Từ thực tiễn về sự phát triển cầu cong trên th giới, kinh nghiệm xây dựng một số cầu nước ta vƠ xu hướng phát triển tại Việt Nam, việc nghiên c u về thi t k và công nghệ xây dựng cầu con
Trang 1Đ I H C ĐÀ N NG
TRƯỜNG Đ I HỌC BÁCH KHOA
⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯
DƯƠNG HOÀNG PHƯƠNG LY
NGHIÊN CỨU THỌNG S BÁN KệNH CONG VÀ CHIỀU DÀI NHỊP HỢP Lụ CỦA KẾT CẤU CẦU CONG VÀ ÁP D NG TRONG THIẾT KẾ NÚT GIAO THỌNG KHÁC MỨC NGỌC HỘI,
Trang 2Công trình đ c hoàn thành t i TRƯỜNG Đ I HỌC BÁCH KHOA
Người hướng d n khoa học:
Lu n văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Lu n văn tốt nghiệp thạc sĩ
KỸ THU T XÂY D NG CỌNG TRÌNH GIAO THỌNG
Họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 18 tháng 08 năm 2018
Có thể t̀m hiểu lu n văn tại:
− Trung tơm Học liệu, Đại học ĐƠ Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa
− Thư viện Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Trang 31
MỞ ĐẦU
I TệNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Trong chi n lược phát triển kinh t - xã hội 2001-2010, ngoƠi viêc “nơng
cấp, xây dựng các tuy n đường bộ, đường sắt …” trong cả nước, đối với khu vực đô thị là phải “ hoƠn thiện qui hoạch giao thông lâu dài, hợp lý các đô thị, khắc phục trình trạng ùn tắc giao thông “ Theo yêu cầu này, tại các đô thị lớn nước ta trong những năm đ n s xây dựng mạng lưới giao thông hiện đại, trong đó có nhiều nút giao thông quan trọng được nâng cấp thành các nút giao khác m c Hiện tại, nhiều dự án xây dựng qui hoạch
Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh, ĐƠ Nẵng đư l p nhiều nút giao khác m c
có sử dụng k t cấu cầu cong
Ban đầu, trong một thời gian dài cầu cong đư được xây dựng trên th giới
mƠ không có được những hướng d n đáng tin c y hay tiêu chuẩn kỹ thu t nào về thi t k vƠ thi công Sau đó, dưới sự tài trợ c a một số tổ ch c thì nhiều nhà khoa học đư t p trung nghiên c u vƠo lĩnh vực này, tuy nhiên cho đ n nay v n còn nhiều khía cạnh c a chúng v n chưa được nghiên c u đầy đ
nước ta việc nghiên c u các dạng cầu cong v n còn mới m , các c quan
ch c năng chưa ban hƠnh các chỉ d n cụ thể hay quy trình quy phạm về thi t k và xây dựng cầu cong Từ thực tiễn về sự phát triển cầu cong trên
th giới, kinh nghiệm xây dựng một số cầu nước ta vƠ xu hướng phát triển tại Việt Nam, việc nghiên c u về thi t k và công nghệ xây dựng cầu cong để áp dụng vƠo các đô thi lớn như HƠ Nội, Tp Hồ Chí Minh, ĐƠ
Nẵng, … lƠ h t s c cần thi t và nhằm đáp ng được yêu cầu c a thực tiễn Trong những năm gần đây thành phố Nha Trang không ngừng phát triển, đặc biệt là du lịch, lượng khách du lịch tăng nhanh, d n đ n tình trạng quá
tải về cư s hạ tầng, gây ùn tắc giao thông trong khu vực nội đô Hầu h t các nút giao nhau c a mạng lưới đường trong thành phố Nha Trang đều là nút giao cùng m c, hay các cầu giản đ n trên tuy n Do đó nghiên c u lựa
chọn các thông số thi t k , xây dựng nút giao thông với k t cấu cầu cong phù hợp với điều kiện địa hình thành phố là rất cần thi t
II M C TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Nghiên cứu các thông số bán kính cong và chiều dài nhịp hợp lý của kết
- Nghiên c u mối liên hệ giữa bán kính cong và chiều dài nhịp, đưa ra thông số tối ưu Sự ảnh hư ng c a bán kính cong và chiều dài nhịp tới
nội lực c a k t cấu cầu
- Giải quy t vấn đề triển khai thi t k và xây dựng công trình trong các điều kiện hạn ch về mặt bằng, nhằm đảm bảo về yêu cầu kinh t kỹ thu t
Trang 4Hòa
- Cầu cong bằng bê tông cốt thép ng suất trước
- Lựa chọn thông số tối ưu nhất c a bán kính và chiều dài nhịp đảm bảo
nội lực k t cấu nhịp cong và phần mềm MIDAS/Civil
IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Nghiên c u lý thuy t tính toán theo nguyên lý thanh cong
- Phư ng pháp tính toán không gian c a k t cấu cong
- Nghiên c u c s ĺ thuy t về việc tính toán lựa chọn bán kính cong
và chiều dài nhịp tối ưu
- Các phư ng pháp tính toán bán kính cong và chiều dài nhịp theo các quy tr̀nh, quy phạm
- Phân tích nội lực bằng phần mềm MIDAS/Civil khi thay đổi bán kính cong và chiều dài nhịp, đánh giá k t quả
Trang 53
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ S PHÁT TRI N KẾT CẤU CẦU CONG TRÊN
THẾ GIỚI VÀ VI T NAM I.1 TỔNG QUAN VỀ S PHÁT TRI N CẦU CONG TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VI T NAM
1.1.1 Sự phát triển cầu cong trên th giới
Cầu cong đầu tiên xuất hiện trên th giới vƠo trước những năm 1960 vƠ
hiện nay k t cấu cong chi m khoảng 30% trong hệ thống cầu tại nước Mỹ
và khoảng 20% trong hệ thống cầu các nước phát triển Trong đó, các cầu cong bằng v t liệu thép vượt trội h n nhiều so với cầu cong bằng v t liệu bêtông cốt thép Có rất nhiều cầu cong đư được xây dựng các nước trên
th giới, ví dụ như: cầu trên đường phố 20, HOV Den V , Côlôradô; cầu U.S Nevan Acađemi, Annapôlit, Marylen; cầu nhánh Y, I-95 đại lộ Davie, Broward County, Florida; dự án đường cao tốc, Thailand; cầu Nan Pu Thượng Hải, Trung Quốc; nút giao Uchihômmachi, Nh t Bản; v.v…
Hình 1 1
Nút giao Gravelly Hill
Hình 1 2 Nút giao Springfield
1.1.2 Sự phát triển cầu cong tại Việt Nam
Mặc dù trên Th giới cầu cong đư được xây dựng nhiều như v y tuy nhiên
Việt Nam trong những năm gần đơy các kỹ sư mới bắt đầu nghiên c u thi t k và xây dựng các dạng cầu cong k t cấu đ n giản dầm thẳng như: các nhịp bản cầu d n c a cầu Mỹ Thu n, các nhịp dầm ti t diện “I” c a cầu vào nhà ga sân bay Nội Bài; hay các dạng cầu cong ph c tạp h n dạng bản
hộp nhịp đ n giản hay liên tục sử dụng nút giao thông phía Nam cầu Chư ng Dư ng, HƠ Nội; cầu d n cầu Thu n Phước, ĐƠ Nẵng Sắp đ n,
một số cầu cong có chiều dài khoảng 50m, mặt cắt hình hộp BTCT D L s được xây dựng cầu Thanh Trì, Hà Nội; cầu Khánh Hội trong dự án Đại
Lộ Đông Tơy, Tp Hồ Chí Minh
Trang 6Hình 1 3
Nút giao Thanh Trì - QL 5, HN
Hình 1 4 Nút giao Thanh Trì và cao tốc Hà
Nội - Hải Phòng
I.2 CÁC D NG KẾT CẤU CẦU CONG TRÊN THẾ GIỚI
Cầu cong ngƠy cƠng được phát triển mạnh m b i vì dạng k t cấu này thích
hợp áp dụng trong xây dựng các cầu cạn, cầu vượt và các nút giao thông
Giải pháp để đảm bảo giao thông, nơng cao năng lực thông qua các nút
và giải quy t c bản trình trạng tắc gh n dòng xe tại các nút giao thông là
sử dụng nút giao thông khác m c (còn gọi là nút giao thông l p thể) có cấu
tạo là các cầu vượt, trong đó có nhiều công trình là các cầu cong Nhiệm vụ
c a các cầu cong này là chuyển ti p dòng giao thông giữa các tuy n đường Đối với một hệ thống giao thông hiện đại cầu cong còn được bố trí trong nhiều trường hợp khác nhau, đó lƠ:
các khu vực hạn ch về mặt bằng: việc sử dụng cầu cong là giải pháp làm giảm đáng kể diện tích mặt bằng xây dựng so với những nút giao thông cùng m c có quy mô thi t k tư ng tự; thường phải sử dụng giải pháp cầu cong để tuy n đường đi qua khu vực đó uốn vòng quanh các công trình hoặc nhà cửa đư có sẳn
Trên các tuy n đường miền núi nhỏ hẹp có thể sử dụng giải pháp cầu cong
để m rộng bán kính các cua đường quá gấp hoặc tránh những khu vực có nguy c xảy ra sụt l
Trong những khu vực đông dơn vƠ khu công nghiệp, cầu cong còn được xây dựng cho người đi bộ
H n nữa, với bán kính cong thích hợp thì hình dáng k t cấu đẹp, tạo cảm giác êm thu n cho các phư ng tiện trên đường mỗi khi đổi hướng giao thông vƠ tránh được những chướng ngại v t hay công trình ki n trúc bất
khả di dời Cầu cong là một loại hình cầu đẹp, nhất lƠ đối với các tuy n đường cong và các nút giao thông trong thành phố đảm bảo được yêu cầu
mỹ quan, hài hòa với cảnh quan môi trường đô thị
Khác với cầu thẳng, cầu cong luôn chịu xoắn ngay cả khi chỉ có tải trọng tác dụng đúng tim cầu Mô men xoắn thường tác dụng bất lợi tới sự làm
việc chung c a toàn bộ công trình vƠ cũng v̀ th mà bài toán tính hệ thanh
Trang 75 cong ph c tạp h n bƠi toán tính hệ thanh phẳng Sự ph c tạp c a bài toán còn tăng lên từ chỗ chọn s đồ tính thanh cong phẳng đ n chọn s đồ thanh cong không gian
Hệ cầu d n, cầu cạn và cầu vượt đư được áp dụng nhiều trên th giới, trong
đó k t cấu cong đá được ng dụng nhiều, đặc biệt trong các nút giao thông khác m c Để có thể ti p nh n có hiệu quả những thành tựu c a các nước,
áp dụng thích hợp vƠo điều kiện c a Việt Nam, tóm tắt cac s đồ vƠ đặc điểm ch y u c a các cầu đư áp dụng trên th giới
1.2.1 Các dạng k t cấu nhịp
K t cấu nhịp được sử dụng bao gồm bêtông cốt thép, thép và thép-bêtông liên hợp Đối với k t cấu cong thường hay sử dụng k t cấu dầm thép bản bêtông cốt thép liên hợp, dầm thép có thể là dầm I hoặc hộp thép ngoài ra cũng có thể dùng dầm hộp bêtông cốt thép để đảm bảo khả năng chống lại mômen xoắn lớn phát sinh trong k t cấu cong
Khi xây dựng k t cấu bêtông cốt thép thường sử dụng các loại k t cấu đổ
1.2.2.4 Một số kiểu trụ áp dụng cho nút giao thông khác m c
I.3 CÁC D NG KẾT CẤU CẦU C N, CẦU VƯỢT, CẦU CONG Ở
Trang 8Hình 1 5 - Mặt cắt ngang k t cấu bản rỗng
Hình 1 6 - Mặt cắt ngang k t cấu nhịp lắp ghép ti t diện chữ T
Hình 1 7 - Mặt cắt ngang k t cấu nhịp bán lắp ghép ti t diện chữ I
Hình 1 8 - Mặt cắt ngang k t cấu nhịp bán lắp ghép ti t diện Super T
I.4 PHỂN TệCH VÀ ĐỀ XUẤT MỘT S D NG CẦU CONG ÁP
D NG Ở VI T NAM
Qua những tổng hợp và phân tích các dạng cầu cạn, cầu vượt và cầu cong
đư vƠ đang được áp dụng trên th giới cũng như Việt Nam, một số dạng
k t cấu được đề xuất áp dụng phù hợp với điều kiện kinh t - kỹ thu t và công nghệ thi công Việt Nam hiện nay Những k t cấu được đề xuất dựa trên c s đảm bảo các nguyên tắc c bản sau đơy:
- Có cấu tạo đ n giản, dễ thi công, dễ đảm bảo chất lượng
- Dễ tạo hình dáng trong không gian, có tính mỹ quan cao
- Thu n tiện trong duy tu bảo dưỡng và sửa chữa, đồng thời chi phí cho các công tác này là ít nhất
- Chiều cao ki n trúc nhỏ, đảm bảo yêu cầu mỹ thu t
- Chi m ít không gian dưới cầu
- Đáp ng được các y u tố hình học c a tuy n (cong, chéo,…) trên mặt
bằng cũng như trong không gian
- Phù hợp với tr̀nh độ và công nghệ thi công Việt Nam
184 250
Trang 9Lu n văn đư tổng quan được các dạng k t cấu cầu cạn, cầu cong trên th
giới và Việt Nam, trong đó gồm k t cấu nhịp và trụ Đó lƠ các dạng k t
cấu cầu đư được sử dụng phổ bi n trong nút giao thông khác m c
Các k t cấu nhịp và mố trụ cần đạt các yêu cầu về khai thác, mỹ quan công trình, công nghệ thi công, tính kinh t
- K t cấu nhịp: Nên sử dụng k t cấu đổ tại chổ, k t cấu nhịp là dầm bản
và dầm bản sườn đối với nhịp vừa và nhỏ có bán kính cong nhỏ, k t
cấu nhịp là dầm hộp đối với nhịp lớn có bán kính cong lớn
- K t cấu trụ: Dùng dạng trụ đặc thân hẹp, trụ kiểu cột hoặc trụ chữ Y
Trang 10NGHIÊN CỨU CÁC THỌNG S BÁN KệNH CONG VÀ CHIỀU
DÀI NHỊP HỢP Lụ CỦA KẾT CẤU CẦU CONG
2.1.1 Nghiên c u tính toán k t cấu cầu cong trên th giới
- Trên th giới, lịch sử phát triển cầu cong gắn liền với lịch sử phát triển nút giao thông khác m c trong quá trình phát triển giao thông đô thị
- Chư ng tr̀nh nghiên c u đường bộ phối hợp quốc gia NCHRP ti p tục nghiên c u cải ti n, vƠ đưa ra phiên bản mới chỉ vi t theo phư ng pháp thi t k theo hệ số tải trọng (LFD), vƠ được xuất bản năm2003
- Các quy định về thi t k dầm cong cũng đư được xuất bản trong ấn bản
giữa kỳ 2006 Interim c a Tiêu chuẩn AASHTO LRFD
2.1.2 Nghiên c u tính toán k t cấu cầu cong tại Việt Nam
Tại Việt Nam, các tiêu chuẩn thi t k và thi công cầu đều được biên soạn
dựa trên c s Tiêu chuẩn thi t k c a Hoa Kỳ cụ thể:
- Tiêu chuẩn thi t k cầu 22TCN272-05
- Tiêu chuẩn c s TCCS 02:2010/TCĐBVN
II.2 NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN
Trong tính toán thi t k cầu cong cũng như cầu dầm thẳng là phải giải quy t bài toán nội lực Do đặc tính hình học ph c tạp nên cầu cong luôn
chịu xoắn ngay cả khi chỉ có tải trọng tác dụng đúng tim cầu Mômen xoắn thường tác dụng bất lợi đ n sự làm việc chung c a toàn bộ công trình Việc tính toán nội lực k t cấu cầu cong rất ph c tạp, sự ph c tạp tăng lên từ s
đồ làm việc theo nguyên lý thanh cong phẳng đ n thanh cong không gian 2.2.1 Phư ng pháp tính toán theo nguyên ĺ thanh cong phẳng
2.2.2 Phư ng pháp tính toán không gian c a k t cấu cong
Phư ng pháp tính toán không gian c a k t cấu cong gồm: phư ng pháp
phần tử hữu hạn, dải hữu hạn, phư ng pháp sai phơn hữu hạn, v.v… u điểm c a phư ng pháp nƠy lƠ đư có sẵn chư ng tr̀nh tính toán như SAP,
RM, STAAD,…đáp ng được yêu cầu c a bài toán
Trang 119
2.2.3 Phư ng pháp phần tử hữu hạn
Phư ng pháp phần tử hữu hạn (PTHH) lƠ phư ng pháp rời rạc hóa v t lý, trong đó k t cấu thực được thay bằng mô hình v t lý gần đúng vƠ có lời
giải c a nó được xác định bằng một số hữu hạn các đại lượng số
Phư ng pháp PTHH chia không gian liên tục c a k t cấu thành một t p
hợp hữu hạn các phần tử (miền nhỏ) có tính chất hình học vƠ c học đ n
giản h n k t cấu toàn thể Các phần tử liên k t với nhau tại các điểm nút
Phư ng pháp PTHH, điều kiện tư ng thích về chuyển vị hay bi n dạng c a
k t cấu chỉ được thỏa mãn tại các nút
2.2.4 Giới tiệu phầm mềm tính toán MIDAS/Civil
2.2.4.1 Giới thiệu chung
Midas/Civil là một hệ thống chư ng tr̀nh hỗ trợ phân tích và thi t k k t
cấu c a MIDAS IT, Hàn Quốc MIDAS/Civil tính toán theo phư ng pháp
phần tử hữu hạn, theo đó, k t cấu được mô hình hóa thành một t p hợp các
phần tử và các nút liên k t với nhau MIDAS/Civil hỗ trợ các dạng phân tích cần thi t: như phơn tích tĩnh, phơn tích động, phân tích tuy n tính, phân tích phi tuy n bi n dạng lớn, phân tích th y nhiệt, phân tích quá trình thi công có xét đ n sự thay đổi tính năng v t liệu theo thời gian, phân tích
co ngót, từ bi n
KệNH VÀ CHIỀU DÀI NHỊP THAY ĐỔI
2.3.1 Điều kiện tính toán
- K t cấu cong xét là k t cấu có đường cong phẳng
- Tải trọng xét là tải trọng thẳng đ ng
2.3.2 Nội dung tính toán khi bán kính cong thay đổi
+ S đồ 1: cầu dầm cong nhịp đ n giản
+ S đồ 2: cầu dầm cong gồm 3 nhịp liên tục có đường cong cùng chiều,
- Dầm có chiều dài nhịp cong L = 30m, L = 40m, L = 50m, L = 60m, L
- Đưa ra k t quả trên bảng, đồ thị và nh n xét
❖ S đồ 1: Nhịp dầm giản đ n
Trang 12Hình 2 1 - Mô h̀nh cầu cong 1 nhịp
Hình 2 2 Biểu đồ momen xoắn tại gối
Hình 2 3 Biểu đồ lực cắt tại gối
Hình 2 4 Biểu đồ momen uốn tại ½ nhịp
Trang 1311
Hình 2 5 Biểu đồ M xoắn tại ½ nhịp
❖ S đồ 2: Nhịp liên tục gồm 3 nhịp
Hình 2 6 - Mô h̀nh cầu cong 3 nhịp
Hình 2 7 Biểu đồ momen xoắn tại gối
Hình 2 8 Biểu đồ lực cắt tại gối
Trang 14Hình 2 9 Biểu đồ M uốn tại ½ nhịp 1
Hình 2 10 Biểu đồ M xoắn tại ½ nhịp1
Hình 2 11 Biểu đồ momen uốn tại gối 2
Hình 2 12 Biểu đồ momen xoắn tại gối 2 2.3.3 Nội dung tính toán khi chiều dƠi nhịp thay đổi
a- Nguyên tắc tính toán
Trang 1513
- ng với mỗi s đồ trên, ta lần lượt tính nội lực với mỗi lần thay đổi chiều dài nhịp, sử dụng phần mềm MIDAS/Civil để tính nội lực
- Trong mỗi lần tính đó, ta tính được giá trị c a lực cắt Q, mômen uốn
M, mômen xoắn Tk tại các ti t diện giữa nhịp và tại gối
- Đưa ra k t quả trên bảng, đồ thị và nh n xét
Dựa vào k t quả tính toán nội lực mục II.3.2, ta thống kê lại k t quả tính toán nội lực như sau:
❖ S đồ 1: Nhịp dầm giản đ n
Hình 2 13 Biểu đồ M xoắn tại gối
Hình 2 14 Biểu đồ lực cắt tại gối
Hình 2 15 Biểu đồ M uốn tại ½ nhịp
Trang 16Hình 2 16 Biểu đồ M xoắn tại ½ nhịp
❖ S đồ 2: Nhịp liên tục 3 nhịp
Hình 2 17 Biểu đồ M uốn tại gối 1
Hình 2 18 Biểu đồ M xoắn tại gối 1
Biểu đồ nội lực trong s đồ 3 nhịp như sau:
- Khi R< 60m và L< 40m
Trang 1715
- Khi 60m <R< 150m và L< 60m
- Khi 150m <R< 250m và L< 70m
❖ K T LU N CH NG II
Bằng việc đưa ra nhiều dạng s đồ k t cấu cong (nhịp đ n giản và liên tục)
và tính toán nội lực với bán kính cong, chiều dài nhịp thay đổi Học viên đư
l p các bảng số liệu, các đồ thị vƠ qua đó có một số nh n xét sau: