HiÖn nay theo quy ho¹chph¸t triÓn hÖ thèng c¶ng biÓn ViÖt Nam®Õn n¨m 2010 vµ trong t−¬ng lai viÖcx©y dùng c¶ng n−íc s©u, c¶ngchung chuyÓnquèc tÕ vµthiÕt bÞ xÕpdìhiÖn ®¹i ®Ó ph¸t triÓn kinh tÕ vµ c¹nh tranh trongkhu vùc lµ cÊp thiÕt khi s¶n l−îng hµng ho¸ ngµy cµng t¨ng, c¸c ®éi tµu ®Õn c¶ng ngµy cµng nhiÒu vµ xu h−íng hµng h¶iquèc tÕ lµ tµu cµng lín cµng tiÕt kiÖm chi phÝ vËn t¶i. V× vËy nhu cÇu x©y dùng vµ chuyªnm«n ho¸ c¶ng biÓnn−ícs©u lµv« cïngcÊp thiÕt cã Ých lîi l©u dµi. C¸c kÕt cÊu gÇn ®©y ®−îc sö dôngkh¸ phæ biÕnnh−d¹ng kÕt cÊubÕntrô èng ®−êng kÝnh lín, c«ng tr×nh bÕn träng lùc, cõ®ãngv©y «, bÕnthïng ch×m ®· ®−îcgiíi thiÖu ë ViÖt Nam.KÕt cÊu giµnJacket vµkÕt cÊu bÕn c¶ngl¾p r¸p nhanh lµ gi¶i ph¸p kÕt cÊu cho x©y dùng lo¹i bÕn c¶ng nµy víi nhiÒu −u ®iÓm kh¸c víi c¸c lo¹i kÕt cÊu bÕn trô èng ®−êng kÝnhlín, bÕn träng lùc, cõ ®ãng v©y « … Lo¹i kÕt cÊu giµnJacket vµ bÕnl¾p r¸p nhanh cßn ®−îc øng dông m¹nhmÏ trong trong x©y dùng giµn khoan dÇu khÝ, c«ng tr×nh xa bê, ®ª ch¾nsãng, nh÷ng c«ngtr×nh b¸o hiÖu ®−êng thuûnh−: h¶i ®¨ng,®Ìn biÓn… Ngoµi ra ®èi víi mét n−íc ®ang cã chiÕn tranh,viÖccÊp thiÕt x©y dùng c¶ng phôc vôh¶iqu©n, ®ÓvËn chuyÓn vò khÝ mµvÉn ®¶m b¶o yªu cÇu bÝmËt nh−ngnhanhvµan toµncòng®−a ®Õnlùa chänlo¹i c¶ngnµy.
Trang 1Giải pháp kết cấu cho công trình cảng biển nước sâu
ThS Nguyễn Thị Bạch Dương
Bộ môn Công trình Giao thông Thành phố Khoa Công trình
Trường Đại học Giao thông Vận tải
Tóm tắt: Bài báo trình bày kết cấu bến cảng lắp ráp nhanh và kết cấu giàn Jacket có thể
ứng dụng trong xây dựng công trình bến cảng nước sâu ở Việt Nam và trong xây dựng các công
trình thuỷ khác
Summary: This article presents rapid installation of piers & Jacket structures, which is
possible to apply in deep port construction and other waterway constructions in Vietnam
1 Đặt vấn đề
CT 2
Hiện nay theo quy hoạch phát triển hệ thống cảng biển Việt Nam đến năm 2010 và trong
tương lai việc xây dựng cảng nước sâu, cảng chung chuyển quốc tế và thiết bị xếp dỡ hiện đại
để phát triển kinh tế và cạnh tranh trong khu vực là cấp thiết khi sản lượng hàng hoá ngày càng
tăng, các đội tàu đến cảng ngày càng nhiều và xu hướng hàng hải quốc tế là tàu càng lớn càng
tiết kiệm chi phí vận tải Vì vậy nhu cầu xây dựng và chuyên môn hoá cảng biển nước sâu là vô
cùng cấp thiết có ích lợi lâu dài Các kết cấu gần đây được sử dụng khá phổ biến như dạng kết
cấu bến trụ ống đường kính lớn, công trình bến trọng lực, cừ đóng vây ô, bến thùng chìm đã
được giới thiệu ở Việt Nam Kết cấu giàn Jacket và kết cấu bến cảng lắp ráp nhanh là giải pháp
kết cấu cho xây dựng loại bến cảng này với nhiều ưu điểm khác với các loại kết cấu bến trụ ống
đường kính lớn, bến trọng lực, cừ đóng vây ô … Loại kết cấu giàn Jacket và bến lắp ráp nhanh
còn được ứng dụng mạnh mẽ trong trong xây dựng giàn khoan dầu khí, công trình xa bờ, đê
chắn sóng, những công trình báo hiệu đường thuỷ như: hải đăng, đèn biển… Ngoài ra đối với
một nước đang có chiến tranh, việc cấp thiết xây dựng cảng phục vụ hải quân, để vận chuyển
vũ khí mà vẫn đảm bảo yêu cầu bí mật nhưng nhanh và an toàn cũng đưa đến lựa chọn loại
cảng này
2 Kết cấu bến cảng lắp ráp nhanh
Là một loại công trình bến bệ cọc cao vật liệu thép, các bộ phận chính của công trình được
chế tạo sẵn ở trên bờ (bao gồm đài cọc, cọc) và được kéo tới vị trí xây dựng nhờ bộ phận đài
cọc Bộ phận đài cọc là một phương tiện thuỷ sà lan tựa trên nền cọc ống thép đường kính lớn
Một bộ phận nữa rất quan trọng là phương tiện thi công kích nâng hạ Đối với các công trình bến
Trang 2cố định, bộ phận kích nâng, hạ có nhiệm vụ quan trọng trong quá trình tiến hành hàn cố định sà lan với cọc (bộ phận kích làm nhiệm vụ giữ, nâng, hạ sà lan) Còn đối với các công trình xa bờ chịu ảnh hưởng của mực nước thay đổi thì bộ phận kích này chính là bộ phận liên kết giữa sà lan với cọc giúp cho sà lan nâng lên hạ xuống một cách dễ dàng
CT 2
Hình 1 Kết cấu bến cảng lắp ráp nhanh
Trang 3Khoá chống cắt Nút
Thanh giàn
Bơm vữa lấp đầy
Cát
Lớp vữa xi măng
Chốt cọc φ 900
Khoá chống cắt
Cọc chờ φ1200
Cọc dẫn
Đá
Hình 2 Kết cấu giàn Jacket
CT 2
Bộ phận sà lan chuẩn thường dùng cho kết cấu này thường có hai loại:
- Các sà lan loại A 91.44 x 24.384 x 4 m (300 x 80 x 13 foot)
- Các sà lan loại B 45.72 x 18.288 x 3.048 m (150 x 60 x 10 foot)
- Ngoài ra còn có một loại kích thước sà lan cầu dẫn 24.384 x 9.144 m (80 x 30 foot)
Bộ phận cọc ống thép thường được sử dụng ở kết cấu này có kích thước 1.2 m hoặc 1.8 m
với bề dày 32 mm
Bộ phận kích DELONG (của hãng Delong tại Pháp) thường có khả năng nâng, giữ, hạ được
500 Tấn, hoặc 970 Tấn nếu sử dụng kích đôi
Ưu điểm của kết cấu công trình bến dạng này:
- Thi công lắp ráp nhanh chóng, thời gian ngắn, an toàn
- Phù hợp với mọi điều kiện thiên nhiên khu vực
- Phù hợp với việc xây dựng cảng nước sâu, hải đăng, giàn khoan biển ở những nơi địa chất
cho phép đóng cọc
- Kết cấu của nó vững chắc lâu dài (sử dụng vật liệu hoàn thiện nhất)
- Kết cấu có thể cố định hoặc bán cố định Khi cần thiết có thể nâng nên hạ xuống khi mực
nước thay đổi, lại có thể tự xoay tiện cho công tác cập neo tầu, phục vụ xếp dỡ
- Có thể tái sử dụng lại để xây dựng cảng mới
- Kích thước cầu cảng không bị hạn chế, đa dạng về mặt bằng
Trang 4Nhược điểm:
- Cấu kiện gia công sẵn yêu cầu độ chính xác cao
- Một số bộ phận như cọc ống thép đường kính lớn, kích DELONG phải nhập từ nước ngoài
và vận chuyển về vị trí xây dựng tại Việt Nam Vì công nghệ chế tạo các bộ phận này tài Việt Nam chưa thể đáp ứng được Và như thế có thể làm ảnh hưởng đến kế hoạch và tiến độ thi công của nhà thầu
- Giá thành cao
Do ưu điểm nổi bật trên kết cấu công trình bến lắp ráp nhanh được xây dựng nhiều trên thế giới từ những năm 1950 cho đến nay, độ tin cậy của công trình được đánh giá rất cao và nó còn
được ứng dụng trong thiết kế và thi công giàn khoan dầu khí Các cảng có kết cấu dạng này đã
được xây dựng nhiều trên thế giới: (Bắc Columbia, Guaranao – Venezuela, Mina – Sulman – Bahrain, Alaska, New York, …); ở Việt Nam xuất hiện từ những năm 1966 ữ 1967 do Hải quân
Mỹ xây dựng (4 cầu tầu tại Quy Nhơn, 2 cầu tầu tại Vũng Rô, 10 cầu tầu tại Cam Ranh, 2 cầu tầu tại Vũng Tầu, Quy Nhơn, gần đây là một giải pháp kết cấu cho xây dựng cảng Dung Quất,…) nhưng hiện nay các cảng này không còn dấu tích Các tài liệu liên quan đến kết cấu này và tiêu chuẩn thiết kế hiện không có mặt tại Việt nam Tuy nhiên có thể tham khảo các tiêu chuẩn về kết cấu thép, tiêu chuẩn thiết kế móng cọc, quy phạm thiết kế tàu thuỷ… để tiến hành thiết kế loại cảng này
CT 2
Tính toán kết cấu bến lắp ráp nhanh kiểu bệ cọc cao mềm chứa đầy đủ khía cạnh móng sâu, phải xét tới ứng suất và biến dạng kết cấu khi chịu các tải trọng tác dụng, ứng suất nền xung quanh cọc, ma sát giữa cọc và đất, điểm ngàm của cọc trong đất (hoặc liên kết với đất bằng liên kết khác), sức chịu tải của cọc theo đất nền v.v… Trước hết phải chọn thiết kế kích thước của đài cọc (các sà lan) đáp ứng các yêu cầu làm việc của bến và đáp ứng yêu cầu của một phương tiện thuỷ, kích thước của cọc, xác định sức chịu tải của cọc, xác định số lượng cọc
và bố trí cọc trong móng, sau đó tiến hành kiểm tra móng cọc Kết cấu bến lắp ráp nhanh là một
hệ kết cấu không gian siêu tĩnh nhiều bậc Hệ kết cấu này có các cột khung là các cọc cắm sâu vào trong đất; khung giàn có các dầm ngang, dọc, tôn bao mang đặc điểm của phương tiện thuỷ, và bệ của kết cấu bến
Kết cấu bến lắp ráp nhanh có hai trạng thái làm việc chủ yếu:
Trạng thái thi công:
- Sà lan kéo tới vị trí xây dựng và được neo giữ để chuẩn bị đóng cọc
- Sà lan khi lắp dựng với cọc
Trạng thái khai thác:
- Sà lan và cọc làm việc như công trình bến bệ cọc cao mềm
Mô hình tính được cho kết cấu công trình bến lắp ráp nhanh là kết cấu bệ cọc cao mềm với sơ đồ tính là một hệ khung không gian cấu tạo bởi tất cả các cấu kiện chính, cọc được ngàm chặt vào trong đất hoặc hệ thống ngàm đàn hồi
Để giải bài toán đánh giá trạng thái ứng suất, biến dạng của công trình bến lắp ráp nhanh
trên cơ sở của bài toán phân tích độ bền với các giả thiết có thể giải theo sơ đồ không gian hoặc
Trang 5sơ đồ phẳng (chia không gian thành hệ phẳng riêng biệt, chọn một hệ chịu lực cơ bản: hệ dầm
dọc, hệ dầm ngang, hệ bản không dầm)
Các phần mềm có thể được sử dụng cho bài toán phân tích trạng thái ứng suất biến dạng
loại kết cấu này: phương pháp phần tử hữu hạn (SAMCEF (Bỉ), SAP 2000 (Mỹ), STAAD PRO
(Mỹ), STRUDCAD, ANSYS (Mỹ)); ngoài ra một số phần mềm phân tích kết cấu bằng các
phương pháp siêu phần tử nhiều cấp, phần tử môđuyn MISA (Nhật), NASTRAN (Mỹ), ASKA
(Đức), SESAM (Na Uy), AMUR (Liên Xô), chương trình tính toán kết cấu GIFTS của đại học
Arzona (A Graphic Oriented Interatore Finite Element time Sharing Package); ở Việt Nam hiện
nay chỉ có một số phần mềm phân tích và thiết kế kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn
thông dụng như ANSYS, SAP 2000
3 Kết cấu giàn Jacket
CT 2
Cần trục Container
Ray
Bích neo
Mặt cầu
Tấm RC
Cọc
Bộ phận hãm
Hình 3 Kết cấu nút giàn Jacket của cầu tàu container
Kết cấu giàn Jacket là một hệ khung không gian là giàn ống thép, bộ phận giàn thép thượng
tầng với các chân được lắp với nền cọc ống thép, bộ phận chân được nối với nền cọc ống thép
bằng cách hàn hoặc đổ xi măng liên kết Bộ phận thượng tầng được chế tạo sẵn trên bờ
Kết cấu giàn kiểu này phát triển từ những năm 1930, nó được ứng dụng trong xây dựng
giàn khoan dầu khí, công trình xa bờ với các ưu điểm lắp đặt nhanh, kết cấu vững chãi và chất
lượng tốt, tuổi thọ cao ở Nhật kết cấu này được sử dụng khá rộng rãi trong xây dựng các công
trình: đê chắn sóng, cầu tàu, kè bờ, công trình bảo vệ bờ biển, cầu cảng container,…
Bộ phận cọc ống thép thường được sử dụng ở kết cấu này có kích thước 1 m đến 2 m
Chúng có thể đóng sâu xuống đất nền tới 100 m
Bộ phận giàn thép thượng tầng thường có trọng lượng khoảng 20.000 Tấn
Tiêu chuẩn thiết kế dùng cho kết cấu này chưa đuợc xây dựng, việc thiết kế chúng được
dựa trên tiêu chuẩn dành cho móng cọc ống thép và các tiêu chuẩn có liên quan đến xây dựng
công trình xa bờ Tiêu chuẩn thiết kế của Viện dầu mỏ của Mỹ, Det Norske Verta… hướng dẫn
Trang 6thiết kế một vài bộ phận giàn Jacket như: kiểm tra ứng suất tĩnh tại vị trí mối nối của các thanh ống của giàn, phá huỷ mỏi, lực cắt tại các vị trí nối… Thiết kế và thi công loại kết cấu này tham khảo Sổ tay kỹ thuật phương pháp thiết kế và thi công giàn Jacket
Mô hình tính kết cấu như sau: Có thể đưa về sơ đồ phẳng hoặc sơ đồ khung không gian gồm hệ thống thanh đứng, ngang, và phần tử tấm, cọc được liên kết với đất bởi hệ thống ngàm
đàn hồi (hình 4) ngang và dọc
Giàn phi tuyến Cột dầm phi tuyến
Cột dầm phi tuyến
Hình 4 Sơ đồ tính giàn Jacket
CT 2
Các phần mềm có thể sử dụng cho bài toán phân tích trạng thái ứng suất biến dạng kết cấu này: SAP 2000, ANSYS, …
4 Kết luận
Kết cấu bến cảng lắp ráp nhanh và kết cấu giàn Jacket là giải pháp quan trọng trong xây dựng công trình bến cảng nước sâu, ngoài ra còn được ứng dụng trong xây dựng đê chắn sóng, công trình báo hiệu đường thuỷ, giàn khoan dầu khí, … Vật liệu xây dựng sử dụng cho hai kết cấu này bằng thép là loại vật liệu hoàn thiện nhất, tuổi thọ sử dụng cao và với những ưu điểm đã
kể trên của hai dạng kết cấu này chúng có thể được áp dụng để xây dựng tại Việt Nam Tuy nhiên vì các bộ phận của chúng được chế tạo sẵn trên bờ và bằng thép nên giá thành xây dựng cao, công nghệ chế tạo yêu cầu chính xác vì vậy khi áp dụng phải so sánh các chỉ tiêu kinh tế
kỹ thuật để đưa ra giải pháp hợp lý nhất Chúng thường được xây dựng nơi nền đất yếu, chiều sâu nước lớn hơn 20 m
Tài liệu tham khảo
[1] Nguyễn Thị Bạch Dương Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ‘Nghiên cứu tính toán thiết kế công trình bến lắp ráp nhanh’, Hải Phòng, 2003
[2] Osamu Kiomiya (Professor of Waseda University), Tsutomu Katsuumi (General Manager of Coastal Development Institute of Technology), Keisuke Ojima (Senior Reseacher of Coastal Development Institute of Technology)…, New Design Method & Application of Jacket Structures to Port and Harbor Facilities, 2005
[3] Phạm Văn Giáp, Nguyễn Hữu Đẩu, Nguyễn Ngọc Huệ Công trình bến cảng, NXB Xây Dựng, Hà Nội 1998Ă
