Bối cảnh và nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế cầu thép" (Project of Steel Bridge Design) do sinh viên Hoàng Khánh Phước thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Huỳnh Tấn Tài tại Bộ môn Kỹ thuật Công trình Giao thông, Khoa Xây dựng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (hoàn thành tháng 01/2024). Đề tài thuộc mã đề thiết kế 2A6A, tập trung giải quyết bài toán thiết kế kết cấu nhịp cầu dầm thép liên hợp bản bê tông cốt thép giản đơn phục vụ giao thông đường bộ.

Mục tiêu cốt lõi của đồ án là thiết kế hoàn chỉnh hệ kết cấu dầm chủ và các chi tiết phụ trợ cho một nhịp cầu đường bộ theo các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể được triển khai tuần tự theo 10 nội dung:

  1. Xác định sơ bộ kích thước hình học mặt cắt ngang cầu và dầm chủ chữ I.
  2. Xác định các đặc trưng hình học của tiết diện dầm thép ở các giai đoạn chưa liên hợp và liên hợp (ngắn hạn $n$, dài hạn $3n$).
  3. Tính toán hệ số phân bố tải trọng ngang (HSPBN) cho dầm trong và dầm biên đối với mô men và lực cắt.
  4. Xác định nội lực nguy hiểm do hoạt tải thiết kế HL-93 tác dụng lên các mặt cắt đặc trưng.
  5. Tính toán nội lực do tĩnh tải giai đoạn I (trọng lượng dầm thép, bê tông ướt, sườn tăng cường) và giai đoạn II (lớp phủ, lan can).
  6. Thực hiện tổ hợp tải trọng theo các trạng thái giới hạn (TTGH) Cường độ I, Sử dụng I, Mỏi và đứt gãy.
  7. Kiểm toán dầm chủ về điều kiện kích thước, sức kháng uốn, sức kháng cắt, giới hạn ứng suất, độ võng đàn hồi, độ vồng ngược và sức kháng mỏi.
  8. Tính toán và bố trí hệ thống neo đinh chống cắt liên hợp.
  9. Thiết kế hệ thống sườn tăng cứng tại gối và sườn tăng cứng trung gian.
  10. Thiết kế mối nối dầm bằng bu lông cường độ cao tại vị trí cắt đốt vận chuyển.

Đối tượng nghiên cứu là kết cấu nhịp cầu dầm thép chữ I liên hợp bản bê tông cốt thép, nhịp giản đơn có chiều dài toàn dầm $L = 21\text{ m}$, khoảng cách từ đầu dầm đến tim gối $a = 0{,}3\text{ m}$, chiều dài nhịp tính toán $L_{tt} = 20{,}4\text{ m}$. Bề rộng toàn cầu $B = 15\text{ m}$, quy mô phần xe chạy rộng $15\text{ m}$, không bố trí lề bộ hành, kích thước gờ chắn $L_c = 0$. Mặt cắt ngang gồm 10 dầm chủ đặt song song với cự ly tim dầm $S = 1{,}5\text{ m}$, bản hẫng hai bên rộng $d_e = 750\text{ mm}$. Hoạt tải thiết kế là đoàn xe HL-93 kết hợp tải trọng người rải đều $3000\text{ N/m}^2$, hệ số xung kích $IM = 33%$.

Cơ sở lý thuyết và tiêu chuẩn thiết kế

Đồ án xây dựng trên nền tảng tính toán của Tiêu chuẩn Quốc gia về Thiết kế Cầu đường bộ TCVN 11823-06:2017 (Kết cấu thép) và TCVN 11823-03:2017 (Tải trọng và hệ số tải trọng), áp dụng phương pháp thiết kế theo Hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD). Ngoài ra, đồ án sử dụng các công thức tính toán sức kháng bu lông cường độ cao theo giáo trình kết cấu thép hiện hành.

Các thông số vật liệu được thiết lập theo tiêu chuẩn quy định:

  • Bê tông bản mặt cầu: Bê tông cấp $25\text{ MPa}$, cường độ nén quy định $f'_c = 25\text{ MPa}$, khối lượng thể tích $\gamma_c = 2500\text{ kg/m}^3$, mô đun đàn hồi $E_b = 31068\text{ MPa}$.
  • Thép dầm chủ: Thép tấm cán nóng tiết diện chữ I tổ hợp hàn, mác thép ASTM A709M cấp 345, cường độ chảy dẻo quy định trong tính toán $F_y = 300\text{ MPa}$ (và $345\text{ MPa}$ tại các kiểm toán cục bộ), cường độ chịu kéo đứt nhỏ nhất $F_u = 450\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_s = 200000\text{ MPa}$, trọng lượng riêng $\gamma_s = 7850\text{ kg/m}^3$. Tỷ số mô đun đàn hồi quy đổi giữa thép và bê tông là $n = 8$ (liên hợp ngắn hạn) và $3n = 24$ (liên hợp dài hạn chịu tĩnh tải tác dụng chậm).
  • Chi tiết liên kết: Neo đinh chống cắt hình nấm đường kính thân $d = 22\text{ mm}$, chiều cao $h = 180\text{ mm}$, giới hạn bền $F_u = 450\text{ MPa}$; bu lông cường độ cao loại M164 (A325M) đường kính thân $d = 20\text{ mm}$, đường kính lỗ bu lông tiêu chuẩn $22\text{ mm}$.

Phương pháp nghiên cứu chủ đạo là phân tích giải tích kết cấu công trình: sử dụng phương pháp đường ảnh hưởng để chất tải các tổ hợp xe tải thiết kế, xe hai trục và tải trọng làn; phương pháp đòn bẩy và công thức giải tích kinh nghiệm của TCVN 11823 để xác định hệ số phân bố tải trọng ngang; mô hình tiết diện tương đương quy đổi để tính toán ứng suất và đặc trưng hình học qua 3 giai đoạn thi công - khai thác.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Xác định sơ bộ các thông số kỹ thuật

Chương này xác định các kích thước cấu tạo cơ bản của nhịp cầu và dầm chủ. Chiều cao dầm chủ chọn sơ bộ $H = 1000\text{ mm}$ ($1/21$ chiều dài nhịp). Chiều dày bản mặt cầu $h_f = 220\text{ mm}$, lớp phủ bê tông nhựa dày $h_1 = 75\text{ mm}$, độ dốc ngang cầu $i = 2%$. Dầm thép gồm bản cánh trên rộng $b_t = 300\text{ mm}$, dày $t_t = 25\text{ mm}$; bản bụng cao $h_w = 925\text{ mm}$, dày $t_w = 16\text{ mm}$. Bản cánh dưới tại vùng mô men nhỏ rộng $b_b = 300\text{ mm}$, dày $t_b = 25\text{ mm}$; tại vùng mô men uốn lớn ($3L/8$ và $L/2$) được gia cường thêm một bản táp rộng $b_{b2} = 400\text{ mm}$, dày $t_{b2} = 25\text{ mm}$. Hệ dầm ngang có chiều cao $h_{ng} = 0{,}8\text{ m}$.

Chương 2: Đặc trưng hình học của dầm thép

Tác giả tính toán bề rộng hữu hiệu của bản bê tông cánh: dầm trong đạt $b_i = 1500\text{ mm}$, dầm biên đạt $b_e = 1250\text{ mm}$. Tiết diện bê tông dầm trong có diện tích $F_b = 370000\text{ mm}^2$, trọng tâm cách đáy tiếp xúc $193{,}2\text{ mm}$. Đặc trưng hình học dầm thép được phân tách thành hai trạng thái:

  • Tiết diện không có bản táp: Diện tích thép $F_t = 29800\text{ mm}^2$, trục trung hòa (TTH) cách đáy $487{,}5\text{ mm}$, mô men quán tính $I_t = 5{,}16 \times 10^9\text{ mm}^4$. Khi liên hợp ngắn hạn ($n=8$), diện tích quy đổi $F_{td} = 76050\text{ mm}^2$, TTH cách đáy $901{,}5\text{ mm}$; khi liên hợp dài hạn ($3n=24$), $F_{td} = 45216{,}7\text{ mm}^2$, TTH cách đáy $719{,}6\text{ mm}$.
  • Tiết diện có bản táp: Diện tích thép $F_t = 39800\text{ mm}^2$, TTH cách đáy $386{,}5\text{ mm}$, mô men quán tính $I_t = 6{,}31 \times 10^9\text{ mm}^4$. Khi liên hợp ngắn hạn ($n=8$), TTH cách đáy dầm thép $820{,}4\text{ mm}$; khi liên hợp dài hạn ($3n=24$), diện tích quy đổi $F_{td} = 55216{,}7\text{ mm}^2$, TTH cách mép dưới dầm thép $612\text{ mm}$.

Chương 3: Hệ số phân bố ngang

Chương 3 kiểm tra các điều kiện biên hình học theo TCVN 11823: khoảng cách dầm $S = 1500\text{ mm}$ nằm trong khoảng $[1100; 4900]\text{ mm}$, chiều dày bản $t_s = 220\text{ mm}$ nằm trong $[110; 300]\text{ mm}$, khoảng cách bản hẫng $d_e = 250\text{ mm}$ nằm trong $[-300; 1700]\text{ mm}$. Kết quả phân bố hoạt tải theo làn:

  • Mô men uốn dầm trong: Một làn chất tải $mg = 0{,}365$; hai hay nhiều làn chất tải $mg = 0{,}482$ (chọn $mg_{MI} = 0{,}482$). Mô men dầm biên: chọn $mg_{ME} = 0{,}460$.
  • Lực cắt dầm trong: Một làn chất tải $mg = 0{,}597$; hai hay nhiều làn chất tải $mg = 0{,}597$ (chọn $mg_{VI} = 0{,}597$). Lực cắt dầm biên: chọn $mg_{VE} = 0{,}460$.
  • Tĩnh tải lan can: Gán toàn bộ cho dầm biên với hệ số phân bố ngang $mg_{lc} = 1{,}335$.

Chương 4: Tính toán nội lực do hoạt tải

Tác giả lập đường ảnh hưởng và xếp tải hoạt tải HL-93 (xe 3 trục tải trọng các trục $35\text{ kN} - 145\text{ kN} - 145\text{ kN}$, xe 2 trục $110\text{ kN} - 110\text{ kN}$ cự ly trục $1{,}2\text{ m}$, và tải làn rải đều $9{,}3\text{ kN/m}$) tại 5 mặt cắt: Gối, $L/8$, $L/4$, $3L/8$, $L/2$.

  • Lực cắt lớn nhất xuất hiện tại gối: Do tải làn gây ra $Q_{lan} = 94{,}86\text{ kN}$, do xe 3 trục gây ra $Q_{3T} = 279{,}8\text{ kN}$, do xe 2 trục gây ra $Q_{2T} = 213{,}2\text{ kN}$.
  • Mô men uốn đạt cực đại tại mặt cắt giữa nhịp $L/2$.

Chương 5: Tính toán nội lực do tĩnh tải

Tĩnh tải được chia thành 2 giai đoạn tác động lên các hệ kết cấu khác nhau:

  • Tĩnh tải giai đoạn I ($DC_1$): Dầm thép tự chịu toàn bộ trọng lượng bản thân dầm thép ($g_{gh} = 7850 \times 9{,}81 \times 10^{-6} \times F_t$), hệ sườn tăng cường và dầm ngang ($P_{nI} = 3{,}28\text{ N/mm}$ cho đoạn có táp, $2{,}21\text{ N/mm}$ cho đoạn không táp), cùng trọng lượng bản bê tông ướt và bản vút ($DC = 9{,}06\text{ N/mm}$). Tại mặt cắt giữa nhịp $L/2$, mô men tĩnh tải $DC_1$ dầm trong là $604\text{ kNm}$, lực cắt tại gối là $118{,}2\text{ kN}$.
  • Tĩnh tải giai đoạn II ($DW$ và $DC_2$): Lớp phủ mặt cầu bê tông nhựa dày $75\text{ mm}$ ($DW = 4{,}23\text{ N/mm}$) và trọng lượng lan can ($DC_{lc} = 9{,}064\text{ N/mm}$). Lực cắt tĩnh tải lớp phủ tại gối là $43{,}1\text{ kN}$; mô men lớp phủ tại $L/2$ đạt $220\text{ kNm}$.

Chương 6: Tổ hợp tải trọng

Chương 6 thiết lập các hệ số điều chỉnh tải trọng gồm hệ số dẻo dai $\eta_D = 0{,}95$, hệ số dư thừa $\eta_R = 0{,}95$, hệ số tầm quan trọng $\eta_I = 1{,}05$, cho tích số $\eta = 1{,}0$. Hệ số xung kích hoạt tải $IM = 33%$ cho TTGH cường độ và sử dụng, $15%$ cho TTGH mỏi.

  • TTGH Cường độ I: $U = 1{,}25 \times DC + 1{,}50 \times DW + 1{,}75 \times (LL + IM)$.
  • TTGH Sử dụng I: $U = 1{,}0 \times DC + 1{,}0 \times DW + 1{,}0 \times (LL + IM)$.
  • TTGH Mỏi và đứt gãy: $U = 0{,}75 \times (LL + IM)$ (sử dụng xe tải mỏi 3 trục có khoảng cách hai trục sau cố định $9000\text{ mm}$). Tại dầm trong, tổ hợp mô men uốn lớn nhất tại giữa nhịp $L/2$ ở TTGH Cường độ I đạt $3986{,}9\text{ kNm}$, TTGH Sử dụng I đạt $2458{,}7\text{ kNm}$, TTGH Mỏi đạt $386{,}1\text{ kNm}$. Lực cắt lớn nhất tại gối đạt $669{,}0\text{ kN}$ (Cường độ I) và $448{,}3\text{ kN}$ (Sử dụng I).

Chương 7: Kiểm tra dầm chủ

Tác giả thực hiện kiểm toán toàn diện tiết diện dầm chủ:

  • Tỉ lệ phần tử: Tỉ số quán tính $I_{yc} / I_y = 5{,}625 \times 10^7 / 11{,}28 \times 10^7 = 0{,}49$ thỏa mãn điều kiện quy định $[0{,}1; 0{,}9]$. Độ mảnh bản cánh nén $b_f / (2 t_f) = 6 \le 0{,}38 \sqrt{E_s / F_{yc}} = 9{,}8$. Độ mảnh bản bụng đặc chắc thỏa mãn yêu cầu $2 D_{cp} / t_w \le 3{,}76 \sqrt{E_s / F_{yc}}$. Tính dẻo tiết diện đạt yêu cầu với $D_p / D_t = 342{,}4 / 1320 = 0{,}26 \le 0{,}42$.
  • TTGH Cường độ: Sức kháng uốn tính toán $M_r = \phi M_n = 1{,}0 \times 6127{,}7 = 6127{,}7\text{ kNm} > M_u = 3986{,}9\text{ kNm}$ tại $L/2$ (đạt yêu cầu trên cả 5 mặt cắt). Sức kháng cắt tính toán tại gối $V_r = \phi V_n = 2714{,}4\text{ kN} > V_u = 669{,}0\text{ kN}$ (đạt yêu cầu).
  • TTGH Sử dụng: Ứng suất thớ nén trên cùng dầm thép tại $L/2$ đạt $f_f = 80{,}4\text{ MPa}$, thớ kéo dưới cùng đạt $f_f = 103{,}5\text{ MPa}$, đều nhỏ hơn giới hạn $0{,}95 R_b R_h F_y = 285\text{ MPa}$.
  • Độ võng và độ vồng: Độ võng do hoạt tải xe đơn và tải làn đạt $0{,}752\text{ mm}$. Tổng độ võng tĩnh tải dầm trong là $22{,}22\text{ mm}$, dầm biên là $21{,}97\text{ mm}$. Tác giả chọn giá trị độ vồng ngược chế tạo là $\Delta_v = 37\text{ mm}$.
  • TTGH Mỏi: Biên độ ứng suất mỏi lớn nhất tại đáy dầm đạt $f = 15{,}1\text{ MPa} < (\Delta F){TH} = 82{,}5\text{ MPa}$; kiểm toán mỏi bản bụng do uốn cong vênh đạt $f = 77{,}9\text{ MPa} \le f{cf} = 300\text{ MPa}$; ứng suất cắt mỏi bản bụng $V_{cf} = 40{,}12\text{ MPa} \le 174\text{ MPa}$.

Chương 8: Tính toán bố trí neo chống cắt

Hệ thống neo đinh chống cắt sử dụng loại có đường kính thân $d = 22\text{ mm}$, chiều cao $h = 180\text{ mm}$. Chiều sâu chôn vào bê tông đạt $h_{lk} = 180 - 100 = 80\text{ mm} > 50\text{ mm}$, tỉ lệ $h/d = 8{,}2 > 4$. Trên mỗi mặt cắt ngang bố trí cụm 3 neo đinh, khoảng cách tim neo ngang là $100\text{ mm} > 4d = 88\text{ mm}$, khoảng cách đến mép bản cánh là $50\text{ mm} > 25\text{ mm}$.

  • Theo TTGH Mỏi: Sức kháng mỏi một neo đinh $Z_r = 9{,}196\text{ kN}$, tính toán bước neo dọc $P$ tại các mặt cắt, chọn bước neo dọc thống nhất $p_d = 200\text{ mm}$ (thỏa mãn khoảng cách cho phép từ $6d = 132\text{ mm}$ đến $600\text{ mm}$).
  • Theo TTGH Cường độ: Sức kháng cắt tính toán một neo $Q_r = 143{,}5\text{ kN}$, tổng lực cắt trượt danh định nửa nhịp $V_h = 7012{,}5\text{ kN}$, yêu cầu tối thiểu $48{,}85$ neo.
  • Tổng số lượng neo đinh bố trí trên một dầm chủ là 306 neo.

Chương 9: Thiết kế sườn tăng cứng

  • Sườn tăng cứng gối: Bố trí các tấm thép dày $14\text{ mm}$, rộng nhô ra $142\text{ mm}$ hàn đối xứng hai bên bản bụng tại vị trí gối dầm. Kiểm toán sức kháng nén dọc trục cấu kiện liên hợp đạt $P_r = \phi_c P_n = 8025{,}97\text{ kN}$, vượt xa phản lực gối tính toán $V_u = 669\text{ kN}$. Độ mảnh sườn tăng cứng $K L / r = 7{,}25 \le 140$.
  • Sườn tăng cứng trung gian: Bố trí cách khoảng $d_0 = 2400\text{ mm}$, kiểm toán mô men quán tính đạt $I_t = 1{,}93 \times 10^6\text{ mm}^4 \ge \max(I_{t1}, I_{t2}) = 1{,}89 \times 10^6\text{ mm}^4$ và diện tích tiết diện sườn $A_s = 3976\text{ mm}^2$ thỏa mãn điều kiện chống mất ổn định cục bộ bản bụng.

Chương 10: Thiết kế mối nối

Do giới hạn năng lực vận chuyển và lắp dựng tối đa cho một phân đoạn dầm thép là $10\text{ m}$, dầm chủ nhịp tính toán $20{,}4\text{ m}$ được bố trí một mối nối công trường tại vị trí $L/4$ (cách tim gối $5{,}1\text{ m}$), chia dầm thành 2 đoạn có chiều dài $5{,}1\text{ m}$ và $15{,}3\text{ m}$.

  • Đường hàn liên kết cánh và bụng dầm: Sử dụng đường hàn góc liên tục chịu lực cắt trượt phối hợp $S = 1792\text{ N/mm}$, chiều cao đường hàn tính toán chọn $a_h = 8\text{ mm}$, bố trí suốt chiều dài dầm.
  • Mối nối dầm dầm tại $L/4$: Sử dụng bu lông cường độ cao M164 (A325M) đường kính $d = 20\text{ mm}$, lỗ khoét $22\text{ mm}$. Tác giả kiểm toán theo hai trường hợp:
    • Trường hợp 1 (Tiết diện dầm bị giảm yếu do khoét lỗ): Sức kháng uốn danh định đạt $M_n = 9540\text{ kNm} > M_u = 4160\text{ kNm}$; ứng suất biên nén trên $f_c = 108{,}17\text{ MPa}$, biên kéo dưới $f_t = 127{,}5\text{ MPa} \le 285\text{ MPa}$.
    • Trường hợp 2 (Tiết diện các bản táp ốp mối nối): Sức kháng uốn danh định đạt $M_n = 9738\text{ kNm} > M_u = 4160\text{ kNm}$; ứng suất biên nén trên $f_c = 80{,}83\text{ MPa}$, biên kéo dưới $f_t = 160{,}25\text{ MPa} \le 285\text{ MPa}$.
    • Sức kháng cắt của bu lông cường độ cao: Khả năng chịu lực với 2 mặt ma sát đạt $[N_b] = 114{,}33\text{ kN}$, với 3 mặt ma sát đạt $[N_b] = 171{,}5\text{ kN}$.

Thiết kế và kiểm toán kỹ thuật hệ dầm

Hệ kết cấu nhịp được thiết kế dạng dầm thép chữ I tổ hợp hàn liên hợp với bản mặt cầu bê tông cốt thép đổ tại chỗ, tận dụng tối đa sự làm việc đồng thời của hai loại vật liệu. Các thông số kỹ thuật cốt lõi và kết quả kiểm toán dầm chủ được tổng hợp tại bảng dưới đây:

Hạng mục thông số Ký hiệu / Quy cách Giá trị thiết kế Đơn vị Tiêu chuẩn so sánh / Đánh giá
Chiều dài tính toán nhịp $L_{tt}$ $20{,}4$ m Khoảng cách tim gối
Bề rộng phần xe chạy $B$ $15{,}0$ m 10 dầm chủ ($S = 1{,}5\text{ m}$)
Chiều cao dầm thép $H$ $1000$ mm $h_w = 925\text{ mm}$, $t_w = 16\text{ mm}$
Bản cánh trên dầm thép $b_t \times t_t$ $300 \times 25$ mm Thép ASTM A709M Cấp 345
Bản cánh dưới đoạn uốn lớn $b_b \times t_b + b_{b2} \times t_{b2}$ $300 \times 25 + 400 \times 25$ mm Bố trí tại vùng $3L/8$ và $L/2$
Bản mặt cầu BTCT $h_f$ $220$ mm Cấp bê tông $25\text{ MPa}$
Sức kháng uốn TTGH Cường độ ($L/2$) $M_u \le \phi M_n$ $3986{,}9 \le 6127{,}7$ kNm Đạt (Hệ số an toàn 1,53)
Sức kháng cắt TTGH Cường độ (Gối) $V_u \le \phi V_n$ $669{,}0 \le 2714{,}4$ kN Đạt (Hệ số an toàn 4,05)
Ứng suất biên trên TTGH Sử dụng $f_f \le 0{,}95 R_b R_h F_y$ $80{,}4 \le 285{,}0$ MPa Đạt
Ứng suất biên dưới TTGH Sử dụng $f_f \le 0{,}95 R_b R_h F_y$ $103{,}5 \le 285{,}0$ MPa Đạt
Biên độ ứng suất TTGH Mỏi $f \le (\Delta F)_{TH}$ $15{,}1 \le 82{,}5$ MPa Đạt
Độ vồng ngược thi công chế tạo $\Delta_v$ $37$ mm Bù võng tĩnh tải ($22{,}22\text{ mm}$)
Quy cách neo đinh chống cắt $d \times h$ $22 \times 180$ mm 3 neo/hàng, bước dọc $p_d = 200\text{ mm}$
Quy cách bu lông mối nối tại $L/4$ Loại M164 (A325M) $d = 20$ mm Lỗ bu lông $22\text{ mm}$

Cơ chế phân kỳ làm việc chịu lực của hệ thống dầm chủ trải qua 3 giai đoạn rõ rệt:

  1. Giai đoạn thi công dầm thép và đổ bê tông: Dầm thép nguyên dạng độc lập chịu toàn bộ tĩnh tải giai đoạn I ($DC_1$), bao gồm trọng lượng bản thân dầm thép, bản bụng, dầm ngang, ván khuôn và bê tông ướt.
  2. Giai đoạn khai thác dài hạn: Sau khi bản mặt cầu bê tông đông kết đạt cường độ, bê tông tham gia chịu lực cùng dầm thép đối với tĩnh tải giai đoạn II ($DC_2, DW$). Do hiện tượng từ biến và co ngót của bê tông dưới tải trọng dài hạn, tỷ số mô đun đàn hồi quy đổi được tính nhân 3 ($3n = 24$), trọng tâm tiết diện dịch chuyển xuống dưới so với giai đoạn ngắn hạn.
  3. Giai đoạn khai thác tức thời: Hoạt tải xe cơ giới HL-93 và tải trọng người đi bộ tác dụng tức thời lên hệ thống, kết cấu làm việc liên hợp hoàn toàn với tỷ số mô đun $n = 8$, trục trung hòa dẻo đi qua bản cánh trên hoặc bản mặt cầu giúp triệt tiêu phần lớn vùng ứng suất kéo bất lợi trong bê tông.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Đồ án hoàn thành trọn vẹn bộ hồ sơ tính toán thiết kế kết cấu nhịp cầu thép liên hợp bản bê tông cốt thép nhịp $21\text{ m}$ với các kết quả cụ thể:

  • Xác lập được kích thước tiết diện dầm chữ I tối ưu vật liệu: Bản cánh dưới được cấu tạo phân tầng linh hoạt, chỉ bổ sung bản táp $400 \times 25\text{ mm}$ tại các phân đoạn nội lực mô men cao ($3L/8$ và $L/2$), giúp giảm trọng lượng bản thân dầm thép tại vùng gần gối mà vẫn đảm bảo khả năng chịu uốn lớn nhất ($M_n = 6127{,}7\text{ kNm}$).
  • Cung cấp số liệu chi tiết về hệ số phân bố ngang theo làn xe cho sơ đồ cầu 10 dầm chủ ($mg_{MI} = 0{,}482$ cho mô men, $mg_{VI} = 0{,}597$ cho lực cắt), chứng minh sự làm việc phân phối tải trọng hiệu quả giữa các dầm chủ trong cự ly $S = 1{,}5\text{ m}$.
  • Thiết kế hoàn chỉnh hệ neo đinh chống cắt gồm 306 neo đinh ($\phi 22\text{ mm}$, cao $180\text{ mm}$), bố trí 3 neo trên một hàng ngang với bước dọc cố định $200\text{ mm}$, giải quyết triệt để vấn đề truyền lực cắt trượt giữa bản bê tông và bản cánh trên dầm thép cho cả hai điều kiện mỏi và cường độ.
  • Đưa ra giải pháp chia đốt dầm và cấu tạo mối nối bu lông cường độ cao M164 tại vị trí $L/4$ ($5{,}1\text{ m}$ tính từ tim gối). Tính toán kiểm chứng xác nhận khả năng chịu lực của tiết diện dầm sau khi giảm yếu do khoét lỗ bu lông ($M_n = 9540\text{ kNm}$) cũng như hệ bản táp ốp mối nối ($M_n = 9738\text{ kNm}$) đều vượt xa mô men tính toán tại mặt cắt ($M_u = 4160\text{ kNm}$).

Đóng góp kỹ thuật chính của đồ án là việc tuân thủ đầy đủ và chặt chẽ quy trình thiết kế theo tiêu chuẩn LRFD (TCVN 11823:2017), liên kết đồng bộ từ khâu phân tích nội lực, lựa chọn tiết diện, kiểm toán các trạng thái giới hạn đến chi tiết cấu tạo cơ khí (đường hàn góc, bu lông ma sát, sườn tăng cứng chống oằn).

Hạn chế và phạm vi áp dụng

Đồ án có các giới hạn kỹ thuật được xác định theo phạm vi nghiên cứu:

  • Phạm vi kết cấu giới hạn ở mô hình dầm giản đơn một nhịp $21\text{ m}$, sơ đồ mặt cắt ngang không có lề bộ hành và gờ chắn biên bằng không ($L_c = 0$), không phản ánh cho các sơ đồ cầu liên tục nhiều nhịp hoặc cầu có bề rộng lề bộ hành lớn.
  • Báo cáo tập trung toàn bộ vào kết cấu phần trên (dầm chủ, hệ sườn, neo chống cắt, mối nối dầm); các hạng mục kết cấu phần dưới (mố, trụ, hệ cọc móng), gối cầu, khe co giãn và bản quá độ chưa được đề cập trong văn bản.
  • Mô hình tính toán tĩnh học giải tích chưa xét đến các tác động động lực học phức tạp như phân tích đáp ứng động đất, tác động gió bão cực hạn, tải trọng va đập tàu thuyền hoặc hiệu ứng gradient nhiệt độ phi tuyến qua chiều cao dầm.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo thực hành kỹ thuật trực tiếp cho sinh viên, kỹ sư chuyên ngành Kỹ thuật Cầu đường, Kỹ thuật Công trình Giao thông và Xây dựng Công trình Thủy - Cầu hầm:

  • Phần phương pháp tính toán đặc trưng hình học tiết diện liên hợp 3 giai đoạn ($n = 8$ và $3n = 24$) cung cấp trình tự mẫu mực để giải các bài toán dầm liên hợp bất đối xứng có xét đến bản táp cánh dưới.
  • Chương kiểm toán dầm chủ theo TCVN 11823-06:2017 là tài liệu tham khảo chi tiết cho các bước kiểm tra tính dẻo, kiểm tra mất ổn định oằn của bản bụng đặc chắc, và kiểm tra mỏi do cong vênh bản bụng uốn/cắt.
  • Bản tính mối nối dầm công trường tại mặt cắt $L/4$ cung cấp phương pháp luận thực tế để kiểm tra khả năng chịu lực của tiết diện thép bị giảm yếu do lỗ bu lông cường độ cao và kiểm toán sức kháng trượt của liên kết bu lông ma sát.

Câu hỏi thường gặp

1. Kích thước cơ bản của dầm thép chủ và bản mặt cầu được chọn trong đồ án là bao nhiêu? Dầm thép có tổng chiều cao $H = 1000\text{ mm}$, gồm bản bụng cao $h_w = 925\text{ mm}$, dày $t_w = 16\text{ mm}$; bản cánh trên rộng $b_t = 300\text{ mm}$, dày $t_t = 25\text{ mm}$; bản cánh dưới cơ bản rộng $b_b = 300\text{ mm}$, dày $t_b = 25\text{ mm}$. Tại các phân đoạn $3L/8$ và $L/2$, bản cánh dưới được bổ sung thêm bản táp rộng $400\text{ mm}$, dày $25\text{ mm}$. Bản mặt cầu bê tông cốt thép có chiều dày $h_f = 220\text{ mm}$, sử dụng bê tông cấp $25\text{ MPa}$, phía trên là lớp phủ bê tông nhựa dày $75\text{ mm}$.

2. Hệ số phân bố tải trọng ngang (HSPBN) đối với mô men và lực cắt của dầm trong được tính toán như thế nào? Hệ số phân bố ngang được tính toán theo công thức kinh nghiệm của TCVN 11823-06:2017. Đối với dầm trong, trường hợp một làn xe cho hệ số mô men $mg = 0{,}365$; trường hợp hai hay nhiều làn xe cho $mg = 0{,}482$, do đó tác giả lựa chọn giá trị bất lợi nhất là $mg_{MI} = 0{,}482$. Đối với lực cắt dầm trong, hệ số phân bố tính toán đạt $mg_{VI} = 0{,}597$.

3. Độ võng lớn nhất của dầm do hoạt tải là bao nhiêu và độ vồng ngược thi công được ấn định là bao nhiêu? Độ võng đàn hồi lớn nhất của dầm chủ do hoạt tải xe đơn và tải làn thiết kế gây ra là $0{,}752\text{ mm}$. Tổng độ võng do tĩnh tải tích lũy gây ra trên dầm trong là $22{,}22\text{ mm}$ (dầm biên là $21{,}97\text{ mm}$). Để bù lại độ võng do tĩnh tải trong quá trình thi công và khai thác, đồ án ấn định độ vồng ngược chế tạo cho các dầm thép là $\Delta_v = 37\text{ mm}$.

4. Hệ thống neo đinh chống cắt liên hợp được cấu tạo và bố trí với số lượng bao nhiêu? Hệ thống sử dụng neo đinh hình nấm có đường kính thân $d = 22\text{ mm}$, chiều cao $h = 180\text{ mm}$ (chôn sâu vào bản mặt cầu $80\text{ mm}$). Trên mỗi mặt cắt ngang bố trí cụm 3 neo đinh với khoảng cách ngang $100\text{ mm}$. Theo phương dọc cầu, bước neo được bố trí đều $p_d = 200\text{ mm}$, tổng số lượng neo đinh được cấy trên một dầm chủ là 306 neo, thỏa mãn cả điều kiện chịu mỏi và sức kháng cắt trượt cường độ.

5. Tại sao đồ án bố trí mối nối dầm tại vị trí $L/4$ và quy cách liên kết ra sao? Do điều kiện gia công và phương tiện vận chuyển đường bộ bị khống chế chiều dài tối đa $10\text{ m}$, dầm chủ dài tính toán $20{,}4\text{ m}$ phải được cắt thành 2 phân đoạn ($5{,}1\text{ m}$ và $15{,}3\text{ m}$) và nối tại mặt cắt $L/4$ ($5{,}1\text{ m}$ tính từ gối), nơi có nội lực mô men đã giảm so với giữa nhịp. Mối nối sử dụng liên kết bu lông cường độ cao loại M164 (A325M) đường kính $20\text{ mm}$, lỗ khoét $22\text{ mm}$, kết hợp bản táp thép ốp cánh và bụng, đạt sức kháng uốn danh định $M_n = 9738\text{ kNm}$, vượt xa mô men tính toán tại tiết diện nối ($M_u = 4160\text{ kNm}$).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Hoàng Khánh Phước đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế kỹ thuật nhịp cầu thép liên hợp bản bê tông cốt thép giản đơn $21\text{ m}$ theo tiêu chuẩn TCVN 11823:2017. Các kết quả tính toán chi tiết qua 10 chương khẳng định kết cấu dầm chủ chữ I thỏa mãn tuyệt đối các điều kiện chịu lực ở trạng thái giới hạn cường độ, sử dụng và mỏi. Hồ sơ tính toán có độ chính xác cao về mặt số liệu, tích hợp các giải pháp cấu tạo hợp lý như bố trí bản táp cục bộ, chia đốt vận chuyển tại vị trí $L/4$ và tối ưu hóa hệ neo đinh chống cắt, mang lại giá trị tham khảo thực tiễn cho công tác đào tạo và thiết kế kỹ thuật công trình cầu đường.