Tổng quan nghiên cứu

Theo báo cáo của Tổng cục Đường bộ Việt Nam, mạng lưới giao thông đường bộ cả nước có hơn 1.672 cây cầu đang trong tình trạng lạc hậu về công năng khai thác, trong đó có 566 công trình được xếp loại cầu yếu cần sửa chữa hoặc nâng cấp khẩn cấp. Riêng tại địa bàn tỉnh Quảng Ngãi, thống kê trên các tuyến Quốc lộ 24, 24B và 24C ghi nhận 135 công trình cầu, với hơn 66% số lượng cầu được xây dựng từ những năm 1980 đến 1990. Trong đó, cầu Sông Re II tọa lạc tại lý trình Km54+802 trên tuyến huyết mạch Quốc lộ 24 thuộc huyện Ba Tơ, tỉnh Quảng Ngãi, giữ vai trò kết nối giao thương then chốt giữa vùng duyên hải miền Trung và Tây Nguyên.

Công trình cầu Sông Re II được đưa vào vận hành từ năm 1994 theo quy trình thiết kế cũ 22TCN 18-79 với tải trọng thiết kế giới hạn ở mức H13, X60 và tải trọng người đi bộ 300 kg/m2. Sau hơn hai thập kỷ chịu tác động của lưu lượng phương tiện vận tải nặng ngày càng gia tăng cùng điều kiện thời tiết khắc nghiệt, kết cấu nhịp đã xuất hiện nhiều vết nứt chịu uốn và nứt xiên, độ võng dầm tăng cao, không còn đáp ứng được tiêu chuẩn tải trọng khai thác hiện đại HL93.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là đánh giá hiện trạng chịu lực thực tế của công trình, xây dựng mô hình tính toán kiểm toán kết cấu dầm bê tông cốt thép theo các trạng thái giới hạn, từ đó đề xuất giải pháp kỹ thuật tối ưu sử dụng hệ cáp dự ứng lực căng ngoài. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào toàn bộ kết cấu phần trên gồm 6 nhịp dầm giản đơn bê tông cốt thép chữ T dài 21m, tổng chiều dài cầu 126m và bề rộng mặt cầu 5,6m. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa kinh tế kỹ thuật to lớn khi giúp khôi phục sức kháng uốn và kháng cắt của dầm chủ, kéo dài tuổi thọ khai thác công trình thêm 25 đến 30 năm và tiết kiệm hơn 60% chi phí so với phương án đập bỏ xây mới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên lý thuyết bê tông cốt thép ứng suất trước kinh điển do kỹ sư người Pháp Eugène Freyssinet đề xướng từ năm 1926. Nguyên lý nền tảng là việc chủ động tạo ra một trạng thái ứng suất nén trước trong vùng bê tông chịu kéo nhằm triệt tiêu hoặc giảm thiểu đáng kể ứng suất kéo phát sinh do ngoại tải trong quá trình khai thác, từ đó ngăn chặn hiện tượng nứt và tăng độ cứng tổng thể của cấu kiện.

Bên cạnh đó, đề tài vận dụng lý thuyết trạng thái giới hạn theo tiêu chuẩn thiết kế cầu hiện đại để kiểm toán dầm chủ ở hai trạng thái cơ bản: Trạng thái giới hạn cường độ I nhằm đảm bảo an toàn chịu lực chống phá hoại do uốn và cắt; Trạng thái giới hạn sử dụng nhằm kiểm soát nứt và ứng suất nén kéo trong thớ biên bê tông. Các khái niệm then chốt bao gồm: cáp dự ứng lực ngoài không dính bám, hiệu ứng đẩy không tại điểm chuyển hướng, độ lệch tâm của tuyến cáp, và các tổn thất ứng suất đàn hồi theo thời gian như mất mát do ma sát với hệ số lắc K = 6,60 x 10^-7 (1/mm), hệ số ma sát uốn cong µ = 0,25 (1/rad), cùng độ tự chùng cốt thép 2,5% sau 1.000 giờ ở nhiệt độ 20 độ C.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu được thu thập trực tiếp từ hồ sơ thiết kế hoàn công năm 1994, kết hợp với đợt khảo sát kiểm định hiện trường toàn diện. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ 24 phiến dầm chủ bê tông cốt thép chữ T (chiều cao 1200mm, chiều dày bản cánh 100mm, bề rộng sườn dầm 200mm) và 48 dầm ngang phân bổ trên 6 nhịp cầu dài 21m. Phương pháp chọn mẫu là khảo sát toàn bộ đối tượng nhằm loại bỏ sai số thống kê, ghi nhận chính xác vị trí vết nứt, độ võng tích lũy và đo đạc sự suy giảm cường độ chịu nén của bê tông do hiện tượng lão hóa từ 35 MPa xuống mức 30 MPa.

Phương pháp phân tích nội lực sử dụng phương pháp đường ảnh hưởng kết hợp phương pháp đòn bẩy để xác định chính xác hệ số phân bố ngang của hoạt tải xe thiết kế HL93 và tải trọng người đi bộ lên từng phiến dầm. Lý do lựa chọn tổ hợp phương pháp giải tích này là tính chuẩn xác cao trong việc mô phỏng ứng xử tĩnh học của kết cấu nhịp dầm giản đơn, cho phép bóc tách chi tiết các thành phần mômen uốn và lực cắt tại các tiết diện xung yếu từ mặt cắt gối, L/8, L/4, 3L/8 đến giữa nhịp L/2.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích kiểm toán trước gia cường cho thấy dưới tác dụng của tổ hợp tải trọng HL93, sức kháng uốn danh định của tiết diện dầm chữ T hiện hữu không đạt yêu cầu ở trạng thái giới hạn cường độ I. Ứng suất kéo ở thớ đáy bê tông tại mặt cắt giữa nhịp vượt quá giới hạn kéo cho phép, gây ra các vết nứt thẳng đứng lan rộng với bề rộng khe nứt đo được ngoài hiện trường từ 0,2mm đến 0,5mm.

Sau khi tính toán bổ sung hệ thống gồm 2 bó cáp dự ứng lực căng ngoài bố trí dạng tuyến gãy khúc đối xứng dọc hai bên sườn dầm, sức kháng uốn danh định của dầm tăng lên vượt bậc, đáp ứng hoàn toàn điều kiện an toàn với hệ số sức kháng uốn quy định bằng 0,9.

Ở trạng thái giới hạn sử dụng, ứng suất nén trước do cáp ngoài truyền vào dầm thông qua các vấu neo đầu dầm đã triệt tiêu hoàn toàn ứng suất kéo phát sinh do tĩnh tải giai đoạn 1, tĩnh tải giai đoạn 2 và hoạt tải xe cộ. Ứng suất nén lớn nhất ở thớ trên bê tông duy trì ở mức an toàn dưới 18 MPa, thấp hơn nhiều so với ngưỡng giới hạn nén cho phép đối với bê tông mác 30 MPa.

Ngoài ra, tuyến cáp gãy khúc đi qua các vấu chuyển hướng tạo ra thành phần lực kích nâng thẳng hướng lên trên, giúp san sẻ và giảm tải từ 18% đến 22% lực cắt tính toán tại các mặt cắt gần gối dầm, triệt tiêu nguy cơ phát triển của các vết nứt xiên nguy hiểm.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả vượt trội của phương pháp dự ứng lực ngoài xuất phát từ khả năng tạo ra độ lệch tâm lớn của tuyến cáp mà không bị giới hạn bởi kích thước sườn dầm cũ. Đường cáp gãy khúc bám sát đường bao mômen uốn ngoại lực, giúp tối ưu hóa biểu đồ nội lực ngược chiều.

Khi so sánh với phương pháp tăng cường tiết diện bê tông truyền thống, giải pháp căng cáp ngoài không làm gia tăng đáng kể tĩnh tải bản thân dầm (vốn chiếm tỷ trọng lớn trong dầm BTCT), đồng thời loại bỏ hoàn toàn rủi ro bong tách mặt trượt giữa hai lớp bê tông cũ và mới. So với giải pháp dán tấm composite sợi carbon (CFRP) có giá thành vật liệu sợi đắt hơn từ 5 đến 7 lần so với sợi thủy tinh thông thường và dễ bị suy giảm độ dính bám của lớp keo epoxy (cường độ kéo từ 30 MPa trở lên) dưới bức xạ nhiệt mặt trời, cáp ngoài mang lại độ bền cơ học cao hơn hẳn.

Các kết quả tính toán phân tích trong nghiên cứu có thể được trực quan hóa mạch lạc thông qua biểu đồ bao mômen uốn tổng cộng và biểu đồ bao lực cắt dọc chiều dài nhịp 21m. Bảng đối chuẩn ứng suất thớ biên trước và sau khi trừ tổng mất mát ứng suất (bao gồm mất mát do ma sát vấu chuyển hướng, tụt nêm neo và chùng ứng suất cốt thép) cung cấp bằng chứng định lượng rõ ràng cho thấy khả năng làm việc đàn hồi ổn định của dầm sau gia cường.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả giải tích và kiểm toán thực tế tại cầu Sông Re II, nghiên cứu đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao:

  1. Khôi phục độ liền khối bê tông: Tiến hành xử lý triệt để các vết nứt hiện hữu bằng công nghệ bơm keo Epoxy chuyên dụng với áp suất bơm kiểm soát dưới 0,1 MPa trước khi tạo lực căng, nhằm phục hồi khả năng truyền ứng suất đồng đều cho dầm chủ.
  2. Chuẩn hóa cấu tạo vấu neo và chuyển hướng: Chế tạo các vấu neo và vấu chuyển hướng bằng bê tông cốt thép đổ tại chỗ hoặc kết cấu thép định hình gắn chặt vào thân dầm thông qua hệ thống thanh căng cường độ cao mạ kẽm (thanh ren Macalloy hoặc HLE), bảo đảm liên kết ngàm tuyệt đối không phát sinh trượt cục bộ.
  3. Bảo vệ chống ăn mòn đa tầng: Sử dụng cáp tao thép cường độ cao đặt trong ống bọc nhựa polyetylen tỷ trọng cao (PEHD) liên tục, kết hợp bơm vữa xi măng không co ngót lấp đầy lòng ống với thời gian thi công dưới 30 phút cho mỗi đoạn cáp nhằm ngăn chặn triệt để hiện tượng gỉ sét do môi trường xâm thực.
  4. Giám sát và bảo trì theo chu kỳ: Đơn vị quản lý đường bộ cần thực hiện đo kiểm lực căng cáp và chuyển vị đầu neo định kỳ 6 tháng một lần trong 2 năm đầu khai thác, duy trì tổng mất mát ứng suất dài hạn không vượt quá ngưỡng 15% để đảm bảo an toàn tuyệt đối cho công trình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

  1. Kỹ sư thiết kế và thẩm tra công trình cầu: Tiếp cận bộ quy trình tính toán, công thức kiểm toán dầm bê tông cốt thép gia cường bằng cáp ngoài theo tiêu chuẩn tải trọng HL93, hỗ trợ xử lý nhanh các dự án nâng cấp cầu cũ.
  2. Cơ quan quản lý nhà nước và ban quản lý dự án (PMU): Cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật, phê duyệt phương án gia cố cầu yếu thay thế cho giải pháp xây mới tốn kém ngân sách.
  3. Nhà thầu thi công hạ tầng giao thông: Nắm bắt quy trình công nghệ thi công chi tiết từ khâu định vị kích thước hình học, khoan cấy bu lông neo, luồn cáp đến kỹ thuật kích kéo trong không gian chật hẹp.
  4. Học viên cao học, giảng viên và sinh viên ngành Công trình Giao thông: Nguồn tài liệu tham khảo học thuật chất lượng cao về ứng dụng lý thuyết kết cấu dự ứng lực trong giải quyết bài toán kiểm định và sửa chữa công trình thực tế.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao phương pháp cáp dự ứng lực ngoài lại tối ưu hơn dán tấm sợi carbon đối với cầu dầm T dài 21m? Cáp dự ứng lực ngoài trực tiếp tạo lực nén chủ động bù đắp lượng mômen uốn thiếu hụt lớn cho nhịp 21m. Ngược lại, tấm sợi carbon chỉ làm việc thụ động khi bê tông đã biến dạng võng, giá thành vật liệu sợi đắt gấp 5 đến 7 lần sợi thủy tinh thông thường và dễ bị bong tróc lớp keo kết dính khi nhiệt độ mặt cầu tăng cao vào mùa khô miền Trung.

Quá trình thi công gia cường bằng hệ cáp ngoài có bắt buộc phải cấm hoàn toàn giao thông qua cầu không? Phương pháp này không đòi hỏi cấm đường hoàn toàn vì toàn bộ công tác lắp vấu neo, luồn ống dẫn PEHD và kích kéo cáp đều tiến hành ở mặt đáy và sườn dầm phía dưới cầu. Đơn vị thi công chỉ cần phân luồng hạn chế xe tải nặng lưu thông trong khung giờ đêm từ 19 giờ đến 5 giờ sáng khi tiến hành bơm keo trám vết nứt dầm.

Làm cách nào để hạn chế mất mát ứng suất do ma sát tại các điểm chuyển hướng của tuyến cáp gãy khúc? Kỹ sư thiết kế bố trí các ống thép uốn cong có bán kính lớn hơn ống PEHD từ 20mm đến 30mm đặt sẵn trong vấu chuyển hướng. Đồng thời, mặt trong của ống dẫn được bảo vệ bằng lớp mỡ chống gỉ bôi trơn chuyên dụng, giúp hệ số ma sát thực tế duy trì ở mức thấp khoảng 0,25 trên mỗi radian góc uốn.

Việc tính toán kiểm toán có xét đến sự suy giảm chất lượng vật liệu của cầu xây dựng từ năm 1994 không? Có, nghiên cứu đã chủ động chiết giảm cường độ chịu nén danh định của bê tông dầm từ 35 MPa thiết kế ban đầu xuống còn 30 MPa trong mô hình giải tích để phản ánh hiện tượng lão hóa vật liệu sau hơn hai thập kỷ khai thác, đảm bảo kết quả kiểm toán có độ tin cậy và hệ số an toàn cao nhất.

Hệ thống cáp dự ứng lực ngoài có độ bền khai thác bao lâu và việc thay thế cáp có khả thi không? Hệ cáp ngoài bọc nhựa PEHD bơm vữa xi măng có tuổi thọ thiết kế trên 30 năm tương đương công trình vĩnh cửu. Một ưu điểm nổi bật của công nghệ này là tính linh hoạt cao; trong trường hợp một tao cáp bị giảm ứng suất hoặc hư hỏng cơ học, đơn vị quản lý có thể xả kích và thay thế độc lập từng bó cáp mà không làm ảnh hưởng đến kết cấu dầm chính.

Kết luận

  • Luận văn đã đánh giá toàn diện hiện trạng suy thoái kết cấu của cầu Sông Re II tại Km54+802 trên tuyến Quốc lộ 24 sau hơn 24 năm khai thác liên tục.
  • Thiết lập thành công mô hình giải tích kiểm toán dầm chủ bê tông cốt thép chữ T khẩu độ 21m dưới tác dụng của đoàn tải trọng tiêu chuẩn HL93.
  • Chứng minh giải pháp tăng cường 2 bó cáp dự ứng lực ngoài dạng gãy khúc giúp khôi phục hoàn toàn khả năng chịu lực uốn và cắt ở trạng thái giới hạn cường độ I.
  • Triệt tiêu ứng suất kéo thớ đáy ở trạng thái giới hạn sử dụng, khép kín các vết nứt nguy hiểm và nâng cao độ cứng chống võng cho kết cấu nhịp.
  • Khẳng định tính khả thi vượt trội về mặt kỹ thuật, tiến độ thi công và hiệu quả kinh tế so với các phương pháp dán composite hoặc xây cầu mới.

Đóng góp lớn nhất của công trình là cung cấp một cẩm nang tính toán mẫu, giải pháp cấu tạo liên kết neo chuyển hướng chuẩn mực và quy trình công nghệ thi công dự ứng lực ngoài hoàn chỉnh cho các cầu dầm bê tông cốt thép nhịp vừa.

Lộ trình triển khai tiếp theo cần tập trung nhân rộng giải pháp này cho 135 cây cầu cũ trên địa bàn tỉnh Quảng Ngãi trong giai đoạn 2024 đến 2028, kết hợp xây dựng sổ tay bảo trì cáp ngoài định kỳ. Các kỹ sư, chuyên gia và đơn vị quản lý cầu đường hãy tham khảo và áp dụng ngay các công thức kiểm toán, thông số vật liệu và sơ đồ bố trí cáp chi tiết từ luận văn để tối ưu hóa công tác gia cường các công trình cầu yếu trên cả nước.