Bài giảng Cơ sở công trình cầu: Chương 4 - Trường ĐH Giao thông Vận tải

Bài giảng Cơ sở công trình cầu: Chương 4 Lập phương án công trình cầu, cung cấp cho người học những kiến thức như: Lập phương án tuyến đường giao thông; Lập phương án cầu và cầu trong nút giao lập thể. Mời các bạn cùng tham khảo!

KHÁI NIỆM CHUNG

Việc thiết kế và lựa chọn các phương án cho các công trình xây dựng giao thông là một bài toán tổng thể vô cùng phức tạp

Bài toán này không những thể hiện về những yều cầu kỹ thuật cần đạt được mà còn liên quan đếnmột số các yếu tố quan trọng khác như là:

- qui hoạch tổng thể về khu vực vị trí xây dựng công trình,

về mặt kinh tế: giá thành công trình hạ, thời gian xây dựng ngắn…Ngoài ra khi lựa chọn phương

án còn cần chú ý đến công nghệ thi công, điều kiện khai thác duy tu bão dưỡng, ý nghĩa quốcphòng và yêu cầu mỹ quan của công trình Những yêu cầu này tùy từng trường hợp cụ thể mà cóthể trở thành yêu cầu khống chế

LẬP PHƯƠNG ÁN TUYẾN ĐƯỜNG GIAO THÔNG

Khi lên các phương án tuyến giao thông cũng như các công trình giao thông khác, các yêu cầu cần phải được xem xét đến bao gồm: kỹ thuật, kinh tế, qui hoạch, mỹ quan, ý nghĩa xã hội…

Các yếu tố hình học cơ bản nhất dùng trong thiết kế đường bộ bao gồm :

•Chiều rộng nền đường, chiều rộng mặt đường đường, chiều rộng lề đường

Phương án về vị trí và mặt bằng tuyến

Đối với tuyến xây dựng mới,

- Chọn vị trí tuyến được chọn sao cho có lợi nhất,

- đảm bảo thỏa mãn được các yêu cầu qui hoạch hiện tại và mở rộng trong tương lai,

- vị trí tuyến được chọn sao cho có thể mang lại hiệu quả kinh tế thực sự trong quá trình khaithác

- Tuyến được chọn ít đi qua các khu vực có điều kiện địa hình, địa chất phức tạp, gây khó khăncho quá trình xây dựng và tốn kém

- Nếu điều kiện cho phép nên chọn vị trí tuyến ít đi qua sông suối để giảm số lượng cầu trêntuyến, hạ giá thành công trình

- Mặt khác, vị trí và mặt bằng tuyến đưa ra phải hết sức chú ý đến vấn đề giải phóng mặt bằng,bồi thường giải toả là ít nhất

 Cần đưa ra nhiều phương án về vị trí, tiến hành đánh giá theo từng chỉ tiêu cụ thể để có

thể lựa chọn được vị trí và mặt bằng tuyến hợp lý nhất.

Đối với tuyến nâng cấp cải tạo, vị trí và mặt bằng cần bám theo vị trí cũ để có thể tận dụng đượcphần nào các bộ phận của công trình cũ, tránh gây tốn kém

thỏa mãn theo quy hoạch của khu vực xây dựng.

thấp nhất, khả năng điều phối đất hợp lý Khi lên các phương án về trắc dọc cần quan

định

Phương án về mặt cắt ngang tuyến

Khi lên các phương án về mặt cắt ngang tuyến cần xét đến lưu lượng xe hiện tại và tương lai theo độ tuổi của tuyến đường xây dựng hoặc nâng cấp cải tạo.

Cần lưu ý về việc phân chia bố trí các làn xe trên bề rộng mặt cắt ngang, bố trí vĩa hè cho người đi bộ, các trạm chờ phục vụ cho hệ thống giao thông công cộng, hệ thống chiếu sáng, hệ thống điện lực cáp quang và dẫn thoát nước ngầm

Phương án về nền đường

Nền đường được thiết kế đảm bảo các yêu cầu về độ ổn định, độ lún, độ chặc.

- Đối với các vị trí tuyến đi qua gặp bất lợi về độ ổn định như trượt, sụt lỡ thì cần đưa ra các phương

án gia cố mái taluy như: sử dụng tường chắn, neo, gia cố bề mặt

- Đối các vị trí tuyến đi qua vùng đất yếu gây bất lợi về lún cần đưa ra các phương án khắc phục như: gia tải, thay lớp đất, sử dụng giếng cát, cọc cát, bấc thấm

- Khi tuyến đi qua vùng có nước mặt và nước ngầm cần phải có biện pháp gia cố nền đường thích hợp Nền đường thiết kế phải đảm bảo thỏa mãn các quy định của các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành.

Phương án về kết cấu áo đường

Các phương án về kết cấu áo đường cần đảm bảo về độ cứng, độ bền, độ chắc

Phần mặt phải thỏa mãn các yêu cầu về độ bằng phẳng, độ mài mòn, hệ số ma sát thích hợp.Tùy vào trường hợp cụ thể, ý nghĩa của tuyến đường mà có thể sử dụng các loại kết cấu mặtđường khác nhau

Khi chọn phương án kết cấu áo đường cần chú ý đến nguồn vốn có thể huy động được cho côngtrình, ý nghĩa phục vụ của nó, cố gắng tận dụng được nguồn vật liệu địa phương có sẵn

Về vấn đề kỹ thuật, các phương án kết cấu áo đường đưa ra cần phải đáp ứng các yêu cầu nhấtđịnh theo quy định của các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành

Cần chú ý đến chiều dày các lớp vật liệu, tính chất cơ lý từng loại vật liệu được sử dụng

LẬP PHƯƠNG ÁN CẦU VÀ CẦU TRONG NÚT GIAO LẬP THỂ

Các tài liệu khảo sát phục vụ thiết kế

Tài liệu địa hình:

Trắc dọc tim của đoạn vượt sông cho biết sự phân bố chiều sâu lớn nhất theo chiều rộng sông và trong các cầu qua sông thông thuyền, nó cho phép phân đoạn vị trí cần thiết của nhịp thông

thuyền trên chiều rộng sông

Trắc dọc cũng cho biết cao độ của bờ sông, cao độ đó sẽ chi phối độ dốc dọc của mặt đường xe chạy (dốc đối xứng hay dốc một chiều)

Khi bố trí nhịp thông thuyền ở giữa sông và khi mặt cắt dọc của phần xe chạy đối xứng, toàn bộ công trình có tính đối xứng, khi đó hiệu quả nhất là sử dụng các kiểu kết cấu định hình

Khi bố trí nhịp thông thuyền không đối xứng cũng như khi độ dốc dọc trên cầu là một chiều ,thì công trình sẽ không đối xứng

Các tài liệu khảo sát phục vụ thiết kế

Địa chất công trình

Mặt cắt địa chất theo trục tim cầu cho phép

- đề ra các các loại kết cấu nền móng,

- và cả hệ kết cấu nhịp có thể là hệ tĩnh định hay hệ siêu tĩnh

Việc xác định mặt cắt địa chất gồm các công việc :

- Khoan thăm dò để biết được điạ chất khu vực xây dựng,

- lấy mẫu đất đá về thí nghiệm,

- xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất đá,

- và vẽ được mặt cắt địa chất của sông tại vị trí xây dựng nhằm phục vụ cho thiết kế móng

Cấu tạo nền móng đơn giản hay phức tạp sẽ quyết định chủ yếu giá thành trụ và công trìnhcầu Vì thế chọn kiểu nền móng và hệ thống kết cấu nhịp hợp lý có ý nghĩa quyết định khi lậpcác phương án cấu tạo cầu

Căn cứ vào tình hình địa chất dọc tim cầu, phải xác định sơ bộ các loại móng cầu và đồng thời xác định các phương án kết cấu nhịp (kết cấu tĩnh định hay siêu tĩnh).

Trong trường hợp địa chất lại xấu mà chọn phương án trụ cao thì tình hình thi công phức tạp, giá thành trụ sẽ đắt, khi đó nên làm kết cấu nhịp dài Nếu địa chất tốt, tầng đất cứng nằm không sâu, điều kiện thi công dễ dàng thì có thể dùng các kết cấu nhịp siêu tĩnh, các loại kết cấu nhịp cầu có lực đẩy ngang.

Mặt cắt dọc tim cầu: Nghiên cứu mặt cắt dọc tim cầu cho phép xác định vị trí của mố trụ, tránh việc đặt trụ vào chỗ sâu nhất, phân bố các nhịp thông thuyền, xác định độ dốc dọc cầu Mặt cắt ngang lòng sông đối xứng thì cũng nên bố trí kết cấu nhịp đối xứng để có thể áp dụng các đồ án điển hình và các giải pháp thi công cầu theo kiểu hàng loạt.

Các số liệu thuỷ văn

- Mực nước thấp nhất (MNTN) cho biết vị trí những chỗ nước sâu của sông trong mùa cạn,

- MNTN cho biết khi nào thì giao thông đường thuỷ gặp bất lợi nhất

Phải căn cứ vào sự phân bố chiều sâu đó trên chiều rộng sông mà bố trí nhịp thông thuyền trênchiều rộng sông

Tuy nhiên với lòng sông dễ xói lở cần tính đến khả năng di chuyển các vực sâu trên chiều rộngsông theo thời gian ( trường hợp lòng sông di chuyển vị trí), và như vậy luồng lạch đường thuỷcho tầu thuyền cũng phải dịch chuyển theo

Căn cứ vào MNTN chúng ta còn xác định cao độ đỉnh móng của các trụ ở giữa sông (thườnglấy thấp hơn MNTN là 0.5m)

Căn cứ vào cấp sông thông thuyền người ta sẽ xác định được chiều cao thông thuyền dưới cầu

Từ mực nước cao nhất (MNCN) sẽ xác định được chiều rộng tính toán của khẩu độ cầu

Mức nước thấp nhất (MNTN) cho biết vị trí những chỗ lòng sông nước sâu trong mùa cạn Phảicăn cứ vào những vị trí đó để bố trí các nhịp thông thuyền theo bề rộng của sông Tuy nhiên, ởnhững con sông dễ bị xói lỡ cần tính đến khả năng di chuyển các vực sâu theo thời gian và nhưvậy luồng lạch để tàu bè qua lại cũng phải dịch chuyển theo bề rộng ngang sông Mặt khác khicăn cứ vào MNTN ta còn định được cao độ đỉnh móng của các trụ giữa lòng sông

•Mực nước thông thuyền (MNTT) tính toán thường được lấy ở mức nước lũ tần suất 5% Căn cứ vào mực nước này để xác định được cao độ đáy kết cấu nhịp.

Mực nước cao nhất (MNCN) được lấy ở mức nước lũ tương ứng với tần suất 1% Căn

cứ và mực nước này để xác định khẩu độ thoát nước cho cầu, chiều dài toàn bộ cầu và cao độ đáy kết cấu nhịp.

Lựa chọn vị trí cầu

Vị trí và hướng tuyến của cầu cần được chọn để thoả mãn các yêu cầu về an toàn giao thông cả ở trên cầu và ở dưới cầu Cần xét đến các thay đổi có thể có trong tương lai về hướng hoặc chiều rộng của đường sông, đường bộ hoặc đường sắt mà cầu vượt qua Tại nơi thích hợp cần xét trong tương lai có thêm các công trình cho các loại giao thông khác hoặc mở rộng cầu.

- Về mặt kỹ thuật phải so sánh các phương án chọn vị trí cầu theo các điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn, thi công và bố trí công trường.

- Về mặt quy hoạch phải so sánh các phương án về vị trí cầu và việc phát triển các vùng lân cận trong tương lai (dân dụng và công nghiệp), vị trí cầu xét theo quan điểm bố trí kiến trúc chung của khu vực, vị trí cầu xét theo quan điểm quốc phòng.

- Về mặt kinh tế phải so sánh các phương án theo giá thành (thi công và khai thác), so sánh giá thành vận doanh các phương án tuyến do các vị trí cấu khác nhau gây nên.

Khi xác định vị trí xây dựng cầu qua sông, kênh, rạch và suối cần thực hiện các qui định sau:

 Khi thiết kế phương án cầu trên mặt bằng thì việc lựa chọn vị trí trên mặt bằng đóng vai tròquan trọng

Vị trí này được lựa chọn sao cho phù hợp với các yêu cầu của mặt bằng tuyến và qui hoạchchung của cả dự án

Vị trí cầu có thể vuông góc hoặc không vuông góc với dòng chảy Việc lựa chọn sẽ ảnhhưởng đến quá trình tính toán thiết kế sau này để đảm bảo khả năng chịu lực độ ổn định và cácbiến dạng trong công trình

Vị trí cầu sẽ quyết định chiều dài cầu là lớn hay nhỏ để đảm bảo khẩu độ thoát nước Tùy

và tốt nhất là đặt trên đoạn sông thẳng để tránh xói lở. Nếu cầu đặt trên đoạn hẹp của dòngsông cần lưu ý các vấn đề về xói do vận tốc dốc chảy tại vị trí thắt hẹp của dòng sôgn này cóthể tăng lên

Khi thiết kế trắc dọc cầu phải đảm bảo sự êm thuận của tòan bộ trắc dọc tuyến

 Cửa thoát nước của cầu phải đặt vuông góc với hướng dòng chảy (sai lệch về vị trí cầu

không có xoáy, ít bị bồi lắng và nằm cách vị trí giao nhau giữa các sông tối thiểu 1,5 lầnchiều dài nhịp thoát nước của cầu;

 Vị trí giữa của mỗi kết cấu nhịp phải được đặt trùng với trục của dòng chảy, trên cơ sởtính toán dự báo khả năng biến đổi lòng sông trong quá trình khai thác công trình;

 Phải đảm bảo để trục các dòng chảy qua các kết cấu nhịp cầu song song với nhau và thiết

kế trụ cầu sao cho hướng dòng chảy vào phía giữa nhịp thoát nước Không được để trụcầu hướng dòng chảy làm xói lở mố cầu;

 Chỉ cho phép hướng các dòng chảy qua cầu lệch nhau theo các trục song song không quá

 Tốc độ các dòng chảy không được vượt quá tốc độ nước tính toán sau khi xây dựng cầu:hơn 20% trong trường hợp tốc độ dòng chảy tự nhiên của sông nhỏ hơn 2m/s và 10% khitốc độ dòng chảy tự nhiên của sông lớn hơn 2,4m/s (đối với các sông có tốc độ dòng chảy

tự nhiên nằm trong khoảng 2 - 2,4m/s, tốc độ dòng chảy được xác định theo phương phápnội suy tuyến tính);

 Phần thân trụ cầu tiếp xúc với dòng nước cần có cấu tạo mặt cắt ngang sao cho ít gây cản

Số lượng nhịp và kết cấu thoát nước được xác định dựa trên cơ sở phân tích, tính toán thuỷvăn, trong đó phải xem xét, đánh giá đầy đủ mức độ ảnh hưởng của các công trình xây dựng vàmôi trường xung quanh.

Cửa xả nguồn nước qua công trình phải được xem xét bố trí cho phù hợp Không cho phép xảnước có thể gây xói lở đất nền của các công trình khác, đất định cư, đất rừng

trên đường ô tô và cầu thành phố, cũng như các cống được phép bố trí thêm các bộ phận kết cấu

để thiết kế lề đường và vỉa hè

Các cầu đường sắt, phần mặt cầu không có ba-lát độ dốc ngang không được vượt quá 4%

Đối với các cầu gỗ dùng cho đường sắt phần mặt cầu không có ba-lát cho phép đặt trên độ dốctới 15% và nằm trên đường cong với bán kinh không nhỏ hơn 250m

Độ dốc dọc mặt cầu phần xe chạy phải thiết kế đảm bảo:

không quá 3% đối với cầu trên đường ô tô; 4% đối với cầu thành phố và 2% đối với các cầulát mặt bằng gỗ

Chiều dài nhịp có lợi nhất và chiều cao

Để xác định chiều dài nhịp kinh tế một cách có căn cứ, nhất thiết phải lập ra một số cácphương án phân chia nhịp tương đối hợp lý rồi so sánh chúng về các chỉ tiêu kinh tế - kỹthuật, có xét đến sự phát triển của khu vực ở năm tương lai, tới qui hoạch chung của khuvực và các điều kiện khác của địa phương

Chiều dài nhịp có lợi nhất phụ thuộc vào vấn đề lựa chọn các loại nền móng của mố trụcầu, phụ thuộc vào hệ thống kết cấu nhịp sử dụng, phụ thuộc vào khổ giới hạn và các yếu

tố khác như: điều kiện địa chất, thủy văn…

Chiều dài nhịp kinh tế có thể nhỏ hơn, bằng hoặc lớn hơn nhịp thông thuyền Tuỳ vàocác trường hợp cụ thể nên xét tới tính tiêu chuẩn hoá, công nghiệp hóa trong khi thiết kế cáccông trình cầu

Kết cấu phần trên

Chiều cao tối thiểu (gồm cả mặt cầu) (khi dùng các cấu kiện có chiều cao thay đổi thỡ phải hiệu chỉnh các giá trị có tính đến những thay đổi về độ cứng tơng đối của các mặt cắt mô men dơng và âm) Vật liệu Loại hình Dầm giản đơn Dầm liên tục

đổi

17.18 15.00

33.61 34.19 29.83 29.32 31.89

14.21 14.12

25.00 28.25 20.00

18.04

16.75 19.34

19.16

18.86

12.17

12.49 15.73 15.00

A1 P1 EP1

10.81

10.98 10.00 12.14

7.50

11.26 12.00

7.04

8.18

12.20 7.50

9.92

7.53 7.01 6.55

16.83 4.97 7.33

28.92

31.58 35.00

16.71 20.00 15.47

8.28 9.43 15.44

27.47

16.45

25.00 21.91

30.00

19.47 18.69

39.25 40.00 41.68 36.34 32.26 29.94

18.35

28.94

P3

Các yêu cầu về sử dụng không gian ngầm và chỉ giới xây dựng công trình hầm giao thông

Yêu cầu về sử dụng không gian ngầm

Khi thiết kế và xây dựng công trình hầm giao thông phải sử dụng không gian ngầm tiết kiệm,chi phí xây dựng thấp và khai thác công trình đạt hiệu quả cao

a) Đối với hầm đường ô tô và hầm đường sắt

Không gian trong hầm được bố trí đủ yêu cầu khổ giới hạn thông xe trên tuyến cũng như xétđến nhu cầu mở rộng trong tương lai, bố trí hệ thống thiết bị phụ trợ và hệ thống vận hành bảodưỡng hầm Việc mở rộng không gian trong hầm kết hợp với mục tiêu khác phải được cấpquyết định đầu tư chấp thuận

b) Đối với hầm giao thông đô thị

Khi không có yêu cầu đặc biệt, không gian trong hầm đường sắt và hầm đường ô tô trong đô thịphải tuân thủ các yêu cầu nêu tại môc 4.5.1 Hầm cho người đi bộ ngoài các yêu cầu nêu trên,khi thiết kế và xây dựng nên xem xét đến việc sử dụng không gian trong hầm cho các mục tiêukhác kết hợp và phải được cấp quyết định đầu tư chấp thuận

Các yêu cầu khi thiết kế, xây dựng công trình hầm giao thông:

a) Khi lựa chọn vị trí tuyến hầm phải xem xét đến các điều kiện địa hình, địa kỹ thuật, khítượng thủy văn và phù hợp với quy hoạch tổng thể khu vực, tổng thể tuyến đường, quy hoạchmạng lưới giao thông đã được cấp quyết định đầu tư phê duyệt

b) Hầm giao thông phải đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật, khai thác sử dụng, vệ sinh côngnghiệp, phòng chống cháy nổ, an toàn giao thông, chi phí thấp cho công tác duy tu bảo dưỡngtrong suốt quá trình sử dụng

c) Khi lập thiết kế phải đưa ra giải pháp phù hợp cũng như giải pháp công nghệ thi côngnhằm hạn chế thấp nhất các khó khăn gặp phải khi đào hầm cũng như kiểm soát chất lượngcông trình và giá thành xây dựng

d) Hầm giao thông được xây dựng phải đảm bảo luôn khô ráo, phải thiết lập các giải phápnhư lớp phòng nước, kết cấu ngăn cách nước hoặc các giải pháp kỹ thuật đặc biệt khác, trongmọi trường hợp không cho nước thấm chảy vào hầm

e) Bề mặt bê tông trong hầm phải đảm bảo phẳng nhẵn, trong mọi trường hợp đều không chophép dùng vữa trát hoàn thiện Khi có yêu cầu bề mặt bê tông trong hầm được sơn bằng loạisơn chịu nước