Phát triển mặt cầu bằng bê tông chất lượng siêu cao cho hệ thống mặt cầu bản thép trực hướng ở Việt Nam

ThS. NCS. Đặng Văn Sỹ Trường Cao đẳng Giao thông vận tải II TS. Phạm Duy Anh Trường Đại học Giao thông vận tải  Người phản biện: TS. Đào Duy Lâm PGS. TS. Nguyễn Thị Tuyết Trinh

Tóm tắt: Bài viết trình bày các nghiên cứu, ứng dụng bê tông chất lượng cao làm lớp phủ mặt cầu thép trực hướng trên thế giới. Qua phân tích các kết quả nghiên cứu, đề xuất mô hình ứng dụng bê tông chất lượng siêu cao vào mặt cầu trực hướng ở Việt Nam.

Từ khóa: Mặt cầu bê tông, mặt cầu bản thép, mặt cầu trực hướng.

Abstract: This paper presents the research and application of high performance concrete as an wearing surface for orthotropic steel deck system. Through discussing the study results, the authors propose model using ultra-high performance concrete as an overlay for orthotropic decks in Vietnam.

Keywords: Concrete bridge deck, steel decks, orthotropic bridge deck.

 

1. Đặt vấn đề

Cầu thép với các dạng kết cấu: Dầm, dàn, vòm, cầu treo dây xiên, cầu treo dây võng sử dụng hệ mặt cầu bằng bản thép trực hướng (BTTH) đang được phát triển ở Việt Nam và trên thế giới [3].

Hệ thống BTTH bao gồm một tấm thép mỏng, phẳng, được tăng cường bởi các sườn dọc đặt gần nhau được kê trên các dầm ngang trực giao (Hình 1.1). Với trọng lượng bản thân nhỏ, độ cứng lớn, mặt cầu BTTH rất phù hợp với các công trình cầu nhịp lớn, cầu di động, các công trình cầu đòi hỏi tiến độ thi công nhanh hoặc thay thế mặt cầu thép cũ để kéo dài thời gian khai thác [5].

Hình 1.1: Cấu tạo mặt cầu trực hướng

 

Hệ thống BTTH đã được sử dụng thành công cho hàng ngàn cây cầu trên toàn thế giới, đặc biệt là ở châu Âu, châu Á và Nam Mỹ. Nhiều cầu hiện đại, tráng lệ nhất trên thế giới hiện nay sử dụng các hệ thống BTTH. Ở Việt Nam, 2 công trình Thăng Long - Hà Nội, cầu Thuận Phước (Đà Nẵng) cũng cấu tạo hệ mặt cầu theo dạng này.

Trong hệ thống mặt cầu trực hướng, lớp phủ mặt cầu có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ kết cấu bản trực hướng, tạo ra độ bằng phẳng, độ bám của mặt đường đảm bảo cho xe chạy êm thuận. Có hai loại vật liệu chính được sử dụng cho lớp phủ [5]:

- Hệ thống bề mặt sử dụng chất kết dính bitum bao gồm Stone mastic asphalts (SMA), latex-modified asphalts, và hệ thống bê tông nhựa asphal có cốt tăng cường;

- Hệ thống lớp phủ bê tông nhựa polymer, gồm keo epoxy, metacrylat và polyurethan. 

Thực tế cho thấy, một số vấn đề thường gặp đối với lớp phủ hiện nay như vết nứt do mỏi, hiện tượng lún vệt bánh xe, dồn, và tách lớp. Những hư hỏng này thường làm cho chất lượng khai thác suy giảm, hơn nữa làm tăng ứng suất cục bộ trong kết cấu chịu lực [6].

Sử dụng lớp phủ mặt cầu bằng bê tông chất lượng cao là một trong những hướng nghiên cứu, nhằm giảm thiểu tác động của các vấn đề nêu trên [4],[6],[7].

2. Các mô hình sử dụng bê tông chất lượng cao cho BTTH

Kể từ khi bê tông chất lượng cao có cốt sợi được phát triển, một số mô hình ứng dụng bê tông chất lượng cao có cốt sợi làm lớp phủ cho mặt cầu trực hướng như một giải pháp giảm ứng suất gây mỏi được nghiên cứu và áp dụng [4], [6], [7]:

Các nghiên cứu về lý thuyết, thực nghiệm đã được thực hiện, giới thiệu bởi Jun Murakoshi và cộng sự [4], Peter Buitelaar và cộng sự [6], Pierre Marchand, Fernanda Gomes và các cộng sự [7]. Bài viết trình bày các mô hình sử dụng bê tông chất lượng cao làm lớp mặt cầu cho hệ mặt cầu BTTH được giới thiệu bởi các tác giả nêu trên.

2.1. Mô hình 1: Bê tông cốt sợi SFRC dày 75mm có gia cường bằng lưới các bon [4]

Ở Nhật Bản, mặt cầu thép trực hướng cũng được sử dụng rộng rải với những công trình cầu nhịp lớn và các cầu cạn đô thị ở Nhật Bản. Trong những năm gần đây, các vết nứt mỏi quan sát được trên bản thép trực hướng tại: Mối nối hàn giữa bản và sườn; sườn ngang và sườn dọc; ở đáy sườn máng; mối nối giữa sườn ngang và tấm sàn.

Hình 2.1: Mô hình 1, sử dụng bê tông cốt sợi SFRC

 

Bê tông cốt sợi Steel fiber reinforced Concrete (SFRC) được nghiên cứu, ứng dụng ở Nhật Bản để đối phó với vết nứt do mỏi, áp dụng cho cầu dàn qua vịnh Yokohama, cầu Shonan-Ohashi. Cấu tạo lớp mặt cầu bằng SFRC: Bê tông cốt sợi cấp 45Mpa, sử dụng một hàm lượng cốt sợi thép là 100kg/m³ bê tông, đường kính sợi 0,6mm, chiều dài sợi 30mm. Liên kết giữa bản thép và SFRC bằng keo epoxy (1,4 kg/m²), neo đinh được hàn với bản thép tại 2 mép theo chiều dọc cầu, Hình 2.1.

Các nghiên cứu đã thực hiện bằng phương pháp phần tử hữu hạn; thử nghiệm uốn trên mẫu nhỏ, mẫu kích thước thật; thử nghiệm mỏi, tập trung vào việc đánh giá hiệu quả giảm ứng suất mỏi cho kết cấu bản thép trực hướng; đánh giá độ bền bê tông chất lượng cao cốt sợi và xác định các tác dụng phụ bất lợi (nếu có). Qua nghiên cứu các tác giả đã kết luận:

- Lớp phủ bằng bê tông cốt sợi làm giảm ứng suất gây mỏi liên quan đến các vết nứt ở các vị trí đã được quan sát trên cầu.

- Thử nghiệm bánh xe chạy cho thấy lớp phủ SFRC vẫn duy trì tác dụng giảm ứng suất mỏi sau 2.000.000 lần tải trọng gây uốn tác dụng.

2.2. Mô hình 2: Bê tông chất lượng cao cốt sợi dày 56mm có gia cường cốt thép, cầu Caland (Hà Lan) [6].

Ở Hà Lan, rất nhiều cầu nhịp lớn được xây dựng ở thập niên 70, 80 của thế kỷ trước sử dụng kết cấu mặt cầu bằng bản thép trực hướng. Cũng như các ở Nhật, Pháp, các vết nứt do mỏi đã được phát hiện trên các chi tiết của hệ mặt cầu. Nghiên cứu sử dụng HPC để làm lớp phủ như là một hướng giải pháp cho vấn đề này ở Hà Lan. Cầu di động Caland ở Hà Lan là một trong những điển hình về sử dụng HPC làm lớp mặt cầu thay thế cho lớp phủ bằng bê tông asphal, mặt cắt ngang bản mặt cầu Caland thể hiện trên Hình 2.2.

Hình 2.2: Mặt cắt ngang bản mặt cầu Caland, (Hà Lan)

 

Lớp phủ bằng bê tông chất lượng cao cốt sợi dày 56mm được tăng cường bằng 3 lớp cốt thép  8 ô lưới 50x50 (mm) để giảm chiều dày lớp mặt cầu. Lớp mặt cầu được liên kết với bản thép bằng keo epoxy được rắc bauxite cỡ hạt 3 - 6mm.

Bê tông cấp 87MPa; mô-đun đàn hồi 47,2GPa; cường độ kéo uốn 9,6 ÷ 11,9MPa. Cốt sợi được sử dụng là cốt sợi thép đường kính 0,4mm chiều dài 12,5mm, hàm lượng 200kg/m³ bê tông. Một số hình ảnh thi công mặt cầu Caland trên Hình 2.3.

Hình 2.3: Thi công lớp phủ mặt cầu Caland, (Hà Lan)

 

2.3. Mô hình 3: Sử dụng bê tông chất lượng siêu cao gia cường cốt sợi thép UHPFRC

Trong khuôn khổ của dự án quốc gia Pháp Orthoplus R & D [7], một chương trình thử nghiệm đã được tiến hành để đánh giá ảnh hưởng của lớp phủ bằng UHPFRC đến ứng xử của bản thép trực hướng và sức kháng mỏi của chúng. 

Lớp mặt cầu bằng UHPFRC dày 35mm, liên kết với bản thép bằng neo  đinh,  UHPFRC có cường độ nén 180MPa, hàm lượng sợi thép 2,5% theo khối lượng, cường độ kéo uốn 9MPa và mô đun đàn hồi là khoảng 56MPa.

Kết quả cho thấy các lớp phủ UHPFRC làm giảm 30% ÷ 60% ứng suất mỏi so với bản thép không có lớp phủ, trong khi lớp phủ bằng bê tông nhựa dày 70mm cho phép giảm từ 15÷20%. Không phát hiện thấy những hư hỏng do mỏi đối với các mẫu có lớp phủ bằng UHPFRC.

Lớp phủ mặt cầu bằng UHPFRC theo mô hình này đã được triển khai trên mặt cầu Illzach - Pháp từ năm 2011, Hình 2.4, [8]. Các nghiên cứu ứng xử của lớp phủ trên cây cầu này đang được tiến hành.

Hình 2.4: Áp dụng UHPFRC ở cầu Illzach - Pháp

 

2.4. Nhận xét, đề xuất cấu tạo lớp mặt cầu ở Việt Nam

Theo thời gian, từ năm 2003 đến nay kết cấu lớp mặt cầu bằng bê tông tiên tiến đã được nghiên cứu thay thế lớp phủ mặt cầu bằng bê tông asphalt. Cấp bê tông được sử dụng từ 45MPa ở mô Hình 1.1 đến cấp 180MPa ở mô Hình 2.3, sử dụng vi cốt sợi thép cường độ cao, lưới cốt thép cũng được sử dụng để tăng cường khả năng chịu lực và giảm thiểu chiều dày lớp mặt cầu. 

Các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã công bố cho thấy với lớp phủ bê tông chất lượng cao gia cường cốt sợi sẽ làm giảm đáng kể ứng suất gây mỏi cho các chi tiết của kết cấu mặt cầu trực hướng, kéo dài tuổi thọ cho hệ thống mặt cầu.

Bê tông chất lượng siêu cao đã được phát triển mạnh trên thế giới. Ở Việt Nam đã có những nghiên cứu về UHPC được Trường Đại học GTVT công bố [1], [2] cho thấy bê tông chất lượng siêu cao đạt được trị số: Cường độ nén 28 ngày lớn hơn 100MPa; cường độ kéo uốn lớn hơn 10MPa; mô-đun đàn hồi 45 ÷ 55GPa.

Qua kết quả tính toán khả năng chịu mô-men uốn âm của tiết diện liên hợp bản thép - UHPC và kết quả phân tích nội lực trên mặt cầu thép trực hướng, nhóm tác giả đề xuất mô hình lớp phủ mặt cầu thép trực hướng bằng bê tông chất lượng siêu cao áp dụng ở Việt Nam như sau:

- Lớp phủ bằng UHPC có cường độ chịu nén 130Mpa; quan hệ ứng suất biến dạng tính toán thể hiện ở Hình 2.6; chiều dày lớp UHPC 50 - 70mm; cốt sợi thép có đường kính 0,2mm, chiều dài 13mm cường độ chịu kéo >2000MPa; hàm lượng 2,5% theo thể tích; bố trí 2 lớp cốt thép f 8 tăng cường (Hình 2.5).

- Liên kết giữa tấm thép và UHPC sử dụng keo epoxy rắc cốt liệu thô 4 ÷ 6mm.

Hình 2.5: Mô hình thử nghiệm, tính toán ứng xử uốn âm  (Mô hình 4)

 

Hình 2.6: Biểu đồ ứng suất - biến dạng của UHPC

 

Kết quả tính toán mô-men gây nứt của tiết diện M_cr theo mô hình trên (Hình 2.5, 2.6) ứng với các chiều dày khác nhau của lớp UHPC thể hiện ở Bảng 3.1.

Mô-men âm lớn nhất trên bản trực hướng tính toán theo sơ đồ được chỉ dẫn bởi Gopalaratnam [5], tải trọng lấy theo 22TCN 272-05, cấu tạo hệ mặt cầu lấy theo thiết kế của cầu Thuận Phước - Đà Nẵng. Kết quả tính cho 500mm bề rộng bản trực hướng theo phương dọc cầu là: 2,7kN.m. Tỷ số giữa mô-men gây nứt M_cr và mô-men âm tính toán lớn nhất M_max ghi ở Bảng 2.1.

Kết quả tính toán lý thuyết cho thấy sử dụng bê tông chất lượng siêu cao theo mô Hình 2.3 trên mặt cầu trực hướng sẽ không gây ra vết nứt trên mặt cầu. Tỷ số giữa mô-men nứt trên mô men uốn lớn nhất do tải trọng thiết kế gây ra là 1,41 khi sử dụng chiều dày UHPC là 50mm, bằng 2,47 khi chọn chiều dày UHPC là 70mm.

Các nghiên cứu thực nghiệm đang được tiến hành ở Trường Đại học GTVT.

Bảng 2.1. Kết quả tính toán theo mô hình 4

 

3. Kết luận

Bê tông chất lượng siêu cao - UHPC có các tính năng vượt trội về các đặc trưng cơ học đặc biệt là cường độ chịu kéo uốn và độ bền cao. Sử dụng UHPC làm lớp phủ trên mặt cầu trực hướng nhằm cải thiện độ cứng, giảm ứng suất mỏi, chống lại các tác động bất lợi của môi trường.

Việc nghiên cứu ứng xử của lớp UHPC trên mặt cầu trực hướng từ đó lựa chọn hợp lý về kích thước hình học, hình thức liên kết phù hợp làm cơ sở cho việc ứng dụng UHPC cải thiện các lớp phủ mặt cầu hiện có, đồng thời định hướng ứng dụng trong các kết cấu cầu mới ở Việt Nam là hướng nghiên cứu có tính thực tiễn.

Tài liệu tham khảo

[1]. GS. TS. Phạm Duy Hữu, TS. Phạm Thanh Sang, TS. Phạm Duy Anh, ThS. Nguyễn Lộc Kha (2011), Nghiên cứu vật liệu chế tạo bê tông cường độ siêu cao (UHPC), Tạp chí GTVT, số 7.

[2]. TS. Phạm Duy Anh, ThS. Nguyễn Lộc Kha (2009), Nghiên cứu phát triển công nghệ bê tông cường độ rất cao trong kết cấu cầu, Tạp chí Khoa học GTVT, số 28.

[3]. TS. Nguyễn Thị Tuyết Trinh (Chủ biên), GS. TS. Nguyễn Viết Trung (2013), Cầu thép, NXB. Xây dựng.

[4]. Jun Murakoshi, Naoki Yanadori and Hironori Ishii (2008), Research on steel fiber reinforced concrete pavement for orthotropic steel deck as a countermeasure for fatigue.

[5]. FHWA-IF-12-027 (2012), Manual for Design, Construction and Maintenance of Orthotropic Steel Deck Bridges.

[6]. Peter Buitelaar, René Braam and Niek Kaptijn (2005), Reinforced High Performance Concrete Overlay System for Rehabilitation and Strengthening of Orthotropic Steel bridge decks.

[7]. Pierre Marchand, Fernanda Gomes và các cộng sự (2012), Behaviour of an Orthotropic Bridge Deck with a UHPFRC Topping Layer.

[8]  Hajar Z., Une cure de jouvence, La voie (2011), Le magazine d’Eiffage Travaux Publics, nº22