Kết cấu nhịp cầu dầm hộp thép

Cầu là công trình nhân tạo được xây dựng và sử dụng suốt chiều dài lịch sử của loài người. Cổ điển là các công trình cầu gỗ, đá, bê tông hiện nay hiện đại hơn là các cây cầu thép. Kiểu kết cấu hiện đại hiện nay mà người thiết kế đang hướng tới chính là kết cấu cầu dầm hộp thép liên hợp. Nội dung phần này sẽ trình bày cho các bạn hiểu hơn về kết cầu cầu dầm hộp thép

GIẢI PHÁP CẦU DẦM HỘP THÉP LIÊN HỢP BẢN BÊ TÔNG CỐT THÉP ÁP DỤNG CHO CÁC CẦU VƯỢT NÚT GIAO ĐÔ THỊ

Kỹ sư LƯU HÙNG CƯỜNG Trung tâm tin học tư vấn công trình GTVT (TEDI-CITEC)

Tổng Công ty TVTK GTVT Giới thiệu

Giải pháp dầm thép I liên hợp bản bê tông cốt thép đã được nghiên cứu và ứng dụng thực tế đã trở nên phổ biến Tuy nhiên do những hạn chế về khả năng vượt nhịp, tính thẩm mỹ, khả năng áp dụng trong cầu cong, chéo…đòi hỏi thực tế cần phải có giải pháp kết cấu bổ khuyết cho những nhược điểm đó Khoảng 15 năm trở lại đây các dự

án nghiên cứu được tài trợ nhằm tìm hiểu một số cấu tạo điển hình và đặc trưng ứng

xử của loại hình cầu dầm hộp thép liên hợp bước đầu góp phần hình thành tư duy thiết

kế và áp dụng loại hình kết cấu này trong thực tế Trên cơ sở tiếp thu những thành quả nghiên cứu và vận dụng trong điều kiện Việt Nam, nhóm thiết kế đã mạnh dạn tìm hiểu đưa vào các dự án cầu vượt trong đô thị tại các nút giao thông Hà Nội

1.1 TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP DẦM HỘP THÉP BẢN BÊ TÔNG LIÊN HỢP CHO CẦU TRONG NÚT GIAO ĐÔ THỊ

Hình 1 Mặt cắt ngang điển hình

Việc lựa chọn giải pháp công trình cầu trong đô thị cần xem xét đến các yêu cầu: (1) Giải pháp kết cấu mang tính thẩm mỹ cao, áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật trong xây dựng công trình giao thông trên cơ sở khả năng và thiết bị của các đơn vị thi công trong nước (2) Thời gian thi công ngắn, thi công thuận lợi, tính cơ giới cao (3) Đảm bảo giao thông thông suốt không bị ảnh hưởng trong quá trình thi công (4) Chiều cao kết cấu, tĩnh không dưới cầu, chiều dài cầu, bán kính cong nằm đường tim cầu….bị hạn chế (5)

Thuận tiện cho công tác duy tu bảo dưỡng (6) Đa dạng hóa loại hình kết cấu cầu ở Việt Nam

Giải pháp dầm hộp thép liên hợp đáp ứng được các yêu cầu trên với các ưu điểm nổi bật về khả năng vượt nhịp, độ cứng chống xoắn lớn, tính thẩm mỹ cao, độ bền và khả năng duy tu bảo dưỡng tốt

Hình thức cấu tạo dầm hộp thép phức tạp hơn dầm I, vì vậy yêu cầu cao kỹ năng tay nghề công nhân khi chế tạo và lắp dựng, hơn nữa trọng lượng mỗi đơn nguyên dầm hộp thép thường lớn hơn dầm I nên giá thành thiết bị lắp dựng và cẩu lắp cao hơn Nhưng

so với hệ nhịp dầm I, hệ nhịp dầm hộp thép cần ít dầm chủ, dầm ngang, hệ giằng hơn, do

đó giảm giá thành chế tạo, đồng thời cũng giảm được thời gian lắp dựng tại hiện trường từ

đó giảm chi phí chung

Đặc điểm của loại dầm này là độ cứng chống xoắn lớn nên rất phù hợp với cầu cong trong các nút giao, nhánh ramps Hai cầu đã xây dựng ở Mỹ có bán kính cong rất nhỏ là 45m ( tại bang Masachusetts-1960) và 55m (cầu cảng sân bay Dallas-1970) Tuy nhiên cũng cần lưu ý khó khăn trong chế tạo đối với cầu vừa cong đứng, cong nằm, siêu cao, chéo khi so sánh với các dạng cầu khác

Một ưu điểm nổi bật của cầu dầm hộp thép là tính thẩm mỹ khác biệt với cầu dầm I liên hợp, hệ thống giằng, sườn tăng cường, các tiện ích và thành phần khác nằm

“khuất” trong lòng hộp, không bị phô ra vừa gây “rối mắt” đồng thời (1) giảm thiểu nguy

cơ bụi bẩn và các tác động ăn mòn trực tiếp của môi trường do được “bảo vệ” trong lòng hộp từ đó giảm được chi phí hệ sơn phủ (2) thuận lợi cho công tác kiểm tra, duy tu ngay trong lòng hộp

1.2 CẤU TẠO ĐIỂN HÌNH VÀ LỰA CHỌN CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA KẾT CẤU NHỊP

Việc thiết kế dầm hộp thép liên hợp

thông thường gồm 2 giai đoạn cần xem xét:

giai đoạn dầm hộp thép “kín tương đương”

chịu tải trọng trong quá trình thi công và giai

đoạn dầm hộp thép liên hợp trong khai thác

chịu hoạt tải

Hình 2 Thành phần cấu tạo hộp thép

1.2.1 Tỉ lệ chiều cao/chiều dài nhịp (Depth to span ratios)

So với dầm I, dầm hộp thép có cường độ kháng uốn cao hơn vì vậy phù hợp với khẩu độ nhịp lớn hơn Nhịp vượt hiệu quả khoảng từ 45-100m Khẩu độ nhịp của dạng kết cấu này đã đạt 160m (cầu vượt sông Kanawha bang Viginia – Mỹ)

Hiện ASSHTO chưa có khuyến nghị cụ thể về tỉ lệ chiều cao/chiều dài nhịp đối với dầm hộp thép, tuy nhiên có thể tham khảo tỉ lệ này theo khuyến nghị của ASSHTO cho dầm I ở điều 2.5.2.6.3 chiều cao dầm tối thiểu 0.04L cho nhịp giản đơn và 0.032L cho nhịp liên tục Việc lựa chọn chiều cao dầm cần xem xét (1) định tính ứng xử kết cấu- khi chịu tác động uốn theo phương đứng có thể coi dầm hộp thép như hai dầm I đơn, đối với tác động xoắn dầm hộp thép lớn hơn rất nhiều so với dầm I khoảng từ 100-1000 lần

(Heins and Hall 1981) (2) khuyến nghị về chiều cao sườn dầm tối thiểu đảm bảo không

gian cho công tác kiểm tra duy tu sau này, ứng với chiều cao này khẩu độ nhịp khoảng 45m cho nhịp giản đơn và khoảng 60m cho nhịp liên tục

1.2.2 Bề rộng dầm và khoảng cách dầm (Girder width and spacing)

Giới hạn cận dưới bề rộng dầm được khuyến nghị khoảng 1.2(m) đảm bảo đủ không gian xoay sở cho công nhân khi chế tạo hoàn thiện các chi tiết cấu tạo giằng, sườn tăng cường… trong lòng hộp thép

Giới hạn cận trên của bề rộng dầm và khoảng cách dầm được xem xét dựa trên các yếu tố :

+ Bề rộng bản đáy: Việc phải bổ sung hệ sườn tăng cường dọc và sườn tăng cường ngang cho bản đáy có kích thước lớn để đảm bảo ổn định có thể làm tăng cao chi phí sản xuất dầm

+ Chiều dài nhịp tính toán của bản mặt cầu: nhịp tính toán bản mặt cầu lớn gây khó khăn cho việc cấu tạo tấm ván khuôn bản mặt cầu để lại khi thi công bản

+ Khả năng vận chuyển dầm từ xưởng chế tạo ra công trường của phương tiện vận tải hiện tại Một vài khuyến nghị chỉ ra với bề rộng dầm lớn hơn 3.6(m) công tác vận chuyển là rất khó khăn

ASSHTO khuyến nghị khoảng cách tim đến tim của các bản cánh của các hộp liền kề, a, lấy ở giữa nhịp Phải không lớn hơn 120% hoặc không nhỏ hơn 80%, khoảng cách tim đến tim của các bản cánh của mỗi hộp liền kề, W Thêm vào yêu cầu giữa nhịp, nơi mà các mặt cắt hộp không song song được sử dụng, khoảng cách tim đến tim của các bản cánh liền kề ở gối phải không lớn hơn 135% hoặc không nhỏ hơn 65% của khoảng cách tim đến tim của các bản cánh của mỗi hộp liền kề Khoảng cách tim đến tim của các bản cánh của mỗi hộp riêng lẻ phải như nhau

Phần hẫng của bản mặt cầu bao gồm cả bó vỉa và lan can, không được lớn hơn 60% của khoảng cách trung bình giữa các tim của bản cánh thép ở trên các mặt cắt hộp liền kề,a, hoặc 1800mm

Hình 3 Cấu tạo mặt cắt ngang theo khuyến nghị của ASSHTO

1.2.3 Bản đáy dầm (Bottom flange)

Chiều dày bản đáy và tỉ lệ b/t là thông số thiết kế quan trọng ảnh hưởng đến giá thành và khả năng chịu lực của kết cấu Cận dưới chiều dầy bản đáy phụ thuộc vào khả năng bị biến dạng vặn xoắn (distortion) trong quá trình chế tạo, vận chuyển, lắp dựng.Trong mọi trường hợp chiều dày bản đáy không nên nhỏ hơn 13mm

ASSHTO khuyến nghị tỉ lệ b/t lớn hơn 45 cần xem xét bổ sung sườn tăng cường dọc và không cho phép tỉ lệ này lớn hơn 60 đối với bản cánh chịu nén.Một vài nghiên cứu khuyến nghị tỉ lệ b/t cho bản cánh chịu kéo lớn nhất là 120 Việc lựa chọn giải pháp tăng chiều dày hay bổ sung hệ sườn tăng cường dọc, ngang nhằm đảm bảo ổn định tấm chịu nén phụ thuộc: (1) giá thành (2) tính khả thi trong thi công, chế tạo (3) việc bổ sung sườn tăng cường cần hết sức lưu ý cấu tạo đảm bảo khả năng chịu mỏi

1.2.4 Sườn dầm (Web)

Sườn dầm có thể cấu tạo thẳng đứng hoặc tạo nghiêng Việc tạo nghiêng có ưu điểm tăng tính thẩm mỹ, giảm chiều rộng bản đáy tuy nhiên khuyến nghị của ASSHTO góc nghiêng sườn dầm không vượt quá 1:4

Tính toán thiết kế sườn dầm ngoài đảm bảo khả năng chống cắt như cầu dầm I thông thường, còn thiết kế khả năng chống xoắn bao gồm xoắn Saint-Venant và xoắn vênh (warping torsion)

Các trường hợp tải gây xoắn dầm gồm: (1) cầu chéo (2) tĩnh tải lệch tâm của bản mặt cầu (3) hoạt tải lệch tâm

Hình 4 Sơ đồ tính tiết diện hộp chịu tải trọng lệch tâm

1.2.5 Bản cánh trên (Top flange)

Bản cánh trên dầm được thiết kế cơ bản để chịu ứng suất do uốn dầm và một phần phụ thêm ứng suất dọc trục do xoắn Bản cánh trên cũng làm chức năng như một phần của hệ giằng ngang, chịu ứng suất uốn ngang do các nguyên nhân phát sinh: (1) tác động cong bằng của dầm (2)tác động nghiêng của các sườn dầm (3) tác động của các kết cấu đỡ tạm khi thi công bản hẫng mặt cầu

Ngoài các yêu cầu về cấu tạo tỷ lệ b/t của các bản cánh chịu nén và chịu kéo như quy trình thiết kế, bề rộng bản cánh trên còn phải đảm bảo đủ không gian bố trí cho liên kết của hệ giằng trên và các đinh neo chống cắt

Giai đoạn thiết kế không chế của bản cánh trên là trong quá trình thi công bản mặt cầu

Bản cánh trên phải được xem xét chịu được tải trọng lắp dựng, do hầu hết các nhà thầu đều lựa chọn giải pháp cẩu dầm bằng cách kẹp trực tiếp vào bản cánh trên, vì vậy ứng suất cục bộ bao gồm cả ứng suất cục bộ trong mối hàn giữa bản cánh và sườn phải được kiểm toán với tải trọng lắp dựng

1.2.6 Hệ khung ngang trong trên nhịp (internal intermediate diaphragms)

Hệ khung ngang trong phạm vi giữa nhịp được thiết kế trên cơ sở đảm bảo khả năng chống “vặn méo” của tiết diện một nguyên nhân tăng ứng suất trong dầm chủ Khi

số lượng và độ cứng của hệ khung ngang trong

được bố trí đủ thì có thể bỏ qua ứng suất do

vặn méo

Các dạng cấu tạo hệ khung ngang

trong thường được áp dụng là dạng – K, dạng

– X, dạng – Z tuy nhiên dạng – K được

khuyến nghị áp dụng hơn cả do ưu điểm tạo

được nhiều không gian trong lòng hộp cho

công tác chế tạo

Cần hết sức lưu ý đến các yêu cầu cấu

tạo liên quan đến chống mỏi

1.2.7 Hệ khung ngang ngoài trên nhịp (External intermediate diaphragms)

Chức năng của hệ khung ngang ngoài nhằm khống chế chuyển vị và góc xoay khác nhau giữa các đơn nguyên dầm khi thi công bản mặt cầu.Về cấu tạo hệ khung ngang ngoài trên nhịp thường được cấu tạo dạng chữ K với chiều cao gần với chiều cao dầm, khoảng cách bố trí bằng 2 lần khoảng cách bố trí hệ khung ngang trong

Sự tồn tại của hệ giằng ngang ngoài thường làm giảm tính thẩm mỹ của cầu Vì vậy việc đề xuất tháo dỡ hệ khung ngang ngoài trên nhịp sau khi thi công bản mặt cầu cần cân nhắc các yếu tố: (1) tính an toàn do việc tồn tại lực trong hệ và không gian bị hạn chế cho thiết bị tháo lắp (2) ứng suất bản mặt cầu có thể tăng lên gây nứt bản mặt cầu (3) Thi công bổ sung hệ phủ mặt cầu trong tương lai sẽ gặp vấn đề tương tự khi thi công bản mặt cầu mà không có hệ khung ngang ngoài (4) vấn đề mỏi

1.2.8 Dầm ngang trong và ngoài tại ví trí gối (Internal & External diaphragm at supports)

Dầm ngang tại gối được thiết kế như dầm cao (deep beams) chịu các tác động: (1) tải trọng uốn gây ra bởi lực trong các sườn dầm (2) tải trọng xoắn bởi dòng cắt do phản lực chống xoắn dầm chủ

Cấu tạo dầm ngang gồm một sườn đứng và thường được bổ sung thêm cánh (Top flange) để (1) tăng khả năng kháng uốn của dầm ngang (2) tạo hệ đỡ bản mặt cầu đầu dầm các sườn tăng cường gối thường được gắn vào dầm ngang và được thiết kế chịu tải trọng dọc trục bằng phản lực gối.Cũng nên lưu ý việc bổ sung lỗ thi công phục vụ công tác kiểm tra duy tu bảo dưỡng sau này

1.2.9 Hệ giằng ngang bản cánh trên (Top flange lateral bracing)

Hình 5 Sơ đồ truyền lực dầm ngang tại gối

Hình 6 Giàn dạng Warren Hình 7 Giàn dạng Pratt

Hệ giằng bản cánh trên được coi là “mặt

thứ tư” của dầm hộp thép trước khi đổ bê tông

mặt cầu tiết diện ngang của giằng thường là chữ

“T” và được cấu tạo tổ hợp thành kiểu giằng đơn

( giàn warren, giàn pratt) hoặc giằng đôi ( giàn

dạng-X)

Mục đích của hệ giằng bản cánh trên để

tăng độ cứng chống xoắn của dầm chủ

Thiết kế hệ giằng theo trình tự ba bước sau:

+ Cấu tạo khung của hệ giằng:Góc tạo bởi giằng chéo và bản cánh trên α là một thông số thiết kế quan trọng thông thường đề xuất giá trị α khoảng 450, góc α nhỏ sẽ giảm được số lượng khung ngang, mối nối, giảm được chi phí Tuy nhiên

α nhỏ sẽ làm tăng lực trong thanh giằng và ứng suất trong dầm chủ, tăng chiều dài tự do chịu ổn định cục bộ của bản cánh trên…

Một khuyến nghị chỉ ra mặt phẳng hệ giằng nên bố trí gần với mặt phẳng bản cánh trên của dầm vừa làm tăng hiệu quả chống xoắn vừa tránh mômen uốn lớn trong sườn tăng cường sườn dầm

Hình 9 Lựa chọn bố trí hệ giằng bản cánh trên

Hình 8 Giàn dạng X

+ Phân tích thiết kế gồm: (1) tác động xoắn (2) tác động nghiêng của sườn dầm (3) tác động uốn

+ Định kích thước và chi tiết mối nối với bản cánh dầm chủ: thường có 2 cách cấu tạo (1) thông qua bản táp (2) bắt bulông trực tiếp vào cánh dầm chủ

Hình 10 Cấu tạo có bản táp

Hình 11 Cấu tạo bắt bulông trực tiếp

1.2.10 Mối nối hiện trường (field splices)

Việc lựa chọn cấu tạo vị trí mối nối hiện trường và kiểu mối nối hàn hay mối nối

bu lông cường độ cao cần cân nhắc trên các yếu tố: (1) khả năng vận chuyển về cả kích thước và trọng lượng (2) sử dụng mối nối hàn tại công trường cần nhiều thời gian, yêu cầu về trình độ kỹ thuật công nhân hàn cao hơn, độ chính xác kết cấu lắp dựng trước khi hàn đòi hỏi rất chính xác Tuy nhiên mối nối hàn làm tăng tính thẩm mỹ, độ bền cũng như khả năng chống ăn mòn tốt hơn (3) mối nối bulông thi công nhanh hơn, yêu cầu tay nghề công nhân thấp hơn, yêu cầu độ chính xác kết cấu lắp dựng không cao Tuy nhiên tính thẩm mỹ, độ bền và khả năng chống ăn mòn kém hơn

1.3 GIẢI PHÁP CẤU TẠO VÙNG MÔMEN ÂM

Vấn đề ổn định bản cánh vùng mômen âm rất cần quan tâm khi thiết kế, các giải pháp thường được xem xét khi thiết kế bản cánh chịu nén vùng mômen âm tại các tiết diện gần trụ giữa như:

(1)Tăng chiều dày thép giải pháp này thường làm tăng chi phí vật liệu từ đó tăng giá thành công trình (2) sử dụng sườn tăng cường dọc bản đáy giải pháp này đơn giản dễ

áp dụng nhưng rất cần lưu ý các cấu tạo đảm bảo khả năng chịu mỏi của vật liệu (3) giải

pháp liên hợp “kép” sử dụng bê tông liên hợp bản đáy (douple composite) giải pháp này

đá áp dụng tại một số cầu thuộc các nước châu âu như cầu Pont d’lllarsaz (Thụy sĩ) hay cầu Ciervana (Tây ban nha)

Hình 12 Giải pháp liên hợp kép “douple

composite” Hình 13 Giải pháp sử dụng sườn tăng cường dọc bản đáy

1.4 GIẢI PHÁP CẤU TẠO TÍCH HỢP XÀ MŨ TRỤ VỚI DẦM HỘP THÉP

Đối với cầu dầm 2 hộp thép liên tục, thông thường sử dụng kết cấu trụ 2 cột

đỡ dưới đáy dầm hoặc trụ 1 cột kết hợp xà mũ đỡ dưới các dầm thông qua gối; giải pháp sử dụng nhiều cột có ưu điểm là cấu tạo đơn giản song thường bị coi là chiếm dụng nhiều không gian bên dưới gây mất mỹ quan; giải pháp sử dụng xà mũ riêng biệt cũng có ưu điểm là cấu tạo đơn giản nhưng có nhược điểm làm tăng chiều cao cầu và đường đầu cầu do đó tăng chi phí xây dựng công trình, làm giảm tính thẩm mỹ

do ảnh hưởng của khối xà mũ đặc biệt là cầu nằm trong đường cong và cầu chéo

Để giải quyết vấn đề nêu trên tại dự án cầu vượt nút giao Nam Hồng, Nguyễn Chí Thanh, nhóm thiết kế đưa ra giải pháp cấu tạo liền khối giữa dầm hộp thép và xà

mũ trụ dạng hộp thép, kết hợp sử dụng với trụ một cột Với giải pháp này hệ các phần tử ngang đỉnh trụ làm việc rất phức tạp với hai vai trò của dầm ngang và xà mũ Ngoài các nội lực cắt và uốn thông thường thì vấn đề xoắn được đặt ra rất lớn Về mặt cấu tạo có thể xem xét hai dạng như sau:

+ Dạng dầm hộp chạy liên tục qua đỉnh xà mũ Các phần tử ngang liên kết vào hệ dầm dọc

+ Dạng hệ ngang cấu tạo hoàn chỉnh trên đỉnh trụ và dầm dọc được liên kết vào hệ ngang này

Đối với cầu Nam Hồng và Nguyễn Chí Thanh nhóm thiết kế chọn giải pháp thứ 2 với các cấu tạo chính như sau:

+ Hệ ngang dạng hộp thép với các sườn chính và sườn tăng cường đặt theo các phương chịu lực Hệ ngang có cấu tạo các chi tiết chờ sẵn để liên kết với dầm chủ Phần hộp thép khu vực liên kết với cột trụ BTCT được hàn các đinh neo chống cắt

và sau này sẽ đổ bê tông để gắn kết với cốt thép dọc của trụ

+ Hệ dầm dọc: các hộp dầm được liên kết tại các vị trí chờ sẵn của hệ ngang bằng mối nối bu lông cường độ cao

Hình 14 Mô hình tính cục bộ xà mũ trụ cầu

vượt nút giao Nam Hồng

Hình 15 Mô hình tính cục bộ xà mũ cầu vượt nút giao Nguyễn Chí Thanh

1.5 GIẢI PHÁP CẤU TẠO GIỮA THÂN TRỤ BTCT VÀ DẦM HỘP THÉP

Trong các cầu thông thường xà mũ và thân trụ đều được làm từ cùng một loại vật liệu nên mối nối giữa thân trụ và xà mũ không phải là vấn đề lớn Tuy nhiên trong cầu dầm hộp thép liên tục đôi khi chúng ta cần giải quyết mối nối giữa thân trụ BTCT với xà mũ dạng hộp thép với yêu cầu đảm bảo khả năng truyền lực giữa KCPT và KCPD và sự làm việc đồng thời của hai loại vật liệu

Tại dự án cầu vượt nút giao Nam Hồng và Nguyễn Chí Thanh nhóm thiết kế

đã đưa ra các giải pháp cấu tạo liên kết giữa xà mũ hộp thép và thân trụ bê tông Cấu tạo cơ bản của liên kết như sau:

+ Xà mũ được cấu tạo dạng hộp thép Khu vực liên kết với cột trụ, hộp thép có gắn các đinh neo ở phía trong

+ Cột BTCT có cốt thép dọc chủ được kéo dài tới mặt trên của hộp xà mũ chiều dài kéo tối thiểu bằng chiều dài phát triển của cốt dọc chủ

+ Cốt đai thân trụ được kéo dài vào vùng mối nối đảm bảo đủ kiềm chế bê tông + Đổ bê tông vào khu vực hộp thép xà mũ trên đỉnh trụ để liên kết xà mũ với cột trụ thông qua các đinh neo chống cắt và cốt thép chủ của cột

Các vấn đề cần xem xét của giải pháp này:

+ Bê tông liên kết cần đảm bảo sự truyền lực giữa hộp thép xà mũ với thân trụ thông qua neo chống cắt gắn trên vách hộp và cốt thép dọc thân trụ Bê tông này cần sử dụng loại có cường độ cao, độ linh động lớn và trộn phụ gia chống

co ngót để liên kết tốt với hộp thép xà mũ

+ Các đinh neo được bố trí trên các mặt của hộp xà mũ đảm bảo truyền lực theo các phương giữa xà mũ và cột trụ