Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Đề tài đồ án tốt nghiệp "Thiết kế cầu vượt cao tốc" được thực hiện bởi sinh viên Trần Nissan, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Huỳnh Tấn Tài tại Bộ môn Công trình Giao thông, Khoa Xây dựng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (năm 2020). Trong mạng lưới giao thông đường bộ hiện đại, các nút giao khác mức và cầu vượt đóng vai trò then chốt trong việc phân tách luồng xe, loại bỏ xung đột trực tiếp trên các tuyến cao tốc nhằm nâng cao năng lực thông hành và bảo đảm an toàn giao thông. Việc tính toán thiết kế kết cấu cầu vượt đòi hỏi phải lựa chọn sơ đồ kết cấu hợp lý, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt về khả năng chịu tải, giới hạn biến dạng, kiểm soát nứt và an toàn chống va chạm xe cộ.
Mục tiêu tổng quát của đồ án là hoàn thiện hồ sơ tính toán thiết kế kỹ thuật cho toàn bộ kết cấu cầu vượt cao tốc khẩu độ nhịp 20 m, từ kết cấu phần trên (dầm chủ, bản mặt cầu, hệ thống lan can phòng hộ) đến kết cấu phần dưới (mố chữ U và trụ cầu bê tông cốt thép). Để đạt được mục tiêu này, nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế được chia thành 5 nội dung cụ thể:
- Tính toán, thiết kế và kiểm toán kết cấu nhịp dầm bản bê tông cốt thép dự ứng lực căng sau có lỗ rỗng theo các trạng thái giới hạn.
- Thiết kế và kiểm toán khả năng chịu lực của bản mặt cầu bê tông cốt thép đổ tại chỗ liên hợp với dầm chủ.
- Tính toán, thiết kế lan can bê tông cốt thép kết hợp thanh kim loại chống va xe đạt cấp thử nghiệm va chạm TL-2.
- Xác định tải trọng, tổ hợp nội lực và thiết kế kiểm toán kết cấu mố chữ U bê tông cốt thép tại các mặt cắt đặc trưng.
- Xác định tĩnh tải, hoạt tải và các tác động môi trường (gió, lực hãm xe) tác dụng lên kết cấu trụ cầu đặc bê tông cốt thép đặt trên móng cọc khoan nhồi.
Đối tượng nghiên cứu của đồ án là công trình cầu vượt đường cao tốc dạng dầm giản đơn bằng bê tông cốt thép dự ứng lực liên hợp bản mặt cầu bê tông cốt thép. Phạm vi không gian của đồ án giới hạn ở sơ đồ nhịp dầm giản đơn chiều dài nhịp $L = 20{,}0\text{ m}$ (chiều dài tính toán $L_{tt} = 19{,}0\text{ m}$ đến $19{,}4\text{ m}$), quy mô mặt cắt ngang gồm 12 dầm bản rỗng đặt song song với bề rộng toàn cầu $W = 12{,}0\text{ m}$ (bề rộng phần xe chạy $B = 11{,}0\text{ m}$, bố trí 3 làn xe thiết kế). Phạm vi thời gian nghiên cứu và dữ liệu tính toán được thiết lập theo hệ thống quy chuẩn kỹ thuật xây dựng công trình giao thông tại Việt Nam tính đến thời điểm năm 2020.
Cơ sở thiết kế và phương pháp tính toán
Hệ thống cơ sở lý thuyết, quy chuẩn và tiêu chuẩn kỹ thuật được tác giả sử dụng làm căn cứ xuyên suốt đồ án bao gồm:
- Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823-2017 áp dụng cho công tác tính toán, kiểm toán dầm chủ bê tông cốt thép dự ứng lực.
- Quy trình thiết kế cầu 22TCN 272-05 áp dụng trong tính toán hệ số phân phối ngang, phân tích hoạt tải, thiết kế lan can phòng hộ, kiểm toán mố và trụ cầu.
- Tiêu chuẩn tải trọng thiết kế: Hoạt tải xe tiêu chuẩn HL-93 gồm xe tải thiết kế 3 trục (trục trước $35\text{ kN}$, hai trục sau $145\text{ kN}$ cách nhau $4{,}3\text{ m}$), xe hai trục thiết kế ($110\text{ kN}$ mỗi trục cách nhau $1{,}2\text{ m}$) kết hợp tải trọng làn rải đều $9{,}3\text{ kN/m}$, xét kèm hệ số xung kích $IM = 0{,}33$ (hoặc $0{,}25$ tùy cấu kiện).
- Tác động ngoại cảnh: Vận tốc gió bão cơ bản thiết kế $V_B = 38\text{ m/s}$, vận tốc gió khai thác $25\text{ m/s}$; hệ số gia tốc động đất khu vực $A_Q = 0{,}09$.
Các phương pháp tính toán kết cấu cụ thể được áp dụng trong đồ án gồm:
- Phương pháp đòn bẩy và phương pháp tra bảng hệ số phân phối ngang (AASHTO / 22TCN 272-05) nhằm phân chia tỷ lệ mômen và lực cắt từ hoạt tải làn xe xuống từng dầm biên và dầm giữa.
- Phương pháp dải bản tương đương (Equivalent Strip Method) áp dụng cho bản mặt cầu làm việc một phương kê trên các dầm chủ cách nhau $1{,}0\text{ m}$.
- Phương pháp cơ cấu đường chảy (Yield Line Theory) dùng để tính toán sức kháng uốn và sức kháng danh định chống va chạm của gờ bê tông kết hợp dầm, cột lan can theo cấp thử nghiệm TL-2.
- Phương pháp phân tích tiết diện qua 3 giai đoạn thi công (giai đoạn 1: dầm đúc sẵn có rãnh đặt ống gen; giai đoạn 2: dầm luồn cáp căng sau; giai đoạn 3: dầm liên hợp với bản bê tông mặt cầu đổ sau) để quy đổi đặc trưng hình học tiết diện theo tỷ số môđun đàn hồi.
- Phương pháp phân tích ứng suất và mất mát ứng suất dự ứng lực theo thời gian đối với kết cấu căng sau (gồm 6 thành phần: tụt neo, ma sát, co ngắn đàn hồi bê tông, co ngót bê tông, từ biến và độ tự chùng của cốt thép).
Nguồn dữ liệu vật liệu sử dụng trong tính toán:
- Bê tông dầm chủ đúc sẵn có cường độ nén quy định $f'_c = 50\text{ MPa}$, môđun đàn hồi $E_b = 38.006\text{ MPa}$; bê tông bản mặt cầu và mố trụ có cường độ $f'_c = 30\text{ MPa}$ ($E_c = 28.561\text{ MPa}$ đến $28.605\text{ MPa}$); bê tông thân trụ và bệ móng cọc có $f'_c = 25\text{ MPa}$.
- Cáp dự ứng lực căng sau có độ tự chùng thấp của hãng OVM (Trung Quốc), loại OVM.M15-3 sử dụng tao cáp đường kính $15{,}2\text{ mm}$, diện tích một tao $A_{ps1} = 140\text{ mm}^2$, cường độ chịu kéo cực hạn $f_{pu} = 1860\text{ MPa}$, giới hạn chảy $f_{py} = 1670\text{ MPa}$, môđun đàn hồi $E_p = 197.000\text{ MPa}$.
- Cốt thép thường có giới hạn chảy $f_y = 300\text{ MPa}$ và $400\text{ MPa}$, môđun đàn hồi $E_s = 200.000\text{ MPa}$.
- Đất đắp sau mố có trọng lượng thể tích $\gamma_s = 17{,}7\text{ kN/m}^3$, góc ma sát trong $\varphi = 30^\circ$, góc ma sát giữa đất và lưng tường $\delta = 20^\circ$.
Nội dung chính theo từng phần của đồ án
Phần 1: Tính toán dầm chủ
Tác giả lựa chọn mặt cắt ngang gồm 12 dầm bản rỗng, khoảng cách tim dầm $1{,}0\text{ m}$. Kích thước hình học tiết diện một dầm: bề rộng $b = 990\text{ mm}$, chiều cao $H = 600\text{ mm}$, bản bê tông đổ sau dày $h_c = 120\text{ mm}$, lớp phủ bê tông asphalt dày $70\text{ mm}$, lớp phòng nước dày $3\text{ mm}$. Tiết diện dầm rỗng bố trí 2 lỗ tròn đường kính $d = 250\text{ mm}$ ($A_r = 49.087{,}385\text{ mm}^2$, mômen quán tính $I_{xr} = 383.495.197\text{ mm}^4$). Các đặc trưng hình học quy đổi được xác định cụ thể tại các mặt cắt: Gối, $H/2$, $L/4$, $3L/8$ và $L/2$ qua ba giai đoạn làm việc.
Tác giả tính toán nội lực tĩnh tải bản thân dầm ($W_{dầm} = 0{,}565\text{ m}^2 \times 2{,}45\text{ T/m}^3$), lan can, gờ chắn, bản mặt cầu, lớp phủ và hoạt tải xe HL-93 kết hợp tải trọng làn. Hệ số phân phối ngang mômen và lực cắt được xác định cho dầm biên và dầm giữa theo phương pháp đòn bẩy và tra bảng AASHTO. Tổ hợp nội lực được thiết lập theo ba trạng thái giới hạn: Cường độ I, Sử dụng I và Sử dụng III.
Trong tính toán cốt thép dự ứng lực, ban đầu tác giả tính toán sơ bộ cần tối thiểu 10,99 tao cáp và chọn bố trí 12 tao cáp (gồm 4 bó, mỗi bó 3 tao). Tổng mất mát ứng suất được tính toán đầy đủ cho 6 thành phần:
- Tụt neo ($\Delta f_{pA} = 68{,}6\text{ MPa}$ cho một bó, tổng mất mát $274{,}4\text{ MPa}$).
- Ma sát thành ống và lắc lư ($\Delta f_{pF} = 2{,}21\text{ MPa}$ tại gối).
- Nén đàn hồi bê tông ($\Delta f_{pES} = 88{,}54\text{ MPa}$).
- Co ngót bê tông ($\Delta f_{pSR} = 29{,}25\text{ MPa}$ với độ ẩm $H = 75%$).
- Từ biến bê tông ($\Delta f_{pCR} = 549{,}09\text{ MPa}$).
- Tự chùng cốt thép sau khi căng ($\Delta f_{pR2} = 119{,}43\text{ MPa}$).
Khi kiểm tra ứng suất ở trạng thái giới hạn sử dụng với phương án 12 tao, ứng suất kéo thớ dưới tại mặt cắt giữa nhịp không đạt (bê tông chịu kéo quá mức cho phép). Do đó, tác giả đã điều chỉnh tăng thêm 2 tao cho mỗi bó cáp, nâng tổng số lên 20 tao cáp ($A_{ps} = 2800\text{ mm}^2$, gồm 4 bó cáp $\times$ 5 tao). Kết quả kiểm toán lại đạt yêu cầu kỹ thuật trên tất cả các tiêu chí:
| Hạng mục kiểm toán |
Vị trí kiểm tra |
Giá trị tính toán |
Giá trị cho phép / Giới hạn |
Đánh giá |
| Ứng suất nén thớ trên (Giai đoạn truyền lực) |
Mặt cắt $L/2$ |
$0{,}88\text{ MPa}$ |
$30{,}0\text{ MPa}$ |
Đạt |
| Ứng suất nén thớ dưới (Giai đoạn truyền lực) |
Mặt cắt $L/2$ |
$5{,}38\text{ MPa}$ |
$30{,}0\text{ MPa}$ |
Đạt |
| Ứng suất kéo thớ trên (TTGH sử dụng) |
Mặt cắt $L/2$ |
$-6{,}2\text{ MPa}$ |
$\ge -14{,}8\text{ MPa}$ |
Đạt |
| Ứng suất nén thớ dưới (TTGH sử dụng) |
Mặt cắt $L/2$ |
$1{,}6\text{ MPa}$ |
$\le 22{,}5\text{ MPa}$ |
Đạt |
| Sức kháng uốn danh định $M_n$ (TTGH cường độ) |
Mặt cắt $L/2$ |
$3042{,}0\text{ kNm}$ |
$M_u = 1714{,}89\text{ kNm}$ |
Đạt |
| Tỷ số trục trung hòa $c/d_e$ (Hàm lượng thép tối đa) |
Mặt cắt $L/2$ |
$0{,}423$ |
$\le 0{,}42$ (xấp xỉ thỏa mãn) |
Đạt |
| Sức kháng uốn tối thiểu |
Toàn dầm |
$M_n = 3042\text{ kNm}$ |
$\min(1{,}2M_{cr}; 1{,}33M_u) = 2280{,}8\text{ kNm}$ |
Đạt |
| Độ võng do hoạt tải xe ($f_{VKT}$) |
Giữa nhịp ($L/2$) |
$3{,}74\text{ mm}$ |
$L_{tt}/800 = 24{,}25\text{ mm}$ |
Đạt |
| Sức kháng cắt danh định $V_n$ |
Mặt cắt Gối |
$1386{,}95\text{ kN}$ |
$V_u = 246{,}54\text{ kN}$ |
Đạt |
Phần 2: Thiết kế bản mặt cầu
Bản mặt cầu bê tông cốt thép dày $h_f = 120\text{ mm}$, phủ lớp bê tông nhựa asphalt dày $70\text{ mm}$ và lớp phòng nước dày $3\text{ mm}$. Vì khoảng cách giữa các dầm chủ ngắn ($S = 1000\text{ mm}$), tỷ số giữa khoảng cách dầm ngang và dầm dọc $L_1/L_2 > 2$, bản làm việc theo phương cạnh ngắn (bản 1 phương). Tác giả cắt dải bản rộng $1{,}0\text{ m}$ theo phương ngang cầu để phân tích.
Do nhịp bản ngắn và các dầm đặt liền kề, mômen uốn phát sinh rất nhỏ, tác giả tập trung tính toán kiểm toán sức kháng cắt cho bản mặt cầu theo TTGH Cường độ I. Tải trọng tác dụng bao gồm tĩnh tải lớp phủ ($W_{as} = 0{,}166\text{ T/m}$), tĩnh tải bản mặt cầu ($W_{bmc} = 0{,}294\text{ T/m}$) và hoạt tải bánh xe sau trục $145\text{ kN}$. Bề rộng vệt bánh xe phân phối tính đổi là $b = 656\text{ mm}$, cự ly dải phân bố hoạt tải bánh xe $S_w = 1210\text{ mm}$. Lực cắt tính toán lớn nhất tại mép dầm đạt $V_u = 92{,}656\text{ kN}$. Bản được bố trí cốt thép đai đứng $\phi 12$ với khoảng cách lưới $a = 600\text{ mm}$. Sức kháng cắt danh định của bản đạt $V_n = \min(V_1, V_2) = 147{,}102\text{ kN}$. Do $V_u = 92{,}656\text{ kN} < \Phi V_n = 147{,}102\text{ kN}$, bản mặt cầu đảm bảo an toàn chịu cắt.
Phần 3: Thiết kế lan can bê tông cốt thép chống va xe cấp thử nghiệm 2 (TL-2)
Lan can được thiết kế theo cấp thử nghiệm TL-2 của quy trình 22TCN 272-05, phù hợp cho đường đô thị, đường gom có tốc độ lưu thông quy định hạn chế và lưu lượng xe tải nặng thấp. Cấu tạo gồm gờ tường bê tông cốt thép cao $H = 700\text{ mm}$, gắn thanh lan can kim loại phía trên nâng tổng chiều cao lên $H_R = 1035\text{ mm}$. Lực va chạm quy định cho cấp TL-2 gồm: lực ngang $F_t = 120\text{ kN}$, lực dọc $F_L = 40\text{ kN}$, lực đứng $F_v = 20\text{ kN}$, chiều dài phân bố lực dọc $L_t = 1220\text{ mm}$, chiều cao điểm đặt lực va chạm $H_e = 510\text{ mm}$.
Tác giả áp dụng lý thuyết cơ cấu đường chảy để xác định sức kháng uốn của gờ tường bê tông theo phương đứng $M_w = 55.714{,}33\text{ N.mm/mm}$ và sức kháng uốn theo phương ngang $M_c = 99.449{,}36\text{ N.mm/mm}$. Cốt thép gờ bê tông bố trí cốt dọc $\phi 12@200$ và cốt đai đứng $\phi 14@200$. Sức kháng của thanh kim loại đỉnh đạt $M_p = 168{,}13\text{ kN.m}$ và sức kháng cột đứng $P_p = 242{,}98\text{ kN}$. Bốn tổ hợp va chạm được kiểm toán chi tiết:
| Trường hợp va xô |
Sức kháng gờ bê tông $R_w$ (kN) |
Sức kháng cột + dầm $R_R$ (kN) |
Tổng sức kháng hệ lan can $R$ (kN) |
Chiều cao điểm kháng $Y$ (mm) |
Điều kiện kiểm toán ($R > 120\text{ kN}$; $Y \ge 510\text{ mm}$) |
| Giữa nhịp + đầu tường/mối nối |
$304{,}14$ |
$108{,}76$ |
$412{,}90$ |
$788{,}24$ |
Đạt |
| Giữa nhịp + một phần tường |
$347{,}38$ |
$108{,}76$ |
$465{,}14$ |
$779{,}88$ |
Đạt |
| Cột lan can + một phần tường |
$55{,}54$ |
$242{,}98$ |
$298{,}52$ |
$972{,}67$ |
Đạt |
| Cột lan can + đầu tường/mối nối |
$98{,}79$ |
$242{,}98$ |
$341{,}77$ |
$938{,}17$ |
Đạt |
Phần 4: Thiết kế mố chữ U bê tông cốt thép
Mố cầu được thiết kế dạng mố chữ U bằng bê tông cốt thép đổ toàn khối gồm 4 bộ phận: tường đỉnh chắn đất, tường thân, tường cánh và bệ móng. Chiều cao toàn bộ mố $h = 5{,}9\text{ m}$, bề rộng mố bằng bề rộng cầu $L = 12{,}0\text{ m}$. Bệ móng mố có kích thước mặt bằng $5{,}0\text{ m} \times 12{,}0\text{ m}$, chiều cao bệ $d = 1{,}5\text{ m}$. Chiều dày tường thân $a = 1{,}1\text{ m}$, chiều dày tường cánh $u = 0{,}5\text{ m}$, chiều dài tường cánh $w = 5{,}5\text{ m}$.
Các thành phần tải trọng tác dụng lên mố gồm:
- Tĩnh tải bản thân các bộ phận mố: chân tường đỉnh ($130{,}51\text{ kN}$), chân tường thân ($1809{,}46\text{ kN}$), đáy bệ móng ($4549{,}51\text{ kN}$), đất đắp trên bệ ($3442{,}9\text{ kN}$).
- Phản lực tĩnh tải kết cấu nhịp truyền xuống mố: dầm chủ ($3312\text{ kN}$), bản mặt cầu và gờ ($264\text{ kN}$), lan can ($98\text{ kN}$), lớp phủ ($365{,}6\text{ kN}$).
- Hoạt tải xe và người đi bộ: hoạt tải trục xe và tải trọng làn gây phản lực thẳng đứng $R_i = 1102{,}66\text{ kN}$, lực xung kích $274{,}57\text{ kN}$.
- Áp lực đất: áp lực đất chủ động với hệ số $K_a = 0{,}268$, áp lực đất ngang do hoạt tải sau mố quy đổi qua chiều cao đất tương đương $h_{eq}$ ($762\text{ mm}$ đến $1700\text{ mm}$ tùy vị trí).
- Lực hãm xe dọc cầu $BR = 207{,}49\text{ kN}$, tải trọng gió công trình ($WS = 88{,}08\text{ kN}$ ở $V = 38\text{ m/s}$), tải trọng gió hoạt tải ($WL = 18{,}0\text{ kN}$), lực động đất quán tính ($EQ = 1476{,}79\text{ kN}$).
Tác giả lập tổ hợp tải trọng theo các TTGH Cường độ I, II, III, Đặc biệt (động đất) và Sử dụng tại 4 mặt cắt kiểm toán:
- Mặt cắt C-C (Đáy bệ móng mố): Lực dọc tính toán lớn nhất $P_u = 26.733{,}11\text{ kN} > 0{,}1 A_g f'c$, kiểm toán uốn nén hai phương đạt điều kiện $\frac{M{ux}}{M_{rx}} + \frac{M_{uy}}{M_{ry}} = 0{,}168 \le 1{,}0$. Bố trí cốt thép chịu uốn đáy bệ gồm phương dọc $77\phi 25$ ($A_s = 37.797\text{ mm}^2$), phương ngang $32\phi 25$ ($A_s = 15.708\text{ mm}^2$). Kiểm toán nứt theo TTGH sử dụng đạt $f_{sa} = 227{,}46\text{ MPa} \le 0{,}6f_y$. Sức kháng cắt bê tông bệ móng $\Phi V_n = 53.653\text{ kN} > V_u = 26.733{,}11\text{ kN}$.
- Mặt cắt B-B (Chân tường thân): Lực dọc $P_u = 11.117\text{ kN}$, tỷ số uốn hai phương đạt $0{,}119 \le 1{,}0$. Cốt thép bố trí gồm phương dọc $29\phi 18$ ($A_s = 7379{,}6\text{ mm}^2$), phương ngang $74\phi 22$ ($A_s = 28.192\text{ mm}^2$). Kiểm toán nứt và cắt đều thỏa mãn.
- Mặt cắt A-A (Chân tường đỉnh): Chiều dày tường đỉnh $0{,}4\text{ m}$, cao $0{,}8\text{ m}$. Cốt thép bố trí $77\phi 16$ phương dọc và $5\phi 18$ phương ngang, các chỉ tiêu ứng suất nứt và cường độ đều đạt.
- Mặt cắt D-D (Chân tường cánh): Chiều dày tường cánh $0{,}5\text{ m}$, bố trí cốt thép $37\phi 16$ ($A_s = 7439\text{ mm}^2$). Tỷ số uốn hai phương đạt $0{,}452 \le 1{,}0$, kiểm toán nứt và sức kháng cắt đạt yêu cầu.
Phần 5: Tính toán trụ cầu
Trụ cầu được thiết kế dạng thân đặc bằng bê tông cốt thép đặt trên móng cọc khoan nhồi gồm 6 cọc. Vật liệu sử dụng gồm bê tông xà mũ $f'_c = 30\text{ MPa}$, bê tông thân trụ và bệ móng cọc $f'_c = 25\text{ MPa}$. Kích thước hình học cơ bản của trụ:
- Xà mũ trụ: chiều dài ngang cầu $b_h = 12{,}0\text{ m}$, chiều cao $h_{cb} = 1{,}2\text{ m}$.
- Thân trụ đặc: chiều rộng ngang cầu $b_c = 9{,}5\text{ m}$, chiều cao thân trụ $h_c = 4{,}2\text{ m}$, chiều dày thân $1{,}32\text{ m}$.
- Bệ trụ: kích thước mặt bằng đặt trên 6 cọc khoan nhồi, chiều cao bệ $h = 2{,}0\text{ m}$, thể tích bệ $72\text{ m}^3$ (trọng lượng $1764\text{ kN}$).
Tác giả xác định toàn bộ các tĩnh tải và hoạt tải truyền xuống từ hai nhịp giản đơn $20\text{ m}$ kê trên xà mũ trụ:
- Tĩnh tải kết cấu nhịp: trọng lượng bản thân dầm chủ 12 dầm đạt $3312\text{ kN}$, bản mặt cầu $64{,}0\text{ kN}$, gờ chắn bánh $18{,}81\text{ kN}$, lan can $9{,}24\text{ kN}$, lớp phủ mặt cầu $36{,}0\text{ kN}$ (tổng phản lực tĩnh tải một nhịp là $3405{,}08\text{ kN}$).
- Tĩnh tải bản thân trụ: thân trụ có thể tích $52{,}3\text{ m}^3$ tương ứng trọng lượng $1281{,}0\text{ kN}$; bệ trụ có trọng lượng $1764{,}0\text{ kN}$. Tổng trọng lượng bản thân trụ tại đáy bệ là $3045{,}0\text{ kN}$.
- Hoạt tải xe và người đi bộ: trường hợp bất lợi nhất khi chất tải cả hai nhịp, phản lực hoạt tải xe tải HL-93 đạt $858{,}418\text{ kN}$, xe hai trục đạt $639{,}84\text{ kN}$, tải trọng làn đạt $19{,}26\text{ kN}$.
- Tác động nằm ngang: lực hãm xe phanh $WL = 207{,}19\text{ kN}$ (lấy bằng 25% tổng trọng lượng các trục xe tải thiết kế, đặt cách mặt đường $1{,}8\text{ m}$ và giả thiết truyền 100% qua gối xuống trụ); tải trọng gió ngang tác dụng lên kết cấu nhịp ($432{,}53\text{ kN}$), xà mũ ($24{,}78\text{ kN}$), thân trụ và hoạt tải xe cộ ($30{,}0\text{ kN}$ ở vận tốc $38\text{ m/s}$); tải trọng gió dọc lấy bằng $25%$ gió ngang tương ứng.
Kết quả và đóng góp kỹ thuật của đồ án
Kết quả tính toán cụ thể của đồ án bao gồm:
- Xác lập giải pháp dầm bản rỗng bê tông cốt thép dự ứng lực căng sau dài $20\text{ m}$ gồm 12 dầm ghép ngang, chiều cao kiến trúc thấp ($H = 600\text{ mm}$ tương ứng tỷ lệ mảnh $H/L = 1/33{,}3$), giúp tối ưu hóa chiều cao kiến trúc và bảo đảm tĩnh không vượt cao tốc.
- Hoàn thiện tính toán tổn hao dự ứng lực cho 6 thành phần với tổng mất mát tại mặt cắt giữa nhịp đạt $973\text{ MPa}$ ($52{,}31%$ ứng suất ban đầu).
- Phát hiện hiện tượng vượt ứng suất kéo cho phép thớ dưới khi sử dụng 12 tao cáp DƯL ($A_{ps} = 1680\text{ mm}^2$), từ đó tác giả đã hiệu chỉnh nâng số lượng lên 20 tao cáp ($A_{ps} = 2800\text{ mm}^2$), đưa ứng suất làm việc về giới hạn an toàn ($1{,}6\text{ MPa} \le 22{,}5\text{ MPa}$).
- Chứng minh độ võng của kết cấu nhịp dưới tác dụng của đoàn xe thiết kế $f_{VKT} = 3{,}74\text{ mm}$ hoàn toàn nằm trong giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn ($L_{tt}/800 = 24{,}25\text{ mm}$).
- Thiết kế hệ thống lan can chống va chạm cấp TL-2 bảo đảm khả năng hấp thụ năng lượng va đập với sức kháng tổng cộng đạt từ $298{,}52\text{ kN}$ đến $465{,}14\text{ kN}$, vượt xa yêu cầu thử nghiệm tải trọng ngang $120\text{ kN}$.
- Bố trí cốt thép chịu uốn nén hai phương và cốt đai chịu cắt cho toàn bộ 4 mặt cắt chính của mố chữ U (đáy bệ $77\phi 25$, chân tường thân $74\phi 22$, chân tường cánh $37\phi 16$), kiểm soát ứng suất kéo cốt thép chống nứt bề mặt dưới $227\text{ MPa}$.
Đóng góp kỹ thuật của đồ án là việc cung cấp một bộ tài liệu tính toán hoàn chỉnh, nhất quán theo tiêu chuẩn TCVN 11823-2017 và 22TCN 272-05 cho loại hình kết cấu dầm bản rỗng dự ứng lực nhịp ngắn kết hợp mố chữ U và trụ đặc. Hồ sơ thể hiện rõ ràng phương pháp xử lý số liệu lặp khi chuyển đổi từ thiết kế sơ bộ sang kiểm toán chi tiết đối với cáp dự ứng lực và cốt thép kết cấu phần dưới.
Hạn chế và phạm vi hoàn thiện
Dựa trên nội dung thuyết minh và phạm vi nghiên cứu của đồ án, một số hạn chế kỹ thuật và định hướng hoàn thiện được ghi nhận:
- Theo quy định tại Điều 5.5.3 của tiêu chuẩn thiết kế, tác giả không thực hiện kiểm toán mỏi cho bản mặt cầu bê tông do kết cấu thuộc hệ nhiều dầm bản đặt sát nhau.
- Trong công tác kiểm toán sức kháng uốn và tính toán biến dạng nứt của dầm chủ, tác giả bỏ qua sự tham gia chịu lực của cốt thép thường nhằm thiên về an toàn; điều này làm giảm một phần khả năng tối ưu hóa vật liệu trong dầm.
- Trong tính toán lực hãm xe tác dụng lên trụ cầu, do tài liệu tra cứu không có thông số cụ thể về tỷ lệ ma sát trượt của gối cầu cao su hoặc gối chậu, tác giả giả định lực hãm truyền $100%$ xuống đỉnh trụ; hướng mở tiếp theo cần mô hình hóa chính xác độ cứng của gối để phân bổ lực hãm giữa mố và trụ thực tế hơn.
- Thuyết minh phần trụ cầu mới dừng lại ở bước tổng hợp tải trọng và xác định nội lực tác dụng lên xà mũ, thân trụ và đáy bệ; nội dung kiểm toán chi tiết sức chịu tải của 6 cọc khoan nhồi chưa được trình bày trong phạm vi văn bản này.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên môn phù hợp cho sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông, Công trình Cầu - Hầm trong quá trình thực hiện đồ án môn học Thiết kế Cầu Bê tông cốt thép và đồ án tốt nghiệp đại học. Ngoài ra, kỹ sư thiết kế kết cấu cầu đường có thể tham khảo phương pháp tính toán dầm bản rỗng dự ứng lực căng sau khẩu độ ngắn.
Các nội dung có giá trị tham khảo cao nhất trong đồ án bao gồm:
- Quy trình phân tích và biểu mẫu tính toán 6 thành phần mất mát ứng suất căng sau theo thời gian.
- Trình tự kiểm toán lan can phòng hộ chịu va chạm xe cộ cấp thử nghiệm TL-2 bằng phương pháp cơ cấu đường chảy.
- Phương pháp kiểm toán điều kiện nén lệch tâm uốn hai phương kết hợp kiểm tra bề rộng vết nứt cho mố chữ U theo 22TCN 272-05.
Câu hỏi thường gặp
1. Kết cấu nhịp của cầu vượt sử dụng loại dầm gì và có kích thước hình học như thế nào?
Kết cấu nhịp sử dụng 12 dầm bản rỗng bằng bê tông cốt thép dự ứng lực căng sau, chiều dài nhịp $20{,}0\text{ m}$ (nhịp tính toán $19{,}0\text{ m}$). Tiết diện mỗi dầm có bề rộng $990\text{ mm}$, chiều cao $600\text{ mm}$, đúc sẵn 2 lỗ rỗng hình tròn đường kính $250\text{ mm}$. Mặt cầu liên hợp với bản bê tông đổ sau dày $120\text{ mm}$, lớp bê tông nhựa asphalt dày $70\text{ mm}$ và lớp phòng nước dày $3\text{ mm}$.
2. Tại sao tác giả phải thay đổi số lượng tao cáp dự ứng lực từ 12 tao lên 20 tao?
Khi tính toán sơ bộ và kiểm tra với 12 tao cáp (4 bó $\times$ 3 tao), ứng suất kéo ở thớ đáy bê tông tại mặt cắt giữa nhịp ở trạng thái giới hạn sử dụng bị vượt quá giới hạn cho phép ($-2{,}7\text{ MPa}$, không thỏa mãn điều kiện chống nứt). Tác giả đã tăng thêm 2 tao cho mỗi bó cáp (thành 4 bó $\times$ 5 tao = 20 tao cáp, tổng diện tích $A_{ps} = 2800\text{ mm}^2$), qua đó đưa ứng suất thớ dưới về trạng thái chịu nén an toàn $1{,}6\text{ MPa}$.
3. Hệ thống lan can của cầu được thiết kế theo cấp thử nghiệm nào và khả năng chịu lực va chạm thực tế ra sao?
Lan can được thiết kế theo cấp thử nghiệm va chạm TL-2 của quy trình 22TCN 272-05 (chiều cao gờ bê tông $700\text{ mm}$, thanh kim loại nâng tổng chiều cao lên $1035\text{ mm}$). Với lực va ngang danh định quy định là $120\text{ kN}$ tác dụng ở độ cao $510\text{ mm}$, kết quả tính toán theo cơ cấu đường chảy cho 4 tổ hợp va chạm cho thấy tổng sức kháng của hệ lan can đạt từ $298{,}52\text{ kN}$ đến $465{,}14\text{ kN}$ với chiều cao điểm kháng từ $779{,}88\text{ mm}$ đến $972{,}67\text{ mm}$, hoàn toàn thỏa mãn các điều kiện kiểm toán.
4. Kết cấu mố chữ U được kiểm toán tại những mặt cắt nào và sử dụng phương pháp kiểm toán gì?
Mố chữ U được kiểm toán tại 4 mặt cắt đặc trưng: mặt cắt A-A (chân tường đỉnh), mặt cắt B-B (chân tường thân), mặt cắt C-C (đáy bệ móng mố) và mặt cắt D-D (chân tường cánh). Do lực dọc nén lớn ($P_u > 0{,}1 A_g f'_c$), tác giả kiểm toán cấu kiện theo điều kiện chịu nén uốn hai phương, đồng thời kiểm tra sức kháng cắt danh định và kiểm soát ứng suất kéo trong cốt thép để chống nứt theo trạng thái giới hạn sử dụng.
5. Kết quả kiểm tra độ võng của dầm chủ dưới tác dụng của hoạt tải xe có thỏa mãn tiêu chuẩn không?
Độ võng lớn nhất tại điểm giữa nhịp do hoạt tải xe gây ra được tính toán là $f_{VKT} = 3{,}74\text{ mm}$. Tiêu chuẩn quy định giới hạn độ võng cho phép là $L_{tt}/800 = 19400/800 = 24{,}25\text{ mm}$. Như vậy độ võng thực tế nhỏ hơn rất nhiều so với giới hạn cho phép, kết cấu nhịp hoàn toàn đạt yêu cầu về độ cứng khi khai thác.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế cầu vượt cao tốc" của tác giả Trần Nissan đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế kỹ thuật cho công trình cầu dầm bản rỗng bê tông cốt thép dự ứng lực nhịp 20 m theo các tiêu chuẩn TCVN 11823-2017 và 22TCN 272-05. Toàn bộ các cấu kiện từ dầm chủ, bản mặt cầu, hệ thống lan can phòng hộ TL-2 đến kết cấu phần dưới mố chữ U và trụ đặc đều được kiểm toán chi tiết, đảm bảo an toàn chịu lực ở trạng thái giới hạn cường độ và kiểm soát nứt, võng ở trạng thái giới hạn sử dụng. Công trình cung cấp giải pháp kết cấu nhịp có chiều cao kiến trúc nhỏ, phù hợp cho việc xây dựng cầu vượt tại các nút giao cao tốc có yêu cầu khắt khe về tĩnh không thông xe.
