Báo cáo tổng kết đề tài : Nghiên cứu cầu toàn khối
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (22.53 MB, 372 trang )
VIỆN NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN GIAO THÔNG
BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU CẦU TỒN KHỐI
CNĐT: NGUYỄN PHÚC TRÍ
8127
HÀ NỘI – 2010
Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần 1. Nghiên cứu tổng quát về Cầu toàn khối
MỤC LỤC
Trang
Chương 1. Tình hình ứng dụng cầu tồn khối trên thế giới
1.1. Mở đầu …………………………………………………………………
1-1
1.2. Đặc điểm cơ bản của Cầu toàn khối…………………………………….
1-2
1.2.1 Cấu tạo………………………………………………………………..
1-2
1.2.2 Ưu điểm cơ bản……………………………………………………….
1-4
1.2.3 Những vấn đề được quan tâm………………………………………….
1-5
1.3 Tình hình phát triển và ứng dụng phổ biến trên thế giới………………..
1-6
1.3.1 Xuất xứ của loại cầu khơng mối nối và tình hình phát triển……………
1-6
1.3.2 Tình hình ứng dụng CTK tại Hoa Kỳ và Canada……………………….
1-6
1.3.2.1 Tình hình qua các lần khảo sát……………………………………...
1-6
1.3.2.2 Bài viết có tính khái qt tình hình của Wasserman (2005) …………
1-8
1.3.2.3 Kết cấu CTK ứng dụng vào việc tăng cường các cầu cũ……………...
1-9
1.3.2.4 Tình hình xây dựng tiêu chuẩn thiết kế……………………………....
1-12
1.3.2.5 Những cơng trình nghiên cứu góp phần thúc đẩy ứng dụng CTK…….
1-13
1.3.3 Tình hình ứng dụng CTK tại Châu Âu………………………………....
1-14
1.3.3.1 CTK tại Vương quốc Anh…………………………………………….
1-14
1.3.3.2 CTK tại Thụy Điển…………………………………………………...
1-18
1.3.3.3 CTK tại Phần Lan…………………………………………………....
1-21
1.3.3.4 CTK tại Đức……………………………………………………….....
1-22
1.3.3.5 CTK tại một vài nước khác ở Châu Âu………………………………
1-23
1.3.3.6 Vài nét so sánh về tiêu chuẩn CTK tại Châu Âu với tại Bắc Mỹ……....
1-24
1.3.4 Tình hình ứng dụng CTK tại Châu Úc và Châu Á……………………...
1-28
1.3.4.1 CTK tại Australia…………………………………………………....
1-28
1.3.4.2 CTK tại New Zeland…………………………………………………
1-30
1.3.4.3 CTK tại Ấn Độ……………………………………………………….
1-30
1.3.4.4 CTK tại Nhật Bản……………………………………………………
1-31
1.3.4.5 CTK tại một vài nước khác…………………………………………...
1-34
1.3.4.5.1 Hàn Quốc ………………………………………………………….
1-34
1.3.4.5.2 Trung Quốc ………………………………………………………..
1-35
Chủ nhiệm đề tài:
Gs-Ts. Nguyễn Phúc Trí
Hà Nội tháng 05 – 2010
Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần 1. Nghiên cứu tổng quát về Cầu toàn khối
1.3.4.5.3 Các nước Đông Nam Á …………………………………………….
1-35
1.3.5 CTK tại Việt Nam……………………………………………………....
1-37
1.4. Tóm tắt và nhận xét ……………………………………………………
1-37
Những tài liệu tham khảo đến trong bài viết …………………………….
1-40
Phụ lục …………………………………………………………………..
1-44
Chương 2. Nguyên lý hoạt động và các yếu tố ảnh hưởng
2.1. Mở đầu …………………………………………………………………
2-1
2.2. Các tải trọng thứ cấp và tác động ……………………………………...
2-1
2.2.1. Co ngót…………………………………………………………….....
2-1
2.2.2. Từ biến………………………………………………………………..
2-1
2.2.3. Nhiệt độ……………………………………………………………….
2-2
2.2.4. Áp lực đất……………………………………………………………..
2-2
2.2.5. Lún…………………………………………………………………....
2-3
2.3. Bản chất vật lý và tác động của những tải trọng thứ cấp chủ yếu ……...
2-3
2.3.1 Co ngót, từ biến của bê tơng……………………………………….......
2-3
2.3.1.1 Co ngót………………………………………………………………
2-3
2.3.1.2 Từ biến………………………………………………………………
2-4
2.3.1.3 Tính tốn (ước lượng)co ngót và từ biến……………………………..
2-5
2.3.1.4 Mơ hình tính tốn……………………………………………………
2-5
2.3.1.4.1 Mơ hình ACI 209-92……………………………………………….
2-6
2.3.1.4.2 Quy tắc CEB-FIB 90……………………………………………….
2-6
2.3.1.4.3 Các cơng thức trong Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO-LRFD2007...
2-7
2.3.1.5 Tác động của co ngót và từ biến trong dầm DUL……………………..
2-7
2.3.2. Biến thiên nhiệt độ………………………………………………….....
2-9
2.3.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng tới nhiệt độ của cầu…………………………..
2-9
2.3.2.2 Xử lý các yếu tố nhiệt độ……………………………………………..
2-10
2.3.2.2.1 Nhiệt độ trung bình của cầu………………………………………..
2-10
2.3.2.2.2 Gradien nhiệt……………………………………………………....
2-13
2.3.3. Áp lực của đất nền đầu cầu……………………………………………
2-14
2.4. Tóm tắt và kết luận …………………………………………………….
2-16
Chủ nhiệm đề tài:
Gs-Ts. Nguyễn Phúc Trí
Hà Nội tháng 05 – 2010
Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần 1. Nghiên cứu tổng quát về Cầu toàn khối
Tài liệu tham khảo kể tới trong bài viết ………………………………...
2-17
Phụ lục ………………………………………………………………….
2-19
Chương 3. Các vấn đề trong thực tiễn xây dựng CTK và những nét đặc thù Việt Nam
3.1. Mở đầu …………………………………………………………………
3-1
3.2. Những vấn đề chủ yếu của CTK ……………………………………...
3-1
3.2.1. Các tác động liên quan đến môi trường……………………………….
3-1
3.2.1.1 Tác động do nhiệt………………………………………………….....
3-1
3.2.1.1.3. Gradien nhiệt ……………………………………………………...
3-2
3.2.1.1.4. Chống đỡ của nền đất sau mố ……………………………………...
3-2
3.2.1.2 Tác động do từ biến và co ngót………………………………………
3-2
3.2.1.2.1. Từ biến của dầm đúc sẵn …………………………………………..
3-4
3.2.1.2.2 Tác động kép của từ biến + chênh lệch co ngót liên quan đến lịch trình
thi cơng………………………………………………………………….....
3-4
3.2.1.2.3 Cơng cụ phần mềm máy tính đơn giản để khảo sát phân tích………...
3-6
3.2.1.3 Tác động do lún……………………………………………………...
3-8
3.2.2 Mối quan hệ tương tác đất/kết cấu……………………………………..
3-8
3.2.2.1 Mối tương tác đất/tường mố………………………………………….
3-8
3.2.2.1.1 Dịch chuyển của mố ………………………………………………..
3-8
3.2.2.1.2 Áp lực đất…………………………………………………………..
3-9
3.2.2.1.3 Độ cứng của đất ……………………………………………………
3-10
3.2.2.2 Mối tương tác đất/cọc………………………………………………..
3-11
3.2.2.2.1 Độ cứng của đất…………………………………………………....
3-11
3.2.2.2.2 Cơ chế phá hoại của cọc ……………………………………………
3-12
3.2.2.2.3 Sự giảm thiểu sức chịu tải do dịch chuyển ngang ……………………
3-12
3.2.2.2.4 Hố khoan trước bao quanh cọc ……………………………………..
3-13
3.2.3 Độ dẻo của kết cấu bên dưới………………………………………….
3-13
3.2.3.1 Hướng bố trí cọc…………………………………………………….
3-13
3.2.3.2 Tỷ số giữa độ cứng kết cấu phần trên và phần dưới………………….
3-14
3.2.3.3 Hình thức liên kết của cọc…………………………………………...
3-14
3.2.4 Các phương án về hệ thống móng mố………………………………….
3-14
3.2.5 Vấn đề chất tải có chu kỳ (cyclic loading) ……………………………..
3-15
Chủ nhiệm đề tài:
Gs-Ts. Nguyễn Phúc Trí
Hà Nội tháng 05 – 2010
Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần 1. Nghiên cứu tổng quát về Cầu toàn khối
3.2.6 Cầu chéo và cầu cong………………………………………………….
3-16
3.2.6.1 Cơ chế hoạt động…………………………………………………....
3-17
3.2.6.2 Phân bố của ứng suất trong tường mố……………………………….
3-19
3.2.7 Một số vấn đề về cấu tạo………………………………………………
3-19
3.2.7. 1 Liên tục hóa các dầm DUL đúc sẵn giản đơn………………………..
3-19
3.2.7.2 Cấu tạo tại mố…………………………………………………….....
3-23
3.2.7.3 Tường cánh…………………………………………………………
3-26
3.2.7.4 Nền đắp sau mố……………………………………………………...
3-27
3.2.7.5 Mái dốc trước mố và tường đất có cốt………………………………..
3-27
3.2.8 Vấn đề thi cơng……………………………………………………......
3-29
3.3. Các đặc thù của Việt Nam cần xem xét ………………………………...
3-29
3.3.1 Nhiệt độ tính tốn của cầu……………………………………………..
3-29
3.3.2 Đặc trưng vùng đất yếu ở Việt Nam…………………………………...
3-31
3.3.3 Vật liệu cọc, vấn đề rỉ của cọc thép và vấn đề sử dụng cọc bê tông……..
3-32
3.4. Kết luận ………………………………………………………………..
3-34
Tài liệu tham khảo tới trong bài viết ……………………………………….
3-35
Phụ lục: Bố trí cốt thép trong cọc bê tơng DUL (Sở GTVT Kentucky) …….
3-38
Chương 4. Mơ hình phân tích tính tốn CTK
4.1. Mở đầu …………………………………………………………………....
4-1
4.2. Mơ hình PTHH và các tính tốn liên quan ………………………………
4-1
4.2.1 Khái qt…………………………………………………………………
4-1
4.2.2 Một vài dạng mơ hình…………………………………………………….
4-2
4.2.3 Một mơ hình quy mơ nghiên cứu sâu về loại CTK có dầm DUL…………...
4-5
4.2.4 Mơ hình đơn giản phục vụ thiết kế cầu vừa và nhỏ……………………….
4-9
4.2.4.1 Mô hình khung để phân tích kết cấu CTK……………………………....
4-9
4.2.4.2. Mơ hình hóa mối tương tác đất/cọc bằng phần tử lị xo Winkler………..
4-10
4.2.4.3 Sơ đồ biểu thị sự làm việc của phần tử lò xo…………………………….
4-11
Lò xo cạnh cọc ………………………………………………………….....
4-11
Lò xo cạnh thân mố……………………………………………………......
4-11
4.2.4.4 Phần mềm để tính cọc chịu lực ngang………………………………….
4-12
Chủ nhiệm đề tài:
Gs-Ts. Nguyễn Phúc Trí
Hà Nội tháng 05 – 2010
Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần 1. Nghiên cứu tổng quát về Cầu toàn khối
4.2.4.5 Mơ hình hóa cọc như một thanh-hẫng-địn-tay………………………...
4-12
4.2.5 Tính tải trọng tác động……………………………………………….......
4-14
4.2.5.1 Khái qt…………………………………………………………….....
4-14
4.2.5.2 Những tính tốn liên quan đến tác động phụ thuộc thời gian…………...
4-15
Tác động do gradien nhiệt……………………………………………….....
4-15
Tác động do chênh lệch co ngót…………………………………………….
4-17
Tác động do từ biến………………………………………………………...
4-19
4.2.5.3 Nhận xét về các tác động phụ thuộc thời gian…………………………...
4-22
4.3. Mơ hình và phương pháp tính đơn giản ………………………………….
4-23
4.3.1 Khả năng áp dụng một mơ hình tính đơn giản……………………………
4-23
4.3.2 Đi tìm một mơ hình tính tốn đơn giản……………………………………
4-24
4.3.2.1 Mơ hình tính của Franco……………………………………………….
4-24
4.3.2.2 Nhận xét về mơ hình tính của Franco…………………………………..
4-25
4.3.2.3 Mơ hình đơn giản đáp ứng u cầu thiết kế CTK vừa và nhỏ……………
4-25
4.4. Nhận xét và kết luận ………………………………………………...........
4-28
Tài liệu tham khảo tới trong bài viết ………………………………………
4-30
Phụ lục A: Ước tính mơ đuyn đàn hồi Es và áp lực cực hạn Pu của các loại đất
4-32
Phụ lục B: Đặc trưng các loại đất dùng cho LPILE và COM624P ……………
4-34
Phụ lục C: So sánh độ cứng của dầm và cọc trong CTK (thí dụ) ……………...
4-35
Chủ nhiệm đề tài:
Gs-Ts. Nguyễn Phúc Trí
Hà Nội tháng 05 – 2010
Chương 1
Tình hình ứng dụng
Cầu tồn khối trên thế giới
Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần 1. Nghiên cứu tổng quát về Cầu toàn khối
Chương 1, Tình hình ứng dụng CTK trên thế giới
Chương 1. Tình hình ứng dụng cầu tồn khối trên thế giới
1.1. Mở đầu
Cầu-dầm - Beam bridge - cầu có kết cấu nhịp là các dầm, thường sử dụng các cấu
kiện đúc sẵn, là loại cầu phổ biến nhất trong mạng lưới đường bộ, đặc biệt thích ứng
với các cầu vừa và nhỏ, các cầu vượt hoặc các đoạn cầu dẫn của các cầu lớn. Kết cấu
nhịp (còn gọi là kết cấu phần trên) có thể là bản (đặc hoặc rỗng, có hoặc khơng
DUL), dầm chữ T ghép nhiều phiến (đúc tại chỗ hoặc lắp ghép, có hoặc khơng DUL),
dầm I (đúc sẵn, có DUL, có liên hợp hoặc khơng liên hợp với bản mặt cầu), dầm hộp
(đúc tại chỗ và nối từng đoạn), không kể tới các loại dầm thép (hộp hoặc bản
orthotrop...). Ở các cầu truyền thống kết cầu nhịp được đặt lên mố trụ trên các gối và
trên quan điểm tách bạch rõ ràng sự làm việc của kết cấu, các dầm thường là giản đơn
đặt trên gối và có bố trí các khe giữa các đầu dầm để thích ứng với các chuyển động
của kết cấu nhịp. Trong các khe được lắp đặt các tấm co giãn để tạo sự liên tục cho
mặt đường. Các tấm co giãn dù ngày càng được cải tiến nhưng vẫn khó đảm bảo sự
êm thuận cho mặt cầu mà còn thường để lọt nước gây hư hỏng cho đầu dầm và gối
cầu, hoen ố bề mặt mố trụ, gây rất nhiều khó khăn cho cơng tác duy tu. Vấn đề đặc
biệt nghiêm trọng ở các nước hàn đới khi mùa đông băng giá phải dùng tới muối làm
tan băng trên cầu.
Trong những chiếc cầu-dầm truyền thống, mố trụ độc lập làm việc chịu các tác động
truyền từ bên trên xuống hoặc từ bên ngồi vào. Vì thế các mố ngồi chức năng chịu
các tác động thẳng đứng từ bên trên do tĩnh tải, hoạt tải gây ra còn chịu lực đẩy ngang
của đất liền kề khiến mố có kích thước rất lớn. Trường hợp móng cọc, các cọc chịu
lực khơng đồng đều nên hiệu quả phát huy rất thấp, chưa kể có khi để chống lực nhổ
phải mở rộng thêm kích thước bệ móng nên càng tăng trọng lượng bản thân mố. Điều
này chứng tỏ việc tăng thêm cọc không phải vì tải trọng bên trên mà vì chịu lực đẩy
ngang của đất, một tác động ngồi dự kiến khơng phải thuộc chức năng của chiếc mố.
Để khắc phục các nhược điểm trên người ta đã đi tới giải pháp thiết kế và xây dựng
những “chiếc cầu toàn khối kiểu mới”, không dùng tới các tấm co giãn, gắn kết luôn
kết cấu phần trên với mố cầu, dùng ln tồn hệ kết cấu để cân bằng áp lực đất đầu
cầu khiến mố chỉ cịn phải đảm nhiệm chức năng chính là chống đỡ lực thẳng đứng từ
bên trên truyền xuống. Như nhận xét của J.C. Porter và cộng sự viết trong bài “Trở
lại tương lai trong thiết kế mố cầu”, chiếc mố kiểu mới này trở lại có hình dáng của
“chiếc mố cầu xe lửa” đã hoạt động rất có kết quả trong suốt những năm 30~40, bắt
đầu từ 1910, trên hệ thống xe lửa ban đầu của Hoa Kỳ đầu thế kỷ XX. Loại mố này
khi mang áp dụng vào hệ thống đường bộ, liên tiếp “cải tiến mãi” đã trở thành phức
tạp nặng nề như hiện nay [1].
Nói chung, Cầu tồn khối - Integral bridge - là cầu khơng có khe co giãn. Xét trong
lịch sử, những cầu vịm bê tông không cốt thép từ thời đế chế La mã hồn tồn khơng
có khe co giãn cũng là cầu tồn khối (những cầu vịm có khe co giãn trên mặt cầu thì
khơng liệt vào loại cầu này). Kiểu cầu khung cứng bằng bê tông, khá phổ biến vào
Chủ nhiệm đề tài:
Gs-Ts. Nguyễn Phúc Trí
1-1
Hà Nội tháng 05 – 2010
Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần 1. Nghiên cứu tổng quát về Cầu toàn khối
Chương 1, Tình hình ứng dụng CTK trên thế giới
giữa thế kỷ trước, tuy có khe co giãn thẳng đứng nằm giữa thân cầu và các tường
cánh nhưng cũng có thể liệt vào loại cầu tồn khối vì khơng có khe co giãn trên mặt
cầu hay giữa các bộ phận chịu lực cơ bản.
Vào khoảng các thập kỷ cuối của thế kỷ XX, đầu tiên ở Bắc Mỹ (Hoa Kỳ, Canada)
rồi ở Anh và các nước Tây Âu khác, xuất hiện loại cầu tồn khối một hoặc nhiều nhịp
có kết cấu phần trên liên tục không gối đỡ gằn liền vào những chiếc mố rất nhỏ. Đại
đa số loại cầu này được đỡ bởi một hàng cọc đơn thẳng đứng, khác hẳn loại cầu dầm
cổ điển, một hoặc nhiều nhịp với các khe co giãn tại vị trí đầu dầm, có các gối đỡ
dầm giản đơn và đặc biệt các mố loại tường chắn đất to đồ sộ nhiều hàng cọc, có cả
cọc nghiêng. Loại cầu tồn khối cực kỳ hiệu quả này được xây dựng khơng khe co
giãn chính là loại cầu tồn khối kiểu mới nói ở trên và để nêu bật đặc điểm gằn liền
vào mố còn được gọi là Cầu mố toàn khối - Integral abutment bridge. Như vậy dù
danh từ Cầu toàn khối chỉ nhiều loại cầu đã có từ hàng thế kỷ trước nhưng thơng
thường hiện nay được dùng để chỉ loại cầu tồn khối “hiện đại”. Các từ: Cầu toàn
khối (Integral bridge), Cầu mố tồn khối (Integral abutment bridge), Cầu khơng
mối nối (Jointless bridge) thường được dùng để chỉ cùng một loại kết cấu này (hình
vẽ 1.1).
Loại cầu này nếu chỉ có một nhịp và mố là một bệ kê đặt bệt xuống đất nền thì được
gọi là Cầu tồn khối gối kê (Bankseat integral bridge).
G i di đ ng
C u toàn kh i có m c c mũ và
(a) tr c c mũ d o; (b) tr n a c ng có g i di đ ng
Hình vẽ 1.1 Cầu tồn khối điển hình ở Bắc Mỹ
Loại cầu tồn khối sẽ bàn luận nhiều dưới đây là loại cầu mố toàn khối kiểu hiện đại
có thể xét ứng dụng trước hết cho đại bộ phận khối lượng cầu của mạng lưới giao
thông (khơng dưới 85% có chiều dài khơng q 100m).
1.2. Đặc điểm cơ bản của Cầu tồn khối
1.2.1 Cấu tạo
Có thể coi CTK chủ yếu gồm 3-4 bộ phận chính: kết cấu nhịp, mố, trụ trung gian
(nếu có, bao gồm cả móng) và bản lên cầu. Như kết cấu cầu truyền thống, kết cấu
nhịp có thể bằng thép, bằng bê tơng đúc tại chỗ hoặc bê tơng đúc sẵn, có hoặc không
DUL. Tất cả các bộ phận trên được gắn liền thành một khối và chiều dài liên tục của
Chủ nhiệm đề tài:
Gs-Ts. Nguyễn Phúc Trí
1-2
Hà Nội tháng 05 – 2010
Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần 1. Nghiên cứu tổng quát về Cầu toàn khối
Chương 1, Tình hình ứng dụng CTK trên thế giới
cầu là suốt từ đầu bản lên cầu này tới cuối bản lên cầu kia, không một khe co giãn và
cũng khơng một gối đỡ kết cầu nhịp (Hình vẽ 2.1).
Phần cầu
Nền đường
Phần đường dẫn
Kết cấu phần trên
Bản lên cầu*
Mố
Bản gối *
Đất đắp
Móng
* Thành phần tùy chọn
Hình vẽ 1.2-1 Các thành phần điển hình của một chiếc cầu tồn khối (Arsoy và
cộng sự, 1999)
Nếu cịn có gối đỡ trên mố, cầu được gọi là Cầu bán toàn khối - CBTK (Semiintegral). Phân biệt cơ bản giữa toàn khối và bán toàn khối ở chỗ đỉnh mố/trụ gắn
liền với kết cấu nhịp hay còn dùng gối đỡ đặt lên mố/trụ (đặc biệt là mố) cịn trên kết
cấu nhịp đều có thể giải quyết để khơng có khe co giãn.
Trong CBTK móng của mố/trụ có thể là móng nơng hoặc có nhiều hàng cọc và có cả
cọc nghiêng như thơng thường, trong khi mố CTK rất ít khi dùng móng nơng và
thường chỉ có một hàng đơn tồn cọc thẳng đứng (so sánh 2 hình vẽ 1.2-2 và 1.2-3).
Khe thi cơng có
ch ng dính
B n k t c u ph n trên
B n lên c u
M i n i xây d ng
C t ch ng t m th i
cho d m thép
D m thép
Mũ c c
Tim tr và g i
C c
Hình vẽ 1.2-2 Mố CTK theo thiết kế của New York DoT (Hoa Kỳ)
Chủ nhiệm đề tài:
Gs-Ts. Nguyễn Phúc Trí
1-3
Hà Nội tháng 05 – 2010
Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần 1. Nghiên cứu tổng quát về Cầu toàn khối
Chương 1, Tình hình ứng dụng CTK trên thế giới
B n lên c u
B n k t c u ph n trên
Tư ng lưng đúc sau b n
m tc u
Đ ud m
B m
Tư ng lưng treo
D m thép
T m x p b t khe đ t trư c
Thân m
L ngâm φ 150mm
C u ki n thoát nư c
h n h p đúc s n
Móng
(C c ho c nơng)
Hình vẽ 1.2-3 Mố CBTK theo thiết kế của New York DoT (Hoa Kỳ)
1.2.2 Ưu điểm cơ bản
Kết cấu CTK đã từng được coi như một sự kiện trong lĩnh vực xây dựng cầu của các
thập kỷ cuối thế kỷ XX vì nó đạt được 4 mục tiêu mong ước đối với một cơng trình:
• Tính phục vụ lâu dài cao – Chạy xe êm thuận trên cầu, không chỉ khi mới xây
dựng xong mà cả trong suốt quá trình khai thác lâu dài, là một mục tiêu chất
lượng khó đạt và cũng chính vì thế là một giấc mơ mn thủa của những người
xây dựng cầu đường, nhất là đường cao tốc. Những tấm co giãn bịt những khe hở
trên mặt cầu dù ngày càng được cải tiến tinh vi và vì thế trở nên khá đắt tiền,
nhưng lâu dài vẫn không sao đảm bảo cho mặt cầu hoàn toàn bằng phẳng khơng
có biến dạng. Các khe co giãn ln là điểm gây nhiều rắc rối cho an toàn chạy
xe, nếu bị nứt gãy có thể gây ra tai nạn giao thơng;
Xét về mặt cải thiện tính chịu lực, mố khơng phải chống áp lực đất đẩy từ hai
phía vì đã được hệ kết cấu tự cân bằng, mố chủ yếu chỉ còn chịu lực thẳng đứng.
Kết cấu nhịp là liên tục đồng thời xà ngang đầu dầm làm luôn chức năng tường
mố nên cải thiện được việc phân phối tải trọng. Tất cả các bộ phận của cầu liên
kết thành một khối nên có thể rút ngắn nhịp biên (nếu có yêu cầu) mà không sợ
nhịp đầu cầu bị nhấc bổng, và thêm sức chịu các lực ngồi dự kiến (thí dụ lực
động đất, các va chạm...) nhờ thêm các liên kết dư.
• Yều cầu duy tu tối thiểu – Những tấm bị khe co giãn và những gối cầu là những
thiết bị tốn công duy tu nhất. Ở ta chưa có những số liệu thống kê cụ thể nhưng
quan sát thì thấy tình hình hư hỏng của các khe co giãn là phổ biến, phản ảnh qua
tình trạng chạy xe khi lên cầu ở khắp các tuyến đường (xem “Vài nét về tình hình
hư hỏng khe co giãn và gối cầu ở Khu quản lý đường bộ 7” trong Phụ lục).
Chủ nhiệm đề tài:
Gs-Ts. Nguyễn Phúc Trí
1-4
Hà Nội tháng 05 – 2010
Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần 1. Nghiên cứu tổng quát về Cầu toàn khối
Chương 1, Tình hình ứng dụng CTK trên thế giới
Việc lọt nước qua khe co giãn là chuyện phổ biến. Theo Nhóm nghiên cứu phát
triển cầu bê tơng của Vương quốc Anh, năm 1989 qua khảo sát khoảng 200 chiếc
cầu thấy hầu hết các khe co giãn đều để lọt nước dẫn tới bề mặt mố trụ và mặt
dưới bản mặt cầu đều bị hoen ố làm giảm tính mỹ quan của cầu và rất vất vả cho
công tác duy tu. Gối cầu không những đắt tiền khi lắp đặt, càng tốn kém khi phải
thay thế. Thông tin này cũng được nhắc tới trong cơng trình của R. I. Lock [2].
Vasant C. Mistry, một chun gia có uy tín của Cơ quan quản trị đường bộ liên
bang (FHWA), cũng cho biết năm 1985 qua kiểm tra 580 chiếc mố của 314 chiếc
cầu ở Hoa Kỳ và Canada thì 75% số mố đó đã có những chuyển động khác với
thiết kế, chủ yếu là do gối bị kẹt, và qua kinh nghiệm 40 năm số tiền tiết kiệm
được trong duy tu lâu dài, giảm công duy tu sửa chữa kết cấu nhịp và kết cấu mố
trụ nhờ việc loại bỏ sử dụng khe co giãn và gối cầu là không nhỏ [3];
• Xây dựng tiết kiệm – Khối lượng xây dựng giảm nhiều. Thể tích mố là tối thiểu,
bệ mố chỉ vừa đủ để đỡ dầm và liên kết cọc, không phải để chống áp lực đất. Số
lượng cọc giảm, chỉ cịn chịu lực thẳng đứng nên chỉ có cọc thẳng đứng. Khơng
có gối và tấm bịt khe co giãn. Thi cơng dễ và nhanh do hình dáng đơn giản, ít
mối nối thi công cho nên các vấn đề về sai số cho phép giảm hoặc khơng cịn.
Khi xây dựng mố khơng cần vịng vây, đặc biệt có ý nghĩa khi xây dựng trên vị
trí cũ hoặc bên cạnh các cầu đã có, khi đó việc dỡ bỏ bộ phần cầu cũ là tối thiểu.
Khơng có cọc nghiêng, hạ cọc dễ dàng. Khơng có gối, bề mặt đặt dầm giản đơn.
Nền đường đầu cầu xây dựng dễ dàng. Tất cả các yếu tố trên dẫn tới chi phí xây
dựng giảm đáng kể.
• Mỹ quan – Hình dáng cầu cân đối, đơn giản, nhẹ nhàng. Tỉ số chiều cao
dầm/chiều dài nhịp là tối thiểu, đường nét thanh thoát tạo nên vẻ đẹp tự nhiên.
1.2.3 Những vấn đề được quan tâm
Cơ chế làm việc liên quan đến mối tương tác đất/kết-cấu, và cấu tạo tương đối “mỏng
manh” của hình thức kết cấu mới làm nảy sinh nhiều mối quan tâm, đặc biệt vào thời
gian đầu khi mới phát triển loại kết cấu này. Đó là những vấn đề về khả năng biến
dạng của nền đất đầu cầu qua một thời gian chịu tải theo chu kỳ, về khả năng giảm
thiểu sức chịu tải của cọc khi chịu dịch chuyền ngang tại đầu cọc, về khả năng nứt nẻ
tại các mối liên kết bản lên cầu với mố, tường cánh với mố, nối liên tục các đầu dầm
tại trụ và dầm với mố, và nhiều vấn đề khác nữa. Nhiều cơng trình nghiên cứu về các
vấn đề được quan tâm này đã được tiến hành và đã có những nhận định thực tiễn (sẽ
bàn luận tới trong Chương 3).
1.3 Tình hình phát triển và ứng dụng phổ biến trên thế giới
1.3.1 Xuất xứ của loại cầu khơng mối nối và tình hình phát triển
Nói đến xuất xứ và sự phát triển của loại cầu khơng mối nối, phải nói tới sự phát triển
của mơn kết cấu học và sự phát triển của công nghệ xây dựng cầu. Khi vào năm 1930
Henry Cross đưa ra phương pháp phân phối mơmen để phân tích hệ kết cấu siêu tĩnh,
chính ơng cũng đã tạo cho các kỹ sư một phương pháp giản đơn để phân tích và thiết
Chủ nhiệm đề tài:
Gs-Ts. Nguyễn Phúc Trí
1-5
Hà Nội tháng 05 – 2010
Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần 1. Nghiên cứu tổng quát về Cầu toàn khối
Chương 1, Tình hình ứng dụng CTK trên thế giới
kế các dầm liên tục. Trước đó người ta chỉ xây dựng các cầu có nhịp giản đơn vì việc
phân tích kết cấu siêu tĩnh quá phức tạp. Công nghệ thi công dầm thép với việc phát
triển phương pháp “nối liên tục” các dầm thép hệ giản đơn tại hiện trường cũng đã
tạo điều kiện để việc sử dụng các dầm thép nối liên tục trở nên ngày càng phổ biến.
Việc nối liên tục được bắt đầu bằng các bản tán ri vê (khoảng năm 1934), sau đó bằng
hàn, rồi bằng bu lông cường độ cao (từ khoảng 1954). Với các dầm bê tông việc xây
dựng các cầu liên tục và đặc biệt việc nối liên tục các dầm giản đơn đúc sẵn được tiến
hành muộn hơn. Việc nối liên tục các dầm bê tông đúc sẵn sau khi đã lắp đặt trên trụ
là những bước tiến đáng kể. Việc nối có thể thực hiện bằng cách chỉ liên tục hóa bản
mặt cầu giữa các đầu dầm trên trụ (ta quen gọi là “bản liên tục nhiệt” mà tác giả của
giải pháp này, bà Xakharôva, chuyên gia Liên xô cũ, đã giúp đỡ thực hiện lần đầu
tiên ở VN trên cầu Thăng Long đạt tới chiều dài kỷ lục 528m và đã trở nên phổ biến
từ đó). Việc liên tục hóa cũng có thể thực hiện bằng cách đúc một xà ngang chung tại
vị trí trên trụ để liên kết hai nhịp hai bên.
Khảo sát tiến hành năm 1989 ở Hoa Kỳ cho biết 87% trong số 30 bang trả lời phỏng
vấn nói là có dùng cầu liên tục [4].
Việc liên tục hóa được tiến triển mạnh dẫn tới việc loại bỏ nốt khe co giãn cuối cùng
tại sát mố hình thành nên chiếc “CTK hiện đại”. Các bang Ohio, South Dakota,
Oragon là các bang đi đầu trong việc ứng dụng loại kết cấu này, tiếp theo là bang
California, nhưng đến nay thì dẫn đầu là bang Tennessee và 5 bang khác coi việc áp
dụng CTK như là dạng kết cấu tiêu chuẩn phải xét tới đầu tiên.
Do các ưu điểm nổi bật nói trên CTK đã trở nên phổ biến khơng chỉ ở Bắc Mỹ mà
cịn ở Anh và các nước Tây Âu khác và đang được phát triển sang nhiều nước khác
khắp thế giới.
1.3.2 Tình hình ứng dụng CTK tại Hoa Kỳ và Canada
1.3.2.1 Tình hình qua các lần khảo sát
Năm 1995, Tiểu ban Cầu toàn khối của Viện Bê tơng Đúc sẵn/Dự ứng lực
(Precast/Prestressed Concrete Institute) có gửi phỏng vấn tới 77 đơn vị (50 bang Hoa
Kỳ, 9 tỉnh của Canada, 17 Công ty Tư vấn và 1 quận Missouri) liên quan đến việc
ứng dụng CTK và 67 đơn vị đã gửi câu trả lời. Thống kê lại có 54 đơn vị đã có thiết
kế hoặc xây dựng CTK (38/50 bang Hoa Kỳ), kinh nghiệm là “Tốt” đến “Tuyệt vời”.
Sở giao thơng bang Tennessee là nơi có chiến lược đòi hỏi tất cả các cầu xây dựng
mới phải thiết kế khơng khe co giãn; với các cầu có dịch chuyển tổng cộng tại mố
dưới 2in (5cm) không cần xét duyệt đặc biệt và khi dưới ¼ in (6mm), có thể làm mố
tồn khối bất kể điều kiện của móng mố (có nghĩa là ngay cả khi khơng phải là móng
một hàng cọc) [4].
Các bài học rút ra lúc này tập trung vào mấy điểm:
• Hạn chế thích hợp chiều dài nhịp và tổng chiều dài cầu để đảm bảo thích ứng
các dịch chuyển do biến thiên nhiệt, từ biến và co ngót. Hạn chế độ chéo của
cầu;
Chủ nhiệm đề tài:
Gs-Ts. Nguyễn Phúc Trí
1-6
Hà Nội tháng 05 – 2010
Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần 1. Nghiên cứu tổng quát về Cầu toàn khối
Chương 1, Tình hình ứng dụng CTK trên thế giới
• Cần đảm bảo độ dẻo cần thiết cho cọc mố, chỉ nên làm một hàng cọc thẳng
đứng và nên xét dùng liên kết chốt ở mố và trụ. Đa số thích dùng cọc thép hình
H và bố trí để trục yếu chịu mơmen;
• Cần chú ý xử lý tốt các chi tiết thiết kế và trình tự đổ bê tơng, tránh xảy ra nứt
ở đầu dầm và xà ngang trên mố;
• Bản lên cầu cần được nối vào tường mố với hình thức chốt;
• Chú ý xử lý tốt vấn đề thoát nước đầu cầu và chọn lựa loại đất đắp thích hợp.
Năm 2004, FHWA và Đại học West Virginia tiến hành một cuộc khảo sát thứ hai về
CTK. Tóm tắt kết quả kháo sát trình bày trong Hội nghị về Cầu tồn khối tại
Maryland (IAJB2005) cho biết có 39/53 bang và tổ chức - 74% - đã trả lời phỏng vấn
và tình hình như sau: (hình vẽ 1.3-1) [5].
M toàn kh i (thi t kê)
Phần trăm thống kê
M toàn kh i (xây m i)
Không
Trên
Số lượng cầu thiết kế sử dụng mố tồn khối (Khoảng)
Hình vẽ 1.3-1 Số phần trăm các bang trả lời phỏng vấn là có thiết kế và xây dựng
CTK trong phạm vi quy định (kể từ năm 1995)
• Trong 10 năm kể từ lần khảo sát trước (1995-1996), có thêm 8500 cầu khơng
mối nối (~6400 CTK, ~1600 CBTK, ~1100 cầu kéo dài bản mặt cầu) do thấy
rõ lợi ích và làm quen với thiết kế và xây dựng loại cầu này. Số lượng tăng hơn
hai lần chứng tỏ sự hiểu biết đã đạt mức tin cậy. Nếu năm 1995 bang
Tennessee dẫn đầu với 2000 CTK thì 2004 bang Missouri cũng đã có 4000
chiếc. Các bang miền Bắc có ~1000 chiếc, các bang khác ít hơn cũng có 100 ~
500. Các bang miền Nam khơng có hoặc có rất ít, có thể do khơng bị thúc bách
bởi vấn đề tan băng bằng muối gây nhiều tác hại;
• 85% các bang có xây dựng CTK, với cầu bê tông chiều dài tối đa là 60 ~
200m, với cầu thép là 150 ~ 1125m. Nhận xét chung là các cầu xây dựng mới,
nếu có thể, đều là CTK. Tại các bang Tennessee, Colorado, Iowa phần lớn cầu
là CTK. Dưới 25% các bang nói từ 8/1995 đã có thay đổi trong qui trình và chi
tiết thiết kế (liên quan đến tải trọng sơ cấp và thứ cấp để tính kết cấu nhịp, đến
chi tiết đầu cầu và bản lên cầu);
Chủ nhiệm đề tài:
Gs-Ts. Nguyễn Phúc Trí
1-7
Hà Nội tháng 05 – 2010
Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần 1. Nghiên cứu tổng quát về Cầu toàn khối
Chương 1, Tình hình ứng dụng CTK trên thế giới
• 92% các bang đều có kế hoạch bỏ khe co giãn, 72% nói sẽ thiết kế CTK;
• 70% thích dùng cọc thép, Nevada và Hawai ngồi cọc đóng (H-pile và ống
thép), cọc ma sát và cọc mở rộng đáy còn dùng cọc khoan. 46% để cọc chịu
uốn theo trục yếu, 33% theo trục khỏe, 8% tùy người thiết kế, 13% vì dùng cọc
đối xứng nên khơng thành vấn đề;
• Việc kết hợp với tường đất có cốt ngày càng nhiều, đa số thích để tường cách
mố 60 ~ 150cm, một số dùng tường đất có cốt bao quanh cọc nhưng có bố trí
ngăn cách. Chỗ tiếp giáp mặt đường với bản lên cầu cịn là vấn đề cần xem xét;
• Việc sửa đổi chỗ khe co giãn thành khơng cịn khe co giãn (đối với các cầu đã
có) ngày càng được quan tâm, 49% các bang có kế hoạch xem xét việc này.
39% các bang có kế hoạch chuyển đổi cầu thường thành CTK hoặc CBTK.
1.3.2.2 Bài viết có tính khái quát tình hình của Wasserman (2005)
Dựa vào bản kết quả khảo sát lần thứ hai nói trên thêm vào kinh nghiệm xây dựng
của bản thân, Wasserman, Edward P., một chun gia có tiếng của Sở giao thơng
Tennessee, có viết một bài coi như khái quát được thực tiễn thiết kế CTK ở Hoa Kỳ
[6].
Bài viết bao quát rất nhiều vấn đề:
1. Tình hình áp dụng và phạm vi áp dụng không đồng đều ở các địa phương Hoa
Kỳ (cả các cầu tiêu biểu nhất – xem các hình vẽ 1.3-2, 1.3-3 và 1.3-4)
2. Lý do để đẩy mạnh xây dựng CTK (tập trung nói về các ưu điểm về mặt chịu
lực và thuận tiện thi công)
3. Các vấn đề về thiết kế trong đó nhấn mạnh vấn đề xác định sự làm việc của
cọc mố
4. Các chi tiết cấu tạo của mố
5. Hình dáng cọc và hướng bố trí khi là cọc thép hình chữ H
6. Mặt đường đầu cầu
7. Đất đắp nền đầu vầu và vấn đề thoát nước
8. Trình tự thi cơng…
Bài viết rất có giá trị tham khảo khi xem xét các vấn đề chủ yếu của CTK.
Hình vẽ 1.3-2 Ảnh Cầu Happy Hollow Creek, chiếc CTK thường được nhắc tới
(dài 358,2m, cong 4º45’)
Chủ nhiệm đề tài:
Gs-Ts. Nguyễn Phúc Trí
1-8
Hà Nội tháng 05 – 2010
Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần 1. Nghiên cứu tổng quát về Cầu toàn khối
Chương 1, Tình hình ứng dụng CTK trên thế giới
Hình vẽ 1.3-3 Ảnh CTK Moose Creek
Một trong 10 chiếc cầu được giải “2006 Concrete Bridge Award Winners”,
(được đánh giá rất cao về tính lắp ghép hồn tồn và các chi tiết cấu tạo tinh tế)
Hình vẽ 1.3-4 Cầu trên Đường 54 vượt đường sắt và Khe Whitehorn Creek
(12 nhịp dầm bê tông DUL liên hợp mặt cầu bê tông cốt thép – dài 244 m)
1.3.2.3 Kết cấu CTK ứng dụng vào việc tăng cường các cầu cũ
Kết cấu CTK còn được ứng dụng vào việc tăng cường các cầu cũ mà cường độ khơng
cịn đáp ứng u cầu khai thác. Theo kết quả một cuộc khảo sát, tác giả Burke (1990)
cho biết cho đến thời gian đó, ở Hoa Kỳ đã có 11 trong số 30 sở giao thơng đã thực
hiện việc cải tạo cầu cũ thành CTK (bắt đầu từ năm 1960).
Tùy điều kiện cụ thể, việc liên tục hóa có thể thực hiện bằng cách chỉ nối liên tục bản
mặt cầu hoặc nối liên tục cả các đầu dầm bằng chiếc xà ngang trên trụ như ở những
chiếc cầu mới (hình vẽ 1.3-5). Mối liên kết giữa kết-cấu-phần-trên với mố có cấu tạo
tương tự như trong các CTK mới (hình vẽ 1.3-6). Vì cầu đã qua nhiều năm sử dụng,
các yếu tố từ biến, co ngót của dầm hồn tồn khơng cần phải xét tới.
Các hình vẽ dưới đây là một số thí dụ hốn cải cầu cũ thành CTK.
Chủ nhiệm đề tài:
Gs-Ts. Nguyễn Phúc Trí
1-9
Hà Nội tháng 05 – 2010
Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần 1. Nghiên cứu tổng quát về Cầu toàn khối
Chương 1, Tình hình ứng dụng CTK trên thế giới
Loại bỏ khe & đổ
mới bản bê tông
Cốt thép chịu
mô men âm
Khe hở vốn có
Cốt thép liên tục
Khe hở vốn có
Bản
Hình vẽ 3.5 Hốn cải thành CTK tại vị trí trụ (Burke, 1990)
Để lại cốt
thép vốn có
Dầm
Khe hở
Khe hở
Xốp
polyethylen
Gối di
chuyển được
Liên kết đúc
tại chỗ
Bản mặt cầu
đúc tại chỗ
Lớp phủ
atxphan
Lớp ngăn nước
Cốt thép dầm
Dầm I đúc sẵn
Bản hình hộp đúc
sẵn đặt liền kề
Tim gối
Bản chịu lực dẻo &
tấm lọc định hình
Tim gối
Tao thép DUL
Tim trụ
Tim trụ
Gối cao su
Hình vẽ 1.3-5 Hốn cải thành CTK tại vị trí trụ (Burke, 1990)
Tính hiệu quả của biện pháp này thể hiện ở mấy điểm sau đây:
• Chỉ nối liên tục bản mặt cầu và liên kết với mố đã loại bỏ được các khe co
giãn tránh được các rắc rối do chúng gây ra.
• Nối các dầm bằng xà ngang trên trụ, ngoài ưu điểm trên, biến cầu thành liên
tục làm tăng sức chịu tải hoạt tải của kết-cấu-phần-trên.
• Dầm liên tục truyền bộ lực hãm phanh để mố chịu, nhờ đó làm tăng sức chịu
tải của trụ.
• Tồn khối hóa dầm với mố khiến kết-cấu-phần-trên như một thanh chống làm
giảm phần nào lực đẩy ngang của đất lên mố.
• Trong trường hợp làm bản mặt cầu mới, thực hiện việc liên hợp hóa dầm và
bản mặt cầu sẽ tăng đáng kể sức chịu tải của kết-cấu-phần-trên.
Đây là một vấn đề rất đáng quan tâm nghiên cứu ứng dụng.
Chủ nhiệm đề tài:
Gs-Ts. Nguyễn Phúc Trí
1-10
Hà Nội tháng 05 – 2010
Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần 1. Nghiên cứu tổng quát về Cầu toàn khối
Chương 1, Tình hình ứng dụng CTK trên thế giới
Khơng vẽ cốt
thép trong bản
Tim gối
Không vẽ cốt
thép trong bản
Tim gối
Mối nối
Nền đắp
thấm nước
Nền đắp
thấm nước
Thềm đường
Thềm đường 4’0’’
Lớp mặt miết
kỹ trên trải 2
lớp amiăng bọc
graphit
Tim trụ vốn có
TRƯỚC
SAU
Khơng vẽ cốt
thép trong bản
Tim gối
Tim gối
Mối nối
Nền đắp
thấm nước
Mỗi dầm 2 bu
lông 1’/4’’
Mối nối
Thềm đường
Thềm đường
Thanh chốt
Tim trụ
Tim trụ
TRƯỚC
Mối nối
SAU
Hình vẽ 1.3-6 Hốn cải thành CTK tại vị trí mố (Burke, 1990)
1.3.2.4 Tình hình xây dựng tiêu chuẩn thiết kế
Nhằm tiến tới cập nhật qui trình thiết kế cầu có bao qt về CTK, Cơ quan quản trị
đường bộ toàn liên bang Hoa Kỳ (FHWA) có tài trợ một đề tài nghiên cứu, qui tụ hoạt
động chung của AASHTO và NCHRP (National Cooperative Highway Research
Program) và tháng 11/1989 nhóm nghiên cứu đã đưa ra bản báo cáo về thiết kế cầu
đúc sẵn DUL có dầm được liên tục hóa trong đó có Phụ lục G là các điều khoản kiến
nghị đưa vào qui trình AASHTO [7]. Tuy nhiên cho đến nay, ấn phẩm Tiêu chuẩn
thiết kế cầu AASHTO - LRFD 2007 [8] vẫn chưa nêu được những quy định gì cụ thể
hơn đối với CTK, ngoài các yêu cầu chung là phải tính tới tác động của biến thiên
nhiệt, của từ biến và co ngót, v.v.. Điều nói về cần tham khảo tới Văn bản tư vấn kỹ
thuật T5140.13 của FHWA - Technical Advisory T5140.13 (1980), vẫn ghi thêm “có
thể xử lý khác dựa vào kinh nghiệm cụ thể của địa phương”. Văn bản T5140.13 đã bị
Chủ nhiệm đề tài:
Gs-Ts. Nguyễn Phúc Trí
1-11
Hà Nội tháng 05 – 2010
Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần 1. Nghiên cứu tổng quát về Cầu toàn khối
Chương 1, Tình hình ứng dụng CTK trên thế giới
hủy bỏ vào năm 1989 vì những quy định trong đó đã bị coi là lạc hậu, không phù hợp
với thực tiễn xây dựng CTK ở các bang. Những bang đạt nhiều thành tựu trong việc
xây dựng loại cầu này, như Tennessee, California, Iowa, New York, South Dakota,
North Dakota, Misouri, v.v.. đều có những quy định thiết kế riêng của mình [9]. Thí
dụ Văn bản T5140.13 quy định chiều dài tối đa của CTK nhịp thép là 90m, nhịp bê
tông đúc tại chỗ là 150m và nhịp bê tông DUL là 180m, thì Bang Tennessee dựa trên
điều kiện cho phép để mối mố chịu dịch chuyển tối đa 2in (5cm), tính ra với điều
kiện nhiệt độ địa phương chiều dài cho phép của cầu thép là 120m và cầu bê tông là
240m và trong thực tiễn đã có trường hợp vượt con số đó.
Trong bài viết của John Connal về kinh nghiệm xây dựng CTK ở Australia và Hoa
Kỳ [10], có nhắc tới kết quả khảo sát của Kenin, J. et al. (1999) nêu phạm vi áp dụng
ở các bang Hoa Kỳ như sau:
Lmax (m)
Độ chéo max
Dịch chuyển do ∆tº Lmax (m)
(mm)
với cầu thép với cầu bê tơng
(độ)
Trung bình
49
83
118
28
Tối thiểu
13
24,4
18.3
0
Và trong thực tiễn đã xây dựng :
• CTK bê tơng đúc sẵn dài nhất là 358m;
• CTK thép dài lớn nhất là 318m ;
• CTK bê tơng đúc tại chỗ dài nhất là 290m ;
• 75% trong số các đơn vị trả lời phỏng vấn, nói chung khơng xét tới yếu tố co
ngót, chỉ xét tới co ngót với cầu có dầm bê tơng DUL và độ co ngót là 200
microstrains;
• tất cả các cầu đã xây dựng không vấn đề gì lớn, ngoại trừ một vài điểm nhỏ
liên quan đến lún ở đầu cầu và vài vết nứt nhỏ ở bản mặt cầu và nứt mặt đường
ax-phan đầu bản lên cầu.
Các tài liệu hướng dẫn thiết kế CTK tương đối chi tiết có thể tìm được để tham khảo
là các bản hướng dẫn của Sở giao thông các bang Colorado [11], Ontario [12], New
Jersey [13], Iowa [14], Maine [15], Missouri [16], Minnesota [17], v.v..
1.3.2.5 Những cơng trình nghiên cứu góp phần thúc đẩy ứng dụng CTK
Trong thập kỷ 80 và đầu thập kỷ 90 của thế kỷ trước đã có rất nhiều bài viết giới
thiệu về kết cấu cầu không mối nối và đã có những đóng góp và việc thúc đẩy ứng
dụng loại kết cấu này vào thực tiễn Hoa Kỳ và cả trên thế giới. Các bài viết đề cập và
phân tích ảnh hưởng và mức độ ảnh hưởng của các yếu tố tác động lên loại kết cấu
này, từ đó đề xuất các phương pháp tính tốn đơn giản có thể chấp nhận trong thực
tiễn đồng thời cũng nêu lên các tồn tại, các điều còn chưa hiểu biết để tiếp tục nghiên
cứu. Nhiều bài viết, theo sát thực tiễn ứng dụng tại các địa phương, cũng đã đưa ra
các khuyến cáo thực tiễn về chi tiết cấu tạo, trình tự và các điều cần chú ý trong thi
công. Số lượng các bài viết lên tới hàng nghìn, đăng tải trên các tạp chí hoặc trình
bày trong các hội nghị khoa học và có giá trị tham khảo cao. Nhóm WJF Associates
Chủ nhiệm đề tài:
Gs-Ts. Nguyễn Phúc Trí
1-12
Hà Nội tháng 05 – 2010
Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần 1. Nghiên cứu tổng quát về Cầu toàn khối
Chương 1, Tình hình ứng dụng CTK trên thế giới
Inc., khi chuẩn bị “Bản phân tích các thơng tin kỹ thuật để xây dựng cầu không mối
nối” cho Sở giao thông bang Vermont (Vtrans), trong số trên 1400 bài viết đăng tải
trên hơn 75 tạp chí, đã lựa ra trên 90 bài để tham khảo [18]. Trong các bài viết được
nhiều tác giả tham khảo và dễ dàng kiếm được, có thể kể đến các bài của của Burke,
M. P.Jr, [19], [20], [21], Wolde Tinsae và Greimann D.M. [22], của Abendroth R. E.
và Greimann L. F. [23], của Wasserman Edward P. [7], của Wasserman Edward P. và
Walker J. Houston [24], của Kerkorian [25], và sách trình bày tổng quát thực trạng
công nghệ CTK của Viện bê tông Đúc sẵn/DUL PCI (The State of the Art,
Precast/Prestressed Concrete Integral Bridges, Precast/Prestressed Concrete
Institute, 2001) [4] v.v..
Đồng hành với sự phát triển rộng rãi CTK chủ yếu dựa vào các bài học rút ra từ thực
tiễn xây dựng, hàng loạt các cơng trình nghiên cứu cố gắng tìm hiểu về cơ chế hoạt
động của loại kết cấu này đã được tiến hành cả về mặt xây dựng mơ hình tính tốn,
thí nghiệm trong phịng cũng như đo đạc theo dõi tại thực địa. Các vấn đề nghiên cứu
tập trung vào tình trạng đất đắp đầu cầu dưới tác dụng đẩy tới đẩy lui có tính chu kỳ
của tường mố, sự làm việc của cọc đỡ mố khi chịu lực đẩy ngang do biến thiên nhiệt
và do hoạt tải, v.v..
Thời gian đầu việc nghiên cứu trạng thái làm việc của các cọc đỡ mố CTK chủ yếu
thông qua việc theo dõi các cầu xây dựng tại hiện trường. Nhiều cơng trình nghiên
cứu khá qui mơ, thí dụ như cơng trình của Jennie Road, thuộc Chương trình chuyển
giao cơng nghệ của Đại học Minnesota, cơng bố vào mùa thu 1999. Trên một chiếc
cầu 3 nhịp bê tơng DUL 24m đã bố trí tới 120 thiết bị đo điện tử các loại để theo dõi
sự làm việc của cầu bao gồm xê dịch và xoay chuyển của mố tương đối với đất nền
đầu cầu, lực dọc trục và mômen trong cọc, sự phân bố tải trọng trong các thành phần
của kết cấu nhịp và tác động của biến động nhiệt tới sự làm việc của kết cấu. Các kết
quả theo dõi được thể hiện bằng các biểu đồ theo thời gian, đi cùng với biểu đồ nhiệt
độ mơi trường lúc đo [26].
Thời gian sau các cơng trình theo dõi tại hiện trường được kết hợp với việc đối chiếu
với kết quả tính theo các mơ hình phân tử hữu hạn hai chiều, ba chiều, thí dụ như
trong đề tài nghiên cứu của J. L. Fennema và cộng sự tại Đại học Pennsylvania cho
Sở giao thông Pennsylvania, năm 2002. Việc theo dõi tại hiện trường được thực hiện
trên một chiếc cầu 3 nhịp (14,3+26,8+10,7m) với 60 thiết bị đo, thu thập số liệu về
ứng biến trong cọc, áp lực đất cạnh mố, dịch chuyển và xoay chuyển của mố, xoay
chuyển của dầm cầu trong khi xây dựng và sau khi liên tục hóa. Mơ hình kết cấu gồm
3 mức độ: mơ hình cọc chịu lực ngang sử dụng phần mềm máy tính thương mại với
các gối lị xo để mơ hình hóa tương tác đất/cọc, mơ hình 2 chiều để mơ hình hóa cầu
ở dạng khung và mơ hình phần tử hữu hạn 3 chiều để mơ hình hóa tồn bộ cầu. Gần
cầu cịn xây dựng một trạm khí tượng để thu thập các số liệu về nhiệt độ môi trường,
bức xạ mặt trời, tốc độ và hướng gió, độ ẩm, mưa và áp suất khí quyển. Đề tài nghiên
cứu quy mô này nhằm giúp Sở giao thông sử dụng trong việc dự báo sự làm việc của
các CTK sẽ xây dựng [27].
Chủ nhiệm đề tài:
Gs-Ts. Nguyễn Phúc Trí
1-13
Hà Nội tháng 05 – 2010
Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần 1. Nghiên cứu tổng quát về Cầu toàn khối
Chương 1, Tình hình ứng dụng CTK trên thế giới
Các thí nghiệm về sức chịu của cọc được tiến hành với các mẫu, hoặc là với tỷ lệ thu
nhỏ (khi tiến hành trong mơi trường đất có vấn đề tăng trọng lượng đơn vị theo tỉ lệ
tương ứng nên thường tiến hành trong máy ly tâm), hoặc là với tỷ lệ thực (trong
phịng và tại hiện trường). Thí nghiệm cọc phần lớn tiến hành với loại cọc thép hình
chữ H là loại thông dụng tại Hoa Kỳ và Canada. Tuy nhiên nghiên cứu của Arsoy,
Duncan và Burke (2002) có nghiên cứu về loại cọc ống thép nhồi bê tông và cọc bê
tơng DUL [29], [30]. Thí nghiệm về cọc DUL tại Đại học Tennessee (2004) đã đi đến
kết luận là cọc này hoàn toàn phù hợp để sử dụng trong CTK và quy định hạn chế
dịch chuyển tại mố không quá 25mm còn là quá dè dặt [30].
Kết quả của các nghiên cứu làm sáng tỏ nhiều vấn đề, tuy nhiên không phải là đều
được công nhận rộng rãi nên có hiện tượng mỗi địa phương, trên cở sở khẳng định là
CTK có hiệu quả và cần ứng dụng phổ biến, đều có các quy định riêng của mình như
đã nói ở trên. FHWA vẫn đang tìm con đường đi tới các quy định chung bằng cách
hướng dẫn thu thập các kinh nghiệm thực tiễn của các bang [31]. Trong khi chưa có
được các quy đinh chính thức trong tiêu chuẩn thiết kế cầu thì, ở hầu hết các bang,
CTK vẫn được xây dựng ngày một nhiều với các chiều dài ngày càng lớn hơn.
1.3.3 Tình hình ứng dụng CTK tại Châu Âu
1.3.3.1 CTK tại Vương quốc Anh
Việc thiết kế và xây dựng loại cầu liên tục và không khe co giãn vốn đã được khuyến
khích bởi Cơ quan Đường bộ Vương quốc Anh. Qua lần điều tra khảo sát gần 200
chiếc cầu bê tông ở Vương quốc Anh do Sở giao thông tiến hành đã cho thấy khe co
giãn trên cầu là nguyên nhân gây ra nhiều hư hỏng tốn kém cho công tác duy tu cầu
(Wallback 1989). Trong “Sách chỉ dẫn thiết kế cầu đường” (Design Manual for
Roads and Bridges, DMRB), Phần 7 về Thiết kế bền vững (BD57) có nói rõ khi thiết
kế các cầu dài khơng q 60m và chéo khơng q 30 độ, nói chung là đầu tiên phải
xét tới phương án CTK [32].
Tuy nhiên cho đến năm 1996 ở nước này cịn rất ít kinh nghiệm thực tiễn về thiết kế
và xây dựng CTK. Vì vậy Nhóm phát triển cầu bê tơng, Bộ Cơng thương Anh
(Concrete Bridge Development Group) đã thành lập một tổ công tác để thu thập
những thông tin về việc sử dụng và thành tích về CTK. Như một phần của q trình
đó, trung tuần tháng 8/1997 Tổ cơng tác đã cử một đoàn khảo sát sang 5 bang tiêu
biểu và cơ quan thí nghiệm cơng nghệ xây dựng của Hoa Kỳ và tỉnh Ontario của
Canada. Mục đích của chuyến đi thăm của Đoàn là để truy cập các phương pháp
được dùng ở Bắc Mỹ, xét khả năng ứng dụng vào Liên hiệp Anh và phổ biến các điều
phát hiện được cho các kỹ sư và công chức đường bộ Anh.
Qua đợt khảo sát, thu thập nghiên cứu tài liệu liên quan, đi thăm các cơng trình tiêu
biểu và thảo luận với kỹ sư nhiều kinh nghiệm về loại kết cấu này, Đoàn đã đi tới kết
luận là các CTK đã xây dựng có chiều dài tới 120m, đều làm việc tốt. Đã khơng xảy
ra vấn đề gì lớn, loại trừ một vài khiếm khuyết nhỏ, chủ yếu thuộc phạm vi mặt
đường tiếp giáp ngoài phạm vi kết cấu cầu và trong thực tiễn cũng đã có những kinh
nghiệm khắc phục [33]. Sau đó Tổ chuyên nghiên cứu phát triển về CTK (Integral
Chủ nhiệm đề tài:
Gs-Ts. Nguyễn Phúc Trí
1-14
Hà Nội tháng 05 – 2010
Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần 1. Nghiên cứu tổng quát về Cầu toàn khối
Chương 1, Tình hình ứng dụng CTK trên thế giới
Tỷ lệ toàn khối trong khoảng thời gian
Bridges Task Group) vẫn tiếp tục duy trì hoạt động và CTK cũng được ứng dụng
ngày một rộng rãi hơn ở Anh quốc (hình vẽ 1.3-7).
Số cầu trong khoảng thời gian
Tồn khối
Bán tồn khối
Khơng tồn khối
Tỷ lệ tồn khối
Trước
Hình vẽ 1.3-7 Số lượng các loại cầu (tồn khối, bán tồn khối và khơng tồn khối)
và tỷ lệ CTK theo thời gian
(nguồn: Integral Bridges in the UK, Internal Workshop on Integral Bridge 2006)
Tuy nhiên có sự khác biệt về triết lý xây dựng loại cầu này ở Bắc Mỹ và Vương quốc
Anh (và cũng chính vì vậy mà khơng phải tất cả thực tiễn của Bắc Mỹ đã coi như phù
hợp để ứng dụng tại Vương quốc Anh, biểu hiện chủ yếu ở hai mặt sau:
1. Các loại kết cấu CTK – Ngoài loại mố vùi có hình thức giống như loại CTK thơng
dụng ở Bắc Mỹ, ở Anh coi như CTK còn nhiều dạng kết cấu khác. Trong Sổ tay thiết
kế CTK (Highway Agency Departmental Handbook BA 42/96) [34] định nghĩa về
CTK là “ CTK là cầu mà mố được gắn liền với mặt cầu, khơng có khe co giãn”, và
phân loại như sau (hình vẽ 1.3-8), rõ ràng là mố CTK khơng phải duy nhất là loại đặt
trên một hàng cọc như ở Bắc Mỹ:
Chủ nhiệm đề tài:
Gs-Ts. Nguyễn Phúc Trí
1-15
Hà Nội tháng 05 – 2010
Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần 1. Nghiên cứu tổng quát về Cầu toàn khối
Chương 1, Tình hình ứng dụng CTK trên thế giới
Hình vẽ 1.3-8 Các loại cầu toàn khối của Vương quốc Anh
(a) và (b): mố khung (frame abutment)
c): mố vùi (embedded abutment)
(d): mố bệ kê (bank pad abutment)
(e) và (f): mố tấm chắn đầu dầm (end screen abutment)
Hình vẽ1.3-9 Cầu tồn khối với mố trên bệ kê
2. Bản lên cầu và đất đắp đầu cầu – Ở Bắc Mỹ, bản lên cầu được bố trí trên tất cả các
cầu để phịng lún đất đắp sau mố và tạo sự êm thuận khi lên cầu. Với CTK vì rất e
ngại tác động đẩy ra đẩy vào của mố khi dịch chuyển theo chu kỳ có thể làm khối đất
đắp sau mố bị xáo động, nên có khuynh hướng chủ động đắp đất không thật chặt và
kéo dài bản lên cầu tới mức như thêm một nhịp mặt cầu đặt trên đất ở sát mố. Kinh
nghiệm ở Vương quốc Anh lại khác, đất đắp sau mố dùng loại đất hạt có chọn lọc,
đầm có kiểm sốt và thật chặt được coi là có hiệu quả, không xảy ra lún nên bản lên
cầu coi như khơng cần thiết (hình vẽ 1.3-9). Ngồi việc làm mái dốc bảo vệ (hình vẽ
Chủ nhiệm đề tài:
Gs-Ts. Nguyễn Phúc Trí
1-16
Hà Nội tháng 05 – 2010
Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần 1. Nghiên cứu tổng quát về Cầu toàn khối
Chương 1, Tình hình ứng dụng CTK trên thế giới
1.3-10), họ cũng thường dùng tường chắn đất có cốt xây quanh mố (hình vẽ 1.3-11),
hoặc sát cạnh mố (hình vẽ1.3-12) để tăng cường nền đắp đầu cầu [35].
Xà ngang đầu dầm
Khối chắn tại đầu
Gối tạm
Mũ cọc
Cọc (BTCT hoặc thép chữ H)
Vỏ bao (nếu cần)
Hình vẽ 1.3-10 Cầu tồn khối có mái dốc
Tường đất có cốt
Hình vẽ 1.3-11 Cầu tồn khối với tường chắn đất có cốt bao quanh mố
Hình vẽ 1.3-12 Cầu tồn khối với tường chắn đất có cốt sau mố
Nhận định là các quy định trong tiêu chuẩn của Anh quốc về CTK (BA 42/96) là quá
dè dặt (England et al. 2000), đề tài CUED/D – Soils/TR320 do R. J. Lock chủ trì [2],
đặc biệt quan tâm đến hai vấn đề đặc thù của CTK là sự gia tăng áp lực đất cạnh mố
Chủ nhiệm đề tài:
Gs-Ts. Nguyễn Phúc Trí
1-17
Hà Nội tháng 05 – 2010
Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần 1. Nghiên cứu tổng quát về Cầu toàn khối
Chương 1, Tình hình ứng dụng CTK trên thế giới
và sự biến dạng của khối đất liền kề mố, do chuyển dịch chu kỳ của mố. Đề tài đã tập
hợp các thơng tin từ nhiều cơng trình nghiên cứu khác (qua thí nghiệm bằng nhiều
phương pháp như mơ hình trên máy ly tâm và phân tích số học và qua khảo sát hiện
trường) chủ yếu về áp lực đất và lún cạnh mố, phân tích các kết quả và đi tới kết luận
cần có các thay đổi cho BA 42/96. Đáng chú ý có mấy điểm:
• khơng nên hạn chế chiều dài CTK ở mức 60m, thực tiễn xây dựng ở Bắc Mỹ
chứng tỏ các cầu tới trên 100m đều hoạt động tốt. Nên tăng dần chiều dài và
quan sát hiệu quả;
• việc dùng đất khơng đầm chặt làm đất đắp đầu cầu là khơng phù hợp, bất kể có
làm bản lên cầu hay khơng;
• khơng cần thiết làm bản lên cầu nếu vật liệu đất đắp có chọn lọc và được đầm
chặt thỏa đáng, đồng thời có hệ thốt nước hiệu quả. Lún do mố dịch chuyển
theo biến thiên nhiệt độ ln xảy ra dù có bản lên cầu. Khi đó việc duy tu phần
đường sau mố lại càng khó khăn và tốn kém, đắt hơn việc rải thêm lớp phủ mặt
đường;
• quy định áp lực đất đối với loại mố vùi K* phải lớn hơn 1/3 Kp là quá thận
trọng. Kết quả nghiên cứu của England et al. (2000) khuyến nghị có thể cịn
nhỏ hơn, nếu khơng phải là trường hợp có độ đóng băng sâu, như ở Vương
quốc Anh.
Tháng 5/2003, Bản sửa đổi số 1 (Amendment No 1) đã được đưa vào BA 42/96 [34].
1.3.3.2 CTK tại Thụy Điển
Trong những năm 80 của thế kỷ trước rất ít CTK được xây dựng tại Thụy Điển, đại
bộ phận cầu vừa và nhỏ thuộc loại CBTK, khơng có khe co giãn nhưng vẫn còn đặt
trên gối. Năm 2000, để nghiên cứu khả năng dùng loại cọc thép chữ X là loại cọc
thông dụng ở Thụy Điển vào làm CTK. Ramboll đã tiến hành một đề tài thí nghiệm
theo tỷ lệ thực sức chịu lực ngang của các đoạn cọc X130-16 (hình vẽ 1.3-13). Cọc
được cắm sâu vào một khối bê tơng kích thước 1,0 x 0,75 x 0,75m, coi như tường mố
và đặt trên các lò xo với các khoảng cách 1m để mơ hình hóa phản lực của đất nền
quanh cọc (hình vẽ 1.3-14). Đầu cọc được đẩy ngang một lượng 25mm tương đối với
trục cọc để quan sát và ghi chép, sau đó đẩy tiếp cho đến khi cọc bị phá hoại. Kết quả
cho thấy đường cong biến dạng rất êm thuận và khả năng chịu lực của cọc đạt mức
73~79% khả năng lý thuyết của chiếc cọc thẳng tuyệt đối. Mơ hình tính tồn số học
cũng cho các kết quả tương tự với sai số trong vịng 5%, chứng tỏ loại cọc này hồn
tồn đạt u cầu đặt ra [36].
Hình vẽ 1.3-13 Mặt cắt ngang cọc X130-16mm
Chủ nhiệm đề tài:
Gs-Ts. Nguyễn Phúc Trí
1-18
Hà Nội tháng 05 – 2010
