4. THIẾT KẾ TRỤ NHIỀU TẦNG CHO NÚT GIAO THÔNG TẠI HÀ NỘI
4.1. Hiện trạng các nút giao tại Hà Nội
Theo quy hoạch, đường giao thông Hà Nội có dạng vành đai kết hợp xuyên tâm. Tuy nhiên, các đường hướng tâm và đường vành đai đều chưa hoàn thiện, các nút giao thông quan trọng xây dựng chậm. Các tuyến đường chính đô thị tương đối hẹp, tình trạng ùn tắc vẫn thường xuyên xảy ra và có dấu hiệu tăng. Giải pháp xây dựng các cầu vượt thép nhẹ đã được triển khai và giải quyết được tạm thời nhu cầu đi lại cũng như cải thiện tình trạng UTGT cục bộ. Tuy nhiên, theo thời gian, giải pháp này đang dần trở nên quá tải, không đáp ứng được các yêu cầu tăng cao.
Do vậy, việc xây dựng các nút giao nhiều tầng giải quyết triệt để các giao cắt là vấn đề cần quan tâm. Trong các nút giao xây dựng gần đây, do những đặc điểm riêng và hiện trạng đã có thì phương án đưa ra thường là sử dụng các trụ riêng biệt, chưa sử dụng được dạng trụ nhiều tầng với nhiều ưu điểm hơn.
4.2. Đề xuất giải pháp thiết kế trụ nhiều tầng
Như đã nêu trên, ta dễ dàng thấy được các hệ thống nút giao hiện tại ở Hà Nội cũng như trong các đô thị khác phần lớn là các nút giao bằng hoặc là dạng nút giao hai tầng (cầu vượt), vì vậy các kết cấu trụ chủ yếu vẫn là các dạng trụ đơn lẻ thông thường.
Tuy nhiên, với xu thế phát triển của nút giao khác mức (3 tầng trở nên) thì việc đưa ra giải pháp thiết kế phù hợp hơn là rất cần thiết.
<Hình 4.1: Nút giao Thanh Xuân>
<Hình 4.2: Nút giao Láng – Cầu Giây>
Khi tiến hành thiết kế kết cấu trụ nhiều tầng thì cần xác định mục đích khi thiết kế là thiết kế kết cấu trụ nhiều tầng trong nút giao được xây dựng mới hay là thiết kế nhằm cải tạo nút giao hiện hữu.
Đối với các nút giao được xây dựng mới, kết cấu trụ nhiều tầng nên được xét đến trong quy hoạch ban đầu, đưa ra các thiết kế phù hợp với yêu cầu về kỹ thuật, cảnh quan, mỹ quan, đồng thời phải đáp ứng các yêu cầu về không gian xây dựng, không gian dưới cầu… Ví dụ tại nút giao xây dựng, để tạo ra nhiều tầng phương tiện di chuyển theo một hướng thì nên thiết kế dạng kết cấu trụ nhiều tầng dạng khung. Nếu tại nút giao đồng thời yêu cầu cả không gian bên dưới cầu phải thoáng thì có thể thiết kế theo hướng kết hợp trụ thân cột và trụ dạng khung. Nếu nút giao xây dựng yêu cầu các phương tiện có thể di chuyển theo nhiều hướng thì nên ưu tiên thiết kế theo dạng kết cấu trụ nhiều tầng dạng nhánh…
<Hình 4.3: Mô phỏng kết cấu trụ nhiều tầng đề xuất (tương tự nút giao Cầu Giấy)>
<Hình 4.4: Mô phỏng kết cấu trụ nhiều tầng đề xuất (tương tự nút giao Thanh Xuân)>
Đối với các nút cần cải tạo thì có thể xem xét khả năng thiết kế kết cấu trụ nhiều tầng, ngoài các yếu tố nêu trên, cần quan tâm đến sự hài hòa, thống nhất giữa kết cấu mới và các kết cấu hiện hữu. Ví dụ, khi tiến hành cải tạo một nút giao ngã 4 sử dụng cầu vượt trụ dạng cột thành một nút giao ngã 5 hoặc nhiều hơn và đảm bảo tiết kiệm không gian chiếm dụng nên ta sẽ cải tạo, điều chỉnh cục bộ 1 hoặc 2 trụ thân cột cũ thành trụ nhiều tầng dạng nhánh thì phần thân trụ của trụ mới cần thiết kế sao cho tạo sự hài hòa với trụ thân cột hiện hữu. Trong trường hợp này có thể tiếp tục sử dụng kết cấu trụ thân cột hoặc sử dụng kết cấu trụ thân tường với các đường nét đảm bảo tính thẩm mỹ cao.
Yếu tố kiến trúc, cảnh quan cần đặc biệt lưu ý, nên xây dựng các mô hình 3D tổng thể khu vực để đánh giá, các yếu tố thẩm mỹ như hình khối, màu sắc, bóng chiếu, sự phù hơp với cảnh quản chung… cần được xét đến một cách đầy đủ khi lựa chọn phương án trụ nhiều tầng.
Để minh họa sẽ đưa ra để tham khảo ví dụ một số giải pháp trụ nhiều tầng bằng bê tông cốt thép có thể áp dụng cho nút giao thông đô thị trên cơ sở tham khảo dữ liệu của hai nút giao đã có là Cầu Giấy – Láng (Hình 4.1) và nút Thanh Xuân (Hình 4.2) tại Hà Nội. Đây là hai nút giao tương đối phức tạp giữa giao thông đường bộ và đường sắt đô thị. Các ví dụ này có thể tham khảo trong trường hợp cải tạo hoặc xây dựng các nút giao tương tự trong tương lai.
4.3. Ví dụ thiết kế kết cấu trụ nhiều tầng
Để rõ hơn, sau đây sẽ phân tích chi tiết hơn phương án như đã đề xuất trong Hình 4.4 với dữ liệu thực tế tham khảo từ nút giao Thanh Xuân.
4.3.1. Lựa chọn cấu tạo
Hình dáng kết cấu trụ đề xuất là sự kết hợp kết cấu trụ của cả Dự án đường vành đai 3 và Dự án đường sắt trên cao. Kết cấu thân trụ từ bệ trụ đến chiều cao 7.300mm (chiều cao để đảm bảo cao độ thiết kế của đường vành đai 3), hình dáng thân trụ sẽ được giữ nguyên như kết cấu trụ đường vành đai 3. Đối với phần cấu kiện từ 7.300m đến phần tiếp giáp với xà mũ dự án đường sắt trên cao, hình dáng thân trụ áp dụng sẽ là trụ thân cột. Kết cấu xà mũ, sử dụng ½ mặt cắt xà mũ của dự án đường vành đai 3 để đỡ 5/10 phiến dầm Super-T (một nửa mặt cắt ngang dự án đường vành đai 3). Xà mũ tương tự dự án đường sắt trên cao. Kết cấu bệ trụ sẽ được thiết kết phù hợp với điều kiện chịu lực của kết kiện.
Các yếu tố về thẩm mỹ cũng cần xem xét như đã phân tích ở mục 4.2.
4.3.2. Mô hình hóa kết cấu và kiểm toán
Có thể sử dụng các phần mềm theo phương pháp phần tử hữu hạn để tiến hành mô hình hóa, gán các điều kiện biên, điều kiện tải trọng (lưu ý tải trọng nhiều tầng) và tính toán nội lực tổ hợp theo các TTGH. Sau khi đã có các giá trị nội lực cần tiến hành kiểm toán, tính duyệt theo các mặt cắt cơ bản như trong Hình 4.5:
<Hình 4.5: Các mặt cắt kiểm toán của trụ nhiều tầng>
Các nội dung cơ bản cần kiểm toán đối với các mặt cắt như được nêu trong Bảng 4.1.
Bảng 4.1. Nội dung kiểm toán chính
Ngoài ra còn các nội dung tính toán kiểm tra theo TTGH đặc biệt và mỏi (nếu xét đến).
4.3.3. Phân tích cục bộ
Để tiến hành phân tích cục bộ kết cấu, ta sử dụng phần mềm Midas Civil 7.03 [6] và mô hình hóa kết cấu trụ sử dụng phần tử khối, sau đó sẽ tiến hành gán các điều kiện về tải trọng và điều kiện biên. Ví dụ, ta có kết quả phân tích cục bộ như trong Hình 4.6:
<Hình 4.6: Phân tích ứng suất cục bộ>
Cũng có thể dùng các phần mềm phân tích chuyên sâu hơn như Ansys, Abaqus, Sofistik… trong phân tích cục bộ kết cấu.
Từ kết quả phân tích cục bộ, có thể kiểm tra và tiến hành điều chỉnh thiết kế tối ưu hơn.
4. KẾT LUẬN
Với sự phát triển của hạ tầng giao thông đô thị với các nút giao thông khác mức, thì việc nghiên cứu, đưa ra giải pháp thiết kế tối ưu có sử dụng các kết cấu trụ nhiều tầng là một vấn đề cần xem xét trong quy hoạch xây dựng các nút giao mới cũng như cải tạo nút giao đã có.
Bài báo đã góp phần phân tích các dạng trụ nhiều tầng, trong đó dạng kết cấu trụ nhiều tầng dạng nhánh hoặc dạng khung là những dạng phù hợp hơn, ngoài các yêu cầu cần chú ý trong quá trình lựa chọn giải pháp và tính toán thiết kế kết cấu trụ nhiều tầng phù hợp với điều kiện nút giao thông đô thị đảm bảo các yêu cầu về mỹ quan, yêu cầu về không gian, yêu cầu về sự phù hợp giữa các dự án, các yêu cầu kỹ thuật… cũng được trình bày.
Các ví dụ trong bài báo chỉ mang tính chất minh họa và có thể tham khảo để áp dụng trong các dự án nút giao thông đô thị nhiều tầng sắp tới ở Việt Nam.
Xin cảm ơn thầy Đào Duy Lâm đã đồng ý chia sẻ bài viết với CKJVN
Với mong muốn chọn lọc và truyền tải những kiến thức, kinh nghiệm chuyên môn hữu ích nhất đến đông đảo bạn đọc để lan toả kho tàng tri thức rộng lớn. Tiếp nối sau bài viết kỳ này, Ban biên tập sẽ chia sẻ rộng rãi đến bạn đọc thêm rất nhiều các bài viết chuyên đề tương tự.
Xin chào và hẹn gặp lại các bạn trong các bài viết tiếp theo!
Tài liệu tham khảo
[1]. Bộ GTVT, 22TCN272-05, Tiêu chuẩn thiết kế cầu.
[2]. Nguyễn Thị Tuyết Trinh, Nguyễn Viết Trung, Nguyễn Đức Thị Thu Định (2013), Cầu Thành phố, NXB. GTVT.
[3]. Nguyễn Viết Trung, Hoàng Hà, Đào Duy Lâm, Các ví dụ tính toán cầu bê tông cốt thép theo Tiêu chuẩn 22TCN272-05, NXB. Xây dựng.
[4]. Nguyễn Minh Nghĩa, Dương Minh Thu, Mố trụ cầu, NXB. GTVT.
[5]. Nguyễn Xuân Vinh, Tính toán và thiết kế chi tiết các yếu tố giao thông khác mức, NXB. Xây dựng.
[6]. Ngô Đăng Quang và các tác giả, Mô hình hóa và phân tích kết cấu cầu với Midas/Civil, NXB. Xây dựng.
[7]. James S. Davidson, and al. (2002), Design and Construction of Modern Curved Bridges, UTCA Report Number 01223.
[8]. NCHRP Report (2011), Guideline for Ramp and Interchange.
[9]. Texas Transportation Institute (2003), Report on Review and evaluation of interchange ramp design.
[10]. W.F.Chen & J.Y.Richard Liew (2014), Civil Engineering Handbook, 2nd ed.
