Kết cấu cầu tàu bệ cọc cao, đài mềm có dầm ngang, dầm dọc và bản mặt cầu trên nền cọc vuông BTCT M400 cho cả cầu chính và cầu dẫn
3.1.1.1. Thông số cơ bản của cầu tầu
Cao trình đỉnh bến: +5m Cao trình đáy bến: -6m
Cầu chính dài 90 (m), rộng 6 (m). Cầu dẫn dài 19 (m), rộng 6 (m).
Cầu chính được kết hợp làm sàn công nghệ, có kết cấu dạng cầu tàu bệ cọc cao, đài mềm bao gồm hệ thống dầm, bản BTCT M350 trên nền cọc vuông BTCT M400 40x40cm dài 29m. Cầu chính có chiều dài 90m, rộng 6m được chia thành 2 phân đoạn với chiều dài mỗi phân đoạn là 45m.
3.1.1.2. Nền cọc
Nền cọc cầu chính sử dụng cọc vuông BTCT M400 40x40cm dự kiến dài 29m.
Theo mặt cắt ngang cầu có 3 hàng gồm 2 hàng đóng thẳng và 1 hàng đóng xiên chụm đôi tại vị trí hàng thứ 2.
Bước cọc theo phương ngang cầu kể từ ngoài sông vào lần lượt là: 1,75+2,25m. Bước cọc theo phương dọc là 3,3m.
Tổng cộng có 114 cọc với 58 cọc đóng thẳng và 56 cọc đóng xiên 6:1, xoay 10o.
3.1.1.3. Hệ thống dầm ngang, dầm dọc
Toàn bộ hệ thống dầm cầu chính bằng BTCT M350 đá 0,5x2 đổ tại chỗ. Hệ thống dầm bao gồm dầm ngang và dầm dọc
a) Dầm ngang cầu chính:
- Dầm ngang DN1: Bằng BTCT M350 đá 0,5x2 đổ tại chỗ. Tiết diện dầm bxh = 70 x 60cm (kể đến bản cao 90cm), Trong phạm vi 1,5m đầu dầm phía ngoài khu nước, dầm ngang được hạ thấp thành dầm cao 300cm để liên kết với dầm tựa tàu. Toàn bến có 26 dầm ngang N1.
- Dầm ngang DN2: Bằng BTCT M350 đá 0,5x2 đổ tại chỗ. Tiết diện dầm bxh = 70 x 60cm (kể đến bản cao 90cm). Dầm được bố trí tại các vị trí cầu thang, được liên kết với tường đứng. Toàn bến có 02 dầm ngang DN2.
b) Dầm dọc cầu chính:
Dầm dọc DD: Bằng BTCT M350 đổ tại chỗ, theo phương ngang có 2 dầm. Tiết diện dầm bxh = 70x60cm (kể đến bản cao 90m), chiều dài dầm là 44,99cm.
Cầu chính có tổng số 04 dầm dọc DD c) Dầm tựa tàu
Bằng BTCT M350 đá 1x2 đổ tại chỗ dày 30cm chạy suốt theo chiều dọc cầu tàu.
3.1.1.4. Bản mặt cầu
Bản mặt cầu bằng BTCT M350 đá 0,5x2 đổ tại chỗ dày 30cm. Phủ mặt cầu bằng lớp bê tông M200 dày trung bình 5cm.
Tại giữa mỗi ô bản có bố trí các lỗ thông hơi và thoát nước mặt, bằng ống nhựa
60mm. Ống nhựa được đặt cùng với viếc đổ bê tông bản mặt cầu. 3.1.1.5. Gờ chắn xe
Bằng BTCT M350 đá 0,5x2 đổ tại chỗ cùng với bê tông dầm tựa tàu và bản mặt cầu, tiết diện hình thang vuông cạnh nghiêng ra phía ngoài đỉnh rộng b1 = 20cm, đáy rộng b2=30cm, chiều cao h= 25cm.
3.1.1.6. Hào công nghệ
Hào công nghệ được bố trí xuyên suốt theo chiều dài bến, cách mép bến 2,2m. Kích thước bxh = 40x40cm, nắp hào công nghệ là các tấm
gratting có kích thước bxl = 50x100cm. Phía dưới đáy được bố trí các ống PVC D48 thoát nước, chiều dài ống L=0.4m khoảng cách các ống là 2.0m.
3.1.1.7. Bích neo tầu
Dùng bích neo gang đúc 30T (theo mẫu thiết kế của Nhật Bản) sản xuất trong nước đạt theo tiêu chuẩn Việt Nam.
Tổng số có 09 bích neo gang đúc.
3.1.1.8. Hệ thống đệm tàu
Sử dụng đệm tàu hình thang LMD 400H-2000L, do Việt Nam sản xuất, liên kết giữa đệm và dầm tựa tầu bằng các bu lông không gỉ đặt sẵn trong dầm tựa tàu và các chi tiết đồng bộ với đệm tàu.
Thông số kỹ thuật của đệm tàu: - Thành phần cao su: CL3
- Năng lượng hấp thụ: 6,6 T.m - Phản lực lớn nhất: 39,2 T
Tổng số có 28 bộ đệm cập tàu.
Để thuận lợi cho quá trình thi công và hạ thấp đệm cập tàu, sử dụng kết cấu vòi voi đúc sẵn. Vòi voi có kích thước dài L=1,0m, cao 1,05m, rộng phía trên 50cm, phía dưới 30cm. Trên voi voi có đặt sẵn các bulong để treo đệm. Chi tiết vòi voi được thể hiện trong tập bản vẽ thiết kế.
3.1.1.9. Công trình bảo vệ bờ: Tường góc
Tường góc có sườn gia cường trên nền cọc BTCT 40x40cm M400
-Tường mặt cao 2,5m trên đỉnh rộng 40cm liên kết với hệ dầm bản lấp ô trống. Đỉnh tường mặt tại vị trí tiếp giáp với cầu dẫn được gia cường bằng thép hình L100x10. Chân tường mặt đặt các ống thoát nước nhựa PVC D110, a = 400cm phía sau bố trí vú lọc làm tầng lọc ngược, cấu tạo vú lọc
gồm 3 lớp: đá dăm 2x4 dày 30cm, đá dăm 1x2 dày 15cm và đá dăm 0,5x1 dày 15cm, ngoài cùng là lớp vải địa kỹ thuật.
- Sườn gia cường bằng bê tông cốt thép dày 25cm, chân sườn rộng 2,0m (cả chiều dày tường).
- Bản đáy dày 50cm, rộng 2,5m có đặt sẵn các thanh thép F25 cố định bản quá độ khi đổ bê tông bản đáy.
-Trong phạm vi 20m sau tường chắn đất được gia cường ổn định. Tại cao trình 2.50mhđ sau đào bóc cao trình mặt đất tự nhiên trải lớp vải địa kỹ thuật không dệt loại 200kN/m. Vải được trải từ mép hàng cọc kè phía trong trở vào phía trong khu đất theo phương chịu lực chính.
3.1.2 Phương án kết cấu II
Kết cấu cầu tàu bệ cọc cao, đài mềm có dầm ngang, dầm dọc và bản mặt cầu trên nền cọc ống BTCT ƯST
3.1.2.1. Thông số cơ bản của cầu tầu
Cao trình đỉnh bến: +5m Cao trình đáy bến: -6m
Cầu chính dài 90 (m), rộng 6 (m). Cầu dẫn dài 19 (m), rộng 6 (m).
3.1.2.2. Nền cọc
Nền cọc cầu chính sử dụng cọc ống BTCT DƯL M400 tiết diện D = 600mm, chiều dày T = 110mm, chiều dài L = 29m
Trong một khung ngang có 3 hàng cọc đóng thẳng
Bước cọc theo phương ngang tính từ sông trở vào là: 2+2m. Bước cọc theo phương dọc a = 5,2m. Trên đầu 02 hàng cọc phía trong có bệ BTCT để liên kết với hệ dầm phía trên
Tổng số cọc của cầu chính là 54 cọc đóng thẳng
3.1.2.3. Hệ thống dầm
Toàn bộ hệ thống dầm cầu chính bằng BTCT M350 đá 1x2 đổ tại chỗ. Hệ thống dầm bao gồm dầm ngang và dầm dọc
a)Dầm ngang cầu chính:
Dầm ngang cầu chính bao gồm dầm ngang N1 có tiết diện bxh = 70x60cm ( kể cả bản mặt cầu ) . Tại các vị trí 2 hàng cọc đầu tiên phía mép bến, dầm ngang hạ thấp xuống thành tiết diện bxh = 70x60cm để liên kết với bản tựa tàu. Cầu chính có tổng số 13 dầm ngang N1 và 03 dầm ngang N1A
b) Dầm dọc cầu chính:
Dầm dọc cầu chính D1 có tiết diện bxh = 70x60cm ( kể cả bản mặt cầu ). Chiều dài dầm dọc theo chiều dọc bến 90m
Cầu chính có tổng số 03 dầm dọc D1 c) Dầm tựa tàu
Dầm tựa tàu bằng BTCT M350 đá đổ 1x2 đổ tại chỗ được bố trí ở mặt trước cầu chính tại vị trí các đầu dầm ngang. Bản tựa tàu có chiều cao 3,5m, dày 0,4m, chạy dọc theo chiều dài bến.
- Các thông số về gờ chắn BTCT, bích neo tàu, công trình bảo vệ bờ… ta chọn như phương án 1.
3.2. Tính toán tải trọng do tàu tác dụng lên công trình 3.2.1. Tải trọng neo tàu
Tàu neo đậu ở bến chịu tác động tổnghợp của gió, dòng chảy và sóng. Được xác định theo “ Tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 222 – 95 ”
3.2.1.1. Tải trọng neo do gió
Theo tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 222 – 95 tải trọng tác động lên tàu do gió được xác định theo công thức Thành phần ngang (KN) ( 3-1 ) Thành phần dọc (KN) ( 3-2 ) Trong đó:
Wq và Wn – Thành phần ngang và dọc của gió tác động lên tàu vq và vn – Thành phần ngang và dọc của tốc độ gió tác dụng lên tàu.
vq = vn = 20m/s ( Tương đương với gió cấp 8 )
q và n - Hệ số phụ thuộc vào kích thước lớn nhất của mặt cản gió Vớí L = 80m tra bảng 2.6 “ Tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 222 – 95 ” ta có:
q = 0,82
Vớí B = 10m tra bảng 2.6 “ Tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 222 – 95 ” ta có:
n = 0,13
Aq và An – Diện tích cản gió theo hướng ngang và theo hướng dọc của tàu (m2)
q và n - Hệ số phụ thuộc vào loại tàu, chiều dài lớn nhất của tàu tính toán. Với tàu hàng tổng hợp và chiều dài tàu Lt.max = 80m và Bt.max = 10m tra Bảng 1 và Bảng 2- phụ lục 3 “ Tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 222 – 95 ” ta có:
qc = 0,05 và nc = 0,9 ( có khách )
qk = 0,09 và nk = 1,2 ( Không có khách )
Kết quả tính toán được thể hiện trong bảng sau: Bảng 4.1. Tải trọng neo do gió
Gió vuông góc với tàu Gió song song với tàu Tàu có khách Tàu không có khách Tàu có khách Tàu không có khách Aq (m2) 320 576 An (m2) 90 120 vq (m/s) 20 20 vn (m/s) 20 20 q 0,82 0,82 n 0,13 0,13 Wq (T) 77,25 139,05 Wn (T) 2,29 3,06
3.2.1.2. Tải trọng neo do dòng chảy
Theo “ Tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 222 – 95 ” tải trọng tác dụng lên tàu do dòng chảy được tính theo công thức
Thành phần ngang
(KN) ( 3-3 )
Thành phần dọc
(KN) ( 3-4 )
Trong đó:
Q và N - Thành phần ngang và dọc của lực dòng chảy tác dụng lên tàu vt và vl – Thành phần ngang và thành phần dọc của vận tốc dòng chảy (m/s)
vt = 0,38 ( m/s ) và vl = 2,16 ( m/s )
At và Al - Diện tích cản nước theo phương ngang và phương dọc tàu (m2)
Al = Ltmax.T và At = Bt.T
Lt.max - Chiều dài phần tàu chìm trong nước. Lt.max= 0,85.Lt Lt - Chiều dài tàu tính toán: Lt = 80m
Bt - Chiều rộng tàu tính toán: Bt = 10m T - Mớn nước của tàu tính toán: T = 5,5m Kết quả tính toán được trình bày trong bảng 3.2
Bảng 4.2. Tải trọng neo do dòng chảy
Dòng chảy vuông góc với tàu
Dòng chảy song song với tàu
Tàu có khách Tàu có khách
Al (m2) 374 At (m2) 55
vt (m/s) 0,38 vl (m/s) 2,16
Q (T) 31,86 N (T) 151,4
Tải trọng neo do sóng
Vị trí xây dựng công trình nằm sâu trong nội địa do đó không chịu ảnh hưởng trực tiếp của các cơn sóng. Sóng tác động chủ yếu là do gió, sóng tàu chạy trên tuyến luồng gây ra, chiều cao sóng thường nhỏ hơn 1m
Do vậy ta có thể bỏ qua tải trọng neo do sóng
Tính toán lực neo lên cầu tàu
S S S S q v n
Hình 4.3 Sơ đồ phân bố lực neo lên một bích neo
Tải trọng tác dụng lên một bích neo do gió và dòng chảy được xác định theo công thức
( 3- 5 )
Trong đó:
S - Lực tác dụng lên một bích neo do gió và dòng chảy
Q - Tổng lực ngang do tác động tổng hợp của gió và dòng chảy. Q = 109,11(T)
N - Tổng lực dọc do tác động tổng hợp của gió và dòng chảy. N = 153,29 (T)
n - Số bích neo chịu lực. n = 3
và - Góc nghiêng của dây neo. Tra theo bảng 32 “ Tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 222 – 95 ” ta có = 300 và = 200
( T )
Lực neo theo các phương
a) Theo phương vuông góc với tuyến bến
Sq = S.cos.sin ( 3 - 6 )
Sq = 56,43.cos200.sin300 = 26,51 (T)
b) Theo phương song song với tuyến bến
Sn = S.cos.cos ( 3 - 7 )
Sn = 56,43.cos200.cos300 = 45,92 (T)
Theo phương thẳng đứng với tuyến bến
Sv = S.sin = 56,43.sin200 = 19,3 (T) ( 3 - 8 )
3.2.2. Tải trọng tựa tàu
Theo “ Tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 222 – 95 ” tải trọng phân bố q do tàu dang neo đậu ở bến tựa lên công trình dưới tác động của gió, dòng chảy và sóng được xác định theo công thức
0 0
109,11 153, 29
56, 43
.sin .cos .sin .cos 3.sin 30 .cos 20
tot Q N Q S n n � � 35
( 3 - 11 )
Trong đó: q - Lực tựa tàu
Qtot - Lực ngang do tác dụng tổng hợp của gió, dòng chảy và sóng: Qtot = 48 (T) ld - Chiều dài đoạn tiếp xúc giữa tàu và công trình: ld = min(l,L)
L - Chiều dài bến: L = 90 (m)
l - Chiều dài đoạn thẳng thành tàu được xác định theo công thức
l = a.Lt ( 3 - 12 )
a - Hệ số xác định theo Bảng 3, phụ lục 3 “ Tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 222 – 95 ” ta có a = 0,4
Lt - Chiều dài tàu tính toán: Lt = 80 (m)
l = a.Lt = 0,4.80 = 32 (m) ld = min(l,L) = min( 32;79,8 ) = 32 (m) Như vậy ta có 48 1,1. 1,1. 1,65 32 tot d Q q l (T) 3.2.3. Tải trọng va tàu
Tải trọng va tàu tác dụng lên công trình phụ thuộc vào trọng tải tàu tính toán, vận tốc lớn nhất khi cập tàu. Bên cạnh đó còn phụ thuộc vào loại đệm va
3.2.3.1. Năng lượng va tàu
Động năng va của tàu được xác định theo công thức
( 3 - 9 )
Trong đó:
E – Năng lượng cập tàu ( T.m )
W - Tải trọng di chuyển của tàu, W = 3696 (T)
V - Vận tốc cập tàu, với tàu có trọng tải 3.000DWT thì V = 0,15 (m/s) g – Gia tốc trọng trường, g = 9,81 (m/s2 )
C - Hệ số cập bến được xác địng theo công thức
C = Cm.Ce.Cc.Cs
Cm - Hệ số kể đến khối lượng tăng thêm, xác định theo công thức
T - Mớn nước của tàu, T = 5,5m B - Chiều rộng tàu, B = 10m
Cb - Hệ số hình dạng bến, xác định theo công thức
L - Chiều dài tàu, L = 80m
w0 - Khối lượng riêng của nước, w0 = 1,025 (T/m3 )
Ce - Hệ số xét đến độ lệch tâm, xác định theo công thức
K – Bán kính quay tàu, thường lấy K = 0,25.Lt = 0,25.80 = 20(m)
A - Khoảng cách song song với bến, tính từ trọng tâm của tàu tới điểm tiếp xúc với bến A = ( 1/4 ÷ 1/5 )Lt , chọn A =1/4Lt = 1/4.80 = 20 (m) Cc - Hệ số hình dạng bến, Cc = 1 Cs - Hệ số xét đén hình thức đệm tàu, Cs = 1 Vậy ta có C = Cm.Ce.Cc.Cs = 1,053.0,5.1.1 = 0,53
Năng lượng cập bến của tàu là
(T.m)
3.2.3.2. Xác định lực va của tàu
Đệm tàu sử dụng là loại đệm hình thang LMD 400H-2000L có các thông số kĩ thuật của đệm như sau:
+ Thành phần cao su : CL3 + Năng lượng biến dạng : 6,6T + Phản lực khi nén : 39,2T + Trị số biến dạng tới hạn : 52,5%
+ Thành phần lực va vuông góc với mép bến
Fq = ( T )
+ Thành phần lực va song song với mép bến
Fn = .Fq = 0,5.23,496 = 11,748 ( T )
- Hệ số ma sát phụ thuộc vào vật liệu lớp mặt của thiết bị đệm. Với lớp mặt là cao su ta có = 0,5
3.2.3.3. Bố trí đệm va
Theo new selection of fender: Khoảng cáh giữa hai đệm va được xác định theo công thức:
( 3 - 10 )
Trong đó:
2l - Khoảng cách giữa hai đệm va B - Chiều rộng tàu tính toán, B = 10m L - Chiều dài tàu tính toán, L = 80m
h - Chiều dày đệm va khi động năng tác dộng của tàu được hấp thụ
h = H – Hx( năng lượng đệm ) = 3 – 3x52,5% = 1,425 (m)
H - Chiều cao ban đầu của đệm va, H = 3 (m) Vậy ta có:
21,826 (m)
Vậy khoảng cách tối đa giữa hai đệm va là: 22 (m)
3.3. Thiết kế sơ bộ các phương án kết cấu3.3.1. Phương án I 3.3.1. Phương án I
3.3.1.1. Tính toán sức chịu tải cọc
Điều kiện kiểm tra sức chịu tải của cọc
( 3 - 28 )
Sức chịu tải của cọc có thể được tính theo đất nền và theo khả năng vật liệu làm cọc. Tuy nhiên trên thực tế sức chịu tải của cọc theo đất nền thường nhỏ hơn theo vật liệu làm cọc. Vì vậy ta sẽ tính sức chịu tải của cọc theo đất nền. Tính cho các cọc có chiều dài 29m
a) Xác định sức chịu tải của cọc theo đất nền
Sức chịu tải của cọc theo đất nền được xác định theo công thức
= m.( mr.R.F + U.mf.fi. hi ) ( 3 - 29)
Trong đó:
- Sức chịu tải của cọc theo đất nền
m - Hệ số điều kiện làm việc của cọc trong đất
R - Cường độ tính toán của đất dưới mũi cọc, tra bảng 1/20TCN21-86 ta có R = 375 ( T/m2 )
F - Diện tích mặt cắt ngang của cọc: F = a2 = (0,4)2 = 0,16 (m2) U – Chu vi của cọc: U = 4.a = 4.0,4 = 1,6 (m)
fi - Cường độ tính toán của ma sát thành lớp đất thứ i với bề mặt xung quanh cọc, tra bảng 2/20TCN21-86
hi - Chiều dày lớp đất thứ i tiếp xúc với cọc