CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về các giải pháp kĩ thuật với kết cấu nhịp cho cầu dân sinh trên thế giới Trên thế giới, việc phát triển hệ thống hạ tầng giao thông cho các vùng xa xôi luôn là công việc thường xuyên và liên tục đối với tất cả các quốc gia, ngay cả đối với các nước phát triển hàng đầu thế giới như Mỹ, Anh, Pháp [1-6]. Việc thiết kế và thi công công trình cầu nói riêng và hệ thống giao thông cho các khu vực này luôn mang tính đặc thù và gặp nhiều khó khăn tương tự như ở Việt Nam như điều kiện địa hình, thủy văn, cũng như hệ thống giao thông phục vụ vận chuyển các cấu kiện và vật liệu trong quá trình xây dựng. Hiện nay các nước trên thế giới đều xây dựng các hồ sơ thiết kế cầu có tính điển hình để áp dụng tùy theo các điều kiện thực tế yêu cầu, để tiến kiệm chi phí thiết kế, giảm thời gian triển khai dự án, các cầu dân sinh cho các vùng có điều kiện tương đồng về tự nhiên như địa hình, địa chất, thủy văn, yêu cầu tải trọng.có thể sử dụng chung một kiểu kết cấu định hình hoặc có thể điều chỉnh dựa trên định hình để tối ưu hóa. Ví dụ, ở Mỹ, ngay từ năm 1984, hơn 3400 cầu và cống đã được xây dựng theo một số định hình thiết kế và thi công; một số dạng kết cấu sử dụng phổ biến như dầm bê tông bản, dầm I, hay kết cấu thép dạng dầm và dàn, các kết cấu dầm lắp ghép kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ được ưu tiên sử dụng phổ biến cho các vùng núi và các khu vực điều kiện tự nhiên khó khăn [7, 8].
Trước đó, các cầu dân sinh có lịch sử phát triển lâu đời, các cầu đầu tiên được làm từ vật liệu cổ xưa nhất là đá, đây là loại cầu đơn giản nhất, được coi là một trong những loại cầu đi bộ sớm nhất. Những người thời kỳ đồ đá mới cũng đã xây dựng một hình thức đi bộ trên đầm lầy, trong đó “Đường mòn ngọt ngào” và “Đường đua” là những ví dụ cầu đá ở Anh, có niên đại khoảng 6000 năm [9, 10]. Các dân tộc cổ đại nhiều nơi trên thế giới cũng đã sử dụng những cây cầu gỗ tự nhiên hoặc đặt qua suối. Một số cây cầu nhân tạo đầu tiên có nhịp đáng kể có lẽ là những cây bị cố uốn, nắn cành theo ý muốn con người.
Trong số những cây cầu gỗ lâu đời nhất là Holzbrücke Rapperswil-Hurden bắc qua hồ Zürich ở Thụy Sĩ; các cọc gỗ thời tiền sử được phát hiện ở phía tây của Seedamm có từ. Cây cầu gỗ đầu tiên dẫn qua hồ Zürich, sau đó là một số công trình tái tạo ít nhất là cho đến cuối thế kỷ thứ 2 sau Công nguyên, khi Đế chế La Mã xây dựng một cây cầu gỗ rộng 6 mét (20 ft). Các vật liệu ngày nay dùng cho cầu dân sinh nói riêng và cầu nói chung rất phong phú đa dạng, theo sự phát triển của công nghệ vật liệu. Ngoài các vật liệu phổ biến được sử dụng cho kết cấu công trình nói chung như bê tông, sắt thép, hợp kim, các vật liệu mới như composite, vật liệu liên hợp khác đã được sử dụng ngày càng nhiều.
Kết cấu dùng cho cầu dân sinh trên thế giới cũng được áp dụng nhiều dạng để phù hợp với từng điều kiện cụ thể về tải trọng yêu cầu, điều kiện địa chất, thủy văn, địa hình cũng như khả Lớp: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông K25.2 Trang: 1 HVTH: Bùi Tá Pháp năng thi công và giá thành của từng vùng, từng quốc gia. Ngoài các kết cấu phổ biến cho cầu dân sinh như cầu vòm, cầu dầm (hình 1.1); các dạng kết cấu mới cũng được sử dụng ngày càng nhiều do có nhiều ưu điểm như tính kinh tế, mỹ quan, khả năng vượt khẩu độ nhịp lớn, trong đó cầu treo dây võng, cầu treo dây văng, cầu khung, đặc biệt là các dạng kết cấu lai cũng được áp dụng ngày càng rộng rãi trên thế giới, nhất là ở các nước phát triển như Mỹ, Châu Âu, Úc,… Hình 1. Một số dạng kết cấu nhịp cầu dân sinh phổ biến trên thế giới: a) cầu dầm, b)cầu dàn; c) cầu treo; d) cầu vòm 1.2 Tổng quan về các giải pháp kĩ thuật với kết cấu nhịp cho cầu dân sinh ở Việt Nam Hiện tại việc phát triển hệ thống giao thông nông thôn, trong đó có cầu dân sinh ở Việt Nam đã nhận được quan tâm lớn của các cơ quan quản lý nhà nước, các đơn vị thiết kế và các nhà thầu xây lắp. Bộ GTVT cũng đã có nhiều văn bản pháp lý hướng dẫn, quản lý và kiểm soát công tác thiết kế, thi công và nghiệm thu trong quá trình đầu tư các dự án trên địa bàn miền núi phía bắc [12-16].
Một số dự án lướn đã được thực hiện nhằm phát triển cả về công tác khảo sát, thiết kế, thi công và duy tu bảo dưỡng cho các cầu giao thông nông thôn phù hợp với điều kiện tự nhiên và kinh tế trên địa bàn giao thông nông thôn và miền núi. Trong đó phải kể đến các dự án lớn bao gồm: dự án phát triển cầu giao thông nông thôn theo chương trình 135 [12]; dự án triển khai xây dựng cầu treo dân sinh (giai đoạn 1:187 cầu, giai đoạn 2: Lớp: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông K25.2 Trang: 2 HVTH: Bùi Tá Pháp 2500 cầu) cho các địa bàn vùng sâu, vùng xa, dân tốc thiểu số trên miền núi phía Bắc (hình 1. + Các giải pháp kĩ thuật cho kết cấu nhịp đạt được trong chương trình 135: Chương trình 135 là chương trình phát triển kinh tế xã hội các xã đặc biệt khó khăn vùng dân tộc thiểu số và miền núi là một trong các chương trình xóa đói giảm nghèo triển khai từ năm 1997 [12]; chương trình 135 gồm 3 giai đoạn: Giai đoạn I : 1997-2006; Giai đoạn II : 2006-2010; Giai đoạn III: gồm 2 giai đoạn 2011 - 2015 và 2016 - 2020 Giai đoạn III chương trình 135 từ 2016 đến 2020 là dự án 2 thuộc chương trình mục tiêu quốc gia giảm nghèo bền vững giai đoạn 2016 -2020 có tiểu dự án 1 là “ Hỗ trợ đầu tư cơ sở hạ tầng cho các xã đặc biệt khó khăn, xã biên giới, xã an toàn khu, các thôn, bản đặc biệt khó khăn” Sau 20 năm thực hiện, chương trình 135 đã đạt được những thành tựu vô cùng lớn lao. Trong đó đã đề xuất, phát triển nhiều dạng kết cấu nhịp phù hợp với giao thông nông thôn ở Việt Nam, điển hình như: - Dạng cầu bản BTCT: thiết kế với tải trọng 0,65HL93; khổ cầu theo khổ đường yêu cầu; dầm bản đổ tại chỗ mác bê tong 300; mặt cầu bằng bê tông xi măng và lưới thép…dạng kết cấu trên cho thấy ưu điểm của nó là cấu tạo, thiết kế đơn giản, thi công thuận tiện, có thể sử dụng nhiều khối lượng thi công thủ công; độ bền cao, chi phí duy tu, bảo dưỡng ko đáng kể, và phù hợp với phần lớn tải trọng thiết kế yêu cầu trên các tuyến giao thông nông thôn (hình.
Một số dạng kết cấu nhịp cầu dân sinh phổ biến trên thế giới: - Dạng cầu treo: Các loại khổ cầu là 1.5m; 2m và 2,5m; Mặt cầu được làm các dầm và ván gỗ thích hợp với các vùng có vật liệu gỗ làm mặt cầu, thi công đơn giản; Các cáp chủ truyền tải trọng từ mặt cầu về mố neo ở hai đầu cầu. Các mố neo có thể không cùng cao độ; Dây treo thẳng đứng đỡ bản mặt cầu có chiều dài không đổi dọc theo chiều dài cầu; Các trụ tháp có thể được đặt ở các cao độ khác nhau; Các nhịp cầu lớn Lớp: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông K25.2 Trang: 3 HVTH: Bùi Tá Pháp hơn 50 m có thể yêu cầu bố trí dây neo chống gió nếu cần thiết. - Đường ngầm, đường tràn, cầu tràn: Bề rộng đường ngầm và đường tràn rộng hơn bề rộng thiết kế nền đường 1,0 m; Đường lên xuống phải có biển báo hiệu và cọc tiêu ở 2 bên đường. Cọc tiêu cao 0,5m và cách nhau 3m một cọc.
Mặt đường ngầm và đường tràn phải lát đá to hoặc dùng bê tông. Mái dốc nền đường thượng lưu dùng 1:2, hạ lưu dùng từ 1:3 đến 1:5. Chân mái dốc nền đường hạ lưu phải bỏ đá to hoặc rọ đá để chống xói. + Các giải pháp kĩ thuật kết cấu nhịp trong chương trình xây dựng 186 cầu treo dân sinh: Đề án 186 là giai đoạn đầu tư bước 1 của “Chương trình xây dựng cầu dân sinh đảm bảo an toàn giao thông vùng dân tộc thiểu số giai đoạn 2014 – 2020”.
Giai đoạn 1 (2014-2015) : Đầu tư xây dựng 186 cầu treo dân sinh đảm bảo an toàn giao thông trên phạm vi 28 tỉnh miền núi phía Bắc, miền Trung và Tây Nguyên nhằm đáp ứng nhanh nhu cầu cấp thiết về đi lại và phát triển kinh tế - xã hội, góp phần xóa đói giảm nghèo cho đồng bào dân tộc thiểu số. Toàn bộ 186 cầu treo đã được triển khai thi công và cơ bản hoàn thành vào Quý 4 năm 2015.Trong đó được thực hiện ở 13 tỉnh miền núi phía Bắc, với số lượng thực tế là 87 cầu đã được xây dựng [13-15 ]. Cầu treo dân sinh Lai Hà, qua sông Nậm La, Mường Tè, Lai Châu Giai pháp kĩ thuật cho dạng cầu này được thực hiện với nhiều chiều dài nhịp khác nhau để phù hợp với điều kiện địa hình khác nhau, trong đó chiều dài định hình thiết kế bao gồm từ 40m; 50m; 60m; 70m; 80m; 90m; 100m; 110m và 120m. Chiều rộng cầu được thiết kế cho 2 loại định hình là 1,5m và 2,0m.
Vật liệu chính của kết cấu bao gồm: cáp treo được làm bằng cáp DUL; trụ tháp bằng thép, các trụ tháp thông thường có dạng cổng với các giằng ngang để giữ ổn định. Trong một số trường hợp tháp cầu có thể được làm bằng bê tông cốt thép hoặc thép hình; bản mặt cầu bằng thép chống trượt mạ kẽm; Các nhịp cầu lớn hơn 50 m có thể yêu cầu bố trí dây neo chống gió nếu cần thiết. Với các dạng kết cấu Lớp: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông K25.2 Trang: 4 HVTH: Bùi Tá Pháp nhịp định hình cầu treo như trên đã đáp ứng được cơ bản các yêu cầu về khẩu độ vượt nhịp lớn trong điều kiện địa hình, thủy phức tạp của vùng núi phía bắc. Trong các trường hợp không cho phép đặt trụ cầu do ảnh hưởng lớn của tác động dòng chảy, hoặc điều kiện thi công khó khăn.