Đ I H C ĐÀ N NG TRƯỜNG Đ I HỌC BÁCH KHOA ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ DƯƠNG HOÀNG PHƯƠNG LY NGHIÊN CỨU THỌNG S BÁN KệNH CONG VÀ CHIỀU DÀI NHỊP HỢP Lụ CỦA KẾT CẤU CẦU CONG VÀ ÁP D NG TRONG THIẾT KẾ NÚT GIAO THỌNG KHÁC MỨC NGỌC HỘI, TỈNH KHÁNH HọA Chuyên ngành: K thu t xây d ng cơng trình giao thơng Mư s : 60.58.02.05 TĨM T T LUẬN VĔN TH C SĨ K THUẬT XỂY D NG CỌNG TRÌNH GIAO THƠNG Đà N ng ậ Nĕm 2018 Cơng trình đ c hồn thành t i TRƯỜNG Đ I HỌC BÁCH KHOA Người hướng d n khoa học: TS NGUYỄN VĔN M Phản biện 1: PGS.TS LÊ THỊ BÍCH THỦY Phản biện 2: TS VÕ DUY HÙNG Lu n văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Lu n văn tốt nghiệp thạc sĩ KỸ THU T XÂY D NG CỌNG TRÌNH GIAO THỌNG Họp Trường Đại học Bách khoa vào ngày 18 tháng 08 năm 2018 Có thể t̀m hiểu lu n văn tại: − Trung tơm Học liệu, Đại học ĐƠ Nẵng Trường Đại học Bách khoa − Thư viện Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN MỞ ĐẦU I TệNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Trong chi n lược phát triển kinh t - xã hội 2001-2010, ngoƠi viêc “nơng cấp, xây dựng n đường bộ, đường sắt …” nước, khu vực đô thị phải “ hoƠn thiện qui hoạch giao thông lâu dài, hợp lý đô thị, khắc phục trình trạng ùn tắc giao thơng “ Theo yêu cầu này, đô thị lớn nước ta năm đ n s xây dựng mạng lưới giao thơng đại, có nhiều nút giao thông quan trọng nâng cấp thành nút giao khác m c Hiện tại, nhiều dự án xây dựng qui hoạch Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh, ĐƠ Nẵng đư l p nhiều nút giao khác m c có sử dụng k t cấu cầu cong Ban đầu, thời gian dài cầu cong đư xây dựng th giới mƠ khơng có hướng d n đáng tin c y hay tiêu chuẩn kỹ thu t thi t k vƠ thi cơng Sau đó, tài trợ c a số tổ ch c nhiều nhà khoa học đư t p trung nghiên c u vƠo lĩnh vực này, nhiên cho đ n v n nhiều khía cạnh c a chúng v n chưa nghiên c u đầy đ nước ta việc nghiên c u dạng cầu cong v n m , c quan ch c chưa ban hƠnh d n cụ thể hay quy trình quy phạm thi t k xây dựng cầu cong Từ thực tiễn phát triển cầu cong th giới, kinh nghiệm xây dựng số cầu nước ta vƠ xu hướng phát triển Việt Nam, việc nghiên c u thi t k công nghệ xây dựng cầu cong để áp dụng vƠo đô thi lớn HƠ Nội, Tp Hồ Chí Minh, ĐƠ Nẵng, … lƠ h t s c cần thi t nhằm đáp ng yêu cầu c a thực tiễn Trong năm gần thành phố Nha Trang không ngừng phát triển, đặc biệt du lịch, lượng khách du lịch tăng nhanh, d n đ n tình trạng tải cư s hạ tầng, gây ùn tắc giao thông khu vực nội đô Hầu h t nút giao c a mạng lưới đường thành phố Nha Trang nút giao m c, hay cầu giản đ n n Do nghiên c u lựa chọn thơng số thi t k , xây dựng nút giao thông với k t cấu cầu cong phù hợp với điều kiện địa hình thành phố cần thi t II M C TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu thơng số bán kính cong chiều dài nhịp hợp lý kết cấu cầu cong, nhằm giải quy t vấn đề sau: - Nghiên c u mối liên hệ bán kính cong chiều dài nhịp, đưa thông số tối ưu Sự ảnh hư ng c a bán kính cong chiều dài nhịp tới nội lực c a k t cấu cầu - Giải quy t vấn đề triển khai thi t k xây dựng cơng trình điều kiện hạn ch mặt bằng, nhằm đảm bảo yêu cầu kinh t kỹ thu t Áp dụng thi t k nút giao thông khác m c Ngọc Hội, tỉnh Khánh Hòa III Đ I TƯỢNG VÀ PH M VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI - Cầu cong bê tông cốt thép ng suất trước - Lựa chọn thông số tối ưu c a bán kính chiều dài nhịp đảm bảo nội lực k t cấu nhịp cong phần mềm MIDAS/Civil IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Nghiên c u lý thuy t tính tốn theo ngun lý cong - Phư ng pháp tính tốn khơng gian c a k t cấu cong - Nghiên c u c s ĺ thuy t việc tính tốn lựa chọn bán kính cong chiều dài nhịp tối ưu - Các phư ng pháp tính tốn bán kính cong chiều dài nhịp theo quy tr̀nh, quy phạm - Phân tích nội lực phần mềm MIDAS/Civil thay đổi bán kính cong chiều dài nhịp, đánh giá k t CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ S PHÁT TRI N KẾT CẤU CẦU CONG TRÊN THẾ GIỚI VÀ VI T NAM I.1 TỔNG QUAN VỀ S PHÁT TRI N CẦU CONG TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VI T NAM 1.1.1 Sự phát triển cầu cong th giới Cầu cong xuất th giới vƠo trước năm 1960 vƠ k t cấu cong chi m khoảng 30% hệ thống cầu nước Mỹ khoảng 20% hệ thống cầu nước phát triển Trong đó, cầu cong v t liệu thép vượt trội h n nhiều so với cầu cong v t liệu bêtông cốt thép Có nhiều cầu cong đư xây dựng nước th giới, ví dụ như: cầu đường phố 20, HOV Den V , Côlôradô; cầu U.S Nevan Acađemi, Annapôlit, Marylen; cầu nhánh Y, I-95 đại lộ Davie, Broward County, Florida; dự án đường cao tốc, Thailand; cầu Nan Pu Thượng Hải, Trung Quốc; nút giao Uchihơmmachi, Nh t Bản; v.v… Hình 1 Nút giao Gravelly Hill Hình Nút giao Springfield 1.1.2 Sự phát triển cầu cong Việt Nam Mặc dù Th giới cầu cong đư xây dựng nhiều v y nhiên Việt Nam năm gần đơy kỹ sư bắt đầu nghiên c u thi t k xây dựng dạng cầu cong k t cấu đ n giản dầm thẳng như: nhịp cầu d n c a cầu Mỹ Thu n, nhịp dầm ti t diện “I” c a cầu vào nhà ga sân bay Nội Bài; hay dạng cầu cong ph c tạp h n dạng hộp nhịp đ n giản hay liên tục sử dụng nút giao thơng phía Nam cầu Chư ng Dư ng, HƠ Nội; cầu d n cầu Thu n Phước, ĐƠ Nẵng Sắp đ n, số cầu cong có chiều dài khoảng 50m, mặt cắt hình hộp BTCT D L s xây dựng cầu Thanh Trì, Hà Nội; cầu Khánh Hội dự án Đại Lộ Đông Tơy, Tp Hồ Chí Minh Hình Nút giao Thanh Trì - QL 5, HN Hình Nút giao Thanh Trì cao tốc Hà Nội - Hải Phòng I.2 CÁC D NG KẾT CẤU CẦU CONG TRÊN THẾ GIỚI Cầu cong ngƠy cƠng phát triển mạnh m b i dạng k t cấu thích hợp áp dụng xây dựng cầu cạn, cầu vượt nút giao thông Giải pháp để đảm bảo giao thông, nơng cao lực thông qua nút giải quy t c trình trạng tắc gh n dòng xe nút giao thơng sử dụng nút giao thơng khác m c (còn gọi nút giao thơng l p thể) có cấu tạo cầu vượt, có nhiều cơng trình cầu cong Nhiệm vụ c a cầu cong chuyển ti p dòng giao thơng n đường Đối với hệ thống giao thông đại cầu cong bố trí nhiều trường hợp khác nhau, lƠ: khu vực hạn ch mặt bằng: việc sử dụng cầu cong giải pháp làm giảm đáng kể diện tích mặt xây dựng so với nút giao thông m c có quy mơ thi t k tư ng tự; thường phải sử dụng giải pháp cầu cong để n đường qua khu vực uốn vòng quanh cơng trình nhà cửa đư có sẳn Trên n đường miền núi nhỏ hẹp sử dụng giải pháp cầu cong để m rộng bán kính cua đường gấp tránh khu vực có nguy c xảy sụt l Trong khu vực đông dơn vƠ khu công nghiệp, cầu cong xây dựng cho người H n nữa, với bán kính cong thích hợp hình dáng k t cấu đẹp, tạo cảm giác êm thu n cho phư ng tiện đường đổi hướng giao thông vƠ tránh chướng ngại v t hay cơng trình ki n trúc bất khả di dời Cầu cong loại hình cầu đẹp, lƠ n đường cong nút giao thông thành phố đảm bảo u cầu mỹ quan, hài hòa với cảnh quan mơi trường đô thị Khác với cầu thẳng, cầu cong chịu xoắn có tải trọng tác dụng tim cầu Mô men xoắn thường tác dụng bất lợi tới làm việc chung c a toàn cơng trình vƠ v̀ th mà tốn tính hệ cong ph c tạp h n bƠi tốn tính hệ phẳng Sự ph c tạp c a tốn tăng lên từ chỗ chọn s đồ tính cong phẳng đ n chọn s đồ cong không gian Hệ cầu d n, cầu cạn cầu vượt đư áp dụng nhiều th giới, k t cấu cong đá ng dụng nhiều, đặc biệt nút giao thông khác m c Để ti p nh n có hiệu thành tựu c a nước, áp dụng thích hợp vƠo điều kiện c a Việt Nam, tóm tắt cac s đồ vƠ đặc điểm ch y u c a cầu đư áp dụng th giới 1.2.1 Các dạng k t cấu nhịp K t cấu nhịp sử dụng bao gồm bêtông cốt thép, thép thép-bêtông liên hợp Đối với k t cấu cong thường hay sử dụng k t cấu dầm thép bêtơng cốt thép liên hợp, dầm thép dầm I hộp thép dùng dầm hộp bêtơng cốt thép để đảm bảo khả chống lại mômen xoắn lớn phát sinh k t cấu cong Khi xây dựng k t cấu bêtông cốt thép thường sử dụng loại k t cấu đổ chỗ, lắp ghép bán lắp ghép 1.2.1.1 K t cấu nhịp bêtông cốt thép a- Kết cấu nhịp bêtông cốt thép đổ chỗ b- Kết cấu nhịp bêtông cốt thép lắp ghép c- Kết cấu nhịp bêtông cốt thép bán lắp ghép 1.2.1.2 K t cấu nhịp dầm bêtông cốt thép a- Kết cấu nhịp dầm bêtông cốt thép đổ chổ b- Kết cấu nhịp dầm bêtông cốt thép lắp ghép c- Kết cấu nhịp dầm bêtông cốt thép bán lắp ghép 1.2.1.3 K t cấu nhịp hình hộp bêtơng cốt thép a- Kết cấu nhịp hình hộp bêtơng cốt thép đổ chổ b- Kết cấu nhịp hình hộp bêtông cốt thép lắp ghép 1.2.2 Các d ng k t c u m tr 1.2.2.1 Trụ cột 1.2.2.2 Trụ tường 1.2.2.3 Trụ khung 1.2.2.4 Một số kiểu trụ áp dụng cho nút giao thông khác m c I.3 CÁC D NG KẾT CẤU CẦU C N, CẦU VƯỢT, CẦU CONG Ở VI T NAM 1.3.1 K t cấu nhịp 1.3.1.1 K t cấu nhịp BTCT Trong năm gần đơy, k t cấu nhịp sử dụng cho cacd vuợt nút Ngư Tư Vọng, nút Mai Dịch, nút Chư ng Dư ng,… Ti t diện ngang có dạng đặc, có lỗ rỗng Có thể thi cơng chổ lắp ghép Hình - Mặt cắt ngang k t cấu rỗng 1200/2 120 1200/2 50 50 50 200 15 Hình - Mặt cắt ngang k t cấu nhịp lắp ghép ti t diện chữ T 700/2 150 700/2 150 18 Hình - Mặt cắt ngang k t cấu nhịp bán lắp ghép ti t diện chữ I 84 320 250 140 700 780 250 130/2 1130/2 100 150 100 184 1470 1170 1030 1675 167 1540 22.5 15 1170 100 1470 1030 100 1540 735 1750 160 210 225 700 Hình - Mặt cắt ngang k t cấu nhịp bán lắp ghép ti t diện Super T I.4 PHỂN TệCH VÀ ĐỀ XUẤT MỘT S D NG CẦU CONG ÁP D NG Ở VI T NAM Qua tổng hợp phân tích dạng cầu cạn, cầu vượt cầu cong đư vƠ áp dụng th giới Việt Nam, số dạng k t cấu đề xuất áp dụng phù hợp với điều kiện kinh t - kỹ thu t công nghệ thi công Việt Nam Những k t cấu đề xuất dựa c s đảm bảo nguyên tắc c sau đơy: - Có cấu tạo đ n giản, dễ thi công, dễ đảm bảo chất lượng - Dễ tạo hình dáng khơng gian, có tính mỹ quan cao - Thu n tiện tu bảo dưỡng sửa chữa, đồng thời chi phí cho cơng tác - Chiều cao ki n trúc nhỏ, đảm bảo yêu cầu mỹ thu t - Chi m khơng gian cầu - Đáp ng y u tố hình học c a n (cong, chéo,…) mặt không gian - Phù hợp với tr̀nh độ công nghệ thi công Việt Nam 1.4.1 Các dạng k t cấu nhịp a- Kết cấu nhịp lắp ghép b- Kết cấu nhịp bản, sườn đổ chỗ c- Dầm T lắp ghép d- Dầm T ngược bán lắp ghép e- Dầm hộp đổ chổ bán lắp ghép 1.4.2 Các dạng k t cấu trụ a- Trụ đặc thân hẹp b- Trụ cột hay nhiều cột c- Trụ chữ Y ❖ K t lu n chư ng I Lu n văn đư tổng quan dạng k t cấu cầu cạn, cầu cong th giới Việt Nam, gồm k t cấu nhịp trụ Đó lƠ dạng k t cấu cầu đư sử dụng phổ bi n nút giao thông khác m c Các k t cấu nhịp mố trụ cần đạt yêu cầu khai thác, mỹ quan cơng trình, cơng nghệ thi cơng, tính kinh t - K t cấu nhịp: Nên sử dụng k t cấu đổ chổ, k t cấu nhịp dầm dầm sườn nhịp vừa nhỏ có bán kính cong nhỏ, k t cấu nhịp dầm hộp nhịp lớn có bán kính cong lớn - K t cấu trụ: Dùng dạng trụ đặc thân hẹp, trụ kiểu cột trụ chữ Y CHƯƠNG NGHIÊN CỨU CÁC THỌNG S BÁN KệNH CONG VÀ CHIỀU DÀI NHỊP HỢP Lụ CỦA KẾT CẤU CẦU CONG II.1 NGHIÊN CỨU TệNH TOÁN KẾT CẤU CẦU CONG 2.1.1 Nghiên c u tính tốn k t cấu cầu cong th giới - Trên th giới, lịch sử phát triển cầu cong gắn liền với lịch sử phát triển nút giao thông khác m c q trình phát triển giao thơng thị đại - Vào cuối năm 1980 vƠ đầu năm 1990, AASHTO vƠ FHWA đư thực việc xem xét lại toàn Tiêu chuẩn d n cho cầu đường cong mặt (AASHTO Guide Specifications for Horizontally Curved Highway Bridges) xuất lần đầu năm 1980 - Tiêu chuẩn thi t k cải ti n cầu đường dầm thép cong mặt (Improved Design Specifications for Horizontally Curved Steel Girder Highway Bridges), xuất năm 1993 thi t k theo hệ số tải trọng thi công - Chư ng tr̀nh nghiên c u đường phối hợp quốc gia NCHRP ti p tục nghiên c u cải ti n, vƠ đưa phiên vi t theo phư ng pháp thi t k theo hệ số tải trọng (LFD), vƠ xuất năm2003 - Các quy định thi t k dầm cong đư xuất ấn kỳ 2006 Interim c a Tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2.1.2 Nghiên c u tính tốn k t cấu cầu cong Việt Nam Tại Việt Nam, tiêu chuẩn thi t k thi công cầu biên soạn dựa c s Tiêu chuẩn thi t k c a Hoa Kỳ cụ thể: - Tiêu chuẩn thi t k cầu 22TCN272-05 - Tiêu chuẩn c s TCCS 02:2010/TCĐBVN II.2 NGUN LÝ TÍNH TỐN Trong tính tốn thi t k cầu cong cầu dầm thẳng phải giải quy t toán nội lực Do đặc tính hình học ph c tạp nên cầu cong chịu xoắn có tải trọng tác dụng tim cầu Mơmen xoắn thường tác dụng bất lợi đ n làm việc chung c a tồn cơng trình Việc tính tốn nội lực k t cấu cầu cong ph c tạp, ph c tạp tăng lên từ s đồ làm việc theo nguyên lý cong phẳng đ n cong khơng gian 2.2.1 Phư ng pháp tính tốn theo nguyên ĺ cong phẳng 2.2.2 Phư ng pháp tính tốn khơng gian c a k t cấu cong Phư ng pháp tính tốn khơng gian c a k t cấu cong gồm: phư ng pháp phần tử hữu hạn, dải hữu hạn, phư ng pháp sai phơn hữu hạn, v.v… u điểm c a phư ng pháp nƠy lƠ đư có sẵn chư ng tr̀nh tính tốn SAP, RM, STAAD,…đáp ng yêu cầu c a tốn 10 Hình - Mơ h̀nh cầu cong nhịp Hình 2 Biểu đồ momen xoắn gối Hình Biểu đồ lực cắt gối Hình Biểu đồ momen uốn ½ nhịp 11 Hình Biểu đồ M xoắn ½ nhịp ❖ S đồ 2: Nhịp liên tục gồm nhịp Hình - Mơ h̀nh cầu cong nhịp Hình Biểu đồ momen xoắn gối Hình Biểu đồ lực cắt gối 12 Hình Biểu đồ M uốn ½ nhịp Hình 10 Biểu đồ M xoắn ½ nhịp1 Hình 11 Biểu đồ momen uốn gối Hình 12 Biểu đồ momen xoắn gối 2.3.3 Nội dung tính tốn chiều dƠi nhịp thay đổi a- Ngun tắc tính tốn 13 ng với s đồ trên, ta tính nội lực với lần thay đổi chiều dài nhịp, sử dụng phần mềm MIDAS/Civil để tính nội lực - Trong lần tính đó, ta tính giá trị c a lực cắt Q, mômen uốn M, mômen xoắn Tk ti t diện nhịp gối - Đưa k t bảng, đồ thị nh n xét b- Kết tính tốn nội lực Dựa vào k t tính tốn nội lực mục II.3.2, ta thống kê lại k t tính toán nội lực sau: ❖ S đồ 1: Nhịp dầm giản đ n - Hình 13 Biểu đồ M xoắn gối Hình 14 Biểu đồ lực cắt gối Hình 15 Biểu đồ M uốn ½ nhịp 14 Hình 16 Biểu đồ M xoắn ½ nhịp ❖ S đồ 2: Nhịp liên tục nhịp Hình 17 Biểu đồ M uốn gối Hình 18 Biểu đồ M xoắn gối Biểu đồ nội lực s đồ nhịp sau: - Khi R< 60m L< 40m Biểu đồ mômen uốn 15 Biểu đồ mômen xoắn - Khi 60m