Tính ưu việt của dầm bê tông cường độ cao trong các công trình giao thông

Nguyễn Trọng Nghĩa* - Trần Thanh Vũ** *CEO Công ty CP Tư vấn Synectics, Tư vấn kỹ thuật và chuyển giao công nghệ kết cấu bê tông lắp ghép nhịp lớn; **TGĐ Công ty CP Bê tông 620 Châu Thới

06:58 03/08/2024

Bê tông 620 Châu Thới đã tiên phong ứng dụng bê tông cường độ cao. Dầm U bê tông HPC đáp ứng các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật, đảm bảo đủ độ tin cậy về kiểm chứng chất lượng qua các dự án trong thực tế, có thể triển khai áp dụng cho các công trình cầu đường bộ trên phạm vi cả nước…

1. Dầm T ngược bê tông cường độ cao

1.1. Đặc điểm kỹ thuật của dầm T ngược

Hiện nay, dầm T ngược đã được ứng dụng rất phổ biến tại Mỹ, Canada và các quốc gia khác. Tại Việt Nam, dầm T ngược được nghiên cứu ứng dụng thành công bởi đội ngũ chuyên gia kỹ thuật của Công ty CP Bê tông 620 Châu Thới, với những ưu điểm nổi bật sau:

Hình 1: Sản xuất dầm T ngược bê tông HPC tại Nhà máy Bê tông 620 Châu Thới.

- Tiết kiệm chi phí: Dầm T ngược tiết kiệm chi phí xây dựng so với các cầu khác cùng khẩu độ do giảm được chiều cao kiến trúc, trọng lượng dầm nên dễ cẩu lắp và thi công nhanh hơn các dầm bê tông truyền thống khác (dầm T ngược 33 m có trọng lượng chỉ bằng 50% trọng lượng dầm I33 m)

Hình 2: Sảm xuất Dầm U bê tông HPC tại nhà mày Beton6.

- Chiều cao kiến trúc thấp: Dầm T ngược là dầm liên hợp bê tông - bê tông (sau khi thi công bản mặt cầu) thành mặt cắt chữ H, tối ưu về phân bổ vật liệu chịu lực nên giảm được chiều cao kiến trúc. Tỷ lệ giữa chiều cao dầm và chiều dài dầm đạt đến 1/35 trong khi đó các dầm thông thường khác tỷ lệ này từ 1/20 - 1/25.

Hình 3: Dầm T ngược sản xuất tại Việt Nam.

- Hiệu quả kết cấu: Dầm T ngược có ưu điểm rất nhẹ so với các dầm khác cùng khẩu độ, chỉ cần sử dụng các thiết bị cẩu lắp tự hành thông thường, thích hợp cho các vị trí xây dựng cầu khó khăn về địa hình cho các thiết bị cẩu lắp lớn nhưng vẫn đáp ứng yêu cầu chịu lực với hoạt tải yêu cầu HL93 (tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD).

Bảng 1: Các thông số cơ bản của dầm T ngược.

1.2. Phạm vi áp dụng dầm T ngược

Dầm T ngược có nhiều ưu điểm có thể sử dụng cho các cầu vượt cao tốc thay thế dầm chui dân sinh với chiều cao kiến trúc thấp:

- Đảm bảo tính êm thuận của tuyến cao tốc trong khai thác khi không sử dụng hầm chui: Các hầm chui trên cao tốc đã đưa vào khai thác hiện nay ở ĐBSCL hầu hết bị hằn lún do độ cứng chênh lệch giữa đường và hầm chui lớn dẫn đến không êm thuận trong khai thác, tiềm ẩn nhiều rủi ro về an toàn giao thông.

- Thi công nhanh, dễ dàng vận chuyển, cẩu lắp dầm tại các vị trí công trường khó tiếp cận các thiết bị thi công lớn, không có đường công vụ để vận chuyển các dầm đúc sẵn có trọng lượng lớn.

- Không bị hạn chế tĩnh không của các cầu vượt đường cao tốc.

- Đảm bảo thuận tiện cho nâng cấp mở rộng các tuyến đường dân sinh trong tương lai.

- Không bị ngập úng như các hầm chui tại các tuyến cao tốc đã xây dựng như hiện nay.

- Giảm được khối lượng đất đắp từ 30.000 - 50.000 m³ và giảm được diện tích chiếm dụng mặt bằng tuyến từ 5.000 - 6.000 m² cho mỗi vị trí hầm chui dân sinh.

1.3. Một số hình ảnh các dự án sử dụng dầm T ngược Bê tông HPC

Dầm T ngược đã được nghiên cứu thiết kế, sản xuất và ứng dụng tại Việt Nam trên 13 năm. Kết quả ứng dụng dầm T ngược tại các dự án ở ĐBSCL và các tỉnh Đông Nam Bộ cho thấy chi phí xây dựng trước thuế của cầu dầm T ngược chỉ khoảng 6 - 8 triệu đ/m² kết cấu nhịp, 14,5 - 18,5 triệu đ/m² cầu. Như vậy dầm T ngược hoàn toàn đáp ứng các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật, đảm bảo đủ độ tin cậy về kiểm chứng chất lượng qua các dự án đã áp dụng có thể triển khai áp dụng cho các công trình cầu vượt thay thế hầm chui dân sinh trên mạng lưới cao tốc khu vực phía Nam.

Hình 6: Thi công, lao lắp dầm T ngược tại cầu số 2 và cầu Rạch Đĩa, Q.7, TP.HCM.

2. Dầm U bê tông cường độ cao

2.1. Đặc điểm kỹ thuật của dầm U bê tông HPC

Về mặt hiệu quả kết cấu, dầm U có chiều cao kiến trúc thấp so với các dầm khác cùng khẩu độ nhịp do đó giảm được cao độ đường đỏ và giảm chiều dài cầu. Về mặt chịu lực, dầm U là 1 dạng dầm hộp kín bê tông - bê tông liên hợp theo 2 giai đoạn nên có khả năng chống uốn và chống xoắn rất tốt. Dầm U có chiều rộng bản đáy lớn, tận dụng được sự làm việc của vật liệu ở xa trục trung hòa nên có độ cứng chống uốn lớn hơn dầm Super-T, dầm I.

Hình 7: Ý tưởng thiết kế dầm U của Robert L. Reed.

Khả năng chịu lực của dầm U lớn hơn nhiều so với dầm I và dầm Super-T cùng khẩu độ (khả năng chịu uốn của dầm U chiều dài 38 m là 290 MN.m, khả năng chịu uốn của dầm Super-T chiều dài 38 m là 164 MN.m) do đó có thể giảm số lượng dầm đáng kể trên mặt cắt ngang cầu. Khoảng cách giữa các dầm U lớn hơn các loại dầm giản đơn khác và có thể thiết kế từ 2,6 - 5 m. Trong khi đó khoảng cách giữa các dầm Super-T thông thường từ 2,2 - 2,5 m.

2.2. So sánh đánh giá dầm U38 với dầm Super-T

Chiều cao dầm U38 thấp hơn dầm Super-T đến 0,35 m nhưng khả năng chịu lực của dầm U38 xấp xỉ 1,76 lần dầm Super-T cùng khẩu độ. Kết quả tính toán cho thấy với khoảng cách dầm 3,5 m, khẩu độ dầm 38 m bằng dầm Super-T, mặt cắt ngang cầu giảm được số lượng dầm đáng kể so với dầm Super-T.

Bảng 2: Các thông số cơ bản của dầm U căng trước.

Chiều dày sườn dầm U38 lớn hơn dầm Super-T nên ổn định chống xoắn trong quá trình cẩu lắp dầm U38 tốt hơn. Với việc giảm số lượng dầm ngoài việc đảm bảo tính kinh tế còn giảm tải trọng tác dụng lên kết cấu móng sẽ giảm số lượng cọc hoặc chiều sâu cọc trong móng còn rút ngắn được tiến độ thi công cầu.

Với giá thành chế tạo dầm U38 dự kiến bằng 1,2 lần dầm Super-T thì hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của dầm U38 vượt trội hơn so với dầm Super-T. Ngoài ra dầm U38 được thiết kế kéo các bó cáp về đầu dầm nên khắc phục nhược điểm bị nứt tại vị trí cắt khấc đầu dầm của dầm Super-T do đó hoàn toàn có thể áp dụng cho vùng bị xâm thực.

Bảng 3: So sánh các đặc trưng kỹ thuật của dầm U DƯL với dầm Super-T.

Bảng 4: So sánh chỉ tiêu kinh tế của dầm U DƯL với dầm Super-T.

3. Kết luận và kiến nghị

Đánh giá một cách toàn diện về chi phí xây dựng khi xét đến các yếu tố thời gian chờ đợi tắt lún của nền đắp trên đất yếu, chi phí do khan hiếm vật liệu, trượt giá do thời gian kéo dài, chi phí cơ hội khi đưa công trình vào sớm vận hành, tiết kiệm khi sản xuất công nghiệp, vận chuyển, lắp ráp hàng loạt mô-đun các phiến dầm… phương án cầu cạn sử dụng dầm bê tông cường độ cao (dầm T ngược và dầm U) ưu việt hơn hẳn trên nền đất yếu, nhìn dưới góc độ chi phí - lợi ích vòng đời toàn bộ công trình, hoàn toàn mang tính khả thi vì lợi ích lâu dài, bền vững cho dự án. Kiến nghị:

Dầm U Bê tông cường độ cao:

- Dầm U được thiết kế đảm bảo an toàn, có các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật vượt trội so với dầm Super-T.

- Không phải đầu tư thiết bị thi công mới mà chỉ cần sử dụng thiết bị cẩu lắp dầm Super-T.

- Các dự án được triển khai từ năm 2017 đến nay đều đảm bảo độ tin cậy cao để ứng dụng rộng rãi. Với 1 km cầu cạn đường cao tốc sử dụng dầm U giảm 35 - 40% số lượng dầm so với dầm Super-T. Thời gian thi công, lao lắp rút ngắn 35 - 40% thời gian.

Dầm T ngược bê tông cường độ cao:

- Dầm T ngược đã được ứng dụng tại Việt Nam trên 15 năm, đảm bao an toàn và độ tin cậy cao. Chi phí xây dựng thấp (chỉ khoảng 6,0 - 8,0 triệu đ/m² kết cấu nhịp, 14,50 - 18,50 triệu đ/m² cầu), hoàn toàn đáp ứng các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cạnh tranh so với các giải pháp kết cấu khác cùng chiều dài, có thể triển khai áp dụng cho các công trình cầu vượt thay thế hầm chui dân sinh trên mạng lưới cao tốc.

- Chiều cao kiến trúc thấp, trọng lượng dầm nhẹ nên dễ cẩu lắp và thi công nhanh, thích hợp cho các vị trí xây dựng cầu khó khăn về địa hình cho các thiết bị cẩu lắp lớn.

Tài liệu tham khảo:
- Hồ sơ thiết kế dầm Super-T cầu Mỹ Thuận, BQLDA Mỹ Thuận.
- Báo cáo vấn đề nứt dầm Super-T của một số công trình giao thông, Bộ GTVT.
- Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823-1:2017, Bộ GTVT.
- Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD 2007, Mỹ.
- Hồ sơ thiết kế dầm U40 và U54 của TxDOT, Mỹ.
- Hồ sơ thiết kế dầm U bê tông cường độ cao, Công ty CP Tư vấn Synectics.
- Hồ sơ thiết kế dầm T ngược bê tông cường độ cao, Công ty CP Tư vấn Synectics.
- Hồ sơ báo cáo kết quả thử tải dầm U DƯL căng trước, Phân viện Khoa học & Công nghệ GTVT Miền Nam.