Đề tài Nghiên cứu cầu toàn khối thuộc công trình nghiên cứu khoa học cấp bộ : Nội dung gồm
VIỆN NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN GIAO THÔNG BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CẦU TOÀN KHỐI CNĐT: NGUYỄN PHÚC TRÍ 8127 HÀ NỘI – 2010 Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần Nghiên cứu tổng quát Cầu toàn khối MỤC LỤC Trang Chương Tình hình ứng dụng cầu tồn khối giới 1.1 Mở đầu ………………………………………………………………… 1-1 1.2 Đặc điểm Cầu toàn khối…………………………………… 1-2 1.2.1 Cấu tạo……………………………………………………………… 1-2 1.2.2 Ưu điểm bản……………………………………………………… 1-4 1.2.3 Những vấn đề quan tâm………………………………………… 1-5 1.3 Tình hình phát triển ứng dụng phổ biến giới……………… 1-6 1.3.1 Xuất xứ loại cầu không mối nối tình hình phát triển…………… 1-6 1.3.2 Tình hình ứng dụng CTK Hoa Kỳ Canada……………………… 1-6 1.3.2.1 Tình hình qua lần khảo sát…………………………………… 1-6 1.3.2.2 Bài viết có tính khái qt tình hình Wasserman (2005) ………… 1-8 1.3.2.3 Kết cấu CTK ứng dụng vào việc tăng cường cầu cũ…………… 1-9 1.3.2.4 Tình hình xây dựng tiêu chuẩn thiết kế…………………………… 1-12 1.3.2.5 Những cơng trình nghiên cứu góp phần thúc đẩy ứng dụng CTK…… 1-13 1.3.3 Tình hình ứng dụng CTK Châu Âu……………………………… 1-14 1.3.3.1 CTK Vương quốc Anh…………………………………………… 1-14 1.3.3.2 CTK Thụy Điển………………………………………………… 1-18 1.3.3.3 CTK Phần Lan………………………………………………… 1-21 1.3.3.4 CTK Đức……………………………………………………… 1-22 1.3.3.5 CTK vài nước khác Châu Âu……………………………… 1-23 1.3.3.6 Vài nét so sánh tiêu chuẩn CTK Châu Âu với Bắc Mỹ…… 1-24 1.3.4 Tình hình ứng dụng CTK Châu Úc Châu Á…………………… 1-28 1.3.4.1 CTK Australia………………………………………………… 1-28 1.3.4.2 CTK New Zeland………………………………………………… 1-30 1.3.4.3 CTK Ấn Độ……………………………………………………… 1-30 1.3.4.4 CTK Nhật Bản…………………………………………………… 1-31 1.3.4.5 CTK vài nước khác………………………………………… 1-34 1.3.4.5.1 Hàn Quốc ………………………………………………………… 1-34 1.3.4.5.2 Trung Quốc ……………………………………………………… 1-35 Chủ nhiệm đề tài: Gs-Ts Nguyễn Phúc Trí Hà Nội tháng 05 – 2010 Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần Nghiên cứu tổng qt Cầu tồn khối 1.3.4.5.3 Các nước Đơng Nam Á …………………………………………… 1-35 1.3.5 CTK Việt Nam…………………………………………………… 1-37 1.4 Tóm tắt nhận xét …………………………………………………… 1-37 Những tài liệu tham khảo đến viết …………………………… 1-40 Phụ lục ………………………………………………………………… 1-44 Chương Nguyên lý hoạt động yếu tố ảnh hưởng 2.1 Mở đầu ………………………………………………………………… 2-1 2.2 Các tải trọng thứ cấp tác động …………………………………… 2-1 2.2.1 Co ngót…………………………………………………………… 2-1 2.2.2 Từ biến……………………………………………………………… 2-1 2.2.3 Nhiệt độ……………………………………………………………… 2-2 2.2.4 Áp lực đất…………………………………………………………… 2-2 2.2.5 Lún………………………………………………………………… 2-3 2.3 Bản chất vật lý tác động tải trọng thứ cấp chủ yếu …… 2-3 2.3.1 Co ngót, từ biến bê tơng……………………………………… 2-3 2.3.1.1 Co ngót……………………………………………………………… 2-3 2.3.1.2 Từ biến……………………………………………………………… 2-4 2.3.1.3 Tính tốn (ước lượng)co ngót từ biến…………………………… 2-5 2.3.1.4 Mơ hình tính tốn…………………………………………………… 2-5 2.3.1.4.1 Mơ hình ACI 209-92……………………………………………… 2-6 2.3.1.4.2 Quy tắc CEB-FIB 90……………………………………………… 2-6 2.3.1.4.3 Các công thức Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO-LRFD2007 2-7 2.3.1.5 Tác động co ngót từ biến dầm DUL…………………… 2-7 2.3.2 Biến thiên nhiệt độ………………………………………………… 2-9 2.3.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng tới nhiệt độ cầu………………………… 2-9 2.3.2.2 Xử lý yếu tố nhiệt độ…………………………………………… 2-10 2.3.2.2.1 Nhiệt độ trung bình cầu……………………………………… 2-10 2.3.2.2.2 Gradien nhiệt…………………………………………………… 2-13 2.3.3 Áp lực đất đầu cầu…………………………………………… 2-14 2.4 Tóm tắt kết luận …………………………………………………… 2-16 Chủ nhiệm đề tài: Gs-Ts Nguyễn Phúc Trí Hà Nội tháng 05 – 2010 Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần Nghiên cứu tổng quát Cầu toàn khối Tài liệu tham khảo kể tới viết ……………………………… 2-17 Phụ lục ………………………………………………………………… 2-19 Chương Các vấn đề thực tiễn xây dựng CTK nét đặc thù Việt Nam 3.1 Mở đầu ………………………………………………………………… 3-1 3.2 Những vấn đề chủ yếu CTK …………………………………… 3-1 3.2.1 Các tác động liên quan đến môi trường……………………………… 3-1 3.2.1.1 Tác động nhiệt………………………………………………… 3-1 3.2.1.1.3 Gradien nhiệt …………………………………………………… 3-2 3.2.1.1.4 Chống đỡ đất sau mố …………………………………… 3-2 3.2.1.2 Tác động từ biến co ngót……………………………………… 3-2 3.2.1.2.1 Từ biến dầm đúc sẵn ………………………………………… 3-4 3.2.1.2.2 Tác động kép từ biến + chênh lệch co ngót liên quan đến lịch trình thi cơng………………………………………………………………… 3-4 3.2.1.2.3 Cơng cụ phần mềm máy tính đơn giản để khảo sát phân tích……… 3-6 3.2.1.3 Tác động lún…………………………………………………… 3-8 3.2.2 Mối quan hệ tương tác đất/kết cấu…………………………………… 3-8 3.2.2.1 Mối tương tác đất/tường mố………………………………………… 3-8 3.2.2.1.1 Dịch chuyển mố ……………………………………………… 3-8 3.2.2.1.2 Áp lực đất………………………………………………………… 3-9 3.2.2.1.3 Độ cứng đất …………………………………………………… 3-10 3.2.2.2 Mối tương tác đất/cọc……………………………………………… 3-11 3.2.2.2.1 Độ cứng đất………………………………………………… 3-11 3.2.2.2.2 Cơ chế phá hoại cọc …………………………………………… 3-12 3.2.2.2.3 Sự giảm thiểu sức chịu tải dịch chuyển ngang …………………… 3-12 3.2.2.2.4 Hố khoan trước bao quanh cọc …………………………………… 3-13 3.2.3 Độ dẻo kết cấu bên dưới………………………………………… 3-13 3.2.3.1 Hướng bố trí cọc…………………………………………………… 3-13 3.2.3.2 Tỷ số độ cứng kết cấu phần phần dưới………………… 3-14 3.2.3.3 Hình thức liên kết cọc………………………………………… 3-14 3.2.4 Các phương án hệ thống móng mố………………………………… 3-14 3.2.5 Vấn đề chất tải có chu kỳ (cyclic loading) …………………………… 3-15 Chủ nhiệm đề tài: Gs-Ts Nguyễn Phúc Trí Hà Nội tháng 05 – 2010 Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần Nghiên cứu tổng quát Cầu toàn khối 3.2.6 Cầu chéo cầu cong………………………………………………… 3-16 3.2.6.1 Cơ chế hoạt động………………………………………………… 3-17 3.2.6.2 Phân bố ứng suất tường mố……………………………… 3-19 3.2.7 Một số vấn đề cấu tạo……………………………………………… 3-19 3.2.7 Liên tục hóa dầm DUL đúc sẵn giản đơn……………………… 3-19 3.2.7.2 Cấu tạo mố…………………………………………………… 3-23 3.2.7.3 Tường cánh………………………………………………………… 3-26 3.2.7.4 Nền đắp sau mố…………………………………………………… 3-27 3.2.7.5 Mái dốc trước mố tường đất có cốt……………………………… 3-27 3.2.8 Vấn đề thi công…………………………………………………… 3-29 3.3 Các đặc thù Việt Nam cần xem xét ……………………………… 3-29 3.3.1 Nhiệt độ tính tốn cầu…………………………………………… 3-29 3.3.2 Đặc trưng vùng đất yếu Việt Nam………………………………… 3-31 3.3.3 Vật liệu cọc, vấn đề rỉ cọc thép vấn đề sử dụng cọc bê tông…… 3-32 3.4 Kết luận ……………………………………………………………… 3-34 Tài liệu tham khảo tới viết ……………………………………… 3-35 Phụ lục: Bố trí cốt thép cọc bê tông DUL (Sở GTVT Kentucky) …… 3-38 Chương Mơ hình phân tích tính tốn CTK 4.1 Mở đầu ………………………………………………………………… 4-1 4.2 Mơ hình PTHH tính tốn liên quan ……………………………… 4-1 4.2.1 Khái quát………………………………………………………………… 4-1 4.2.2 Một vài dạng mơ hình…………………………………………………… 4-2 4.2.3 Một mơ hình quy mơ nghiên cứu sâu loại CTK có dầm DUL………… 4-5 4.2.4 Mơ hình đơn giản phục vụ thiết kế cầu vừa nhỏ……………………… 4-9 4.2.4.1 Mơ hình khung để phân tích kết cấu CTK…………………………… 4-9 4.2.4.2 Mơ hình hóa mối tương tác đất/cọc phần tử lị xo Winkler……… 4-10 4.2.4.3 Sơ đồ biểu thị làm việc phần tử lò xo…………………………… 4-11 Lò xo cạnh cọc ………………………………………………………… 4-11 Lò xo cạnh thân mố…………………………………………………… 4-11 4.2.4.4 Phần mềm để tính cọc chịu lực ngang………………………………… 4-12 Chủ nhiệm đề tài: Gs-Ts Nguyễn Phúc Trí Hà Nội tháng 05 – 2010 Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần Nghiên cứu tổng qt Cầu tồn khối 4.2.4.5 Mơ hình hóa cọc thanh-hẫng-địn-tay……………………… 4-12 4.2.5 Tính tải trọng tác động……………………………………………… 4-14 4.2.5.1 Khái quát…………………………………………………………… 4-14 4.2.5.2 Những tính tốn liên quan đến tác động phụ thuộc thời gian………… 4-15 Tác động gradien nhiệt……………………………………………… 4-15 Tác động chênh lệch co ngót…………………………………………… 4-17 Tác động từ biến……………………………………………………… 4-19 4.2.5.3 Nhận xét tác động phụ thuộc thời gian………………………… 4-22 4.3 Mô hình phương pháp tính đơn giản ………………………………… 4-23 4.3.1 Khả áp dụng mơ hình tính đơn giản…………………………… 4-23 4.3.2 Đi tìm mơ hình tính tốn đơn giản…………………………………… 4-24 4.3.2.1 Mơ hình tính Franco……………………………………………… 4-24 4.3.2.2 Nhận xét mơ hình tính Franco………………………………… 4-25 4.3.2.3 Mơ hình đơn giản đáp ứng u cầu thiết kế CTK vừa nhỏ…………… 4-25 4.4 Nhận xét kết luận ……………………………………………… 4-28 Tài liệu tham khảo tới viết ……………………………………… 4-30 Phụ lục A: Ước tính mô đuyn đàn hồi Es áp lực cực hạn Pu loại đất 4-32 Phụ lục B: Đặc trưng loại đất dùng cho LPILE COM624P …………… 4-34 Phụ lục C: So sánh độ cứng dầm cọc CTK (thí dụ) …………… 4-35 Chủ nhiệm đề tài: Gs-Ts Nguyễn Phúc Trí Hà Nội tháng 05 – 2010 Chương Tình hình ứng dụng Cầu toàn khối giới Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần Nghiên cứu tổng qt Cầu tồn khối Chương 1, Tình hình ứng dụng CTK giới Chương Tình hình ứng dụng cầu toàn khối giới 1.1 Mở đầu Cầu-dầm - Beam bridge - cầu có kết cấu nhịp dầm, thường sử dụng cấu kiện đúc sẵn, loại cầu phổ biến mạng lưới đường bộ, đặc biệt thích ứng với cầu vừa nhỏ, cầu vượt đoạn cầu dẫn cầu lớn Kết cấu nhịp (còn gọi kết cấu phần trên) (đặc rỗng, có khơng DUL), dầm chữ T ghép nhiều phiến (đúc chỗ lắp ghép, có khơng DUL), dầm I (đúc sẵn, có DUL, có liên hợp không liên hợp với mặt cầu), dầm hộp (đúc chỗ nối đoạn), không kể tới loại dầm thép (hộp orthotrop ) Ở cầu truyền thống kết cầu nhịp đặt lên mố trụ gối quan điểm tách bạch rõ ràng làm việc kết cấu, dầm thường giản đơn đặt gối có bố trí khe đầu dầm để thích ứng với chuyển động kết cấu nhịp Trong khe lắp đặt co giãn để tạo liên tục cho mặt đường Các co giãn dù ngày cải tiến khó đảm bảo êm thuận cho mặt cầu mà thường để lọt nước gây hư hỏng cho đầu dầm gối cầu, hoen ố bề mặt mố trụ, gây nhiều khó khăn cho cơng tác tu Vấn đề đặc biệt nghiêm trọng nước hàn đới mùa đông băng giá phải dùng tới muối làm tan băng cầu Trong cầu-dầm truyền thống, mố trụ độc lập làm việc chịu tác động truyền từ bên xuống từ bên vào Vì mố ngồi chức chịu tác động thẳng đứng từ bên tĩnh tải, hoạt tải gây chịu lực đẩy ngang đất liền kề khiến mố có kích thước lớn Trường hợp móng cọc, cọc chịu lực khơng đồng nên hiệu phát huy thấp, chưa kể có để chống lực nhổ phải mở rộng thêm kích thước bệ móng nên tăng trọng lượng thân mố Điều chứng tỏ việc tăng thêm cọc khơng phải tải trọng bên mà chịu lực đẩy ngang đất, tác động dự kiến thuộc chức mố Để khắc phục nhược điểm người ta tới giải pháp thiết kế xây dựng “chiếc cầu tồn khối kiểu mới”, khơng dùng tới co giãn, gắn kết kết cấu phần với mố cầu, dùng ln tồn hệ kết cấu để cân áp lực đất đầu cầu khiến mố phải đảm nhiệm chức chống đỡ lực thẳng đứng từ bên truyền xuống Như nhận xét J.C Porter cộng viết “Trở lại tương lai thiết kế mố cầu”, mố kiểu trở lại có hình dáng “chiếc mố cầu xe lửa” hoạt động có kết suốt năm 30~40, 1910, hệ thống xe lửa ban đầu Hoa Kỳ đầu kỷ XX Loại mố mang áp dụng vào hệ thống đường bộ, liên tiếp “cải tiến mãi” trở thành phức tạp nặng nề [1] Nói chung, Cầu tồn khối - Integral bridge - cầu khơng có khe co giãn Xét lịch sử, cầu vịm bê tơng khơng cốt thép từ thời đế chế La mã hồn tồn khơng có khe co giãn cầu toàn khối (những cầu vịm có khe co giãn mặt cầu khơng liệt vào loại cầu này) Kiểu cầu khung cứng bê tông, phổ biến vào Chủ nhiệm đề tài: Gs-Ts Nguyễn Phúc Trí 1-1 Hà Nội tháng 05 – 2010 Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần Nghiên cứu tổng quát Cầu tồn khối Chương 1, Tình hình ứng dụng CTK giới kỷ trước, có khe co giãn thẳng đứng nằm thân cầu tường cánh liệt vào loại cầu tồn khối khơng có khe co giãn mặt cầu hay phận chịu lực Vào khoảng thập kỷ cuối kỷ XX, Bắc Mỹ (Hoa Kỳ, Canada) Anh nước Tây Âu khác, xuất loại cầu tồn khối nhiều nhịp có kết cấu phần liên tục không gối đỡ gằn liền vào mố nhỏ Đại đa số loại cầu đỡ hàng cọc đơn thẳng đứng, khác hẳn loại cầu dầm cổ điển, nhiều nhịp với khe co giãn vị trí đầu dầm, có gối đỡ dầm giản đơn đặc biệt mố loại tường chắn đất to đồ sộ nhiều hàng cọc, có cọc nghiêng Loại cầu tồn khối hiệu xây dựng không khe co giãn loại cầu tồn khối kiểu nói để nêu bật đặc điểm gằn liền vào mố cịn gọi Cầu mố tồn khối - Integral abutment bridge Như dù danh từ Cầu tồn khối nhiều loại cầu có từ hàng kỷ trước thông thường dùng để loại cầu toàn khối “hiện đại” Các từ: Cầu toàn khối (Integral bridge), Cầu mố toàn khối (Integral abutment bridge), Cầu không mối nối (Jointless bridge) thường dùng để loại kết cấu (hình vẽ 1.1) Loại cầu có nhịp mố bệ kê đặt xuống đất gọi Cầu tồn khối gối kê (Bankseat integral bridge) G i di đ ng C u tồn kh i có m c c mũ (a) tr c c mũ d o; (b) tr n a c ng có g i di đ ng Hình vẽ 1.1 Cầu tồn khối điển hình Bắc Mỹ Loại cầu toàn khối bàn luận nhiều loại cầu mố tồn khối kiểu đại xét ứng dụng trước hết cho đại phận khối lượng cầu mạng lưới giao thông (không 85% có chiều dài khơng q 100m) 1.2 Đặc điểm Cầu tồn khối 1.2.1 Cấu tạo Có thể coi CTK chủ yếu gồm 3-4 phận chính: kết cấu nhịp, mố, trụ trung gian (nếu có, bao gồm móng) lên cầu Như kết cấu cầu truyền thống, kết cấu nhịp thép, bê tông đúc chỗ bê tông đúc sẵn, có khơng DUL Tất phận gắn liền thành khối chiều dài liên tục Chủ nhiệm đề tài: Gs-Ts Nguyễn Phúc Trí 1-2 Hà Nội tháng 05 – 2010 Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần Nghiên cứu tổng quát Cầu toàn khối Chương 1, Tình hình ứng dụng CTK giới cầu suốt từ đầu lên cầu tới cuối lên cầu kia, không khe co giãn khơng gối đỡ kết cầu nhịp (Hình vẽ 2.1) Phần cầu Nền đường Phần đường dẫn Kết cấu phần Bản lên cầu* Mố Bản gối * Đất đắp Móng * Thành phần tùy chọn Hình vẽ 1.2-1 Các thành phần điển hình cầu tồn khối (Arsoy cộng sự, 1999) Nếu cịn có gối đỡ mố, cầu gọi Cầu bán toàn khối - CBTK (Semiintegral) Phân biệt toàn khối bán toàn khối chỗ đỉnh mố/trụ gắn liền với kết cấu nhịp hay dùng gối đỡ đặt lên mố/trụ (đặc biệt mố) kết cấu nhịp giải để khơng có khe co giãn Trong CBTK móng mố/trụ móng nơng có nhiều hàng cọc có cọc nghiêng thông thường, mố CTK dùng móng nơng thường có hàng đơn toàn cọc thẳng đứng (so sánh hình vẽ 1.2-2 1.2-3) Khe thi cơng có ch ng dính B n k t c u ph n B n lên c u M i n i xây d ng C t ch ng t m th i cho d m thép D m thép Mũ c c Tim tr g i C c Hình vẽ 1.2-2 Mố CTK theo thiết kế New York DoT (Hoa Kỳ) Chủ nhiệm đề tài: Gs-Ts Nguyễn Phúc Trí 1-3 Hà Nội tháng 05 – 2010 ... dụng Cầu toàn khối giới Đề tài mã số DT094035 ? ?Nghiên cứu Cầu toàn khối? ?? – Phần Nghiên cứu tổng quát Cầu toàn khối Chương 1, Tình hình ứng dụng CTK giới Chương Tình hình ứng dụng cầu tồn khối. .. vấn đề đáng quan tâm nghiên cứu ứng dụng Chủ nhiệm đề tài: Gs-Ts Nguyễn Phúc Trí 1-10 Hà Nội tháng 05 – 2010 Đề tài mã số DT094035 ? ?Nghiên cứu Cầu toàn khối? ?? – Phần Nghiên cứu tổng quát Cầu toàn. . .Đề tài mã số DT094035 ? ?Nghiên cứu Cầu toàn khối? ?? – Phần Nghiên cứu tổng quát Cầu toàn khối MỤC LỤC Trang Chương Tình hình ứng dụng cầu toàn khối giới 1.1 Mở đầu …………………………………………………………………