3. MỘT SỐ VẤN ĐỀ CẦN TRAO ĐỔI
3.1. Tên gọi của cầu “Extradosed”.
Từ khi xuất hiện, tên gọi được GS Mathias đặt cho loại kết cấu cầu này là Extradosed Bridges và nghĩa của thuật ngữ này là Cầu tạo dự ứng lực phía trên mặt cầu (Extradosed: uppermost surface of the bridges). Ngoài ra, các nhà nghiên cứu còn sử dụng nhiều thuật ngữ khác như Prestressed stay stiffened span bridges: Cầu dự ứng lực tăng cường; Cable-panel stayed bridges: Cầu có cáp hỗ trợ; Prestressed cables bridges: Cầu cáp dự ứng lực; Cable stayed bridges with short pylon: Cầu dây văng có trụ tháp ngắn; Extradosed prestressed concrete bridges: Cầu bê tông tao dự ứng lực phía trên kết cấu nhịp; Extradosed cable stayed bridges: Cầu dây văng căng trên mặt cầu hay bằng tiếng Đức: Ueberspante Bruecken mit externer Vorspannung: Cầu dự ứng lực ngoài phía trên kết cấu nhịp v.v.
Theo Bùi Khắc Điệp [2], thực chất cầu Extradosed là cầu dầm – cáp hỗn hợp. Để khẳng định điều này, trước hết phải định nghĩa các kết cấu chủ yếu trong cầu. Cầu dầm cáp hỗn hợp là dạng kết cấu tổ hợp giữa kết cấu của cầu dầm cứng và cầu dây văng, trong đó hệ dầm cứng làm việc chịu uốn nén và dây treo chịu kéo. Các dây treo được liên kết vào tháp neo dây và một số điểm trên dầm cứng tạo thành các gối đàn hồi. Cầu dầm cáp hỗn hợp nhìn về hình dáng trông rất giống cầu dây văng, nhưng sự làm việc của kết cấu gần với cầu dầm cứng hơn là cầu dây văng và được cấu tạo gồm ba phần chính: i) Hệ dầm cứng; ii) Hệ dây treo; và iii) Tháp neo dây [9]. (Hình3.1).
Hệ dầm cứng có kết cấu giống như trong cầu dầm nhịp liên tục được cấu tạo từ kết cấu bê tông cốt thép, kết cấu thép hay kết cấu bê tông thép hỗn hợp. Chiều cao của dầm có thể được giảm xuống so với chiều cao của dầm trong cầu dầm cứng có cùng kích thước.
Hệ dây treo trông khá giống hệ dây treo của cầu dây văng, bao gồm các dây treo (các bó cáp cường độ cao) và hệ neo cáp. Các dây treo được coi như là các bó cáp cường độ cao có độ lệch tâm lớn sử dụng trong cầu dầm được tạo ứng suất trước bằng công nghệ dự ứng lực ngoài. Các dây treo này được liên kết cứng với cột tháp hoặc được luồn qua kết cấu neo kiểu yên ngựa đặt trên đỉnh cột tháp và được liên kết với hệ dầm chủ bằng hệ neo cáp tạo thành các gối đàn hồi. Đối với các dây neo luồn qua kết cấu neo kiểu yên ngựa, các dây treo có thể trượt trong phạm vi chom phép dưới tác dụng của hoạt tải, do đó sự phân bố ứng suất trong dây treo sẽ đồng đều hơn ở hai phía cột tháp. Hệ neo, cáp có thể sử dụng hệ neo cáp cho các bó cáp thông thường dùng cho kết cấu bê tông dự ứng lực hoặc cho cáp dự ứng lực ngoài. Tuy vậy, điều này còn phụ thuộc chiều dài nhịp và liên kết giữa dầm chủ, tháp cầu và trụ cầu. Khi chiều dài nhịp chính đủ lớn thì phải xét đến dao động của cáp, ảnh hưởng mỏi của cáp ở khu vực neo cáp và trong những trường hợp đó, phải xem xét việc sử dụng hệ cáp, hệ neo, hệ giảm chấn như đối với cầu dây văng [9;10;12]
Tháp neo dây được cấu tạo bằng bê tông cốt thép hay bê tông thép liên hợp và có chiều cao thấp so với chiều cao của trụ tháp trong cầu dây văng. Đối với cầu dầm cáp hỗn hợp, vì chiều cao tháp neo dây thấp nên không nhất thiết phải được liên kết cứng với trụ cầu. Tháp neo dây có thể được đặt trên mặt của dầm chủ hoặc được liên kết cứng với trụ cầu tạo thành khung cứng. Trong [2], để phân biệt hệ dây treo và tháp neo dây trong cầu dây văng và cầu dầm cáp hỗn hợp, các thuật ngữ sau sẽ được sử dụng:
1) Đối với cầu dầm cáp hỗn hợp, vì hệ dây treo được coi như là các bó cáp dự ứng lực ngoài có độ lệch tâm lớn sử dụng trong cầu dầm, nên được tạm gọi là “dây xiên” tương ứng trong tiếng Anh được viết trong ngoặc (tendon stay), và tháp neo dây sẽ gọi là “cột tháp” (pylon) bởi vì trong cầu dầm cáp hỗn hợp tháp neo dây có chiều cao thấp và không nhất thiết phải được liên kết cứng với trụ cầu;
2) Đối với cầu dây văng, hệ dây treo sẽ làm việc chủ yếu dưới tác dụng của hoạt tải, và như thông thường sẽ gọi là “dây văng” (cable stay), và tháp neo dây sẽ gọi là “trụ tháp” (tower) bởi vì trong cầu dây văng thông thường tháp neo dây có chiều cao lớn và thường được liên kết cứng với trụ cầu. Như vậy, dù rằng nhìn hình dáng bên ngoài, cầu Extradosed khá giống cầu dây văng có cột tháp thấp nhưng bản chất của kết cấu lại ứng xử gần với cầu dầm cứng hơn. Điểm quan trọng của cầu Extradosed là hệ dầm cứng và hệ dây treo cùng làm việc dưới tác dụng của hoạt tải, do vậy có sự phân phối nội lực đồng đều hơn giữa hệ dầm cứng và hệ dây treo, tận dụng được tốt hơn khả năng làm việc của vật liệu [3]; [9]; [10].
Tài liệu [2] cũng đã thống kê và đưa ra các nhận xét như sau:
“Về khẩu độ của cầu: Cầu dầm BTCT DƯL nhịp liên tục có khẩu độ vừa và nhỏ từ 40~150m. Cầu dầm cáp hỗn hợp là loại cầu có khẩu độ vừa và lớn với khẩu độ thích hợp từ 90~200m, trong khi đó cầu dây văng là loại cầu có khẩu độ lớn trên 200m. Do đó cầu dầm cáp hỗn hợp là loại cầu có khẩu độ nhịp nằm giữa cầu dầm cứng và cầu dây văng”.
“Đây là thể loại cầu kết hợp giữa hai loại kết cấu của cầu dầm cứng và cầu dây văng, rất đa dạng về mặt kết cấu dựa trên cơ sở kết hợp được các ưu điểm của cả hai loại cầu dầm cứng và cầu dây văng. Cầu dầm cáp hỗn hợp có khẩu độ vừa và lớn từ 90~200m”. Theo [9], [10] thì cầu Extradosed là “Giải pháp hợp lý cho nhịp trung bình”
Konstantinos [6] trong luận văn tại đại học Toronto Canada 2008 (A thesis submitted in conformity with the requirements for the degree of Master of Applied Science Graduate Department of Civil Engineering University of Toronto), sau khi thống kê 51 cầu Extradosed trên thế giới cũng đã rút ra kết luận như sau:
“Cầu Extradosed cho phép chiều dài nhịp không bằng nhau, bố trí nhịp không đối xứng, nhiều nhịp có cáp dự ứng lực ngoài và các nhịp biên có cùng tiết diện với các nhịp chính. Trong số các cầu được trích dẫn trong nghiên cứu này, 41 trong số 51 cầu có nhịp chính từ 75 đến 200 m; 11 cầu Extradosed hai nhịp (một tháp), 30 cầu ba nhịp (2 tháp) và 10 cầu có nhiều hơn ba nhịp..” El Araby El Shenawy, 2013, trong luận văn tiến sỹ của mình tại đại học Berlin [8] chỉ ra rằng, cầu Extradosed, theo nhiều nghiên cứu, có chiều dài vượt nhịp tối ưu từ 100-200m.
“Do các cầu dây văng thông thường dường như không kinh tế cho các nhịp dưới 200m, các nhà thiết kế cầu đã nghiên cứu một hệ thống kết cấu phù hợp để “thu hẹp khoảng cách” cho các cầu có nhịp từ 100 đến 200m. Cầu Extradosed có thể được coi là hệ thống kết cấu tối ưu để thu hẹp “khoảng cách” nói trên. Hưởng lợi từ những kinh nghiệm thu thập được trước đây cho việc thiết kế và xây dựng cả cầu dầm hộp dự ứng lực và cầu dây văng thông thường, cầu Extradosed đã xuất hiện trong hai mươi năm qua ở một số quốc gia, đặc biệt là ở Nhật Bản, là lựa chọn ưu tiên cho các nhịp cầu của 100 đến 200 m [Kasuga 2006] [Meiss 2007]”.
Hình 3-3 cung cấp một số thống kê về chiều dài nhịp của cầu Extradosed đã được xây dựng trên thế giới tính đến năm 2012 theo [4]: (Hình 3.3)
3.2. So sánh về tính kinh tế của các dạng cầu theo chiều dài nhịp.
Nghiên cứu [2]; [3] đã tiến hành so sánh so sánh các chỉ tiêu về chi phí cáp CĐC và bê tông cho 1m2 cầu. Từ hình 3.4 cho thấy các chỉ tiêu chủ yếu về chi phí bê tông và chi phí cáp cường độ cao của cầu dầm cáp hỗn hợp đều nằm trong phạm vi giữa cầu dầm cứng và cầu dây văng. Đối với cầu có khẩu độ lớn hơn 100m, chi phí vật liệu của cầu dầm cáp hỗn hợp nhìn chung là nhỏ hơn cầu dầm cứng và lớn hơn cầu dây văng có cùng kích thước [3]. Có thể nhìn thấy ở đây, với chiều dài nhịp 100-200m, khối lượng cáp CĐC nằm trong khoảng giữa cầu dầm cứng và cầu dây văng, trong khi đó khối lượng bê tông trên 1m2 cầu trong cầu Extradosed tương đương với cầu dây văng (và thấp hơn
cầu dầm cứng) nhưng lại không tiết kiệm hơn cầu dây văng với các nhịp từ 200m trở lên [3].
Theo quan điểm hình thái học, cầu Extradosed được biết đến như cầu trung gian giữa cầu dây văng và cầu dầm hộp dự ứng lực (hình 3.5). Nhận xét này xuất phát từ khối lương vật liệu liên quan sử dụng được thể hiện trong hình 3.6, trong đó Mermigas (2008) [5] so sánh chiều dày trung bình tính đổi của bê tông (khối lượng bê tông của dầm sàn / công xôn) và mặt khác Kasuga (2002) [6] so sánh số lượng bó cáp cần thiết cho cầu Extradosed và cầu dầm hộp dự ứng lực thi công đúc hẫng; Cả hai biểu đồ chỉ ra rằng tiêu thụ nguyên vật liệu chính trong các cầu Extradosed rơi vào vùng trung gian giữa hai loại còn lại.
Các nghiên cứu của Jiong Hu, Yoo Jae Kim, and Soon-Jae Lee [1] đã đưa ra các phân tích về chi phí của các dạng cầu và đã thể hiện bằng đồ thị mối quan hệ giữa chiều dài nhịp chính và chi phí đối với các dạng cầu dầm, cầu Extradosed và cầu dây văng (Hình 3.7). Qua các đồ thị thống kê này có thể kết luận, khi chiều dài nhịp chính lên đến 768ft, tức là đến 234m trở lên thì chi phí đối với cầu Extradosed bắt đầu cao hơn cầu dây văng.
3.4. Những rủi ro do lựa chọn không phù hợp hệ neo, cáp đối với cầu Extradosed
Như đã phân tích ở trên, khi chiều dài nhịp chính tương đối bé, chi phí vật liệu bê tông cũng như cáp dự ứng lực gần tương tự như đối với cầu dầm liên tục thi công hẫng nhưng khi chiều dài nhịp chính tăng lên thì chi phí này sẽ tăng lên theo xu hướng ngày càng lớn hơn so với cầu dây văng. Nguyên nhân là do chi phí vật liệu dùng cho phần kết cấu dầm tăng lên nêu vẫn sử dụng kết cấu cầu Extradosed. Ngoài các kết quả nghiên cứu này, còn một vấn đề khác liên quan đến đặc điểm ứng xử của cầu Extradosed khi chiều dài nhịp chính tăng lên. Đó là vấn đề ứng xử về dao động, mỏi và hủy hoại do ăn mòn. Như đã đề cập ở trên khi chiều dài nhịp chính vượt quá giới hạn về dao động thì phải xét đến dao động của cáp, ảnh hưởng mỏi của cáp ở khu vực neo cáp và trong những trường hợp dó, phải xem xét đến việc sử dụng hệ cáp, hệ neo, hệ giảm chấn như đối với cầu dây văng. Hay nói cách khác, các vật liệu kết cấu, vật liệu đặc chủng như hệ neo, cáp có yêu cầu về chất lượng khắt khe hơn so với neo cáp dùng cho kết cầu dầm bê tông dự ứng lực thông thường. Nếu sử dụng đúng vật liệu theo yêu cầu này thì giá thành cầu Extradosed sẽ còn cao hơn cầu dây văng có cùng chiều dài nhịp chính. Một vấn đề khác là rủi ro khi lựa chọn neo yên ngựa không phù hợp. Các bó cáp trong vùng neo yên ngựa và các chi tiết khác của kết cấu neo yên ngựa là những cấu kiên không thể thay thế vì nằm trong vùng không thể tiếp cận. Do vậy, các quy định của FIB và PTI [11]; [12] đã yêu cầu phải có biện pháp bảo vệ chống lại các nhân tố ăn mòn để đảm bảo các kết cấu này có cùng tuổi thọ với công trình cầu. Thế nhưng, một số cầu Extradosed được xây dựng vừa qua ở nước ta chưa thực sự chú ý đến các yêu cầu này nên đã lựa chọn một loại neo yên ngựa có yêu cầu độ bền chống gỉ chưa rõ ràng. Đó là việc sử dụng neu yên ngựa được tổ hợp từ các ống thép có dạng hình thoi. Một số tính chất cơ lý tối thiểu của vật liệu thép chế tạo neo yên ngựa được ghi trong tập “Chỉ dẫn kỹ thuật của dự án, Mục 07200 – Hệ dây văng…” cho thấy chỉ là thép hợp kim thông thường có giới hạn bền tối thiểu là 410 Mpa, giới hạn chảy tối thiểu là 245 Mpa và độ dãn dài khi đứt tối thiểu là 20%. Ngoài qui định “Các sợi và tao cáp sẽ phải được bảo vệ chống ăn mòn liên tục không bị gián đoạn qua yên ngựa bằng vật liệu phù hợp”, thì theo yêu cầu của chỉ dẫn kỹ thuật nêu trên đã không có một điều nào yêu cầu chống rỉ đặc hiệu cho các ống thép hình thoi này. Trong khi đó toàn bộ các ống thép hình thoi này nằm trong vỏ thép ngoài của neo yên ngựa và chúng được chôn trong bê tông không thể thay thế được. Trong khi đó, trong lòng ống thép hình thoi này hơi nước có thể tích tụ tạo nên môi trường lý tưởng làm rỉ các ống thép dày 3mm. Những dòng chữ tiếng Việt viết thêm vào hình vẽ nhằm giải thích “Elastic seal làm kín khít tao, không cho hơi nước vào chui vào trong gây chống ăn mòn, mặt trong của ống thép hình thoi vẫn xử lý sơn phủ thông thường” chỉ là thuyết minh, mà không hề có tài liệu nào chứng minh định lượng được cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm tuổi thọ chống gỉ của ống thép hình thoi dày 3mm này. Phần giải thích chống ăn mòn chỉ ghi chung chung định tính; “The elastic seal material coated on strand can prevent bare strand from damage or corrosion – Các vật liệu lèn đàn hồi được phủ trên sợi có thể ngăn chặn sợi cáp trần bị hư hỏng hoặc ăn mòn”.
Và dưới đây xin trích một số hình vẽ và thuyết minh liên quan đến loại neo yên ngựa này
Đấy là chưa kể các tao cáp 7 sợi phủ epoxy có nhiều rủi ro trước nguy cơ bị ăn mòn như lớp phủ epoxy làm giảm độ dẻo của tao cáp, các sợi cáp dễ bị rỉ ở những chỗ lớp phủ có có khuyết tật, những chỗ tiếp xúc của các sợi cáp làm cho epoxy không phủ kín, epoxy bị thấm hơi nước khi nhiệt độ bị tăng cao… mà nhiều nghiên cứu từ 1995 đã chỉ ra. Sau khi có ý kiến góp ý của người viết bài này trong thư đề ngày 03/06/2019 gửi các cơ quan chức năng liên quan của bộ Giao thông vận tải, Cục QLXD&CLCTGT bộ GTVT đã chủ trì họp ngày 22/07/2019 với các bên liên quan. Sau cuộc họp này, Chỉ dẫn kỹ thuật (đối với dự án cầu Cửa Hội) liên quan đến neo yên ngựa đã được sửa đổi như sau: “Yên ngựa được chế tạo bằng các ống thép thì vật liệu sử dụng là loại thép chịu thời tiết tuân thủ ASTM A588 hoặc tương đương…” với ghi chú:
“Theo tiêu chuẩn ASTM G101, đối với thép ASTM A588, mức độ chống ăn mòn trong môi trường khí quyển tại khu vực Nhật Bản (tham khảo cho biển Việt Nam) sau 100 năm là xấp xỉ 300µm” (0,3 mm). Như vậy, chỉ đối với cầu Cửa Hội thì các ống thép của neo yên ngựa thay vì làm bằng thép hợp kim thông thường như đã quy định trước đó trong Chỉ dẫn kỹ thuật thì sau khi được góp ý đã được thay thế bằng “loại thép chịu thời tiết tuân thủ ASTM A588”. Tuy vậy, theo các hồ sơ được cung cấp từ các cơ quan chức năng cho người viết bài này thì đến nay, chỉ có thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý theo tiêu chuẩn thí nghiệm ASTM A370 được thực hiện đối với thép tương đương tuân thủ ASTM A588 là GB/T4171- Mác Q355NH được dùng chế tạo các ống thép cho hệ neo yên ngựa của cầu Cửa Hội chứ cũng chưa hề có kết quả thí nghiệm khẳng định loại thép Q355NH là thép chịu thời tiết có mức độ ăn mòn sau 100 năm là xấp xỉ 300µm (0,3 mm) như Chỉ dẫn kỹ thuật đã đề ra.
4. KẾT LUẬN
4.1. Tính đến năm 2012, theo theo thống kê của [4], sau gần ¼ thế kỷ trên thế giới chỉ mới có khoảng hơn 60 cây cầu Extradosed – cầu dầm cáp hỗn hợp được xây dựng, chủ yếu ở Nhật, còn lại mỗi nước chỉ mới xây dựng một vài cầu. Việc xây dựng hàng loạt loại cầu này ở nước ta trong vài ba năm gần đây cần phải được tổng kết, đánh giá đầy đủ các mặt kinh tế kỹ thuật, phạm vi áp dụng, những rủi ro có thể có…. trước khi áp dụng đại trà, nhất là cho đến nay, chỉ có một tiêu chuẩn duy nhất là “Quy trình thiết kế và thi công cầu dây văng và cầu Extradosed”[15] bằng tiếng Nhật, chưa được phổ biến rộng rãi.
4.2. Qua nhiều công trình nghiên cưú của các nhà khoa học trong và ngoài nước, có thể thấy rằng cầu Extradosed là giải pháp hợp lý cho nhịp chính có chiều dài trong khoảng từ 100m đến 200m. So với cầu Extradosed thì khi yêu cầu nhịp chính dưới 100m, cầu dầm liên tục thi công hẫng sẽ chiếm ưu thế về kinh tế kỹ thuật, còn khi yêu cầu vượt nhịp lớn hơn 200m thì cầu dây văng sẽ là giải pháp hợp lý nhất về kinh tế kỹ thuật.
4.3. Cần nghiên cứu đầy đủ hơn để làm chủ công việc thiết kế, thi công, lựa chọn vật tư đặc chủng như hệ thống neo, cáp, neo yên ngựa… nhằm xác định được phạm vi áp dụng hợp lý của loại kết cấu cầu này trong điều kiện địa chất, khí hậu, địa hình, nguồn vật liệu …. ở nước ta, tránh những rủi ro cả trong quá trình thực hiện dự án và cả trong khai thác bảo trì về sau.
Tài liệu tham khảo
[1]. Synthesis on Cost-Effectiveness of Extradosed Bridges, Jiong Hu, Yoo Jae Kim, and Soon-Jae Lee, Texas State University–San Marcos, 2016
[2]. Giới thiệu về cầu dầm cáp hỗn hợp và khả năng ứng dụng tại Việt Nam, TS Bùi Khắc Điệp, Viện Khoa Học Công Nghệ Bộ GTVT, (Hiện là Phó vụ trưởng vụ Kết cấu hạ tầng Bộ GTVT
[3]. Lí thuyết, tính toán cầu Extradosed bằng phần mềm Midas Civil,Nguyễn Lan, https://utctraining.edu.vn/tinh-toan-ket-cau-cau-extradosed-bang-phan-mem-midas-civil/
[4]. On the Development of the Extradosed Bridge Concept, Steven L. Stroh, Doctor of Philosophy, Department of Civil and Environmental Engineering, College of Engineering, University of South Florida, https://core.ac.uk/download/pdf/71952066.pdf
[5]. Behaviour and Design of EXTRADOSED BRIDGES, A thesis submitted in conformity with the requirements for the degree of Master of Applied Science Graduate Department of Civil Engineering University of Toronto, Konstantinos Kris Mermigas, 2008
[6]. Structural behavior and design criteria of extradosed bridges: general insight and state of the art, José Benjumea*¹, Gustavo Chio*, Esperanza Maldonado*, Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga. COLOMBIA
[7]. FORM FINDING FOR CABLE-STAYED AND EXTRADOSED BRIDGES, vorgelegt von Dipl.-Ing. El Araby El Shenawy aus ÄgyptenVon der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin zur Erlangung des akademischen Grades https://d-nb.info/1030364877/34
[9]. Cầu Extradosed. Giải pháp hợp lý cho nhịp trung bình. PGS. TS. Tống Trần Tùng. Bài giảng tập huấn. Hội KHKT Cầu Đường Việt Nam. Hà Nôi 2019
[10]. Cầu Extradosed – Các vấn đề liên quan đến tính toán thiết kế. PGS. TS. Tống Trần Tùng. Bài giảng tập huấn. Hội KHKT Cầu Đường Việt Nam. Hà Nôi 2019
[11]. Khuyến cáo thiết kế, thử nghiệm và thi công cáp văng (Recommendations for Stay Cable Design, Testing and Installation). Post – Tensioning Institute PTI 2001
[12]. Chấp thuận hệ cáp văng sử dụng thép dự ứng lực (Acceptance of stay cable systems using Prestressing steel) FIB TASK GROUP 9.2, STAY CABLE SYSTEMS: fib bulletin Bd. 20 -, fib 3005
[13]. Khuyến cáo của tiểu ban liên ngành về bê tông dự ứng lực (Haubans – Recommandations de la commission interministérielle de la précontrainte). SETRA 2001
[14]. Dự ứng lực ngoài (Précontrainte Exterieure). SETRA 1999
[15]. Quy trình thiết kế và thi công cầu dây văng và cầu Extradosed. Hội kỹ thuật bê tông dự ứng lực Nhật Bản – JPCEA (tiếng Nhật)
