Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống giao thông đường bộ, cầu bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCT DƯL) nhịp giản đơn dạng dầm I là một trong những giải pháp kết cấu phổ biến nhờ ưu điểm thi công đúc sẵn nhanh chóng, kiểm soát tốt chất lượng bê tông, tối ưu hóa khả năng chịu lực và phù hợp với điều kiện địa hình, kinh tế tại Việt Nam. Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế cầu dầm I nhịp giản đơn 25m" của tác giả Phạm Đăng Quang (ngành Xây dựng Công trình Giao thông, Khoa Đào tạo Chất lượng Cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2020) được thực hiện nhằm giải quyết bài toán thiết kế hoàn chỉnh một công trình cầu đường bộ vĩnh cửu, kết hợp đồng bộ giữa kết cấu phần trên và kết cấu phần dưới.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể trong đồ án được xác định gồm:

  1. Thiết kế và tính toán chi tiết kết cấu nhịp cầu dầm I bê tông cốt thép dự ứng lực căng trước có chiều dài nhịp 25 m theo các trạng thái giới hạn.
  2. Xác định các loại tải trọng tác dụng, phân tích nội lực và tính toán kiểm toán kết cấu trụ cầu (xà mũ, thân trụ, đáy bệ) cùng hệ móng cọc khoan nhồi.
  3. Thiết lập sơ đồ tính toán, xác định tổ hợp tải trọng và thiết kế kết cấu mố cầu cùng móng cọc mố.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là công trình cầu đường bộ dầm I BTCT DƯL nhịp giản đơn 25 m, bề rộng mặt cầu 12 m (mặt xe chạy 11 m, 2 dải lan can mỗi bên 0,5 m). Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong phạm vi tính toán thiết kế kỹ thuật kết cấu phần trên (dầm chủ, dầm ngang, bản mặt cầu) và kết cấu phần dưới (trụ thân đặc/cột trên bệ móng cọc khoan nhồi sâu 57 m, mố cầu) dựa trên số liệu địa chất khảo sát thực tế tại trụ cầu và các quy chuẩn thiết kế cầu đường bộ hiện hành tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án áp dụng khung tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823-2017 (kết hợp các điều khoản tham chiếu tương đương từ TCVN 272-05 và AASHTO LRFD), đồng thời sử dụng tiêu chuẩn ASTM A416M G270 cho cốt thép dự ứng lực.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán thực tế trong đồ án bao gồm:

  • Phương pháp phân tích kết cấu theo các Trạng thái Giới hạn (TTGH): Bao gồm TTGH Cường độ I, II, III (đánh giá sức kháng uốn, sức kháng cắt), TTGH Sử dụng (kiểm soát ứng suất kéo nén, độ võng, độ vồng và bề rộng khe nứt) và TTGH Đặc biệt (động đất, va tàu).
  • Phương pháp phân bố tải trọng ngang: Áp dụng phương pháp đòn bẩy cho dầm biên khi xếp một làn xe và công thức giải tích kinh nghiệm theo tiêu chuẩn thiết kế cho dầm giữa và dầm biên khi xếp nhiều làn xe để xác định hệ số phân bố mô men ($g_{mg}$) và lực cắt ($g_{vg}$).
  • Phương pháp đường ảnh hưởng: Thiết lập đường ảnh hưởng mô men và lực cắt tại các mặt cắt đặc trưng ($x_0 = 0$, $x_1 = 0,1L$, $x_2 = 1,5\text{ m}$ mặt cắt thay đổi tiết diện, $x_3 = L/4$, $x_4 = L/2$, $x_5 = 3L/8$) để xếp hoạt tải HL-93 (xe tải thiết kế 3 trục, xe hai trục Tandem kết hợp tải trọng làn) tìm giá trị nội lực bất lợi nhất.
  • Phương pháp phân tích mất mát dự ứng suất từng thành phần: Tính toán chi tiết các tổn hao ứng suất gồm co ngắn đàn hồi của bê tông ($\Delta f_{pES}$), co ngót bê tông ($\Delta f_{pSR}$), từ biến bê tông ($\Delta f_{pCR}$) và tự chùng của cốt thép dự ứng lực ($\Delta f_{pR}$).
  • Phương pháp mô hình hóa và phần tử hữu hạn: Mô hình hóa kết cấu xà mũ, thân trụ, móng cọc trong không gian chịu tác động của hệ tổ hợp tải trọng đa chiều để trích xuất nội lực phục vụ kiểm toán cấu kiện bê tông cốt thép thường và cọc ngàm trong đất.

Nguồn dữ liệu đầu vào sử dụng trong đồ án:

  • Số liệu tải trọng: Tĩnh tải kết cấu ($DC, DW$), hoạt tải xe thiết kế HL-93 ($35\text{ kN} + 145\text{ kN} + 145\text{ kN}$, trục Tandem $2 \times 110\text{ kN}$, tải làn $9,3\text{ kN/m}$, xung kích $IM = 33%$), tải trọng người đi bộ ($3\text{ kN/m}^2$), áp lực gió, áp lực dòng chảy ($V = 0,6\text{ m/s}$), lực va tàu ($P_s = 2989\text{ kN}$), gia tốc động đất vùng 1 ($A_Q = 0,53$).
  • Số liệu địa chất: Cột địa chất lỗ khoan DCMC - DC08 gồm các lớp đất sét, sét pha, cát pha với các chỉ số cơ lý và chỉ số đập tiêu chuẩn SPT ($N_{SPT}$) từ mẫu BH5-1 đến BH5-25, mực nước ngầm cách mặt đất $1,5\text{ m}$.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG I: TÍNH TOÁN DẦM I 25m

Chương này tập trung toàn bộ quy trình thiết kế kết cấu nhịp cầu dầm I bê tông cốt thép dự ứng lực căng trước chiều dài $L = 25\text{ m}$ ($L_{tt} = 24,4\text{ m}$, cự ly tim gối $a = 0,3\text{ m}$).

1. Số liệu thiết kế và kích thước sơ bộ:

  • Mặt cắt ngang cầu gồm 6 dầm chủ chữ I đặt cách nhau $S_d = 2000\text{ mm}$. Chiều cao dầm $H = 1350\text{ mm}$, bề rộng bầu dưới $b_1 = 650\text{ mm}$, bề rộng sườn $b_2 = 200\text{ mm}$, bề rộng bầu trên $b_3 = 600\text{ mm}$. Đầu dầm mở rộng sườn thành tiết diện đặc với $L_{\text{mở rộng}} = 1300\text{ mm}$ và đoạn vút $L_{\text{vút}} = 500\text{ mm}$.
  • Bản mặt cầu dày $20\text{ cm}$, lớp phòng nước $2\text{ cm}$, lớp phủ bê tông asphalt $7\text{ cm}$. Bố trí 6 dầm ngang chiều cao $h = 900\text{ mm}$, bề rộng $b = 200\text{ mm}$, cự ly $S_n = 5000\text{ mm}$.
  • Vật liệu: Bê tông dầm chủ có cường độ nén $f'c = 50\text{ MPa}$ ($E{cd} = 38006,99\text{ MPa}$); bê tông bản mặt cầu $f'c = 30\text{ MPa}$ ($E{cb} = 29440,09\text{ MPa}$); cốt thép DƯL loại tao $D_{ps} = 15,2\text{ mm}$ ASTM A416M G270 có $f_{pu} = 1860\text{ MPa}$, $f_{py} = 1674\text{ MPa}$, $E_{ps} = 197000\text{ MPa}$, ứng suất căng kéo ban đầu $f_{pj} = 0,75 f_{pu} = 1395\text{ MPa}$.
Thông số hình học dầm chủ Giai đoạn I (Chưa liên hợp) Giai đoạn II (Liên hợp bản mặt cầu)
Diện tích mặt cắt dầm giữa ($A$) $0,57775\text{ m}^2$ $1,75525\text{ m}^2$ (quy đổi)
Vị trí trục trung hòa cách đáy dầm ($Y_d$) $624\text{ mm}$ $897,29\text{ mm}$
Vị trí trục trung hòa cách đỉnh ($Y_t$) $726\text{ mm}$ $452,71\text{ mm}$
Mô men quán tính tiết diện ($I$) $0,1163\text{ m}^4$ $2,65 \times 10^{11}\text{ mm}^4$

2. Hệ số phân bố tải trọng ngang và tính toán nội lực:

  • Số làn thiết kế là 3 làn ($B_1 = 11\text{ m}$), hệ số làn $m = 0,85$. Giá trị hệ số phân bố tải trọng ngang tính toán lớn nhất:
    • Dầm giữa: $g_{mg} = 0,623$ (mô men), $g_{vg} = 0,721$ (lực cắt khi xếp 2 làn xe).
    • Dầm biên: $g_{mg} = 0,591$ (mô men), $g_{vg} = 0,552$ (hoặc $0,600$ theo nguyên tắc đòn bẩy khi xếp 1 làn xe).
  • Tĩnh tải tác dụng trên dầm giữa: Trọng lượng bản thân dầm $DC_1 = 1,4728\text{ T/m}$, bản mặt cầu và dầm ngang $DC_2 = 1,22\text{ T/m}$, lớp phủ $DW = 0,394\text{ T/m}$.
  • Tổng hợp nội lực dầm giữa tại mặt cắt giữa nhịp ($L/2$): Mô men do tĩnh tải $M_{DC} = 2005\text{ kNm}$, mô men tính toán lớn nhất ở trạng thái giới hạn Cường độ I đạt $M_{u,CD1} = 5919,1\text{ kNm}$. Lực cắt tính toán lớn nhất tại mặt cắt gối đạt $V_{u,CD1} = 1107\text{ kN}$.

3. Bố trí cáp dự ứng lực và tính toán mất mát ứng suất:

  • Tác giả chọn bố trí tổng cộng 24 tao cáp $15,2\text{ mm}$ ($A_{ps} = 3360\text{ mm}^2$) chia thành các hàng với cao độ trọng tâm cách đáy dầm tại giữa nhịp là $a = 110\text{ mm}$.
Thành phần mất mát dự ứng suất Giá trị tính toán (MPa) Tỷ lệ (%)
Mất mát do co ngắn đàn hồi ($\Delta f_{pES}$) $86,263$ -
Mất mát do co ngót bê tông ($\Delta f_{pSR}$) $68,030$ -
Mất mát do từ biến bê tông ($\Delta f_{pCR}$) $117,420$ -
Mất mát do tự chùng cốt thép ($\Delta f_{pR}$) $42,390$ -
Tổng mất mát ứng suất toàn phần ($\Delta f_{pT}$) $269,310$ $19,31%$
  • Ứng suất danh định của bó cáp sau khi truyền lực đạt $1339\text{ MPa} < f_{pR2}$ và thỏa mãn điều kiện ứng suất giới hạn theo TCVN 11823.

4. Kiểm toán các trạng thái giới hạn:

  • Kiểm tra ứng suất thớ dầm: Ứng suất nén lớn nhất ở thớ trên dầm trong giai đoạn khai thác là $-10,846\text{ MPa}$ (nằm trong giới hạn cho phép $0,6f'_c = 30\text{ MPa}$), ứng suất kéo thớ dưới đều thỏa mãn điều kiện giới hạn.
  • Sức kháng uốn: Sức kháng uốn danh định tính toán $\phi M_n \ge M_{u,CD1} = 5919,1\text{ kNm}$.
  • Hàm lượng cốt thép: Kiểm tra cốt thép tối thiểu thỏa mãn $M_n \ge \min(1,2M_{cr}; 1,33M_u)$ và điều kiện cốt thép tối đa thỏa mãn $c/d_e = 0,08/1,85 = 0,043 \le 0,42$.
  • Sức kháng cắt: Chiều cao chịu cắt hữu hiệu $d_v = 1330,8\text{ mm}$. Sức kháng cắt danh định của bê tông và cốt đai $\phi V_n \ge V_u = 459,25\text{ kN}$ với việc bố trí cốt thép đai $\phi 12$.
  • Kiểm toán biến dạng: Độ vồng tại thời điểm căng kéo đạt $21,69\text{ mm}$, độ võng do đoàn hoạt tải xe thiết kế gây ra là $14,4\text{ mm}$, nằm trong giới hạn cho phép của tiêu chuẩn.

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN TRỤ CẦU

Chương này trình bày toàn bộ quá trình xác định tải trọng, tổ hợp nội lực và kiểm toán kết cấu trụ cầu bê tông cốt thép $f'_c = 30\text{ MPa}$ ($E_c = 29440\text{ MPa}$), cốt thép chịu lực $f_y = 400\text{ MPa} - 420\text{ MPa}$, cọc khoan nhồi trong nền địa chất phức tạp.

1. Tải trọng và phản lực tác dụng lên trụ:

  • Phản lực tĩnh tải kết cấu nhịp truyền xuống mỗi gối dầm trong $R_{DC} = 339,10\text{ kN}, R_{DW} = 29,65\text{ kN}$; gối dầm biên $R_{DC} = 414,75\text{ kN}$.
  • Phản lực hoạt tải trên mỗi gối: Do xe tải lớn nhất $R_{truck} = 343,67\text{ kN}$, xe Tandem $R_{tandem} = 214,59\text{ kN}$, tải làn $R_{lane} = 226,92\text{ kN}$, tải người đi bộ $R_{PL} = 219,6\text{ kN}$. Phản lực tổng hợp lớn nhất tại gối ngoài cùng đạt $341,44\text{ kN}$.
  • Tải trọng phụ thêm: Tải trọng gió thân trụ và xà mũ ($1,5\text{ kN/m}$), lực hãm xe cho 3 làn là $207,19\text{ kN}$ ($34,53\text{ kN/gối}$), áp lực dòng chảy ($P = 1,11\text{ kN}$ với vận tốc dòng $V = 0,6\text{ m/s}$), lực va tàu theo phương ngang $P_s = 2989\text{ kN}$ (lực phân bố ngang $1495\text{ kN}$), tải trọng động đất vùng 1 ($A_Q = 0,53$).

2. Kiểm toán các bộ phận kết cấu trụ:

  • Xà mũ trụ: Mô men uốn tính toán lớn nhất tại mặt cắt ngàm $M_u = 6441,59\text{ kNm}$. Bố trí 22 thanh thép $\phi 32$ ($A_s = 17693,4\text{ mm}^2$), sức kháng uốn danh định đạt $\phi M_n = 8614,28\text{ kNm} > M_u$. Lực cắt tính toán $V_u = 4271,62\text{ kN}$, bố trí đai $\phi 16$ gồm 4 nhánh cự ly $150\text{ mm}$ cho sức kháng cắt $\phi V_n = 4282,96\text{ kN}$. Kiểm tra nứt ở TTGH Sử dụng đạt ứng suất $f_s = 201,29\text{ MPa} < f_{sa} = 227,14\text{ MPa}$.
  • Thân trụ: Chiều cao tự do $l = 5\text{ m}$. Kiểm tra độ mảnh theo hai phương $Kl/r_x = 7,066 < 22$ và $Kl/r_y = 21,863 < 22$ cho phép bỏ qua hiệu ứng độ mảnh. Tính toán uốn nén hai chiều dưới lực dọc lớn nhất $N = 14090,8\text{ kN}$ (TTGH CĐ I) và $N = 10290,97\text{ kN}$ (TTGH Đặc biệt). Bố trí 30 thanh $\phi 28$ theo phương Y và 12 thanh $\phi 28$ theo phương X. Kiểm tra nứt đạt $f_s = 188,9\text{ MPa} < f_{sa} = 234,6\text{ MPa}$; bố trí đai $\phi 14$ bước $200\text{ mm}$ thỏa mãn khả năng chịu cắt $Q_{x,\max} = 724,6\text{ kN}$.
  • Đáy bệ trụ: Kiểm toán mặt cắt ngàm 3-3 với $M_u = 8054,99\text{ kNm}$, bố trí 53 thanh thép $\phi 28$ cho sức kháng uốn $\phi M_n = 22659\text{ kNm}$; lực cắt $V_u = 11507,14\text{ kN} < \phi V_n = 12275,91\text{ kN}$ với đai cấu tạo $\phi 14$ bước $450\text{ mm}$; ứng suất kiểm tra nứt $f_s = 99,77\text{ MPa} < f_{sa} = 130,76\text{ MPa}$. Kiểm toán mặt cắt 2-2 với $M_u = 2965,7\text{ kNm}$, bố trí 33 thanh $\phi 28$, đai $\phi 16$ bước $450\text{ mm}$.

3. Thiết kế móng cọc khoan nhồi:

  • Địa chất: Lớp đất chịu lực chính ở mũi cọc là lớp cát pha sét hạt thô, kết cấu chặt vừa có $\phi = 23^\circ 30'$ và chỉ số $N_{SPT} = 45$.
  • Thông số cọc: Đường kính cọc $D = 1,0\text{ m}$, chiều dài cọc $L_c = 57\text{ m}$ (chiều dài ngàm trong đất $52\text{ m}$, chiều cao từ đáy bệ đến mặt đất $l_0 = 5\text{ m}$, chiều dài đoạn thép ngàm vào bệ $1,1\text{ m}$). Cốt thép cọc gồm 18 thanh $\phi 32$ ($A_s = 0,0161\text{ m}^2$, hàm lượng $1,24%$).
  • Sức chịu tải tính toán của cọc đơn:
    • Theo đất nền: $R_{c,dn} = 6230,695\text{ kN}$ (bao gồm sức kháng mũi và ma sát thành bên có xét ảnh hưởng lực đẩy nổi của cọc $W = 671,175\text{ kN}$).
    • Theo vật liệu bê tông B20 ($R_b = 11,9\text{ MPa}$) và cốt thép CII ($R_s = 280\text{ MPa}$): $R_{c,vl} = 77967,78\text{ kN}$.
    • Sức chịu tải thiết kế lấy theo giá trị nhỏ hơn: $R_{tk} = 6230,695\text{ kN}$.
  • Số lượng cọc lựa chọn: 6 cọc bố trí trong bệ. Cọc số 3 chịu lực nguy hiểm nhất ($P_{\max}, H_{\max}, M_{\max}$), được kiểm toán chi tiết lực dọc, mô men uốn và lực cắt dọc theo thân cọc ở các tổ hợp tải trọng Cường độ I, Cường độ II, Sử dụng và Đặc biệt.

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN MỐ CẦU

Chương III (được quy định trong đề cương và mục lục thiết kế của đồ án) thiết lập các nội dung tính toán kỹ thuật cho kết cấu mố cầu bao gồm:

  • Xác định kích thước cơ bản của mố cầu (tường ngực, tường thân, tường cánh, bản quá độ, bệ mố) phù hợp với mặt cắt ngang cầu $12\text{ m}$ và cao độ kết cấu nhịp dầm I 25 m.
  • Xác định các chỉ tiêu vật liệu sử dụng cho mố và đất đắp sau mố (dung trọng, góc ma sát trong, hệ số áp lực đất chủ động $K_a$).
  • Tính toán các tác động và tải trọng lên kết cấu mố: Áp lực đất chủ động sau mố, hoạt tải xe chạy phân bố đều trên nền đắp sau mố quy đổi, tải trọng thẳng đứng từ dầm chủ truyền qua gối mố, tải trọng bản quá độ, lực hãm xe và tải trọng gió.
  • Tổ hợp nội lực nguy hiểm tại các mặt cắt đặc trưng: Mặt cắt tiếp giáp tường ngực - tường thân, mặt cắt chân tường thân ngàm vào bệ mố, mặt cắt tường cánh và mặt cắt đáy bệ mố.
  • Tính toán cốt thép chịu lực, kiểm toán sức kháng uốn, sức kháng cắt và kiểm tra nứt cho tường mố và bản móng bệ mố theo các trạng thái giới hạn.
  • Thiết kế hệ thống cọc móng mố: Xác định số lượng cọc, bố trí mặt bằng cọc móng mố, kiểm toán sức chịu tải cọc đơn và nội lực đầu cọc dưới tác dụng của hệ lực lệch tâm lớn do áp lực đất gây ra.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn bộ hồ sơ tính toán thiết kế kỹ thuật cho công trình cầu dầm I giản đơn 25 m BTCT DƯL theo tiêu chuẩn TCVN 11823-2017. Các kết quả kỹ thuật cốt lõi có số liệu cụ thể gồm:

Bộ phận kết cấu Kích thước & Vật liệu Nội lực tính toán nguy hiểm Giải pháp bố trí cốt thép Đánh giá an toàn
Dầm chủ I 25m $H=1350\text{ mm}$, $b=650\text{ mm}$, bê tông $f'_c=50\text{ MPa}$ $M_u = 5919,1\text{ kNm}$, $V_u = 1107\text{ kN}$ 24 tao cáp DƯL $\phi 15,2\text{ mm}$, đai $\phi 12$ Ứng suất, độ võng, độ vồng ($21,69\text{ mm}$) đạt yêu cầu
Xà mũ trụ Bê tông $f'_c=30\text{ MPa}$, thép $f_y=420\text{ MPa}$ $M_u = 6441,59\text{ kNm}$, $V_u = 4271,62\text{ kN}$ 22 thanh $\phi 32$, đai 4 nhánh $\phi 16@150$ $\phi M_n = 8614,28\text{ kNm}$, $\phi V_n = 4282,96\text{ kN}$, chống nứt đạt
Thân trụ Trụ cao $l=5\text{ m}$, không giằng ngang $N = 14090,8\text{ kN}$, $Q_{x,\max} = 724,6\text{ kN}$ 30 thanh $\phi 28$ (phương Y) + 12 thanh $\phi 28$ (phương X), đai $\phi 14@200$ Bỏ qua độ mảnh ($Kl/r < 22$), uốn nén hai chiều đạt
Đáy bệ trụ Tiết diện ngàm bệ móng $M_u = 8054,99\text{ kNm}$, $V_u = 11507,14\text{ kN}$ Mặt cắt 3-3: 53 thanh $\phi 28$, đai $\phi 14@450$; MC 2-2: 33 thanh $\phi 28$ $\phi M_n = 22659\text{ kNm}$, $\phi V_n = 12275,91\text{ kN}$ đạt an toàn
Móng cọc khoan nhồi Cọc $\phi 1000\text{ mm}$, sâu $57\text{ m}$, mũi cọc $N_{SPT}=45$ $P_{\max}, H_{\max}, M_{\max}$ tại đầu cọc 3 18 thanh $\phi 32$ ($1,24%$), đoạn ngàm $1100\text{ mm}$ $R_{tk} = 6230,7\text{ kN}$, bố trí hệ 6 cọc thỏa mãn chịu lực

Về mặt giải pháp kỹ thuật, tác giả đã kiến nghị:

  • Sử dụng giải pháp kết cấu mở rộng sườn dầm ở hai đầu nhịp ($L_{\text{mở rộng}} = 1300\text{ mm}$) để triệt tiêu ứng suất cục bộ do neo cáp căng trước và đảm bảo sức kháng cắt tại vị trí gối có lực cắt tập trung lớn.
  • Bố trí hệ thống trụ chống va và lắp đặt biển báo hiệu giao thông đường thủy nhằm bảo vệ kết cấu thân trụ trước nguy cơ va chạm của phương tiện vận tải thủy (lực va tàu tính toán $P_s = 2989\text{ kN}$).

Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc áp dụng đầy đủ quy trình tính toán phân tích chi tiết theo TCVN 11823-2017 đối với dầm I căng trước nhịp 25 m, cung cấp đầy đủ các bước kiểm toán từ đặc trưng hình học tiết diện quy đổi hai giai đoạn, hệ số phân bố ngang, mất mát ứng suất 4 thành phần cho đến kiểm toán tương tác uốn nén - cắt - nứt của xà mũ, thân trụ và cọc móng sâu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Phạm vi nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở sơ đồ kết cấu nhịp giản đơn $25\text{ m}$; chưa khảo sát giải pháp liên tục hóa kết cấu nhịp (dầm liên tục nhiệt hoặc liên tục sơ đồ kết cấu) để tăng tính êm thuận khi xe chạy.
  • Mô hình tính toán trụ và móng cọc chủ yếu dựa trên các giả thiết phân bố nội lực đàn hồi tuyến tính và tương tác tĩnh; chưa đi sâu vào phân tích động lực học phi tuyến tương tác động lực giữa đất nền và kết cấu cọc trong điều kiện xảy ra động đất mạnh hoặc va chạm tàu thuyền tải trọng lớn.
  • Phần thuyết minh Chương III về mố cầu chủ yếu dừng ở khung quy trình và thông số thiết kế tổng thể.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp:

  • Mở rộng bài toán thiết kế sang sơ đồ cầu dầm liên tục nhiều nhịp hoặc dầm Super-T để so sánh hiệu quả kinh tế - kỹ thuật.
  • Ứng dụng các phần mềm chuyên dụng (như MIDAS Civil, SAP2000) để mô hình hóa không gian 3D toàn cầu, xét đến yếu tố thi công theo từng giai đoạn và phân tích phi tuyến tương tác đất - cọc theo phương pháp đường cong $p-y$.
  • Nghiên cứu tối ưu hóa quỹ đạo và số lượng bó cáp dự ứng lực, tích hợp mô hình thông tin công trình (BIM) trong quản lý thiết kế và thi công cầu.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Xây dựng Công trình Giao thông, Kỹ thuật Cầu - Hầm tại các trường đại học kỹ thuật trong quá trình thực hiện đồ án môn học Thiết kế Cầu Bê tông cốt thép, đồ án Móng mố trụ cầu và Đồ án tốt nghiệp kỹ sư.
  • Kỹ sư thiết kế cầu đường bước đầu làm quen với việc lập thuyết minh tính toán dầm I dự ứng lực căng trước và kết cấu mố trụ cầu theo tiêu chuẩn TCVN 11823-2017.

Các phần nội dung có giá trị tham khảo cao nhất gồm:

  • Toàn bộ bảng tính chi tiết 4 thành phần mất mát dự ứng suất và bảng kiểm tra ứng suất thớ dầm ở các giai đoạn thi công - khai thác.
  • Quy trình kiểm toán sức kháng cắt của dầm theo phương pháp vùng nén dầm nghiêng và kiểm toán nứt kết cấu bê tông cốt thép thường (xà mũ, bệ móng) theo tham số bề rộng khe nứt $Z$.
  • Phương pháp xác định sức chịu tải danh định của cọc khoan nhồi đơn đường kính lớn ngàm vào tầng đất chịu lực có chỉ số $N_{SPT}$ cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Mặt cắt dầm chủ I 25m được cấu tạo với kích thước hình học và cấp bê tông như thế nào? Dầm chủ có chiều cao tổng thể $H = 1350\text{ mm}$, bề rộng bầu dưới $b_1 = 650\text{ mm}$, sườn dầm dày $b_2 = 200\text{ mm}$, bầu trên rộng $b_3 = 600\text{ mm}$. Tại đầu dầm, sườn dầm được mở rộng thành tiết diện đặc dài $1300\text{ mm}$ cộng đoạn vút $500\text{ mm}$. Bê tông dầm chủ có cường độ chịu nén $f'c = 50\text{ MPa}$ ($E{cd} = 38006,99\text{ MPa}$), liên hợp với bản mặt cầu dày $20\text{ cm}$ bê tông $f'_c = 30\text{ MPa}$.

2. Tổng mất mát dự ứng suất trong dầm I 25m là bao nhiêu và gồm những thành phần nào? Tổng mất mát ứng suất tính toán trong dầm là $\Delta f_{pT} = 269,31\text{ MPa}$ (chiếm $19,31%$ so với ứng suất căng kéo ban đầu $f_{pj} = 1395\text{ MPa}$). Bốn thành phần tổn hao gồm: co ngắn đàn hồi $\Delta f_{pES} = 86,263\text{ MPa}$, co ngót bê tông $\Delta f_{pSR} = 68,03\text{ MPa}$, từ biến bê tông $\Delta f_{pCR} = 117,42\text{ MPa}$ và tự chùng cốt thép DƯL $\Delta f_{pR} = 42,39\text{ MPa}$.

3. Xà mũ trụ cầu chịu nội lực uốn - cắt lớn nhất là bao nhiêu và được bố trí cốt thép ra sao? Tại mặt cắt ngàm nguy hiểm, xà mũ chịu mô men uốn lớn nhất ở TTGH Cường độ I là $M_u = 6441,59\text{ kNm}$ và lực cắt $V_u = 4271,62\text{ kN}$. Tác giả bố trí 22 thanh thép chịu uốn $\phi 32$ (sức kháng uốn $\phi M_n = 8614,28\text{ kNm}$) và cốt đai 4 nhánh $\phi 16$ bước $150\text{ mm}$ (sức kháng cắt $\phi V_n = 4282,96\text{ kN}$), kiểm tra ứng suất chống nứt ở TTGH Sử dụng đạt $f_s = 201,29\text{ MPa} < f_{sa} = 227,14\text{ MPa}$.

4. Giải pháp móng trụ cầu sử dụng loại cọc nào và sức chịu tải thiết kế được xác định ra sao? Móng trụ sử dụng hệ 6 cọc khoan nhồi đường kính $D = 1,0\text{ m}$, chiều dài $57\text{ m}$ ngàm sâu vào lớp cát pha sét có chỉ số $N_{SPT} = 45$. Sức kháng nén danh định của cọc theo đất nền là $6230,695\text{ kN}$ (đã trừ trọng lượng đẩy nổi của cọc $671,175\text{ kN}$), theo vật liệu cọc là $77967,78\text{ kN}$. Sức chịu tải thiết kế được chọn theo đất nền là $R_{tk} = 6230,695\text{ kN}$.

5. Kết cấu thân trụ cầu được kiểm toán ổn định và chịu lực như thế nào? Thân trụ cao $5\text{ m}$ không giằng ngang, có độ mảnh tính toán $Kl/r_x = 7,066 < 22$ và $Kl/r_y = 21,863 < 22$ nên được bỏ qua hiệu ứng độ mảnh. Cấu kiện được kiểm toán uốn nén hai chiều dưới lực dọc cực đại $N = 14090,8\text{ kN}$ và trường hợp đặc biệt $N = 10290,97\text{ kN}$, bố trí 30 thanh $\phi 28$ theo phương Y, 12 thanh $\phi 28$ theo phương X và cốt đai 2 nhánh $\phi 14$ bước $200\text{ mm}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế cầu dầm I nhịp giản đơn 25m" của tác giả Phạm Đăng Quang đã giải quyết hoàn chỉnh các nội dung tính toán thiết kế kết cấu nhịp dầm I BTCT DƯL căng trước và kết cấu phần dưới (trụ, móng cọc khoan nhồi) theo tiêu chuẩn TCVN 11823-2017. Các kết quả tính toán kiểm toán về cường độ, ứng suất, biến dạng, nứt và ổn định công trình đều thỏa mãn các giới hạn kỹ thuật cho phép. Bản thuyết minh cung cấp hệ thống số liệu giải tích và quy trình kiểm toán rõ ràng, tạo nguồn tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho sinh viên và kỹ sư ngành xây dựng công trình giao thông.