Bai giang co so cong trinh cau

Ở nước ta, phân loại theo quy mô và tính chất thì DAĐT xây dựng công trình được chia thành các nhóm sau: Dự án quan trọng quốc gia do Quốc hội xem xét quyết định về chủ trương đầu tư, cá

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: 8

KHÁI NIỆM VỀ CÁC CÔNG TRÌNH NHÂN TẠO TRÊN ĐƯỜNG 8

1.1 CÁC LOẠI CÔNG TRÌNH NHÂN TẠO TRÊN ĐƯỜNG: 8

1.1.1 Cầu: 8

1.1.2 Các công trình thoát nước nhỏ: 8

1.1.3 Tường chắn: 10

1.1.4 Hầm: 10

1.2 CÁC BỘ PHẬN VÀ CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA CẦU: 13

1.2.1 Các bộ phận của công trình cầu: 13

1.2.2 Các kích thước cơ bản của cầu: 13

1.3 PHÂN LOẠI CẦU: 15

1.3.1 Phân loại theo mục đích sử dụng: 15

1.3.2 Phân loại theo vật liệu làm kết cấu nhịp: 15

1.3.3 Phân loại theo chướng ngại vật: 15

1.3.4 Phân loại theo cao độ đường xe chạy: 19

1.3.5 Phân loại theo sơ đồ tĩnh học: 20

1.3.6 Phân loại theo sơ đồ cấu tạo: 21

1.4 CÁC YÊU CẦU CƠ BẢN ĐỐI VỚI CẦU: 24

1.4.1 Yêu cầu về mặt xây dựng và khai thác: 24

1.4.2 Yêu cầu về mặt kinh tế: 25

1.4.3 Yêu cầu về mặt mỹ quan: 25

1.4.4 Yêu cầu về mặt an ninh quốc phòng: 25

1.5 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN NGÀNH XD CẦU: 25

1.5.1 Sơ lược lịch sử phát triển ngành xây dựng cầu: 25

1.5.1.1 Cầu gỗ: 25

1.5.1.2 Cầu đá: 25

1.5.1.3 Cầu thép: 26

1.5.1.4 Cầu bêtông cốt thép: 26

1.5.2 Một số xu hướng phát triển khoa học kỹ thuật trong ngành xây dựng cầu: 29

1.5.2.1 Về vật liệu: 29

1.5.2.2 Về kết cấu: 29

1.5.2.3 Về công nghệ thi công: 29

1.5.2.4 Về tính toán: 29

CHƯƠNG 2: 30

CÁC CĂN CỨ CƠ BẢN VÀ ĐIỀU KIỆN ĐỂ THIẾT KẾ CẦU 30

2.1 CÁC GIAI ĐOẠN ĐẦU TƯ XÂY DỰNG VÀ CÁC BƯỚC THIẾT KẾ: 30

2.1.1 Các giai đoạn đầu tư xây dựng: 30

2.1.1.1 Chuẩn bị đầu tư: 30

2.1.1.2 Thực hiện đầu tư: 32

2.1.1.3 Kết thúc xây dựng đưa công trình vào khai thác sử dụng: 33

2.1.2 Các bước thiết kế: 33

2.2 TRIẾT LÝ THIẾT KẾ: 34

2.2.1 Phương pháp thiết kế theo ứng suất cho phép: (ASD) 35

2.2.2 Phương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng: (LFD) 35

2.2.3 Phương pháp thiết kế theo trạng thái giới hạn (LSD): 36

2.2.4 Phương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD): 37

2.3 CÁC TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ CẦU HIỆN HÀNH: 38

CHƯƠNG 3: 39

THIẾT KẾ CÁC PHƯƠNG ÁN CẦU 39

3.1 CÁC CĂN CỨ LẬP PHƯƠNG ÁN CẦU: 39

3.1.1 Khái niệm chung: 39

3.1.2 Phân tích các tài liệu khi thiết kế các phương án cầu: 39

3.1.2.1 Chọn vị trí cầu: 39

3.1.2.2 Mặt cắt dọc tim cầu: 40

3.1.2.3 Mặt cắt địa chất dọc tim cầu: 40

3.1.2.4 Các số liệu thủy văn: 40

3.1.2.5 Khẩu độ thoát nước: 40

3.1.3 Khổ giới hạn và khổ thông thuyền: 41

3.1.3.1 Khổ giới hạn: 41

3.1.3.2 Khổ thông thuyền: 41

3.2 THÀNH LẬP CÁC PHƯƠNG ÁN CẦU: 42

3.2.1 Xác định tổng chiều dài kết cấu nhịp: 42

3.2.2 Chọn và bố trí các nhịp cầu: 42

3.2.2.1 Xác định vị trí và khẩu độ nhịp chủ: 42

3.2.2.2 Chọn dạng và phân chia kết cấu nhịp: 43

3.2.3 Xây dựng đường mặt cầu: 44

3.2.4 Xây dựng đường đáy kết cấu nhịp: 44

3.2.5 Áp kết cấu nhịp vào mặt cắt sông: 44

3.2.6 Xác định chiều cao mố, trụ: 44

3.3 XÁC ĐỊNH KHỐI LƯỢNG CÔNG TRÌNH VÀ TỔNG MỨC ĐẦU TƯ: 45

3.4 THIẾT KẾ THẨM MỸ VÀ CẢNH QUAN: 45

3.5 SO SÁNH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN: 45

CHƯƠNG 4: 46

MẶT CẦU VÀ ĐƯỜNG NGƯỜI ĐI 46

4.1 CẤU TẠO MẶT CẦU: 46

4.1.1 Mặt cầu ôtô: 46

4.1.1.1 Mặt cầu bằng bêtông Atphalt: 46

4.1.1.2 Mặt cầu bằng bêtông ximăng: 47

4.1.1.3 Mặt cầu bằng thép: 48

4.1.2 Mặt cầu đường sắt: 50

4.1.2.1 Mặt cầu có máng đá balát: 50

4.1.2.2 Mặt cầu trần (tà vẹt đặt trực tiếp lên dầm): 51

4.1.2.3 Mặt cầu có ray đặt trực tiếp lên bản mặt cầu: 52

4.2 PHÒNG NƯỚC VÀ THOÁT NƯỚC TRÊN CẦU: 53

4.2.1 Độ dốc phòng nước trên cầu: 53

4.2.1.1 Độ dốc dọc cầu: 53

4.2.1.2 Độ dốc ngang cầu: 54

4.2.2 Ống thoát nước trên cầu: 55

4.2.2.1 Yêu cầu: 55

4.2.2.2 Cấu tạo ống thoát nước: 55

4.2.2.3 Nguyên tắc bố trí ống thoát nước: 57

4.3 KHE CO GIÃN TRÊN CẦU: 58

4.3.1 Vai trò của khe co giãn: 58

4.3.2 Yêu cầu đối với khe co giãn: 59

4.3.3 Các loại khe co giãn: 59

4.3.3.1 Khe co giãn hở: 59

4.3.3.2 Khe co giãn kín: 60

4.3.3.3 Khe co giãn cao su chịu nén: 60

4.3.3.4 Khe co giãn cao su bản thép: 61

4.3.3.5 Khe co giãn bản thép trượt: 61

4.3.3.6 Khe co giãn răng lược, răng cưa: 62

4.3.3.7 Khe co giãn môđun: 63

4.4 MẶT CẦU LIÊN TỤC NHIỆT ĐỘ: 64

4.4.1 Sự cần thiết bố trí mặt cầu liên tục nhiệt độ: 64

4.4.2 Cấu tạo mặt cầu liên tục nhiệt độ: 64

4.4.3 Đặc điểm làm việc: 65

4.4.4 Ưu, nhược điểm: 65

4.5 LỀ NGƯỜI ĐI VÀ LAN CAN: 65

4.5.1 Lề người đi: 65

4.5.2 Lan can: 66

4.6 NỐI TIẾP GIỮA ĐƯỜNG VÀ CẦU: 68

4.6.1 Yêu cầu nối tiếp từ đường vào cầu: 68

4.6.2 Nối tiếp giữa đường và cầu trên đường ôtô: 68

4.6.3 Nối tiếp giữa đường và cầu trên đường sắt: 70

CHƯƠNG 5: 71

KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MỐ TRỤ CẦU 71

5.1 KHÁI NIỆM CHUNG: 71

5.1.1 Đặc điểm chung: 71

5.1.2 Mố cầu: 71

5.1.3 Trụ cầu: 71

5.2 PHÂN LOẠI MỐ TRỤ CẦU: 72

5.2.1 Theo sơ đồ tĩnh học: 72

5.2.2 Theo độ cứng dọc cầu: 73

5.2.3 Theo vật liệu: 73

5.2.4 Theo phương pháp xây dựng: 73

5.2.5 Theo hình thức cấu tạo: 73

5.3 NGUYÊN TẮC XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC CB CỦA MỐ TRỤ CẦU: 73

5.3.1 Vị trí của mố trụ: 73

5.3.2 Cao độ đỉnh móng: 74

5.3.3 Cao độ đỉnh xà mũ mố trụ: 74

5.3.3.1 Cao độ đỉnh xà mũ trụ: 74

5.3.3.2 Cao độ đỉnh xà mũ mố: 75

5.3.4 Kích thước xà mũ mố trụ trên mặt bằng: 75

CHƯƠNG 6: 77

CẤU TẠO MỐ TRỤ CẦU DẦM 77

6.1 CẤU TẠO MỐ CẦU DẦM: 77

6.1.1 Vai trò và nhiệm vụ của mố cầu: 77

6.1.1.1 Vai trò của mố cầu: 77

6.1.1.2 Nhiệm vụ các bộ phận của mố cầu: 77

6.1.2 Sự phát triển của các loại mố cầu dầm: 78

6.1.2.1 Mố chữ nhật - quan niệm ban đầu về mố cầu: 78

6.1.2.2 Mố kê - một dạng hợp lý hơn của mố chữ nhật: 78

6.1.2.3 Mố chữ U - khoét bỏ vật liệu trong lòng mố: 79

6.1.2.4 Mố có tường cánh ngang, tường cánh xiên - xoay tường cánh mố chữ U: 80

6.1.2.5 Mố chữ T, chữ thập - khoét bỏ vật liệu hai bên: 81

6.1.2.6 Mố rỗng vòm dọc, vòm ngang - khoét rỗng ruột của mố: 81

6.1.2.7 Mố vùi - tường trước và tường cánh có cấu tạo thích hợp khi chôn vào trong đất: 82

6.1.2.8 Các dạng mố cầu có sơ đồ chịu lực thay đổi: 84

6.1.3 Cấu tạo mố cầu dầm toàn khối trên đường ôtô: 85

6.1.3.1 Mố chữ U: 85

6.1.3.2 Mố vùi: 90

6.2 CẤU TẠO TRỤ CẦU DẦM: 92

6.2.1 Các bộ phận của trụ cầu: 92

6.2.1.1 Xà mũ trụ: 93

6.2.1.2 Thân trụ: 93

6.2.1.3 Móng trụ: 94

6.2.2 Các loại trụ cầu: 94

6.2.2.1 Phân loại theo phương pháp thi công: 94

6.2.2.2 Phân loại theo hình thức cấu tạo: 97

6.3 CÁC DẠNG KẾT CẤU MỐ TRỤ KHÁC: 101

CHƯƠNG 7: 102

CƠ SỞ PHÂN TÍCH KẾT CẤU CẦU 102

7.1 KHÁI NIỆM VỀ ỨNG XỬ TẢI TRỌNG: 102

7.2 TẢI TRỌNG VÀ TÁC ĐỘNG: 102

7.2.1 Theo 22TCN18-79: 102

7.2.1.1 Các trạng thái giới hạn: 102

7.2.1.2 Tải trọng: 102

7.2.1.3 Tổ hợp tải trọng: 104

7.2.2 Theo 22TCN272-05: 105

7.2.2.1 Các trạng thái giới hạn: 105

7.2.2.2 Tải trọng và tổ hợp tải trọng: 105

7.3 CÁC MÔ HÌNH PHÂN TÍCH KẾT CẤU CẦU: 109

7.3.1 Nguyên tắc chung: 109

7.3.2 Phương pháp phân tích kết cấu theo mô hình không gian: 109

7.3.3 Phương pháp phân tích kết cấu theo mô hình phẳng: 110

7.4 MÔ HÌNH BÀI TOÁN PHẲNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN HỆ SỐ PHÂN BỐ TẢI TRỌNG: 111

7.4.1 Nguyên tắc tính toán: 111

7.4.2 Các nhóm phương pháp tính toán hệ số phân bố tải trọng: 111

7.4.2.1 Nhóm 1: Phương pháp dầm + mạng dầm: 111

7.4.2.2 Nhóm 2: Phương pháp thanh thành mỏng: 112

7.4.2.3 Nhóm 3: Phương pháp bản: 112

7.4.2.4 Nhóm 4: Phương pháp phần tử hữu hạn: 112

7.4.3 Phương pháp tính toán hệ số phân bố tải trọng theo 22TCN272-05: 112

7.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP MỚI TRONG PHÂN TÍCH KẾT CẤU CẦU: 112

CHƯƠNG 8: 113

TÍNH TOÁN MỐ TRỤ CẦU DẦM 113

8.1 CÁC LOẠI TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN MỐ TRỤ CẦU: 113

8.1.1 Tải trọng thường xuyên: 113

8.1.2 Tải trọng tức thời: 113

8.1.3 Tính toán một số loại tải trọng: 113

8.1.3.1 Áp lực ngang của đất (EH) và áp lực đất do hoạt tải (LS): 113

8.1.3.2 Lực ma sát âm (DD): 117

8.1.3.3 Hoạt tải xe ôtô (LL): 117

8.1.3.4 Lực hãm xe (BR): 118

8.1.3.5 Lực ma sát gối cầu (FR): 118

8.2 CÁC MẶT CẮT KIỂM TOÁN VÀ TỔ HỢP TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN TRỤ CẦU DẦM: 118

8.2.1 Các mặt cắt kiểm toán: 118

8.2.2 Tổ hợp tải trọng tác dụng lên trụ cầu dầm: 119

8.3 CÁC MẶT CẮT KIỂM TOÁN VÀ TỔ HỢP TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN MỐ CẦU DẦM: 120

8.3.1 Các mặt cắt kiểm toán: 120

8.3.2 Tổ hợp tải trọng tác dụng lên mố cầu dầm: 120

8.3.2.1 Nguyên tắc thành lập tổ hợp tải trọng: 120

8.3.2.2 Tổ hợp tải trọng I: Bất lợi ra sông 121

8.3.2.3 Tổ hợp tải trọng II: Bất lợi vào bờ .121

8.4 TÍNH DUYỆT MỐ TRỤ CẦU DẦM: 121

8.4.1 Tính duyệt theo TTGH cường độ: 121

8.4.1.1 Tính duyệt khả năng chịu uốn: 121

8.4.1.2 Tính duyệt khả năng chịu cắt: 123

8.4.1.3 Kiểm tra hàm lượng cốt thép tối thiểu: 123

8.4.1.4 Kiểm tra hàm lượng cốt thép tối đa: 123

8.4.1.5 Cự ly tối đa của cốt thép ngang: 124

8.4.2 Tính duyệt theo TTGH sử dụng: 124

CHƯƠNG 9: 125

GỐI CẦU 125

9.1 KHÁI NIỆM CHUNG: 125

9.1.1 Vai trò của gối cầu: 125

9.1.2 Nguyên tắc bố trí gối cầu: 125

9.1.2.1 Bố trí trên mặt chính: 125

9.1.2.2 Bố trí trên mặt bằng: 126

9.2 CẤU TẠO GỐI CẦU: 127

9.2.1 Gối cầu dầm BTCT: 127

9.2.1.1 Gối tiếp tuyến: 127

9.2.1.2 Gối con lăn: 128

9.2.1.3 Gối chậu: 129

9.2.1.4 Gối cao su bản thép: 129

9.2.2 Gối cầu dầm và dàn thép: 130 

- Công trình nhân tạo trên đường bao gồm:

+ Công trình vượt sông, suối, thung lũng,…: Cầu, hầm

là một kết cấu bất kỳ vượt khẩu độ không dưới 6m tạo thành một phần của một con đường

Hình 1.1a: Mô hình công trình cầu

Hình 1.1b: Cầu Bixby (Hoa kỳ) Hình 1.1c: Cầu Nanpu (Trung Quốc)

1.1.2 Các công trình thoát nước nhỏ:

- Đường tràn là công trình có mặt đường nằm sát cao độ đáy sông, vào mùa mưa nước chảy tràn qua mặt đường nhưng xe cộ vẫn đi lại được Có thể đặt cống bên dưới để thoát nước Áp dụng: Cho các dòng chảy có lưu lượng nhỏ, và có lũ xảy ra trong thời gian ngắn

Hình 1.2a: Mô hình đường tràn

Hình 1.2b: Công trình đường tràn trong thực tế

- Cầu tràn là công trình được thiết kế dành một lối thoát nước dưới đường, đủ để dòng chảy thông qua với một lưu lượng nhất định Khi vượt quá lưu lượng này, nước sẽ tràn qua đường Áp dụng: Cho những dòng chảy có lưu lượng nhỏ và trung bình tương đối kéo dài trong năm

Hình 1.3a: Mô hình cầu tràn

Hình 1.3b: Công trình cầu tràn trong thực tế

- Cống là công trình thoát nước chủ yếu qua các dòng nước nhỏ, có lưu lượng nhỏ (Q ≤

40 ÷ 50 m3/s) Quy định: Chiều dày lớp đất đắp trên đỉnh cống ≥ 0.5m để phân bố áp lực bánh xe và giảm lực xung kích

Hình 1.4a: Mô hình cống thoát nước qua đường

Hình 1.6b: Hầm Hải Vân (Việt Nam)

- Hầm vượt sông, eo biển: Khi vượt qua các sông lớn, các eo biển sâu, việc xây dựng trụ cầu khó khăn hoặc cầu quá cao, khi đó ta có thể làm hầm

Hình 1.7: Hầm Thủ Thiêm (Việt Nam)

- Hầm giao thông trong lòng đất: Trong các thành phố đông dân cư để đảm bảo giao thông nhanh chóng, có thể xây dựng các hầm cho người, xe cộ hoặc tàu điện đi qua

Hình 1.8a: Mô hình hầm giao thông trong lòng đất

Hình 1.8b: Công trình hầm giao thông trong lòng đất

Hình 1.8c: Mô hình xây dựng tàu điện ngầm ở Hà Nội trong tương lai

- Hầm vượt đường (hầm chui): Tại các nút giao ta có thể xây dựng hầm chui

Hình 1.9: Công trình hầm vượt đường

1.2 CÁC BỘ PHẬN VÀ CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA CẦU:

1.2.1 Các bộ phận của công trình cầu:

- Công trình cầu bao gồm: Cầu, đường dẫn vào cầu, các công trình điều chỉnh dòng chảy

và gia cố bờ sông

- Cầu bao gồm: Kết cấu phần trên và kết cấu phần dưới

+ Kết cấu phần trên: Kết cấu nhịp

Tác dụng: Tạo ra bề mặt cho xe chạy và cho người đi bộ trên cầu, đảm bảo xe chạy

êm thuận và an toàn trong quá trình chuyển động

+ Kết cấu phần dưới: Mố cầu, trụ cầu, nền móng

Tác dụng: Đỡ kết cấu phần trên và truyền tải trọng từ kết cấu phần trên xuống đất nền Kết cấu phần dưới thường chiếm (40÷60)% tổng giá thành xây dựng công trình

Hình 1.11: Các kích thước cơ bản của cầu

- Các chiều dài cầu:

+ Khẩu độ thoát nước dưới cầu (L0): Là khoảng cách tính từ mép trong mố bên này đến mép trong của mố bên kia Khẩu độ thoát nước dưới cầu được xác định trên cơ sở tính toán thủy văn dưới cầu theo tần suất thiết kế P%, đảm bảo sau khi xây dựng cầu không phát sinh ra hiện tượng xói chung và xói cục bộ quá lớn hoặc không tạo nên mực nước dềnh quá lớn trước cầu

+ Chiều dài nhịp (Lnh): Là khoảng cách tính từ đầu dầm bên này đến đầu dầm bên kia

+ Chiều dài nhịp tính toán (Ltt): Là chiều dài đoạn dầm mà tại đó biểu đồ mômen không đổi dấu

+ Chiều dài toàn cầu (Lcau): Là chiều dài tính từ đuôi mố bên này đến đuôi mố bên kia

• Lnh: Là chiều dài của một nhịp

• a: Khe hở giữa các đầu dầm

• Lmo: Chiều dài của mố cầu

- Các chiều cao thiết kế cầu:

+ Chiều cao tự do dưới cầu (H): Là khoảng cách tính từ đáy KCN đến MNCN

+ Chiều cao kiến trúc của cầu (Hkt): Là khoảng cách tính từ đáy KCN đến mặt đường

Mực nước cao nhất và mực nước thấp nhất được xác định theo các số liệu quan trắc thủy văn về mực nước lũ, được tính toán theo tần suất P% quy định đối với các cầu và đường khác nhau

+ Mực nước thông thuyền (MNTT): Là mực nước cao nhất cho phép tàu bè đi lại dưới cầu an toàn Dựa vào MNTT và chiều cao thông thuyền để xác định cao độ đáy dầm

Theo Tiêu chuẩn 22TCN18-79, tần suất thiết kế để tính MNCN, MNTN cho cầu vừa,

cầu lớn là 1%, MNTT là 5% Hiện nay theo Tiêu chuẩn 22TCN272-05 không quy định

¾ Xác định cao độ đáy dầm:

+ Đáy dầm tại mọi vị trí phải cao hơn MNCN ≥0.5m đối với sông đồng bằng và

≥1.0m đối với sông miền núi có đá lăn cây trôi (đường ôtô)

+ Tại những nơi khô cạn hoặc đối với cầu cạn, cầu vượt thì cao độ đáy dầm tại mọi vị trí phải cao hơn mặt đất tự nhiên ≥1.0m

+ Cao độ đáy dầm phải cao hơn hoặc bằng MNTT cộng với chiều cao thông thuyền + Đỉnh xà mũ của mố trụ phải cao hơn MNCN tối thiểu là 0.25m

1.3 PHÂN LOẠI CẦU:

1.3.1 Phân loại theo mục đích sử dụng:

Tùy theo mục đích sử dụng, có thể phân thành các loại cầu:

- Cầu ôtô: Là công trình cầu cho tất cả các phương tiện giao thông trên đường ôtô như: xe tải, xe gắn máy, xe thô sơ và đoàn người bộ hành,

- Cầu đường sắt: Được xây dựng dành riêng cho tàu hỏa

- Cầu đi bộ: Phục vụ dành riêng cho người đi bộ

- Cầu thành phố: Là cầu cho ô tô, tàu điện, người đi bộ,

- Cầu chạy chung: Là cầu cho cả ô tô, xe lửa, người đi bộ,

- Cầu đặc biệt: Là các cầu phục vụ cho các ống dẫn nước, ống dẫn khí,

1.3.2 Phân loại theo vật liệu làm kết cấu nhịp:

- Cầu gỗ

- Cầu đá

- Cầu bê tông

- Cầu bê tông cốt thép

- Cầu thép

1.3.3 Phân loại theo chướng ngại vật:

- Cầu thông thường (vượt sông): Là các công trình cầu được xây dựng vượt qua các dòng nước như: sông, suối, khe sâu,

Hình 1.12a: Mô hình cầu thông thường

Hình 1.12b: Công trình cầu thông thường

- Cầu vượt (cầu qua đường): Là các công trình cầu được thiết kế cho các nút giao nhau khác mức trên đường ôtô hoặc đường sắt

Hình 1.13a: Mô hình cầu vượt đường

Hình 1.13b: Công trình cầu vượt đường

- Cầu cạn: Là các công trình cầu được xây dựng ngay trên mặt đất để làm cầu dẫn vào cầu chính hoặc nâng cao độ tuyến đường lên để giải phóng không gian bên dưới

Hình 1.14a: Mô hình cầu cạn

Hình 1.14b: Công trình cầu cạn

- Cầu cao: Là các công trình cầu bắc qua thung lũng khe sâu, các trụ cầu có chiều cao >

20÷25 m, thậm chí đến hàng trăm mét

Hình 1.15a: Mô hình cầu cao

Hình 1.15b: Công trình cầu cao

- Cầu phao: Là các công trình cầu được xây dựng bằng hệ nổi nhằm phục vụ cho mục đích quân sự hoặc phục vụ giao thông trong một thời gian ngắn

Hình 1.16a: Mô hình cầu phao

Hình 1.16b: Công trình cầu phao

- Cầu mở: Cầu mở là cầu có 1 hoặc 2 nhịp sẽ được di động khỏi vị trí để tàu bè qua lại trong khoảng thời gian nhất định Có các loại cầu mở sau:

+ Cầu cất: KCN có thể mở về 1 phía hoặc 2 phía theo góc 700 ÷ 800 so với phương nằm ngang

Hình 1.17a: Mô hình cầu cất

Hình 1.17b: Công trình cầu cất

+ Cầu nâng: KCN được nâng hạ theo phương thẳng đứng

Hình 1.18a: Mô hình cầu nâng

Hình 1.18b: Công trình cầu nâng

+ Cầu quay: KCN quay trên mặt bằng một góc 900

Hình 1.19a: Mô hình cầu quay

Hình 1.19b: Công trình cầu quay

1.3.4 Phân loại theo cao độ đường xe chạy:

Tùy theo việc bố trí cao độ đường xe chạy, có thể phân thành:

- Cầu có đường xe chạy trên: Khi đường xe chạy đặt trên đỉnh kết cấu nhịp

Hình 1.20: Cầu có đường xe chạy trên

- Cầu có đường xe chạy dưới: Khi đường xe chạy bố trí dọc theo biên dưới KCN

Hình 1.21: Cầu có đường xe chạy dưới

- Cầu có đường xe chạy giữa: Khi đường xe chạy bố trí giữa phạm vi của KCN

Hình 1.22: Cầu có đường xe chạy giữa

1.3.5 Phân loại theo sơ đồ tĩnh học:

- Sơ đồ dầm giản đơn:

+ Phân bố nội lực: Biểu đồ momen chỉ

có dấu (+) và giá trị lớn nhất tại giữa nhịp

+ Phân bố vật liệu: Vật liệu tập trung

chủ yếu ở khu vực giữa nhịp do đó nội lực do

tĩnh tải lớn, dự trữ khả năng chịu hoạt tải kém

nên khả năng vượt nhịp thấp

Hình 1.23 Sơ đồ dầm giản đơn

• KCN cầu treo, cầu dây văng: L≈ 150 ÷ 450m

1.3.6 Phân loại theo sơ đồ cấu tạo:

- Cầu dầm:

+ Bộ phận chịu lực chủ yếu là dầm, làm việc chịu uốn

+ Dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng tại gối chỉ phát sinh phản lực thẳng đứng V

V V

Hình 1.27a Mô hình KCN cầu dầm

Hình 1.27b Công trình cầu dầm

- Cầu vòm:

+ Bộ phận chịu lực chủ yếu là vòm, vòm làm việc chịu nén và chịu uốn

+ Phản lực gối ở vòm (trong vòm không chốt) gồm có lực thẳng đứng V, momen uốn

M và lực đẩy ngang H

+ Nếu có thanh giằng để chịu lực đẩy ngang H thì phản lực gối của vòm sẽ chỉ gồm phản lực thẳng đứng V giống như cầu dầm Khi đó ta có hệ thống cầu dầm - vòm tổ hợp

V

V H

+ KCN cầu dàn thường áp dụng cho các cầu chịu tải trọng lớn như cầu đường sắt

Hình 1.29a: Mô hình KCN cầu dàn

Hình 1.29b: Công trình cầu dàn

- Cầu khung:

+ Trụ và dầm được liên kết cứng với

nhau để chịu lực

+ Phản lực gối gồm có phản lực thẳng

đứng V và lực đẩy ngang H, nếu chân khung

liên kết khớp thì sẽ không có momen M

+ Có thể phân cầu treo thành 2 loại:

Cầu treo dây võng (gọi tắt là cầu treo)

Cầu treo dây xiên (cầu dây văng)

• Cầu treo dây xiên (cầu dây văng): Đây là kết cấu dầm cứng tựa trên các gối cứng

là các gối cầu trên mố - trụ và trên các gối đàn hồi là các dây văng Dây văng neo vào dầm cứng biến thành một hệ không có lực đẩy ngang

Hình 1.31a: Mô hình KCN cầu dây văng

Hình 1.31b: Công trình cầu dây văng

• Cầu treo dây võng (cầu treo): Trong cầu treo, dây làm việc chủ yếu chịu kéo và tại chỗ neo cáp có phản lực thẳng đứng (lực nhổ) và phản lực ngang rất lớn do đó trong kết cấu nhịp cầu treo tại vị trí mố ta phải cấu tạo hố neo rất lớn và rất phức tạp

Hình 1.32b: Công trình cầu treo dây võng

1.4 CÁC YÊU CẦU CƠ BẢN ĐỐI VỚI CẦU:

1.4.1 Yêu cầu về mặt xây dựng và khai thác:

- Đảm bảo xe chạy thuận tiện, an toàn và không bị giảm tốc độ trên tuyến đường

- Chiều rộng đường xe chạy phải phù hợp với lưu lượng và loại xe tính toán Mặt cầu tốt, bằng phẳng, đủ độ nhám và thoát nước nhanh chóng

- Sơ đồ cầu, chiều dài nhịp và chiều dài cầu phải đảm bảo khẩu độ thoát nước yêu cầu, tàu bè đi lại dưới sông thuận lợi và an toàn

- Kết cấu cầu phải đảm bảo khả năng thi công, phù hợp với các công nghệ thi công Cầu phải có kết cấu hiện đại, đảm bảo tính công nghiệp hóa trong chế tạo và xây dựng Đồng thời kết cấu phải có đủ độ bền, độ cứng, độ ổn định của toàn cầu và của từng bộ phận

1.4.2 Yêu cầu về mặt kinh tế:

- Đảm bảo chi phí thiết bị, vật liệu rẻ nhất, giảm sức lao động, giảm giá thành xây dựng đến mức tối đa

- Khi tính giá thành của công trình cầu, phải xét đến giá thành duy tu, sửa chữa; đồng thới phải tính đến sự phát triển của nền kinh tế quốc dân khi lựa chọn các phương án cầu

1.4.3 Yêu cầu về mặt mỹ quan:

Cầu phải có hình dáng đẹp, phù hợp với quang cảnh địa phương đặc biệt là các công trình nằm trong thành phố hoặc các khu danh lam thắng cảnh, di tích lịch sử

1.4.4 Yêu cầu về mặt an ninh quốc phòng:

Ngoài mục đích giao thông còn phải xét đến tính thiết thực cho các hoạt động an ninh quốc phòng Khi có chiến tranh bất chợt xảy ra thì các cây cầu có thể chuyển sang phục vụ cho các loại xe đặc chủng của quân đội

1.5 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN NGÀNH XÂY DỰNG CẦU: 1.5.1 Sơ lược lịch sử phát triển ngành xây dựng cầu:

1.5.1.1 Cầu gỗ:

- Cầu gỗ là loại cầu được xây dựng lâu đời nhất

- Gỗ là loại vật liệu tự nhiên tương đối tốt, tuy nhiên khi dùng trong xây dựng cầu thì phải chọn loại gỗ tốt như lim, gụ, sến, táu… và phải có biện pháp phòng mục

- Cầu gỗ có thới gian sử dụng ngắn, khả năng vượt nhịp không lớn lắm (L≈ 30÷50m)

- Hiện nay chỉ còn sử dụng ở miền rừng, đường lâm nghiệp và các cầu tạm hoặc đà giáo phục vụ thi công

Hình 1.33: Cầu gỗ

1.5.1.2 Cầu đá:

- Được xây dựng từ hàng ngàn năm về trước, đến ngày nay vẫn tồn tại và sử dụng được

- Hầu hết cầu đá được xây dựng theo dạng cầu vòm để phù hợp với tính chất chịu nén của

đá

- Cầu vòm đá có thể vượt khẩu độ nhịp đến 100m

- Cầu đá xây dựng khó khăn nên ít có khả năng xây dựng công nghiệp hoá

- Hiện nay chỉ áp dụng ở các vùng miền núi, nơi có thể khai thác đá trực tiếp tại chỗ hoặc

để làm các công trình kiến trúc nghệ thuật ở những danh lam thắng cảnh

Hình 1.34: Cầu đá

1.5.1.3 Cầu thép:

- Cầu thép xuất hiện vào nửa cuối của thế kỷ 19

- Cầu kim loại đầu tiên được làm bằng gang, tiếp đến là sự ra đời của cầu treo dây xích

- Để vượt qua các sông rất lớn với nhịp rất lớn, người ta dùng cầu thép

- Ưu điểm nổi bật của cầu thép là hoàn toàn công nghiệp hoá chế tạo và lắp ráp, dễ dàng lắp ráp bằng phương pháp hẫng do đó dễ xây dựng qua sông sâu, thung lũng sâu và qua sông có nhiều tàu bè đi lại

- Nhược điểm của cầu thép là gỉ, do đó tốn công bảo dưỡng

- Sự ra đời và phát triển của cầu vòm và cầu dây văng đang là bước tiến mới của cầu thép

Hình 1.35: Cầu thép

1.5.1.4 Cầu bêtông cốt thép:

- Cuối thế kỷ 19, trong xây dựng cầu đã sử dụng một loại vật liệu mới là BTCT

- Trong giai đoạn đầu, các cầu BTCT thường có dạng cầu bản, dầm và vòm có khẩu độ nhỏ hơn 30m

- Đến những năm 30 của thế kỷ 20, sau khi kỹ sư Freyssinet nghiên cứu thành công BTCT ứng suất trước thì cầu BTCT bắt đầu phát triển mạnh mẽ

- Sau đại chiến thế giới lần thứ 2, các kết cấu nhịp lắp ghép, kết cấu bán lắp ghép bằng BTCT DƯL được sử dụng hàng loạt

- Hiện nay, cầu BTCT ngày càng được phát triển mở ra kỷ nguyên mới trong việc sử dụng KCN BTCT thay thế cho KCN cầu thép Cầu BTCT đã vượt được khẩu độ đến 200÷300m và sự hình thành các kết cấu liên hợp như dàn - dây, dầm - dây, … chắc chắn sẽ xuất hiện những cây cầu có khẩu độ nhịp lớn hơn 400÷500m

Hình 1.36: Cầu bêtông cốt thép

¾ Lịch sử phát triển ngành cầu Việt Nam:

- So với các nước trên thế giới, ngành xây dựng cầu Việt Nam vẫn còn non trẻ Trước cách mạng tháng 8, trên các tuyến đường ôtô chủ yếu có các cầu BTCT nhịp nhỏ từ 3 - 20m, khổ hẹp, một làn xe, tải trọng nhỏ thuộc các hệ thống cầu bản, dầm giản đơn, dầm hẫng, khung Thời kỳ này cũng có một số cầu thép lớn vượt qua các sông lớn như cầu Đuống, cầu Ninh Bình, cầu Lai Vu, cầu Long Biên cho đường sắt và ôtô đi chung, …, trong đó cầu Long Biên có nhịp lớn nhất gần 130m, chiều dài toàn cầu gần 3km Trong thời kỳ kháng chiến chống thực dân Pháp phần lớn các cầu đã bị phá hoại Từ sau hòa bình lập lại (1954), một loạt các cầu mới trên đường sắt và ôtô đã được xây dựng Cầu thép có: Cầu Hàm Rồng (Thanh Hóa), cầu Làng Giàng, cầu Việt Trì; cầu BTCT thường có: Cầu Đoan Vĩ, cầu Bùng, cầu Giẽ; cầu BTCTDUL có: Cầu Phủ Lỗ, cầu Cửa Tiền, … nhưng các cầu này đến năm

1964 - 1972 lại bị đế quốc Mỹ ném bom phá hoại

- Từ năm 1975 đến nay chúng ta đã xây dựng

hàng loạt các cầu mới trên tuyến đường sắt và ôtô

Sau đây là một số cầu điển hình:

+ Cầu Thăng Long qua sông Hồng cho

đường sắt và ôtô được xây dựng xong năm 1982,

các nhịp chính là dàn thép liên tục, nhịp lớn nhất

112m, cầu dẫn là các nhịp dầm giản đơn

BTCTDUL nhịp 33m, chiều dài toàn cầu 1680m Hình 1.37: Cầu Thăng Long (Hà Nội)

+ Cầu Chương Dương qua sông Hồng (1985), có các nhịp chính là dàn thép, nhịp lớn nhất 97.6m, chiều dài toàn cầu 1211m

+ Cầu Đò Quan (Nam Định), năm 1994, nhịp chính là dầm thép liên hợp bản BTCT, liên tục, có sơ đồ 42 + 63 + 42 (m)

Hình 1.38: Cầu Chương Dương (Hà Nội) Hình 1.39: Cầu Đò Quan (Nam Định)

+ Cầu Phú Lương (Hải Dương), năm 1996, cầu khung dầm BTCTDUL, thi công bằng phương pháp đúc hẫng, nhịp lớn nhất 102m

+ Cầu Sông Gianh (Quảng Bình), năm 1998, dầm liên tục BTCTDUL có nhịp lớn nhất 120m

+ Cầu Hoàng Long (Thanh Hóa), cầu khung dầm BTCTDUL có nhịp lớn nhất 130m

+ Cầu Hiền Lương (Quảng Trị), năm 1999, sơ đồ 30.75 + (4x42) + 30.75 (m) + Hàng loạt các cầu dây văng đã được xây dựng như: Cầu Đakrông (Quảng Trị), cầu quay Sông Hàn (Đà Nẵng), cầu Mỹ Thuận (Vĩnh Long), cầu Bính (Hải Phòng), cầu Bãi Cháy (Quảng Ninh), cầu Cần Thơ, …

1.5.2 Một số xu hướng phát triển khoa học kỹ thuật trong ngành xây dựng cầu:

Các kết cấu hợp lý sẽ được áp dụng chủ yếu trong xây dựng cầu như:

- Kết cấu thép - BTCT liên hợp, BTCT DƯL, …

- Kết cấu có sử dụng bản trực hướng, tiết diện hình hộp, …

- Cầu dây văng và cầu khung dầm liên tục BTCT DƯL, …

1.5.2.3 Về công nghệ thi công:

- Sử dụng các phương tiện vận chuyển và lao lắp có năng lực lớn

- Áp dụng nhanh chóng các công nghệ thi công tiên tiến như: Đúc đẩy, đúc hẫng, lắp hẫng, đúc trên đà giáo di động, …

CHƯƠNG 2:

CÁC CĂN CỨ CƠ BẢN VÀ ĐIỀU KIỆN ĐỂ THIẾT KẾ CẦU 2.1 CÁC GIAI ĐOẠN ĐẦU TƯ XÂY DỰNG VÀ CÁC BƯỚC THIẾT KẾ:

Tham khảo Nghị định số 12/2009/NĐ-CP ngày 10/02/2009 của Chính phủ

2.1.1 Các giai đoạn đầu tư xây dựng:

Khái niệm dự án đầu tư (DAĐT): Là một tập hợp các đề xuất về khả năng, tài chính, kinh

tế và xã hội, làm sơ sở cho việc quyết định bỏ vốn xây dựng công trình

Ở nước ta, phân loại theo quy mô và tính chất thì DAĐT xây dựng công trình được chia thành các nhóm sau: Dự án quan trọng quốc gia do Quốc hội xem xét quyết định về chủ trương đầu tư, các dự án còn lại được chia thành 3 nhóm A, B, C (Đối với công trình xây dựng cầu đường có tổng mức đầu tư lớn hơn 1500 tỷ đồng thuộc nhóm A, từ 75 tỷ đồng đến

1500 tỷ đồng thuộc nhóm B, dưới 75 tỷ đồng thuộc nhóm C)

Để có một công trình xây dựng nói chung và công trình cầu đường nói riêng cần trải qua

3 giai đoạn: Chuẩn bị đầu tư, thực hiện đầu tư và kết thúc xây dựng đưa công trình vào khai thác sử dụng

2.1.1.1 Chuẩn bị đầu tư:

Nội dung công tác chuẩn bị đầu tư gồm:

- Lập báo cáo đầu tư xây dựng công trình và xin phép đầu tư (chỉ áp dụng đối với các

dự án quan trọng quốc gia do Quốc hội thông qua chủ trương và cho phép đầu tư)

- Lập dự án đầu tư xây dựng công trình (đối với công trình có tổng mức đầu tư xây dựng dưới 15 tỷ đồng thì không cần qua bước lập dự án đầu tư, chỉ cần lập báo cáo kinh tế -

kỹ thuật xây dựng công trình để trình người quyết định đầu tư phê duyệt)

- Thẩm định dự án để quyết định đầu tư

a Nội dung của báo cáo đầu tư xây dựng công trình (báo cáo nghiên cứu tiền khả thi) bao gồm:

- Sự cần thiết phải đầu tư xây dựng công trình, các điều kiện thuận lợi và khó khăn; chế độ khai thác và sử dụng tài nguyên quốc gia nếu có

- Dự kiến quy mô đầu tư: Công suất, diện tích xây dựng; các hạng mục công trình thuộc dự án; dự kiến về địa điểm xây dựng công trình và nhu cầu sử dụng đất

- Phân tích, lựa chọn sơ bộ về công nghệ, thông số kỹ thuật; các điều kiện cung cấp vật

tư thiết bị, nguyên liệu, năng lượng, dịch vụ, hạ tầng kỹ thuật; phương án giải phóng mặt bằng, tái định cư nếu có; các ảnh hưởng của dự án đối với môi trường sinh thái, phòng chống cháy nổ, an ninh quốc phòng

- Hình thức đầu tư, xác định sơ bộ tổng mức đầu tư, thời hạn thực hiện dự án, phương

án huy động vốn theo tiến độ và hiệu quả kinh tế - xã hội của dự án và phân kỳ đầu tư nếu

có

b Xin phép đầu tư xây dựng công trình:

- Chủ đầu tư có trách nhiệm gửi báo cáo đầu tư xây dựng công trình tới Bộ quản lý ngành Bộ quản lý ngành là cơ quan đầu mối giúp thủ tướng chính phủ lấy ý kiến của Bộ, ngành, địa phương liên quan, tổng hợp và đề xuất ý kiến trình thủ tướng chính phủ

- Thời hạn lấy ý kiến được quy định như sau: Trong vòng 5 ngày làm việc kể từ ngày nhận được báo cáo đầu tư xây dựng công trình, Bộ quản lý ngành phải gửi văn bản lấy ý kiến đến các Bộ ngành, địa phương có liên quan Trong vòng 30 ngày làm việc kể từ khi nhận được đề nghị, các cơ quan được hỏi ý kiến phải có văn bản trả lời về những nội dung thuộc phạm vi quản lý của mình Trong vòng 7 ngày sau khi nhận được văn bản trả lời theo thời hạn trên, Bộ quản lý ngành phải lập báo cáo để trình thủ tướng chính phủ

c Nội dung dự án đầu tư xây dựng công trình (báo cáo nghiên cứu khả thi) bao gồm:

Dự án đầu tư cần phải bao gồm 2 phần: Phần thuyết minh dự án và phần thiết kế cơ sở

- Nội dung phần thuyết minh của dự án:

+ Sự cần thiết và mục tiêu đầu tư; đánh giá nhu cầu thị trường, tiêu thụ sản phẩm đối với

dự án sản xuất, kinh doanh; tính cạnh tranh của sản phẩm; tác động xã hội đối với địa phương, khu vực (nếu có); hình thức đầu tư xây dựng công trình; địa điểm xây dựng, nhu cầu sử dụng đất; điều kiện cung cấp nguyên liệu, nhiên liệu và các yếu tố đầu vào khác

+ Mô tả về quy mô và diện tích xây dựng công trình, các hạng mục công trình thuộc dự án; phân tích lựa chọn phương án kỹ thuật, công nghệ và công suất

+ Các giải pháp thực hiện bao gồm:

• Phương án chung về giải phóng mặt bằng, tái định cư và phương án hỗ trợ xây dựng hạ tầng kỹ thuật nếu có

• Các phương án thiết kế kiến trúc đối với công trình trong đô thị và công trình có yêu cầu kiến trúc

• Phương án khai thác dự án và sử dụng lao động

• Phân đoạn thực hiện, tiến độ thực hiện và hình thức quản lý dự án

+ Đánh giá tác động môi trường, các giải pháp phòng cháy, chữa cháy và các yêu cầu

về an ninh, quốc phòng

+ Tổng mức đầu tư của dự án; khả năng thu xếp vốn, nguồn vốn và khả năng cấp vốn theo tiến độ; phương án hoàn trả vốn đối với dự án có yêu cầu thu hồi vốn và phân tích đánh giá hiệu quả kinh tế - tài chính, hiệu quả xã hội của dự án

- Nội dung phần thiết kế cơ sở:

+ Thiết kế cơ sở là thiết kế được thực hiện trong giai đoạn lập Dự án đầu tư xây dựng công trình trên cơ sở phương án thiết kế được lựa chọn, bảo đảm thể hiện được các thông số

kỹ thuật chủ yếu phù hợp với các quy chuẩn, tiêu chuẩn được áp dụng, là căn cứ để triển khai các bước thiết kế tiếp theo

Nội dung thiết kế cơ sở bao gồm phần thuyết minh và phần bản vẽ

+ Phần thuyết minh thiết kế cơ sở bao gồm các nội dung:

• Giới thiệu tóm tắt địa điểm xây dựng, phương án thiết kế; tổng mặt bằng công trình, hoặc phương án tuyến công trình đối với công trình xây dựng theo tuyến; vị trí, quy mô xây dựng các hạng mục công trình; việc kết nối giữa các hạng mục công trình thuộc dự án và với hạ tầng kỹ thuật của khu vực

• Phương án công nghệ, dây chuyền công nghệ đối với công trình có yêu cầu công nghệ

• Phương án kiến trúc đối với công trình có yêu cầu kiến trúc

• Phương án kết cấu chính, hệ thống kỹ thuật, hạ tầng kỹ thuật chủ yếu của công trình

• Phương án bảo vệ môi trường, phòng cháy, chữa cháy theo quy định của pháp luật

• Danh mục các quy chuẩn, tiêu chuẩn chủ yếu được áp dụng

+ Phần bản vẽ thiết kế cơ sở bao gồm:

• Bản vẽ tổng mặt bằng công trình hoặc bản vẽ bình đồ phương án tuyến công trình đối với công trình xây dựng theo tuyến

• Sơ đồ công nghệ, bản vẽ dây chuyền công nghệ đối với công trình có yêu cầu công nghệ

• Bản vẽ phương án kiến trúc đối với công trình có yêu cầu kiến trúc

• Bản vẽ phương án kết cấu chính, hệ thống kỹ thuật, hạ tầng kỹ thuật chủ yếu của công trình, kết nối với hạ tầng kỹ thuật của khu vực

d Nội dung báo cáo kinh tế - kỹ thuật xây dựng công trình bao gồm:

- Phần thuyết minh của báo cáo: Tương tự như phần thuyết minh của lập dự án đầu tư nhưng rõ ràng chi tiết hơn, đủ cơ sở để lập dự toán chi tiết cho công trình

- Phần thiết kế bản vẽ thi công: Bao gồm tất cả các bản vẽ tổng thể và cấu tạo chi tiết của công trình, đủ cơ sở để thống kê khối lượng nhằm lặp dự toán chi tiết cho công trình Đồng thời phần thiết kế bản vẽ thi công phải rõ ràng để làm căn cứ cho việc thi công và hoàn chỉnh công trình

e Thẩm định dự án để quyết định đầu tư:

Các báo cáo trên đều phải được thẩm định, sau đó sẽ được cấp có thẩm quyền cấp quyết định và giấy phép đầu tư

2.1.1.2 Thực hiện đầu tư:

- Giao nhận đất, chuẩn bị mặt bằng xây dựng

- Tuyển chọn tư vấn xây dựng để khảo sát, thiết kế, giám định khả năng và chất lượng công trình

- Thẩm định, duyệt thiết kế kỹ thuật và tổng dự toán

- Tổ chức đấu thầu về mua sắm thiết bị và thi công xây lắp

- Xin giấy phép xây dựng

- Ký kết hợp đồng với nhà thầu để thực hiện dự án

- Thi công xây lắp công trình

- Theo dõi kiểm tra việc thực hiện các hợp đồng

- Quyết toán vốn đầu tư xây dựng sau khi hoàn thành xây lắp đưa dự án vào khai thác

2.1.1.3 Kết thúc xây dựng đưa công trình vào khai thác sử dụng:

Nội dung công việc bao gồm:

- Thiết kế xây dựng công trình bao gồm các bước: Thiết kế cơ sở, thiết kế kỹ thuật, thiết

kế bản vẽ thi công và các bước thiết kế khác theo thông lệ quốc tế do người quyết định đầu

tư quyết định khi phê duyệt dự án

+ Thiết kế cơ sở là thiết kế được thực hiện trong giai đoạn lập dự án đầu tư xây dựng công trình trên cơ sở phương án thiết kế được lựa chọn, bảo đảm thể hiện được các thông số

kỹ thuật chủ yếu phù hợp với các quy chuẩn, tiêu chuẩn được áp dụng, là căn cứ để triển khai các bước thiết kế tiếp theo

+ Thiết kế kỹ thuật là thiết kế được thực hiện trên cơ sở thiết kế cơ sở trong dự án đầu tư xây dựng công trình được phê duyệt, bảo đảm thể hiện được đầy đủ các thông số kỹ thuật và vật liệu sử dụng phù hợp với các quy chuẩn, tiêu chuẩn được áp dụng, là căn cứ để triển khai bước thiết kế bản vẽ thi công

+ Thiết kế bản vẽ thi công là thiết kế bảo đảm thể hiện được đầy đủ các thông số kỹ thuật, vật liệu sử dụng và chi tiết cấu tạo phù hợp với các quy chuẩn, tiêu chuẩn được áp dụng, đảm bảo đủ điều kiện để triển khai thi công xây dựng công trình

- Dự án đầu tư xây dựng công trình có thể gồm một hoặc nhiều loại công trình với một hoặc nhiều cấp công trình khác nhau Tùy theo quy mô, tính chất của công trình cụ thể, việc thiết kế xây dựng công trình được thực hiện một bước, hai bước hoặc ba bước như sau: + Thiết kế một bước là thiết kế bản vẽ thi công được áp dụng đối với công trình chỉ lập Báo cáo kinh tế - kỹ thuật xây dựng công trình Trường hợp này, bước thiết kế cơ sở, bước thiết kế kỹ thuật và bước thiết kế bản vẽ thi công được gộp thành một bước và gọi là thiết kế bản vẽ thi công

Đối với trường hợp thiết kế một bước, có thể sử dụng thiết kế mẫu, thiết kế điển hình

do cơ quan nhà nước có thẩm quyền ban hành để triển khai thiết kế bản vẽ thi công

+ Thiết kế hai bước bao gồm bước thiết kế cơ sở và bước thiết kế bản vẽ thi công được

áp dụng đối với công trình quy định phải lập dự án trừ các công trình được quy định thiết kế một bước, ba bước Trường hợp này, bước thiết kế kỹ thuật và bước thiết kế bản vẽ thi công được gộp thành một bước và gọi là bước thiết kế bản vẽ thi công

+ Thiết kế ba bước bao gồm bước thiết kế cơ sở, bước thiết kế kỹ thuật và bước thiết

kế bản vẽ thi công được áp dụng đối với công trình quy định phải lập dự án Tùy theo mức

độ phức tạp của công trình, việc thực hiện thiết kế ba bước do người quyết định đầu tư quyết định

Trường hợp thực hiện thiết kế hai bước hoặc ba bước thì thiết kế bước tiếp theo phải phù hợp với thiết kế bước trước đã được phê duyệt

- Chủ đầu tư có trách nhiệm tổ chức lập thiết kế xây dựng công trình, trường hợp chủ đầu

tư có đủ năng lực thì được tự thiết kế, trường hợp chủ đầu tư không có đủ năng lực thì thuê

tổ chức tư vấn thiết kế Riêng đối với trường hợp thiết kế ba bước thì nhà thầu thi công có thể được giao lập thiết kế bản vẽ thi công khi có đủ điều kiện năng lực theo quy định

2.2 TRIẾT LÝ THIẾT KẾ:

- Trong thiết kế, các kỹ sư phải kiểm tra độ an toàn và ổn định của phương án đã được chọn Công tác thiết kế bao gồm việc tính toán nhằm chứng minh mọi tiêu chuẩn tính toán

và cấu tạo đều được thỏa mãn

- Triết lý tính toán thiết kế là các quan niệm về ứng xử của kết cấu và sự làm việc an toàn của nó Đồng thời xác lập điều kiện, phương thức để đảm bảo điều kiện an toàn cho kết cấu trong quá trình khai thác

- Nguyên tắc chung: Khi có tải trọng tác động vào kết cấu, nó sẽ gây ra một hiệu ứng trong kết cấu và hiệu ứng đó không được lớn hơn khả năng chịu lực của kết cấu

TÁC ĐỘNG TRÊN KẾT CẤU ≤ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA KẾT CẤU

DO TẢI TRỌNG GÂY RA DO BẢN THÂN VẬT LIỆU

VÀ CẤU TẠO CỦA KẾT CẤU

- Quan hệ của bất đẳng thức này phải được xét trên mọi bộ phận và vật liệu của kết cấu

2.2.1 Phương pháp thiết kế theo ứng suất cho phép: (ASD - Allowance stress design)

- Phương trình cơ bản: Trong phương pháp này, người ta nhìn nhận ứng xử của kết cấu thông qua ứng suất của một điểm đại diện:

σmax ≤ [ ]σ với σ

σ = [ ] gh

k

Trong đó:

+ σmax: Ứng suất tiêu chuẩn (không hệ số) lớn nhất trong bộ phận kết cấu do tải trọng gây ra

+ [σ]: Ứng suất lớn nhất cho phép xuất hiện trong bộ phận kết cấu

+ σgh: Cường độ của vật liệu

+ k: Hệ số an toàn (k>1)

- Đặc điểm của phương pháp:

+ Ưu điểm:

• Tính toán đơn giản, cho phép tính toán nhanh chóng và tiện dụng

• Đảm bảo an toàn chịu lực cho các bộ phận kết cấu

+ Nhược điểm:

• Không áp dụng được cho vật liệu làm việc ngoài giới hạn đàn hồi, do đó không tận dụng được hết khả năng chịu lực của các bộ phận kết cấu và gây lãng phí vật liệu

• Không xét đến tính làm việc thực tế của kết cấu

• Việc xác định hệ số an toàn thiếu sự phân tích cụ thể

2.2.2 Phương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng: (LFD - Load factor design)

- Phương trình cơ bản: Trong phương pháp này, sự làm việc của kết cấu được đánh giá thông qua một mặt cắt đại diện:

≤

S S với [ ] = S gh

S k

Trong đó:

+ Smax: Nội lực lớn nhất do tải trọng gây ra tại mặt cắt bất lợi

+ [S]: Khả năng chịu lực lớn nhất cho phép của mặt cắt bất lợi

+Sgh: Khả năng chịu lực lớn nhất của mặt cắt

• Việc xác định hệ số an toàn chủ yếu dựa vào kinh nghiệm

2.2.3 Phương pháp thiết kế theo trạng thái giới hạn (LSD - Limit state design):

- Trạng thái giới hạn (TTGH) là trạng thái mà ở đó công trình bị hỏng hoàn toàn hoặc không thể sử dụng bình thường được nữa

- Quy trình thiết kế cầu cống của Liên Xô (cũ) CH200-62, ban hành năm 1962, sau này

Bộ Giao thông vận tải nước ta dựa trên quy trình này để biên soạn Quy trình thiết kế cầu cống theo TTGH ký hiệu 22TCN18-79 như sau:

• Ni: Nội lực trong kết cấu do tải trọng tiêu chuẩn gây ra

• φ: Hàm số xác định mỗi TTGH của kết cấu

• m: Hệ số điều kiện làm việc

• k1, k2,…: Hệ số đồng nhất vật liệu

• R1tc, R2tc,…: Cường độ tiêu chuẩn của vật liệu

• F0: Đặc trưng hình học của kết cấu

+ Các TTGH:

• TTGH thứ nhất: Là TTGH mà kết cấu không còn đủ khả năng chịu lực hoặc xuất hiện các biến dạng dẻo lớn, nhằm đảm bảo về mặt chịu lực cho công trình (về cường độ, ổn định và độ chịu mỏi)

• TTGH thứ hai: Là TTGH mà kết cấu bị phát sinh các biến dạng dư quá lớn như dao động, chuyển vị, lún, … gây khó khăn cho việc sử dụng bình thường

• TTGH thứ ba: Là TTGH mà tiết diện kết cấu bị xuất hiện các vết nứt lớn gây khó khăn cho việc sử dụng bình thường

+ Khi tính toán theo các TTGH trong 22TCN18-79, để thay thế cho hệ số an toàn duy nhất trong phương pháp ứng suất cho phép, đã dùng các hệ số tính toán sau:

• Hệ số tải trọng (n): Xét đến những sai lệch có thể xảy ra theo chiều hướng bất lợi

so với các trị số tiêu chuẩn của chúng trong các tổ hợp tải trọng và tác động khác nhau

• Hệ số đồng nhất (k): Xét khả năng giảm thấp cường độ của vật liệu và đất so với trị số tiêu chuẩn do những thay đổi về tính chất cơ học và tính không đồng nhất của chúng

• Hệ số điều kiện làm việc (m): Phản ánh sự chưa phù hợp của tính toán lý thuyết với điều kiện làm việc thực tế của kết cấu

2.2.4 Phương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD - Load and resistance factor design):

- Phương trình cơ bản: Trong thiết kế, để đảm bảo an toàn công trình thì khả năng chịu

lực của vật liệu và tiết diện (sức kháng) phải lớn hơn nội lực gây ra do tải trọng:

- Hệ số sức kháng φ : Đối với một TTGH nào đó thì hệ số sức kháng được sử dụng để xét

đến tính thất thường trong tính chất của kết cấu, của vật liệu và độ chính xác của các phương trình thiết kế đánh giá khả năng chịu tải, tình huống hư hỏng của công trình

- Hệ số tải trọng γ i : Áp dụng đối với các loại tải trọng, để xét đến tính thất thường của

các tải trọng và hiệu ứng tải như độ lớn của tải trọng, vị trí tải, tổ hợp tải trọng

- Hệ số điều chỉnh tải trọng η i :

+ ηi = ηD.ηR.ηI ≥0.95 đối với các tải trọng dùng hệ số tải trọng γimax

+ ηi =

I R

η .

1 ≤1.0 đối với các tải trọng dùng hệ số tải trọng γimin

Trong đó:

+ ηD: Độ dẻo: Độ dẻo của vật liệu rất quan trọng cho độ an toàn của cầu Nếu vật liệu

dẻo, khi một bộ phận chịu lực quá tải nó sẽ phân bố nội lực sang bộ phận khác

1 ηD ≥1.05 cho các cấu kiện và liên kết không dẻo

2 ηD =1.0 cho các thiết kế thông thường, theo đúng yêu cầu của tiêu chuẩn thiết kế

3 ηD ≥0.95 cho các cấu kiện có dùng các biện pháp để tăng thêm tính dẻo

+ ηR: Độ dư thừa: Độ dư thừa có ý nghĩa đối với giới hạn an toàn của cầu Một số kết

cấu siêu tĩnh được coi là dư thừa vì nó có nhiều liên kết hơn so với yêu cầu cân bằng tĩnh định Hệ cầu có một đường tiếp đất được coi là không dư thừa (không nên dùng loại này) Trong trạng thái giới hạn cường độ (TTGH cường độ)

1 ηR≥1.05 cho các bộ phận không dư thừa

2 ηR=1.0 cho các mức dư thừa thông thường

3 ηR≥0.95 cho các mức dư thừa đặc biệt

+ ηI: Độ quan trọng:

Dùng trong các TTGH cường độ và TTGH đặc biệt

1 ηI≥1.05 cho các cầu quan trọng

2 ηI=1.0 cho các cầu điển hình

3 ηI ≥0.95 cho các cầu tương đối ít quan trọng

- Đặc điểm của phương pháp:

+ Ưu điểm:

• Đã xét đến sự khác nhau giữa tải trọng và sức kháng

• Đạt được mức độ an toàn tương đối đồng đều đối với các TTGH khác nhau và các loại cầu mà không cần đến phân tích thống kê hoặc xác suất phức tạp

• Là một phương pháp thiết kế thích hợp và ổn định

+ Nhược điểm:

• Thay đổi tư duy thiết kế (so với AASHTO cũ)

• Yêu cầu hiểu biết cơ bản về lý thuyết xác suất và thống kê

• Yêu cầu có các số liệu thống kê đầy đủ và các thuật toán thiết kế xác suất để có thể chỉnh lý hệ số sức kháng trong từng trường hợp riêng

2.3 CÁC TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ CẦU HIỆN HÀNH:

Mỗi một dự án đều phải tuân thủ theo các quy trình thiết kế, hiện nay nước ta tồn tại song hành hai quy trình thiết kế:

+ Quy trình tính toán thiết kế cầu cống theo các trạng thái giới hạn do Bộ GTVT ban hành năm 1979:

22TCN 18 - 79 + Quy trình theo hệ số tải trọng và sức kháng (Quy trình AASHTO 98):

22TCN 272 - 05

CHƯƠNG 3:

THIẾT KẾ CÁC PHƯƠNG ÁN CẦU 3.1 CÁC CĂN CỨ LẬP PHƯƠNG ÁN CẦU:

3.1.1 Khái niệm chung:

Việc thiết kế và lựa chọn phương án cầu là một bài toán tổng thể nhiều mặt: Kỹ thuật công nghệ, quy hoạch, môi trường, kinh tế Các phương án cầu nêu ra phải thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật, kinh tế, công nghệ thi công, điều kiện khai thác duy tu bảo dưỡng, ý nghĩa quốc phòng và yêu cầu mỹ quan

Trong thiết kế, người ta phải thành lập nhiều phương án, sau đó tính toán cụ thể từng phương án và đánh giá chúng để từ đó lựa chọn ra phương án tối ưu nhất

3.1.2 Phân tích các tài liệu khi thiết kế các phương án cầu:

3.1.2.1 Chọn vị trí cầu:

- Cầu nhỏ (L<25m): Vị trí cầu phụ thuộc vào tuyến đường Do đó việc khảo sát và xây dựng tuyến là hết sức quan trọng, xây dựng tuyến kết hợp với việc xây dựng cầu

- Cầu lớn (L>100m): Tuyến đường phụ thuộc vào cầu Như vậy việc khảo sát, lựa chọn

vị trí cầu là rất quan trọng nhằm chọn được vị trí xây dựng cầu hợp lý nhất sau đó có thể nắn tuyến theo vị trí cầu đã chọn

- Cầu trung (L=25÷100m): Phải xem xét cả hai khả năng cầu theo tuyến hoặc tuyến theo cầu, sau đó so sánh phân tích xem phương án nào có lợi hơn thì lựa chọn và triển khai xây dựng

Trong thực tế, khi thành lập phương án cầu thì ta phải đưa ra rất nhiều các phương án vị trí cầu khác nhau sau đó so sánh các phương án trên nhiều phương diện:

- Về mặt kỹ thuật: So sánh theo các điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn, thi công và

bố trí công trường, …

Æ Vị trí cầu nên tránh đặt tại các vị trí sau:

+ Cầu đi qua địa hình thấp, địa chất hai đầu cầu yếu dẫn đến việc xử lý lún phức tạp

và gặp rất nhiều khó khăn

+ Không đặt cầu gần các căn cứ quân sự, sân bay hoặc những nơi yêu cầu phải đảm bảo an ninh đặc biệt

+ Không nên đặt cầu chéo với dòng chảy

- Về mặt quy hoạch: Phải so sánh về việc phát triển các vùng lân cận trong tương lai,

vị trí cầu theo quan điểm bố trí kiến trúc tổng thể của khu vực và theo quan điểm quốc phòng

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

Æ Vị trí cầu có liên quan chặt chẽ đến việc chọn phương án kết cấu nên sau khi phân tích chọn được phương án cầu tốt nhất mới tiến hành thiết kế các phương án kết cấu ứng với

vị trí cầu đó một cách cụ thể

3.1.2.2 Mặt cắt dọc tim cầu:

Dựa vào mặt cắt dọc tim cầu cho phép xác định vị trí của mố trụ, tránh đặt trụ vào chỗ sâu nhất, phân bố các nhịp thông thuyền, xác định độ dốc dọc cầu (một chiều hay hai chiều)

3.1.2.3 Mặt cắt địa chất dọc tim cầu:

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

- Nếu trụ cao, địa chất xấu, tình hình thi công phức tạp, giá thành trụ sẽ đắt, khi đó nên làm các 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 có lực đẩy ngang

3.1.2.4 Các số liệu thủy văn:

- Mực nước thấp nhất (MNTN):

+ Cho biết vị trí sâu nhất của lòng sông trong mùa cạn Căn cứ vào những vị trí đó để

bố trí các nhịp thông thuyền theo bề rộng của sông Tuy nhiên, ở những con sông dễ bị xói

lở cần tính đến khả năng di chuyển các khu vực sâu theo thời gian và như vậy luồng lạch để tàu bè qua lại cũng phải dịch chuyển theo bề rộng ngang sông

+ Xác định cao độ đỉnh bệ móng của trụ đặt trong nước: Có thể đặt bệ móng sát với mặt đất hoặc cũng có thể đặt bệ móng nổi trên mặt đất Trong trường hợp đặt bệ móng nổi lên trên mặt đất, thì cao độ đỉnh bệ móng thông thường lấy thấp hơn MNTN tối thiểu là 0.5m Vị trí đỉnh móng như vậy sẽ làm giảm khối lượng xây và giảm thu hẹp dòng chảy, đồng thời còn đảm bảo vấn đề mỹ quan cho công trình cầu

- Căn cứ vào MNCN để xác định chiều dài tính toán của khẩu độ thoát nước, đồng thời xác định cao độ đỉnh xà mũ mố, trụ và cao độ đáy KCN:

+ Đỉnh xà mũ mố, trụ phải cao hơn MNCN tối thiểu là 0.25m

+ Đáy dầm không được vị phạm tĩnh không thông thuyền hoặc thông xe dưới cầu và đáy dầm tại mọi vị trí phải cao hơn MNCN tối thiểu là 0.5m đối với sông đồng bằng và 1m đối với sông miền núi có đá lăn cây trôi (đường ôtô)

+ Tại những nơi khô cạn hoặc đối với cầu cạn, cầu vượt thì cao độ đáy dầm phải cao hơn mặt đất tự nhiên ≥1m

- Căn cứ vào MNTT và chiều cao thông thuyền để xác định cao độ đáy KCN

3.1.2.5 Khẩu độ thoát nước:

Từ khẩu độ thoát nước (L0) sẽ định ra chiều dài toàn bộ cầu