Các giải pháp thiết kế trụ nhiều tầng cho nút giao thông đô thị (Phần 2)

Hôm nay, HPEC xin tiếp tục gửi tới độc giả bài viết “Các giải pháp thiết kế trụ nhiều tầng cho nút giao thông đô thị - Phần 2”. Bài viết được trích từ Bài báo đã được đăng trên tạp chí giao thông vận tải ngày 06/08/2016.
3. Nguyên tắc tính toán thiết kế
a. 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 và các quy định có liên quan. 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.
b. 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.
4. Thiết kế trụ nhiều tầng cho nút giao thông tại Hà Nội
a. 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.
b. 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 Giấy

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.
(Còn tiếp)
Bài viết được trích từ Bài báo đã được đăng trên tạp chí giao thông vận tải ngày 06/08/2016.
KS. Nguyễn Minh Tùng - Ban Quản lý dự án 1 (Bộ Giao thông vận tải)
PGS. TS. Đào Duy Lâm (Trường Đại học Giao thông vận tải)
Người phản biện:
GS. TS. Nguyễn Viết Trung 
PGS. TS. Nguyễn Tuyết Trinh

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.