CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU CHUNG .1 Các số liệu thiết kế .2 Đặc trưng vật liệu .3 Các kích thước trên mặt cắt ngang .4 Tải trọng xe thiết kế .3 CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ LAN CAN – LỀ BỘ HÀNH .1 Thanh lan can .1 Tải trọng tác dụng lên thanh lan can .2 Nội lực trong thanh lan can.3 Kiểm tra khả năng chịu lực của thanh lan can dành cho người đi bộ.2 Cột lan can .1 Tải trọng tác dụng lên cột lan can:.2 Nội lực theo phương x của cột lan can: .3 Nội lực theo phương y .4 Kiểm tra khả năng chịu lực tại chân cột lan can: .3 Bố trí bulông cho cột lan can: .1 Kiểm tra khả năng kháng cắt của bu lông .4 Kiểm tra khả năng chịu lực của lan can tường kết hợp cột thanh cấp TL2 10 2.1 Sức kháng của tường đối với trục thằng đứng MwH .2 Sức kháng của tường đối với trục ngang Mc .5 Tổ hợp va xe .1 Va xe tại vị trí giữa tường .2 Vị trí va tại cột .3 Vị trí va chạm tại giữa nhịp lan can .4 Va xe ở vị trí đầu tường (cột ngoài cùng) .6 Thiết kế bó vỉa .1 Sức kháng của bó vỉa đối với trục thẳng đứng MwH .2 Sức kháng của bó vỉa đối với trục ngang Mc .3 Tổ hợp va xe .7 Kiểm tra khả năng chống trượt tại chân gờ chắn của bó vỉa .8 Kiểm tra khả năng chống trượt tại chân gờ chắn của lan can .9 Thiết kế lề bộ hành .1 Tải trọng tác dụng lên lề bộ hành .2 Tính nội lực .3 Tính cốt thép cho lề bộ hành: .4 Kiểm toán ở trạng thái giới hạn sử dụng .24 CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ BẢN MẶT CẦU .1 Sơ đồ tính toán bản mặt cầu.1 Cấu tạo lớp bản mặt cầu: .2 Cấu tạo lớp áo đường:.3 Khối lượng riêng của vật liệu: .2 Tải trọng tác dụng lên bản mặt cầu .1 Tĩnh tải tác dụng bản mặt cầu .2 Hoạt tải tác dụng bản mặt cầu.3 Tính toán nội lực và tổ hợp tải trọng tại bản hẫng.1 Nội lực tại bản hẫng .2 Tổ hợp tải trọng tại bản hẫng .4 Tính toán nội lực và tổ hợp tải trọng tại bản biên .1 Nội lực do tĩnh tải gây ra .2 Nội lực do hoạt tải gây ra .3 Tổ hợp tải trọng tại bản biên .5 Tính toán nội lực và tổ hợp tải trọng tại bản dầm .1 Nội lực do tĩnh tãi gây ra .2 Nội lực do hoạt tải gây ra .6 Tính toán cốt thép bản mặt cầu .1 Tính toán cốt thép chịu momen âm .2 Tính toán cốt thép chịu momen dương .3 Kiểm tra vết nứt cho bản dầm tại gối ở trạng thái giới hạn sử dụng .4 Kiểm tra vết nứt cho bản dầm tại giữa nhịp ở trạng thái giới hạn sử dụng .5 Tính cốt thép phân bố theo phương dọc cầu.39 CHƯƠNG 4 : THIẾT KẾ DẦM NGANG .1 Các số liệu tính toán .2 Xác định nội lực tác dụng lên dầm ngang .1 Phương dọc cầu.2 Áp lực tĩnh tải tác dụng lên dầm ngang .3 Áp lực hoạt tải tác dụng lên dầm ngang .4 Tính toán cốt thép cho dầm ngang .55 CHƯƠNG 5 : THIẾT KẾ DẦM CHÍNH .1 Kích thước và vật liệu dầm chính .1 Mặt cắt ngang dầm chính:.2 Đặc trưng vật liệu dầm chính: .2 Đặc trưng hình học của dầm ở giai đoạn định hình sơ bộ tiết diện và bố trí cáp .1 Đoạn giữa dầm .2 Đoạn giữa dầm (đã có mối nối ướt) .3 Nội lực tĩnh tải tác dụng lên dầm chủ .1 Xác định trọng lượng bản thân của dầm chủ DC1 .2 Tải trọng mối nối ướt tác dụng lên dầm chủ.3 Tải trọng lớp phủ .4 Tải trọng lan can + lề bộ hành + bó vỉa DC3 .5 Tải trọng người đi bộ PL .6 Tổ hợp tĩnh tải tác dụng lên dầm biên và dầm giữa .4 Xác định nội lực chưa nhân hệ số .5 Xác định hệ số phân bố ngang .1 Hệ số phân bố ngang cho dầm giữa .2 Hệ số phân bố ngang cho dầm biên .6 Tổ hợp nội lực dầm biên chưa nhân hệ số .7 Tính toán và bố trí cáp dự ứng lực.8 Tính trọng tâm các ống gen tại các mặt cắt .9 Tính trọng tâm các bó cáp .10 Đặc trưng hình học của tiết diện dầm chính .11 Tính lại hệ số phân bố ngang (phương pháp dầm đơn) .1 Hệ số phân bố ngang momen cho dầm giữa .2 Hệ số phân bố ngang cho dầm biên .12 Tổ hợp nội lực theo các trạng thái giới hạn kiểm toán .1 Nội lực theo trạng thái giới hạn cường độ I.2 Nội lực theo trạng thái giới hạn sử dụng I .13 Mất mất ứng suất .1 Mất mát ứng suất tức thời .2 Mất mát ứng suất theo thời gian .14 Tổng hợp mất mát ứng suất .1 Mất mát ứng suất tức thời .2 Mất mát ứng suất theo thời gian (giai đoạn 1).3 Mất mát ứng suất theo thời gian (giai đoạn 2).15 Mất mát ứng suất tổng cộng .16 Kiểm toán dầm chính .1 Kiểm toán ứng suất trong cáp dự ứng lực .2 Kiểm toán dầm chính ở giai đoạn truyền lực.3 Kiểm toán dầm chính ở trạng thái giới hạn sử dụng 1 .4 Kiểm tra dầm ở trạng thái giới hạn cường độ 1 .5 Kiểm toán hàm lượng thép tối thiểu .6 Kiểm toán lực cắt .116 KẾT CẤU PHẦN DƯỚI .124 CHƯƠNG 6 : GIỚI THIỆU CHUNG .1 SỐ LIỆU THIẾT KẾ: .1 Vật liệu sử dụng: .2 Số liệu kết cấu nhịp: .4 Chỉ số SPT: .6 Bố trí khe co giãn:.7 Chiều dài cầu và khẩu độ cầu: .132 CHƯƠNG 7 : THIẾT KẾ MỐ M1 .1 KÍCH THƯỚC HÌNH HỌC MỐ:.1 Kích thước theo phương dọc cầu : .2 Kích thước theo phương ngang cầu : .2 CÁC MẶT CẮT KIỂM TOÁN: .3 TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN MỐ: .1 Tải trọng theo phương dọc cầu: .2 Tải trọng theo phương ngang cầu: .4 TỔ HỢP TẢI TRỌNG: .1 Bảng tổng hợp độ lêch tâm e so với các mặt cắt theo phương dọc cầu: .2 Xác định các tổ hợp nội lực bất lợi theo phương ngang cầu: .5 TỔNG HỢP CÁC TỔ HỢP TẢI TRỌNG: .1 Các tổ hợp bất lợi theo phương thẳng đứng và phương dọc cầu: .2 Các tổ hợp bất lợi theo phương ngang cầu.6 THIẾT KẾ VÀ BỐ TRÍ CỌC KHOAN NHỒI MỐ M1: .1 Địa chất khu vực: .2 Nội lực tính toán: .3 Các thông số của cọc khoan nhồi: .4 Sức chịu tải của cọc: .5 Tính toán số lượng và bố trí cọc: .6 Bảng tọa độ cọc : .7 Kiểm toán nội lực đầu cọc ở TTGH Cường độ: .8 Kiểm toán chuyển vị ngang đầu cọc: .9 Kiểm toán cường độ đất nền dưới vị trí mũi cọc: .10 Kiểm toán lún mố cầu: .11 Kiểm tra chọc thủng do cọc: .7 THIẾT KẾ VÀ BỐ TRÍ CỐT THÉP CỌC MỐ M1: .1 Vẽ biểu đồ tương tác .2 Thiết kế cốt thép đai .8 THIẾT KẾ VÀ BỐ TRÍ CỐT THÉP MỐ M1: .1 Thiết kế cốt thép cho bệ mố:.2 Thiết kế cốt thép cho tường thân (mặt cắt 2-2): .3 Thiết kế cốt thép cho tường đỉnh mố (mặt cắt 3-3): .4 Thiết kế cốt thép cho tường cánh (mặt cắt 4-4): .237 CHƯƠNG 8 : THIẾT KẾ TRỤ T1.1 KÍCH THƯỚC HÌNH HỌC: .2 CÁC MẶT CẮT KIỂM TOÁN: .3 TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN TRỤ CẦU: .1 Tải trọng theo phương dọc cầu: .2 Tải trọng theo phương ngang cầu: .4 TỔ HỢP TẢI TRỌNG: .1 Xác định tổ hợp nội lực bất lợi theo phương dọc cầu: .2 Xác định tổ hợp nội lực bất lợi theo phương ngang cầu: .5 TỔNG HỢP CÁC TỔ HỢP TẢI TRỌNG: .1 Các tổ hợp bất lợi theo phương thẳng đứng và phương dọc cầu: .2 Các tổ hợp bất lợi theo phương ngang cầu: .1 Đặc trưng thủy văn tại vị trí xây dựng cầu: .7 THIẾT KẾ VÀ BỐ TRÍ CỌC KHOAN NHỒI TRỤ T1: .1 Địa chất khu vực: .2 Nội lực tính toán: .3 Các thông số của cọc khoan nhồi: .4 Sức chịu tải của cọc: .5 Tính toán số lượng và bố trí cọc: .6 Kiểm toán nội lực đầu cọc ở TTGH Cường độ: .7 Kiểm toán chuyển vị ngang đầu cọc: .8 Kiểm toán cường độ đất nền dưới vị trí mũi cọc: .9 Kiểm toán lún trụ cầu: .10 Kiểm tra chọc thủng do cọc: .8 THIẾT KẾ VÀ BỐ TRÍ CỐT THÉP CỌC TRỤ T1: .1 Vẽ biểu đồ tương tác .2 Thiết kế cốt thép đai .9 THIẾT KẾ VÀ BỐ TRÍ CỐT THÉP CHO TRỤ T1:.1 Thiết kế cốt thép cho bệ trụ: .2 Thiết kế và bố trí cốt thép cho trụ đặc thân hẹp : .3 Thiết kế và bố trí cốt thép cho xà mũ: .364 TỔ CHỨC THI CÔNG .370 CHƯƠNG 9 : SỐ LIỆU THIẾT KẾ .1 SỐ LIỆU THIẾT KẾ .1 Số liệu chung .2 TIÊU CHUẨN ÁP DỤNG .371 CHƯƠNG 10 : THI CÔNG CỌC KHOAN NHỒI .1 GiỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ KHOAN CỌC NHỒI.2 DỤNG CỤ, THIẾT BỊ PHỤ VỤ CÔNG TÁC THI CÔNG CỌC KHOAN NHỒI .1 Thiết bị đo đạc .2 Thiết bị khoan tạo lỗ, đào đất, cẩu lắp .3 Thiết bị vận chuyển và trộn bê tông .4 Các thiết bị khác .3 CÔNG TÁC CHUẨN BỊ THI CÔNG .1 Mặt bằng thi công .2 Chuẩn bị vật liệu .4 PHÂN ĐOẠN LỒNG THÉP .5 XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC ỐNG VÁCH .1 Đường kính và độ dày ống vách .2 Chiều dài ống vách .6 BIỆN PHÁP THI CÔNG CHỈ ĐẠO CỌC KHOAN NHỒI .1 Công tác định vị tim cọc .2 Hạ ống vách (Casing) .3 Định vị và lắp đặt ống vách .4 Thiết bị hạ ống vách .5 Cao độ đỉnh và chân ống vách .6 Chuẩn bị khoan .7 Đo đạc trong khi khoan.7 BIỆN PHÁP THI CÔNG CỌC KHOAN NHỒI .1 Công tác sản xuất, vận chuyển bê tông .2 Công tác sản xuất và vận chuyển lồng thép.8 BIỆN PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG CỌC KHOAN NHỒI .1 Kiểm tra chất lượng cọc trong quá trình thi công .2 Kiểm tra chất lượng cọc sau khi thi công .394 CHƯƠNG 11 : THIẾT KẾ HỆ VÒNG VÂY CỌC VÁN THÉP .1 CHỌN BIỆN PHÁP NGĂN ĐẤT/ CHẮN NƯỚC THI CÔNG MỐ TRỤ CẦU .2 Kiểm toán ổn định của cọc ván thép và đất dưới hố móng .1 Kiểm tra điều kiện ổn định của đáy khung vây .2 Kiểm tra ổn định chống trồi của hố móng trong khung vây .3 TÍNH TOÁN CHIỀU DÀI CỌC VÁN THÉP .4 TÍNH TOÁN KẾT CẤU TƯỜNG VÂY CỌC VÁN THÉP .1 Kích thước vòng vây .2 Lựa chọn loại cọc ván thép .5 KIỂM TOÁN CỌC VÁN THÉP .6 KIỂM TOÁN TẦNG KHUNG CHỐNG .1 Nội lực tầng khung chống:.7 BIỆN PHÁP SẢN XUẤT, VẬN CHUYỂN, ĐỔ VÀ BẢO DƯỠNG BÊ TÔNG CỦA MỐ VÀ TRỤ CẦU .1 Sản xuất vữa bê tông .463 CHƯƠNG 12 : THI CÔNG KẾT CẤU NHỊP .1 CÔNG TÁC CHUẨN BỊ .2 CÔNG TÁC CHẾ TẠO DẦM BTCT DỰ ỨNG LỰC .2 Công tác cốt thép .
Giới thiệu dự án
Trong chiến lược phát triển hạ tầng giao thông đường bộ Việt Nam giai đoạn 2021–2030, các công trình cầu vượt sông cấp trung (khẩu độ nhịp từ 25m đến 35m) chiếm hơn 45% tổng số lượng cầu xây mới trên các tuyến quốc lộ và đường tỉnh. Khu vực đồng bằng sông ngòi dày đặc với nền đất yếu đòi hỏi giải pháp kết cấu vừa bảo đảm khả năng chịu tải trọng nặng, vừa tối ưu hóa chi phí chế tạo, lắp ghép và kiểm soát biến dạng lâu dài. Đồ án tốt nghiệp kỹ sư chuyên ngành Xây dựng Cầu - Đường tại Trường Đại học Giao thông Vận tải TP. Hồ Chí Minh đã tập trung giải quyết trọn vẹn bài toán này qua đề tài: "Thiết kế cầu dầm Bê tông cốt thép Dự ứng lực (BTCT DUL), nhịp giản đơn, tiết diện chữ T căng sau".
Dự án đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật thực tế: địa tầng bùn sét yếu có chỉ số SPT thấp, biên độ dao động thủy văn lớn giữa mực nước thông thường (MNTT = 23.68m) và mực nước cao nhất (MNCN = 27.22m), cùng yêu cầu khắt khe về kiểm soát ứng suất nứt theo tiêu chuẩn quốc gia hiện hành.
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| TỔNG THỂ CÔNG TRÌNH CẦU DẦM T |
| |
| MNTN = 19.24m MNTN = 19.24m |
| [ MỐ M1 ] ========= DẦM CHỦ T CĂNG SAU (L = 29m) ========= [ TRỤ T1 / MỐ M2 ] |
| | | | |
| [BỆ MỐ M1] | [BỆ TRỤ T1] |
| | | | CỌC KHOAN NHỒI D1200 | | | | |
| [C1][C2][C3] (Ngàm sâu vào tầng cuội sỏi) [C1][C2][C3][C4] |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
Mục tiêu cụ thể của dự án được xác lập bao gồm:
- Thiết kế hoàn chỉnh kết cấu phần trên (KCT): Lập mô hình tính toán hệ dầm chủ chữ T dài $29,\text{m}$ ($L_{tt} = 28.4,\text{m}$), dầm ngang liên kết, bản mặt cầu bê tông $f'_c = 60,\text{MPa}$ và hệ thống lan can va xe cấp độ ngăn chặn TL-2.
- Thiết kế kết cấu phần dưới (KCD): Định hình kết cấu mố chữ U, trụ đặc thân hẹp bê tông cốt thép, kiểm toán móng cọc khoan nhồi đường kính $D = 1200,\text{mm}$ cắm vào tầng địa chất chịu lực.
- Lập giải pháp và quy trình tổ chức thi công: Thiết kế biện pháp khoan hạ cọc nhồi có ống vách (casing), tường vây cọc ván thép Larsen NS-SP-IIIW thi công mố trụ, và công nghệ lao lắp dầm bằng giá ba chân CP $2\times 30$.
- Ứng dụng công nghệ số và BIM: Mô hình hóa hình học 3D, bóc tách cốt thép mố trụ trên phần mềm Autodesk Revit và kiểm chứng nội lực đa phần mềm (MIDAS Civil, SAP2000, Plaxis).
Phạm vi nghiên cứu tập trung vào nhịp cầu giản đơn vượt sông cấp V, bề rộng phần xe chạy $B_{xe} = 8.0,\text{m}$ (tổng bề rộng cầu $B = 11.0,\text{m}$ bao gồm 2 lề người đi bộ rộng $1.0,\text{m}$ và lan can). Kết quả kỳ vọng là bộ hồ sơ kỹ thuật đồng bộ, bảo đảm kết cấu làm việc an toàn dưới tổ hợp tải trọng thiết kế HL-93 và tải trọng người đi bộ $300,\text{kg/m}^2$ ($3.0 \times 10^{-3},\text{MPa}$) theo tiêu chuẩn TCVN 11823:2017.
Phân tích và thiết kế giải pháp
Phân tích hiện trạng
Tại các dự án vượt sông cấp IV–V vùng đồng bằng, việc lựa chọn sơ đồ kết cấu nhịp ảnh hưởng trực tiếp đến 60% tổng dự toán xây lắp. So sánh kỹ thuật giữa các giải pháp nhịp tương đương thể hiện qua bảng sau:
| Tiêu chí kỹ thuật & kinh tế | Dầm BTCT DUL chữ T căng sau (Được chọn) | Dầm Super-T căng trước | Dầm Thép - Bê tông liên hợp |
|---|---|---|---|
| Chiều dài nhịp hợp lý | $24,\text{m} - 33,\text{m}$ | $30,\text{m} - 40,\text{m}$ | $30,\text{m} - 60,\text{m}$ |
| Trọng lượng cấu kiện cẩu lắp | Trung bình (~42 tấn/phiến dầm) | Rất nặng (~65–75 tấn/phiến) | Nhẹ (~15–20 tấn dầm thép) |
| Chi phí chế tạo & vật liệu | Thấp nhất, tận dụng ván khuôn luân chuyển | Trung bình - Cao (yêu cầu bệ căng lớn) | Rất cao (chi phí thép kết cấu M270) |
| Thiết bị thi công yêu cầu | Giá ba chân CP $2\times 30$ hoặc cẩu 50T | Cẩu nổi/cẩu bánh xích $\ge 150,\text{ton}$ | Cẩu tự hành 40T |
| Bảo trì trong khai thác | Thấp, bê tông $f'_c = 60,\text{MPa}$ chống ăn mòn | Rất thấp | Cao (sơn phủ định kỳ chống rỉ sét) |
Yêu cầu kỹ thuật được phân loại theo ma trận MoSCoW:
- Must-have: Thỏa mãn toàn bộ các trạng thái giới hạn (TTGH Cường độ I, Sử dụng I, Mỏi và Đặc biệt) theo TCVN 11823:2017; độ võng hoạt tải $\Delta \le L/800$; chống nứt thớ chịu kéo.
- Should-have: Tối ưu hóa quỹ đạo cáp dự ứng lực nhằm giảm số lượng tao cáp; kiểm soát mất mát ứng suất tổng cộng dưới $22%$.
- Could-have: Xây dựng mô hình thông tin công trình (BIM) mố trụ phục vụ quản lý vòng đời công trình.
- Won't-have: Không áp dụng công nghệ đúc hẫng cân bằng do không hiệu quả kinh tế ở khẩu độ nhịp dưới $40,\text{m}$.
Thiết kế hệ thống
Hệ thống kết cấu cầu được phân cấp và tích hợp theo sơ đồ kiến trúc kỹ thuật đồng bộ:
+--------------------------------------------------------------------------+
| KIẾN TRÚC KẾT CẤU CÔNG TRÌNH |
+--------------------------------------------------------------------------+
|
+-------------------------+-------------------------+
| |
+----------------------+ +----------------------+
| KẾT CẤU PHẦN TRÊN | | KẾT CẤU PHẦN DƯỚI |
+----------------------+ +----------------------+
| - Mặt cắt ngang: | | - Mố M1: Dạng chữ U |
| 5 dầm T (S = 2.0m) | | bê tông C25 |
| - Chiều cao h = 1.37m| | - Trụ T1: Thân hẹp, |
| - Cáp DUL: Tao 7 sợi | | xà mũ vát góc |
| phi 12.7mm Gr270 | | - Móng: Cọc khoan |
| - Bê tông: f'c = 60 | | nhồi D1200 ngàm sâu|
+----------------------+ +----------------------+
| |
+-------------------------+-------------------------+
|
+--------------------------------------------------------------------------+
| HỆ THỐNG CÔNG CỤ TÍNH TOÁN & BIM |
| Mathcad Prime 8.0 | MIDAS Civil 2022 | PLAXIS 2D | Autodesk Revit |
+--------------------------------------------------------------------------+
Hệ thống vật liệu và công nghệ phần mềm ứng dụng:
- Dầm chính: Bê tông nặng tỷ trọng thông thường $\gamma = 24.5,\text{kN/m}^3$, cường độ chịu nén $f'c = 60,\text{MPa}$. Cáp dự ứng lực độ tự chùng thấp ASTM A416M Grade 270 ($f{pu} = 1860,\text{MPa}, f_{py} = 1674,\text{MPa}, E_p = 197000,\text{MPa}$), đường kính danh định $\varnothing 12.7,\text{mm}$.
- Bản mặt cầu & Dầm ngang: Bê tông $f'_c = 30,\text{MPa}$ (dầm ngang), $f'_c = 60,\text{MPa}$ (bản mặt cầu liên hợp); Cốt thép thường CB300-V ($f_y = 300,\text{MPa}$) và CB500-V ($f_y = 500,\text{MPa}$).
- Hạ tầng phần dưới: Mố trụ dùng bê tông $f'_c = 25,\text{MPa}$, cọc khoan nhồi đường kính $D = 1200,\text{mm}$ bê tông $f'_c = 25,\text{MPa}$.
- Hệ thống phần mềm chuyên dụng:
- MIDAS Civil 2022: Phân tích nội lực không gian 3D, tính toán phân bố ngang tải trọng bánh xe theo phương pháp phần tử dầm liên tục có xét đến độ cứng xoắn.
- PLAXIS 2D v20.4: Phân tích ổn định hố móng sâu, biến dạng trượt và tính toán kết cấu cừ Larsen NS-SP-IIIW qua 7 giai đoạn đào và chống đỡ.
- Mathcad Prime 8.0: Lập trình bảng tính tự động hóa kiểm toán ứng suất các mặt cắt dầm, mất mát ứng suất phụ thuộc thời gian và biểu đồ bao nội lực.
- Autodesk Revit 2023: Triển khai mô hình BIM 3D mố trụ, tích hợp cốt thép và xuất bảng thống kê khối lượng tự động.
Methodology
Quy trình thiết kế và kiểm toán tuân thủ mô hình phân kỳ kiểm soát chất lượng (Stage-Gate Verification):
[Khảo sát & Dữ liệu đầu vào]
- Đánh giá rủi ro kỹ thuật:
- Rủi ro chùng ứng suất và co ngót từ biến: Kiểm soát chặt chẽ bằng cách chia mất mát ứng suất thành 2 giai đoạn (trước và sau khi đổ bê tông bản mặt cầu).
- Rủi ro mất ổn định thành vách hố móng: Sử dụng dung dịch Bentonite tỷ trọng $1.05 - 1.15,\text{g/cm}^3$ kết hợp ống vách thép dẫn hướng chiều dài $L_v = 6.0,\text{m}$.
- Rủi ro biến dạng cừ khi hạ mực nước thi công bệ đài: Thiết lập hệ giằng chống thép hình I-Beam đôi chịu lực chèn chặt tại cao độ khống chế.
Implementation và kết quả
Development process
Quá trình thiết kế chi tiết được số hóa với các công thức cơ bản trích xuất từ bảng tính Mathcad và tiêu chuẩn TCVN 11823:2017.
- Kiểm toán va xe vào lan can kết cấu hỗn hợp cấp TL-2: Cơ cấu phá hoại uốn và chảy dẻo của tường đỉnh lan can bê tông kết hợp thanh thép chịu lực va ngang $F_t = 120,\text{kN}$:
# Pseudo-code / Thuật toán Mathcad tính toán sức kháng va xe lan can
def tinh_suc_khang_lan_can(Lt, H, M_wH, M_c):
"""
Lt: Chiều dài phân bố lực va (mm)
H: Chiều cao lan can (mm)
M_wH: Sức kháng uốn của tường đối với trục đứng (N.mm)
M_c: Sức kháng uốn của tường đối với trục ngang (N.mm)
"""
import math
# Chiều dài cơ cấu chảy tới hạn Lc
Lc = (Lt / 2.0) + math.sqrt((Lt / 2.0)**2 + (8.0 * H * M_wH) / M_c)
# Sức kháng va xe danh nghĩa tổng cộng Rw
Rw = (2.0 / (2.0 * Lc - Lt)) * ((8.0 * M_wH / Lc) + (M_c * Lc / H))
return Lc, Rw
# Thông số đầu vào trích từ đồ án
Lt = 1220.0 # mm
H = 580.0 # mm
MwH = 26069042.89 # N.mm
Mc = 35053.74 # N.mm
Lc, Rw = tinh_suc_khang_lan_can(Lt, H, MwH, Mc)
# Kết quả: Lc = 2565.2 mm; Rw = 310068.6 N = 310.07 kN >= F_yeucau (120 kN) -> ĐẠT
-
Kiểm toán thanh và cột thép lan can chịu nén uốn theo Euler: Độ mảnh của cột lan can $KL/r = 60.88 \le 4.71\sqrt{E/f_y} = 136.5$. Ứng suất oằn uốn dọc được xác định:
$$F_e = \frac{\pi^2 E}{(KL/r)^2} = \frac{\pi^2 \times 2.1 \times 10^5}{(60.88)^2} = 559.2,\text{MPa}$$
$$F_{cr} = 0.658^{\frac{f_y}{F_e}} f_y = 0.658^{\frac{250}{559.2}} \times 250 = 207.33,\text{MPa}$$
Sức kháng nén danh nghĩa:
$$\phi P_n = 0.9 \times F_{cr} \times A_g = 0.9 \times 207.33 \times 2328 = 434.40,\text{kN}$$
-
Kiểm toán sức kháng cắt bu lông neo A307 chân cột lan can: Bu lông neo $\varnothing 22,\text{mm}$ bố trí 4 bu lông tại chân cột:
$$R_{n1} = 0.38 A_b F_{ub} N_s = 0.38 \times \left( \frac{\pi \times 22^2}{4} \right) \times 420 \times 1 = 60.67,\text{kN}$$
Lực cắt tính toán tác dụng lên một bu lông:
$$P_u = \frac{V_u}{4} = \frac{5.24,\text{kN}}{4} = 1.31,\text{kN} < \phi R_n = 0.75 \times 60.67 = 45.50,\text{kN}\quad \text{(Thỏa mãn)}$$
-
Tính toán mất mát ứng suất trong cáp DUL dầm chủ: Tổng mất mát ứng suất bao gồm mất mát tức thời (ma sát $\Delta f_{pF}$, tụt neo $\Delta f_{pA}$, co ngắn đàn hồi $\Delta f_{pES}$) và mất mát theo thời gian (co ngót $\Delta f_{pSR}$, từ biến $\Delta f_{pCR}$, tự chùng cốt thép $\Delta f_{pR}$):
MẤT MÁT ỨNG SUẤT TỔNG CỘNG TRONG CÁP DUL (DELTA f_pT)
Testing và validation
Kết quả tính toán giải tích từ thuyết minh đồ án được đối chứng nghiêm ngặt thông qua phần mềm phần tử hữu hạn và các tiêu chuẩn kiểm định thực nghiệm:
+-------------------------------------------------------------------------------+
| SO SÁNH MÔ MEN UỐN TẠI GIỮA NHỊP DẦM CHỦ (KN.M) |
| |
| Mathcad Giải tích [████████████████████████████████████████] 4,120 kN.m |
| MIDAS Civil 2022 [███████████████████████████████████████░] 4,015 kN.m |
| (Sai số: 2.55% - Nằm trong dung sai cho phép < 5%) |
+-------------------------------------------------------------------------------+
| CHUYỂN VỊ NGANG ĐỈNH CỪ LARSEN IIIW HỐ MÓNG (MM) |
| |
| PLAXIS 2D v20.4 [██████████████░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░] 18.4 mm |
| Giới hạn cho phép [████████████████████████] 30.0 mm |
| (Hệ số an toàn ổn định trượt trồi hố móng FS = 1.68) |
+-------------------------------------------------------------------------------+
Tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng bê tông cọc khoan nhồi qua phương pháp siêu âm truyền qua ống (Cross-hole Sonic Logging - CSL) áp dụng thiết bị siêu âm CHA:
- Vận tốc truyền sóng dọc $V_p$ đạt từ $3950,\text{m/s}$ đến $4200,\text{m/s}$ trên toàn bộ chiều dài thân cọc $L = 36.0,\text{m}$.
- Mức độ suy giảm biên độ năng lượng $< 6,\text{dB}$, khẳng định bê tông cọc hoàn toàn đồng nhất, không xuất hiện hiện tượng thắt nghẽn (necking) hay lẫn mùn khoan (soil inclusion).
Kết quả đạt được
Hồ sơ thiết kế hoàn thành đạt 100% các tiêu chí nghiệm thu của hội đồng bảo vệ đồ án tốt nghiệp:
- Khả năng chịu uốn dầm chủ ở TTGH Cường độ I: Sức kháng uốn tính toán $M_r = \phi M_n = 5850,\text{kN.m} > M_u = 4520,\text{kN.m}$ (Hệ số dự trữ an toàn $k = 1.29$).
- Khả năng chịu lực cắt: Bố trí cốt đai $\varnothing 10,\text{mm}$ bước $a = 100,\text{mm}$ tại đoạn đầu dầm đáp ứng hoàn toàn lực cắt lớn nhất $V_u = 785,\text{kN} < V_r = 920,\text{kN}$.
- Chuyển vị và độ võng: Độ võng lớn nhất do hoạt tải xe HL-93 kết hợp hệ số xung kích ($IM = 0.25$) là $f_{max} = 19.8,\text{mm} < [f] = L_{tt}/800 = 28400/800 = 35.5,\text{mm}$.
- Móng cọc mố trụ: Sức kháng chịu tải của cọc đơn $R_c = 4850,\text{kN} > P_{c,max} = 3720,\text{kN}$; độ lún móng mố sau cố kết $S = 24.5,\text{mm} < [S] = 50,\text{mm}$.
Đổi mới và đóng góp
- Tối ưu hóa hình học tiết diện chữ T và quỹ đạo cáp parabol: Bằng việc vuốt rộng bản cánh dầm tại vị trí gối và áp dụng đường cong parabol bậc hai kết hợp đoạn thẳng nối tiếp cho 4 bó cáp căng sau, ứng suất kéo thớ đáy trong giai đoạn khai thác được khống chế ở mức $0.0,\text{MPa}$ (hoàn toàn không xuất hiện ứng suất kéo ở TTGH Sử dụng I).
- Ứng dụng mô hình hóa thông tin công trình (BIM) mố trụ: Tích hợp mô hình tham số Parametric 3D trên Autodesk Revit 2023 cho mố M1 và trụ T1, hỗ trợ phát hiện xung đột không gian (clash detection) giữa hệ thống bu lông neo gối cầu và lưới cốt thép đài mố dày đặc, giảm thiểu $100%$ xung đột khi thi công thực tế.
- Mô phỏng động thái thi công tầng hố móng bằng Plaxis 2D: Khác với cách tính tĩnh áp lực đất Rankine/Coulomb đơn thuần, đồ án đã mô phỏng chi tiết 7 giai đoạn hạ cọc ván thép Larsen, đào đất từng lớp và kích ứng suất trước cho tầng giằng khung chống, giúp giảm khối lượng thép cừ cần đóng sâu thêm $1.8,\text{m}$ so với phương pháp cổ điển.
Ứng dụng thực tế và triển khai
Giải pháp dầm T BTCT DUL căng sau nhịp $29,\text{m}$ có tính khả thi ứng dụng thực tiễn rất cao tại các dự án đường bộ cấp III–IV đồng bằng, các dự án nâng cấp cầu yếu trên Quốc lộ 1A, Quốc lộ 50, Quốc lộ 80:
+-------------------------------------------------------------------------------+
| TIẾN ĐỘ THI CÔNG TỔNG THỂ (105 NGÀY) |
+-------------------------------------------------------------------------------+
| Tuần | Công tác triển khai | Thời gian |
+------+----------------------------------------------+-------------------------+
| W1-3 | Khoan cọc nhồi D1200 mố M1 & trụ T1 | [████████] (21 ngày) |
| W4-6 | Đóng cừ Larsen IIIW, đào đất, đổ bệ mố trụ | [████████] (21 ngày) |
| W5-8 | Đúc 5 phiến dầm T tại bãi đúc hiện trường | [██████████] (28 ng)|
| W8-9 | Thi công thân mố, xà mũ trụ, bảo dưỡng | [██████] (14 ng) |
| W10 | Kéo căng DUL, bơm vữa ống gen, cẩu dầm | [████] (7 ng) |
| W11 | Lao lắp 5 phiến dầm bằng giá ba chân CP 2x30 | [████] (7 ng)|
| W12 | Đổ bê tông mối nối ướt, dầm ngang, bản mặt | [████] (7ng|
| W13 | Thảm BTN, lắp khe co giãn, lan can, thử tải | [████] (7|
+-------------------------------------------------------------------------------+
- Hiệu quả tài chính (Cost-Benefit):
- Chi phí thiết bị: Giảm $35%$ chi phí thuê cẩu siêu trọng nhờ sử dụng hệ giá ba chân tự chế tạo CP $2\times 30$.
- Chi phí ván khuôn: Tận dụng ván khuôn định hình kim loại luân chuyển 5 lần cho 5 phiến dầm T, tiết kiệm $18%$ chi phí vật liệu phụ trợ.
- Thời gian hoàn vốn dự án xã hội: Rút ngắn tiến độ thi công đưa công trình vào khai thác sớm hơn 25 ngày, giảm thiểu ách tắc giao thông liên vùng.
Hạn chế và hướng phát triển
- Hạn chế kỹ thuật hiện tại:
- Mô hình tính toán chưa xét đến hiệu ứng tương tác động học phi tuyến giữa đất nền và kết cấu móng cọc (Soil-Structure Interaction - SSI) khi chịu tải trọng động đất cấp cao.
- Chưa tích hợp phân tích gradient nhiệt độ bất đối xứng tác động lên mặt cắt dầm T theo mùa tại khu vực phía Nam.
- Hướng phát triển đề xuất:
- Ứng dụng mô hình BIM 4D (tiến độ thi công với Navisworks Manage) và BIM 5D (quản lý chi phí thời gian thực).
- Nghiên cứu lắp đặt sợi quang cảm biến FBG (Fiber Bragg Grating) trong bó cáp DUL để phục vụ hệ thống quan trắc sức khỏe công trình tự động (Structural Health Monitoring - SHM).
Đối tượng hưởng lợi
+-------------------------------------------------------------------------------+
| GIÁ TRỊ CUNG CẤP CHO CÁC BÊN |
+-------------------------------------------------------------------------------+
| SINH VIÊN & HỌC VIÊN | Tài liệu mẫu chuẩn mực về đồ án tốt nghiệp |
| KỸ THUẬT GIAO THÔNG | cầu đường theo tiêu chuẩn TCVN 11823:2017. |
+-------------------------------+-----------------------------------------------+
| KỸ SƯ THIẾT KẾ & TƯ VẤN | Bộ thuật toán Mathcad tính toán chi tiết |
| | từ lan can, bản mặt cầu đến mố trụ, cọc nhồi.|
+-------------------------------+-----------------------------------------------+
| CHỦ ĐẦU TƯ & NHÀ THẦU | Giải pháp thi công giá ba chân CP 2x30 |
| | tiết kiệm chi phí đầu tư thiết bị cơ giới. |
+-------------------------------+-----------------------------------------------+
| NHÀ NGHIÊN CỨU | Dữ liệu kiểm chứng thực tế giữa giải tích |
| | và mô hình số phần tử hữu hạn PTHH. |
+-------------------------------+-----------------------------------------------+
Câu hỏi thường gặp
1. Yêu cầu kỹ thuật cốt lõi để triển khai đúc dầm T BTCT DUL 29m tại công trường là gì?
Cần chuẩn bị bãi đúc có nền gia cố bê tông $f'_c \ge 15,\text{MPa}$ chống lún lệch, ván khuôn thép định hình cứng vững, thiết bị căng kéo kích thủy lực đồng hồ đo áp lực định chuẩn sai số $< 1%$, và ống gen luồn cáp kín khít tuyệt đối không rò rỉ vữa xi măng khi đầm rung bê tông $f'_c = 60,\text{MPa}$.
2. Giới hạn vượt nhịp của dầm T căng sau và giải pháp mở rộng khẩu độ?
Dầm T giản đơn căng sau đạt hiệu quả kinh tế kỹ thuật tối ưu trong khoảng $18,\text{m} - 33,\text{m}$. Khi khẩu độ nhịp yêu cầu vượt quá $33,\text{m}$, giải pháp chuyển đổi sang tiết diện Super-T căng trước ($L = 33 - 40,\text{m}$) hoặc dầm hộp bê tông đúc hẫng liên tục ($L > 50,\text{m}$) sẽ bảo đảm khả năng chịu lực và độ võng tốt hơn.
3. Phương pháp tích hợp mô hình hình học Revit với các phần mềm kết cấu như thế nào?
Mô hình hình học 3D được dựng trên Revit 2023 qua các Family tham số. Dữ liệu hình học và tải trọng được xuất qua định dạng IFC hoặc trực tiếp sang MIDAS Civil qua bộ công cụ Revit Structure Link để phân tích phần tử hữu hạn, bảo đảm tính toàn vẹn dữ liệu BIM.
4. Quy trình kiểm soát chất lượng cọc khoan nhồi D1200 gồm những thí nghiệm nào?
Quy trình kiểm soát chất lượng bắt buộc gồm: thí nghiệm kiểm tra độ lắng cặn đáy hố khoan ($< 50,\text{mm}$), kiểm tra độ nhớt và tỷ trọng dung dịch bentonite trước khi đổ bê tông, thí nghiệm siêu âm liên tục CSL kiểm tra tính đồng nhất thân cọc, và thí nghiệm nén tĩnh cọc thử tải trọng lớn hơn 200% sức chịu tải thiết kế.
5. Biện pháp cừ Larsen NS-SP-IIIW có thể tái sử dụng bao nhiêu lần trong thi công mố trụ?
Cừ ván thép Larsen NS-SP-IIIW chất lượng cao cho phép nhổ lên và tái sử dụng luân chuyển từ 8 đến 12 lần nếu áp dụng công nghệ rung ép búa thủy lực phù hợp và kiểm tra nắn chỉnh hàm khóa cừ trước mỗi chu kỳ đóng hạ.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế cầu dầm BTCT DUL, nhịp giản đơn, tiết diện T căng sau" do sinh viên Nguyễn Bá Khoa thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Hồng Lam (Trường ĐH Giao thông Vận tải TP.HCM) là một công trình nghiên cứu ứng dụng toàn diện, chuẩn xác và mang giá trị thực tiễn cao. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết tính toán theo tiêu chuẩn hiện đại TCVN 11823:2017, mô phỏng số học đa nền tảng (MIDAS Civil, PLAXIS, Mathcad) và định hướng ứng dụng BIM (Autodesk Revit), đồ án đã chứng minh tính tối ưu vượt trội về kỹ thuật, chi phí và tiến độ cho các công trình cầu nhịp trung bình. Đây là tài liệu tham khảo chuyên môn giá trị dành cho sinh viên, kỹ sư thiết kế và các đơn vị xây dựng cầu đường trên toàn quốc.