I. Tổng quan về thiết kế cầu Kim Tân huyện Thạch Thành Thanh Hóa
Cầu Kim Tân là công trình giao thông trọng điểm tại huyện Thạch Thành, tỉnh Thanh Hóa. Dự án thuộc đồ án tốt nghiệp ngành Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng năm 2019. Công trình sử dụng kết cấu dầm I liên tục bê tông cốt thép dự ứng lực. Chiều dài cầu đạt 37,4 mét với nhịp chính phù hợp điều kiện địa hình. Dự án nhằm đáp ứng nhu cầu đi lại, giao thương hàng hóa của người dân địa phương. Thiết kế tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia về tải trọng, vật liệu và quy trình thi công. Tổng mức đầu tư phương án cầu dầm I đạt hơn 62,5 tỷ đồng. Quá trình tính toán bao gồm xác định nội lực, kiểm tra ứng suất và tính toán cốt thép. Công trình được thiết kế với hệ thống chiếu sáng, thoát nước và lan can bảo đảm an toàn.
1.1. Vị trí và quy mô cầu Kim Tân Thạch Thành
Cầu Kim Tân nằm trên địa bàn huyện Thạch Thành, tỉnh Thanh Hóa. Đây là khu vực có địa hình đồi núi, sông suối phức tạp. Công trình được xây dựng nhằm kết nối giao thông giữa các xã trong huyện. Chiều dài cầu 37,4 mét, mặt cầu rộng đáp ứng tiêu chuẩn đường cấp IV miền núi. Cầu thiết kế theo sơ đồ liên tục nhiều nhịp với dầm I bê tông cốt thép dự ứng lực. Vị trí xây dựng được lựa chọn dựa trên khảo sát địa chất thủy văn kỹ lưỡng. Dự án tạo điều kiện phát triển kinh tế xã hội khu vực Thạch Thành.
1.2. Mục tiêu và phạm vi thiết kế cầu Kim Tân
Mục tiêu chính của dự án là thiết kế cầu đảm bảo an toàn chịu lực và kinh tế kỹ thuật. Phạm vi thiết kế bao gồm tính toán tải trọng, xác định nội lực và thiết kế tiết diện dầm. Dự án tính toán kết cấu phần trên gồm dầm chính, bản mặt cầu, lan can. Kết cấu phần dưới gồm mố trụ, móng cọc khoan nhồi được thiết kế chi tiết. Ngoài ra, đồ án còn lập dự toán kinh tế và quy trình thi công. Các phép tuân theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN về cầu đường bộ. Thiết kế hướng đến tuổi thọ công trình dài hạn và chi phí đầu tư hợp lý.
II. Phân tích tải trọng và tính toán nội lực cầu Kim Tân
Quá trình tính toán nội lực cầu Kim Tân được thực hiện qua ba giai đoạn tải trọng chính. Giai đoạn một tính tĩnh tải khi căng kéo cốt thép dự ứng lực. Giai đoạn hai xác định nội lực khi đổ bản mặt cầu với trọng lượng bản, tấm đan và dầm ngang. Giai đoạn ba tính toán trong điều kiện khai thác bao gồm lan can, tay vịn và lớp phủ. Đường ảnh hưởng M và V được vẽ tại các tiết diện quan trọng như L/1, L/8, L/4, 3L/8 và L/2. Tại tiết diện L/2, moment uốn đạt giá trị lớn nhất 174,85. Nội lực được tổng hợp với hệ số tải trọng sử dụng và cường độ. Giá trị tĩnh tải g1 đạt 17,15 KN/m tác động dọc toàn bộ cầu. Các phép tính đảm bảo kết cấu hoạt động an toàn trong mọi điều kiện tải trọng. Kết quả tính toán nội lực là cơ sở để thiết kế cốt thép dầm chính.
2.1. Xác định tải trọng tác động lên cầu Kim Tân
Tải trọng tác động lên cầu Kim Tân gồm tĩnh tải và hoạt tải. Tĩnh tải bao gồm trọng lượng bản thân dầm, bản mặt cầu, lan can và lớp phủ. Hoạt tải bao gồm tải trọng xe thiết kế theo tiêu chuẩn TCVN và tải trọng người đi bộ. Tải trọng gió, tải trọng nhiệt độ cũng được xem xét trong tính toán. Hệ số tải trọng sử dụng được áp dụng để tính trạng thái giới hạn thứ nhất. Hệ số tải trọng cường độ dùng để kiểm tra bền và ổn định kết cấu. Việc xác định chính xác tải trọng đảm bảo độ tin cậy của toàn bộ phép tính thiết kế.
2.2. Tính toán nội lực tại các tiết diện dầm chính
Nội lực tại các tiết diện dầm chính được tính bằng phương pháp đường ảnh hưởng. Các tiết diện kiểm tra gồm L/1, L/8, L/4, 3L/8 và L/2. Moment uốn tăng dần từ mố cầu đến giữa nhịp, đạt cực đại tại tiết diện L/2. Lực cắt lớn nhất xuất hiện tại tiết diện gần mố cầu và giảm dần về giữa nhịp. Bảng tổng hợp nội lực cho thấy M_max tại L/2 bằng 174,85 và V_max tại L/1 bằng 18,7. Nội lực giai đoạn khai thác được tổng hợp từ ba giai đoạn tải trọng. Kết quả là cơ sở tính toán cốt thép và kiểm tra ứng suất bê tông.
III. Giải pháp thiết kế kết cấu và thi công cầu Kim Tân
Giải pháp thiết kế cầu Kim Tân áp dụng kết cấu dầm I bê tông cốt thép dự ứng lực. Dầm chính được tính toán cốt thép chịu moment uốn và lực cắt tại các tiết diện. Kết cấu phần dưới sử dụng hệ thống cọc khoan nhồi đường kính lớn cho móng mố trụ. Bê tông mố trụ có khối lượng 1.350,8 mét khối với cốt thép 185 tấn. Hệ thống khe co giãn được lắp đặt để bù biến dạng nhiệt độ. Gối cầu elastomer giúp truyền tải trọng từ dầm xuống mố trụ hiệu quả. Mặt cầu được phủ lớp chống thấm diện tích 2.387 mét vuông. Hệ thống thoát nước gồm 44 ống thoát nước được bố trí hợp lý. Đèn chiếu sáng 10 bộ đảm bảo an toàn giao thông ban đêm. Quy trình thi công gồm đóng cọc, dựng ván khuôn, đổ bê tông và căng kéo dự ứng lực.
3.1. Thiết kế kết cấu dầm I dự ứng lực cho cầu Kim Tân
Dầm I dự ứng lực là giải pháp kết cấu chính cho cầu Kim Tân. Dầm có chiều dài 37,4 mét với tiết diện hình I đặc trưng. Bê tông cường độ cao được sử dụng cho thân dầm với khối lượng 913,185 mét khối. Cốt thép dự ứng lực được căng kéo sau khi bê tông đạt cường độ thiết kế. Lượng cốt thép dầm đạt 146,115 tấn đảm bảo chịu lực tốt. Thiết kế tính đến cả trạng thái khai thác và trạng thái thi công. Kiểm tra ứng suất nén và kéo tại mọi tiết diện đạt yêu cầu tiêu chuẩn. Giải pháp dầm I giúp giảm chiều cao kết cấu và tăng tính thẩm mỹ công trình.
3.2. Quy trình thi công và dự toán kinh tế cầu Kim Tân
Quy trình thi công cầu Kim Tân gồm các bước: ép cọc khoan nhồi, thi công mố trụ. Tiếp theo là lắp dựng ván khuôn dầm, đặt cốt thép và đổ bê tông dầm. Giai đoạn căng kéo cốt thép dự ứng lực được thực hiện khi bê tông đạt cường độ. Sau đó thi công bản mặt cầu, lắp đặt lan can và hệ thống thoát nước. Tổng giá trị kết cấu phần trên đạt 31,66 tỷ đồng. Kết cấu phần dưới đạt 25,17 tỷ đồng bao gồm cọc khoan nhồi và mố trụ. Tổng mức đầu tư toàn dự án đạt hơn 62,5 tỷ đồng bao gồm chi phí khác và dự phòng.
IV. Kết luận và ứng dụng thiết kế cầu Kim Tân Thanh Hóa
Đồ án thiết kế cầu Kim Tân huyện Thạch Thành đã hoàn thành đầy đủ các nội dung yêu cầu. Kết quả tính toán cho thấy kết cấu dầm I dự ứng lực đáp ứng tốt điều kiện chịu lực. Mố trụ và móng cọc khoan nhồi đảm bảo ổn định trong điều kiện địa chất phức tạp. Tổng mức đầu tư 62,5 tỷ đồng là hợp lý cho quy mô và yêu cầu kỹ thuật. Dự án đã áp dụng thành công các tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ Việt Nam. Kết quả đồ án có thể tham khảo cho các công trình cầu tương tự tại vùng núi Thanh Hóa. Phương pháp tính toán nội lực bằng đường ảnh hưởng cho kết quả chính xác. Thiết kế cân bằng giữa yếu tố kỹ thuật, kinh tế và thẩm mỹ công trình. Đồ án là minh chứng cho khả năng ứng dụng lý thuyết vào thực tế xây dựng cầu đường. Công trình khi hoàn thành sẽ đáp ứng nhu cầu giao thông phát triển kinh tế huyện Thạch Thành.
4.1. Đánh giá ưu nhược điểm phương án thiết kế cầu Kim Tân
Ưu điểm lớn nhất của phương án dầm I dự ứng lực là khả năng chịu lực vượt trội. Kết cấu có chiều cao dầm nhỏ hơn so với dầm BTCT thường, tăng thông thuyền. Chi phí vật liệu cốt thép dự ứng lực cao hơn nhưng giảm tổng khối lượng bê tông. Nhược điểm là yêu cầu kỹ thuật thi công phức tạp, cần đội ngũ thợ lành nghề. Thiết bị căng kéo chuyên dụng đòi hỏi đầu tư ban đầu lớn. Thời gian thi công kéo dài hơn so với phương án dầm预制 thông thường. Tuy nhiên, về tổng thể phương án này tối ưu cho cầu có khẩu độ 37,4 mét. tuổi thọ công trình được đảm bảo trên 50 năm với chế độ bảo dưỡng định kỳ.
4.2. Ứng dụng và khả năng nhân rộng mô hình thiết kế
Mô hình thiết kế cầu Kim Tân có thể áp dụng cho nhiều công trình cầu tương tự tại vùng núi. Các huyện miền núi Thanh Hóa, Nghệ An có điều kiện địa hình tương đồng có thể tham khảo. Phương pháp tính toán nội lực bằng đường ảnh hưởng áp dụng được cho cầu dầm liên tục. Kết cấu dầm I dự ứng lực phù hợp với cầu có khẩu độ từ 25 đến 45 mét. Dự toán kinh tế chi tiết giúp chủ đầu tư lập kế hoạch tài chính chính xác. Quy trình thi công đã được hệ thống hóa dễ dàng chuyển giao cho đơn vị thi công. Kinh nghiệm từ đồ án này đóng góp vào kho tài liệu thiết kế cầu đường Việt Nam.
