THiết kế cầu vòm ống thép nhồi bê tông vĩnh cửu tổng chiều dài 229m, khổ cầu 17,5m,tải trọng HL93

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.BÙI ĐỨC TÂN
SỐ LIỆU ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1.Đề tài: Thiết kế cầu vòm ống thép nhồi bêtông:
2. Cấp thiết kế : Vónh cửu
Tổng chiều dài cầu : 229 m
Khổ cầu : 2x1.2 + 2x0.55 + 14 = 17.5 m
Trong đó:
Phần vòm : 2x1.25 m
Lan can : 2x0.55 m
Phần xe chạy : 14 m
Tải trọng thiết kế : HL93, Người 300KG/m
2
3. Giải pháp kết cấu nhòp :
Nhòp dẫn : dầm I 29 m căng trước
Nhòp chính : vòm ống thép nhồi bêtông có chiều dài 90 m
Sơ đồ kết cấu nhòp : 2x29 + 90 + 2x29 (m)
4. Điều kiện đòa chất :
Lớp 1 : Bùn sét hữu cơ màu xám xanh , đôi chỗ lẫn cát và hữu cơ :
Chiều dày lớp : h
1
= 12.8 m
Các chỉ tiêu cơ lý :
 Trọng lượng thể tích : γ
w
= 1.48 T/m
3
.
 Độ sệt : B = 1.24.
 Lực dính : c = 0.082 (KG/cm
2
)

 Góc ma sát trong : ϕ = 6
0
04’

.
Lớp 2 : Cát hạt mòn đến trung ,đôi chỗ lẩn sỏi sạn ,màu xám xanh xám trắng ,kết cấu
chặt vừa, trạng thái dẻo cứng :
Chiều dày lớp : h
2
= 4 m
Các chỉ tiêu cơ lý :
 Trọng lượng thể tích : γ
w
= 1.85 T/m
3
.
 Tỷ trọng : G = 2.69
 Lực dính : c = 0.14 (KG/cm
2
)
 Góc ma sát trong : ϕ = 10
0
49’.
SVTH: PHAN ĐĂNG KHOA_CĐ03A Trang 1
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.BÙI ĐỨC TÂN
Lớp 3 : Sét cát màu xám vàng ,màu xanh ,trạng thái dẻo cứng đến nửa cứng mặt lẩn
nhiều đá dăm sạn :
Chiều dày lớp : h
3
= 10.2 m .

Các chỉ tiêu cơ lý :
 Tỷ trọng : G = 2.73
 Trọng lượng thể tích : γ
w
= 2.01 T/m
3
.
 Lực dính : c = 0.313 (KG/cm
2
) ,
 Góc ma sát trong : ϕ = 21
0
28’

.
Lớp 4 : Sét màu nâu vàng ,đầu tầng đôi chỗ lẫn nhiều sỏi sạn ,trạng thái cứng :
Chiều dày lớp : h
4
= 4.1 m .
Các chỉ tiêu cơ lý :
 Trọng lượng thễ tích : γ
w
= 1.74 T/m
3
.
 Tỷ trọng : G =2.73
 Lực dính : c = 0.125 (KG/cm
2
)
 Góc ma sát trong : ϕ = 7

0.
10’.
Lớp 5 : Sét màu nâu vàng ,đầu tầng đôi chỗ lẫn nhiều sỏi sạn ,trạng thái cứng :
Chiều dày lớp : h
4
= 19.9 m .
Các chỉ tiêu cơ lý :
 Trọng lượng thễ tích : γ
w
= 1.983 T/m
3
.
 Tỷ trọng : G =2.73
 Lực dính : c = 0 (KG/cm
2
)
 Góc ma sát trong : ϕ = 23
0.
52’.
Lớp 6 : Sét màu nâu vàng ,đầu tầng đôi chỗ lẫn nhiều sỏi sạn ,trạng thái cứng :
Chiều dày lớp : h
6

Các chỉ tiêu cơ lý :
 Trọng lượng thễ tích : γ
w
= 2.12 T/m
3
.
 Tỷ trọng : G =2.73

 Lực dính : c = 0.355 (KG/cm
2
)
 Góc ma sát trong : ϕ = 26
0.
39’.
SVTH: PHAN ĐĂNG KHOA_CĐ03A Trang 2
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.BÙI ĐỨC TÂN
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CÔNG TRÌNH
1. TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG
Nhiều công trình cầu trên thế giới đã được thiết kế với kết cấu ống thép nhồi
bê tông cho những cấu kiện chòu nén. Vào năm 1931, một trong những kết cấu đầu
tiên sử dụng công nghệ ống nhồi bê tông đã được xây dựng ở ngoại ô Paris, cầu vòm
nhòp 9m với hai vòm được kết cấu gồm 6 ống cho mỗi vòm. Tổ hợp của 40 ống thép
f140x50mm đã cấu tạo nên cánh trên hình parabol của kết cấu nhòp cầu dài 101m
vượt sông Nêva ở thành phố Xanh Pêterbua vào năm 1936. Trong năm 1940, cầu
đường sắt bác qua sông Ixet gần thành phố Kamenskơ - Uranski với nhòp chính dài
140m dạng vòm cao 22m, giá thành giảm 20% nhờ sử dụng kết cấu vòm ống nhồi bê
tông, cánh vòm được thiết kế bằng ống thép CT3 f820x13mm. Vào những năm của
thập niên 60, ống nhồi bê tông bắt đầu được nghiên cứu, ứng dụng một cách rộng rãi
trong xây dựng công trình ở Trung Quốc. Tù năm 1990 đến 1992, ba tiêu chuẩn kỹ
thuật (CECS28-90, DLGJ99-91 và DLGJ-SII-92) được ban hành ở Trung Quốc đã tạo
nhiều điều kiện thuận lợi hơn cho việc ứng dụng công nghệ ống thép nhồi bê tông
trong xây dựng công trình.
Ở Trung Quốc, cầu dạng vòm ứng dụng công nghệ CFT được bắt đầu thiết kế
vào năm 1990. Với cầu có nhòp không lớn hơn 80m, kết cấu vòm được thiết kế với
một ống đơn. Cầu Yiwu Yuanhuang ở tỉnh Zhejiang được thiết kế dạng vòm với một
ống đơn đường kính 800, dày 18mm theo công nghệ CFT đã vượt được nhòp 80m.
Khi cần vượt nhòp lớn hơn và yêu cầu tải trọng lớn hơn, cầu vòm được thiết kế

với hai ống thép liên kết với nhau. Nhòp 100m của cầu Yilan Mudanjiang thuộc tỉnh
Heilongjiang có kết cấu dạng vòm, tiết diện ngang hình tam giác, cấu tạo từ ba ống
(đường kính 600, dày 12mm) được liên kết chặt chẽ với nhau theo suốt chiều dài. Cầu
vượt Sông Huangbai và sông Xia lao thuộc tỉnh Hubei, thiết kế với bốn ống vượt nhòp
160m, mỗi vòm gồm hai ống f1000, dày 12mm.
Cầu San-an Yongjiang thuộc tỉnh Guangxi, hợp long vào năm 1999, nhòp chính
270m dạng vòm với mặt cầu chạy giữa. Vào thời điểm này, cầu San-an Yongjiang đạt
SVTH: PHAN ĐĂNG KHOA_CĐ03A Trang 3
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.BÙI ĐỨC TÂN
kỷ lục của cầu dạng vòm. Cầu Yongning Yongjiang ở tỉnh Guangxi có kết cấu vòm
tương tự cầu Wanxian. Nhòp chính 312m dạng vòm có mặt cầu chạy giữa.
Cầu Yajisha ở Guangzhou, nhòp hình 360m được khánh thành vào tháng 6 năm
2000, chiếc cầu đầu tiên ở Trung Quốc được thiết kế với 6 ống, đạt kỷ lục thế giới.
Cầu Yajisha nằm trên đường cao tốc vành đai Tây Nam tỉnh Guangzhou bắc
qua sông Zhujiang. Phần cầu chính với sơ đồ phân nhòp 76+360+76m, dạng cầu vòm
mở rộng. Nhòp giữa dạng vòm bản mặt cầu chạy giữa, hai nhòp biên dạng nửa vòm với
bản mặt cầu chạy trên. Nhòp giữa có kết cấu dạng vòm treo không chốt, chiều dài
nhòp tính toán 344m, đường tên của vòm: f:76,45m. Mặt cắt ngang vòm được thiết kế
với 6 ống thép. ống giữa đường kính f = 750, dày 20mm, hai ống hai bên đường kính
750, dày 18mm, chiều dày tấm bản nối theo phương ngang là 12mm; các bộ phận của
sườn vòm bao gồm các ống thẳng đứng có kích thước f450x12mm và các ống nghiêng
có kích thước f351x10mm. Tiết diện ngang của vòm có chiều rộng không thay đổi
4,35m. Chiều cao thay đổi từ 4m tại đỉnh vòm đến 8,039m tại chân vòm. Đoạn ống tại
chân vòm, phần liên kết với kết cấu trụ có chiều dày 36mm. Theo phương ngang cầu,
hai vòm cách nhau 35,95m được liên kết bằng sáu hệ liên kết ngang dạng chéo và hai
hệ liên kết ngang dạng chữ K. Hai nhòp biên có kết cấu dạng nửa vòm với chiều dài
nhòp tính toán 71m, đường tên 27,3m, mặt cắt hình hộp cao 4,5m x rộng 3,45m. Hệ
nhánh của nửa vòm được liên kết bằng một hệ liên kết ngang dạng chéo và một hệ
liên kết ngang dạng chữ K. Hai nửa vòm biên được đặt trên gối chậu di động tại trụ
biên.

Hai nửa vòm cầu Yajisha được chế tạo riêng biệt trên không vòm dọc theo hai
bên bờ. Thớt trên của đã xoay là phần đế vòm đặt trên trụ. Thớt dưới của đã xoay làm
việc như kết cấu truyền tải trọng xuống móng cọc. Hai nửa vòm nhòp chính được nâng
lên đến cao độ thiết kế bằng cách xoay tất cả theo phương đứng một góc 24,7014độ;
rồi xoay theo phương ngang đến vò trí thiết kế. Nửa vòm của nhòp phía bờ Bắc được
xoay theo phương ngang một góc 117,10độ và 92,2dộ cho nửa vòm phía bờ Nam.
Ống thép được nhồi bê tông C60 có phụ gia trương nở. Phụ gia chậm ninh kết
được trộn vào bê tông đế tăng khả năng làm việc của bê tông. Tỉ lệ nước xi măng là
0,35 với độ sụt 18-20cm. Cường độ chòu nén sau 3 ngày tuổi đạt 58,5 MPa.
SVTH: PHAN ĐĂNG KHOA_CĐ03A Trang 4
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.BÙI ĐỨC TÂN
1.1. Các loại kết cấu ống thép nhồi bêtông:
Cột thép bêtông liên hợp được đònh nghóa như là kết cấu chòu nén hoặc có thể
thép được bọc trong bêtông hoặc bêtông nhồi trong ống thép. Tùy thuộc các chủng
loại và hình dạng có thể chia ra làm 3 loại cột liên hợp thường dùng trong xây dựng
như sau [13] :
- Loại 1 : thép kết cấu (cốt cứng ) được bọc bằng bêtông (hình a, b,c)
- Loại 2 : bêtông nhồi trong hộp, ống thép (hình f, g, i)
- Loại 3 : hỗn hợp 2 loại trên (hình d, h)
Các dạng kết cấu ống thép nhồi bêtông
Loại 1 : đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật về phòng cháy, đơn giản khi cần tăng
cường độ bằng cách thêm cốt thép ở lớp bêtông ngoài. Tuy nhiên việc kiểm tra và xử
lý kết cấu thép bên trong không thể thực hiện. Chủng loại kết cấu này phù hợp cho
các công trình chòu động đất lớn với các tải trọng ngang lặp.
Loại 2 : ống thép nhồi bêtông được sử dụng nhiều trong các trụ cầu mà ở đó phải chòu
tải trọng va xe, các vành cầu vòm, cột nhà cao tầng không nhất thiết có cốt thép
bên trong.
Loại 3 : có tính năng chống cháy cao và có được các ưu điểm của hai chủng loại kết
cấu trên.
1.2. Đặc điểm làm việc của kết cấu ống thép nhồi bêtông chòu nén:

Trong các bộ phận của kết cấu ống thép nhồi bêtông khi chòu lực dọc trục có các
thành phần ứng suất như sau :
SVTH: PHAN ĐĂNG KHOA_CĐ03A Trang 5
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.BÙI ĐỨC TÂN
Trạng thái ứng suất của cấu kiện ống thép tròn nhồi bêtông chòu nén
- Trong bêtông :ứng suất nén dọc trục σ
cB
c
và áp lực ngang σ
r
.
- Trong ống thép :ứng suất dọc trục σ
z
s
và ứng suất tiếp σ
θ
s
Nguyên nhân gây xuất hiện áp lực ngang σ
r
lên bêtông và ứng suất tiếp σ
θ
s
trong ống
thép là do hệ số nở ngang của hai loại vật liệu này khác nhau, trong đó hệ số nở
ngang của bêtông luôn lớn hơn của thép ở mọi giai đoạn làm việc. p lực ngang σ
r
lên bêtông không cho phép bêtông tự do phát triển biến dạng theo phương ngang và
tạo ra trạng thái ứng suất ba chiều trong bêtông. trạng thái chòu lực 3 chiều, khả
năng chòu lực dọc trục của bêtông tăng lên đáng kể. Đây chính là đặc điểm chòu lực
quan trọng nhất của kết cấu ống thép nhồi bêtông

1.3. Ưu điểm của kết cấu ống thép nhồi bêtông:
Cầu vòm bằng ống thép nhồi bêtông
Kết cấu ống thép nhồi bê tông (CFT- Concrete filled tubula steel) là một kết cấu hỗn
hợp gồm ống thép và lõi bê tông cùng làm việc. Khi chòu cùng ứng suất như nhau thì
kết cấu bê tông nhồi trong ống thép có những ưu điểm chính như sau:
SVTH: PHAN ĐĂNG KHOA_CĐ03A Trang 6
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.BÙI ĐỨC TÂN
* Khi so sánh với kết cấu bê tông có tiếp xúc với môi trường bên ngoài bê tông trong
ống thép có đặc điểm:
- Độ bền của lõi bê tông tăng khoảng 2 lần.
- Bê tông không bò co ngót mà bò trương nở vì không có sự trao đổi độ ẩm giữa bê
tông và môi trường bên ngoài,
- Sau 2-3 ngày tuổi thì không xuất hiện thêm vết nứt.
- Tính phi tuyến của công;
* Khi so sánh với kết cấu biến dang từ biến sẽ mất đi sau 2-7 ngày tuổi.
- Khối lượng của các cấu kiện ống nhồi bê tông nhỏ hơn so với cấu kiện bê tông cốt
thép,
- Không cần copfa trong thi thép dạng ống:
- Tăng khả năng chống biến dạng của ống thép,
- Độ bền ăn mòn và chống gỉ của mặt trong ống thép cao hơn,
- Giảm độ mảnh của cấu kiện;
* Khi so sánh với kết cấu sử dụng thép hình có mặt cắt hở:
- Mặt ngoài của kết cấu ống thép nhồi bê tông nhỏ hơn do đó chi phí sơn phủ và bảo
dưỡng thấp hơn,
- Độ bền chống gỉ cao hơn,
- Khả năng ổn đònh đều hơn,
- Giảm được ảnh hưởng của tải trọng gió,
- Tăng độ cứng chống xoắn
2. GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ CÔNG TRÌNH:
Kết cấu thượng bộ gồm 2 sườn vòm với tiết diện hình tròn và thanh giằng tại

chân vòm. Cáp thanh giằng gồm 8 bó, mỗi bó gồm 22 tao Þ 15.24mm, hai đầu được
neo chặt trên chân vòm. Cáp thanh treo gồm 55 Þ 7 mm hợp thành. Dầm ngang là
loại dầm đúc sẵn bằng BTCT DƯL căng sau. Dầm dọc là loại dầm BTCT thường đúc
sẵn có tiết diện hình hộp rỗng, dầm bản mặt cầu sử dụng loại dầm bản T được đúc
SVTH: PHAN ĐĂNG KHOA_CĐ03A Trang 7
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.BÙI ĐỨC TÂN
sẵn bằng BTCT. Chân vòm cấu tạo bởi các bản thép hàn liên kết nhau đồng thời cho
đổ bêtông vào các khoang trống bên trong Hệ dầm ngang gồm những dầm ngang
giữa và 2 dầm ngang ngoài cùng. Dầm ngang giữa sử dụng loại dầm có phần bụng
đặc hình chữ nhật, hai bên hông có phần colson rộng 300mm để đỡ dầm dọc biên và
dầm T bản mặt cầu. Dầm ngang ngoài (dầm ngang tại chân vòm) có tiết diện hình
chữ nhật. Phần trên sườn vòm có những thanh giằng ngang chòu tải trọng gió . Các
khoang cáp treo cách nhau 5m, riêng 2 khoang ngoài cùng cách 7.5m.
2.1.Hệ thống quy trình và các loại tải trọng áp dụng:
Quy trình – quy phạm thiết kế.
Hiện nay chưa có quy trình thiết kế riêng cho cầu vòm thép nhồi bêtông, vì vậy trong
phạm vi đồ án này, sử dụng các tiêu chuẩn khác như ASSHTO LRFD, tiêu chuẩn
châu u Eurocode 4 1994 (EC4), và tiêu chuẩn CECS 28 -90 (Trung Quốc).
Về cơ bản, các bộ phận của kết cấu vẫn tính toán theo quy trình thiết kế cầu 22 TCN
272 – 05 đã ban hành.
Tải trọng
- Hoạt tải thiết kế : HL93
- Hệ số xung kích : µ = 1.25
2.2.Cấu tạo chi tiết:
2.2.1. Sơ đồ kết cấu:
Sơ đồ bố trí nhòp
Cầu vòm trong đồ án được thiết kế theo phương án cầu vòm xe chạy dưới.
Thanh giằng chân vòm có các phương án bố trí thanh giằng : cáp dự ứng lực giằng
chân vòm hoặc thép hộp, do cáp dự ứng lực có lợi thế trong thi công, điều chỉnh nội
lực, kết hợp với công nghệ chống gỉ hiện nay nên phương án cáp dự ứng lực giằng

chân vòm được chọn lựa.
Sơ đồ kết cấu nhòp : 2x29m+90m +2x29m.
Phương trình đường tim vòm
Việc lựa chọn đường tim vòm có ý nghóa rất lớn trong khai thác, thông thường cầu
vòm thép nhồi bêtông hoặc các công trình cầu vòm khác thường chọn đường cong tim
SVTH: PHAN ĐĂNG KHOA_CĐ03A Trang 8
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.BÙI ĐỨC TÂN
vòm là đường cong parabol bậc 2 hoặc bậc 4 và đường cong dạng dây xích. Các
đường cong này có đường cong áp lực khá trùng với đường cong tim vòm. Cầu vòm
trong đồ án sử dụng đường cong parabol bậc 2 có phương trình như sau :
( )
2
f
y 4 L x x
L
= −
Trong đó :
f : đường tên vòm
L : chiều dài nhòp, tỉ lệ f/L = 1/5
Mặt cắt ngang vành vòm
Có nhiều chủng loại mặt cắt vành vòm như hình chữ nhật, hình vuông, hình tròn … mỗi
vành vòm có thể tổ hợp từ 2, 3, hay nhiều hơn các ống thép nhồi bêtông. Do khẩu độ
cầu trong đồ án không quá lớn (90 m), để đơn giản trong quá trình thi công và chế tạo,
mặt cắt ngang vành vòm được lựa chọn có hình dạng số 8, gồm hai ống thép có đường
kính D = 1m liên kết với nhau qua bản thép.
Chiều cao vành vòm H = 2.4m, vậy mặt cắt có tỷ lệ H/L = 2.4/ 90
Chiều dày ống thép
Thép kết cấu dùng cho vành vòm phù hợp với tiêu chuẩn ASSHTO M270M Grade
345W hoặc ASTM A709M Grade 345W có giới hạn chảy tối thiểu f
y

= 345 MPa.
Theo một số tài liệu Trung Quốc thì có thể lấy chiều dày vành vòm t = 8 ∼ 16 mm.
chọn chiều dày vành vòm t = 12 mm.
Sơ đồ cáp treo
Dầm dọc bản mặt cầu và hệ thống dầm ngang liên kết với vòm chủ yếu qua hệ thống
cáp treo, bởi vậy cáp treo phải được bố trí nhằm đáp ứng đầy đủ các yêu cầu trong thi
công và khai thác. Bước cáp treo được lựa chọn căn cứ vào kích thước dầm vành vòm
để bố trí đầu neo, khả năng cẩu lắp dầm ngang và bản mặt cầu.
Bước cáp treo không nên lựa chọn quá dài do sẽ làm tăng nội lực trong cáp, nhưng
cũng không thể quá ngắn vì sẽ làm tăng số lượng cáp treo. Bước cáp treo được lựa
chọn là 5m.
SVTH: PHAN ĐĂNG KHOA_CĐ03A Trang 9
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.BÙI ĐỨC TÂN
Kết cấu giằng ngang
Vòm ống thép nhồi bêtông có khả năng chòu nén cao, do đó tính toán ổn đònh trong và
ngoài mặt phẳng vòm rất cần thiết. Mặt cắt ngang vành vòm có hình số 8, độ cứng
trong mặt phẳng vòm lớn hơn nhiều so với độ cứng ngoài mặt phẳng vòm. Để tăng
cường độ cứng này có thể dùng các thanh giằng ngang nhằm làm giảm chiều dài tự do
của vành vòm. Cấu tạo của giằng ngang là ống thép tròn nhồi bêtông.
3.ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC TIẾT DIỆN
Mặt cắt ngang các cấu kiện:
Ta lần lượt tính các đặc trưng hình học của các cấu kiện, từ đó lấy các số liệu đặc
trưng hình học để tính tóan.
Vành vòm
t=12mm
t=12mm
Mặt cắt ngang vòm chính
Diện tích ống thép
1000 12mm
φ ×

:
( )
2 2
s
A 2 1 0.988 0.0374
4
π
= × − =
mm
2
Diện tích tiết diện bản thép 600x12mm:
A
s1
=0.6x2x0.012=0.0144 mm
2
Quy đổi thép sang bêtông bằng hệ số
s
c
E
n
E
=
E
s
=210000 Mpa,
SVTH: PHAN ĐĂNG KHOA_CĐ03A Trang 10
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.BÙI ĐỨC TÂN
' 1.5
c c c
E 0.043 f 0.043 2500 50 38006.989

= ×γ × = × × =
Mpa
s
c
E
210000
n 5.525
E 38006.989
= = =
Diện tích thép sau khi quy đổi sang bêtông:
( )
sc s s1
A A A n
= + ×
=(0.0374+0.0144)x5.525=0.286mm
2
Diện tích phần bêtông:
A
c
=
2
2 0.988
4
π
× ×
+0.265=1.797mm
2
Diện tích mặt cắt vành vòm:
A=A
c

+A
sc
=1.797+0.286=2.083 mm
2
Mômen quán tính của tiết diện đối với trục x:
Mômen quán tính của ống thép đã quy đổi sang bêtông:
I
1
=
4 4
n 2 0.05 D (1 )× × × × −η
Trong đó:
d 0.988
0.988
D 1
η = = =
I
1
={5.525x2x0.05x1
4
x(1-0.988
4
)+0.2066x0.7
2
}=0.1272m
4
Mômen quán tính của hai lõi bêtông:
I
2
=

4 4
2 2
D 3.14 0.988
2 b F 2 1.532 0.7 0.844
64 64
π× ×
× + × = × + × =
m
4
Mômen quán tính lõi bêtông giữa hai bản thép:
I
3
=
3
3
0.576 0.5
6 10
12
−
×
= ×
m
4
Mômen quán tính của hai bản thép đã quy đổi sang bêtông:
I
4
=
3
0.012 0.6
5.525

12
×
×
=1.193x10
-3
m
4
Suy ra:
I
x
=I
1
+I
2
+I
3
+I
4
=0.1272+0.844+6x10
-3
+1.193x10
-3
=0.978 m
4
Mômen quán tính của tiết diện đối với trục y:
Mômen quán tính của ống thép đã quy đổi sang bêtông:
I
1
=5.525x2x0.05x1
4

x(1-0.988
4
)=0.026

m
4
Mômen quán tính của hai lõi bêtông:
I
2
=
4 4
D 3.14 0.988
2 2 0.0934
64 64
π× ×
× = × =
m
4
SVTH: PHAN ĐĂNG KHOA_CĐ03A Trang 11
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.BÙI ĐỨC TÂN
Mômen quán tính của hai bản thép đã quy đổi sang bêtông:
I
3
=
3
3 2
0.6 0.012
2 5.525 7.2 10 0.294
12
−

 
×
× × + × × =
 ÷
 
6.873x10
-3
m
4
Mômen quán tính lõi bêtông giữa hai bản thép:
I
4
=
3
0.5 0.576
12
×
=7.962x10
-3
m
4
Suy ra:
I
y
=I
1
+I
2
+I
3

+I
4
=0.026+0.0934+6.873x10
-3
+7.962x10
-3
=0.134 m
4
Quá trình tính toán tương tự như trên ta tính được đặc trưng hình học của các mặt cắt
còn lại
Thanh giằng ngang vòm chính
t=12mm
Mặt cắt ngang thanh giằng chắn gió
Diện tích mặt cắt: A=1.136m
2
Mômen quán tính đối với trục x : I
x
=0.5425m
4
Mômen quán tính đối với trục y: I
y
=0.0424m
4
Thanh treo 55Φ7
- Môđun đàn hồi E = 2.1 x 10
11
Pa
- Diện tích mặt cắt A = 0.2117 x10
-2
m

2

- Độ cứng EA = 2.1 x 10
11
x 0.2117 x 10
-2
= 4.4457 x10
8
KN
Thanh giằng 22 - 7Φ5
SVTH: PHAN ĐĂNG KHOA_CĐ03A Trang 12
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.BÙI ĐỨC TÂN
- Môđun đàn hồi E = 2.1 x 10
11
Pa
- Diện tích mặt cắt A = 2.419 x10
-2
m
2

- Độ cứng EA = 2.1 x 10
11
x 2.419 x 10
-2
= 5.08 x10
9
KN
Dầm ngang dự ứng lực
Mặt cắt dầm ngang giữa nhòp
Diện tích mặt cắt: A= 1.169 m

2
Mômen quán tính đối với trục x:I
x
= 0.1445 m
4
Mômen quán tính đối với trục y:I
y
= 0.10266 m
4
Dầm dọc biên
SVTH: PHAN ĐĂNG KHOA_CĐ03A Trang 13
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.BÙI ĐỨC TÂN
Mặt cắt dầm dọc biên
Diện tích mặt cắt: A= 0.8525 m
2
Mômen quán tính đối với trục x:I
x
= 0.1137 m
4
Mômen quán tính đối với trục y:I
y
= 0.12 m
4
Dầm bản mặt cầu biên
Mặt cắt dầm biên bản mặt cầu
Diện tích mặt cắt: A= 0.169 m
2
Mômen quán tính đối với trục x:I
x
= 0.00156 m

4
Mômen quán tính đối với trục y:I
y
= 0.00373m
4
Dầm T bản mặt cầu
Mặt cắt dầm T bản mặt cầu giữa nhòp
Diện tích mặt cắt: A= 0.1515 m
2
Mômen quán tính đối với trục x:I
x
= 0.00148 m
4
SVTH: PHAN ĐĂNG KHOA_CĐ03A Trang 14
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.BÙI ĐỨC TÂN
Mômen quán tính đối với trục y:I
y
= 0.00431m
4
Mặt cắt dầm T bản mặt cầu đầu nhòp
Diện tích mặt cắt: A= 0.2075 m
2
Mômen quán tính đối với trục x:I
x
= 0.00268 m
4
Mômen quán tính đối với trục y:I
y
= 0.00729m
4

Dầm ngang tại chân vòm:
Mặt cắt dầm ngang tại chân vòm
Diện tích mặt cắt: A= 1.844 m
2
Mômen quán tính đối với trục x:I
x
= 0.263 m
4
Mômen quán tính đối với trục y:I
y
= 0.305m
4
3.1.Các đặc trưng vật liệu:
SVTH: PHAN ĐĂNG KHOA_CĐ03A Trang 15
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.BÙI ĐỨC TÂN
Thép kết cấu
Thép kết cấu phù hợp với tiêu chuẩn ASTM A709M Grade 345W, hoặc tương đương
có các đặc trưng như sau :
- Môđun đàn hồi E = 200000 MPa
- Hệ số giãn nở nhiệt 11.7x10
-6
mm / mm /
o
C
- Giới hạn bền f
u
= 485 MPa.
- Giới hạn chảy f
y
= 345 MPa.

Bêtông
Cường độ chòu nén trụ tròn 28 ngày tuổi đối với :
- Bêtông nhồi vành vòm f’
c
= 50 MPa
- Bêtông dầm ngang dầm dọc f’
c
= 40 MPa
- Bêtông bản mặt cầu f’
c
= 30 MPa
Cáp treo và cáp giằng chân vòm
Cáp treo phù hợp tiêu chuẩn ASTM A421 / ASTM A421M, có các đặc trưng sau:
- Môđun đàn hồi E = 200 000 MPa ± 5%
- Giới hạn bền f
s
= 1655 MPa.
- Giới hạn chảy f
y
= 0.9f
s
(cáp có độ tự chùng thấp)
Cáp giằng chân vòm phù hợp tiêu chuẩn ASTM A822 / ASTM A822M, có các đặc
trưng sau:
- Môđun đàn hồi E = 197 000 MPa ± 5%
- Giới hạn bền f
s
= 1860 MPa.
- Giới hạn chảy f
y

= 0.9f
s
(cáp có độ tự chùng thấp)
3.2.Hệ thống chống gỉ:
Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, môi trường khắc nghiệt, nóng và ẩm,
bởi vậy hệ thống chống gỉ cho kết cấu cần phải quan tâm hàng đầu.
Chống gỉ cho thép kết cấu
Kết cấu chòu lực chính của cầu là kết cấu thep, cáp cường độ cao. Biện pháp chống gỉ
cho thép kết cấu được đề xuất như sau.
SVTH: PHAN ĐĂNG KHOA_CĐ03A Trang 16
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.BÙI ĐỨC TÂN
Các bề mặt của thép vành vòm sau khi xử lý được bảo vệ bằng hệ thống sơn 3 lớp có
tổng chiều dày 200 µm
- Lớp sơn trong dùng loại sơn Epoxy tổng hợp giàu kẽm (Epoxy Organic Zinc
Rich – EZP) dày 100 µm
- Lớp sơn giữa dùng loại sơn Acrylic Waterborne dày 50 µm
- Lớp sơn trang trí dùng loại sơn Acrylic Waterborne dày 50 µm
Yêu cầu về sơn lớp ngoài cùng có tuổi thọ tối thiểu 25 đến 30 năm và sau đó phải sơn
lại với chu kỳ 8 năm một lần
Chống gỉ cho cáp treo và cáp giằng
Hệ thống chống gỉ cho các bó cáp treo được thực hiện tại công xưởng khi chế tạo cáp
và neo bao gồm mạ kẽm các sợi thép cường độ cao φ7 mm sau đó các sợi cáp này
được quấn chặt và tạo thành bó cáp được bọc trong hai lớp nhựa HDPE bảo vệ, ngoài
ra từ mặt cầu lên cao 2.5m được bảo vệ các tác động cơ học khác có thể làm hỏng bó
cáp treo.
Hệ thống bảo vệ chống gỉ cáp giằng chân vòm : các tao cáp gồm 7 sợi đường kính
danh đònh 15.2 mm được duỗi ra và phun bọc một lớp keo Epoxy sau đó đựơc bọc một
lớp nhựa HDPE chế tạo theo phương pháp ép đùn. Các tao cáp này sẽ tạo thành các
bó cáp và tất cả được đặt trong ống HDPE bảo vệ. Về nguyên tắc có cấu tạo như cáp
dự ứng lực ngoài.

SVTH: PHAN ĐĂNG KHOA_CĐ03A Trang 17
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.BÙI ĐỨC TÂN
CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ LAN CAN
Sơ đồ tính lan can chòu lực va xe
Để bảo đảm an toàn, lan can phải được thiết kế với tải trọng va đập của xe cộ. Trò số
tải trọng phụ thuộc vào cấp lan can.
Thông số thiết kế lan can:
+ Chiều cao tường bêtông: H
w
= 800 mm
+ Chiều cao thanh lan can: H
R
= 1050 mm
+ Cường độ chòu kéo của cột, thanh lan can: f
u
= 260 MPa
1. ĐIỀU KIỆN KIỂM TOÁN:
Lan can thiết kế phải thoải mãn điều kiện sau:



≥
≥
e
t
HY
FR
Trong đó:
R: Tổng sức kháng cực hạn của hệ lan can.

F
t
: Lực va ngang của xe vào lan can.
Y: Chiều cao từ mặt cầu đến điểm đặt của lực tác dụng ngang F
t
(mm)
H
e
: Chiều cao từ mặt cầu đến tổng hợp các sức kháng ngang của các thanh lan
can (mm)
2. XÁC ĐỊNH CÁC SỐ LIỆU THIẾT KẾ:
- Cầu được thiết kế cho đường cao tốc với tổ hợp các xe tải và các xe nặng:
SVTH: PHAN ĐĂNG KHOA_CĐ03A Trang 18
Rp
R
Rw
Hw
Y
HR
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.BÙI ĐỨC TÂN
- Theo bảng A13.7.3.3-1 QT 22TCN 272-05: Cấp lan can là cấp L-3 có



=
=
mm810H
kN240F
e
t

Sức kháng của hệ lan can là tổng hợp sức kháng của tường chắn, cột và dầm lan can.
3. THIẾT KẾ TƯỜNG CHẮN:
3.1. Sức kháng của tường chắn:
Sức kháng của tường chắn có thể được xác đònh bằng phương pháp đường chảy như
sau:








×
+×+××
−×
=
w
2
cc
wb
tc
w
H
LM
M8M8
)LL(2
2
R
(13.7.3.4-1)

Trong đó:
R
w
: Tổng sức kháng của hệ lan can (N).
L
c
: Chiều dài tới hạn của kiểu phá hoại theo đường chảy (mm).
L
t
: Chiều dài phân bố của lực va theo hướng dọc F
t
(mm), điều 13.7.3.3-1.
M
w
: Sức kháng uốn của tường theo phương đứng (Nmm/mm).
M
c
: Sức kháng uốn của tường theo phương ngang (Nmm/mm).
M
b
: Sức kháng uốn phụ thêm của dầm cộng thêm với M
w
tại đỉnh tường
(Nmm). Do lan can không có tường đỉnh nên M
b
= 0.
Chiều dài tường giới hạn trên đó xảy ra cơ cấu đường chảy:
( )
c
wb

2
tt
c
M
HMMH8
2
L
2
L
L
×+××
+






+=
(13.7.3.4-2)
Chọn:
- Lớp bêtông bảo vệ : a
bv
= 25 mm
- Đường kính thanh cốt thép dọc : : d
dọc
= 14 mm
- Đường kính thanh cốt thép đứng : d
đứng
= 14 mm

- Bước thanh cốt đai : 200 mm
SVTH: PHAN ĐĂNG KHOA_CĐ03A Trang 19
254 46
400
300
Thép dọc
Thép đứng
Bố trí thép trên đoạn 1
của tường chắn
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.BÙI ĐỨC TÂN
400
800
500
Bản mặt cầu
Thép đứng
Thép dọc
300
200 200
Hình dạng tường chắn và bố trí thép trong tường chắn
3.1.1. Sức kháng tường đối với trục thẳng đứng:
- Sức kháng của tường đối với trục thẳng đứng phụ thuộc vào thép ngang trong tường.
- Bỏ qua sự tham gia của cốt thép chòu nén, sức kháng uốn dương và âm gần bằng
nhau:
- Xác đònh sức kháng thép ngang M
w
trên một đơn vò chiều dài
- Bài toán xác đònh khả năng chòu lực của tiết diện đặt cốt đơn.
- Ta chia tường thành 3 phần có chiều cao lần lượt là 400 mm, 200mm, 200m như hình
vẽ
 Xét phần 1 của tường:

- Chiều cao: h = 300 mm
- Chiều rộng: b = 400 mm
Diện tích thép:
4
142
4
d2
A
2
2
doc
s
×π×
=
×π×
=
= 307.8 mm
2
Chiều cao khối ứng suất chữ nhật tương đương:
4003085.0
2808.307
bf85.0
fA
a
'
c
ys
××
×
=

××
×
=
= 8.45 mm
Do 28 MPa <
'
c
f
< 56 MPa, nên:
836.0)2830(
7
05.0
85.0)28f(
7
05.0
85.0
'
c1
=−×−=−×−=β
Khoảng cách từ mép bêtông
chòu nén đến trọng tâm
SVTH: PHAN ĐĂNG KHOA_CĐ03A Trang 20
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.BÙI ĐỨC TÂN
cốt thép chòu kéo:
2
14
1425300
2
h
hahd

doc
dungbvs
−−−=−−−=
= 254 mm
( a: là khoảng cách từ mép bêtông vùng kéo đến trọng tâm cốt thép chòu kéo)
107.10
836.0
45.8a
C
1
c
==
β
=
039.0
254
107.10
d
C
s
c
==
Suy ra:
45.0
d
C
s
c
≤
Nên:

)
2
45.8
254(
1000
280
88.3079.0)
2
a
d(fAM
sysw
−×××=−×××φ=
= 19378.68 kNmm
(Lấy hệ số kháng uốn
9.0=φ
)
 Xét phần 2 của tường:
Xem tường là một hình chữ nhật có bề dày không đổi.
Có: Chiều cao:
2
500300
h
+
=
= 400 mm
Chiều rộng: b = 200 mm
Diện tích thép:
4
14
4

d
A
2
2
doc
s
×π
=
×π
=
= 153.94 mm
2
2003085.0
28094.153
bf85.0
fA
a
'
c
ys
××
×
=
××
×
=
= 8.45 mm
2
Khoảng cách từ mép bêtông chòu nén đến trọng
tâm cốt thép chòu kéo:

2
14
1425400
2
d
dahd
doc
dungbvs
−−−=−−−=
= 354 mm
107.10
836.0
45.8a
C
1
c
==
β
=
354
107.10
d
C
s
c
=
= 0.028
Suy ra:
45.0
d

C
s
c
≤
Nên:
)
2
45.8
354(
1000
280
94.1539.0)
2
a
d(fAM
sysw
−×××=−×××φ=
= 13568.58 (Nmm)
 Xét phần 3 của tường:
SVTH: PHAN ĐĂNG KHOA_CĐ03A Trang 21
300
200
500
100
Tiết diện qui đổi trong phần
2 của tường chắn
Hình I.5:
Bố trí thép trên phần 2
của tường chắn
200

354 46
400
454 46
500
200
Hình I.6: Bố trí thép trên phần 3
của tường chắn
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.BÙI ĐỨC TÂN
- Chiều cao: h = 500 mm
- Chiều rộng: b = 200 mm
Diện tích thép:
4
14
4
d
A
2
2
doc
s
×π
=
×π
=
= 153.94 mm
2
2003085.0
28094.153
bf85.0
fA

a
'
c
ys
××
×
=
××
×
=
= 8.45 mm
2
Khoảng cách từ mép bêtông chòu nén đến
trọng tâm cốt thép chòu kéo:
2
14
1425500
2
d
dahd
doc
dungbvs
−−−=−−−=
= 454 mm
107.10
836.0
45.8a
C
1
c

==
β
=
022.0
454
107.10
d
C
s
c
==
Suy ra:
45.0
d
C
s
c
≤
Nên:
)
2
45.8
454(
1000
280
94.1539.0)
2
a
d(fAM
sysw

−×××=−×××φ=
= 17447.82 kNmm
Vậy tổng sức kháng uốn dọc của tường chắn:
3
w
2
w
1
w
3
1i
i
ww
MMMMHM ++==×
∑
=
= 19378.68 + 13568.58 + 17447.82 = 50395.07
kNmm
Bảng tổng hợp giá trò
HM
w
:
mm mm
2
mm mm kNmm kNmm
1 400 307.88 254 8.45 19378.68
50395.07
2 200 153.94 354 8.45 13568.58
3 200 153.94 454 8.45 17447.82
3.1.2. Sức kháng tường đối với trục ngang:

Sức kháng uốn của tường đối với trục ngang phụ thuộc vào thép đứng trong tường.
Bỏ qua sự tham gia của cốt thép chòu nén, sức kháng uốn dương và âm gần bằng
nhau:
Xác đònh sức kháng thép ngang M
c
trên một đơn vò chiều đứng.
Bài toán xác đònh khả năng chòu lực của tiết diện đặt cốt đơn.
 Xét phần 1 của tường:
SVTH: PHAN ĐĂNG KHOA_CĐ03A Trang 22
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.BÙI ĐỨC TÂN
Các giá trò tính toán:
Chiều cao trụ bêtông (chính là chiều rộng b tính toán trong phương pháp tính cốt đơn):
b = 1 mm
Chiều rộng trụ bêtông ( chính là chiều cao h tính toán trong phương pháp tính cốt
đơn):
h = 300 mm
Diện tích thép:
4
14
200
1
4
d
200
1
A
2
2
dung
s

×π
×=
×π
×=
= 0.77 mm
2
13085.0
28077.0
bf85.0
fA
a
'
c
ys
××
×
=
××
×
=
= 8.45 mm
2
Khoảng cách từ mép bêtông chòu nén đến trọng tâm cốt thép chòu kéo:
2
14
25300
2
d
ahd
dung

bvs
−−=−−=
= 268 mm
2
836.0
45.8a
C
1
c
=
β
=
= 10.107
268
107.10
d
C
s
c
=
= 0.0377
Suy ra:
45.0
d
C
s
c
≤
Nên:
)

2
45.8
268(
1000
280
77.09.0)
2
a
d(fAM
sysc
−×××=−×××φ=
= 51.16 kNmm/mm
(Lấy hệ số kháng uốn
9.0=φ
)
 Xét phần 2 của tường:
Các giá trò tính toán:
Chiều cao trụ bêtông (chính là chiều rộng b tính toán trong phương pháp tính cốt đơn):
b = 1 mm
Chiều rộng trụ bêtông ( chính là chiều cao h tính toán trong phương pháp tính cốt
đơn):
Xem tường là một hình chữ nhật có bề dày không đổi:
2
500300
h
+
=
= 400 mm
Diện tích thép:
4

14
200
1
4
d
200
1
A
2
2
dung
s
×π
×=
×π
×=
= 0.77 mm
2
13085.0
28077.0
bf85.0
fA
a
'
c
ys
××
×
=
××

×
=
= 8.45 mm
Khoảng cách từ mép bêtông chòu nén đến trọng tâm cốt thép chòu kéo:
2
14
25400
2
d
ahd
dung
bvs
−−=−−=
= 368 mm
SVTH: PHAN ĐĂNG KHOA_CĐ03A Trang 23
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.BÙI ĐỨC TÂN
107.10
836.0
45.8a
C
1
c
==
β
=
027.0
368
107.10
d
C

s
c
==
Suy ra:
45.0
d
C
s
c
≤
Nên:
)
2
45.8
368(
1000
280
77.09.0)
2
a
d(fAM
sysc
−×××=−×××φ=
= 70.56 kNmm/mm
 Xét phần 3 của tường:
Các giá trò tính toán:
Chiều cao trụ bêtông (chính là chiều rộng b tính toán trong phương pháp tính cốt đơn):
b = 1 mm
Chiều rộng trụ bêtông ( chính là chiều cao h tính toán trong phương pháp tính cốt
đơn):

h = 500 mm
Diện tích thép:
4
14
200
1
4
d
200
1
A
2
2
dung
s
×π
×=
×π
×=
= 0.77 mm
2
13085.0
28077.0
bf85.0
fA
a
'
c
ys
××

×
=
××
×
=
= 8.45 mm
Khoảng cách từ mép bêtông chòu nén đến trọng tâm cốt thép chòu kéo:
2
14
25500
2
d
ahd
dung
bvs
−−=−−=
= 468 mm
107.10
836.0
45.8a
C
1
c
==
β
=
0215.0
468
107.10
d

C
s
c
==
Suy ra:
45.0
d
C
s
c
≤
Nên:
)
2
45.8
468(
1000
280
77.09.0)
2
a
d(fAM
sysc
−×××=−×××φ=
= 89.95 kNmm/mm
Vậy tổng sức kháng uốn dọc của tường chắn:
800
20095.8920056.7040016.51
H
bM

M
3
1i
w
ici
c
×+×+×
=
×
=
∑
=
= 65.71 kNmm
Bảng tổng hợp giá trò M
c
:
SVTH: PHAN ĐĂNG KHOA_CĐ03A Trang 24
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.BÙI ĐỨC TÂN
Đơn vò mm mm
2
/mm mm mm kNmm/mm kNmm/mm
1 400 0.77 268 8.45 51.16
65.71
2 200 0.77 368 8.45 70.56
3 200 0.77 468 8.45 89.95
Đối với các va xô trong một phần đoạn tường:







+××
++=
×+××
+






+=
71.65
)07.503950(8008
2
1070
2
1070
M
)HMM(H8
2
L
2
L
L
c
wb
2
tt

c
= 2814.17 mm








×
+××+××
−×
=
w
2
cc
wb
tc
w
H
L.M
HM8M8
)LL2(
2
R

=









×
+××
−× 800
17.281471.65
07.503958
)107017.28142(
2
2
= 462.29 kN
Đối với va chạm ở đầu tường hoặc mối nối:






+
++=
+
+







+=
71.65
)07.503950(800
2
1070
2
1070
M
)HMM(H
2
L
2
L
L
c
wb
2
tt
c
= 1483.57 mm
( )









×
+×+×
−×
=
w
2
cc
wb
tc
w
H
LM
HMM
LL2
2
R
=
( )








×
+×
−× 800

17.281471.65
07.50395
107017.28142
2
2
= 243.71 kN
Đây là cầu nằm trên đường cao tốc; không có lề bộ hành cho người đi bộ nên ta chọn
lan can thép kê trên tường chắn.
4. THIẾT KẾ LAN CAN:
Do không có lề bộ hành nên khi thiết kế lan can ta thiết
kế với tải trọng đặc biệt là tải trọng va xe.
Chọn tiết diện thanh lan can là tiết diện tròn rỗng có:
Chọn đường kính thanh lan can:
- Đường kính ngoài: D = 110 mm
- Đường kính trong: d = 100 mm
 Xét trường hợp xe va vào cột lan can (Số nhòp tham gia vào đường chảy là chẵn):
Sức kháng của hệ dầm và cột:
t
2
pp
R
LLn2
LnPM16
R
−××
××+×
=
(1)
Trong đó:
SVTH: PHAN ĐĂNG KHOA_CĐ03A Trang 25

110
100
Ống thép lan can tay vòn