Cầu vòm bằng ống thép nhồi bêtông

* Khi so sánh với kết cấu bê tông có tiếp xúc với môi trường bên ngoài bê tông trong ống thép có đặc điểm:

- Độ bền của lõi bê tông tăng khoảng 2 lần.

- Bê tông không bị co ngót mà bị trương nở vì không có sự trao đổi độ ẩm giữa bê tông và môi trường bên ngoài, - Sau 2-3 ngày tuổi thì không xuất hiện thêm vết nứt.

- Tính phi tuyến của biến dang từ biến sẽ mất đi sau 2-7 ngày tuổi.

- Khối lượng của các cấu kiện ống nhồi bê tông nhỏ hơn so với cấu kiện bê tông cốt thép,

- Không cần copfa trong thi công;

   * Khi so sánh với kết cấu thép dạng ống:

- Tăng khả năng chống biến dạng của ống thép,

- Độ bền ăn mòn và chống gỉ của mặt trong ống thép cao hơn,

- Giảm độ mảnh của cấu kiện;

   * Khi so sánh với kết cấu sử dụng thép hình có mặt cắt hở:

- Mặt ngoài của kết cấu ống thép nhồi bê tông nhỏ hơn do đó chi phí sơn phủ và bảo dưỡng thấp hơn,

- Độ bền chống gỉ cao hơn,

- Khả năng ổn định đều hơn,

- Giảm được ảnh hưởng của tải trọng gió,

- Tăng độ cứng chống xoắn.

Chính vì vậy, nhiều công trình cầu trên thế giới đã được thiết kế với kết cấu ống thép nhồi bê tông cho những cấu kiện chịu nén. Vào năm 1931, một trong những kết cấu đầu tiên sử dụng công nghệ ống nhồi bê tông đã được xây dựng ở ngoại ô Paris , cầu vòm nhịp 9m với hai vòm được kết cấu gồm 6 ống cho mỗi vòm. Tổ hợp của 40 ống thép 140x50mm đã cấu tạo nên cánh trên hình parabol của kết cấu nhịp cầu dài 101m vượt sông Nêva ở thành phố Xanh Pêterbua vào năm 1936. Trong năm 1940, cầu đường sắt bác qua sông Ixet gần thành phố Kamenskơ - Uranski với nhịp chính dài 140m dạng vòm cao 22m, giá thành giảm 20% nhờ sử dụng kết cấu vòm ống nhồi bê tông, cánh vòm được thiết kế bằng ống thép CT3 820x13mm. Vào những năm của thập niên 60, ống nhồi bê tông bắt đầu được nghiên cứu, ứng dụng một cách rộng rãi trong xây dựng công trình ở Trung Quốc. Tù năm 1990 đến 1992, ba tiêu chuẩn kỹ thuật (CECS28-90, DLGJ99-91 và DLGJ-SII-92) được ban hành ở Trung Quốc đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi hơn cho việc ứng dụng công nghệ ống thép nhồi bê tông trong xây dựng công trình.

Ở Trung Quốc, cầu dạng vòm ứng dụng công nghệ CFT được bắt đầu thiết kế vào năm 1990. Với cầu có nhịp không lớn hơn 80m, kết cấu vòm được thiết kế với một ống đơn. Cầu Yiwu Yuanhuang ở tỉnh Zhejiang được thiết kế dạng vòm với một ống đơn đường kính 800, dày 18mm theo công nghệ CFT đã vượt được nhịp 80m.

Khi cần vượt nhịp lớn hơn và yêu cầu tải trọng lớn hơn, cầu vòm được thiết kế với hai ống thép liên kết với nhau. Nhịp 100m của cầu Yilan Mudanjiang thuộc tỉnh Heilongjiang có kết cấu dạng vòm, tiết diện ngang hình tam giác, cấu tạo từ ba ống (đường kính 600, dày 12mm) được liên kết chặt chẽ với nhau theo suốt chiều dài. Cầu vượt Sông Huangbai và sông Xia lao thuộc tỉnh Hubei, thiết kế với bốn ống vượt nhịp 160m, mỗi vòm gồm hai ống 1000, dày 12mm.

Cầu San-an Yongjiang thuộc tỉnh Guangxi, hợp long vào năm 1999, nhịp chính 270m dạng vòm với mặt cầu chạy giữa. Vào thời điểm này, cầu San-an Yongjiang đạt kỷ lục của cầu dạng vòm. Cầu Yongning Yongjiang ở tỉnh Guangxi có kết cấu vòm tương tự cầu Wanxian. Nhịp chính 312m dạng vòm có mặt cầu chạy giữa.

Cầu Yajisha ở Guangzhou, nhịp hình 360m được khánh thành vào tháng 6 năm 2000, chiếc cầu đầu tiên ở Trung Quốc được thiết kế với 6 ống, đạt kỷ lục thế giới.

Cầu Yajisha nằm trên đường cao tốc vành đai Tây Namtỉnh Guangzhou bắc qua sông Zhujiang. Phần cầu chính với sơ đồ phân nhịp 76+360+76m, dạng cầu vòm mở rộng. Nhịp giữa dạng vòm bản mặt cầu chạy giữa, hai nhịp biên dạng nửa vòm với bản mặt cầu chạy trên. Nhịp giữa có kết cấu dạng vòm treo không chốt, chiều dài nhịp tính toán 344m, đường tên của vòm: f:76,45m. Mặt cắt ngang vòm được thiết kế với 6 ống thép. ống giữa đường kính  = 750, dày 20mm, hai ống hai bên đường kính 750, dày 18mm, chiều dày tấm bản nối theo phương ngang là 12mm; các bộ phận của sườn vòm bao gồm các ống thẳng đứng có kích thước 450x12mm và các ống nghiêng có kích thước 351x10mm. Tiết diện ngang của vòm có chiều rộng không thay đổi 4,35m. Chiều cao thay đổi từ 4m tại đỉnh vòm đến 8,039m tại chân vòm. Đoạn ống tại chân vòm, phần liên kết với kết cấu trụ có chiều dày 36mm. Theo phương ngang cầu, hai vòm cách nhau 35,95m được liên kết bằng sáu hệ liên kết ngang dạng chéo và hai hệ liên kết ngang dạng chữ K. Hai nhịp biên có kết cấu dạng nửa vòm với chiều dài nhịp tính toán 71m, đường tên 27,3m, mặt cắt hình hộp cao 4,5m x rộng 3,45m. Hệ nhánh của nửa vòm được liên kết bằng một hệ liên kết ngang dạng chéo và một hệ liên kết ngang dạng chữ K. Hai nửa vòm biên được đặt trên gối chậu di động tại trụ biên.

Hai nửa vòm cầu Yajisha được chế tạo riêng biệt trên không vòm dọc theo hai bên bờ. Thớt trên của đã xoay là phần đế vòm đặt trên trụ. Thớt dưới của đã xoay làm việc như kết cấu truyền tải trọng xuống móng cọc. Hai nửa vòm nhịp chính được nâng lên đến cao độ thiết kế bằng cách xoay tất cả theo phương đứng một góc 24,7014độ; rồi xoay theo phương ngang đến vị trí thiết kế. Nửa vòm của nhịp phía bờ Bắc được xoay theo phương ngang một góc 117,10độ và 92,2dộ cho nửa vòm phía bờ Nam .

Ống thép được nhồi bê tông C60 có phụ gia trương nở .Phụ gia chậm ninh kết được trộn vào bê tông đế tăng khả năng làm việc của bê tông. Tỉ lệ nước xi măng là 0,35 với độ sụt 18-20cm. Cường độ chịu nén sau 3 ngày tuổi đạt 58,5 MPa.

Trình tự nhồi bê tông như sau: Đầu tiên là các ống chính của vòm, sau đó đến các tấm liên kết ngang (trong các lỗ rỗng của tấm), các phần ở dưới đổ trước các phần ở trên đổ sau.

Không nhồi bê tông trong sườn vòm và hệ giằng ngang. Bê tông được nhồi đều từ hai nửa vòm để điều chỉnh trục vòm đúng vị trí. Việc điều chỉnh này cũng được thực hiện nhờ các dây treo phụ. Khi trục hai nửa vòm đã đúng vị trí thiết kế, tiến hành hợp long bằng đai ốc liên kết với các ống vòm, sau đó hai nửa vòm được hàn lại với nhau. Đoạn hợp long của cầu dài 1m.

Kết cấu bản mặt cầu được cấu tạo từ các dầm có tiết diện T đôi, dầm ngang bằng thép đặt cách nhau 8m và 4 dầm dọc bằng thép. Lớp phủ mặt cầu dày 12cm bao gồm 4cm lớp bê tông nhựa tạo phẳng và 8cm lớp bê tông cốt sợi.

Kết cấu móng phía bờ Nam gồm 24 cọc khoan nhồi 3m cho trụ T10, 10 cọc 2m cho trụ T11 .Phía bờ Bắc, trụ T8 có 10 cọc 2m và 36 cọc 3m cho trụ T9.

Trong số những cầu vòm được hoàn tất ở Trung Quốc, đặc biệt cầu vòm kiểu CFT, loại cầu có mặt cầu chạy giữa chiếm số lượng nhiều nhất, kế đến là loại cầu có mặt cầu chạy trên và sau cùng là kiểu cầu có mặt cầu chạy dưới.

Cầu Wuhan thứ 3 vượt sông Hanjiang thuộc loại cầu vòm có mặt cầu chạy dưới. Vòm có mặt cắt không đổi được cấu tạo từ 4 ống theo công nghệ CFT. Nhịp chính dài 280m, được hoàn thành vào năm 2000, đạt kỷ lục thế giới về loại cầu vòm CFT có mặt cầu chạy dưới.

Tương tự cầu YAJISHA, cầu vòm Wuhan thứ 5 bắc qua sông Hanjiang cũng có cấu trúc vòm 3 nhịp. Nhịp giữa dạng vòm có mặt cầu chạy giữa và hai nhịp biên dạng nửa vòm với mặt cầu chạy trên, sơ đồ phân nhịp 60,5+251+60,5m.

Cầu Wuzhu thứ 3 bắc qua sông Gujiang, cầu vòm CFT có dạng tương tự cầu Yajisha. Nhịp chính 175m, được thi công với sai số của việc lắp đặt 8 ống vòm chính chỉ là 3mm.

Cầu Fengjie Meixi ở tỉnh Sichuan, cầu vòm CFT dạng không chốt với bản mặt cầu chạy trên, nhịp chính dài 288m đạt kỷ lục thế giới về loại cầu vòm CFT có 1 mặt cầu chạy trên. Cầu bắc qua sông Beipanjiang gần thành phố Luipanshui ở phía Tây tỉnh Guizhou Trung Quốc đã được thi công xoay quanh gối chính và hoàn tất thành công vào tháng giêng năm 2001 .Nhịp chính dài 236m đạt kỷ lục thế giới đối với cầu đường sắt đơn dạng vòm bằng thép ống nhồi bê tông. Cầu nặng nhất được xây dựng bằng phương pháp xoay ngang gối chính. Vòm  cầu gồm hai nhánh, tại chân vòm khoảng cách giữa hai nhánh rộng 19,60m và giảm dần đến đỉnh vòm còn 16,16m. Tỷ lệ giữa chiều cao vòm và chiều dài nhịp đạt 1114, trục vòm có dạng đường cong dây xích. Mỗi nhánh 1 vòm được cấu tạo với bốn ống thép có đường kính 1000mm dày 16mm. Bốn ống thép được hàn liên kết với nhau nhờ những tấm thép và những thanh giằng chéo bằng thép hình tiết diện chữ H để tạo thành hình chữ nhật rỗng rộng 2,5m và cao 5,4m. Hai nhánh vòm được liên kết nhờ 13 hệ tăng cường ngang nham đảm  bảo tính ổn định về hình dáng của kết cấu.

Những công trình nêu trên đã chứng minh khả năng vượt nhịp lớn của loại cầu vòm với công nghệ CFT ngày càng cao, chiều dài nhịp 550m (cầu Lu pu - Shanghai), thậm chí còn lớn hơn nữa. Ngoài ra, kết cấu với kiểu dáng thanh mảnh mang đậm nét kiến trúc cũng góp phần tạo mỹ quan cho khu vực xây dựng.

Chúng ta cần nghiên cứu kỹ hơn về phương pháp tính toán, biện pháp thi công... liên quan đến công nghệ này để có thể tạo được bước chuyển biến cho ngành cầu ở Việt Nam .

Nguồn: Tạp chí GTVT