2 kết cấu dầm bê tông cốt thép dự ứng lực mặt cắt chữ u và khả năng ứng dụng cho các cầu trên đường bộ tại việt nam

Kết cấu dầm bê tông cốt thép dự ứng lực mặt cắt chữ U (dầm U) với khả năng vượt nhịp lớn, ổn định hơn trong quá trình thi công, khai thác và giá thành rẻ hơn các loại dầm bê tông cốt thép đang được áp dụng phổ biến ở nước ta như dầm mặt cắt tiết diện kiểu chữ T, I, SuperT. Bài báo trình bày kết quả phân tích, so sánh giữa kết cấu dầm U với các loại dầm I, T, SuperT về một số chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, nghiên cứu khả năng chịu lực của dầm U với nhiều trường hợp khác nhau và công nghệ thi công dầm U. Từ đó mở ra thêm một hướng mới khi lựa chọn phương án kết cấu nhịp trong công tác thiết kế các công trình cầu trên đường ô tô ở nước ta.

1 KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC MẶT CẮT CHỮ U VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CHO CÁC CẦU TRÊN ĐƯỜNG BỘ TẠI VIỆT NAM Nguyễn Văn Ngôn(1), Nguyễn Xuân Thủy(1), Nguyễn Văn Công(2) (1) (2) Trường Cao đẳng Giao thông Huế Công ty Cổ phần Tư vấn Đầu tư Xây dựng Chuyển giao Công nghệ Thành An Tóm tắt Kết cấu dầm bê tơng cốt thép dự ứng lực mặt cắt chữ U (dầm U) với khả vượt nhịp lớn, ổn định q trình thi cơng, khai thác giá thành rẻ loại dầm bê tông cốt thép áp dụng phổ biến nước ta dầm mặt cắt tiết diện kiểu chữ T, I, Super-T Bài báo trình bày kết phân tích, so sánh kết cấu dầm U với loại dầm I, T, SuperT số tiêu kinh tế, kỹ thuật, nghiên cứu khả chịu lực dầm U với nhiều trường hợp khác công nghệ thi công dầm U Từ mở thêm hướng lựa chọn phương án kết cấu nhịp công tác thiết kế cơng trình cầu đường tơ nước ta Từ khóa: Cầu dầm U, dầm U, dầm U đúc sẵn, kết cấu nhịp Đặt vấn đề Kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCT DƯL) đơn giản áp dụng phổ biến nước ta nhờ có ưu điểm tính gia cơng, giới hóa, tiêu chuẩn hóa, dễ lao lắp, dễ vận chuyển, giá thành thấp, phù hợp với trình độ cơng nghệ điều kiện kinh tế Trong số loại dầm giản đơn kể đến số loại dầm như: dầm mặt cắt tiết diện kiểu chữ I, T, Super-T, với số lượng cơng trình thi công chiếm đa số dự án lớn nước ta như: dự án cải tạo nâng cấp QL5, QL18 đồng loạt sử dụng loại dầm đúc sẵn (PSC) có tiết diện kiểu chữ I, dự án cải tạo khôi phục cầu QL1A sử dụng loại dầm có tiết diện kiểu chữ I T Dự án cải tạo Đường 10 xây dựng sử dụng dầm Super-T, số dự án lớn cầu Mỹ Thuận, Rạch Miễu, cầu Cần Thơ có phần cầu dẫn dùng dầm Super-T, dự án đường cao tốc Sài Gịn - Trung Lương có 10 km cầu dùng hoàn toàn loại dầm Super-T Bên cạnh ưu điểm, cầu sử dụng loại dầm BTCT DƯL giản đơn loại mặt cắt chữ I, T, Super - T tồn số nhược điểm như: Đối với dầm T thiết kế theo tiêu chuẩn hành (22TCN272-05) phải giảm khoảng cách dầm tăng chiều dày cánh Độ cứng tổng thể liên kết ngang toàn kết cấu nhịp nhỏ, sử dụng mối nối ướt cánh, cầu thường có độ rung lớn đưa vào khai thác Dầm I: khả vượt nhịp chưa cao, có số dự án sử dụng dầm I42 độ cứng theo phương ngang dầm thấp nên khó khăn cho cơng tác lao kéo cẩu lắp dầm Sự cố phá hủy giòn rạn nứt dầm I xảy cơng trình cầu Chợ Đệm thuộc dự án đường cao tốc Sài Gòn - Trung Lương có 03 cầu áp dụng độ này: Cầu Đà Rằng (Phú Yên), cầu Hòa Xuân (Đà Nẵng), cầu Chợ Đệm (TP HCM) Dầm Super - T: chiều dày thành dầm mỏng (100 mm), không đảm bảo chiều dày lớp bê tông bảo vệ theo 22TCN 272-05, độ cứng tổng thể kết cấu nhỏ Khi thi cơng thường gặp khó khăn việc kiểm sốt độ vồng Trên thực tế dầm Super - T thường bị nứt nách dầm (phần giao cánh dầm sườn dầm), vết nứt chưa có giải pháp để khắc phục triệt để Kết cấu dầm U có cấu tạo tương tự dầm Super-T nghiên cứu Mỹ từ năm 80 kỉ 20, đến năm 1993 bắt đầu áp dụng bang Houston Hai loại mặt cắt dầm U dự ứng lực căng trước phát triển Cục đường bang Texas (TxDOT) là: U40 U54, sử dụng cho nhịp giản đơn Trong Cục đường bang Florida (FDOT) phát triển loại dầm U U48, U54, U63, U72 Một số dự án bang Colorado sử dụng dầm U84 căng sau, thi công nối liên tục mặt cắt gần trụ cầu 2 Nghiên cứu cấu tạo dầm U Trên sở tham khảo thiết kế dầm U [14] tương ứng với khả vượt nhịp loại dầm T, I Super-T từ Bang cơng trình giao thông Mỹ, để phù hợp với điều kiện Việt Nam, tác giả đề xuất loại dầm U có cấu tạo hình (a) Dầm U33 (b) Dầm U38 Hình Cấu tạo mặt cắt tiết diện (chưa có cốt thép) loại dầm U (tham khảo định hình FDOT) Trong hai loại dầm hình 1, loại dầm hình 1a tham khảo từ dầm U48 Bang Florida (Mỹ) đồng thời điều chỉnh kích thước cho phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế Việt Nam, có khả vượt nhịp tương ứng với loại dầm T33 m I33 m đặt tên dầm U33 Loại dầm hình 1b tham khảo từ dầm U54 có khả vượt nhịp tương đương dầm Super-T38 m, đặt tên dầm U38 Nghiên cứu khả chịu lực dầm U Trên sở quy trình thiết kế hành (22TCN 272-05), tác giả tiến hành xây dựng chương trình tính nhằm phục vụ cho việc đánh giá khả chịu lực dầm U Chương trình xây dựng cơng cụ Mathcad, chia thành mô đun liên kết với Hyperlink, kết tính tốn thể dạng thuyết minh phù hợp với yêu cầu hồ sơ thiết kế Giao diện chương trình số mơ đun hình (a) Giao diện chương trình (b) Mơ đun nhập số liệu (c) Mơ đun tính tốn nội lực Hình Một số mơ đun chương trình kiểm tốn dầm U Khả chịu lực dầm U khảo sát loại dầm có mặt cắt ngang loại U38 với nhiều trường hợp khác tương ứng với loại cáp sử dụng ASTM A416/ASTM, khoảng cách dầm cường độ bê tơng Kết tổng hợp hình 3, f 'c = 50 MPa - Cáp 15,24 mm f 'c = 55 MPa - Cáp 15,24 mm Số lượng tao cáp 90 3,0m 3,5 m 4,15 m 4,8m 5,2 m 80 70 60 50 40 30 30 32.5 35 37.5 40 42.5 Số lượng tao cáp 100 45 100 90 80 70 60 50 40 30 30 3,0m 3,5m 4,15 m 4,8m 32.5 40 42.5 5,2m 45 f 'c = MPa - Cáp 15,24 mm f 'c = MPa - C áp 15,24 mm 100 100 3,0m 3,5 m 4,15 m 4,8m 5,2 m 80 70 60 50 40 32.5 35 37.5 40 Chiề u d ài nhịp (m) 42.5 45 90 Số lượng tao cáp 90 Số lượng tao cáp 37.5 Chiề u d ài nhịp (m) Chiề u d ài nhịp (m) 30 30 35 80 3,0m 70 3,5m 60 4,15 m 50 4,8m 40 5,2m 30 30 32.5 35 37.5 40 42.5 Chiề u d ài nhịp (m) Hình Khả chịu lực dầm U38 sử dụng cáp 15,24 mm 45 f 'c = 50 MPa - Cáp 12,7 mm f 'c = 55 MPa - Cáp 12,7 mm 105 95 85 75 65 55 45 30 32.5 35 37.5 40 3,0m 3,5 m 4,15 m 4,8m 5,2 m 42.5 45 Số lượng tao cáp Số lượng tao cáp 105 95 3,0m 85 3,5m 75 65 4,15 m 55 4,8m 45 30 32.5 f 'c = MPa - Cáp 12,7 mm 85 75 65 55 45 30 32.5 35 37.5 40 40 42.5 5,2m 45 3,0 m 3,5 m 4,15 m 4,8 m 42.5 45 f 'c = MPa - C áp 12,7 mm 105 Số lượng tao cáp Số lượng tao cáp 95 37.5 Chiề u d ài nhịp (m) Chiề u d ài nhịp (m) 105 35 95 3,0m 85 3,5m 75 65 4,15 m 55 4,8m 45 30 32.5 Chiề u d ài nhịp (m) 35 37.5 40 42.5 5,2m 45 Chiề u d ài nhịp (m) Hình Khả chịu lực dầm U38 sử dụng cáp 12,7 mm So sánh dầm U với loại dầm I, T, SuperT số tiêu công nghệ thi công dầm U 4.1 So sánh dầm U với loại dầm I, T, Super-T số tiêu Tiến hành so sánh khối lượng kết cấu nhịp tính cho nhịp có bề rộng m 12 m với phương án dầm có độ tương ứng hình 5, Số lượng dầm mặt cắt ngang tương ứng với bề rộng cầu sau: Mặt cầu rộng m: dầm T33, dầm I33, dầm U33 cho nhịp 33 m; dầm Super-T38 dầm U38 cho nhịp 38 m Mặt cầu rộng 12 m: dầm T33, dầm I33, dầm U33 cho nhịp 33 m; dầm Super-T38 dầm U38 cho nhịp 38 m 38 40 328 11 T33 m I33 m U33 m 2346 20550 U38 m 98 14 76 12 4676 04 5432 Khối lượng cốt thép thường (kg) Super-T38 m 26 723 154.5 233.1119 Khối lượng bê tông (m3) Khối l ượng cốt thép thường (kg) 172.3138 Khối l ượng bê tông (m3) a) Một nhịp 33 m (b) Một nhịp 38 m Hình So sánh khối lượng phương án kết cấu nhịp với bề rộng cầu m 4956 41231 T33 m Super-T38 m 37172 I33 m 2923728 8 U38 m U33 m 1198 9515 8 37 075 790 Khối lượng cốt thép thường (kg) 200233.1 16 Khối lượng cốt thép thường (kg) Khối lượng bê tông (m3) 220.6192 Khối lượng bê tông (m3) (a) Một nhịp 33 m (b) Một nhịp 38 m Hình So sánh khối lượng phương án kết cấu nhịp với bề rộng cầu 12 m So sánh giá thành tiến hành nhịp dài 40 m, rộng 24 m cơng trình cầu vượt thực tế thi công sử dụng dầm Super-T38 với phương án đề xuất sử dụng dầm U38m Bố trí mặt cắt ngang cầu hai phương án hình [1] hình Khối lượng hạng mục phương án dầm U lấy sở hồ sơ thiết kế theo phương án dầm Super-T có điều chỉnh phần xà mũ trụ cho phù hợp với kết cấu nhịp dầm U Giá trị dự toán hạng mục lấy sở dự toán duyệt cơng trình Tổng hợp khối lượng dự tốn hai phương án trình bày bảng bảng A1L A2 A2 A2 A1R A1R A2 A2 A2 Hình Mặt cắt ngang cầu phương án dầm Super T38 m A1L Hình Mặt cắt ngang cầu phương án dầm U38 m Bảng Tổng hợp khối lượng tính cho nhịp dài 40 m hai phương án dầm Super T38 m U38 m Hạng mục Khối lượng Đơn vị Super-T38 Dầm 10 U38 Kết cấu phần - Dầm BTCT DƯL, L = 38 m - Bê tông mặt cầu đổ chỗ m3 183,20 183,20 - Bê tông ván khuôn m3 12.0 19.3 - Cốt thép DƯL ván khuôn Tấn - Cốt thép loại Tấn 76 48,5 - Bê tông asphalt mặt cầu Tấn 170 170 - Lớp phòng nước m2 1060 1060 - Lan Can chống ồn bờ bo m 160 160 - Gối cầu (46x41x8,8) cm Cái 20 12 - ống thoát nước 200 m 50 50 Cột 3 m3 274,13 317,44 - Cột đèn chiếu sáng cầu 2.6 Kết cấu phần (chỉ thống kê phần khối lượng thay đổi) - Bê tơng xà mũ Bảng Dự tốn tính cho nhịp dài 40 m hai phương án dầm Super-T38 m U38 m Loại dầm Chiều dài Dự toán nhịp (m) nhịp (VNĐ) Giá thành tính m2 diện tích mặt cầu (VNĐ) Super - T38 m 40 20.548.529.461 22.432.892 U38 m 40 19.061.249.712 20.809.225 1.487.279.748 1.623.668 Chênh lệch 4.2 Nghiên cứu công nghệ thi công dầm U Dầm U dùng cho kết cấu nhịp giản đơn sử dụng phương pháp đúc bê tông cốt thép dự ứng lực căng trước cơng nghệ thi công tương tự dầm Super-T bao gồm bước sau: Xây dựng bệ đúc dầm; Lắp đặt ván khn ngồi; Căng cốt thép dự ứng lực bệ đúc lắp đặt cốt thép thường; Đổ bê tông đáy dầm; Lắp đặt ván khuôn trong; Đổ bê tông sườn dầm cánh dầm; Cắt cáp dự ứng lực bê tông dầm đạt cường độ yêu cầu; Vận chuyển lắp đặt dầm vào vị trí; Thi cơng mặt cầu hồn thiện Mặc dù trình tự bước thi cơng dầm U tương tự dầm Super-T giảm số dầm mặt cắt ngang phí tính cho nhịp dài 40 m, rộng 24 m phương án kết cấu nhịp dầm U phương án dầm Super-T 1.487.279.748 (VNĐ) Ngồi với số lượng dầm đáy dầm rộng nên lao lắp dầm U đảm bảo an toàn dầm Super-T Kết luận Dầm U38 có khả vượt độ tương đương với dầm Super-T Dựa kết phân tích, kiến nghị phạm vi áp dụng cho dầm U38 sau: - Khẩu độ dầm áp dụng: 40 m với khoảng cách dầm 3,0 m 38 m với khoảng cách dầm 4,15 m 36 m với khoảng cách dầm 5,2 m - Bê tông dầm: f’c = 60 MPa Trường hợp áp dụng bê tơng có f’c nhỏ giảm khoảng cách dầm giảm chiều dài nhịp - Cáp DƯL: loại tao cáp 15,2 mm 12,7 mm Dầm U có cấu tạo sườn dầm dày dầm Super T, đảm bảo chiều dày lớp bê tông bảo vệ, phù hợp điều kiện nhiệt đới ẩm quốc gia nằm dọc theo bờ biển Việt Nam Chi phí xây dựng thấp dầm Super T Chiều cao kiến trúc dầm U nhỏ so với loại dầm khác độ phù hợp với cơng trình cầu vượt có hạn chế chiều cao kiến trúc cao độ mặt cầu; Công nghệ thi công cầu dầm U hoàn toàn tương tự cầu dầm Super T đơn vị thi cơng nước hồn tồn làm chủ cơng nghệ 8 Tài liệu tham khảo Bản vẽ thiết kế dự toán dầm Super - T thuộc dự án đường Vành đai Hà Nội Bộ Giao thông Vận tải (2005), Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN272-05, NXB GTVT, Hà Nội Các vẽ định hình dầm T33 m I33 m Nguyễn Văn Ngôn (2013), Nghiên cứu ứng dụng kết cấu dầm mặt cắt chữ U cho nhịp giản đơn điều kiện Việt Nam - Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật - Trường Đại học GTVT, Hà Nội Ngô Đăng Quang, Trần Ngọc Linh, Bùi Công Độ, Nguyễn Trọng Nghĩa (2008), Mơ hình hóa phân tích kết cấu cầu với Midas/Civil, NXB Xây dựng, Hà Nội Nguyễn Viết Trung, Hoàng Hà, Đào Duy Lâm (2005), Các ví dụ tính tốn Dầm cầu chữ I, T, Super-T bê tông cốt thép dự ứng lực theo tiêu chuẩn 22TCN 272 - 05, NXB Xây dựng, Hà Nội Nguyễn Viết Trung (2008), Công nghệ đại xây dựng cầu bê tông cốt thép, NXB Xây dựng, Hà Nội Nguyễn Viết Trung, Nguyễn Trọng Nghĩa (2008), Thiết kế kết cấu nhịp cầu dầm Super-T theo tiêu chuẩn 22TCN272-05, NXB Xây dựng, Hà Nội Nguyễn Viết Trung, Vũ Văn Toản, Trần Thu Hằng (2004), Tính toán Kỹ thuật Xây dựng Mathcad, NXB Xây dựng, Hà Nội 10 Nguyễn Viết Trung, Hoàng Hà, Nguyễn Ngọc Long (2010), Cầu bê tông cốt thép (tập 1), NXB GTVT, Hà Nội 11 http://onlinemanuals.txdot.gov/txdotmanuals/lrf/prestressed concrete u beam type u40 and u54.htm 12 Mary Beth D Hueste, Mohammed Safi Uddin Adil, Mohsin Adnan, and Peter B Keating (2006), Impact of LRFD specifications on design of Texas bridges volume 1: Parametric study, Texas Department of Transportation Research and Technology Implementation Office P O Box 5080 Austin, Texas 78763-5080 13 Mary Beth D Hueste, Mohammed Safi Uddin Adil, Mohsin Adnan, and Peter B Keating (2006), Impact of LRFD specifications on design of Texas bridges volume 2: Prestressed concrete bridge girder design examples, Texas Department of Transportation Research and Technology Implementation Office P O Box 5080 Austin, Texas 78763-5080 14 Instructions for Design Standards Index 20210 Series Florida U Beams 15 Brent Maxfield (2006), Mathcad with Engeneering, Elsevier Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP 30 Corporate Drive, Suite 400, Burlington, MA01803 STRUCTURAL U BEAMS AND POTENTIAL APPLICATION FOR THE HIGHWAY BRIDGE IN VIETNAM Nguyen Van Ngon(1), Nguyen Xuan Thuy(1), Nguyen Van Cong(2) (1) (2) Hue College of Transport Thanh An Construction investment consultancy and technology transfer joint stock company 9 Abstract Structural reinforced concrete beams prestressed U-shaped cross section (U beam) with capabilities spanning large, stable over the course of construction, mining and cheaper kinds of reinforced concrete beams are being commonly applied in our country like the beam cross section of the type T, I, Super-T This paper presents the results of the analysis, comparison between U beam superstructure with other type as I, T, Super-T of some economic and technical indicators, studies the capacity of U beams with many different cases and construction technology Since then opened another new direction when selection superstructures in the design of highway bridges in our country Keywords: U beam bridge, U-girder, U-shaped precast, Superstructures  ... án dầm có độ tương ứng hình 5, Số lượng dầm mặt cắt ngang tương ứng với bề rộng c? ?u sau: Mặt c? ?u rộng m: dầm T33, dầm I33, dầm U3 3 cho nhịp 33 m; dầm Super-T38 dầm U3 8 cho nhịp 38 m Mặt c? ?u rộng... đặt cốt thép thường; Đổ bê tông đáy dầm; Lắp đặt ván khuôn trong; Đổ bê tông sườn dầm cánh dầm; Cắt cáp dự ứng lực bê tông dầm đạt cường độ y? ?u c? ?u; Vận chuyển lắp đặt dầm vào vị trí; Thi cơng mặt. .. Ti? ?u chuẩn thiết kế c? ?u 22TCN272-05, NXB GTVT, Hà Nội Các vẽ định hình dầm T33 m I33 m Nguyễn Văn Ngôn (2013), Nghiên c? ?u ứng dụng kết c? ?u dầm mặt cắt chữ U cho nhịp giản đơn đi? ?u kiện Việt Nam