Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Cầu Cần Giờ là công trình giao thông vượt sông Soài Rạp, đảm nhận vai trò kết nối trực tiếp giữa huyện Nhà Bè và huyện Cần Giờ thuộc địa bàn Thành phố Hồ Chí Minh. Về mặt địa lý, Cần Giờ là huyện duy nhất của Thành phố Hồ Chí Minh tiếp giáp biển, nằm ở hướng Đông Nam và cách khu vực trung tâm thành phố khoảng 50 km đường bộ. Địa bàn huyện nằm trong tình trạng biệt lập tương đối so với các địa phương lân cận do bị chia cắt bởi hệ thống sông ngòi và luồng hàng hải lớn; việc lưu thông hành khách và hàng hóa trước đây phụ thuộc chủ yếu vào phương thức vận tải thủy thông qua phà Bình Khánh. Mặc dù trục giao thông xương sống của huyện là tuyến đường Rừng Sác (kết nối hướng Tây Bắc - Đông Nam) đã hoàn thành nâng cấp từ giữa năm 2011, điểm nghẽn vượt sông Soài Rạp vẫn tạo rào cản đối với quá trình phát triển kinh tế - xã hội và giao thương liên vùng.
Trong bối cảnh đó, đồ án tốt nghiệp tập trung giải quyết bài toán thiết kế cầu Extradosed hai mặt phẳng dây nhằm vượt khẩu độ lớn sông Soài Rạp. Về mặt phân loại kết cấu, cầu Extradosed là dạng công trình lai đặc thù giữa cầu dầm bê tông cốt thép dự ứng lực nhịp liên tục và cầu dây văng. Theo nguyên lý cấu tạo được tác giả trình bày, hệ thống cáp được đưa ra khỏi mặt dầm và neo vào trụ tháp đặt trên đỉnh trụ chính; giải pháp này cho phép tăng đáng kể cánh tay đòn nội lực (độ lệch tâm cáp ngoài) tại khu vực chịu mômen âm lớn trên gối, trong khi khu vực mômen dương giữa nhịp vẫn sử dụng cáp dự ứng lực trong dầm truyền thống để giảm thiểu sự phức tạp về mặt công nghệ và hình học kết cấu.
Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu của đồ án được xác lập rõ ràng theo các tiêu chí kỹ thuật:
- Thiết kế hoàn chỉnh 100% kết cấu nhịp chính của công trình (cầu Extradosed hai mặt phẳng dây).
- Không thực hiện tính toán thiết kế đối với hệ thống trụ tháp, móng cọc và các nhịp dẫn tiếp cận hai đầu cầu.
- Quy mô xây dựng: Công trình cấp vĩnh cửu.
- Cấp thông thuyền: Sông cấp II, bảo đảm tĩnh không thông thuyền với chiều cao tĩnh không trên 9,5 m và khẩu độ thông thuyền ngang trên 60 m.
- Sơ đồ phân bố nhịp tổng thể toàn cầu: 4×33 m + 65 m + 100 m + 65 m + 4×33 m; trong đó kết cấu nhịp chính Extradosed có sơ đồ liên tục 3 nhịp: 65 m + 100 m + 65 m.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung tiêu chuẩn và công cụ tính toán
Đồ án thiết lập toàn bộ quy trình tính toán, phân tích nội lực và kiểm toán mặt cắt dựa trên hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành:
- Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ Việt Nam: TCVN 11823-2017 (các Phần 3, 5, 7).
- Tiêu chuẩn thiết kế cầu Hoa Kỳ: AASHTO LRFD Bridge Design Specifications (phiên bản 2012).
- Công cụ mô hình hóa số: Phần mềm phần tử hữu hạn chuyên dụng Midas Civil (phiên bản 2019) phục vụ phân tích tĩnh học, phân tích đường ảnh hưởng hoạt tải và mô phỏng chuỗi giai đoạn thi công (Construction Stage Analysis).
Đặc trưng vật liệu kết cấu
- Bê tông dầm chủ: Cường độ chịu nén thiết kế $f'c = 45\text{ MPa}$, khối lượng thể tích tính toán theo TCVN 11823-2017: $\gamma{bt} = 2240 + 2.29 f'_c\text{ (kg/m}^3\text{)}$. Bê tông mố, trụ dẫn và cọc khoan nhồi quy định cấp 35 MPa.
- Cáp dự ứng lực trong dầm (bản nắp): Sử dụng bó cáp loại 22T15.7 (hệ thống neo VSL hoặc tương đương), quy cách 22 tao thép đường kính danh định 15,7 mm, diện tích mỗi tao $A_p = 150\text{ mm}^2$, tổng diện tích bó cáp $A_{ps} = 3300\text{ mm}^2$, cường độ kéo đứt tiêu chuẩn $f_{pu} = 1860\text{ MPa}$, giới hạn chảy $f_y = 1640\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_s = 197,000\text{ MPa}$.
- Cáp dự ứng lực bản đáy và hệ cáp văng ngoài: Sử dụng loại 19T15.7 gồm 19 tao thép, tổng diện tích mặt cắt ngang $A_{ps} = 2850\text{ mm}^2$, $f_{pu} = 1860\text{ MPa}$, $f_y = 1640\text{ MPa}$, $E_s = 197,000\text{ MPa}$.
Tải trọng và tác động môi trường
- Tĩnh tải: Trọng lượng bản thân kết cấu bê tông dầm ($DC$); tĩnh tải lớp phủ asphalt dày 70 mm, gờ chắn, lan can và hệ thống thoát nước ($DW$) với giá trị phân bố $DW = 31,2\text{ kN/m}$.
- Hoạt tải xe chạy: Xe tải thiết kế HL-93 (gồm xe tải 3 trục và xe hai trục Tandem có tải trọng cặp trục $2 \times 110,000\text{ N}$ cách nhau 1200 mm), hệ số xung kích xe chạy $IM = 33%$, tải trọng làn phân bố đều $9,3\text{ N/mm}$ dọc tuyến không xét xung kích.
- Co ngót và từ biến ($SH, CR$): Tính toán theo mô hình chỉ dẫn CEB-FIP (2010) tương ứng độ ẩm tương đối của môi trường $80%$.
- Tác động nhiệt độ ($TU, TG$): Biên độ nhiệt đều xác định theo TCVN 11823-2017 với nhiệt độ cao nhất $T_{\max} = 40^\circ\text{C}$, thấp nhất $T_{\min} = 12^\circ\text{C}$, nhiệt độ cơ sở thời điểm thi công $23^\circ\text{C}$. Gradient nhiệt độ thẳng đứng ($TG$) xét hai trạng thái: dương ($T_1 = +23^\circ\text{C}, T_2 = +6^\circ\text{C}, T_3 = +3^\circ\text{C}$) và âm ($T_1 = -7^\circ\text{C}, T_2 = -1^\circ\text{C}, T_3 = 0^\circ\text{C}$).
- Tải trọng gió ($WS, WL$): Vận tốc gió thiết kế cơ bản $V = 100\text{ km/h}$, áp lực gió tác dụng lên kết cấu dầm $P_{Design-wind} = 0,9375\text{ kN/m}^2$, diện tích chắn gió dầm hộp $602\text{ m}^2$ (chiều dài dầm 230 m), trụ tháp $78,6\text{ m}^2$. Gió tác dụng lên phương tiện xe chạy $WL = 1,46\text{ N/mm}$ đặt tại cao độ cách mặt cầu 1,7 m đến 1,8 m.
- Lực ly tâm ($CE$): $CE = 0,5\text{ kN}$ đặt cách mặt cầu 1,8 m.
- Áp lực dòng chảy ($WA$): Vận tốc dòng nước lũ thiết kế giả định $V = 2,5\text{ m/s}$, diện tích chắn nước cản dòng $S = 76,50\text{ m}^2$, giả thiết góc dòng chảy song song phương dọc cầu.
- Tải trọng động đất ($EQ$): Áp dụng phương pháp phân tích phổ dạng đơn (Single-mode spectral analysis) theo Điều 7.2 TCVN 11823-2017 với hệ số gia tốc đỉnh nền $A = 0,09$, địa tầng đất Loại III, hệ số thực địa $S = 1,5$, hệ số điều chỉnh đáp ứng kết cấu $R = 2$.
Thiết kế và triển khai kỹ thuật
Giải pháp cấu tạo mặt cắt dầm và bố trí dây văng
Nhịp chính $65\text{ m} + 100\text{ m} + 65\text{ m}$ sử dụng mặt cắt dầm hộp bê tông cốt thép dự ứng lực 2 ngăn 3 vách đứng. Chiều cao dầm hộp thay đổi phi tuyến từ $4,0\text{ m}$ tại vị trí đỉnh trụ tháp về $2,0\text{ m}$ tại khu vực giữa nhịp chính và nhịp biên. Kích thước hình học các bộ phận dầm bao gồm:
- Bản nắp: Bề dày thay đổi $250 - 300\text{ mm}$.
- Bản cánh hẫng: Bề dày $250\text{ mm}$.
- Sườn dầm (vách đứng): Bề dày từ $400\text{ mm}$ đến $500\text{ mm}$.
- Khổ cầu ngang: Phần mặt đường dành cho xe chạy rộng $2 \times 5,5\text{ m} = 11\text{ m}$, lan can và gờ chắn rộng $2 \times 0,5\text{ m} = 1\text{ m}$, phần bản hẫng kéo dài phục vụ neo các bó cáp văng rộng $1,76\text{ m}$. Lớp thảm bê tông nhựa asphalt mặt cầu dày 70 mm.
Hệ thống dây văng gồm hai mặt phẳng dây đối xứng. Trên mỗi nhánh trụ tháp bố trí 10 cặp dây văng (tương ứng các cặp phần tử 508-509, 506-507, 504-505, 502-503, 500-501, 510-511, 512-513, 514-515, 516-517, 518-519 trong mô hình Midas Civil). Lực căng kéo giới hạn của cáp văng trong giai đoạn thi công được khống chế ở mức $0,45 f_{pu} = 837\text{ MPa}$, đối với cáp dự ứng lực kéo sau trong dầm khống chế ở mức $0,7 f_{pu} = 1302\text{ MPa}$.
Điều kiện biên và quy trình phân đoạn đúc hẫng
Mô hình toán học thiết lập 5 nhóm điều kiện biên (Boundary Groups):
BG1: Liên kết ngàm bệ trụ và ngàm cứng thân trụ tháp với 2 nhánh tháp.BG2: Liên kết ngàm cứng của hệ neo tạm chống lật trong giai đoạn thi công đúc hẫng đối xứng.BG3: Gối di động tại mố/đầu dầm.BG4: Gối cố định đỡ đoạn dầm thi công trên đà giáo.BG5: Dỡ bỏ toàn bộ hệ neo tạm, kích hạ dầm vào hệ gối cầu vĩnh cửu.
Kết cấu nhịp được phân chia thành các phân đoạn thi công:
- Khối đỉnh trụ (đốt K0): Chiều dài $12\text{ m}$.
- Khối dầm thi công trên đà giáo biên: Chiều dài $14\text{ m}$.
- Các khối đúc hẫng (từ K1 đến K12): Chiều dài mỗi phân đoạn dao động từ $2,0\text{ m}$ đến $5,5\text{ m}$, tương thích năng lực nâng đỡ của xe đúc.
- Khối hợp long biên và hợp long giữa: Chiều dài mỗi khối $2\text{ m}$.
Quá trình thi công đúc hẫng cân bằng kết hợp căng kéo cáp văng được triển khai qua 19 bước nối tiếp:
| Bước thi công |
Chu kỳ thực hiện |
Nội dung công việc triển khai |
| Bước 0 |
— |
Thi công trụ tháp, lắp dựng đà giáo mở rộng thi công đốt K0; song song thi công nhịp dẫn. |
| Bước 1 |
7 ngày |
Căng cáp dự ứng lực K0; lắp đặt xe đúc, cốt thép, ống gen và đổ bê tông đốt K1 (bảo dưỡng 3 ngày). |
| Bước 2 |
7 ngày |
Căng cáp DƯL K1; tịnh tiến xe đúc, lắp dựng cốt thép, đổ bê tông và bảo dưỡng đốt K2. |
| Bước 3 |
7 ngày |
Căng cáp DƯL K2; di chuyển xe đúc, lắp dựng cốt thép, đổ bê tông và bảo dưỡng đốt K3. |
| Bước 4 |
7 ngày |
Căng cáp DƯL K3, lắp đặt cáp văng số 1; di chuyển xe đúc, đổ bê tông và bảo dưỡng đốt K4. |
| Bước 5 |
7 ngày |
Căng cáp DƯL K4, căng kéo cáp văng số 1 tại K4; di chuyển xe đúc, đổ bê tông K5. |
| Bước 6 |
7 ngày |
Căng cáp DƯL K5, lắp đặt cáp văng số 2; di chuyển xe đúc, đổ bê tông K6. |
| Bước 7 |
7 ngày |
Căng cáp DƯL K6, căng kéo cáp văng số 2 tại K6; di chuyển xe đúc, đổ bê tông K7. |
| Bước 8 |
7 ngày |
Căng cáp DƯL K7, lắp đặt cáp văng số 3; di chuyển xe đúc, đổ bê tông K8. |
| Bước 9 |
7 ngày |
Căng cáp DƯL K8, căng kéo cáp văng số 3 tại K8; di chuyển xe đúc, đổ bê tông K9. |
| Bước 10 |
7 ngày |
Căng cáp DƯL K9, lắp đặt cáp văng số 4; di chuyển xe đúc, đổ bê tông K10. |
| Bước 11 |
7 ngày |
Căng cáp DƯL K10, căng kéo cáp văng số 4 tại K10; di chuyển xe đúc, đổ bê tông K11. |
| Bước 12 |
7 ngày |
Căng cáp DƯL K11, lắp đặt cáp văng số 5; di chuyển xe đúc, đổ bê tông K12. |
| Bước 13 |
7 ngày |
Căng cáp DƯL K12, căng kéo cáp văng số 5 tại K12; lắp ván khuôn treo, đổ bê tông khối hợp long biên. |
| Bước 14 |
1 ngày |
Căng cáp dự ứng lực bản đáy nhịp biên; loại bỏ gối cố định tạm trên đà giáo biên. |
| Bước 15 |
— |
Lắp dựng cốt thép và đổ bê tông khối hợp long giữa (HLG). |
| Bước 16 |
1 ngày |
Căng cáp dự ứng lực liên tục nhịp giữa; dỡ bỏ xe đúc và hệ ván khuôn treo hợp long. |
| Bước 17 |
1 ngày |
Tháo dỡ toàn bộ tải trọng thi công và hệ thống liên kết neo tạm đỉnh trụ; kết cấu chuyển thành hệ khung dầm liên tục. |
| Bước 18 |
— |
Thi công lớp phủ mặt cầu bê tông asphalt 70 mm, lắp đặt gờ lan can, thoát nước và phụ kiện. |
Tải trọng phụ vụ tính toán thi công gồm: Tải trọng bản thân xe đúc và ván khuôn $P = 80\text{ tấn} = 800\text{ kN}$ với độ lệch tâm trọng tâm $e = 2,0\text{ m}$ (mômen uốn cục bộ tại mút hẫng $M_y = 1600\text{ kNm}$); hoạt tải thi công phân bố $q = 0,24\text{ kN/m}^2$; tải trọng trọng lượng bê tông ướt ($BTU$) tính toán trực tiếp theo từng thể tích đốt đúc hẫng.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Giới thiệu công trình và kết cấu cầu Extradosed
Chương này tổng kết vị trí địa lý, tính cấp thiết của việc xây dựng cầu vượt sông Soài Rạp nối Nhà Bè - Cần Giờ nhằm thay thế phà Bình Khánh. Tác giả giới thiệu cấu tạo tổng quan của loại hình cầu Extradosed, làm rõ sự kết hợp chịu lực giữa hệ cáp ngoài độ lệch tâm lớn trên đỉnh trụ và kết cấu dầm hộp bê tông cốt thép nhịp liên tục.
Chương 2: Điều kiện chung của thiết kế và số liệu tải trọng
Nội dung chương trình bày quy mô vĩnh cửu, tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng (TCVN 11823-2017 và AASHTO LRFD 2012), phần mềm Midas Civil 2019, kích thước mặt cắt dầm hộp, sơ đồ nhịp chính $65\text{ m} + 100\text{ m} + 65\text{ m}$ và thông số tĩnh không thông thuyền cấp II. Chương 2 thiết lập đầy đủ giá trị các thông số cơ lý của vật liệu bê tông $f'_c = 45\text{ MPa}$, cáp 22T15.7 và 19T15.7, cùng toàn bộ hệ thống tải trọng: tĩnh tải ($DC, DW$), hoạt tải ($HL-93, LL$), từ biến, co ngót, nhiệt độ ($TU, TG$), gió ngang ($WS$), gió xe ($WL$), lực ly tâm ($CE$), áp lực thủy triều/dòng chảy ($WA$) và hiệu ứng động đất ($EQ$).
Chương 3: Phân tích tính toán nội lực và tổ hợp nội lực
Chương 3 xây dựng mô hình phần tử thanh 3D trên Midas Civil với hệ thống phần tử đốt dầm (từ phần tử 101 đến 132/232) và các phần tử dây văng (từ phần tử 500 đến 519). Tác giả trích xuất biểu đồ đường ảnh hưởng, nội lực do từng thành phần tải trọng đơn lẻ (tĩnh tải, hoạt tải HL-93 xe 3 trục, xe 2 trục Tandem, nhiệt độ, gradient nhiệt, gió, áp lực nước) và tiến hành tổ hợp nội lực theo Phần 3 TCVN 11823-2017:
- Tổ hợp Cường độ 1 (THCĐ1): $1,25 DC + 1,5 DW + 1,75 LL + 1,0 PS + 1,0 WA + 1,25 SH + 1,25 CR$.
- Tổ hợp Cường độ 3 (THCĐ3): Tổ hợp kiểm tra tác động bất lợi của gió ngang cực đại $1,4 WS$.
- Tổ hợp Sử dụng 1 (THSD1): $1,0 DC + 1,0 DW + 1,0 LL + 1,0 PS + 1,0 TU + 0,5 TG + 1,0 SH + 1,0 CR + 1,0 WA + 0,3 WS + 1,0 WL + 1,0 BR + 1,0 CE$.
Chương 4: Phân tích thi công và kiểm toán kết cấu
Chương này mô phỏng chi tiết 19 bước đúc hẫng cân bằng. Tác giả thực hiện kiểm toán ứng suất kéo và nén của bê tông thớ trên và thớ dưới tại tất cả các giai đoạn đúc đốt hẫng dưới tổ hợp tải trọng thi công: $XD + BTU + DC + CR + SH + PS + Pc + DW$. Các mục tiếp theo bao gồm kiểm toán ứng suất trạng thái khai thác (THSD), kiểm toán sức kháng uốn và sức kháng cắt theo trạng thái giới hạn cường độ, kiểm tra độ võng đàn hồi của dầm, chuyển vị đỉnh trụ tháp và sức kháng của các tao cáp văng.
Chương 5: Mất mát dự ứng lực
Chương 5 trình bày phương pháp xác định và giá trị mất mát ứng suất trong các cấu kiện bê tông cốt thép dự ứng lực kéo sau (do ma sát ống gen, độ tụt neo, co ngắn đàn hồi, từ biến, co ngót bê tông và tự chùng của tao thép). Kết quả phân tích mất mát ứng suất từ mô hình Midas Civil được đối chiếu với giới hạn ứng suất cho phép của cáp tại các thời điểm trước và sau khi đóng neo.
Chương 6: Thiết kế neo tạm khi thi công đúc hẫng
Chương cuối cùng xác định các tổ hợp tải trọng bất đối xứng gây mômen lật tại đỉnh trụ trong quá trình vận hành xe đúc hẫng. Trên cơ sở đó, tác giả tính toán bố trí số lượng thanh thép cường độ cao dự ứng lực của hệ liên kết ngàm tạm BG2 nhằm bảo đảm ổn định lật cho khối đỉnh trụ K0 trước khi hoàn thành hợp long các nhịp.
Kết quả và đóng góp
Kết quả phân tích nội lực tại các tiết diện đặc trưng
Nội lực dầm chủ tại các vị trí mặt cắt kiểm toán điển hình (đốt dầm trên đà giáo biên, đốt hợp long biên và đốt hợp long giữa) trích xuất từ phần mềm Midas Civil được tổng hợp như sau:
| Tiết diện / Vị trí |
Phần tử kiểm toán |
Mômen Tĩnh tải $DC$ (kNm) |
Mômen Hoạt tải $LL$ (kNm) |
Mômen THCĐ1 (kNm) |
Mômen THSD1 (kNm) |
Mômen THCĐ3 (kNm) |
| Đốt trên đà giáo biên (I) |
Element 100 |
-0,15 |
— |
-0,15 |
-0,78 |
-0,94 |
| Hợp long biên (HLB - J) |
Element 103 |
-1282,13 |
-1403,47 |
1827,59 |
1028,58 |
467,87 |
| Hợp long giữa (HLG - I) |
Element 232 |
-3,20 |
-1235,51 |
-1899,51 |
-1086,14 |
-2,14 |
Các giá trị ứng suất phát sinh do nhiệt độ rải đều ($TU$) gây mômen âm lớn nhất tại đốt dầm đà giáo biên là $-125,78\text{ kNm}$ và tại đốt hợp long biên là $-125,22\text{ kNm}$. Gradient nhiệt ($TG$) tạo mômen uốn âm tại hợp long biên là $-0,65\text{ kNm}$ và hợp long giữa là $-1,10\text{ kNm}$. Tải trọng gió ngang ($WS$) gây mômen uốn theo phương ngoài mặt phẳng $M_z$ đạt $-1,90\text{ kNm}$ tại mặt cắt ngàm gối.
Kết quả kiểm toán ứng suất thi công đúc hẫng
Theo quy định của tiêu chuẩn TCVN 11823-2017 đối với bê tông dầm $f'_c = 45\text{ MPa}$, các giá trị ứng suất cho phép trong quá trình đúc hẫng bao gồm:
- Ứng suất nén giới hạn: $0,6 f'_c = 27\text{ MPa} = 27,000\text{ kN/m}^2$.
- Ứng suất kéo giới hạn: $0,25 \sqrt{f'_c} = 1,68\text{ MPa} = 1680\text{ kN/m}^2$.
Số liệu kiểm toán ứng suất lớn nhất tại thớ trên và thớ dưới của dầm chủ qua 12 bước thi công đúc hẫng chính:
| Phân đoạn thi công |
Ứng suất nén thớ trên ($\text{kN/m}^2$) |
Ứng suất kéo thớ trên ($\text{kN/m}^2$) |
Ứng suất nén thớ dưới ($\text{kN/m}^2$) |
Ứng suất kéo thớ dưới ($\text{kN/m}^2$) |
Trạng thái an toàn |
| Bước 1 (Đốt K1) |
529 |
368 |
643 |
156 |
Thỏa mãn ($< 27,000 / < 1680$) |
| Bước 2 (Đốt K2) |
907 |
393 |
1007 |
835 |
Thỏa mãn ($< 27,000 / < 1680$) |
| Bước 3 (Đốt K3) |
1132 |
511 |
1516 |
835 |
Thỏa mãn ($< 27,000 / < 1680$) |
| Bước 4 (Đốt K4) |
1120 |
813 |
2262 |
835 |
Thỏa mãn ($< 27,000 / < 1680$) |
| Bước 5 (Đốt K5) |
2457 |
10 |
1751 |
835 |
Thỏa mãn ($< 27,000 / < 1680$) |
| Bước 6 (Đốt K6) |
2017 |
333 |
1751 |
835 |
Thỏa mãn ($< 27,000 / < 1680$) |
| Bước 7 (Đốt K7) |
3629 |
10,5 |
2089 |
835 |
Thỏa mãn ($< 27,000 / < 1680$) |
| Bước 8 (Đốt K8) |
2892 |
24 |
3366 |
835 |
Thỏa mãn ($< 27,000 / < 1680$) |
| Bước 9 (Đốt K9) |
4340 |
10,5 |
2840 |
835 |
Thỏa mãn ($< 27,000 / < 1680$) |
| Bước 10 (Đốt K10) |
3365 |
511 |
4264 |
835 |
Thỏa mãn ($< 27,000 / < 1680$) |
| Bước 11 (Đốt K11) |
4821 |
10,5 |
3735 |
835 |
Thỏa mãn ($< 27,000 / < 1680$) |
| Bước 12 (Đốt K12) |
3653 |
647 |
6036 |
835 |
Thỏa mãn ($< 27,000 / < 1680$) |
Toàn bộ ứng suất nén lớn nhất ghi nhận được trong suốt 12 bước thi công đạt cực đại tại thớ dưới đốt K12 với giá trị $6036\text{ kN/m}^2$ (thấp hơn nhiều so với ngưỡng $27,000\text{ kN/m}^2$). Ứng suất kéo thớ trên lớn nhất đạt $813\text{ kN/m}^2$ tại Bước 4 (thấp hơn ngưỡng $1680\text{ kN/m}^2$). Kết cấu dầm hộp hoàn toàn bảo đảm điều kiện chịu lực và chống nứt trong quá trình đúc hẫng.
Đóng góp kỹ thuật của đồ án
Đồ án thiết lập hoàn chỉnh giải pháp thiết kế cho kết cấu nhịp cầu Extradosed vượt nhịp chính 100 m. Nghiên cứu giải quyết đồng bộ sự phối hợp làm việc giữa hai hệ thống cáp (cáp trong dầm và cáp văng ngoài) tương ứng với từng giai đoạn lắp ghép khối đúc, đồng thời cung cấp bộ tham số tính toán chi tiết về ứng suất thi công và chuyển vị phục vụ thực tế kiểm toán công trình dạng này theo bộ tiêu chuẩn TCVN 11823-2017.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế về phạm vi tính toán: Đồ án tập trung 100% khối lượng vào phần kết cấu nhịp cầu chính Extradosed; các cấu kiện quan trọng khác của công trình gồm trụ tháp, mố trụ cầu dẫn và móng cọc khoan nhồi không nằm trong phạm vi tính toán thiết kế của thuyết minh này.
- Hạn chế về số liệu đầu vào: Một số thông số tác động môi trường và địa chất được áp dụng dựa trên số liệu giả định phục vụ đồ án học thuật, bao gồm giả thiết vận tốc dòng chảy lũ $V = 2,5\text{ m/s}$, góc dòng chảy lệch bằng $0^\circ$, vận tốc gió cơ bản tính toán $100\text{ km/h}$, và chưa tích hợp kết quả thí nghiệm hầm gió chuyên sâu cho dầm hộp có cánh hẫng đón dây văng.
- Hướng mở rộng: Phát triển mô hình liên hợp đầy đủ bao gồm trụ tháp, móng cọc và đất nền nhằm khảo sát hiệu ứng tương tác động lực học đất - kết cấu (SSI); kiểm toán độ mỏi dài hạn của hệ neo cáp văng dưới tác động lặp của tải trọng xe nặng; và tối ưu hóa lực căng kéo ban đầu của cáp văng để san phẳng biểu đồ nội lực dầm chủ trong giai đoạn khai thác.
Giá trị tham khảo
Bản thuyết minh đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thiết kế thuộc các chuyên ngành Xây dựng Cầu đường bộ, Công trình Giao thông và Kỹ thuật Xây dựng Công trình Thủy.
Các nội dung có giá trị tham khảo kỹ thuật cao bao gồm:
- Quy trình thiết lập mô hình tính toán cầu Extradosed trên phần mềm Midas Civil, đặc biệt là cách khai báo các nhóm phần tử dầm, phần tử dây cáp và điều kiện biên thi công chuyển giai đoạn.
- Trình tự thiết lập các giai đoạn phân tích thi công đúc hẫng đối xứng (19 bước) kết hợp thao tác kích kéo cáp văng đồng thời với cáp dự ứng lực trong dầm.
- Bảng tổng hợp số liệu kiểm toán ứng suất thớ trên/thớ dưới và tổ hợp tải trọng theo hệ thống tiêu chuẩn TCVN 11823-2017.
Câu hỏi thường gặp
1. Sơ đồ nhịp và quy mô mặt cắt ngang kết cấu dầm chính của cầu được thiết kế như thế nào?
Kết cấu nhịp chính Extradosed có sơ đồ liên tục 3 nhịp $65\text{ m} + 100\text{ m} + 65\text{ m}$ (nằm trong sơ đồ tổng thể toàn cầu $4\times 33\text{ m} + 65\text{ m} + 100\text{ m} + 65\text{ m} + 4\times 33\text{ m}$). Dầm chủ là dạng dầm hộp bê tông cốt thép dự ứng lực 2 ngăn 3 vách đứng; chiều cao dầm biến thiên từ $4,0\text{ m}$ tại đỉnh trụ xuống $2,0\text{ m}$ tại giữa nhịp; bề rộng phần xe chạy là $11\text{ m}$, lan can gờ chắn $1\text{ m}$, và phần bản hẫng neo cáp văng mỗi bên rộng $1,76\text{ m}$.
2. Cáp dự ứng lực trong dầm và cáp văng sử dụng chủng loại và thông số kỹ thuật nào?
Cáp bản nắp sử dụng loại 22T15.7 (22 tao thép, diện tích $3300\text{ mm}^2$). Cáp bản đáy và hệ cáp văng sử dụng loại 19T15.7 (19 tao thép, diện tích $2850\text{ mm}^2$). Cả hai loại cáp đều có đường kính danh định một tao 15,7 mm ($A_p = 150\text{ mm}^2$), cường độ kéo đứt tiêu chuẩn $f_{pu} = 1860\text{ MPa}$, giới hạn chảy $f_y = 1640\text{ MPa}$, và mô đun đàn hồi $E_s = 197,000\text{ MPa}$.
3. Tiêu chuẩn khống chế ứng suất của bê tông dầm trong quá trình đúc hẫng được quy định ra sao?
Với bê tông dầm có cường độ $f'_c = 45\text{ MPa}$, theo TCVN 11823-2017:
- Giới hạn ứng suất nén: $0,6 f'_c = 27\text{ MPa} = 27,000\text{ kN/m}^2$.
- Giới hạn ứng suất kéo: $0,25 \sqrt{f'_c} = 1,68\text{ MPa} = 1680\text{ kN/m}^2$.
Kết quả kiểm toán qua 12 bước đúc hẫng cho thấy ứng suất nén lớn nhất đạt $6036\text{ kN/m}^2$ và ứng suất kéo lớn nhất đạt $813\text{ kN/m}^2$, đều nằm trong phạm vi cho phép.
4. Tải trọng xe đúc và các hoạt tải phụ vụ thi công được giả thiết với giá trị bao nhiêu?
Trọng lượng xe đúc kèm hệ ván khuôn được tính toán quy đổi $P = 80\text{ tấn} = 800\text{ kN}$ với độ lệch tâm $e = 2,0\text{ m}$ so với mút hẫng (tạo mômen uốn cục bộ $M_y = 1600\text{ kNm}$). Hoạt tải thi công rải đều trên mặt dầm được lấy bằng $q = 0,24\text{ kN/m}^2$.
5. Hệ thống neo tạm đỉnh trụ khi thi công đúc hẫng được mô hình hóa và xử lý thế nào?
Hệ neo tạm đỉnh trụ được định nghĩa bằng nhóm điều kiện biên ngàm cứng BG2 trong phần mềm Midas Civil nhằm cố định kết cấu khối đúc K0 với đỉnh trụ, chịu các mômen lệch tâm gây lật do tải trọng xe đúc và bê tông ướt bất đối xứng. Sau khi hợp long nhịp biên và nhịp giữa hoàn tất (Bước 17), hệ neo tạm này được dỡ bỏ hoàn toàn thông qua nhóm giải phóng BG5 để hạ dầm lên hệ gối cầu vĩnh cửu.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của tác giả Ngô Văn Quang đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật kết cấu nhịp cầu Extradosed hai mặt phẳng dây vượt sông Soài Rạp với sơ đồ nhịp chính $65\text{ m} + 100\text{ m} + 65\text{ m}$. Toàn bộ quy trình tính toán phân tích nội lực, kiểm toán ứng suất thi công 19 bước đúc hẫng cân bằng và trạng thái khai thác đều tuân thủ chặt chẽ tiêu chuẩn TCVN 11823-2017 thông qua phần mềm Midas Civil 2019. Các số liệu trích xuất khẳng định dầm hộp bê tông cốt thép dự ứng lực đáp ứng đầy đủ các điều kiện về sức kháng cường độ, độ võng và độ an toàn chịu lực trong mọi giai đoạn xây dựng và khai thác.
