Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp ngành Kỹ thuật Công trình Giao thông (chuyên ngành Cầu - Hầm) của sinh viên Phạm Viết Lập (MSSV: 1251090118), dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Tuấn Anh tại Trường Đại học Giao thông Vận tải TP. Hồ Chí Minh (năm 2017), tập trung vào đề tài "Thiết kế cầu dầm bê tông cốt thép dự ứng lực, nhịp giản đơn tiết diện T căng sau".

Bối cảnh thực tiễn

Công trình cầu Cái Môn được xây dựng vượt sông Vàm Cỏ Tây thuộc khu vực Đồng Tháp Mười, tỉnh Long An. Đây là trục giao thông thủy - bộ có vai trò kết nối hạ tầng và phục vụ trực tiếp cho hoạt động sản xuất nông nghiệp trong vùng. Sông Vàm Cỏ Tây là sông cấp VI, có chế độ thủy văn chịu ảnh hưởng mạnh của bán nhật triều không đều từ Biển Đông (từ tháng 1 đến đầu tháng 8) và chịu lũ từ thượng nguồn (từ giữa tháng 8 đến hết tháng 12). Việc đầu tư xây dựng công trình cầu vĩnh cửu tại đây nhằm đảm bảo an toàn giao thông thông suốt quanh năm, phục vụ nhu cầu vận tải hàng hóa và giao thương của địa phương.

Mục tiêu và nhiệm vụ thiết kế

Đồ án thực hiện các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể theo phân công:

  1. Thu thập, tổng hợp và xử lý số liệu điều kiện tự nhiên gồm địa hình, khí tượng thủy văn và địa chất công trình tại vị trí xây dựng cầu Cái Môn.
  2. Thiết kế sơ bộ hai phương án kết cấu cầu, tiến hành so sánh toàn diện về kỹ thuật, mỹ quan và công tác duy tu bảo dưỡng để lựa chọn phương án tối ưu.
  3. Thiết kế kỹ thuật chi tiết phương án chọn: dầm bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCT DƯL) tiết diện chữ T căng sau nhịp giản đơn $L = 25\text{ m}$. Tính toán kết cấu phần trên (lan can, lề bộ hành, bản mặt cầu, dầm ngang, dầm chủ), các chi tiết phụ trợ (gối cầu cao su, khe co giãn) và kết cấu phần dưới (mố chữ U, trụ thân cột, móng cọc khoan nhồi).
  4. Lập biện pháp tổ chức thi công kết cấu phần dưới, công nghệ lao lắp dầm bằng giá ba chân cho kết cấu phần trên và tính toán các công trình tạm phục vụ thi công (vòng vây cọc ván thép, tầng đệm bê tông bịt đáy).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng: Kết cấu cầu đường ô tô vĩnh cửu bằng bê tông cốt thép và bê tông cốt thép dự ứng lực.
  • Phạm vi không gian: Vị trí vượt sông Vàm Cỏ Tây, huyện Vĩnh Hưng, tỉnh Long An.
  • Phạm vi thông số: Quy mô mặt cắt ngang cầu rộng $B = 10\text{ m}$ (khổ xe chạy $B_{\text{mặt}} = 8\text{ m}$ gồm 2 làn xe; lề người đi bộ $2 \times 0{,}75\text{ m} = 1{,}5\text{ m}$; lan can biên $2 \times 0{,}25\text{ m} = 0{,}5\text{ m}$); chiều dài nhịp thiết kế $L = 25\text{ m}$ (chiều dài tính toán dầm $L_{\text{tt}} = 24{,}4\text{ m}$); tải trọng thiết kế hoạt tải HL-93 kết hợp tải trọng người đi bộ $3\text{ N/mm}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung tiêu chuẩn và quy chuẩn kỹ thuật

Toàn bộ quá trình tính toán, kiểm toán và lập biện pháp thi công trong đồ án tuân thủ hệ thống tiêu chuẩn ngành và tiêu chuẩn quốc gia hiện hành:

  • Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu cầu: Tiêu chuẩn ngành 22 TCN 272-05 (áp dụng phương pháp hệ số tải trọng và sức kháng - LRFD).
  • Tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô: TCVN 4054-05.
  • Tiêu chuẩn khảo sát, thủy văn và nền móng: 22 TCN 259-2000 (Khoan thăm dò địa chất); 96 TCN 43-900 (Đo vẽ địa hình); 22 TCN 220-95 (Tính toán dòng chảy lũ); 22 TCN 257-2000 và TCXDVN 326-2004 (Thi công và nghiệm thu cọc khoan nhồi).
  • Tiêu chuẩn áo đường và vật liệu: 22 TCN 211-06 (Thiết kế áo đường mềm); 22 TCN 249-98 (Mặt đường bê tông nhựa); 22 TCN 251-98 (Cấp phối đá dăm); 22 TCN 247-98 (Thi công và nghiệm thu dầm cầu BTCT DƯL); TCVN 4447-87 (Công tác đất).

Phương pháp tính toán và phân tích kỹ thuật

  • Phương pháp trạng thái giới hạn (TTGH): Kiểm toán kết cấu ở Trạng thái giới hạn Cường độ (sức kháng uốn, cắt), Trạng thái giới hạn Sử dụng (kiểm soát ứng suất kéo nén, nứt bề mặt theo tham số $Z = 23.000\text{ N/mm}$, độ võng võng dầm) và Trạng thái giới hạn Đặc biệt.
  • Phương pháp dải bản tương đương: Xác định bề rộng dải bản làm việc chịu mômen uốn cục bộ dưới tác dụng của bánh xe theo quy trình 22 TCN 272-05.
  • Phương pháp phân bố ngang: Sử dụng mô hình dầm trên nền đàn hồi kết hợp hệ số làn $m$ và xung kích hoạt tải $IM$ để phân chia tải trọng lên các dầm chủ và dầm ngang.
  • Lý thuyết biến dạng phi đàn hồi và mất mát ứng suất: Đánh giá mất mát ứng suất tức thời (ma sát, ép sít neo, nén đàn hồi) và mất mát dài hạn (từ biến, co ngót bê tông, tự chùng cốt thép DƯL).

Nguồn dữ liệu khảo sát

Số liệu khí tượng thu thập từ trạm Vĩnh Hưng trong chuỗi quan trắc nhiều năm (1978 – 2000): lượng mưa trung bình năm đạt $1540\text{ mm}$, nhiệt độ trung bình dao động $25{,}9^\circ\text{C} - 28{,}7^\circ\text{C}$, tốc độ gió cơ bản $59\text{ m/s}$. Số liệu địa chất gồm 8 lớp đất được xác định qua hố khoan khảo sát hiện trường và thí nghiệm cơ lý trong phòng.

Nội dung chính theo từng chương

Phần I: Tổng quan

Chương I: Đặc điểm vị trí thiết kế

Trình bày vị trí địa lý cầu Cái Môn vượt sông Vàm Cỏ Tây. Khí hậu chia làm hai mùa mưa nắng rõ rệt. Chế độ thủy văn thể hiện qua các mốc mực nước thiết kế:

  • Mực nước thấp nhất ($H_{\text{min}}$): $+21{,}28\text{ m}$
  • Mực nước cao nhất ($H_{\text{max}}$): $+27{,}72\text{ m}$
  • Mực nước thông thuyền ($H_{\text{tt}}$): $+24{,}xx\text{ m}$

Địa tầng khu vực xây dựng gồm các lớp đất theo chiều sâu:

Lớp đất Tên và trạng thái đất Chiều dày $H$ (m) Lực dính $C$ ($\text{kN/m}^2$) Góc ma sát trong $\varphi$ (độ) Dung trọng $\gamma$ ($\text{T/m}^3$)
Lớp A Đất mặt, sét màu nâu loang xám đen, dẻo mềm $0{,}8$ $0$ $0$ $0$
Lớp 1 Bùn sét lẫn cát bụi, màu xám đen, trạng thái chảy $18{,}0$ $10{,}2$ ($0{,}102\text{ kg/cm}^2$) $4^\circ 12'$ $1{,}67$
Lớp 1A Sét pha xám xanh - xám đen, dẻo chảy, lẫn vỏ sò ốc $2{,}85$ $12{,}9$ ($0{,}129\text{ kg/cm}^2$) $6^\circ 18'$ $1{,}85$
Lớp 2 Sét pha nâu vàng loang xám xanh, dẻo cứng đến nửa cứng $1{,}04$ $30{,}7$ ($0{,}307\text{ kg/cm}^2$) $12^\circ 36'$ $2{,}04$
Lớp 3 Sét nâu vàng loang xám xanh - trắng, trạng thái nửa cứng $0{,}9$ $35{,}0$ $14^\circ 00'$ $1{,}98$
Lớp 4 Sét pha nâu vàng loang xám trắng, trạng thái dẻo cứng $2{,}96$ $24{,}0$ ($0{,}240\text{ kg/cm}^2$) $10^\circ 45'$ $1{,}96$
Lớp 5 Sét nâu vàng, xám trắng loang nâu đỏ, trạng thái nửa cứng $\ge 10{,}0$ $55{,}0$ ($0{,}550\text{ kg/cm}^2$) $16^\circ 20'$ $1{,}94$
Lớp 5A Sét pha xám trắng, trạng thái dẻo cứng $\ge 1{,}0$ $74{,}1$ ($0{,}741\text{ kg/cm}^2$) $18^\circ 30'$ $2{,}01$

Chương II: Các số liệu thiết kế

Định hình các thông số hình học toàn cầu: bề rộng tổng thể $B = 10\text{ m}$, khổ lưu thông xe chạy $8\text{ m}$ (2 làn xe), lề bộ hành $2 \times 0{,}75\text{ m}$, lan can $2 \times 0{,}25\text{ m}$. Chiều dài nhịp giản đơn $L = 25\text{ m}$. Tải trọng thiết kế gồm đoàn xe tiêu chuẩn HL-93 kết hợp tải trọng người đi bộ theo 22 TCN 272-05.

Chương III: Các tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan

Tổng hợp danh mục 11 tiêu chuẩn chuyên ngành của Bộ Giao thông Vận tải và Bộ Xây dựng áp dụng cho tất cả các khâu từ khảo sát địa chất, khí tượng thủy văn, thiết kế kết cấu, thiết kế áo đường đến quy trình thi công nghiệm thu dầm DƯL và cọc khoan nhồi.

Phần II: Thiết kế sơ bộ và so sánh phương án

  • Chương I - Thiết kế sơ bộ phương án I: Đề xuất sơ đồ nhịp dầm giản đơn bê tông cốt thép dự ứng lực tiết diện chữ T căng sau, chiều dài nhịp $25\text{ m}$. Bố trí kết cấu phần dưới mố trụ dạng thanh mảnh, móng cọc khoan nhồi cắm vào tầng chịu lực (Lớp 5/5A).
  • Chương II - Thiết kế sơ bộ phương án II: Đề xuất phương án kết cấu nhịp liên tục hoặc kết cấu dầm bản rỗng/Super-T tương đương về khẩu độ vượt sông để làm cơ sở đối chiếu kinh tế - kỹ thuật.
  • Chương III - So sánh lựa chọn phương án: Đánh giá hai phương án dựa trên 3 tiêu chí:
    1. Kỹ thuật: Khả năng chịu lực, tính thuận tiện khi đúc dầm và lao lắp tại công trường khu vực trũng ngập nước Đồng Tháp Mười.
    2. Mỹ quan: Tỷ lệ kiến trúc thanh thoát, phù hợp với cảnh quan sông nước đồng bằng.
    3. Duy tu bảo dưỡng: Chi phí thay thế gối cầu, bảo dưỡng khe co giãn và độ bền khai thác của bê tông dự ứng lực. Kết luận: Chọn Phương án I (Dầm T BTCT DƯL $L = 25\text{ m}$ căng sau) làm phương án thiết kế kỹ thuật.

Phần III: Thiết kế kỹ thuật

Chương I: Lan can, lề bộ hành

  • Thanh lan can: Chọn ống thép tròn đường kính ngoài $D = 100\text{ mm}$, đường kính trong $d = 92\text{ mm}$, chiều dài khoảng cách 2 cột $L = 2000\text{ mm}$, khối lượng riêng $\gamma_s = 7{,}85 \times 10^{-5}\text{ N/mm}^3$, thép cấp 250 ($f_y = 250\text{ MPa}$).
    • Tải trọng: Trọng lượng bản thân $g = 0{,}095\text{ N/mm}$; hoạt tải phân bố đứng và ngang $w = 0{,}37\text{ N/mm}$; tải trọng tập trung $P = 890\text{ N}$.
    • Nội lực tính toán giữa nhịp: Mômen do tĩnh tải $M_{gy} = 47.500\text{ N}\cdot\text{mm}$, do hoạt tải phân bố $M_{wy} = M_{wx} = 185.000\text{ N}\cdot\text{mm}$, do lực tập trung $M_P = 445.000\text{ N}\cdot\text{mm}$.
    • Tổ hợp nội lực theo TTGH Cường độ ($\eta = 0{,}95$, $\gamma_{DC} = 1{,}25$, $\gamma_{LL} = 1{,}75$): $\phi M_n \ge M_u$, tiết diện ống thép đảm bảo tuyệt đối khả năng chịu uốn.
  • Cột lan can: Cấu tạo từ các bản thép $T_1$, $T_2$ hàn liên kết ống thép lồng ($D_1 = 110\text{ mm}$, $d_1 = 102\text{ mm}$). Kiểm toán chịu tải trọng ngang tổng hợp tại chân cột theo TTGH Cường độ.

Chương II: Bản mặt cầu

Bản mặt cầu bê tông cốt thép đổ tại chỗ có chiều dày $h = 180\text{ mm}$ (dày $200\text{ mm}$ tại vị trí vách dầm), lớp phủ bê tông nhựa dày $h_{DW} = 70\text{ mm}$.

  • Xác định dải bản tương đương: Khi xếp 1 làn xe hoạt tải ($m = 1{,}2$), bề rộng dải bản tính toán theo 22 TCN 272-05 đạt $E = 1645\text{ mm}$ (chịu mômen âm trên dầm) và $E = 1595\text{ mm}$ (chịu mômen dương giữa các dầm).
  • Nội lực tính toán bản dầm trong:
    • TTGH Cường độ: $M_u^+ = 20.826.562\text{ N}\cdot\text{mm}$ (mômen dương giữa nhịp bản); $M_u^- = 28.330.578\text{ N}\cdot\text{mm}$ (mômen âm trên gối sườn dầm).
    • TTGH Sử dụng: $M_s^+ = 12.803.199\text{ N}\cdot\text{mm}$; $M_s^- = 17.427.270\text{ N}\cdot\text{mm}$.
  • Tính toán và bố trí cốt thép bản mặt cầu:
    • Thép chịu mômen dương: Diện tích yêu cầu $A_s = 602\text{ mm}^2/\text{m}$, chọn $\Phi 14\text{a}200$ ($A_s = 769{,}7\text{ mm}^2/\text{m}$).
    • Thép chịu mômen âm: Diện tích yêu cầu $A_s = 812\text{ mm}^2/\text{m}$, chọn $\Phi 14\text{a}200$.
    • Thép phân bố dọc cầu: Chiều dài có hiệu $S_c = 1590\text{ mm}$, tỷ lệ thép phân bố yêu cầu $\frac{3840}{\sqrt{S_c}} = 96{,}3% \to$ lấy cận trên $67%$ diện tích cốt thép chịu lực chính; chọn bố trí $\Phi 12\text{a}200$ cho cả lưới trên và lưới dưới.
  • Kiểm tra nứt theo TTGH Sử dụng:
    • Bê tông $f'_c = 35\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_c = 31.799\text{ MPa}$; thép $E_s = 200.000\text{ MPa}$; tỷ số mô đun $n = 6{,}29$.
    • Chiều cao vùng nén nứt $x = 27{,}52\text{ mm}$, mômen quán tính nứt $I_{cr} = 79.620.458\text{ mm}^4$.
    • Ứng suất kéo thực tế trong cốt thép dưới hoạt tải khai thác $f_s = 152\text{ MPa} \le f_{sa} = 168\text{ MPa} = 0{,}6 f_y$, thỏa mãn điều kiện hạn chế bề rộng vết nứt trong môi trường xâm thực.

Chương III: Dầm ngang

  • Kích thước hình học: Chiều cao dầm ngang $h_{DN} = 1450 - 300 - 180 - 200 = 770\text{ mm}$, bề rộng sườn $b_{DN} = 200\text{ mm}$.
  • Bố trí trên nhịp: Toàn nhịp bố trí 5 dầm ngang (2 dầm đầu nhịp, 3 dầm giữa nhịp), khoảng cách giữa 2 dầm ngang liên tiếp là $l_1 = \frac{L_{\text{tt}}}{5 - 1} = \frac{24400}{4} = 6100\text{ mm}$.
  • Tính toán tải trọng: Tĩnh tải lớp phủ $DW_{(1)} = 1{,}33\text{ N/mm}$, tĩnh tải bản mặt cầu $DC'_2$ trên bề rộng truyền tải $6100\text{ mm}$. Xác định nội lực uốn dương, uốn âm và lực cắt; tính toán cốt thép đai và thép dọc $f_y = 280\text{ MPa}$, bê tông $f'_c = 35\text{ MPa}$.

Chương IV: Dầm chủ

  • Cấu tạo tiết diện: Dầm chữ T bê tông cốt thép dự ứng lực kéo sau; chiều cao dầm $H = 1450\text{ mm}$; chiều dài toàn bộ $L = 25\text{ m}$; chiều dài tính toán $L_{\text{tt}} = 24{,}4\text{ m}$.
  • Phân tích mặt cắt đặc trưng: Tính toán đặc trưng hình học tại 3 mặt cắt chính:
    • Mặt cắt gối: $x = 0\text{ mm}$
    • Mặt cắt thay đổi tiết diện: $x = 2150\text{ mm}$
    • Mặt cắt giữa nhịp: $x = 12200\text{ mm}$
  • Hệ thống cáp dự ứng lực và tổn hao ứng suất: Bố trí bó cáp DƯL cường độ cao trong ống gen đặt sẵn, luồn cáp và căng kéo sau khi bê tông dầm đạt cường độ quy định, sau đó bơm vữa xi măng không co ngót lấp lòng ống gen. Tính toán đầy đủ 6 thành phần mất mát ứng suất:
    1. Mất mát do ma sát giữa cáp và thành ống gen ($\Delta f_{pF}$).
    2. Mất mát do độ tụt neo và ép sít đầu neo ($\Delta f_{pA}$).
    3. Mất mát do biến dạng đàn hồi của bê tông khi căng cáp ($\Delta f_{pES}$).
    4. Mất mát do co ngót bê tông theo thời gian ($\Delta f_{pSR}$).
    5. Mất mát do từ biến bê tông dưới tác dụng nén dài hạn ($\Delta f_{pCR}$).
    6. Mất mát do hiện tượng tự chùng ứng suất của cốt thép DƯL ($\Delta f_{pR}$).
  • Kiểm toán khả năng chịu lực dầm:
    • Kiểm toán ứng suất thớ trên và thớ dưới bê tông trong giai đoạn truyền lực dự ứng lực (chưa có hoạt tải, bê tông chưa co ngót tối đa).
    • Kiểm toán ứng suất nén/kéo trong giai đoạn khai thác sử dụng dưới tác dụng của tĩnh tải toàn phần và hoạt tải xe HL-93.
    • Kiểm toán sức kháng uốn và sức kháng cắt tại TTGH Cường độ; bố trí cốt đai chịu cắt và cốt thép cấu tạo chống nứt cục bộ sườn dầm.

Chương V: Tính toán mố cầu

  • Thiết kế mố chữ U bằng bê tông cốt thép trên móng cọc khoan nhồi.
  • Xác định áp lực đất chủ động sau mố, tĩnh tải kết cấu nhịp truyền xuống qua gối cầu, hoạt tải xe chạy trên lăng thể đất sau mố và lực hãm xe.
  • Tổ hợp tải trọng theo các TTGH để thiết kế cốt thép tường thân mố, tường đỉnh, tường cánh và bệ mố; kiểm toán sức chịu tải của cọc khoan nhồi trong móng mố.

Chương VI: Tính toán trụ cầu

  • Trụ cầu dạng thân cột bê tông cốt thép đặt trên bệ móng cọc khoan nhồi.
  • Thu thập phản lực gối từ hai nhịp giản đơn liền kề, tính tải trọng bản thân xà mũ, thân trụ, bệ trụ kết hợp lực đẩy ngang do dòng chảy lũ sông Vàm Cỏ Tây và lực gió tác dụng.
  • Tổ hợp nội lực nguy hiểm nhất tại chân thân trụ và đỉnh bệ móng; tính cốt thép chịu nén uốn xiên cho thân trụ và thiết kế đài móng cọc.

Chương VII: Khe co giãn và Gối cầu

  • Khe co giãn: Tính toán độ dịch chuyển do biến dạng nhiệt độ (khoảng nhiệt độ thay đổi từ trạm quan trắc Vĩnh Hưng), co ngót và từ biến dài hạn của dầm BTCT DƯL để lựa chọn loại khe co giãn cao su cốt bản thép có độ mở thích hợp.
  • Gối cầu: Lựa chọn loại gối cao su bản thép (Elastomeric Bearing Pads). Kiểm tra kích thước hình học, kiểm toán ứng suất nén thẳng đứng dưới tĩnh tải và hoạt tải khai thác; kiểm tra ổn định trượt ngang của gối dưới lực hãm xe và dãn nở nhiệt độ.

Phần IV: Thiết kế tổ chức thi công

Chương I: Thi công kết cấu phần dưới

Lập quy trình công nghệ chi tiết gồm 3 giai đoạn:

  1. Thi công cọc khoan nhồi đường kính lớn bằng máy khoan xoay phản tuần hoàn trong dung dịch bentonite giữ thành vách hố khoan; nghiệm thu hạ lồng thép và đổ bê tông bằng phương pháp rút ống dẫn (tremie).
  2. Thi công mố cầu: đào hố móng, đập đầu cọc, đổ bê tông bệ mố, thi công cốt thép - ván khuôn tường thân, tường đỉnh và tường cánh.
  3. Thi công trụ cầu: tạo vòng vây thi công dưới nước, đổ bê tông bịt đáy, đổ bê tông bệ trụ, thân trụ và đúc xà mũ trụ.

Chương II: Thi công kết cấu phần trên

  • Đúc dầm T $25\text{ m}$ tại bãi đúc công trường trên nền đất được gia cố; bảo dưỡng bê tông đạt $85 - 90%$ cường độ thiết kế thì tiến hành căng kéo cáp DƯL và bơm vữa bảo vệ.
  • Lắp đặt hệ thống giá ba chân (giá long môn/cần cẩu lao dầm) để vận chuyển và đặt dầm chủ chính xác vào vị trí gối cầu trên mố và trụ.
  • Lắp ván khuôn đáy, thi công đổ bê tông mối nối ướt dầm ngang và bản mặt cầu toàn khối; thi công hệ thống thoát nước, lề người đi bộ, gờ lan can và thảm lớp bê tông nhựa mặt cầu.

Chương III: Các tính toán phụ trợ cho thi công

  • Bê tông bịt đáy: Tính toán chiều dày lớp bê tông bịt đáy hố móng trụ dưới nước để triệt tiêu áp lực đẩy nổi Archimedes trong quá trình bơm cạn nước thi công bệ trụ.
  • Vòng vây cọc ván thép: Xác định chiều sâu chôn cọc ván thép vào tầng bùn sét Lớp 1; tính toán khả năng chịu lực uốn của thân cọc ván, hệ khung vằn đai (khung vây) và các thanh chống ngang chịu áp lực nước, áp lực đất cát bên ngoài hố móng.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Hoàn thiện giải pháp kết cấu nhịp giản đơn T25m: Đồ án tính toán chi tiết dầm chữ T bê tông dự ứng lực căng sau dài $25\text{ m}$ ($L_{\text{tt}} = 24{,}4\text{ m}$) phù hợp với điều kiện địa hình và thủy văn sông Vàm Cỏ Tây.
  2. Số liệu kiểm toán bản mặt cầu và dầm ngang:
    • Bản mặt cầu dày $180\text{ mm}$ bố trí cốt thép chịu lực chính $\Phi 14\text{a}200$ ở cả thớ trên (chịu uốn âm $M_u^- = 28{,}33\text{ kN}\cdot\text{m}$) và thớ dưới (chịu uốn dương $M_u^+ = 20{,}83\text{ kN}\cdot\text{m}$); thép phân bố dọc cầu $\Phi 12\text{a}200$. Ứng suất kéo vết nứt $f_s = 152\text{ MPa} \le 168\text{ MPa}$, đáp ứng quy định kiểm soát nứt của 22 TCN 272-05.
    • Hệ thống 5 dầm ngang kích thước $200 \times 770\text{ mm}$ bố trí cách đều $6100\text{ mm}$ đảm bảo tính toàn khối và nâng cao hệ số phân bố tải trọng ngang cho các dầm chủ.
  3. Giải pháp phụ trợ thi công khả thi: Tính toán tường vây cọc ván thép và tầng đệm bê tông bịt đáy phục vụ thi công móng cọc khoan nhồi sâu qua lớp bùn sét dày $18\text{ m}$ (Lớp 1) vào tầng sét nửa cứng (Lớp 5/5A).

Đóng góp thực tiễn của đồ án

  • Ứng dụng quy trình tính toán hệ số sức kháng và hệ số tải trọng LRFD (22 TCN 272-05) vào thiết kế cầu quy mô vừa cho các vùng sông ngòi trũng ngập nước đồng bằng.
  • Chuẩn hóa các bước kiểm toán kết cấu từ bộ phận phụ trợ (lan can, lề bộ hành, bản mặt cầu, dầm ngang) đến kết cấu chịu lực chính (dầm chủ DƯL, mố trụ cọc nhồi), tạo cơ sở kỹ thuật cho hồ sơ thiết kế bản vẽ thi công.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Theo thuyết minh đồ án, do hạn chế về thời gian thực hiện (3 tháng làm đồ án tốt nghiệp) và giới hạn khối lượng của một đồ án đại học, việc phân tích nội lực chủ yếu dựa trên các mô hình giải tích 2D theo tiêu chuẩn dải bản và hệ số phân bố ngang giản đơn, chưa mô hình hóa không gian 3D chi tiết toàn cầu bằng phần mềm phần tử hữu hạn chuyên dụng (như Midas Civil hay RM Bridge).
  • Hướng mở:
    • Khảo sát bài toán tương tác động học giữa tải trọng xe chạy và kết cấu nhịp dầm T khi cầu đi vào vận hành.
    • Tối ưu hóa sơ đồ bố trí cốt thép DƯL dạng đường cong parabol không gian để giảm thiểu tối đa khối lượng bê tông và cáp kéo.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo chuyên môn cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông (Cầu - Đường, Cầu - Hầm): Cung cấp tài liệu mẫu về các bước tính toán, thuyết minh và kiểm toán dầm chữ T BTCT DƯL căng sau theo tiêu chuẩn 22 TCN 272-05.
  • Kỹ sư thiết kế cầu đường: Tham khảo các công thức tính toán dải bản tương đương cho bản mặt cầu, bảng tra kiểm toán bề rộng vết nứt $Z$, quy trình tính toán mất mát ứng suất 6 thành phần của cáp DƯL và các bảng tính kết cấu phụ trợ thi công vòng vây cọc ván thép.

Câu hỏi thường gặp

1. Kích thước hình học tổng thể và tải trọng thiết kế của cầu Cái Môn trong đồ án là bao nhiêu?

Cầu có chiều dài nhịp $L = 25\text{ m}$ ($L_{\text{tt}} = 24{,}4\text{ m}$), bề rộng toàn cầu $B = 10\text{ m}$ gồm phần xe chạy $8\text{ m}$ (2 làn), lề người đi bộ $2 \times 0{,}75\text{ m} = 1{,}5\text{ m}$, và gờ lan can $2 \times 0{,}25\text{ m} = 0{,}5\text{ m}$. Tải trọng thiết kế là hoạt tải đoàn xe HL-93 kết hợp tải trọng người đi bộ $3\text{ N/mm}$ theo 22 TCN 272-05.

2. Đặc điểm địa chất công trình tại vị trí xây dựng có điểm gì cần lưu ý?

Địa tầng tại vị trí cầu có tầng mặt và lớp bùn sét yếu (Lớp 1) rất dày (khoảng $18\text{ m}$) ở trạng thái chảy, lực dính nhỏ ($C = 10{,}2\text{ kN/m}^2$, $\varphi = 4^\circ 12'$). Móng công trình mố và trụ bắt buộc phải sử dụng giải pháp móng cọc khoan nhồi tựa sâu vào tầng sét nửa cứng (Lớp 5 và Lớp 5A) có $C \ge 55\text{ kN/m}^2$ và $\varphi \ge 16^\circ 20'$.

3. Cốt thép bản mặt cầu được bố trí và kiểm toán nứt như thế nào?

Bản mặt cầu dày $180\text{ mm}$ (dày $200\text{ mm}$ tại vị trí trên sườn dầm) sử dụng cốt thép $\Phi 14\text{a}200$ cho cả vùng chịu mômen dương đáy dưới ($A_s = 602\text{ mm}^2/\text{m}$) và vùng chịu mômen âm đáy trên ($A_s = 812\text{ mm}^2/\text{m}$). Thép cấu tạo phân bố dọc cầu sử dụng $\Phi 12\text{a}200$ (chiếm $67%$ diện tích thép chính). Kết quả kiểm toán nứt theo TTGH Sử dụng cho thấy ứng suất kéo $f_s = 152\text{ MPa}$ nhỏ hơn giới hạn cho phép $f_{sa} = 168\text{ MPa}$ ($0{,}6 f_y$).

4. Hệ thống dầm ngang trên nhịp được thiết kế với thông số nào?

Trên nhịp $25\text{ m}$ bố trí 5 dầm ngang bằng bê tông $f'c = 35\text{ MPa}$ và cốt thép $f_y = 280\text{ MPa}$. Chiều cao dầm ngang $h{DN} = 770\text{ mm}$, bề rộng $b_{DN} = 200\text{ mm}$, khoảng cách giữa các dầm ngang là $l_1 = 6100\text{ mm}$.

5. Phương pháp thi công kết cấu nhịp được lựa chọn là gì?

Dầm chủ chữ T dài $25\text{ m}$ được đúc sẵn trên bãi đúc tại công trường, căng kéo cáp dự ứng lực sau khi bê tông đủ cường độ, sau đó vận chuyển và lao lắp đặt vào vị trí mố trụ bằng hệ thống giá ba chân chuyên dụng trước khi đổ bê tông mối nối ướt và bản mặt cầu toàn khối.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Phạm Viết Lập đã hoàn thành toàn diện nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật công trình cầu dầm bê tông cốt thép dự ứng lực tiết diện T căng sau nhịp $25\text{ m}$ vượt sông Vàm Cỏ Tây. Nội dung tính toán bám sát tiêu chuẩn 22 TCN 272-05, giải quyết đầy đủ từ kết cấu nhịp, mố trụ, móng cọc khoan nhồi qua tầng đất yếu đến biện pháp tổ chức thi công và công trình tạm. Bản thuyết minh là tài liệu kỹ thuật có tính logic cao, cung cấp số liệu thực tế và có giá trị tham khảo rõ ràng cho sinh viên và kỹ sư ngành công trình cầu đường.