 cọc) trên bệ móng $11\text{ m} \times 5\text{ m} \times 2\text{ m}$.

5. Thép dầm chủ trong Phương án 2 thuộc mác thép nào và hệ số quy đổi đàn hồi bê tông sang thép được tính như thế nào?

Dầm thép chủ Phương án 2 sử dụng thép hợp kim M270M cấp 345W (thép chống gỉ tương đương ASTM A709M) có giới hạn chảy $f_y = 345\text{ MPa}$, giới hạn kéo đứt $f_u = 485\text{ MPa}$ và mô đun đàn hồi $E_s = 2,1 \times 10^5\text{ MPa}$. Hệ số quy đổi phần bê tông sang thép khi tính toán tiết diện liên hợp giai đoạn II là $n = E_s / E_c = 8$ (cho trường hợp chịu lực ngắn hạn không từ biến) và $n' = 3n = 24$ (cho trường hợp dài hạn có xét từ biến của bê tông).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Hồ Trọng Huỳnh đã hoàn thành việc lập và tính toán hai phương án kết cấu nhịp giản đơn $33\text{ m}$ (dầm BTCT DƯL và dầm thép liên hợp bản BTCT) theo đúng trình tự và quy định của Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272–05. Các số liệu tính toán hệ số phân bố ngang, đường ảnh hưởng nội lực, kiểm toán tiết diện chịu uốn và giải pháp móng cọc khoan nhồi cho mố trụ được thể hiện đầy đủ, rõ ràng và có tính nhất quán kỹ thuật cao. Tài liệu cung cấp nguồn dẫn liệu mẫu có giá trị thực tiễn cho công tác học tập, nghiên cứu và thiết kế kết cấu cầu đường bộ.