Thiết Kế Mố Trụ Cầu: Hướng Dẫn Và Ví Dụ Mố Chữ U BTCT Thầy Nguyễn Văn Vĩnh

Tài liệu cung cấp hướng dẫn và ví dụ chi tiết về thiết kế mố trụ cầu bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05. Nội dung bao gồm các trạng thái giới hạn, trình tự tính toán, xác định tải trọng, tổ hợp tải trọng bất lợi, tính toán cốt thép và kiểm toán móng cọc, đặc biệt với ví dụ cụ thể về mố chữ U. Đây là nguồn tài liệu hữu ích cho kỹ sư và sinh viên ngành cầu đường.

MỤC LỤC

PHẦN 1: GIỚI THIỆU CHUNG

TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ
1.1. Tiêu chuẩn thiết kế
1.2. Phương pháp tính toán thiết kế
1.3. Phương trình tổng quát của TTGH
1.4. Các TTGH theo 22TCN 272-05
1.4.1. Các TTGH theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05
1.4.2. Trạng thái giới hạn cường độ
1.4.3. Trạng thái giới hạn sử dụng
1.4.4. Trạng thái giới hạn mỏi và đứt gãy
1.4.5. Trạng thái giới hạn đặc biệt
NỘI DUNG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
2.1. Trình tự tính toán thiết kế mố trụ
2.2. Sơ đồ khối
2.3. Nội dung tính toán thiết kế Mố cầu

PHẦN 2: VÍ DỤ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MỐ CHỮ U BTCT

SỐ LIỆU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
1.1. Số liệu chung
1.2. Vật liệu chế tạo mố
1.3. Các hệ số tính toán
1.4. Đất đắp sau mố
1.5. Số liệu về các lớp đất nền
CẤU TẠO KẾT CẤU NHỊP
2.1. Quy mô mặt cắt ngang cầu
2.2. Cấu tạo dầm chủ
KÍCH THƯỚC CẤU TẠO MỐ
3.1. Nguyên tắc xác định các kích thước của mố
3.2. Xác định các kích thước cơ bản của mố
XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN MỐ
4.1. Các tải trọng tác dụng lên mố
4.2. Các mặt cắt kiểm toán
4.3. Xác định trọng lượng các bộ phận mố
4.4. Xác định áp lực thẳng đứng từ kết cấu nhịp
4.5. Xác định áp lực thẳng đứng do hoạt tải trên bản quá độ
4.6. Xác định áp lực đất tác dụng lên mố
4.7. Lực hãm do hoạt tải trên KCN (BR)
4.8. Lực ma sát gối cầu4.9. Áp lực gió tác dụng lên mố
4.9.1. Áp lực gió ngang
4.9.2. Áp lực gió dọc
4.9.3. Áp lực gió thẳng đứng
4.9.4. Áp lực gió tác dụng lên xe cộ
4.10. Áp lực nước tác dụng lên mố
TỔ HỢP TẢI TRỌNG5.1. Hệ số tải trọng
5.2. Tổng hợp nội lực tại mặt cắt đáy móng (mặt cắt I - I)
5.3. Tổng hợp nội lực tại mặt cắt chân tường thân (mặt cắt II – II)
5.4. Tổng hợp nội lực tại mặt cắt chân tường đỉnh (mặt cắt III – III)
5.5. Tổng hợp nội lực tại mặt cắt tường cánh (mặt cắt IV – IV)
TỔ HỢP TẢI TRỌNG BẤT LỢI
6.1. Nguyên tắc thành lập tổ hợp tải trọng bất lợi
6.1.1. Nguyên tắc chung
6.1.2. Tổ hợp tải trọng Ia: Bất lợi ra phía sông
6.1.3. Tổ hợp tải trọng Ib: Bất lợi vào bờ
6.2. Tổ hợp tải trọng đối với mặt cắt đáy bệ (Mặt cắt I-I)
6.3. Tổ hợp tải trọng đối với mặt cắt chân tường thân (MC II-II)
6.4. Tổ hợp tải trọng đối với mặt cắt chân tường đỉnh (MC III-III)
TÍNH TOÁN VÀ BỐ TRÍ CỐT THÉP
7.1. Nguyên tắc tính toán và bố trí cốt thép
7.2. Tính toán và bố trí cốt thép mặt cắt đáy móng (Mặt cắt I - I)
7.3. Tính toán và bố trí cốt thép mặt cắt chân tường thân (MC II - II)
7.4. Tính toán và bố trí cốt thép mặt cắt chân tường đỉnh (MC III - III)
7.5. Tính toán và bố trí cốt thép mặt cắt tường cánh (MC IV - IV)
TÍNH TOÁN VÀ BỐ TRÍ CỌC
8.1. Tính sức chịu tải của cọc
8.3. Sơ bộ kiểm toán nội lực dọc trục cọc trong móng
KIỂM TOÁN MÓNG
9.1. Xác định điều kiện kiểm toán móng cọc
9.2. Kiểm toán bệ cọc theo các TTGH cường độ
9.3. Kiểm toán bệ cọc theo các TTGH sử dụng
9.4. Kiểm toán nền móng theo các TTGH cường độ
9.5. Kiểm toán nền móng theo các TTGH sử dụng
TÍNH TOÁN THI CÔNG
10.1. Xác định khối lượng bê tông chế tạo mố
10.2. Chọn búa đóng cọc
10.3. Tính độ chối lý thuyết của cọc
10.4. Tính chiều dày lớp bê tông bịt đáy hố móng

TÓM TẮT TỪNG PHẦN:

1. TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ:

1.1- Tiêu chuẩn thiết kế: Đề cập đến quy trình tính toán thiết kế cầu cống theo các trạng thái giới hạn do Bộ Giao thông Vận tải ban hành, cụ thể là 22TCN 272-05.
1.2 Phương pháp tính toán thiết kế: Giải thích rằng phương pháp tính toán thiết kế được áp dụng là tính toán theo các Trạng thái giới hạn (TTGH).
1.3 – Phương trình tổng quát của TTGH: Trình bày phương trình cơ bản để kiểm tra thiết kế, trong đó tổng hợp các yếu tố tác động của tải trọng phải nhỏ hơn hoặc bằng khả năng chịu lực giới hạn của kết cấu. Phần này cũng định nghĩa các hệ số quan trọng như hệ số điều chỉnh tải trọng ( $η^{i}$ ), hệ số tải trọng ( $γ^{i}$ ), ứng lực do tải trọng ( $Q^{i}$ ), sức kháng danh định ( $R^{n}$ ), sức kháng tính toán ( $R^{r}$ ) và hệ số sức kháng ( $ϕ$ ).
1.4-Các TTGH theo 22TCN 272-05:
- 1.4.1- Các TTGH theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05: Liệt kê các trạng thái giới hạn theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05 (AASHTO 98) bao gồm: Trạng thái giới hạn cường độ, Trạng thái giới hạn sử dụng, Trạng thái giới hạn đặc biệt, và Trạng thái giới hạn mỏi và đứt gãy.
- 1.4.2 Trạng thái giới hạn cường độ: Mô tả TTGH này nhằm đảm bảo cường độ và ổn định của các bộ phận kết cấu dưới tác dụng của tải trọng tính toán trong thời gian sử dụng, và liệt kê ba tổ hợp tải trọng cường độ I, II, III.
- 1.4.3 – Trạng thái giới hạn sử dụng: Giải thích TTGH này nhằm hạn chế ứng suất, biến dạng và vết nứt trong điều kiện sử dụng bình thường, đảm bảo chức năng của cầu.
- 1.4.4 Trạng thái giới hạn mỏi và đứt gãy: Nhằm hạn chế phát triển vết nứt và tránh đứt gãy do xe tải thiết kế, đồng thời yêu cầu kiểm tra phá hoại giòn theo tiêu chuẩn vật liệu.
- 1.4.5 Trạng thái giới hạn đặc biệt: Đảm bảo cầu vẫn tồn tại sau khi chịu tác động của các tải trọng đặc biệt như động đất, va xô tàu thuyền, tải trọng thi công.

2. NỘI DUNG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ:

2.1 – Trình tự tính toán thiết kế mố trụ: Liệt kê các giai đoạn của quá trình thiết kế kết cấu, bao gồm phân tích điều kiện thiết kế, đề xuất giải pháp, phân tích kết cấu dưới tải trọng, tính toán kiểm tra, xuất kết quả và thực hiện bản vẽ.

2.2 – Sơ đồ khối: Cung cấp sơ đồ khối tóm tắt quy trình tính toán thiết kế mố trụ, từ "BẮT ĐẦU" đến "KẾT THÚC" với các bước kiểm tra "ĐẠT" hoặc "KHÔNG ĐẠT".
2.3 – Nội dung tính toán thiết kế Mố cầu: Trình bày chi tiết 10 bước trong nội dung tính toán thiết kế mố cầu, từ phân tích số liệu ban đầu đến hoàn thiện bản vẽ thiết kế kỹ thuật và thi công.

PHẦN 2: VÍ DỤ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MỐ CHỮ U BTCT

1. SỐ LIỆU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ:
- 1.1 – Số liệu chung: Liệt kê các thông số thiết kế chung của cầu như quy mô thiết kế (vĩnh cửu), tần suất thiết kế, quy trình thiết kế (22TCN 272-05), chiều dài nhịp, điều kiện thông thuyền, khổ cầu và tải trọng thiết kế (hoạt tải tiêu chuẩn HL93).
- 1.2 – Vật liệu chế tạo mố: Cung cấp bảng thông số kỹ thuật của bê tông dùng để chế tạo mố, bao gồm cường độ chịu nén, cường độ chịu cắt khi uốn, trọng lượng riêng và mô đun đàn hồi.
- 1.3 – Các hệ số tính toán: Liệt kê các hệ số tính toán được sử dụng như hệ số tải trọng (tĩnh tải giai đoạn I, II, hoạt tải và đoàn người), hệ số xung kích và hệ số làn.
- 1.4 – Đất đắp sau mố: Cung cấp thông số về đất đắp sau mố bao gồm trọng lượng riêng, góc nội ma sát và hệ số vượt tải.
- 1.5 – Số liệu về các lớp đất nền: Cung cấp bảng chi tiết về các lớp đất nền, bao gồm loại đất, chiều dày, trọng lượng riêng, cường độ lực dính, góc nội ma sát và cường độ tiêu chuẩn của đất nền.
2. CẤU TẠO KẾT CẤU NHỊP:
- 2.1 – Quy mô mặt cắt ngang cầu: Mô tả cấu tạo và cung cấp bảng các kích thước cơ bản của mặt cắt ngang cầu như chiều rộng phần xe chạy, lề người đi bộ, chiều rộng lan can, và tổng chiều rộng cầu.
- 2.2 – Cấu tạo dầm chủ: Mô tả cấu tạo dầm chủ được sử dụng cho kết cấu nhịp cầu dẫn và cung cấp bảng các kích thước thiết kế cơ bản của KCN, bao gồm chiều dài nhịp thiết kế, chiều cao dầm chủ, chiều rộng bản cánh, trọng lượng dầm chủ và các giá trị tĩnh tải.
3. KÍCH THƯỚC CẤU TẠO MỐ:
- 3.1 – Nguyên tắc xác định các kích thước của mố: Mô tả nguyên tắc xác định kích thước cho 4 bộ phận chính của mố: tường đỉnh, thân mố, bệ móng mố và tường cánh, đều được cấu tạo bằng bê tông cốt thép.
- 3.2 – Xác định các kích thước cơ bản của mố: Trình bày chi tiết cách xác định các kích thước cụ thể của từng bộ phận mố, bao gồm chiều cao, chiều dày của tường đỉnh, tường thân, tường cánh, và các công thức tính toán liên quan.
4. XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN MỐ:
- 4.1 – Các tải trọng tác dụng lên mố: Liệt kê các loại tải trọng chính tác dụng lên mố, bao gồm trọng lượng các bộ phận mố, áp lực thẳng đứng từ kết cấu nhịp, áp lực thẳng đứng do hoạt tải trên bản quá độ, áp lực đất, lực hãm, lực ma sát gối cầu, áp lực gió và áp lực nước.
- 4.2 – Các mặt cắt kiểm toán: Đề cập đến các mặt cắt kiểm toán để tính toán nội lực và bố trí cốt thép, bao gồm mặt cắt đáy móng (I-I), chân tường thân (II-II), chân tường đỉnh (III-III) và tường cánh (IV-IV).
- 4.3 - Xác định trọng lượng các bộ phận mố: Cung cấp bảng kết quả tính toán trọng lượng của các bộ phận mố tại các mặt cắt khác nhau.
- 4.4 – Xác định áp lực thẳng đứng từ kết cấu nhịp: Trình bày cách xác định áp lực thẳng đứng do tĩnh tải và hoạt tải từ kết cấu nhịp truyền xuống mố.
- 4.5 – Xác định áp lực thẳng đứng do hoạt tải trên bản quá độ: Mô tả việc xác định áp lực thẳng đứng từ hoạt tải trên bản quá độ.
- 4.6 – Xác định áp lực đất tác dụng lên mố: Trình bày các phương pháp và công thức tính toán áp lực đất tác dụng lên mố, bao gồm áp lực đất chủ động và tính toán áp lực đất tại các mặt cắt khác nhau.
- 4.7 Lực hãm do hoạt tải trên KCN (BR): Xác định lực hãm do hoạt tải trên kết cấu nhịp.
- 4.8 – Lực ma sát gối cầu: Đề cập đến việc tính toán lực ma sát tại gối cầu.
- 4.9 – Áp lực gió tác dụng lên mố: Mô tả cách xác định áp lực gió tác dụng lên mố theo các phương ngang, dọc và thẳng đứng.
- 4.10 – Áp lực nước tác dụng lên mố: Trình bày phương pháp tính toán áp lực nước tác dụng lên mố.
5. TỔ HỢP TẢI TRỌNG:
- 5.1 – Hệ số tải trọng: Cung cấp bảng các tổ hợp tải trọng và hệ số tải trọng tương ứng được sử dụng trong tính toán.
- 5.2 – Tổng hợp nội lực tại mặt cắt đáy móng (mặt cắt I - I): Trình bày việc tổng hợp nội lực tại mặt cắt đáy móng theo các TTGH khác nhau (cường độ I, II, III và sử dụng).
- 5.3 – Tổng hợp nội lực tại mặt cắt chân tường thân (mặt cắt II – II): Trình bày việc tổng hợp nội lực tại mặt cắt chân tường thân theo các TTGH khác nhau.
- 5.4 – Tổng hợp nội lực tại mặt cắt chân tường đỉnh (mặt cắt III – III): Trình bày việc tổng hợp nội lực tại mặt cắt chân tường đỉnh theo các TTGH khác nhau.
- 5.5 – Tổng hợp nội lực tại mặt cắt tường cánh (mặt cắt IV – IV): Trình bày việc tổng hợp nội lực tại mặt cắt tường cánh theo các TTGH khác nhau.
6. TỔ HỢP TẢI TRỌNG BẤT LỢI:
- 6.1 – Nguyên tắc thành lập tổ hợp tải trọng bất lợi:
  - 6.1.1 – Nguyên tắc chung: Giải thích rằng mố cầu thường chỉ xét chịu lực bất lợi theo phương dọc cầu và có thể bỏ qua tác động của tải trọng theo phương ngang cầu.
  - 6.1.2 – Tổ hợp tải trọng Ia: Bất lợi ra phía sông: Mô tả tổ hợp tải trọng bất lợi khi lực tác dụng hướng ra phía sông.
  - 6.1.3 – Tổ hợp tải trọng Ib: Bất lợi vào bờ: Mô tả tổ hợp tải trọng bất lợi khi lực tác dụng hướng vào bờ.
- 6.2 – Tổ hợp tải trọng đối với mặt cắt đáy bệ (Mặt cắt I-I): Cung cấp bảng chi tiết các tải trọng và hệ số tải trọng trong tổ hợp tải trọng bất lợi Ia và Ib đối với mặt cắt đáy bệ.
- 6.3 – Tổ hợp tải trọng đối với mặt cắt chân tường thân (MC II-II): Cung cấp bảng chi tiết các tải trọng và hệ số tải trọng trong tổ hợp tải trọng bất lợi Ia và Ib đối với mặt cắt chân tường thân.
- 6.4 – Tổ hợp tải trọng đối với mặt cắt chân tường đỉnh (MC III-III): Cung cấp bảng chi tiết các tải trọng và hệ số tải trọng trong tổ hợp tải trọng bất lợi Ia và Ib đối với mặt cắt chân tường đỉnh.
7. TÍNH TOÁN VÀ BỐ TRÍ CỐT THÉP:
- 7.1 – Nguyên tắc tính toán và bố trí cốt thép: Trình bày các nguyên tắc chung trong tính toán và bố trí cốt thép, bao gồm kiểm toán khả năng chịu uốn, khả năng chịu cắt và kiểm toán chống nứt.
- 7.2 – Tính toán và bố trí cốt thép mặt cắt đáy móng (Mặt cắt I - I): Trình bày nguyên tắc và các bước tính toán, bố trí cốt thép cho mặt cắt đáy móng, tập trung vào tổ hợp tải trọng bất lợi nhất.
- 7.3 – Tính toán và bố trí cốt thép mặt cắt chân tường thân (MC II - II): Trình bày nguyên tắc và các bước tính toán, bố trí cốt thép cho mặt cắt chân tường thân.
- 7.4 – Tính toán và bố trí cốt thép mặt cắt chân tường đỉnh (MC III - III): Trình bày nguyên tắc và các bước tính toán, bố trí cốt thép cho mặt cắt chân tường đỉnh.
- 7.5 – Tính toán và bố trí cốt thép mặt cắt tường cánh (MC IV - IV): Trình bày nguyên tắc và các bước tính toán, bố trí cốt thép cho mặt cắt tường cánh.
8. TÍNH TOÁN VÀ BỐ TRÍ CỌC:
- 8.1 – Tính sức chịu tải của cọc: Đề cập đến phương pháp tính sức chịu tải của cọc theo vật liệu và theo đất nền.
- 8.3 – Sơ bộ kiểm toán nội lực dọc trục cọc trong móng: Trình bày công thức và phương pháp sơ bộ kiểm toán nội lực dọc trục cọc trong móng, đặc biệt là cho trường hợp ngoại lực tác dụng trong một mặt phẳng tính toán.
9. KIỂM TOÁN MÓNG:
- 9.1 – Xác định điều kiện kiểm toán móng cọc: Xác định các điều kiện để móng cọc được tính toán thiết kế theo móng cọc đài thấp, dựa trên Quy trình 22TCN – 18 – 79.
- 9.2 – Kiểm toán bệ cọc theo các TTGH cường độ: Bao gồm kiểm toán sức chịu tải của cọc và kiểm toán ổn định chống lật và độ lệch tâm của hợp lực tác dụng lên bệ móng.
- 9.3 – Kiểm toán bệ cọc theo các TTGH sử dụng: Đề cập đến nội dung kiểm toán bệ cọc theo TTGH sử dụng, bao gồm kiểm toán chuyển vị ngang của đỉnh cọc.
- 9.4 – Kiểm toán nền móng theo các TTGH cường độ: Trình bày các nội dung kiểm toán nền móng theo TTGH cường độ.
- 9.5 – Kiểm toán nền móng theo các TTGH sử dụng: Trình bày các nội dung kiểm toán nền móng theo TTGH sử dụng.
10. TÍNH TOÁN THI CÔNG:
- 10.1 – Xác định khối lượng bê tông chế tạo mố: Đề cập đến việc xác định khối lượng bê tông cần thiết để chế tạo mố.
- 10.2 – Chọn búa đóng cọc: Đề cập đến việc lựa chọn búa đóng cọc phù hợp.
- 10.3 – Tính độ chối lý thuyết của cọc: Trình bày cách tính toán độ chối lý thuyết của cọc.
- 10.4 – Tính chiều dày lớp bê tông bịt đáy hố móng: Đề cập đến việc tính toán chiều dày lớp bê tông bịt đáy hố móng.