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.
Giải pháp kết cấu cho công trình cảng biển nớc sâu ThS. Nguyễn Thị Bạch Dơng Bộ môn Công trình Giao thông Thành phố Khoa Công trình Trờng 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 nớc 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 tơng lai việc xây dựng cảng nớc 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 lợng hàng hoá ngày càng tăng, các đội tàu đến cảng ngày càng nhiều và xu hớng 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 nớc sâu là vô cùng cấp thiết có ích lợi lâu dài. Các kết cấu gần đây đợc sử dụng khá phổ biến nh dạng kết cấu bến trụ ống đờng kính lớn, công trình bến trọng lực, cừ đóng vây ô, bến thùng chìm đã đợc 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 u điểm khác với các loại kết cấu bến trụ ống đờng kính lớn, bến trọng lực, cừ đóng vây ô Loại kết cấu giàn Jacket và bến lắp ráp nhanh còn đợc ứng dụng mạnh mẽ trong trong xây dựng giàn khoan dầu khí, công trình xa bờ, đê chắn sóng, những công trình báo hiệu đờng thuỷ nh: hải đăng, đèn biển Ngoài ra đối với một nớc 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 nhng nhanh và an toàn cũng đa 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 đợc chế tạo sẵn ở trên bờ (bao gồm đài cọc, cọc) và đợc kéo tới vị trí xây dựng nhờ bộ phận đài cọc. Bộ phận đài cọc là một phơng tiện thuỷ sà lan tựa trên nền cọc ống thép đờng kính lớn. Một bộ phận nữa rất quan trọng là phơng tiện thi công kích nâng hạ. Đối với các công trình bến Tạp chí Khoa h ọ c Giao thông v ậ n tải Số 12 - 11/2005 180 cố 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 hởng của mực nớc 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 Tạp chí Khoa h ọ c Giao thông v ậ n tải Số 12 - 11/2005 181 Khoá chống cắt Nút Thanh giàn Bơm vữa lấp đầy Cát Lớp vữa xi măng Chốt cọc 900 Khoá chốn g cắ t Cọc chờ 1200 Cọc dẫn Đá Hình 2. Kết cấu giàn Jacket CT 2 Bộ phận sà lan chuẩn thờng dùng cho kết cấu này thờng 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 thớc sà lan cầu dẫn 24.384 x 9.144 m (80 x 30 foot) Bộ phận cọc ống thép thờng đợc sử dụng ở kết cấu này có kích thớc 1.2 m hoặc 1.8 m với bề dày 32 mm. Bộ phận kích DELONG (của hãng Delong tại Pháp) thờng có khả năng nâng, giữ, hạ đợc 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 nớc 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 nớc 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 thớc cầu cảng không bị hạn chế, đa dạng về mặt bằng Tạp chí Khoa h ọ c Giao thông v ậ n tải Số 12 - 11/2005 182 Nhợc điểm: - Cấu kiện gia công sẵn yêu cầu độ chính xác cao. - Một số bộ phận nh cọc ống thép đờng kính lớn, kích DELONG phải nhập từ nớc ngoài và vận chuyển về vị trí xây dựng tại Việt Nam. Vì công nghệ chế tạo các bộ phận này tài Việt Nam cha thể đáp ứng đợc. Và nh thế có thể làm ảnh hởng đến kế hoạch và tiến độ thi công của nhà thầu. - Giá thành cao. Do u điểm nổi bật trên kết cấu công trình bến lắp ráp nhanh đợc xây dựng nhiều trên thế giới từ những năm 1950 cho đến nay, độ tin cậy của công trình đợc đánh giá rất cao và nó còn đợc ứng dụng trong thiết kế và thi công giàn khoan dầu khí. Các cảng có kết cấu dạng này đã đợc 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,) nhng 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 Trớc hết phải chọn thiết kế kích thớc của đài cọc (các sà lan) đáp ứng các yêu cầu làm việc của bến và đáp ứng yêu cầu của một phơng tiện thuỷ, kích thớc của cọc, xác định sức chịu tải của cọc, xác định số lợng 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 phơng 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 đợc neo giữ để chuẩn bị đóng cọc. - Sà lan khi lắp dựng với cọc. Trạng thái khai thác: - Sà lan và cọc làm việc nh công trình bến bệ cọc cao mềm. Mô hình tính đợc 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 đợc 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 Tạp chí Khoa h ọ c Giao thông v ậ n tải Số 12 - 11/2005 183 sơ 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 đợc sử dụng cho bài toán phân tích trạng thái ứng suất biến dạng loại kết cấu này: phơng 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 phơng pháp siêu phần tử nhiều cấp, phần tử môđuyn MISA (Nhật), NASTRAN (Mỹ), ASKA (Đức), SESAM (Na Uy), AMUR (Liên Xô), chơng 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 phơng pháp phần tử hữu hạn thông dụng nh 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 thợng tầng với các chân đợc lắp với nền cọc ống thép, bộ phận chân đợc nối với nền cọc ống thép bằng cách hàn hoặc đổ xi măng liên kết. Bộ phận thợng tầng đợc chế tạo sẵn trên bờ. Kết cấu giàn kiểu này phát triển từ những năm 1930, nó đợc ứng dụng trong xây dựng giàn khoan dầu khí, công trình xa bờ với các u điểm lắp đặt nhanh, kết cấu vững chãi và chất lợng tốt, tuổi thọ cao. ở Nhật kết cấu này đợc 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 thờng đợc sử dụng ở kết cấu này có kích thớc 1 m đến 2 m. Chúng có thể đóng sâu xuống đất nền tới 100 m. Bộ phận giàn thép thợng tầng thờng có trọng lợng khoảng 20.000 Tấn. Tiêu chuẩn thiết kế dùng cho kết cấu này cha đuợc xây dựng, việc thiết kế chúng đợc 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 hớng dẫn Tạp chí Khoa h ọ c Giao thông v ậ n tải Số 12 - 11/2005 184 thiết kế một vài bộ phận giàn Jacket nh: 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 phơng pháp thiết kế và thi công giàn Jacket. Mô hình tính kết cấu nh sau: Có thể đa về sơ đồ phẳng hoặc sơ đồ khung không gian gồm hệ thống thanh đứng, ngang, và phần tử tấm, cọc đợc 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 nớc sâu, ngoài ra còn đợc ứng dụng trong xây dựng đê chắn sóng, công trình báo hiệu đờng 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 u điểm đã kể trên của hai dạng kết cấu này chúng có thể đợc áp dụng để xây dựng tại Việt Nam. Tuy nhiên vì các bộ phận của chúng đợc 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 đa ra giải pháp hợp lý nhất. Chúng thờng đợc xây dựng nơi nền đất yếu, chiều sâu nớc lớn hơn 20 m. Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Thị Bạch Dơng. 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 Tạp chí Khoa h ọ c Giao thông v ậ n tải Số 12 - 11/2005 185 . 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 nớc sâu, ngoài ra. kết cấu bến cảng lắp ráp nhanh là giải pháp kết cấu cho xây dựng loại bến cảng này với nhiều u điểm khác với các loại kết cấu bến trụ ống đờng kính lớn, bến trọng lực, cừ đóng vây ô Loại kết. 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