Cơ sở hạ tầng ngành GTVT đang có những bước chuyển mình lớn, đồng thời đặt ra yêu cầu đối với việc kiểm soát chất lượng công trình nghiêm ngặt hơn. Một trong số đó là việc kiểm soát chặt chẽ chất lượng của các loại gối cầu, đặc biệt là gối chậu. 
1. Các yếu tố quyết định chất lượng gối cầu
Chất lượng của gối cầu phụ thuộc vào nhiều yếu tố quan trọng, trong đó bao gồm vật liệu chế tạo, thiết kế kỹ thuật, quy trình sản xuất, lắp đặt và bảo trì.
* Vật liệu chế tạo gối cầu: Cao su, thép, PTFE… cần đảm bảo các yêu cầu về chủng loại, cơ tính trước khi đưa vào chế tạo.
* Thiết kế kĩ thuật: Thiết kế gối cầu phải phù hợp với tải trọng và chuyển vị của kết cấu cầu, gối cầu phải đảm bảo khả năng truyền tải lực và chuyển vị một cách ổn định.
* Quy trình sản xuất: Kiểm soát chặt chẽ từng công đoạn sản xuất, kiểm tra chất lượng sản phẩm theo tiêu chuẩn trước khi xuất xưởng.
* Quá trình lắp đặt: Gối cầu phải được lắp đặt đúng kỹ thuật theo hướng dẫn của nhà sản xuất và chỉ dẫn kỹ thuật của dự án. Việc lắp đặt sai kỹ thuật có thể ảnh hưởng đến khả năng làm việc và tuổi thọ của gối cầu.
2. Các tiêu chuẩn về chất lượng gối cầu
Hiện nay ở nước ta đang áp dụng tiêu chuẩn ở một số nước trên thế giới và của Việt Nam.
2.1. Trên thế giới
Hiện nay ở nước ta đã và đang áp dụng hệ thống tiêu chuẩn đánh giá chất lượng gối cầu theo một số tiêu chuẩn quốc tế sau đây:
Tiêu chuẩn châu Âu (EU), gối cầu được thử nghiệm và đánh giá theo tiêu chuẩn EN 1337 - "Structural bearings" (Gối cầu kết cấu). Đây là bộ tiêu chuẩn quy định các yêu cầu thiết kế, sản xuất, lắp đặt và thử nghiệm gối cầu. Tiêu chuẩn chính về thử nghiệm gối cầu bao gồm: EN 1337-3: Quy định yêu cầu kỹ thuật đối với gối cầu kiểu chậu (Pot Bearings), bao gồm vật liệu, thiết kế và phương pháp thử nghiệm, EN 1337-5: Tiêu chuẩn về gối cầu cao su bản thép (Elastomeric Bearings), kiểm tra khả năng chịu nén, trượt, xoay và biến dạng, EN 1337-7: Quy định phương pháp thử nghiệm đối với gối cầu dạng cầu (Spherical Bearings), đánh giá độ bền và khả năng chịu tải trọng lớn.
Tiêu chuẩn của Hiệp hội Giao thông và đường bộ Hoa Kỳ (AASHTO) quy định các yêu cầu kỹ thuật đối với gối cầu để đảm bảo an toàn, độ bền và khả năng làm việc hiệu quả trong công trình cầu đường. Các yêu cầu này được nêu trong AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, AASHTO M251 - Tiêu chuẩn gối cầu cao su cốt bản thép, AASHTO M256 - Tiêu chuẩn gối cầu kiểu chậu
Hiệp hội Vật liệu và thử nghiệm Hoa Kỳ (ASTM - American Society for Testing and Materials) ban hành nhiều tiêu chuẩn liên quan đến thiết kế, sản xuất và thử nghiệm gối cầu trong công trình cầu đường, tập trung vào các yêu cầu kỹ thuật, vật liệu và phương pháp thử nghiệm nhằm đảm bảo chất lượng và độ bền của gối cầu. ASTM D5977 - Standard Specification for High Load Rotational Spherical Bearings for Bridges and Structures (Quy định các yêu cầu đối với gối cầu dạng cầu có khả năng chịu tải trọng lớn và xoay linh hoạt)…
Nhật Bản có hệ thống tiêu chuẩn quốc gia JIS (Japanese Industrial Standards) và các quy định kỹ thuật về gối cầu do Hiệp hội Kỹ sư cầu đường Nhật Bản (Japan Road Association - JRA) ban hành. Các tiêu chuẩn này quy định chặt chẽ về thiết kế, sản xuất, thử nghiệm và lắp đặt gối cầu trong các công trình cầu đường nhằm đảm bảo độ bền và an toàn cao, đặc biệt trong điều kiện động đất.
Các tiêu chuẩn chính về gối cầu tại Nhật Bản: JIS K 6397 - Specifications for Elastomeric Bearings for Bridges (Tiêu chuẩn về gối cầu cao su cốt bản thép), JIS A 5373 - Structural Bearings (Gối cầu kết cấu): Tiêu chuẩn chung cho tất cả các loại gối cầu, bao gồm gối cầu cao su, gối cầu kiểu chậu, gối cầu dạng cầu và gối cầu trượt, JRA Specification for Highway Bridges - Part V (Bearings): Tiêu chuẩn thiết kế gối cầu trong các công trình cầu đường bộ, đề cập đến các yêu cầu về khả năng chịu lực, độ dịch chuyển và kháng động đất, JSCE Specification (Japan Society of Civil Engineers) - Structural Bearings: Tiêu chuẩn do Hiệp hội Kỹ sư xây dựng Nhật Bản ban hành, quy định chi tiết về thiết kế, kiểm tra và thử nghiệm gối cầu. Ngoài ra còn các hệ thống tiêu chuẩn của Trung Quốc, Hàn Quốc… và các quy định riêng cho từng dự án cụ thể.
2.2. Việt Nam
Ở Việt Nam, các tiêu chuẩn về gối cầu trong thiết kế và thi công cầu đường chủ yếu dựa trên hệ thống Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) do Bộ GTVT và Bộ KH&CN ban hành. Các tiêu chuẩn chính về gối cầu tại Việt Nam như TCVN 11823, TCVN 12885, TCVN 10268, TCVN 10269, TCVN 10308, TCVN 13594.
Mặc dù mỗi quốc gia có những tiêu chuẩn riêng, nhưng nhìn chung, tất cả đều nhằm đảm bảo an toàn, độ bền và khả năng hoạt động ổn định của gối cầu trong các công trình giao thông. Việc tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn này giúp nâng cao tuổi thọ công trình, giảm thiểu rủi ro và đảm bảo khả năng vận hành lâu dài của công trình trong điều kiện thực tế.
3. Giải pháp kiểm soát chất lượng gối cầu
Để kiểm soát chất lượng gối cầu một cách hiệu quả, cần áp dụng một hệ thống toàn diện, bao gồm các giải pháp từ khâu thiết kế, sản xuất, thí nghiệm đến lắp đặt và bảo trì.
- Rà soát và cập nhật tiêu chuẩn: Cần rà soát và cập nhật các tiêu chuẩn hiện hành, đảm bảo phù hợp với điều kiện thực tế của Việt Nam, bao gồm khí hậu, địa chất, tải trọng và môi trường khai thác; Xây dựng các tiêu chuẩn cụ thể cho các loại gối cầu mới, vật liệu mới và công nghệ sản xuất tiên tiến.
- Thống nhất việc áp dụng tiêu chuẩn: Ban hành các hướng dẫn chi tiết về việc lựa chọn và áp dụng tiêu chuẩn, đảm bảo tính thống nhất giữa các đơn vị liên quan; Tăng cường kiểm tra, giám sát việc tuân thủ tiêu chuẩn trong quá trình thí nghiệm và nghiệm thu.
- Nâng cao năng lực thí nghiệm: (1) Đầu tư thiết bị hiện đại: Đầu tư vào các phòng thí nghiệm đạt chuẩn, trang bị thiết bị thí nghiệm hiện đại, đặc biệt là các thiết bị chuyên dụng cho gối cầu tải trọng lớn và các thí nghiệm phức tạp. Ưu tiên các thiết bị có khả năng tự động hóa cao, giúp tăng độ chính xác và tốc độ thí nghiệm; (2) Đào tạo nhân lực: Tổ chức các khóa đào tạo, tập huấn về tiêu chuẩn và phương pháp thí nghiệm cho cán bộ kỹ thuật; Nâng cao năng lực cho các phòng thí nghiệm hiện có, đảm bảo đội ngũ cán bộ có đủ trình độ chuyên môn và kinh nghiệm; (3) Phát triển phương pháp thí nghiệm: Nghiên cứu và phát triển các phương pháp thí nghiệm mới, phù hợp với điều kiện thực tế của Việt Nam và các loại gối cầu mới; Ưu tiên các phương pháp thí nghiệm không phá hủy (NDT) để phát hiện sớm các khuyết tật tiềm ẩn.
- Kiểm soát chất lượng trong sản xuất: (1) Kiểm soát vật liệu đầu vào: Kiểm tra nghiêm ngặt chất lượng vật liệu đầu vào, đảm bảo đạt tiêu chuẩn quy định; Thiết lập hệ thống truy xuất nguồn gốc vật liệu, đảm bảo tính minh bạch và trách nhiệm; (2) Kiểm soát quy trình sản xuất: Xây dựng quy trình sản xuất rõ ràng, chi tiết, đảm bảo kiểm soát chất lượng ở từng công đoạn; Áp dụng công nghệ sản xuất tiên tiến, đảm bảo độ chính xác và đồng đều của sản phẩm.
- Kiểm tra chất lượng thành phẩm: Kiểm tra chất lượng thành phẩm theo các tiêu chuẩn quy định, đảm bảo đáp ứng yêu cầu kỹ thuật; Thực hiện các thí nghiệm cơ lý và kiểm tra không phá hủy để đánh giá chất lượng gối cầu.
- Kiểm soát chất lượng trong lắp đặt và bảo trì: (1) Lắp đặt đúng kỹ thuật: Lắp đặt gối cầu theo đúng hướng dẫn của nhà sản xuất và quy định kỹ thuật; Giám sát chặt chẽ quá trình lắp đặt, đảm bảo tính chính xác và an toàn; (2) Bảo trì định kỳ: Thực hiện bảo trì định kỳ gối cầu, kiểm tra và thay thế các chi tiết bị hư hỏng; Xây dựng hệ thống quản lý dữ liệu bảo trì, giúp theo dõi và đánh giá tình trạng gối cầu.
4. Công tác, quy trình kiểm định gối cầu và những vấn đề đặt ra hiện nay (nội dung cốt lõi của bài viết).
Gối cầu tải trọng lớn đóng vai trò then chốt trong các công trình cầu đường cao tốc, cầu dây văng, cầu bê tông dự ứng lực và cầu có nhịp lớn. Việc kiểm tra và thí nghiệm gối cầu là bước không thể thiếu để đánh giá chất lượng trước khi đưa vào sử dụng, đảm bảo an toàn và tuổi thọ cho công trình.
4.1. Quy trình thí nghiệm gối cầu
Quy trình thí nghiệm gối cầu bao gồm các bước sau:
(1) Bước 1: Kiểm tra ngoại quan:
- Kiểm tra hình dạng, kích thước, khuyết tật bề mặt, chiều dày lớp phủ... của gối cầu theo bản vẽ chế tạo.
- Đảm bảo gối cầu không có vết nứt, biến dạng, hoặc các khuyết tật khác có thể ảnh hưởng đến khả năng làm việc.
(2) Bước 2: Kiểm tra cơ lý tính vật liệu:
- Kiểm tra các tính chất cơ lý của vật liệu chế tạo gối cầu (cao su, thép, PTFE...), bao gồm độ bền kéo, độ bền nén, độ cứng, độ dẻo, hệ số ma sát...
- Đảm bảo vật liệu đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật theo tiêu chuẩn quy định.
(3) Bước 3: Kiểm tra khả năng làm việc của gối cầu:
- Thử nghiệm tải trọng nén thẳng đứng: Xác định khả năng chịu tải nén của gối cầu dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng.
- Thử nghiệm tải trọng ngang: Xác định khả năng chịu tải ngang của gối cầu dưới tác dụng của tải trọng ngang.
- Thử nghiệm góc xoay: Xác định khả năng xoay của gối cầu dưới tác dụng của mô men xoắn.
- Thử nghiệm hệ số ma sát: Xác định hệ số ma sát giữa các bộ phận trượt của gối cầu.
- Thử nghiệm hư hỏng dài hạn: Đánh giá khả năng làm việc của gối cầu dưới tác dụng của tải trọng lặp lại và các yếu tố môi trường trong thời gian dài. Đây là chỉ tiêu phức tạp nhất, đòi hỏi thiết bị thí nghiệm tự động hóa cao, quy trình thí nghiệm phức tạp và thời gian thí nghiệm dài.
4.2. Những vấn đề đặt ra trong công tác thí nghiệm gối cầu hiện nay
Công tác thí nghiệm gối cầu ở Việt Nam hiện đang đối mặt với nhiều thách thức, ảnh hưởng đến chất lượng và độ tin cậy của kết quả thí nghiệm. Các vấn đề chính bao gồm:
(1) Về tiêu chuẩn thí nghiệm
- Sự phức tạp trong lựa chọn và áp dụng tiêu chuẩn: Hiện nay, Việt Nam áp dụng đồng thời nhiều tiêu chuẩn quốc gia (TCVN) và quốc tế (EN, AASHTO, ASTM, JIS...), dẫn đến sự phức tạp trong việc lựa chọn tiêu chuẩn phù hợp cho từng loại gối cầu và từng công trình cụ thể.
Sự khác biệt về yêu cầu kỹ thuật, phương pháp thí nghiệm và tiêu chí đánh giá giữa các tiêu chuẩn có thể dẫn đến kết quả thí nghiệm khác nhau, gây khó khăn trong việc so sánh và đánh giá chất lượng gối cầu.
Thiếu các hướng dẫn chi tiết và thống nhất về việc áp dụng các tiêu chuẩn này, dẫn đến sự không đồng đều trong công tác thí nghiệm giữa các đơn vị.
- Sự chưa phù hợp của tiêu chuẩn nước ngoài với thực tế Việt Nam: Hệ thống tiêu chuẩn gối cầu ở Việt Nam chủ yếu được biên soạn dựa trên các tiêu chuẩn nước ngoài, nhưng chưa hoàn toàn phù hợp với điều kiện thực tế của Việt Nam.
Các yếu tố đặc thù của Việt Nam như khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa, môi trường khai thác khắc nghiệt (tải trọng giao thông lớn, tác động của môi trường biển), và điều kiện địa chất đa dạng chưa được phản ánh đầy đủ trong các tiêu chuẩn hiện hành.
Điều này dẫn đến kết quả thí nghiệm có thể không phản ánh chính xác khả năng làm việc của gối cầu trong điều kiện thực tế ở Việt Nam, gây khó khăn trong việc đảm bảo an toàn và tuổi thọ công trình.
(2) Về thiết bị thí nghiệm:
- Thiếu thiết bị chuyên dụng cho thí nghiệm phức tạp: Nhiều phòng thí nghiệm ở Việt Nam thiếu các thiết bị chuyên dụng để thực hiện các thí nghiệm phức tạp, đặc biệt là các thí nghiệm đánh giá hư hỏng dài hạn của gối cầu dưới tác dụng của tải trọng lặp lại và các yếu tố môi trường.
Việc thiếu thiết bị này hạn chế khả năng đánh giá toàn diện chất lượng gối cầu, đặc biệt là trong các điều kiện làm việc khắc nghiệt và trong thời gian dài.
- Thiếu thiết bị thí nghiệm gối cầu tải trọng lớn: Việc thiếu các thiết bị thí nghiệm gối cầu tải trọng lớn là một vấn đề cấp thiết, đặc biệt khi Việt Nam đang xây dựng nhiều công trình cầu lớn, cầu dây văng, cầu vượt biển... đòi hỏi gối cầu có khả năng chịu tải trọng cực lớn.
Việc thiếu thiết bị này dẫn đến việc phải đưa gối cầu ra nước ngoài để thí nghiệm, làm tăng chi phí và kéo dài thời gian thi công.
(3) Khả năng tự động hóa của thiết bị còn hạn chế: Nhiều thiết bị thí nghiệm hiện tại, có độ tự động hóa chưa cao. Dẫn đến việc phụ thuộc nhiều vào thao tác thủ công, gây ra sai số, và làm giảm độ chính xác của kết quả thí nghiệm.
Việc tự động hóa giúp kiểm soát các thông số thí nghiệm một cách chính xác và ổn định, thu thập và xử lý dữ liệu tự động, và mô phỏng các điều kiện làm việc thực tế của gối cầu.
Việc giải quyết những vấn đề này là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng và độ tin cậy của công tác thí nghiệm gối cầu, từ đó đảm bảo an toàn và tuổi thọ cho các công trình cầu đường ở Việt Nam.
4.3. Giải pháp
Để giải quyết những vấn đề đặt ra trong công tác thí nghiệm gối cầu hiện nay, cần áp dụng các giải pháp toàn diện và đồng bộ, tập trung vào việc nâng cao năng lực thí nghiệm, hoàn thiện hệ thống tiêu chuẩn và áp dụng công nghệ tiên tiến.
(1) Tự động hóa quá trình thí nghiệm
- Đầu tư vào các thiết bị thí nghiệm hiện đại, có khả năng tự động hóa cao, giúp giảm thiểu sai số do yếu tố con người, tăng độ chính xác và tốc độ thí nghiệm.
- Áp dụng các hệ thống điều khiển tự động để kiểm soát các thông số thí nghiệm một cách chính xác và ổn định.
- Sử dụng các thiết bị đo lường và cảm biến hiện đại để thu thập dữ liệu thí nghiệm một cách tự động và liên tục.
(2) Sử dụng hệ thống thu thập và xử lý dữ liệu tự động
- Áp dụng các hệ thống thu thập dữ liệu tự động giúp giảm thiểu sai sót trong quá trình ghi chép dữ liệu thí nghiệm.
- Sử dụng các phần mềm chuyên dụng để xử lý dữ liệu thí nghiệm một cách nhanh chóng và chính xác.
- Xây dựng cơ sở dữ liệu thí nghiệm tập trung, giúp quản lý và truy xuất dữ liệu một cách hiệu quả.
- Việc áp dụng các hệ thống này giúp các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật có thể phân tích các dữ liệu một cách trực quan, và chính xác.
(3) Phát triển các phương pháp thí nghiệm mô phỏng
- Nghiên cứu và phát triển các phương pháp thí nghiệm mô phỏng, giúp tái tạo các điều kiện làm việc thực tế của gối cầu trong phòng thí nghiệm.
- Sử dụng các phần mềm mô phỏng để dự đoán khả năng làm việc của gối cầu dưới tác dụng của các tải trọng và điều kiện môi trường khác nhau.
- Phát triển các phương pháp thí nghiệm mô phỏng giúp tiết kiệm thời gian và chi phí thí nghiệm, đồng thời cung cấp thông tin chi tiết về khả năng làm việc của gối cầu.
- Việc chế tạo thành công thiết bị thí nghiệm gối cầu tải trọng 8.000 tấn, có khả năng tự động hóa cao, là một bước tiến quan trọng trong việc nâng cao chất lượng thí nghiệm gối cầu ở Việt Nam.
- Việc chế tạo thành công các thiết bị thí nghiệm tải trọng lớn, và có độ tự động hóa cao, giúp cho Việt Nam giảm sự phụ thuộc vào các thiết bị nhập ngoại, giảm chi phí về tài chính, và thời gian.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.Ths Phạm Đình Nam, TS Nguyễn Văn Thịnh, PGS.TS Thái Hà Phi, “Thiết bị thí nghiệm gối đầu cầu tải trọng 6.400 Tấn được thiết kế chế tạo trong nước và ứng dụng trong thực tiễn phục vụ ngành GTVT”, Tạp chí Giao thông vận tải (tháng 8/2016).
2.ThS Phạm Đình Nam, PGS.TS Thái Hà Phi, TS Trần Xuân Bộ, KS Nguyễn Ngọc Hải, “Nghiên cứu động lực học thiết bị thí nghiệm gối cầu tải trọng 6.400 Tấn”, Tạp chí Khoa học công nghệ Việt Nam (Tập 60 - Soos - tháng 11/2020).
3.Pham DN., Thai HP., Nguyen NH., Tran XB. (2021) Modelling and Simulating Hydraulic System of Testing Equipment for Bidge Bearings with a Capacity of 6400 Tons. In: Long B.T., Kim YH., Ishizaki K., Toan N.D., Parinov I.A., Vu P.P. (eds) Proceedings of the 2ng Annual International Conference on Material, Machines and Methods for Sustainable Development (MMMS2020). MMMS 2020. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-69610-8_98.
4.Phạm Đình Nam, “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị kiểm tra sức chịu tải gối cầu tải trọng đến 5000 tấn”, mã số dt143010. Đề tài NCKH cấp bộ năm 2014-2015.
5.ThS Phạm Đình Nam, “Một số giải pháp trong thiết kế, chế tạo thiết bị kiểm tra đánh giá chất lượng gối cầu siêu tải trọng đến 5.000 tấn”. Tuyển tập báo cáo - Hội nghị khoa học công nghệ thường niên.
