Tải bản đầy đủ

Thiết kế kỹ thuật cầu nguyễn văn trỗi day văng

Thiết kế kỹ thuật cầu Nguyễn Văn Trỗi-Trần Thị Lý
Cập nhật vào : 09:08 2013

Tham luận của WSP Finland Ltd. Helsinki, Phần Lan – đơn vị thiết kế cầu Nguyễn Văn Trỗi –
Trần Thị Lý tại hội thảo khoa học “Ứng dụng tiến bộ công nghệ trong phát triển và hoàn thiện
kết cấu hạ tầng giao thông đô thị thành phố Đà Nẵng” ngày 21/9/2012.
I. Giới thiệu chung
Cầu Nguyễn Văn Trỗi – Trần Thị Lý nằm ở thành phố Đà Nẵng, miền Trung Việt Nam, cách thủ đô
Hà Nội 764km về phía Bắc và cách thành phố Hồ Chí Minh 964km về phía Nam. Đây là một thành
phố cảng quan trọng thuộc vùng duyên hải Biển Đông, nằm trên trục đường bộ, đường sắt, đường
thuỷ, và đường hàng không Bắc – Nam. Cầu sẽ nối hai bờ sông Hàn, nối quận Hải Châu với các
quận Sơn Trà và Ngũ Hành Sơn.
Năm 2007, một cuộc thi phương án kiến trúc cầu Trần Thị Lý đã được thành phố Đà Nẵng tổ chức
với sự tham gia của nhiều Công ty Tư vấn quốc tế và trong nước.

Phương án của Tư vấn
TECCO5
Phương
án
của


vấn
TEDI

Phương án của Tư vấn
Nhật Bản
Phương án
của Tư vấn Trung Quốc


Phương án của Tư vấn WSP
(Phần Lan) – Phương án 1

Phương án của Tư vấn Phần
Lan WSP – Phương án 2
(Được lựa chọn)
Điểm đặc biệt trong Đồ án của WSP là đáp ứng được yêu cầu của Chủ đầu tư có một cây cầu độc
đáo về kiến trúc và kết cấu với độ cao lớn để làm điểm nhấn về cảnh quan. Việc lựa chọn trụ tháp
đơn nghiêng cao 145m và dây văng 3 mặt phẳng trong đó phần dây phía Tây bố trí xoắn không gian
như các cánh buồm đã đáp ứng tốt yêu cầu này, thể hiện nét độc đáo, hiện đại và khát vọng vươn
lên của thành phố Đà Nẵng. Đồ án cũng đã kết hợp thể hiện được kiến trúc hài hòa của nút giao
thông phía Đông và Tây cầu, nơi có bố trí các lối đi bộ lên cầu cũng như bố trí tượng đài hai nhân
vật lịch sử gắn với địa danh này là Nguyễn Văn Trỗi và Trần Thị Lý. Đồ án kiến trúc của WSP đã
đoạt giải nhất và WSP sau đó đã được giao nhiệm vụ thiết kế cơ sở và thiết kế kỹ thuật theo
phương án được chọn trong cuộc thi thiết kế kiến trúc này.
II. Tóm tắt nội dung thiết kế kỹ thuật cầu
1. Kết cấu nền móng cầu
Tất cả các trụ cầu được đặt trên hệ thống cọc khoan nhồi đường kính 1500mm. Khả năng chịu tải
của cọc đã được xác định theo phương pháp của tiêu chuẩn AASHTO 1998 LFRD. Để đạt được
khả năng chịu tải yêu cầu, cao độ đáy mũi cọc được đặt vào chiều sâu từ -45 tới -56. Phần mố So
được thiết kế đặt trên hệ móng cọc đóng BTCT 350x350mm.
2. Kết cấu trụ cầu
Tất cả các trụ trung gian phần cầu dẫn bao gồm hai cột tròn bê tông cốt thép. Các cột được thiết
kế với mặt cắt ngang đủ rộng để có vị trí đặt kích trong quá trình thay thế gối cầu.


Hình 2: Trụ cầu (S6 – S8)
Các trụ ở vị trí dưới nước (các trụ S6 – S8) được đỡ trên một bệ cọc bê tông cốt thép. Các trụ
phía gần bờ sông (trụ S9, S11) cũng tương tự các trụ dưới nước, nhưng bệ cọc được tách biệt,
không có liên kết ở giữa nối 2 khối lại với nhau. Hình dạng bệ cọc là khối hình chữ nhật. Các thân
trụ tại trụ S12 rộng hơn các thân trụ khác, có dạng hình oval. Mỗi thân sẽ có 2 gối để đỡ nhịp dầm


bản dự ứng lực và được đặt trên bệ cọc bê tông cốt thép và các cọc khoan nhồi.
Khe co giãn giữa cầu chính và cầu dẫn được đặt tại trụ S6. Các trụ được lắp đặt các gối để đỡ hai
dầm. Các thân trụ S6 có đường kính lớn hơn các các cột tại trụ khác nhằm đảm bảo bố trí được số
lượng gối cầu nhiều hơn.
Trụ S5
Hình dạng của trụ S5 đã được nghiên cứu để hợp lý hơn về mỹ quan cũng như tính kinh tế. Trụ
bao gồm kết cấu bê tông cốt thép hình elíp, đặt trên bệ trụ dày 4m trên hệ móng cọc gồm 58 cọc
khoan nhồi đường kính 1,5m.

Hình 3: Trụ cầu S5
3. Mố S0-S1
Mố S1 được liên kết cứng với kết cấu thượng bộ của cầu. Mố được đặt trên bệ mố dày 2m và các
cọc khoan nhồi đường kính 1,5m. Lớp bê tông bịt đáy không cốt thép phía dưới bệ mố được neo
vào bệ mố bằng các thanh cốt thép.
Các dây cáp văng của cầu được neo tại mố và kéo về sau mố. Phòng neo cáp được trang bị hệ
thống thông gió và lỗ thoát nước. Mố được dự ứng lực theo cả 2 hướng. Dự ứng lực theo phương
ngang được kéo mép tường sau của bệ mố. Dự ứng lực ngang được thiết kế kéo dự ứng lực từ khe
nối thi công. Dự ứng lực theo phương đứng được nối từ khu vực liên kết của kết cấu thượng bộ với
mố. Các tường có neo cáp cũng được dự ứng lực theo phương thẳng đứng.
Kết cấu đường chui tại bên trái phía cuối cầu (S0) được nối cứng với mố. Loại của kết cấu đường
chui là khung bản. Góc của khung được nối cứng. Hệ thống khung này được đặt trên hai hàng cọc
35x35cm. Phía dưới chân khung được liên kết với mố S1 bằng các thanh dầm BTCT.


4. Mố S13
Mố S13 là một loại kết cấu dạng tường chắn, gồm thân mố và tường cánh. Mố có một lối đi vào
phục vụ cho việc duy tu bảo dưỡng các gối và kiểm tra khe co giãn.
5. Kết cấu phần trên
5.1 Các nhịp từ S1 tới S5
Kết cấu thượng bộ từ trụ S1 tới S5 gồm một dầm hộp đôi bêtông dự ứng lực. Chiều dài của nhịp
biên là 50m. Các dầm đều được dự ứng lực theo phương dọc và bản mặt cầu theo phương ngang.

Hình 4: Mặt cắt ngang của dầm
nhịp biên
5.2 Các nhịp từ S5 tới S6
Nhịp chính giữa các trụ S5 và S6 là tổ hợp của dầm hộp đôi 2 ngăn bê tông dự ứng lực, được treo
bởi hệ thống dây cáp văng một mặt phẳng dây tại giữa cầu. Dầm hộp BTCT được tăng cứng bằng
các thanh giằng thép trong lòng. Khoảng cách giữa các thanh giằng thép là 3m theo phương dọc
cầu. Dầm cầu sẽ được căng cáp dự ứng lực theo cả phương dọc và phương ngang, được đặt ở
phía trên bản mặt cầu.

Hình 5: Mặt cắt ngang của dầm
nhịp chính
5.3 “Bàn trụ” trên trụ S5 (Khối Ko trên trụ S5)
Tại vị trí thay đổi kết cấu các dầm ở khu vực nối với trụ tháp cứng, một “bàn trụ” (khối Ko) được
bố trí. Bàn trụ này được dự ứng lực theo phương dọc như một phần của các dầm cầu. Phần hẫng
tại dầm ngang được dự ứng lực như trong mặt cầu và nó cũng được dự ứng lực để chống lại các
lực xoắn lớn tại khu vực gối và dầm gây ra.

Hình 6: Mặt cắt ngang của Bàn
trụ trên trụ S5
5.4 Các nhịp từ S6 tới S11


Kết cấu thượng bộ từ trụ S6 tới S11 gồm một dầm hộp đôi bêtông dự ứng lực, tương tự như ở
các nhịp biên của Cầu chính. Chiều dài chủ yếu của nhịp dẫn là 50m, trừ nhịp giữa các trụ S6-S7 có
chiều dài nhịp là 45m. Các dầm đều được dự ứng lực theo phương dọc và bản mặt cầu theo
phương ngang.
5.5 Các nhịp từ S11 tới S13
Cầu dẫn vượt trên đường Trần Hưng Đạo ở gần mố S13. Điểm hay của đồ án là đã dùng giải
pháp thêm trụ S12 để giảm chiều dài của nhịp, do đó có thể giảm chiều cao kiến trúc dầm vượt
đường. Phần chuyển tiếp từ dầm hộp sang dầm bản mỏng dùng một vòm parabol bố trí tại nhịp
S11-S12, vừa tạo được nét thẩm mỹ vừa là một giải pháp kết cấu hợp lý.

Hình 7: Mặt cắt ngang dầm (trụ
S11- trụ S13)
5.6 Kết cấu trụ tháp và dây văng
Trụ tháp là một tháp bằng bê tông cốt thép cao 145m tính từ mực nước biển và cao 134m tính từ
bản mặt cầu, nghiêng 12 độ về phía Tây cầu. Góc ngiêng của trụ tháp tạo tính thẩm mỹ cao về kiến
trúc cây cầu. Mặt cắt ngang của tháp có hình chữ V, mở về phía mố S1 theo hướng các cáp văng
về phía sau. Để có thể tối ưu về hệ nền móng tại trụ tháp, kết cấu trụ tháp liên kết cứng với dầm
mặt cầu và tựa trên trụ S5 thông qua hệ gối cầu hình chỏm cầu. Đây là một trong những gối chỏm
cầu có tải trọng lớn nhất thế giới từ trước đến nay, với sức chịu tải lên đến 25.000 tấn.
5.7 Gối cầu và khe co giãn
Gối chậu cao su di động theo phương dọc được sử dụng cho các trụ từ S2 tới S4.
Các gối được cố định phương ngang, còn các phương khác thì chuyển vị tự do để không gây ra
các tác động cưỡng bước.
Gối hình chỏm cầu cho phép chuyển vị theo phương dọc và ngang được lắp đặt tại vị trí trụ S5.
Có 4 gối hình cầu được đặt ở vị trí này. Hai gối lớn với tải trọng 25000 tấn được đặt ở phần giữa
của trụ cầu để chịu tải trọng lớn truyền từ trụ tháp xuống. Hai cái gối nhỏ hơn được đặt ở phía bên
ngoài để đỡ dầm và cân bằng cho trụ. Hai gối ở giữa được cố định theo phương ngang còn các gối
ở biên thì chuyển vị tự do. Khe co giãn được thiết kế tại trụ S6 và mố S13.


Hình 8: Gối chậu cao su (phía
trên), gối hình chỏm cầu (ở
dưới)
III. Thông tin tóm tắt về phương pháp phân tích kết cấu
1. Quy trình và tiêu chuẩn kỹ thuật
Tiêu chuẩn Việt Nam 22TCN 272-05 “Tiêu chuẩn thiết kế cầu” được áp dụng cho thiết kế dự án
cầu Nguyễn Văn Trỗi - Trần Thị Lý. Bổ sung thêm các tiêu chuẩn và hướng dẫn áp dụng:
• AASHTO (phiên bản năm 1998 hoặc sau) tiêu chuẩn thiết kế cầu theo LRFD.
• CEB-FIB Model Code 1990: tiêu chuẩn thiết kế (từ biến và co ngót).
2. Kết cấu hạ bộ
Tương tác giữa cọc và đất nền được mô tả với hệ số của phản lực đất nền. Mô hình đàn hồi được
dùng để phân tích ảnh hưởng của các lực ngang. Môi trường đàn hồi và/hoặc các chỉ tiêu của đất
sẽ được sử dụng để tính toán cho cọc theo tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05, phương pháp
phóng đại moment được áp dụng (điều 4.5.3.2).
3. Mố S1 và các trụ
Các trụ từ S2 tới S5 và mố S1 được phân tích với kết cấu hạ bộ bao gồm cả ảnh hưởng của đất
nền trong mô hình tính toán không gian 3 chiều. S1 truyền các lực từ cáp dây văng vào dầm chính
(nhịp biên) như một dầm hộp ngang. Dầm hộp chính được dự ứng lực để chống lại mô men (tường
sau). Sức nặng bản thân của bê tông mố (có tính vật liệu đổ bên trong) theo phương thẳng đứng
chống lại lực nâng lên của cáp văng. Thành phần lực cáp văng theo phương đứng được neo lại
bằng cáp dự ứng lực. Cũng liên kết mố neo với nhịp biên bằng dự ứng lực thẳng đứng.
4. Kết cấu thượng bộ
Phần cầu chính được phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) dùng phần mềm
RM2006. Phần cầu dẫn được phân tích bằng bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) dùng
phần mềm MIDAS/ Civil được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới.
Mô hình phân tích tổng thể dầm chính và dầm nhịp dẫn
Kết cấu thượng bộ được phân tích theo hướng dọc với các phần tử dầm 3D. Các phần tử dầm
được mô hình theo thiết kế hình học của cầu, có xét đến những thay đổi (thay đổi về chiều dày của
sườn dầm và cánh dầm, và thay đổi về chiều cao của dầm chính) trong mặt cắt ngang. Mô tổng thể
được tạo ra bằng việc kết hợp các dầm và dầm ngang tại khu vực gối cầu. Hiệu ứng độ vồng tới sự
ứng xử của cáp dây văng cũng được tính toán (theo công thức).

Hình 9: Mô hình phần tử hữu
hạn
Các đặc điểm mặt cắt ngang của được định nghĩa bằng sử dụng các mô hình phần tử solid để các
tính chất chịu xoắn vặn của các dầm hộp nhiều hình dạng khác nhau có thể được tính toán một
cách gần đúng.


Tác dụng của tải trọng xe cộ được xem xét đối với những điểm tới hạn của cầu với sự phân tích
về tính ảnh hưởng của nó. Phần mềm tự động đánh giá những vị trí chịu tải tới hạn để chọn ra hiệu
ứng tải bất lợi. Ứng suất, lực tác dụng hoặc chuyển vị có thể được nghiên cứu bằng sự phân tích
tính ảnh hưởng.

Hình 10: mặt đứng mô hình
phần tử hữu hạn a) trạng thái
cuối cùng
b) quá trình thi công
Các tính chất của mặt cắt ngang của các cấu kiện kết cấu của mô hình đã được định nghĩa theo
các kích thước của kết cấu. Các trụ cầu được mô hình liên kết với đất bằng các gối đàn hồi với 6
bậc tự do. Độ cứng của các gối đàn hồi được xác định bằng mô hình riêng lẻ có xem xét tới sự
tương tác lẫn nhau giữ kết cấu hạ bộ và đất nền. Các thay đổi của điều kiện các trụ cầu trong quá
trình thi công được mô hình theo phương pháp thi công đã thiết kế.
Phân tích đàn hồi tuyến tính từng giai đoạn phù hợp với các giai đoạn thi công đã được thực hiện.
Ảnh hưởng của co ngót, từ biến cũng đã được mô hình trong việc phân tích kết cấu.
Mô hình phân tích tổng thể trụ tháp
Phần mềm Lusa phiên bản 14 đã được sử dụng cho việc phân tích cầu bằng phương pháp phần
tử hữu hạn (FEM). Phần mềm này đã được sử dụng vì có xét tới khả năng ảnh hưởng phi tuyến
trong tính toán. Phi tuyến hình học được sử dụng trong trạng thái giới hạn cường độ. Tải trọng gió
lớn và độ mảnh theo phương ngang, cũng như ảnh hưởng của nứt trong bê tông đã được nghiên
cứu. Nứt trong bê tông đã được xem xét với vật liệu phi tuyến với hệ số mô men của đường cong
biểu diễn quan hệ với lực nén.
Các số liệu ban đầu phân tích trụ tháp (ứng suất ban đầu, lực cáp ban đầu) là từ việc phân tích
cầu chính và tải trọng lâu dài sau khi tải trọng tạm thời trong thi công và phương pháp đúc hẫng
cũng đã được tính toán cho trụ tháp. Tải trọng động đất được định nghĩa trong phân tích động riêng
(báo cáo bổ sung). Các tải trọng chính (tải trọng lâu dài, hoạt tải, tải trọng gió) từ phân tích phi
tuyến, tải trọng thứ cấp từ phân tích tuyến tính (tải trọng nhiệt độ, tải trọng lún, khác) và tải trọng
động đất đã được tổ hợp trong bản tính.

Hình 11: Mô hình phần tử hữu


hạn trụ tháp. Biến dạng dưới tải
trọng gió.
Các tính toán sức kháng của mặt cắt được làm với phần mềm Nén Uốn 2 trục (Kata). Đó là tiêu
chuẩn của Phần Lan dựa trên phần mềm để tính toán mặt cắt ngang chịu nén và mô men uốn 2
trục. Sức kháng uốn danh định được tính toán và kết quả về ứng suất, lực căng đã được kiểm tra
nhằm đảm bảo các giá trị giới hạn không vượt quá giới hạn. Sự phân bố của đườn parabol sứng
suất-lực căng được sử dụng ở trạng thái giới hạn cực hạn cho tính toán và giá trị số liệu ban đầu
được được định nghĩa để phù hợp với giá trị của tiêu chuẩn thiết kế.

Hình 12: Ba hình dạng nghiên
cứu khác nhau của chuyển vị
hình học trong tính toán
Chuyển vị lệch tâm 100mm và 20 dao động đầu tiên đã được sử dụng trong thiết kế như một sự
chuyển vị hình học của mô hình. Phân tích phi tuyến và tuyến tính đã được thực hiện với tải trọng
dọc trục lớn nhất của trụ tháp và đường bao ảnh hưởng tải trọng cũng được thêm vào cho các hiệu
ứng lực khác.
Các mô hình phân tích cục bộ
Các mô hình phân tích cục bộ riêng lẻ đã được xây dựng cho các thiết kế chi tiết. Mô hình phân
tích “chống giằng” (hay còn gọi là Sơ đồ hệ thanh) được mô hình bằng phần mềm Lusa. Trong các
mô hình này thì các phần tử dầm kích thước 3 chiều (3D) đã được sử dụng. Mô hình phần tử khối
(solid) đã được dùng để phân tích cho khối Ko trên trụ S5) và bệ trụ kê dưới trụ tháp.

Hình 13: Mô hình phần tử khối
của bệ trụ kê gối
Đối với khối Ko, phần tử khối 3D được sử dụng để kiểm tra mô hình “chống giằng” dưới trụ tháp
và giữa các loại dầm khác nhau. Mục tiêu của việc mô hình phần tử khối là để xác định được sự
phân bố ứng suất tuyến tính tại vị trí nguy hiểm nhất.


Hình 14: Mô hình phần tử khối
“bàn trụ”. Phân bố ứng suất
ngang do tĩnh tải.
IV. Kết luận
Với các nét độc đáo về kiến trúc và kết cấu của cây cầu, được thiết kế hài hòa với cảnh quan hai
đầu cầu, việc trao giải nhất cho Đồ án thiết kế này là xác đáng và cuộc thi kiến trúc này cũng là tiền
đề để các Tư vấn nội có cơ hội học hỏi, giao lưu và có tiến bộ trong lĩnh vực kiến trúc và kết cấu
cầu, một lĩnh vực tương đối mới ở Việt nam. Sự tiến bộ của các Tư vấn nội đã thể hiện rõ qua kết
quả cuộc thi kiến trúc cầu sau đó như cầu Nhật Lệ ở Quảng Bình, cầu vượt Ngã ba Huế ở Đà nẵng,
nơi các Tư vấn nội như Tư vấn 533, Tư vấn Đường sắt đã có các đồ án có chất lượng và đoạt giải,
được tin tưởng giao nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật. Việc các Kỹ sư Việt nam có cơ hội hợp tác với Tư
vấn ngoại trong công tác thiết kế, phân tích kết cấu, giám sát thi công và thi công kết cấu cầu phức
tạp này là một thành quả lớn đạt được trong Dự án này, giúp chúng ta có thể nắm vững công nghệ
thiết kế và thi công các công trình tương tự trong tương lai.
Cây cầu và cụm nút hai đầu cầu sau khi hoàn thành sẽ trở thành một điểm nhấn về cảnh quan có
thể thấy được từ trên máy bay, điểm thu hút du khách đến viếng thăm, vãn cảnh với các giá trị văn
hóa lịch sử được lưu giữ và phát huy./.



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×