ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
KHOA ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC
Học viên:Lê Quang Trìu
Lớp: Cầu hầm (9/2010)


Phần mở đầu:
•
•

•

Lý do chọn đề tài:
Xác định các trường hợp kích thước trụ đáp ứng yêu cầu chịu lực đặt ra và mối quan hệ
giữa khối lượng vật liệu (bê tông, cốt thép) và sự chiếm dụng không gian.
Mục đích nghiên cứu của đề tài:
Nghiên cưú kết cấu trụ trên hệ thống cầu vượt đường Vành đai 3, Tp. Hà Nội.
Tính toán và đánh giá phương án kích thước trụ thoả mãn yêu cầu chịu lực, chỉ ra mối
quan hệ giữa khối lượng vật liệu (bê tông, cốt thép) và sự chiếm dụng không gian.
Phương pháp nghiên cứu và kết quả đạt được:
Nghiên cưú kết cấu trụ trên hệ thống cầu vượt đường Vành đai 3, Tp. Hà Nội bằng
phương pháp thực nghiệm để xác định kích thước trụ thực tế đã thi công.
Kiểm toán các trường hợp kích thước trụ bằng phần mềm Excel để xác định thêm các
trường hợp kich thước trụ đảm bảo chịu lực theo yêu cầu.
So sánh, đánh giá từng trường hợp kích thước trụ so với kích thước trụ thực tế đã thi
công ở hai chỉ tiêu: khối lượng vật liệu (bê tông, cốt thép) và sự chiếm dụng không gian
để làm cơ sở dữ liệu cho việc lựa chọn kích thước trụ cho các cầu vượt trong thành phố.

Phần nội dung:
Luận văn gồm bốn chương

GVHD: PGS.TS Nguyễn Phi Lân - Đại học Xây dựng


Chương 1: LÝ LUẬN VỀ KẾT CẤU TÍNH TOÁN TRỤ CẦU
1.1.

Khái niệm và phân loại trụ cầu
1.1.1
Khái niệm cấu tạo
1.1.2
Phân loại mố trụ cầu
1.1.3
Đặc tính mố trụ cứng (thép - bê tông)

1.2.

Cơ sở yếu tố trong tính toán mố, trụ cầu
1.2.1.
Tổng quát về phân tích
1.2.2.
Các tải trọng tác dụng lên mố trụ cầu
1.2.3.
Một số phương thức tính thể tích và khối lượng vật thể

1.3.

Lí thuyết tính toán trụ cầu
1.3.1.
Tính toán tổng quát mố trụ cầu
1.3.2.

Một số tính toán cọc móng khoan nhồi

1.4.

Ứng dụng Midas/Civil trong phân tích kết cấu cầu
1.4.1.
Sơ lược về Midas.
1.4.2.
Phương pháp Phần tử hữu hạn và ứng dụng trong Midas/Civil

GVHD: PGS.TS Nguyễn Phi Lân - Đại học Xây dựng


Chương 2: THỰC TRẠNG VÀ CƠ SỞ THIẾT KẾ TÍNH TOÁN CẦU
VƯỢT VÀNH ĐAI 3
2.1.

Tổng quan và phê duyệt xây dựng đường vành đai
2.1.1. Sơ lược về dự án cầu vành đai
2.1.2. Kết cấu cầu được phê duyệt, sử dụng trên hệ thống cầu vượt đường
3, Tp. Hà Nội.

2.2.

Cơ sở của tính toán và thiết kế của dự án
2.2.1. Khảo sát địa chất công trình dự án - Tóm lược kết quả thực địa
2.2.2. Thông số tiêu chuẩn - trọng tải được duyệt của dự án

2.3.


Các thông số đã thiết kế
2.3.1. Thông số thi công
2.3.2. Phân tích Tính toán - Kiểm nghiệm Mô hình
2.3.2 Tổng kết tính toán thiết kế - Thi công cầu vành đai 3

GVHD: PGS.TS Nguyễn Phi Lân - Đại học Xây dựng

Vành đai


Chương 3: CƠ SỞ TÍNH TOÁN ÁP DỤNG MỐ TRỤ CẦU VÀNH ĐAI 3
3.1.
3.1.1.
3.1.2.
3.1.3.
3.1.4.
3.1.5.
3.2.
3.2.1.
3.2.2.
3.3.
3.3.1.
3.3.2.
3.3.3.
3.3.4.
3.3.5.
3.3.6.
3.3.7.
3.3.8.
3.3.9.


Áp dụng tính toán móng cầu
Chọn lựa kiểu móng
Phương án tính toán cọc cho móng trụ
Tính toán cho cọc đơn theo vật liệu
Sức chịu tải của thiết kế cọc đơn
Tổng sức chịu tải của các cọc
Tính toán chi tiết về trụ và mũ trụ
Tính toán trụ cầu về thể tích và khối lượng
Khởi tạo tính toán đầy đủ một trường hợp kích thước trụ
So sánh một số tính toán về các trường hợp kích thước trụ thỏa mãn điều kiện
So sánh với trường hợp kích thước trụ (24 x 4 x 1,6) (m)
So sánh với trường hợp kích thước trụ (24 x 4,5 x 1,6) (m)
So sánh với trường hợp kích thước trụ (20 x 4,5 x 1,8) (m)
So sánh với trường hợp kích thước trụ (22 x 4,5 x 1,8) (m)
So sánh với trường hợp kích thước trụ (22 x 4,5 x 1,6) (m)
So sánh với trường hợp kích thước trụ (20 x 4 x 1,8) (m)
So sánh với trường hợp kích thước trụ (20 x 3,5 x 1,8) (m)
So sánh với trường hợp kích thước trụ (24 x 3,5 x 1,4) (m)
Tổng kết tính toán qua đồ thị.
GVHD: PGS.TS Nguyễn Phi Lân - Đại học Xây dựng


Chương 4: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN KIỂM CHỨNG TRÊN MÔ HÌNH
ĐIỆN TỬ
4.1. Một số kết quả nghiệm thu mô hình mô phỏng đơn vị thiết kế cầu
4.1.1. Phân tích tĩnh tuyến tính
4.1.2. Phân tích tác dụng động với gió
4.1.3. Phân tích kết cấu dưới tác động của động đất
4.2. Ứng dụng Midas/Civil trong phân tích mô hình trụ mẫu vành đai 3

4.3. Một số kinh nghiệm rút ra từ quá trình tính toán trụ cầu vành đai 3
--------------------------------------------------------------------------------------------------------

GVHD: PGS.TS Nguyễn Phi Lân - Đại học Xây dựng


Chương 1: LÝ LUẬN VỀ KẾT CẤU TÍNH TOÁN TRỤ CẦU
1.1. Khái niệm và phân loại trụ cầu

1.1.1. Khái niệm cấu tạo:
• Cầu: Là một kết cấu bất kỳ vượt qua phía trên chướng ngại vật, có khẩu độ ≥
6m, tạo thành một phần của tuyến đường.
• Khái niệm Mố trụ cầu: Là một bộ phận quan trọng trong công trình cầu, có chức
năng đỡ kết cấu nhịp, truyền các tải trọng thẳng đứng và ngang xuống đất nền.
• Khái niệm Mố cầu: Là bộ phần tiếp giáp giữa cầu và đường, đảm bảo xe chạy
êm thuận.

GVHD: PGS.TS Nguyễn Phi Lân - Đại học Xây dựng


Chương 1: LÝ LUẬN VỀ KẾT CẤU TÍNH TOÁN TRỤ CẦU
1.1. Khái niệm và phân loại trụ cầu
1.1.2. Phân loại mố trụ cầu
Mố trụ cầu khung: Mố vẫn giống cầu dầm nhưng trụ liên kết ngàm với kết cấu nhịp.
Như vậy trụ chịu mômen rất lớn. Bố trí cả cốt thép thường và cốt thép dự ứng
lực.

GVHD: PGS.TS Nguyễn Phi Lân - Đại học Xây dựng



Chương 1: LÝ LUẬN VỀ KẾT CẤU TÍNH TOÁN TRỤ CẦU
1.1. Khái niệm và phân loại trụ cầu

1.1.2. Phân loại mố trụ cầu
Mố trụ cầu treo: Mố phải có kích thước đủ lớn để chịu lực V, H cấu tạo phức tạp.

GVHD: PGS.TS Nguyễn Phi Lân - Đại học Xây dựng


Chương 1: LÝ LUẬN VỀ KẾT CẤU TÍNH TOÁN TRỤ CẦU
1.1. Khái niệm và phân loại trụ cầu
1.1.2. Phân loại mố trụ cầu
Mố trụ cầu dây văng: Mố chịu lực nhổ truyền tại mố bố trí gối chịu lực nhổ và mố
phải đủ nặng để chịu lực được nhổ.

•
•

Mố trụ dẻo: Kích thước thanh mảnh, độ cứng nhỏ gồm: Xà mũ, cọc (cột). Trên
mố trụ chỉ có gối cố định hoặc không cần gối
Ngoài ra còn một số phân loại khác nữa nhưng trên đây là phân loại cơ bản.

GVHD: PGS.TS Nguyễn Phi Lân - Đại học Xây dựng


Chương 1: LÝ LUẬN VỀ KẾT CẤU TÍNH TOÁN TRỤ CẦU
1.1. Khái niệm và phân loại trụ cầu

1.1.3. Đặc tính mố - trụ cứng (thép - bê tông)
• Mũ Trụ: Chịu tải trọng trực tiếp từ kết cấu nhịp và truyền xuống thân trụ.

• Thân trụ: Thân trụ làm nhiệm vụ truyền áp lực từ mũ trụ xuống móng và chịu
các lực ngang theo phương dọc cầu và ngang cầu.
• Móng trụ: Móng trụ có nhiệm vụ truyền tải trọng từ thân trụ mố xuống đất nền
bên dưới và xung quanh.
• Trụ cứng: Thường được sử dụng vật liệu thép hoặc Bê Tông.
• Hình dạng trụ: Dưới đây là một số loại trụ phân theo hình dạng
Trụ đặc thân hẹp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Phi Lân - Đại học Xây dựng


Chương 1: LÝ LUẬN VỀ KẾT CẤU TÍNH TOÁN TRỤ CẦU
1.1. Khái niệm và phân loại trụ cầu

1.1.3. Đặc tính mố - trụ cứng (thép - bê tông)
• Mũ Trụ: Chịu tải trọng trực tiếp từ kết cấu nhịp và truyền xuống thân trụ.
• Thân trụ: Thân trụ làm nhiệm vụ truyền áp lực từ mũ trụ xuống móng và chịu
các lực ngang theo phương dọc cầu và ngang cầu.
• Móng trụ: Móng trụ có nhiệm vụ truyền tải trọng từ thân trụ mố xuống đất nền
bên dưới và xung quanh.
• Trụ cứng: Thường được sử dụng vật liệu thép hoặc Bê Tông.
• Hình dạng trụ: Dưới đây là một số loại trụ phân theo hình dạng
Trụ thân rộng

GVHD: PGS.TS Nguyễn Phi Lân - Đại học Xây dựng


Chương 1: LÝ LUẬN VỀ KẾT CẤU TÍNH TOÁN TRỤ CẦU
1.2. Cơ sở yếu tố trong tính toán mố, trụ cầu
Các bước Chuẩn bị cho tính toán trụ cầu:


GVHD: PGS.TS Nguyễn Phi Lân - Đại học Xây dựng


Chương 1: LÝ LUẬN VỀ KẾT CẤU TÍNH TOÁN TRỤ CẦU
1.2. Cơ sở yếu tố trong tính toán mố, trụ cầu

1.2.1. Tổng quát về phân tích
• Phương pháp phân tích kết cấu: Phương pháp lực và phương pháp chuyển vị cổ
điển, Phương pháp sai phân hữu hạn, Phương pháp phần tử hữu hạn, Phương
pháp dải hữu hạn, Phương pháp phân tích mạng dầm, Phương pháp đường dây
dẻo.
•

Mô hình tính toán: Tải trọng, Đặc trưng hình học, Tính năng vật liệu, Đặc trưng
ứng xử của móng trong một số điều kiện.

•

Điều kiện giới hạn mô hình: Điều kiện tương đương, Điều kiện biên, Phương
pháp xấp xỉ, Phương pháp chính xác.

GVHD: PGS.TS Nguyễn Phi Lân - Đại học Xây dựng


Chương 1: LÝ LUẬN VỀ KẾT CẤU TÍNH TOÁN TRỤ CẦU
1.2. Cơ sở yếu tố trong tính toán mố, trụ cầu
1.2.2. Các tải trọng tác dụng lên mố trụ cầu
•


Trọng lượng bản thân: Công thức tính toán: Q = γ V.

•

Phản lực gối dưới tác dụng của trọng lượng bản thân kết cấu nhịp: Ví dụ nhịp
dầm giản đơn: Rt = (g L)/2.

•

Trọng lượng đất đắp: Pđ = γđ H (T/m2).

•

Áp lực ngang của đất: Theo QT 79 áp lực đẩy ngang tính theo công thức:
ep = μ γtc H.

•

Ngoài ra ta thường phải tính: Mố có bản quá độ; Tính áp lực đất do hoạt tải
gây ra; Lực lắc ngang; Lực hãm…

GVHD: PGS.TS Nguyễn Phi Lân - Đại học Xây dựng


Chương 1: LÝ LUẬN VỀ KẾT CẤU TÍNH TOÁN TRỤ CẦU
1.2. Cơ sở yếu tố trong tính toán mố, trụ cầu
1.2.3. Một số phương thức tính thể tích và khối lượng vật thể

GVHD: PGS.TS Nguyễn Phi Lân - Đại học Xây dựng



Chương 1: LÝ LUẬN VỀ KẾT CẤU TÍNH TOÁN TRỤ CẦU
1.3. Lý thuyết tính toán trụ cầu
1.3.1. Tính toán tổng quát mố trụ cầu

Sơ đồ tính toán tải trọng và lực tác dụng lên trụ cầu:

GVHD: PGS.TS Nguyễn Phi Lân - Đại học Xây dựng


Chương 1: LÝ LUẬN VỀ KẾT CẤU TÍNH TOÁN TRỤ CẦU
1.3. Lý thuyết tính toán trụ cầu
1.3.1. Tính toán tổng quát mố trụ cầu

Tính duyệt mặt cắt:
Duyệt cường độ: dùng với tổ hợp tải trong bất lợi nhất với tham số:
M – tổng mômen tính toán
N – lực dọc trục tính toán
eo = M/N là độ lệch tâm của lực pháp tuyến N so với trọng tâm mặt
h – chiều cao của mặt cắt
φ- Hệ số triết giảm khả năng chịu lực khi nén.
Công thức tính duyệt nên xem kỹ hơn trong môn Kết cấu công trình đã học. Kết cấu
chịu uốn ( mặt cắt III-III): M ≤ Ru Ft ( ho – a)
Đối với cấu kiện chịu nén đúng tâm: N≤Rn.φ.F → .
Đối với cấu kiện chịu nén lệch tâm: N.(1+ 2e0/h)≤Rn.φ.F → .

GVHD: PGS.TS Nguyễn Phi Lân - Đại học Xây dựng


Chương 1: LÝ LUẬN VỀ KẾT CẤU TÍNH TOÁN TRỤ CẦU

1.3. Lý thuyết tính toán trụ cầu
1.3.1. Tính toán tổng quát mố trụ cầu

Duyệt ổn định chống lật:
ML, Mgh: Mômen lật tính toán, giới hạn.
Ti: Các lực ngang
ei : Cánh tay đòn của Pi
hi: Cánh tay đòn của Ti
y: Khoảng cách từ trọng tâm tiết diện đến trục kiểm toán lật m – hệ số điều kiện làm
việc, m = 0.8. Với các tham số và hệ số trên đây ta có:

Duyệt ổn định chống trượt:
Ψ - hệ số ma sát.

GVHD: PGS.TS Nguyễn Phi Lân - Đại học Xây dựng


Chương 1: LÝ LUẬN VỀ KẾT CẤU TÍNH TOÁN TRỤ CẦU
1.3. Lý thuyết tính toán trụ cầu

1.3.2. Một số tính toán cọc móng khoan nhồi
Sức chịu tải của cọc theo đất nền: Sức kháng tính toán của cọc QR theo đất nền có
thể tính như sau: QR = φQn = φqp Qp +φqs Qs .Với: Qp = qp Ap và Qs = qs As. Trong
đó:
Qp: Sức kháng mũi cọc (N). Qs: Sức kháng thân cọc (N).
qp: Sức kháng đơn vị mũi cọc (MPa). qs: Sức kháng đơn vị thân cọc (MPa).
As: Diện tích bề mặt thân cọc (mm2). Ap: Diện tích bề mặt mũi cọc (mm2).
φqp: Hệ số sức kháng đối với sức kháng mũi cọc quy định. φqs: Hệ số sức kháng
đối với sức kháng thân cọc.
Hệ số nhóm cọc chịu nén: Sức chịu tải của nhóm cọc có thể lấy bằng tổng sức chịu

tải riêng rẽ của từng cọc nhân với hệ số hữu hiệu η
Sức chịu tải dọc trục của cọc theo vật liệu. Pr = ϕPn

GVHD: PGS.TS Nguyễn Phi Lân - Đại học Xây dựng


Chương 1: LÝ LUẬN VỀ KẾT CẤU TÍNH TOÁN TRỤ CẦU
1.4. Ứng dụng Midas/Civil trong phân tích kết cấu cầu

1.4.1. Sơ lược về Midas.
MIDAS là một nhóm các sản phẩm phần mềm phục vụ việc thiết kế kết cấu, gồm:
• MIDAS/Civil General Civil structure design system: Phân tích và thiết kế kết cấu
được tối ưu riêng cho những kết cấu dân dụng, đặc biệt trong thiết kế cầu.
• MIDAS/Gen General Building structure design system: Phục vụ cho việc thiết kế
kết cấu, đặc biệt là thiết kế kết cấu nhà.
• MIDAS/BDS Building structure Design System: Phân tích và thiết kế kết cấu
kiến trúc.
• MIDAS/Set-Building Structural Engineer's Tools: Tập hợp những chương trình
riêng lẻ để xúc tiến thiết kế các đơn vị kết cấu.
• MIDAS/FEmodeler finite element MESH generator: Chương trình tự động
phát sinh ra lưới phần tử hữu hạn.
• MIDAS/ADS Shear wall type Apartment Design System: Chương trình phân tích
và thiết MIDAS/Civil là một sản phẩm phần mềm phân tích cầu chuyên
dụng.

GVHD: PGS.TS Nguyễn Phi Lân - Đại học Xây dựng


Chương 1: LÝ LUẬN VỀ KẾT CẤU TÍNH TOÁN TRỤ CẦU
1.4. Ứng dụng Midas/Civil trong phân tích kết cấu cầu


1.4.1. Sơ lược về Midas.
MIDAS là một nhóm các sản phẩm phần mềm phục vụ việc thiết kế kết cấu, gồm:
• MIDAS/Civil General Civil structure design system: Phân tích và thiết kế kết cấu
được tối ưu riêng cho những kết cấu dân dụng, đặc biệt trong thiết kế cầu.
• MIDAS/Gen General Building structure design system: Phục vụ cho việc thiết kế
kết cấu, đặc biệt là thiết kế kết cấu nhà.
• MIDAS/BDS Building structure Design System: Phân tích và thiết kế kết cấu
kiến trúc.
• MIDAS/Set-Building Structural Engineer's Tools: Tập hợp những chương trình
riêng lẻ để xúc tiến thiết kế các đơn vị kết cấu.
• MIDAS/FEmodeler finite element MESH generator: Chương trình tự động phát
sinh ra lưới phần tử hữu hạn.
• MIDAS/ADS Shear wall type Apartment Design System: Chương trình phân tích
và thiết MIDAS/Civil là một sản phẩm phần mềm phân tích cầu chuyên dụng.
Đặc điểm nổi bật của Midas/Civil so với các chương trình khác: Khả năng mô hình
hóa; Giao diện và tốc độ tính toán; Khả năng nhập và xuất dữ liệu; Khả năng
phân tích cho bài toán cầu; Tính phổ biến của chương trình
GVHD: PGS.TS Nguyễn Phi Lân - Đại học Xây dựng


Chương 1: LÝ LUẬN VỀ KẾT CẤU TÍNH TOÁN TRỤ CẦU
1.4. Ứng dụng Midas/Civil trong phân tích kết cấu cầu

1.4.2. Phương pháp Phần tử hữu hạn và ứng dụng trong Midas/Civil
Mô hình hóa rời rạc kết cấu: Coi vật thể liên tục như là tổ hợp của nhiều phần tử
liên kết với nhau bởi một số hữu hạn các điểm, gọi là các nút.
Chuyển vị nút và lực nút: Khi kết cấu chịu lực, kết cấu sẽ biến dạng, các phần tử
cũng sinh ra biến dạng, do dó cũng sinh ra chuyển vị. Chuyển vị của các nút
được gọi là chuyển vị nút.

Các loại phần tử chính trong Midas/Civil: Phần tử giàn; Phần tử chỉ chịu kéo; Phần
tử cáp ; Phần tử chỉ chịu nén; Phần tử dầm; Phần tử ứng suất phẳng ; Phần tử
biến dạng phẳng hai chiều; Phần tử hai chiều đối xứng trục; Phần tử tấm; Phần
tử khối.
Phân tích kết cấu: trong hầu hết các phân tích kết cấu cho việc thiết kế, ứng xử của
vật liệu trong kết cấu được giả thiết là tuyến tính, các thành phần ứng suất
được nằm trong vùng giới hạn cho phép.
Phương pháp phân tích P-Delta: Là loại phân tích phi tuyến hình học, được dùng
để phân tích những kết cấu khi mà xuất hiện đồng thời tải trọng theo phương
ngang và mômen quay cùng xuất hiện đồng thời đối với phần tử dầm hoặc
tường.
GVHD: PGS.TS Nguyễn Phi Lân - Đại học Xây dựng


Chương 2: THỰC TRẠNG VÀ CƠ SỞ THIẾT KẾ TÍNH TOÁN CVVĐ3
2.1. Tổng quan và phê duyệt xây dựng CVVĐ3
2.1.1. Sơ lược về dự án cầu vành đai 3
•

Cơ sở thực hiện DA: Dự án đầu tư xây Vành đai III Thành phố Hà Nội được Bộ Giao
thông vận tải phê duyệt tại Quyết định số 643/QĐ-BGTVT ngày 13/3/2008 và Quyết
định số 1929/QĐ-BGTVT ngày 03/7/2009.

•

Tiêu chuẩn kỹ thuật: Dự án được dựa theo tiêu chuẩn TCXDVN 104-2007 “Đường đô
thị - Yêu cầu Thiết kế”, Tiêu chuẩn thi công cầu đường bộ - AASHTO và 22TCN
272:2005 "Tiểu chuẩn thiết kế cầu". Dự án được xây dựng theo cấp đường cao tốc đô
thị, tốc độ thiết kế 100km/giờ, mặt cắt ngang 4 làn xe.


•

Về quy mô xây dựng: Điểm đầu Km19+620, vị trí sau cầu Vượt Mai Dịch hiện tại; điểm
cuối Km28+532, phía Bắc hồ Linh Đàm (điểm đầu của dự án xây dựng cầu Thanh
Trì). Với tổng chiều dài khoảng 8.912m bao gồm 385m đường dẫn và 8.527m cầu cạn
chạy suốt.

 

GVHD: PGS.TS Nguyễn Phi Lân - Đại học Xây dựng