Trong một bài báo trên Tạp chí Cầu Đường Việt Nam, PGS.TS Đào Duy Lâm – Giảng viên trường Đại học Giao Thông Vận Tải đã viết về “Các giải pháp thiết kế trụ nhiều tầng cho nút giao thông đô thị.” CKJVN xin được trích dẫn, đăng tải và chia sẻ tới bạn đọc cùng tham khảo.

TÓM TẮT: Hiện nay, tình trạng ùn tắc, quá tải về giao thông đang là một trong những vấn đề bức thiết tại các đô thị trên thế giới và ở Việt Nam như Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh…, đặc biệt là hiện tượng ùn tắc thường xuyên ở các vị trí giao cắt. Để giải quyết vấn đề nêu trên, việc xây dựng các nút giao khác mức, nhiều tầng là một giải pháp phù hợp, trong đó việc sử dụng kết cấu trụ nhiều tầng là cần thiết và đem lại hiệu quả cao.

Bài báo góp phần phân tích các giải pháp thiết kế trụ nhiều tầng trong nút giao thông đô thị còn mới mẻ tại Việt Nam, với ví dụ minh họa cụ thể tại Hà Nội.

TỪ KHÓA: Trụ nhiều tầng, nút giao khác mức, cầu đô thị.

Abstract: Nowadays, the situation of traffic congestion and overloading status of the transportation infrastructures has become one of the most seriosus problems in urban area not only Vietnam but other countries around the world, in big cities such as Hanoi, Ho Chi Minh City…, especially traffic jams at the intersections. To solve this situation, the interchange (grade separated intersection) is provided as one of the most effective proposed solutions in which the multi-level piers are necessary.

In this paper, the research on design and selection of the multi-level piers in interchange are introduced with illustration examples to apply in Hanoi.

Keywords: Multil-level piers, interchange, urban bridge.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Trụ nhiều tầng là một dạng kết cấu trụ ngoài vai trò là một kết cấu phần dưới với chức năng đỡ và phân chia kết cấu nhịp, truyền các tải trọng thẳng đứng và ngang xuống đất nền và phải đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật, mỹ quan, va xô… như kết cấu trụ thông thường, kết cấu trụ nhiều tầng còn có vai trò đảm bảo phân chia hướng tuyến và góp phần chủ đạo cấu thành các tầng kết cấu trong nút giao khác mức, đảm bảo sự hợp lý và tiết kiệm không gian.

Ngoài các yêu cầu về thiết kế, thi công tương tự kết cấu trụ thông thường, trụ nhiều tầng còn có đặc thù riêng để đáp ứng yêu cầu chuyển hướng và đa tầng cũng như chịu tác dụng của tải trọng nhiều lớp cần được xét đến.

<Hình 1.1: Cấu tạo trụ nhiều tầng điển hình>

Với nhiều ưu điểm, trên thế giới, trụ nhiều tầng được sử dụng tương đối phổ biến, đặc biệt trong nút giao thông lập thể, cầu nhiều tầng…

Tại Việt Nam đã có trường hợp áp dụng như cầu Thăng Long hay tại điểm giao cắt, nhà ga các tuyến đường sắt đô thị đang xây dựng. Tuy nhiên, việc sử dụng còn chưa phổ biến cần tiếp tục nghiên cứu để áp dụng hiệu quả trong các nút giao nhiều tầng sẽ xây dựng. Bài báo này sẽ phân tích về các dạng trụ nhiều tầng, trình bày nguyên tắc tính toán và đưa ra các ví dụ minh họa cụ thể về khả năng áp dụng loại trụ này trong đô thị tại Việt Nam.

2. CÁC DẠNG TRỤ NHIỀU TẦNG

Các loại trụ cầu trong các nút giao khác mức có thể được phân loại dựa theo các tiêu chí như hình dáng kết cấu hay theo phương pháp thi công… Về hình dạng kết cấu, các loại trụ cầu này có thể phân thành các dạng trụ sau:

Các dạng trụ thân cột: Thân trụ gồm 1 cột hay nhiều cột với hình dạng khác nhau như tròn hình chữ nhật vát cạnh, ô van, elíp… đỡ kết cấu nhịp tại điểm phía trên cột trụ. Kết cấu trụ thân cột được sử dụng rộng rãi khi thiết kế các công trình cầu cạn, cầu vượt. Tùy vào bề rộng cầu mà quyết định sử dụng kết cấu 1 trụ hoặc nhiều hơn. Trong nút giao nhiều tầng có thể sử dụng các cột riêng rẽ hoặc kết hợp, tuy nhiên dạng trụ đơn sẽ chiếm dụng không gian với số lượng trụ lớn và có sự giao cắt, khó bố trí. Có thể thấy rõ vấn đề này ở một số nút giao cũ được cải tạo thành nhiều tầng tại Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh.

<Hình 2.1: Trụ thân cột và dạng tường>

Các dạng trụ thân tường hoặc thân hẹp: Có dạng hình chữ nhật, hình thang vát cạnh hoặc các hình dạng khác với chiều rộng thân trụ (b) lớn hơn chiều dày thân trụ (t) tối thiểu 5 lần(b/t) cho dạng tường. Dạng trụ này có thân trụ được mở rộng và có thể kiêm vai trò của xà mũ. Trụ thân tường cũng được sử dụng rộng rãi khi thiết kế trụ cho các cầu cạn, cầu vượt sử dụng các dạng kết nhịp như dầm T, I, Super – T, dầm bản hoặc dầm. Tuy nhiên, dạng này cũng nếu bố trí riêng rẽ cũng sẽ chiếm dụng không gian lớn, khó sắp xếp trong nút giao nhiều tầng.

Các trụ dạng nhánh: Trụ nhiều tầng dạng nhánh thường gồm thân trụ chính kết hợp với các nhánh xà mũ theo các hướng (như kiểu cành cây) để đỡ các nhánh cầu vượt trong nút giao nhiều tầng. Đây là dạng trụ sử dụng rất hiệu quả trong nút giao với các dạng kết cấu nhịp khác nhau, thích hợp với các dạng nút giao khác mức đa hướng nhiều nhánh rẽ, tuy nhiên cấu tạo cũng tương đối phức tạp.

a. Dạng Nhánh                                        b. Dạng Khung

<Hình 2.2: Trụ nhiều tầng>

Các trụ dạng khung: Trụ có phần bệ móng, thân trụ, xà ngang được ngàm cứng để nối 2 thân trụ với nhau, có hoặc không có xà mũ. Có thể kết hợp sử dụng các kết cấu dạng trụ cột hoặc trụ thân tường với vật liệu là bê tông cốt thép hoặc thép.

Trụ nhiều tầng dạng khung có thể dùng cho các đường trên trên cao nhiều tầng, các nhánh nút giao khác mức nằm cùng vị trí trên mặt bằng hoặc khi chiều rộng của cầu vượt lớn và rất phù hợp với kết cấu nhịp dầm bản hoặc dầm hộp.

Như vậy, trụ nhiều tầng dạng nhánh hoặc khung sẽ là những dạng sẽ áp dụng hiệu quả cho nút giao nhiều tầng đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật, khả năng chịu lực, tiết kiệm không gian và có tính thẩm mỹ cao. Ngoài ra cũng có một số dạng kết hợp khác mà thiết kế có thể đưa ra tùy theo đặc thù từng nút giao khác mức hoặc một số dạng phức tạp hợp như trong nút giao có không gia ngầm.

3. Nguyên tắc tính toán thiết kế

3.1. Nguyên tắc và yêu cầu chung

Việc tính toán thiết kế trụ cầu nói chung và trụ nhiều tầng nói riêng nhằm mục đích lựa chọn được kết cấu có đủ cường độ, độ ổn định của kết cấu thỏa mãn theo các quy định của Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN272-05 [1] và các quy định có liên quan [2, 3, 4, 5]. Bên cạnh đó, yêu cầu về kiến trúc, cảnh quan cũng cần lưu ý, đặc biệt khi áp dụng trong đô thị. Các bước cơ bản khi thiết kế như sau:

– Chọn loại kết cấu trụ (tùy theo điều kiện cụ thể, có xét đến các yêu cầu kỹ thuật, mỹ quan…);

– Xác định sơ bộ các kích thước của tiết diện trụ, các nhánh hoặc khung;

– Phân tích kết cấu, chọn sơ đồ tính toán;

– Xác định các lớp tải trọng, các loại tải trọng đối với các vị trị mặt cắt cần tính toán của các bộ phận trụ (thân trụ, nhánh…);

– Xác định các tổ hợp tải trọng theo các trạng thái giới hạn (TTGH) trong quá trình xây dựng và khai thác công trình;

– Kiểm tra các tiết diện theo các TTGH và hiệu chỉnh tối ưu thiết kế.

3.2. Phân tích cục bộ

Đối với kết cấu trụ nhiều tầng do trong kết cấu thường có những thay đổi đột ngột về hình dạng và kích thước hoặc những nơi có liên kết phức tạp, chịu tải trọng kết hợp từ nhiều tầng khác nhau…, vì vậy cần tiến hành phân tích cục bộ đối với các vị trí này.

Trước khi thực hiện một phân tích cục bộ cần thực hiện phân tích tổng thể nhằm xác định các điều kiện biên cho kết cấu cục bộ. Bên cạnh đó, kết quả phân tích cục bộ có thể xem xét để hiệu chỉnh lại mô hình phân tích tổng thể chính xác hơn và phản ánh chính xác hơn sự làm việc của kết cấu.

Có thể cần xét các vị trí phân tích cục bộ đối với trụ cầu nhiều tầng như:

– Các vị trí có sự thay đổi đột ngột về kích thước hình học như các chỗ giao nhau của thân trụ và các nhánh, điểm nút trụ khung…;

– Các vị trí đặt lực tập trung như gối cầu, đầu neo dự ứng lực của xà mũ, thân trụ…;

– Các khu vực có sự thay đổi về vật liệu như bề mặt tiếp xúc giữa cốt thép và bê tông;

– Các nội dung chính của phân tích cục bộ gồm:

+ Phân tích quy luật phân bố ứng suất, biến dạng trong một khu vực kết cấu;

+ Phân tích ổn định cục bộ;

+ Xác định ảnh hưởng của hiệu ứng cục bộ đối với kết cấu tổng thể.

Quá trình mô hình hóa kết cấu cục bộ cần lưu ý thực hiện:

– Nghiên cứu kỹ cấu tạo của cấu kiện về đặc tính vật liệu, mối nối hay liên kết, đặc điểm và sự phân bố tải trọng;

– Dự đoán trạng thái ứng suất cục bộ (trạng thái ứng suất phẳng, không gian);

– Lựa chọn mô hình phần tử hữu hạn (hoặc phương pháp khác) thích hợp để mô hình hóa các phần của kết cấu cục bộ;

– Xác định sơ bộ kích thước vùng cục bộ;

– Xây dựng mô hình và tính toán kết cấu tổng thể có chứa bộ phận kết cấu cần phân tích cục bộ có xét điều kiện biên;

– Xây dựng mô hình kết cấu cục bộ có đưa các điều kiện biên từ phân tích tổng thể;

– Thực hiện tính toán và hiệu chỉnh lại mô hình lưới phần tử hữu hạn trên cơ sở phân tích kết quả tính toán.

Xin cảm ơn thầy Đào Duy Lâm đã đồng ý chia sẻ bài viết với CKJVN

CKJVN Xin chào và hẹn gặp lại các bạn trong bài viết “CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ TRỤ CẦU NHIỀU TẦNG CHO NÚT GIAO THÔNG ĐÔ THỊ – KỲ 2″ với nội dung: “Thiết kế trụ nhiều tầng cho nút giao thông tại Hà Nội”