Giới thiệu dự án

Khu vực Đồng bằng sông Cửu Long nói chung và tỉnh Kiên Giang nói riêng có mạng lưới sông ngòi, kênh rạch chằng chịt, giữ vai trò huyết mạch trong giao thương thủy - bộ. Theo thống kê của ngành giao thông vận tải, hơn 70% khối lượng hàng hóa liên tỉnh tại khu vực Tây Nam Bộ được vận chuyển qua mạng lưới đường thủy nội địa kết hợp đường bộ cấp III–IV. Tuy nhiên, việc xây dựng các công trình vượt sông lớn gặp thách thức nghiêm trọng do địa tầng đất yếu phân tầng sâu ($c = 11.5 - 38.1\text{ kN/m}^2$, hệ số rỗng $e = 0.61 - 0.95$) và yêu cầu thông thuyền cấp III khắt khe (tĩnh không thông thuyền $B \times H = 40\text{m} \times 5\text{m}$, tần suất lũ thiết kế $P = 1%$).

Đồ án tập trung giải quyết bài toán thiết kế cầu vượt sông Cái Bé, tỉnh Kiên Giang. Các giải pháp dầm giản đơn truyền thống (như dầm Super-T) đòi hỏi nhiều trụ giữa lòng sông gây cản trở luồng hàng hải, gia tăng nguy cơ va xô tàu thuyền và tốn kém chi phí xử lý móng cọc ma sát sâu. Ngược lại, giải pháp cầu vòm ống thép nhồi bê tông (Concrete-Filled Steel Tube - CFST) tự cân bằng lực đẩy ngang thông qua hệ cáp giằng chân vòm dự ứng lực (Tied-arch) là lựa chọn tối ưu, giải quyết triệt để các hạn chế trên.

                  Sơ đồ tổng thể nhịp chính cầu vòm CFST vượt sông Cái Bé
       |<-- 50m -->|<------------- 75m ------------->|<-- 50m -->|
       +-----------+=================================+-----------+
      /|           |   /|   /|   /|   |   |\   |\   |\   |           |\
     / |           |  / |  / |  / |   |   | \  | \  | \  |           | \
====O==+===========+=================================+===========+==O====
    P2            P3 (Trụ chính)                    P4 (Trụ chính)   P5

Mục tiêu kỹ thuật của dự án

  1. Thiết kế hoàn chỉnh kết cấu nhịp chính cầu vòm ống thép nhồi bê tông 3 nhịp liên tục đối xứng với sơ đồ $50\text{m} + 75\text{m} + 50\text{m}$, kết hợp nhịp dẫn dầm bản rỗng $4 \times 30\text{m}$ hai đầu cầu, tổng chiều dài toàn công trình đạt $482.0\text{m}$.
  2. Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn 3D trên phần mềm Midas Civil 2019 để phân tích phi tuyến hình học, ứng xử phi tuyến vật liệu và mô phỏng chính xác 12 giai đoạn thi công (Construction Stage Analysis).
  3. Kiểm toán khả năng chịu lực của mặt cắt liên hợp vành vòm số 8 ($2 \times \phi 900 \times 16\text{ mm}$) bằng phần mềm chuyên dụng spColumn và mô phỏng tập trung ứng suất cục bộ tại nút chân vòm bằng ANSYS 2022.
  4. Tối ưu hóa quy trình căng kéo 10 giai đoạn cho hệ thống 8 bó cáp giằng chân vòm ($22\phi 15.2\text{ mm}$) nhằm triệt tiêu hoàn toàn lực đẩy ngang truyền xuống đỉnh trụ chính P3 và P4.
  5. Đảm bảo công trình đạt cấp đường III đồng bằng ($V_{tk} = 60\text{ km/h}$), khổ cầu $B = 22.8\text{m}$ (4 làn xe cơ giới), tải trọng thiết kế HL-93 theo tiêu chuẩn TCVN 11823-2017 và AASHTO LRFD 2012.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào phân tích động lực học, tính toán cơ sở hạ tầng mố trụ, dầm ngang dự ứng lực HL1/HL2, hệ dầm mặt cầu TL1/TL2/TL3 và quy trình tổ chức thi công thực nghiệm trên nền đất yếu ven biển Kiên Giang.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tại các vị trí vượt sông có lưu lượng tàu thuyền lớn tại Kiên Giang, việc so sánh phương án kết cấu nhịp quyết định trực tiếp đến hiệu quả kinh tế và độ an toàn công trình:

Tiêu chí so sánh Phương án 1: Dầm Super-T giản đơn ($L = 40\text{m}$) Phương án 2: Cầu vòm ống thép nhồi bê tông (CFST) Phương án 3: Cầu dây văng nhịp vừa
Khẩu độ thông thuyền Hạn chế, cần 2–3 trụ giữa sông ($B_{tt} < 35\text{m}$) Rộng rãi, vượt sông không trụ giữa ($B_{tt} = 75\text{m} > 40\text{m}$) Vượt nhịp tốt ($B_{tt} > 100\text{m}$)
Ảnh hưởng địa chất yếu Móng chịu tải trọng thẳng đứng lớn, lún lệch mố trụ Triệt tiêu lực đẩy ngang nhờ thanh căng, giảm tải móng trụ Nhạy cảm với lún không đều của tháp cầu
Giá thành xây lắp Thấp ở phần thượng tầng, cao ở phần hạ tầng (nhiều cọc) Tối ưu tổng thể, tiết kiệm 18–22% khối lượng bê tông Chi phí vật liệu cáp và tháp rất cao
Kiến trúc & Cảnh quan Dáng cầu thông thường, chiều cao tĩnh không thấp Tạo điểm nhấn kiến trúc vòm thanh thoát, thẩm mỹ cao Thanh thoát nhưng quy mô vượt mức cần thiết

Yêu cầu kỹ thuật được phân loại theo mô hình MoSCoW:

  • Must have: Đảm bảo tĩnh không thông thuyền $40\text{m} \times 5\text{m}$; chịu tải trọng HL-93 kết hợp tải người đi bộ $3\text{ kN/m}^2$; độ võng đàn hồi toàn cầu $\Delta_{max} \le L/800 = 93.75\text{ mm}$.
  • Should have: Áp dụng hệ thống sơn phủ chống ăn mòn 3 lớp (EZP + Acrylic Waterborne) tuổi thọ trên 25 năm cho môi trường xâm thực mặn.
  • Could have: Tích hợp hệ thống chiếu sáng mỹ thuật và vòi phun nước cảnh quan tự động.
  • Won't have: Bố trí trụ dầm tạm cố định trong luồng thông thuyền chính trong suốt mùa lũ.
       +-------------------------------------------------------------+
       |               MẶT CẮT LIÊN HỢP VÀNH VÒM (CFST)              |
       |                                                             |
       |                    /===================\                    |
       |                   |  Ống thép D900x16   |                   |
       |                   |  Bê tông lõi C50    |                   |
       |                    \===================/                    |
       |                              |                              |
       |                     Bản thép nối 400x16                     |
       |                              |                              |
       |                    /===================\                    |
       |                   |  Ống thép D900x16   |                   |
       |                   |  Bê tông lõi C50    |                   |
       |                    \===================/                    |
       +-------------------------------------------------------------+

Thiết kế hệ thống

Mặt cắt vành vòm chủ được cấu tạo dạng số 8 gồm 2 ống thép $\phi 900\text{ mm}$, bề dày $t = 16\text{ mm}$ liên kết qua bản thép đặc $400 \times 16\text{ mm}$. Thép kết cấu sử dụng loại ASTM A709M Grade 345W ($f_y = 345\text{ MPa}$, $f_u = 485\text{ MPa}$, $E_s = 200,000\text{ MPa}$). Bê tông nhồi lõi là bê tông tự lèn cường độ cao C50 ($f'_c = 50\text{ MPa}$, $E_c = 34,795\text{ MPa}$) có phụ gia trương nở bù co ngót.

Trục vòm tuân theo đường cong parabol bậc 2 nhằm tối ưu hóa biểu đồ momen uốn dưới tác dụng của tĩnh tải rải đều:

$$y = \frac{4f}{L^2} x (L - x)$$

Trong đó:

  • Chiều dài nhịp chính: $L = 75\text{ m}$
  • Tỷ số đường tên vòm: $f/L = 1/5 \rightarrow f = 15.0\text{ m}$
  • Chiều cao tiết diện vành vòm: $h = 2.2\text{ m}$ (nhịp $75\text{m}$), $h = 1.8\text{m}$ (nhịp $50\text{m}$)
  • Khoảng cách giữa 2 tim sườn vòm: $B_{v} = 16.5\text{ m}$

Quy đổi diện tích và momen quán tính mặt cắt vành vòm về vật liệu bê tông tương đương thông qua hệ số tương đương $n = E_s / E_c = 200,000 / 34,795 = 5.748$:

$$A_{td} = A_c + n \cdot A_s = 0.902 + 5.748 \times (0.0889 + 0.0128) = 1.487\text{ m}^2$$

Hệ thống thanh treo (Hangers) gồm các bó sợi cáp song song cường độ cao $61\phi 7\text{ mm}$ (ASTM A421 loại BA, giới hạn bền $f_{pu} = 1655\text{ MPa}$, $E = 2.0 \times 10^5\text{ MPa}$) đặt cách nhau $5.0\text{m}$ dọc theo chiều dài cầu. Hệ dầm ngang đúc sẵn gồm dầm giữa HL1 ($b \times h = 800 \times 1600\text{ mm}$) và dầm ngàm chân vòm HL2 căng cáp dự ứng lực bám dính.

       +-------------------------------------------------------------+
       |             HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG ĂN MÒN 3 LỚP              |
       |                                                             |
       |  [Lớp ngoài]   Sơn Acrylic Waterborne (Trang trí)    : 50 um|
       |  [Lớp giữa]    Sơn Acrylic Waterborne (Chống thấm)   : 50 um|
       |  [Lớp trong]   Sơn Epoxy Organic Zinc-Rich (EZP)    : 100 um|
       |  [Cốt nền]     Thép ASTM A709M Gr 345W               : 16 mm|
       +-------------------------------------------------------------+

Phương pháp nghiên cứu và tính toán (Methodology)

Quy trình thiết kế áp dụng triệt để phương pháp hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD) theo tiêu chuẩn TCVN 11823-2017 kết hợp chỉ dẫn kỹ thuật kết cấu ống thép nhồi bê tông CECS 28-90 và JTJ 027-86:

  • Tổ hợp tải trọng trạng thái giới hạn cường độ (ULS Strength I):

    $$U_1 = 1.25,DC + 1.50,DW + 1.75,(LL + IM) + 1.75,PL$$

  • Tổ hợp tải trọng trạng thái giới hạn sử dụng (SLS Service I):

    $$U_{SD} = 1.0,DC + 1.0,DW + 1.0,(LL + IM) + 1.0,PL$$

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                           MA TRẬN ĐÁNH GIÁ VÀ XỬ LÝ RỦI RO                        |
+----------------------+--------------------+----------+----------------------------+
| Rủi ro kỹ thuật      | Khả năng & Hệ quả  | Mức độ   | Giải pháp giảm thiểu       |
+----------------------+--------------------+----------+----------------------------+
| Tách mang giữa ống   | Xác suất: Trung bình| Nguy hiểm| Sử dụng bê tông C50 tự lèn |
| thép và lõi bê tông  | Tác động: Nghiêm trọng|       | có phụ gia trương nở bù ngót|
+----------------------+--------------------+----------+----------------------------+
| Biến dạng uốn ngoài  | Xác suất: Thấp     | Nghiêm   | Bố trí 4 khung giằng ngang |
| mặt phẳng vòm chính  | Tác động: Rất lớn  | trọng    | dạng chữ K và chữ I định vị|
+----------------------+--------------------+----------+----------------------------+
| Lún không đều móng   | Xác suất: Cao      | Trung    | Hạ mũi cọc khoan nhồi D1200|
| trụ trên địa tầng sét| Tác động: Trung bình| bình    | ngàm sâu vào tầng 5b cứng  |
+----------------------+--------------------+----------+----------------------------+

Implementation và kết quả

Quy trình phân tích và thuật toán tính toán

Mô hình không gian 3D của cầu được thiết lập trên phần mềm Midas Civil 2019 với hơn 1.250 nút (nodes) và 1.840 phần tử (beam, truss, tension-only). Dưới đây là thuật toán script tự động hóa kiểm tra mặt cắt liên hợp ống thép nhồi bê tông theo tiêu chuẩn CECS 28-90:

import math

def calculate_cfst_capacity(D_outer: float, t_wall: float, fc_prime: float, fy_steel: float):
    """
    Tính toán sức kháng nén dọc trục danh nghĩa của cột CFST tròn (CECS 28-90)
    D_outer: Đường kính ngoài ống thép (mm)
    t_wall: Chiều dày thành ống thép (mm)
    fc_prime: Cường độ chịu nén mẫu trụ bê tông (MPa)
    fy_steel: Giới hạn chảy của thép (MPa)
    """
    r_outer = D_outer / 2.0
    r_inner = r_outer - t_wall
    
    # Diện tích thành phần
    As = math.pi * (r_outer**2 - r_inner**2)
    Ac = math.pi * (r_inner**2)
    
    # Hệ số hàm lượng thép (confinement index)
    xi = (As * fy_steel) / (Ac * fc_prime)
    
    # Hệ số nâng cao cường độ bê tông do hiệu ứng kiềm chế 3 trục
    if xi <= 1.0:
        coef_B = 1.0 + 0.177 * xi
    else:
        coef_B = 1.0 + 0.138 * xi
        
    # Cường độ tính toán tổng hợp của tiết diện liên hợp
    fsc_y = (1.14 + 0.48 * xi) * fc_prime
    Nu_capacity = (Ac + As) * fsc_y / 1000.0  # Đổi sang kN
    
    return {
        "Steel Area (mm2)": round(As, 2),
        "Concrete Area (mm2)": round(Ac, 2),
        "Confinement Index xi": round(xi, 4),
        "Axial Capacity Nu (kN)": round(Nu_capacity, 2)
    }

# Áp dụng cho ống đơn D900x16 mm của nhịp vòm Cái Bé
result = calculate_cfst_capacity(D_outer=900.0, t_wall=16.0, fc_prime=50.0, fy_steel=345.0)
print(f"Sức kháng nén danh định ống đơn: {result['Axial Capacity Nu (kN)']} kN")

Quy trình tổ chức thi công nhịp chính 75m gồm 12 bước được phân kỳ nghiêm ngặt:

  1. Thi công hoàn thiện cọc khoan nhồi $\phi 1200\text{ mm}$ và bệ móng trụ chính P3, P4 trong hệ khung vây cọc ván thép Larsen IV.
  2. Lắp dựng hệ trụ tạm ngoài sông, mở rộng đỉnh trụ bằng thép hình định hình.
  3. Chế tạo 3 phân đoạn vành vòm trong nhà máy, vận chuyển bằng sà lan 500T, sử dụng 2 cần cẩu nổi 60T hợp long hình học.
  4. Lắp đặt hệ thanh giằng ngang chữ K và chữ I, liên kết ngàm chân vòm.
  5. Căng kéo cáp giằng chân vòm đợt 1 (cấp tải 25%) để tạo ứng suất nén trước.
  6. Bơm bê tông C50 tự lèn vào ống thép dưới của vành vòm bằng phương pháp bơm rút ngược từ chân vòm lên đỉnh vòm.
  7. Căng kéo cáp giằng đợt 2 $\rightarrow$ Đợt 3 $\rightarrow$ Bơm bê tông ống thép trên.
  8. Căng kéo cáp giằng đợt 4 $\rightarrow$ Bơm bê tông bản vách giữa số 8 $\rightarrow$ Tháo dỡ hệ trụ tạm giải phóng lòng sông.
  9. Lắp dựng lần lượt các dầm ngang dự ứng lực HL1, HL2 đối xứng từ hai đầu nhịp vào giữa.
  10. Căng kéo cáp giằng chân vòm đợt 5 đến đợt 8 $\rightarrow$ Lắp dựng hệ dầm dọc TL1, TL2, TL3.
  11. Đổ bê tông bản mặt cầu tại chỗ $t = 200\text{ mm}$, bảo dưỡng ẩm 14 ngày.
  12. Căng kéo cáp giằng chân vòm đợt cuối (đợt 10) $\rightarrow$ Thi công thảm bê tông nhựa $C19$ dày $7\text{ cm}$, lắp đặt khe co giãn, hoàn thiện gờ lan can và thử tải công trình.
       +-------------------------------------------------------------+
       |             BIỂU ĐỒ NỘI LỰC VÀ BIẾN DẠNG NHỊP VÒM 75M       |
       |                                                             |
       | Lực dọc vành vòm    (N_max): -21,450 kN  (Trạng thái nén)   |
       | Momen uốn vành vòm  (M_max): +3,845 kNm  (Tại tiết diện L/4)|
       | Lực căng cáp giằng  (T_tie):  4,280 kN   (Mỗi bó 22T15.2)   |
       | Lực căng thanh treo (T_max):    642 kN   (Hanger trung tâm) |
       | Độ võng lớn nhất    (f_max):  34.2 mm    (Tiêu chuẩn: <93.8)|
       +-------------------------------------------------------------+

Kiểm toán kết cấu và phân tích kết quả

Kết quả phân tích từ mô hình Midas Civil 2019 và kiểm toán theo tiêu chuẩn TCVN 11823-2017 cho thấy:

+---------------------------------------------------------------------------------------+
|                    BẢNG TỔNG HỢP KIỂM TOÁN CÁC CẤU KIỆN CHÍNH (TTGH CƯỜNG ĐỘ I)       |
+-------------------+----------------+---------------+----------------+-----------------+
| Cấu kiện kiểm toán| Nội lực tính toán| Sức kháng danh định| Tỷ số ứng suất | Đánh giá an toàn|
+-------------------+----------------+---------------+----------------+-----------------+
| Vành vòm chính    | N = 21,450 kN  | P_r = 29,820 kN| 0.719          | Đạt (Thỏa mãn)  |
| (Mặt cắt số 8)    | M = 3,845 kNm  | M_r = 6,240 kNm|                |                 |
+-------------------+----------------+---------------+----------------+-----------------+
| Dầm ngang đúc sẵn | M_u = 3,120 kNm| M_r = 4,450 kNm| 0.701          | Đạt (Thỏa mãn)  |
| HL1 (Bê tông C40) | V_u = 890 kN   | V_r = 1,320 kN | 0.674          |                 |
+-------------------+----------------+---------------+----------------+-----------------+
| Dầm bản mặt cầu   | M_u = 289.5 kNm| M_r = 412.0 kNm| 0.702          | Đạt (Thỏa mãn)  |
| TL1 (L = 4.2m)    | V_u = 210.4 kN | V_r = 325.0 kN | 0.647          |                 |
+-------------------+----------------+---------------+----------------+-----------------+
| Bó cáp giằng chân | T_u = 4,280 kN | T_r = 5,890 kN | 0.726          | Đạt (Hệ số an   |
| (22 tao phi 15.2) |                |               |                | toàn SF = 1.38) |
+-------------------+----------------+---------------+----------------+-----------------+
| Cáp treo thanh giằng| T_u = 642 kN | T_r = 1,180 kN| 0.544          | Đạt (Hệ số an   |
| (61 sợi phi 7mm)  |                |               |                | toàn SF = 1.84) |
+-------------------+----------------+---------------+----------------+-----------------+

Độ võng thẳng đứng đàn hồi cực đại của nhịp vòm 75m dưới tổ hợp hoạt tải toàn phần ($LL + IM$) ghi nhận trong mô hình đạt $f_{max} = 34.2\text{ mm}$, nhỏ hơn giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn JTJ 023-85 và TCVN 11823-2017:

$$f_{max} = 34.2\text{ mm} \le [\Delta] = \frac{L}{800} = \frac{75,000}{800} = 93.75\text{ mm}$$

Đổi mới và đóng góp

  1. Ứng dụng hiệu ứng kiềm chế đa trục (Confinement Effect): Vỏ thép $\phi 900 \times 16\text{ mm}$ đóng vai trò cốt đai liên tục, tạo trạng thái ứng suất nén 3 trục ($\sigma_1 > \sigma_2 = \sigma_3$) trong lõi bê tông C50. Cơ chế này nâng cao sức chịu nén của bê tông lõi lên 192% so với mẫu thử nén nở hông tự do, đồng thời ngăn chặn hiện tượng mất ổn định cục bộ của thành thép mỏng.
  2. Kỹ thuật tự cân bằng lực đẩy ngang bằng thanh căng ngầm: Triệt tiêu hoàn toàn lực đẩy ngang khổng lồ ($H \approx 18,200\text{ kN}$) truyền vào mố trụ nhờ hệ thống 8 bó cáp dự ứng lực ngoài $22\phi 15.2\text{ mm}$ nối liền hai đầu chân vòm. Nhờ đó, kích thước bệ móng và số lượng cọc khoan nhồi tại trụ P3, P4 giảm 28.5% so với phương án vòm không thanh kéo truyền thống.
  3. Quy trình công nghệ thi công "vỏ trước - ruột sau": Ống thép rỗng nhẹ được cẩu lắp định vị trên hệ trụ tạm trước, sau đó chính ống thép này đóng vai trò ván khuôn chịu lực hoàn toàn để bơm bê tông tự lèn C50. Phương pháp này giảm 100% khối lượng ván khuôn gỗ/thép truyền thống trên cao và rút ngắn 35% tiến độ thi công nhịp vượt sông.
  4. Hệ thống liên kết dầm ngang - cáp treo ngàm cứng: Khác với liên kết khớp thông thường, việc tính toán ngàm dầm ngang HL2 vào nút chân vòm tăng cường độ cứng xoắn toàn cầu lên 24%, giúp kết cấu ổn định tuyệt đối dưới tác dụng của gió bão vận tốc thiết kế $V_{b} = 38.5\text{ m/s}$.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Cầu vòm ống thép nhồi bê tông vượt sông Cái Bé là giải pháp kiểu mẫu có khả năng nhân rộng trên toàn bộ các tuyến đường vành đai và quốc lộ đi qua các tỉnh ven biển Tây Nam Bộ (Kiên Giang, Cà Mau, Bạc Liêu, Sóc Trăng).

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                  BẢNG PHÂN TÍCH TÀI CHÍNH VÀ VÒNG ĐỜI DỰ ÁN (LCC)                 |
+--------------------------+-----------------------+--------------------------------+
| Hạng mục chi phí         | Phương án CFST nhịp   | Phương án Dầm Super-T          |
|                          | liên tục (L=75m)      | truyền thống (L=40m)           |
+--------------------------+-----------------------+--------------------------------+
| Chi phí xây lắp phần trên| 42.5 tỷ VNĐ           | 36.0 tỷ VNĐ                    |
| Chi phí xử lý móng cọc   | 28.0 tỷ VNĐ (Giảm cọc)| 39.5 tỷ VNĐ (Nhiều trụ sông)   |
| Chi phí bảo trì 30 năm   | 6.2 tỷ VNĐ            | 9.8 tỷ VNĐ                     |
| Tổng chi phí vòng đời    | 76.7 tỷ VNĐ           | 85.3 tỷ VNĐ (Tiết kiệm 10.1%)  |
| Thời gian thi công       | 14 tháng              | 18 tháng                       |
+--------------------------+-----------------------+--------------------------------+

Lộ trình triển khai dự án tiêu chuẩn (Roadmap)

  • Giai đoạn 1 (Tháng 1 - 3): Khảo sát địa chất chi tiết, khoan khảo sát địa tầng đáy sông, đóng cọc thử tải tĩnh.
  • Giai đoạn 2 (Tháng 4 - 7): Thi công móng mố trụ P1 đến P8; gia công phân đoạn ống thép tại nhà máy cơ khí chuyên dụng.
  • Giai đoạn 3 (Tháng 8 - 11): Lắp dựng hệ trụ tạm; cẩu lắp hợp long vành vòm; bơm bê tông lõi C50 và căng kéo cáp đợt 1-6.
  • Giai đoạn 4 (Tháng 12 - 14): Lắp đặt dầm ngang, dầm dọc; đổ bê tông mặt cầu; căng kéo cáp đợt 7-10; thảm nhựa C19 và thử tải khánh thành.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  1. Quá trình bơm bê tông tự lèn ngược từ dưới lên đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ áp lực vòi bơm ($P_{pump} \ge 2.5\text{ MPa}$) để tránh đọng bọt khí ở đỉnh vòm hoặc gây nứt vỡ đường ống.
  2. Ứng suất nhiệt phát sinh do quá trình thủy hóa của khối bê tông dày $900\text{ mm}$ bên trong ống thép kín có thể tạo khe hở vi mô giữa thép và bê tông nếu không kiểm soát phụ gia tỏa nhiệt thấp.
  3. Cần thiết bị cẩu nổi tải trọng lớn ($>60\text{T}$) hoạt động trên sông, phụ thuộc vào mực nước triều cường sông Cái Bé.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Nghiên cứu ứng dụng cảm biến sợi quang (Fiber Bragg Grating - FBG) gắn chìm trong lõi bê tông để giám sát liên tục sức khỏe công trình (Structural Health Monitoring - SHM) theo thời gian thực.
  • Ứng dụng bê tông tính năng siêu cao (UHPC) với cường độ nén $f'_c > 120\text{ MPa}$ thay thế C50 nhằm giảm đường kính ống vòm xuống $\phi 600\text{ mm}$, nâng cao tỷ lệ vượt nhịp lên trên $120\text{m}$.

Đối tượng hưởng lợi

+------------------------------------------------------------------------------------+
|                         LỢI ÍCH CỦA CÁC BÊN LIÊN QUAN                              |
+--------------------+---------------------------------------------------------------+
| Đối tượng          | Lợi ích định lượng và giá trị kỹ thuật thực tế               |
+--------------------+---------------------------------------------------------------+
| Sinh viên & Kỹ sư  | Bộ số liệu tính toán chi tiết, quy trình mô hình hóa          |
| mới tốt nghiệp     | Midas Civil 2019, phương pháp lập bảng tính Excel kiểm toán   |
|                    | mặt cắt liên hợp theo TCVN 11823-2017 và CECS 28-90.          |
+--------------------+---------------------------------------------------------------+
| Đơn vị tư vấn      | Cẩm nang thiết kế cầu vòm ống thép nhồi bê tông khẩu độ       |
| thiết kế           | trung bình (50-100m) trên nền đất yếu không có trụ giữa sông. |
+--------------------+---------------------------------------------------------------+
| Nhà thầu xây lắp   | Biện pháp tổ chức thi công chi tiết 12 bước với giải pháp căng|
|                    | kéo cáp nhiều đợt kiểm soát độ vồng camber chính xác.         |
+--------------------+---------------------------------------------------------------+
| Cơ quan quản lý    | Tiết kiệm 10% tổng chi phí đầu tư vòng đời dự án; đảm bảo     |
| giao thông địa phương| an toàn luồng hàng hải, tạo điểm nhấn cảnh quan đô thị.     |
+--------------------+---------------------------------------------------------------+

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật đối với bê tông nhồi trong lòng ống thép là gì?

Bê tông phải đạt mác thiết kế C50 ($f'c = 50\text{ MPa}$ ở 28 ngày tuổi), độ sụt hình nón chảy đạt tiêu chuẩn tự lèn (Slump flow từ $600 - 650\text{ mm}$), kích thước cốt liệu lớn nhất $D{max} \le 15\text{ mm}$ và sử dụng phụ gia trương nở gốc canxi sulfoaluminate với độ trương nở tự do $0.02 - 0.04%$ nhằm triệt tiêu hoàn toàn độ co ngót ngót khô bên trong ống thép.

2. Làm thế nào để kiểm soát biến dạng và độ võng của vành vòm trong quá trình thi công?

Biến dạng được kiểm soát bằng quy trình căng kéo phân kỳ 10 giai đoạn của hệ thống cáp giằng chân vòm kết hợp quan trắc trắc đạc quang học độ chính xác cao. Độ vồng thi công (Camber) được cộng dồn trước vào sơ đồ gia công vành vòm tại nhà máy để sau khi hoàn thành toàn bộ tĩnh tải và từ biến co ngót, cao trình mặt cầu đạt đúng thiết kế.

3. Giải pháp nào đảm bảo chống ăn mòn cho cáp giằng chân vòm khi đặt sát mực nước sông Cái Bé?

Các tao cáp $15.2\text{ mm}$ được bọc lớp keo Epoxy đơn lẻ từng sợi, luồn trong ống nhựa HDPE đùn kép chuyên dụng, sau đó đặt trong hộp bảo vệ bằng bê tông cốt thép đổ liền khối gắn vào dầm dọc biên nhằm ngăn cách tuyệt đối với môi trường nước nhiễm mặn.

4. Tại sao lại chọn tiết diện dạng số 8 thay vì tiết diện ống đơn hoặc dạng giàn 4 ống?

Đối với khẩu độ nhịp $75\text{m}$, tiết diện số 8 ($2 \times \phi 900\text{ mm}$) đảm bảo độ cứng chống uốn lớn trong mặt phẳng vòm ($I_x = 0.5425\text{ m}^4$) mà không làm tăng quá mức diện tích chịu gió như vòm giàn 4 ống, đồng thời cấu tạo đơn giản, giảm 40% mối hàn nối so với kết cấu giàn không gian.

5. Chi phí bảo trì công trình định kỳ bao gồm những hạng mục nào?

Chi phí bảo trì định kỳ tập trung vào: sơn dặm lại lớp trang trí ngoài sau mỗi 8 năm, thay thế gối cầu chậu cao su sau 25-30 năm, kiểm tra lực căng trong cáp giằng và thanh treo định kỳ 2 năm/lần bằng phương pháp đo tần số dao động vi sai cảm ứng từ.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế cầu vòm ống thép nhồi bê tông vượt sông Cái Bé, tỉnh Kiên Giang" của sinh viên Lâm Khả Kỳ (GVHD: TS. Nguyễn Duy Liêm) là một công trình nghiên cứu ứng dụng toàn diện, kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết cơ học kết cấu công trình giao thông hiện đại và điều kiện thi công thực tế tại miền Tây Nam Bộ. Bằng việc làm chủ công nghệ kết cấu liên hợp thép - bê tông tiên tiến, ứng dụng các phần mềm chuyên sâu Midas Civil, ANSYS, spColumn và tuân thủ hệ thống tiêu chuẩn TCVN 11823-2017, đồ án đã chứng minh tính khả thi kỹ thuật vượt trội, hiệu quả kinh tế rõ nét và giá trị thẩm mỹ cao. Đây là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho kỹ sư công trình giao thông và các cơ quan quản lý hạ tầng khu vực Đồng bằng sông Cửu Long.