Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp thực hiện nhiệm vụ thiết kế công trình cầu vượt tại nút giao ngã tư Tân Quy, thuộc địa bàn huyện Củ Chi, Thành phố Hồ Chí Minh. Đây là điểm giao cắt giữa tuyến Tỉnh lộ 8 và Tỉnh lộ 15. Do lưu lượng phương tiện vận tải lưu thông trên Tỉnh lộ 8 nối liền tỉnh Long An và tỉnh Bình Dương rất lớn, vượt trội so với lưu lượng trên Tỉnh lộ 15, giải pháp xây dựng cầu vượt trực thông theo hướng Tỉnh lộ 8 được lựa chọn nhằm giải quyết xung đột giao thông và xóa điểm nghẽn cục bộ tại khu vực nút giao.

Mục tiêu và các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể trong đồ án được xác lập theo thứ tự:

  1. Thu thập, tổng hợp số liệu điều kiện tự nhiên, địa hình, khí tượng thủy văn và khảo sát địa chất công trình tại khu vực ngã tư Tân Quy.
  2. Xác định quy mô, cấp hạng công trình và các chỉ tiêu kỹ thuật thiết kế cầu đường bộ theo quy chuẩn hiện hành.
  3. Lựa chọn phương án kết cấu nhịp cầu dầm thép chữ I giản đơn liên hợp bản bê tông cốt thép (BTCT) và xác định các kích thước hình học sơ bộ.
  4. Tính toán đặc trưng hình học tiết diện dầm thép liên hợp ngắn hạn và dài hạn; tính toán hệ số phân bố ngang của kết cấu nhịp.
  5. Tính toán nội lực do tĩnh tải và hoạt tải xe thiết kế HL93 tác dụng lên bản mặt cầu, dầm chủ và hệ thống phụ trợ.
  6. Thực hiện tổ hợp nội lực và kiểm toán dầm chủ theo các trạng thái giới hạn: Cường độ, Sử dụng và Mỏi; xây dựng mô hình kiểm chứng trên phần mềm MIDAS Civil.
  7. Thiết kế chi tiết các bộ phận kết cấu: Lan can phòng hộ (TL-4), sườn tăng cường, neo chống cắt dạng đinh mũ, liên kết hàn biên - sườn dầm, mối nối dầm bu lông cường độ cao và hệ liên kết ngang.
  8. Tính toán thiết kế kết cấu phần dưới gồm mố chữ U BTCT, trụ tròn rỗng thép và hệ thống móng cọc khoan nhồi đường kính $D = 1000\text{ mm}$ (có kiểm chứng bằng phần mềm FB-Multipier).
  9. Lập phương án tổ chức thi công chi tiết cho mố, trụ, kết cấu nhịp và các hạng mục phụ trợ.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu cầu vượt dầm thép chữ I liên hợp bản bê tông cốt thép sơ đồ $7 \times 36\text{ m}$.
  • Phạm vi không gian: Nút giao ngã tư Tân Quy trên tuyến Tỉnh lộ 8, huyện Củ Chi, TP. Hồ Chí Minh.
  • Phạm vi thời gian và cấp công trình: Đồ án hoàn thành tháng 08/2022; công trình được thiết kế theo cấp công trình vĩnh cửu với tuổi thọ thiết kế 100 năm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật, mô hình lý thuyết tính toán kết cấu cầu và công cụ mô phỏng số:

  • Tiêu chuẩn thiết kế áp dụng: Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 11823:2017 "Thiết kế cầu đường bộ" kết hợp Tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2007 và tiêu chuẩn ngành 22 TCN 272-05.
  • Khung lý thuyết kết cấu: Lý thuyết tính toán kết cấu liên hợp thép - bê tông theo phương pháp hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD). Tương tác giữa bản bê tông và dầm thép được quy đổi thông qua tỷ số mô đun đàn hồi: tác dụng ngắn hạn ($n = E_s / E_c = 8$) và tác dụng dài hạn ($3n = 24$) để xét đến từ biến và co ngót của bê tông.
  • Phương pháp phân tích nội lực:
    • Bản mặt cầu: Phương pháp dải bản tương đương phân tích dải rộng $1\text{ m}$ theo phương ngang cầu, kết hợp sơ đồ công-xôn cho phần bản cánh hẫng và sơ đồ dầm liên tục trên các gối tựa cứng tại vị trí dầm chủ.
    • Phân bố tải trọng ngang: Áp dụng phương pháp phân tích gần đúng theo công thức TCVN 11823:2017 cho dầm trong và nguyên tắc đòn bẩy kết hợp hệ số điều chỉnh cho dầm biên.
    • Phân tích hoạt tải dầm chủ: Phương pháp đường ảnh hưởng dưới tác dụng của đoàn tải trọng thiết kế HL93 (gồm tải trọng làn rải đều $q = 9.3\text{ N/mm}$, xe tải thiết kế 3 trục $145\text{ kN} - 145\text{ kN} - 35\text{ kN}$, xe 2 trục $110\text{ kN} - 110\text{ kN}$ và xe tải mỏi).
  • Công cụ phần mềm và mô phỏng số:
    • Phần mềm MIDAS Civil: Khai báo mô hình không gian phần tử thanh dầm (All Frame Model), định nghĩa mặt cắt liên hợp thép - bê tông, khai báo tĩnh tải các giai đoạn, gán làn xe chạy di động và trích xuất nội lực tổ hợp để đối chứng kết quả giải tích.
    • Phần mềm FB-Multipier: Tính toán nội lực và sức chịu tải của hệ móng cọc khoan nhồi mố và trụ cầu dưới tác dụng tương tác đất - kết cấu.
  • Nguồn dữ liệu địa chất và khí tượng: Dữ liệu khảo sát địa tầng gồm 5 lớp đất: Lớp 1 (bùn sét hữu cơ xám đen, 0–4m), Lớp 2 (sét pha dẻo mềm đến dẻo cứng, 4–17m), Lớp 2a (sét dẻo cứng, 17–28.5m), Lớp 3 (cát thô lẫn sỏi sạn chặt vừa, 28.5–41m), Lớp 4 (cát trung cứng, 41–53.8m). Số liệu khí hậu ghi nhận nhiệt độ trung bình $26–29^\circ\text{C}$, độ ẩm trung bình mùa mưa $80–86%$, số ngày mưa trung bình 154 ngày/năm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu sơ lược về công trình. Quy mô, tiêu chuẩn thiết kế và đặc điểm tự nhiên khu vực ngã 4 Tân Quy

Chương này tổng quan về vị trí dự án trên Tỉnh lộ 8 giao Tỉnh lộ 15. Xác định các chỉ tiêu kỹ thuật chính: cầu vĩnh cửu tuổi thọ 100 năm, vận tốc thiết kế $V_{tk} = 60\text{ km/h}$, tải trọng thiết kế HL93, tĩnh không đường chui dưới cầu $H = 4.75\text{ m}$, độ dốc dọc tối đa $i = 4%$, độ dốc ngang mặt cầu $i_n = 2%$, bề rộng phần xe chạy $11\text{ m}$ gồm 2 làn xe. Sơ đồ kết cấu nhịp gồm 7 nhịp giản đơn dầm thép liên hợp bản BTCT khẩu độ $7 \times 36\text{ m}$, tổng chiều dài toàn cầu $256.2\text{ m}$. Kết cấu mố chữ U BTCT, trụ tròn rỗng thép đặt trên móng cọc khoan nhồi $D = 1000\text{ mm}$, chiều dài cọc $L = 45\text{ m}$ (8 cọc/đài).

Chương 2: Tính toán thiết kế sơ bộ

Xác lập các thông số kích thước hình học và vật liệu:

  • Chiều dài nhịp $L = 36\text{ m}$, chiều dài tính toán $L_{tt} = 35\text{ m}$ (khoảng cách hai tim gối).
  • Thép dầm chủ Cấp 250W: $E_s = 200000\text{ MPa}$, giới hạn chảy $F_y = 345\text{ MPa}$, giới hạn bền kéo $F_u = 485\text{ MPa}$, khối lượng riêng $7850\text{ kg/m}^3$.
  • Bê tông bản mặt cầu: $f_c' = 28\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_c = 28442\text{ MPa}$, chiều dày bản $h_c = 200\text{ mm}$.
  • Tiết diện dầm chủ: 5 dầm thép chữ I ghép, khoảng cách giữa các dầm $S = 2500\text{ mm}$, chiều cao dầm thép $H = 2000\text{ mm}$, chiều cao sườn $h_w = 1940\text{ mm}$, chiều dày sườn $t_w = 16\text{ mm}$. Chiều rộng bản cánh trên $b_u = 600\text{ mm}$, chiều dày $t_u = 30\text{ mm}$. Chiều rộng bản cánh dưới $b_l = 600\text{ mm}$, chiều dày $t_l = 30\text{ mm}$ (bản táp gia cường đáy rộng $700\text{ mm}$, dày $30\text{ mm}$). Bản cánh hẫng $D_e = 700\text{ mm}$.
  • Liên kết ngang: Thép góc đều cạnh L150x150x10. Lớp phủ mặt cầu: Bê tông nhựa asphalt dày $70\text{ mm}$ và lớp phòng nước dày $4\text{ mm}$.

Chương 3: Tính toán đặc trưng hình học. Xác định chiều rộng có hiệu của bản cánh

Xác định bề rộng có hiệu bản cánh bê tông cho dầm trong $b_e = 2500\text{ mm}$, dầm biên $b_e = 2250\text{ mm}$. Tính toán diện tích tương đương ($F_{td}$), vị trí trục trung hòa ($Y_{ctd}$) và mô men quán tính ($I_{td}$) cho 4 trạng thái tiết diện:

  1. Tiết diện thép I chưa có bản táp: $F = 67040\text{ mm}^2$, $I_x = 4.61 \times 10^{10}\text{ mm}^4$.
  2. Tiết diện liên hợp ngắn hạn chưa có bản táp ($n=8$): $F_{td} = 138290\text{ mm}^2$, $Y_{ctd} = 391.08\text{ mm}$ (tính từ mép trên thép), $I_{td} = 9.33 \times 10^{10}\text{ mm}^4$.
  3. Tiết diện liên hợp dài hạn chưa có bản táp ($3n=24$): $F_{td} = 90790\text{ mm}^2$, $Y_{ctd} = 690.83\text{ mm}$, $I_{td} = 6.23 \times 10^{10}\text{ mm}^4$.
  4. Tiết diện dầm có bản táp gia cường: Diện tích thép $F = 88040\text{ mm}^2$, tiết diện liên hợp ngắn hạn $F_{td} = 159290\text{ mm}^2$, $Y_{ctd} = 605.17\text{ mm}$, $I_{td} = 1.24 \times 10^{11}\text{ mm}^4$; tiết diện liên hợp dài hạn $F_{td} = 111790\text{ mm}^2$, $Y_{ctd} = 939.58\text{ mm}$, $I_{td} = 8.64 \times 10^{10}\text{ mm}^4$.

Chương 4: Tính toán lan can

Thiết kế lan can kết hợp gờ bê tông và thanh tay vịn thép ống (cấp phòng hộ TL-4). Chiều cao lan can $H = 1410\text{ mm}$ (gờ bê tông $950\text{ mm}$, tay vịn thép ống ngoài $D = 100\text{ mm}$, trong $d = 90\text{ mm}$). Khoảng cách cột lan can $L = 2000\text{ mm}$. Tính toán tải trọng va chạm xe: Lực ngang $F_t = 240\text{ kN}$, lực đứng $F_v = 80\text{ kN}$, lực dọc $F_L = 80\text{ kN}$. Bố trí cốt thép đứng D14@100mm, cốt thép đai D12. Kiểm toán sức kháng danh định chịu tải trọng ngang $R_w = 461.41\text{ kN} > F_t = 240\text{ kN}$, kết cấu đảm bảo khả năng chịu lực.

Chương 5: Tính toán bản mặt cầu

Tính toán dải bản rộng $1\text{ m}$ theo phương ngang. Tĩnh tải bản thân $DC_1 = 4.8\text{ kN/m}$, tĩnh tải lan can và bệ đỡ $DC_2 = 9.115\text{ kN/m}$, tĩnh tải lớp phủ $DW = 1.65\text{ kN/m}$. Hoạt tải bánh xe tải thiết kế $P = 72.5\text{ kN}$ nhân hệ số xung kích $IM = 0.33$, bề rộng dải tương đương $E = 1.78\text{ m}$.

  • Mô men tính toán dương tại giữa nhịp: $M_{u+} = 13.65\text{ kNm}$, bố trí cốt thép chịu mô men dương $\Phi 14\text{@}200\text{mm}$ ($A_s = 770\text{ mm}^2/\text{m}$).
  • Mô men tính toán âm tại gối: $M_{u-} = -23.86\text{ kNm}$, bố trí cốt thép $\Phi 14\text{@}200\text{mm}$. Bố trí cốt thép phân bố dọc đáy bản $\Phi 12\text{@}200\text{mm}$.
  • Kiểm toán nứt theo TTGH sử dụng: Ứng suất kéo trong cốt thép dương $f_s = 155.17\text{ MPa} < f_{sa} = 252\text{ MPa}$; cốt thép âm $f_s = 127.89\text{ MPa} < f_{sa} = 252\text{ MPa}$, thỏa mãn điều kiện nứt.

Chương 6: Hệ số phân bố ngang

Tính toán tham số độ cứng dọc $K_g = n(I_g + A \cdot e_g^2) = 9.407 \times 10^{11}\text{ mm}^4$.

  • Dầm trong: Hệ số phân bố mô men 1 làn xe $mg_{M1} = 0.472$, hai làn xe $mg_{M2} = 0.684$; hệ số phân bố lực cắt 1 làn xe $mg_{V1} = 0.689$, hai làn xe $mg_{V2} = 0.689$.
  • Dầm biên: Áp dụng nguyên tắc đòn bẩy và công thức hiệu chỉnh: $mg_{M} = 0.72$, $mg_{V} = 0.72$. Lựa chọn giá trị bất lợi nhất $mg = 0.72$ để thiết kế.

Chương 7: Tính toán nội lực dầm chủ do hoạt tải

Lập đường ảnh hưởng và xếp tải đoàn xe HL93 tại các tiết diện đặc trưng ($x = 0$, $L/8$, $L/4$, $3L/8$, $L/2$).

  • Tại giữa nhịp ($L/2$): Mô men do xe 3 trục $M = 2716\text{ kNm}$, do xe 2 trục $M = 2116\text{ kNm}$, do tải trọng làn $M = 1424.06\text{ kNm}$, do xe tải mỏi $M = 1478.78\text{ kNm}$.
  • Tại gối ($x = 0$): Lực cắt do xe 3 trục $V = 286.09\text{ kN}$, do xe 2 trục $V = 216.23\text{ kN}$, do tải trọng làn $V = 162.75\text{ kN}$, do xe tải mỏi $V = 274.5\text{ kN}$.

Chương 8: Tính toán nội lực dầm chủ do tĩnh tải

Chia tĩnh tải làm 2 giai đoạn:

  • Giai đoạn 1 ($DC_1$): Trọng lượng bản thân dầm thép, dầm ngang, sườn tăng cường và bản bê tông ướt.
    • Dầm trong: Có bản táp $DC_1 = 21.76\text{ kN/m}$, không bản táp $DC_1 = 19.6\text{ kN/m}$.
    • Dầm ngoài: Có bản táp $DC_1 = 21.45\text{ kN/m}$, không bản táp $DC_1 = 19.3\text{ kN/m}$.
  • Giai đoạn 2 ($DC_2, DW$): Trọng lượng lan can $DC_2 = 1.2\text{ kN/m}$ (dầm biên chịu tải lan can tương đương $12\text{ kN/m}$), lớp phủ asphalt $DW = 3.86\text{ kN/m}$ (dầm trong) và $2.7\text{ kN/m}$ (dầm ngoài).
  • Tại giữa nhịp $L/2$: Dầm trong có $M_{DC} = 3302.3\text{ kNm}$, $M_{DW} = 591.56\text{ kNm}$; dầm biên có $M_{DC} = 3241.67\text{ kNm}$, $M_{DW} = 413.44\text{ kNm}$.

Chương 9: Tổ hợp tải trọng

Thiết lập ma trận hệ số tải trọng theo TCVN 11823:2017: Trạng thái giới hạn Cường độ I ($\gamma_{DC} = 1.25$, $\gamma_{DW} = 1.5$, $\gamma_{LL} = 1.75$, $IM = 0.33$), Trạng thái giới hạn Sử dụng I ($\gamma = 1.0$), Trạng thái giới hạn Mỏi ($\gamma_{LL} = 0.75$, $IM = 0.15$).

  • Tại tiết diện giữa nhịp ($L/2$ dầm biên): $M_{u(CD1)} = 10078.68\text{ kNm}$, $M_{s(SD1)} = 7129.8\text{ kNm}$, $M_{f(Moi)} = 1358.03\text{ kNm}$.
  • Tại tiết diện gối tựa: Lực cắt tổ hợp dầm biên $V_{u(CD1)} = 1154.36\text{ kN}$, $V_{s(SD1)} = 824.62\text{ kN}$, $V_{f(Moi)} = 227.34\text{ kN}$.
  • Xây dựng mô hình kiểm tra trên phần mềm MIDAS Civil để đối chiếu mô men uốn và lực cắt trên dầm chủ.
Tiết diện dầm biên Mô men TTGH Cường độ I (kNm) Mô men TTGH Sử dụng I (kNm) Lực cắt TTGH Cường độ I (kN) Lực cắt TTGH Sử dụng I (kN)
Gối ($x = 0$) 0.00 0.00 1154.36 824.62
Mặt cắt $L/8$ 4410.15 3120.35 988.35 705.80
Mặt cắt $L/4$ 7558.90 5347.30 774.20 552.70
Mặt cắt $3L/8$ 9370.40 6628.95 452.10 322.80
Giữa nhịp $L/2$ 10078.68 7129.80 0.00 0.00

Chương 10: Kiểm tra trạng thái giới hạn cường độ

Kiểm tra tỷ lệ các phần tử mặt cắt dầm thép: Độ mảnh bản bụng $\frac{2D_{cp}}{t_w} \le 3.76\sqrt{\frac{E}{F_y}}$, tỷ lệ cánh nén và cánh kéo. Kiểm toán sức kháng uốn tính toán $\phi_f M_n \ge M_u$ tại mặt cắt giữa nhịp có bản táp và kiểm toán sức kháng cắt danh định của bản bụng có sườn tăng cường $\phi_v V_n \ge V_u$ tại vị trí gối.

Chương 11: Kiểm tra trạng thái giới hạn sử dụng

Kiểm soát ứng suất đàn hồi tại biên trên và biên dưới dầm thép dưới tổ hợp tải trọng dài hạn ($f \le 0.95 F_y$). Kiểm tra độ võng đàn hồi do hoạt tải tiêu chuẩn xe HL93 thỏa mãn giới hạn $\Delta_{LL} \le L/800 = 35000/800 = 43.75\text{ mm}$. Tính toán độ vồng ngược thi công cho dầm thép nhằm triệt tiêu độ võng do toàn bộ tĩnh tải giai đoạn 1 và giai đoạn 2 gây ra.

Chương 12: Kiểm tra dầm theo TTGH mỏi

Kiểm tra ứng suất mỏi biên độ do xe tải mỏi quy định ($\gamma = 0.75$, $IM = 15%$) tác dụng lên các chi tiết hàn liên kết. Kiểm toán hiện tượng mỏi do uốn bản bụng dầm ($f_{cf} \le F_{crw}$) và mỏi do lực cắt gây cong vênh bản bụng theo tiêu chuẩn TCVN 11823:2017.

Chương 13: Thiết kế sườn tăng cường

Thiết kế sườn tăng cường đứng bằng thép bản hàn vào thân dầm tại vị trí gối tựa và dọc theo chiều dài nhịp. Kiểm tra độ mảnh của vách sườn và độ mảnh của biên chịu nén nhằm ngăn ngừa hiện tượng mất ổn định cục bộ của bản bụng dầm mỏng $t_w = 16\text{ mm}$ dưới ứng suất cắt và ứng suất nén cục bộ.

Chương 14: Tính toán bố trí neo chống cắt

Lựa chọn neo đinh tán hình nấm (stud shears) liên kết dầm thép với bản bê tông cốt thép. Tính toán sức kháng cắt danh định của một đinh neo $Q_n$, xác định bước bố trí neo dọc theo chiều dài dầm chủ để tiếp nhận toàn bộ lực trượt dọc tại mặt tiếp xúc giữa thép và bê tông trong trạng thái giới hạn cường độ và trạng thái giới hạn mỏi.

Chương 15: Tính toán liên kết biên dầm vào sườn dầm

Thiết kế đường hàn góc liên kết giữa bản cánh thép ($b = 600\text{ mm}$, $t = 30\text{ mm}$) và bản bụng thép ($h_w = 1940\text{ mm}$, $t_w = 16\text{ mm}$). Kiểm toán ứng suất trượt tiếp xúc $\tau = \frac{V \cdot S}{I \cdot t_w}$ và xác định chiều cao đường hàn góc tính toán $h_f$.

Chương 16: Thiết kế mối nối

Thiết kế mối nối lắp ghép công trường dầm thép bằng bu lông cường độ cao kết hợp bản táp. Xác định kích thước hình học bản táp cánh trên, bản táp cánh dưới và bản táp sườn dầm; tính toán đặc trưng hình học tại vị trí mối nối; kiểm tra khả năng chịu lực cắt, kéo và ép mặt của bu lông cường độ cao chịu ma sát.

Chương 17: Thiết kế liên kết ngang

Lý thuyết và cấu tạo hệ giằng liên kết ngang bằng thép góc đều cạnh L150x150x10. Tính toán lực gió tác dụng vuông góc lên công trình truyền vào hệ khung ngang; kiểm tra khả năng chịu lực nén dọc trục, uốn của thanh giằng ngang và khả năng chịu cắt của bu lông liên kết mối nối dầm ngang vào sườn dầm chủ.

Chương 18: Tính toán thiết kế mố cầu

Thiết kế mố chữ U bê tông cốt thép đổ tại chỗ cường độ $f_c' = 30\text{ MPa}$.

  • Xác định các loại tải trọng: Tĩnh tải kết cấu nhịp truyền xuống, trọng lượng bản thân mố, áp lực đất chủ động đắp sau mố, hoạt tải xe chạy trên đường dẫn (hoạt tải phân bố tương đương).
  • Tổ hợp tải trọng tại các mặt cắt: Mặt cắt đáy móng (I-I), mặt cắt vuông góc đáy bệ (II-II), mặt cắt chân tường đỉnh và tường cánh. Tính toán bố trí cốt thép thân mố, tường cánh và bệ mố.
  • Tính toán móng cọc: Bố trí 8 cọc khoan nhồi đường kính $D = 1000\text{ mm}$, chiều dài cọc $L = 45\text{ m}$. Tính sức chịu tải của cọc theo vật liệu ($P_{vl}$) và sức chịu tải theo đất nền ($P_{đn}$) dựa trên số liệu địa chất; kiểm toán nội lực cọc bằng phần mềm FB-Multipier.

Chương 19: Tính toán thiết kế trụ cầu

Thiết kế trụ tròn rỗng thép chế tạo sẵn kết hợp xà mũ bê tông cốt thép. Xác định các tổ hợp tải trọng tác dụng lên trụ: Hoạt tải thẳng đứng kết cấu nhịp ($LL$), lực ma sát gối cầu ($FR$), lực ly tâm ($CE$), tải trọng gió tác động lên công trình ($WS$) và gió tác động lên xe cộ ($WL$). Kiểm toán sức kháng uốn, sức kháng nén uốn kết hợp thân trụ, sức kháng cắt và kiểm toán xà mũ trụ. Bố trí móng gồm 8 cọc khoan nhồi $D = 1000\text{ mm}$, $L = 45\text{ m}$; tính toán nội lực và kiểm toán bệ trụ, cọc khoan nhồi bằng FB-Multipier.

Chương 20: Thiết kế tổ chức thi công

Lập biện pháp kỹ thuật và tổ chức thi công tổng thể:

  • Công tác trắc địa, định vị tim cầu, mặt bằng chuẩn bị.
  • Trình tự thi công cọc khoan nhồi $D = 1000\text{ mm}$, bệ mố, thân mố chữ U và lắp dựng trụ thép chế tạo sẵn.
  • Biện pháp thi công lao lắp dầm thép chữ I $36\text{ m}$, lắp dựng liên kết ngang, ván khuôn và đổ bê tông bản mặt cầu tại chỗ.
  • Tính toán phụ trợ thi công: Lựa chọn máy trộn bê tông, tính toán ván khuôn chịu áp lực bê tông ướt, tính toán chiều dày lớp bê tông bịt đáy, số lượng ống đổ bê tông rút thẳng dưới nước (tremi) và kiểm toán ổn định vòng vây cọc ván thép thi công móng dưới mực nước ngầm.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán kỹ thuật chính

Đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh các bài toán tính toán từ kết cấu nhịp đến kết cấu phần dưới và phụ trợ thi công theo tiêu chuẩn TCVN 11823:2017:

Hạng mục kết cấu Thông số thiết kế & Quy cách vật liệu Kết quả kiểm toán chính
Dầm chủ liên hợp 5 dầm thép I ($H=2.0\text{ m}$, $t_w=16\text{ mm}$, $b_f=600\text{ mm}$, $t_f=30\text{ mm}$) + bản BTCT $200\text{ mm}$ ($f_c'=28\text{ MPa}$) Đạt TTGH Cường độ ($M_u \le \phi M_n$), TTGH Sử dụng ($\Delta_{LL} \le 43.75\text{ mm}$), TTGH Mỏi bản bụng
Bản mặt cầu Chiều dày $h_c = 200\text{ mm}$, bê tông $f_c' = 28\text{ MPa}$, cốt thép $f_y = 420\text{ MPa}$ Thép chính $\Phi 14\text{@}200\text{mm}$, thép phân bố $\Phi 12\text{@}200\text{mm}$, ứng suất nứt $f_s \le 252\text{ MPa}$
Hệ thống lan can Cấp TL-4, cao $1410\text{ mm}$, gờ BTCT + tay vịn ống thép $D100/d90$ Sức kháng ngang $R_w = 461.41\text{ kN} > F_t = 240\text{ kN}$
Hệ thống neo & mối nối Neo đinh hình nấm, bu lông cường độ cao, đường hàn góc liên kết cánh - bụng Đảm bảo khả năng chống trượt dọc và chịu lực mối nối lắp ghép công trường
Mố và Trụ cầu Mố chữ U BTCT, thân trụ tròn rỗng thép lắp ghép, bệ móng cọc khoan nhồi Thân trụ chịu nén uốn an toàn, ổn định chống lật và trượt mố đạt yêu cầu
Hệ móng cọc Mỗi mố/trụ gồm 8 cọc khoan nhồi $D = 1000\text{ mm}$, chiều dài $L = 45\text{ m}$ Cọc cắm vào tầng cát chịu lực (Lớp 3, 4); nội lực cọc đạt giới hạn cho phép

Giải pháp kỹ thuật và đóng góp của đồ án

  • Lựa chọn kết cấu dầm thép I liên hợp nhịp $36\text{ m}$: Giúp giảm trọng lượng bản thân kết cấu nhịp so với dầm bê tông dự ứng lực thông thường, tạo điều kiện thuận lợi cho công tác vận chuyển và cẩu lắp trong không gian nút giao đô thị có mật độ giao thông đông đúc.
  • Ứng dụng trụ thép chế tạo sẵn: Việc sử dụng thân trụ tròn rỗng thép lắp ghép giúp rút ngắn thời gian thi công tại hiện trường ngã tư Tân Quy, giảm thiểu chiếm dụng lòng lề đường và hạn chế ùn tắc giao thông trên tuyến Tỉnh lộ 8 trong quá trình xây dựng.
  • Quy trình tính toán hoàn chỉnh và đối chứng phần mềm: Đồ án đóng góp một bộ tài liệu tính toán đồng bộ, kết hợp chặt chẽ giữa công thức giải tích chuẩn mực theo TCVN 11823:2017 và mô hình số trên MIDAS Civil (kết cấu nhịp) cùng FB-Multipier (móng cọc), làm sáng tỏ sự làm việc liên hợp của tiết diện qua các giai đoạn khai thác.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của thuyết minh:
    • Phạm vi tính toán trong đồ án tập trung vào mô hình dầm giản đơn $7 \times 36\text{ m}$, do đó số lượng khe co giãn trên cầu tương đối nhiều (7 nhịp), có thể ảnh hưởng đến độ êm thuận khi khai thác lâu dài.
    • Phân tích động đất chi tiết chưa được đưa vào tính toán sâu do khu vực TP. Hồ Chí Minh có gia tốc nền địa chấn thấp.
  • Hướng mở rộng nghiên cứu:
    • Nghiên cứu chuyển đổi sơ đồ nhịp sang dạng cầu dầm thép liên hợp liên tục nhiều nhịp hoặc kết cấu dầm liên tục nhiệt nhằm loại bỏ các khe co giãn trung gian trên trụ.
    • Phân tích so sánh kinh tế - kỹ thuật và chi phí vòng đời (Life Cycle Cost - LCC) giữa phương án dầm thép liên hợp và dầm bê tông cốt thép dự ứng lực Super-T hoặc dầm hộp thép trong điều kiện khí hậu nóng ẩm tại miền Nam Việt Nam.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông / Cầu đường: Tham khảo khung thuyết minh mẫu, quy trình tính toán thiết kế cầu dầm thép I liên hợp bản bê tông cốt thép khẩu độ trung bình ($36\text{ m}$) theo đúng chuẩn TCVN 11823:2017 và AASHTO LRFD.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu cầu: Tham khảo số liệu tính toán chi tiết về đặc trưng hình học tiết diện liên hợp ngắn hạn/dài hạn có bản táp gia cường, phương pháp tính bản mặt cầu chịu tải trọng xe nặng, các bước tổ hợp nội lực và kiểm toán dầm thép theo các trạng thái giới hạn.
  • Các phần nội dung đáng tham khảo nhất:
    • Chương 3 & Chương 5: Quy trình xác định đặc trưng hình học chuyển đổi và phương pháp dải bản tương đương thiết kế bản mặt cầu cánh hẫng.
    • Chương 9 & Chương 14: Phương pháp tổ hợp tải trọng đối chiếu mô hình MIDAS Civil và quy trình bố trí đinh neo chống cắt.
    • Chương 18 & Chương 19: Thiết kế mố, trụ tròn rỗng thép và móng cọc khoan nhồi sâu $45\text{ m}$ trong điều kiện địa chất đồng bằng sông Cửu Long / Đông Nam Bộ.

Câu hỏi thường gặp

1. Quy mô kết cấu nhịp và tải trọng thiết kế của cầu vượt ngã tư Tân Quy được xác định như thế nào?

Cầu vượt ngã tư Tân Quy được thiết kế vĩnh cửu với tuổi thọ 100 năm, vận tốc thiết kế $60\text{ km/h}$. Kết cấu nhịp gồm 7 nhịp dầm thép I giản đơn liên hợp bản BTCT sơ đồ $7 \times 36\text{ m}$ (chiều dài toàn cầu $256.2\text{ m}$), bề rộng cầu $12\text{ m}$ (phần xe chạy $11\text{ m}$ cho 2 làn xe và lan can mỗi bên $0.5\text{ m}$). Tải trọng thiết kế là hoạt tải tiêu chuẩn HL93 (kết hợp xe 3 trục, xe 2 trục, tải trọng làn $9.3\text{ N/mm}$ và xe tải mỏi) cùng tải trọng người đi bộ $3000\text{ N/m}^2$.

2. Kích thước hình học và vật liệu của dầm chủ dầm thép I được cấu tạo ra sao?

Mặt cắt ngang gồm 5 dầm chủ chữ I đặt cách nhau $2500\text{ mm}$. Dầm thép dùng thép Cấp 250W ($F_y = 345\text{ MPa}$, $F_u = 485\text{ MPa}$, $E_s = 200000\text{ MPa}$), tổng chiều cao dầm thép $H = 2000\text{ mm}$, sườn dầm cao $1940\text{ mm}$, dày $16\text{ mm}$. Bản cánh trên rộng $600\text{ mm}$, dày $30\text{ mm}$; bản cánh dưới rộng $600\text{ mm}$, dày $30\text{ mm}$ (khu vực mô men lớn được gia cường thêm bản táp đáy rộng $700\text{ mm}$, dày $30\text{ mm}$). Bản mặt cầu bằng bê tông $f_c' = 28\text{ MPa}$ dày $200\text{ mm}$.

3. Tỷ số mô đun đàn hồi nào được sử dụng khi tính toán đặc trưng hình học tiết diện liên hợp?

Theo quy định tiêu chuẩn với bê tông $f_c' = 28\text{ MPa}$ và thép dầm chủ $E_s = 200000\text{ MPa}$, tỷ số mô đun đàn hồi tác dụng ngắn hạn được lấy $n = 8$. Đối với tác dụng dài hạn chịu tĩnh tải giai đoạn 2 để xét đến từ biến và co ngót của bê tông, tỷ số mô đun đàn hồi được lấy gấp ba lần, tức $3n = 24$.

4. Vị trí dầm và mặt cắt nào xuất hiện nội lực bất lợi nhất được lựa chọn để kiểm toán?

Qua tính toán so sánh hệ số phân bố ngang và tổ hợp tải trọng giữa dầm trong ($mg_M = 0.684$) và dầm biên ($mg_M = 0.72$), dầm biên chịu nội lực lớn hơn do gánh thêm tải trọng tĩnh của gờ lan can bê tông. Vì vậy, dầm biên được chọn để tính toán thiết kế chi tiết với mô men uốn cực đại tại giữa nhịp ($L/2$) ở TTGH Cường độ I là $M_u = 10078.68\text{ kNm}$ và lực cắt cực đại tại gối tựa là $V_u = 1154.36\text{ kN}$.

5. Kết cấu phần dưới (mố, trụ, móng cọc) của công trình có cấu tạo như thế nào?

Mố cầu là mố chữ U bằng bê tông cốt thép đổ tại chỗ ($f_c' = 30\text{ MPa}$). Trụ cầu sử dụng thân trụ tròn rỗng bằng thép chế tạo sẵn kết hợp xà mũ BTCT để lắp ráp nhanh. Cả mố và trụ đều đặt trên móng cọc khoan nhồi gồm 8 cọc đường kính $D = 1000\text{ mm}$, chiều dài cọc $45\text{ m}$ cắm sâu vào tầng cát chịu lực (Lớp 3 và Lớp 4) để đảm bảo sức chịu tải và kiểm soát độ lún.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế cầu vượt ngã tư Tân Quy kết cấu dầm thép I liên hợp bản BTCT $7 \times 36\text{ m}$" của sinh viên Nguyễn Hồng Lĩnh đã giải quyết trọn vẹn và chuẩn xác bài toán thiết kế công trình giao thông đô thị quy mô lớn. Thuyết minh thể hiện đầy đủ các bước tính toán giải tích từ lựa chọn tiết diện sơ bộ, xác định đặc trưng hình học liên hợp, phân tích tĩnh tải - hoạt tải HL93 đến kiểm toán chi tiết theo các trạng thái giới hạn của tiêu chuẩn TCVN 11823:2017. Việc kết hợp kiểm chứng mô hình không gian bằng phần mềm MIDAS Civil và FB-Multipier cùng phương án tổ chức thi công khả thi khẳng định tính hoàn thiện, độ tin cậy và giá trị thực tiễn cao của đồ án kỹ thuật này.