Báo cáo tóm tắt thiết kế cầu Trần Thị Lý

Báo cáo tóm tắt thiết kế cầu Trần Thị Lý Cầu Nguyễn Văn Trỗi – Trần Thị Lý nằm ở thành phố Đà Nẵng, miền Trung Việt Nam, cách thủ đô Hà Nội 764km về phía Bắc và cách thành phố Hồ Chí Minh 964km về phía Nam. Đây là một thành phố cảng quan trọng thuộc vùng duyên hải Biển Đông, nằm trên trục đường bộ, đường sắt, đường thuỷ, và đường hàng không Bắc – Nam. Cầu sẽ nối hai bờ sông Hàn, nối quận Hải Châu với các quận Sơn Trà và Ngũ Hành Sơn.

TÓM TẮT THIẾT KẾ KỸ THUẬT CẦU NGUYỄN VĂN TRỖI - TRẦN THỊ LÝ

Đà Nẵng, Việt Nam

ĐƠN VỊ THIẾT KẾ WSP Finland Ltd

Helsinki, Phần Lan

28.03.2009

I Giới thiệu chung

Cầu Nguyễn Văn Trỗi – Trần Thị Lý nằm ở thành phố Đà Nẵng, miền Trung Việt Nam, cách thủ đô Hà Nội 764km về phía Bắc và cách thành phố Hồ Chí Minh 964km về phía Nam Đây là một thành phố cảng quan trọng thuộc vùng duyên hải Biển Đông, nằm trên trục đường bộ, đường sắt, đường thuỷ, và đường hàng không Bắc – Nam Cầu sẽ nối hai bờ sông Hàn, nối quận Hải Châu với các quận Sơn Trà và Ngũ Hành Sơn

Năm 2007, một cuộc thi phương án kiến trúc cầu Trần Thị Lý đã được thành phố Đà Nẵng tổ chức với sự tham gia của nhiều Công ty Tư vấn quốc tế và trong nước

Phương án của Tư vấn Nhật Bản Phương án của Tư vấn Trung Quốc

Phương án của Tư vấn TECCO5 (Việt Nam) Phương án của Tư vấn TEDI (Việt Nam)

Phương án của Tư vấn WSP (Phần Lan) – Phương án 1

Phương án của Tư vấn Phần Lan WSP – Phương án 2 (Được lựa chọn)

Điểm đặc biệt trong Đồ án của WSP là đáp ứng được yêu cầu của Chủ đầu tư có một cây cầu độc đáo về kiến trúc và kết cấu với độ cao lớn để làm điểm nhấn về cảnh quan Việc lựa chọn trụ tháp đơn nghiêng cao 145m và dây văng 3 mặt phẳng trong đó phần dây phía Tây bố trí xoắn không gian như các cánh buồm đã đáp ứng tốt yêu cầu này, thể hiện nét độc đáo, hiện đại

và khát vọng vươn lên của thành phố Đà Nẵng Đồ án cũng đã kết hợp thể hiện được kiến trúc hài hòa của nút giao thông phía Đông và Tây cầu, nơi có bố trí các lối đi bộ lên cầu cũng như

bố trí tượng đài hai nhân vật lịch sử gắn với địa danh này là Nguyễn Văn Trỗi và Trần Thị Lý

Đồ án kiến trúc của WSP đã đoạt giải nhất và WSP sau đó đã được giao nhiệm vụ thiết kế cơ

sở và thiết kế kỹ thuật theo phương án được chọn trong cuộc thi thiết kế kiến trúc này

II Thông tin tổng quan về thiết kế cầu

Kết cấu phần trên của cầu Nguyễn Văn Trỗi - Trần Thị Lý bao gồm 2 kết cấu độc lập Phần cầu chính nằm trong phạm vi từ mố S1 tới trụ S6, điểm kết thúc của nhịp chính cáp văng Phần còn lại của cầu (từ nhịp S6 tới S13) là phần cầu dẫn Tổng chiều dài cầu 731m Kết cấu phần trên của cầu được tách ra tại trụ S6 bằng một khe co giãn Sơ đồ nhịp cầu chính là 50+50+50+50+230m với chiều rộng mặt cầu là 34,5m Tổng chiều dài cầu chính 450m (tổng chiều dài nhịp chính là 430m + mố và đường chui) Đường chui dưới cầu được bố trí phía sau

mố S1 với tĩnh không rộng 8m và cao 3m

Hình 1: Sơ đồ phân chia Cầu chính và phần Cầu dẫn

Khổ cầu: B = 34,5m (3,5m + 11,25m + 5,0m + 11,25m + 3,5m)

+ Phần xe chạy: 6x3,75m = 22,5m;

+ Lề bộ hành: 2x3,5m (dải an toàn mỗi bên cách mép làn xe chạy 0,5m);

+ Dải phân cách: 5,0m (dải an toàn mỗi bên cách mép làn xe chạy 0,5m);

Kết cấu thượng bộ: Sơ đồ kết cấu nhịp: 4x50+230+45+4x50+30+26, tổng chiều dài 731m,

trong đó:

+ Nhịp chính: Nhịp dây văng dài 230m, bố trí một mặt phẳng dây neo với kết cấu nhịp tại giữa dải phân cách

+ Trụ Tháp: Mặt cắt ngang dạng hình chữ V bằng BTCT, nghiêng 12 độ về phía Tây cầu (phía mố S1), cao + 145m, có bố trí sàn vọng cảnh và thang máy

+ Nhịp dẫn: Có cấu tạo mặt cắt ngang dạng dầm hộp BTCT DƯL

Kết cấu hạ bộ:

+ Mố: Bằng kết cấu BTCT, móng mố là hệ móng cọc khoan nhồi

+ Trụ: Bằng kết cấu BTCT, móng trụ là hệ móng cọc khoan nhồi

III Tóm tắt nội dung thiết kế kỹ thuật cầu

3.1 Kết cấu nền móng cầu

Tất cả các trụ cầu được đặt trên hệ thống cọc khoan nhồi đường kính 1500mm Khả năng chịu tải của cọc đã được xác định theo phương pháp của tiêu chuẩn AASHTO 1998 LFRD Để đạt được khả năng chịu tải yêu cầu, cao độ đáy mũi cọc được đặt vào chiều sâu từ -45 tới -56 Phần mố So được thiết kế đặt trên hệ móng cọc đóng BTCT 350x350mm

3.2 Kết cấu trụ cầu

Tất cả các trụ trung gian phần cầu dẫn bao gồm hai cột tròn bê tông cốt thép Các cột được thiết

kế với mặt cắt ngang đủ rộng để có vị trí đặt kích trong quá trình thay thế gối cầu

Hình 2: Trụ cầu (S6 – S8)

Các trụ ở vị trí dưới nước (các trụ S6 – S8) được đỡ trên một bệ cọc bê tông cốt thép Các trụ phía gần bờ sông (trụ S9, S11) cũng tương tự các trụ dưới nước, nhưng bệ cọc được tách biệt, không có liên kết ở giữa nối 2 khối lại với nhau Hình dạng bệ cọc là khối hình chữ nhật Các thân trụ tại trụ S12 rộng hơn các thân trụ khác, có dạng hình oval Mỗi thân sẽ có 2 gối để đỡ nhịp dầm bản dự ứng lực và được đặt trên bệ cọc bê tông cốt thép và các cọc khoan nhồi Khe co giãn giữa cầu chính và cầu dẫn được đặt tại trụ S6 Các trụ được lắp đặt các gối để đỡ hai dầm Các thân trụ S6 có đường kính lớn hơn các các cột tại trụ khác nhằm đảm bảo bố trí được số lượng gối cầu nhiều hơn

Trụ S5

Hình dạng của trụ S5 đã được nghiên cứu để hợp lý hơn về mỹ quan cũng như tính kinh tế Trụ bao gồm kết cấu bê tông cốt thép hình elíp, đặt trên bệ trụ dày 4m trên hệ móng cọc gồm 58 cọc khoan nhồi đường kính 1,5m

Hình 3: Trụ cầu S5

3.3 Mố S0-S1

Mố S1 được liên kết cứng với kết cấu thượng bộ của cầu Mố được đặt trên bệ mố dày 2m và các cọc khoan nhồi đường kính 1,5m Lớp bê tông bịt đáy không cốt thép phía dưới bệ mố được neo vào bệ mố bằng các thanh cốt thép

Các dây cáp văng của cầu được neo tại mố và kéo về sau mố Phòng neo cáp được trang bị hệ thống thông gió và lỗ thoát nước Mố được dự ứng lực theo cả 2 hướng Dự ứng lực theo phương ngang được kéo mép tường sau của bệ mố Dự ứng lực ngang được thiết kế kéo dự ứng lực từ khe nối thi công Dự ứng lực theo phương đứng được nối từ khu vực liên kết của kết cấu thượng bộ với mố Các tường có neo cáp cũng được dự ứng lực theo phương thẳng đứng Kết cấu đường chui tại bên trái phía cuối cầu (S0) được nối cứng với mố Loại của kết cấu đường chui là khung bản Góc của khung được nối cứng Hệ thống khung này được đặt trên hai hàng cọc 35x35cm Phía dưới chân khung được liên kết với mố S1 bằng các thanh dầm BTCT

3.4 Mố S13

Mố S13 là một loại kết cấu dạng tường chắn, gồm thân mố và tường cánh Mố có một lối đi vào phục vụ cho việc duy tu bảo dưỡng các gối và kiểm tra khe co giãn

3.5 Kết cấu phần trên

3.5.1 Các nhịp từ S1 tới S5

Kết cấu thượng bộ từ trụ S1 tới S5 gồm một dầm hộp đôi bêtông dự ứng lực Chiều dài của nhịp biên là 50m Các dầm đều được dự ứng lực theo phương dọc và bản mặt cầu theo phương ngang

Hình 4: Mặt cắt ngang của dầm nhịp biên

3.5.2 Các nhịp từ S5 tới S6

Nhịp chính giữa các trụ S5 và S6 là tổ hợp của dầm hộp đôi 2 ngăn bê tông dự ứng lực, được treo bởi hệ thống dây cáp văng một mặt phẳng dây tại giữa cầu Dầm hộp BTCT được tăng cứng bằng các thanh giằng thép trong lòng Khoảng cách giữa các thanh giằng thép là 3m theo phương dọc cầu Dầm cầu sẽ được căng cáp dự ứng lực theo cả phương dọc và phương ngang, được đặt ở phía trên bản mặt cầu

Hình 5: Mặt cắt ngang của dầm nhịp chính

3.5.3 “Bàn trụ” trên trụ S5 (Khối Ko trên trụ S5)

Tại vị trí thay đổi kết cấu các dầm ở khu vực nối với trụ tháp cứng, một “bàn trụ” (khối Ko) được bố trí Bàn trụ này được dự ứng lực theo phương dọc như một phần của các dầm cầu Phần hẫng tại dầm ngang được dự ứng lực như trong mặt cầu và nó cũng được dự ứng lực để chống lại các lực xoắn lớn tại khu vực gối và dầm gây ra

Hình 6: Mặt cắt ngang của Bàn trụ trên trụ S5

3.5.4 Các nhịp từ S6 tới S11

Kết cấu thượng bộ từ trụ S6 tới S11 gồm một dầm hộp đôi bêtông dự ứng lực, tương tự như ở các nhịp biên của Cầu chính Chiều dài chủ yếu của nhịp dẫn là 50m, trừ nhịp giữa các trụ S6-S7 có chiều dài nhịp là 45m Các dầm đều được dự ứng lực theo phương dọc và bản mặt cầu theo phương ngang

3.5.5 Các nhịp từ S11 tới S13

Cầu dẫn vượt trên đường Trần Hưng Đạo ở gần mố S13 Điểm hay của đồ án là đã dùng giải pháp thêm trụ S12 để giảm chiều dài của nhịp, do đó có thể giảm chiều cao kiến trúc dầm vượt đường Phần chuyển tiếp từ dầm hộp sang dầm bản mỏng dùng một vòm parabol bố trí tại nhịp S11-S12, vừa tạo được nét thẩm mỹ vừa là một giải pháp kết cấu hợp lý

Hình 7: Mặt cắt ngang dầm (S11-S13)

3.5.6 Kết cấu trụ tháp và dây văng

Trụ tháp là một tháp bằng bêtông cốt thép cao 145m tính từ mực nước biển và cao 134m tính từ bản mặt cầu, nghiêng 12 độ về phía Tây cầu Góc ngiêng của trụ tháp tạo tính thẩm mỹ cao về kiến trúc cây cầu Mặt cắt ngang của tháp có hình chữ V, mở về phía mố S1 theo hướng các cáp văng về phía sau Để có thể tối ưu về hệ nền móng tại trụ tháp, kết cấu trụ tháp liên kết cứng với dầm mặt cầu và tựa trên trụ S5 thông qua hệ gối cầu hình chỏm cầu Đây là một trong những gối chỏm cầu có tải trọng lớn nhất thế giới từ trước đến nay, với sức chịu tải lên đến 25.000 tấn

3.5.7 Kết cấu phụ trợ

3.5.7.1 Gối cầu và khe co giãn

Gối chậu cao su di động theo phương dọc được sử dụng cho các trụ từ S2 tới S4

Cầu được cố định theo phương dọc tại mố

S1 Ở các trụ còn lại dầm có thể dịch

chuyển tự do theo phương dọc Các gối

được cố định phương ngang, còn các

phương khác thì chuyển vị tự do để không

gây ra các tác động cưỡng bước

Gối hình chỏm cầu cho phép chuyển vị theo

phương dọc và ngang được lắp đặt tại vị trí

trụ S5 Có 4 gối hình cầu được đặt ở vị trí

này Hai gối lớn với tải trọng 25000 tấn

được đặt ở phần giữa của trụ cầu để chịu tải

trọng lớn truyền từ trụ tháp xuống Hai cái

gối nhỏ hơn được đặt ở phía bên ngoài để

đỡ dầm và cân bằng cho trụ Hai gối ở giữa

được cố định theo phương ngang còn các

gối ở biên thì chuyển vị tự do Hình 8: Gối chậu cao su (phía trên), gối

hình chỏm cầu (ở dưới)

Khe co giãn được thiết kế tại trụ S6 và mố S13

4 Thông tin tóm tắt về phương pháp phân tích kết cấu

4.1 Quy trình và tiêu chuẩn kỹ thuật

Tiêu chuẩn Việt Nam 22TCN 272-05 “Tiêu chuẩn thiết kế cầu” được áp dụng cho thiết kế dự

án cầu Nguyễn Văn Trỗi - Trần Thị Lý Bổ sung thêm các tiêu chuẩn và hướng dẫn áp dụng:

• AASHTO (phiên bản năm 1998 hoặc sau) tiêu chuẩn thiết kế cầu theo LRFD

• CEB-FIB Model Code 1990: tiêu chuẩn thiết kế (từ biến và co ngót)

4.2 Kết cấu hạ bộ

Tương tác giữa cọc và đất nền được mô tả với hệ số của phản lực đất nền Mô hình đàn hồi được dùng để phân tích ảnh hưởng của các lực ngang Môi trường đàn hồi và/hoặc các chỉ tiêu

của đất sẽ được sử dụng để tính toán cho cọc theo tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05, phương pháp phóng đại moment được áp dụng (điều 4.5.3.2)

4.3 Mố S1 và các trụ

Các trụ từ S2 tới S5 và mố S1 được phân tích với kết cấu hạ bộ bao gồm cả ảnh hưởng của đất nền trong mô hình tính toán không gian 3 chiều S1 truyền các lực từ cáp dây văng vào dầm chính (nhịp biên) như một dầm hộp ngang Dầm hộp chính được dự ứng lực để chống lại mô men (tường sau) Sức nặng bản thân của bê tông mố (có tính vật liệu đổ bên trong) theo phương thẳng đứng chống lại lực nâng lên của cáp văng Thành phần lực cáp văng theo phương đứng được neo lại bằng cáp dự ứng lực Cũng liên kết mố neo với nhịp biên bằng dự ứng lực thẳng đứng

4.4 Kết cấu thượng bộ

Phần cầu chính được phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) dùng phần mềm RM2006 Phần cầu dẫn được phân tích bằng bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) dùng phần mềm MIDAS/ Civil được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới

4.4.1 Mô hình phân tích tổng thể dầm chính và dầm nhịp dẫn

Kết cấu thượng bộ được phân tích theo hướng dọc với các phần tử dầm 3D Các phần tử dầm được mô hình theo thiết kế hình học của cầu, có xét đến những thay đổi (thay đổi về chiều dày của sườn dầm và cánh dầm, và thay đổi về chiều cao của dầm chính) trong mặt cắt ngang Mô tổng thể được tạo ra bằng việc kết hợp các dầm và dầm ngang tại khu vực gối cầu Hiệu ứng

độ vồng tới sự ứng xử của cáp dây văng cũng được tính toán (theo công thức)

Hình 9: Mô hình phần tử hữu hạn

Các đặc điểm mặt cắt ngang của được định nghĩa bằng sử dụng các mô hình phần tử solid để các tính chất chịu xoắn vặn của các dầm hộp nhiều hình dạng khác nhau có thể được tính toán một cách gần đúng

Tác dụng của tải trọng xe cộ được xem xét đối với những điểm tới hạn của cầu với sự phân tích

về tính ảnh hưởng của nó Phần mềm tự động đánh giá những vị trí chịu tải tới hạn để chọn ra hiệu ứng tải bất lợi Ứng suất, lực tác dụng hoặc chuyển vị có thể được nghiên cứu bằng sự phân tích tính ảnh hưởng

a) b)

Hình 10: mặt đứng mô hình phần tử hữu hạn a) trạng thái cuối cùng, b) quá trình thi công

Các tính chất của mặt cắt ngang của các cấu kiện kết cấu của mô hình đã được định nghĩa theo các kích thước của kết cấu Các trụ cầu được mô hình liên kết với đất bằng các gối đàn hồi với

6 bậc tự do Độ cứng của các gối đàn hồi được xác định bằng mô hình riêng lẻ có xem xét tới

sự tương tác lẫn nhau giữ kết cấu hạ bộ và đất nền Các thay đổi của điều kiện các trụ cầu trong quá trình thi công được mô hình theo phương pháp thi công đã thiết kế

Phân tích đàn hồi tuyến tính từng giai đoạn phù hợp với các giai đoạn thi công đã được thực hiện Ảnh hưởng của co ngót, từ biến cũng đã được mô hình trong việc phân tích kết cấu

4.4.2 Mô hình phân tích tổng thể trụ tháp

Phần mềm Lusa phiên bản 14 đã được sử dụng cho việc phân tích cầu bằng phương pháp phần

tử hữu hạn (FEM) Phần mềm này đã được sử dụng vì có xét tới khả năng ảnh hưởng phi tuyến trong tính toán Phi tuyến hình học được sử dụng trong trạng thái giới hạn cường độ Tải trọng gió lớn và độ mảnh theo phương ngang, cũng như ảnh hưởng của nứt trong bê tông đã được nghiên cứu Nứt trong bê tông đã được xem xét với vật liệu phi tuyến với hệ số mô men của đường cong biểu diễn quan hệ với lực nén

Các số liệu ban đầu phân tích trụ tháp (ứng suất ban đầu, lực cáp ban đầu) là từ việc phân tích cầu chính và tải trọng lâu dài sau khi tải trọng tạm thời trong thi công và phương pháp đúc hẫng cũng đã được tính toán cho trụ tháp Tải trọng động đất được định nghĩa trong phân tích động riêng (báo cáo bổ sung) Các tải trọng chính (tải trọng lâu dài, hoạt tải, tải trọng gió) từ phân tích phi tuyến, tải trọng thứ cấp từ phân tích tuyến tính (tải trọng nhiệt độ, tải trọng lún, khác)

và tải trọng động đất đã được tổ hợp trong bản tính

Hình 11: Mô hình phần tử hữu hạn trụ tháp Biến dạng dưới tải trọng gió

Các tính toán sức kháng của mặt cắt được làm với phần mềm Nén Uốn 2 trục (Kata) Đó là tiêu chuẩn của Phần Lan dựa trên phần mềm để tính toán mặt cắt ngang chịu nén và mô men uốn 2 trục Sức kháng uốn danh định được tính toán và kết quả về ứng suất, lực căng đã được kiểm tra nhằm đảm bảo các giá trị giới hạn không vượt quá giới hạn Sự phân bố của đườn parabol sứng suất-lực căng được sử dụng ở trạng thái giới hạn cực hạn cho tính toán và giá trị số liệu ban đầu được được định nghĩa để phù hợp với giá trị của tiêu chuẩn thiết kế

Hình 12: Ba hình dạng nghiên cứu khác nhau của chuyển vị hình học trong tính toán

Chuyển vị lệch tâm 100mm và 20 dao động đầu tiên đã được sử dụng trong thiết kế như một sự chuyển vị hình học của mô hình Phân tích phi tuyến và tuyến tính đã được thực hiện với tải trọng dọc trục lớn nhất của trụ tháp và đường bao ảnh hưởng tải trọng cũng được thêm vào cho các hiệu ứng lực khác

4.4.3 Các mô hình phân tích cục bộ

Các mô hình phân tích cục bộ riêng lẻ đã được xây dựng cho các thiết kế chi tiết Mô hình phân tích “chống giằng” (hay còn gọi là Sơ đồ hệ thanh) được mô hình bằng phần mềm Lusa Trong các mô hình này thì các phần tử dầm kích thước 3 chiều (3D) đã được sử dụng Mô hình phần

tử khối (solid) đã được dùng để phân tích cho khối Ko trên trụ S5) và bệ trụ kê dưới trụ tháp

Hình 13: Mô hình phần tử khối của bệ trụ kê gối

Đối với khối Ko, phần tử khối 3D được sử dụng để kiểm tra mô hình “chống giằng” dưới trụ tháp và giữa các loại dầm khác nhau Mục tiêu của việc mô hình phần tử khối là để xác định được sự phân bố ứng suất tuyến tính tại vị trí nguy hiểm nhất

Hình 14: Mô hình phần tử khối “bàn trụ” Phân bố ứng suất ngang do tĩnh tải