Nghiên cứu đề xuất các giải pháp kỹ thuật kết cấu nhịp cầu dân sinh khẩu độ nhỏ phục vụ giáo dục, phù hợp với điều kiện tại vùng sâu, vùng xa khu vực phía bắc luận văn thạc sĩ chuyên ngành xây dựng cầu hầm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI - - LUẬN VĂN THẠC SỸ TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP KĨ THUẬT KẾT CẤU NHỊP CẦU DÂN SINH KHẨU ĐỘ NHỎ PHỤC VỤ GIÁO DỤC, PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN TẠI VÙNG SÂU, VÙNG XA KHU VỰC PHÍA BẮC CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CẦU HẦM Mã số: 60.58.02.05 Học viên : Bùi Tá Pháp Lớp : Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Khóa : K25.2 Giáo viên hướng dẫn: GS.TS Trần Đức Nhiệm PGS TS Nguyễn Hữu Thuấn HVTH: Bùi Tá Pháp THÔNG TIN LUẬN VĂN THẠC SỸ Họ tên học viên: Tel: 0987990390 Bùi Tá Pháp Email: phapgt@gmail.com Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng xây dựng cơng trình giao thơng Lớp: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Khóa: K25.2 Cơ sở đào tạo: Trƣờng đại học giao thông vận tải- Phân hiệu Tp Hồ Chí Minh Giáo viên hƣớng dẫn: GS.TS Trần Đức Nhiệm – PGS.TS Nguyễn Hữu Thuấn Tel: 0903446067 Tel: 0944022555 Email: tdnhiem@gmail.com Email: nguyenhuuthuan.gtvt@gmail.com Tên đề tài: “Nghiên cứu đề xuất giải pháp kĩ thuật kết cấu nhịp cầu dân sinh độ nhỏ phục vụ giáo dục, phù hợp điều kiện vùng sâu, vùng xa khu vực phía bắc” Học viên thực Bùi Tá Pháp HVTH: Bùi Tá Pháp LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập, nghiên cứu, với giúp đỡ quý thầy, cô trường Đại học Giao thông Vận tải, tơi hồn thành luận án Thạc sĩ “Nghiên cứu đề xuất giải pháp kĩ thuật kết cấu nhịp cầu dân sinh độ nhỏ phục vụ giáo dục, phù hợp điều kiện vùng sâu, vùng xa khu vực phía Bắc” Với tình cảm chân thành, tác giả xin bày tỏ lòng cám ơn đến Ban giám hiệu, Phịng đào tạo sau đại học, Bộ mơn Cầu hầm - trường đại học Giao thông vận tải, cán quản lý toàn thể quý thầy cô tham gia giảng dạy lớp Xây dựng Cầu hầm K25.2 tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho tơi q trình học tập hồn thành luận án Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Trần Đức Nhiệm PGS.TS Nguyễn Hữu Thuấn tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tơi nghiên cứu đề tài, hiệu chỉnh hồn thiện luận văn TP.HCM, ngày tháng 05 năm 2020 Tác giả Bùi Tá Pháp HVTH: Bùi Tá Pháp MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết nghiên cứu Chƣơng 1: Nghiên cứu tổng quan 1.1 Tổng quan giải pháp kĩ thuật với kết cấu nhịp cho cầu dân sinh giới 1.2 Tổng quan giải pháp kĩ thuật với kết cấu nhịp cho cầu dân sinh Việt Nam Chƣơng 2: Phân tích điều kiện tự nhiên ảnh hƣởng đến lựa chọn giải pháp kĩ thuật cho kết cấu nhịp cầu dân sinh vùng núi phía Bắc 2.1 Phân tích ảnh hưởng điều kiện địa chất đến lựa chọn giải pháp kết cấu nhịp cầu 2.2 Phân tích ảnh hưởng điều kiện thủy văn đến lựa chọn giải pháp kết cấu nhịp cầu 10 2.3 Phân tích ảnh hưởng điều kiện địa hình đến lựa chọn giải pháp kết cấu nhịp cầu 15 2.4 Ảnh hưởng điều kiện khí hậu, vật liệu địa phương đến lựa chọn giải pháp kết cấu nhịp 18 2.5 Ảnh hưởng số yếu tố tự nhiên khác 21 Chƣơng Phân tích điều kiện xã hội ảnh hƣởng đến lựa chọn giải pháp kĩ thuật cho kết cấu nhịp cầu dân sinh vùng núi phía Bắc 22 3.1 Đặc điểm giao thơng lưu thơng hàng hóa địa bàn miền núi phía bắc 22 3.2 Yêu cầu tải trọng khai thác lựa chọn giải pháp kĩ thuật cho kết cấu nhịp 24 3.3 Yêu cầu kinh tế lựa chọn giải pháp kĩ thuật cho kết cấu nhịp 26 3.4 Đặc điểm nhân lực địa phương nguồn lực khác tận dụng tham gia dự án 28 Chƣơng 4: Đề xuất giải pháp kết cấu nhịp hạng mục kết cấu khác cầu dân sinh độ nhịp nhỏ 29 4.1 u cầu quy mơ (hình học) kết cấu nhịp cầu phục vụ giáo dục phù hợp với đặc điểm giao thơng địa bàn miền núi phía bắc 29 HVTH: Bùi Tá Pháp 4.2 Yêu cầu tải trọng kết cấu nhịp độ nhỏ cầu dân sinh phục vụ giáo dục địa bàn miền núi phía bắc 29 4.3 Một số dạng kết cấu nhịp điển hình độ nhỏ sử dụng phổ biến giao thông nông thôn miền núi Việt Nam 30 4.4 Đề xuất cho kết cấu nhịp độ nhỏ phù hợp với quy mô tải trọng thiết kế cầu dân sinh phục vụ giáo dục vùng sâu, vùng xa miền núi phía Bắc 42 4.5 Giải pháp kết cấu phụ trợ kết cấu nhịp chiều dài nhịp nhỏ 72 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75 HVTH: Bùi Tá Pháp DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Một số dạng kết cấu nhịp cầu dân sinh phổ biến giới: Hình Một số dạng kết cấu nhịp cầu dân sinh phổ biến giới: Hình Cầu treo dân sinh Lai Hà, qua sông Nậm La, Mường Tè, Lai Châu Hình Cầu dân sinh vượt độ trung bình, chi phí thấp cho vùng đồng song Cửu Long [17] Hình 2.1 Sạt lở đất, đá Lào Cai ảnh hưởng đến cơng trình giao thơng Hình 2 Sơ đồ địa chất Đơng phía Tây Bắc Bộ, Việt Nam Hình Lũ quét, sạt lở đất nhiều tỉnh miền núi phía Bắc 11 Hình Mưa lớn kéo dài làm hư hỏng cơng trình cầu đường 11 Hình Hình ảnh lũ quét, sạt lở đất vùng núi phía Bắc 11 Hình Mưa lớn kéo dài làm ngập nhiều nơi Hà Giang 12 Hình Địa hình vùng núi Tây Bắc 15 Hình Đỉnh núi Fansipan 15 Hình Địa hình vùng núi Đơng Bắc 16 Hình 10 Tuyết phủ Sa Pa vào mùa đông 18 Hình Học sinh vượt qua suối đến trường vị trí khơng có cầu: a) Suối Nậm Chim, Điện Biên; b) Nà Ui, Lai Châu 23 Hình Một số tải trọng khai thác thường gặp cầu dân sinh miền núi phía Bắc: a) Người (học sinh), b) Xe máy; c) Xe thô sơ; d) Gia súc 24 Hình Cấu tạo cống tiết diện tròn [14] 32 Hình Cấu tạo cống tiết diện hộp BTCT (hộp đơn hộp đôi)[16] 32 Hình Kích thước số cấu hình cống hộp đơn BTCT [16 ] 33 Hình 4 Cấu tạo chung cầu BTCT thường [16] 34 Hình Cấu tạo chung dầm BTCT thường, mặt cắt T [16] 36 Hình Cấu tạo cầu dầm thép liên hợp BTCT cho độ nhỏ [16] 38 Hình Cấu tạo dầm BTCT dự ứng lực căng trước, mặt cắt I cho giao thông nông thôn [27] 40 HVTH: Bùi Tá Pháp Hình Cấu tạo dầm BTCT dự ứng lực căng sau, mặt cắt I cho giao thơng [27] 40 Hình Cấu tạo chung cầu dàn Beiley lắp ghép 41 Hình 10 Cấu tạo mặt cắt ngang cầu dầm BTCT thường 43 Hình 11 Mơ hình phân tích kết cấu cầu tải trọng người 45 Hình 12 Hệ số an tồn kiểm tốn nội dung kết cấu cho cầu dầm BTCT thường với độ khổ cầu khác nhau: a) Khổ cầu 1,0m; b) Khổ cầu 1,5m; c) Khổ cầu 2,0m; d) Khổ cầu 2,5m; e) Khổ cầu 3,0m 47 Hình 13 Cấu tạo mặt cắt ngang cốt thép chịu lực dầm T, BTCT thường 50 Hình 14 Mơ hình phân tích kết cấu dầm T-BTCT thường tải trọng thiết kế 52 Hình 15 Các hệ số kiểm toán dầm T, BTCT thường: a) khổ cầu 2,0m; b) khổ cầu 2,5m; c) khổ cầu 3,0m; 53 Hình 16 Cấu tạo kích thước mặt cắt ngang cầu dầm thép liên hợp BTCT 55 Hình 17 Mơ hình phân tích kết cấu dầm thép liên hợp BTCT tải trọng thiết kế 56 Hình 18 Hệ số an tồn kiểm tốn kết cấu dầm liên hợp thép-bản BTCT theo nội dung cấu hình chiều dài khổ cầu khác nhau: a) khổ cầu 2,0m; b) khổ cầu 2,5m; c) khổ cầu 3,0m 57 Hình 19 Cấu tạo kích thước mặt cắt ngang dầm BTCT dự ứng lực, mặt cắt I 60 Hình 20 Hệ số an tồn kiểm tốn kết cấu dầm BTCTDUL căng trước, mặt cắt I cấu hình khác chiều dài khổ cầu khác nhau: a) khổ cầu 2,0m; b) khổ cầu 2,5m; c) khổ cầu 3,0m 62 Hình 21 Cấu tạo mặt cắt ngang dầm DUL căng sau, mặt cắt I 65 Hình 22 Hệ số an tồn kiểm tốn kết cấu dầm BTCTDUL căng sau, mặt cắt I cấu hình khác chiều dài khổ cầu khác nhau: a) khổ cầu 2,0m; b) khổ cầu 2,5m; c) khổ cầu 3,0m 67 Hình 23 Bố trí chung dàn Beiley cấu tạo mặt cắt ngang dàn đơn cho chiều dài nhịp nhỏ 69 Hình 24 Hệ số an tồn kiểm tốn phận dàn Beiley theo cấu hình chiều dài nhịp nhỏ khác 71 HVTH: Bùi Tá Pháp Hình 25 Bố trí chung lan can cầu dân sinh phục vụ giáo dục địa bàn miền núi phía Bắc 73 HVTH: Bùi Tá Pháp DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 Một số dạng dầm định hình đề xuất cho cầu dân sinh [16] Bảng Tính tốn thủy văn cầu Bản Đà, Hà Giang [18] 12 Bảng 2 Tính tốn thủy văn số cầu thuộc tỉnh Bắc Cạn [18] 13 Bảng Lựa chọn kiểu loại cầu, cống theo độ nhịp [14] 14 Bảng Một số dạng cầu vòm lựa chọn theo độ nhịp [14] 21 Bảng Kết cấu phần thiết kế theo loại chiều dài nhịp điều kiện giao thông khu vực xây dựng [16] 24 Bảng Huy động nguồn vốn cho dự án GTNT [23] 27 Bảng Quy mô khổ cầu yêu cầu đối KCN độ nhỏ cầu dân sinh vùng núi phía Bắc phục vụ giáo dục 29 Bảng Kích thước dầm BTCT thường cho số cấu hình chiều dài khổ cầu dự án Lramp [16 ] 35 Bảng Các kích thước tiết diện dầm T, BTCT thường theo cấu hình khác chiều dài khổ cầu [16] 36 Bảng 4 Kích thước kết cấu nhịp theo cấu hình khác chiều dài khổ cầu [16] 38 Bảng Phạm vi áp dụng theo tải trọng mặt phẳng lắp ghép 41 Bảng Kích thước cốt thép chịu lực dầm BTCT thường 44 Bảng Tổng hợp khối lượng vật liệu dầm BTCT thường 48 Bảng Các kích thước KCN cầu dầm T, BTCT thường theo cấu hình khác chiều dài khổ cầu 50 Bảng Tổng hợp khối lượng vật liệu dầm BTCT thường, mặt cắt T 54 Bảng 10 Kích thước cầu dầm liên hợp thép, BTCT cho cấu hình khác chiều dài nhịp khổ cầu 55 Bảng 11 Tổng hợp khối lượng vật liệu dầm thép liên hợp BTCT 58 Bảng 12 Kích thước kết cấu nhịp 61 Bảng 13 Bảng tổng hợp khối lượng vật liệu cấu hình dầm I-DUL căng trước 63 HVTH: Bùi Tá Pháp Bảng 14 Kích thước cầu BTCT dự ứng lực căng sau, mặt cắt I theo cấu hình khác chiều dài khổ cầu 66 Bảng 15 Tổng hợp khối lượng vật liệu cho cầu dầm DUL căng sau, mặt cắt I, theo cấu hình khác chiều dài khổ cầu 68 Bảng 16 Thơng số kích thước cấu hình dàn Beiley theo chiều dài nhịp 70 Bảng 17 Thông số tiết diện dàn chủ 70 Bảng 18 Kích thước dầm dọc dầm ngang dàn Beiley 70 Bảng 19 Tổng hợp phạm vi sử dụng loại kết cấu cho loại độ nhịp nhỏ khác 72 HVTH: Bùi Tá Pháp loại khổ cầu K=2,0m; 2,5m 3,0m, với chiều dài đại diện gồm 18m; 20m; 22m 24m Thông số vật liệu tương tự dầm căng trước, bao gồm bê tông sử dụng cấp bê tông 28 Mpa; bê tông dầm chủ dùng bê tông cấp 40 Mpa Cốt thép chịu lực dầm bó cáp dự ứng lực bao gồm tao đơn đường kính 12,7mm, tổng số tao sử dụng cho loại cấu hình chiều dài khổ cầu bảng 4.15 Hình 4.22 trình bày kết kiểm toán kết cấu cho nội dung: kiểm toán khả chịu uốn, chịu cắt; ứng suất bê tông (kéo nén) dầm chủ kiểm toán võng Tương tự trường hợp trên, kết kiểm toán thể thơng qua hệ số an tồn kiểm tốn cho trường hợp cấu hình khác chiều dài khổ cầu Do yêu cầu cấu tạo cấu hình lựa chọn hệ số an tồn kết cấu có độ dư thừa cao so với trường hợp khác (khoảng 1,3) tương đương với cấu hình dầm BTCT DUL căng trước, mặt cắt I, hệ số kiểm toán ứng suất kéo bê tông khống chế Khối lượng vật liệu cầu dầm DUL căng sau, mặt cắt I, tổng hợp bảng 4.16, bao gồm bê tông mặt cấu, bê tông dầm chủ, cốt thép dự ứng lực dầm chủ thép lan can Hình 21 Cấu tạo mặt cắt ngang dầm DUL căng sau, mặt cắt I Lớp: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thơng K25.2 Trang: 65 HVTH: Bùi Tá Pháp Bảng 14 Kích thước cầu BTCT dự ứng lực căng sau, mặt cắt I theo cấu hình khác chiều dài khổ cầu Thông số (mm) H b1 h1 b2 h2 b3 h3 b4 h4 b5 h5 ts Thông số (mm) H b1 h1 b2 h2 b3 h3 b4 h4 b5 h5 ts Thông số (mm) H b1 h1 b2 h2 b3 h3 b4 h4 b5 h5 ts L=18M 650 560 120 180 150 200 200 160 100 520 80 120 L=18M 700 560 120 180 150 200 250 160 100 520 80 120 L=18M 750 560 120 180 150 200 300 160 100 520 80 120 K = 2.0 M, S=1.5M L=20M L=22M 650 700 560 560 120 120 180 180 150 150 200 200 200 250 160 160 100 100 520 520 80 80 120 120 K = 2.5 M, S=1.75M L=20M L=22M 700 750 560 560 120 120 180 180 150 150 200 200 250 300 160 160 100 100 520 520 80 80 120 120 K = 3.0 M, S=2.0M L=20M L=22M H 750 b1 560 h1 120 b2 180 h2 150 b3 200 h3 300 b4 160 h4 100 b5 520 h5 80 ts 120 Lớp: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng K25.2 L=24M 700 560 120 180 150 200 250 160 100 520 80 120 L=24M 750 560 120 180 150 200 300 160 100 520 80 120 L=24M H b1 h1 b2 h2 b3 h3 b4 h4 b5 h5 ts Trang: 66 HVTH: Bùi Tá Pháp Hình 22 Hệ số an tồn kiểm toán kết cấu dầm BTCTDUL căng sau, mặt cắt I cấu hình khác chiều dài khổ cầu khác nhau: a) khổ cầu 2,0m; b) khổ cầu 2,5m; c) khổ cầu 3,0m Lớp: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng K25.2 Trang: 67 HVTH: Bùi Tá Pháp Bảng 15 Tổng hợp khối lượng vật liệu cho cầu dầm DUL căng sau, mặt cắt I, theo cấu hình khác chiều dài khổ cầu Khổ, Nhịp K =2.0 M L=18M L=20M L=22M L=24M K =2.5 M L=18M L=20M L=22M L=24M K =3 M L=18M L=20M L=22M L=24M Hạng mục Dầm Lan can Tổng Dầm Lan can Tổng Dầm Lan can Tổng Dầm Lan can Tổng Dầm Lan can Tổng Dầm Lan can Tổng Dầm Lan can Tổng Dầm Lan can Tổng Dầm Lan can Tổng Dầm Lan can Tổng Dầm Lan can Tổng Dầm Lan can Tổng Bê tông Bê tông Cáp DƯL 28 Mpa (m3) 5.18 1.68 6.86 5.76 1.86 7.62 6.34 2.05 8.39 6.91 2.24 9.15 6.26 1.68 7.94 6.96 1.86 8.82 7.66 2.05 9.71 8.35 2.24 10.59 7.34 1.68 9.02 8.16 1.86 10.02 8.98 2.05 11.03 9.79 2.24 12.03 40 Mpa (m3) 8.70 (tao cáp) 9.00 8.70 9.67 9.67 11.08 11.08 12.09 12.09 9.06 9.00 12.00 12.00 15.00 15.00 18.00 18.00 9.00 9.06 10.07 9.00 12.00 10.07 11.52 12.00 15.00 11.52 12.57 12.57 9.42 9.42 10.47 15.00 18.00 18.00 9.00 9.00 12.00 10.47 11.96 12.00 15.00 11.96 13.05 15.00 18.00 13.05 18.00 Lớp: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng K25.2 Thép ống lan can (kg) 303.80 303.80 337.55 337.55 371.31 371.31 405.06 405.06 303.80 303.80 337.55 337.55 371.31 371.31 405.06 405.06 303.80 303.80 337.55 337.55 371.31 371.31 405.06 405.06 Trang: 68 HVTH: Bùi Tá Pháp 4.4.6 Dàn định hình cho kết cấu nhịp độ nhỏ cầu dân sinh phục vụ giáo dục vùng sâu, vùng xa miền núi phía Bắc Ngồi dạng kết cấu nhịp trình bày phần trên, để vượt độ nhịp nhỏ sử dụng dạng cầu dàn định hình chế tạo sẵn, số dạng dàn sử dụng phổ biến Việt Nam dàn Eiffel, dàn Beiley Đặc biệt dàn định hình kiểu Beiley có xuất sứ từ Mỹ, sử dụng tương đối rộng rãi cho cầu khu vực có địa hình khó khăn có vùng núi phía Bắc Việt Nam Các cầu dân sinh khu vực miền núi phía Bắc với tải trọng thiết kế yêu cầu nhỏ chủ yếu cho người xe thô sơ, việc sử dụng cầu dàn Beiley trường hợp khả thi Ngoài việc đặc điểm cấu tạo thi công loại kết cấu đơn giản, thuận tiện cần dễ dàng thay đổi số lượng mô đun lắp dựng để phù hợp với nhiều loại chiều dài nhịp khác Trong trường hợp đề xuất sử dụng cầu dàn Beiley cho nhịp có chiều dài từ 15m đến 24m, tương ứng với số lượng khoang dàn định bảng 4.17 Dàn sử dụng mặt phẳng dàn đơn (cho chiều dài từ 15m đến 21m) mặt phẳng kép (với chiều dài 24m) để lắp dựng phù hợp với tải trọng thiết kế yêu cầu, thơng qua kết kiểm tốn tính tốn khả chịu lực phận cớ dàn Các thơng số cấu tạo kích thước dàn theo định hình trình bày bảng 4.17-4.19 Hình 4.23 trình bày bố trí chung cấu tạo mặt cắt ngang đặc trưng cầu dàn beiley trường hợp mặt phẳng dàn đơn dùng cho trường hợp nhịp nhỏ Trường hợp sử dụng dàn Beiley có chiều rộng cầu theo định hình sẵn 4.0m, chiều rộng lớn tất khổ cầu yêu cầu cầu dân sinh (