Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Xây dựng Công trình Giao thông tập trung giải quyết bài toán thiết kế cầu vượt sông tại khu vực đồng bằng có địa chất nền yếu và yêu cầu khổ thông thuyền cao. Công trình được nghiên cứu là cầu Cây Chuối, nằm trong khu dân cư Sen Việt thuộc địa bàn huyện Nhơn Đức, tỉnh Đồng Nai. Tuyến công trình kết nối trực tiếp vào hương lộ 23 hiện hữu, với điểm đầu cách bến phà phía bờ đi Quốc lộ 50 khoảng 350 m và điểm kết thúc cách bến phà phía bờ đi ra biển khoảng 300 m.

Khu vực xây dựng có địa hình tương đối bằng phẳng, cao độ tự nhiên trung bình khoảng +0.00 m theo hệ cao độ quốc gia, hiện trạng chủ yếu là đất nông nghiệp trồng lúa, mật độ dân cư thưa thớt. Điều kiện thủy văn ghi nhận mực nước cao nhất (MNCN) là +1.97 m, mực nước thông thuyền (MNTT) là +1.53 m và mực nước thấp nhất (MNTH) là -2.55 m. Tuyến sông đạt cấp kỹ thuật nội địa cấp II, đòi hỏi tĩnh không thông thuyền tĩnh ngang $B = 60\text{ m}$ và tĩnh cao đứng $H = 9{,}3\text{ m}$ (theo TCVN 5664:2009).

Khảo sát địa chất qua 4 hố khoan (BH1 đến BH4) xác định địa tầng từ trên xuống gồm 6 lớp đất:

  • Lớp 1a: Bùn sét chảy, bề dày lên tới 25,5 m, dung trọng tự nhiên $\gamma = 24{,}3\text{ kN/m}^3$, lực dính $C = 5{,}9\text{ kPa}$, góc ma sát trong $\varphi = 4^\circ02'$, độ sệt $I_L > 1{,}0$, chỉ số SPT từ 1 đến 5; đây là lớp đất rất yếu, độ nén lún cao, không thể đặt móng trực tiếp.
  • Lớp 2A: Sét nửa cứng, dày 3,2 m, $\gamma = 19{,}1\text{ kN/m}^3$, $C = 38{,}9\text{ kPa}$, $\varphi = 14^\circ35'$, SPT từ 13 đến 16.
  • Lớp 2B: Á sét nửa cứng (chỉ xuất hiện tại hố khoan BH1 vị trí mố A1), dày 2,5 m, $\gamma = 19{,}9\text{ kN/m}^3$, $C = 27{,}4\text{ kPa}$, $\varphi = 15^\circ27'$, SPT từ 13 đến 14.
  • Lớp 3: Cát mịn, dày 9,5 m, $\gamma = 20{,}0\text{ kN/m}^3$, $\varphi = 29^\circ37'$, SPT từ 19 đến 33; lớp đất có khả năng chịu lực khá tốt.
  • Lớp 4: Á sét (xuất hiện tại hố khoan BH2 và BH3 ở vị trí hai trụ cầu), dày 3,4 m đến 3,9 m, $\gamma = 20{,}1\text{ kN/m}^3$, $C = 28{,}6\text{ kPa}$, $\varphi = 18^\circ50'$, SPT từ 15 đến 16.
  • Lớp 5: Cát mịn phân bố tới hết chiều sâu hố khoan, $\gamma = 20{,}0\text{ kN/m}^3$, $\varphi = 30^\circ12'$, chỉ số xuyên tiêu chuẩn SPT $\ge 30$; là tầng chịu lực thích hợp để cắm mũi cọc khoan nhồi.

Mục tiêu và nhiệm vụ kỹ thuật của đồ án bao gồm:

  1. Thiết kế phương án sơ bộ kết cấu nhịp cầu dầm hộp bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCT DƯL) 3 nhịp liên tục thi công bằng công nghệ đúc hẫng cân bằng.
  2. Thiết kế và kiểm toán chi tiết các bộ phận phụ trợ gồm hệ thống lan can thép và bản lề bộ hành.
  3. Thiết lập mô hình phân tích kết cấu trên phần mềm chuyên dụng Midas Civil, mô phỏng chính xác các giai đoạn thi công từng đốt dầm và giai đoạn khai thác cầu.
  4. Kiểm toán nội lực, ứng suất, độ võng của dầm chủ theo các trạng thái giới hạn (TTGH Cường độ và TTGH Sử dụng).
  5. Tính toán kết cấu bản mặt cầu theo phương ngang, neo liên kết chống lật xe đúc, kết cấu phần dưới gồm trụ cầu và móng cọc khoan nhồi.

Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở công trình cầu vĩnh cửu cấp IV đồng bằng, tốc độ thiết kế $V = 60\text{ km/h}$, sơ đồ nhịp $60\text{ m} + 90\text{ m} + 60\text{ m}$, khổ cầu rộng 12 m, chịu tải trọng xe tiêu chuẩn HL-93 và hoạt tải người đi bộ $3\text{ kN/m}^2$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án được xây dựng dựa trên hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành của ngành Giao thông Vận tải Việt Nam và quốc tế:

  • Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ: TCVN 11823:2017 (biên soạn dựa trên tiêu chuẩn AASHTO LRFD).
  • Tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô: TCVN 4054:2005.
  • Tiêu chuẩn phân cấp kỹ thuật đường thủy nội địa: TCVN 5664:2009.
  • Tiêu chuẩn vật liệu và mô hình từ biến - co ngót bê tông: CEB-FIP 2010.

Phương pháp nghiên cứu chủ đạo là phương pháp cơ học kết cấu kết hợp phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) áp dụng cho công trình cầu dầm hộp liên tục thi công phân đoạn:

  • Phân tích sự làm việc đàn hồi của kết cấu theo từng bước thi công (Construction Stage Analysis) nhằm mô phỏng đúng lịch sử chất tải, sự thay đổi sơ đồ liên kết (từ dầm công-xôn ngàm tạm tại trụ sang dầm liên tục siêu tĩnh), sự tổn hao dự ứng lực và biến dạng co ngót, từ biến của bê tông theo thời gian.
  • Sử dụng mô hình thanh không gian và công cụ Section Property Calculator (SPC) trong phần mềm Midas Civil 2019 để tính toán đặc trưng hình học các mặt cắt thay đổi dạng parabol bậc 2.
  • Kiểm toán an toàn chịu lực dựa trên phương pháp hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD) tại hai trạng thái giới hạn: Trạng thái giới hạn Cường độ I (TTGH CĐ1) và Trạng thái giới hạn Sử dụng (TTGH SD).

Nguồn dữ liệu thiết kế bao gồm hồ sơ khảo sát địa hình, số liệu thủy văn sông cấp II, tài liệu 4 lỗ khoan địa chất BH1-BH4 tại huyện Nhơn Đức, và thông số kỹ thuật của xe đúc hẫng dạng hình thoi xuất xứ Trung Quốc.

Thiết kế và triển khai kỹ thuật

Giải pháp kết cấu dầm chủ và phân chia đốt dầm

Kết cấu nhịp chính được lựa chọn là dầm hộp BTCT DƯL liên tục 3 nhịp với sơ đồ chiều dài $60\text{ m} + 90\text{ m} + 60\text{ m}$, tỷ lệ nhịp biên trên nhịp chính $L_b / L_g = 60 / 90 = 0{,}667$. Chiều rộng toàn bộ cầu $B = 12\text{ m}$, mặt cắt ngang dạng 1 hộp 2 thành vách xiên (áp dụng do khổ cầu vượt quá 10,5 m). Độ dốc ngang mặt cầu thiết kế 2% tạo dốc bằng ván khuôn.

Bộ phận kết cấu Kích thước thiết kế Cơ sở xác định
Chiều cao dầm tại đỉnh trụ ($H_{trụ}$) $5000\text{ mm}$ $H_{kinh\ tế} = L_g / 18 = 5000\text{ mm}$; $H \ge 0{,}055 L_g = 4950\text{ mm}$
Chiều cao dầm tại giữa nhịp ($H_{nhịp}$) $2300\text{ mm}$ Chọn phù hợp để công nhân thao tác bên trong lòng hộp ($\ge 2000\text{ mm}$)
Chiều dày bản trên ($t_3$) $250\text{ mm}$ Thỏa mãn $t_3 \ge 200\text{ mm}$ và $t_3 > l_2 / 30 = 6400 / 30 = 213\text{ mm}$
Chiều dày sườn dầm vách xiên ($t_4$) $450\text{ mm}$ Thỏa mãn điều kiện cấu tạo và chịu lực cắt ($t_4 \ge 300\text{ mm}$)
Chiều dày bản đáy giữa nhịp ($t_5$) $250\text{ mm}$ Thỏa mãn $t_5 \ge t_4 / 2 = 225\text{ mm}$ và $t_5 \ge 200\text{ mm}$
Chiều dày bản đáy tại trụ ($t_6$) $600\text{ mm}$ Nằm trong khoảng kinh nghiệm $t_6 = (2 \div 3)t_5 = 500 \div 750\text{ mm}$
Khoảng cách tĩnh 2 thành hộp ($l_8$) $1500\text{ mm}$ Chọn trong khoảng $(0{,}2 \div 0{,}3) \times 6400\text{ mm} = 1280 \div 1920\text{ mm}$

Đường cong đáy dầm tuân theo quy luật parabol bậc 2 có phương trình $y = ax^2$, với gốc tọa độ đặt tại mặt trên giữa nhịp cầu. Phân chia đốt đúc hẫng được tối ưu hóa theo khả năng chịu tải của xe đúc hình thoi (tự trọng xe đúc $G = 69\text{ tấn}$, sức nâng đốt đúc lớn nhất $Q = 100\text{ tấn}$, chiều dài đốt đúc tối đa $4\text{ m}$):

  • Đốt K0 trên đỉnh trụ: Dài $12\text{ m}$, thi công trên đà giáo mở rộng neo vào thân trụ.
  • Các đốt đúc hẫng $K_i$: Gồm 10 đốt mỗi bên cánh hẫng; các đốt K1 đến K4 có chiều dài $3{,}5\text{ m}$; các đốt K5 đến K10 có chiều dài $4{,}0\text{ m}$.
  • Đốt hợp long biên (HLB) và hợp long giữa (HLG): Chiều dài mỗi đốt là $2\text{ m}$, chiều cao không đổi $H = 2{,}3\text{ m}$.
  • Đoạn dầm đúc trên đà giáo tại nhịp biên: Chiều dài $14\text{ m}$, chiều cao $H = 2{,}3\text{ m}$.

Mô hình hóa trên Midas Civil 2019

Kết cấu được rời rạc hóa thành hệ thống nút (node) và phần tử thanh (beam element) gồm 7 nhóm chính:

  • Nhóm 1 (Node 1-23, Element 1-22): Đoạn dầm nhịp biên bên trái đến trụ T1.
  • Nhóm 2 (Node 23-60, Element 23-60): Đoạn dầm nhịp chính giữa hai trụ T1 và T2.
  • Nhóm 3 (Node 60-82, Element 61-82): Đoạn dầm nhịp biên bên phải từ trụ T2 đến mố.
  • Nhóm 4 và 5 (Element 83, 84): Thân trụ T1 và T2.
  • Nhóm 6 và 7 (Element 85, 86): Bệ trụ T1 và T2.

Hệ thống điều kiện biên gồm: BG1 (liên kết ngàm tại đáy bệ trụ T1, T2); BG2 (liên kết ngàm tạm thời dầm vào trụ trong giai đoạn đúc hẫng); BG3 (gối di động tại mố); BG4 (gối tựa tạm thời trên hệ đà giáo nhịp biên).

Vật liệu và hệ thống cáp dự ứng lực

  • Bê tông dầm chủ: Cấp cường độ $f'_c = 45\text{ MPa}$, khối lượng riêng $\gamma = 25\text{ kN/m}^3$, mô đun đàn hồi $E_c = 37792\text{ MPa}$, hệ số Poisson $\nu = 0{,}3$, hệ số giãn nở nhiệt $1{,}07 \times 10^{-5}\text{ /}^\circ\text{C}$.
  • Bê tông trụ cầu: $f'_c = 35\text{ MPa}$.
  • Cáp dự ứng lực: Bó tao xoắn 7 sợi cường độ cao loại 15,2 mm của hãng VSL, diện tích một tao $A_s = 140\text{ mm}^2$, mô đun đàn hồi $E_p = 197000\text{ MPa}$, cường độ kéo đứt $f_{pu} = 1860\text{ MPa}$, giới hạn chảy $f_y = 1674\text{ MPa}$. Ứng suất căng kéo quy định bằng $0{,}74 f_{pu}$.
    • Nhóm 1 (Cáp chịu mô-men âm đỉnh trụ): Bố trí tại bản nắp dầm hộp, gồm 32 bó loại 19T15.2 ($A_{1bo} = 2660\text{ mm}^2$).
    • Nhóm 2 (Cáp chịu mô-men dương nhịp biên): Bố trí tại bản đáy đoạn đúc trên đà giáo và đốt hợp long biên, dùng loại cáp 12T15.2 ($A_{1bo} = 1680\text{ mm}^2$).
    • Nhóm 3 (Cáp chịu mô-men dương nhịp giữa): Gồm 14 bó loại 12T15.2 bố trí tại bản đáy đốt giữa nhịp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu công trình

Chương này tổng hợp các tài liệu khảo sát ban đầu về địa hình, địa mạo, số liệu thủy văn mực nước và điều kiện địa chất công trình 6 lớp đất tại cầu Cây Chuối. Nội dung thiết lập cấp hạng kỹ thuật công trình là cầu vĩnh cửu bằng BTCT, tuổi thọ trên 100 năm, cấp đường thiết kế cấp IV đồng bằng với vận tốc $60\text{ km/h}$, tĩnh không sông cấp II ($B \times H = 60\text{ m} \times 9{,}3\text{ m}$). Tác giả đưa ra phân tích ưu nhược điểm của công nghệ đúc hẫng cân bằng, nhấn mạnh khả năng không phụ thuộc tĩnh không dưới cầu, không cản trở thông thuyền và giảm chi phí hệ đà giáo cố định.

Chương 2: Phương án sơ bộ cầu dầm liên tục thi công bằng phương pháp đúc hẫng cân bằng

Chương 2 trình bày các tính toán xác định kích thước cơ bản của mặt cắt dầm hộp, bao gồm việc giải hệ phương trình đường cong đáy dầm để lập bảng tọa độ biên dưới và chiều cao $h$ tại từng mặt cắt cách mép trụ từ $0\text{ m}$ đến $42\text{ m}$. Tác giả phân chia chi tiết các phân đoạn đúc dầm từ K0 đến K10, đốt hợp long biên, hợp long giữa và đốt đúc trên đà giáo. Thông qua công cụ tính toán hình học, chương này xác định diện tích mặt cắt $F$, khoảng cách trọng tâm $y_t, y_b$, mô-men quán tính $I_x, I_y$ và mô-men kháng uốn $S_t, S_b$ tại các mặt cắt đặc trưng: đỉnh trụ (P0,1: $F = 16{,}97\text{ m}^2$, $H = 2300\text{ mm}$ do ký hiệu xuất Midas; sát trụ S2: $F = 12{,}64\text{ m}^2$, $H = 4402\text{ mm}$; mặt cắt hợp long và đà giáo S12: $F = 7{,}26\text{ m}^2$, $H = 2332\text{ mm}$).

Chương 3: Lan can, lề bộ hành

Chương 3 tính toán chi tiết kết cấu phụ trên cầu:

  • Thanh tay vịn lan can dùng thép ống tròn ngoài $D = 100\text{ mm}$, trong $d = 92\text{ mm}$, thép M270 cấp 250 ($f_y = 250\text{ MPa}$), khoảng cách giữa các cột lan can $L = 2000\text{ mm}$. Tải trọng kiểm toán gồm tĩnh tải bản thân, hoạt tải phân bố $w = 0{,}37\text{ N/mm}$ và tải tập trung $P = 890\text{ N}$. Tác giả chứng minh mô-men kháng uốn $M_n = 6{,}96 \times 10^6\text{ N.mm}$ lớn hơn mô-men tính toán $M_u$.
  • Cột lan can tổ hợp từ các tấm thép dày 8 mm, liên kết với gờ bê tông bằng 4 bu-lông cường độ A307 đường kính $d = 20\text{ mm}$ ($F_{ub} = 420\text{ MPa}$). Kiểm toán thỏa mãn điều kiện nén - uốn kết hợp, độ mảnh ($\lambda = 21{,}75 < 140$) và sức chịu nhổ - cắt đồng thời của bu-lông ($Q_u = 2994\text{ N} < T_n = 98660\text{ N}$).
  • Bản lề bộ hành rộng 1000 mm, dày 100 mm, bê tông $f'c = 30\text{ MPa}$, cốt thép D10 ($f_y = 280\text{ MPa}$). Bố trí thép D10a200 ($A_s = 392{,}7\text{ mm}^2$) cho cả vùng mô-men âm tại ngàm và mô-men dương giữa nhịp, thỏa mãn điều kiện cường độ và bề rộng khe nứt ở trạng thái giới hạn sử dụng ($f_s = 21{,}15\text{ MPa} < f{sa} = 168\text{ MPa}$).

Chương 4: Mô hình hóa kết cấu

Chương này thiết lập đầy đủ thông số đầu vào cho bài toán phần tử hữu hạn trong Midas Civil 2019:

  • Khai báo tải trọng tĩnh tải giai đoạn 1 (trọng lượng dầm thay đổi từ $11{,}19\text{ kN/m}$ tại đốt đà giáo đến $37{,}64\text{ kN/m}$ tại K3, K4) và tĩnh tải giai đoạn 2 (gồm lớp bê tông asphalt dày 0,07 m, lớp phòng nước dày 0,004 m với tổng $DW = 1{,}80\text{ kN/m}$, lan can và gờ chắn xe $DC_2 = 4{,}15\text{ kN/m}$).
  • Xác định hoạt tải ô tô HL-93 gồm 3 thành phần: xe tải 3 trục (HL93K, trục trước 35 kN, hai trục sau 145 kN), xe hai trục (HL93M, mỗi trục 110 kN cách nhau 1,2 m), tổ hợp hai xe tải cách nhau 15 m (HL93S) nhân hệ số 0,9, hoạt tải làn $9{,}3\text{ N/mm}$ và tải trọng người $3{,}0\text{ kN/m}^2$. Hệ số xung kích $IM = 1{,}33$.
  • Thiết lập 16 bước thi công (Construction Stages) chi tiết từ đúc khối K0, đúc hẫng đối xứng các đốt K1-K10 theo chu kỳ 7 ngày/đốt, đúc hợp long biên trên đà giáo treo, chuyển đổi hệ gối tạm sang gối chính, đúc hợp long giữa và đưa vào khai thác.

Chương 5: Kiểm toán dầm giai đoạn thi công

Nội dung chương trình bày quá trình phát triển nội lực (chủ yếu là mô-men âm $M_y$ tại mặt cắt đỉnh trụ S0) qua từng giai đoạn đúc đốt hẫng và xác định đường ảnh hưởng, biểu đồ bao nội lực trong giai đoạn khai thác. Tổ hợp nội lực chứng minh hiệu ứng bất lợi nhất trong giai đoạn khai thác sinh ra từ tổ hợp xe HL93S kết hợp tải trọng làn.

Chương 6: Tính toán sơ bộ cáp dự ứng lực

Chương 6 đưa ra công thức sơ bộ xác định diện tích cốt thép dự ứng lực cần thiết $A_{ps} = M_u / (0{,}9 \cdot f_{pu} \cdot H)$ và số lượng bó cáp 19T15.2 chịu mô-men âm tại các mặt cắt dầm chủ qua từng bước thi công đốt K1 đến K6.

Chương 7: Kiểm toán dầm chủ giai đoạn thi công

Chương 7 tập trung kiểm toán ứng suất kéo và ứng suất nén tại thớ trên và thớ dưới của các phân đoạn dầm trong toàn bộ các bước thi công hẫng, kiểm tra khả năng chịu nén của bê tông chưa đạt tối đa cường độ và ứng suất kéo cho phép để ngăn ngừa hình thành vết nứt sớm.

Chương 8: Kiểm toán dầm chủ giai đoạn khai thác

Nội dung chương thực hiện kiểm toán dầm chủ theo TCVN 11823:2017:

  • Kiểm toán sức kháng uốn danh định $M_r$ tại TTGH Cường độ I so với mô-men tính toán $M_u$.
  • Kiểm toán sức kháng cắt của bê tông và cốt thép đai.
  • Kiểm toán ứng suất thớ trên và thớ dưới tại TTGH Sử dụng; kiểm tra độ võng đàn hồi dưới tác dụng của hoạt tải và tính toán độ vồng thi công ban đầu bù trừ cho từ biến, co ngót dài hạn.

Chương 9: Phân tích kết cấu dầm theo phương ngang

Chương 9 phân tích sự làm việc của bản nắp dầm hộp dưới tác dụng của tải trọng bánh xe cục bộ. Tác giả mô hình hóa bản mặt cầu làm việc như một khung ngang hoặc dầm liên tục trên các gối tựa là sườn dầm hộp; tính toán bố trí cốt thép chịu mô-men âm tại gối vách dầm, cốt thép chịu mô-men dương giữa nhịp bản và kiểm tra chống nứt cho bản mặt cầu bê tông.

Chương 10: Thiết kế trụ cầu

Chương này xác định kích thước hình học sơ bộ của thân trụ và bệ trụ BTCT. Tác giả tính toán tổng hợp các tác động truyền từ kết cấu nhịp xuống đỉnh trụ kết hợp với tải trọng tác động trực tiếp: tĩnh tải, phản lực hoạt tải ô tô và người, lực hãm xe, lực ly tâm, áp lực gió ($WS$), áp lực dòng chảy ($WA$) và lực va tàu ($CV$). Thực hiện tổ hợp nội lực tại mặt cắt đáy thân trụ và đáy bệ trụ; kiểm toán khả năng chịu nén uốn hai phương, kiểm toán cắt theo TTGH CĐ1 và kiểm tra nứt ở TTGH SD.

Chương 11: Thiết kế móng cọc khoan nhồi

Chương 11 tính toán hệ thống móng sâu dưới trụ cầu chịu tải trọng tổ hợp lớn. Dựa trên số liệu địa chất các lớp cát mịn và sét, đồ án xác định sức chịu tải của cọc đơn theo chỉ tiêu cơ lý đất nền và theo cường độ vật liệu bê tông cọc; bố trí mạng lưới cọc khoan nhồi trong đài móng và kiểm toán lực tác dụng lên cọc bất lợi nhất so với sức kháng cho phép.

Chương 12: Thiết kế neo liên kết

Chương 12 giải quyết bài toán an toàn thi công đúc hẫng cân bằng. Tác giả xác định các tổ hợp tải trọng gây mất cân bằng mô-men hai bên cánh hẫng gồm: gió ngược hai bên cánh hẫng, tải trọng xe đúc lệch tâm, tải trọng rơi vãi bê tông ướt bất đối xứng và chênh lệch tĩnh tải đốt đúc. Từ đó, đồ án tính toán hệ thanh neo liên kết thép cường độ cao (thanh neo PC bar) liên kết khối dầm đỉnh trụ K0 chặt vào đỉnh trụ để giữ ổn định lật trong suốt chu trình đúc hẫng.

Kết quả và đóng góp

Số liệu kết quả phân tích nội lực và dự ứng lực

Mô hình số trên Midas Civil phản ánh sự gia tăng liên tục của mô-men âm tại đỉnh trụ S0 trong suốt quá trình đúc hẫng đối xứng, sau đó giảm dần khi hợp long và phân phối lại nội lực:

Giai đoạn thi công dầm Mô-men âm đỉnh trụ S0 ($kNm$) Số bó cáp âm tính toán (Sơ bộ) Số bó cáp chọn thực tế
Bước 1: Thi công đốt K1 $-18486{,}0$ 1,88 2 bó
Bước 2: Thi công đốt K2 $-31075{,}3$ 3,74 4 bó
Bước 3: Thi công đốt K3 $-46146{,}3$ 5,88 6 bó
Bước 4: Thi công đốt K4 $-63475{,}2$ 8,02 8 bó
Bước 5: Thi công đốt K5 $-85698{,}5$ 10,13 10 bó
Bước 6: Thi công đốt K6 $-110617{,}4$ 12,32 12 bó
Bước 7: Thi công đốt K7 $-137991{,}3$ - Bố trí theo biểu đồ bao
Bước 8: Thi công đốt K8 $-167844{,}6$ - Bố trí theo biểu đồ bao
Bước 9: Thi công đốt K9 $-200283{,}0$ - Bố trí theo biểu đồ bao
Bước 10: Thi công đốt K10 $-235543{,}6$ - Bố trí tối đa 32 bó 19T15.2
Bước 11: Hợp long nhịp biên $-229931{,}9$ - Căng cáp bản đáy nhịp biên
Bước 12: Hợp long nhịp giữa $-220976{,}0$ - Căng cáp bản đáy nhịp giữa
Giai đoạn Khai thác (Tĩnh tải) $-224066{,}8$ - Hoàn thiện dầm liên tục
Tổ hợp TTGH CĐ (2 xe HL93S) $-371159{,}5$ - Kiểm toán an toàn chịu uốn

Kết quả tính toán kiểm toán bộ phận phụ và khai thác:

  • Hệ thanh lan can thép: Mô-men uốn tính toán $M_u$ nhỏ hơn sức kháng uốn tiết diện $M_n = 6{,}96 \times 10^6\text{ N.mm}$.
  • Bu-lông liên kết trụ lan can: 4 bulông A307 $\phi 20$ chịu lực cắt thực tế $P_u = 1043{,}9\text{ N}$ nhỏ hơn nhiều so với sức kháng cắt danh định $R_n = 50139{,}9\text{ N}$; lực kéo nhổ thực tế $Q_u = 2994\text{ N}$ nhỏ hơn sức kháng nhổ kết hợp cắt $T_n = 98660\text{ N}$.
  • Bản lề bộ hành: Đảm bảo khả năng chịu uốn và nứt với thép D10a200; ứng suất kéo tính toán trong cốt thép $f_s = 21{,}15\text{ MPa}$ thấp hơn giới hạn cho phép $f_{sa} = 168\text{ MPa}$.
  • Xe đúc hẫng: Chọn loại xe hình thoi tải trọng bản thân $69\text{ tấn}$, phù hợp để thi công các khối bê tông nặng tối đa 100 tấn của dầm hộp.

Giải pháp kỹ thuật và đóng góp của đồ án

  • Thiết lập quy trình thi công đúc hẫng chu kỳ 7 ngày cho mỗi đốt dầm, bao gồm các bước công nghệ chuẩn hóa: căng kéo cáp, di chuyển xe đúc, lắp đặt cốt thép - ống gen - ván khuôn, đổ bê tông và bảo dưỡng.
  • Đề xuất giải pháp sử dụng hệ đà giáo treo độc lập để thi công đốt hợp long biên và hợp long giữa nhằm giải quyết xung đột không gian với hệ đà giáo đỡ đoạn dầm $14\text{ m}$ nhịp biên.
  • Xây dựng thành công mô hình bài toán mô phỏng tiến trình thi công theo lịch trình thời gian thực có xét đến ảnh hưởng của biến dạng co ngót và từ biến bê tông theo tiêu chuẩn CEB-FIP 2010.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Thuyết minh đồ án chủ yếu mô hình hóa dầm chủ dưới dạng phần tử thanh 2D/3D tương đương trên Midas Civil; sự phân bố ứng suất cục bộ tại các khu vực tập trung ứng suất (như vùng neo cáp DƯL, vách ngăn đỉnh trụ) chưa được kiểm chứng bằng mô hình phần tử khối (solid element). Số liệu địa chất đầu vào chỉ dựa trên 4 hố khoan khảo sát đơn lẻ, chưa xét đến biến thiên địa tầng cục bộ phức tạp tại lòng sông.
  • Hướng mở rộng: Nghiên cứu quan trắc biến dạng và ứng suất thực tế ngoài hiện trường trong suốt quá trình đúc hẫng để hiệu chỉnh độ vồng thi công theo thời gian thực (Camber Control); phân tích ảnh hưởng động học của tải trọng gió bão và va chạm tàu thuyền tải trọng lớn vào thân trụ trong điều kiện dòng chảy lũ sông cấp II.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo trực tiếp cho sinh viên ngành Kỹ thuật Cầu đường, Công trình Giao thông khi thực hiện đồ án tốt nghiệp hoặc đồ án môn học Cầu bê tông cốt thép. Tài liệu cung cấp trình tự tính toán chi tiết, có giá trị ứng dụng cao ở các nội dung:

  • Quy trình mô hình hóa kết cấu cầu thi công đúc hẫng cân bằng từng bước (Construction Stage) trên phần mềm Midas Civil.
  • Phương pháp khai báo và tính toán tổn hao ứng suất, từ biến, co ngót bê tông theo CEB-FIP 2010 tích hợp trong TCVN 11823:2017.
  • Thiết kế các kết cấu phụ trợ (lan can thép, lề bộ hành) và hệ thống phụ trợ thi công (xe đúc hẫng, neo liên kết chống lật) vốn ít được trình bày chi tiết trong các giáo trình lý thuyết chung.

Câu hỏi thường gặp

Sơ đồ nhịp và các kích thước tiết diện cơ bản của cầu Cây Chuối được chọn như thế nào?

Cầu có sơ đồ 3 nhịp liên tục $60\text{ m} + 90\text{ m} + 60\text{ m}$, tỷ lệ $L_b / L_g = 0{,}667$. Chiều rộng toàn cầu là $12\text{ m}$, thiết kế dạng dầm hộp 1 hộp 2 thành vách xiên. Chiều cao dầm tại đỉnh trụ chọn $H = 5000\text{ mm}$ (dựa trên $H_{kinh\ tế} = L_g / 18$), chiều cao dầm tại giữa nhịp và các vị trí hợp long chọn $H = 2300\text{ mm}$. Chiều dày bản đỉnh là $250\text{ mm}$, sườn dầm dày $450\text{ mm}$, bản đáy dày $250\text{ mm}$ ở giữa nhịp và tăng lên $600\text{ mm}$ tại đỉnh trụ.

Xe đúc hẫng được lựa chọn có thông số kỹ thuật ra sao và tải trọng xe tác dụng thế nào?

Đồ án lựa chọn xe đúc hẫng kiểu dáng hình thoi xuất xứ Trung Quốc, tự trọng bản thân xe $G = 69\text{ tấn}$ (tương đương lực thẳng đứng $P_{XĐ} = 1300\text{ kN}$ kể cả hệ số khi tính toán), khả năng nâng đốt đúc tối đa $100\text{ tấn}$, chiều dài đốt đúc lớn nhất $4\text{ m}$ và bề rộng dầm hộp tối đa $15\text{ m}$. Khi mô hình hóa, tải trọng xe đúc gây ra lực cắt tập trung và mô-men uốn lệch tâm tương ứng với cánh tay đòn vươn ra của từng đốt đúc.

Trình tự chu kỳ thi công một đốt đúc hẫng điển hình kéo dài trong bao lâu?

Một chu kỳ thi công đốt hẫng điển hình (từ K1 đến K10) được thiết kế chuẩn hóa trong thời gian 7 ngày: Ngày 1 tiến hành căng kéo các bó cáp dự ứng lực của đốt trước và di chuyển lắp dựng xe đúc; Ngày 2 và 3 thực hiện lắp đặt cốt thép thường, ván khuôn và ống gen luồn cáp; Ngày 4 tiến hành đổ bê tông đốt dầm; Ngày 5, 6 và 7 dành cho công tác dưỡng hộ bê tông đạt cường độ yêu cầu trước khi chuyển sang chu trình tiếp theo.

Hệ thống cáp dự ứng lực trong dầm chủ được phân chia và bố trí như thế nào?

Hệ thống cáp trong dầm sử dụng bó xoắn 7 sợi loại 15,2 mm ($f_{pu} = 1860\text{ MPa}$, diện tích một tao $140\text{ mm}^2$), được chia làm 3 nhóm chức năng: Nhóm 1 chịu mô-men âm đỉnh trụ gồm 32 bó loại 19T15.2 bố trí tại bản nắp dầm; Nhóm 2 chịu mô-men dương tại nhịp biên và đoạn đúc trên đà giáo gồm các bó loại 12T15.2 bố trí tại bản đáy; Nhóm 3 chịu mô-men dương giữa nhịp gồm 14 bó loại 12T15.2 đặt tại bản đáy khu vực giữa nhịp. Lực căng kéo quy định bằng $0{,}74 f_{pu}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Hoàng Xuân Tuệ đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật công trình cầu Cây Chuối quy mô 3 nhịp liên tục $60\text{ m} + 90\text{ m} + 60\text{ m}$ bằng công nghệ BTCT DƯL đúc hẫng cân bằng. Hồ sơ tính toán thể hiện tính chuẩn xác trong việc ứng dụng tiêu chuẩn TCVN 11823:2017 và khai thác hiệu quả công cụ số Midas Civil để mô phỏng sự làm việc của kết cấu qua 16 giai đoạn thi công phức tạp. Kết quả kiểm toán khẳng định độ bền chịu lực, khả năng chống nứt và độ võng của công trình hoàn toàn đáp ứng các điều kiện an toàn theo quy chuẩn hiện hành.