Tổng quan luận án

Phát triển kết cấu hạ tầng giao thông là yêu cầu cấp thiết tại các đô thị lớn của Việt Nam, đặc biệt là khu vực kinh tế trọng điểm Đông Nam Bộ gồm Thành phố Hồ Chí Minh, Đồng Nai, Bình Dương, Bà Rịa - Vũng Tàu, Bình Phước và Tây Ninh. Với tốc độ gia tăng dân số và đô thị hóa nhanh (dân số toàn vùng năm 2010 đạt 14.566,5 nghìn người, chiếm 16,34% dân số cả nước; tỷ suất nhập cư tăng từ 10,3% năm 2005 lên 24,8% năm 2010), áp lực lên mạng lưới giao thông đường bộ ngày càng nghiêm trọng, thường xuyên xuất hiện ùn tắc tại các nút giao đồng mức và các trục liên kết vùng. Do quỹ đất đô thị hạn hẹp cùng chi phí giải phóng mặt bằng cao, giải pháp xây dựng cầu vượt nút giao khác mức và tuyến đường trên cao trở thành hướng phát triển tất yếu.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định xuất phát từ thực tiễn thiết kế công trình cầu tại Việt Nam nói chung và khu vực Đông Nam Bộ nói riêng: các dự án chủ yếu sử dụng bê tông cường độ thông thường từ 50 MPa trở xuống cho kết cấu dầm đúc sẵn, trong khi các dạng kết cấu dầm giản đơn truyền thống (dầm bản rỗng, dầm chữ T, dầm Super-T, dầm I) chỉ phù hợp với chiều dài nhịp dưới 40 m. Các giải pháp vượt nhịp lớn hơn như dầm chữ I 42 m gặp trở ngại do độ mảnh ngang lớn, dầm Super-T phát sinh ứng suất cắt lớn ở đầu dầm gây nứt xiên, còn dầm hộp bê tông cốt thép thi công đổ tại chỗ nhịp 50 m lại có chi phí cao và kéo dài thời gian thi công. Khoảng trống kỹ thuật về một dạng kết cấu dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn sử dụng bê tông cường độ cao ($60\text{--}80\text{ MPa}$) từ nguồn vật liệu địa phương để vượt nhịp kinh tế đến 60 m vẫn chưa được giải quyết đầy đủ.

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

  1. Nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ cao sử dụng vật liệu khu vực Đông Nam Bộ và thực nghiệm đánh giá một số đặc tính cơ học quan trọng của vật liệu (mô đun đàn hồi, cường độ chịu kéo khi uốn, phát triển cường độ theo thời gian) để phục vụ cho công tác thiết kế và chế tạo kết cấu dầm bê tông dự ứng lực.
  2. Phân tích và lựa chọn loại hình kết cấu dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn có khả năng ứng dụng với bê tông cường độ cao trong thiết kế chế tạo dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn sử dụng vật liệu khu vực Đông Nam Bộ.
  3. Ứng dụng tính toán thiết kế kết cấu dầm điển hình đối với loại hình dầm đã lựa chọn ở bước 2 sử dụng cấp phối bê tông ở bước 1 để ứng dụng trong các dự án giao thông trong khu vực Đông Nam Bộ.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  1. Về vật liệu: Nghiên cứu sử dụng nguồn vật liệu địa phương khu vực Đông Nam Bộ (đá dăm Bà Rịa - Vũng Tàu, cát sông Tân Châu kết hợp cát nghiền Phú Mỹ, xi măng thương phẩm và phụ gia hóa học) để thiết kế các cấp phối bê tông cường độ cao C60, C70, C80 phù hợp cho công nghệ chế tạo dầm đúc sẵn.
  2. Về kết cấu: Tập trung nghiên cứu kết cấu dầm I cánh rộng (Wide Flange Girder) bằng bê tông dự ứng lực đúc sẵn dạng nhịp giản đơn.
  3. Về tải trọng: Giới hạn trong phạm vi phân tích và kiểm toán bài toán chịu tải trọng tĩnh theo tiêu chuẩn thiết kế cầu.
  4. Về không gian và thời gian: Dữ liệu kinh tế - xã hội, quy hoạch giao thông và khảo sát nguồn vật liệu tập trung tại khu vực Đông Nam Bộ, số liệu công bố hoàn thành năm 2022.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án điểm lại các hướng nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến hai trụ cột chính: công nghệ bê tông cường độ cao và các dạng hình học kết cấu dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn.

Về tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông cường độ cao trên thế giới:

  • Xu hướng phát triển vật liệu: Bê tông cường độ cao (HSC), bê tông tính năng cao (HPC) và bê tông siêu tính năng (UHPC) đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi tại Mỹ, Đức, Pháp, Nhật Bản. Tại Mỹ, dải cường độ từ 70 MPa đến 128 MPa được hướng dẫn cụ thể bởi các tổ chức như Viện Bê tông Hoa Kỳ (ACI), Viện Bê tông Dự ứng lực Đúc sẵn (PCI), Viện Căng sau (PTI) và Cục Quản lý Đường cao tốc Liên bang (FHWA).
  • Các công trình tiêu biểu: Luận án thống kê các công trình cầu tại Mỹ sử dụng bê tông cường độ cao từ năm 1994 đến 2000, tiêu biểu như cầu vượt Louetta, Texas (1994--1998, dầm U54, bê tông dầm 69--90 MPa), cầu San Angelo, Texas (1995--1998, dầm AASHTO Type IV, bê tông dầm 40--102 MPa), cầu Charenton Canal tại Louisiana (dầm AASHTO Type III, bê tông 83 MPa), cầu Rio Puerco tại New Mexico (dầm BT-1600, bê tông 70 MPa). Tại Pháp, hơn 100 công trình cầu sử dụng bê tông cường độ 55--80 MPa như cầu Normandy, cầu Millau, cầu Chavanon, cầu đúc hẫng TGV Avignon. Tại Đức có các cầu Muldenbrücke ở Glauchau, cầu Havel ở Brandenburg; tại Nhật Bản sử dụng bê tông cường độ lên đến 120 MPa (cầu đi bộ AKIBA) và bê tông tự đầm 80 MPa.

Về sự phát triển các loại hình kết cấu dầm đúc sẵn trên thế giới:

  • Dầm I định hình của AASHTO (Kiểu I đến VI).
  • Dầm Bulb-Tee: Phát triển từ những năm 1950 tại Mỹ với chiều cao trên 2 m, bố trí được nhiều cáp dự ứng lực ở bầu dầm và tận dụng bê tông cường độ cao ở cánh trên chịu nén.
  • Dầm I cánh rộng (Wide Flange Girder): Phát triển tại Mỹ khoảng 30 năm gần đây nhằm cải tiến dầm I và dầm Bulb-Tee, tăng độ ổn định thi công, tăng diện tích bố trí cáp và chiều cao có thể đạt tới 3 m.
  • Dầm U-Beam, dầm Bath-Tub và dầm Pi dùng bê tông UHPC (nhịp định hình 26,5 m do FHWA đề xuất).

Về thực tiễn ứng dụng tại Việt Nam:

  • Các dạng dầm phổ biến: Thống kê cho thấy dầm bản rỗng (9--24 m), dầm T (24--33 m), dầm I (18,6--42 m) và dầm Super-T (38,2 m) chủ yếu chỉ sử dụng bê tông có cấp cường độ từ 40 MPa đến 50 MPa.
  • Năng lực chế tạo: Các nhà máy bê tông khu vực phía Nam (Bê tông 6, Tiền Phong, Sino-Pacific, Bê tông ly tâm Thủ Đức, IBS, Phan Vũ) và các trạm trộn thương phẩm (Holcim, Lê Phan, FTC, Saigon-RDC, FiCO-PanU) đã làm chủ công nghệ sản xuất bê tông $60\text{--}80\text{ MPa}$ nhưng hầu như chỉ ứng dụng sản xuất cọc ống ly tâm, cọc ván dự ứng lực, chưa triển khai thiết kế và chế tạo dầm cầu.

Khoảng trống luận án giải quyết: Luận án kết nối giữa năng lực sản xuất vật liệu thực tế tại chỗ và nhu cầu kết cấu cầu vượt nhịp lớn trong đô thị: thiết kế cấp phối tối ưu $60\text{--}80\text{ MPa}$ bằng vật liệu địa phương không sử dụng tro bay/muội silic, xác định các đặc trưng cơ học thực nghiệm phục vụ tính toán, đồng thời đề xuất dầm I cánh rộng (Wide Flange Girder) thay thế cho các loại dầm hiện hữu nhằm mở rộng dải khẩu độ nhịp kinh tế lên đến 60 m.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp giữa phương pháp thực nghiệm vật liệu trong phòng thí nghiệm và phương pháp mô hình hóa tính toán kết cấu công trình theo các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.

Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

  • Cơ chế hình thành cường độ bê tông cao: Giảm tỷ số nước/chất kết dính ($N/X$) thông qua phụ gia giảm nước tầm cao thế hệ mới (gốc Polycarboxylate thế hệ 2 và thế hệ 3), kết hợp sắp xếp thành phần hạt đặc chắc để hạn chế tối đa lỗ rỗng mao dẫn.
  • Tiêu chuẩn thiết kế cấp phối: Tiêu chuẩn ACI 211.4R-08 của Viện Bê tông Hoa Kỳ (quy trình 11 bước), tham chiếu tiêu chuẩn TCVN 10306:2014 và phương pháp thiết kế cấp phối DOE (1988) của Vương quốc Anh.
  • Tiêu chuẩn thí nghiệm vật liệu: TCVN 7572-2:2006, TCVN 7572-11:2006, TCVN 7570:2006; các tiêu chuẩn của Hiệp hội Thử nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ gồm ASTM C29, ASTM C33/C33M, ASTM C117, ASTM C127, ASTM C136/C136M, ASTM C142, ASTM C618, ASTM C1240, ASTM D4791.
  • Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu dầm cầu: Tiêu chuẩn thiết kế cầu theo hệ số tải trọng và sức kháng (AASHTO LRFD / TCVN 11823) cùng các sổ tay hướng dẫn thiết kế cầu (Bridge Design Manual - BDM) của các cơ quan giao thông bang California, Washington, Nebraska (Hoa Kỳ).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và thu thập dữ liệu

  • Đánh giá và tuyển chọn vật liệu địa phương:
    • Cốt liệu thô: Đá dăm bazan khai thác từ mỏ tại Bà Rịa - Vũng Tàu (cỡ hạt $10\text{--}20\text{ mm}$), xác định các chỉ tiêu cơ lý (tỉ khối, độ thoi dẹt, hàm lượng bụi bùn sét, độ nén dập mác đá đạt 140 MPa).
    • Cốt liệu mịn: Do cát sông Tiền (Tân Châu - An Giang) có mô đun độ lớn thấp ($\approx 1,0$), luận án tiến hành phối trộn cát sông với cát nghiền Phú Mỹ (Bà Rịa - Vũng Tàu) theo các tỷ lệ 50:50, 60:40, 70:30 để lựa chọn tỷ lệ thành phần hạt tối ưu đáp ứng cả TCVN 7572-2:2006 và ASTM C33.
    • Chất kết dính và phụ gia: Sử dụng xi măng pooclăng thương phẩm sẵn có trên thị trường miền Nam (Holcim, Hà Tiên, Cotec), phụ gia giảm nước cao cấp SIKA/BASF, không dùng phụ gia khoáng tro bay và muội silic nhằm tối ưu hóa chi phí sản xuất ở cấp cường độ $60\text{--}80\text{ MPa}$.
  • Thí nghiệm cơ tính bê tông:
    • Cường độ chịu nén mẫu trụ ($150 \times 300\text{ mm}$) ở các ngày tuổi 1, 3, 5, 7 và 28 ngày để đánh giá tốc độ phát triển cường độ phục vụ công tác truyền ứng lực trước.
    • Khối lượng thể tích và cường độ chịu kéo khi uốn ($f_r$) trên mẫu dầm.
    • Mô đun đàn hồi tĩnh ($E_c$) bằng thiết bị gá nén đo biến dạng chuyên dụng.
    • Quan hệ ứng suất - biến dạng ($\sigma\text{--}\epsilon$) nén dọc trục thông qua thiết bị đo biến dạng điện trở (strain gauge) gắn trên mẫu nén, thu thập dữ liệu tự động để xác định biểu đồ ứng suất vùng nén.

Phương pháp phân tích và kiểm toán kết cấu

  • Lựa chọn kích thước hình học mặt cắt dầm I cánh rộng định hình (WF800, WF1200, WF2300).
  • Tính toán phân tích nội lực, kiểm toán các trạng thái giới hạn uốn (sức kháng uốn, mô men nứt), kiểm toán sức kháng cắt, kiểm toán ứng suất thớ trên/thớ dưới ở các giai đoạn thi công và khai thác, cùng kiểm toán độ võng đàn hồi theo tải trọng thiết kế.
  • Phân tích hiệu quả kinh tế - kỹ thuật: So sánh đối chứng phương án dầm I cánh rộng bê tông cường độ cao với các kết cấu nhịp dầm bản dự ứng lực ($L = 24\text{ m}$) và dầm I bê tông dự ứng lực thông thường ($L = 33\text{ m}$) về chỉ tiêu dự trữ sức kháng và khối lượng vật liệu tiêu hao.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 phân tích bức tranh tổng thể về điều kiện kinh tế - xã hội, nhu cầu phát triển hạ tầng giao thông vùng Đông Nam Bộ và hiện trạng công nghệ dầm cầu bê tông dự ứng lực đúc sẵn.

  • Thực trạng giao thông: Đông Nam Bộ là đầu tàu kinh tế, đóng góp trên 50% ngân sách và 1/3 GDP cả nước. Quá trình đô thị hóa nhanh tại TP.HCM, Bình Dương, Đồng Nai kéo theo sự gia tăng phương tiện cá nhân, dẫn đến quá tải tại các nút giao trọng điểm (Sóng Thần, Linh Xuân - Linh Trung, ngã tư 621, Cát Lái...). Mục tiêu quy hoạch vùng đặt ra yêu cầu xây dựng các tuyến cao tốc, đường vành đai 3, vành đai 4 và các trục cầu vượt đô thị.
  • Hiện trạng công nghệ dầm cầu: Luận án lập bảng thống kê các loại dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn phổ biến ở Việt Nam:
STT Dạng dầm cầu Nhịp điển hình (m) Phương thức chế tạo
1 Dầm bản rỗng 9; 12; 15; 18; 21; 24 Dự ứng lực căng trước
2 Dầm tiết diện chữ T 24; 33 Dự ứng lực căng sau
3 Dầm tiết diện chữ I 18,6; 24,54; 33; 42 Dự ứng lực căng trước và căng sau
4 Dầm tiết diện Super-T 38,2 Dự ứng lực căng trước
5 Dầm T ngược 25 Dự ứng lực căng trước
  • Đánh giá hạn chế: Hầu hết các loại dầm trên bị giới hạn chiều dài nhịp dưới 40 m. Dầm I 42 m có độ mảnh ngang lớn khó vận chuyển; dầm Super-T không có sườn nghiêng để kéo xiên cáp chịu cắt ở đầu dầm nên cốt thép đai rất dày, dễ nứt xiên; dầm hộp đổ tại chỗ nhịp 50 m có giá thành cao.
  • Xu hướng quốc tế: Phân tích các dạng dầm Bulb-Tee, dầm I cánh rộng, dầm U-Beam, dầm Bath-Tub và việc ứng dụng bê tông cường độ $60\text{--}100\text{ MPa}$ tại Mỹ, Pháp, Đức, Nhật Bản.
  • Định hướng nghiên cứu: Xác lập mục tiêu sử dụng bê tông cường độ cao $60\text{--}80\text{ MPa}$ từ vật liệu địa phương Đông Nam Bộ kết hợp với dạng hình học dầm I cánh rộng để giải quyết bài toán dầm nhịp giản đơn khẩu độ lớn đến 60 m.

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 quy trình thiết kế cấp phối và kết quả thí nghiệm cơ lý của bê tông cường độ cao từ nguồn vật liệu địa phương:

  • Tuyển chọn thành phần hạt:
    • Cốt liệu thô: Đá dăm bazan Bà Rịa - Vũng Tàu đạt mác nén dập 140 MPa theo TCVN 7570:2006, hàm lượng hạt thoi dẹt thấp (3,18%), khối lượng thể tích xốp lèn chặt $1647\text{ kg/m}^3$.
    • Cốt liệu mịn: Cát sông Tân Châu (An Giang) có mô đun nhỏ được phối trộn với cát nghiền Phú Mỹ (Bà Rịa - Vũng Tàu). Kết quả phân tích đường cong cấp phối cho thấy tỷ lệ phối trộn 60% cát sông + 40% cát nghiền đảm bảo các tiêu chuẩn TCVN 7572-2:2006 và ASTM C33/C33M.
  • Thiết kế cấp phối: Dựa trên hướng dẫn ACI 211.4R-08, thiết kế và hiệu chỉnh thành công 3 cấp phối C60, C70, C80 không dùng tro bay và muội silic:
Thành phần vật liệu / Đặc trưng Cấp phối C60 Cấp phối C70 Cấp phối C80
Xi măng ($\text{kg/m}^3$) 450 480 510
Nước ($\text{kg/m}^3$) 140 134 128
Tỷ lệ $N/X$ 0,31 0,28 0,25
Cát hỗn hợp 60/40 ($\text{kg/m}^3$) 680 665 645
Đá dăm Bà Rịa ($\text{kg/m}^3$) 1180 1185 1190
Phụ gia siêu dẻo (% theo lượng xi măng) 1,2 1,4 1,6
Độ sụt hỗn hợp ban đầu (cm) $18\text{--}20$ $18\text{--}20$ $18\text{--}20$
  • Kết quả thí nghiệm cơ lý:
    • Cường độ chịu nén 28 ngày: Cấp C60 đạt $65,2\text{ MPa}$, C70 đạt $74,8\text{ MPa}$, C80 đạt $83,6\text{ MPa}$ trên mẫu trụ tiêu chuẩn.
    • Tốc độ phát triển cường độ sớm: Ở 1 ngày tuổi đạt $35\text{--}40%$ cường độ thiết kế; ở 3 ngày tuổi đạt $60\text{--}70%$; ở 7 ngày tuổi đạt $80\text{--}85%$, đáp ứng yêu cầu truyền lực căng dự ứng lực sớm trong nhà máy.
    • Khối lượng thể tích bê tông đạt $2450\text{--}2480\text{ kg/m}^3$.
    • Cường độ kéo khi uốn $f_r$ và mô đun đàn hồi $E_c$: Mô đun đàn hồi $E_c$ thực nghiệm dao động từ $36,5\text{ GPa}$ (C60) đến $41,2\text{ GPa}$ (C80). Luận án đề xuất phương trình thực nghiệm tính toán $E_c$ và $f_r$ phù hợp riêng cho nguồn bê tông sử dụng vật liệu Đông Nam Bộ.
    • Quan hệ ứng suất - biến dạng ($\sigma\text{--}\epsilon$): Đường cong nén dọc trục thể hiện tính chất làm việc giòn hơn so với bê tông thông thường, đoạn tuyến tính kéo dài đến xấp xỉ $80\text{--}85%$ cường độ cực đại, biến dạng cực hạn $\varepsilon_{cu}$ đạt trong khoảng $0,0030\text{--}0,0033$.

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 tập trung vào thiết kế hình học và tính toán kiểm toán kết cấu nhịp dầm I cánh rộng:

  • Lựa chọn dạng hình học: Dựa trên kinh nghiệm các bang California, Washington, Nebraska, dầm I cánh rộng (Wide Flange Girder) được lựa chọn nhờ ưu điểm: cánh trên rộng tăng độ ổn định ngang khi vận chuyển cẩu lắp, bầu dưới lớn cho phép bố trí mật độ cáp căng trước/căng sau cao, sườn dầm mỏng giúp giảm tải trọng bản thân.
  • Đề xuất 3 tiết diện định hình:
    • WF800: Chiều cao dầm $800\text{ mm}$, phù hợp cho khẩu độ nhịp $15\text{--}24\text{ m}$.
    • WF1200: Chiều cao dầm $1200\text{ mm}$, phù hợp cho khẩu độ nhịp $24\text{--}35\text{ m}$.
    • WF2300: Chiều cao dầm $2300\text{ mm}$, thiết kế cho các nhịp lớn $40\text{--}60\text{ m}$.
  • Kết quả tính toán kiểm toán: Thực hiện kiểm toán toàn diện cho các dầm WF2300, WF1200, WF800 kết hợp với các cấp phối bê tông C60, C70, C80 (và so sánh đối chứng với bê tông C50):
    • Trạng thái giới hạn cường độ: Sức kháng uốn ($M_r$) và sức kháng cắt ($V_r$) đều thỏa mãn với hệ số an toàn cao. Việc tăng cấp bê tông từ C60 lên C80 giúp tăng đáng kể sức kháng cắt tại vùng đầu dầm.
    • Trạng thái giới hạn sử dụng: Kiểm toán ứng suất kéo và nén ở các thớ biên bê tông trong tất cả các giai đoạn (truyền lực, vận chuyển, cẩu lắp, đổ bê tông bản mặt cầu và khai thác có hoạt tải) đều nằm trong giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD.
    • Độ võng và biến dạng: Nhờ mô đun đàn hồi $E_c$ cao của bê tông cường độ cao, độ võng dài hạn và độ vồng tức thời của dầm được kiểm soát tốt.

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 phân tích so sánh kinh tế - kỹ thuật thông qua hai bài toán đối chứng cụ thể:

  • Trường hợp 1 (Khẩu độ nhịp $24\text{ m}$): So sánh phương án kết cấu nhịp sử dụng dầm I cánh rộng WF800 (bê tông C60/C70) với phương án dầm bản rỗng bê tông dự ứng lực thông thường.
    • Dự trữ sức kháng: Dầm WF800 có dự trữ sức kháng uốn và cắt vượt trội so với dầm bản rỗng cùng chiều dài nhịp.
    • Tiêu hao vật liệu: Sử dụng dầm WF800 giảm đáng kể khối lượng bê tông đúc dầm (giảm $30\text{--}40%$), giảm tải trọng tĩnh tác dụng xuống mố trụ và móng công trình.
  • Trường hợp 2 (Khẩu độ nhịp $33\text{ m}$): So sánh phương án dầm I cánh rộng WF1200 (bê tông C70/C80) với phương án dầm chữ I 33 m truyền thống (bê tông 40--50 MPa).
    • Tối ưu hóa số lượng dầm: Nhờ khả năng chịu lực cao của dầm WF1200, khoảng cách giữa các dầm chủ có thể mở rộng từ $2,1\text{ m}$ lên $2,6\text{--}2,8\text{ m}$, qua đó giảm bớt số lượng phiến dầm trên một mặt cắt ngang cầu.
    • Khối lượng vật liệu: Giảm lượng cốt thép dự ứng lực tổng thể, giảm thời gian lắp đặt và chi phí bảo trì.
  • Các lợi ích kỹ thuật khác: Tăng khả năng vượt nhịp lên đến $50\text{--}60\text{ m}$ bằng dầm WF2300 mà các dạng dầm Super-T hay dầm I cũ không thể đáp ứng kinh tế, giảm số lượng trụ cầu trong đô thị, tăng tĩnh không thông thuyền/thông xe và nâng cao tính thẩm mỹ công trình.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án nêu các đóng góp mới về mặt học thuật và thực tiễn kỹ thuật:

Đóng góp về lý luận và khoa học

  1. Đã thiết lập được cơ sở dữ liệu thực nghiệm hoàn chỉnh về các đặc trưng cơ lý của bê tông cường độ cao $60\text{--}80\text{ MPa}$ chế tạo hoàn toàn từ nguồn cốt liệu địa phương khu vực Đông Nam Bộ (đá dăm bazan Bà Rịa, cát sông kết hợp cát nghiền Phú Mỹ).
  2. Xây dựng và đề xuất các công thức thực nghiệm tính toán mô đun đàn hồi $E_c$, cường độ chịu kéo khi uốn $f_r$ và phương trình biểu diễn quan hệ ứng suất - biến dạng ($\sigma\text{--}\epsilon$) nén dọc trục phản ánh chính xác sự làm việc của bê tông cường độ cao khu vực Đông Nam Bộ.

Đóng góp về mặt thực tiễn

  1. Chứng minh tính khả thi về công nghệ và tính kinh tế trong việc sản xuất đại trà bê tông $60\text{--}80\text{ MPa}$ mà không cần dùng đến tro bay hay muội silic nhập khẩu đắt tiền.
  2. Thiết lập bộ thông số hình học và quy trình kiểm toán hoàn chỉnh cho 3 loại dầm I cánh rộng định hình (WF800, WF1200, WF2300) ứng dụng bê tông cường độ cao, bổ sung giải pháp dầm đúc sẵn nhịp lớn $40\text{--}60\text{ m}$ cho mạng lưới giao thông vùng Đông Nam Bộ.
  3. Cung cấp các số liệu định lượng về việc tiết giảm khối lượng vật liệu bê tông và cốt thép dự ứng lực, giảm tải trọng tác dụng lên mố trụ so với các kết cấu dầm truyền thống (dầm bản, dầm chữ I, dầm Super-T).

Kiến nghị và đề xuất

  • Đề xuất các cơ quan quản lý giao thông và các đơn vị tư vấn thiết kế tại TP.HCM và các tỉnh Đông Nam Bộ đưa giải pháp dầm I cánh rộng bê tông cường độ cao vào danh mục kết cấu điển hình trong các dự án nút giao khác mức và đường trên cao.
  • Kiến nghị các nhà máy sản xuất cấu kiện đúc sẵn trong khu vực chuyển giao và áp dụng quy trình cấp phối bê tông C60--C80 để sản xuất dầm cầu quy mô công nghiệp.
  • Bổ sung các chỉ dẫn thiết kế cho bê tông cường độ trên 50 MPa vào tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ hiện hành.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và đối tượng nghiên cứu đã xác lập, luận án ghi nhận các giới hạn kỹ thuật:

  • Phạm vi tải trọng: Luận án chỉ giới hạn ở bài toán kiểm toán tải trọng tĩnh; các ứng xử dưới tác dụng của tải trọng động, tải trọng gió, động đất và tải trọng mỏi lặp lại chưa được mô hình hóa chuyên sâu.
  • Đặc trưng vật liệu dài hạn: Chưa thực hiện các thí nghiệm đo đạc biến dạng co ngót và từ biến dài hạn của bê tông cường độ cao trong điều kiện khí hậu nóng ẩm đặc thù của Đông Nam Bộ.
  • Dải cường độ và loại hình kết cấu: Nghiên cứu dừng lại ở mức cường độ 80 MPa và sơ đồ nhịp giản đơn; chưa nghiên cứu cho bê tông tính năng siêu cao (UHPC trên 120 MPa) và sơ đồ kết cấu dầm liên tục nhiệt hoặc liên tục nhiều nhịp.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được gợi mở bao gồm:

  1. Tiếp tục nghiên cứu thực nghiệm đánh giá hiện tượng từ biến, co ngót và độ bền lâu của bê tông cường độ cao C60--C80 trong môi trường xâm thực ven biển (khu vực Bà Rịa - Vũng Tàu, Cần Giờ).
  2. Nghiên cứu giải pháp liên tục hóa kết cấu nhịp cầu sử dụng dầm I cánh rộng để tăng chiều dài nhịp và độ êm thuận khi khai thác.
  3. Phân tích phản ứng động lực học của dầm I cánh rộng dưới tác dụng của tải trọng đoàn xe chạy nhanh trên đường trên cao.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn cho nhiều đối tượng trong lĩnh vực xây dựng công trình giao thông:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Cầu Hầm, Kỹ thuật Công trình Giao thông: Tham khảo phương pháp thiết kế cấp phối bê tông cường độ cao theo ACI 211.4R-08, phương pháp bố trí thí nghiệm cơ lý chuyên sâu ($E_c, f_r, \sigma\text{--}\epsilon$) và quy trình kiểm toán dầm bê tông dự ứng lực theo AASHTO LRFD.
  • Kỹ sư thiết kế và các công ty tư vấn xây dựng công trình cầu: Sử dụng trực tiếp bộ số liệu kích thước hình học định hình của dầm WF800, WF1200, WF2300 và các biểu đồ kiểm toán nội lực để lựa chọn phương án kết cấu nhịp vượt khẩu độ từ 15 m đến 60 m.
  • Các nhà máy sản xuất bê tông và cấu kiện đúc sẵn: Ứng dụng công thức cấp phối C60, C70, C80 sử dụng cốt liệu địa phương Đông Nam Bộ (đá bazan Bà Rịa, phối trộn cát sông và cát nghiền Phú Mỹ 60:40) để sản xuất dầm đúc sẵn quy mô công nghiệp mà không phụ thuộc vào muội silic đắt tiền.
  • Các cơ quan quản lý nhà nước về quy hoạch và hạ tầng đô thị: Làm căn cứ kỹ thuật để thẩm định, phê duyệt các giải pháp kết cấu cầu vượt đô thị, đường trên cao tiết kiệm quỹ đất và giảm chi phí đầu tư xây dựng.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án đề xuất tỷ lệ phối trộn cốt liệu mịn là 60% cát sông và 40% cát nghiền?

Cát sông khai thác từ sông Tiền (Tân Châu - An Giang) có mô đun độ lớn nhỏ ($\approx 1,0$), hạt mịn, không đáp ứng yêu cầu kỹ thuật để chế tạo bê tông cường độ cao nếu sử dụng đơn lẻ. Khi phối trộn với cát nghiền Phú Mỹ (Bà Rịa - Vũng Tàu) có mô đun độ lớn cao, các kết quả thí nghiệm thành phần hạt cho thấy tỷ lệ 60% cát sông kết hợp 40% cát nghiền là tỷ lệ tối ưu, đưa đường cong cấp phối nằm hoàn toàn trong giới hạn cho phép của cả hai tiêu chuẩn TCVN 7572-2:2006 và ASTM C33/C33M.

2. Vì sao luận án định hướng thiết kế cấp phối C60 đến C80 không sử dụng tro bay và muội silic?

Muội silic (silica fume) dạng thương phẩm có giá thành cao, làm tăng chi phí sản xuất bê tông, thường chỉ cần thiết cho cấp cường độ từ 100 MPa trở lên. Trong khi đó, các trạm trộn bê tông tại khu vực Đông Nam Bộ hiện nay ít sử dụng tro bay trong sản xuất bê tông cường độ cao. Bằng cách sử dụng phụ gia siêu dẻo giảm nước tầm cao gốc Polycarboxylate và kiểm soát tỷ lệ $N/X$ trong khoảng 0,25--0,31, luận án đã đạt được cường độ nén $60\text{--}80\text{ MPa}$ bằng 100% xi măng pooclăng, giúp giảm giá thành sản phẩm và tạo điều kiện thuận lợi cho sản xuất đại trà.

3. Những nhược điểm chính của dầm Super-T và dầm chữ I truyền thống mà dầm I cánh rộng khắc phục được là gì?

Dầm chữ I truyền thống (như I 42 m) có độ mảnh theo phương ngang lớn, dễ mất ổn định khi cẩu lắp và vận chuyển. Dầm Super-T có bản vách mỏng dễ mất ổn định cục bộ và không có sườn nghiêng để bố trí cáp kéo xiên ở đầu dầm, dẫn đến mật độ cốt thép đai chịu cắt quá dày, khó đầm bê tông và dễ gây nứt xiên. Dầm I cánh rộng (Wide Flange Girder) khắc phục được cả hai nhược điểm này: cánh trên rộng tăng ổn định ngang, bầu dầm lớn bố trí được nhiều cáp và sườn dầm cho phép bố trí cốt thép chịu cắt hiệu quả.

4. Luận án đề xuất những loại kích thước tiết diện dầm I cánh rộng nào và phạm vi áp dụng chiều dài nhịp ra sao?

Luận án nghiên cứu và đề xuất 3 loại tiết diện dầm I cánh rộng định hình:

  • Dầm WF800 (chiều cao $800\text{ mm}$): Áp dụng cho dải nhịp ngắn từ $15\text{ m}$ đến $24\text{ m}$.
  • Dầm WF1200 (chiều cao $1200\text{ mm}$): Áp dụng cho dải nhịp trung bình từ $24\text{ m}$ đến $35\text{ m}$.
  • Dầm WF2300 (chiều cao $2300\text{ mm}$): Áp dụng cho dải nhịp lớn từ $40\text{ m}$ đến $60\text{ m}$.

5. Kết quả kiểm toán dầm I cánh rộng dùng bê tông cường độ cao thể hiện ưu thế gì so với bê tông thông thường C50?

So với bê tông C50, việc sử dụng bê tông C60--C80 cho dầm I cánh rộng làm tăng đáng kể sức kháng uốn và sức kháng cắt của tiết diện, cho phép tăng khoảng cách đặt dầm trên mặt cắt ngang cầu (giảm số lượng phiến dầm), giảm độ võng đàn hồi nhờ mô đun $E_c$ lớn hơn, đồng thời cho phép truyền ứng lực trước ở ngày tuổi sớm (1--3 ngày) giúp rút ngắn chu kỳ quay vòng ván khuôn tại nhà máy đúc dầm.

Kết luận

Luận án đã giải quyết thành công bài toán nghiên cứu ứng dụng bê tông cường độ cao cấp $60\text{--}80\text{ MPa}$ sử dụng hoàn toàn nguồn vật liệu địa phương khu vực Đông Nam Bộ kết hợp với kết cấu dầm I cánh rộng dự ứng lực đúc sẵn. Thông qua hệ thống thực nghiệm bài bản, tác giả đã chứng minh tính khả thi của cấp phối không sử dụng silica fume, xây dựng các công thức tính toán đặc trưng cơ học ($E_c, f_r, \sigma\text{--}\epsilon$) và hoàn thiện các phương án thiết kế kiểm toán dầm định hình WF800, WF1200, WF2300. Kết quả nghiên cứu khẳng định giải pháp dầm I cánh rộng bê tông cường độ cao mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật rõ rệt, tiết kiệm khối lượng vật liệu, đồng thời lấp đầy khoảng trống kỹ thuật đối với kết cấu nhịp giản đơn đúc sẵn vượt khẩu độ $40\text{--}60\text{ m}$ phục vụ phát triển hạ tầng giao thông đô thị vùng Đông Nam Bộ.