CHƯƠNG 1: NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG 1.1 KHÁI QUÁT VỀ CÔNG TRÌNH CẦU TRONG HỆ THỐNG CƠ SỞ HẠ TẦNG GIAO THÔNG Hệ thống cơ sở hạ tầng giao thông gồm các tuyến đường bộ, đường sắt, bến cảng, sân bay, hầm và các công trình trên đường khác. Các công trình cầu chiếm một vị trí đặc biệt vì nhiệm vụ của chúng cũng như vì vốn đầu tư ban đầu và chi phí bảo trì, khai thác hàng năm là rất lớn. Trong phạm vi các giáo trình cầu ở cấp Đại học đã giới thiêu những kiến thức cơ bản nhất về cầu. Nội dung Giáo trình này ở bậc Cao học sẽ tập trung vào các nội dung sâu hơn, mới hơn của công nghệ hiện đại xây dựng cầu.
Khái niệm về kết cấu và công nghệ cầu hiện đại liên quan đến các vấn đề: - Vẻ đẹp kiến trúc. - Tính hiện đại của kết cấu bên trên, của nền móng và vật liệu áp dụng. - Tính hiện đại của các công nghệ xây dựng, bảo trì cầu.2 CÁC PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG KỸ THUẬT CẦU HIỆN ĐẠI 1.1 PHƯƠNG HƯỚNG CHUNG Nói chung sự phát triển của công nghệ xây dựng cầu hiện đại có thể tóm tắt như sau: - Áp dụng các giải pháp công nghiệp hoá xây dựng, ưu tiên sử dụng các kết cấu chế tạo sẵn trong công xưởng, vận chuyển ra công trường bằng các thiết bị chuyên dụng và lắp ghép tại hiện trường bằng thiết bị hiện đại năng suất cao, an toàn.TS Nguyễn Ngọc Long, GS.TS Nguyễn Viết Trung Giáo trình Cao học - Cầu hiện đại, 2016 - Sử dụng các loại vật liệu mới có tính năng cao, cường độ cao phù hợp như: Thép tính năng cao, bê tông tính năng cao, vật liệu composite, v,v… - Áp dụng rộng rãi các thiết kế điển hình và thiết kế thống nhất hóa với hiệu quả và chất lượng cao. - Áp dụng kỹ thuật tính toán, lập bản vẽ, lập dự toán và quản lý thi công trong một hệ thống tích hợp, linh hoạt, đễ dàng hiệu chỉnh ngay trong quá trình thi công nhằm đạt hiệu quả cao nhất.
- Lựa chọn vật liệu và công nghệ thân thiện với môi trường, có tính phát triển bền vững. - Chú trọng hơn trước đây đến các yêu cầu về vẻ đẹp kiến trúc của công trình 1.2 PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN CẦU BTCT Các công nghệ sau đây đã được chú ý phát triển: - Công nghệ đúc hẫng. - Công nghệ dầm Super-T. - Công nghệ nối liên tục các nhịp dầm giản đơn.
- Công nghệ lắp hoặc đúc trên đà giáo di dộng. - Công nghệ kết cấu cầu hỗn hợp, kết cấu lai (hybrid bridge). - Cầu hộp BTCT có sườn thép lượn sóng. - Kết cấu BT cốt cứng (ví dụ Dầm Prebeam).
- Cầu dây văng có dầm cứng BTCT. - Cầu vòm ống thép nhồi bê tông 1.3 PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN CẦU THÉP Các công nghệ sau đây được chú ý phát triển: 3 PGS.TS Nguyễn Ngọc Long, GS.TS Nguyễn Viết Trung Giáo trình Cao học - Cầu hiện đại, 2016 - Kết cấu thép kiên hợp bản BTCT. - Dầm hộp thép liên tục. - Dầm Preflex-beam.
- Giàn thép không thanh đứng. - Kết cấu thép chịu thời tiết (không sơn). - Cầu dây võng và cầu dây văng có dầm cứng bằng thép.4 PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN CÁC LOẠI MÓNG SÂU CHO CẦU HIỆN ĐẠI Các công nghệ sau đây được chú ý phát triển: - Móng cọc khoan nhồi đường kính lớn, hạ sâu đến 120m. - Bơm vữa XM dưới chân cọc khoan nhồi.
- Móng cọc ống thép dạng giếng. - Móng cọc ống thép đường kính lớn. - Móng khoan thả cọc. - Các loại móng giếng chìm: + Giếng chìm chở nổi; + Giếng chìm hơi ép kiểu hiện đại.TS Nguyễn Ngọc Long, GS.TS Nguyễn Viết Trung Giáo trình Cao học - Cầu hiện đại, 2016 CHƯƠNG 2 KẾT CẤU VÀ CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG CẦU HIỆN ĐẠI 2.1 TỔNG QUAN Có nhiều dạng kết cấu và công nghệ mới đã được phát triển ứng dụng ở trên thế giới và ở Việt nam những năm qua.
Tuy nhiên trong tài liệu này chỉ trình bầy khái quát về các công nghệ mới phổ biến nhất và hiệu quả nhất đã áp dụng hoặc có triển vọng áp dụng ở Việt Nam.2 KẾT CẤU VÀ CÔNG NGHỆ CẦU BÊ TÔNG HIỆN ĐẠI Giới thiệu: Việc chế tạo KCN BTCT và BTCT DUL được tiến hành theo 2 phương pháp chủ yếu: - Phương pháp đúc sẵn trong công xưởng (hoặc tại công trường); - Phương pháp đổ bê tông tại chỗ. A/- Đối với kết cấu nhịp cầu được chế tạo theo phương pháp đổ bê tông tại chỗ, tuỳ theo khẩu độ nhịp, dạng sơ đồ kết cầu, điều kiện địa hình và địa chất công trình mà các nước trên thế giới có thể áp dụng các công nghệ thi công chủ yếu sau: - Công nghệ đổ bê tông tại chỗ trên đà giáo cố định; - Công nghệ đổ bê tông tại chỗ theo phương pháp đúc đẩy; - Công nghệ đổ bê tông tại chỗ trên đà giáo di động (MSS - Movable Scaffolding System); - Công nghệ đổ bê tông tại chỗ theo phương pháp đúc hẫng và lắp hẫng cân bằng.TS Nguyễn Ngọc Long, GS.TS Nguyễn Viết Trung Giáo trình Cao học - Cầu hiện đại, 2016 Bảng 2. Tóm tắt đặc điểm chủ yếu của các công nghệ Khẩu độ Sơ đồ kết Tĩnh không Yếu tố tự nhiên nhịp áp Công nghệ cấu áp dưới cầu khi ảnh hưởng đến dụng hợp dụng thi công công nghệ lý ( m ) Đổ bê tông tại chỗ Không đảm Địa hình, địa trên đà giáo cố ≤ 35 Giản đơn bảo chất, thuỷ văn định Đổ bê tông tại chỗ theo phương pháp 35 60 Liên tục Đảm bảo Địa chất đúc đẩy Đổ bê tông tại chỗ Giản đơn, trên đà giáo di 35 60 Đảm bảo - liên tục động Đổ bê tông tại chỗ theo phương pháp 60 200 Liên tục Đảm bảo - đúc hẫng & đúc hẫng cân bằng B/- Đối với kết cấu nhịp cầu được chế tạo theo phương pháp đúc sẵn-lắp ghép, tuỳ theo khẩu độ nhịp, dạng sơ đồ kết cầu, điều kiện địa hình và địa chất công trình mà ta có thể áp dụng các công nghệ thi công chủ yếu sau: - Đúc sẵn từng dầm nguyên dài bằng chiều dài nhịp rồi vận chuyển và lao lắp từng dầm, sau đó thực hiện các mối nối dọc cầu có cốt thép thường hoặc có cả cáp dự ứng lực. - Đúc sẵn các đốt dầm ngắn từ 2-5m ,rồi vận chuyển và lao lắp từng đốt dầm, sau đó thực hiện các mối nối ngang cầu có cáp dự ứng lực trong và dự ứng lực ngoài (phương pháp lắp phân đoạn).TS Nguyễn Ngọc Long, GS.TS Nguyễn Viết Trung Giáo trình Cao học - Cầu hiện đại, 2016 2.1 CẦU BÊ TÔNG HAI DẦM BIÊN (EDGE GIRDER CONCETE BRIDGE) 2.1 Giới thiệu chung Cũng như cầu Double-T, cầu bê tông hai dầm biên cũng là một dạng cầu cải tiến từ cầu dầm I cơ bản được phát triển nhằm tăng cường tính mỹ thuật, khả năng bảo dưỡng, tăng cường khả năng chịu lực.
Khi cầu liên tục có nhiều nhịp giống nhau, việc áp dụng phương pháp thi công bằng dàn giáo di động MSS sẽ rất hiệu quả. Bố trí chung dầm cầu có 2 dầm biên cải tiến Hình 2. Ý tưởng cải tiến từ dầm mặt cắt Double-T thành mặt cắt 2 dầm biên cải tiến Kết cấu cầu hai dầm biên là sự phát triển và điều chỉnh từ dạng kết cấu cầu Double –T. Hình dạng dầm có sự biến đổi kết hợp với sự mở rộng nhịp của bản mặt cầu tạo ra dạng cầu hai dầm biên.
Sườn biên cong sẽ làm tăng khả năng chống xoắn của mặt cắt đồng thời đảm bảo về điều kiện mỹ thuật. Khe hở ở vị trí bản cánh đáy dầm tạo điều kiện cho việc bảo dưỡng dễ dàng hơn. Sự lắp đặt cáp dự ứng lực trong cầu 2 dầm biên được đặt cả theo phương dọc và ngang cầu. Vị trí và lực căng trong cáp còn phụ thuộc vào các giai đoạn xây dựng, các mất 7 PGS.TS Nguyễn Ngọc Long, GS.TS Nguyễn Viết Trung Giáo trình Cao học - Cầu hiện đại, 2016 mát dự ứng suất.
Đặc biệt các cầu này khi áp dụng thi công theo phương pháp đúc trên đà giáo di động (MSS) thì các giả thuyết về từ biến, co ngót, sự phụ thuộc vào thời gian của bê tông cần được xem xét kỹ lưỡng và là yếu tố quan trọng khi thiết kế các giai đoạn xây dựng. Đặc tính chủ yếu Các đặc tính chủ yếu của kết cấu cầu hai dầm biên được đề cập tại hình vẽ dưới đây (hình 2. Các ưu điểm của kiểu dầm mới Cách bố trí các đường ống nước cũng có ý tưởng mới như hình 2. Xét về mặt khí động học, dạng mặt cắt ngang cầu mới cũng có nhiều ưu điểm thoát gió như minh họa trên hình 2.TS Nguyễn Ngọc Long, GS.TS Nguyễn Viết Trung Giáo trình Cao học - Cầu hiện đại, 2016 Hình 2.
Cách bố trí ống thoát nước Hình 2. Minh họa về ưu điểm khí có ý tưởng mới động học của mặt cắt kiểu mới Dạng mặt cắt này còn thuận tiện cho việc bố trí xe hoặc đường đi kiểm tra, duy tu cầu bên dưới dầm. Đối với cầu hai dầm biên liên tục nhiều nhịp cần nghiên cứu việc bố trí cáp dự ứng lực theo cả phương dọc và phương ngang cầu. Khi thiết kế dạng cầu này trong giai đoạn thi công cần xem xét các yếu tố như co ngót từ biến của bê tông và đặc biệt là sơ đồ kết cấu trong các giai đoạn.
Khi tính duyệt ứng suất trong thi công đảm bảo ứng suất nén của bê tông không vượt quá 98.9kg/cm2, ứng suất kéo trong bê tông là 17kg/cm2, nếu có xét đến có ngót và từ biến thì giá trị ứng suất nén không vượt quá 98. Khi thiết kế trong giai đoạn sử dụng cần xem xét đến tất cả các tải trọng có thể xảy ra như tĩnh tải, hoạt tải, co ngót từ biến, chuyển vị lún, nhiệt độ, gió và động đất đồng thời cũng cần xét đến trường hợp sử dụng hoạt tải đặc biệt là TANK, TRAILER. Bố trí cốt thép trong cầu hai dầm biên được minh họa trong hình vẽ sau (hình 2.TS Nguyễn Ngọc Long, GS.TS Nguyễn Viết Trung Giáo trình Cao học - Cầu hiện đại, 2016 Hình 2. Minh họa nguyên tắc đặt cốt thép 2.
Giải pháp thi công bằng đà giáo đẩy kiểu MSS hệ treo Công nghệ thi công bằng đà giáo đẩy kiểu MSS hệ treo được minh họa trong hình 2-6. Đối với các cầu liên tục nhiều nhịp và đi qua vùng có mực nước khống chế cao thì phương án thi công trên đà giáo di động kiểu chạy trên là phương án hợp lý và kinh tế nhất. Mô phỏng 3D công nghệ đà giáo đẩy MSS hệ treo ván khuôn đúc dầm 10 PGS.TS Nguyễn Ngọc Long, GS.