Nghiên cứu áp dụng các giải pháp kết cấu và công nghệ tiên tiến trong chế tạo dầm bê tông cốt thép dự ứng lực giản đơn chiều cao thấp có nhịp lớn đến 50m

Hiện nay trên thế giới, ngoài các dầm Bê tông cốt thép (BTCT) truyền thống, một số nước như Nhật Bản, Hàn Quốc đã và đang nghiên cứu phát triển cải tiến các loại dầm giản đơn Bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCT DƯL) có chiều dài nhịp lớn. Điển hình như công ty xây dựng Kurosawa Nhật Bản đã phát triển giải pháp kết cấu và công nghệ trong chế tạo dầm BTCT DƯL có chiều dài 50m, theo đó trong thiết kế đã cấu tạo thêm bản thép hình trong vùng chịu nén của tiết diện bản cánh trên nhằm gia tăng diện tích chịu nén của dầm thông qua diện tích tính đổi. Trong chế tạo, dầm được phân thành 5 khúc. Các khúc dầm được căng liên kết với nhau thông qua các bó cáp trong (nằm trong lòng tiết diện) chịu tĩnh tải và bó cáp ngoài đáp ứng yêu cầu chịu hoạt tải. Từ những năm đầu thập kỷ 70 của thế kỷ trước đến nay kết cấu dầm cầu BTCT DƯL giản đơn với nhiều chủng loại khác nhau đã và đang được sử dụng rộng rãi trên các công trường xây dựng cầu ở Việt Nam. Điển hình là kết cấu cầu dầm I bê tông dự ứng lực kéo sau.

Một số đặc điểm mang tính đặc thù của loại dầm I đó là: 

- Kết cấu dầm BTCT DƯL I33m được cấu tạo bởi 2 bộ phận chính: dầm I BTCT DƯL được sản xuất ở bãi đúc và phần bản mặt cầu (BMC) liên hợp được đổ bê tông sau khi các phiến dầm đã được lắp lên nhịp. Với đặc điểm như vậy nên dầm I có trọng lượng không quá lớn (xấp xỉ 38 T) Điều đó tạo yếu tố thuận lợi trong quá trình thao tác công nghệ thi công dầm nếu so sánh với dầm T33m (~ 60T).

- Bản mặt cầu và hệ dầm ngang đổ tại chỗ nên độ cứng - độ liên kết ngang rất tốt cho kết cấu nhịp dầm. Độ dốc ngang mặt cầu được tạo nên từ thi công bản mặt cầu.

- Chiều dài khẩu độ dầm lớn nhất hiện nay mới chỉ đạt 42m (dầm I) và dầm Super- T với chiều dài khẩu độ nhịp 38,3m tới 40m

- Trong trường hợp yêu cầu khổ thông thuyền lớn > 45m thì các loại dầm này không thể sử dụng được mà phải áp dụng giải pháp kết cấu với công nghệ khác như đúc dầm bê tông trên đà giáo cố định hoặc áp dụng công nghệ đẩy với kết cấu có dạng hộp kín (đúc đẩy, đà giáo di động….) theo cơ chế làm việc của dầm liên tục (kết cấu siêu tĩnh).

- Trong thiết kế và xây dựng cầu qua sông, nếu hạn chế được chiều cao dầm sẽ mang lại được nhiều lợi ích như nâng cao khả năng thoát lũ và giảm chiều cao đất đắp sau mố, như vậy phải sử dụng dầm định hình có chiều cao thấp và khẩu độ lớn. Nhưng trên thực tế hiện nay các loại dầm định hình chưa phải là phương án thích ứng hoàn toàn, trong đó phải nhắc đến loại dầm chữ T khẩu độ 33m với chiều cao 1,85m trong khi dầm cùng khẩu độ 33m trước đây chiều cao chỉ 1,5m. Việc áp dụng công nghệ chia dầm thành 2 giai đoạn: chế tạo phần dầm cao 1,65m, nặng 38T và đổ bản mặt cầu dày 20cm đã làm tăng chiều cao dầm (1,85>1,5m) và giảm vùng nén bê tông do căng kéo bó cáp trước đó tạo nên. Vì vậy trên cơ sở của tiến bộ kỹ thuật về kết cấu và công nghệ cho phép chúng ta tiếp tục nghiên cứu xem xét lại quá trình tính toàn thiết kế và công nghệ chế tạo các loại dầm định hình nhằm mục tiêu loại bỏ các yếu tố gây phản tác dụng và phát huy các đặc điểm có lợi để qua đó giảm chiều cao dầm và vươn dài khẩu độ nhịp.

Như vậy có thể khẳng định rằng, để có thể nâng cao khả năng chịu lực của dầm, cần thiết phải tăng diện tích chịu nén, theo đó về nguyên tắc phải tạo thêm diện tích thép (cốt cứng) vào khu vực chịu nén của mặt cắt dầm I để gia tăng diện tích chịu nén tính đổi (nâng cao trục trung hòa) qua đó nhằm hướng tới mục đích hạ chiều cao dầm cũng như kết hợp cấu tạo hệ thống DƯL ngoài vào kết cấu nhịp dầm khi cần gia tăng khẩu độ nhịp. Việc cấu tạo thêm thép hình vào phía trên của trục trung hòa sẽ làm tăng giá trị mô men quán tính và đưa trục trung hòa của mặt cắt đàn hồi lên cao gần thớ trên hơn, điều đó sẽ làm tăng khoảng cách giữa trọng tâm của đám cáp DƯL đến vị trí trụ trung hòa (cánh tay đòn của hệ DƯL tác dụng) dẫn đến tăng hiệu quả tác dụng lực của hệ thống ứng suất trước. Khi hình thành mặt cắt liên hợp, diện tích và mô men quán tính của mặt cắt đều tăng lên, vị trí trục hòa cũng được đẩy cao lên phía trên trong khi ứng suất nén tích lũy trong mặt cắt dầm I được cung cấp từ hệ thống DƯL bị giảm đi. Hệ thống DƯL ngoài cấu tạo sau khi mặt cắt liên hợp được hình thành sẽ cung cấp một lượng ứng suất trước vào hệ nhịp dầm và sẽ nâng cao đáng kể khả năng chịu lực của kết cấu. Như vậy với việc áp dụng đồng thời biện pháp cấu tạo cốt cứng vào mặt cắt I và hệ DƯL ngoài vào kết cấu dầm giai đoạn khai thác sẽ giảm bớt chiều cao dầm I33m hoặc gia tăng chiều dài vượt nhịp mà không cần thiết phải thay đổi thông số hình học của mặt cắt. Bên cạnh đó công nghệ thi công chế tạo dầm cũng được đặt ra.

Với những yêu cầu thực tiễn đặt ra, nhóm thực hiện đề tài, Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải - Bộ Giao thông Vận tải, do TS. Phùng Bá Thắng làm chủ nhiệm đã đề xuất thực hiện đề tài: “Nghiên cứu áp dụng các giải pháp kết cấu và công nghệ tiên tiến trong chế tạo dầm bê tông cốt thép dự ứng lực giản đơn chiều cao thấp có nhịp lớn đến 50m”.

Sau một thời gian triển khai thực hiện, đề tài đưa ra các kết luận như sau:

1) Đề tài đã phân tích các ưu điểm, nhược các công nghệ vật liệu, kết cấu và thi công các dầm định hình truyền thống, các công nghệ hiện đại trên thế giới để lựa chọn giải pháp phù hợp.

2) Đề xuất cải tiến các dầm định hình truyền thống I33m, I42m trên cơ sở bổ sung cốt cứng vào vùng chịu nén của dầm, hai giải pháp kết cấu là sử dụng tiết diện chữ I bản mặt cầu đổ sau và giải pháp sử dụng tiết diện dầm dạng chữ T. Kết quả phân tích cho thấy sử dụng cốt cứng cho phép hạ thấp chiều cao dầm định hình truyền thống, hiệu quả của giải pháp sử dụng tiết diện dầm chữ T hiệu quả hơn dầm I có bản ngang đổ sau.

Công nghệ chế tạo dầm định hình cải tiến vẫn giữ nguyên công nghệ chế tạo các loại dầm truyền thống trong đó có yêu cầu về vật liệu, các công tác thi công chính, kiểm tra, đánh giá chất lượng và nghiệm thu dầm. Điểm mới trong công nghệ này là bổ sung bản thép ở vùng nén phải đảm bảo sự liên hợp với bê tông dầm.

Đề xuất các giải pháp kết cấu và công nghệ chế tạo cho hai loại dầm khẩu độ lớn 45 và 50m. Tiết diện dầm có thể sử dụng mặt cắt chữ I với bản bê tông mặt cầu đổ sau hoặc mặt cắt chữ T và có thi công mối nối. Kết cấu dầm được phân khúc để có thể bố trí các bó cốt thép dự ứng lực phù hợp với biểu đồ bao mô men, phân khúc 5+5+25+5+5 (m) cho dầm 45m và phân khúc 5+5+30+5+5 (m) cho dầm 50m. Các thành phần chính của dầm gồm bản thép bố trí ở vùng nén để tăng diện tích tính đổi cho dầm, nâng cao trục trung hòa; dự ứng lực trong chủ yếu chịu tĩnh tải phần 1; dự ứng lực ngoài chủ yếu chịu tĩnh tải phần 2 và hoạt tải.

Qua phân tích có thể thấy phương án cấu tạo thêm bản thép và tăng cường DƯL-N đem lại hiệu quả đáng kể trong hạ thấp chiều cao dầm và vươn dài khẩu độ nhịp cầu giản đơn. Chiều cao dầm khẩu độ lớn có trường hợp còn thấp hơn chiều cao của các dầm định hình truyền thống và giá trị chiều cao dầm càng thấp khi sử dụng vật liệu bê tông dầm có cường độ tăng lên.

- Dầm I45 và I50m có BMC đổ trên được cải thiện đáng kể về chiều cao dầm so với các loại dầm định hình hiện nay nhưng không hiệu quả bằng dầm T45 và T50m. Tuy vậy để thi công loại dầm chữ T này cần có sự chỉnh sửa ở phần bầu trên của hệ ván khuôn hiện đang sử dụng cho các loại dầm định hình I33 và I42m.

 Công nghệ thi công dầm khẩu độ lớn có thể áp dụng công nghệ dầm bê tông dự ứng lực kéo sau truyền thống. Trong đó có bổ sung cáp dự ứng lực ngoài, thi công cốt bản thép, bao gồm các công đoạn ván khuôn, cốt thép thường, ống ghen, đổ bê tông, thi công căng kéo cáp dự ứng lực trong theo các đốt dầm, thi công căng kéo cáp dự ứng lực ngoài và bơm vữa khi dầm đã được đưa lên gối và thi công xong dầm ngang, bản mặt cầu. Phân chia các đốt dầm 45m là 5+5+25+5+5 (m), phân chia các đốt dầm 50m là 5+5+30+5 (m) và các đốt đổ bê tông liên tiếp nhau rồi căng kéo khi bê tông đạt cường độ mà không cần sử dụng mối nối có bộ khóa chống cắt, đơn giản trong cấu tạo và thi công.

Hướng nghiên cứu tiếp theo về dao động của dầm và kết cấu nhịp lớn trong quá trình khai thác và thi công. Để dầm nghiên cứu có thể được áp dụng đại trà trong xây dựng các công trình cầu ở Việt Nam, đề xuất sản xuất thử nghiệm và triển khai các công tác thử nghiệm kiểm chứng. Qua đó, có thể phát triển nghiên cứu để khắc phục các điểm tồn tại (nếu có), hoặc nghiên cứu cải tiến về vật liệu, công nghệ thi công.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 17595/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

P.T.T (NASATI)