Chơng I Phương án sơ bộ thết kế cầu

Cầu treo dây văng với uthế về khả năng chịu lực , hợp lí về công nghệ thi công tính đa dạng về sơ đồ kếtcấu đang trở thành các công trình trọng điểm của nhiều nớc , cũng là công trình đặ

Trang 1

- Dầm liên tục 3 nhịp {90 + 120 + 90} m tiết diện hình hộp chiều cao tại gối 7,0

m, tại giữa nhịp và cuối nhịp biên là 3 m Cao độ đáy dầm thay đổi theo quy luậtparabol đảm bảo phù hợp yêu cầu chịu lực và mỹ quan kiến trúc

- Mặt cắt hộp dạng thành đứng, phần cách hẫng của hộp 3,0 m sờn dầm dày 45

cm, bản nắp hộp không thay đổi dày 25 cm, bản đáy hộp thay đổi từ 80 tại gối

đến 25 cm tại giữa nhịp, cánh hẫng dày 20 cm, các khoảng cách khác ghi trênhình vẽ

- Vật liệu dùng cho kết cấu nhịp

3 Tiêu chuẩn kỹ thuật

- Qui trình thiết kế : Qui trình 1979 do bộ giao thông vận tải ban hành năm 1979

- Tải trọng tác dụng H30 - XB80 - Bộ hành

- Khổ cầu 9 + 2 1,5 m

- Khổ thông thuyền 50 m x 7 m

II Nội dung tính toán phơng án sơ bộ thứ nhất

- Trong phơng án sơ bộ yêu cầu tính toán KCN trong giai đoạn khai thác

- Tiết diện tại hai mặt cắt

Trang 2

- Xác định kích thớc mặt cắt ngang: Dựa vào công thức kinh nghiệm mối quan

hệ, chiều cao của hộp, dày máng, dày đáy và khổ cầu ta chọn mắt cắt ngang nhhình vẽ

1.2 Tính toán đặc trng hình học

1.2.1 Xác định phơng trình thay đổi dầm

- Giả thiết đáy dầm thay đổi là 1 parabol,

đỉnh đờng parabol tại mặt cắt giữa nhịp

- Cung Parabol cắt trục hoành tại sát gối

cầu bên trái và trục hoành 90

- Phơng trình có dạng ax2 + bx +c

3

118 59

0

Trang 3

1.2.4 Tính toán đặc trng hình học của tiết diện.

- Dùng chơng trình tính đặc trng hình học của thầy Nguyễn Viết Trung

Trang 4

5- 131785,8 186,04 24517614,76 2882726293,46- 126358,3 177,32 22406047,748 2421745147,57- 121508,3 169,42 205586349,625 2049521959,78- 116262,8 160,77 1687831095,3 18691509,4339- 112712,4 154,82 17449811,129 1465967219,710- 109743,8 149,79 16438952,229 1294515127,411- 1073555,11 145,72 15642781,303 1165507578,6

13- 104605,6 141,84 14837597,226 1036164812,114- 103550,0 139,13 14406770,833 976122106,3

Trang 5

Ta lập bảng nội lực tải đều cho từng khối (qtc, qtt)

Giá trị nội lực tiêu chuẩn đợc lập ở trang bên

Tiêu chuẩn qtc (T/m) Tính toán qtt (T/m) Ghi chú

xe đúc

60T 13 12 12 11 11

Trang 6

M1-1TC = (1,5 x 124,91 + 3,5 x 162,92 + 151,098 x 5,5 + 141,3 x 7,5 + 134,88 x9,5 +129,07 x 11,5 + 123,925 x 13,5 + 118 x15,5 + 114,485 x17,5 + 111,2x19,5 + 108,55 x 21,5 + 106,45 x 23,5 + 105,05 x 25,5 + 104,05 x 27,5 + 101 x29,5 )

M1-1TC = 22620,784 (T.m)

M1-1TT = 1,1 22620,784 = 24882,86 (T.m)

* Tính sơ bộ cốt thép thi công cho mặt cắt 1-1

Ta dùng BT M 500 có Ru = 255 Thép dùng 19 bó 7 sợi 12 (0,98) để đơngiản ta không xét tới cốt thép thờng

Tính toán cốt thép trong giai đoạn sử dụng

Trong giai đoạn sử dụng cần làm việc theo sơ đồ đầm liên tục

Trang 7

Tính nội lực tại mặt cắt A trong giai đoạn sử dụng.

- Giai đoạn I: Nội lực do tĩnh tải

- Giai đoạn II: Bao gồm trọng lợng lan can (Plc) đờng ngời đi (Rng)

* Hoạt tải H30 và XB80, bộ hành lấy theo quy trình 1979

Xếp tải lên đờng ảnh hởng và tính toán nội lực tại mặt cắt 2-2

Trang 8

Chiều cao vùng bê tông chịu nén x:

Giả thiết trục trung hoà qua sờn x = Rd.Fd - Rtr (bc-b).hc/Ru.b

100 5 , 482 (

190 2

138,28 -

275 8,28 255.100.13

Mgh = 13282,21 (Tm) > Mtt=13056,92 (T.m)

2 Tính trụ cầu

Chọn cầu tạo 2 trụ nh nhau

Cấu tạo trụ nh hình vẽ

- Trụ đổ tại chỗ bằng BTCT thờng, M300, cốt thép thờng dùng loại CT5 và CT3 Trụ rỗng lòng

1 = 2321,104 (T) Tĩnh tải giai đoạn II:

Trang 9

2.1.2 Phản lực gối do hoạt tải

Xếp tải trục tiến lên Đ.A.H phản lực gối R19 bằng máy tính ta đợc

PhTC = 420,459(T)

PhTT= 588,642 (T)

2.1.3 áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên đáy bệ

áp lực nớc tác dụng lên trụ tính theo công thức:

2.2.2 Sức chịu tải của cọc.

- Sức chịu tải của cọc theo vật liệu làm cọc

Trong đó: c - hệ số điều kiện làm việc của cọc trong nền

R- cờng độ tính toán của nền dới chân cọc

Trang 11

3.2.3 Phản lực gối do hoạt tải.

Dùng chơng trình sap 90 xếp tải bất lợi ta đợc

M= -49,088 (T.m) tính sức chịu tải cọc theo đất nền

Chiều dài cọc trong đất l0 = l - 0,8 =20 -0,8 =19,2 m

Cọc đi qua 3 lần đất

Lớp 1: cuộn màu xám xanh, vàng nhạt, kích thuớc không đều

Lớp 2: Sét cát màu nâu nhạt

Trang 12

Líp 3: C¸t h¹t võa x¸m n©u chÆt.

ChiÒu dµy líp 1: l1 =13,38m cã f tc KN m

1  9 352 , / 2ChiÒu dµy líp 2: l2 =2,1m ftc KN m

2 7 / 2ChiÒu dµy líp 3 : l3 3,72m f 3 =8,84KN/m2

Rtc = 4500KN/m2U=0,64 m, i =1

F= 0,16m2, K =0,7 , m2 =1

¸p dông c«ng thøc Mtt = Km2 (u.

i

n i

tc

t TC

Trang 13

Chơng II

Phơng án 2 cầu treo dây văng

I tổng quan về cầu dây văng

Cầu treo dây văng là một hệ liên hợp giữa dầm cứng chịu nén uốn và cácdây văng bố trí xiên chịu kéo Toàn hệ làm việc nh một dầm liên tục tựa trên cácgối đàn hồi Dầm cứng chịu nén uốn biến hệ treo thành không có lực đẩyngang , do đó không cần mở neo nh các cầu treo thông thờng Dầm cứng chịunén uốn nên có thể làm bằng thép hoặc bê tông cốt thép Dầm cứng chịu bê tôngcốt thép chịu nén uốn biến hệ thành một kết cấu BTCT-ƯST căng ngoài mà lựccăng trớc tạo nên do trọng lợng bản thân hệ mặt cầu Cầu treo dây văng với uthế về khả năng chịu lực , hợp lí về công nghệ thi công tính đa dạng về sơ đồ kếtcấu đang trở thành các công trình trọng điểm của nhiều nớc , cũng là công trình

đặc trng của thế kỷ 20 Đặc điểm cơ bản có sức hấp dẫn của cầu dây văng làtính đa dạng Tính đa dạng của cầu dây văng thể hiện ở số lợng và chiều dàinhịp , số mặt phẳng và các sơ đồ phân bố dây Hình thái và tầm cao của thápcầu cũng nh tính độc đáo của tiết diện ngang tạo cho công trình có đủ tầm cao ,tầm xa để thể hiện hoài bão của con ngời Với kiểu dáng kiến trúc đẹp và tínhkinh tế kĩ thuật cầu treo dây văng đợc áp dụng nhiều trên thế giới cho các nhịp

từ 150  400 m ở Việt Nam trong khoảng 10 năm trở lại đây , cùng với xu thế

mở cửa và hợp tác đa phơng đa dạng nhiều công nghệ xây dựng cầu tiên tiến từcác nớc khác nhau trên thế giới đã đợc chuyển giao vào Việt Nam trong đó cócả kĩ thuật thiết kế và xây dựng các cầu dây văng hiện đại

Cùng với sự trợ giúp về công nghệ và kinh nghiệm của các tập đoàn xâydựng có kĩ thuật cao của nớc ngoài , Việt Nam đã khởi công xây dựng cầu treodây văng Mỹ Thuận bắc qua sông Tiền Giang ( Vĩnh Long ) có chiều dài nhịpchính 350m hay cầu qua sông Hàn ( Đà Nẵng ) cũng sắp đợc khởi công xâydựng có mô hình kiến trúc độc đáo với việc sử dụng hai nhịp thông thuyền dài54,50 m kết cấu nhịp cầu dây văng - quay

Ngoài ra còn phải kể đến nhiều dự án đầu t khác đang chuẩn bị xây dựngcầu Thanh Trì qua sông Hồng , cầu Bãi Cháy ( Quảng Ninh ) , dự án Cần Thơ

Hiện nay với nhu cầu về xây dựng cơ sở hạ tầng để phát triển kinh tế ởViệt Nam Việc ứng dụng công nghệ cầu treo dây văng vợt các nhịp từ 200 

300 m là một hớng mới và cần thiết trong lĩnh vực xây dựng cầu ở nớc ta Việc

đi sâu vào tìm hiểu ,nghiên cứu về cấu tạo cũng nh công nghệ thi công là rất cầnthiết trong giai đoạn hiện nay

Trang 14

II vấn đề chọn tham số cơ bản của cầu treo dây văng

Trong thiết kế cầu treo dây văng , công tác chọn tham số cơ bản có mộtvai trò rất quan trọng Nó mang tính quyết định đến chỉ tiêu kinh tế và kĩ thuậtcủa phơng án

Tuy nhiên việc chọn các trị số tối u khi thiết kế cầu treo dây văng là một vấn đềphức tạp Hiện nay cũng cha thấy công bố tài liệu nào có cơ sở khoa học chắcchắn để xác định các số liệu ban đầu bảo đảm đợc các chỉ tiêu kinh tế kĩ thuật tối

u cho cầu

Các tham số cơ bản của cầu treo dây văng bao gồm

- Chiều dài nhịp và chiều dài khoang dầm

- Hình dạng và chiều cao dầm cứng

- Chiều cao tháp cầu

- Tiết diện các dây văng

1- Chọn chiều dài nhịp và khoang dầm

Về khả năng vợt nhịp của cầu treo dây văng , theo các tài liệu thiết kế vàcác cầu đã xây dựng thì khả năng vợt nhịp của cầu treo dây văng là rất lớn Chiều dài nhịp chính thờng đợc chọn từ 100  600m Hiện nay các nhà xâydựng cầu trên thế giới đang phấn đấu vợt nhịp 1200m là nhịp thông thuyền trênbiển

Chiều dài nhịp chính thờng đợc xác định theo yêu cầu của nhịp thông thuyền ,theo điều kiện địa hình , địa chất của khu vực cầu đi qua

Theo yêu cầu về độ cứng của hệ thì chiều dài nhịp biên nên chọn ngắn nhng phảibảo đảm góc nghiêng của dây neo M0  45 0

Khi chọn chiều dài nhịp chính thờng gắn liền với việc định chiều dài khoangdầm Khoang dầm là một tham số quan trọng thứ hai trong cầu treo dây văng Chiều dài khoang dầm ảnh hởng tới :

- Trị số mô men uốn cục bộ trong phạm vi khoang dầm

- Trị số nội lực ,độ lớn của dây văng và hệ neo cố

Chiều dài khoang sát tháp d=0,9d

d: chiều dài khoang dầm

2- Hình dạng và chiều cao dầm cứng

Có ba loại tiết diện ngang của cầu treo dây văng :

- Tiết diện dầm I , II hoặc chữ nhật nằm trong mặt phẳng dây

- Tiết diện hình hộp

- Tiết diện dầm cứng

Mỗi loại tiết diện ứng với một chiều cao thích hợp nhng phải thoả mãn các yêucầu cơ bản :

- Về chịu lực phải đủ khả năng chịu lực dọc ,mômen uốn và ổn định

- Thoả mãn điều kiện biến dạng tổng thể và cục bộ cuả công trình

Trang 15

3 - Chọn chiều cao tháp cầu

Chiều cao của tháp cầu trực tiếp ảnh hởng đến góc nghiêng của các dâyvăng Góc xiên của dây lại quyết định độ cứng và các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuậtcủa cầu Xuất phát từ điều kiện độ cứng của hệ ( độ võng của các nút dầm nhỏ ).Biểu thức tính độ võng của nút treo dây đợc xác định nh sau :

yi = Si Li / E.Ai sini cosi = 2 Si Li / E.Ai sin2i

Với : Si , Li - Lực dọc và hình chiếu của dây văng thứ i lên phơng dọc cầu

E.Ai - độ cứng chịu kéo của dây văng thứ i so với phơng ngang

Độ võng tại nút yi đạt giá trị min khi sin2i đạt giá trị cực đại max

S0, L0 - Lực dọc và hình chiếu của dây neo dọc cầu

E.A0 - Độ cứng chịu kéo của dây neo

0-góc nghiêng của dây neo so với phơng ngang

450

4 - Chọn tiết diện dây văng

Trong cầu treo dây văng các dây làm việc chịu kéo phản lực của các gốitựa đàn hồi , có trị số thay đổi không nhiều theo độ cứng của dầm chủ nội lực lớnnhất ứng với tổ hợp hoạt tải phủ kín cầu ,vậy nội lực trong dây văng thoải nhất ởgiữa nhịp dới tác dụng của tĩnh và hoạt tải có thể xac định theo công thức sau

g

d q g S

 sin 2

) ).(

Trang 16

g , p : Tải trọng tĩnh và hoạt tải tơng đơng phân bố đều trên toàn cầu.

d , dg : Chiều dài khoang dầm nằm kề nút dây thoải nhất

g : Góc nghiêng của dây văng thoải nhất ở khu giữa nhịp

Nội lực của các dây văng trong nhịp

Si = Smax.( sing/sini )

Riêng dây neo sẽ làm việc bất lợi nhất khi hoạt tải đứng trên nhịp giữa , do đónội lực trong dây neo đợc xác định theo công thức sau :

q S

S

0 max

cot

0 : Góc nghiêng của dây neo

Tiết diện của các dây văng đợc xác định theo công thức

f : Cờng độ tính toán của vật liệu làm dây

Các công thức trên xuất phát từ điều kiện tận dụng hết khả năng làm việc củadây ,

(trờng hợp dây nhiều khoang nhỏ ) Theo đó tiết diện của tất cả các dây văngkhác nhau

5 - Giới thiệu chung về phơng án

5.1 Tiêu chuẩn thiết kế

Thiết kế theo qui trình do bộ GTVT ban hành năm 1979

Tiêu chuẩn kỹ thuật : Tải trọng H30 , XB80 - Ngời bộ hành

- Mặt cắt ngang dầm có chiều cao không đổi dạng TT

- Chiều dài một khoang sơ bộ chọn 8 m

- Số lợng dây cho một cột tháp 22 dây

- Các dầm ngang đợc bố trí trên suốt chiều dài dầm dọc với khoảng cách 4m mộtdầm ngang

- Vật liệu chế tạo kết cấu nhịp :

+ Bê tông mác 400

+ Cốt thép cờng độ cao dùng các loại tao đơn 7 sợi

+ Thép cấu tạo dùng thép CT3

Trang 17

5.2.2 Kết cấu phần dới

- Tháp cầu dùng loại thân hộp đặc đổ BT tại chỗ Bê tông chế tạo M300

- Phơng án móng : Móng cọc đài cao ,cọc khoan nhồi đờng kính 1,5m

- Mố cầu dùng loại mố vùi

III- tính toán chọn sơ bộ các tham số cơ bản của cầu treo dây văng

1 Phân nhịp cầu và chiều dài khoang dầm

Với cầu dây văng có thể có các sơ đồ một, hai, ba và nhiều nhịp, trong đó

hệ ba nhịp là hệ đặc trng của cầu dây văng, nó có u điểm về kết cấu, khả năngchịu lực cũng nh công nghệ thi công

Nghiên cứu các đặc điểm địa chất - địa hình - thủy văn và kiến trúc cảnh quanxung quanh, điều kiện kinh tế - xã hội - chính trị của các vùng mà tuyến đi qua

Ta quyết định chọn phơng án cầu dây văng ba nhịp có hai mặt phẳng giàn dây

đối xứng qua tháp cầu Sơ đồ phân nhịp 89,5 m + 183,6 m + 89,5 m

Từ những phân tích đã nêu ở trên ,áp dụng cụ thể cho phơng án cầu ở

đây ,chọn :

- Chiều dài khoang dầm d=8m

- Chiều dài khoang dầm giữa nhịp chính dg= 0,7d =5,6 m

- Chiều dài khoang dầm cạnh tháp dt= 1,1d = 9m

2 Hình dạng và chiều cao dầm cứng

Mỗi một loại tiết diện dầm đa năng hoặc đơn năng đều có u điểm và nhợc

điểm khác nhau Song theo xu hớng thi công hiện nay thì việc sử dụng loại tiếtdiện nào ngoài việc đảm bảo đợc điều kiện chịu lực đồng thời đảm bảo côngnghệ thi công đơn giản nhất phù hợp với trình độ thi công và đã đợc sử dụngtrong nớc

Do vậy ta quyết định sử dụng tiết diện ngang dầm chủ đơn năng bằng bê tôngcốt thép theo kiểu dáng tiết diện ngang cầu Mỹ Thuận ( đang thi công ) Cầuchính Mỹ Thuận gồm 3 nhịp có sơ đồ kết cấu 150 + 350 + 150m, tiết diệnngang gồm 2 dầm chủ tiết diện hình thang cao 2m, bản mặt cầu dày 25cm, dầmngang cách nhau 5,2m Dây văng neo vào đầu dầm ngang bố trí hẫng ra ngoàimặt cầu

Theo thống kê các cầu dây văng trên thế giới và trong nớc đã và đang xây dựng,

tỉ số chiều cao dầm chủ h

l = 1

300 Vậy sơ bộ ban đầu chọn dầm chủ có mặt cắt ngang gồm hai chữ T có kích thứơc

nh hình vẽ Xem bố trí chung

3 Hình dạng và tiết diện tháp cầu

Từ các phân tích trong mục II -3 áp dụng cho phơng án ,chọn chiều caotháp cầu là 38m tính từ đỉnh tháp đến mặt cầu Trong đó điểm neo dây trên cùngcách đỉnh tháp 1m nhằm mục đích đảm bảo cho liên kết giữa dây văng trên cùngvới tháp đợc chắc chắn

Với các tham số vừa chọn ,tính đợc góc nghiêng và chiều dài tính toán của cácdây văng

Kết quả đợc ghi trong bảng sau

STT Số hiệu dây Góc nghiêng Chiều dài tính toán

Trang 18

4- Chọn tiết diện dây văng

Hiện nay, các tao cáp đơn đợc sử dụng rộng rãi cho kết cấu B.T S.T và cầu dâyvăng vì các tao đơn dễ vận chuyển, dễ lắp đặt và thích hợp với hệ neo thông dụngnhất hiện nay là neo kẹp

Sử dụng loại tao đơn gồm 7 sợi thép 5 đờng kính ngoài 15,2 mm Đồng thời sửdụng dây văng đợc tổ hợp từ các tao thép giảm đợc độ giãn của dây ( do độ võngcủa trọng lợng bản thân gây ra khi chịu tác dụng của hoạt tải )

Các tao thép đợc căng kéo riêng biệt và đợc ghép thành bó lớn trong cáckhối neo ở ngay hiện trờng Công tác lắp đặt dây văng rất đơn giản vì dây đợclắp từng tao nhỏ lên không cần giàn dáo Hệ neo dùng với loại dây văng này làneo kẹp 3 mảnh giống hệ neo dùng trong cầu BTCT - ƯST

Khối neo là khối thép hình trụ có khoan các lỗ hình côn để luồn các taothép và các tao thép này đợc kẹp chặt bằng nêm 3 mảnh hình côn có ren răng.Bên ngoài khối neo đợc ren răng và dùng một êcu đủ lớn để xiết neo theo nguyêntắc vặn bu - lông

Phơng án dùng dây văng tổ hợp từ các tao thép 7 sợi và hệ neo kẹp là ph

-ơng án tối u nhất vì so với các dây văng sử dụng cáp xoắn ốc hay cáp kín thờngphải dùng neo đúc, loại neo này cần đợc đổ ở nhiệt độ 4500 5000 là yêu cầukhó đảm bảo ở ngay tại công trờng Đồng thời việc vận chuyển lắp đặt các bócáp lớn và dài sẽ gặp khó khăn hơn và việc điều chỉnh nội lực dây văng bằngcách thay đổi chiều dài dây cũng rất hạn chế