Bài báo trình bày một số kết quả khảo sát thực tế về hư hỏng của các loại khe co giãn được áp dụng tại một số công trình cầu ở Việt Nam.
TÓM TẮT: Bài báo trình bày một số kết quả khảo sát thực tế về hư hỏng của các loại khe co giãn được áp dụng tại một số công trình cầu ở Việt Nam. Qua kết quả đánh giá khảo sát, bài báo kiến nghị một số biện pháp cải tiến cấu tạo khe co giãn răng lược để đảm bảo độ bền và tính năng trong thời gian dài.
TỪ KHÓA: Khe co giãn, tình trạng hư hỏng, độ bền mỏi, tính chống rò rỉ nước.
ABSTRACT: This paper presents some results of field investigation on deterioration of expansion joints applied in some bridges in Vietnam. Based on the results of the investigation assessments, the paper proposes some measures to improve the expansion joint structure to ensure its durability and long-term performance.
KEYWORDS: Expansion joints, deterioration, fatigue strength, leakage resistance.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Khe co giãn tuy không phải là kết cấu chịu lực chính trong công trình cầu, nhưng là kết cấu đảm bảo sự êm thuận cho xe qua lại trên cầu, hấp thụ chuyển vị co giãn do nhiệt độ của dầm cầu.
Ở Việt Nam, ngay từ công tác thiết kế lựa chọn khe co giãn, đến công tác thi công cũng như công tác duy tu bảo dưỡng, sự quan tâm tới khe co giãn còn chưa được chú trọng. Trong một số trường hợp, do công tác thiết kế lựa chọn loại khe co giãn không phù hợp với môi trường làm việc như có nhiều tác động xung kích do xe tải trọng lớn di qua, khiến tuổi thọ của khe co giãn bị giảm xuống rất nhiều, cản trở sự đi lại êm thuận của xe cộ. Trong thời gian gần đây, số lượng khe co giãn bị suy giảm tính năng cũng như không đảm bảo được tính năng ngày càng tăng.
Bài báo trình bày tóm tắt đánh giá hiện trạng các loại khe co giãn được áp dụng tại một số công trình cầu ở Việt Nam. Qua kết quả phân tích hiện trạng, bài báo kiến nghị một số biện pháp cải tiến cấu tạo khe co giãn nhằm nâng cao độ bền và tính năng sử dụng của khe co giãn.
2. KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ LOẠI KHE CO GIÃN ÁP DỤNG TRONG CÔNG TRÌNH CẦU Ở VIỆT NAM
2.1. Khảo sát đánh giá khe co giãn bản thép trượt
Khe co giãn bản thép trượt là khe co giãn hở dạng chịu lực. Cấu tạo của loại khe này gồm hai bản thép được gắn cố định vào hai phía bản mặt cầu thông qua các bu lông neo, thanh neo hay đinh tán (Hình 2.1).
Khảo sát 31 khe co giãn bản thép trượt tại các cầu như Đò Quan, Bến Thủy (cũ), Chương Dương… Kết quả khảo sát cho thấy, trước tiên khe co giãn bản thép trượt bị nút nhiều ở phần bê tông liên kết giữa khe co giãn và bản mặt cầu, sau đó là hư hỏng ở các bộ phận liên kết neo và hư hỏng ở bộ phận chính của khe co giãn. Những hư hỏng này gây ra những tiếng ồn bất thường khi xe cộ chạy qua, xe bị xung kích lớn. Ngoài ra, khảo sát nhận thấy hiện tượng rò rỉ nước và hiện tượng khe bị rỉ do ăn mòn khá nghiêm trọng… Kết quả thống kê các hư hỏng của 31 khe co giãn bản thép trượt khảo sát được thể hiện ở Hình 2.2.
Nguyên nhân chính gây ra hiện tượng nứt vỡ phần bê tông liên kết là do có khe hở xuất hiện giữa phần khe co giãn và bê tông liên kết. Qua thời gian sử dụng, do nhiều yếu tố về sự giãn nở của vật liệu hay sự cản trở tính năng của khe co giãn, làm xuất hiện khe hở. Sau đó, dưới tác dụng của tải trọng xe cộ, bê tông bị nứt vỡ.
Bên cạnh đó, do cấu tạo của khe co giãn bản thép gồm hai bản thép trượt lên nhau, nên khi có rác bẩn, đất cát tích tụ dưới bản thép, bản thép sẽ bị cong vênh, làm cho khe co giãn không hoạt động êm thuận nữa, đồng thời tính năng của khe co giãn bị mất đi. Khi đó, khe co giãn sẽ nhanh chóng bị hư hỏng. Ngoài ra, tải trọng lặp do xe cộ qua lại cũng gây tác động xấu tới hệ liên kết neo bằng bu lông thường được sử dụng ở dạng khe này . Liên kết neo trở nên lỏng lẻo là nguyên nhân gây ra tiếng ồn bất thường khi xe cộ lưu thông qua khe co giãn. Hiện tượng này kéo dài cũng gây nên sự đứt gãy do mỏi tới bộ phận bu lông neo. Về mặt cấu tạo, loại kết cấu khe co giãn này không có hệ thống ngăn thoát nước trực tiếp từ bản mặt cầu nên hiện tượng rò rỉ nước sẽ thường xuyên xảy ra, gây ảnh hưởng đến các bộ phận bên dưới khe co giãn như gối cầu.
2.2. Khảo sát đánh giá khe co giãn cao su dạng tấm
Khe co giãn cao su dạng tấm là loại khe kín dạng chịu lực, có cấu tạo dạng tấm cao su tăng cường bản thép, được đặt bên trên mối nối mở và liên kết cứng với cả hai bên bản mặt cầu. Liên kết khe co giãn với bản mặt cầu thông qua bu lông neo bắt vào bản mặt cầu và được giữ chặt bằng đai ốc (Hình 2.4).
Khảo sát 92 khe co giãn cao su tại các cầu như cầu Kiền, cầu Quan, cầu Bến Thủy (cũ)… Kết quả khảo sát cho thấy, trước tiên khe co giãn cao su dạng tấm bị hư hỏng ở phần liên kết neo, sau đó là các vết nứt ở phần bê tông liên kết giữa khe co giãn và bản mặt cầu và hư hỏng ở phần bộ phận chính của khe co giãn.
Những hư hỏng này gây ra những tiếng ồn bất thường khi xe cộ chạy qua, xe bị xung kích lớn. Ngoài ra, khảo sát nhận thấy hiện tượng rò rỉ nước và hiện tượng khe bị rỉ do ăn mòn khá phổ biến. Kết quả thống kê các hư hỏng của 92 khe co giãn cao su dạng tấm khảo sát được thể hiện ở Hình 2.5.
Theo như kết quả khảo sát, bề mặt khe co giãn cao su bị mài mòn do hoạt động xe cộ qua lại. Ngoài ra, nắp đậy bu-lông neo bị mất mát, bong bật khiến cho bu lông chịu ảnh hưởng của các yếu tố ăn mòn. Khi đã xuất hiện hư hỏng ở một số vị trí bu lông neo, phần chính khe co giãn không còn được cố định chắc chắn, do đó dễ dàng bị xô lệch dưới tác dụng của xe cộ qua lại, từ đó dẫn tới hiện tượng hư hỏng các liên kết neo. Ngoài ra, các khe hở giữa khe co giãn cao su và phần bê tông liên kết xuất hiện nhiều. Nguyên nhân của hiện tượng này được cho rằng do sự co giãn của vật liệu cao su và vật liệu bê tông không đồng đều, nên phần mép bê tông liên kết dễ bị sứt vỡ khi chịu lực xung kích của tải trọng bánh xe. Hơn nữa, trong quá trình chế tạo khe co giãn, không thể chế tạo một khe có chiều dài bằng chiều rộng cầu, mà sẽ chế tạo các khối mô đun khe co giãn có chiều dài nhất định, đặt liên tiếp nhau. Do đó, khi chịu tải trọng của các dòng phương tiện lưu thông khác nhau hay khi chịu tác động của phanh xe tại vị trí khe co giãn, các khối mô đun khe co giãn này sẽ bị xê dịch, tạo thành các khe hở bất thường giữa các khối mô-đun, làm cho khe và phần liên kết sẽ không hoạt động đúng hướng và dẫn đến hư hỏng. Bên cạnh đó, hiện tượng rò rỉ nước xảy ra khá phổ biến, chủ yếu xuất hiện tại phần tiếp giáp giữa khe co giãn và bê tông liên kết do kết cấu khe co giãn cao su dạng tấm có tính năng chống thoát nước trực tiếp qua khe co giãn.
2.3. Khảo sát đánh giá khe co giãn răng lược bằng thép
Khe co giãn răng lược bằng thép chịu tải trọng trực tiếp của bánh xe. Bản mặt chịu lực của khe co giãn gồm các răng lược xen kẽ nhau. Bộ phận neo của khe co giãn răng lược có thể có dạng bu lông neo bắt cố định xuống bản mặt cầu và giữ cố định bằng các đai ốc (Hình 2.7).
Khảo sát 16 khe co giãn răng lược tại các cầu như Thanh Trì, Phả Lại, Uông Bí…, kết quả khảo sát cho thấy, trước tiên khe co giãn răng lược bị nứt ở phần bê tông liên kết giữa khe co giãn và bản mặt cầu, sau đó là hư hỏng ở phần liên kết neo. Riêng bộ phận chính của khe co giãn là các răng lược thép, hầu như không phát hiện thấy cong vênh hay đứt gãy gì. Những hư hỏng này gây ra những tiếng ồn bất thường khi xe cộ chạy qua, gây xung kích lớn cho xe cộ. Ngoài ra, khảo sát nhận thấy hiện tượng rò rỉ nước và hiện tượng khe bị rỉ do ăn mòn cũng khá phổ biến. Một số trường hợp, mảng thoát nước bị hư hỏng nghiêm trọng, không còn chức năng ngăn nước xuống kết cấu phần dưới như ban đầu. Kết quả thống kê các hư hỏng của 16 khe co giãn răng lược khảo sát được thể hiện ở Hình 2.8.
Mặc dù ở Việt Nam, khe co giãn răng lược mới chỉ được sử dụng nhiều trong khoảng 10 năm gần đây, nhưng có thể tạm thời đánh giá rằng độ bền của khe co giãn răng lược thép được kỳ vọng hơn so với khe co giãn bản thép trượt cũng như khe co giãn cao su. Do khe co giãn răng lược áp dụng ở Việt Nam hiện nay sử dụng liên kết bu-lông cường độ cao, nên khi chịu tải trọng lặp lớn do xe tải lưu thông trên đường, theo thời gian hệ liên kết bu-lông và đai ốc bị mất mát, làm cho hệ răng lược không được cố định, gây ra tiếng động lớn, khác thường khi xe cộ lưu thông.
Ngoài ra, khảo sát cho thấy hiện tượng chủ yếu xảy ra ở khe co giãn răng lược thép là rò rỉ nước và tích tụ rác bẩn. Nguyên nhân chính là do cấu tạo của kết cấu khe răng lược hiện nay sẽ tạo cho rác bẩn tích tụ tại máng thoát nước ở bên dưới bề mặt răng lược, làm cho mảng thoát nước bị hư hỏng theo thời gian.
3. MỘT SỐ ĐỀ XUẤT NHẰM NÂNG CAO ĐỘ BỀN KHE CO GIÃN RĂNG LƯỢC BẰNG THÉP
3.1. Khe co giãn nên được chế tạo tăng tính liền khối của kết cấu
Đặc điểm chịu tải lực của khe co giãn là chịu tải trọng trực tiếp của xe cộ lưu thông trên đường, tải trọng xe lặp đi lặp lại theo thời gian gây ra trong ray ứng suất thay đổi liên tục. Kết quả khảo sát cho thấy, khe co giãn cao su gặp vấn đề chủ yếu về tuổi thọ của cao su, khe co giãn bản thép trượt gặp vấn đề về khả năng chịu lực, còn khe co giãn răng lược giải quyết được cả vấn đề về khả năng chịu lực cũng như chuyển vị. Tuy nhiên, khe co giãn răng lược vẫn bị hư hỏng ở những liên kết bu lông và các liên kết hàn do những liên kết này chịu tải trọng lặp, về lâu dài sẽ gây ra các vết nứt hoặc đứt gãy kết cấu, đặc biệt là làm cho xe chạy qua khe co giãn không được êm thuận, gây lực xung kích lớn.
Để giảm thiểu ảnh hưởng của tải trọng lặp, đề xuất công tác chế tạo khe co giãn răng lược nên được đúc liền khối, hạn chế liên kết hàn. Ngoài ra, có thể thay thế liên kết bu lông bằng liên kết thanh neo, như vậy sẽ hạn chế được hư hỏng do ứng suất mỏi (Hình 3.1).
3.2. Khe co giãn nên được thiết kế đảm bảo tính chống rò rỉ nước
Kết quả khảo sát cho thấy, hầu hết khe co giãn ở Việt Nam không được thiết kế tính năng chống thoát nước mặt qua khe co giãn.
Quan điểm của thiết kế là, nước từ trên mặt cầu thông qua khe co giãn được dẫn xuống dưới qua đường ống, tuy nhiên kèm theo với nước trên bề mặt là rác thải và bụi bẩn. Những yếu tố này tích tụ theo thời gian, làm cho khả năng thoát nước mặt của khe co giãn bị ảnh hưởng. Ngoài ra, máng cao su để thoát nước mặt nhanh chóng bị hỏng, nước từ khe co giãn sẽ chảy trực tiếp xuống kết cấu bên dưới.
Do đó, đề xuất thiết kế kết cấu khe co giãn cần có thêm tính năng chống rò rỉ nước trực tiếp qua khe co giãn. Cụ thể, thiết kế một dải cao su dạng sóng đặt bên dưới khe co giãn, vừa cung cấp khả năng chuyển vị, vừa cung cấp tính năng chống rò rỉ nước cho khe co giãn (Hình 3.2). Hơn nữa, trong thiết kế khe co giãn không chỉ yêu cầu thiết kế khe có bề rộng bằng bản mặt cầu mà còn phải có bề rộng phù hợp với mặt cắt ngang cầu trong trường hợp cầu có làn cho bộ hành hoặc cầu chéo. Khe co giãn phải kéo dài lên trên phần làn bộ hành để đảm bảo tính năng chống rò rỉ nước xuống bên dưới.
5. KẾT LUẬN
Khe co giãn là kết cấu vừa hấp thụ chuyển vị co giãn do nhiệt độ của dầm cầu, vừa đảm bảo tính êm thuận và an toàn cho xe qua lại trên cầu.
Đánh giá khảo sát cho thấy, các loại khe co giãn đang áp dụng cho các công trình cầu ở Việt Nam hiện nay là khe co giãn bản thép trượt, khe co giãn cao su dạng tấm và khe co giãn răng lược. Hầu hết hư hỏng ở các loại khe co giãn này là hư hỏng ở phần neo hay bu-lông liên kết và phần bê tông liên kết. Riêng khe co giãn bản thép trượt và khe co giãn cao su dạng tấm còn bị hư hỏng ở ngay bộ phận chính của khe co giãn do khả năng chịu lực không đảm bảo. Loại khe co giãn răng lược có thể kỳ vọng về độ bền lâu hơn. Tuy nhiên, vẫn còn một số vấn đề còn tồn tại ở khe co giãn răng lược là độ bền mỏi của bộ phận liên kết và hiện tượng rò rỉ nước.
Để khắc phục hai vấn đề trên của khe co giãn răng lược, bài báo đã đề xuất cải tiến công tác chế tạo bằng cách đúc liền khối, giảm liên kết cho khe co giãn răng lược, thay liên kết bu-lông bằng liên kết thanh neo, nhờ đó sẽ hạn chế được hư hỏng do ứng suất mỏi, đồng thời đề xuất cải tiến thiết kế, bổ sung một dải cao su dạng sóng bên dưới khe co giãn răng lược, nhờ đó sẽ ngăn được sự rò rỉ nước của khe co giãn.
Xin cảm ơn!
ThS. HOÀNG LONG – Công ty Kawakin Core – Tech Việt Nam
PGS.TS. NGUYỄN THỊ TUYẾT TRINH – Trường Đại học Giao thông vận tải
Người phản biện:
PGS.TS. Đào Duy Lâm
GS.TS. Nguyễn Viết Trung
Đã gửi đến chúng tôi bài viết này!
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Bộ GTVT, Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ, 22TCN 272-05.
[2]. Công ty Cổ phần Cơ khí 4 và Xây dựng Thăng Long (2013), TCCS Tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu khe co giãn bằng thép kiểu răng lược.
[3]. Nguyễn Viết Trung, Nguyễn Thị Tuyết Trinh, Nguyễn Đức Thị Thu Định, Trần Anh Đạt (2009), Giáo trình thiết kế các phương án cầu, NXB. Xây dựng.
[4]. Công ty Kawakin Core-Tech (2015), Báo cáo kết quả thí nghiệm mỏi của khe răng lược KFC.
[5]. Công ty Kawakin Core-Tech (2015), Báo cáo kết quả thí nghiệm chống thấm nước của khe răng lược KFC.
[6]. Hoàng Long (2017), Nghiên cứu đánh giá hiện trạng một số loại khe co giãn của các công trình cầu ở Việt Nam, Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật.
[7]. Nguồn Internet.