CẦU LIÊN TỤC NHỊP LỚN SỬ DỤNG DẦM BTCT DƯL TIẾT DIỆN I33

CẦU LIÊN TỤC NHỊP LỚN SỬ DỤNG

DẦM BTCT DƯL TIẾT DIÊN I33

PRECAST SPLICED CONCRETE GIRDER I33

FOR CONTINUOUS SPAN

TS. Vũ Hồng Nghiệp, KS. Nguyễn Toàn Trung

ĐH GTVT TP HCM, HCM, Việt Nam, vuhongnghiep@googlemail.com

ĐH GTVT TP HCM, HCM, Việt Nam, nguyentoantrung.xd@gmail.com

Tóm tắt: Trong những năm gần đây, tại Việt Nam dầm giản đơn BTCT DƯL I33 đúc sẵn được ứng dụng rất nhiều trong các kết cấu cầu nhịp giản đơn…nhưng việc liên tục hóa các dầm giản đơn này nhằm tăng chiều dài nhịp, tiết kiệm chi phí, thời gian thi công và tận dụng triệt để khả năng, kinh nghiệm sẵn có của các đơn vị thi công. Do đó, trong nghiên cứu này sẽ đưa ra một kết cấu liên tục nhịp lớn mới (chiều dài nhịp từ 45-90m) dựa trên các dầm BTCT tiết diện I đúc sẵn. Đề xuất các phương pháp liên tục hóa, các bước thi công, các dạng mối nối…để tăng chiều dài nhịp.

Từ khóa: Cầu Nhịp Lớn Sử Dụng Dầm BTCT I33, Dầm BTCT I33, Liên Tục Hóa Dầm BTCT I33, Liên tục hóa,  

Abstract:Recent years, in Việt Nam, the precast concrete I33 girders have been applied almost super-structure as simple-spans…However, using the standard girder in continuous span to increase the span length, reduce the cost of construction, save the significant time during construction, take full advantage of experience from the manufacturer and contractor who fabricated and constructed this type girder. Therefore, in this research, the new continous three span girder (the span length is 45 – 90m) will be showed base on splice standard I girder. Suggesting method of continuous span, construction sequence, type of splice conections….to increase the span length.    

Keywords: Continuous span girder, Precast concrete girder I33 for continuous span, Precast concrete girder I33, Splice girder         

Giới thiệu

Ngày này, giải pháp sử dụng dầm BTCT DƯL cho kết cấu nhịp trong xây dựng cầu ngày càng trở lên phổ biến vì lý do đơn giản trong thiết kế và giá thành thấp so với các kết cấu khác. Tuy nhiên, dầm định hình truyền thống tiêu chuẩn tiết diện I có chiều dài lớn nhất là 42m do giới hạn về khả năng chịu tải trọng bản thân và phương tiện vận chuyển, thi công. Do đó, việc liên tục hóa các dầm BTCT tiết diện I để đạt được chiều dài nhịp 67m có 03 vấn đề chính sau:

Các dầm BTCT DƯL tiết diện I33 được chế tạo tại nhà máy và vận chuyển đến công trường bằng phương tiện vận chuyển chuyên dụng.

Phương pháp thi công lắp đặt các dầm BTCT tiết diện I33.

Các loại mối nối liên tục hóa các dầm BTCT DƯL tiết diện I33.

Chế tạo dầm BTCT DƯL tại nhà máy và vận chuyển đến công trường.

Dầm BTCT DƯL tiết diện I33 được thiết theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD. Toàn bộ dầm định hình tiêu chuẩn BTCT DƯL tiết diện I33 được chế tạo tại nhà máy và vận chuyển đến công trường bằng phương tiện chuyên dụng.

Hình 1.1: Cấu tạo dầm I33 điển hình

Việc chế tạo tại nhà máy giúp kiểm soát tốt chất lượng, đẩy nhanh tiến độ.

Cần xem xét khả năng vận chuyển (trọng lượng, chiều dài) của các phương tiện vận chuyển hiện có đế tiến hành thiết kế và sử dụng những dầm định hình tiêu chuẩn. Đốt dầm tại đỉnh trụ sẽ được thiết kế riêng cho từng dự án cụ thể tùy theo chiều dài nhịp.

Hình 1.2: Vận chuyển dầm I33 điển hình

Phương pháp thi công

Các phương pháp thi công khác nhau sẽ được cân nhắc dựa trên các yếu tố như: điều kiện địa hình xây dựng, thiết bị hiện có, nhân công và các nhà thầu địa phương. Công nghệ xây dựng chủ yếu thường sử dụng cho loại kết cấu nhịp liên tục sử dụng dầm định hình này là: sử dụng trụ tạm, sử dụng hệ gông thép hay kết cấu giá treo thép.

1. 1. Phương pháp sử dụng trụ tạm.

Các trụ tạm sẽ được lắp đặt trên công trường nhằm đỡ các dầm định hình I33 trong quá trình thi công lao lắp dầm. Những trụ tạm này sẽ được điều chỉnh nhằm đạt được cao độ đúng như trong thiết kế.

Tuy nhiên, việc lắp đặt các trụ tạm này đòi hỏi nhân công và chiếm rất nhiều diện tích mặt bằng. Những đốt dầm lắp hẫng và đốt dầm tại đỉnh trụ sẽ được lắp đặt dễ dàng bằng cách sử dụng những thiết bị cẩu lắp nhỏ (sử dụng 02 cẩu bánh xích 80 tấn). Những trụ tạm này có thể được sử dụng nhiều lần cho nhiều nhịp trong kết cấu. Đây là phương pháp kinh tế và đơn giản nhất cho những vị trí xây dựng cầu cạn, tương đối bằng phẳng.

Hình 1.3: Phương pháp trụ tạm

1. 2. Phương pháp sử dụng hệ gông thép.

Phương pháp xây dựng sử dụng hệ gông thép thường được sử dụng cho kết cấu cầu nhịp lớn băng qua sông và địa hình hiểm trở. Hệ thống gông bằng thép được cố định tại vị trí mối nối và được gông chắc chắn với nhau bằng các thanh thép bu lông cường độ cao (D42) xuyên qua cánh dầm. Khi lắp các dầm vào đúng vị trí, các thanh bu lông cường độ cao sẽ được siết chặt hệ gông, cố định và đỡ các dầm vừa lắp đặt. Hệ gông được sử dụng cho đến khi công tác đổ bê tông tại vị trí mối nối và tiến hàng căng cáp dự ứng lực đế liên kết các dầm thành nhịp liên tục hoàn tất. Tiến hành tháo bỏ hệ gông và tiếp tục sử dụng cho các kết cầu tương tự.

Phương pháp này đặc biệt tiện dụng và kinh tế khi kết cấu cầu được xây dựng tại các khu vực địa hình khó khăn, không thể sử dụng hệ trụ tạm để thi công. Tuy nhiên, việc áp dụng phương pháp này đòi hỏi độ chính xác cao trong thiết kế và phải tuân thủ nghiêm ngặt tiêu chuẩn, quy trình thi công.

Hình 1.4: Phương pháp hệ gông thép

1. 2. Phương pháp sử dụng dầm thép lắp hẫng.   

Phương pháp này đưa vào một dầm thép trong đốt dầm và có tác dụng như một dầm hẫng. Dầm thép hẫng chữ H có mũi dẫn này được cố định bằng bu lông tại đầu mỗi đốt dầm tại đỉnh trụ. Các đốt dầm được đặt thẳng hàng vào vị trí mũi dẫn đã đặt trước đó trên đốt dầm đỉnh trụ, tiến hành siết chặt bu lông và cố định mối nối các đốt dầm. Những dầm lắp hẫng này sẽ được cố định với dầm. Cần thiết kế và lắp đặt dầm hẫng này thật cẩn thận và khéo léo. Phương pháp này rất thuận tiện đối với các kết cấu cầu bắc ngang qua thung lũng sâu hay vượt sông. Tuy nhiên việc đưa vào bộ nối chịu cắt cao và những thanh thép cường độ cao trong mặt cắt dầm cũng có thể làm tăng chi phí xây dựng ban đầu.

Hình 1.5: Phương pháp dầm thép lắp hẫng

Các loại mối nối

Tuỳ theo đặc điểm cấu tạo và chịu lực của kết cấu mà chọn các mối nối thích hợp, ví dụ nếu mối nối chỉ thực hiện ở dầm ngang thì bản mặt cầu làm việc như bản hẫng tựa trên dầm chủ, hoặc nếu mối nối chỉ thực hiện ở bản mặt cầu, thì bản mặt cầu làm việc thay cho dầm ngang khi phân bố tải trọng lên các dầm chủ. Có thể phân ra hai loại mối nối chính là mối nối khô và mối nối ướt. Mối nối khô là các mối nối được thực hiện bằng hàn các bản thép chờ, hoặc căng cáp DƯL liên kết mà không cần đổ bê tông. Mối nối ướt là mối nối cần đổ bê tông tại hiện trường.

1. 1. Mối nối khô.

  Mối nối khô là mối nối không cần đến đổ bê tông tại hiện trường. Các mối nối này được thực hiện thông qua bu lông, hàn hoặc cáp dự ứng lực. Các mối nối khô qua bản thép hàn và căng cáp DƯL thường chỉ có hiệu quả chịu uốn tại dầm ngang. Mối nối khô hàn bản thép và cốt thép căng ngang đơn giản về cấu tạo và thi công nhanh nhưng cốt thép bản mặt cầu thường không được nối, bản làm việc như bản hẫng, nên khi nhịp bản lớn thường xuất hiện các vết nứt dọc trên mặt cầu. Mối nối khô thường được thực hiện bằng hàn một bản thép thông qua các bản thép chờ hàn sẵn vào cốt thép chịu lực của dầm ngang. Để tránh hiện tượng bản thép bị kênh do chế tạo không chính xác, các bản thép chờ được thay bằng các thép góc chờ. Nhược điểm là các mối hàn chịu tải trọng xung kích kém và thường không khống chế được chất lượng mối hàn ngoại hiện trường. Trong cầu có các tấm bản lắp ghép, mối nối khô có thể thực hiện thông qua bu lông cường độ cao nối bản lắp ghép với dầm.

Hình 1.6: Mối nối khô

1. 2. Mối nối ướt

Mối nối ướt là mối nối thực hiện bằng bê tông hoặc bê tông cốt thép tại hiện trường, tuỳ theo cấu tạo, nếu cốt thép cũng được nối thì mối nối có thể chịu cả mô men và lực cắt, nếu các cốt thép không được nối thì chỉ chịu được lực cắt. Mối nối ướt có thể dùng để nối bản mặt cầu và dầm ngang trong cầu dầm T đúc sẵn, khi đó cánh T đúc sẵn thường để cốt thép chờ, các khối đúc sẵn đặt cách nhau một khoảng đủ để nối cốt thép và đổ bê tông (ít nhất 300mm). Cốt thép chờ ở bản mặt cầu và dầm ngang có thể nối uốn vòng và thêm các cốt chịu cắt. Trong mối nối ướt cũng có thể dùng các bó cốt thép dự ứng lực đặt ở dầm ngang và bản mặt cầu để ép các khối sau khi đã đổ bê tông.

Hình 1.7: Mối nối ướt (trước khi đổ bê tông)

So sánh kết cấu nhịp giản đơn và kết cấu nhịp liên tục sử dụng dầm BTCT DƯL tiết diện I33.

Trong phạm vi bài báo, tác giả đã lựa chọn cụ thể trường hợp dầm BTCT tiết diện I33 để nghiên cứu và tính toán.

Kết cầu cầu nhịp giản đơn sử dụng dầm BTCT DƯL tiết diện I33:

• Chiều dài nhịp giản đơn: L=33.5 m.
• Mặt cắt ngang cầu: B = 2x0.5 + 2x2 + 2x3.5 = 12m

Kết cấu cầu liên tục nhịp lớn sử dụng dầm BTCT DƯL tiết diện I33:

• Chiều dài cầu: L=  2x50.25 m + 67m = 167.5m.
• Mặt cắt ngang cầu: B = 2x0.5 + 2x2 + 2x3.5 = 12m

Một vài trường hợp nội lực của kết cấu nhịp giản đơn và liên tục để thấy ưu điểm vượt trội của loại kết cấu nhịp liên tục này:

Tại trạng thái TTBT:

Hình 1.8: Biểu đồ Mô men nhịp giản đơn

Hình 1.8: Biểu đồ Mô men nhịp liên tục

Tại trạng thái GHSD:

Hình 1.9: Biểu đồ Mô men nhịp giản đơn

Hình 1.10: Biểu đồ Mô men nhịp liên tục

Kết luận

Giá trị mô men của kết cấu nhịp giản đơn tương đương với giá trị mô men của kết cấu nhịp liên tục khi chịu tải trọng ở trạng thái TTBT và nhỏ hơn từ 1,14 - 3 lần khi chịu tải trọng ở TTGHCĐ và TTGHSD.

Giá trị lực cắt của kết cấu nhịp giản đơn tương đương với giá trị lực cắt của kết cấu nhịp liên tục khi chịu tải trọng ở TTGHCĐ và TTGHSD (chênh nhau khoảng 1,1 – 1,5 lần) và nhỏ hơn từ 1,3 – 1,9 lần khi chịu tải trọng ở trạng thái TTBT.

Giá trị nội lực chênh lệch lớn với các dầm giữa và nhỏ dần tại các dầm biên.

Đối với loại kết cầu này, tùy thuộc vào địa hình mà chọn phương án thi công và mối nối kết cấu cho phù hợp. Đối với khu vực địa hình đồi núi vực sâu kiến nghị sử dụng hệ gồng và mối nối khô, sử dụng trụ tạm và mối nối ướt cho khu vực cầu cạn, đồng bằng…

Không những đảm bảo được khả năng lưu thông của trong quá trình xây dựng cầu mà thời gian thi công được rút ngắn đáng kể so với kết cấu cầu liên tục đúc hẫng cần bằng trong phạm vi chiều dài nhịp đến 90m.

Việc thi công kết cầu thượng tầng tương đối đơn giản và an toàn do sử dụng hệ trụ tạm. Trong các trường hợp cần đảm bảo lưu thông với nhịp lớn có thể sử dung hệ thống gông dùng để cố định 02 đầu dầm nối với nhau.

Để tận dụng khả năng chịu lực và tối ưu hóa cho loại kết cấu nay, tác giả kiến nghị chiều dài nhịp cho kết cấu loại này là: 2L cho nhịp giữa và 1.5L cho nhịp biên (với L là chiều dài dầm I định hình cho kết cấu nhịp giản đơn và liên tục).

Tài liệu tham khảo

[1] Tiêu chuẩn thiết kế cấu 22TCN272-05.

[2] Ngô Đăng Quang, Trần Ngọc Linh, Bùi Công Độ, Nguyễn Trọng Nghĩa (2005), Mô hình hóa và phân tích kết cấu cầu với MIDAS/Civil-Tập 1, NXB xây dựng,  Hà Nội.

[3] GS. TS. Lê Đình Tâm, Cầu bê tông cốt thép trên đường ô tô, tập 1,  NXB xây dựng,  Hà Nội.

[4] AASHTO LRFD Bridge Design Specification.

[5] Mary Beth D. Hueste, Ph.D., P.E. Associate Research Engineer Texas Transportation Institute John B. Mander, Ph.D. Research Engineer Texas Transportation Institute and Anagha S. Parkar Graduate Research Assistant Texas Transportation Institute. Continuous Prestressed Concrete Girder Bridges, Volume 1: Literature Review And Preliminary Designs, Texas Department of Transportation research and technology implementation Office P.O. Box 5080 Austin, Texas 787653-5080.

[6] Gregg A. Reese, PE, CE, Summit Engineering Group, Inc., Littleton, CO, Design And Construction Of The Bijou Avenue Bridge Over Monument Creek

[7] Transportation Research Board Executive Commtee 2003, Reid W. Castrodale Christopher D. WHITE Ralph Whitehead Associates, Inc. Charlotte, NC, NCHRP Report 517, Extending Span Ranges of Precast Prestressed Concrete Girers, Transportation Research Board Of The National Academies.

[8] Transportation Research Board Executive Commtee 2004, Richard A.Miller, University of Cincinnati, Cincinnati OH, Reid W. Castrodale Christopher D. White Ralph Whitehead Associates, Inc. Charlotte, NC, Amir Mirmiran, North Carolina State University Raleigh, NC and Makarand Hastak, Purdue University West Lafayette, IN. NCHRP Report 519, Connection Of Simple-Span Precast Concrete Girders For Continuity, Transportation Research Board Of The National Academies