Tài liệu Nghiên cứu lựa chọn tiết diện hợp lý của cầu dầm thép trong điều kiện bị khống chế về chiều cao

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐỖ TRƯNG NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN TIẾT DIỆN HỢP LÝ CỦA CẦU DẦM THÉP TRONG ĐIỀU KIỆN BỊ KHỐNG CHẾ VỀ CHIỀU CAO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG Đà Nẵng - Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐỖ TRƯNG NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN TIẾT DIỆN HỢP LÝ CỦA CẦU DẦM THÉP TRONG ĐIỀU KIỆN BỊ KHỐNG CHẾ VỀ CHIỀU CAO Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 60.58.02.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN XUÂN TOẢN Đà Nẵng - Năm 2017 LỜI CÁM ƠN Lần đầu tiên cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Quý Thầy Cô trường Đại học Bách Khoa nói chung và Quý Thầy Cô trong Bộ môn Xây dựng Cầu Đường, nói riêng. Cám ơn Thầy Cô đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức suốt hai năm học tập, nghiên cứu Cao học tại trường. Trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu tại trường đến nay, tôi đã nhận rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ trong học tập nghiên cứu, các Thầy Cô tạo nhiều thuận lợi để tôi có cơ hội học tập nghiên cứu cùng với Quý Thầy Cô, Khoa Xây dựng Cầu Đường. Với lòng ngưỡng mộ và biết ơn sâu sắc Thầy PTS.GS Nguyễn Xuân Toản – người đã định hướng, hướng dẫn, truyền đạt rất nhiều kiến thức quý báu trong suốt quá trình học tập nghiên cứu chương trình Cao học đến hướng dẫn luận văn cao học. Bước đầu nghiên cứu thực tế và chuyên sâu về đề tài nghiên cứu, vì kiến thức còn hạn chế, còn nhiều bỡ ngỡ, ..,.nên không tránh khỏi những thiếu sót, chưa hoàn thiện. Tôi rất mong sự đóng góp ý kiến quý báu của Quý Thầy Cô để luận văn hoàn thiện hơn. Lời cuối cùng, Tôi xin chúc Quý Thây Cô, khoa Xây Dựng Cầu Đường, trường Đại học Bách Khoa Đà Nẳng luôn hạnh phúc, thành công, niềm tin để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai sau. Đà Nẳng, ngày 20 tháng 9 năm 2017 Tác giả luận văn Đỗ Trưng LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Đỗ Trưng MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1.Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................................1 2. Đối tượng nghiên cứu .........................................................................................3 3. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................ 3 4. Mục tiêu nghiên cứu ...........................................................................................3 5. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................3 Chương 1 - SƠ LƯỢC VỀ CẦU DẦM THÉP, ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÌNH, ĐỊA CHẤT VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNGCẦU DẦM THÉP .............................................................................................. 4 1.1. Sơ lược về cầu dầm thép ..........................................................................................4 1.2. Đặc điểm địa chất ở đồng bằng sông Cửu Long ......................................................7 1.2.1. Cấu trúc địa chất............................................................................................... 7 1.2.2. Đặc điểm đất yếu ĐBSCL ................................................................................8 1.2.3. Sự phân bố đất yếu ở ĐBSCL .........................................................................9 1.2.4. Mặt cắt địa chất tiêu biểu tại khu vực vực .....................................................11 1.3. Đặc điểm hạ tầng giao thông ở vùng Đồng bằng sông Cửu Long .........................12 1.4. Khả năng ứng dụng cầu thép ở khu vực nông thôn ĐBSCL`` ............................... 16 1.5. Kết luận chương 1 ................................................................................................167 Chương 2 - CẤU TẠO VÀ CƠ SỞ THIẾT KẾ CẦU DẦM THÉP ........................18 2.1. Cấu tạo cầu dầm thép ............................................................................................. 18 2.1.1. Cấu tạo chung cầu dầm thép ..........................................................................18 2.1.2. Cấu tạo dầm chủ ............................................................................................. 19 2.1.3. Bản mặt cầu ....................................................................................................23 2.2. Cơ sở thiết kế cầu dầm thép ...................................................................................23 2.2.1. Nguyên tắc thiết kế.........................................................................................23 2.2.2. Xác định nội lực dầm chủ ..............................................................................25 2.2.3. Tiết diện chữ  chịu uốn .................................................................................27 2.2.4. Ảnh hưởng độ ổn định đến sức kháng uốn ....................................................30 2.2.5. Sức kháng cắt tiết diện chữ  ..........................................................................37 2.3 Kết luận chương 2 ...................................................................................................37 Chương 3 - TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN TIẾT DIỆN HỢP LÝ CỦA DẦM THÉP KHÔNG LIÊN HỢP VỚI BẢN BTCT .........................................................38 3.1. Mở đầu ....................................................................................................................38 3.2. Xác định nội lực trong kết cấu nhịp Lnhịp 26 m ......................................................38 3.2.1. Các số liệu cơ bản và tải trọng .......................................................................38 3.2.2. Hệ số phân phối ngang cho dầm biên ............................................................ 39 3.3. Nội lực trong kết cấu nhịp Lnhịp 24m, 28m, 30m, 32m ........................................44 3.3.1 Tổ hợp các nội lực do tĩnh tải và hoạt tải gây ra với nhịp Lnhịp 24m ............44 3.3.2 Tổ hợp các nội lực do tĩnh tải và hoạt tải gây ra với nhịp Lnhịp 28m ............44 3.3.3 Tổ hợp các nội lực do tĩnh tải và hoạt tải gây ra với nhịp Lnhịp 30m ............44 3.3.4 Tổ hợp các nội lực do tĩnh tải và hoạt tải gây ra với nhịp Lnhịp 32m ...........45 3.4. Sức kháng uốn và sức kháng cắt trong dầm theo TTGH cường đô I: ....................45 3.5. Tính toán, lựa chọn tiết diện hợp lý cho kết cấu nhịp Lnhịp 24m ............................ 46 3.6. Tính toán, lựa chọn tiết diện hợp lý cho kết cấu nhịp Lnhịp26m ............................. 50 3.7. Tính toán, lựa chọn tiết diện hợp lý cho kết cấu nhịp Lnhịp 28m ............................ 54 3.8. Tính toán, lựa chọn tiết diện hợp lý cho kết cấu nhịp Lnhịp 30m ............................ 58 3.9. Tính toán, lựa chọn tiết diện hợp lý cho kết cấu nhịp Lnhịp32m ............................. 62 3.10. Kết luận chương 3 ................................................................................................ 62 KẾT LUẬN ..................................................................................................................67 TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN TIẾT DIỆN HỢP LÝ CỦA CẦU DẦM THÉP TRONG ĐIỀU KIỆN BỊ KHỐNG CHẾ VỀ CHIỀU CAO Học viên: Đỗ Trưng Chuyên ngành: Kỹ thuật XDCT giao thông Mã số: 60.58.02.05 Khóa K31 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt – Luận văn đã tìm hiểu về cầu dầm thép, đặc điểm địa hình, địa chất và khả năng ứng dụng cầu dầm thép vào khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long. Qua kết quả thu thập về địa hình, địa chất của vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long cho thấy cầu dầm thép có khả năng đáp ứng được hầu hết các yêu cầu trong khu vực. Trong trường hợp bị khống chế về chiều cao nền đất đắp tại hai đầu cầu dẫn đến hạn chế về chiều cao của cầu, việc lựa chọn được tiết diện hợp lý của dầm trong điều kiện về chiều cao sẽ tạo ra khả năng ứng dụng rộng rãi cho loại cầu này trong khu vực. Trên cơ sở nghiên cứu cấu tạo và cơ sở lý thuyết thiết kế cầu dầm cầu thép, học viên đã ứng dụng vào tính toán lựa chọn tiết diện hợp lý của cầu dầm thép không liên hợp trong điều kiện bị khống chế cao theo Tiêu chuẩn Thiết kế cầu 22TCN- 272-05. Qua kết quả phân tích tính toán với chiều dài nhịp 24m, 26m, 28m, 30m, 32m học viên đã lựa chọn được các tiết diện hợp lý của dầm thép không liên hợp trong điều kiện bị khống chế về chiều theo trạng thái giới hạn cường độ I. Từ khóa – Đồng Bằng Sông Cửu Long, cầu dầm thép. RESEARCH ON REASONING OF STEEL GIRDER BRIDGE IN HIGH LIMIT CONDITION Learner: Do Trung - Specialization: Engineering construction traffic. Code: 60.58.02.05 - Course K31- University of Technology - University of Da Nang. Abstract: The thesis has explored steel girder bridge, terrain features, geology and the ability to apply steel girder bridge into the Mekong Delta. The result of the geological survey of the Mekong Delta shows that the steel girder bridge is capable of meeting most of the requirements in the area. In the case of high limit, fill ground at both ends of the bridge leads to limit of the height of the bridge, the choice of reasonable cross section of the girder in height condition will create usability, Widely used for this type of bridge in the area. Based on the study of the structure and theoretical basis for the design of the girder bridge, participants have applied to calculate the reasonable cross section of unconverted steel girder bridge under high constrained conditions according to Standard Bridge design 22TCN-272-05. Based on the results of the analysis with 24m, 26m, 28m, 30m, 32m cadence, learner selected the reasonable sections of unmodified steel girders in the condition of height restraint according to the gender state term of intensity I. Keyword: Mekong Delta, steel girder bridge. DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 2.1. 3.1. `3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8. 3.9. 3.10. 3.11. 3.12. 3.13. 3.14. 3.15. 3.16. 3.17. 3.18. 3.19. 3.20. Tên bảng Tỷ số ứng suất cắt mất ổn định với cường độ cắt chảy Nội lực M do tỉnh tải gây ra ở các TTGH Nội lực V do tỉnh tải gây ra ở các TTGH Nội lực M do hoạt tải gây ra ở các TTGH Nội lực V do hoạt tải gây ra ở các TTGH Bảng tổng hợp M do hoạt tải, tình tải gây ra ở các TTGH Bảng tổng hợp V do hoạt tải, tình tải gây ra tại gối ở các TTGH Bảng tổng hợp M do hoạt tải, tình tải gây ra ở các TTGH Bảng tổng hợp V do hoạt tải, tình tải gây ra tại gối ở các TTGH Bảng tổng hợp M do hoạt tải, tình tải gây ra ở các TTGH Bảng tổng hợp V do hoạt tải, tình tải gây ra tại gối ở các TTGH Bảng tổng hợp M do hoạt tải, tình tải gây ra ở các TTGH Bảng tổng hợp V do hoạt tải, tình tải gây ra tại gối ở các TTGH Bảng tổng hợp M do hoạt tải, tình tải gây ra ở các TTGH Bảng tổng hợp V do hoạt tải, tình tải gây ra tại gối ở các TTGH Kết quả tính toán Mp, Mu với A (mm2) dầm thay đổi, Lnhịp 24m Kết quả tính toán Mp, Mu với A (mm2) dầm thay đổi, Lnhịp 26m Kết quả tính toán Mp, Mu với A (mm2) dầm thay đổi, Lnhịp 28m Kết quả tính toán Mp, Mu với A (mm2) dầm thay đổi, Lnhịp 32m Kết quả tính toán Mp, Mu với A (mm2) dầm thay đổi, Lnhịp 32m Tổng hợp kết quả lựa chọn tiết diện hợp lý cho 5 loại nhịp Trang 37 41 41 43 43 43 44 44 44 44 44 44 45 45 45 46 50 54 58 62 66 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. 1.8. 1.9. 1.10. 1.11. 1.12. 1.13. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8. 2.9. 2.10. 2.11. 2.12. 2.13. 2.14. 2.15. 2.16. 2.17. 2.18. 2.19. 2.20. 3.1. Tên hình Cầu Xẻo Bẻo, Đồng Tháp, nhịp 24m Cầu Kênh Xáng, Đồng Tháp Cầu Nắm Hin Bon (Lào) Cầu Năm Căn, Cà Mau. Sự phân bố đất yếu ở ĐBSCL Mặt cắt địa chất tiêu biểu tại khu vực ĐBSCL Cầu qua kênh cặp Đê Tầm Phương, Châu Thành, Trà Vinh Cầu kênh N18, Nhị Long, Trà Vinh Cầu rạch Cần Chông, Tiểu Cần, Trà Vinh Cầu tạm qua kênh cấp II, ấp 7, An Trường, Trà Vinh Cầu qua kênh Xáng, Đồng Tháp Cầu kênh cấp II, xã Đông Hải. huyện Duyên Hải Cầu Lương Thực, Cà Mau. Cấu tạo chung cầu dầm thép Cầu kênh 3 tháng 2,Phong Phú, Vĩnh Long. Tiết diện chữ  dầm cán Dầm cán có bản táp Chiều dài bản táp và các biểu đổ mô men Một số tiết diện dầm tổ hợp Các dạng tiết diện dầm thép Dầm delta Tiết diện dầm lai Sườn tăng cường ngang và dọc Các dạng sườn tăng cường gối Các dạng sườn tăng cường ống Bố trí sườn tăng cường dọc Mặt bằng liên kết dọc Cấu tạo khung ngang Trọng lượng dầm  Sự phát triển ứng suất chảy Đường cong quan hệ mô men và độ cong lý tưởng Ứng xử ba loại tiết diện Mất ổn định xoắn ngang Sơ đồ bố trí chung mặt cắt ngang cầu Trang 5 5 6 6 10 11 13 13 14 14 15 15 16 18 19 19 19 20 20 20 21 21 21 22 22 22 23 23 25 28 28 29 30 39 Số hiệu hình 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8. 3.9. 3.10. 3.11. 3.12. 3.13. 3.14. 3.15. 3.16. 3.17. 3.18. 3.19. 3.20. 3.21. 3.23. 3.24. Tên hình Đường ảnh hưởng M tại mặt cắt L/2 Đường ảnh hưởng M tại mặt cắt 3L/8 Đường ảnh hưởng M tại mặt cắt L/4 Đường ảnh hưởng lực cắt V tại gối Đường ảnh hưởng mômen tại mặt cắt L/2 Đường ảnh hưởng mômen tại mặt cắt 3L/8 Đường ảnh hưởng mômen tại mặt cắt L/4 Xếp xe lên đường ảnh hưởng lực cắt V tại gối Biểu đồ quan hệ A, Mp và Mu với Lnhịp 24m Biểu đồ quan hệ A, fb và fu với Lnhịp 24m Mặt cắt ngang dầm loại L nhịp 24m Biểu đồ quan hệ A, Mp và Mu với Lnhịp 26m Biểu đồ quan hệ A, fb và fu với Lnhịp 26m Mặt cắt ngang dầm loại L nhịp 26m Biểu đồ quan hệ A, Mp và Mu với Lnhịp 28m Biểu đồ quan hệ A, fb và fu với Lnhịp 28m Mặt cắt ngang dầm loại L nhịp 28m Biểu đồ quan hệ A, Mp và Mu với Lnhịp 30m Biểu đồ quan hệ A, fb và fu với Lnhịp 30m Mặt cắt ngang dầm loại Lnhịp 30m Biểu đồ quan hệ A, fb và fu với Lnhịp 32m Mặt cắt ngang dầm loại L nhịp 32m Trang 40 40 41 41 42 42 42 42 47 49 50 51 53 53 55 57 57 59 61 61 65 66 1 MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của đề tài Vùng đồng bằng sông Cửu Long rộng lớn có diện tích khoảng 39.000km2 với dân số khoảng 20 triệu người. Phần lớn dân số tham gia sản xuất nông nghiệp. Diện tích trồng lúa khoảng 2,3 triệu ha , chiếm hơn 40% diện tích trồng lúa của cả nước. Sản lượng đầu ra của lúa gạo đạt gần 50%. ĐBSCL không chỉ góp phần đưa Việt Nam từ một nước thiếu lương thực triền miên vươn lên ổn định kinh tế vĩ mô mà còn trở thành nước dẫn đầu về xuất khẩu gạo trên thế giới (chiếm 90% lượng gạo xuất khẩu của cả nước). ĐBSCL cũng góp 70% sản lượng thủy sản, 60% sản lượng trái cây của cả nước. Năm 2015, kinh tế - xã hội vùng tiếp tục phát triển và đạt được một số kết quả đáng khích lệ. Sản lượng lúa thu hoạch 25,7 triệu tấn, thủy sản gần 3,9 triệu tấn, cây ăn trái tiếp tục phát triển cả về diện tích và sản lượng; giá trị sản xuất công nghiệp đạt trên 587.000 tỷ đồng, xuất khẩu đạt 13,1 tỷ USD; nhập khẩu 5,96 tỷ USD; tổng mức bán lẻ hàng hóa và doanh thu dịch vụ đạt trên 693.000 tỷ đồng; tổng vốn đầu tư toàn xã hội trên 258.600 tỷ đồng. Bên cạnh những thành tựu mà ĐBSCL góp phần tăng trưởng kinh tế xã hội, cải thiện đời sống cả vật chất, tinh thần nhân dân trong vùng, phát triển sản xuất nông nghiệp, thủy sản công nghệ cao, gia tăng giá trị nông, thủy 2 sản vùng ĐBSCL để tăng ngày càng xuất khẩu ra thế giới, Nhà nước đang thực hiện nhiều dự án kêu gọi các nhà đầu tư, các doanh nghiệp đầu tư vào lĩnh vực nông nghiệp, thủy sản công nghệ cao, đẩy mạnh thu hút đầu tư góp phần khẳng định vị thế của ĐBSCL trong giai đoạn đi lên công nghiệp hóa hiện đại hóa, tham gia hội nhập Vùng ĐBSCL có thế mạnh về giao thông đường thủy vì có mạng lưới sông ngòi khá dày đặc với hai trục sông chính là sông Tiền và sông Hậu vùng ĐBSCL cùng với nhiều con sông lớn khác. Giao thông đường thủy, bộ ở kết nối với hai sông lớn sông Hậu, sông Tiền tạo thành mạng lưới giao thông thủy bộ từng tiểu vùng, liên vùng rất phát triển, góp phần quan trọng vận chuyển hàng hóa nông thủy sản và nuôi trồng ở ĐBSCL với quy mô hàng triệu tấn / năm, hệ thống giao thông thủy bộ giúp nông sản hàng hóa vùng ĐBSCL sẽ đến nhanh hơn với các trung tâm kinh tế lớn của cả nước. Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là vùng đất có nhiều thế mạnh để phát triển kinh tế - xã hội, trong đó tiềm năng phát triển nông nghiệp to lớn, là vựa lúa của cả nước, là khu vực nuôi trồng, xuất khẩu nông, thủy hải sản lớn nhất nước ta. Tuy nhiên "điểm nghẽn" của quá trình phát triển khu vực ĐBSCL chính là cơ sở hạ tầng giao thông chưa đáp ứng nhu cầu để các địa phương khai thác hết tiềm năng, thế mạnh của vùng. Tại hội nghị, nhiều đại biểu các bộ ngành trung ương và địa phương khu vực ĐBSCL nêu rõ, trong thời gian qua, so với tình hình chung của cả nước thì kết cấu hạ tầng giao thông của vùng ĐBSCL vẫn chưa phát triển, còn tồn tại nhiều bất cập cần phải quan tâm khắc phục: Chưa được chú trọng đầu tư đúng mức hệ thống giao thông nhằm gắn kết giữa sản xuất và tiêu thụ nguyên nhân tác động mạnh mẽ đến các mục tiêu phát triển kinh tế xã hội của các địa phương trong vùng ĐBSCL. Bên cạnh đó, tình hình đầu tư cũng như thu hút đầu tư để phát triển kết cấu hạ tầng giao thông còn yếu kém, chưa tạo sự đột phá và chưa quan tâm đến việc đầu tư phát triển lĩnh vực đường thủy nội địa của vùng dẫn đến ảnh hưởng đến giảm tốc độ tăng trưởng kinh tế. Hệ thống hạ tầng giao thông yếu kém, chưa đồng bộ, năng lực của giao thông đường thủy bộ chỉ đáp được một phần nhỏ, nên hằng năm lượng hàng hóa nông sản dư thừa khoảng 4 triệu tấn, được bán với giá thấp, khó khăn tiếp cận thị trường gây nhiều thiệt hại cho nông dân. Hệ thống giao thông chưa đáp ứng tốc độ phát triển về quy mô và cơ cấu kinh tế ở vùng ĐBSCL, chưa sẳn sàng đáp ứng phục vụ cho nền sản xuất nông nghiệp cao nghệ cao hướng đến xuất khẩu hàng hóa Việt Nam ra thị trường nước ngoài, cũng làm nản lòng các doanh nghiệp đầu tư vào nền nông nghiệp công nghệ cao theo chỉ đạo của chính phủ. Là vùng kinh tế nông nghiệp xuất khẩu nông sản chủ lực của cả nước, hiện nay ĐBSCL có đến 80% khối lượng hàng hóa phải vận chuyển bằng đường bộ lên các cảng tại TP HCM để xuất khẩu, ngoài ra tạo động lực thu hút cho doanh nghiệp đầu 3 tư vào vùng ĐBSCL, nếu hạ tầng giao thông phát triển hạ làm giảm chi phí cho doanh nghiệp và cho xã hội, tạo điều kiện cho các sản phẩm nông sản của người dân ĐBSCL có cơ hội giao thương với các sản phẩm khác trong các vùng của cả nước, khu vực và thế giới”. Thế nhưng, hệ thống đường bộ trong toàn khu vực vẫn còn yếu kém, chưa phát triển, chưa đáp ứng tốc độ phát triển kinh tế của vùng. Chính vì thế, xây dựng và phát triển hệ thống kết cấu hạ tầng giao thông vận tải đang là đòi hỏi và nhu cầu bức xúc của ĐBSCL. Qua nghiên cứu các đặc điểm về địa hình, địa chất, cơ sở hạ tầng giao thông vùng ĐBSCL cầu dầm thép có khả năng đáp ứng được hầu hết các yêu cầu trên, hướng phát triển trong tương lai dầm cầu thép được sử dụng rộng rãi đáp ứng cho các nhu cầu phát triển kinh tế xã hội vùng đồng bằng sông Cửu Long bởi những ưu điểm sau: Cầu dầm thép có nhiều ưu điểm như có kết cấu thanh mảnh gọn nhẹ, cấu tạo dầm thép I đơn giản, được chế tạo tại nhà xưởng theo mẫu định hình được tính toán theo các tiêu chuẩn hiện hành với khả năng chịu lực và vượt nhịp khá lớn, chế tạo công nghiệp, có thể lắp đặt, thi công dễ dàng và nhanh chóng với địa hình khó khăn mà các loại cầu dầm bê tông nặng nề, khó vận chuyển, thi công đòi hỏi trang thiết bị nặng nề, cồng kềnh khó vận chuyển đến nơi thi công, thậm chí nhiều nơi không vận chuyển, thi công được; chỉ có công nghệ thi công cầu dầm thép với ưu điểm vượt trội chiều dài nhịp lớn, đôi lúc những địa hình qua kênh, rạch nhỏ không cần trụ cầu. Tuy nhiên, những ưu điểm dầm cầu thép đã nêu trên với đặc điểm riêng có địa hình, địa chất ở ĐBSCL cần phải nghiên cứu thêm điều kiện xây dựng cầu dầm thép đảm bảo chiều cao, khoảng thông thuyền lớn, giảm về chiều cao kiến trúc cầu đến thấp nhất. Do đó Đề tài “Nghiên cứu lựa chọn tiết diện hợp lý của cầu dầm thép trong điều kiện bị khống chế về chiều cao ” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn nhất định có thể áp dụng ở một số vùng ĐBSCL. 2. Đối tượng nghiên cứu Cầu dầm thép không liên hợp ứng dụng vùng đất yếu Đồng bằng sông Cửu Long. 3. Phạm vi nghiên cứu Xác định tiết diện hợp lý của cầu dầm thép trong điều kiện bị khống chế về chiều cao theo trạng thái cường độ I. 4. Mục tiêu nghiên cứu Qua nghiên cứu đặc điểm ở đồng bằng sông Cửu Long, mục tiêu là tìm ra dạng cầu dầm thép, đạt yêu cầu các đặc điểm như: khoảng thông thuyền, độ cao lớn đũ cho giao thông thủy; chế tạo, thi công, lắp đặt dễ, áp dụng rộng rãi ở một số vùng ĐBSCL. 5. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết vào tính toán xác định tiết diện dầm. 4 Chương 1 - SƠ LƯỢC VỀ CẦU DẦM THÉP, ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÌNH, ĐỊA CHẤT VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNGCẦU DẦM THÉP 1.1. Sơ lược về cầu dầm thép Cầu dầm thép đã có từ đầu những kỹ nguyên này, hình thành và phát triển nhanh trên toàn thế giới, khoảng thế kỷ thứ 18 thế giới đã có cầu vòm thép, cầu treo dây xích, sang thế kỷ 19 xuất hiện cầu dầm gang. Ngày nay những tiến bộ khoa học kỹ thuật thúc đẩy công nghệ sản xuất vật liệu thép, nhờ đó công nghệ xây dựng cầu thép cũng phát triển mạnh mẽ. Thép là loại vật liệu với nhiều ưu điểm được sử dụng rất rộng rãi trong xây dựng kết cấu hạ tầng giao thông. Thép cung cấp nhiều lợi thế trong việc xây dựng cầu bởi những tính năng ưu việt như cường độ cao, thời gian thi công nhanh, tính linh động cao, dễ duy tu bảo dưỡng, có thể tái sử dụng và tuổi thọ dài. Tính chịu lực cao với tất cả các loại ứng suất: kéo , nén uốn cắt….,có thể dùng chế tạo tất cả các dạng cầu khác nhau như dầm, dàn, vòm, treo và các hệ liên hợp Thép có độ bền cao, trụng lượng bản thân nhẹ nên cầu thép có thể vượt những nhịp rất lớn Thép có cường độ cao, modun đàn hồi lớn, độ cứng lớn, đảm bảo độ ổn định dưới tác dụng của tải trọng gió, tải trọng có chu kì (tải trọng lặp hay tải trọng mỏi) Sự phá hoại dẻo- phá hoại kèm theo biến dạng lớn- gây phân bố lại nội lực và ứng suất nên cầu thép có khả năng chịu tải trọng xung kích và ứng suất tập trung tốt. Có khả năng chịu lực lớn và độ tin cậy cao. Cầu thép có khả năng chịu lực lớn, độ tin cậy cao do vật liệu thép có cường độ lớn nhất trong các vật liệu xây dựng. Độ tin cậy cao là do cấu trúc thuần nhất của vật liệu, sự làm việc đàn hồi và dẻo của thép gần sát với lý thuyết tính toán. Sự làm việc thực tế của cầu thép phù hợp với lý thuyết tính toán. Trọng lượng nhẹ. Kết cấu cầu thép nhẹ nhất trong số các loại kết cấu cầu, để đánh giá phẩm chất “nhẹ” của vật liệu người ta thường dùng hệ số c là tỷ số giữa trọng lượng riêng và cường độ chịu lực của nó. Tính cơ động trong vận chuyển, lắp ráp. Do trọng lượng nhẹ, việc vận chuyển và lắp dựng các cấu kiện thép dễ dàng và nhanh chóng, có thể dùng trong các công trình cầu tạm cũng như cầu vĩnh cửu Tính công nghiệp hóa cao.Do sự sản xuất vật liệu hoàn toàn trong nhà máy, và sự chế tạo cấu kiện thép được làm chủ yếu trong các nhà máy chuyên ngành hoặc ít ra cũng dùng những loại máy móc thiết bị chuyên dụng, thích hợp nhất với điều kiện cơ giới hóa triệt để. Ngoài những ưu điểm trên, cầu thép còn những tồn tại cần khắc phục như: 5 - Chi phí duy tu bảo dưỡng khá cao so với cầu dùng vật liệu khác. Hiện nay cầu thép thường dùng cho các kết cấu nhịp cầu lớn hơn 30m trên đường ô tô. Với cầu đường sắt thường sử dụng cầu dầm thép và giàn thép do tải trọng tác dụng là tải trọng lớn, tải trọng lặp và gây phá hoại mỏi, trong khi thép chịu tải trọng lặp và mỏi rất tốt. Cầu dầm thép bao gồm kết cấu nhịp đơn giản 1 nhịp hoặc nhiều nhịp, liên tục và mút thừa nhiều nhịp có tiết diện chữ I, H, Π, hình hộp... (Hình1.1, 1.2, 1.3). Hình 1.1.Cầu Xẻo Bẻo, Đồng Tháp, nhịp 24m Hình 1.2. Cầu Kênh Xáng, Đồng Tháp 6 Hình 1.3. Cầu Nắm Hin Bon (Lào) Kết cấu cầu dầm thép trên thế giới và Việt Nam phổ biến nhất là nhịp đơn giản có liên hợp hoặc không liên hợp với bản mặt cầu bằng bê tông cốt thép. Do tính phức tạp trong sản xuất và thi công nên phần lớn cầu dầm thép liên tục và mút thừa được xây dựng ở các nước phát triển. Ở Việt Nam và khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long sử dụng loại kết cấu nhịp đơn giản là chủ yếu vì nó phù hợp với khả năng sản xuất, lắp đặt và trình độ và năng lực trong nước. Hình 1.4. Cầu Năm Căn, Cà Mau. Cầu dầm thép nhịp đơn giản có những ưu điểm: Không phát sinh nội lực do lún lệch của mố trụ cầu, do thay đổi nhiệt độ ... kết cấu đơn giản, dễ định hình hóa có thể sản xuất hành loạt trong nhà máy, hư hỏng cục bộ không ảnh hưởng đến toàn cầu. 7 Tuy nhiên cầu dầm thép nhịp đơn giản còn tồn tại hạn chế: Kết cấu nặng nề và tốn thép nhiều hơn cầu dầm liên tục và mút thừa, kết cấu trụ lớn hơn so với cầu liên tục so với cầu dầm liên tục và mút thừa do trụ phải đỡ hai hàng gối lệch tâm, đường đàn hồi không liên tục nên xe chạy qua cầu không thuận. Các cầu dầm nhịp đơn giản (hình 1.1, 1.2) nói chung kinh tế đối với các nhịp nhỏ, khoảng 30 m. Do kết cấu đơn giản, thi công thuận lợi, giá thành hợp lý nên cầu dầm vẫn dùng cho những nhịp lớn đến 50 m, thậm chí có thể hơn. 1.2. Đặc điểm địa chất ở đồng bằng sông Cửu Long 1.2.1. Cấu trúc địa chất Theo kết quả nghiên cứu của Tồng cục địa chất cho rằng cấu trúc ĐBSCL có dạng bồn trũng theo hướng Đông Bắc - Tây Nam mà trung tâm bồn trũng có thể là vùng kẹp giữa Sông Tiền và Sông Hậu, khu vực này móng sâu tới 900 m (tài liệu hố khoan CL1 của Tổng cục dầu khí). Vây quanh vùng trung tâm là các vùng cánh của bồn trũng và xa hơn các đới nâng cao của móng đá lộ ra ở Bình Dương, Đồng Nai, Tây Ninh (miền Đông Nam Bộ) bên kia là đá núi Hà Tiên, An Giang, vịnh Thái Lan. 8 Các tài liệu nghiên cứu phần lộ điều cho thấy tuổi của móng đá trước Kanozoi (khoảng trên 65 triệu năm). Phủ trên mặt móng đá là tập hợp các thành tạo bời rời có tuổi từ Neogen đến đệ tứ, trên cùng là tầng trầm tích trẻ (trầm tích Hologen) có tuổi khoảng 15.000 năm có chiều sâu tới 110 m, đây cũng chính là tầng yếu của móng mặt, móng của các công trình chủ yếu đặt trên tầng đất yếu này. Chiều dày lớp trầm tích Holoxen trên biến đổi từ 9 đến 20 m, trung bình 15m. Toàn bộ chiều dày trầm tích Holoxen tới 100m. Tầng bồi tích cổ hay bồi tích Pleixtoxen.Tại khu vực đồng Bằng Sông Cửu Long, trầm tích này gồm 3-5 tập hạt mịn xen kẹp với 3-5 tập hạt thô, mỗi tập tương ứng với một Pleixtoxen trên, giữa và dưới. Mỗi tập hạt mịn có chiều dày từ 1-2 m đến 40-50m, các tập hạt thô được đặt trưng bề dày thay đổi từ 4-85m. 1.2.2. Đặc điểm đất yếu ĐBSCL (Theo tài liệu nghiên cứu của GS.TSKH.Nguyễn Văn Thơ) Tầng trầm tích mới ĐBSCL là đối tượng nghiên cứu chủ yếu về mặt địa chất công trình. Các lớp đất chính thường là loại sét hữu cơ và sét thông hữu cơ trạng thái độ sệt khác nhau. Ngoài ra còn gặp những lớp đất cát, sét bùn lẫn vỏ sò sạn laterit. Ngay trong sét còn gặp các vệt cát mỏng. Dựa theo hình trụ các hố khoan trong phạm vi độ sâu khoảng 30m của các công trình thuỷ lợi thuộc các tỉnh Long An, Tiền Giang, Cửu Long, Hậu Giang, Cà Mau, Bạc Liêu, Thành phố Hồ Chí Minh … có thể phân chia các lớp đất như sau: 1) Lớp đất trên mặt: Dày khoảng 0.5-1.5 m, gồm những loại sét hạt bụi đến hạt cát, có màu xám nhạt đến vàng xám. Có nơi là bùn sét hữu cơ màu xám đen. Lớp này có nơi nằm trên mực nước ngầm có nơi dưới mực nước ngầm (vùng sình lầy) 2) Lớp sét hữu cơ: Nằm dưới lớp mặt là lớp sét hữu cơ, có chiều dày thay đổi từ 3-4 m, (Long An ), 9-10 m (Thạch An , Hậu Giang) đến 18-20 m (vùng Long Phú Hậu Giang ). Chiều dày lớp này tăng dần về phía biển. Lớp sét hữu cơ thường có màu xám đen, xám nhạt hoặt màu vàng nhạt. Hàm lượng sét chiếm khoảng 40-70%. Hàm lượng hữu cơ thường gặp là 2-8 %, các chất hữu cơ phân giải gần hết. Ở lớp gần mặt thường có những khối hữu cơ ở dạng than bùn. 3) Lớp sét cát lẫn ít sạn, mảnh vụn laterit là vỏ sò hoặc lớp cát: Lớp này dày khoảng 3-5m, thường nằm chuyển tiếp giữa sét lớp hữu cơ với lớp sét không hữu cơ. Cũng có nơi như Mỹ Tứ (Hậu Giang) lớp cát lại nằm giữa lớp đất sét. Lớp này không liên tục trên tồn vùng ĐBSCL. Một số tài liệu thu được ở Hậu Giang và sông Sài Gòn cho biết: lớp cát có độ ẩm tự nhiên W= 32–35% dung trọng tự nhiên  w = 1.69-1.75 T/m3, góc ma sát trong  = 29-300 4) Lớp đất sét không lẫn hữu cơ : 9 Lớp đất sét này khá dày xuất hiện ở các độ sâu khác nhau.Một số hố khoan Long An cho thấy: lớp đất sét tương đối chặt nằm chặt cách mặt đất 3-4 m. Ở những nơi khác lớp đất sét tương tự nằm cách mặt khảng 9-10 m (Thạch An , Hậu Giang), 15-16 m (Vĩnh Qui, Tân Long, Hậu Giang), 25-26 m (Mỹ Thanh, Hậu Giang), càng gần ven biển, lớp đất sét càng nằm sâu cách mặt đất tự nhiên. 1.2.3.Sự phân bố đất yếu ở ĐBSCL 1) Khu vực I : Khu đất sét màu xám nâu, xám vàng (bmQIV) bao gồm các loại đất sét, á sét màu xám nâu, có chỗ đất mềm yếu nằm gối lên trên trầm tích nén chặt QI-II và chiều dày không quá 5m. Khu vực này thuộc đồng bằng tích tụ, có chỗ trũng lầy nội địa, cao độ từ 1  3m. Nước dưới đất gặp ở độ sâu 15m. Nước này có tính ăn mòn acid và ăn mòn sulfat. 2) Khu vực II : Bao gồm các loại đất yếu: bùn sét, bùn á sét, bùn á cát (a,amQIV) xen kẹp với các lớp á cát. Phân khu II a: Bùn sét, bùn á sét, phân bố không đều hoặc xen kẹp, tựa lên trên nền sét chặt QI-III, chiều dày không quá 20m. Đây là vùng đồng bằng thấp, tích tụ với độ cao từ 11,5m đến 34m. Mực nước ngầm cách mặt đất 0,51,0m, nước có hoạt tính có khả năng ăn mòn bêtông và bêtông cốt thép. Phân khu II b: Khu vực này thường gặp các loại đất yếu như: bùn sét, bùn á sét, chúng phân bố không đều hoặc xen kẹp, chiều dày tầng đất yếu có thể đạt đến 80m. Phân khu II c: Trong thực tế xây dựng công trình gặp các loại đất yếu như: bùn sét, bùn á sét, chúng phân bố không đều hoặc xen kẹp gối lên trên nền đất sét chặt chặt QI-III, chiều dày không quá 25m. Phân khu II d: Ở phân khu này thường hay gặp những dạng đất nền yếu như trường hợp các phân khu IIa , IIb , IIc đã nêu ở trên. Bề dày tầng đất yếu nhỏ hơn 30m. 3) Khu vực III : Đất nền trong khu vực này bao gồm các dạng sau: Cát hạt mịn, á cát, xen kẹp ít bùn á cát, chúng được chia thành các phân khu như sau: Phân khu III a: Đất nền ở đây thường gặp chủ yếu là các loại á cát, cát bụi, xen kẹp ít bùn sét, bùn á sét, bùn á cát (m, am, abm QIV), chúng nằm trực tiếp trên nền trầm tích nén chặt QI-III. Chiều dày tầng trầm tích yếu ở đây không quá 60m. Địa hình ở khu vực này là đồng bằng tích tụ và đồng bằng tích tụ gợn sóng ven biển với độ cao từ 12m đến 57m. Mực nước ngầm xuất hiện cách mặt đất 0,52,0 m, nước có tính ăn mòn. 10 Phân khu IIIb: Đất nền ở phân khu này cũng có những đặc trưng giống như Phân khu IIIa, nhưng chiều dày tầng holoxen không quá 100m. Hình 1.5. Sự phân bố đất yếu ở ĐBSCL Phân khu IIIc: Nền đất yếu ở đây có các tính chất, đặc trưng giống như IIIa, IIIb, nhưng chiều dày của tầng Holoxen không quá 25m. 4) Khu vực IV : Nền đất yếu ở khu vực này thường gặp các loại điển hình là đất than bùn xen kẹp bùn sét, bùn á sét, cát bụi và á cát chúng cũng được chia thành các phân khu như sau: - Phân khu IVa: Các loại đất hay gặp là: đất than bùn, sét, bùn á sét (mb QIV) , chúng thuộc tầng đất yếu Holoxen có chiều dày không quá 25m, gối lên nền trầm tích chặt QI-III . Địa hình ở vùng này có dạng đồng bằng tích tụ sinh vật biển có cao độ từ 1,0 đến 1,5m. Mực nước ngầm xuất hiện ngay trên mặt đất, nước có tính ăn mòn hóa học đối với kết cấu công trình.