Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế cầu Trần Nhân Tông, huyện Yên Dũng, tỉnh Bắc Giang" do sinh viên Nghiêm Thanh Hùng (lớp XD1801C, chuyên ngành Xây dựng Cầu đường, Khoa Xây dựng, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng) thực hiện năm 2019 dưới sự hướng dẫn của ThS. Bùi Ngọc Dung. Đồ án giải quyết bài toán giao thông kết nối hai bờ sông Thương thuộc địa phận huyện Yên Dũng, tỉnh Bắc Giang.
Về bối cảnh thực tiễn, vị trí xây dựng công trình cầu Trần Nhân Tông nằm trên tuyến tỉnh lộ 299, tuyến đường nối liền trung tâm thị trấn với vùng kinh tế trọng điểm của tỉnh Bắc Giang, cách trung tâm thị xã khoảng 3 km. Tuyến cầu đóng vai trò kết nối trực tiếp tám xã và một thị trấn phía Đông Bắc với khu ba Tổng (gồm chín xã và một thị trấn huyện lỵ) của huyện Yên Dũng. Trước khi có dự án, việc lưu thông qua sông Thương tại khu vực này phụ thuộc chủ yếu vào phà Đám. Bến phà Đám không đáp ứng được nhu cầu vận tải và lưu lượng phương tiện ngày càng gia tăng. Đồng thời, các tuyến đường bộ ở hai bên đầu cầu đã được đầu tư nâng cấp mở rộng, khiến vị trí vượt sông trở thành điểm nghẽn giao thông. Do đó, việc xây dựng một công trình cầu vĩnh cửu qua sông Thương là yêu cầu cấp thiết nhằm hoàn thiện mạng lưới giao thông, phục vụ vận chuyển hàng hóa, nguyên vật liệu và thúc đẩy phát triển kinh tế - văn hóa địa phương.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:
- Điều tra, tổng hợp điều kiện tự nhiên, địa hình, khí hậu, thủy văn sông Thương và địa chất công trình tại vị trí tuyến vượt sông.
- Xác định các chỉ tiêu kỹ thuật thiết kế công trình cầu theo quy chuẩn hiện hành (khổ cầu, tải trọng, cấp thông thuyền, khẩu độ thoát nước).
- Đề xuất hai phương án kết cấu nhịp sơ bộ: Phương án 1 (cầu dầm hộp bê tông cốt thép dự ứng lực liên tục 3 nhịp kết hợp 2 nhịp dầm giản đơn) và Phương án 2 (cầu dầm hộp bê tông cốt thép dự ứng lực liên tục 3 nhịp lớn); tính toán sơ bộ khối lượng và lựa chọn phương án kỹ thuật hợp lý.
- Triển khai thiết kế kỹ thuật phương án lựa chọn: tính toán bản mặt cầu, tính toán nội lực và bố trí cốt thép dầm chủ, tính toán các dạng mất mát dự ứng lực, kiểm toán các trạng thái giới hạn cường độ và sử dụng, tính toán kết cấu trụ và móng cọc khoan nhồi.
- Lập biện pháp tổ chức thi công mố trụ (vòng vây cọc ván thép, thi công cọc khoan nhồi) và thi công kết cấu nhịp bằng phương pháp đúc hẫng cân bằng.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Công trình cầu vĩnh cửu Trần Nhân Tông vượt sông Thương.
- Phạm vi không gian: Huyện Yên Dũng, tỉnh Bắc Giang, tuyến tỉnh lộ 299, khẩu độ cầu tính toán $L_0 = 250\text{ m}$.
- Phạm vi thời gian và dữ liệu: Số liệu khảo sát địa chất, thủy văn và kinh tế - kỹ thuật được thu thập và xử lý tại thời điểm thực hiện đồ án (năm 2019).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế
Hệ thống quy chuẩn, tiêu chuẩn và lý thuyết tính toán được tác giả sử dụng gồm:
- Tiêu chuẩn thiết kế: Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ 22 TCN 272-05 do Bộ Giao thông Vận tải ban hành.
- Hệ thống quản lý chất lượng đào tạo: Tiêu chuẩn ISO 9001 - 2015 của Trường Đại học Dân lập Hải Phòng.
- Tải trọng thiết kế: Hoạt tải HL-93 (gồm xe tải thiết kế kết hợp tải trọng làn hoặc xe hai trục thiết kế kết hợp tải trọng làn $9,3\text{ kN/m}$, hệ số xung kích xe tải $\text{IM} = 25%$), tải trọng người đi bộ rải đều trên lề bộ hành $300\text{ kg/m}^2$ ($3\text{ kN/m}^2$).
- Tiêu chuẩn thông thuyền: Sông thông thuyền cấp III, bề rộng khoang thông thuyền $L_{tt} = 50\text{ m}$, chiều cao tĩnh không thông thuyền $H_{tt} = 7\text{ m}$, mực nước thông thuyền $\text{MNTT} = 4,5\text{ m}$.
- Khẩu độ thoát nước yêu cầu: $L_0 = 250\text{ m}$.
- Quy mô công trình: Cầu vĩnh cửu bằng bê tông cốt thép (BTCT) và bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCT DUL). Khổ cầu thiết kế $K = 8 + 2 \times 1,5 = 11\text{ m}$ (phần xe chạy rộng $8\text{ m}$, hai lề người đi bộ mỗi bên $1,5\text{ m}$); tổng bề rộng toàn cầu kể cả gờ chắn và lan can $B = 8 + 2 \times 1,5 + 2 \times 0,5 + 2 \times 0,25 = 12,5\text{ m}$.
Phương pháp nghiên cứu và tính toán thực tế:
- Phương pháp phân tích - tổng hợp: Đánh giá dữ liệu khảo sát tự nhiên, địa hình đồng bằng ven sông, khí hậu nhiệt đới gió mùa phân bố theo hai mùa rõ rệt (mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 9 chiếm 80-85% lượng mưa năm, mùa khô từ tháng 10 đến tháng 4 năm sau chiếm 15-20%).
- Phương pháp cơ học kết cấu và đường ảnh hưởng: Lập đường ảnh hưởng mô men uốn và lực cắt cho dầm chủ, mố và trụ cầu; thực hiện xếp xe bất lợi theo tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 để tìm nội lực lớn nhất tại các mặt cắt kiểm tra.
- Phương pháp trạng thái giới hạn (LRFD): Kiểm toán sức kháng uốn, kiểm tra hàm lượng cốt thép tối đa, tối thiểu theo Trạng thái giới hạn Cường độ I; kiểm tra ứng suất thớ trên, thớ dưới và độ võng dầm theo Trạng thái giới hạn Sử dụng.
- Phương pháp tính toán sức chịu tải móng cọc ngàm vào tầng đá: Áp dụng Điều 10.2 tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 để tính toán sức kháng mũi cọc khoan nhồi trong nền đá vôi xám dựa trên cường độ nén nở hông mẫu đá $q_u = 26\text{ MPa}$, khoảng cách khe nứt $S_d = 400\text{ mm}$, bề rộng khe nứt $t_d = 6\text{ mm}$, hệ số không thứ nguyên $K_{sp}$ và hệ số chiều sâu $d$.
Nguồn số liệu địa chất từ hố khoan thăm dò tại vị trí xây dựng công trình gồm 4 tầng địa chất:
- Lớp 1: Cát thô sạn.
- Lớp 2: Sét cát nâu.
- Lớp 3: Cuội sỏi cát.
- Lớp 4: Đá vôi xám (lớp chịu lực mũi cọc khoan nhồi).
Nguồn vật liệu xây dựng: Đá dăm khai thác tại mỏ địa phương vận chuyển bằng đường bộ; cát vàng khai thác tại bãi sông bảo đảm độ sạch và mô đun độ lớn; thép xây dựng sử dụng thép Thái Nguyên hoặc liên doanh Việt - Nhật, Việt - Úc; xi măng cung cấp từ các nhà máy xi măng lân cận khu vực; bê tông cọc mác 300 ($R_n = 130\text{ kg/cm}^2$, cốt thép dọc nhóm AII $R_a = 2400\text{ kg/cm}^2$).
Thiết kế kỹ thuật và giải pháp kết cấu
Căn cứ vào khẩu độ thoát nước $L_0 = 250\text{ m}$, khổ cầu và điều kiện địa chất, tác giả đề xuất và tính toán so sánh hai phương án kết cấu nhịp:
| Chỉ tiêu kỹ thuật / Kết cấu |
Phương án 1 (PA1) |
Phương án 2 (PA2) |
| Sơ đồ bố trí nhịp |
$55 + 86 + 55\text{ m}$ (nhịp liên tục) + $2 \times 35\text{ m}$ (nhịp dẫn) |
$75 + 115 + 75\text{ m}$ (nhịp liên tục) |
| Tổng chiều dài kết cấu nhịp |
$266\text{ m}$ |
$265\text{ m}$ |
| Khẩu độ tính toán ($L_0^{TK}$) |
$253,3\text{ m}$ (chênh lệch $+1,32% \le 5%$, Đạt) |
$256,0\text{ m}$ (chênh lệch $+2,4% \le 5%$, Đạt) |
| Loại hình kết cấu thượng bộ |
Dầm hộp BTCT DUL đúc hẫng + Dầm T BTCT DUL |
Dầm hộp BTCT DUL thi công đúc hẫng toàn bộ |
| Chiều cao dầm hộp giữa nhịp ($h_m$) |
$2,0\text{ m}$ |
$2,5\text{ m}$ |
| Chiều cao dầm hộp trên đỉnh trụ ($H_P$) |
$5,0\text{ m}$ |
$6,8\text{ m}$ |
| Chiều dài cánh hẫng tính toán ($L$) |
$40,5\text{ m}$ |
$55,0\text{ m}$ |
| Phương trình đường cong đáy dầm |
$y = 0,00182 x^2 + 2$ (m) |
$y = 0,00142 x^2 + 2,5$ (m) |
| Biến thiên chiều dày bản đáy ($h_x$) |
Từ $0,3\text{ m}$ (giữa nhịp) đến $1,1\text{ m}$ (đỉnh trụ) |
Từ $0,3\text{ m}$ (giữa nhịp) đến $1,1\text{ m}$ (đỉnh trụ) |
| Phân chia khối đốt dầm hộp |
Đốt đỉnh trụ $K_0 = 12\text{ m}$; đốt hợp long $K_c = 2\text{ m}$; 10 đốt hẫng mỗi bên ($4 \times 3\text{ m} + 6 \times 4\text{ m}$); đốt đúc trên đà giáo biên $11\text{ m}$ |
Đốt đỉnh trụ $K_0 = 11\text{ m}$; đốt hợp long $K_c = 2\text{ m}$; 14 đốt hẫng mỗi bên ($5 \times 3\text{ m} + 9 \times 4\text{ m}$); đốt đúc trên đà giáo biên $16,5\text{ m}$ |
| Khối lượng bê tông dầm hộp liên tục |
$2057,0975\text{ m}^3$ |
$3239,45\text{ m}^3$ |
| Đặc điểm nhịp dẫn |
2 nhịp dầm giản đơn chữ T dài $35\text{ m}$, cao $1,75\text{ m}$, bố trí 6 dầm ngang ($h_n = 1,167\text{ m}$) |
Không có nhịp dẫn |
| Khối lượng mố cầu |
Mố M1: $60,085\text{ m}^3$; Mố M2: $79,5625\text{ m}^3$ |
Mố M1: $45,36\text{ m}^3$; Mố M2: $67,37\text{ m}^3$ |
| Khối lượng trụ cầu chính |
Trụ T1: $613,695\text{ m}^3$; Trụ T2: $741,52\text{ m}^3$; Trụ T3: $356,73\text{ m}^3$ |
Trụ T1: $720,24\text{ m}^3$; Trụ T2: $554,93\text{ m}^3$ (tổng 2 trụ $1275,17\text{ m}^3$) |
| Giải pháp móng cọc |
Cọc khoan nhồi đường kính $D = 1,2\text{ m}$ và $D = 1,0\text{ m}$, ngàm vào đá vôi |
Cọc khoan nhồi đường kính $D = 1,2\text{ m}$, ngàm vào đá vôi |
Về cấu tạo chi tiết mặt cầu:
- Mặt cắt ngang cầu gồm 5 lớp: Lớp bê tông atphan dày 5 cm; lớp bê tông bảo vệ dày 3 cm; lớp phòng nước dày 2 cm; lớp bê tông đệm tạo dốc dày 2 cm; tĩnh tải lớp phủ phân bố lấy sơ bộ $g_{lp} = 0,97\text{ T/m}$ (PA1).
- Lan can và gờ chắn: Thể tích bê tông hai dải lan can $123,623\text{ m}^3$, khối lượng cốt thép lan can $20,3978\text{ T}$; thể tích bê tông gờ chắn $0,955\text{ m}^3$, cốt thép gờ chắn $0,9625\text{ T}$.
- Hạ bộ cầu: Mố cầu bằng bê tông cốt thép dạng chữ U tường mỏng, trụ cầu thân đặc đặt trên bệ móng cọc khoan nhồi cắm vào tầng đá vôi xám cường độ cao.
Nội dung chính theo từng chương
Phần I: Thiết kế sơ bộ
Chương I: Tổng quan về công trình cầu qua sông Thương
Chương này phân tích vị trí địa lý, quy hoạch mạng lưới giao thông tỉnh Bắc Giang và sự cần thiết đầu tư cầu Trần Nhân Tông thay thế phà Đám nhằm thông tuyến tỉnh lộ 299. Văn bản trình bày các dữ liệu khảo sát tự nhiên: địa hình vùng đồng bằng ven sông Thương bằng phẳng; khí hậu nhiệt đới chia mùa mưa ẩm rõ rệt; địa tầng gồm 4 lớp (cát thô sạn, sét cát nâu, cuội sỏi cát, đá vôi xám). Các chỉ tiêu kỹ thuật chính được xác lập gồm: tiêu chuẩn 22 TCN 272-05, tải trọng HL-93 và người $300\text{ kg/m}^2$, khổ cầu $K = 8 + 2 \times 1,5 = 11\text{ m}$, khổ thông thuyền cấp III ($50 \times 7\text{ m}$, $\text{MNTT} = 4,5\text{ m}$), khẩu độ thoát nước yêu cầu $L_0 = 250\text{ m}$.
Chương II: Phương án 1: Cầu BTCT liên tục và 2 nhịp đơn giản
Tác giả thuyết minh cấu tạo Phương án 1 với sơ đồ $(55 + 86 + 55) + 2 \times 35 = 266\text{ m}$. Kết cấu nhịp chính là dầm hộp BTCT DUL thi công đúc hẫng cân bằng, chiều cao dầm biến thiên parabol bậc hai từ $2,0\text{ m}$ ở giữa nhịp đến $5,0\text{ m}$ ở đỉnh trụ theo phương trình $y = 0,00182 x^2 + 2$. Cánh dầm hẫng mỗi bên dài $40,5\text{ m}$, chia làm 10 đốt đúc ($K_1$ đến $K_4$ dài $3\text{ m}$, $K_5$ đến $K_{10}$ dài $4\text{ m}$), đốt đỉnh trụ $K_0$ dài $12\text{ m}$, đốt hợp long $K_c$ dài $2\text{ m}$, đoạn đúc trên đà giáo nhịp biên dài $11\text{ m}$. Tổng thể tích bê tông dầm hộp 3 nhịp liên tục là $2057,0975\text{ m}^3$. Hai nhịp dẫn dầm giản đơn chữ T dài $35\text{ m}$, dầm chủ cao $1,75\text{ m}$, khoảng cách tim dầm $2,5\text{ m}$, sườn dày $20\text{ cm}$, trên một nhịp bố trí 6 dầm ngang cách nhau $6\text{ m}$. Chương này tính toán sơ bộ tải trọng tác dụng lên mố M1, M2 và các trụ T1, T3; tính toán sức chịu tải cọc khoan nhồi theo vật liệu ($P_{VL} = 1000,5\text{ T}$ với cọc $D = 1,2\text{ m}$) và theo nền đá ($P = 860\text{ T}$), từ đó xác định móng mố M1 dùng 8 cọc $D = 1,2\text{ m}$, trụ T1 dùng 12 cọc $D = 1,2\text{ m}$, trụ T3 dùng 9 cọc $D = 1,0\text{ m}$, mố M2 dùng 6 cọc $D = 1,2\text{ m}$.
Chương III: Phương án 2: Cầu nhịp liên tục 3 nhịp
Chương này trình bày giải pháp cầu nhịp liên tục 3 nhịp lớn $75 + 115 + 75 = 265\text{ m}$, thi công đúc hẫng cân bằng toàn bộ. Dầm hộp có chiều cao tại đỉnh trụ $H_P = 6,8\text{ m}$, giữa nhịp $h_m = 2,5\text{ m}$, chiều dài cánh hẫng $55\text{ m}$, biến thiên parabol theo phương trình $y = 0,00142 x^2 + 2,5$. Bản đáy dầm dày từ $0,3\text{ m}$ đến $1,1\text{ m}$. Cánh dầm chia làm 14 đốt đúc ($K_1$ đến $K_5$ dài $3\text{ m}$, $K_6$ đến $K_{14}$ dài $4\text{ m}$), đốt đỉnh trụ $K_0$ dài $11\text{ m}$, đốt hợp long $K_c$ dài $2\text{ m}$, khối đúc trên đà giáo biên dài $16,5\text{ m}$. Tổng khối lượng bê tông cho 3 nhịp liên tục là $3239,45\text{ m}^3$. Thể tích bê tông hai mố M1, M2 lần lượt là $45,36\text{ m}^3$ và $67,37\text{ m}^3$; hai trụ T1, T2 lần lượt là $720,24\text{ m}^3$ và $554,93\text{ m}^3$. Tính toán phản lực móng mố M1 do tải trọng tổ hợp là $3020,8\text{ T}$, bố trí 8 cọc khoan nhồi $D = 1,2\text{ m}$ ngàm đá.
Chương IV: Lựa chọn phương án kết cấu kỹ thuật
(Trong mục lục văn bản đánh số là Chương VI). Trên cơ sở so sánh kinh tế - kỹ thuật giữa hai phương án về khối lượng vật liệu, điều kiện thi công đúc hẫng, chiều cao dầm và chi phí móng trụ, đồ án lựa chọn phương án tối ưu để triển khai thiết kế kỹ thuật ở các phần tiếp theo.
Phần II: Thiết kế kỹ thuật
Chương I: Tính toán bản mặt cầu
Nội dung chương tập trung xác định nội lực bản mặt cầu làm việc theo sơ đồ bản côngxôn hoặc bản ngàm đàn hồi trên các vách dầm hộp. Phương pháp tính sử dụng đường ảnh hưởng nội lực dưới tác dụng của tải trọng bánh xe hoạt tải HL-93 kết hợp tĩnh tải lớp phủ mặt cầu; lập bảng tổ hợp nội lực mô men uốn nguy hiểm nhất theo các trạng thái giới hạn; tính toán diện tích cốt thép chịu uốn và kiểm tra khả năng nứt, độ võng của bản mặt cầu.
Chương II: Tính toán dầm chủ
Chương này chiếm khối lượng tính toán lớn nhất trong đồ án, bao gồm:
- Tính tĩnh tải bản thân dầm, tĩnh tải lớp phủ, gờ chắn và lan can.
- Lập đường ảnh hưởng mô men và lực cắt tại các mặt cắt đặc trưng (giữa nhịp, gối, vị trí thay đổi tiết diện).
- Tính hệ số phân phối ngang mô men và lực cắt giữa các dầm/vách dầm hộp.
- Xác định đặc trưng hình học tiết diện dầm chủ (diện tích, mô men quán tính, khoảng cách trọng tâm) thay đổi dọc theo chiều dài nhịp.
- Tính nội lực do hoạt tải HL-93 và tổ hợp nội lực theo các Trạng thái giới hạn (TTGH Cường độ I, TTGH Sử dụng).
- Tính toán và bố trí cốt thép dọc thường và cốt thép dự ứng lực; uốn cốt chủ theo biểu đồ bao mô men.
- Tính toán 6 dạng mất mát ứng suất trong cốt thép dự ứng lực: mất mát do ma sát giữa bó cốt thép và ống gen, mất mát do trượt neo tại đầu neo, mất mát do nén đàn hồi của bê tông, mất mát do ứng suất co ngót của bê tông, mất mát do từ biến bê tông theo thời gian và mất mát do độ chùng ứng suất của cốt thép cường độ cao; tổng hợp giá trị mất mát ứng suất tổng cộng.
- Kiểm toán trạng thái giới hạn cường độ I: kiểm tra sức kháng uốn danh định và tính toán của tiết diện, kiểm tra điều kiện hàm lượng cốt thép tối đa chống phá hoại giòn, kiểm tra hàm lượng cốt thép tối thiểu chống nứt đột ngột.
- Kiểm toán trạng thái giới hạn sử dụng: kiểm tra ứng suất nén và kéo trong bê tông tại thớ trên và thớ đáy ở các mặt cắt giữa nhịp và mặt cắt trên gối đỉnh trụ.
- Kiểm tra độ võng kết cấu nhịp: tính toán độ võng do tĩnh tải dài hạn và độ võng đàn hồi tức thời do hoạt tải HL-93, so sánh với độ võng cho phép theo 22 TCN 272-05.
Chương III: Tính toán trụ cầu
Chương này tính toán kết cấu trụ thân đặc chịu lực: xác định hoạt tải thẳng đứng từ kết cấu nhịp truyền xuống; tính toán tải trọng áp lực nước dòng chảy sông Thương tác dụng lên thân trụ; xác định nội lực theo phương dọc cầu do lực hãm xe và chênh lệch nhiệt độ; kiểm tra cường độ tiết diện thân trụ chịu nén uốn đồng thời; tính toán và bố trí mạng lưới cọc khoan nhồi trong đài móng trụ.
Phần III: Thiết kế thi công
Chương I: Thiết kế thi công trụ
(Trong mục lục văn bản đánh dấu là Phần II). Trình bày yêu cầu kỹ thuật và trình tự thi công kết cấu phần dưới: thi công vòng vây cọc ván thép chống thấm và giữ thành vách hố móng trụ dưới nước sông Thương; tính toán kiểm tra ổn định và chiều sâu ngàm của cọc ván thép; công nghệ khoan và đổ bê tông cọc khoan nhồi đường kính lớn ngàm vào đá vôi; thi công bê tông đài móng và thân trụ đặc.
Chương II: Thiết kế thi công kết cấu nhịp
Trình bày yêu cầu kỹ thuật thi công đúc hẫng cân bằng kết cấu nhịp dầm hộp: lắp dựng xe đúc trên khối đỉnh trụ $K_0$; tính toán sơ bộ khả năng chịu tải của xe đúc và cánh hẫng (lao nút thừa); trình tự đúc bê tông, bảo dưỡng, căng kéo cốt thép DUL và luân chuyển xe đúc cho từng khối đốt đối xứng từ $K_1$ đến khối hẫng cuối cùng; thi công đoạn đúc dầm trên đà giáo cố định ở nhịp biên; công nghệ hợp long nhịp biên và hợp long nhịp giữa; biện pháp lao lắp hoặc đúc tại chỗ dầm giản đơn nhịp dẫn.
Kết quả tính toán và đóng góp kỹ thuật
Đồ án hoàn thành trọn vẹn quy trình thiết kế kỹ thuật công trình cầu Trần Nhân Tông với các kết quả cụ thể:
- Về kích thước hình học và khẩu độ: Xác lập khẩu độ tính toán cho Phương án 1 đạt $L_0^{TK} = 253,3\text{ m}$ (sai số $+1,32%$) và Phương án 2 đạt $256,0\text{ m}$ (sai số $+2,4%$), cả hai đều đáp ứng yêu cầu khẩu độ thoát nước tối thiểu $L_0 = 250\text{ m}$ và khổ thông thuyền cấp III ($50 \times 7\text{ m}$).
- Về tính toán khối lượng vật liệu:
- Phương án 1: Thể tích bê tông 3 nhịp dầm hộp liên tục là $2057,0975\text{ m}^3$; 2 nhịp dầm T dài $35\text{ m}$ có khối lượng bê tông $391,1\text{ T}$; mố M1 và M2 lần lượt là $60,085\text{ m}^3$ và $79,5625\text{ m}^3$; trụ T1 là $613,695\text{ m}^3$, trụ T2 là $741,52\text{ m}^3$, trụ T3 là $356,73\text{ m}^3$.
- Phương án 2: Thể tích bê tông 3 nhịp dầm hộp liên tục lớn hơn đáng kể, đạt $3239,45\text{ m}^3$; mố M1 là $45,36\text{ m}^3$, mố M2 là $67,37\text{ m}^3$; trụ T1 là $720,24\text{ m}^3$, trụ T2 là $554,93\text{ m}^3$ (tổng bê tông 2 trụ là $1275,17\text{ m}^3$, khối lượng cốt thép thân trụ $210,4\text{ T}$).
- Về tính toán kết cấu móng cọc: Xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi đường kính $D = 1,2\text{ m}$ ngàm vào lớp đá vôi xám theo vật liệu đạt $P_{VL} = 1000,5\text{ T}$ và theo nền đất đạt $P = 860\text{ T}$. Từ đó bố trí hợp lý số lượng cọc: móng mố M1 gồm 8 cọc $D = 1,2\text{ m}$ (dài $20,5\text{ m}$); móng trụ T1 gồm 12 cọc $D = 1,2\text{ m}$; móng trụ T3 nhịp dẫn gồm 9 cọc $D = 1,0\text{ m}$ (dài $12,7\text{ m}$, sức chịu tải vật liệu $P_{VL} = 688\text{ T}$, theo đất nền $P = 733\text{ T}$); móng mố M2 gồm 6 cọc $D = 1,2\text{ m}$.
- Đóng góp kỹ thuật: Đồ án áp dụng nhất quán tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 để giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế cầu dầm hộp khẩu độ lớn vượt sông Thương, làm rõ các bước tính toán nội lực, bố trí cốt thép thường, cốt thép dự ứng lực, xác định 6 thành phần mất mát dự ứng lực và lập biện pháp thi công đúc hẫng cân bằng kết hợp vòng vây cọc ván thép phù hợp với điều kiện cơ sở hạ tầng giao thông huyện Yên Dũng.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đồ án:
- Do giới hạn về thời gian làm đồ án tốt nghiệp đại học, tác giả chủ yếu giải quyết bài toán theo mô hình phẳng và bán kinh nghiệm của tiêu chuẩn 22 TCN 272-05; các phân tích ứng xử không gian 3D phức tạp của dầm hộp khi chịu xoắn hoặc lệch tâm lớn chưa được mô phỏng chi tiết trên các phần mềm phần tử hữu hạn chuyên dụng.
- Dữ liệu địa chất mới chỉ dựa trên một số hố khoan thăm dò đại diện; các tính toán địa kỹ thuật về ma sát thành cọc trong các lớp địa tầng bên trên chưa được đưa vào chi tiết mà thiên về thiên an toàn khi huy động chủ yếu sức kháng mũi cọc ngàm vào đá vôi.
Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp:
- Thực hiện mô phỏng số không gian 3D kết cấu dầm hộp và trụ cầu để phân tích chi tiết ứng suất cục bộ tại các vị trí đặt neo dự ứng lực, góc lượn vách hộp và bản mặt cầu.
- Bổ sung tính toán kiểm toán chi tiết từng trạng thái thi công đúc hẫng theo biểu đồ thời gian thực tế, có xét đến lịch trình co ngót, từ biến tích lũy của bê tông và độ võng thi công (tính toán góc kích nâng tạo vồng trước).
- Nghiên cứu bổ sung tác động va chạm tàu thuyền vào thân trụ cầu trên sông Thương theo cấp thông thuyền thực tế.
Giá trị tham khảo
Đồ án có giá trị tham khảo kỹ thuật cho:
- Sinh viên chuyên ngành Xây dựng Cầu đường, Công trình giao thông đang làm đồ án tốt nghiệp hoặc đồ án môn học Thiết kế cầu bê tông cốt thép, Thiết kế cầu dầm hộp đúc hẫng cân bằng.
- Kỹ sư thiết kế cầu đường tham khảo số liệu tính toán chi tiết về: phương trình biến thiên chiều cao dầm hộp parabol, phân chia các khối đốt thi công ($K_0, K_1 - K_n, K_c$), thuật toán tính 6 dạng mất mát ứng suất dự ứng lực theo tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 và quy trình tính toán cọc khoan nhồi ngàm đá theo Điều 10.2.
- Cán bộ kỹ thuật thi công tham khảo giải pháp vòng vây cọc ván thép hố móng trụ cầu dưới nước và quy trình luân chuyển xe đúc hẫng cân bằng trên công trường.
Câu hỏi thường gặp
1. Khổ cầu và tải trọng thiết kế của cầu Trần Nhân Tông được xác định cụ thể như thế nào?
Công trình được thiết kế theo quy mô vĩnh cửu; hoạt tải thiết kế là HL-93 kết hợp tải trọng người đi bộ $300\text{ kg/m}^2$ ($3\text{ kN/m}^2$); khổ cầu $K = 8 + 2 \times 1,5 = 11\text{ m}$ (lòng đường xe chạy rộng $8\text{ m}$, hai bên lề bộ hành mỗi bên $1,5\text{ m}$); tổng bề rộng toàn cầu kể cả gờ chắn và lan can là $B = 12,5\text{ m}$.
2. Địa tầng tại vị trí xây dựng cầu gồm những lớp nào và móng mố trụ đặt vào tầng nào?
Khảo sát địa chất xác định 4 tầng đất đá: Lớp 1 là cát thô sạn, Lớp 2 là sét cát nâu, Lớp 3 là cuội sỏi cát và Lớp 4 là đá vôi xám có cường độ nén nở hông mẫu đá trung bình $q_u = 26\text{ MPa}$. Móng các mố và trụ cầu đều sử dụng cọc khoan nhồi ngàm sâu vào tầng đá vôi xám (Lớp 4) để tận dụng sức kháng mũi cọc lớn.
3. Sự khác biệt cơ bản về sơ đồ nhịp và khối lượng bê tông giữa Phương án 1 và Phương án 2 là gì?
Phương án 1 có sơ đồ nhịp $(55 + 86 + 55) + 2 \times 35 = 266\text{ m}$ (gồm 3 nhịp liên tục dầm hộp và 2 nhịp dẫn dầm T), tổng thể tích bê tông 3 nhịp dầm hộp liên tục là $2057,0975\text{ m}^3$. Phương án 2 có sơ đồ 3 nhịp dầm hộp liên tục lớn $75 + 115 + 75 = 265\text{ m}$ (không có nhịp dẫn), tổng thể tích bê tông 3 nhịp liên tục là $3239,45\text{ m}^3$, lớn hơn Phương án 1 trên $1180\text{ m}^3$ bê tông dầm.
4. Dầm hộp liên tục trong Phương án 1 có quy cách hình học và phân chia đốt thi công ra sao?
Dầm hộp có chiều cao thay đổi dạng parabol $y = 0,00182 x^2 + 2$ (m) với chiều cao giữa nhịp $h_m = 2,0\text{ m}$, chiều cao đỉnh trụ $5,0\text{ m}$, chiều dài cánh hẫng $40,5\text{ m}$. Bản đáy dầm dày từ $0,3\text{ m}$ (giữa nhịp) đến $1,1\text{ m}$ (đỉnh trụ). Phân chia đốt gồm: đốt đỉnh trụ $K_0$ dài $12\text{ m}$, đốt hợp long $K_c$ dài $2\text{ m}$, 10 đốt hẫng mỗi bên cánh ($K_1 - K_4$ dài $3\text{ m}$, $K_5 - K_{10}$ dài $4\text{ m}$) và đoạn đúc trên đà giáo cố định nhịp biên dài $11\text{ m}$.
5. Sức chịu tải của cọc khoan nhồi móng mố M1 được tính toán đạt bao nhiêu?
Cọc khoan nhồi bê tông cốt thép đường kính $D = 1,2\text{ m}$ mố M1 có sức chịu tải theo vật liệu đạt $P_{VL} = 1000,5\text{ T}$ (với bê tông mác 300, thép dọc gồm 20 thanh phi 25 nhóm AII); sức chịu tải tính toán theo nền đất đá đạt $P = 860\text{ T}$. Đài móng mố M1 được bố trí 8 cọc khoan nhồi với chiều dài dự kiến $20,5\text{ m}$.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế cầu Trần Nhân Tông, huyện Yên Dũng, tỉnh Bắc Giang" của sinh viên Nghiêm Thanh Hùng đã giải quyết hoàn chỉnh nhiệm vụ thiết kế một công trình cầu vượt sông Thương vĩnh cửu theo tiêu chuẩn 22 TCN 272-05. Tác giả đã thực hiện đầy đủ các nội dung từ khảo sát tổng quan, so sánh lựa chọn phương án kết cấu nhịp, tính toán chi tiết bản mặt cầu, dầm hộp dự ứng lực, mố trụ đến lập biện pháp tổ chức thi công đúc hẫng cân bằng và móng cọc khoan nhồi ngàm đá. Toàn bộ hệ thống số liệu, công thức kiểm toán và quy trình bố trí kết cấu phản ánh đúng phương pháp luận kỹ thuật ngành Xây dựng Cầu đường, cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cho công tác học tập và nghiên cứu thực hành thiết kế cầu.
