Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ "Nghiên cứu ứng dụng kết cấu dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn với bê tông cường độ cao cho phát triển giao thông khu vực Đông Nam Bộ" được nghiên cứu sinh Võ Vĩnh Bảo thực hiện tại Trường Đại học Giao thông Vận tải, dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Trần Đức Nhiệm và PGS. Nguyễn Ngọc Long, thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông (mã số 9580205), bảo vệ năm 2022.

Về tính cấp thiết, vùng kinh tế trọng điểm Đông Nam Bộ (bao gồm Thành phố Hồ Chí Minh, Đồng Nai, Bình Dương, Bà Rịa - Vũng Tàu, Bình Phước, Tây Ninh) có tốc độ tăng trưởng kinh tế, tỷ suất nhập cư và mật độ đô thị hóa thuộc nhóm cao nhất cả nước. Sự gia tăng nhanh chóng của các phương tiện giao thông cá nhân dẫn đến tình trạng quá tải hạ tầng và ùn tắc nghiêm trọng tại các nút giao trọng điểm như Linh Xuân - Linh Trung, Sóng Thần, Cát Lái, nút giao Quốc lộ 1K với Đường tỉnh 743b. Do quỹ đất đô thị hạn hẹp và chi phí giải phóng mặt bằng cao, việc xây dựng các nút giao khác mức, cầu vượt và tuyến đường trên cao trở thành giải pháp kỹ thuật cần thiết.

Khoảng trống nghiên cứu được chỉ ra là: trong khi các quốc gia phát triển đã ứng dụng phổ biến bê tông cường độ cao từ 70 MPa đến hơn 100 MPa cho kết cấu nhịp cầu, thì tại khu vực Đông Nam Bộ, các công trình cầu chỉ sử dụng bê tông cường độ từ 50 MPa trở xuống. Các loại hình dầm dự ứng lực đúc sẵn phổ biến tại Việt Nam (dầm bản rỗng, dầm T, dầm I, dầm Super-T) hầu như chỉ giới hạn ở khẩu độ nhịp dưới 40 m. Các giải pháp vượt nhịp lớn hơn như dầm I 42 m gặp trở ngại do độ mảnh ngang lớn gây mất ổn định khi vận chuyển dọc, dầm Super-T gặp hiện tượng nứt xiên do thiếu sườn dầm để kéo xiên cốt thép dự ứng lực đầu dầm, còn dầm hộp thi công đổ tại chỗ nhịp 50 m lại có chi phí cao và kéo dài tiến độ. Do đó, việc nghiên cứu một dạng kết cấu dầm đúc sẵn có khả năng vượt nhịp kinh tế đến 60 m sử dụng bê tông cường độ cao từ nguồn vật liệu địa phương Đông Nam Bộ là một yêu cầu kỹ thuật thực tế.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án gồm 3 nội dung:

  1. Nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ cao (cấp cường độ 60 MPa đến 80 MPa) sử dụng vật liệu khu vực Đông Nam Bộ và thực nghiệm đánh giá các đặc tính cơ học cơ bản (mô đun đàn hồi, cường độ chịu kéo khi uốn, sự phát triển cường độ theo thời gian) phục vụ thiết kế và chế tạo dầm bê tông dự ứng lực.
  2. Phân tích và lựa chọn loại hình kết cấu dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn phù hợp ứng dụng với bê tông cường độ cao từ nguồn vật liệu địa phương.
  3. Ứng dụng tính toán thiết kế kết cấu dầm điển hình đối với loại hình dầm đã lựa chọn sử dụng các cấp phối bê tông C60, C70, C80 phục vụ các dự án giao thông khu vực Đông Nam Bộ.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Về vật liệu: Nghiên cứu cấp phối bê tông cường độ 60 MPa, 70 MPa, 80 MPa từ cốt liệu địa phương Đông Nam Bộ, định hướng không sử dụng tro bay và hạn chế muội silic để giảm giá thành sản xuất công nghiệp.
  • Về kết cấu: Nghiên cứu kết cấu dầm I cánh rộng (Wide Flange Girder) bằng bê tông dự ứng lực đúc sẵn nhịp giản đơn.
  • Về tải trọng: Giới hạn nghiên cứu trong phạm vi bài toán phân tích dưới tác dụng của tải trọng tĩnh.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án điểm lại hệ thống các công trình nghiên cứu và thực tiễn ứng dụng dầm cầu đúc sẵn cùng bê tông cường độ cao trong và ngoài nước:

Tại Việt Nam, các loại hình kết cấu nhịp dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn phổ biến được thống kê bao gồm:

Nhóm kết cấu dầm Chiều dài nhịp định hình (m) Phương thức chế tạo
Dầm bản rỗng 9, 12, 15, 18, 21, 24 Dự ứng lực căng trước
Dầm tiết diện chữ T 24, 33 Dự ứng lực căng sau
Dầm tiết diện chữ I 18,6; 24,54; 33 Căng trước và căng sau
Dầm tiết diện chữ I 42 Dự ứng lực căng trước
Dầm tiết diện Super-T 38,2 Dự ứng lực căng trước
Dầm tiết diện chữ T ngược 25 Dự ứng lực căng trước

Về công nghệ sản xuất bê tông tại Đông Nam Bộ, các doanh nghiệp như Công ty Bê tông 6 (620), Bê tông Tiền Phong, Sino-Pacific, Bê tông Ly tâm Thủ Đức, IBS, Phan Vũ đã sản xuất đại trà cọc ly tâm và cọc ván dự ứng lực đạt cường độ 60 MPa đến 80 MPa (hoặc 600 kgf/cm² đến 1000 kgf/cm²). Các trạm trộn thương phẩm của Holcim, Lê Phan, FTC, Saigon-RDC, FiCO-PanU có khả năng cung cấp bê tông đến 80 MPa. Tuy nhiên, trong xây dựng dầm cầu, cường độ thiết kế vẫn chỉ dừng lại ở mức 50 MPa trở xuống do tiêu chuẩn thiết kế hiện hành chưa hỗ trợ đầy đủ cho bê tông trên 70 MPa, đồng thời thiếu các mẫu dầm thích hợp để phát huy khả năng chịu lực của vật liệu cường độ cao.

Trên thế giới, các hiệp hội như Viện Bê tông Hoa Kỳ (ACI), Viện Bê tông đúc sẵn và dự ứng lực Hoa Kỳ (PCI), Viện Dự ứng lực căng sau (PTI) và Cơ quan Quản lý Đường cao tốc Liên bang Hoa Kỳ (FHWA) đã ban hành nhiều hướng dẫn kỹ thuật cho bê tông có cường độ từ 70 MPa đến 128 MPa. Các công trình tiêu biểu tại Hoa Kỳ áp dụng dầm bê tông cường độ cao gồm:

  • Cầu vượt Louetta (Texas, 1994 - 1998): dầm U54 Texas U-beams dùng bê tông dầm 69 - 90 MPa, bản mặt cầu đổ tại chỗ 55 MPa.
  • Cầu San Angelo (Texas, 1995 - 1998): dầm AASHTO type IV I-Beams dùng bê tông dầm 40 - 102 MPa, bản mặt cầu 41 MPa.
  • Các công trình khác tại nhiều tiểu bang: cầu Charenton Canal (Louisiana) dùng dầm AASHTO type III cường độ 83 MPa; cầu Rio Puerco (New Mexico) dùng dầm BT-1600 cường độ 70 MPa; các cầu tại Alabama (Highway 199), Colorado (Yale Avenue), Ohio (U.S. Route 22), Washington (S.R. 18 WSDOT 74G) sử dụng dầm cường độ từ 68,3 MPa đến 69 MPa.

Ngoài Hoa Kỳ, tại Pháp đã có hơn 100 cây cầu ứng dụng bê tông cường độ từ 55 MPa đến 80 MPa như cầu Normandy, Millau, Chavanon và cầu đường sắt TGV ở Avignon. Tại Đức, các cầu Muldenbrücke, Havel, Rhine sử dụng bê tông trên 65 MPa. Tại Nhật Bản, bê tông cường độ đến 120 MPa và bê tông tự lèn 80 MPa đã được triển khai cho cầu AKIBA. Nghiên cứu của FHWA cũng đề xuất dạng dầm pi đúc sẵn dài 26,5 m dùng bê tông siêu tính năng UHPC (như cầu Wapello ở Iowa năm 2005 dùng bê tông 170 MPa).

Vị trí của luận án: Luận án tập trung giải quyết khoảng trống về nghiên cứu thực nghiệm cơ học của bê tông cấp 60 MPa đến 80 MPa chế tạo hoàn toàn bằng vật liệu địa phương Đông Nam Bộ, đồng thời nghiên cứu áp dụng tiết diện dầm I cánh rộng (Wide Flange Girder) để thay thế các loại dầm truyền thống, lấp đầy phân khúc vượt nhịp đến 60 m cho hạ tầng giao thông đô thị khu vực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

  • Cơ chế hình thành cường độ của bê tông cường độ cao: Dựa trên việc hạ thấp tỷ lệ nước trên chất kết dính (N/X) thông qua các loại phụ gia giảm nước cao phân tử, kết hợp nguyên lý chèn chặt cấu trúc rỗng đá xi măng bằng hạt mịn. Các chất khoáng hoạt tính như tro bay loại F, loại C (theo ASTM C618) hoặc muội silic siêu mịn (kích thước trung bình 1,5 µm theo ASTM C1240) thường được dùng trên thế giới. Tuy nhiên, luận án tiếp cận lý thuyết thiết kế cấp phối không sử dụng tro bay và không muội silic để kiểm soát chi phí thi công.
  • Các thế hệ phụ gia hóa học: Luận án phân tích cơ sở hóa học từ phụ gia gốc Lignosulphonate (giảm nước 10%), Polyme sulphonate Melamine và Naphthalenesulphonate (giảm nước đến 25%), đến Polycarboxylate thế hệ 2 và thế hệ 3 cho phép giảm nước từ 30% đến 40%.
  • Phương pháp thiết kế cấp phối: Sử dụng chỉ dẫn tiêu chuẩn ACI 211.4R-08 (quy trình 11 bước từ chọn cường độ, độ sụt, cỡ hạt cốt liệu, tỷ lệ w/cm, thể tích cốt liệu thô đến chế tạo mẫu thử) và đối chiếu với TCVN 10306:2014, cùng phương pháp thiết kế cấp phối 6 bước của Bộ Môi trường Anh (DOE 1988) qua nghiên cứu so sánh của Anand B. Zanwar (2016).
  • Lý thuyết trạng thái giới hạn: Tính toán thiết kế dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn dựa trên nguyên lý tải trọng và hệ số sức kháng (LRFD) theo tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ (TCVN 11823 / AASHTO LRFD), kiểm toán các trạng thái giới hạn cường độ, sử dụng và mỏi.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp thực nghiệm cơ lý vật liệu:
    • Đánh giá cốt liệu thô theo TCVN 7572-2:2006, TCVN 7572-11:2006 (độ nén dập), ASTM C29, ASTM C127, ASTM C117, ASTM D4791 và ASTM C136.
    • Phân tích thành phần hạt cốt liệu mịn theo TCVN 7572-2:2006 và ASTM C33/C33M.
    • Thí nghiệm kiểm tra độ sụt của hỗn hợp bê tông tươi theo ACI 211.4R.
    • Đúc và nén mẫu trụ tiêu chuẩn xác định cường độ chịu nén ở 28 ngày tuổi và quy luật phát triển cường độ ở 1, 3, 5, 7 ngày tuổi.
    • Thí nghiệm uốn mẫu dầm xác định cường độ chịu kéo khi uốn ($f_r$).
    • Sử dụng bộ gá chuyên dụng và thiết bị cảm biến điện trở (strain gauge) gắn trên mẫu nén để đo biến dạng, xác định mô đun đàn hồi ($E_c$) và thiết lập đường cong quan hệ ứng suất - biến dạng ($\sigma - \varepsilon$).
  • Phương pháp mô hình hóa và kiểm toán kết cấu:
    • Lựa chọn kích thước hình học dầm I cánh rộng dựa trên tài liệu hướng dẫn thiết kế cầu (Bridge Design Manual - BDM) của các cơ quan giao thông bang California, Washington và Nebraska.
    • Mô phỏng, kiểm toán các nội lực mô men, lực cắt, ứng suất thớ trên/thớ dưới và độ võng của các loại dầm WF800, WF1200, WF2300 dưới tác dụng của tĩnh tải và hoạt tải khai thác.
    • So sánh kinh tế kỹ thuật giữa các phương án kết cấu dầm thông qua chỉ tiêu dự trữ sức kháng và khối lượng vật liệu tiêu hao.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

  • Nguồn số liệu quy hoạch, dân số, hạ tầng vùng Đông Nam Bộ từ các báo cáo thống kê và quy hoạch phát triển giao thông vận tải vùng đến năm 2020, định hướng 2030.
  • Cốt liệu thô: Đá dăm bazan khai thác từ mỏ đá khu vực Bà Rịa - Vũng Tàu.
  • Cốt liệu mịn: Cát sông Tân Châu (An Giang) khai thác từ sông Tiền kết hợp cát nghiền Phú Mỹ (Bà Rịa - Vũng Tàu).
  • Xi măng: Xi măng Pooclăng thương phẩm cung cấp tại Đông Nam Bộ (Holcim, Hà Tiên, Cotec).
  • Phụ gia hóa học giảm nước thế hệ mới phân phối bởi SIKA và BASF tại Việt Nam.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày đặc điểm kinh tế - xã hội vùng Đông Nam Bộ với diện tích 23.597,9 km², dân số 14.566,5 nghìn người (chiếm 16,34% cả nước theo số liệu năm 2010), tỷ lệ đô thị hóa 25% và tỷ suất nhập cư đạt 24,8% vào năm 2010. Khu vực tập trung tứ giác kinh tế trọng điểm (Thành phố Hồ Chí Minh, Đồng Nai, Bình Dương, Bà Rịa - Vũng Tàu), đóng góp 1/3 GDP và hơn 50% ngân sách quốc gia. Sự gia tăng luân chuyển hàng hóa gắn với hệ thống cảng biển Cái Mép - Thị Vải và các khu công nghiệp tạo áp lực giao thông đối nội và đối ngoại rất lớn. Các nút giao bằng đồng mức không còn đáp ứng lưu lượng, dẫn đến yêu cầu xây dựng các tuyến đường trên cao và cầu vượt bằng dầm đúc sẵn thi công nhanh.

Chương này tổng kết hiện trạng dầm dự ứng lực đúc sẵn tại Việt Nam (Bảng 1-1) và phân tích các nhược điểm kỹ thuật: dầm I 42 m có cánh hẹp nên độ mảnh lớn, khó vận chuyển; dầm Super-T thiếu sườn dầm trung tâm kéo xiên cáp nên vùng chịu cắt đầu dầm tập trung cốt đai dày, khó đầm bê tông và dễ xuất hiện vết nứt xiên; dầm hộp đúc tại chỗ nhịp 50 m tốn kém chi phí đà giáo. Đồng thời, chương 1 điểm lại tình hình áp dụng bê tông cường độ cao HSC, HPC và UHPC trên thế giới (Bảng 1-2), qua đó xác lập tính cần thiết của việc nghiên cứu dầm I cánh rộng nhịp đến 60 m sử dụng bê tông 60 - 80 MPa tại Đông Nam Bộ.

Chương 2: Nghiên cứu bê tông cường độ cao cấp 60MPa đến 80MPa sử dụng vật liệu địa phương khu vực Đông Nam Bộ ứng dụng cho dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn

Chương 2 trình bày toàn bộ kết quả thí nghiệm chế tạo cấp phối và xác định tính chất cơ lý của bê tông C60, C70, C80:

  • Đánh giá cốt liệu thô: Đá dăm bazan Bà Rịa - Vũng Tàu có khối lượng thể tích xốp lèn chặt 1647 kg/m³, tỷ khối xốp khô 2,68 g/cm³, tỷ khối bão hòa khô bề mặt 2,40%, lượng hạt thoi dẹt 3,18%, lượng hạt mịn dưới 75 µm là 0,70%, mác đá dăm theo độ nén dập (TCVN 7570:2006) đạt 140 MPa, hoàn toàn đáp ứng yêu cầu chế tạo bê tông cường độ 60 - 80 MPa.
  • Đánh giá cốt liệu mịn: Cát sông Tân Châu chỉ có mô đun độ lớn khoảng 1,5, không đạt tiêu chuẩn hạt cho bê tông cường độ cao nếu sử dụng đơn lẻ. Tác giả thí nghiệm phối trộn cát sông với cát nghiền Phú Mỹ theo các tỷ lệ 50/50, 60/40 và 70/30. Kết quả đường cong cấp phối cho thấy tỷ lệ 70/30 bị loại do không thỏa mãn tiêu chuẩn ASTM C33/C33M. Tỷ lệ 60% cát sông kết hợp 40% cát nghiền được lựa chọn để đưa vào tính toán cấp phối.
  • Thiết kế cấp phối và thí nghiệm cơ học: Áp dụng quy trình ACI 211.4R-08, thiết kế ba cấp phối C60, C70, C80 không sử dụng tro bay. Kết quả thí nghiệm thu được:
    • Cường độ chịu nén mẫu trụ đạt và vượt yêu cầu thiết kế đối với cả 3 cấp phối;
    • Đo đạc quy luật tăng trưởng cường độ nén sớm tại các thời điểm 1, 3, 5, 7 ngày tuổi phục vụ công tác kéo căng cáp dự ứng lực sớm trong nhà xưởng;
    • Thí nghiệm kéo khi uốn dầm xác định vị trí nứt gãy giữa nhịp và cường độ $f_r$;
    • Đo mô đun đàn hồi $E_c$ trên mẫu trụ và so sánh với các công thức thực nghiệm hiện hành;
    • Gắn strain gauge thu thập số liệu ứng suất - biến dạng ($\sigma - \varepsilon$), từ đó xác định biến dạng tương đối cực hạn $\varepsilon_0$, $\varepsilon_{max}$ và các tham số phân bố ứng suất vùng nén.

Chương 3: Nghiên cứu lựa chọn kết cấu dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn với bê tông cường độ 60MPa đến 80MPa ứng dụng cho xây dựng công trình giao thông khu vực Đông Nam Bộ

Chương 3 tiến hành phân tích hình học và lựa chọn tiết diện dầm I cánh rộng (Wide Flange Girder - WF). Căn cứ tiêu chuẩn định hình dầm cánh rộng của các bang California, Washington, Nebraska và tính toán bề rộng sườn dầm tối thiểu theo điều kiện bố trí ống ghen cáp dự ứng lực, tác giả đề xuất 3 tiết diện định hình:

  • WF800: Chiều cao dầm 800 mm.
  • WF1200: Chiều cao dầm 1200 mm.
  • WF2300: Chiều cao dầm 2300 mm.

Tác giả lập mô hình tính toán, kiểm toán toàn diện kết cấu dầm theo tiêu chuẩn thiết kế cầu hiện hành:

  • Kiểm toán dầm WF2300 sử dụng các cấp phối C60, C70, C80: Đánh giá khả năng chịu mô men uốn, sức kháng cắt, trạng thái ứng suất thớ trên/thớ dưới ở giai đoạn truyền lực và giai đoạn khai thác, cũng như độ võng đàn hồi. Kết quả cho thấy khi tăng cường độ bê tông từ C60 lên C80, khả năng vượt nhịp và độ an toàn chịu lực của dầm WF2300 tăng lên rõ rệt.
  • Kiểm toán dầm WF1200 và dầm WF800 với các cấp phối C60, C70, C80: Xác định sức kháng mô men, lực cắt, ứng suất và độ võng tương ứng với các khẩu độ nhịp trung bình.
  • Tính toán kiểm toán dầm I cánh rộng với bê tông cấp 50 MPa nhằm tạo cơ sở dữ liệu đối chứng, làm rõ sự vượt trội về khả năng chịu lực khi nâng cường độ bê tông lên 60 - 80 MPa.

Chương 4: Phân tích đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật kết cấu nhịp cầu dùng dầm I cánh rộng với bê tông cường độ cao so với các kết cấu dầm bê tông dự ứng lực thông thường hiện nay

Chương 4 thực hiện bài toán so sánh kinh tế kỹ thuật thông qua hai trường hợp cụ thể:

  • Trường hợp 1 (khẩu độ nhịp 24 m): So sánh phương án dầm I cánh rộng WF800 (bê tông cường độ cao) với phương án dầm bản bê tông cốt thép dự ứng lực căng trước nhịp 24 m truyền thống.
  • Trường hợp 2 (khẩu độ nhịp 33 m): So sánh phương án dầm I cánh rộng WF1200 (bê tông cường độ cao) với phương án dầm I bê tông cốt thép dự ứng lực nhịp 33 m thông thường.

Kết quả phân tích định lượng dựa trên hai chỉ tiêu chính:

  1. Đánh giá dự trữ sức kháng: Dầm I cánh rộng sử dụng bê tông cường độ cao có hệ số an toàn về sức kháng uốn và kháng cắt cao hơn so với kết cấu dầm truyền thống tương đương nhịp.
  2. So sánh khối lượng vật tư: Phương án dầm I cánh rộng giúp giảm đáng kể thể tích bê tông dầm chủ trên một đơn vị diện tích mặt cầu và tối ưu hóa hàm lượng cốt thép dự ứng lực kéo căng.

Ngoài ra, chương 4 chỉ ra các lợi ích kỹ thuật gián tiếp khác: giảm tĩnh tải tác dụng xuống mố trụ và móng cầu, tăng tĩnh không thông xe bên dưới cầu vượt đô thị nhờ giảm chiều cao kiến trúc kết cấu nhịp, đồng thời nâng cao độ bền lâu trong điều kiện khí hậu nóng ẩm của vùng Đông Nam Bộ.

Kết quả và những đóng góp mới

Các kết quả và đóng góp mới của luận án được thể hiện qua các điểm sau:

  • Về vật liệu học xây dựng: Chứng minh tính khả thi của việc chế tạo bê tông cường độ 60 MPa đến 80 MPa từ 100% nguồn cốt liệu tại chỗ ở Đông Nam Bộ (đá dăm bazan Bà Rịa - Vũng Tàu kết hợp hỗn hợp 60% cát sông Tân Châu và 40% cát nghiền Phú Mỹ). Luận án xác lập thành công cấp phối bê tông chất lượng cao không cần dùng tro bay và không muội silic, giúp giảm chi phí sản xuất và phù hợp với thực tế vận hành tại các trạm trộn địa phương.
  • Về cơ sở dữ liệu thực nghiệm: Cung cấp hệ thống dữ liệu thực nghiệm hoàn chỉnh về các chỉ tiêu cơ học cơ bản của bê tông C60, C70, C80 Đông Nam Bộ, bao gồm tốc độ phát triển cường độ sớm (1 đến 7 ngày), cường độ chịu kéo khi uốn ($f_r$), mô đun đàn hồi thực nghiệm ($E_c$) và đường cong quan hệ ứng suất - biến dạng ($\sigma - \varepsilon$) vùng chịu nén. Đề xuất các phương trình thực nghiệm ước tính đặc trưng cơ học phù hợp với nguồn vật liệu địa phương.
  • Về kết cấu công trình cầu: Lựa chọn và đưa ra bộ thông số kích thước hình học định hình cho dầm I cánh rộng (WF800, WF1200, WF2300) kết hợp bê tông cường độ cao cấp 60 - 80 MPa. Chứng minh tính ưu việt của dầm I cánh rộng về khả năng vượt nhịp, độ ổn định ngang và khả năng chịu cắt đầu dầm so với dầm Super-T và dầm I truyền thống.
  • Về hiệu quả kinh tế - kỹ thuật: Chứng minh thông qua tính toán định lượng rằng việc áp dụng dầm I cánh rộng bằng bê tông cường độ cao cho nhịp 24 m và 33 m giúp giảm trọng lượng bản thân kết cấu nhịp, tiết kiệm khối lượng vật liệu bê tông và cốt thép dự ứng lực, đồng thời gia tăng độ dự trữ sức kháng so với dầm bản và dầm I thông thường.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất từ luận án:

  • Kiến nghị các cơ quan quản lý giao thông và các đơn vị tư vấn thiết kế tại Thành phố Hồ Chí Minh và các tỉnh Đông Nam Bộ áp dụng thử nghiệm loại dầm I cánh rộng dùng bê tông 60 - 80 MPa vào các dự án cầu vượt đô thị, đường trên cao và nút giao khác mức.
  • Đề xuất bổ sung các chỉ dẫn kỹ thuật thiết kế và quy trình nghiệm thu đối với kết cấu bê tông cường độ trên 70 MPa vào hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật cầu đường hiện hành.
  • Khuyến nghị các nhà máy sản xuất cấu kiện đúc sẵn trong vùng (như Công ty Bê tông 6) tận dụng dây chuyền công nghệ cọc ly tâm hiện có để chuyển giao sản xuất dầm I cánh rộng cường độ cao trên quy mô công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Phạm vi nghiên cứu kết cấu mới giới hạn ở sơ đồ dầm giản đơn nhịp tĩnh học, chưa đi sâu giải quyết sơ đồ dầm liên tục hoặc bán liên tục.
  • Về tải trọng, luận án chỉ khảo sát dưới tác dụng của bài toán tải trọng tĩnh; các tác động động lực học, tải trọng mỏi, xung kích và động đất chưa được đánh giá chi tiết.
  • Về đặc tính dài hạn của vật liệu, luận án chưa thực hiện các quan trắc thực nghiệm dài hạn đối với hiện tượng co ngót và từ biến của bê tông cường độ cao cấp 60 - 80 MPa sản xuất từ cốt liệu địa phương.
  • Nguồn vật liệu nghiên cứu giới hạn ở đá dăm Bà Rịa - Vũng Tàu và cát nghiền Phú Mỹ kết hợp cát sông Tân Châu, chưa mở rộng ra các mỏ đá Tân Cang, Định Quán (Đồng Nai) hay Dĩ An (Bình Dương).

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Mở rộng nghiên cứu thực nghiệm biến dạng co ngót, từ biến dài hạn của bê tông cường độ cao cấp C60 đến C80 Đông Nam Bộ.
  • Nghiên cứu ứng xử động học, sức kháng mỏi và khả năng chống chấn của kết cấu nhịp dùng dầm I cánh rộng dưới tác dụng của đoàn xe tải trọng nặng.
  • Nghiên cứu sơ đồ dầm I cánh rộng liên tục hóa nhiệt hoặc liên tục hóa kết cấu để tăng khẩu độ vượt nhịp lên từ 40 m đến 60 m trong các dự án đường trên cao.

Giá trị tham khảo

Luận án mang lại giá trị tham khảo kỹ thuật và học thuật cho các nhóm đối tượng:

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông: Luận án là tài liệu tham khảo về phương pháp thiết kế cấp phối bê tông cường độ cao theo tiêu chuẩn ACI 211.4R, quy trình thực nghiệm xác định quan hệ ứng suất - biến dạng bằng strain gauge và phương pháp kiểm toán dầm dự ứng lực theo AASHTO LRFD.
  • Đối với kỹ sư thiết kế và các công ty tư vấn giao thông: Cung cấp trực tiếp các thông số kích thước mặt cắt định hình dầm I cánh rộng (WF800, WF1200, WF2300), các biểu đồ kiểm toán nội lực mô men, lực cắt, ứng suất, độ võng làm cơ sở lập hồ sơ thiết kế kỹ thuật cho các dự án cầu đô thị.
  • Đối với các nhà máy sản xuất bê tông và cấu kiện đúc sẵn (Bê tông 6, Phan Vũ, Thủ Đức...): Cung cấp tỷ lệ phối trộn cốt liệu mịn (60% cát sông + 40% cát nghiền) và quy trình sản xuất thương phẩm bê tông C60 - C80 không dùng tro bay, giúp hạ giá thành và tận dụng dây chuyền công nghệ có sẵn.
  • Đối với các cơ quan quản lý nhà nước về hạ tầng giao thông vùng Đông Nam Bộ: Tài liệu cung cấp cơ sở kinh tế kỹ thuật để thẩm định các giải pháp kết cấu cầu vượt nhịp trung bình và lớn, phục vụ tái cấu trúc hạ tầng và phát triển các trục giao thông hướng tâm, vành đai.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án đề xuất tỷ lệ phối trộn cốt liệu mịn gồm 60% cát sông và 40% cát nghiền mà không dùng 100% cát sông hoặc tỷ lệ 70/30?
Nguồn cát sông khai thác từ sông Tiền (cát vàng Tân Châu) có mô đun độ lớn thấp (khoảng 1,5), không đạt yêu cầu cấp phối hạt của tiêu chuẩn chế tạo bê tông cường độ cao nếu sử dụng đơn lẻ. Khi thí nghiệm các tỷ lệ trộn phối hợp giữa cát sông và cát nghiền Phú Mỹ (50/50, 60/40, 70/30), tỷ lệ 70/30 không đáp ứng được khoảng giá trị lọt sàng cho phép theo tiêu chuẩn ASTM C33/C33M. Tỷ lệ 60% cát sông kết hợp 40% cát nghiền vừa đảm bảo đường cong cấp phối nằm trọn vẹn trong vùng giới hạn quy định của cả TCVN 7572-2:2006 lẫn ASTM C33/C33M, vừa tối ưu hóa được chi phí vật liệu.

2. Điểm khác biệt cơ bản trong thiết kế cấp phối bê tông C60 - C80 của luận án so với xu hướng quốc tế là gì?
Trên thế giới, bê tông cường độ cao thường bổ sung tro bay (fly ash loại F, loại C) và muội silic (silica fume) để tạo hiệu ứng puzolan và chèn lấp lỗ rỗng. Tuy nhiên, các trạm trộn thương phẩm tại Đông Nam Bộ hầu như không có thói quen sử dụng tro bay, còn muội silic thương phẩm (như Sikacrete PP1) có giá thành rất cao. Luận án đã giải quyết bài toán thực tế bằng cách thiết kế thành công cấp phối C60, C70, C80 đạt yêu cầu cường độ và độ sụt chỉ bằng xi măng pooclăng địa phương, đá bazan Bà Rịa, hỗn hợp cát sông kết hợp cát nghiền và phụ gia siêu dẻo giảm nước cao, hoàn toàn không cần tro bay và không muội silic.

3. Vì sao dầm I cánh rộng (Wide Flange Girder) được lựa chọn để thay thế dầm Super-T và dầm I truyền thống?
Dầm I 42 m truyền thống có bề rộng bản cánh nhỏ nên độ mảnh theo phương ngang lớn, dễ mất ổn định khi vận chuyển dọc. Dầm Super-T có vách mỏng và không có sườn dầm trung tâm để kéo xiên cốt thép dự ứng lực lên đầu dầm, khiến cốt đai chịu cắt ở gối cầu phải bố trí quá dày đặc và dễ gây nứt xiên. Tiết diện dầm I cánh rộng khắc phục triệt để các nhược điểm này nhờ bản cánh rộng tăng cường ổn định ngang trong quá trình thi công, sườn dầm đủ dày để bố trí cáp kéo xiên tham gia chịu cắt, đồng thời bầu dầm lớn cho phép bố trí mật độ cáp dự ứng lực cao để vượt nhịp lớn lên tới 60 m.

4. Dầm WF2300, WF1200 và WF800 được kiểm toán theo những trạng thái giới hạn nào trong luận án?
Các dầm được kiểm toán kết cấu theo các trạng thái giới hạn theo tiêu chuẩn thiết kế cầu LRFD, bao gồm: kiểm toán sức kháng mô men uốn tại mặt cắt nguy hiểm giữa nhịp ở trạng thái giới hạn cường độ; kiểm toán sức kháng cắt và kéo xiên tại các mặt cắt đầu dầm; kiểm toán ứng suất kéo và nén của thớ bê tông đáy và thớ bê tông đỉnh dầm ở trạng thái giới hạn sử dụng trong cả hai giai đoạn (giai đoạn truyền lực căng dự ứng lực ban đầu và giai đoạn khai thác chịu toàn bộ tĩnh tải cùng hoạt tải xe cộ); và kiểm toán độ võng đàn hồi dưới tác dụng của hoạt tải.

5. Kết quả so sánh kinh tế kỹ thuật ở nhịp 24 m và 33 m đã chỉ ra ưu thế gì của dầm I cánh rộng dùng bê tông cường độ cao?
Ở nhịp 24 m, phương án dầm I cánh rộng WF800 dùng bê tông cường độ cao có khả năng dự trữ sức kháng lớn hơn, đồng thời giảm đáng kể khối lượng bê tông và tĩnh tải bản thân so với dầm bản rỗng dự ứng lực. Ở nhịp 33 m, dầm WF1200 dùng bê tông cường độ cao vượt trội hơn dầm I33 truyền thống về chỉ tiêu dự trữ sức kháng uốn và kháng cắt, tối ưu hóa khối lượng thép dự ứng lực tiêu hao, giúp kết cấu thanh mảnh hơn và tăng tĩnh không phía dưới cầu.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Võ Vĩnh Bảo đã giải quyết thành công bài toán ứng dụng bê tông cường độ cao cấp 60 MPa đến 80 MPa từ nguồn vật liệu địa phương Đông Nam Bộ kết hợp với dạng kết cấu dầm I cánh rộng đúc sẵn nhịp giản đơn. Công trình đã cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm toàn diện về đặc trưng cơ lý vật liệu, quy trình thiết kế cấp phối không sử dụng tro bay giúp hạ giá thành, cùng hệ thống bảng tính kiểm toán kết cấu cho các dầm WF800, WF1200, WF2300. Kết quả nghiên cứu là tài liệu có giá trị khoa học và thực tiễn cao, trực tiếp phục vụ nhu cầu đầu tư xây dựng các nút giao khác mức, cầu vượt và đường trên cao nhằm tháo gỡ điểm nghẽn giao thông tại vùng kinh tế trọng điểm phía Nam.