1 chơng 4 Các căn cứ cơ bản để thiết kế cầu 4.1 Khái niệm, các giai đoạn của dự án đầu t xây dựng 4.1.1 Khái niệm, phân loại dự án đầu t xây dựng Dự án đầu t là một tập hợp các đề xuất về kỹ thuật, tài chính, kinh tế và xã hội, làm cơ sở cho việc quyết định bỏ vốn xây dựn g công trình. ở nớc ta, tùy theo tổng mức đầu t mà phân thành 3 nhóm dự án đầu t : Phân loại Tổng mức đầu t Nhóm A 600 tỷ Nhóm B 7 tỷ V 600 tỷ Nhóm C 7tỷ 4.1.2 Các giai đoạn của một dự án đầu t xây dựng Gồm 3 giai đoạn : Chuẩn bị đầu t, Thực hiện đầu t, Kết thúc đầu t 4.1.2.1 Giai đoạn chuẩn bị đầu t Nội dung của công tác chuẩn bị đầu t lại bao gồm 2 việc chính : lập dự án đầu t và thẩm định dự án để quyết đ ịnh đầu t. 4.1.2.1.1 Lập dự án đầu t Trình tự lập dự án đầu t gồm Xác định sự cần thiết của dự án đầu t Nghiên cứu tiền khả thi (chỉ với dự án nhóm A và các dự án thuộc vốn ODA) và nghiên cứu khả thi. STT Nội dung của báo cáo nghiên cứu tiền khả thi Nội dung của báo cáo nghiên cứu khả thi 1 Nghiên cứu sơ bộ về sự cần thiết phải đầu t, các điều kiện thuận lợi, khó khăn Xác định những căn cứ để xác định sự cần thiết phải đầu t 2 2 Dự kiến quy mô đầu t, lựa chọn hình thức đầu t Lựa chọn hình thức đầu t 3 Chọn địa điểm xây dựng và dự kiến nhu cầu diện tích sử dụng đất Các phơng án vị trí cầu (hoặc tuyến) Phơng án giải phóng mặt bằng, tái định c 4 Phân tích sơ bộ về công nghệ, kỹ thuật và xây dựng, các điều kiện về cung cấp vật t thiết bị, nguyên liệu, năng lợng, dịch vụ, hạ tầng Phân tích lựa chọn phơng án kĩ thuật công nghệ Các phơng án kết cấu cầu và giải pháp xây dựng Đánh giá tác động của môi trờng 5 Phân tích tài chính, xác định sơ bộ tổng mức đầu t, các khả năng và điều kiện huy động các ngu ồn vốn, khả năng hoàn vốn và trả nợ, thu lãi Phân tích tài chính kinh tế 6 Sơ bộ tính toán hiệu quả đầu t về mặt kinh tế, xã hội của dự án. 7 Các mốc thời gian chính thực hiện đầu t 4.1.2.1.2 Thẩm định dự án đầu t Các báo cáo nghiên cứu khả thi và tiền khả thi đều phải đợc thẩm định, sau đó sẽ đợc các cấp có thẩm quyền quyết định và cấp giấy phép đầu t 4.1.2.2 Giai đoạn thực hiện đầu t Giai đoạn thực hiện đầu t bao gồm các công việc : Giao nhận đất, chuẩn bị mặt bằng xây dựng Tuyển chọn t vấn xây dựng để khả o sát, thiết kế, giám định kĩ thuật và chất lợng công trình. Thiết kế công trình 3 o Đối với các công trình có yêu cầu kĩ thuật cao, có nền móng địa chất thủy văn phức tạp thì phải thực hiện thiết kế theo hai bớc : thiết kế kĩ thuật và thiết kế bản vẽ thi c ông. o Đối với công trình kỹ thuật đơn giản hoặc đã có thiết kế mẫu, xử lý nền móng không phức tạp thì thực hiện một bớc : thiết kế kỹ thuật thi công Thẩm định, duyệt thiế t kế kỹ thuật và tổng dự toán Tổ chức đấu thầu về mua sắm thiết bị và thi công xây lắ p 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 t xây dựng sau khi hoàn thành xây lắp đa dự án vào khai thác 4.1.3 Giai đoạn kết thúc xây dựng, đa dự án vào sử dụng Giai đoạn đa dự án vào sử dụng bao gồm các công việc Kết thúc xây dựng Bàn giao công trình Bảo hành công trình Vận hành dự án 4.2 lập phơng án cầu 4.2.1 Khái niệm chung về việc lập phơng án cầu Lựa chọn phơng án cầu là một bài t oán tổng thể nhiều mặt : kỹ thuật, công nghệ quy hoạch, môi trờng, kinh tế. Các phơng án cầu phải thõa mãy yêu cầu kĩ thuật, kinh tế, có tính khả thi, đáp ứng yêu cầu duy tu bảo dỡng và yêu cầu mĩ quan. Để lựa chọn phơng án cầu ta phải tiến hành thàn h lập nhiều phơng án cầu khác nhau, sau đó đánh giá các phơng án. 4 4.2.2 Các căn c để lập phơng án cầu. 4.2.2.1 Vị trí cầu Đối với cầu nhỏ ( L <25m) và cầu trung ( L =25m đến 100m) vị trí cầu đợc lựa chọn phụ thuộc vào vị trí tuyến đờng do đó cầu có thể chéo, co ng hoặc nằm trên dốc. Đối với cầu lớn ( L>100m), vị trí tuyến đờng phụ thuộc vào cầu. Vấn đề chọn vị trí cầu : i. Về mặt kĩ thuật : So sánh giữa các vị trí dự định đặt cầu theo các điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn, thi công và bố trí công trờng ii. Về mặt quy hoạch: So sánh các phơng án về vị trí cầu và việc phát triển các vùng lân cận trong tơng lại, so sánh ý nghĩ về mặt quốc phòng iii. Về mặt kinh tế : so sánh các phơng án theo giá thành vận doanh các phơng án tuyến khác nhau do việc lựa chọn vị trí cầu khác nhau gây nên 4.2.2.2 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) 4.2.2.3 Mặt cắt địa chất dọc tim cầu Căn cứ vào tình hình địa chất dọc đờng tim cầu, sơ bộ xác định các loại móng cầu, đồng thời xác định các phơn g án kết cấu nhịp ( siêu tĩnh, nhiều nhịp hay giản đơn, bê tông hay thép ) 4.2.2.4 Số liệu thủy văn Bao gồm 3 mực nớc MNCN, MNTT , MNTN MNTN : Xác định nhịp thông thuyền 4.2.2.5 Khẩu độ thoát nớc và chiều dài cầu Từ khẩu độ thoát nớc sẽ định ra chiều dài toàn bộ cầu. 4.2.2.6 Khổ giới hạn Khổ giới hạn là khoảng không gian đợc dành cho giao thông trên cầu hoặc dới cầu mà không một kết cấu hay bộ phận kết cấu nào đợc vi phạm để đảm bảo an toàn giao thông. 5 a) Khổ giới hạn trên cầu Khổ giới hạn thông xe trên cầu : là khoảng không gian dành cho giao thông trên cầu mà không cho phép các kiến trúc thuộc hệ thống thiết bị trên cầu đợc phép xâm phạm. Khổ giới hạn thông xe trên cầu bao gồm (1-G) phần xe chạy ( số làn x bề rộng làn 4m, 6m, 7m, 10.5m ), (2 -T) phần dành cho ngời đi bộ hoặc xe thô sơ ( 0.75m, 1.0 m, 1.5 m ), (3) phần lan can, gờ chắn, dải phân cách b) Khổ giới hạn dới cầu Bao gồm (1) khổ thông thuyền với cầu cầu vợt sông và (2) khổ thông xe dới cầu với cầu vợt đờng. G 3000 1500 730 2500 T Khổ giới hạn trên đờng Htt Btt Khổ thông thuyền 4.2.3 Phân chia nhịp cầu bêtông cốt thép và cầu thép Sự phân chia nhịp cầu căn cứ các yêu cầu cơ bản : i. Đảm bảo khố thông thuyền dới cầu phù hợp với cấp sông cho trớc : chiều dài nhịp đợc xác định xuất phát từ kích thớc của khổ thông thuyền. ii. Đảm bảo tính kinh tế iii. Đảm bảo tính thi công iv. Có khả năng tiêu chuẩn hóa cao nhất các bộ phận của cầu 4.2.4 So sánh lựa chọn phơng án cầu 4.2.4.1 Các phơng pháp so sánh lựa chọn phơng án kết cấu cầu Sau khi tiến hành thành lập xong các phơng án cầu cần tiến hành so sánh để chọn đợc một phơng án hợp lý nhất, thỏa mãn các yêu cầu về kinh tế và kĩ thuật. Cần tiến hành tính toán một số chỉ tiêu kinh tế kĩ th uật nh: tổng vốn đầu t xây dựng, thời gian thi công, khối lợng bê tông và thép giá thành 1m2 cầu 6 Khi chọn phơng án kết cấu cầu cần lu ý đến vấn đề mĩ quan i. So sánh phơng án theo giá thành dự toán ii. So sánh phơng án theo giá thành quy đổi iii. So sánh phơng án theo khối lợng vật liệu xây dựng chủ yếu iv. So sánh các phơng án về điều kiện chế tạo và thi công v. So sánh các phơng án về điều kiện khai thác vi. So sánh các phơng án cầu theo mỹ quan 4.3 Khái niệm về quá trình tính toán thiết kế 4.3.1 Khái niệm chung Quá trình tính toán thiết kế là quá trình xác định, lựa chọn những thông số kĩ thuật của kết cấu đảm bảo thoả mãn điều kiện về chịu lực, sử dụng Quá trình tính toán thiết kế thờng qua 3 giai đoạn i. Xác định các hiệu ứng tải bất lợi nhất tác động trên mỗi mặt cắt hay mỗi bộ phận của kết cấu. ii. Tính toán khả năng chịu tải tối đa của kết cấu iii. Kiểm toán theo nguyên lí : Tác động < khả năng 7 4.3.2 S¬ ®å khèi 8 4.4 Các triết lí tính toán thiết kế, các phơng pháp tính toán thiết kế, các tiêu chu ẩn tính toán thiế t kế. 4.4.1 Các triết lí tính toán thiết kế - Phơng pháp tính toán th iết kế Triết lí 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, phơng thức để đảm bảo điều kiện an toàn . Khi có tải trọng tác động vào kết cấu, nó sẽ gây ra một hiệu ứng trong kết cấu. Hiệu ứng đó không đợc lớn hơn khả năng của kết cấu. Triết lí trên đợc viết dới dạng công thức nh sau: i i Q R (3-1) Trong đó: : là hệ số phân bố của tải trọng lên phần kết cấu đang xét i : hệ số tải trọng của hiệu ứng tải thứ i Q i : giá trị hiệu ứng tải thứ i : hệ số sức kháng R : sức kháng của bộ phận hay mặt cắt kết cấu đang xét. 4.4.2 Lịch sử phát triển các phơng pháp th iết kế 4.4.2.1 Thiết kế theo phơng pháp ứng suất cho phép (ASD) Trong phơng pháp thiết kế theo ứng suất cho phép, ngời ta nhìn nhận sự ứng xử của kết cấu thông qua ứng suất của một điểm đại diện. Ví dụ kiểm toán với ứng suất pháp. max (3-2) Trong đó: max : ứng suất lớn nhất phát sinh ra dới tác dụng của tổ hợp tải trọng. max trên một mặt cắt là hàm của nội lực và các đặc trng hình học của mặt cắt đó. 9 [] : ứng suất cho phép. Là giới hạn không đợc vợt quá của ứng suất trên mặt cắt ngang đang xét. [ ] tính bằng công thức y f K (3-3) Với f y : là giới hạn chảy của vật liệu K : là hệ số an toàn Phơng pháp ứng suất cho phép có các u điểm là đơn giản, rõ ràng, cho phép t ính toán nhanh chóng, do đó rất thuận tiện trong việc áp dụng. Tuy nhiên, phơng pháp này cũng có các nhợc điểm nh không áp dụng đợc cho vật liệu làm việc ngoài giới hạn đàn hồi (ví dụ bê tông), ngoài ra, việc xác định hệ số an toàn là không rõ ràng, ch ủ yếu phụ thuộc vào kinh nghiệm. 4.4.2.2 Thiết kế theo phơng pháp tải trọng phá hoại (LFD) Phơng pháp tải trọng phá hoại đánh giá sự an toàn của kết cấu thông qua một mặt cắt đại diện. Công thức cơ bản của phơng pháp : S max [S] (3-4) Trong đó: S max : nội lực tại mặt cắt bất lợi ( nội lực lớn nhất, mặt cắt bị suy giảm) [S] : giá trị lớn nhất của nội lực mà mặt cắt có thể tiếp nhận ( có xét đến hệ số an toàn). [S] đợc tính theo công thức: S K gioihan S (3-5) Với S giới hạn : là khả năng chịu lực tối đa của mặt cắt. K : hệ số an toàn 10 u điểm của phơng pháp là tính trực quan, rõ ràng. Ngoài ra, phơng pháp này tiến bộ hơn phơng pháp ứng suất cho phép ở chỗ đã xét đến sự làm việc chung của toàn bộ mặt cắt và kết cấu. Tuy vậy, phơng pháp tải trọng phá hội vẫn tồn tại nhợc điểm là việc xác định hệ số K chủ yếu dựa và kinh nghiệm, thiếu cơ sở khoa học. Phơng pháp tải trọng phá hoại là cơ sở của một số bộ tiêu chuẩn nh ASSHTO92, ASSHTO96 4.4.2.3 Thiết kế theo phơng pháp trạng thái giới hạn 4.4.2.3.1 Nguyên lí của phơng pháp Phơng pháp trạng thái giới hạn chia kết cấu thành hai miền - miền duy trì khả năng làm việc ( ) - miền không có khả năng làm việc ( bị phá hoại hoặc không sử dụng bình thờng đợc) () Ngăn cách giữa hai miền đó là tập hợp các trạng thái giới hạn. Hình 3-1 : Các miền tồn tại của kết cấu Các tiêu chuẩn khác nhau có những quy định về trạng thái giới hạn khác nhau. Ví dụ: Tiêu chuẩn 22TCN18 -79 quy định 3 trạng thái giới hạn - Trạng thái giới hạn 1 : Kiểm toán về cờng độ, độ ổn định, mỏi - Trạng thái giới hạn 2 : Kiểm toán về chuyển vị, biến dạng, dao động - Trạng thái giới hạn 3 : Kiểm toán về nứt . bộ phận của cầu 4. 2 .4 So sánh lựa chọn phơng án cầu 4. 2 .4. 1 Các phơng pháp so sánh lựa chọn phơng án kết cấu cầu Sau khi tiến hành thành lập xong các phơng án cầu cần tiến hành so sánh để chọn. giới. 4. 4.2 .4 Thiết kế dựa trên lí thuyết độ tin cậy 4. 4.2 .4. 1 Nguyên lí của phơng pháp Phơng pháp thiết kế dựa trên lí thuyết độ tin cậy quan niệm tất cả các yếu tố tham gia vào quá trình so sánh. lí : Tác động < khả năng 7 4. 3.2 S¬ ®å khèi 8 4. 4 Các triết lí tính toán thiết kế, các phơng pháp tính toán thiết kế, các tiêu chu ẩn tính toán thiế t kế. 4. 4.1 Các triết lí tính toán thiết