1. GIỚI THIỆU CHUNG
Trong những năm trở lại đây các công trình cầu vượt, cầu cao trong các nút giao cắt khác mức đã thể hiện vai trò hết sức quan trọng trong hỗ trợ lưu thông nhanh và chống ùn tắc tại những đầu mối giao thông có mật độ phương tiện cao như nút Vọng, nút Cầu Giấy, Láng – Nguyễn Chí Thanh, Láng – Láng Hạ, nút Mai Dịch, Nút Hàng Xanh, Cầu vượt ngã 6 Gò Vấp… Yêu cầu quan trọng khi tiến hành xây dựng kết cấu công trình cầu vượt là các hoạt động giao thông trong khu vực không bị hoặc ảnh hưởng không đáng kể bởi các biện pháp thi công. Các cầu vượt có kết cấu nhịp dạng dầm thép như nút Láng – Láng Hạ, Láng – Nguyễn Chí Thanh, cầu vượt Nguyễn Chí Thanh qua Kim Mã – Đào Tấn cơ bản thỏa mãn yêu cầu này do công tác cẩu lắp hệ thống nhịp dầm thép, liên kết các phân đoạn dầm bằng loại hình bu lông diễn ra rất nhanh và quá trình đổ bản bê tông mặt cầu hầu như không ảnh hưởng đến hoạt động giao thông bên dưới. Tuy nhiên cầu thép nói chung có giá thành tính theo m² cầu đắt hơn đáng kể so với công trình cầu bê tông do Việt Nam chưa sản xuất được thép kết cấu và phải nhập khẩu, ngược lại cầu vượt bê tông với phần lớn nguyên vật liệu cấu tạo nên kết cấu nhịp có nguồn gốc trong nước, không phải nhập khẩu. Vấn đề cần bàn đến là cầu vượt bê tông với kết cấu nhịp áp dụng biện pháp đổ tại chỗ trên hệ thống đà giáo cố định trong giai đoạn thi công gây nên những vấn đề tương đối nghiêm trọng tới khai thác giao thông và môi trường. Công đoạn lắp dựng hệ đà giáo chống đỡ, ván khuôn đúc dầm cho từng nhịp cầu và dỡ các khối bê tông lên hệ thống đà giáo để thử tải và khử lún gây ra tình trạng bụi và tiếng ồn nghiêm trọng với thời gian chờ lún có thể kéo dài đến nhiều tuần. Tiếp theo đó quá trình đổ bê tông kết cấu nhịp, chờ vật liệu hình thành đủ cường độ và tiến hành căng kéo cốt thép cường độ cao (CĐC) có thể kéo dài thêm nhiều tuần tiếp theo. Các thực tiễn này đã thể hiện trong quá trình thi công các nút Vọng, Láng – Cầu Giấy, Bưởi, nút Mai Dịch.
Các nút cầu vượt dạng kết cấu phiến dầm bê tông trong khu vực đô thị bên cạnh yếu tố tiến độ và ảnh hưởng đến môi trường của công tác xây dựng còn cần phải xét đến yếu tố thẩm mỹ. Dạng nhịp dầm I33m, dầm Super T 38m – nhịp 40m có tiến độ thi công nhanh, giá thành rẻ [1, 2, và 3] nhưng có thẩm mỹ kết cấu nhiều góc cạnh không tạo được điểm nhấn kiến trúc đô thị. Các nút giao thông đã đề cập như Vọng, Láng – Cầu Giấy, Bưởi, nút Mai Dịch tồn tại các vấn đề nghiêm trọng về tiến độ và môi trường trong thi công, là những yếu tố phải đánh đổi để có dạng kết cấu bản lỗ rỗng, với hình dáng thanh mảnh, ít góc cạnh kết hợp với phần kết cấu trụ tạo nên tổng thể toàn khối cao, tạo điểm nhấn về kiến trúc, phù hợp để áp dụng trong khu vực đô thị. Như vậy các công trình cầu vượt để có thể áp dụng trong điều kiện đô thị cần thiết phải thỏa mãn các yếu tố thẩm mỹ kiến trúc đồng thời đáp ứng các yêu cầu về đảm bảo giao thông và điều kiện môi trường trong quá trình xây dựng kết cấu công trình.
Dạng kết cấu nhịp dầm hộp bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCT DƯL) có vách đứng giữa thi công bằng biện pháp đúc lắp đẩy có thể thỏa mãn các yêu cầu đã đề cập ở trên. Kết cấu nhịp dầm hộp có khả năng vượt nhịp tốt hơn dạng dầm bản có lỗ rỗng nhưng vẫn giữ đặc điểm ít góc cạnh, tính toàn khối cao, đảm bảo tính thẩm mỹ trong kết cấu trong đô thị. Dù đến thời điểm này vẫn chưa được áp dụng ở công trình nào nhưng biện pháp lắp đẩy thừa hưởng được tất cả các ưu điểm của công nghệ đúc đẩy là quá trình lao đẩy dầm không gây ảnh hưởng đến hoạt động giao thông bên dưới kết cấu nhịp, và không phụ thuộc vào chiều cao thi công của kết cấu nhịp [4, 5 và 6], là biện pháp thi công dầm hộp nhịp liên tục, khẩu độ vừa rẻ nhất do sử dụng ít các thiết bị phụ trợ nhất: chỉ với hệ thống kích động lực, mũi dẫn và bệ đúc dầm ngắn. Ngoài ra số lượng cán bộ kỹ thuật cần thiết để đảm nhận công tác đúc dầm, tiến hành liên kết và lao đẩy dầm cũng ít hơn đáng kể so với các biện pháp thi công khác như đúc trên đà giáo cố định, MSS hay đúc hẫng [3, 6, 7 và 8]. So với đúc đẩy, biện pháp lắp đẩy sở hữu một số những lợi thế như sau: Tốc độ thi công nhanh hơn đáng kể do tất cả các phân đốt đúc sẵn đã được hoàn thiện từ trước khi tiến hành lao dầm. Các yếu tố chuyển vị – biến dạng do từ biến co ngót giảm đáng kể với thời gian dài nằm trong bãi tập kết của các phân đốt. Kích thước hình học của 1 phân đốt ngắn nên ván khuôn đúc thường được bố trí trong nhà xưởng, với lượng bê tông đúc cho 1 phân đốt nhỏ nên độ chính xác hình học của phân đốt đúc thường rất cao và có thể áp dụng bê tông CĐC. Ngoài ra giải pháp đẩy cho phép bố trí hệ DƯL khai thác đơn giản hơn đáng kể nếu chiều dài của 1 chu trình lao đẩy dầm tương đương với chiều dài nhịp cầu. Bài viết khoa học này sẽ phân tích các ứng xử làm việc của 1 kết cấu nhịp dầm hộp cụ thể có vách đứng thi công theo biện pháp lắp đẩy từ đó rút ra các ưu – nhược điểm, và các đề xuất ứng dụng.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Đề xuất giải pháp thiết kế và thi công kết cấu nhịp
Kết cấu dầm hộp BTCT DƯL nhịp liên tục, kết hợp với trụ thân đặc, như thể hiện ở Hình 1, rất phù hợp về mặt thẩm mỹ để áp dụng đối với các công trình cầu vượt trong đô thị với đặc điểm kết cấu mang tính toàn khối ít góc cạnh, có độ mảnh lớn, có thể tạo nên độ hài hòa về tỉ lệ kích thước giữa chiều cao chiều rộng dầm cầu, kích thước xà mũ, kích thước thân trụ… Vấn đề đặt ra là lựa chọn giải pháp thi công phù hợp với dạng kết cấu nhịp này. Trong thực tế hiện nay giải pháp đổ bê tông tại chỗ trên hệ đà giáo cố định được lựa chọn ở phần lớn các công trình đã và đang hoàn thành nhưng thể hiện nhiều tồn tại tiêu cực về môi trường và hoạt động giao thông trong khu vực công trường như đã trình bày ở phần giới thiệu.
[Hình 1. Mặt cắt cầu]
[Hình 2. Hệ thống đúc lắp đẩy]
Đúc lắp đẩy là giải pháp thi công với nguyên lý lao dọc dầm cầu bê tông có kết hợp với hệ thống mũi dẫn để giảm bớt nội lực trong giai đoạn lao dầm. Các phân đốt của dầm sẽ được đúc hoặc lắp trên bệ trong khu vực đầu mố cầu, được liên kết phần đã thi công trước đó và được đẩy (lao) về phía trước. Chiều dài đẩy dầm thường sẽ bằng chính chiều dài phân đoạn được đúc hoặc lắp. Mũi dẫn sẽ liên kết với đoạn dầm được chế tạo đầu tiên (Hình 2). Trong tất cả các giải pháp thi công cầu dầm hộp BTCT DƯL đúc đẩy là giải pháp có giá thành rẻ nhất [6] do sử dụng ít hệ thống phụ trợ thi công nhất, chỉ với bệ đúc sau mố, mũi dẫn, và hệ thống tạo lực đẩy. Ưu điểm nổi bật thứ 2 của giải pháp công nghệ này chính là sự phù hợp khi áp dụng trong khu vực đô thị với hệ thống giao thông đông đúc, quá trình lao đẩy không hề ảnh hưởng đến các hoạt động giao thông ở phía bên dưới của kết cấu đang thi công, như thể hiện trong Hình 2. Tuy nhiên đối với giải pháp đúc dầm rồi đẩy, tiến độ thi công sẽ phụ thuộc nhiều vào thời gian phát triển cường độ vật liệu bê tông dầm, đủ để tiến hành căng kéo DƯL để sau đó tiến hành lao đẩy dầm. Thời gian cho một chu trình đúc phân đốt dầm với chiều dài từ 1/3 ÷ 1/2 chiều dài nhịp thường trong khoảng trên dưới 2 tuần. Để đẩy nhanh tiến độ thi công, các phân đốt dầm có thể đúc trước để khi các bộ phận móng mố trụ cầu đã hoàn thành thì các phân đốt dầm có thể sẵn sàng để tiến hành lắp ghép và lao dầm. Với giải pháp lắp ghép, thay vì chờ bê tông hình thành đủ cường độ, các phân đốt dầm sẽ chỉ phải đưa vào vị trí, xử lý khu vực bề mặt liên kết giữa các phân đốt là có thể tiến hành căng kéo thép cường độ cao và sau đó là lao đẩy dầm. Nghiên cứu này sẽ trình bày khảo sát với kết cấu dầm hộp BTCT DƯL nhịp liên tục thi công bằng biện pháp lắp đẩy như thể hiện trong Hình 3.
[Hình 3. Kết cấu công trình cầu vượt được khảo sát]
Kết cấu khảo sát gồm 7 nhịp liên tục BTCT DƯL mặt cắt hộp vách đứng giữa (Hình 1) với khẩu độ nhịp chính 45m và nhịp biên 36m (Hình 3). Kết cấu nhịp sẽ được lắp ghép từ các phân đoạn có chiều dài 11 và 12 (m) như thể hiện trong Hình 4, với các kích thước hình học của phân đoạn cho phép công tác vận chuyển từ khu vực chế tạo đến công trường diễn ra một cách khả thi. Vật liệu bê tông phân đốt dầm được thiết kế với cấp C70 (f’c = 70 MPa), là mức cao nhất để vẫn có thể áp dụng các quy định trong quy trình thiết kế hiện hành [9]. Giữa các phân đoạn dầm lắp ghép được cấu tạo các khóa chống cắt để đảm bảo sức kháng cắt trong khu vực liên kết.
[Hình 4. Cấu tạo các phân đoạn lắp ghép dầm cầu]
Kết cấu nhịp dầm được khảo sát áp dụng thiết kế hệ thống DƯL ngoài (bố trí ngoài tiết diện dầm), đây là giải pháp cho phép tiết diện nhịp dầm được cấu tạo thanh mảnh hơn so với giải pháp dầm bố trí DƯL trong, kết hợp với cấp vật liệu bê tông cao, tiếp nhận nhiều lực nén từ hệ thống DƯL và thêm một sườn đứng, như thể hiện ở Hình 1, có thể hạ thấp đáng kể chiều cao và giảm bớt tĩnh tải nhịp dầm cầu. Thông thường với kết cấu nhịp có chiều cao dầm không đổi, chiều cao dầm h thường được thiết kế xung quanh mức 1/20 chiều dài nhịp L, tuy nhiên trong trường hợp khảo sát này chiều cao dầm thiết kế là 1.8m tương đương với mức 1/25 L, mảnh hơn đáng kể so với khuyến cáo.
Một yếu tố đặc biệt trong biện pháp thi công đúc lắp đẩy là sự khác biệt đáng kể giữa phân bố nội lực kết cấu nhịp trong giai đoạn thi công lao đẩy và giai đoạn khai thác, cụ thể là phân bố mô men uốn trong dầm cầu. Vấn đề này yêu cầu phải có sự bố trí hệ thống DƯL phù hợp để đảm bảo dầm làm việc an toàn trong cả giai đoạn thi công và khai thác. Rất nhiều các giải pháp được khuyến cáo, và trong nghiên cứu này giải pháp với 2 loại cáp DƯL, lâu dài và tạm thời, được áp dụng. Cáp tạm thời sẽ được bố trí phía trên mặt cầu và trên bản đáy dầm hộp như thể hiện trong Hình 5, sẽ được gỡ bỏ sau khi quá trình đẩy dầm kết thúc, khi toàn bộ kết cấu nhịp dầm nằm ở vị trí khai thác lâu dài.
[Hình 5. Cấu tạo chung hệ thống DƯL]
2.2 Mô hình khảo sát và phân tích kết cấu
Kết cấu nhịp dầm hộp BTCT và mũi dẫn sẽ được mô tả và phân tích bởi dạng phần tử thanh dầm (beam element) theo thuật toán phương pháp phần tử hữu hạn (PP PTHH) định nghĩa bởi phần mềm Midas/Civil [10]. Các thông số hình học của mặt cắt và đặc tính vật liệu ứng với cấp bê tông thiết kế là cơ sở để định nghĩa các thông số hình học và độ cứng của phần tử dầm cầu. Các vị trí trụ cầu và bệ đúc lắp sau mố được xem như điều kiện biên ứng với các giai đoạn thi công. Bên cạnh đó, hệ thống DƯL được mô tả như nhóm tải trọng tương đương.
[Hình 6. Mô hình dầm – Mũi dẫn của cầu đúc lắp đẩy]
[Hình 7. Mô hình hệ thống DƯL]
Các bước thi công lắp đúc đẩy có thể được mô tả rất tin cậy bằng chức năng Construction Stages của phần mềm Midas/Civil với cách thức kích hoạt hoặc gỡ bỏ các phần tử, điều kiện biên và tải trọng tương ứng với các bộ phận kết cấu, gối đỡ – điểm kê được thi công mới hoặc các bộ phận phụ trợ bị tháo dỡ khi đã hoàn thành quá trình thi công. Quá trình lao dầm sẽ được mô tả bằng hình thức thay đổi các nhóm điều kiện biên đã được định nghĩa trước.
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Đối với biện pháp đúc lắp đẩy, tính toán và thiết kế hệ thống DƯL để đảm bảo kết cấu nhịp làm việc an toàn trong quá trình thi công và khai thác là hết sức quan trọng và cơ sở cho công tác này chính là đường bao mô men uốn trong giai đoạn thi công và khai thác. Đối với trường hợp khảo sát trong nghiên cứu, kết quả về 2 đường bao này được trình bày trong Hình 8 với ký hiệu “Đ bao MM âm GĐTC” và “Đ bao MM dương GĐTC” thể hiện đường bao mô men âm và dương giai đoạn thi công; “Đ bao MM cận âm GĐKT” và “Đ bao MM cận dương GĐKT” tương ứng là đường bao mô men với hoạt tải xếp để gây bất lợi nhất với phân phối âm và phân phối dương.
[Hình 8. Đường bao MM uốn trong giai đoạn thi công và khai thác]
Dựa vào kết quả đường bao mô men uốn như đã trình bày, số lượng cáp DƯL cần thiết để phục vụ giai đoạn khai thác là 10 bó 25T15 (bó gồm 25 tao loại có đường kính danh định 15.2mm). Kết hợp với cáp DƯL thiết kế phục vụ khai thác, được thể hiện trong Hình 8, sẽ có thêm 6 bó 21T15 và 2 bó 21T15 được bố trí tương ứng với phía trên mặt cầu khu vực giữa các nhịp và phía trên bản đáy dầm khu vực xung quanh 2 bên phía trên trụ cầu để đảm bảo dầm luôn làm việc chịu nén trong giai đoạn thi công đẩy dầm.
Với kết cấu nhịp dầm BTCT DƯL, đặc biệt là kết cấu lắp ghép, kết quả phân bố ứng suất thớ trên và dưới là rất quan trọng với yêu cầu dầm hoàn toàn phải chịu nén trong bất kỳ quá trình làm việc nào. Hình 9 thể hiện 4 đường phân bố ứng suất có ký hiệu USTT MAX, USTD MAX, USTT MIN, và USTD MIN, trong đó USTT và USTD thể hiện phân bố ứng suất thớ trên và thớ dưới dầm, MAX và MIN thể hiện trạng thái mô men dương hoặc âm lớn nhất (xét theo giá trị tuyệt đối) xuất hiện ở mặt cắt trong suốt quá trình đẩy dầm. Kết quả cho thấy trong quá trình đẩy dầm tất cả các mặt cắt luôn trong trạng thái chịu nén, tuy nhiên giá trị nén lớn nhất xuất hiện chỉ xấp xỉ 40% cấp thiết kế của vật liệu bê tông dầm cầu.
[Hình 9. Đường bao ứng suất thớ trên và dưới trong giai đoạn thi công]
Hình 10 thể hiện sự đánh giá kết cấu theo tiêu chí khả năng xuất hiện vết nứt (ứng suất) ứng với tổ hợp tải trọng theo trạng thái giới hạn sử dụng (TTGHSD), trong đó hoạt tải HL93 sẽ được sắp xếp để gây ra hiệu ứng mô men uốn dương (Max) và âm (Min) lớn nhất xét theo giá trị tuyệt đối. 4 phân bố ứng suất, ký hiệu TT và TD thể hiện thớ trên và thớ dưới, thể hiện trong giai đoạn khai thác dầm cầu hoàn toàn làm việc chịu nén và không có vị trí nào có nguy cơ xuất hiện vết nứt, và khu vực chịu nén lớn nhất không vượt quá 25% cấp chịu nén thiết kế của vật liệu bê tông dầm. Cận phân bố ứng suất về hướng giới hạn chịu kéo và chịu nén đều tương đối an toàn dù chiều cao dầm được thiết kế nhỏ hơn đáng kể so với khuyến cáo và các công trình thực tiễn. Điều này chứng tỏ cấp bê tông thiết kế lớn đã cho phép tiếp nhận nhiều hơn mức nén trước từ hệ thống DƯL bù lại diện tích và đặc trưng hình học mặt cắt dầm bị giảm bớt do hạ thấp chiều cao dầm cầu.
[Hình 10. Đường bao ứng suất thớ trên và dưới trong giai đoạn khai thác]
4. KẾT LUẬN
Kết quả khảo sát cho thấy với cấp vật liệu bê tông tăng lên không quá nhiều (C70) và sự có mặt của vách đứng giữa mặt cắt, dầm bê tông được thiết kế và làm việc an toàn với chiều cao giảm đáng kể so với khuyến cáo (1/25L so với 1/20L), kết hợp với trụ đặc thân hẹp tạo nên kết cấu thanh mảnh tạo yếu tố thẩm mỹ trong không gian đô thị.
Công tác đúc các đốt dầm ở các nhà xưởng phía ngoài và tách biệt với công trường không chiếm dụng mặt bằng thi công. Bệ lắp nằm ngay sau mố thuộc khu vực đường đầu cầu. Tuy nhiên việc thi công các phân đốt dầm với cấp bê tông lớn, và yêu cầu xét đến yếu tố vồng ngược trong thiết kế để đảm bảo cao độ đường đỏ khai thác là thách thức đối với các nhà thầu trong nước.
Biện pháp lắp đẩy cho phép tiến độ thi công kết cấu nhịp dầm được đẩy nhanh hơn đáng kể so với biện pháp đúc đẩy, đồng thời trong quá trình đẩy không ảnh hưởng đến hoạt động giao thông và vấn đề chiếm dụng mặt bằng, có thể thấy giải pháp này đặc biệt phù hợp để thi công các công trình cầu vượt qua các nút giao cắt trong điều kiện đô thị đông đúc, hạn chế mặt bằng thi công.
Xin trân trọng cám ơn các tác giả đã chia sẻ bài viết này!
TS. Đặng Việt Đức – Khoa Công trình,Trường Đại học Thủy Lợi
KS. Nguyễn Văn Duy – Công ty Cổ Phần Đầu Tư và Phát Triển Hoà Phong E&C
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Viết Trung, Hoàng Hà, Nguyễn Ngọc Long. 2007. Cầu bê tông cốt thép Thiết kế theo tiêu chuẩn 22TCN 272 – 05, Nhà Xuất Bản Giao Thông Vận Tải.
[2] Nguyễn Viết Trung và Nguyễn Trọng Nghĩa. 2010. Thiết kế kết cấu nhịp dầm Super-T theo tiêu chuẩn 22TCN-272-05. Nhà Xuất Bản Xây Dựng.
[3] Trương Việt Hùng, Đặng Việt Đức, và Nguyễn Quốc Bảo. 2026. Giáo trình thiết kế cầu bê tông cốt thép. Nhà Xuất Bản Bách Khoa Hà Nội.
[4] Đặng Gia Nải. 2009. Áp dụng công nghệ đúc đẩy trong xây dựng cầu bê tông cốt thép dự ứng lực. TISDIC 2023. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering.
[5] Viet Duc Dang and Gia Nai Dang. 2023. A comprehensive review of incremental launching method in the construction of prestressed reinforced concrete bridges in Vietnam. Nhà Xuất Bản Xây Dựng.
[6] Marco Rosignoli. 2014. Bridge Launching. ICE Publishing.
[7] Nguyễn Viết Trung. 2007. Công nghệ đúc hẫng cầu bê tông cốt thép. Nhà Xuất Bản Giao Thông Vận Tải.
[8] Huang, D., & Hu, B. 2020. Concrete Segmental Bridges: Theory, Design, and Construction to AASHTO LRFD Specifications. CRC Press.
[9] TCVN 11823: 2017. Thiết kế cầu đường bộ.
[10] MIDAS IT Co. Analysis Reference Analysis for Civil Structures Midas/Civil User Guide. MIDASoft, Inc.