Cầu Bê Tông Cốt Thép Dự ứng Lực Có Sườn Bằng Thép Lượn Sóng

Tóm tắt: Vài năm trở lại đây xu hướng sử dụng kết cấu thép trong xây dựng cầu ngày càng trở nên phổ biến tại Việt Nam, các loại cầu dầm tổ hợp liên hợp thép-bê tông được sử dụng bằng các loại kết cấu mới cũng như việc sử dụng ngày càng đa dạng như cầu dầm hộp liên hợp thép-bê tông, cầu vòm ống thép nhồi bê tông, cầu vòm thép có dây treo dạng mắt cáo… Bài viết này đề cập tới một loại kết cấu chưa áp dụng ở Việt Nam có tên là “Cầu bê tông cốt thép dự ứng lực có sườn bằng thép lượn sóng” với sự kết hợp giữa kết cấu bản bê tông cốt thép dự ứng lực với các sườn bằng thép lượn sóng. Loại kết cấu này kết hợp được cả hai ưu điểm của kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực và kết cấu thép, giúp kết cấu cầu phát huy được hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao.

Bài viết của Nguyễn Văn Lâm đăng trên Tạp chí Cầu đường tháng 11/2014. 

Download tại đây hoặc tại đây

1. GIỚI THIỆU VỀ CẦU CÓ SƯỜN BẰNG THÉP LƯỢN SÓNG

Các cầu dầm hộp bê tông cốt thép dự ứng lực thường có bề dày sườn dầm khá lớn, đảm bảo có đủ khả năng chịu lực cắt và có đủ không gian để bố trí cáp dự ứng lực trong. Kết cấu loại này khá nặng nề, làm tăng khối lượng cáp dự ứng lực dọc cầu, tăng khối lượng của kết cấu phần dưới, đồng thời có thời gian thi công dài, khó đáp ứng được yêu cầu vừa xây dựng nhưng vẫn phải đảm bảo giao thông. Để giảm bớt khối lượng kết cấu nhịp và rút ngắn thời gian thi công, gần đây hàng loạt các cầu dầm thép-bê tông liên hợp (còn có tên là cầu vượt nhẹ) đã và đang được xây dựng tại các nút giao thông có mật độ phương tiện cao. Loại dầm thép-bê tông liên hợp này đã phát huy được hiệu quả nhất định trong thời gian vừa qua, tuy nhiên vẫn còn một số nhược điểm cần khắc phục như, khẩu độ nhịp hạn chế hoặc chiều cao kết cấu nhịp lớn, kết cấu hộp thành mỏng nếu không được tăng cường đầy đủ rất dễ bị biến dạng, khả năng chịu nén của bản cánh dưới (đối với cầu dầm hộp) là kém và việc cải thiện khả năng chịu nén bằng lớp bê tông liên kết bản đáy đôi khi không phát huy hiệu quả do khả năng dính bám còn hạn chế. Để khắc phục nhược điểm của hai loại kết cấu trên, giải pháp sử dụng cầu bê tông cốt thép dự ứng lực có sườn bằng thép lượn sóng sẽ là giải pháp trung gian cho các nhược điểm nhưng lại phát huy được tổng hợp các ưu điểm của hai loại kết cấu này.

Cầu có sườn bằng thép lượn sóng

Kết cấu dầm có sườn bằng thép lượn sóng hiện nay được xem như là một giải pháp tốt bởi chúng có nhiều ưu điểm đáng chú ý như:

• Việc thay thế dầm có sườn bằng BTCT truyền thống bằng dầm có sườn bằng lượn sóng cho phép giảm tải trọng bản thân dầm, do đó cũng giảm giá thành xây dựng cầu. Theo thống kê của các nhà nghiên cứu Nhật Bản, cầu dầm hộp có sườn bằng thép lượn sóng nhẹ hơn 20-25% so với cầu dầm hộp bằng bê tông truyền thống;
• Sức kháng cắt của bản sườn được cải thiện do được tăng cường bằng các bản lượn sóng;
• Do hiệu ứng “accordion”, sườn thép lượn sóng không chịu được lực dọc trục và mô men uốn. Hiệu ứng này làm cho bản nắp và bản đáy được dự ứng lực hiệu quả hơn khi không còn sức kháng của sườn như đối với sườn dầm bê tông. Điều đó có nghĩa là lượng cáp dự ứng lực dọc cũng được giảm bớt.
• Kết cấu dầm có sườn bằng thép lượn sóng khá thích hợp khi áp dụng với kết cấu dầm hộp dự ứng lực ngoài,vốn có nhiều ưu điểm hơn so với dự ứng lực trong;

• Tiết kiệm được chi phí trong giai đoạn thi công do giảm được kích thước các hệ đỡ tạm thời và sử dụng chính bản bụng thép để làm hệ thống đà giáo trong quá trình thi công;
• Kết cầu cầu có bản bụng lượn sóng thân thiện với môi trường hơn so với các loại cầu khác vì so với các kết cấu dầm thép và dầm bê tông thì kết cấu dầm có bản bụng lượn sóng có hàm lượng khí thải CO2 vào không khí ít hơn (giảm được khoảng 30%);
• Phạm vi áp dụng của loại kết cấu này khá đa dạng có thể áp dụng cho cả kết cấu dầm thép cũng như kết cấu dầm liên hợp. Đặc biệt thích hợp với kết cấu dầm chịu nén uốn như dầm cầu dây văng, cầu extradose hoặc cầu trong đường cong nằm;
• Với những ưu điểm nổi trội nêu trên nên kết cấu dầm có bản bụng lượn sóng đã được quan tâm nghiên cứu từ những năm 60 của thế kỷ 20 và đến nay đã có rất nhiều công trình dạng này được đưa vào sử dụng tại các nước như Nhật Bản, Pháp, Đức và Hàn Quốc …

Áp dụng cho dầm cầu dây văng

Áp dụng cho cầu đúc hẫng

2. ỨNG XỬ CỦA DẦM CÓ SƯỜN BẰNG THÉP LƯỢN SÓNG

Công nghệ sản xuất dầm thép có bản bụng lượn sóng đã xuất hiện đầu tiên tại Thụy Điển vào cuối những năm 60. Tuy nhiên phần lớn các dầm loại này chỉ vượt được nhịp nhỏ để phục vụ cho kết cấu mái nhà chịu tải trọng nhỏ. Tới đầu những năm 80 với mong muốn dùng được rộng rãi cho các dạng kết cấu khác với khả năng vượt nhịp lớn hơn, các chuyên gia đã tăng cường đầu tư và nghiên cứu. Trong thời gian này các trường đại học, các học viện lớn trên thế giới cũng đã bắt đầu tiến hành đưa ra chương trình thí nghiệm cụ thể về loại kết cấu này với mục đích nghiên cứu các vấn đề về sự ứng xử của dầm khi dùng bản lượn sóng để từ đó có những giải pháp cho kết cấu này làm việc được tối ưu hơn.

Kết quả nghiên cứu dầm có bản thép lượn sóng của Trường Chalmers University of Technology – Thụy Điển (1983-1987) đã chỉ ra các vấn để ứng xử cơ bản như sau:

• Có 2 cơ chế phá hoại của các nhóm dầm: cơ chế mất ổn định cục bộ hoặc cơ chế mất ổn định tổng thể. Sự mất ổn định cục bộ là sự mất ổn định tại một mảnh đơn lẻ của bản bụng lượn sóng. Sự mất ổn định cục bộ liên hệ với nhau tạo ra sự mất ổn định tổng thể;
• Đường cong tải trọng – độ võng chỉ ra rằng khả năng chịu tải sau khi đạt giá trị cực đại là khá đột ngột với giá trị còn lại xấp xỉ một nửa giá trị tải trọng lớn nhất, tuy nhiên vẫn bằng với cường độ bản bụng ở dầm có bản bụng phẳng với cùng một độ dày. Giá trị này vẫn duy trì ổn định trong khi độ võng vẫn tiếp tục tăng;
• Giá trị ứng suất trên mặt phẳng ngang ở bản bụng có giá trị không quá lớn ngoại trừ tại các vị trí giữa nhịp lân cận với bản cánh. Điều này chứng tỏ rằng mômen uốn chủ yếu do các bản cánh chịu;
• Sức kháng cắt phụ thuộc vào chiều cao và độ dày của bản bụng;
• Không có sự khác biệt giữa ứng suất cắt trượt ở những nếp gấp dọc dầm và các nếp gấp nghiêng;
• Chỉ một khuyết tật đáng kể nào đó cũng làm giảm khá nhiều cường độ của dầm. Sự giảm cường độ này có thể thấy được ở những dầm có một thay đổi góc gấp nếp của sóng tôn dẫn đến những khuyết tật từ 450 thành 300.

Nghiên cứu của Đại học University of Main – Drexel University (USA) năm 1990

Chương trình nghiên cứu với mục đích nghiên cứu các ứng xử của dầm có bản bụng lượn sóng dạng hình thang. Các kết quả thu được miêu tả vắn tắt như sau:

Ứng xử cắt:

• Dưới tác dụng của lực cắt, sự mất ổn định cục bộ hoặc mất ổn định tổng thể ở bản bụng dầm có thể kiểm soát phụ thuộc vào dạng lượn sóng.

Ứng xử uốn:

• Khả năng chịu uốn cực hạn của dần có bản bụng lượn sóng không phụ thuộc vào vật liệu bản bụng, hình dạng lượn sóng cũng như bề mặt của bản bụng lượn sóng.
• Khả năng chịu uốn cực hạn nằm trong khoảng giữa khả năng chịu uốn tính toán dựa trên giới hạn chảy của bản cánh và cường độ giới hạn bỏ qua sự tham gia của bản bụng lượn sóng.

3. SO SÁNH GIỮA CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC CÓ SƯỜN BẰNG THÉP LƯỢN SÚNG VỚI CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC CÓ SƯỜN BẰNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

Nghiên cứu tại Đại học Campenon Bernard BTP (Pháp ) năm 1990 đã chỉ ra những ưu điểm của dầm hộp và dầm I liên hợp có bản bụng lượn sóng với dầm hộp và dầm I liên hợp với bản bụng phẳng có cùng dạng mặt cắt như sau:

Về ứng xử kết cấu:

• Do sự nhạy cảm đối với mất ổn định giảm nên những ảnh hưởng của khuyết tật ban đầu cũng giảm;
• Do làm tăng được độ cứng theo phương ngang nên số lượng vách trung gian để truyền tải trọng ngang (ví dụ như tải trọng gió ngang ) sang các bản cánh BTCT được giảm đi.
• Do hiệu ứng “đàn accordion” nên độ cứng dọc trục của bản bụng bị giảm đi làm ngăn cản khả năng chịu tải cũng như truyền tải trọng dọc trục do ảnh hưởng uốn, dự ứng lực, từ biến, co ngót hoặc ảnh hưởng của nhiệt độ. Do đó bản bụng chỉ làm nhiệm vụ kháng lại ứng suất chính và kháng xoắn đối với dầm hộp.
• Lực dự ứng lực dọc trục tại đáy của bản cánh không bị truyền sang bản bụng do đó giảm được số sợi cáp DUL cũng như giảm được số neo.
• Do giảm được tổng tải trọng và tối ưu hóa được sự phân bố lực giữa các bộ phận của kết cấu nên có thể tăng khả năng vượt nhịp.
• Độ cứng ngang cao hơn nhờ chiều cao của sóng tôn thêm vào đó với sức kháng cắt cao hơn kết quả là sức kháng chống lại sự mất ổn định cục bộ và tổng thể của dầm có bản bụng thép lượn sóng cao hơn.

Về điều kiện kinh tế:

• Do giảm được chiều dày bản bụng và việc không phải sử dụng sườn tăng cường nên giảm được tải trọng từ đó tạo được hiệu quả kinh tế.
• Với công nghệ mới trong việc sử dụng dầm ngang BTCT chạy xuyên qua bản bụng có tác dụng như những neo cáp, do đó không cần phải làm các bản cánh thép.

4. ĐẶC ĐIỂM CHẾ TẠO VÀ THI CÔNG

a) Đặc điểm chế tạo

Từ đặc điểm cấu tạo, có thể thấy hầu hết các phương pháp thi công chủ đạo dầm BTCT DUL thông thường như đúc đẩy, đúc hẫng, đúc trên đà giáo, lao kéo dọc đều có thể áp dụng để thi công cầu có bản bụng bằng thép lượn sóng.

Tuy nhiên do bản bụng bằng thép phải liên kết với bản bê tông thông qua các neo liên hợp nên trong các bước thi công chi tiết có một số sự thay đổi:

• Sườn thép sau khi vận chuyển vào vị trí để liên kết với nhau, tiến hành đổ bê tông bản đáy, bản nắp, căng kéo DUL và sơn bảo vệ. Thông thường sườn thép lượn sóng được chế tạo trong công xưởng và được vận chuyển ra ngoài công trường bằng những xe chở chuyên dụng. Chiều dài của các tấm sườn thép lượn sóng được lấy bằng chiều dài một đốt đúc vì có xét tới sự thuận lợi trong việc vận chuyển và bảo vệ.
• Các sườn thép lượn sóng được cẩu lắp vào vị trí trên kết cấu nhịp để liên kết với nhau, sau đó sườn thép được liên kết bằng mối nối bu lông CĐC hoặc bằng mối nối hàn ngoài công trường.
• Tiếp theo là công tác đổ bê tông cho bản bê tông dưới và bản bê tông trên, sau đó tiến hành căng kéo cốt thép DƯL và sơn bảo vệ sườn thép lượn sóng.

Sau khi chế tạo xong các tấm thép lượn sóng được vận chuyển ra ngoài công trường. Chúng được liên kết với nhau bằng mối nối hàn hoặc bu lông cường độ cao.

b) Đặc điểm thi công

• Sự linh hoạt theo 3 phương của bản bụng tạo thuận lợi cho việc xây dựng cầu cong, và giảm dung sai cần thiết trong việc chế tạo các tấm bản bụng;
• Trong quá trình thi công bản bụng thép lượn sóng được sử dụng như 1ván khuôn để đổ bê tông bản nắp và bản đáy vì thế những kết cấu phụ tạm trong quá trình thi công sẽ được giảm thiểu;
• Thi công phân đoạn khiến cho trọng lượng của toàn bộ khối bê tông tươi của bản đáy, bản nắp có thể được đỡ bởi chính bản bụng, do đó giảm đáng kể thiết bị thi công.

Như vậy, cũng giống như dầm BTCT dạng hộp và dạng chữ I, dầm liên hợp có bản bụng thép lượn sóng cũng có những ưu điểm như giảm trọng lượng bản thân, cho phép vượt nhịp dài hơn, giảm số lượng trụ và các kết cấu đỡ tạm thời. Bên cạnh đó còn có những ưu điểm khác như:

• Vật liệu được sử dụng hợp lý, bê tông cốt thép được bố trí ở vị trí chịu uốn, sườn thép chịu cắt.
• Vật liệu được đưa ra xa nhất trục trung hòa do đó tăng hiệu quả chịu lực của dầm.
• Tránh được những khó khăn trong việc đổ bê tông bản bụng có chiều cao lớn.
• Việc giảm khối lượng bản thân của các đốt dầm cũng cho phép đúc được các đốt dầm dài hơn do đó đẩy nhanh được thời gian thi công xây dựng công trình.

Hình ảnh trong quá trình thi công

5. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

Hãng MIDAS đã phát triển phần mềm chuyên dụng để tính toán thiết kế loại kết cấu này, bao gồm cả công cụ phân tích tổng thể và công cụ phân tích cục bộ.

1. Phân tích tổng thể

Tương tự mô hình thiết kế cầu dầm hộp đúc hẫng hoặc cầu đúc trên đà giáo từng nhịp một có sử dụng cáp dự ứng lực ngoài.

Mô hình tổng thể bằng phần mềm Midas Civil

2. Phân tích cục bộ

Sử dụng phần mềm Midas FEA để xây dựng và phân tích kết cấu với hình dạng bất kỳ. Trong phần hướng dẫn đã có một số ví dụ chi tiết về loại kết cấu này.

    

Mô hình phân tích cục bộ bằng phần mềm Midas FEA

6. KẾT LUẬN

Có thể thấy kết cấu dầm có bản bụng lượn sóng mang rất nhiều ưu điểm nổi bật, vì vậy trong vòng 2 thập kỷ trở lại đây dạng kết cấu này rất được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng vào thực tế. Tuy nhiên ở nước ta đây lại là một kết cấu mới và chưa được sử dụng cho các công trình cầu, do vậy để đưa dạng kết cấu này vào áp dụng thì cần phải tiếp nghiên cứu, so sánh và khảo sát thực tế. Trong phạm vi bài báo này chúng tôi chỉ giới thiệu những đặc điểm cơ bản nhất của loại kết cấu này, các bài tiếp theo Nhóm tác giả sẽ hướng tới việc phân tích, tính toán cho một công trình cụ thể để có thể so sánh một cách định lượng với các loại kết cấu truyền thống khác ở Việt nam.

Tài liệu tham khảo

1. Eng. Tsutomu KADOTANI (2007). “A bridge of corrugated steel webs with high durability”.
2. Shoji Ikeda, Professor Emeritus of Yokohama National University and M Sakurada, Society for Research on composite structures with corrugated steel webs, Japan (2005). “Development of hybrid prestressed concrete bridges with corrugated steel web construction”.
3. Gabriele Bertagnoli & Politecnico di Torino. “Prestressed composite box girder bridges with corrugated webs”.
4. Komiya, KEI-NE JV (2011). “Introduction of corrugated steel webs bridge, a study for Cha river bridge of the Ben Luc – Long Thanh expressway project”.
5. Midas FEA 2010 and Midas Civil 2011, User Manual.

Bài liên quan: http://hkhktcd.vn/hoi-khoa-hoc-ky-thuat-cau-duong/khoa-hoc-cong-nghe/nghien-cuu-ung-dung-cau-be-tong-cot-thep-du-ung-luc-co-suon-bang-thep-luon-song-tai-viet-nam-1607.aspx