KẾT CẤU CẢNG BIỂN NƯỚC SÂU

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