Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án môn học "Thiết kế kết cấu nhịp cầu" (Mã số: CI4123) do nhóm sinh viên gồm Phan Trường Giang, Mai Tú Vương, Nguyễn Đình An Khang và Nguyễn Thái Bình (Lớp L03, Nhóm 04) thuộc Bộ môn Cầu - Đường, Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Cảnh Tuấn. Đồ án được triển khai trong giai đoạn từ ngày 29/01/2022 đến ngày 02/04/2022 và hoàn thiện vào tháng 04/2022.

Bối cảnh kỹ thuật của đề tài xuất phát từ yêu cầu thiết kế một công trình cầu đường bộ vượt sông phục vụ giao thông khu vực đồng bằng, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành của ngành giao thông vận tải Việt Nam. Kết cấu nhịp cầu được lựa chọn là dầm bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCT DƯL) dạng nhịp giản đơn sử dụng mặt cắt dầm chữ I dài 33 m.

Mục tiêu và nhiệm vụ kỹ thuật của đồ án được phân định cụ thể theo đề bài giao ban đầu:

  1. Lập phương án bố trí chung cho kết cấu nhịp cầu và xác định kích thước sơ bộ các bộ phận cấu thành.
  2. Thiết kế và kiểm toán chi tiết hệ thống lan can (tường bê tông kết hợp phần kim loại dạng cột và thanh chắn ngang).
  3. Thiết kế và kiểm toán bản mặt cầu chịu uốn và chịu cắt dưới tác dụng của tĩnh tải và hoạt tải bánh xe.
  4. Xác định nội lực, tổ hợp tải trọng, bố trí cốt thép và kiểm toán dầm ngang theo các trạng thái giới hạn.
  5. Tính toán hệ số phân bố hoạt tải, thiết kế bố trí cáp dự ứng lực, xác định các thành phần mất mát ứng suất, tính toán đặc trưng hình học tiết diện theo các giai đoạn thi công và kiểm toán dầm chính chữ I-33 m theo trạng thái giới hạn cường độ và sử dụng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đồ án:

  • Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu nhịp giản đơn bằng bê tông cốt thép dự ứng lực căng sau, chiều dài nhịp danh định 33 m.
  • Phạm vi không gian và quy mô công trình: Cầu đường cấp III đồng bằng (III ĐB); khổ cầu gồm 2 làn xe cơ giới, không bố trí làn xe thô sơ, dải phân cách giữa cầu sử dụng vạch sơn kẻ đường; cấp tĩnh không thông thuyền quy hoạch sông cấp V.
  • Tải trọng thiết kế: Hoạt tải tiêu chuẩn HL-93 kết hợp hệ thống tĩnh tải bản thân kết cấu và tải trọng lớp phủ mặt cầu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng

Toàn bộ quá trình tính toán, phân tích nội lực và kiểm toán khả năng chịu lực của các cấu kiện trong đồ án được thiết lập dựa trên hệ thống tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ hiện hành:

  • Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN-272-05 của Bộ Giao thông Vận tải.
  • Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 11823-2017 (Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ theo phương pháp hệ số tải trọng và sức kháng - LRFD).
  • Tiêu chuẩn vật liệu thép xây dựng JIS G3112 (mác thép SD390).

Phương pháp phân tích và mô hình tính toán

Nghiên cứu áp dụng phương pháp giải tích kết cấu công trình kết hợp nguyên lý thiết kế theo các trạng thái giới hạn (TTGH):

  • Phương pháp phân tích nội lực: Sử dụng đường ảnh hưởng (ĐAH) mô men và lực cắt để xác định các vị trí chất tải bất lợi nhất do đoàn xe tải thiết kế và tải trọng làn. Đối với dầm ngang và dầm chính, đồ án áp dụng phương pháp đòn bẩy và công thức kinh nghiệm theo quy trình tiêu chuẩn để xác định hệ số phân bố ngang của hoạt tải.
  • Phương pháp kiểm toán trạng thái giới hạn:
    • Trạng thái giới hạn Cường độ I (TTGH CD1): Đảm bảo độ bền chịu uốn, chịu cắt danh định có xét đến các hệ số sức kháng ($\phi$).
    • Trạng thái giới hạn Sử dụng I (TTGH SD1): Khống chế bề rộng vết nứt, kiểm soát khoảng cách cốt thép chịu kéo và kiểm toán ứng suất thớ bê tông chịu nén/chịu kéo trong các giai đoạn thi công và khai thác.
  • Phương pháp phân chia giai đoạn làm việc của dầm DƯL: Phân tích kết cấu dầm chính theo 3 giai đoạn làm việc độc lập: Giai đoạn 1 (dầm độc lập chịu trọng lượng bản thân khi cắt cáp DƯL), Giai đoạn 2 (dầm chịu thêm tĩnh tải bê tông ướt của bản mặt cầu và dầm ngang), Giai đoạn 3 (kết cấu liên hợp dầm - bản mặt cầu cùng tham gia chịu tĩnh tải lớp phủ, lan can và hoạt tải khai thác).

Nguồn số liệu và thông số vật liệu thiết kế

Loại cấu kiện / Vật liệu Cường độ nén $f'_c$ (MPa) Mô đun đàn hồi $E_c$ (MPa) Trọng lượng riêng có cốt thép (kg/m³) Trọng lượng riêng không cốt thép (kg/m³)
Bê tông dầm chính (sau 28 ngày) 42,00 31.851,80 2.500,00 2.336,18
Bê tông dầm chính (khi cắt cáp) 38,00 30.575,80 2.500,00 2.327,02
Bê tông bản mặt cầu (BMC) 30,00 28.111,00 2.500,00 2.320,00
Bê tông dầm ngang 30,00 28.111,00 2.500,00 2.320,00
Bê tông lan can - - 2.500,00 -
Bê tông asphalt lớp phủ mặt cầu - - - 2.250,00

Đối với cốt thép thường, đồ án sử dụng thép JIS G3112 mác SD390 có giới hạn chảy danh định $f_y = 400\text{ MPa}$, giới hạn chảy của cốt thép chịu nén $f'_y = 400\text{ MPa}$, giới hạn bền kéo đứt $f_u = 570\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi cốt thép $E_s = 200.000\text{ MPa}$ và trọng lượng riêng $W_s = 7.850\text{ kg/m}^3$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Bố trí chung và số liệu

Chương này thiết lập các thông số kích thước hình học tổng thể của nhịp cầu và sơ bộ tiết diện cấu kiện:

  • Khổ cầu và mặt cắt ngang: Chiều rộng toàn bộ cầu $B = 8,5\text{ m}$; chiều rộng phần xe chạy (khổ cầu) $B_{kc} = 7,5\text{ m}$; số làn xe thiết kế $N_L = 2$ làn với bề rộng mỗi làn $w_L = 3,0\text{ m}$.
  • Hệ thống dầm: Sử dụng $n_{dc} = 4$ dầm chủ bằng bê tông dự ứng lực tiết diện chữ I với chiều dài dầm $L_{dc} = 33,0\text{ m}$, chiều dài nhịp tính toán $L_{ttdc} = 33,0\text{ m}$; khoảng cách giữa 2 tim dầm chính liên tiếp $S = 2,1\text{ m}$. Trọng lượng bản thân một dầm I-33 được xác định là $G_{I33} = 379,12\text{ kN}$.
  • Hệ thống dầm ngang: Bố trí tổng cộng $n_{dn} = 6$ dầm ngang dọc theo chiều dài nhịp với cự ly giữa các tim dầm ngang $L_1 = 6,0\text{ m}$. Kích thước tiết diện dầm ngang gồm bề rộng $b = 0,20\text{ m}$ (hoặc chiều dày sơ bộ $d = 0,25\text{ m}$), chiều cao dầm ngang $h = 1,07\text{ m}$, chiều dài tính toán $L_{ttdn} = 2,1\text{ m}$.
  • Bản mặt cầu và lớp phủ: Chiều dày bản bê tông cốt thép $t_{BMC} = 0,18\text{ m}$ (180 mm); chiều dày lớp phủ mặt cầu $t_{LP} = 0,074\text{ m}$ (74 mm).
  • Lan can: Chiều rộng gờ lan can $B_{LC} = 0,5\text{ m}$; khoảng cách từ mép trong lan can đến tim dầm biên $d_e = 0,6\text{ m}$.

Chương 2: Thiết kế lan can

Chương 2 thực hiện tính toán cấu tạo và khả năng chịu va chạm của gờ lan can:

  • Lan can được thiết kế theo dạng kết hợp: phần chân tường bằng bê tông cốt thép đúc liền khối với bản mặt cầu và phần phía trên gồm cột kim loại đỡ thanh chắn ngang.
  • Kiểm toán sức kháng uốn của tường bê tông dưới tác dụng của lực va xe thiết kế.
  • Kiểm toán độ bền chịu uốn và chịu cắt của cột kim loại, các thanh chắn ngang kim loại.
  • Kiểm tra tính toán khả năng chống trượt ngang của toàn bộ khối lan can và sức kháng nhổ, cắt của hệ thống bu lông neo liên kết chân cột vào phần bê tông.

Chương 3: Thiết kế bản mặt cầu

Chương này tập trung xác định tải trọng, tính toán nội lực và kiểm toán độ bền bản bê tông cốt thép dày 180 mm:

  • Tải trọng tác dụng: Tĩnh tải dầm bản thân và lớp phủ; hoạt tải bánh xe tiêu chuẩn theo mô hình xe tải thiết kế HL-93 được truyền qua dải bản làm việc theo phương ngang cầu.
  • Kiểm toán nứt theo trạng thái giới hạn sử dụng (TTGH SD): Áp dụng điều kiện phơi lộ bề mặt cấp 1 ($\gamma_e = 1,00$), chiều dày lớp bê tông bảo vệ $d_c = 57\text{ mm}$, ứng suất kéo cốt thép cho phép $f_{ss} = 240\text{ MPa}$, hệ số quy đổi $\beta_s = 1,66$. Khoảng cách thanh thép tính toán thỏa mãn điều kiện khống chế bề rộng khe nứt với giá trị giới hạn đạt 194,36 mm.
  • Kiểm tra sức kháng cắt của bản mặt cầu: Bề rộng dải bản tính toán hữu hiệu $b_v = 1,0\text{ m}$; chiều cao chịu cắt hữu hiệu $d_v = 129,6\text{ mm}$; hệ số khả năng bê tông chịu nứt $\beta = 2,0$; góc nghiêng ứng suất nén chéo $\theta = 45^\circ$; góc nghiêng cốt đai $\alpha = 90^\circ$; cự ly bố trí cốt đai theo phương dọc cầu @ = 400 mm; diện tích cốt thép chịu cắt phân bố $A_v = 0,455\text{ mm}^2/\text{m}$. Sức kháng cắt của bê tông $V_c = 0,83\text{ kN/m}$, lực DƯL hữu hiệu trên hướng lực cắt $V_p = 0$, sức kháng cắt của cốt đai $V_{s1} = 168,46\text{ kN/m}$, tổng sức kháng cắt danh định $V_{n1} = 286,35\text{ kN/m}$. Lực cắt tính toán tác dụng $V_u = 115,17\text{ kN/m} < \phi V_n$, thỏa mãn điều kiện bền.
  • Bố trí cốt thép bản mặt cầu:
    • Cốt thép chịu mô men âm thớ trên (theo phương dọc cầu): Bố trí thép $\phi 14$ cự ly @ = 250 mm, diện tích mỗi thanh $A = 153,9\text{ mm}^2$, diện tích thép cung cấp trên dải bản $A_s = 0,616\text{ mm}^2/\text{mm}$, lớn hơn hàm lượng thép tối thiểu yêu cầu ($0,380\text{ mm}^2/\text{mm}$).
    • Cốt thép chịu mô men dương thớ dưới: Diện tích cốt thép chính yêu cầu $A_{yc} = 0,616\text{ mm}^2/\text{mm}$, chiều dài nhịp tính toán hiệu dụng $S = 1,9\text{ m}$, hàm lượng cốt thép giới hạn $\rho = 0,67%$. Lượng cốt thép phân bố yêu cầu bằng $67% A_{yc} = 0,413\text{ mm}^2/\text{mm}$. Bố trí thép $\phi 14$ cự ly @ = 250 mm ($A_s = 0,616\text{ mm}^2/\text{mm}$), thỏa mãn điều kiện $A_s > 0,570\text{ mm}^2/\text{mm}$ và $A_s > 67% A_{yc}$. Bản mặt cầu kết luận thỏa mãn mọi điều kiện kiểm toán.

Chương 4: Dầm ngang

Chương 4 thực hiện phân tích tĩnh lực, hoạt tải và tính toán bố trí cốt thép thường cho 6 dầm ngang ($b = 0,2\text{ m}, h = 1,07\text{ m}$):

  • Tải trọng tĩnh tải tác dụng lên dầm ngang: Tải trọng bản mặt cầu truyền vào $DC_1 = 29,25\text{ kN/m}$; tải trọng lớp phủ $DW = 12,025\text{ kN/m}$; trọng lượng bản thân dầm ngang $DC_2 = 32,20\text{ kN/m}$. Diện tích đường ảnh hưởng giữa nhịp $W_M = S_{dn}^2 / 8 = 0,2625\text{ m}^2$, diện tích đường ảnh hưởng lực cắt gối $W_Q = S_{dn} / 2 = 1,30\text{ m}$ (hoặc $1,05\text{ m}$).
  • Nội lực tĩnh tải:
    • Giữa nhịp: Mô men do bản mặt cầu $M_{DC1} = 7,68\text{ kNm}$, do lớp phủ $M_{DW} = 3,16\text{ kNm}$, do dầm ngang $M_{DC2} = 8,40\text{ kNm}$.
    • Tại gối: Lực cắt do bản mặt cầu $Q_{DC1} = 30,71\text{ kN}$, do lớp phủ $Q_{DW} = 12,63\text{ kN}$, do dầm ngang $Q_{DC2} = 34,13\text{ kN}$.
  • Nội lực hoạt tải: Xét tổ hợp xe tải 3 trục, xe 2 trục và tải trọng làn ($LL_{lan} = 6,15\text{ kN/m}$). Phản lực do xe gây ra $R_{LL} = 102,96\text{ kN}$, phản lực do làn gây ra $R_{Làn} = 20,20\text{ kN}$. Mô men do hoạt tải xe $M_{LL} = 54,05\text{ kNm}$ với diện tích ĐAH $W_M = 0,55125\text{ m}^2$; mô men do tải làn $M_{Làn} = 11,11\text{ kNm}$. Lực cắt lớn nhất do xe $Q_{LL} = 147,09\text{ kN}$, diện tích ĐAH lực cắt $W_Q = 1,05\text{ m}$, lực cắt do làn $Q_{Làn} = 21,00\text{ kN}$.
  • Tổ hợp nội lực theo các TTGH: Hệ số điều chỉnh mô men dương $h_s^+ = 0,7$, mô men âm $h_s^- = 0,1$. Hệ số tải trọng: Cường độ 1 ($DC = 1,25; DW = 1,50; LL = 1,75$), Sử dụng 1 ($DC = 1,00; DW = 1,00; LL = 1,00$). Hệ số số làn xe: 1 làn chất tải $m = 1,2$; 2 làn chất tải $m = 1,0$. Mô men tính toán tổ hợp Cường độ 1 tại giữa nhịp đạt giá trị thiết kế $M_u$.
  • Bố trí cốt thép và kiểm toán dầm ngang:
    • Tiết diện giữa nhịp: Bố trí thớ trên $2\phi 14$ ($A's = 307,876\text{ mm}^2, a{bv} = 50\text{ mm}$), thớ dưới chịu kéo $2\phi 18$ ($A_s = 508,938\text{ mm}^2$). Khoảng cách từ thớ nén ngoài cùng đến trọng tâm thép kéo $d_s = 1013\text{ mm}$, đến trọng tâm thép nén $d's = 50\text{ mm}$. Sức kháng uốn danh định $M_n = 199,43\text{ kNm}$, sức kháng uốn tính toán với hệ số $\phi = 0,9$ là $M_r = 179,49\text{ kNm} \ge M_u$. Kiểm tra tỷ số giới hạn nén $c/d_s \le 0,38$ (với hệ số quy đổi $\beta_1 = 0,838$, biến dạng giới hạn kéo $\varepsilon{tl} = 0,005$). Kiểm toán thép tối thiểu với mô men nứt $M_{cr} = 147,86\text{ kNm}$ (với $S_n = 0,038\text{ m}^3, f_r = 3,45\text{ MPa}, \gamma_1 = 1,6, \gamma_3 = 0,7$), thỏa mãn điều kiện $M_r \ge \min(1,33 M_u; M_{cr})$. Kiểm toán nứt TTGH SD: $s = 150\text{ mm} < 378\text{ mm}$ (với $d_c = 50\text{ mm}, f_{ss} = 240\text{ MPa}, \beta_s = 1,070$).
    • Tiết diện gối (chịu mô men âm): Đảo chiều thép, bố trí thớ trên $2\phi 18$ ($A_s = 508,938\text{ mm}^2, a_{bv} = 50\text{ mm}$), thớ dưới $2\phi 14$ ($A'_s = 307,876\text{ mm}^2$). Chiều cao chịu kéo $d_s = 1011\text{ mm}, d'_s = 50\text{ mm}$, chiều dày khối nén tương đương $a = 15,77\text{ mm}$. Sức kháng uốn danh định $M_n = 199,02\text{ kNm}$, sức kháng tính toán $M_r = 179,12\text{ kNm}$, thỏa mãn điều kiện chịu lực và khống chế nứt với khoảng cách thanh $s = 150\text{ mm} < 378\text{ mm}$.
    • Kiểm tra chịu cắt dầm ngang: Lực cắt tính toán lớn nhất $V_u = 479,36\text{ kN}$, hệ số sức kháng cắt $\phi = 0,9$. Bề rộng sườn tính toán $b_v = 200\text{ mm}$, hệ số truyền lực kéo nứt $\beta = 2,0$, sức kháng cắt do bê tông đóng góp $V_c = 182,00\text{ kN}$, thành phần DƯL $V_p = 0$. Bố trí cốt thép đai tăng cường đảm bảo điều kiện chịu cắt danh định $\phi V_n \ge V_u$.

Chương 5: Dầm chính

Chương 5 là nội dung trọng tâm của đồ án, thực hiện tính toán toàn diện cho dầm I-33 m bê tông cốt thép dự ứng lực:

  • Hệ số phân bố ngang hoạt tải: Xác định hệ số phân bố cho mô men và lực cắt tương ứng với dầm trong và dầm biên trong trường hợp 1 làn và nhiều làn xe xếp tải.
  • Xác định nội lực tĩnh tải và hoạt tải: Lập đường ảnh hưởng mô men và lực cắt dọc dầm. Tổng hợp mô men và lực cắt do các thành phần tĩnh tải dầm bản thân ($DC_1$), dầm ngang và bản cánh ($DC_2$), tải trọng lớp phủ và lan can ($DW$) kết hợp hoạt tải bánh xe và tải làn HL-93 có xét hệ số xung kích.
  • Thiết kế cáp dự ứng lực và bố trí mặt cắt:
    • Ước lượng diện tích thép DƯL $A_{ps}$ yêu cầu dựa trên ứng suất tại thớ chịu kéo ở TTGH Cường độ 1.
    • Thiết lập quỹ đạo bó cáp cong, xác định tọa độ các bó cáp trên/dưới dọc theo chiều dài nhịp dầm và xác định bó cáp tương đương đại diện cho tính toán.
  • Phân tích đặc trưng hình học tiết diện: Tính toán diện tích tiết diện ($A$), mô men quán tính ($I$), khoảng cách đến thớ trên/thớ dưới ($y_t, y_b$) và mô đun chống uốn qua 3 giai đoạn: Giai đoạn 1 (tiết diện dầm I đơn lẻ), Giai đoạn 2 (tiết diện dầm I có xét dầm ngang và bản đổ tại chỗ), Giai đoạn 3 (tiết diện liên hợp dầm I và bản cánh bê tông).
  • Tính toán 8 thành phần mất mát ứng suất (MMUS):
    1. Mất mát ứng suất do ma sát giữa bó cáp và ống ghen.
    2. Mất mát ứng suất do độ tụt thiết bị neo khi đóng neo.
    3. Mất mát ứng suất do co ngắn đàn hồi của bê tông dầm khi truyền lực DƯL.
    4. Mất mát ứng suất do co ngót ngắn hạn của bê tông.
    5. Mất mát ứng suất do từ biến ngắn hạn của bê tông dầm.
    6. Mất mát ứng suất do co ngót dài hạn của bê tông theo thời gian.
    7. Mất mát ứng suất do từ biến dài hạn của bê tông dầm.
    8. Mất mát ứng suất do từ biến của bản mặt cầu liên hợp.
  • Tổng hợp mất mát ứng suất toàn phần và kiểm toán các trạng thái giới hạn:
    • Kiểm toán TTGH Sử dụng I trong thi công và khai thác: Khống chế ứng suất nén không vượt quá $0,60 f'_c$ và ứng suất kéo trong giới hạn quy định của tiêu chuẩn.
    • Kiểm toán TTGH Cường độ I: Kiểm tra sức kháng uốn danh định $M_n$ và tính toán $M_r$, kiểm toán điều kiện khống chế kéo, kiểm toán hàm lượng cốt thép tối thiểu để tránh phá hoại giòn.
    • Kiểm toán sức kháng cắt: Xác định sức kháng cắt tổng hợp của bê tông ($V_c$), cốt thép đai thường ($V_s$) và thành phần lực căng DƯL hướng đứng ($V_p$).
    • Kiểm tra độ võng đàn hồi của dầm chủ dưới tác dụng của hoạt tải khai thác HL-93 nhằm đảm bảo độ êm thuận khi xe chạy.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán kỹ thuật chính

Đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh các nội dung tính toán cơ học và bố trí kết cấu nhịp cầu giản đơn nhịp 33 m, đưa ra các chỉ số kỹ thuật cụ thể:

Hạng mục cấu kiện Thông số thiết kế chủ yếu Kết quả kiểm toán sức kháng Trạng thái đánh giá
Bản mặt cầu ($t = 0,18\text{ m}$) Thép âm: $\phi 14$ @ 250 mm ($A_s = 0,616\text{ mm}^2/\text{mm}$)
Thép dương: $\phi 14$ @ 250 mm ($A_s = 0,616\text{ mm}^2/\text{mm}$)		 $V_{n1} = 286,35\text{ kN/m} > V_u = 115,17\text{ kN/m}$
Khoảng cách thép chống nứt $\le 194,36\text{ mm}$		 Đạt yêu cầu
Dầm ngang ($0,2 \times 1,07\text{ m}$) Thớ trên gối: $2\phi 18$; Thớ dưới giữa nhịp: $2\phi 18$
Thớ cấu tạo đối xứng: $2\phi 14$		 $M_{r\text{ (giữa)}} = 179,49\text{ kNm} > M_u$
$M_{r\text{ (gối)}} = 179,12\text{ kNm} > M_u$
$V_u = 479,36\text{ kN} \le \phi V_n$		 Đạt yêu cầu
Dầm chính I-33 Cáp DƯL kết hợp tiết diện dầm I cao liên hợp bản
Bê tông $f'_c = 42\text{ MPa}$ ($38\text{ MPa}$ khi cắt cáp)		 Đạt ứng suất TTGH SD I (thi công & khai thác)
Đạt sức kháng uốn và cắt TTGH CD 1
Độ võng hoạt tải trong giới hạn cho phép		 Đạt yêu cầu

Đề xuất giải pháp cấu tạo của nhóm tác giả

  • Phân bố kết cấu ngang: Việc bố trí 6 dầm ngang với cự ly 6,0 m trên nhịp 33 m tạo nên hệ lưới dầm liên kết cứng vững, nâng cao khả năng phân phối tải trọng ngang giữa 4 dầm chủ I-33, giảm áp lực cục bộ lên từng dầm biên.
  • Bố trí cốt thép chống nứt: Cốt thép bản mặt cầu và dầm ngang đều tuân thủ chặt chẽ điều kiện khống chế khoảng cách thanh theo cấp phơi lộ 1 với ứng suất kéo làm việc $f_{ss} = 240\text{ MPa}$, ngăn chặn nguy cơ nứt sớm bê tông bản mặt cầu.
  • Quy trình căng kéo và kiểm soát mất mát ứng suất: Phân chia chi tiết mất mát ứng suất tức thời và dài hạn (từ biến, co ngót riêng biệt giữa dầm và bản mặt cầu) đảm bảo độ chính xác cao trong việc kiểm soát độ vồng thi công và ứng suất khai thác.

Đóng góp kỹ thuật của đồ án

Đồ án cung cấp quy trình tính toán mẫu mực và hoàn chỉnh cho loại kết cấu nhịp cầu BTCT DƯL dầm I-33 m giản đơn - một loại hình kết cấu phổ biến nhất trong xây dựng cầu đường bộ tại Việt Nam. Toàn bộ các bước chuyển tiếp từ phân tích tải trọng tĩnh, hoạt tải xếp xe đường ảnh hưởng, phân bố ngang, tính toán tiết diện liên hợp đến kiểm toán mất mát ứng suất đều bám sát trình tự của quy chuẩn TCVN 11823-2017 và 22TCN-272-05.

Hạn chế và phạm vi áp dụng

Dựa trên nội dung thể hiện trong văn bản thuyết minh, đồ án có các giới hạn kỹ thuật và phạm vi áp dụng như sau:

  • Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở kết cấu phần trên (kết cấu nhịp dầm giản đơn 33 m và mặt cầu). Toàn bộ kết cấu phần dưới gồm mố, trụ cầu, gối cầu và móng cọc chưa được tính toán chi tiết trong đồ án môn học này.
  • Các điều kiện biên về thủy văn và địa chất công trình chỉ dừng lại ở các số liệu định hướng ban đầu (cấp sông thông thuyền cấp V, tuyến đường cấp III đồng bằng), chưa có số liệu khoan địa chất chi tiết để tính toán lún móng hoặc phân tích tương tác động lực học cọc - đất nền.
  • Đồ án chưa thực hiện các phân tích nâng cao ngoài quy trình thiết kế tĩnh học tiêu chuẩn, chẳng hạn như phân tích dao động động lực học dưới tác động của gió bão, tải trọng va xô tàu thuyền vào kết cấu nhịp hoặc phân tích đáp ứng địa chấn theo phổ phản ứng.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án thiết kế kết cấu nhịp cầu dầm I-33 m mang lại giá trị thực tiễn đối với các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông, Xây dựng Cầu - Đường: Tài liệu đóng vai trò là mẫu đồ án môn học hoàn chỉnh (mã môn CI4123) và cơ sở tham khảo trực tiếp cho đồ án tốt nghiệp kỹ sư cầu đường.
  • Cán bộ kỹ thuật và kỹ sư thiết kế kết cấu cầu: Cung cấp bảng số liệu chuẩn xác về quy trình phân tích dầm ngang, xếp tải tính toán nội lực trên đường ảnh hưởng và phương pháp tính toán tách bạch các thành phần mất mát ứng suất trong dầm bê tông dự ứng lực căng sau.
  • Các phần có giá trị tham khảo nổi bật:
    • Chương 4 (Thiết kế dầm ngang): Phương pháp xếp xe bánh kép, xe 3 trục và tải làn trên đường ảnh hưởng để xác định mô men và lực cắt bất lợi; quy trình kiểm toán nứt chi tiết theo TCVN 11823-2017.
    • Chương 5 (Thiết kế dầm chính): Quy trình tính toán đầy đủ 8 thành phần mất mát ứng suất ngắn hạn và dài hạn, cùng phương pháp tính toán đặc trưng hình học tiết diện liên hợp qua 3 giai đoạn thi công.

Câu hỏi thường gặp

1. Kích thước hình học tổng thể của nhịp cầu và mặt cắt ngang dầm chủ được bố trí như thế nào?

Kết cấu nhịp cầu có chiều dài danh định và chiều dài tính toán là 33,0 m; bề rộng toàn bộ cầu đạt 8,5 m; khổ cầu dành cho xe chạy rộng 7,5 m (bố trí 2 làn xe cơ giới rộng 3,0 m/làn, dải phân cách vạch sơn). Hệ kết cấu nhịp gồm 4 dầm chủ BTCT DƯL tiết diện chữ I đặt cách nhau 2,1 m và 6 dầm ngang đặt cách nhau 6,0 m dọc theo cầu. Bản mặt cầu bê tông cốt thép dày 0,18 m và lớp phủ mặt cầu asphalt dày 0,074 m.

2. Bê tông dầm chính sử dụng các cấp cường độ nào và sự khác biệt giữa các giai đoạn thi công là gì?

Bê tông dầm chính sử dụng hai cấp cường độ chịu nén tính toán:

  • Cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày ($f'_c = 42\text{ MPa}$): Áp dụng cho giai đoạn khai thác, với mô đun đàn hồi $E_c = 31.851,8\text{ MPa}$ và trọng lượng riêng không cốt thép $W_c = 2.336,18\text{ kg/m}^3$.
  • Cường độ chịu nén tại thời điểm cắt chuyển lực cáp DƯL ($f'_c = 38\text{ MPa}$): Áp dụng cho giai đoạn truyền ứng suất trước ban đầu, với mô đun đàn hồi $E_c = 30.575,8\text{ MPa}$ và trọng lượng riêng không cốt thép $W_c = 2.327,02\text{ kg/m}^3$.

3. Cốt thép bản mặt cầu được bố trí theo quy cách nào và kết quả kiểm toán cắt đạt bao nhiêu?

Bản mặt cầu dày 180 mm được bố trí cốt thép chịu uốn hai lớp:

  • Cốt thép chịu mô men âm thớ trên: Bố trí thanh $\phi 14$ cự ly @ = 250 mm ($A_s = 0,616\text{ mm}^2/\text{mm} > 0,380\text{ mm}^2/\text{mm}$).
  • Cốt thép chịu mô men dương thớ dưới: Bố trí thanh $\phi 14$ cự ly @ = 250 mm ($A_s = 0,616\text{ mm}^2/\text{mm} > 67% A_{yc} = 0,413\text{ mm}^2/\text{mm}$). Về khả năng chịu cắt, tổng sức kháng cắt danh định của bản mặt cầu đạt $V_{n1} = 286,35\text{ kN/m}$, lớn hơn nhiều so với lực cắt tính toán tác dụng $V_u = 115,17\text{ kN/m}$, đảm bảo an toàn tuyệt đối.

4. Dầm ngang được bố trí cốt thép ra sao tại vị trí giữa nhịp và mặt cắt gối?

  • Tại giữa nhịp: Cốt thép chịu mô men dương thớ dưới gồm $2\phi 18$ ($A_s = 508,938\text{ mm}^2$), thớ trên đặt cấu tạo $2\phi 14$ ($A'_s = 307,876\text{ mm}^2$); sức kháng uốn tính toán đạt $M_r = 179,49\text{ kNm}$, thỏa mãn điều kiện cường độ và kiểm toán khống chế nứt với khoảng cách thanh $s = 150\text{ mm} < 378\text{ mm}$.
  • Tại mặt cắt gối (chịu mô men âm): Bố trí đảo ngược với thớ trên chịu kéo đặt $2\phi 18$ ($A_s = 508,938\text{ mm}^2$), thớ dưới chịu nén đặt $2\phi 14$ ($A'_s = 307,876\text{ mm}^2$); sức kháng uốn tính toán đạt $M_r = 179,12\text{ kNm}$.

5. Dầm chính BTCT DƯL I-33 m được phân tích qua những giai đoạn làm việc và thành phần mất mát ứng suất nào?

Dầm chính được phân tích đặc trưng hình học tiết diện liên hợp qua 3 giai đoạn làm việc: Giai đoạn 1 (dầm độc lập khi căng kéo cáp), Giai đoạn 2 (chịu tải dầm ngang và bản bê tông ướt) và Giai đoạn 3 (tiết diện liên hợp hoàn thiện chịu tải lan can, lớp phủ và hoạt tải HL-93). Quá trình tính toán mất mát ứng suất bao gồm 8 thành phần riêng biệt: mất mát do ma sát, tụt neo, co ngắn đàn hồi, co ngót ngắn hạn, từ biến ngắn hạn, co ngót dài hạn, từ biến dầm dài hạn và từ biến của bản mặt cầu.

Kết luận

Đồ án môn học "Thiết kế kết cấu nhịp cầu" của nhóm sinh viên Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG TP.HCM đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật cho công trình cầu dầm I-33 m bê tông cốt thép dự ứng lực nhịp giản đơn theo tiêu chuẩn TCVN 11823-2017 và 22TCN-272-05. Hệ thống tính toán bao quát đầy đủ từ kết cấu lan can, bản mặt cầu, hệ thống dầm ngang phân phối lực đến dầm chủ chữ I qua các giai đoạn thi công và khai thác. Mọi chỉ tiêu về sức kháng uốn, kháng cắt, khống chế nứt và độ võng đàn hồi đều được kiểm chứng thỏa mãn các trạng thái giới hạn quy định, cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho ngành xây dựng cầu đường.