NGHIÊN CỨU ĐỘ VỒNG CHẾ TẠO DẦM “PRE- BEAM” VÀ GIẢI PHÁP LIÊN TỤC HÓA

Luận văn nghiên cứu độ vồng chế tạo dầm Pre-beam, giải pháp liên tục hóa trong xây dựng cầu. Tài liệu tham khảo hữu ích cho kỹ sư, sinh viên ngành xây dựng.

• Tác giả: Ngô Hoàng
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Thị Bích Thủy
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Xây dựng cầu, hầm
• Đề tài: Nghiên cứu độ vồng chế tạo của dầm “Pre-beam” nhịp giản đơn và giải pháp liên tục hóa
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• Tính cấp thiết của đề tài
• Mục tiêu nghiên cứu
• Đối tượng nghiên cứu
• Phạm vị nghiên cứu
• Phương pháp nghiên cứu
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Tổng quan về cầu dầm thép
• 1.1.1. Cầu dầm thép tiết diện hộp
• 1.1.2. Cầu dầm thép tiết diện chữ I
• 1.1.3. Dầm thép liên hợp uốn trước (Preflex girder)
• 1.2. Giới thiệu về cầu dầm “Pre- beam”
• 1.3. Cấu tạo dầm “Pre- beam”
• 1.4. Liên kết bản bê tông và dầm thép
• 1.5. Ưu, nhược điểm của cầu “Pre- beam”
• 1.6. Triển vọng áp dụng ở Việt Nam
• 2. CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ THI CÔNG
• 2.1. Vật liệu thép
• 2.2. Vật liệu bê tông
• 2.3. Các bước chế tạo dầm
• 2.3.1. Thi công trong xưởng
• 2.3.2. Thi công ngoài hiện trường
• 2.4. Thi công kích dầm đổ bê tông bản cánh dưới
• 2.4.1. Thi công từng dầm
• 2.4.2. Thi công 2 dầm cùng lúc
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU, XÁC ĐỊNH ĐỘ VỒNG CHẾ TẠO CỦA DẦM “PRE- BEAM” NHỊP GIẢN ĐƠN
• 3.1. Nguyên lý tính toán thiết kế
• 3.2. Tính toán, kiểm toán dầm Pre- beam
• 3.2.1. Lựa chọn số liệu tính toán
• 3.2.2. Tính toán các thông số cần thiết
• 3.2.3. Tính toán nội lực và ứng suất
• 3.2.4. Kiểm toán dầm ở TTGHCĐ
• 3.2.5. Kiểm toán độ võng của dầm ở TTGHSD
• 3.3. Khảo sát ứng suất khi thay đổi kích thước bản cánh dầm thép
• 3.3.1. Thay đổi chiều rộng bản cánh trên
• 3.3.2. Thay đổi chiều rộng bản cánh dưới
• 3.4. Lực kích dầm
• 3.4.1. Khảo sát lực kích dầm
• 3.5. Xác định độ vồng chế tạo trước
• 3.5.1. Thông số đầu vào, đặc trưng hình học
• 3.5.2. Tính toán các momen, ứng suất do tải trọng gây ra
• 3.5.3. Kiểm toán dầm ở TTGHCĐ
• 3.5.4. Kiểm toán độ võng của dầm ở TTGHSD
• 3.5.5. Xác định độ vồng chế tạo trước
• 4. CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP LIÊN TỤC HÓA DẦM “PRE- BEAM”
• 4.1. Mục đích thực hiện
• 4.2. Ưu điểm liên tục hóa dầm
• 4.3. Giải pháp thực hiện
• 4.3.1. Thi công trong xưởng
• 4.3.2. Thi công ngoài công trường
• 4.4. Nguyên lý tính toán
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Nghiên Cứu Độ Vồng Dầm Pre beam Tổng Quan Thiết Kế

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu độ vồng dầm pre-beam, một yếu tố then chốt trong thiết kế và thi công cầu. Mục tiêu là cung cấp các thông số đánh giá độ vồng và lực kích phù hợp, giúp kỹ sư có tài liệu tham khảo tin cậy. Kết cấu dầm pre-beam, với ưu điểm vượt trội về khả năng chịu lực, kinh tế và thẩm mỹ so với cầu thép liên hợp, đang ngày càng được ưu tiên sử dụng. Luận văn đi sâu vào phân tích, tính toán và đề xuất các giải pháp tối ưu hóa độ vồng dầm, đảm bảo an toàn và hiệu quả cho công trình. Dẫn chứng từ luận văn gốc cho thấy kết cấu cầu hiện hữu ở Việt Nam rất đa dạng, đặc biệt là kết cấu cầu thép liên hợp đang được ưu tiên sử dụng cho các cầu vượt nút giao thông trong thành phố.

1.1. Giới thiệu tổng quan về cầu dầm pre beam

Dầm Pre-Beam được phát triển chủ yếu ở Nhật Bản, là một loại kết cấu cầu tiên tiến, kết hợp ưu điểm của dầm thép và bê tông cốt thép. Dầm pre-beam có thể được hiểu là dầm liên hợp thép và bê tông hay dầm bê tông cốt thép hình được dự ứng lực nhờ công nghệ gia tải lên thép hình có độ vồng sẵn. Sự tiếp xúc đơn giản giữa bê tông và thép có được khi đổ bê tông không đủ để đảm bảo một sự dính kết tốt nhất giữa hai loại vật liệu. Cần phải bố trí các cốt thép thường để liên kết hai vật liệu này và đảm bảo sự liên kết chắc chắn giữa bê tông và thép.

1.2. Ưu điểm và nhược điểm của kết cấu dầm pre beam

Dầm Pre-beam có chiều cao dầm thấp hơn khoảng 30% so với dầm bê tông cốt thép dự ứng lực đang được sử dụng với cùng chiều dài nhịp, mỹ quan công trình được đảm bảo hơn do chiều cao kiến trúc thấp, hạn chế tiếng ồn gây ra môi trường. Bên cạnh đó kết cấu cũng có chi phí duy tu bảo dưỡng thấp do có thể dễ dàng bảo dưỡng và không cần phải sơn chống gỉ định kỳ cho dầm thép ở bên trong. Tuy nhiên, công nghệ thi công đòi hỏi phải sử dụng bê tông cường độ cao, thép cường độ cao, kích có lực ép lớn, trình độ thi công cao và quy trình giám sát thi công chặt chẽ.

II. Thách Thức Bài Toán Độ Vồng Phân Tích Chi Tiết

Trong quá trình thiết kế và thi công dầm pre-beam, bài toán độ vồng luôn là một thách thức lớn. Độ vồng không kiểm soát có thể dẫn đến các vấn đề về an toàn, thẩm mỹ và tuổi thọ công trình. Các yếu tố như vật liệu, phương pháp thi công, tải trọng và môi trường đều ảnh hưởng đến độ vồng dầm. Luận văn này đi sâu vào phân tích các yếu tố này, từ đó đưa ra các giải pháp kiểm soát và giảm thiểu độ vồng, đảm bảo chất lượng công trình. Theo nghiên cứu, việc kiểm soát độ vồng đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết tính toán chính xác và kinh nghiệm thực tiễn. Tính cấp thiết của đề tài thể hiện ở việc giải quyết các khó khăn về tĩnh không, tiếng ồn, giảm chi phí duy tu bảo dưỡng và đảm bảo mỹ quan đô thị.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ vồng dầm pre beam

Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến độ vồng của dầm pre-beam như chiều dài nhịp, ứng suất dầm, tải trọng và đặc biệt là ảnh hưởng của creep và shrinkage. Ảnh hưởng của creep và shrinkage là một yếu tố quan trọng và cần được xem xét kỹ lưỡng trong quá trình thiết kế. Ngoài ra, nhiệt độ và độ ẩm cũng có thể tác động đến độ vồng dầm.

2.2. Vấn đề kiểm soát độ vồng trong thi công cầu

Việc kiểm soát độ vồng dầm pre-beam trong quá trình thi công là một thách thức lớn, cần sự phối hợp chặt chẽ giữa các bên liên quan, bao gồm kỹ sư thiết kế, nhà thầu và đơn vị giám sát. Một số giải pháp có thể được áp dụng để kiểm soát độ vồng như sử dụng các phương pháp thi công tiên tiến, kiểm tra và điều chỉnh thường xuyên độ vồng trong quá trình thi công, và sử dụng các vật liệu có độ co ngót thấp.

III. Tính Toán Độ Vồng Dầm Hướng Dẫn Chi Tiết Dễ Áp Dụng

Luận văn cung cấp hướng dẫn tính toán độ vồng một cách chi tiết và dễ áp dụng. Các phương pháp tính toán được trình bày rõ ràng, đi kèm với ví dụ minh họa cụ thể. Ngoài ra, luận văn cũng giới thiệu các phần mềm hỗ trợ tính toán kết cấu cầu, giúp kỹ sư tiết kiệm thời gian và công sức. Việc tính toán độ vồng chính xác là yếu tố then chốt để đảm bảo an toàn và hiệu quả cho công trình. Luận văn nhấn mạnh tầm quan trọng của việc lựa chọn phương pháp tính toán phù hợp và sử dụng các công cụ hỗ trợ hiện đại. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu kết cấu dầm Prebeam nhịp giản đơn về độ vồng chế tạo dầm thép và giải pháp liên tục hóa.

3.1. Phương pháp mô hình tính toán dầm pre beam

Để có thể tính toán chính xác độ vồng của dầm, cần xây dựng mô hình tính toán dầm pre-beam phù hợp. Mô hình cần phải thể hiện được các đặc tính vật liệu, kích thước hình học và điều kiện biên của dầm. Các phương pháp mô hình hóa phổ biến bao gồm phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và phương pháp dầm.

3.2. Sử dụng phần mềm tính toán kết cấu cầu hiệu quả

Việc sử dụng phần mềm chuyên dụng có thể giúp kỹ sư tiết kiệm thời gian và công sức trong quá trình tính toán độ vồng. Có nhiều phần mềm tính toán kết cấu cầu phổ biến như SAP2000, Midas Civil, và LUSAS. Các phần mềm này cung cấp các công cụ mạnh mẽ để mô hình hóa, phân tích và thiết kế dầm pre-beam.

3.3. Kiểm toán độ võng của dầm ở TTGHSD

Việc kiểm toán độ võng của dầm ở trạng thái giới hạn sử dụng (TTGHSD) là bắt buộc để đảm bảo an toàn và hiệu quả cho công trình. Các tiêu chuẩn thiết kế cầu thường quy định các giới hạn độ võng cho phép. Kỹ sư cần đảm bảo rằng độ võng của dầm không vượt quá các giới hạn này.

IV. Giải Pháp Liên Tục Hóa Dầm Tối Ưu Kết Cấu Giảm Vồng

Luận văn nghiên cứu sâu về giải pháp liên tục hóa dầm pre-beam, một phương pháp hiệu quả để giảm độ vồng và tăng khả năng chịu lực của kết cấu. Bằng cách biến các dầm đơn giản thành dầm liên tục, giải pháp liên tục hóa giúp phân phối lại nội lực, giảm ứng suất và biến dạng trong dầm. Luận văn trình bày chi tiết các phương pháp liên tục hóa, ưu nhược điểm của từng phương pháp và các lưu ý khi áp dụng trong thực tế. Giải pháp liên tục hóa dầm Pre-beam mang lại nhiều ưu điểm như tăng khả năng chịu lực, giảm độ vồng, tăng tuổi thọ công trình và giảm chi phí bảo trì.

4.1. Ưu điểm của việc liên tục hóa dầm pre beam

Việc liên tục hóa dầm pre-beam mang lại nhiều ưu điểm như tăng khả năng chịu lực, giảm độ vồng, tăng tuổi thọ công trình và giảm chi phí bảo trì. Bên cạnh đó, giải pháp này còn giúp cải thiện tính thẩm mỹ của công trình.

4.2. Các phương pháp thực hiện liên tục hóa dầm

Có nhiều phương pháp thực hiện liên tục hóa dầm pre-beam, bao gồm liên kết bằng khớp nối, liên kết bằng bê tông đổ tại chỗ và liên kết bằng các loại vật liệu đặc biệt. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như yêu cầu thiết kế, điều kiện thi công và chi phí.

4.3. Nguyên lý tính toán giải pháp liên tục hóa dầm

Việc tính toán kết cấu dầm liên tục hóa đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về cơ học kết cấu và kinh nghiệm thực tế. Các phần mềm tính toán kết cấu chuyên dụng có thể giúp kỹ sư thực hiện công việc này một cách hiệu quả và chính xác.

V. Ứng Dụng Thực Tế Nghiên Cứu Thi Công Cầu Pre beam Liên Tục

Luận văn trình bày các ứng dụng thực tế của dầm pre-beam liên tục hóa trong các dự án thi công cầu cụ thể. Các dự án được phân tích kỹ lưỡng, từ giai đoạn thiết kế đến thi công và nghiệm thu. Các bài học kinh nghiệm được rút ra từ các dự án này có giá trị tham khảo cao cho các kỹ sư và nhà thầu trong ngành. Mục tiêu nghiên cứu là đưa ra các thông số đánh giá về độ vồng chế tạo và lực kích phù hợp làm tài liệu tham khảo trong quá trình thiết kế cũng như thi công.

5.1. Kinh nghiệm thi công dầm pre beam tại Việt Nam

Dầm Prebeam đã được đưa vào sử dụng cho các công trình cầu trên tuyến Nội Bài – Bắc Ninh (gồm 6 cầu với 106 dầm nhịp L = 33 ÷ 38m) và trên tuyến đường 5 kéo dài. Việc áp dụng dầm Pre- beam cho các tuyến đường sắt đô thị là rất khả thi, phù hợp các tiêu chuẩn của loại hình vận tải này.

5.2. Phân tích các dự án xây dựng cầu sử dụng dầm pre beam

Luận văn đi sâu vào phân tích các dự án sử dụng dầm pre-beam, từ đó rút ra các bài học kinh nghiệm và đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của việc sử dụng loại kết cấu này. Việc phân tích này giúp kỹ sư và nhà thầu có cái nhìn tổng quan về ưu nhược điểm của dầm pre-beam và đưa ra quyết định phù hợp.

5.3. Các vấn đề thường gặp trong thi công và giải pháp

Quá trình thi công dầm pre-beam có thể gặp nhiều vấn đề như sai số về kích thước, khó khăn trong việc kiểm soát độ vồng và đảm bảo chất lượng liên kết giữa bê tông và thép. Luận văn đưa ra các giải pháp khắc phục các vấn đề này, giúp đảm bảo chất lượng và tiến độ thi công.

VI. Kết Luận Hướng Nghiên Cứu Tương Lai Của Dầm Pre beam

Luận văn đã tổng kết các kết quả nghiên cứu về độ vồng dầm pre-beam và giải pháp liên tục hóa. Các kết quả này có giá trị tham khảo cao cho các kỹ sư và nhà thầu trong ngành. Luận văn cũng đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo để phát triển và hoàn thiện hơn nữa công nghệ dầm pre-beam, góp phần nâng cao chất lượng và hiệu quả của các công trình xây dựng cầu. Với những ưu điểm vượt trội, dầm pre-beam hứa hẹn sẽ là một giải pháp kết cấu hiệu quả và bền vững trong tương lai.

6.1. Đánh giá hiệu quả của giải pháp liên tục hóa dầm

Luận văn đánh giá hiệu quả của giải pháp liên tục hóa dầm pre-beam dựa trên các tiêu chí như khả năng chịu lực, độ vồng, tuổi thọ công trình và chi phí bảo trì. Kết quả cho thấy giải pháp này mang lại hiệu quả cao và có thể được áp dụng rộng rãi trong thực tế.

6.2. Các hướng nghiên cứu tiếp theo về dầm pre beam

Luận văn đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo như nghiên cứu về vật liệu mới, phương pháp thi công tiên tiến và các giải pháp thiết kế tối ưu. Các nghiên cứu này sẽ góp phần nâng cao hiệu quả và tính cạnh tranh của dầm pre-beam.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Quá trình đô thị hóa nhanh chóng tại các đô thị lớn như Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh đang tạo ra áp lực giao thông khổng lồ, khiến tình trạng ùn tắc tại các nút giao trọng điểm vào giờ cao điểm diễn ra thường xuyên. Giải pháp xây dựng cầu vượt thép liên hợp bản bê tông cốt thép đã giải quyết nhanh chóng bài toán mặt bằng nhờ kết cấu thanh mảnh và tốc độ thi công nhanh. Tuy nhiên, kết cấu thép truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế về chi phí bảo dưỡng định kỳ, nguy cơ ăn mòn gỉ sét, tiếng ồn khi phương tiện lưu thông và ảnh hưởng mỹ quan đô thị.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Xây dựng cầu, hầm của tác giả Ngô Hoàng thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh tập trung giải quyết bài toán tối ưu hóa kết cấu thông qua đề tài nghiên cứu độ vồng chế tạo của dầm thép liên hợp uốn trước bọc bê tông (Pre-beam) nhịp giản đơn và giải pháp liên tục hóa. Mục tiêu trọng tâm là thiết lập mối tương quan khoa học giữa chiều dài nhịp dầm, lực kích uốn trước ban đầu và độ vồng chế tạo, đồng thời đề xuất giải pháp kỹ thuật liên tục hóa cho dầm Pre-beam.

Phạm vi nghiên cứu bao quát các nhịp dầm giản đơn có khẩu độ thay đổi từ 25m, 30m, 33m đến 38m trên mặt cắt ngang cầu đô thị tiêu chuẩn bề rộng 12m gồm 7 dầm chủ, cũng như mở rộng cho cầu dầm liên tục có chiều dài nhịp vượt trên 30m. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn: kết cấu dầm Pre-beam giúp giảm chiều cao kiến trúc dầm khoảng 30% so với dầm bê tông cốt thép dự ứng lực thông thường, tăng khả năng chịu lực uốn, loại bỏ 100% chi phí sơn chống gỉ nhờ lớp bê tông bảo vệ kín và giảm thiểu hơn 40% chi phí duy tu vận hành công trình trong suốt vòng đời khai thác.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết dầm thép liên hợp uốn trước (Preflex girder), kết hợp nguyên lý tạo ứng suất trước nhân tạo thông qua giải pháp cơ học tiền uốn dầm thép hình chữ I trong nhà xưởng. Lý thuyết tính toán kết cấu tuân thủ nghiêm ngặt phương pháp hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD) theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 và Tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2007.

Khung lý thuyết vận hành xoay quanh năm khái niệm cốt lõi: công nghệ gia tải uốn trước (Pre-flexion), độ vồng chế tạo (Fabrication camber), cơ chế truyền ứng suất nén trước vào bản đáy bê tông khi dỡ tải, trạng thái giới hạn cường độ (TTGHCĐ) và trạng thái giới hạn sử dụng (TTGHSD) với điều kiện kiểm soát độ võng cho phép (f <= L/1000). Toàn bộ quá trình làm việc của kết cấu được mô hình hóa qua cơ chế liên hợp toàn phần giữa lõi dầm thép I cấp 345 (AASHTO M270M) và hai lớp bê tông bọc ngoài gồm bê tông cường độ cao M600 cho bản cánh dưới và bê tông M400 cho bản bụng cùng bản mặt cầu.

Phương pháp nghiên cứu

Dữ liệu nghiên cứu được thu thập từ mô hình tính toán 4 khẩu độ nhịp cầu giản đơn đại diện gồm 25m, 30m, 33m và 38m, sử dụng mặt cắt ngang cầu đô thị điển hình 7 dầm chủ với bề rộng 12m. Phương pháp chọn mẫu điển hình được lựa chọn vì dải nhịp 25m đến 38m là cự ly vượt nhịp phổ biến nhất tại các nút giao lập thể đô thị và các cầu cạn tuyến đường sắt trên cao tại Việt Nam.

Tác giả sử dụng phương pháp phân tích giải tích kết cấu nhiều giai đoạn bằng chương trình tính toán chuyên sâu thiết lập trên nền tảng bảng tính tự động hóa. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích theo 5 giai đoạn thi công độc lập là vì sự hình thành ứng suất trong dầm Pre-beam phụ thuộc mật thiết vào trình tự xây lắp và sự biến đổi đặc trưng hình học tiết diện:

• Giai đoạn 1: Gia tải lực uốn P tại vị trí 1/4 và 3/4 nhịp dầm thép trần, đồng thời đổ bê tông bản cánh dưới.
• Giai đoạn 2: Dỡ tải kích uốn P sau 3 đến 4 ngày khi bê tông bản đáy đạt cường độ 20 MPa (tương đương 40% cường độ chịu nén thiết kế), tạo ra ứng suất nén trước hữu hiệu trong bê tông đáy.
• Giai đoạn 3: Lắp đặt dầm lên mố trụ và thi công đổ bê tông bản bụng.
• Giai đoạn 4: Thi công bê tông dầm ngang và bản mặt cầu cánh trên.
• Giai đoạn 5: Hoàn thiện lớp phủ mặt cầu, lan can và tiếp nhận hoạt tải xe HL93.

Nghiên cứu được triển khai thực hiện và hoàn thành trong mốc thời gian từ tháng 07/2014 đến tháng 01/2015.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích số liệu từ mô hình tính toán giải tích mang lại 4 phát hiện kỹ thuật mang tính đột phá:

Thứ nhất, kết cấu dầm Pre-beam cho phép tiết giảm chiều cao dầm vượt bậc. Với nhịp 25m, chiều cao dầm Pre-beam chỉ cần 0,57m, giảm khoảng 30% chiều cao so với dầm bê tông cốt thép dự ứng lực thông thường (thường dao động từ 0,80m đến 1,20m). Tỷ lệ chiều cao dầm trên chiều dài nhịp luôn đảm bảo ngưỡng tối ưu (H/L >= 0,03) theo quy chuẩn kỹ thuật.

Thứ hai, kết quả khảo sát độ nhạy khi thay đổi kích thước bản cánh dầm thép nhịp 33m cho thấy: khi thay đổi bề rộng cánh trên trong khoảng 300mm đến 400mm (thiết kế cơ sở 350mm), ứng suất nén thớ trên dầm thép biến thiên mạnh từ -217,60 MPa đến -262,30 MPa tại giai đoạn kích uốn ban đầu, trong khi ứng suất thớ dưới gần như ổn định ở mức 217,46 MPa đến 221,38 MPa. Ngược lại, khi thay đổi bề rộng cánh dưới từ 350mm đến 450mm (thiết kế cơ sở 400mm), ứng suất kéo thớ dưới thay đổi rõ rệt từ 205,40 MPa đến 235,79 MPa, nhưng ứng suất thớ trên chỉ dao động nhẹ quanh mức -235,70 MPa đến -239,20 MPa.

Thứ ba, lực kích uốn trước P tác dụng tại 2 điểm cách gối tựa 1/4 và 3/4 chiều dài nhịp đã kích hoạt trạng thái ứng suất nén trước đạt -11,10 MPa tại thớ đáy bê tông sau khi dỡ tải. Giá trị này đóng vai trò triệt tiêu hoàn toàn ứng suất kéo phát sinh do tĩnh tải hoàn thiện và hoạt tải HL93 trong giai đoạn khai thác, ngăn ngừa triệt để hiện tượng nứt bê tông bản đáy.

Thứ tư, độ võng đàn hồi lớn nhất của toàn bộ các nhịp khảo sát (25m, 30m, 33m, 38m) dưới tác dụng của hoạt tải thiết kế và tải trọng làn đều nhỏ hơn giới hạn cho phép nghiêm ngặt (f <= L/1000), đảm bảo độ cứng uốn xuất sắc cho công trình.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân tạo nên sự chênh lệch ứng suất độc lập giữa hai bản cánh bắt nguồn từ cơ chế làm việc của tiết diện liên hợp không đối xứng qua các giai đoạn. Bê tông bản cánh dưới sau khi đông cứng đã nâng cao đáng kể mô-men quán tính tiết diện từ giai đoạn 2, làm dịch chuyển trục trung hòa xuống phía dưới. Do đó, việc mở rộng bản cánh dưới để tăng khả năng chịu lực cho cánh trên là không hiệu quả; các nhà thiết kế bắt buộc phải điều chỉnh trực tiếp kích thước cánh chịu nén hoặc cân chỉnh lại lực kích ban đầu.

Khi so sánh với các công trình thực tế, quy luật phân bố ứng suất và độ vồng trong luận văn hoàn toàn tương đồng với các dữ liệu quan trắc tại cầu Makabi (Nhật Bản, nhịp 45m + 210m + 53m, bề rộng 11,2m), cầu New Itajima (Nhật Bản, nhịp 28,5m) và 6 công trình cầu sử dụng 106 phiến dầm Pre-beam nhịp 33m đến 38m trên tuyến đường cao tốc Nội Bài – Bắc Ninh tại Việt Nam.

Các dữ liệu nghiên cứu có thể được trực quan hóa hiệu quả thông qua biểu đồ đường biểu diễn sự tiến triển ứng suất 5 giai đoạn và bảng so sánh ma trận kích thước hình học dầm thép. Biểu đồ cho thấy giai đoạn 1 (kích uốn dầm thép) và giai đoạn 5 (liên hợp hoàn toàn dưới hoạt tải HL93) là hai thời điểm bất lợi nhất, đóng vai trò quyết định đến việc định hình đường cong độ vồng chế tạo sẵn trong xưởng với dung sai kiểm soát chặt chẽ trong khoảng +-2mm.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển giao hiệu quả kết quả nghiên cứu vào thực tiễn xây dựng cầu đường đô thị tại Việt Nam, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị then chốt:

Thứ nhất, áp dụng công nghệ gia lực đồng thời cho 2 phiến dầm Pre-beam trên cùng một khung kích (bố trí 2 dầm tựa lưng hoặc đối đỉnh) trong điều kiện chế tạo tại xưởng. Giải pháp này giúp triệt tiêu phản lực tác dụng lên bệ đúc, giảm 35% chi phí đầu tư giá đỡ chuyên dụng và rút ngắn khoảng 25% thời gian thi công kích ép. Đơn vị thực hiện: Các nhà máy chế tạo kết cấu thép và bê tông đúc sẵn; Thời gian áp dụng: Ngay trong giai đoạn chuẩn bị sản xuất công nghiệp.

Thứ hai, chuẩn hóa quy trình kiểm soát vật liệu bê tông cường độ cao f'c >= 50 MPa (M600) cho bản đáy dầm. Bắt buộc sử dụng xi măng PC40 đạt chuẩn TCVN 2682-91, cát sạch mô-đun độ lớn 2,5 đến 3,2 với hàm lượng bùn sét dưới 1%, đá dăm 10-20mm có cường độ gốc gấp đôi mác bê tông kết hợp phụ gia siêu dẻo. Thực hiện dỡ tải kích chính xác khi bê tông đạt 40% cường độ (khoảng 20 MPa sau 3-4 ngày dưỡng hộ). Đơn vị thực hiện: Tư vấn giám sát và phòng thí nghiệm vật liệu; Thời gian áp dụng: Xuyên suốt quá trình đúc dầm.

Thứ ba, triển khai giải pháp liên tục hóa dầm Pre-beam cho các công trình cầu có chiều dài nhịp vượt trên 30m. Việc đổ bê tông ướt liên tục tại vị trí mố trụ kết hợp cốt thép chịu mô-men âm giúp loại bỏ hoàn toàn các khe co giãn trên mặt cầu, giảm 50% nguy cơ thấm dột xâm thực gối cầu và nâng cao độ êm thuận cho phương tiện. Đơn vị thực hiện: Đơn vị tư vấn thiết kế cầu đường; Thời gian áp dụng: Giai đoạn lập dự án và thiết kế kỹ thuật.

Thứ tư, đề xuất thay thế kết cấu dầm chữ U (U-shape) bằng dầm Pre-beam cho các đoạn cầu cạn thuộc các tuyến Đường sắt đô thị (Metro) TP. Hồ Chí Minh với nhịp từ 25m đến 30m. Giải pháp này giúp giảm chiều cao kiến trúc, hạ thấp trọng tâm cầu cạn, giảm tải trọng bản thân từ 15% đến 20% và tối ưu cảnh quan không gian đô thị. Đơn vị thực hiện: Ban Quản lý Đường sắt Đô thị (MAUR) và Sở Xây dựng; Thời gian áp dụng: Các dự án metro giai đoạn 2025-2030.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo chuyên môn sâu sắc, mang lại giá trị ứng dụng cụ thể cho 4 nhóm đối tượng:

• Kỹ sư thiết kế kết cấu cầu: Nắm bắt phương pháp tính toán giải tích kiểm toán dầm liên hợp uốn trước qua 5 giai đoạn thi công theo tiêu chuẩn 22 TCN 272-05, ứng dụng bảng tính Excel lập sẵn để tối ưu hóa kích thước bản cánh dầm thép M270M cấp 345 và xác định lực kích ép ban đầu chuẩn xác.
• Đơn vị thi công và tư vấn giám sát: Tiếp cận chi tiết quy trình công nghệ chế tạo dầm trong xưởng và ngoài hiện trường, kỹ thuật đổ bê tông bản đáy một phía chống bọt khí, biện pháp ghép ván khuôn uốn cong và quy trình nhả kích an toàn chống nứt vỡ bê tông.
• Chủ đầu tư và Ban quản lý dự án hạ tầng giao thông đô thị: Có thêm cơ sở khoa học và dữ liệu kinh tế - kỹ thuật tin cậy để lựa chọn phương án kết cấu dầm cầu vượt nút giao thanh mảnh, hạn chế giải phóng mặt bằng tĩnh không và tiết kiệm ngân sách duy tu cầu đường dài hạn.
• Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Cầu – Hầm: Sử dụng làm tài liệu học tập, nghiên cứu chuyên đề về kết cấu liên hợp thép – bê tông hiện đại và công nghệ dự ứng lực tiền uốn (Preflexion).

Câu hỏi thường gặp

Dầm Pre-beam khác biệt như thế nào so với dầm thép liên hợp truyền thống?
Dầm thép liên hợp truyền thống chỉ hình thành sự liên kết cùng chịu lực sau khi bản bê tông đông cứng, không có ứng suất nén trước nhân tạo. Dầm Pre-beam tận dụng lực kích uốn dầm thép trước khi đổ bê tông đáy, tạo ra ứng suất nén trước hữu hiệu giúp tăng cường độ chịu lực, giảm 30% chiều cao dầm và chống nứt bê tông vượt trội.

Tại sao phải giữ tải kích uốn trong suốt thời gian đổ bê tông bản cánh dưới?
Việc duy trì tải trọng uốn P giữ cho thớ dưới dầm thép ở trạng thái giãn dài cực đại trong lúc bê tông đông kết. Khi bê tông đạt cường độ 20 MPa sau 3-4 ngày và tiến hành nhả kích, dầm thép có xu hướng co đàn hồi trở lại, qua đó truyền trực tiếp lực ép nén cực lớn vào lớp bê tông đáy để tạo dự ứng lực.

Quy trình đổ bê tông bản đáy dầm Pre-beam yêu cầu kỹ thuật đặc thù gì?
Quy chuẩn thi công bắt buộc phải đổ bê tông từ một bên sườn dầm để hỗn hợp bê tông cường độ cao M600 tự chảy lấp đầy sang phía đối diện. Kỹ thuật này ngăn chặn triệt để tình trạng đọng bọt khí dưới đáy bản thép, đồng thời việc đổ phải tiến hành liên tục từ đầu dầm đến cuối dầm, tuyệt đối không đổ từ giữa ra hai đầu.

Độ vồng chế tạo ban đầu của dầm thép đóng vai trò gì trong kết cấu?
Độ vồng chế tạo là độ cong ngược được gia công cắt sẵn trên bản bụng dầm thép với sai số không quá +-2mm. Độ vồng này được tính toán chuẩn xác để bù trừ toàn bộ các biến dạng võng phát sinh do tải trọng kích uốn, trọng lượng bản thân các phân đoạn bê tông và tải trọng khai thác sau này, đảm bảo độ phẳng mặt cầu theo tiêu chuẩn thiết kế.

Giải pháp liên tục hóa mang lại ưu thế gì cho cầu dầm Pre-beam nhịp lớn?
Liên tục hóa dầm Pre-beam cho các nhịp trên 30m giúp phân phối lại mô-men uốn, giảm đáng kể mô-men dương ở giữa nhịp và tăng độ cứng tổng thể của công trình. Giải pháp này cho phép vượt khẩu độ lớn hơn, loại bỏ khe co giãn trung gian trên trụ cầu và mang lại cảm giác lái êm thuận tối đa cho phương tiện lưu thông.

Kết luận

Công trình nghiên cứu của tác giả Ngô Hoàng đã giải quyết trọn vẹn các yêu cầu học thuật và thực tiễn về kết cấu dầm Pre-beam:

• Đã xây dựng hoàn chỉnh cơ sở lý thuyết và quy trình kiểm toán 5 giai đoạn cho dầm liên hợp thép bọc bê tông uốn trước theo tiêu chuẩn 22 TCN 272-05.
• Đã xác lập ma trận số liệu tính toán chi tiết về mối quan hệ giữa độ vồng chế tạo, kích thước bản cánh dầm thép và lực kích ban đầu cho 4 dải nhịp từ 25m đến 38m.
• Khẳng định tính ưu việt vượt trội của dầm Pre-beam với khả năng giảm 30% chiều cao dầm so với dầm bê tông dự ứng lực cùng khẩu độ.
• Đề xuất quy trình công nghệ thi công kích đôi trong nhà máy và giải pháp liên tục hóa dầm khả thi cho các cầu khẩu độ nhịp trên 30m.
• Đóng góp giải pháp kết cấu hạ tầng then chốt cho các dự án cầu vượt nút giao đô thị và các tuyến đường sắt đô thị trên cao tại Việt Nam.

Trong giai đoạn tiếp theo, các cơ quan chuyên môn cần triển khai biên soạn chỉ dẫn kỹ thuật tiêu chuẩn trong vòng 6 tháng và tiến hành thử nghiệm mô hình thực tế tại các dự án cầu vượt đô thị trong vòng 12 tháng tới. Các kỹ sư và chuyên gia kết cấu hãy tham khảo toàn văn luận văn thạc sĩ này để đón đầu công nghệ kết cấu liên hợp tiên tiến, góp phần kiến tạo những công trình giao thông hiện đại, bền vững và thẩm mỹ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Phần giới thiệu tổng quan nhằm mục đích trình bày những khái niệm, cấu tạo, ưu khuyết điểm, ứng dụng của kết cấu cầu thép liên hợp nói chung và cầu dầm Pre- beam nói riêng trong thực tế và triển vọng áp dụng tại Việt Nam. Làm rõ hơn về phương diện cấu tạo, vật liệu giúp xác định được kích thước của các hạng mục kết cấu chính phục vụ cho đề tài nghiên cứu. Tổng quan về cầu dầm thép Cầu thép ra đời và phát triển cùng với sự lớn mạnh của ngành công nghệ luyện kim trên thế giới. Sau khi bê tông cốt thép ra đời, việc nghiên cứu kết hợp hai loại vật liệu là thép và bê tông cốt thép để tăng cường độ cứng của thép và bê tông bảo vệ cốt thép khỏi ảnh hưởng của môi trường nhằm mục đích sử dụng hiệu quả hai loại vật liệu này.

Kết cấu dầm thép liên hợp bản BTCT là một trong những dạng kết cấu cầu được sử dụng khá phổ biến trên thế giới trong cầu ô tô và cầu đường sắt. Đó là dạng kết cấu làm từ hai loại vật liệu là thép và bê tông cốt thép, được liên kết chặt chẽ với nhau để cùng tham gia chịu lực thông qua các hệ thống neo liên kết. Vật liệu thép ở đây thường là các loại thép hình, vật liệu BTCT có thể là BTCT thường hoặc BTCT dự ứng lực. Một số loại cầu dầm liên hợp đã được sử dụng: 1.

Cầu dầm thép tiết diện hộp Thích hợp cho các nhịp dầm đơn giản nhịp từ 25m trở lên hoặc cầu dầm liên tục nhịp trên 36m, là kết cấu nhịp có dạng ống, trong đó bản đáy và vách được làm bằng thép tấm, bản mặt cầu bằng bê tông cốt thép. Dầm thép tiết diện hộp có thể là hộp đơn, hộp kép hoặc nhiều hộp. Cầu dầm thép tiết diện hộp có thể có hai hay nhiều tiết diện ngang kín riêng lẻ, bên trên có bản bê tông cốt thép. Vách có thể đứng hoặc xiên; vách xiên có ưu điểm là bản đáy hẹp hơn.

Bản biên trên thường đủ rộng để đỡ bản bê tông và đủ để bố trí neo chống cắt cho tiết diện liên hợp. Trong cầu dầm thép tiết diện hộp liên hợp có trục thẳng đứng đối xứng, mỗi nữa của tiết diện hộp có thể được coi như tương đương với một tiết diện I ghép. Dầm thép hộp có các ưu, nhược điểm giống dầm thép I. Tuy nhiên có ưu điểm vượt trội hơn là độ cứng và cường độ chống xoắn cao do tiết diện ngang kín.

Mặt cắt ngang cầu dầm thép hộp liên hợp 1. Cầu dầm thép tiết diện chữ I Phổ biến cho các nhịp cầu nhỏ và vừa trên đường ô tô. Đối với các nhịp nhỏ (<30m) thông thường thép chủ làm bằng thép hình I cán đặt cách đều và song song với nhau. Đối với các nhịp lớn hơn thường dùng dầm thép tổ hợp, dầm này thường có chiều cao lớn hơn chiều cao lớn nhất của các dầm thép cán.

Bên trên dầm thép thường là bản bê tông cốt thép vừa làm bản mặt cầu cho xe chạy vừa tạo độ cứng ngang cho các dầm dọc. Mặt cắt ngang cầu dầm I liên hợp Loại cầu này được dùng phổ biến trên thế giới và cả Việt Nam. Ở Việt Nam đang được sử dụng cho các cầu vượt nút giao để giảm ùn tắc giao thông, chủ yếu ở 2 thành phố lớn: Hà Nội và Hồ Chí Minh. Dầm thép I liên hợp có nhiều ưu điểm như: tính đồng nhất cao, chịu nhiệt tốt, dễ gia công chế tạo, có thể cơ giới hoá triệt để và kết cấu thanh mảnh, nhẹ.

Có thể dùng trong các công trình tạm cũng như vĩnh cửu. Tuy nhiên cũng có 1 số nhược điểm: hiện tượng gỉ làm ăn mòn kim loại, làm giảm tiết diện chịu lực, phá hoại các liên kết, do đó làm giảm tuổi thọ của công trình và chi phí duy tu bảo dưỡng cao. Dầm thép liên hợp uốn trước (Preflex girder) 1. Dầm thép liên hợp uốn trước (loại 1): Công nghệ này được giới thiệu tại Bỉ vào năm 1951, sau đó được áp dụng rộng rải ở Nhật, Đức, Hàn Quốc,… Cấu tạo tương tự như dầm thép I liên hợp bản bê tông cốt thép.

Tuy nhiên loại dầm này được thiết kế bê tông bọc bản cánh thép phía dưới và bản bê tông này được tạo ứng suất trước bằng cách uốn dầm thép bởi 2 lực kích đặt cách dầu dầm 1/3 hoặc 1/4 chiều dài nhịp, sau đó bổ bê tông bản cánh dưới và khi bê tông đạt cường độ thiết kế thì dỡ tải. Dầm thép liên hợp ứng suất trước (Preflex girder), [9] Công nghệ này được áp dụng đầu tiên cho kết cấu dân dụng như tòa nhà Southern Tower ở Bỉ có 144 dầm, tòa nhà Berlaymont Building có 319 dầm và sau đó được ứng dụng rộng rải trong các công trình cầu đường bộ, sắt. Dầm thép liên hợp uốn trước (loại 2- Prebeam): Tương tự như loại 1, dầm thép được bao bọc toàn bộ bằng bê tông và cũng gây ứng suất trước cho bản bê tông cánh dưới dầm. Trong đề tài luận văn tập trung nghiên cứu loại kết cấu này.

Giới thiệu về cầu dầm “Pre- beam” Trước đây dầm thép và bê tông cùng làm việc với nhau chỉ mang tính chất liên hợp giữa hai loại vật liệu, chưa tạo dự ứng lực trong bê tông ngoại trừ các biện pháp điều chỉnh ứng suất sau khi chế tạo. Vì vậy không phát huy tối đa khả năng của bê tông trong cơ chế làm việc của kết cấu, với quan điểm đó bê tông bọc ngoài dầm thép và tạo dự ứng lực cho bê tông trong quá trình chế tạo đã được nghiên cứu. Kết cấu này phát triển chủ yếu ở Nhật Bản với tên gọi tắt là ’’Pre- beam’’, đã có nhiều công trình cầu và các công trình khác sử dụng. Cầu Makabi, [14] Bảng 1.

Một số công trình cầu Pre-beam, [14] Chiều rộng Khai STT Tên cầu Vị trí Chiều dài cầu (m) cầu (m) thác 1 Makabi Okinawa- Japan 45+210+53 11,2 2006 2 New Itajima Aichi- Japan 21,4+3@28,5+21,9 12 2001 3 Dah Chih Taipie city- Taiwan 30+55@20 13,55 1996 4 Shichijunihou Toyama- Japan 17,2 4,2 1992 Cầu dầm Pre-Beam dùng làm cầu vượt qua các công trình giao thông quan trọng hoặc vượt địa hình yêu cầu về kiến trúc. Dầm Pre-beam có thể được hiểu là 7 dầm liên hợp thép và bê tông hay dầm bê tông cốt thép hình được dự ứng lực nhờ công nghệ gia tải lên thép hình có độ vồng sẵn. Sự tiếp xúc đơn giản giữa bê tông và thép có được khi đổ bê tông không đủ để đảm bảo một sự dính kết tốt nhất giữa hai loại vật liệu. Sự dính kết này phụ thuộc trạng thái bề mặt của thép và dường như không đủ để chống lại tác dụng mỏi.

Hơn nữa sự co ngót theo chiều ngang của bê tông có xu hướng bóc bê tông ra khỏi các mặt thẳng đứng của sườn dầm thép. Khi mà điều này xảy ra thì sẽ không còn sự dính kết giữa bê tông và thép nữa. Vì vậy cần phải bố trí các cốt thép thường để liên kết hai vật liệu này và đảm bảo sự liên kết chắc chắn giữa bê tông và thép. Ngoài ra trên dầm thép cán còn bố trí các sườn tăng cường để tăng khả năng ổn định của dầm thép.

Công nghệ dầm Pre-beam là một dạng của công nghệ tạo dự ứng lực dùng giải pháp uốn trước (Pre-flexion) dầm thép một cách hợp lý. Công nghệ này được thực hiện trong nhà máy, dầm thép được bao bọc hoàn toàn bởi bê tông, riêng phần bê tông bản cánh dưới được tạo ứng suất nén trước, phần bê tông bản mặt cầu và bê tông bản bụng được đổ tại chỗ ngoài công trường. Dầm thép và bản bê tông được liên hợp với nhau nhờ các đinh neo hay lưới cốt thép và trở thành dầm có các đặc tính nổi bật. Cấu tạo dầm “Pre- beam” Hình 1.

Cầu dầm Pre- beam Dầm Pre-Beam tương tự như dầm thép liên hợp bê tông cốt thép. Tuy nhiên ở đây dầm thép I được bọc bởi bê tông và cùng với bê tông bọc chịu tải trọng, lúc này liên kết giữa bê tông và dầm thép giống như dầm bê tông cốt thép mà dầm thép I đóng vai trò là cốt thép chủ (cốt cứng), bao gồm:. – Dầm thép là dầm I tổ hợp hàn các tấm thép được chế tạo có độ vồng trước. Vật liệu làm dầm thép theo AASHTO M270M cấp 345 (345W) ; 8 Hình 1.

Gia công chế tạo dầm thép I – Dầm thép được bao bọc bằng bê tông. Lớp bê tông này được đổ theo từng phân đoạn trên từng vị trí của dầm thép: + Bản cánh dưới sử dụng bê tông cường độ cao f’c≥ 50Mpa; + Bản sườn, bản cánh trên, dầm ngang sử dụng bê tông có cường độ chịu nén f’c≥30Mpa. Bê tông bọc dầm thép – Đối với bản cánh dưới thiết kế các đinh neo (neo hộp) để liên hợp dầm thép với bê tông. – Đối với bản cánh trên được thiết kế các chốt đinh neo.

– Ngoài ra, các thanh cốt đai được hàn vào dầm thép, có thể được xem như là các neo liên kết trong kết cấu dầm thép liên hợp BTCT. Liên kết bản bê tông và dầm thép Để bê tông bọc quanh cùng làm việc với dầm thép tạo thành 1 kết cấu liên hợp. Vì vậy tính toán thiết kế, bố trí các đinh neo và thiết lập các cốt đai: – Neo chống cắt: bản cánh trên, cánh dưới của dầm thép phải bố trí neo đinh chống cắt ở mặt tiếp xúc giữa bản bê tông và thép để chịu lực cắt. Các neo chống cắt thiết kế cho phép khi đầm kỹ bê tông vẫn bảo đảm toàn bộ bề mặt của chúng được tiếp xúc với bê tông.

Các neo phải có khả năng chống lại cả 9 hai chuyển vị thẳng đứng và ngang giữa bê tông và thép. Tỷ lệ của chiều cao với đường kính của neo đinh chịu cắt không được nhỏ hơn 4,0. – Cốt thép bố trí chống bóc: khi đổ bê tông bản bụng, bản đáy, để bê tông không bị bóc tách và không bị nứt, người ta bố trí vào cốt thép dọc trục và cốt đai. – Sườn gờ tăng cường ngang gồm có các tấm hoặc thép góc được hàn hoặc liên kết bằng bulông vào một hoặc cả hai bên của bản bụng.

Các sườn tăng cường không sử dụng như là các tấm nối, phải lắp khít chặt vào bản cánh chịu nén, nhưng không cần phải ép vào mặt bản cánh chịu kéo. Neo chèng c¾t ThÐp chèng bãc t¸ch BT Hình 1. Bê tông bọc dầm thép 1.