Trong một buổi chia sẻ với các kỹ sư cầu của CHODAI & KISO-JIBAN VIỆT NAM PGS.TS Tống Trần Tùng đã có bài chia sẻ hết sức quý giá về cải thiện và nâng cao chất lượng công tình cầu bê tông bằng dự ứng lực ngoài. CKJVN xin được trích dẫn, đăng tải và chia sẻ tới bạn đọc cùng tham khảo.
1. Đặt vấn đề
Cầu bê tông dự ứng lực ngoài (BTDULN) được Franz Dischinger xây dựng đầu tiên năm 1936 ở Aue, CHLB Đức, với nhịp 25,2 m. Ở thời điểm đó, dự ứng lực là các thanh thép cường độ cao có giới hạn chảy khoảng 500 MPa. Sau đó, trong những năm 1950, cầu Sclayn ở Bỉ, cầu Villeneuve-Saint Georges, Vaux-sur-Seine đã được xây dựng bằng BTDULN. Thời kỳ đầu này không mang lại hiệu quả như mong đợi do khói bụi từ đầu máy đã ăn mòn thanh dư ứng lực ngoài cầu ở Aue, hoặc phải sử dụng các bó cáp có đường kính lớn như đối với cầu dây võng cho cầu Villeneuve-Saint Georges.
Trong những năm 1980 -1990 BTDULN thành xu hướng xây dựng cầu nhịp lớn cùng cầu dây văng với sự áp dụng ngày càng nhiều bê tông cường độ cao. Một loạt công trình cầu bằng bê tông cường độ cao dự ứng lực ngoài đã được xây dựng ở Pháp và, sau đó, ở Đức, Thụy Sĩ, Bỉ, v.v.
Tháng 6/1997, Bộ GTVT CHLB Đức sau cuộc hội thảo trao đổi kinh nghiệm trong xây dựng cầu với các nhà đầu tư, hiệp hội bê tông, các viện nghiên cứu, các trường Đại học đã đi đến nhận định “BTDULN là xu hướng để cải thiện chất lượng của công trình xây dựng bằng kết cấu bê tông” [1]. Năm 1999, Đức đã ban hành “Quy chuẩn cầu BTDULN” [2]
Ở nước ta, kết cấu BTDULN đã được áp dụng sửa chữa cầu An Dương, cầu Niệm và được đưa vào áp dụng ở các cầu Sông Gianh, cầu Tân Đệ, cầu Trạm Bạc, cầu Non Nước, cầu Đá Bạc, cầu Thị Nại, cầu Hàm Luông, cầu Tân Vũ – Lạch Huyện, v.v. (Hình 1,2,3,4). Dự ứng lực ngoài được áp dụng sửa chữa tăng cường cầu Đa Phúc, liên tục hóa 5 nhịp 24m cầu Đoan Hùng, 2 và 3 nhịp cầu Tân An cũ…
Do chưa làm chủ kết cấu này nên một số hư hỏng đã xảy ra với hệ thống dự ứng lực ngoài. Cầu Thị Nại được đưa vào khai thác từ tháng 12/2006. Năm 2016, 22 bó cáp dự ứng lực ngoài của 4 nhịp (nhịp 26, 28, 29, 30) đã phải thay thế. Trong các năm 2016, 2017 cầu Tân Đệ đã hai lần xảy ra sự cố đứt cáp dự ứng lực ngoài tại nhịp số 8 dài L=120m (nằm giữa Trụ T7 và Trụ T8).
Nhưng xu hướng của các nước phát triển là ngày càng sử dụng phổ biến BTDULN trong xây dựng cầu bê tông vượt khẩu độ lớn nhằm cải thiện và nâng cao chất lượng cầu bê tông. Bài viết xin được trình bày một số vấn đề liên quan với mong muốn qua những thông tin và kết quả nghiên cứu của các nước, loại hình kết cấu này sẽ được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi hơn trong xây dựng cầu ở nước ta nhằm đêm lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật trong xây dựng giao thông.
Hình 1. Cầu Niệm được tăng cường bằng các bó cáp dự ứng lực ngoài 1993
Hình 2. Cầu Thị Nại hoàn thành năm 2006, thay cáp dự ứng lực ngoài năm 2016
Hình 3. Dự ứng lực ngoài trong lòng hộp cầu sông Gianh
Hình 4. Dự ứng lực ngoài trên cầu Tân Vũ – Lạch Huyện
2. Một số kết quả nghiên cứu và đánh giá BTDULN
Đã có nhiều nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về bê tông dự ứng lực ngoài được thực hiện. Ví dụ như Antoine Naaman [8] Hanbing Zhu & Yaxun Yang trong [9] El-Shafiey và các đồng tác giả trong [10] đã giới thiệu các nghiên cứu về lịch sử hình thành, bản chất công nghệ, các phương pháp tính toán, thiết kế và xu hướng phát triển, tổng kết, đánh giá về BTDULN.
Powell, J. E. Breen trong [11] đã tổng kết các nội dung liên quan đến công nghệ và kết cấu bê tông dự ứng lực ngoài, đặc biệt sự làm việc của các khối chuyển hướng, từ kinh nghiệm của Đức và Pháp.
Ở nước ta, ngoại trừ một số nghiên cứu có tính cơ bản về phương pháp tính cũng như ứng xử của kết cấu dự ứng lực ngoài [7;12], các nghiên cứu chuyên biệt về giải pháp cấu tạo, vật tư đặc chủng cho BTDULN trong các công trình cầu còn khá hạn chế mặc dù đã có khá nhiều cầu được xây dựng có sử dụng cáp dự ứng lực ngoài.
Các công trình nghiên cứu và tổng kết đánh giá nêu trên cho thấy cầu BTDULN so với dự ứng lực bố trí bên trong bê tông có những lợi thế sau:
- Cáp được bố trí với quỹ đạo đơn giản và không có các mất mát do ma sát trong quá trình căng kéo;
- Việc đưa cáp ra ngoài làm cho việc đổ bê tông đơn giản hơn và nâng cao chất lượng bê tông;
- Cáp dự ứng lực ngoài được bảo vệ chống gỉ chất lượng cao;
- Được kiểm soát bằng thử nghiệm dễ dàng ở bất kỳ thời điểm nào;
- Dễ thay thế cáp và, nhờ đó, có thể tăng cường khả năng chịu lực của dầm;
- Đơn giản khi cần căng kéo bổ sung lực căng;
- Ảnh hưởng dao động đến khai thác lâu dài không đáng kể;
- Thành đứng của dầm hộp không cần bố trí cáp dự ứng lực cho phép sử dụng bê tông tính năng cao, cường độ cao, hoặc có thể dùng thép làm thành đứng dầm hộp do đó giảm trọng lượng bản thân của dầm.
- Công tác lắp, căng kéo cáp không phụ thuộc vào thời tiết
- Kiểm tra bề rộng vết nứt dễ thực hiện hơn và cốt thép thường có hàm lượng cao hơn nên dầm chịu lực tốt hơn
Tuy vậy BTDULN cũng có những hạn chế như:
- Cánh tay đòn của lực căng trước nhỏ hơn
- Do chỉ được neo 2 đầu nên không có sự tham gia cùng chịu lực của lực dính bám giữa cốt dự ứng lực với bê tông
- Lượng cốt thép thường cần bố trí lớn hơn so với dầm dự ứng lực thông thường
- Cáp dự ứng lực không có tác dụng đến phân bố của vết nứt do không dính bám với bê tông dầm
3. Phạm vi áp dụng BTDULN cho kết cấu nhịp cầu
Các nghiên cứu cũng đã cho khuyến cáo là chỉ nên áp dụng cho dầm có mặt cắt hình hộp vì các rủi ro do hỏa hoạn, do tia tử ngoại, do có kẻ phá hoại sẽ khó kiểm soát nếu bố trí cáp dự ứng lực ngoài hoàn toàn ở phía ngoài đối với các kết cấu dầm bản.Vật liệu các ống chứa cáp, tao cáp phải đảm bảo có tuổi thọ cao và chống ăn mòn lâu dài. Có thể bố trí toàn bộ dự ứng ngoài đối với mặt cắt hình hộp hoặc kết hợp cả dự ứng lực trong và dự ứng lực ngoài nhưng dự ứng lực trong chỉ được bố trí trong bản đáy và bản mặt cầu. Ở các nước phát triển như Đức, Pháp, Mỹ… dự ứng lực ngoài còn được bố trí hoàn toàn thay thế dự ứng lực trong (Hình 5).
Hình 5. Bố trí dự ứng lực ngoài toàn bộ và hỗn hợp trong lòng hộp ở mặt cắt trung gian và mặt cắt trên trụ
4. Vấn đề chống rung và độ bền mỏi của cáp dự ứng lực ngoài
Theo Sétra [14], để tránh cho việc tạo ra cộng hưởng trong cốt dự ứng lực ngoài và tránh tác động “quất” khi xảy ra tai nạn, cốt dự ứng lực ngoài cần được đỡ trên các thiết gối cứng thích hợp khi chiều dài cáp vượt quá 15 m đối với cầu trên đường ô tô và 10 – 12 m trên đường sắt. Trong khi đó, Bruggling trong [13] lại khuyến cáo khoảng cách này là 7-8 m. Nếu khoảng cách giữa các neo và ụ chuyển hướng vượt quá 12 m, cần phải kiểm tra để đảm bảo rằng tần số dao động riêng thứ nhất không nằm trong khoảng 0,8 đến 1,2 lần tần số dao động riêng của kết cấu. Để giữ vị trí cho vỏ cáp trong quá trình thay thế cáp, các gối trung gian này nên là gối cứng. Từ những khuyến cáo này, một số cầu sử dụng bê tông dự ứng lực ngoài ở nước ta, ví dụ như cầu Hàm Luông, các bó cáp có chiều dài lớn được treo bằng các sợi thép hoặc các tăng đơ có độ mảnh lớn (Hình 6). Khả năng khống chế dao động cho cáp dự ứng lực ngoài của các hệ thống treo này là khá hạn chế. Thế nhưng, hệ thống dự ứng lực trên cầu Gianh, do kỹ sư Pháp thiết kế, lại có chiều dài tự do giữa các gối/ụ neo đến khoảng 40 m mà không có thiết bị giữ, đỡ (xem hình 6).
Hình 6. Treo cáp dự ứng lực ngoài bằng các tăng đơ trên cầu Hàm Luông
Việc đảm bảo độ bền mỏi của cốt dự ứng lực ngoài là rất quan trọng. Liên quan đến vấn đề này, ứng suất khai thác, tần số cũng như biên độ dao động của cáp giữa các điểm treo là các tham số có ý nghĩa quyết định. Khi thiết kế cũng như đánh giá, cần thực hiện các bài toán xác định độ bền mỏi, đặc biệt tại các vị trí neo cáp dự ứng lực ngoài. Khi chiều dài tự do của bó cáp bé hơn 35m, chỉ cần dùng các hệ neo đồng bộ tương ứng với hệ cáp dự ứng lực thông thường của Freyssinet, VSL, DSI, Hi Am…Khi chiều dài tự do của bó cáp lớn hơn 35m, phải xét đến dao động, mỏi của cáp thép vùng sát neo, do vậy phải dùng các hệ neo có giảm chấn hoặc neo cho cáp văng của cầu Extradosed, cầu dây văng [1;2].
5. Giảm chiều dày cấu kiện bằng cách sử dụng bê tông cường độ cao kết hợp dự ứng lực ngoài
Hiện nay, bê tông cường độ cao với cường độ chịu nén 70 MPa – 120 MPa đã được sử dụng ngày càng phổ biến ở nước ta. Việc sử dụng bê tông này cùng với dự ứng lực ngoài vào kết cấu cầu bê tông dự ứng lực đúc hẫng có thể cho phép làm giảm chiều dày của các bộ phận kết cấu như thành dầm, bản đáy dầm trên trụ, v.v.
Kết quả tính toán khả năng chịu cắt của dầm ứng với các cường độ bê tông và chiều dày sườn khác nhau được thể hiện trên hình 7. Có thể thấy rằng, khi thay bê tông có cường độ 45 MPa (đang được sử dụng phổ biến hiện nay) thành bê tông có cường độ 70 MPa, chiều dày sườn dầm có thể giảm từ 450 mm xuống còn 300 mm hoặc 250 mm (khoảng hơn 40%) mà vẫn đảm bảo khả năng chịu cắt. Với các chiều dày sườn dầm nhỏ như vậy, việc sử dụng cốt dự ứng lực trong (nằm trong sườn dầm) là không phù hợp và việc sử dụng cốt dự ứng lực ngoài là cần thiết. Tuy nhiên, chiều dày áp dụng được trong thực tế còn phải được xem xét ở các khía khác như điều kiện ổn định, điều kiện thi công, v.v.
Hình 7: Quan hệ giữa cường độ bê tông và chiều dày sườn dầm với một yêu cầu chịu cắt cho trước
Theo [14], theo yêu cầu đảm bảo khả năng chịu cắt, chiều dày sườn dầm nhỏ nhất là w= 0,26 + L/500 (m) với L là chiều dài nhịp hoặc d/36 + 2 lần chiều dày lớp bê tông bảo vệ và đường kính ống gen. Trong đó, d là chiều cao sườn dầm. Chiều dày này cũng không được nhỏ hơn 200 mm + đường kính ống gen.
Theo Quy chuẩn của Đức [2], khi chiều cao của mặt cắt hình hộp lớn hơn hoặc bằng 4m thì chiều dày thành hộp có thể giảm xuống còn 40cm. Các trường hợp khác cần phải xem xét vì lực tác động lên các ụ neo chuyển hướng rất lớn nên thành hộp chịu cục bộ các lực này.
CKJVN Xin chào và hẹn gặp lại các bạn trong bài viết “CẢI THIỆN VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CÔNG TRÌNH CẦU BÊ TÔNG BẰNG DỰ ỨNG LỰC NGOÀI – Kỳ 2”
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1].Spannbetonbrücken mit externer Vorspannung, Tagungsmat erial zur Informationsveranstaltung am 5. Juni 1997 im Bundesverkehrsministerium
[2]. Richtlinie für Betonbrücken mit externen Spanngliedern, Ausgabe 1999, Allgemeines Rundschreiben Straßenbau Nr.17/1999
[3]. Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen, Referat StB 25, Brücken- und Ingenieurbau: Zusammenstellung von Brückenneubauten nach der Richtlinie für Betonbrücken mit externen Spanngliedern der Bundesfernstraßen, Stand: 04.02.2000
[4]. BS EN 447:2007 Grout for prestressing tendons — Basic requirements
[5]. Bundesamt für Strassen Switzerland: ASTRA8205 – Schraegseile und externe Spanglieder für Brückenbau. Normenwerks – Anforderung bei Erhaltung und Neubau – Dauerhaftikeit. ASTRA 2011
[6]. Preto, Guidelines for External Prestressing as Strengthening Technique for Concrete Structures, 2014
[7]. Nguyễn Thái Khanh, Báo cáo tổng kết đề tài DT170446
[8]. Antoine Naaman, External Prestressing in Bridges, ACI SP 120, 1990
[9]. Hanbing Zhu & Yaxun Yang, External Prestressing Bridge Reinforcement Technology Review, dx.doi.org/10.1051/matecconf/20152204028
[10].El-Shafiey et al, SEGMENTAL BOX GIRDER BRIDGES WITH EXTERNAL PRESTRESSING UNDER COMBINED SHEAR, MOMENT AND TORSION: REVIEW PAPER,
[11]. Powell, J. E. Breen,STATE OF THE ART EXTERNALLY POST-TENSIONED BRIDGES WITH DEVIATORS, Texas, State Department of Highways and Public Transportation, Research Report No. 365-1, June 1988
[12].Ngô Đăng Quang, Tính toán ứng xử chịu uốn của dầm bê tông dự ứng lực ngoài bằng phương pháp phần tử hữu hạn, Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, số 24, trang 29-45, năm 2008.
[13]. A.S.G. Bruggeling, External Prestressing a State of the Art, ACI, SP:120, 1990
[14]. Sétra, Prestressed concrete bridges built using the cantilever method – Design guide, 2001
