Chương 1: Tổng quan về tải trọng siêu trường siêu trọng và các giải pháp kết cấu bến cảng trong xây dựng công trình thủy. Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán kết cấu bến cầu tàu đài cao. Chương 3: Thiết kế tối ưu hóa nền cọc bến cầu tàu khi tiếp nhận tải trọng siêu trường siêu trọng. Chương 4: Ví dụ tính toán.
Chương 5: Kết luận và kiến nghị. Tài liệu tham khảo. TỔNG QUAN VỀ TẢI TRỌNG SIÊU ÊU TRƯỜNG TR SIÊU TRỌNG VÀ CÁC GIẢI GI PHÁP KẾT CẤU BẾN CẢNG ẢNG TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY 1.1 Tổng ng quan các gi giải pháp kết cấu bến cảng 1.1 Khái niệm vềề công trình tr thủy Công trình thuỷ làà công trình thường th được xây dựng ở ao hồ hồ, sông và biển: chịu tác động thường xuyên ên của c mực nước thay đổi, tác động của ủa thuỷ triều, sức đẩy nổi đối với đất, chịuu tác độ động trực tiếp của sóng và dòng chảy lên công trình hoặc ho tác động qua phương tiện ện khai thác trên tr công trình đó.2 Kết cấu bến n cảng trong xây ddựng công trình thủy Trong xây dựng ng công trình tr thủy, công trình bến cảng làà một m trong những loại hình công trình quan trọng, tr phức tạp; chịu ảnh hưởng Công trình bếnn cảng có thể th phân loại theo nhiều loạii khác nhau nh như: Vật liệu làm bến; vị trí củaa công tr trình đối với bờ; theo mặt cắtt ngang hay theo đặc trưng kết cấu. Trong phạm vi đồ án nnày, tác giả đang đi sâu vào nghiên cứ ứu theo đặc trưng kết cấu.
Cụ thể theo cách phân loại lo này thì bến cảng được chia làm àm 4 nhóm chính: Bến B trọng lực, bến tường ờng cừ, cừ bến móng cọc vàà các công trình trên móng đặc biệt như giếng chìm, giếng chìm ìm hơi h ép; trong đó bến móng cọc hay bến ến cầu c tàu trên nền cọc là đối tượng chính của ủa đồ án này. Hình 1: Phân loạại công trình bến theo đặc trưng ưng kết k cấu a. Bến trọng lực; c; b. Bến Bế tường cừ; c.
Bến cầu tàu trên nền cọc; c; d. Bến B đặc biệt bằng giếng chìm.2 Khái niệm tải trọng siêu trường siêu trọng Theo Điều 4 của Quyết định số 63/2007/QĐ - BGTVT ngày 28/12/2007 của Bộ Giao thông vận tải Việt Nam quy định “Vận chuyển hàng siêu trường, siêu trọng trên đường bộ” thì hàng siêu trường, siêu trọng được định nghĩa như sau: 1. Hàng siêu trường: Là hàng không thể tháo rời (chia nhỏ), khi xếp lên phương tiện vận chuyển có một trong các kích thước bao ngoài (của tổ hợp phương tiện và hàng xếp trên phương tiện) đo được như sau: a) Chiều dài lớn hơn 20 mét; b) Chiều rộng lớn hơn 2,5 mét; c) Chiều cao tính từ mặt đường bộ trở lên lớn hơn 4,2 mét (trừ container). Hàng siêu trọng: Là hàng không thể tháo rời (chia nhỏ), có trọng lượng trên 32 tấn.
Như vậy có thể khái niệm tải trọng siêu trường, siêu trọng là tải trọng do hàng siêu trường, siêu trọng tác dụng lên công trình. Dưới đây là một số hình ảnh minh họa cho hàng siêu trường, siêu trọng trong công trình thủy: Hình 2: Giàn khoan tự nâng 90m nước trong quá trình chuẩn bị hạ thủy tại cảng PV Shipyard. -6- Hình 3: Hai cần cẩu Liebherr đang được “nối cẩu” để bốc dỡ hàng siêu trường, siêu trọng tại Cảng Tiên Sa - Đà Nẵng. Hình 4: Bốc dỡ kiện hàng siêu trường, siêu trọng là bao hơi nặng 316 tấn, dài liền khối hơn 32 mét được bốc dỡ từ tàu biển tại cảng Vũng Áng - Hà Tĩnh đến lắp ráp cho công trình Nhà máy Nhiệt điện Vũng Áng 1.3 Đặc trưng của bến cầu tàu 1.1 Định nghĩa Cầu tàu là kết cấu bến đài cao trên nền cọc (cừ) với hai bộ phận chính: - Đài là phần kết cấu bên trên: hệ dầm bản, hệ thanh giằng, khối bê tông đổ tại chỗ, hoặc các khối trọng lực khác trực tiếp tiếp nhận phần lớn các tải trọng ngoài (các lực do tàu, hàng hóa, thiết bị, một phần áp lực đất, áp lực sóng và các tải trọng khác,…).
- Nền cọc bao gồm tất cả cọc hoặc cừ đứng hoặc xiên được đóng sâu vào trong đất tạo thành một hệ thống móng sâu để truyền lực từ trên đài xuống nền đất. Hình 5: Hình ảnh một số bến cầu tàu 1.2 Phân loại bến cầu tàu - Theo vật liệu chế tạo cọc: cầu tàu cọc gỗ (hoặc tre), cầu tàu cọc thép, cầu tàu cọc bê tông cốt thép (BTCT) (cọc lăng trụ, vuông, trụ ống, …). - Theo tương quan độ cứng đơn vị dài giữa đài và cọc: cầu tàu đài không cứng, cầu tàu đài cứng, cầu tàu đài mềm. - Theo sự tương quan với mép bờ có: bến cầu rỗng; bến cầu tường chắn (cừ trước, cừ sau); bến cầu rỗng – tường chắn; bến cầu nhô; bến cầu nhô – tường chắn; bến cầu chữ U, chữ L, chữ T; trụ độc lập, … -8- 1.4 Những ưu nhược điểm của bến cầu tàu - Ưu điểm: + Kết cấu nhẹ, tốn ít vật liệu xây dựng so với các loại kết cấu bến trọng lực thậm chí ít hơn cả so với kết cấu bến tường cừ và bến mái nghiêng.
Kết cấu bến cầu tàu nói chung, đăc biệt loại kết cấu cầu tàu đài mềm chủ yếu bao gồm các thanh dài mảnh, các tấm mỏng. Nếu các cấu kiện bê tông cốt thép dự ứng lực thì trọng lượng bản thân còn giảm hơn. Ở một số nước công nghiệp tiên tiến, toàn bộ các cấu kiện cầu tàu đều là cấu kiện bê tông cốt thép dự ứng lực hoặc được kết hợp cấu kiện bê tông cốt thép xen lẫn với cấu kiện thép có cường độ cao [1]; + Có nhiều cấu kiện có thể đúc sẵn ở nhà máy: cọc, cừ, dầm, bản, bản tựa tàu,… Vì vậy các kích thước chính của từng cấu kiện có mức độ chính xác cao và trọng lượng bản thân nằm trong khuôn khổ quy định được tiêu chuẩn hóa, được định hình cụ thể. + Cầu tàu đài cao là kết cấu bến dễ thi công: mọi công đoạn chính được thưc hiện trên các phương tiện nổi: tàu đóng cọc, ponton chở các thiết bị vật liệu; nhất là đối với kết cấu cầu tàu có nhiều cấu kiện đúc sẵn.
Do đó không phải xây lắp đê quai, ít phải sử dụng thợ lặn. Điều này kéo theo giảm thời gian thi công, tận dụng được các tháng thời tiết yên lặng của biển, tránh được các giai đoạn gió bão to. Từ đó góp phần giảm giá thành công trình, nhất là đối với các bến cảng nằm xa đất liền, ở các đảo xa ngoài biển hở [1]. + Dễ xử lý trong quá trình thi công khi các số liệu khảo sát địa chất của các lỗ khoan chưa đủ hoặc thiếu chính xác bởi thế ổn định của cầu tàu đài cao được tạo bởi ma sát giữa cọc và đất, bởi sức chống (áp lực bị động) của đất.
Khi đó có thể tăng chiều sâu đóng cọc, thay đổi loại cọc để đảm bảo tối ưu về sức chịu tải của cọc, cũng như giá trị kinh tế cho công trình. + Đảm bảo an toàn trong quá trình khai thác, nhất là khi bến cầu tàu chịu tác dụng của sóng, dòng chảy; bởi nền cọc góp phần làm suy giảm áp lực ngang, thậm chí cả áp lực đẩy nổi của sóng. Sóng đi qua các cọc luôn tạo thành dòng -9- chảy bao làm cho sóng phản xạ rất ít, chỉ lướt qua hoặc tràn qua các cấu kiện và bị chiết giảm nhiều [1]. - Nhược điểm: + Chỉ thi công được ở những nơi nền đất cho phép đóng cọc như cát, sét, á sét, á cát, bùn sét, bùn cát, … 1.5 Kết luận Hiện nay bến cầu tàu được dùng phổ biển trong các công trình cảng, không chỉ ở Việt Nam mà còn ở nhiều nước trên thế giới bởi nhiều ưu điểm so với các loại bến khác như đã nêu ở trên.
Đặc biệt khi bến tiếp nhận tải trọng siêu trường siêu trọng ở những khu vực có địa chất yếu, lớp đất yếu có chiều dày khá lớn trên bề mặt. Khi đó nền cọc được neo vào những lớp đất tốt sâu phía dưới, tạo nên thế ổn định vững chắc cho công trình. Hình 6: Mô hình bến cầu tàu khi hạ thủy giàn khoan tự nâng. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN KẾT CẤU BẾN CẦU TÀU ĐÀI CAO 2.1 Các sơ đồ và phương pháp giải cầu tàu Xét về mặt kết cấu, bến cầu tàu có hai loại cấu kiện: các thanh đứng (cọc, cừ), các thanh ngang (đài) nên nó sẽ là một khung phẳng hoặc một khung không gian là siêu tĩnh hay tĩnh định làm nhiệm vụ tiếp nhận các tải trọng ngoài truyền vào nền đất.
Giải bài toán kết cấu bến cầu tàu là tìm biến dạng, chuyển vị và nội lực ở mọi mặt cắt của hai loại cấu kiện trên. Đây là sự kết hợp đồng thời hai bài toán: cơ học đất và cơ học kết cấu, do đó lịch sử ra đời kết cấu bến cầu tàu đã kéo theo sự xuất hiện các phương pháp tính kết cấu khác nhau [2]: - Theo quan niệm nối cọc trong đất có các hướng giải: + Hướng đồ giải; + Hướng coi dầm trên các gối tựa đàn hồi (cọc); + Hướng coi kết cấu là một khung phẳng hoặc khung không gian; + Hướng coi kết cấu gồm hữu hạn các phần tử chia nhỏ. - Theo quan niệm nối cọc với đài có các hướng giải: + Hướng coi cọc liên kết ngàm với đài; + Hướng coi cọc liên kết khớp với đài. Tất cả các quan niệm trên được mô tả bởi sơ đồ tính của cầu tàu như sau: - Hình a: Cọc khớp cả hai đầu; - Hình b: Cọc chỉ khớp trong đất; - Hình c: Cọc ngàm trong đất; - Hình d: Cọc ngàm đàn hồi; - Hình e: Cọc nối với đất bằng nhiều các thanh liên kết khớp hai đầu.
-11- Hình a Hình b Hình c Hình d Hình e Hình 7: Các sơ đồ tính bến cầu tàu Nhận xét: - Các sơ đồ từ Hình a đến Hình d có một lỗ hổng chung là: không xác định được các thành phần chuyển vị và nội lực trên đoạn cọc từ điểm khớp, điểm ngàm chặt hay điểm ngàm đàn hồi tới chân. - Các sơ đồ từ Hình b đến Hình e coi liên kết giữa nền cọc với đài là liên kết ngàm, nhưng thực tế vẫn có chuyển vị xoay tại vị trí khớp nối này. Từ những nhận xét trên, tác giả có ý tưởng kết hợp 2 sơ đồ Hình a và Hình e để có thể giải quyết đươc 2 vấn đề trên.
