Xu hướng phát triển và ứng dụng gối cầu chống động đất tại Việt Nam

1. Giới thiệu

Kết cấu cầu có đặc trưng là nhịp lớn, trọng lượng tập trung ở trên cao, do đó rất dễ bị ảnh hưởng bởi các tải trọng tác dụng động, đặc biệt là các tác động ngang. Lịch sử thế giới đã trải qua nhiều trận động đất có sức tàn phá mạnh, gây ra những thiệt hại nghiêm trọng cho kết cấu cầu dẫn đến đứt gãy chuỗi cung ứng, khó khăn trong việc ứng cứu và tái thiết, phục hồi sau động đất.

Trong bối cảnh đó, gối cầu chống động đất (gối cách chấn) đã dần trở thành một trong những giải pháp thiết kế kháng chấn hiệu quả nhất áp dụng cho công trình cầu. Điều này xuất phát từ nhiều ưu điểm, đặc biệt là thiết bị này giảm đáng kể tác động động đất truyền đến công trình để duy trì ứng xử đàn hồi của các bộ phận kết cấu do đó giảm thiểu thiệt hại do động đất và bảo toàn chức năng của công trình.

Ngoài ra, giải pháp này còn đi kèm với việc giảm chi phí xây dựng, khả năng đảm bảo đầy đủ các chức năng của gối cầu thông thường và sự tương đồng về hình dạng làm cho gối cách chấn dễ dàng tích hợp vào các cây cầu mới cũng như cây cầu hiện có, dễ bảo trì và thay thế sau động đất. (Hình 1)

Các hệ gối cách chấn thông dụng hiện nay có thể được chia thành 2 nhóm chủ yếu gồm: gối cách chấn đàn hồi (elastomeric based) và gối cách chấn dạng ma sát (friction based). Ngoài ra, còn có các loại gối cách chấn là dạng biến thể khác được phát triển hoặc cải tiến từ 2 nhóm chủ yếu trên. Mỗi loại gối cách chấn có ưu điểm, nhược điểm, hiệu năng giảm chấn và phạm vi ứng dụng riêng. Do đó, cần có những hiểu biết sâu sắc về mỗi loại để có thể đưa ra các lựa chọn phù hợp đối với mỗi công trình.

Tại Việt Nam, mặc dù nguy cơ động đất không cao như một số quốc gia khác trong khu vực, nhưng các nghiên cứu gần đây cho thấy một số khu vực vẫn có nguy cơ chịu tác động từ các trận động đất lớn với nhiều đứt gãy đang hoạt động mạnh như: Đứt gãy Điện Biên - Lai Châu, Sông Mã, Sông Hồng, Sông Đà, Cao Bằng - Tiên Yên, Sông Cả, Ia Sir - Sông Ba.

Ngoài ra, sự thay đổi cấu trúc địa tầng cũng gây ra hiện tượng động đất kích thích, điển hình là tại Kon Tum đã ghi nhận hơn 440 trận động đất xảy ra trong năm 2024, với trận động đất mạnh nhất ghi nhận được có cường độ 5.0 độ Richter.

Trong lịch sử tại nước ta cũng đã xuất hiện những trận động đất có cường độ lớn (Điện Biên, 1935, 6.8 độ richter; Tuần Giáo, 1983, 6.7 độ richter…) và các dư chấn từ các nước xung quanh đã gây ra nhiều thiệt hại về cơ sở hạ tầng xã hội, điển hình là động đất tại Myanmar vào lúc 12h50p ngày 28/3/2025 (giờ địa phương) có cường độ Mw7,7 đã gây rung lắc đáng kể đến các công trình tại nước ta.

Vì vậy, việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng giải pháp gối cách chấn nhằm thiết kế chống động đất cho công trình cầu cần thiết được quan tâm nhằm nâng cao an toàn và độ bền của công trình, đặc biệt là trong bối cảnh nước ta đang phát triển mạnh mẽ về hệ thống kết cấu hạ tầng giao thông với tâm điểm hiện nay là tuyến cao tốc Bắc - Nam và hệ thống đường sắt tốc độ cao.

2. Gối cầu cách chấn

2.1. Phân loại gối cách chấn

Hiện nay có nhiều cách phân loại gối cầu khác nhau, tuy nhiên phổ biến nhất vẫn là phân loại gối dựa vào gốc vật liệu chế tạo gối và nguyên lý hoạt động của gối, bao gồm gối cách chấn đàn hồi và gối cách chấn dạng ma sát.

a. Gối cách chấn đàn hồi

Gối cách chấn đàn hồi là loại gối được ứng dụng rộng rãi nhất và mang lại hiệu quả cao. Loại gối này được xem là ứng dụng lần đầu tiên trong vai trò kháng chấn là dùng trong công trình Trường Tiểu học ở Skopje, Yugoslavia, năm 1969, với thiết kế dạng khối cao su không có gia cường. Khi đó, thiết bị đã bị biến dạng lớn theo phương đứng và phá hoại theo phương ngang khi xảy ra động đất. Giải pháp sử dụng gối cách chấn đàn hồi được hoàn thiện hơn khi giải pháp gia cường bằng các lớp thép được áp dụng, cho phép loại bỏ đáng kể chuyển vị theo phương thẳng đứng và sự nở hông của thiết bị khi chịu tải trọng thẳng đứng, đồng thời không ảnh hưởng đến khả năng biến dạng linh hoạt theo phương ngang.

Ngày nay, hệ gối này có dạng khối trụ tiết diện tròn hoặc chữ nhật, cấu tạo dạng nhiều lớp gồm vật liệu có tính đàn hồi cao (cao su) xen kẽ bởi các lớp thép mỏng gia cường, được kẹp bởi 2 tấm thép dày dùng để neo vào kết cấu. Với các gối cách chấn dạng đàn hồi, hiện nay tồn tại 2 loại chủ yếu: loại tiêu chuẩn (gồm 2 loại là cao su có độ cản thấp và cao su có độ cản cao) và gối cách chấn đàn hồi có lõi chì. (Hình 2)

Ngoài ra, còn các biến thể của gối cách chấn đàn hồi, thực chất là các giải pháp cải tiến nhằm nâng cao hiệu năng của thiết bị để đáp ứng các yêu cầu thiết kế cụ thể đối với từng khu vực hoặc từng công trình.

Cơ chế tiêu tán năng lượng của gối được thực hiện dưới dạng các biến dạng ngoài đàn hồi của cao su và lõi chì, thường thể hiện ở dạng đường cong trễ của mối quan hệ lực cắt - chuyển vị. Với các loại biến thể của gối cách chấn đàn hồi, việc tiêu tán năng lượng còn được thực hiện thông qua các biến dạng ngoài đàn hồi của thiết bị gắn kèm.

b. Gối cách chấn ma sát

Loại gối cách chấn này sử dụng mặt phẳng trượt để cho phép các dịch chuyển theo phương ngang. Một số thiết bị điển hình hoạt động theo nguyên lý này như sau:

- Gối cách chấn ma sát dạng con lắc: là một trong những hệ thống được sử dụng rộng rãi nhất trong nhóm gối cách chấn ma sát, được phát triển bởi nhóm các hệ thống bảo vệ chống động đất ở San Francisco từ cuối những năm 1980 và được ứng dụng khá phổ biến đến ngày nay.

Thiết bị này gồm 2 mặt cong, đối diện nhau, chịu lực thẳng đứng và hệ số ma sát đảm bảo ổn định dưới tác dụng của các tải trọng khai thác. Đặc điểm cấu tạo đó giúp cho 2 mặt của thiết bị này có thể tách rời các chuyển động của kết cấu phía trên và kết cấu phía dưới khi chịu tác dụng của động đất, thông qua cơ cấu trượt tại khớp nối giữa chúng. (Hình 3)

Độ cứng của thiết bị này được điều khiển thông qua bán kính cong của mặt trượt, trong khi đó, hệ số ma sát giữa lớp vật liệu đàn hồi trượt và mặt trượt có vai trò quyết định đến khả năng tiêu tán năng lượng của thiết bị.

Ngoài ra, thiết bị này cung cấp khả năng hồi phục ấn tượng, nhờ cơ chế dịch chuyển hướng tâm của mặt cong dưới tác dụng của trọng lực. Do đó, sau khi xảy ra động đất, hệ thống kết cấu có khả năng tự chuyển dịch về vị trí ban đầu mà không cần có các tác động bổ trợ bên ngoài.

- Gối cách chấn ma sát sử dụng chất đàn hồi bị nén: thiết bị này được phát triển bởi Công ty Goodco_Z-Tech, như minh họa trong hình vẽ phía dưới. Cấu tạo của thiết bị gồm lớp chất đàn hồi được nén chặt trong khuôn thép, cơ cấu trượt phía trên với mặt trượt được làm bằng thép không gỉ và vật liệu trượt làm bằng Teflon (gia cố bằng sợi carbon hoặc thủy tinh), kết hợp với hệ thống lò xo đóng vai trò điều chỉnh độ cứng theo phương ngang và lực hồi phục của thiết bị. (Hình 4)

Thiết bị này có khả năng chịu được tải trọng thẳng đứng lớn với kích thước thiết bị nhỏ hơn đáng kể khi so sánh với gối đàn hồi. Ngoài ra, thiết bị này tạo ra sự tách biệt giữa chuyển động ngang và khả năng chịu lực dọc trục, do đó có sự ổn định tốt hơn hẳn so với gối đàn hồi. Tuy nhiên, các đặc tính của thiết bị, đặc biệt là hệ số ma sát, khó thay đổi linh hoạt và bị ảnh hưởng bởi bụi, nhiệt độ, tốc độ dịch chuyển.

2.1. Vai trò, chức năng, nguyên lý hoạt động của gối cách chấn

a. Vai trò

Ngoài vai trò như các gối cầu thông thường, vai trò quan trọng nhất của gối cách chấn là bảo vệ công trình cầu khỏi tác động của động đất bằng cách:

- Tách chuyển động giữa kết cấu phần dưới và kết cấu phần trên, từ đó giúp giảm lực động đất truyền từ nền đến kết cấu công trình;

- Kéo dài chu kỳ dao động của công trình ra xa phạm vi dải tần số trội của động đất, từ đó giảm gia tốc (hay lực quán tính) do động đất tác động lên công trình;

- Giúp giảm chuyển vị và biến dạng của các bộ phận kết cấu chính, hạn chế và tiến tới loại bỏ các hư hỏng có thể xảy ra do động đất tác động;

- Duy trì khả năng làm việc của kết cấu công trình ngay sau khi xảy ra động đất, giúp cho việc lưu thông, khai thác diễn ra được liên tục.

b. Chức năng

Bên cạnh các chức năng làm việc như gối cầu thông thường, gối cách chấn còn có chức năng quan trọng tương ứng với vai trò của thiết bị trong thiết kế chống động đất. Cụ thể, chức năng của gối cách chấn có thể chia làm 3 nhóm chính gồm:

- Chức năng chịu tải trọng thẳng đứng do trọng lượng kết cấu phần trên và phương tiện khai thác, truyền xuống mố/trụ cầu giúp đảm bảo khả năng chịu lực ổn định trong mọi điều kiện;

- Chức năng cách ly dao động và tiêu tán năng lượng: Khả năng biến dạng ngang ấn tượng cho phép gối cách chấn có thể chuyển vị ngang lớn, kéo dài chu kỳ dao động cho kết cấu từ đó giảm lực quán tính theo phương ngang truyền vào kết cấu. Đồng thời, gối cách chấn được tích hợp khả năng tiêu tán năng lượng cao nên có thể tiêu tán đáng kể năng lượng dao động, giúp kết cấu công trình được bảo vệ. Mặt khác, các gối cách chấn thường có khả năng hồi phục tốt nên dễ dàng giúp công trình trở về vị trí cân bằng sau khi trải qua biến dạng do động đất.

- Chức năng kiểm soát lực và độ cứng: Nhờ khả năng biến dạng linh hoạt, gối cách chấn có thể thay đổi “độ cứng hữu hiệu” để phù hợp với từng cấp độ động đất nhằm bảo vệ kết cấu công trình.

c. Nguyên lý hoạt động chung của gối cách chấn

Trong điều kiện bình thường, gối cách chấn có độ cứng đảm bảo khả năng chịu các loại tải trọng bản thân của kết cấu cầu, tải trọng khai thác và các loại hoạt tải khác tương tự như gối cầu thông thường. Khi đó, tải trọng từ phía trên qua bản mặt cầu và hệ dầm cầu được truyền qua gối xuống mố/trụ cầu.

Khi chịu tác dụng của động đất, gối cách chấn biến dạng lớn giúp làm “mềm hóa” kết cấu và kéo dài chu kỳ dao động cơ bản từ đó giảm gia tốc và lực quán tính truyền vào công trình. Hệ quả là, lực cắt ngang do kết cấu phần trên truyền xuống kết cấu phần dưới thông qua gối cũng giảm mạnh.

Mặt khác khả năng biến dạng lớn của gối cách chấn làm gia tăng chuyển vị của kết cấu phần trên. Để giải quyết vấn đề này, gối cách chấn thường được tích hợp khả năng tiêu tán năng lượng cao, giúp hạn chế sự gia tăng chuyển vị này, đồng thời cũng làm giảm lực tác động lên kết cấu công trình.

Để đạt được các mục tiêu thiết kế, gối cách chấn có tính chất đặc trưng cơ bản là độ cứng đàn hồi ban đầu lớn, độ cứng sau đàn hồi theo phương ngang nhỏ và khả năng tiêu tán năng lượng cao. Đặc điểm này được coi là quan trọng nhất, đồng thời là triết lý thiết kế chung cho các hệ thống gối cách chấn đáy.

3. Khả năng ứng dụng gối cách chấn tại Việt Nam

Kết quả từ các nghiên cứu cho thấy, các lực gây ra bởi cùng một trận động đất lên kết cấu có sử dụng thiết bị gối cách chấn đáy có thể giảm từ 5 - 20 lần, thậm chí lên tới 50 lần khi so với kết cấu không sử dụng gối cách chấn.

Hơn nữa, giải pháp sử dụng gối cách chấn cho phép tập trung các biến dạng dẻo và tiêu tán năng lượng ngay tại thiết bị, do đó dễ dàng kiểm soát, thiết kế và thay thế trong khi vẫn duy trì trạng thái hoạt động bình thường của các bộ phận kết cấu khác.

Bằng cách đó, giải pháp này không những góp phần giảm đáng kể thiệt hại do động đất tác dụng lên kết cấu mà còn giảm chi phí bảo trì, sửa chữa, tạo ra lợi ích lâu dài trong đó có bao gồm việc duy trì khả năng khai thác sử dụng của công trình trong và ngay sau khi xảy ra động đất. Nhờ những ưu điểm không thể phủ nhận giải pháp này được đánh giá là phương án giàu tiềm năng bậc nhất trong thiết kế chống động đất cho công trình cầu.

Việt Nam nằm trên các đứt gãy địa chất lớn, với nguy cơ động đất tiềm tàng, đặc biệt là ở các khu vực Tây Bắc, Đông Bắc và một số khu vực miền Trung. Mặc dù động đất hiếm khi xảy ra, nhưng các dư chấn từ động đất ở các quốc gia láng giềng như Myanmar, Trung Quốc và Lào có thể tác động đến Việt Nam.

Trong những năm gần đây, Việt Nam đã chứng kiến sự gia tăng đáng kể về tần suất và cường độ của các trận động đất, đặc biệt tại khu vực Tây Nguyên. Bên cạnh đó, sự gia tăng dân số và tốc độ phát triển hạ tầng nhanh chóng khiến việc bảo vệ các công trình, đặc biệt là cầu, khỏi các tác động của động đất ngày càng trở nên cấp thiết.

Tuy nhiên, việc sử dụng gối cách chấn trong thiết kế cầu tại Việt Nam hiện vẫn chưa phổ biến. Việc sản xuất gối cách chấn trong nước chưa được quan tâm phát triển mạnh mẽ và hầu hết các sản phẩm này đều phải nhập khẩu, làm tăng chi phí đầu tư ban đầu. Hơn nữa, hiệu quả và lợi ích lâu dài của công nghệ này chưa được nhìn nhận đúng mức.

Hiện nay có một số công trình cầu tiêu biểu tại Việt Nam sử dụng gối cách chấn như: Cầu Vĩnh Tuy, cầu Nhật Tân, cầu Bạch Đằng: (Hình 5)

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ cơ sở hạ tầng hiện nay, số lượng các công trình cầu xây mới ngày càng gia tăng, đặc biệt là các dự án trọng điểm như hệ thống cao tốc và đường sắt tốc độ cao Bắc - Nam, vì vậy việc nghiên cứu và áp dụng gối cách chấn vào các công trình cầu ở Việt Nam hiện nay có tiềm năng phát triển lớn. Giải pháp này có thể được áp dụng cho nhiều loại công trình cầu với quy mô khác nhau, từ xây dựng cầu mới đến cải tạo, nâng cấp các cầu hiện hữu, đặc biệt là các công trình có giá trị lịch sử hoặc những cầu cần cải thiện khả năng chống động đất.

Ngoài chức năng cơ bản là hệ thống gối cầu, việc ứng dụng gối cách chấn sẽ giúp nâng cao chất lượng và độ bền vững của công trình, đồng thời bảo đảm an toàn khi cầu chịu tác động từ các lực mạnh như động đất. Điều này không chỉ giúp giảm thiểu chi phí bảo trì, sửa chữa trong suốt thời gian khai thác, mà còn góp phần vào việc phát triển bền vững hạ tầng giao thông tại Việt Nam trong tương lai.

4. Hiện trạng nghiên cứu và tiềm năng phát triển gối cách chấn tại Việt Nam

Mặc dù giàu tiềm năng phát triển, nhưng các nghiên cứu về gối cách chấn cho công trình cầu tại Việt Nam còn chưa thực sự phổ biến. Trong khoảng hơn 20 năm qua, đã có một số tác giả đang triển khai các nghiên cứu, phân tích đánh giá về hiệu quả chống động đất mà giải pháp này có thể mang lại. Hầu hết các nghiên cứu mới dừng lại ở việc phân tích mô phỏng số và đánh giá hiệu quả giảm chấn của thiết bị. Các hạn chế về nghiên cứu và ứng dụng gối cách chấn tại Việt Nam xuất phát từ nhiều nguyên nhân, có thể xem xét đến như:

- Chi phí cao và phụ thuộc vào nhập khẩu: mặc dù một số đơn vị lớn có năng lực trong việc sản xuất gối cầu, tuy nhiên sản phẩm gối cầu chống động đất chưa được quan tâm phát triển tại Việt Nam mà chủ yếu được nhập khẩu từ các quốc gia khác, điều này khiến chi phí đầu tư ban đầu cao dẫn đến những hạn chế trong việc sử dụng giải pháp này.

- Thiếu tiêu chuẩn và quy định kỹ thuật: Hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật về gối cầu chống động đất tại Việt Nam vẫn chưa được phát triển đầy đủ. Các công trình ứng dụng giải pháp gối cách chấn hiện nay đa số được tính toán theo tiêu chuẩn nước ngoài.

- Thiếu nghiên cứu điều kiện đặc thù: Các nghiên cứu về động đất tại Việt Nam hiện đang còn khá khiêm tốn, việc xem xét đánh giá hệ thống đứt gãy địa chất, tính sẵn có và khả năng truy cập nguồn dữ liệu về bản ghi gia tốc động đất thực tại Việt Nam còn rất hạn chế. Do đó, các nghiên cứu hiện có về gối cầu chống động đất tại Việt Nam chưa có đủ điều kiện cần thiết để phát triển mạnh mẽ giống như tại các nước phát triển.

- Thiếu nguồn lực và đào tạo: Việc triển khai công nghệ gối cách chấn yêu cầu đội ngũ kỹ sư và công nhân có chuyên môn cao, tuy nhiên hiện tại Việt Nam vẫn thiếu nguồn lực đào tạo chuyên sâu trong lĩnh vực này.

Tín hiệu đáng mừng là hiện nay, có một số nhóm nghiên cứu tại Việt Nam đang tập trung vào việc giải quyết các vấn đề cốt lõi liên quan đến giải pháp gối cách chấn, nhằm từng bước đưa công nghệ này vào ứng dụng rộng rãi trong các công trình cầu tại nước ta. Theo đó, các hướng nghiên cứu được thực hiện bao gồm từ việc phân tích các đặc trưng của sóng động đất, tính toán tải trọng động đất, và khảo sát hiệu quả của các giải pháp sử dụng gối cầu cách chấn.

Đồng thời, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả chống động đất của gối cách chấn cũng đang được nghiên cứu một cách chi tiết. Một số nghiên cứu đề xuất việc ứng dụng gối cách chấn cao su trong thiết kế, như giải pháp thiết kế kháng chấn tối ưu trong điều kiện Việt Nam. Các hoạt động về nghiên cứu thử nghiệm cũng đang được xúc tiến.

Việc thực hiện các nghiên cứu bài bản như vậy cần được tiếp tục khuyến khích và hỗ trợ nhằm tạo ra nguồn lực chất lượng cao trong lĩnh vực này. Điều này sẽ góp phần thúc đẩy nhanh chóng việc triển khai và ứng dụng công nghệ gối cách chấn vào các công trình cầu tại Việt Nam.

5. Đề xuất và khuyến nghị

Để thúc đẩy nghiên cứu và ứng dụng giải pháp gối cách chấn trong thiết kế và xây dựng các công trình cầu tại Việt Nam, cần giải quyết một số vấn đề cơ bản sau:

- Phát triển tiêu chuẩn và quy định kỹ thuật: Hiện tại, Việt Nam chưa có bộ tiêu chuẩn đầy đủ và quy định kỹ thuật riêng về gối cầu cách chấn. Do đó, trong thời gian tới, việc phát triển và ban hành các tiêu chuẩn kỹ thuật về việc sử dụng gối cầu chống động đất trong thiết kế và thi công cầu là rất cần thiết. Điều này sẽ tạo cơ sở pháp lý và hướng dẫn cụ thể cho các kỹ sư, nhà thầu trong quá trình áp dụng công nghệ này một cách hiệu quả, bảo đảm chất lượng và an toàn cho các công trình cầu.

- Tăng cường nghiên cứu hợp tác quốc tế: Việc hợp tác nghiên cứu với các quốc gia có kinh nghiệm về động đất như Nhật Bản, Hoa Kỳ, Canada và các quốc gia châu Âu là một bước đi quan trọng. Sự hợp tác này sẽ giúp Việt Nam nhanh chóng tiếp cận và làm chủ các công nghệ tiên tiến, đặc biệt là giải pháp gối cầu chống động đất, từ đó áp dụng hiệu quả vào thực tế xây dựng cầu tại Việt Nam.

- Tập trung nghiên cứu và phát triển sản phẩm nội địa: Hiện nay, một số đơn vị lớn trong ngành sản xuất gối cầu tại Việt Nam đã có tiềm lực và điều kiện để phát triển hệ thống gối cách chấn. Tuy nhiên, việc phát triển sản phẩm này chưa được chú trọng do thị trường trong nước chưa có sự quan tâm đầy đủ đến sản phẩm này. Việc chủ động nghiên cứu và sản xuất các loại gối cách chấn sẽ giúp giảm chi phí, tăng tính tự chủ về công nghệ xây dựng, đồng thời thúc đẩy ứng dụng rộng rãi giải pháp này trong các công trình cầu tại Việt Nam.ϖ

Tài liệu tham khảo:

1. Goodco_Z-Tech, https://www.canambridges.com/products/goodco-z-tech/

2. Guizani, L. and O. Chaallal, Mise en conformité sismique des ponts par isolation de la base – Application au pont Madrid au Québec. Canadian Journal of Civil Engineering, 2011.

3. Jangid, R., Seismic response of isolated bridges. Journal of Bridge Engineering, 2004.

4. Chandak, N., Effect of base isolation on the response of reinforced concrete building. Journal of civil engineering Research, 2013.

5. Naeim, F. and J. M. Kelly, Design of seismic isolated structures: from theory to practice. 1999, the United States of America: John Wiley & Sons.

6. Makris, N., Seismic isolation: Early history. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 2019.

7. Buckle, I., et al., Seismic isolation of highway bridges. 2006: MCEER, University at Buffalo, the State University of New York.

8. CSA-S6.1, Commentary on CSA S6:19, Canadian Highway Bridge Design Code. 2019: CSA Group.

9. AASHTO, AASHTO LRFD Bridge Design Specifications 9th Edition. 2020, American Association of State Highway and Transportation Officials: Washington, DC.

10. https://www.oiles.co.jp/en/index.html

11. https://vinhhungjsc.com/.