Tính Toán Kết Cấu Trụ Cầu Vượt Đường VĐ3

Tài liệu nghiên cứu Nghiên cứu tính toán và lựa chọn kết cấu trụ trên hệ thống cầu vượt đường vành đai 3 thành phố hà, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Tác giả: Lê Quang Trìu
• Trường học: Trường Đại học Xây dựng
• Chuyên ngành: Kỹ thuật
• Đề tài: Tính Toán Kết Cấu Trụ Cầu Vượt Đường VĐ3
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: LÝ LUẬN VỀ KẾT CẤU TÍNH TOÁN TRỤ CẦU
• 1.1. Khái niệm và phân loại trụ cầu
• 1.2. Khái niệm cấu tạo
• 1.3. Phân loại mố trụ cầu
• 1.4. Đặc tính mố - trụ cứng (thép - bê tông)
• 1.5. Cơ sở yếu tố trong tính toán mố, trụ cầu
• 1.6. Tổng quát về phân tích kết cấu
• 1.7. Các tải trọng tác dụng lên mố trụ cầu
• 1.8. Một số phương thức tính thể tích và khối lượng vật thể
• 1.9. Lí thuyết tính toán trụ cầu
• 1.10. Tính toán tổng quát mố trụ cầu
• 1.11. Một số tính toán cọc móng khoan nhồi
• 1.12. Ứng dụng Midas/Civil trong phân tích kết cấu cầu
• 1.13. Sơ lược về Midas. Phương pháp Phần tử hữu hạn và ứng dụng trong Midas/Civil
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC TRẠNG VÀ CƠ SỞ THIẾT KẾ TÍNH TOÁN CẦU VƯỢT VĐ3
• 2.1. Tổng quan và phê duyệt xây dựng đường VĐ3
• 2.2. Sơ lược về dự án cầu VĐ3. Kết cấu cầu được sử dụng trên hệ thống cầu vượt đường VĐ3
• 2.3. Cơ sở của tính toán và thiết kế của dự án
• 2.4. Khảo sát địa chất công trình dự án - Tóm lược kết quả thực địa
• 2.5. Thông số tiêu chuẩn - trọng tải được duyệt của dự án
• 2.6. Các thông số đã thiết kế
• 2.7. Thông số thi công
• 2.8. Phân tích Tính toán - Kiểm nghiệm Mô hình
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ TÍNH TOÁN ÁP DỤNG MỐ TRỤ CẦU VĐ 3
• 3.1. Áp dụng tính toán móng cầu
• 3.2. Chọn lựa kiểu cọc móng
• 3.3. Phương án tính toán cọc cho móng trụ
• 3.4. Tính toán cho cọc đơn theo vật liệu
• 3.5. Sức chịu tải của thiết kế cọc đơn
• 3.6. Tổng sức chịu tải của các cọc
• 3.7. Tính toán chi tiết về trụ và mũ trụ
• 3.8. Tính toán trụ cầu về thể tích và khối lượng
• 3.9. Khởi tạo tính toán đầy đủ một trường hợp kích thước trụ
• 3.10. So sánh một số tính toán về các trường hợp kích thước trụ
• 3.10.1. So sánh với trường hợp kích thước trụ (24x4x1,6)(m) - Trường hợp 1
• 3.10.2. So sánh với trường hợp kích thước trụ (24x4,5x1,6)(m) - Trường hợp 2
• 3.10.3. So sánh với trường hợp kích thước trụ (20x4,5x1,8)(m) - Trường hợp 3
• 3.10.4. So sánh với trường hợp kích thước trụ (22x4,5x1,8)(m) - Trường hợp 4
• 3.10.5. So sánh với trường hợp kích thước trụ (22x4,5x1,6)(m) - Trường hợp 5
• 3.10.6. So sánh với trường hợp kích thước trụ (20x4x1,8)(m) - Trường hợp 6
• 3.10.7. So sánh với trường hợp kích thước trụ (20x3,5x1,8)(m) - Trường hợp 7
• 3.10.8. So sánh với trường hợp kích thước trụ (24x3,5x1,4)(m) - Trường hợp 8
• 3.11. Tổng kết một số tính toán qua đồ thị những trường hợp xét ở trên đây
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN KIỂM CHỨNG TRÊN MÔ HÌNH ĐIỆN TỬ
• 4.1. Một số kết quả nghiệm thu mô hình mô phỏng đơn vị thiết kế cầu
• 4.2. Phân tích tĩnh tuyến tính
• 4.3. Phân tích tác dụng động với gió
• 4.4. Phân tích kết cấu dưới tác động của động đất
• 4.5. Ứng dụng Midas/Civil Trong Phân tích Mô hình trụ mẫu VĐ3
• 4.6. Nhập mô hình tổng quát kết cấu vào Midas
• 4.7. Thông số và đặc tính hóa các phần tử
• 4.8. Midas trả về mô hình kết cấu - Nhập số liệu cho các biến
• 4.9. Midas trả về kết quả cho từng trường hợp
• 4.10. Một số kinh nghiệm rút ra từ quá trình tính toán Mố trụ cầu vành đai 3
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Tính Toán Kết Cấu Trụ Cầu Vượt Đường VĐ3

Tính toán kết cấu trụ cầu vượt đường VĐ3 là một phần quan trọng trong thiết kế cầu. Nó không chỉ đảm bảo an toàn cho công trình mà còn tối ưu hóa chi phí và vật liệu. Việc hiểu rõ về các yếu tố ảnh hưởng đến tính toán kết cấu là rất cần thiết. Các yếu tố này bao gồm tải trọng, vật liệu, và phương pháp thi công.

1.1. Khái Niệm Về Kết Cấu Trụ Cầu

Kết cấu trụ cầu là bộ phận chịu tải trọng và truyền lực xuống nền đất. Nó bao gồm các thành phần như mố trụ, mũ trụ và thân trụ. Mỗi thành phần có vai trò riêng trong việc đảm bảo tính ổn định và an toàn cho cầu.

1.2. Phân Loại Trụ Cầu Vượt Đường

Trụ cầu có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí như vật liệu, hình dạng và phương pháp thi công. Việc phân loại này giúp xác định phương pháp tính toán phù hợp cho từng loại trụ.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Tính Toán Kết Cấu Trụ Cầu

Trong quá trình tính toán kết cấu trụ cầu, nhiều vấn đề và thách thức có thể phát sinh. Những vấn đề này có thể liên quan đến tải trọng không đồng đều, điều kiện địa chất phức tạp, và yêu cầu về thời gian thi công. Việc nhận diện và giải quyết những thách thức này là rất quan trọng.

2.1. Tải Trọng Không Đồng Đều

Tải trọng không đồng đều có thể gây ra biến dạng và ứng suất không mong muốn trong kết cấu. Việc phân tích tải trọng là cần thiết để đảm bảo an toàn cho cầu.

2.2. Điều Kiện Địa Chất Phức Tạp

Điều kiện địa chất không ổn định có thể ảnh hưởng đến khả năng chịu tải của trụ cầu. Cần thực hiện khảo sát địa chất kỹ lưỡng để đưa ra giải pháp thiết kế phù hợp.

III. Phương Pháp Tính Toán Kết Cấu Trụ Cầu Vượt Đường VĐ3

Có nhiều phương pháp tính toán kết cấu trụ cầu, mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa quá trình thiết kế và thi công.

3.1. Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn là một trong những phương pháp phổ biến nhất trong tính toán kết cấu. Nó cho phép phân tích ứng suất và biến dạng của trụ cầu một cách chính xác.

3.2. Phương Pháp Tĩnh Tuyến Tính

Phương pháp tĩnh tuyến tính giúp xác định phản lực và ứng suất trong kết cấu dưới tác động của tải trọng tĩnh. Đây là phương pháp cơ bản nhưng rất hiệu quả.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Tính Toán Kết Cấu Trụ Cầu

Tính toán kết cấu trụ cầu không chỉ là lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn rõ ràng. Các kết quả từ tính toán giúp cải thiện thiết kế và thi công cầu, đảm bảo an toàn và hiệu quả.

4.1. Kết Quả Nghiên Cứu Từ Dự Án Cầu VĐ3

Nghiên cứu từ dự án cầu VĐ3 cho thấy việc áp dụng các phương pháp tính toán hiện đại giúp tối ưu hóa kích thước và vật liệu của trụ cầu.

4.2. Kinh Nghiệm Rút Ra Từ Thực Tiễn

Kinh nghiệm từ các dự án trước đây cho thấy việc tính toán chính xác giúp giảm thiểu rủi ro và chi phí trong quá trình thi công.

V. Kết Luận Về Tính Toán Kết Cấu Trụ Cầu Vượt Đường VĐ3

Tính toán kết cấu trụ cầu vượt đường VĐ3 là một lĩnh vực quan trọng trong xây dựng cầu. Việc áp dụng các phương pháp tính toán hiện đại và hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng sẽ giúp nâng cao chất lượng công trình.

5.1. Tương Lai Của Tính Toán Kết Cấu

Tương lai của tính toán kết cấu sẽ tiếp tục phát triển với sự hỗ trợ của công nghệ mới, giúp cải thiện độ chính xác và hiệu quả trong thiết kế.

5.2. Đề Xuất Nghiên Cứu Thêm

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp tính toán mới để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao trong xây dựng cầu.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển hạ tầng giao thông đô thị hiện đại, việc xây dựng các công trình cầu vượt có vai trò quan trọng trong việc giảm tải giao thông và nâng cao hiệu quả vận tải. Dự án cầu vượt đường Vành đai 3 tại Hà Nội là một trong những công trình trọng điểm, với tổng chiều dài khoảng 8.912m, bao gồm 8.527m cầu cạn và 385m đường dẫn, được thiết kế theo tiêu chuẩn cấp đường cao tốc đô thị với tốc độ thiết kế 100 km/h. Công trình được xây dựng trên nền đất yếu, trong khu vực đông dân cư, đòi hỏi các giải pháp thiết kế kết cấu trụ cầu phải đảm bảo độ bền, khả năng chịu lực và tối ưu chi phí vật liệu.

Mục tiêu nghiên cứu là phân tích, tính toán và lựa chọn kết cấu trụ cầu phù hợp cho hệ thống cầu vượt đường Vành đai 3, nhằm xác định kích thước trụ thực tế đã thi công và đánh giá các phương án kích thước trụ khác nhau dựa trên hai tiêu chí chính: khối lượng vật liệu (bê tông, cốt thép) và sự chiếm dụng không gian. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các trụ cầu thuộc dự án xây dựng giai đoạn 2 đoạn Mai Dịch - Bắc hồ Linh Đàm, với dữ liệu khảo sát địa chất, thiết kế kỹ thuật và các thông số thi công được thu thập từ thực tế dự án.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở dữ liệu khoa học cho việc lựa chọn kích thước trụ cầu tối ưu, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu, giảm chi phí xây dựng và đảm bảo an toàn kết cấu trong quá trình khai thác. Kết quả nghiên cứu cũng hỗ trợ các nhà thiết kế, kỹ sư xây dựng trong việc áp dụng các tiêu chuẩn Việt Nam và quốc tế một cách hiệu quả, đồng thời góp phần phát triển bền vững hạ tầng giao thông đô thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình kết cấu cầu, tập trung vào tính toán mố trụ cầu và các tải trọng tác động. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

1. Lý thuyết kết cấu chịu lực bê tông cốt thép: Bao gồm các khái niệm về mố trụ cầu, phân loại mố trụ theo sơ đồ tĩnh học, độ cứng dọc cầu và vật liệu sử dụng. Các khái niệm chính như mũ trụ, thân trụ, móng trụ, áp lực đất và tải trọng hoạt tải được phân tích chi tiết để xác định kích thước và cấu tạo trụ cầu.

2. Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM): Được sử dụng trong phần mềm MIDAS/Civil để mô hình hóa và phân tích kết cấu cầu. Phương pháp này chia kết cấu thành các phần tử hữu hạn, tính toán chuyển vị, nội lực và ứng suất tại các nút kết cấu, giúp đánh giá chính xác ứng xử của trụ cầu dưới các tải trọng khác nhau.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: tải trọng tĩnh và động, áp lực đất ngang, sức chịu tải của cọc khoan nhồi, mô hình tính toán kết cấu, phân tích phi tuyến và phân tích P-Delta. Tiêu chuẩn thiết kế áp dụng là 22 TCN 272:2005 và AASHTO 2010.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ dự án xây dựng cầu vượt đường Vành đai 3, bao gồm số liệu khảo sát địa chất, bản vẽ thiết kế kỹ thuật, thông số thi công và kết quả tính toán thực tế. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm các trường hợp kích thước trụ cầu khác nhau (từ 8 đến 10 trường hợp), được kiểm toán và so sánh dựa trên các chỉ tiêu khối lượng vật liệu và chiếm dụng không gian.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm MIDAS/Civil phiên bản 7, kết hợp với bảng tính Excel để mô phỏng và so sánh các phương án kích thước trụ. Quá trình nghiên cứu được thực hiện theo timeline từ khảo sát thực địa, thu thập dữ liệu, mô hình hóa kết cấu, phân tích tải trọng, đến đánh giá và đề xuất giải pháp trong khoảng thời gian từ năm 2012 đến quý I/2013.

Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn các kích thước trụ tiêu biểu đã thi công và các phương án thay thế có kích thước khác nhau để đánh giá hiệu quả. Phân tích dữ liệu tập trung vào so sánh khối lượng bê tông, cốt thép và diện tích chiếm dụng không gian của từng phương án.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Kích thước trụ cầu thực tế và khối lượng vật liệu: Trụ cầu thực tế có chiều cao trung bình 5,2m, sử dụng cọc khoan nhồi đường kính Φ=1500mm với chiều sâu ngàm 43m, số lượng cọc 8-9 cọc cho trụ một cột. Khối lượng bê tông và cốt thép của trụ thực tế được xác định qua bảng tính và mô hình hóa, cho thấy mức tiêu hao vật liệu phù hợp với yêu cầu chịu lực và ổn định kết cấu.

2. So sánh các phương án kích thước trụ: Qua 8 trường hợp kích thước trụ khác nhau, kết quả tính toán cho thấy sự thay đổi kích thước trụ ảnh hưởng rõ rệt đến khối lượng vật liệu và diện tích chiếm dụng. Ví dụ, trường hợp trụ kích thước (24x4x1,6)m có khối lượng vật liệu lớn hơn khoảng 10-15% so với trường hợp (20x3,5x1,8)m, trong khi diện tích chiếm dụng không gian giảm tương ứng.

3. Phân tích tải trọng và nội lực: Phân tích mô hình bằng MIDAS/Civil cho thấy các trụ cầu đều đáp ứng yêu cầu chịu lực theo tiêu chuẩn 22 TCN 272:2005, với các tổ hợp tải trọng chính và phụ được xét đến như tĩnh tải, hoạt tải, lực gió và động đất. Phân tích P-Delta và phi tuyến được áp dụng để đánh giá độ ổn định và biến dạng lớn, kết quả cho thấy trụ cầu có độ cứng và khả năng chịu lực tốt trong giới hạn thiết kế.

4. Hiệu quả sử dụng phần mềm MIDAS/Civil: Phần mềm cho phép mô hình hóa chính xác kết cấu trụ cầu, hỗ trợ nhập dữ liệu từ AutoCAD và xuất kết quả dưới dạng đồ họa, bảng biểu. Tốc độ tính toán nhanh hơn so với một số phần mềm khác như SAP2000, giúp rút ngắn thời gian thiết kế và kiểm tra.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của sự khác biệt về khối lượng vật liệu giữa các phương án kích thước trụ chủ yếu do sự thay đổi tiết diện thân trụ và mũ trụ, ảnh hưởng trực tiếp đến thể tích bê tông và lượng cốt thép cần thiết. Kích thước trụ lớn hơn giúp tăng độ cứng và khả năng chịu lực nhưng đồng thời làm tăng chi phí vật liệu và diện tích chiếm dụng, gây khó khăn trong các khu vực đô thị đông dân cư.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành xây dựng cầu, kết quả phù hợp với xu hướng tối ưu hóa kích thước trụ để cân bằng giữa yêu cầu kỹ thuật và kinh tế. Việc áp dụng tiêu chuẩn Việt Nam kết hợp với các tiêu chuẩn quốc tế như AASHTO giúp nâng cao độ tin cậy và tính khả thi của thiết kế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh khối lượng vật liệu và diện tích chiếm dụng của từng phương án kích thước trụ, cũng như bảng tổng hợp các thông số tải trọng và nội lực tính toán. Điều này hỗ trợ trực quan cho việc lựa chọn phương án tối ưu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu kích thước trụ cầu: Khuyến nghị lựa chọn kích thước trụ phù hợp với điều kiện địa chất và yêu cầu sử dụng, ưu tiên các phương án giảm khối lượng vật liệu từ 10-15% so với kích thước trụ thực tế, nhằm tiết kiệm chi phí và giảm diện tích chiếm dụng. Thời gian áp dụng trong các dự án mới trong vòng 1-2 năm tới.

2. Áp dụng phần mềm phân tích kết cấu hiện đại: Khuyến khích sử dụng MIDAS/Civil hoặc các phần mềm tương đương để mô hình hóa và phân tích kết cấu cầu, giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả thiết kế. Chủ thể thực hiện là các đơn vị thiết kế và tư vấn kỹ thuật.

3. Nâng cao chất lượng khảo sát địa chất: Đề xuất tăng cường khảo sát địa chất chi tiết tại vị trí xây dựng trụ cầu để xác định chính xác các thông số đất nền, từ đó lựa chọn loại cọc móng và kích thước trụ phù hợp, đảm bảo an toàn và ổn định kết cấu. Thời gian thực hiện trước giai đoạn thiết kế chi tiết.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ sư thiết kế: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về lý thuyết kết cấu, phương pháp phần tử hữu hạn và sử dụng phần mềm phân tích kết cấu cho đội ngũ kỹ sư xây dựng cầu đường. Chủ thể thực hiện là các trường đại học, viện nghiên cứu và các công ty xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế cầu đường: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực tiễn về tính toán kết cấu trụ cầu, giúp kỹ sư lựa chọn kích thước trụ tối ưu, áp dụng phần mềm phân tích hiện đại trong thiết kế.

2. Nhà quản lý dự án xây dựng hạ tầng giao thông: Thông tin về chi phí vật liệu và diện tích chiếm dụng hỗ trợ quản lý hiệu quả nguồn lực, lập kế hoạch thi công phù hợp với điều kiện thực tế.

3. Giảng viên và sinh viên ngành xây dựng cầu đường: Tài liệu tham khảo phong phú về lý thuyết kết cấu, phương pháp tính toán và ứng dụng phần mềm, phục vụ giảng dạy và nghiên cứu khoa học.

4. Các đơn vị tư vấn khảo sát địa chất và thi công móng: Hiểu rõ yêu cầu kỹ thuật và tiêu chuẩn áp dụng trong thiết kế móng trụ cầu, từ đó đề xuất giải pháp thi công phù hợp, đảm bảo chất lượng công trình.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phải lựa chọn kích thước trụ cầu tối ưu?
   Lựa chọn kích thước trụ tối ưu giúp cân bằng giữa khả năng chịu lực, chi phí vật liệu và diện tích chiếm dụng, từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của công trình. Ví dụ, giảm kích thước trụ có thể tiết kiệm đến 15% khối lượng bê tông và cốt thép.

2. Phần mềm MIDAS/Civil có ưu điểm gì trong thiết kế cầu?
   MIDAS/Civil hỗ trợ mô hình hóa đa dạng kết cấu cầu, phân tích tải trọng tĩnh và động, phân tích phi tuyến và P-Delta, với tốc độ tính toán nhanh và giao diện thân thiện, giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả thiết kế.

3. Các tải trọng chính tác động lên trụ cầu gồm những loại nào?
   Bao gồm trọng lượng bản thân kết cấu, trọng lượng đất đắp, áp lực ngang đất, phản lực gối do hoạt tải, lực gió, lực động đất và lực hãm xe. Tổ hợp tải trọng được tính toán theo tiêu chuẩn 22 TCN 272:2005 và AASHTO.

4. Làm thế nào để xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi?
   Sức chịu tải được tính dựa trên sức kháng mũi và sức kháng thân cọc, sử dụng các công thức theo tiêu chuẩn AASHTO và các phương pháp như α của Reese & O’Neil, kết hợp với số liệu khảo sát địa chất như cường độ kháng cắt và số đo SPT.

5. Tại sao cần phân tích phi tuyến và P-Delta trong thiết kế trụ cầu?
   Phân tích phi tuyến và P-Delta giúp đánh giá chính xác ứng xử kết cấu khi chịu biến dạng lớn và tải trọng đồng thời theo nhiều phương, đảm bảo an toàn và ổn định kết cấu trong điều kiện thực tế, đặc biệt với các công trình cao tầng hoặc chịu tải trọng động lớn.

Kết luận

• Nghiên cứu đã xác định được kích thước trụ cầu thực tế và các phương án thay thế phù hợp cho hệ thống cầu vượt đường Vành đai 3, với sự cân bằng giữa khối lượng vật liệu và diện tích chiếm dụng.
• Phần mềm MIDAS/Civil được chứng minh là công cụ hiệu quả trong mô hình hóa và phân tích kết cấu trụ cầu, hỗ trợ thiết kế chính xác và nhanh chóng.
• Các tải trọng tác động lên trụ cầu được phân tích đầy đủ theo tiêu chuẩn Việt Nam và quốc tế, đảm bảo kết cấu đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và an toàn.
• Đề xuất các giải pháp tối ưu kích thước trụ, nâng cao chất lượng khảo sát địa chất và đào tạo kỹ sư nhằm nâng cao hiệu quả thiết kế và thi công.
• Tiếp tục nghiên cứu mở rộng áp dụng các phương pháp phân tích phi tuyến và mô phỏng động lực học trong thiết kế cầu, đồng thời cập nhật công nghệ phần mềm mới để nâng cao chất lượng công trình.

Hành động tiếp theo là áp dụng kết quả nghiên cứu vào các dự án cầu đường đô thị, đồng thời tổ chức các hội thảo chuyên môn để phổ biến kiến thức và kinh nghiệm thiết kế kết cấu trụ cầu hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: LÝ LUẬN VỀ KẾT CẤU TÍNH TOÁN TRỤ CẦU 1. Khái niệm và phân loại trụ cầu 1.1 Khái niệm cấu tạo Cầu: Là một kết cấu bất kỳ vượt qua phía trên chướng ngại vật, có khẩu độ ≥ 6m, tạo thành một phần của tuyến đường. Khái niệm Mố trụ cầu: Là một bộ phận quan trọng trong công trình cầu, có chức năng đỡ kết cấu nhịp, truyền các tải trọng thẳng đứng và ngang xuống đất nền. 1 Khái niệm Mố cầu: Là bộ phần tiếp giáp giữa cầu và đường, đảm bảo xe chạy êm thuận.

Mố cầu còn có tác dụng như tường chắn đất ở nền đường đầu cầu là để nền đường không bị lún sụt, xói lở. Mố cầu có hình dạng không đối xứng và chịu áp lực một phía.1: Mô tả chung về mối trụ cầu  Tường đỉnh là bộ phận chắn đất sau dầm chủ hoặc dầm mặt cầu, có chiều cao tính từ mặt cầu đến mặt kê gối.  Mũ mố là bộ phận để kê gối cầu, chịu áp lực trực tiếp từ kết cấu nhịp truyền xuống.  Tường thân là bộ phận đỡ tường đỉnh và mũ mố.

1 Trang 2, Mố trụ cầu – GS. TS Nguyễn Việt Trung, 2004 Lê Quang Trìu Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật - 2013 Trường Đại học Xây dựng 11  Tường cánh là các tường chắn đất chống sụt lở của nền đường theo phương ngang cầu.  Móng mố là bộ phận đỡ tường trước hoặc tường thân và tường cánh.  Nón mố là công trình chống sói lở, lún sụt ta luy nền đường taị vị trí đầu cầu đồng thời.

có tác dụng như một công trình dẫn dòng chảy, tuỳ theo độ dốc taluy, vận tốc nước, nón mố có thể đắp đất gia cố cỏ, gia cố đá hộc hoặc làm dưới dạng tường chắn.2 Phân loại mố trụ cầu  Theo sơ đồ tĩnh học: o Mố trụ cầu dầm (cầu bản, dầm giản đơn, liên tục, mút thừa): Dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng, chỉ có phản lực gối thẳng đứng V. Phân biệt mố trụ cầu o Mố trụ cầu khung: Mố vẫn giống cầu dầm nhưng trụ liên kết ngàm với kết cấu nhịp. Như vậy trụ chịu mômen rất lớn. Bố trí cả cốt thép thường và cốt thép dự ứng lực.

Mố trụ khung o Mố trụ cầu treo: Mố phải có kích thước đủ lớn để chịu lực V,H cấu tạo phức tạp. Lê Quang Trìu Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật - 2013 Trường Đại học Xây dựng 12 Hình 1. Mố trụ treo o Mố trụ cầu dây văng: Mố chịu lực nhổ truyền tại mố bố trí gối chịu lực nhổ và mố phải đủ nặng để chịu lực được nhổ. Mố không chịu lực đẩy ngang do dây neo được neo vào đầu dầm cứng.

Trụ tháp cầu chịu lực chủ yếu, các dây neo truyền tải trọng vào trụ tháp, truyền xuống móng, trụ tháp phải đủ cứng để chịu được lực tác dụng của các tải trọng. Mố trụ cầu dây văng  Theo độ cứng dọc cầu: o Mố trụ cứng: Kích thước lớn, trong lượng lớn. Khi chịu lực biến dạng của mố trụ tương đối nhỏ có thể bỏ qua. Mỗi trụ có khả năng chịu toàn bộ tải trọng ngang theo phương dọc cầu từ kết cấu nhịp truyền đến và tải trọng ngang do áp lực đất gây ra.

Loại mố trụ này áp dụng cho cầu nhỏ, cầu trung và cầu lớn. o Mố trụ dẻo: Kích thước thanh mảnh, độ cứng nhỏ gồm: Xà mũ, cọc (cột). Trên mố trụ chỉ có gối cố định hoặc không cần gối. Khi chịu lực ngang theo phương dọc cầu toàn bộ kết cấu nhịp và trụ sẽ làm việc như 1 khung và khi đó lực tác dụng ngang sẽ truyền cho cho các trụ theo tỷ lệ độ cứng của chúng.

Lê Quang Trìu Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật - 2013 Trường Đại học Xây dựng 13 Lúc này cầu làm việc như 1 khung nhiều nhịp và giảm lực ngang tác dụng lên trụ. Tuy nhiên mố trụ dẻo chịu va xô kém mà các sông có thông thuyền, cây trôi không làm được. Nhưng với loại mố trụ này cho phép sử dụng vật liệu hợp lý hơn nên giảm được kích thước mố trụ. áp dụng cho cầu nhịp nhỏ và chiều cao không lớn lắm.

 Theo vật liệu: o Bê tông, đá xây o Bê tông cốt thép  Theo phương pháp xây dựng: o Toàn khối (đổ tại chỗ) o Lắp ghép o Bán lắp ghép 1.3 Đặc tính mố - trụ cứng (thép - bê tông) Mũ trụ: Chịu tải trọng trực tiếp từ kết cấu nhịp và truyền xuống thân trụ. Kết cấu nhịp tựa trên mũ trụ thông qua gối cầu. Tại chỗ đặt gối cầu, mũ trụ thường bố trí lưới cốt thép chịu ứng suất cục bộ có bước (5 x 5) cm. Mặt trên của mũ trụ phải tạo dỗc ít nhất 1:10 để thoát nước.

Bê tông mũ trụ thường sử dụng M250 hoặc M300.6: Trụ đặc thân hẹp Lê Quang Trìu Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật - 2013 Trường Đại học Xây dựng 14 Hình 1.7: Trụ thân rộng Hình 1.8: Trụ thân cao Cốt thép của mũ trụ được bố trí phụ thuộc vào cấu tạo thân trụ:  Trụ đặc thân rộng: cốt thép mũ trụ đặt theo cấu tạo Hình 1.9: Cốt thép mũ trụ đặc thân rộng  Trụ đặc thân hẹp: Cốt thép mũ trụ phần hẫng phải được đặt theo tính toán. Sơ đồ: Dầm ngàm một đầu Lê Quang Trìu Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật - 2013 Trường Đại học Xây dựng 15 Tải trọng: Trọng lượng bản thân mũ trụ Trọng lượng đá kê gối Phản lực gối do tĩnh tải: Rt Phản lực gối do hoạt tải: Rh (có xét đến hệ số phân bố ngang).10: Cốt thép mũ trụ đặc thân hẹp  Trụ thân cột: áp dụng trong cầu dàn thép có đường xe chạy dưới, cầu dầm nhịp L= 20x30m. Cốt thép chịu lực của xà mũ thường có đường kính d=Φ=20mm, được bố trí như sau: Hình 1.11: Cốt thép mũ trụ thân cột Đá kê gối bằng BTCT M300, có lưới cốt thép theo tính toán. Lưới cốt thép thường có các kích thước sau: Φ= (8x12)mm có khi đến 14mm; Diện tích ô lưới đơn vị S= (80 x80; 120x120) mm Khoảng cách các lưới phải thoả mãn yêu cầu cấu tạo tức khoảng cách các lưới (50x70)mm.

Lê Quang Trìu Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật - 2013 Trường Đại học Xây dựng 16 Hình 1.12: Bệ kê gối Kích thước cơ bản của mũ trụ:  Chiều cao mũ: Hmũ ≥ 40cm để đảm bảo cho kết cấu nhịp truyền phản lực qua mũ vào thân trụ.  Chiều rộng mũ B (dọc cầu): Hình 1.13: Bố trí gối trên mũ trụ Gọi: D là khe hở giữa 2 đầu kết cấu nhịp.  Nếu trên trụ đặt 2 gối cố định thì lấy: Dmin = 5cm (1).  Nếu trên trụ đặt 1 gối cố định + 1 gối di động: D =5cm +a toL (2).

Trong đó: to là chênh lệch nhiệt độ (giữa nhiệt độ khi đặt dầm lên gối với nhiệt độ nóng hoặc lạnh nhất, a:hệ số biến dạng do nhiệt độ của kết cấu nhịp, L: chiều dài nhịp tính toán  Nếu trên trụ đặt hai gối di động: D =5cm +a1 to L1 + a2 toL2 (3). Lê Quang Trìu Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật - 2013 Trường Đại học Xây dựng 17 Gọi: b1, b1’ là khoảng cách từ tim gối đến đầu mút kết cấu nhịp, nhịp trái và phải. bo, bo’ là kích thước thớt dưới của gối theo dọc cầu ao, ao’ là kích thước thớt dưới của gối theo ngang cầu (15x20)cm là khoảng cách từ mép thớt gối đến mép đá kê gối a là khoảng cách mép đá kê đến mép mũ trụ a xác định theo Quy trình, amin = 15x20cm.14: Bố trí gối và đá kê gối Bmin =D +b1+b1'+b0/2+b0'/2+2(15÷20)+2a (4). Ví dụ dầm dự ứng lực L = 33m có B = 2m.

Chiều dài mũ A (ngang cầu): Gọi: a1 là khoảng cách từ mép đá kê đến mép mũ trụ. a1 = (30x 50)cm tuỳ loại gối cầu. a2 là khoảng cách tim các dầm chủ theo ngang cầu. n là số dầm chủ theo ngang cầu.

Ta có: Amin = (n - 1) a2 + ao + 2( 15÷20) +2a1 (5) Hình 1. Bố trí gối đá kê Lê Quang Trìu Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật - 2013 Trường Đại học Xây dựng 18 Thân trụ: Thân trụ làm nhiệm vụ truyền áp lực từ mũ trụ xuống móng và chịu các lực ngang theo phương dọc cầu và ngang cầu. Mặt cắt ngang của trụ trong phạm vi lòng sông phải có dạng rẽ nước tốt. Thân trụ phải chịu được va đập do cây trôi, ở các nhịp có tàu thuyền qua lại còn phải chịu được va của tàu.

Hình dạng mặt cắt ngang thân trụ phụ thuộc vào điều kiện dòng chảy dưới cầu. Thân trụ chữ nhật áp dụng cho cầu cạn Áp dụng cho cầu 2 trụ R = b/2 Áp dụng cho dòng chảy mạnh Tránh tạo thành dòng xoáy ngầm gần trụ Giảm xói lở sông và hạ chiều cao nước dâng Hình 1.16: Một số thiết diện trụ Mặt cắt thân trụ điển hình Chú ý sườn bên có thể nghiêng Trụ cầu hiện đại có sườn bên thẳng. Tiết diện trụ được chọn theo tiết diện trên đỉnh móng. Một số loại thân trụ khác cũng được sử dụng: Hình 1.17: Mặt cắt trụ điển hình Lê Quang Trìu Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật - 2013 Trường Đại học Xây dựng 19  Trụ thân đặc rỗng ( Bê tông, đá xây hoặc BTCT) Hình 1.18: Ví dụ thân trụ rỗng  Trụ thân hẹp BTCT  Trụ thân cột BTCT có d = 80 ÷200 ( 300)cm Móng trụ: Móng trụ có nhiệm vụ truyền tải trọng từ thân trụ mố xuống đất nền bên dưới và xung quanh.

Ngoài ra móng trụ còn có nhiệm vụ phân bố lực từ thân trụ xuống 1 diện tích rộng hơn để đảm bảo đủ chịu lực cho đất nền và ổn định cho trụ. Độ sâu đặt móng còn phải đảm bảo cho trụ không bị mất ổn định, nghiêng lệch hoặc bị phá hoại do xói lở gây ra. Đầu trên của cọc phải được ngàm vào trong bệ hay xà mũ BTCT một trị số theo tính toán đồng thời phải ngập sâu vào trong bệ đỡ một đoạn không nhỏ hơn 2 lần chiều dày thân cọc, với các cọc đường kính d ≥ 60cm thì không được nhỏ hơn 1. Với các cọc cho cốt thép chôn vào trong bệ thì cọc phải ngàm vào bệ (10x15)cm và cốt thép nằm trong bệ ít nhất là 20 lần đường kính cốt thép gờ và 40 lần đường kính cốt thép tròn trơn.2  Kích thước: quy định như hình.

Để đảm bảo sự truyền tải trọng đồng đều xuống các cọc thì chiều dày bệ phải ≥ 2m. 2 Trang 50-70, giáo trình nền móng, ĐH GT VT; Lê Quang Trìu Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật - 2013 Trường Đại học Xây dựng 20 Hình 1.