Nghiên cứu ứng dụng trụ ống thép nhồi bê tông cho công trình cầu trong đô thị – PGS. TS. Nguyễn Thị Tuyết Trinh – PGS. TS. Đào Duy Lâm

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TRỤ ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG CHO CÔNG TRÌNH CẦU TRONG ĐÔ THỊ
TÁC GIẢ: PGS. TS. NGUYỄN THỊ TUYẾT TRINH – PGS. TS. ĐÀO DUY LÂM

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Việc ứng dụng các kết cấu liên hợp thép – bê tông là một xu hướng tất yếu và ngày càng được cải tiến trong kỹ thuật xây dựng, đặc biệt trong xây dựng công nghiệp, nhà cửa và cầu đường. Việc sử dụng kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tube – viết tắt tiếng Anh là CFT) đã được Sewell công bố từ năm 1901 [1, 6]. Sewell đã kết luận rằng, bê tông để chống lại rỉ bên trong của cột ống thép và độ cứng đã được tăng ít nhất là 25%. Bên cạnh đó, Concedère đã phát hiện trạng thái kiềm chế bê tông và hiệu suất giãn nở của kết cấu CFT nên khả năng chịu nén của kết cấu liên hợp tăng lên đáng kể [5, 8, 9]. Những ưu việt của kết cấu dạng cột CFT cho thấy, kết cấu CFT rất phù hợp cho kết cấu trụ cầu chịu nén uốn và chịu lực va chạm của phương tiện, giảm mặt cắt tiết diện tạo ra kết cấu thanh mảnh. Ngoài ra, khi ứng dụng kết cấu CFT cho trụ cầu còn có thêm một ưu điểm nữa, đó là ống thép có thể thay thế ván khuôn khi đổ bê tông trụ. Do đó, việc sử dụng kết cấu trụ CFT có thể làm giảm chi phí kết cấu phụ tạm, giảm thời gian thi công nhờ giảm thời gian bảo dưỡng và chờ bê tông đông cứng. Ở các nước tiên tiến, kết cấu trụ CFT đã được ứng dụng cho cầu vượt nhiều tầng trong khu vực đô thị, để giảm thời gian xây dựng và thời gian cấm phương tiện lưu thông dưới cầu [1, 5, 9].

Kết cấu trụ CFT hiện còn mới mẻ và chưa ứng dụng tại Việt Nam. Bài báo trình bày nghiên cứu ứng dụng loại kết cấu CFT cho thiết kế kết cấu trụ cầu trong đô thị, thúc đẩy ứng dụng một kết cấu liên hợp vừa đảm bảo tính an toàn chịu lực, vừa tăng tính mỹ quan của kết cấu thanh mảnh và đặc biệt là tiến độ thi công nhanh khi so sánh với các phương án trụ bê tông đang ứng dụng hiện nay.

2. ĐẶC ĐIỂMVÀ CẤUTẠOTRỤ ỐNGTHÉP NHỒI BÊTÔNG

Kết cấu liên hợp CFT là một kết cấu bao gồm ống thép và bê tông cường độ cao hoặc cường độ trung bình nhồi bên trong. Thông thường dùng ống tròn, nhưng các ống vuông cũng có thể được ứng dụng, nhưng chủ yếu là loại dùng ống tròn (Hình 2.1). Hệ thống kết cấu CFT có nhiều ưu điểm về độ cứng, cường độ, khả năng chống biến dạng, và khả năng chống cháy. Nói chung, loại kết cấu này có thể nghiên cứu ứng dụng cho rất nhiều loại công trình xây dựng nhà xưởng và công trình cầu.

Kết cấu CFT nói chung là một kết cấu liên hợp bao gồm ống thép vỏ và bê tông lõi cùng làm việc chung, có những ưu điểm sau:

– Độ bền của lõi bê tông tăng khoảng hai lần so với độ bền của bê tông thông thường nhờ có lớp vỏ thép với chức năng như lớp áo bọc chặt bên ngoài.
– Bê tông trong ống thép có sự co ngót nhưng cũng có sự trương nở. Trị số biến dạng co ngót theo chiều dọc kết cấu là rất nhỏ, khoảng ε = (2 – 3).10-5. Đây là ưu điểm của kết cấu ống thép nhồi bê tông so với kết cấu bê tông cốt thép thông thường. Sự trương nở là do không có sự trao đổi độ ẩm giữa bê tông và môi trường bên ngoài, sự trương nở này được duy trì trong nhiều năm tạo thuận lợi cho sự làm việc của bê tông.
– Sự cách ly của bê tông với môi trường xung quanh tạo ra những điều kiện tốt hơn cho sự làm việc của bê tông khi chịu tải trọng. Ngoài ra, việc nhồi bê tông vào ống thép đã nâng cao độ bền chống ăn mòn mặt trong của ống thép, làm giảm độ mảnh của cấu kiện, làm tăng độ ổn định cục bộ của thành ống và làm tăng khả năng chống móp, méo (biến dạng) của vỏ ống thép khi bị va đập.
Các cột liên hợp CFT ngày càng được ứng dụng nhiều trên thế giới, trước đây là trong xây dựng dân dụng và gần đây là trong xây dựng công trình giao thông. Trụ cầu không chỉ chịu nén mà còn chịu uốn do lực nén lệch tâm. Do đó, vật liệu CFT rất phù hợp ứng dụng cho kết cấu trụ, thành phần thép có tác động liên hợp với thành phần bê tông, vì vậy cả hai thành phần thép và bê tông đều tham gia kháng lại cả lực nén và mô-men uốn. Kết cấu trụ CFT cũng đã được ứng dụng tại một số nước phát triển trên thế giới và đem lại hiệu quả tích cực ban đầu (Hình 2.2).

Khi trụ cầu sử dụng kết cấu CFT, nó sẽ mang lại những lợi ích sau:

– Trụ CFT có khả năng ứng dụng được với nhiều trạng thái kết cấu, tùy theo cách bố trí thép và bê tông trong mặt cắt ngang sẽ tạo ra được độ cứng cần thiết của mặt cắt. Vỏ ống thép có tác dụng chịu kéo và chịu mô-men uốn của cột. Độ cứng của trụ CFT rất lớn nhờ vật liệu thép được bố trí ở xa trục trung hòa nhất, ở vị trí đó nó cũng góp phần làm tăng mô-men quán tính của mặt cắt. Các dạng lõi bê tông lý tưởng có tác dụng chống lại tải trọng nén và cản trở trạng thái oằn cục bộ của ống thép. Nhờ đó, trụ CFT có khả năng chịu tải trọng nén lớn.
– Sự giãn nở bị động ở thành bên đã được kiềm chế bởi ống thép, làm cải thiện cường độ, tăng tính mềm dẻo và biến dạng của bê tông. Khác với cột bê tông cốt thép và cột liên hợp có bê tông bọc bên ngoài thép với cốt thép ngang, trong kết cấu CFT vỏ ống thép ngăn cản nứt vỡ của lõi bê tông và sự tập trung cốt thép nhỏ trong các vùng liên kết. Do bê tông bị kiềm chế bởi vỏ ống thép, hệ thống cột làm bằng kết cấu CFT có cường độ cao hơn và khả năng biến dạng dọc nhỏ cho đến khi phạm vi biến dạng ngang lớn. Có thể gọi hiệu ứng liên kết này của tác động tương hỗ giữa ống thép và bê tông là “hiệu ứng tổ hợp”. Các trạng thái làm việc của kết cấu cột CFT tùy thuộc vào các tác động khác nhau. Để rõ hơn, nhiều nhà nghiên cứu đã kiểm tra khả năng chịu nén dọc trục và chịu uốn dưới các tải trọng dọc trục của hai loại kết cấu CFT và SRC (Hình 2.3).

– Kết cấu trụ bê tông thông thường là cần phải có bộ ván khuôn trong quá trình thi công. Khắc phục nhược điểm này, kết cấu trụ CFT có lớp vỏ ống thép bọc bê tông, do đó không cần có ván khuôn vì chính bản thân ống thép đã làm nhiệm vụ ván khuôn trong suốt quá trình đổ bê tông.
Từ những phân tích trên có thể thấy, trụ CFT có nhiều lợi thế như cường độ cao, tính mềm dẻo, giảm thời gian thi công, tăng độ an toàn và có thể sử dụng các kiểu liên kết đơn giản được tiêu chuẩn hóa. Ngày nay, công nghệ chế tạo bê tông cường độ cao ra đời, nhờ đó có thể thiết kế trụ thanh mảnh hơn, cho các nhịp lớn hơn. Các kết quả nghiên cứu kết hợp các thí nghiệm và phân tích theo phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) đối với các cột CFT cho thấy, có thể sử dụng bê tông cường độ cao và vẫn đạt được một trạng thái kết cấu mềm dẻo. Tuy nhiên, cần có ống thép dày hơn cho bê tông cường độ cao nếu mục đích là đảm bảo tính mềm dẻo.

Hiệu ứng tăng cường độ bê tông do sự trương nở là rõ ràng nhất đối với trụ ngắn chịu tải trọng lệch tâm. Để đảm bảo hiệu quả liên hợp giữa thép với bê tông, ngoài việc lợi dụng cường độ dính bám tự nhiên khi tải trọng được tác dụng chỉ với ống thép hoặc chỉ với lõi bê tông, cần phải thiết kế bổ sung các neo liên kết. Điều này cần lưu ý đặc biệt khi sử dụng bê tông cường độ cao được nhồi vào trong ống thép.
Một chi tiết quan trọng cần xem xét nghiên cứu là liên kết trụ và xà mũ trụ hoặc hệ dầm cầu, Hình 2.4 là hai loại liên kết giữa cọc ống thép và bệ BTCT được khuyến nghị trong Tiêu chuẩn TCVN 10834:2015, đó là loại liên kết sử dụng thanh thép và loại liên kết ngàm. Hai loại này cũng được đưa ra trong Tiêu chuẩn kỹ thuật cho Cầu đường bộ Nhật Bản JRA 2012. Liên kết này có thể nghiên cứu ứng dụng cho kết cấu trụ CFT dạng cọc ống khi liên kết với xà mũ trụ.

Để hoàn thiện thiết kế kết cấu trụ CFT, một số nghiên cứu về kết cấu CFT cần được tiếp tục thực hiện như chống va xô, chịu động đất, cấu tạo liên kết và dính bám… [1, 5, 6, 9].

3. THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM TRỤ CFT CHO CÔNG TRÌNH CẦU TRONG ĐÔ THỊ

Phần này trình bày tóm tắt thiết kế thử nghiệm trụ CFT dựa trên thông số cụ thể tham khảo công trình cầu trong đô thị thực tế để minh họa, từ đó đưa ra các đề xuất cơ sở cho việc ứng dụng kết cấu CFT này cho công trình cầu trong đô thị.

3.1. Thông số thiết kế và lựa chọn cấu tạo

Cầu thiết kế thử nghiệm là cầu cạn trong đô thị, kết cấu phần trên là các dầm đơn giản Super T có chiều dài 40 m, bề rộng cầu 10 m. Kết cấu trụ ban đầu là trụ BTCT trên nền móng có 8 cọc khoan nhồi, đường kính 1,5 m. Địa chất khu vực móng cầu là sét và cát chặt. Tải trọng thiết kế HL93 và người đi theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823:2017. Đề xuất thiết kế thay thế trụ BTCT là trụ CFT với kết cấu trụ liền với cọc. Có nghĩa là, cả trụ và cọc sử dụng ống thép (SKK490), đường kính 1,5 m, riêng phần trụ được nhồi bê tông bên trong (trụ CFT), chi tiết như Hình 3.1.

3.2. Trình tự thiết kế

Trình tự thiết kế kiểm tra trụ và các liên kết chủ yếu dựa trên Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823:2017 và Tiêu chuẩn thiết kế móng cọc ống thép dạng cọc đơn dùng cho công trình cầu TCVN 10834:2015. Các hạng mục thiết kế chính được mô tả trong Hình 3.2.

3.3. Phân tích kết quả thiết kế

Mô hình hóa có thể thực hiện bằng phần mềm thông dụng FB – Multi Pier V5.9.0, có xét đến ảnh hưởng đất nền (Hình 3.3). Các thông số đầu vào đã trình bày ở Mục 3.1.

Trong mô hình trụ CFT này, kết cấu được mô hình hóa toàn khối với phần móng cọc ống thép kéo dài lên đến trụ, thân trụ là cọc ống thép kéo dài và được nhồi bê tông (kết cấu CFT), sau đó thân trụ liên kết với xà mũ trụ BTCT.

Các hệ số nền xét đến biến dạng của đất, ảnh hưởng của cọc được tính cho móng cọc ống thép theo qui định ở Mục 8 của Tiêu chuẩn thiết kế móng cọc ống thép dạng cọc đơn dùng cho công trình cầu TCVN 10834:2015 và nhập trực tiếp vào phần mềm tính toán. Mô hình này cũng có thể xây dựng trên các phần mềm khác có tính năng tương tự.

Kết quả thiết kế tóm tắt trên Hình 3.4. Lực dọc trục tính toán theo TTGH Cường độ I thu được là 6.061,5 kN nhỏ hơn sức chịu tải của cọc là 9.883 kN. Các trường hợp kiểm tra chịu lực kết hợp mô-men và lực dọc trục, ứng suất, lực cắt của trụ và bệ đều nằm trong giới hạn cho phép theo TTGH Cường độ và TTGH Sử dụng. Các giá trị chuyển vị theo TTGH Sử dụng và Đặc biệt như trong Hình 3.4. Như vậy, kết cấu CFT đáp ứng các yêu cầu của Tiêu chuẩn thiết kế cầu TCVN 11823-2017 và Tiêu chuẩn thiết kế móng cọc ống thép TCVN 10834:2015 [2, 3].

Trong trường hợp tổ hợp tải trọng cực hạn có xét đến lực va xô, chuyển vị tính toán là khá lớn, cần có các biện pháp chống va xô và các thiết kế bổ sung. Vấn đề này sẽ trao đổi trong các nghiên cứu tiếp theo.

4. KẾT LUẬN

Trong thiết kế công trình cầu cũng như các công trình xây dựng nói chung, cần hướng tới mục đích thiết kế không chỉ đảm bảo khả năng chịu lực mà còn đảm bảo tính mỹ quan, thi công nhanh chóng và tiết kiệm. Trụ CFT là dạng kết cấu đáng quan tâm nghiên cứu với nhiều ưu điểm về khả năng chịu lực, tận dụng hiệu quả hai vật liệu khác nhau, kết cấu thanh mảnh, có khả năng chống va đập tốt hơn nhiều so với trụ sử dụng ống thép rỗng hay bê tông thông thường, ngoài ra ống thép có thể thay thế khung tạm và ván khuôn khi đổ bê tông trụ hoàn toàn có thể ứng dụng cho cầu vượt nhiều tầng trong khu vực đô thị, để giảm thời gian xây dựng và thời gian cấm phương tiện lưu thông dưới cầu đồng thời đảm bảo sự thanh mảnh tạo vẻ đẹp kiến trúc. Nhằm mục tiêu giải quyết các vấn đề của kết cấu CFT khi ứng dụng trong xây dựng công trình cầu ở Việt Nam, đề xuất các liên kết đơn giản, tiêu chuẩn hóa các cấu tạo, xây dựng phương pháp thiết kế và các công thức thiết kế tổng quát, các tác giả đã tiến hành các bước nghiên cứu ứng dụng kết cấu CFT. Dựa trên các phân tích tính ưu việt của kết cấu dạng cột CFT, bài báo đã chứng minh sự phù hợp khi ứng dụng kết cấu CFT cho kết cấu trụ cầu. Kết quả thiết kế thử nghiệm cho thấy, kết cấu CFT áp dụng cho kết cấu trụ hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu của Tiêu chuẩn thiết kế cầu TCVN 11823-2017 và Tiêu chuẩn thiết kế móng cọc ống thép TCVN 10834:2015. Kết quả nghiên cứu này góp phần xây dựng phương pháp tính trụ CFT theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu TCVN 11823:2017, đồng thời khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng kết cấu trụ CFT cho công trình cầu trong đô thị, vừa đảm bảo tính an toàn chịu lực, vừa tăng tính mỹ quan của kết cấu thanh mảnh và đặc biệt là đẩy nhanh tiến độ thi công.

Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường Đại học GTVT trong Đề tài mã số T2022-KDN-001.

CKJVN Xin cảm ơn tác giả PGS. TS. Nguyễn Thị Tuyết Trinh và các cộng sự PGS. TS. Đào Duy Lâm đã chia sẻ bài viết hay này đến đông đảo bạn đọc!

Tài liệu tham khảo

[1]. Nguyễn Thị Tuyết Trinh và các cộng sự, Nghiên cứu kết cấu móng cọc ống thép liền trụ thi công nhanh cho công trình cầu trong đô thị ở Việt Nam, Đề tài NCKH cấp Bộ GTVT, mã số: DT194047.
[2]. TCVN 11823:2017, Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ.
[3]. TCVN 10834:2015 về Móng cọc ống thép dạng cọc đơn dùng cho công trình cầu – Tiêu chuẩn thiết kế.
[4]. Nguyễn Viết Trung, Trần Việt Hùng (2005), Kết cấu ống thép nhồi bê tông, NXB. Xây dựng.
[5]. S. Morino and K. Tsuda (2003), Design and Construction of Concrete-Filled Steel Tube Column System in Japan. Earthquake Engineering and Engineering Seismology, vol.4, no.1, 51-73.
[6]. L. Han, W. Li and R. Bjorhovde (2014), Developments and advanced applications of concrete-filled steel tubular (CFT) structures: Members, Journal of Construction Steel Research, (100), 211-228.
[7]. L. A. Montejo, L. A. Gonzalez-Roman, M. J. Kowalsky (2012), Seismic Performance Evaluation of Reinforced Concrete-Filled Steel Tube Pile/Column Bridge Bents, Journal of Earthquake Engineering, (16), 401-424.
[8]. AIJ (2008), Recommendations for Design and Construction of Concrete Filled Steel Tubular Structures, Tokyo, Japan: Architectural Institute of Japan (AIJ).
[9]. Eurocode 4 (2005), Design of Composite Steel and Concrete Structures, Brussels: European Committee for Standardization.
[10]. Z. Tao, T. Song, B. Uy and L. Han. (2016),
Bond behavior in concrete-filled steel tubes, Journal of Constructional Steel Research, (120), 81-93.
[11]. Charles W. Roeder, Max Stephens (2018), Concrete Filled Steel Tubes for Bridge Pier and Foundation Construction, International Journal of Steel Structures.

Dẫn nguồn: TẠP CHÍ GTVT MỤC KHOA HỌC CÔNG NGHỆ – SỐ 12/2022

https://tapchigiaothong.qltns.mediacdn.vn/481400261263945728/2022/12/12/dt-1670811264480776147909.pdf