TÓM TẮT: Bài viết xin được trao đổi một số vấn đề liên quan đến xuất xứ của giải pháp kết cấu, tên gọi, xu hướng hiện nay trên thế giới đối với việc áp dụng loại kết cấu cầu Extradosed cũng như giới thiệu các nghiên cứu của các tác giả ở các nước trên thế giới cũng như trong nước đã tiến hành so sánh về hiệu quả kinh tế kỹ thuật trong việc áp dụng giữa kết cấu cầu Extradosed và cầu dây văng liên quan đến yêu cầu chiều dài của nhịp chính (thường được quyết định bởi khổ thông thuyền và hình thái, độ rộng mặt cắt ngang của dòng sông) cũng như những rủi ro có thể xảy ra khi sử dụng các vật liệu kết cấu đặc chủng không phù hợp cho loại cầu này và đưa ra một số kiến nghị để các tổ chức liên quan xem xét trong khi lựa chọn kết cấu cầu này
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong mấy năm gần đây, việc áp dụng cầu “Extradosed” ở nước ta đang trở nên khá phổ biến, có xu hướng trở thành “trào lưu” ở các địa phương đối với các cây cầu có yêu cầu nhịp thông thuyền trung bình hoặc tương đối lớn. Đó là các cây cầu Bách Lẫm (Yên Bái), Trà Lý (Thái Bình), Tình Húc (Tuyên Quang), Cửa Đại (Quảng Nam), Cửa Hội (Nghệ – Tĩnh) … Tuy vậy, nếu việc áp dụng dạng kết cấu đặc thù này cũng như việc sử dụng các vật liệu kết cấu đặc chủng liên quan như cáp dự ứng lực cùng các phụ kiện, các hệ neo yên ngựa … không hợp lý sẽ dẫn đến những ngộ nhận về hiệu quả kinh tế kỹ thuật, những phát sinh trong quá trình thi công xây dựng cũng như những hệ lụy khôn lường về sau. Đó là những vấn đề liên quan đến chi phí đầu tư, đến công tác duy tu bảo dưỡng, tuổi thọ khai thác, kể cả rủi ro sự cố … đối với công trình.
Bài viết dưới đây sẽ trao đổi một số vấn đề liên quan đến nguồn gốc của giải pháp kết cấu, tên gọi, xu hướng hiện nay trên thế giới đối với việc áp dụng loại kết cấu cầu này, liên quan đến sự khác biệt trong việc áp dụng dạng kết cấu (extradosed hay dây văng) theo chiều dài của nhịp chính (thường được quyết định bởi khổ thông thuyền và hình thái, độ rộng mặt cắt ngang của dòng sông) cũng như những rủi ro có thể xảy ra khi sử dụng các vật liệu kết cấu đặc chủng không phù hợp cho loại cầu này và đưa ra một số kiến nghị để các tổ chức liên quan xem xét trong khi lựa chọn.
2. NGUỒN GỐC CỦA GIẢI PHÁP KẾT CẤU CẦU EXTRADOSED VÀ TÊN GỌI
Việc lựa chọn giải pháp kết cấu đối với với một cây cầu vượt sông phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố nhưng trước hết là phụ thuộc vào yêu cầu về chiều dài vượt nhịp, thông thường là yêu cầu về khổ thông thuyền. Khi yêu cầu này dưới 40m, người ta thường dùng các kết cấu đã được mẫu hóa, điển hình hóa, nhóm hóa (thiết kế định hình, điển hình, modun). Với các cây cầu cần vượt qua vực sâu, sông rộng, đất yếu thì phải có giải pháp riêng (concept) cho từng cây cầu. Với những cây cầu có yêu cầu vượt nhịp lớn thì việc lựa chọn kiểu loại, hình thái kết cấu sẽ ảnh hưởng quyết định đến giá thành đầu tư ban đầu và chi phí bảo trì khai thác [9].
Cho đến trước những năm 80 của thế kỷ XX, đối với cầu bê tông, các kết quả nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra là khi nhịp yêu cầu L<40m thì dầm giản đơn, mặt cắt không đổi, chế tạo sẵn hoặc tại chỗ là hợp lý, nhưng khi nhịp yêu cầu nằm trong khoảng 40m<L<60m thì hợp lý hơn sẽ là dầm liên tục hoặc giản đơn thi công bằng phương pháp đúc đẩy, đà giáo đẩy. Với nhịp 60m<L<150m thì kết cấu hợp lý là dầm liên tục, mặt cắt thay đổi, thi công bằng phương pháp đúc hẫng, lắp hẫng. Thế nhưng khi yêu cầu vượt nhịp lớn hơn 150m, việc lựa chọn cầu dầm liên tục, dây võng hoặc cầu dây văng thường gặp phải những khó khăn do đối với yêu cầu vượt nhịp nằm trong khoảng 120m đến 200m, cầu liên tục thi công hẫng hay cầu dây văng, dây võng đều tỏ ra bất hợp lý. Chính vì vậy, vào năm 1976 Giáo sư Christian Menn đã đề xuất loại kết cấu cầu bê tông cánh buồm (Betonsegelbruecke) có sơ đồ là 125m + 171m +125m để xây dựng cầu Canter (ảnh 1). Cáp văng đặt trong bản bê tông DƯL chịu kéo, giảm nguy cơ mỏi của cáp dự ứng lực, tránh được va quệt của phương tiện làm hư hỏng cáp và tăng khả năng chống ăn mòn [2;3;9].
Năm 1994, loại kết cấu này vẫn còn được chọn để xây dựng cầu Socorridos (ảnh 2) với sơ đồ nhịp 86m + 106m + 85m + 54m, mặt cắt hình hôp chiều cao không đổi 3,5m, thi công lắp hẫng các đốt đúc sẵn. Cáp trong “tấm văng” được căng kéo trong khi thi công gồm 6 bó cho mỗi trụ tháp, bó cáp văng gồm 34 tao 15mm, trong đó có 2 bó gồm 37 tao.
Trước đó, năm 1988, Giáo sư M. Mathias cho rằng các bó cáp không cần thiết phải đặt bên trong bê tông mà có thể đưa ra ngoài, đóng vai trò là các bó cáp dự ứng lực ngoài tăng cường cho vùng chịu mô men âm ở phía trên trụ cầu. Trụ tháp sẽ đóng vai trò ụ chuyển hướng và tạo nên độ lệch tâm lớn. Do cầu được tạo dự ứng lực ở phía trên mặt cầu nên được gọi là cầu Extradosed (uppermost surface of the bridges). Ý tưởng được đề xuất để xây dựng cầu cạn Arret Darré ở Pháp tuy không thành hiện thực nhưng đã được các kỹ sư Nhật Bản nghiên cứu ứng dụng. Hàng chục cây cầu Extradosed đã được xây dựng ở Nhật. Một trong những cầu Extradosed đầu tiên được xây dựng ở Nhật năm 1994 là cầu Odawara Blueway, 1994, có sơ đồ nhịp 74m +122m + 74m, dầm hộp 2 ngăn cao 2,2m (tại gối cao 3,5m; h/L = 1/55 – 1/35). Trụ tháp và dầm hộp liền khối dạng kết cấu cầu khung. Trụ tháp H=11m, H/L = 1/11, lần đầu tiên sử dụng neo yên ngựa. Tao cáp bọc epoxy, bơm vữa xi măng vào bó cáp. Ứng suất trong cáp cho phép = 0,6 fpu, sử dụng hệ neo của Bê tông dự ứng lực nhưng bố trí giảm chấn tại neo cáp. Hệ neo + cáp, kể cả thanh neo trụ tạm khi thi công đề là sản phẩm của hãng DSI (Đức) [2;9].
Xin được kể một câu chuyện có liên quan đến việc đưa cầu Extradosed vào Việt Nam. Tháng 5 năm 1998, người viết bài này đã đi dự hội nghị quốc tế lần thứ 13 để hợp nhất Ủy ban Bê tông cốt thép châu Âu (CEB) với Liên đoàn bê tông dự ứng lực quốc tế (FIP) thành Liên đoàn Bê tông quốc tế (FIB) tại Amsterdam – Hà Lan. Tại hội nghị này, cây cầu Tsukuhara (ảnh 3) trên cao tốc Sanyo nối Miki và Kobe được đưa vào sử dụng tháng 5/1998 là cầu Extradosed có nhịp chính 180m là nhịp lớn nhât lúc bấy giờ, sử dụng neo yên ngựa và hệ neo của bê tông dự ứng lực nhưng bố trí giảm chấn tại neo, đã nhận được huy chương của FIB. Thế nhưng, cũng tại thời điểm nay, tư vấn Nhật Bản đã đề xuất phương án sử dụng cầu Extradosed có nhịp chính lên đến … 350m để làm phương án chính cho cầu Bãi Cháy. Lúc đó, người viết bài này đã kiên quyết phản đối dù hồ sơ đã được trình lên Hội đồng thẩm định cấp Nhà nước do Giáo sư Đỗ Quốc Sam làm Chủ tịch. Sau khi phương án không được chấp thuận, một nhóm chuyên gia Nhật đã đến tận phòng làm việc của người viết bài này chất vấn gay gắt. Chỉ đên khi thông tin về cầu Tsukuhara vừa được nhận huy chương của FIB ở Amsterdam được cung cấp cả bằng hình ảnh cho họ, họ mới thôi chất vấn.
Tính đến năm 2012, theo theo thống kê của [4], sau gần ¼ thế kỷ chỉ mới có khoảng hơn 60 cây cầu Extradosed được xây dựng trên thế giới, trong đó nước Nhật chiếm gần một nửa, còn lại mỗi nước chỉ mới xây dựng một vài cầu (ảnh 4). Riêng cầu Pakse ở Lào hoàn thành năm 2000, cầu Extradosed có nhịp chính 143,0m do không kiểm soát được hình học khi thi công nên đường đỏ mặt cầu lượn sóng đến nay vẫn không khắc phục được (ảnh 5). Thế nhưng chỉ trong một vài năm gần đây, ở Việt Nam đã có đến 5 cây cầu Extradosed vượt sông đã được xây dựng.
<Còn tiếp trong bài viết tiếp theo: 3. MỘT SỐ VẤN ĐỀ CẦN TRAO ĐỔI>
3.1. Tên gọi của cầu “Extradosed”.
3.2. So sánh về chiều dài nhịp giữa phổ biến cho các dạng cầu trên thế giới
3.3. So sánh về tính kinh tế của các dạng cầu theo chiều dài nhịp.
3.4. Những rủi ro do lựa chọn không phù hợp hệ neo, cáp đối với cầu Extradosed
CKJVN Xin chào và hẹn gặp lại các bạn trong bài viết “BÀN VỀ VIỆC ÁP DỤNG CẦU EXTRADOSED HIỆN NAY Ở NƯỚC TA – Kỳ 2”
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)
