Các giải pháp thiết kế trụ nhiều tầng cho nút giao thông đô thị

TS. Đào Duy Lâm Trường Ðại học Giao thông vận tải KS. Nguyễn Minh Tùng Ban Quản lý dự án 1 (Bộ Giao thông vận tải)  Người phản biện: GS. TS. Nguyễn Viết Trung PGS. TS. Nguyễn Tuyết Trinh

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.

 

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.

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 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.

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

TT	Mặt cắt	Ký hiệu	Nội dung chính cần kiểm toán theo TTGH              Sử dụng và Cường độ
1	Mặt cắt đáy bệ	I-I	+ Kiểm tra sức kháng uốn theo TTGH cường độ + Kiểm tra sức kháng cắt theo TTGH cường độ + Kiểm toán chống nứt theo TTGH sử dụng + Kiểm toán điều kiện ổn định chống trượt + Kiểm toán điều kiện ổn định chống lật
2	Thân trụ 1	II-II	+ Kiểm tra sức kháng uốn theo TTGH cường độ + Kiểm tra sức kháng cắt theo TTGH cường độ + Kiểm toán chống nứt theo TTGH sử dụng + Kiểm toán điều kiện ổn định
3	Thân trụ 2	III-III
4	Mặt cắt xà mũ 1	IV-IV
5	Mặt cắt xà mũ 2	V-V
6	Mặt cắt xà mũ 3	VI - VI

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 bộhinh46

 

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.

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.