Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng công trình giao thông, việc thiết kế kết cấu nhịp cầu đường bộ khẩu độ trung bình đòi hỏi sự tối ưu hóa về khả năng chịu lực, độ bền khai thác và tính kinh tế trong thi công. Đồ án tốt nghiệp tập trung giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật công trình cầu bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCT DƯL) căng sau dạng dầm chữ T, kết hợp với hệ thống bản mặt cầu bê tông cốt thép đổ tại chỗ.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu/thiết kế được xác định cụ thể theo hai phần chính:
- Thiết kế kỹ thuật bản mặt cầu bê tông cốt thép: Xác định sơ đồ tính toán dải bản, phân tích tải trọng tác dụng (tĩnh tải và hoạt tải xe, người đi bộ), tính toán nội lực (bản hẫng cánh dầm và bản dầm liên tục), thiết kế và bố trí cốt thép chịu lực, cốt thép cấu tạo, đồng thời thực hiện các kiểm toán an toàn theo trạng thái giới hạn cường độ I và trạng thái giới hạn sử dụng.
- Thiết kế kỹ thuật dầm chủ biên chữ T bê tông cốt thép dự ứng lực nhịp $L = 35\text{ m}$ bằng phương pháp căng sau: Xác định bố trí hình học mặt cắt ngang cầu, tính toán tải trọng tĩnh (bản thân dầm, dầm ngang, lan can, lớp phủ), xác định hệ số phân bố tải trọng ngang hoạt tải (HL93 và đoàn người), lập đường ảnh hưởng nội lực, tổ hợp nội lực tại các mặt cắt đặc trưng và lựa chọn vật liệu, tính toán cốt thép dự ứng lực.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu bản mặt cầu bê tông cốt thép thường và dầm chủ biên tiết diện chữ T bê tông cốt thép dự ứng lực căng sau.
- Phạm vi không gian và kỹ thuật: Công trình cầu gồm 6 dầm chủ chữ T với khoảng cách tim dầm là $2300\text{ mm}$; chiều dài toàn dầm $L = 35\text{ m}$, chiều dài nhịp tính toán giữa hai tim gối $L_0 = 34{,}4\text{ m}$; khổ cầu $K = 9 + 2 \times 0{,}5\text{ m}$. Toàn bộ quy trình tính toán được thực hiện dựa trên quy chuẩn Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 (tương đương tiêu chuẩn AASHTO LRFD).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng
Nghiên cứu áp dụng phương pháp Thiết kế theo Hệ số Tải trọng và Sức kháng (LRFD) được quy định trong Tiêu chuẩn Thiết kế Cầu 22 TCN 272-05 và Tiêu chuẩn AASHTO LRFD Bridge Design Specifications. Kết cấu được đánh giá qua hai trạng thái giới hạn chính:
- Trạng thái giới hạn Cường độ I (TTGH CĐ I): Đảm bảo khả năng chịu lực cực hạn, an toàn về uốn và cắt dưới tác động của các tổ hợp tải trọng bất lợi nhất.
- Trạng thái giới hạn Sử dụng (TTGH SD): Kiểm soát ứng suất trong vật liệu dưới điều kiện khai thác bình thường, khống chế độ võng và độ mở rộng vết nứt của bê tông cốt thép.
Sơ đồ tính toán cơ học:
- Đối với bản mặt cầu: Sử dụng mô hình dải bản tương đương có bề rộng $1\text{ m}$ theo phương dọc cầu, làm việc chịu uốn theo phương ngang cầu. Dải bản được mô hình hóa thành hai phần: phần bản hẫng liên kết ngàm tại tim vách dầm biên và phần bản liên tục kê trên các gối tựa cứng (các dầm chủ).
- Đối với dầm chủ: Mô hình dầm đơn giản kê trên hai gối tựa với nhịp tính toán $L_0 = 34{,}4\text{ m}$. Hệ số phân bố ngang cho hoạt tải xe được xác định bằng phương pháp đòn bẩy (cho trường hợp 1 làn chất tải có và không lấn làn) và công thức giải tích AASHTO kết hợp thông số độ cứng kết cấu $K_g$ (cho trường hợp hai hoặc nhiều làn chất tải).
Phương pháp nghiên cứu và tính toán
- Phương pháp phân tích giải tích: Thiết lập phương trình cơ học, tính toán đặc trưng hình học tiết diện chuyển đổi, xác định diện tích cánh hữu hiệu của dầm chủ ($b_{hh}$).
- Phương pháp đường ảnh hưởng: Xây dựng đường ảnh hưởng mômen uốn và lực cắt tại các mặt cắt đặc trưng dọc dầm ($L/2$, $3L/8$, $L/4$, $L/8$, mặt cắt cách gối $2{,}2\text{ m}$ và mặt cắt tại gối), sau đó tiến hành xếp tải trọng rải đều và tải trọng trục tập trung để xác định nội lực lớn nhất.
- Phương pháp kiểm toán nứt gián tiếp: Sử dụng thông số bề rộng vết nứt $Z$ quy định trong tiêu chuẩn để kiểm soát ứng suất kéo trong cốt thép thường ở trạng thái giới hạn sử dụng.
Thông số vật liệu sử dụng trong thiết kế
| Loại vật liệu |
Thông số cơ lý |
Ký hiệu |
Giá trị thiết kế |
Đơn vị |
| Bê tông |
Cường độ chịu nén 28 ngày |
$f'_c$ |
$40$ |
$\text{MPa}$ |
|
Cường độ chịu nén khi căng kéo |
$f'_{ci}$ |
$36$ |
$\text{MPa}$ |
|
Môđun đàn hồi bê tông |
$E_c$ |
$31975{,}4$ |
$\text{MPa}$ |
|
Dung trọng bê tông dầm |
$\gamma_c$ |
$24 - 25$ |
$\text{kN/m}^3$ |
|
Dung trọng lớp phủ bê tông nhựa |
$\gamma_{DW}$ |
$22{,}5$ |
$\text{kN/m}^3$ |
| Thép thường |
Giới hạn chảy quy định |
$f_y$ |
$420$ (hoặc $400$) |
$\text{MPa}$ |
|
Môđun đàn hồi thép thường |
$E_s$ |
$200000$ |
$\text{MPa}$ |
| Thép DƯL |
Loại tao thép 7 sợi xoắn |
ASTM A416 Grade 270 |
$\Phi = 15{,}2$ |
$\text{mm}$ |
|
Diện tích 1 tao thép |
$A_p$ |
$140$ |
$\text{mm}^2$ |
|
Cường độ chịu kéo quy định |
$f_{pu}$ |
$1860$ |
$\text{MPa}$ |
|
Giới hạn chảy quy ước |
$f_{py}$ |
$1674$ |
$\text{MPa}$ |
|
Môđun đàn hồi thép DƯL |
$E_p$ |
$197000$ |
$\text{MPa}$ |
|
Ứng suất căng kéo khi kích |
$f_{pi}$ |
$1488$ |
$\text{MPa}$ |
|
Ứng suất sau mất mát sử dụng |
$f_{pe}$ |
$1336$ |
$\text{MPa}$ |
Nội dung chính theo từng chương
Chương I: Thiết kế bản mặt cầu
Chương I thực hiện toàn bộ quy trình tính toán kích thước hình học, tải trọng, nội lực và kiểm toán bố trí cốt thép cho bản mặt cầu bê tông cốt thép thường.
1. Kích thước hình học và xác định tải trọng
- Chiều dày bản mặt cầu: Tiêu chuẩn AASHTO quy định chiều dày tối thiểu là $175\text{ mm}$; đồ án lựa chọn chiều dày thiết kế $h_{bmc} = 200\text{ mm}$.
- Tĩnh tải tác dụng trên $1\text{ m}$ dài dải bản:
- Tĩnh tải bản thân bản mặt cầu ($DC1$): $0{,}9\text{ kN/m}$.
- Lớp phủ mặt cầu ($DW$): Lớp bê tông nhựa dày $75\text{ mm}$, tải trọng tương ứng $DW = 2250 \times 10^{-9} \times 9{,}66\text{ kN/m}$.
- Lan can tay vịn ($DC2$): Lực tập trung quy đổi $DC2 = 4{,}532\text{ kN}$ đặt tại mép bản hẫng để thiên về an toàn.
- Hoạt tải tác dụng:
- Hoạt tải xe tải thiết kế HL93: Xét bánh xe nặng đặt cách mép lan can $0{,}3\text{ m}$, khoảng cách từ tim bánh xe tới ngàm $x = 0{,}25\text{ m}$, chiều rộng tiếp xúc bánh xe $510\text{ mm}$. Bề rộng dải tương đương theo phương dọc cầu được xác định theo công thức: $E = 660 + 0{,}25 \times 2300 = 1795\text{ mm}$. Tải trọng băng quy đổi do một bánh xe gây ra: $LL = 53{,}795\text{ kN/m}$.
- Hoạt tải người đi bộ ($PL$): Cường độ phân bố $3{,}1\text{ kN/m}^2$, phạm vi nằm trong bản hẫng là $0{,}55\text{ m}$.
2. Phân tích nội lực bản mặt cầu
- Phần bản hẫng: Tác giả so sánh hai trường hợp tải trọng: (1) bánh xe tải kết hợp tĩnh tải bản thân, và (2) hoạt tải người đi bộ kết hợp tĩnh tải bản thân. Kết quả cho thấy trường hợp bánh xe tải thiết kế gây ra nội lực ngàm lớn nhất ($M_u = 50{,}03\text{ kNm}$, $V_u = 30{,}72\text{ kN}$).
- Phần bản kiểu dầm liên tục: Tác giả kiểm tra 3 sơ đồ bố trí bánh xe trên đường ảnh hưởng (1 bánh xe tại giữa nhịp, 2 bánh xe của 2 xe cách nhau $1{,}2\text{ m}$, và 2 bánh xe của 1 xe cách nhau $1{,}8\text{ m}$). Trường hợp 1 bánh xe đặt tại giữa nhịp gây ra mômen uốn lớn nhất.
- Tổ hợp nội lực thiết kế bản mặt cầu:
- Trạng thái giới hạn Cường độ I: Mômen dương lớn nhất giữa nhịp $M_u = 26{,}87\text{ kNm}$; Mômen âm lớn nhất tại gối $M_u = 45{,}78\text{ kNm}$.
- Trạng thái giới hạn Sử dụng: Mômen dương lớn nhất $M_{sd} = 15{,}11\text{ kNm}$; Mômen âm lớn nhất $M_{sd} = 22{,}03\text{ kNm}$.
3. Bố trí cốt thép và các bước kiểm toán
- Lớp bê tông bảo vệ: Mép trên lấy $a = 60\text{ mm}$ do chịu mài mòn trực tiếp của bánh xe; mép dưới lấy $a = 25\text{ mm}$.
- Cốt thép chịu mômen âm (gối và hẫng): Bố trí $6\Phi16$ cho $1\text{ m}$ bề rộng bản ($A_s = 1206{,}6\text{ mm}^2$, khoảng cách $a = 200\text{ mm}$, chiều cao hữu hiệu $d_s = 132\text{ mm}$). Sức kháng uốn tính toán $M_r = \Phi M_n = 56{,}78\text{ kNm} > M_u = 45{,}78\text{ kNm}$ (đạt yêu cầu).
- Cốt thép chịu mômen dương (giữa nhịp): Bố trí $6\Phi12$ cho $1\text{ m}$ bề rộng bản ($A_s = 678{,}6\text{ mm}^2$, khoảng cách $a = 200\text{ mm}$, chiều cao hữu hiệu $d_s = 154\text{ mm}$). Sức kháng uốn tính toán $M_r = \Phi M_n = 38{,}70\text{ kNm} > M_u = 26{,}87\text{ kNm}$ (đạt yêu cầu).
- Kiểm tra hàm lượng cốt thép:
- Hàm lượng tối đa: Tỷ số $c/d_e$ tại các mặt cắt đều nhỏ hơn $0{,}42$ ($c/d_e = 14{,}42/132 = 0{,}109 \le 0{,}42$ đối với thớ âm; $c/d_e = 8{,}42/154 = 0{,}055 \le 0{,}42$ đối với thớ dương).
- Hàm lượng tối thiểu: Tỷ lệ cốt thép $\rho_{min} \ge 0{,}03 \times (f'_c / f_y) = 0{,}03 \times (40/420) = 0{,}0029$, kết cấu thỏa mãn điều kiện chống phá hoại giòn.
- Kiểm toán cắt: Chiều cao cắt hữu hiệu $d_v = 138{,}6\text{ mm}$, các hệ số $\beta = 2$, $\theta = 45^\circ$. Bê tông bản đủ khả năng kháng cắt ($V_c \ge V_u$), không cần bố trí cốt thép đai chịu cắt.
- Cốt thép phụ và cấu tạo:
- Cốt thép co ngót và nhiệt độ: Diện tích yêu cầu $A_s \ge 0{,}75 A_g / f_y = 0{,}357\text{ mm}^2/\text{mm}$.
- Cốt thép phân bố đặt dưới đáy bản theo chiều dọc cầu: Tỷ lệ phần trăm tính theo cốt thép chính là $3840 / \sqrt{S_c} = 3840 / \sqrt{2100} = 83{,}8% \rightarrow$ lấy giới hạn lớn nhất $67%$. Bố trí thép dọc đáy bản gồm thanh $\Phi10$ bước $200\text{ mm}$ ($A_s = 3{,}454\text{ cm}^2$).
- Kiểm toán nứt theo TTGH sử dụng: Thông số bề rộng nứt $Z = 23000\text{ N/mm}$, ứng suất kéo cho phép $f_{sa} \le 0{,}6 f_y = 252\text{ MPa}$.
- Tại mặt cắt mômen dương: Ứng suất thực tế trong cốt thép $f_s = 100{,}9\text{ MPa} \le 252\text{ MPa}$ (thỏa mãn).
- Tại mặt cắt mômen âm: Ứng suất thực tế trong cốt thép $f_s = 143{,}4\text{ MPa} \le 252\text{ MPa}$ (thỏa mãn).
Chương II: Thiết kế dầm chủ BTCT dầm biên chữ T, L = 35 m bằng phương pháp căng sau
Chương II tập trung xác định kích thước dầm biên chữ T, tính toán tải trọng phân bố, xác định hệ số phân bố hoạt tải ngang, lập đường ảnh hưởng nội lực và tổ hợp tải trọng cho dầm chủ.
1. Bố trí dầm trong mặt cắt ngang và lựa chọn kích thước
- Mặt cắt ngang cầu gồm 6 dầm chữ T, khoảng cách giữa các dầm liền kề $b_i = 2300\text{ mm}$.
- Chiều dài toàn bộ dầm $L = 35\text{ m}$; chừa hai đầu kê gối mỗi bên $0{,}3\text{ m}$, nhịp tính toán là $L_0 = 34{,}4\text{ m}$.
- Chiều cao dầm tối thiểu theo quy định $h_{min} = 0{,}045 L = 0{,}045 \times 34400 = 1548\text{ mm}$. Thiết kế chọn chiều cao tổng thể dầm (kể cả bản mặt cầu) $h = 1750\text{ mm}$.
- Xác định bề rộng cánh hữu hiệu ($b$):
- Dầm giữa: $b = 2300\text{ mm}$.
- Dầm biên: Lấy tổng bề rộng phần hẫng ($1050\text{ mm}$) và nửa cánh phía trong ($1050\text{ mm}$), suy ra bề rộng cánh hữu hiệu $b = 2100\text{ mm}$.
2. Tĩnh tải tác dụng lên dầm biên
Tác giả chia tĩnh tải thành các thành phần cụ thể:
- Trọng lượng bản thân dầm chủ ($DC1$): Diện tích tiết diện giữa dầm $A_g = 0{,}93\text{ m}^2$, đầu dầm $A_g = 1{,}39\text{ m}^2$, chiều dài đoạn vút $1{,}5\text{ m}$ và vút xiên $1{,}0\text{ m}$. Tải trọng rải đều quy đổi $DC1 = 24{,}56\text{ kN/m}$.
- Tải trọng dầm ngang ($DC2$): Cầu bố trí 5 vị trí dầm ngang dọc cầu (tổng cộng 20 dầm ngang, gồm 8 dầm đầu và 12 dầm giữa), tĩnh tải phân bố lên 1 dầm chủ là $DC2 = 1{,}17\text{ kN/m}$.
- Tải trọng lan can tay vịn ($DC3$): Tổng khối lượng lan can trên 1 nhịp là $317{,}24\text{ kN}$, tĩnh tải rải đều trên một dầm biên là $DC3 = 4{,}6\text{ kN/m}$.
- Lớp phủ mặt cầu ($DW$): Lớp bê tông nhựa dày $7{,}5\text{ cm}$ ($\gamma = 22{,}5\text{ kN/m}^3$), tải trọng phân bố lên dầm là $DW = 3{,}83\text{ kN/m}$.
3. Hệ số phân bố ngang hoạt tải dầm biên
Tác giả tính toán chi tiết hệ số phân bố tải trọng ngang cho dầm biên theo các trường hợp:
- Mômen uốn dầm biên ($mg_{LL}^M$):
- Trường hợp 1 làn chất tải (Phương pháp đòn bẩy, hệ số làn $m = 1{,}2$): Không lấn làn đạt $0{,}862$ (hoặc $1{,}118$ tùy vị trí vệt bánh); có lấn làn đạt $1{,}862$.
- Trường hợp 2 hoặc nhiều làn chất tải: Xác định qua hệ số phân bố dầm trong $mg_{M}^{trong} = 0{,}581$ và hệ số điều chỉnh dầm biên $e_m = 0{,}77 + d_e / 3000 = 0{,}953$, cho giá trị $mg_{M}^{bien} = 0{,}554$.
- Lực cắt dầm biên ($mg_{LL}^V$):
- Trường hợp 1 làn chất tải: Bằng phương pháp đòn bẩy cho giá trị $1{,}118$ (không lấn làn) và $1{,}862$ (lấn làn).
- Trường hợp 2 hoặc nhiều làn: Phân bố dầm trong $mg_{V}^{trong} = 0{,}793$, hiệu chỉnh ra dầm biên với $e_m = 1{,}012$ được $mg_{V}^{bien} = 0{,}802$.
- Hoạt tải đoàn người ($g_{PL}$): Tính bằng phương pháp đòn bẩy cho dầm biên đạt $g_{PL} = 0{,}915\text{ m}$.
4. Phân tích nội lực đường ảnh hưởng và tổ hợp tải trọng
Tác giả vẽ đường ảnh hưởng mômen và lực cắt tại các mặt cắt: $L/2$ ($x = 17{,}2\text{ m}$), $3L/8$, $L/4$, $L/8$, cách gối $2{,}2\text{ m}$ và tại gối. Sau khi nhân diện tích đường ảnh hưởng với tĩnh tải và xếp các trục xe HL93 cùng tải trọng làn, nội lực được tổng hợp theo các trạng thái giới hạn:
| Vị trí mặt cắt |
$M_{sd}$ (DC+DW) $(\text{kNm})$ |
$M_{sd}$ (LL+PL) $(\text{kNm})$ |
$M_{sd}$ Tổng $(\text{kNm})$ |
$M_{cd1}$ (DC+DW) $(\text{kNm})$ |
$M_{cd1}$ (LL+PL) $(\text{kNm})$ |
$M_{cd1}$ Tổng $(\text{kNm})$ |
| $L/2$ ($17{,}2\text{ m}$) |
$5055{,}56$ |
$2668{,}40$ |
$7723{,}96$ |
$6381{,}52$ |
$4669{,}70$ |
$11051{,}22$ |
| $3L/8$ |
$4739{,}59$ |
$2501{,}63$ |
$7241{,}22$ |
$5982{,}67$ |
$4377{,}85$ |
$10360{,}52$ |
| $L/4$ |
$3791{,}67$ |
$2001{,}30$ |
$5792{,}97$ |
$4786{,}14$ |
$3502{,}28$ |
$8288{,}42$ |
| $L/8$ |
$2211{,}81$ |
$1167{,}43$ |
$3379{,}24$ |
$2791{,}91$ |
$2042{,}99$ |
$4834{,}90$ |
| Cách gối $2{,}2\text{ m}$ |
$865{,}79$ |
$456{,}80$ |
$1322{,}59$ |
$1092{,}88$ |
$799{,}40$ |
$1892{,}28$ |
| Vị trí mặt cắt |
$V_{sd}$ (DC+DW) $(\text{kN})$ |
$V_{sd}$ (LL+PL) $(\text{kN})$ |
$V_{sd}$ Tổng $(\text{kN})$ |
$V_{cd1}$ (DC+DW) $(\text{kN})$ |
$V_{cd1}$ (LL+PL) $(\text{kN})$ |
$V_{cd1}$ Tổng $(\text{kN})$ |
| $L/2$ |
$0{,}00$ |
$180{,}15$ |
$180{,}15$ |
$0{,}00$ |
$315{,}26$ |
$315{,}26$ |
| $3L/8$ |
$73{,}48$ |
$246{,}90$ |
$320{,}38$ |
$92{,}76$ |
$432{,}08$ |
$524{,}84$ |
| $L/4$ |
$146{,}96$ |
$324{,}65$ |
$471{,}61$ |
$185{,}53$ |
$568{,}14$ |
$753{,}67$ |
| $L/8$ |
$220{,}45$ |
$413{,}40$ |
$633{,}85$ |
$278{,}29$ |
$723{,}45$ |
$1001{,}74$ |
| Cách gối $2{,}2\text{ m}$ |
$257{,}19$ |
$462{,}11$ |
$719{,}30$ |
$324{,}68$ |
$808{,}69$ |
$1133{,}37$ |
| Tại gối |
$293{,}93$ |
$501{,}15$ |
$795{,}08$ |
$371{,}06$ |
$877{,}01$ |
$1248{,}07$ |
Kết quả và đóng góp
Kết quả kỹ thuật chính
- Bản mặt cầu:
- Chiều dày bản được xác lập hợp lý ở mức $200\text{ mm}$, đáp ứng đầy đủ yêu cầu chịu lực uốn cục bộ dưới tác dụng của bánh xe tải nặng HL93 và tải trọng người đi bộ.
- Xác định được diện tích cốt thép chịu mômen âm ($6\Phi16$, $A_s = 1206{,}6\text{ mm}^2$) và mômen dương ($6\Phi12$, $A_s = 678{,}6\text{ mm}^2$), đảm bảo sức kháng uốn tính toán luôn vượt tải trọng tác dụng ($M_r > M_u$).
- Kết cấu không cần đặt cốt thép đai chịu cắt do khả năng kháng cắt của bản bê tông đạt yêu cầu ($V_c \ge V_u$).
- Ứng suất kéo trong cốt thép thường ở trạng thái giới hạn sử dụng ($100{,}9\text{ MPa}$ và $143{,}4\text{ MPa}$) đều nhỏ hơn giới hạn cho phép $252\text{ MPa}$, đảm bảo khống chế nứt tốt.
- Dầm chủ biên chữ T:
- Xác định kích thước mặt cắt ngang tối ưu với chiều cao $h = 1750\text{ mm}$ cho khẩu độ nhịp tính toán $34{,}4\text{ m}$.
- Phân tích chi tiết các thành phần tĩnh tải ($DC1 = 24{,}56\text{ kN/m}$, $DC2 = 1{,}17\text{ kN/m}$, $DC3 = 4{,}6\text{ kN/m}$, $DW = 3{,}83\text{ kN/m}$) và hệ số phân bố ngang hoạt tải theo phương pháp đòn bẩy và AASHTO.
- Xây dựng bảng tổ hợp nội lực chuẩn xác tại 6 mặt cắt đặc trưng, xác định mômen uốn cực đại tại giữa nhịp đạt $11051{,}22\text{ kNm}$ và lực cắt cực đại tại gối đạt $1248{,}07\text{ kN}$ ở TTGH Cường độ I.
Giải pháp và đóng góp của đồ án
- Thiết lập quy trình tính toán hoàn chỉnh, logic và tuân thủ chặt chẽ theo tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 từ khâu lựa chọn sơ bộ kích thước, xây dựng sơ đồ cơ học đến kiểm toán chi tiết.
- Cung cấp phương pháp phân tích dải bản tương đương cho bản mặt cầu có cánh hẫng chịu tải trọng cục bộ, kết hợp bài toán kiểm toán nứt theo tham số $Z$.
- Đóng vai trò là hồ sơ thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho kết cấu nhịp cầu dầm T BTCT DƯL nhịp $35\text{ m}$, làm cơ sở trực tiếp cho công tác thi công và nghiệm thu công trình.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế
- Nội dung văn bản tập trung chủ yếu vào tính toán kết cấu phần trên (bản mặt cầu và dầm chủ biên chữ T); chưa thể hiện phần tính toán chi tiết cho các dầm chủ phía trong và dầm ngang.
- Chưa trình bày chi tiết các bước tính toán tổn hao ứng suất dự ứng lực theo thời gian (mất mát do co ngót, từ biến, chùng dão của thép) và sơ đồ bố trí chi tiết quỹ đạo các bó cáp cong dọc dầm.
- Chưa bao gồm phần thiết kế kỹ thuật cho kết cấu mố, trụ và hệ thống móng mố trụ của công trình cầu.
Hướng nghiên cứu tiếp
- Hoàn thiện tính toán chi tiết quỹ đạo bó cáp dự ứng lực, neo căng kéo và kiểm toán ứng suất tại các thớ bê tông trong từng giai đoạn thi công và khai thác.
- Phân tích tính toán chi tiết cho hệ dầm ngang và liên kết mối nối giữa các dầm chủ trong mặt cắt ngang cầu.
- Mở rộng tính toán thiết kế kết cấu phần dưới gồm gối cầu, mố trụ cầu và móng cọc khoan nhồi hoặc cọc đóng chịu tải trọng động.
Giá trị tham khảo
Tài liệu này là nguồn tham khảo hữu ích cho:
- Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông, Kỹ thuật Cầu - Đường hầm thực hiện đồ án môn học Thiết kế Cầu Bê tông cốt thép và Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Cầu đường.
- Kỹ sư thiết kế cầu đường cần tài liệu mẫu về quy trình tính toán thực hành theo tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 / AASHTO LRFD cho kết cấu dầm T dự ứng lực căng sau nhịp $35\text{ m}$.
- Các nội dung có giá trị tham khảo nổi bật bao gồm: bảng mẫu tính toán đường ảnh hưởng, phương pháp xác định hệ số phân bố tải trọng ngang bằng phương pháp đòn bẩy kết hợp AASHTO, và quy trình kiểm toán nứt bản mặt cầu theo thông số bề rộng vết nứt $Z$.
Câu hỏi thường gặp
1. Chiều dày bản mặt cầu và lớp bê tông bảo vệ được lựa chọn như thế nào trong đồ án?
Theo tiêu chuẩn AASHTO, chiều dày tối thiểu của bản bê tông cốt thép là $175\text{ mm}$; tác giả lựa chọn chiều dày thiết kế là $200\text{ mm}$. Lớp bê tông bảo vệ mép trên bản được chọn là $60\text{ mm}$ do phải chịu mài mòn trực tiếp từ vấu lốp xe; lớp bê tông bảo vệ mép dưới chọn là $25\text{ mm}$.
2. Loại thép dự ứng lực và các chỉ tiêu cơ lý sử dụng cho dầm chủ chữ T là gì?
Dầm chủ sử dụng tao thép xoắn 7 sợi đường kính $15{,}2\text{ mm}$ không sơn phủ, độ chùng thấp theo tiêu chuẩn ASTM A416 Grade 270 (AASHTO M203M). Thép có diện tích một tao $140\text{ mm}^2$, cường độ chịu kéo quy định $f_{pu} = 1860\text{ MPa}$, giới hạn chảy $f_{py} = 1674\text{ MPa}$, môđun đàn hồi $E_p = 197000\text{ MPa}$, ứng suất khi kích $f_{pi} = 1488\text{ MPa}$, và ứng suất hữu hiệu sau mất mát là $1336\text{ MPa}$.
3. Tĩnh tải tác dụng lên một dầm chủ biên chữ T gồm những thành phần nào và có giá trị bao nhiêu?
Tĩnh tải rải đều tác dụng lên một dầm biên bao gồm: trọng lượng bản thân dầm chủ ($DC1 = 24{,}56\text{ kN/m}$), tĩnh tải do hệ dầm ngang phân bố ($DC2 = 1{,}17\text{ kN/m}$), tĩnh tải phần lan can tay vịn ($DC3 = 4{,}6\text{ kN/m}$), và tĩnh tải của lớp phủ bê tông nhựa mặt cầu dày $7{,}5\text{ cm}$ ($DW = 3{,}83\text{ kN/m}$).
4. Bố trí cốt thép chịu uốn cho bản mặt cầu được tính toán như thế nào?
Cốt thép chịu mômen âm ở thớ trên được bố trí $6\Phi16$ trên $1\text{ m}$ bản ($A_s = 1206{,}6\text{ mm}^2$, cự ly $200\text{ mm}$, sức kháng uốn $M_r = 56{,}78\text{ kNm} > M_u = 45{,}78\text{ kNm}$). Cốt thép chịu mômen dương ở thớ dưới được bố trí $6\Phi12$ trên $1\text{ m}$ bản ($A_s = 678{,}6\text{ mm}^2$, cự ly $200\text{ mm}$, sức kháng uốn $M_r = 38{,}70\text{ kNm} > M_u = 26{,}87\text{ kNm}$). Cả hai mặt cắt đều thỏa mãn điều kiện hàm lượng thép tối đa và tối thiểu.
5. Kết quả kiểm toán nứt của bản mặt cầu ở trạng thái giới hạn sử dụng đạt được ra sao?
Kiểm toán nứt được thực hiện theo tiêu chuẩn với thông số $Z = 23000\text{ N/mm}$ cho môi trường làm việc thông thường, quy định ứng suất kéo trong cốt thép không được vượt quá $f_{sa} = 252\text{ MPa}$. Kết quả tính toán cho thấy ứng suất thực tế ở thớ dưới khi chịu mômen dương lớn nhất là $f_s = 100{,}9\text{ MPa}$ và ở thớ trên khi chịu mômen âm lớn nhất là $f_s = 143{,}4\text{ MPa}$, đều nhỏ hơn $252\text{ MPa}$, thỏa mãn điều kiện kiểm soát nứt.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp đã hoàn thành việc thiết kế kỹ thuật cho hai bộ phận kết cấu quan trọng của công trình cầu đường bộ: bản mặt cầu bê tông cốt thép thường và dầm chủ biên chữ T bê tông cốt thép dự ứng lực căng sau nhịp $35\text{ m}$. Toàn bộ các bước tính toán từ xác định tải trọng, mô hình hóa phân bố lực ngang, lập đường ảnh hưởng nội lực đến bố trí cốt thép và kiểm toán an toàn đều tuân thủ chặt chẽ theo Tiêu chuẩn Thiết kế Cầu 22 TCN 272-05. Kết quả nghiên cứu cung cấp một tập hợp số liệu kỹ thuật hoàn chỉnh, minh bạch và có giá trị thực tiễn cao cho công tác học thuật cũng như ứng dụng thiết kế kỹ thuật công trình cầu.
