NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG CẦU BẾN GÀNH - TỈNH KHÁNH HÒA BẰNG PHƯƠNG PHÁP DỰ ỨNG LỰC NGOÀI LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Theo số liệu khảo sát đánh giá thì hầu hết các cầu được xây dựng theo định hình được đưa vào khai thác sử dụng trên 15 năm trên địa bàn tỉnh Khánh Hòa đã xuất hiện những hư hỏng do tải t

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN THIỆN THANH

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG CẦU BẾN GÀNH - TỈNH KHÁNH HÒA BẰNG PHƯƠNG PHÁP DỰ ỨNG LỰC NGOÀI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông

Mã số : 8580205

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN XUÂN TOẢN

Đà Nẵng, Năm 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Trần Thiện Thanh

MỤC LỤC

TRANG PHỤ BÌA

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT & TIẾNG ANH

DANH MỤC CÁC TỪ NGỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

6 Bố cục đề tài 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẦU THÉP 4

1.1 Tổng quan về cầu thép trên thế giới và Việt Nam 4

1.2 Các vấn đề về chống rỉ và khả năng ứng dụng cầu thép 12

1.3 Đặc điểm chung của cầu thép, phân tích ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng 16

1.4 Khả năng ứng dụng cầu dầm thép 17

1.5 Thực trạng một số cầu dầm thép khu vực Khánh Hòa 19

1.6 Đánh giá sơ bộ cầu Bến Gành tỉnh Khánh Hòa 29

CHƯƠNG 2 CÁC BIỆN PHÁP GIA CƯỜNG CẦU DẦM THÉP 32

2.1 Công tác điều tra đánh giá hiện trạng 32

2.1.1 Công tác thu thập tài liệu 32

2.1.2 Điều tra đánh giá hiện trạng và xác định các hư hỏng của cầu 32

2.1.3 Kiểm toán cầu 33

2.1.4 Xác định bộ phận cần gia cường và chọn giải pháp gia cường 33

2.2 Các giải pháp gia cường 33

2.2.1 Gia cường kết cấu bằng cách táp thêm tiết diện 33

2.2.2 Gia cường bằng trụ tạm 35

2.2.3 Giải pháp làm giảm tỉnh tải 36

2.2.4 Gia cường bằng thanh căng hoặc tăng đơ 37

2.2.5 Gia cường kết cấu cầu dầm bằng cáp dự ứng lực căng ngoài 39

2.3 Phân tích hiện trạng và lựa chọn giải pháp gia cường cầu Bến Gành 46

2.3.1 Hiện trạng của cầu Bến Gành 46

2.3.2 Phân tích lựa chọn giải pháp gia cường 47

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN GIA CƯỜNG CẦU BẾN GÀNH BẰNG HỆ CÁP DỰ

ỨNG LỰC CĂNG NGOÀI 49

3.1 Các số liệu cơ bản của cầu Bến Gành 49

3.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật 50

3.3 Tính toán nội lực của cầu dưới tác dụng của HL93 51

3.3.1 Các tải trọng tác dụng lên dầm cầu 51

3.3.2 Tính hệ số phân bố tải trọng 52

3.3.3 Các hệ số tải trọng 54

3.3.4 Tính toán nội lực trên các tiết diện của dầm 54

3.3.5 Tổ hợp nội lực 60

3.3.6 Kiểm tra khả năng chịu uốn của dầm theo THGH cường độ 62

3.3.7 Kiểm tra khả năng chịu cắt của dầm theo THGH cường độ 64

3.4 Tính toán gia cường dầm bằng phương pháp căng cáp DƯL 64

3.4.1 Chọn sơ đồ và các thông số vật liệu 64

3.4.2 Tính toán bố trí cáp và kiểm toán dầm theo THGH cường độ: 65

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)

BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN

TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT & TIẾNG ANH

NGHIÊN CỨU GIA CƯỜNG CẦU BẾN GÀNH - TỈNH KHÁNH HÒA BẰNG

HỆ CÁP DỰ ỨNG LỰC CĂNG NGOÀI

Học viên: Trần Thiện Thanh

Chuyên nghành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Khóa: K33 - Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt: Ở nước ta hiện tại số lượng cầu thép cũ rất nhiều, chúng đã và sẽ còn đem lại

những giá trị to lớn về kinh tế và giao thông vận tải Tuy nhiên, do nhiều nguyên nhân khác nhau, nhiều cầu đã có dấu hiệu suy giảm năng lực chịu tải cũng như không đáp ứng được nhu cầu giao thông với tải trọng yêu cầu cao hơn Do đó, cần phải có các biện pháp gia cường để nâng cao năng lực chịu tải nhằm duy trì khả năng phục vụ của chúng Trong đó có cầu Bến Gành tỉnh Khánh Hòa hiện đã xuống cấp và không đáp ứng được yêu cầu khai thác hiện tại Dựa trên số liệu khảo nghiệm và các số liệu thu thập từ các hồ sơ thực tế, tác giả đã đề xuất và chọn biện pháp gia cường bằng hệ cáp

dự ứng lực căng ngoài để gia cường kết cấu nhịp cầu Bến Gành Theo kết quả tính toán ban đầu, khả năng chịu uốn của dầm không đảm bảo Sau khi gia cường thêm hai tao cáp 7 sợi d=15,2mm, kết cấu đảm bảo khả năng chịu lực theo trạng thái giới hạn cường độ

Từ khóa : Gia cường cầu; cáp dự ứng lực ngoài; sửa chữa cầu; cầu Bến Gành

In brief: In our country, the number of old steel bridges is huge and they will bring

great economic and transportation value However, due to various reasons, many bridges have shown signs of capacity decline and can not meet the traffic demand with higher load requirements Therefore, reinforcement measures need to be taken to improve the load capacity to maintain their service capability Among them, Ben Ganh Bridge in Khanh Hoa province has been degraded and can not meet the current demand Based on the trial data and data collected from the actual records, the author proposed and selected reinforcement measures by external tensioning cable to reinforce the structure of the bridge Ganh According to the initial calculation results, the bending resistance of the beam is not guaranteed After reinforcing two seven-stranded d = 15.2mm strands, the structure ensures the strength under the intensity limit

Key words: reinforcement; external post-tensioning cable; bridge repair; Ben Ganh

Bridge

DANH MỤC CÁC TỪ NGỮ VIẾT TẮT

BTCT : Bê tông cốt thép ĐBVN : Đường bộ Việt Nam

BT : Bê tông TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam TCN : Tiêu chuẩn ngành DUL : Dự ứng lực CĐC : Cường độ cao TTGH CĐ : Trạng thái giới hạn cường độ

DC : Tĩnh tải giai đoạn 1

DW : Tĩnh tải giai đoạn 2

LL : Hoạt tải xe HL93

PL : Hoạt tải người đi bộ

BOT : Build-Operate-Transfer, Xây dựng-Vận hành-Chuyển giao

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu Tên hình Trang

Số hiệu Tên hình Trang

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây đời sống kinh tế xã hội tỉnh Khánh Hòa đã có những bước tiến vượt bậc, đời sống nhân dân được cải thiện và nâng cao

Một trong những đóng góp cho sự thành công đó là việc phát triển hạ tầng giao thông đường bộ phát triển mở rộng, nhiều tuyến mới được xây dựng, hệ thống đường

xá cầu cống không ngừng phát triển từ đô thị đến nông thôn

Mạng lưới giao thông đường bộ hiện nay ngày càng mở rộng và phát triển để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế xã hội Trong đó tồn tại khá nhiều công trình cầu bê tông cốt thép và cầu dầm thép bê tông với trạng thái kỹ thuật của các công trình này đã

và đang xuống cấp bởi nhiều nguyên nhân khác nhau Bên cạnh đó các công tác duy tu, sửa chữa vẫn còn nhiều bất cập, chưa triệt để dẫn đến chưa đạt được hiệu quả cao Vì vậy cần có nhiều nghiên cứu, đánh giá đưa ra biện pháp gia cường tối ưu nhằm đảm bảo hiệu quả kinh tế, kỹ thuật

Cầu Bến Gành, km3+688,25 Quốc lộ 26, thị xã Ninh Hòa, tỉnh Khánh Hòa, 2005

Theo số liệu khảo sát đánh giá thì hầu hết các cầu được xây dựng theo định hình được đưa vào khai thác sử dụng trên 15 năm trên địa bàn tỉnh Khánh Hòa đã xuất hiện những hư hỏng do tải trọng xe gây ra như dầm cầu nứt, do môi trường khí hậu gây ra dầm thép bị rỉ sét, bê tông bị hao mòn làm lộ cốt thép, dầm cầu bị võng mất ổn định,

hư hỏng mặt cầu bê tông, gối cầu bị nứt bể…chẳng hạn như các cầu Hội Phú, cầu Tiên

Du xã Ninh Phú, thị xã Ninh Hòa, cầu Bầu Lá xã Ninh Quang, cầu Cháy xã Ninh Lộc, cầu Mới phường Ninh Hiệp, cầu Ninh Đa phường Ninh Đa, cầu Khẩu, cầu Dục Mỹ

Quốc lộ 26 xã Ninh Sim thị xã Ninh Hòa, cầu Bến Gành Quốc lộ 26 thị xã Ninh Hòa, tỉnh Khánh Hòa

Các biện pháp sửa chữa nâng cấp cầu cũ hiện nay phần lớn là dựa vào đánh giá hiện trạng hư hỏng bên ngoài rồi bằng kinh nghiệm và cảm tính mà đề xuất phương án sửa chữa hoặc thay mới các cấu kiện Do đó mà sau khi được nâng cấp sửa chữa cầu nhiều khi chưa đáp ứng được yêu cầu ban đầu đề ra về sức chịu tải của cầu hoặc các biện pháp thay mới không cần thiết gây lãng phí về kinh tế

Việc nâng cấp, cải tạo công trình cần phụ thuộc vào hiện trạng công trình rất nhiều, nhất là sức chịu tải của dầm, nhịp, nên tác giả đi sâu nghiên cứu việc này để đáp ứng nhu cầu thực tế hiện nay

Vì vậy việc tính toán sơ bộ sức chịu tải của cầu thép bê tông thông qua khảo sát hiện trạng và chuyển vị dưới tác dụng của tải trọng xe là rất cần thiết và có tính thực tiễn cao Thông qua việc tính toán và dự đoán được sức chịu tải của cầu sẽ giúp cho các đơn vị quản lý công trình khai thác sử dụng hợp lý bằng việc cắm biển tải trọng chính xác hơn giúp cho việc nâng cao tuổi thọ công trình hoặc nếu có sửa chữa, gia cường, thay mới các cấu kiện của cầu cũng sẽ chính xác đạt theo yêu cầu đề ra, đảm bảo kỹ thuật và kinh tế

Cầu Bến Gành là một trong những công trình đã được thiết kế xây dựng và khai thác trong thời gian dài (1930 – 1931) ngay khi Quốc lộ 26 hoàn thành, kết cấu nhịp bằng dầm thép, đến nay đã xuống cấp và không đáp ứng được yêu cầu khai thác sử dụng Vì vậy việc nghiên cứu và xác định giải pháp gia cường kết cấu cầu là cần thiết

Đề tài nghiên cứu giải pháp gia cường cầu Bến Gành tỉnh Khánh Hòa bằng phương pháp dự ứng lực ngoài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu gia cường cầu dầm thép nhằm khôi phục khả năng chịu lực cho cầu Bến Gành Quốc lộ 26 thị xã Ninh Hòa, tỉnh Khánh Hòa

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu nhịp cầu Bến Gành Quốc lộ 26 thị xã Ninh Hòa, tỉnh Khánh Hòa

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu gia cường kết cấu nhịp cầu Bến Gành

4 Phương pháp nghiên cứu

Thị sát, khảo sát, phân tích khảo nghiệm Đề xuất biện pháp gia cường, ứng dụng lý thuyết phân tích đánh giá

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Mạng lưới giao thông đường bộ hiện nay ngày càng mở rộng và phát triển để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế xã hội Trong đó nhiều công trình cầu bê tông cốt thép và cầu dầm thép đã và đang xuống cấp bởi nhiều nguyên nhân khác nhau Bên cạnh đó các công tác duy tu, sửa chữa vẫn còn nhiều bất cập, chưa triệt để dẫn đến

chưa đạt được hiệu quả cao Vì vậy cần có nhiều nghiên cứu, đánh giá đưa ra biện pháp gia cường tối ưu nhằm đảm bảo hiệu quả kinh tế, kỹ thuật Cầu Bến Gành là một trong những công trình đã được thiết kế xây dựng và khai thác trong thời gian dài (1930 – 1931) ngay khi Quốc lộ 26 hoàn thành, kết cấu nhịp bằng dầm thép, đến nay

đã xuống cấp và không đáp ứng được yêu cầu khai thác sử dụng Việc nghiên cứu và xác định giải pháp gia cường kết cấu cầu là cần thiết Đề tài nghiên cứu giải pháp gia cường cầu Bến Gành tỉnh Khánh Hòa bằng phương pháp dự ứng lực ngoài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

6 Bố cục đề tài

Luận văn gồm những nội dung chính như sau:

Mở đầu

Chương 1.Tổng quan về cầu thép

Chương 2.Các biện pháp gia cường cầu dầm thép

Chương 3.Tính toán gia cường cầu Bến Gành bằng cáp dự ứng lực căng ngoài Phần kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẦU THÉP

1.1 Tổng quan về cầu thép trên thế giới và Việt Nam

Vào thế kỷ XVI vật liệu sắt đã được sử dụng ở châu Âu để chế tạo pháo, máy móc, nhưng cho đến cuối thế kỷ XVIII, trong sự trỗi dậy của cuộc cách mạng công nghiệp, sắt lần đầu tiên được sử dụng cho kết cấu Cây cầu sắt đầu tiên trên thế giới là cây cầu nổi tiếng Coalbrookdale ở hạt Shropshire tại Anh, chiều dài nhịp trên 30,5m qua sông Severn, được thiết kế bởi Thomas Prichard và xây dựng bởi Darby và Wilkinson năm 1777-1779 Coalbrookdale là cây cầu được xây dựng bằng sắt, tuy nhiên, nó được xây dựng với các khái niệm truyền thống Thomas Telford đã đưa ra các tính chất đặc biệt của vật liệu sắt, như trọng lượng nhẹ hơn đáng kể và cường độ cao hơn, sẽ cho phép xây những kết cấu vòm lớn và thanh mãnh hơn Năm 1796 ông xây dựng cây cầu Buidwas qua Severn tại Shropshire bằng gang, trong đó có nhịp dài đến 40m

Trước đó, Tom Paine thiết kế một cây cầu bằng gang với chiều dài đến 122m bắt qua Schuylkill tại Philadelphia Tuy nhiên, dự án đã bị trì hoãn và sắt đã được sử dụng để xây dựng một cây cầu có chiều dài nhịp 72m qua Wear ở Sunderland, mô phỏng theo cầu Buidwas Những cây cầu này đã dẫn đường cho sự ra đời của nhiều cây cầu sắt trong hai thập niên đầu của thế kỷ XIX tại Anh và Pháp, đáng chú ý nhất là cầu Vauxhall và cầu Southwark qua sông Thames ở London (mỗi cây cầu sử dụng trên

6000 tấn sắt) và cầu Pont du Louvre và cầu Austerlitz qua sông Seine ở Paris (sau này

có kể từ khi được thay thế) Trong lúc đầu gang đã được khoét lỗ và làm mộng như gỗ xây dựng trước khi bu lông được phát hiện

Năm 1814 Thomas Telford đề suất một cây cầu treo dây võng với dây cáp làm bằng sắt rèn để vượt sông Mersey tại Runcorn – cầu gồm một nhịp chính dài 305m và hai nhịp bên dài 52,4m Nguyên tắc của cầu treo dây võng đã được sử dụng hoặc xây dựng cây cầu bộ hành ở Ấn Độ, Trung Quốc và Nam Mỹ kể từ thời gian cổ xưa; họ đã

sử dụng bó của cây nho hoặc liễu, tre, tết dây, vv…,và đôi khi có tấm ván lát và tay vịn Cầu treo dây xích bằng sắt cũng cùng xuất hiện và phát triển song song với cầu vòm gang Cầu treo dây xích đầu tiên được xây dựng ở Pensylvaria (Mỹ) Khoảng đầu thế kỷ thứ XIX cầu treo ở Pháp đã được xây dựng là cầu Frây-bua năm 1834 có chiều dài nhịp 265m Một trong những cây cầu xích nổi tiếng được xây dựng khoảng giữa thế kỷ XIX đầu thế kỷ XX là cầu Sơ-giên-tren-nưi qua sông Danube ở Budapest (Hungari) có nhịp chính 203m

Hình 1.1 Cầu sắt Coalbrookdale ở Shropshire, Anh (1777-1779)

Hình 1.2 Cầu dầm thép liên tục

Vào những năm 20-30 của thế kỷ XIX, sự xuất hiện dây cáp bằng thép sợi thay cho dây xích đã làm cho tốc độ phát triển của cầu tăng lên rất nhanh Sự ra đời của đầu máy hơi nước mở ra thời kỳ cách mạng công nghiệp thế kỷ XIX và được áp dụng trong đầu máy của xe lửa khiến cho tải trọng qua cầu rất lớn Lý do đó đã dẫn đến sự xuất hiện của kết cấu cầu dầm thép và giàn thép Một trong những cầu dầm thép đầu tiên trên đường xe lửa là cầu Bri-ta-nia qua vịnh Menai ở Anh, cầu được xây dựng vào năm 1846-1850, có dạng liên tục 2 nhịp theo sơ đồ là 2x(70+140)m, mặt cắt ngang là hình hộp kín có đường xe chạy dưới

Hình 1.3 Cầu Garabit Viaduct, Pháp-1884

Hình 1.4 Cầu Sydney Harbour, Áo-1932

Tuy nhiên, các cầu dầm hộp tỏ ra không kinh tế với các nhịp lớn vì không sử dụng hết cường độ vật liệu của vách dầm (sườn dầm), do đó kết cấu nặng nề, tốn thép, chiều cao kiến trúc lớn và khai thác không thuận tiện khi bố trí xe chạy dưới Từ đó bắt đầu thời kỳ chuyển từ cầu dầm sang cầu giàn, cầu giàn thép đầu tiên được xây dựng ở Mỹ năm 1840 là cầu Erie ở New York có chiều dài nhịp là 24,5m Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của vật liệu thép, những chiếc cầu vòm trước đây làm bằng gang

đã được thay bằng thép từ những năm 1880 và được ứng dụng rộng rãi ở Đức, Nga,

Mỹ, Thụy Điển… Một trong những chiếc cầu vòm nổi tiếng trên thế giới là cầu Sydney ở Australia được xây dựng năm 1924-1932, cầu có nhịp chính dài 503m và chiều dài rộng toàn cầu là 48,8m cho 2 làn xe lửa, 8 làn xe ô tô, 1 làn xe đạp và 1 lề đi

bộ

Kết cấu nhịp cầu treo có trọng lượng nhẹ nên khả năng vượt nhịp lớn Tuy nhiên dao động của kết cấu cũng rất lớn nên đã xảy ra rất nhiều tai nạn trên cầu treo Đầu thế kỷ XX, người Pháp đã đi theo hướng tìm các hệ giàn dây trong đó các thanh chỉ chịu kéo và làm việc theo sơ đồ không biến dạng hình học Đứng đầu trường phái này là Gisclar, kỹ sư nổi tiếng người Pháp

Tuy nhiên chỉ đến năm 1938, giáo sư người Đức Dishibger đã thử thiết kế một chiêc cầu treo cho đường sắt đôi qua sông Elbe Mục đích của ông là đưa các dây cáp căng xiên vào cầu treo để tăng cường độ cứng Dishibger đã dùng các dây cáp tiết diện lớn để đỡ dầm cứng như các gối tựa đàn hồi Đề nghị đó

của ông đã được thực hiện vào cầu Stromsund ở Thụy Điển năm 1955 Cầu có dầm cứng liên tục 3 nhịp làm bằng thép hợp kim và các dây văng làm bằng dây cáp cường

độ cao, nhịp chính dài 183m và bản mặt cầu bằng bê tông cốt thép

Kết cấu nhịp cầu dây văng có độ cứng lớn và chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật tốt nên chỉ trong một thời gian ngắn đã được áp dụng rộng rãi ở hầu hết các nước trên thế giới Cuối thế kỷ XX là cuộc chạy đua về chiều dài nhịp của cầu treo và cầu dây văng

Tại Việt Nam, phát triển cầu thép trải qua nhiều giai đoạn gắn liền với lịch sử đấu tranh dân tộc Thời kỳ Pháp thuộc là thời kỳ mạng lưới giao thông đường sắt và đường bộ được triển khai, đặc biệt là tuyến đường sắt xuyên Việt (1920-1936) Khi đó nhiều cầu giàn thép đã được xây dựng Đặc điểm nổi bậc của các cầu thép trong giai đoạn này là khổ hẹp, tải trọng nhẹ, kết cấu theo dạng cổ điển ở các nước châu Âu vào cuối thế kỷ thứ XIX Trên đường sắt chỉ phục vụ một đường đơn chung với ô tô, trên đường bộ thường chỉ thiết kế cho một làn xe Giàn chủ có dạng nhiều thanh xiên như cầu Đuống cũ, các giàn biên cong (giàn vành lược) như cầu Ninh Bình, Phú Lương, Lai Vu, Tân An, Bến Lức Một số loại cầu quân dụng qui mô bán vĩnh cửu được áp dụng nhiều như các loại giàn Pigiô, Effel, Bailey…

Hình 1.5 Cầu Long Biên-1902

Chiếc cầu nổi tiếng nhất thời đó là cầu Long Biên qua sông Hồng ở Hà Nội (1902), cầu giàn theo sơ đồ giàn hẫng-giàn đeo có đường biên hình đa giác với chiều dài toàn cầu gần 3000m, trong đó phần giàn thép dài 1860m, nhịp giàn lớn nhất dài 130m, nhịp giàn đeo dài 52,5m Đến nay cầu vẫn đang được sử dụng

Hình 1.6 Cầu Hàm Rồng bị phá hủy-1972

Hình 1.7 Cầu Hàm Rồng mới-1973

Cầu Hàm Rồng cũ ở Thanh Hóa do Pháp xây dựng năm 1904 theo dạng cầu vòm thép Cầu này bị phá hủy năm 1946 Đến năm 1962 cầu Hàm Rồng được khởi công xây dựng và khánh thành vào ngày 19 tháng 5 năm 1964, cầu gồm 2 nhịp dầm thép, ở giữa là đường sắt, hai bên là đường ô tô và đường giành cho người đi bộ Trong kháng chiến chống Mỹ, cầu Hàm Rồng bị máy bay Mỹ ném bom phá hủy, đến năm 1973 cầu Hàm Rồng lại được khôi phục theo sơ đồ giàn thép liên tục 2 nhịp và sử dụng chung cho đường sắt và đường bộ Từ tháng 12/2000, sau khi cầu Hoàng Long khánh thành, cầu Hàm Rồng chỉ giành cho đường sắt

Hình 1.8a Cầu Tràng Tiền-1954

Hình 1.8b Cầu Tràng Tiền-1954

Cầu Trường Tiền hay cầu Tràng Tiền là cây cầu bắc qua sông Hương, nằm giữa thành phố Huế Cầu dài 403m, gồm 6 nhịp dầm hộp hẫng vành lược, do Pháp xây dựng năm 1905 tại vị trí cầu Thành Thỏi cũ (cầu gỗ xây dựng 1897-1899, bị đỗ năm 1904), lúc đầu cầu mang tên Clê-măng-xô (cầu Clemenceau) Năm 1945, chính phủ Trần Trọng Kim đổi tên là cầu Nguyễn Hoàng Tuy nhiên, nhân dân vẫn gọi là cầu Trường Tiền, do cầu nằm cạnh xưởng đúc tiền cũ sát bờ sông Hương Trong sự kiện tết Mậu Thân, Trụ 3 và nhịp 7 bị phá hủy, sau đó được sửa chữa lại

Sau khi kết thúc kháng chiến chống Pháp (1954), trong một thời gian ngắn chúng ta đã khôi phục và làm mới hàng loạt các cầu thép như cầu Làng Giang ở Lào Cai, cầu Việt Trì, cầu Ninh Bình, cầu Hàm Rồng mới được xây dựng lại theo sơ đồ giàn giản đơn 2 nhịp (80+80)m

Từ năm 1954 đến 1975, hầu hết các công trình cầu ở miền bắc bị phá hủy trong cuộc chiến tranh phá hoại do Mỹ phát động Các công trình cầu giai đoạn này chủ yếu

là công trình tạm để đảm bảo giao thông trong thời chiến

Sau năm 1975 đất nước hoàn toàn giải phóng, đất nước ta bước vào thời kỳ đổi mới, phục hồi nền kinh tế quốc dân Hàng loạt các cầu cũ đã được phá bỏ vì không đáp ứng được nhu cầu về tải trọng và mật độ xe hiện đại Các cầu thép trên tuyến đường sắt xuyên Việt lần lượt được thay thế và xây dựng mới

Hình 1.9a Cầu Thăng Long-1985

Hình 1.9b Cầu Thăng Long-1985

Cầu Thăng Long bắc qua sông Hồng ở Hà Nội là dạng cầu giàn thép liên tục gồm 5 liên, mỗi liên 3 nhịp có chiều dài 112m, mặt cầu là bản thép trực hướng (Orthotrsopic), chiều dài toàn cầu là 1680m Cầu được thiết kế cho 4 làn xe chạy, 2 làn đường sắt và 2 làn xe thô sơ chạy dưới Từ năm 1972 đến 1977, cầu được xây dựng với sự giúp đỡ của các chuyên gia Trung Quốc và từ năm 1978 đến 1985 cầu được hoàn thành với sự giúp đỡ của các chuyên gia Liên Xô

Cầu Chương Dương cũng bắc qua sông Hồng ở Hà Nội được xây dựng vào năm 1985 với chiều dài nhịp là 97,6m, chiều dài toàn cầu là 1211m

dưới dạng cầu thép liên hợp liên tục 3 nhịp: (42+63+42)m

Cầu dây văng có thể có dầm chủ bằng thép hoặc bằng bê tông cốt thép Cầu dây văng dầm thép đầu tiên được xây dựng ở Việt Nam là cầu Đrak’rông thuộc tỉnh Quảng Trị Cầu có nhịp chính dài 129m, chiều rộng là (7+2x0,8)m Đến năm 1999 thì cầu bị sập do bị rỉ neo Sau đó cầu được xây dựng lại vào năm 2000 theo dạng kết cấu nhịp cầu dây văng-dầm thép liên tục có 1 trụ tháp, sơ đồ nhịp là (22,5+42+86,9+22,5)m, chiều rộng cầu là (7+2x0,8)m

1.2 Các vấn đề về chống rỉ và khả năng ứng dụng cầu thép

Với khí hậu nhiệt đới gió mùa như ở Việt Nam thì việc rỉ sét trên sắt thép là chuyện không thể tránh khỏi Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về tổng quan các vấn

đề rỉ sét và chất tẩy rỉ sắt thép tại Việt Nam

Rỉ sét là một chất màu nâu đỏ được tạo thành trên bề mặt của sắt khi sắt phơi ra ngoài không khí ẩm ướt.Thuật ngữ rỉ sét được sử dụng cho rỉ sắt, là thứ rỉ gồm chủ yếu

là oxit sắt ngậm nước Rỉ sắt vừa xốp, vừa mềm giống như bọt biển Một mảnh sắt bị rỉ hoàn toàn sẽ tăng thể tích khoảng 8 lần Một mảnh sắt rỉ có trạng thái như bọt biển sẽ

dễ dàng hấp thụ nước và nhanh chóng bị rã nát Rỉ sét được tạo thành bởi sự kết hợp giữa oxi trong không khí với sắt trong một quá trình gọi là oxit hóa Sự rỉ sét làm kim lọai yếu đi Sự tiếp xúc lâu dài với không khí và độ ẩm cũng làm cho các đinh bị rỉ sét

và lỗ rỉ được hình thành trên bề mặt tấm sắt

Hình 1.10 Sắt thép bị rỉ sét

Rỉ (gỉ) sét hình thành trên bề mặt các thiết bị máy móc là do hầu hết các thiết bị được chế tạo từ kim loại hoặc hợp kim có chứa lượng sắt rất cao Trong khi đó, sắt là kim loại rất dễ bị rỉ Sắt bị rỉ ngoài việc do tính hoạt động hóa học của sắt còn do các điều kiện ngoại cảnh Nước là một điều kiện làm cho sắt bị rỉ Các nhà hóa học đã chứng minh nếu để sắt trong bầu không khí không có nước thì dù có trải qua mấy năm cũng không hề bị rỉ Nguyên nhân là chỉ khi có nước và oxy tác dụng đồng thời mới

làm cho sắt bị rỉ Việt Nam thuộc khí hậu nhiệt đới gió mùa, hàm lượng độ ẩm trong không khí cao, nên rất dễ xảy ra hiện tượng rỉ sét đối với kim loại Ngoài ra khí cacbon dioxyt hòa tan trong nước cũng làm cho sắt bị rỉ Thành phần của rỉ sắt rất phức tạp, chủ yếu gồm sắt oxyt, hydroxyt sắt, cacbonat sắt v.v…

Còn có nhiều nhân tố làm sắt dễ bị rỉ: như các muối hòa tan trong nước, bề mặt trên các đồ vật bằng sắt không sạch, độ thô ráp, thành phần cacbon trong thép vv…Người ta đã nghĩ ra nhiều biện pháp để chống sắt thép bị rỉ Phương pháp thông dụng nhất là khoác cho các đồ vật bằng sắt thép một bộ “áo khoác” Sơn và mạ là các biện pháp đơn giản để chống rỉ sắt Trên các cầu sắt cho xe hỏa người ta thường sơn, trong các ống phun khí nóng người ta phủ lớp sơn xì bằng bột nhôm, trên các đồ đựng người ta mạ thiếc, các tấm tôn được mạ kẽm vv… Biện pháp triệt để nhất để chống sắt

rỉ là cấp cho sắt một “lõi bền”, là thêm các kim loại khác để tạo thép hợp kim không rỉ Loại thép hợp kim trơ, không rỉ chính là do người ta đã đưa vào sắt các kim loại niken, crom chế tạo thành thép không rỉ

Ở Việt Nam thường sử dụng các chất tẩy rỉ trên nền axít để loại bỏ rỉ sét trên sắt thép vì nó rất rẻ và tác dụng nhanh Nhưng do axit có tính chất ăn mòn rất cao nên sau khi tẩy được lớp rỉ sét thì bề mặt kim loại cũng sẽ bị ăn mòn và tất cả những vật liệu

mà nó tiếp xúc như sơn, nhựa, Đặc biệt nó sẽ gây ảnh hưởng tới sức khỏe của người

sử dụng khi tiếp xúc trực tiếp với nó Còn đối với những sản phẩm có độ chính xác cao như chi tiết máy, bánh răng thiết bị,… nếu sử dụng những chất tẩy rỉ sét sắt thép này

sẽ làm cho thiết bị sai lệch về kích thước từ đó sẽ không còn sử dụng được nữa Vì vậy,

sử dụng các chất tẩy rỉ sét trên nền nước vừa có thể tẩy rỉ sét trên thiết bị mà còn giúp bảo vệ sức khoẻ của chính mình hoặc công nhân trong nhà máy Và một điểm khác biệt của sản phẩm chất tẩy rỉ sét nền nước này là nó chỉ tác dụng với rỉ sét mà không làm ảnh hưởng tới các vật liệu khác như nhựa, sơn, gỗ,…

Một biện pháp đạt hiệu quả kinh tế cao là dùng thép không rỉ khi điều kiện cho phép Đây là loại thép nâng cao tính chống rỉ trong môi trường khi sử dụng đúng và trong hầu hết các trường hợp không cần sơn Mặc dù giá thành thép này cao hơn các loại thép khác cùng cấp nhưng giá thành sản phẩm kể cả sơn phủ và giá thành lâu dài như bảo quản, sửa chữa hơn thép công trình có sơn

Cấp thép chống rỉ chỉ có giá trị với cường độ chảy từ 350Mpa trở lên Trước khi chọn thép chống rỉ, đầu tiên người thiết kế cần xác định độ rỉ của môi trường Điều này giúp quyết định dùng thép không sơn 50W, 70W, HPS70W hoặc 100W có phù hợp không Thép không rỉ có hầu hết ở các cấp nên có thể dùng cho hầu hết các trường hợp và đã được chứng minh có chất lượng cao ngay cả trong môi trường có muối Môi trường ăn mòn gồm vùng bờ biển, vùng có mưa nhiều, độ ẩm cao hoặc sơn trong cầu

và các công trình khác trên đường ô tô cần quan tâm đến các điều cấu tạo dưới đây:

Dùng ít mối nối nhất khi có thể Nếu có khe co giãn, không được để nước từ trên mặt cầu thẩm thấu xuống kết cấu nhịp Có thể dùng máng lưới mặt cầu để dẫn nước ra ngoài Phải sơn phủ kết cấu thép 1,5 lần chiều cao dầm tính từ các mối nối

Giảm tối thiểu lỗ thoát nước trên mặt cầu Tránh cấu tạo làm đọng nước và rác bẩn Nếu dùng tiết diện hộp phải đảm bảo kín nước hoàn toàn khi có thể hoặc tạo các

lỗ thích hợp tạo rãnh thoát nước và không khí Bảo vệ mũ trụ và tường mố khỏi bị nước làm hoen ố Phủ kín các mặt cầu tiếp xúc với nước, chống nước thấm và ẩm Công tác bảo dưỡng thường xuyên bao gồm các công việc sau đây: Có kế hoạch thăm

dò khảo sát thường xuyên để phát hiện xử lý hiện tượng rỉ sớm nhất Kiểm tra hệ thống rãnh thoát nước, dẫn nước ra khỏi kết cấu, vệ sinh các ống thoát nước, trét kín các mối nối mặt cầu, làm vệ sinh thường xuyên hệ thống thoát nước Khi cần sơn lại thép thì sơn trong phạm vi 1,5 lần chiều cao dầm tính từ mối nối Thường xuyên thu dọn tất cả rác đọng, bụi bẩn và các vật khác có thể làm đọng ẩm Thường xuyên thu dọn tất cả các loại thực vật và rêu phong có thể cản trở việc bóc hơi tự nhiên của mặt thép ướt Kiểm tra nắp đậy của các lỗ che nước

Nội dung công việc trên áp dụng cho tất cả kết cấu bằng thép có sơn hay không sơn để đảm bảo chất lượng vật liệu Nếu làm đúng các yêu cầu trên, kết cấu không sơn

đã tồn tại trên 30 năm trong môi trường mà vẫn phục vụ hoàn hảo, điều này chứng tỏ tính ưu việt loại thép không rỉ

Vì thép phải chịu nắng mưa nên cần có yêu cầu về bề dày tối thiểu của thép để đảm bảo tuổi thọ trong điều kiện bị rỉ Khi thép ở trong môi trường ăn mòn đặt biệt cần

có bề dày lớn hơn để làm lớp hao mòn hoặc phủ một lớp chống rỉ đặc biệt Trong cầu

ô tô các bộ phận bằng thép phải có bề dày tối thiểu là 8mm, trừ tay vịn và vách của một vài loại thép cán Các sườn kín trong mặt cầu trực hướng không nhỏ hơn 6mm

Khi không dùng thép chống rỉ thì chỉ có hệ thống sơn chất lượng cao mới đảm bảo chống rỉ được cho kết cấu bằng thép thường

Người thiết kế cần nhận thức được rằng các chỉ dẫn về chọn sơn thay đổi thường xuyên do cần phải xét đến các tác động môi trường và đảm bảo chỉ có công nghệ sơn mới nhất mới đưa vào sử dụng Hiện nay trên thị trường Việt Nam có rất nhiều loại sơn chất lượng cao của Nhật, Mỹ, Đức, Úc,… trong đó có cả sơn do các công ty trong nước liên danh với nước ngoài sản xuất cũng có chất lượng khá tốt

Chất lượng, công nghệ và giá thành sơn cầu thép luôn là vấn đề cần phải cân nhắc kỹ trước khi quyết định Thông thường sơn với chất lượng và công nghệ cao có giá thành vật liệu và thiết bị đắt hơn, thì độ bền và tuổi thọ cao hơn, chi phí nhân công

và ca máy ít hơn Trong khi sơn chất lượng và công nghệ thấp có giá thành vật liệu và thiết bị rẻ hơn, thì độ bền và tuổi thọ thấp hơn, chi phí nhân công và ca máy cao hơn

Hình 1.11 Cầu giàn thép

Cầu thép cấu tạo từ các cấu kiện thép, được thi công để vượt những nhịp lớn hoặc làm các cầu tạm, xây dựng nhanh chóng, với khả năng chịu lực lớn và tính tin cậy cao, trọng lượng nhẹ nhàng, tính cơ động cao và khả năng cơ giới hóa triệt để

Cầu vòm, cầu dây văng, cầu dây võng Khuynh hướng phát triển cầu thép hiện nay, có hai hướng phát triển: Giảm khối lượng thép bản thân công trình tới mức tối thiểu (chế tạo kiểu cầu dầm liên hợp bản BTCT) Giảm khối lượng và chi phí chế tạo, xây dựng cầu thép Với kết cấu nhịp cầu thép liên hợp bản BTCT, được tiếp tục phát triển theo 3 xu hướng: Tăng tỷ lệ phần kết cấu BTCT trong tiết diện liên hợp, tiết kiệm thép Hoàn chỉnh phần mặt cầu: sử dụng mặt cầu BTCT có độ bền, tuổi thọ cao, chất lượng tốt, bảo vệ được bộ phận cầu thép phía dưới; trước đây sử dụng dầm hoặc dàn

thép với bản mặt thép, nhược điểm rất lớn do hấp thu nhiệt độ nắng nóng gây nứt lớp betong asphalt che phủ mặt cầu phía trên, ngấm nước xuống kết cấu phần dưới, gây phá hoại rỉ sét, khó sử dụng ở Việt Nam Toàn bộ phần bản được liên kết với dầm thép tạo thành 1 hệ liên hợp, kết cấu nhịp trở thành 1 kết cấu không gian thông nhất toàn khối cùng làm việc Bản BTCT có tác dụng làm việc cùng dầm, điều chỉnh ứng suất, gây ứng suất ngược dấu với ứng suất do tải trọng, làm tăng khả năng chịu lực, đồng thời nhờ bản BTCT mà giảm khối lượng thép 1 cách rõ rệt, đảm bảo các chỉ tiêu kinh

tế kỹ thuật, khắc phục được nhược điểm gây nứt mặt betong asphalt đối với các vùng khí hậu nóng như Việt Nam

1.3 Đặc điểm chung của cầu thép, phân tích ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng

Tính chịu lực cao với tất cả các loại ứng suất: kéo, nén uốn cắt Có thể dùng chế tạo tất cả các dạng cầu khác nhau như dầm, giàn, vòm, treo và các hệ liên hợp Thép

có độ bền cao, trọng lượng bản thân nhẹ nên cầu thép có thể vượt những nhịp rất lớn Thép có cường độ cao, modun đàn hồi lớn, độ cứng lớn, đảm bảo độ ổn định dưới tác dụng của tải trọng gió, tải trọng có chu kì (tải trọng lặp hay tải trọng mỏi) Sự phá hoại dẻo, phá hoại kèm theo biến dạng lớn, gây phân bố lại nội lực và ứng suất nên cầu thép

có khả năng chịu tải trọng xung kích và ứng suất tập trung tốt Có khả năng chịu lực lớn và độ tin cậy cao Cầu thép có khả năng chịu lực lớn, độ tin cậy cao do vật liệu thép có cường độ lớn, lớn nhất trong các vật liệu xây dựng Độ tin cậy cao là do cấu trúc thuần nhất của vật liệu, sự làm việc đàn hồi và dẻo của thép gần sát với lý thuyết tính toán Sự làm việc thực tế của cầu thép phù hợp với lý thuyết tính toán Trọng lượng nhẹ Kết cấu cầu thép nhẹ nhất trong số các loại kết cấu cầu, để đánh giá phẩm chất “nhẹ” của vật liệu người ta thường dùng hệ số C là tỷ số giữa trọng lượng riêng và cường độ chịu lực của nó Tính cơ động trong vận chuyển, lắp ráp Do trọng lượng nhẹ, việc vận chuyển và lắp dựng các cấu kiện thép dễ dàng và nhanh chóng, có thể dùng trong các công trình cầu tạm cũng như cầu vĩnh cửu Tính công nghiệp hóa cao Do sự sản xuất vật liệu hoàn toàn trong nhà máy và sự chế tạo cấu kiện thép được làm chủ yếu trong các nhà máy chuyên ngành hoặc ít ra cũng dùng những loại máy mọc thiết bị chuyên dụng, thích hợp nhất với điều kiện cơ giới hóa triệt để Tính kín, không thấm nước Vật liệu và liên kết kết cấu thép có tính kín, không thấm nước, không thấm không khí, nên thích hợp nhất cho các công trình bể chứa chất lỏng, chất khí Hiện tượng rỉ (gỉ) do tác động của môi trường: rỉ (gỉ) làm ăn mòn kim loại, làm giảm tiết diện chịu lực, phá hoại các liên kết và do đó làm giảm tuổi thọ công trình Việc sơn mạ chống gỉ có tác dụng trong một thời gian nhất định, công trình cần thường xuyên kiểm tra bảo quản, cạo rỉ, sơn lại Chi phí duy tu bảo dưỡng khá cao so với cầu dùng vật liệu khác Vật liệu thép được sử dụng trong rất nhiều ngành công nghiệp khác và cho nhu cầu đời sống hàng ngày Việc sử dụng cần được xem xét cho phù hợp với nhu cầu

chung: như tính thẩm mỹ, tính kinh tế, tính khả thi… Hiện nay cầu thép thường chỉ dùng cho kết cấu nhịp các cầu lớn (do khả năng vượt nhịp lớn >30m), cầu đường sắt (bắt buộc sử dụng cầu thép do tải trọng tác dụng là tải trọng lặp, gây phá hoại mỏi-thép chịu tải trọng lặp tốt) Dùng cho các loại cầu tạm, cầu quân sự, cần tháo dỡ nhanh và vận chuyển dễ dàng

1.4 Khả năng ứng dụng cầu dầm thép

Kết cấu chịu lực chính là các dầm chủ làm bằng thép Trên dầm chủ là hệ mặt cầu bằng bê tông cốt thép hoặc bằng thép để đỡ tải trọng xe và truyền xuống các dầm chủ Các dầm chủ được liên kết với nhau bằng các hệ liên kết dọc và liên kết ngang, bảo đảm cho kết cấu nhịp là một kết cấu không gian không biến dạng hình học và có

đủ độ cứng để chịu được những tải trọng nằm ngang tác dụng theo phương ngang cầu

Trong cầu đường sắt một tuyến thường có hai dầm chủ, còn trong cầu đường ô

tô thì số lượng dầm chủ có thể nhiều hơn và xác định trên cơ sở các điều kiện kinh tế

và kỹ thuật tùy theo khổ rộng của cầu, loại kết cấu mặt cầu, chiều dài nhịp …

Trong kết cấu nhịp cầu tối thiểu phải có một hệ thống liên kết dọc và những liên kết ngang tại gối Để tăng thêm độ cứng của kết cấu nhịp và để chịu tác động của tải trọng lệch tâm đối với tim cầu được tốt (chống xoắn) đồng thời cũng để tăng cường ổn định cho biên trên chịu nén, người ta cấu tạo thêm hệ liên kết dọc thứ hai và những liên kết ngang trong phạm vi nhịp

Là cầu mà giữa dầm thép và bản mặt cầu (có thể bằng bê tông, gỗ hay thép) chỉ

có các liên kết để chống xê dịch tương đối, không có liên kết chống trượt (neo) Ở cầu dầm bản mặt cầu không tham gia chịu uốn cùng với dầm chủ

Hiện nay các cầu này chỉ dùng làm cầu tạm để phục vụ thi công hoặc các cầu có thời gian khai thác ngắn

Gồm có bản mặt cầu bằng bê tông cốt thép, dầm chủ bằng thép, giữa bản và dầm có neo liên kết chắc chắn để tạo thành một kết cấu liền khối Trong cầu liên hợp bản mặt cầu tham gia làm việc với dầm chủ

Hiện nay với những cầu có bề rộng không quá lớn (hơn 20m) trong điều kiện tĩnh không thông thuyền cho phép người ta hay áp dụng cầu liên hợp hai dầm chủ, khi

đó khoảng cách giữa hai dầm chủ có thể từ 3m đến 14m, dầm ngang với khoảng cách khoảng 4m được đẩy lên cao ngang với mặt cánh trên dầm chủ Neo liên kết được bố trí ở cả dầm chủ và dầm ngang mà bản mặt cầu có thể làm việc như bản kê 4 cạnh hoặc trên 2 cạnh (hai dầm ngang)

Cầu liên hợp hai dầm chủ tiết kiệm thép, giảm thời gian thi công và có giá thành thấp nên được dùng khá phổ biến cho cả kết cấu nhịp giản đơn và liên tục

Là cầu có mặt cầu bằng thép được tăng cường bằng các sườn tăng cường dọc và ngang Bản mặt cầu tham gia chịu uốn với dầm chủ Ưu điểm của cầu có bản trực hướng là trọng lượng mặt cầu nhẹ nên thường dùng cho các cầu có khẩu độ lớn

Vào nửa đầu thế kỷ XIX người ta đã sử dụng kết cấu nhịp dầm thép khá rộng rãi đế bắc qua những nhịp lớn Từ khi xuất hiện cầu giàn tiết kiệm vật liệu hơn thì phạm vi ứng dụng cầu dầm có phần bị thu hẹp thường chỉ bắc qua những nhịp ngắn chừng (20-30)m trở lại

Tuy nhiên do kết cấu đơn giản, chế tạo và thi công nhanh chóng, dể dàng và rẻ tiền hơn so với cầu giàn nên tuy có tốn thép xong cầu dầm vẫn có thể dùng cho những nhịp lớn tới (50-80)m, thậm chí ngày nay đã thi công những dầm cầu thép nhịp dài tới (150-200)m

Một ưu điểm quan trọng khác là kết cấu nhịp dầm có chiều cao kiến trúc nhỏ, trong những cầu có đường xe chạy trên người ta hay sử dụng vì nó giảm bớt được khối lượng đất đắp đường dẫn vào cầu

Vấn đề phát triển ứng dụng công nghệ hàn vào kết cấu cầu, sự hoàn chỉnh các phương pháp tính toán chính xác về độ ổn định của sườn dầm đồng thời việc đề xuất những loại kết cấu và hệ thống hợp lý như cho bản bê tông cốt thép cùng tham gia chịu uốn với dầm, hay loại kết cấu “bản trực hướng” đã mở ra những triển vọng mới về ứng dụng rộng rãi cầu dầm Với kỹ thuật hiện nay, trong thực tế người ta đã xây dựng những cầm dầm nhịp rất lớn hàng trăm mét

Hầu hết cầu dầm thường có mặt cầu đi trên, vì có thể thu hẹp bề ngang mố trụ cầu, đồng thời kết cấu hệ mặt cầu có phần đơn giản về cấu tạo Hơn nữa toàn bộ kết cấu nhịp được phần mặt cầu ở bên trên che cho không bị nước mưa Chỉ trong những trường hợp đặc biệt khi chiều cao kiến trúc quá hạn chế thì người ta mới làm cầu dầm

có đường xe đi dưới

Có những đặc điểm đặc trưng nên khi xây dựng cầu nông thôn cho khu vực này cần đáp ứng được các tiêu chí sau:

Khí hậu vùng này chia làm 2 mùa rõ rệt Vào mùa mưa, nước lũ dâng cao gây nhiều khó khăn cho việc thi công nên các công trình chủ yếu được xây dựng vào mùa khô, yêu cầu đặt ra là phải rút ngắn thời gian thi công Cầu dầm thép với kết cấu định hình có tính thi công lắp ráp cao, thi công tại hiện trường đơn giản, chi phí hợp lý, phù hợp với khẩu độ thường sử dụng ở khu vực

Giao thông đường bộ phổ biến nên cần phải đảm bảo cho các phương tiện qua lại dễ dàng, nhất là vào mùa mưa lũ Cầu dầm thép có thể vượt nhịp lớn mà không cần phải có trụ giữa, điều này góp phần mở rộng khoảng thông thuyền, đồng thời tiết kiệm chi phí cho kết cấu phần dưới

Do địa chất ở vùng này chủ yếu là các dạng đất yếu như sét dẻo, bùn sét hữu cơ, bùn á cát, bùn á sét Sức chịu tải đất nền yếu nên dễ gây sụt lở nếu có biến dạng lớn Kết cấu phần trên phải nhẹ để giảm áp lực xuống kết cấu phần dưới Vật liệu thép tuy

có khối lượng riêng lớn hơn nhiều so với bê tông nhưng lại có khả năng chịu được tải trọng lớn với kết cấu được thiết kế thanh mảnh hợp lý

Khả năng ứng dụng cầu dầm thép trong xây dựng cầu giao thông nông thôn ở Việt Nam nói chung và tỉnh Khánh Hòa nói riêng là hoàn toàn khả thi bởi nhu cầu phát triển hạ tầng giao thông ở khu vực này là rất lớn, cầu dầm thép có nhiều ưu điểm phù hợp với đặc thù của vùng Bên cạnh đó, trình độ gia công chế tác ngày càng được nâng cao; các công ty có những sản phẩm là thế mạnh của mình và trong tương lai gần giá nguyên vật liệu sẽ giảm là những điều kiện thuận lợi để thúc đẩy sự phổ cập của cầu dầm thép trong xây dựng cầu giao thông nông thôn

Thực tế khảo sát đã cho thấy cầu dầm thép chịu thời tiết có thể sử dụng được ở khu vực này Tuy nhiên, cần có những nghiên cứu cụ thể hơn về khả năng ứng dụng loại vật liệu này trong xây dựng cầu Mặt khác, thép chịu thời tiết là vật liệu “mới” đối với Việt Nam và phải nhập từ nước ngoài nên giá thành cao

Hy vọng rằng, khi mà các nhà máy lớn đi vào hoạt động, loại thép này sẽ được sản xuất rộng rãi ở Viêt Nam với giá thành hợp lý Việc hình thành chuỗi liên kết giữa

tư vấn thiết kế, nhà cung cấp vật liệu, đơn vị gia công chế tác và thi công sẽ tạo ra một quy trình khép kín giúp tăng tính công xưởng của cầu dầm thép, đảm bảo chất lượng,

ổn định được đầu ra và giảm giá thành

Các cơ quan quản lý nhà nước cần có cái nhìn bao quát về thế mạnh của cầu thép và những lợi ích lâu dài mà loại kết cấu này mang lại để mạnh dạn hơn trong việc

sử dụng cầu thép trong phát triển hạ tầng giao thông, đẩy nhanh tiến độ thực hiện mục tiêu xây dựng hạ tầng ở địa phương

1.5 Thực trạng một số cầu dầm thép khu vực Khánh Hòa

Thép là loại vật liệu hoàn chỉnh được sử dụng rất rộng rãi trong nền kinh tế quốc dân, đặc biệt trong xây dựng kết cấu hạ tầng giao thông Tại Khánh Hòa, việc sử dụng cầu thép trong xây dựng và phát triển hạ tầng giao thông còn hạn chế

Trong khi đó, nhu cầu cải tạo, nâng cấp và xây mới các công trình cầu là rất nhiều Bên cạnh đó, nguồn cung trong tỉnh hiện nay đã trở nên dồi dào, trình độ gia công, chế tác và thi công của các đơn vị chuyên môn cũng ngày càng cao hơn

Chính vì vậy, việc có một nghiên cứu cụ thể về nhu cầu sử dụng cầu thép trong phát triển hạ tầng giao thông ở Việt Nam nói chung và khu vực tỉnh Khánh Hòa nói riêng là rất cần thiết

Hình 1.13 Cầu Hội Phú - xã Ninh Phú, thị xã Ninh Hòa, tỉnh Khánh Hòa,2001

Hình 1.14 Cầu Tiên Du - xã Ninh Phú, thị xã Ninh Hòa, tỉnh Khánh Hòa,2003

Hình 1.15 Cầu Bầu Lá, thị xã Ninh Hòa, tỉnh Khánh Hòa,2005

Hình 1.16 Cầu Cháy, thị xã Ninh Hòa, tỉnh Khánh Hòa,2005

Hình 1.17 Cầu Dục Mỹ, thị xã Ninh Hòa, tỉnh Khánh Hòa,2005

Hình 1.18 Cầu Khẩu, thị xã Ninh Hòa, tỉnh Khánh Hòa,2005

Hình 1.19 Cầu Lắm, thị xã Ninh Hòa, tỉnh Khánh Hòa,2005

Hình 1.20 Cầu Mới, thị xã Ninh Hòa, tỉnh Khánh Hòa,2005

Hình 1.21 Cầu Ninh Đa, thị xã Ninh Hòa, tỉnh Khánh Hòa,2005

Hình 1.22 Cầu Núi Đất, thị xã Ninh Hòa, tỉnh Khánh Hòa,2005

Hình 1.23 Cầu Núi Sầm, thị xã Ninh Hòa, tỉnh Khánh Hòa,2005

Hình 1.24 Cầu Bến gành, thị xã Ninh Hòa, tỉnh Khánh Hòa,2005

Những ưu điểm của cầu thép đã được kiểm chứng trong quá trình xây dựng và khai thác Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế làm cho chủ đầu tư, đơn vị thiết kế và thi công chưa mạnh dạn trong việc sử dụng loại vật liệu này, đó là:

Rỉ (gỉ) là mặt hạn chế lớn nhất của vật liệu thép, gây tốn kém trong việc duy tu, bảo dưỡng và làm giảm tuổi thọ của công trình Giá thành của cầu thép hiện nay vẫn còn cao hơn so với cầu bê tông Mặc khác, một chuỗi liên kết giữa các bên cung ứng, gia công và chế tác chưa được hình thành ở tỉnh dẫn đến giá thành của vật liệu tăng lên

Một vấn đề nữa mà tác giả muốn đề cập là các cơ quan quản lý nhà nước vẫn chưa có cái nhìn tích cực về nhu cầu sử dụng và tầm quan trọng của cầu thép trong xây dựng và phát triển hạ tầng giao thông Qua điều tra, khảo sát thực tế và tổng hợp các nghiên cứu có liên quan đến cầu thép trong các năm gần đây, nhận thấy rằng các hạn chế ở trên có thể giải quyết như sau:

Tỉnh Khánh Hòa là vùng ảnh hưởng nước mặn nên vật liệu sử dụng để xây dựng cầu nhất là thép dễ bị ăn mòn Tốc độ rỉ trung bình của các dầm thép có lớp sơn bảo vệ ban đầu đạt ≥ 0,1mm/năm, nếu không được bảo vệ tốt thì các cầu thép sẽ bị giảm khả năng chịu tải đi rất nhiều lần Các biện pháp hạn chế ăn mòn hiện nay chủ yếu là sơn hoặc mạ kẽm Tuy nhiên, do môi trường ở khu vực này có tính xâm thực mạnh, cùng với đó là việc thi công sơn phủ chưa đạt yêu cầu và không thực hiện định

kỳ khiến cho cầu thép bị xuống cấp nhanh chóng Mặt khác, việc cạo rỉ và sơn phủ sẽ gây ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người và môi trường, đồng thời chi phí duy

tu bảo dưỡng sẽ tăng cao dẫn đến giá thành công trình cao hơn Thép chịu thời tiết là một giải pháp hữu hiệu để khắc phục hạn chế trên Thép chịu thời tiết, là thép hợp kim thấp cường độ cao, khi dùng chúng trong điều kiện phù hợp, có thể được phơi bày ngoài hiện trường mà không cần phải sơn Với thép chịu thời tiết, quá trình rỉ diễn ra trong thời gian đầu tương tự như các loại thép cacbon thông thường Trong môi trường thích hợp, lớp rỉ này được hình thành đặc sít, làm giảm sự xâm nhập của oxi và hơi ẩm

có thể xuống tới gần bằng không Công trình cầu sử dụng thép chịu thời tiết có thể đạt tuổi thọ 50 - 100 năm mà không cần phải sơn và chi phí duy tu bảo dưỡng cầu được giảm tới mức thấp nhất

Qua điều tra, ở khu vực phía bắc tỉnh Khánh Hòa hiện có 6 cầu được làm bằng vật liệu thép chịu thời tiết đã được xây dựng bằng nguồn tài trợ không hoàn lại của Chính phủ Nhật Bản từ năm 2003 Qua 12 năm sử dụng, mặc dù không có sự kiểm tra, duy tu bảo dưỡng định kỳ của các cơ quan quản lý nhưng tình trạng của các cầu nói

trên vẫn rất tốt (Hình 1.25)

Hình 1.25 Bề ngoài của một cầu dầm thép chịu thời tiết ở tỉnh Khánh Hòa-2003

Giá thành đang là mối quan tâm hàng đầu của các nhà tư vấn thiết kế, của cơ quan quản lý trong việc sử dụng cầu thép Giá của vật liệu thép làm cầu hiện nay chịu ảnh hưởng chính bởi hai yếu tố: Nguồn cung ứng thép và đơn vị gia công chế tác

Trước đây, sự phát triển của ngành thép Việt Nam đi theo chiều ngược khi công nghệ cán có trước công nghệ luyện Ngành thép Việt Nam lệ thuộc 60% vào phôi thép thế giới; nguồn cung trong nước chưa tận dụng được Năm 2012, Việt Nam nhập khẩu 7,6 triệu tấn thép các loại và nguyên liệu thép Việc nhập các loại thép nói trên là nguyên nhân làm giá thành vật liệu thép còn ở mức cao

Từ năm 2007 đến nay đã có nhiều dự án của nước ngoài được cấp phép đầu tư, trong đó có 2 dự án đã khởi công là Nhà máy liên hợp thép Formasa - Sunco tại Vũng Áng, Hà Tĩnh công suất 15 triệu tấn/năm và Tycon - E.United tại Dung Quất, Quảng Ngãi, công suất giai đoạn 1 là 3 triệu tấn/năm Như vậy, chỉ với 2 dự án này đã đáp ứng được yêu cầu đặt ra trong giai đoạn 2007 - 2015, trong khi đó còn rất nhiều dự án khác đã hoạt động Tổng công suất dự kiến là 55,2 triệu tấn/năm Như vậy, trong những năm tới, Việt Nam hoàn toàn tự chủ được nguồn cung về vật liệu thép Giá thành cho vật liệu thép xây dựng nói chung và cho cầu thép nói riêng sẽ giảm đáng kể, cầu thép có thể cạnh tranh được với cầu bê tông cốt thép

Hiện nay, ở khu vực tỉnh Khánh Hòa, nhiều công ty có thể gia công, chế tác và thi công các công trình cầu thép chịu tải trọng nhỏ, cầu giao thông nông thôn (GTNT) Qua điều tra khảo sát, một số dạng kết cấu phổ biến đang dùng cho các cầu tải trọng nhỏ và cầu GTNT ở khu vực gồm có: Cầu dầm thép, cầu giàn thép Trong tương lai gần, chúng ta có thể kì vọng một khi nguồn cung trở nên dồi dào, một chuỗi liên kết từ nhà cung cấp vật liệu, đơn vị gia công chế tác và thi công được hình thành và một bộ quy chuẩn định hình kích thước các loại cầu phù hợp cho GTNT khu vực ra đời thì giá thành xây dựng cầu thép sẽ giảm hơn nữa Như vậy, với những phân tích trên, tin rằng trong thời gian tới, giá thành xây dựng công trình cầu dầm thép hoàn toàn có thể cạnh tranh được với cầu dầm bê tông Tuy nhiên không phải lúc nào cầu dầm thép cũng

chiếm ưu thế về giá Những hạn chế về rỉ và giá thành của cầu dầm thép mà trước đây chưa giải quyết được là nguyên nhân chính làm cho các cơ quan quản lý, đơn vị tư vấn thiết kế có cái nhìn thiếu tích cực về cầu dầm thép (giá thành cao, tuổi thọ công trình thấp, duy tu bảo dưỡng phức tạp và tốn kém…) Tuy nhiên, những phân tích trên đây

đã chỉ ra rằng các hạn chế của cầu dầm thép đang dần được khắc phục Trong khi đó, nhu cầu cải tạo, nâng cấp và xây mới các công trình cầu ở tỉnh Khánh Hòa là rất lớn

Do đó, đây là cơ hội để cầu dầm thép phát huy tính ưu việt trong quá trình xây dựng và khai thác công trình giao thông ở khu vực này

Hệ thống đường giao thông nông thôn tuy đã được UBND tỉnh phân cấp quản

lý nhưng những năm qua, ngân sách UBND huyện, thị xã, thành phố phân bổ cho công tác quản lý, bảo dưỡng thường xuyên hầu như không có, chủ yếu bố trí khắc phục bão lụt và sửa chữa trước Tết Nguyên đán hàng năm

Hàng năm, UBND tỉnh, thành phố, thị xã đều chỉ đạo Phòng Kinh tế và Hạ tầng, Phòng Quản lý đô thị phối hợp với UBND xã, thị trấn tiến hành kiểm tra và lập kế hoạch bảo dưỡng Nhưng thực tế, nguồn ngân sách bảo dưỡng trong những năm qua không được cấp, trong khi nguồn ngân sách cấp đầu tư xây dựng cơ bản còn hạn chế, nên việc bố trí kinh phí bảo dưỡng công trình cầu dầm thép chưa được đảm bảo

Vì vậy, địa phương chưa thể chủ động trong việc thực hiện kế hoạch kiểm tra, bảo dưỡng thường xuyên công trình cầu dầm thép UBND tỉnh, thành phố, thị xã hàng năm đều phải trích một phần ngân sách để bảo dưỡng các cầu dầm thép nhằm kéo dài tuổi thọ công trình cầu

Việc sửa chữa khắc phục những hư hỏng nhỏ của cầu không kịp thời đã dẫn đến những hư hỏng lớn làm tăng kinh phí sửa chữa, ảnh hưởng đến an toàn giao thông và nhu cầu phục vụ sản xuất, đời sống của nhân dân Mặt khác, cũng do chưa có kinh phí cấp hàng năm cho công tác bảo dưỡng thường xuyên nên địa phương chưa thể chú trọng đến công tác này mà chỉ có thể tập trung vào đầu tư nâng cấp và xây dựng mới những cầu dầm thép bị hư hỏng nặng, có nhu cầu thiết yếu; Nhiều địa phương, việc bảo dưỡng thường xuyên được lồng ghép cho công tác sửa chữa khắc phục bão lũ

Mặt khác, nhu cầu vận chuyển và phương tiện vận chuyển (đặc biệt là phương tiện vận chuyển có tải trọng lớn) ngày càng tăng cao, thường xuyên hoạt động ảnh hưởng lớn đến kết cấu cầu Chưa kể đến các xe vận chuyển đất khai thác từ mỏ, vận chuyển mía lưu thông trên các tuyến đường có cầu dầm thép, ngoài việc làm hư hỏng nhanh công trình cầu, còn thường xuyên gây ô nhiễm môi trường sống cho những người dân trong khu vực

Trước nhu cầu bức xúc của nhân dân, các địa phương đã phải cố gắng tranh thủ các nguồn vốn khác nhau để sửa chữa các cầu dầm thép nhằm kéo dài tuổi thọ công trình cầu, có nhu cầu bức thiết nhằm đảm bảo giao thông thông suốt, êm thuận

Trong khi mạng lưới đường giao thông nông thôn trải ra trên phạm vi rộng, có những tuyến đường dài vòng qua nhiều địa bàn, có những tuyến đường len lỏi đi vào

vùng sâu, vùng xa, vùng sản xuất canh tác phục vụ sản xuất nhưng hầu hết các huyện, thị xã, thành phố do hạn chế về ngân sách, nguồn vốn nên vẫn chưa tổ chức được đơn

vị chuyên trách công tác quản lý, bảo dưỡng thường xuyên đường giao thông nông thôn đã được phân cấp quản lý Cán bộ quản lý đường giao thông nông thôn ở cấp xã không có mà chỉ là cán bộ các lĩnh vực khác kiêm nhiệm, đa số chưa có trình độ chuyên môn về cầu đường, vì vậy không đáp ứng được các yêu cầu của công tác quản

lý và công tác đầu tư xây dựng cầu Công tác thống kê, cập nhật, báo cáo kịp thời, đúng biểu mẫu từ cơ sở là một công tác quan trọng của việc quản lý cầu, mặc dù đã được hướng dẫn nhưng hiện nay vẫn chưa có được tính đồng bộ và hệ thống

Sau khi xem xét đề nghị của Công ty Cổ phần Đầu tư BOT Đèo Cả Khánh Hòa trình Bộ GTVT về chủ trương sửa chữa các cầu cũ tận dụng lại thuộc Dự án đầu tư xây dựng công trình mở rộng QL1 đoạn Km 1374+525 - Km 1392 và Km 1405 - Km 1425, tỉnh Khánh Hòa theo hình thức hợp đồng BOT; báo cáo kết quả kiểm tra phương án sửa chữa, gia cường các cầu cũ thuộc dự án nêu trên của Ban QLDA; ý kiến của Cục QLXD & CL CTGT, Bộ GTVT chấp thuận về chủ trương phương án sửa chữa một số cầu cũ thuộc Dự án đầu tư xây dựng công trình mở rộng QL1 đoạn Km 1374+525 -

Km 1392 và Km 1405 - Km 1425, tỉnh Khánh Hòa theo hình thức hợp đồng BOT theo

đề xuất của Nhà đầu tư

Cụ thể, đối với Cầu Suối Hàng (Km 1383+477) và cầu Đồng Điền (Km 1390+241): Sử dụng khe co giãn dạng sóng để thay thế cho khe co giãn cao su đã hư hỏng Các nội dung sửa chữa khác thực hiện theo chủ trương đã được Bộ GTVT chấp thuận Cầu Bà Nơi (Km 1391+036): Xử lý các vết nứt tại bản BTCT liên hợp; Thay thế các khe co giãn cao su đã hư hỏng bằng khe co giãn thép dạng sóng

Cầu Lạc An (Km 1411+618): Vệ sinh, sơn chống gỉ hệ dầm thép; Xử lý các vết nứt tại bản BTCT liên hợp; Thay thế các khe co giãn cao su đã hư hỏng bằng khe co giãn thép dạng sóng; Cào bóc và thảm lại lớp BTN mặt cầu

Cầu Núi Sầm (Km 1421+211): Dọn vệ sinh mố; xử lý các vết nứt để khắc phục tình trạng nước chảy và rêu mọc trên thân mố M2; Xử lý các vết nứt tại dầm chủ, bản mặt cầu; Thay thế các khe co giãn cao su đã hư hỏng bằng khe co giãn thép dạng sóng; Cào bóc và thảm lại lớp BTN mặt cầu

1.6 Đánh giá sơ bộ cầu Bến Gành tỉnh Khánh Hòa

Cầu Bến Gành cũ đang cắm biển tải trọng 25T, hiện trạng cầu như sau:

Cầu dầm thép I600x220x14x18mm bản BTCT, cầu gồm 6 nhịp giản đơn, mỗi nhịp dài 11,25m, tổng chiều dài cầu 67,5m

Mặt cầu là lớp bê tông nhựa dày 7cm, khe co giãn trên cầu bằng cao su đã bị bể gãy, hư hỏng

Cầu có bề rộng B=7,5+0,8x2=9,1m, cắt ngang cầu gồm 5 dầm dọc chữ I600mm

bị han rỉ, các dầm dọc liên kết nhau qua các dầm I254x180mm ngang

đầu dầm

Các liên kết ngang ở vị trí gần gối thép đã có dấu hiệu han rỉ, liên kết ngang đầu dầm giữa dầm 4 và 5 nhịp 3 bị cong

Hệ thống lan can tay vịn bằng bê tông: chân cột bị hư hỏng, bong tróc

Tường hộ lan đầu cầu bị cong vênh

Bản mặt cầu bằng BTCT dày 20cm, mặt dưới nứt nhiều dạng chân chim

Gối cầu bị rỉ nhẹ, không có dấu hiệu bị xê dịch

Khe co giãn hư hỏng hoàn toàn, không còn liên kết

Hình 1.26 Cầu Bến Gành, km3+688,25 Quốc lộ 26, thị xã Ninh Hòa, tỉnh Khánh Hòa

Hình 1.27 Dầm cầu Bến Gành, km3+688,25 Quốc lộ 26, thị xã Ninh Hòa, tỉnh

Bản mặt cầu: Xuất hiện một số vết nứt cục bộ, không đảm bảo với năng lực