Mai Triệu Quang: So sánh việc lựa chọn kết cấu dầm cầu Bê tông cốt thép đúc sẵn trong các Dự án Giao thông...

 So sánh việc lựa chọn kết cấu dầm cầu Bê tông cốt thép đúc sẵn trong các Dự án Giao thông...

Nghiên cứu chuyên sâu: So sánh dầm T ngược, dầm Super Tee, dầm I, dầm chữ Pi và dầm bản rỗng cho cầu cao tốc 4 làn xe với nhịp 24-33-40m

1. Giới thiệu

Trong bối cảnh Chính phủ đang tập trung phát triển mạnh hạ tầng giao thông ở Việt Nam những năm gần đây và các năm tiếp theo , xu hướng sử dụng cầu cạn cho các tuyến cao tốc ngày càng trở nên phổ biến, đặc biệt tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long và miền Nam Việt Nam. Nền địa chất yếu tại các khu vực này đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng trong thiết kế để giảm thiểu trọng lượng tĩnh tải của cả phần thượng bộ và trụ cầu, từ đó giảm chi phí đáng kể cho móng cầu, vốn thường rất tốn kém . Do đó, việc tính toán so sánh các loại kết cấu cầu khác nhau, bao gồm việc xác định nhịp tối ưu và lựa chọn kết cấu dầm phù hợp nhất, là một bước quan trọng và cần được thực hiện một cách kỹ lưỡng trong từng đồ án thiết kế cầu . Báo cáo này nhằm mục đích thực hiện một nghiên cứu khởi động so sánh chi tiết về năm loại dầm bê tông khác nhau – dầm T ngược, dầm Super Tee, dầm I, dầm chữ Pi và dầm bản rỗng – khi được sử dụng cho khẩu độ nhịp 40 mét. Nghiên cứu sẽ đánh giá các loại dầm này dựa trên bốn tiêu chí chính: trọng lượng bản thân, chiều cao kiến trúc (hoặc chiều sâu), giá thành tương đối và phạm vi ứng dụng điển hình. Nhu cầu ngày càng tăng về các giải pháp kết cấu hiệu quả và kinh tế cho các công trình có nhịp trung bình đến dài làm cho việc so sánh này trở nên đặc biệt quan trọng. Báo cáo này sẽ sử dụng phương pháp tổng hợp và phân tích các tài liệu nghiên cứu và tài liệu chuyên ngành hiện có để cung cấp một cái nhìn tổng quan toàn diện.

Với bề rộng mặt cầu 25.5m – tiêu chuẩn cho cao tốc 4 làn xe – và phạm vi nhịp từ 24-33m đến 40m, việc lựa chọn loại dầm tối ưu không chỉ là vấn đề kỹ thuật mà còn là bài toán kinh tế và thực tiễn thi công. Dựa trên kinh nghiệm thực chiến tại các dự án lớn, kết hợp với dữ liệu từ các nguồn trong và ngoài nước, nghiên cứu này phân tích so sánh năm loại dầm: dầm T ngược, dầm Super Tee, dầm I, dầm chữ Pi (hộp rỗng), và dầm bản rỗng. Các tiêu chí đánh giá bao gồm tải trọng bản thân, nội lực (moment và lực cắt), chiều cao kiến trúc, và giá thành, từ đó đưa ra khuyến nghị cho các dự án cầu vượt hiện nay.

2. Giả định thiết kế và điều kiện tính toán

Phạm vi nhịp (L): 24m, 33m và 40m.

Bề rộng mặt cầu: 25.5m (cao tốc 4 làn, 7 dầm, khoảng cách dầm ≈ 3.6m).

Vật liệu: Bê tông dự ứng lực C60 (γ = 25 kN/m³), cáp dự ứng lực 1860 MPa.

Tải trọng thiết kế:

Tải bản thân: Dầm + bản mặt cầu (dày 20cm, γ = 25 kN/m³).

Tải hoạt tải: HL-93 (AASHTO LRFD) ≈ 18 kN/m².

Tải phân bố tổng (q): 23 kN/m² × 25.5m = 586.5 kN/m.

Nội lực:

Moment uốn tối đa (M): M = qL²/8.

Nhịp 33m: M = 586.5 × 33² / 8 ≈ 79,860 kNm.

Nhịp 40m: M = 586.5 × 40² / 8 ≈ 117,300 kNm.

Lực cắt tối đa (V): V = qL/2.

Nhịp 33m: V = 586.5 × 33 / 2 ≈ 9,676 kN.

Nhịp 40m: V = 586.5 × 40 / 2 ≈ 11,730 kN.

Nội lực/dầm (7 dầm):

33m: M/dầm ≈ 11,409 kNm; V/dầm ≈ 1,382 kN.

40m: M/dầm ≈ 16,757 kNm; V/dầm ≈ 1,676 kN.

3. Phân tích chi tiết từng loại dầm

3.1. Tải trọng bản thân

Tải trọng bản thân (G) = γ × V, với V = A × L. Số dầm = 7.

3.1.1 Dầm T ngược

Tiết diện (A): 33m: 0.9 m²; 40m: 1.1 m².

Tính toán:

33m: V = 0.9 × 33 = 29.7 m³/dầm; G/dầm = 25 × 29.7 = 742.5 kN ≈ 75 tấn/dầm; Tổng G = 75 × 7 = 525 tấn.

40m: V = 1.1 × 40 = 44 m³/dầm; G/dầm = 25 × 44 = 1100 kN ≈ 110 tấn/dầm; Tổng G = 110 × 7 = 770 tấn.

Bản mặt cầu: 

33m: 25.5 × 33 × 0.2 × 25 = 4207.5 kN ≈ 420 tấn; 

40m: 5100 kN ≈ 510 tấn.

Tổng tải: 33m: 945 tấn; 40m: 1280 tấn.

3.1.2 Dầm Super Tee

Tiết diện (A): 33m: 1.3 m²; 40m: 1.5 m².

Tính toán:

33m: V = 1.3 × 33 = 42.9 m³/dầm; G/dầm = 25 × 42.9 = 1072.5 kN ≈ 107 tấn/dầm; Tổng G = 749 tấn.

40m: V = 1.5 × 40 = 60 m³/dầm; G/dầm = 25 × 60 = 1500 kN ≈ 150 tấn/dầm; Tổng G = 1050 tấn.

Tổng tải: 

33m: 1169 tấn; 

40m: 1560 tấn.

3.1.3 Dầm I

Tiết diện (A): 33m: 1.7 m²; 40m: 2.0 m² (FHWA).

Tính toán:

33m: V = 1.7 × 33 = 56.1 m³/dầm; G/dầm = 25 × 56.1 = 1402.5 kN ≈ 140 tấn/dầm; Tổng G = 980 tấn.

40m: V = 2.0 × 40 = 80 m³/dầm; G/dầm = 25 × 80 = 2000 kN ≈ 200 tấn/dầm; Tổng G = 1400 tấn.

Tổng tải: 33m: 1400 tấn; 40m: 1910 tấn.

Dầm chữ Pi

Tiết diện (A): 33m: 1.4 m²; 40m: 1.7 m² (FHWA).

Tính toán:

33m: V = 1.4 × 33 = 46.2 m³/dầm; G/dầm = 25 × 46.2 = 1155 kN ≈ 116 tấn/dầm; Tổng G = 812 tấn.

40m: V = 1.7 × 40 = 68 m³/dầm; G/dầm = 25 × 68 = 1700 kN ≈ 170 tấn/dầm; Tổng G = 1190 tấn.

Tổng tải: 33m: 1232 tấn; 40m: 1700 tấn.

3.1.4 Dầm bản rỗng

Tiết diện (A): 33m: 0.8 m²; 40m: 1.0 m².

Tính toán:

33m: V = 0.8 × 33 = 26.4 m³/dầm; G/dầm = 25 × 26.4 = 660 kN ≈ 66 tấn/dầm; Tổng G = 462 tấn.

40m: V = 1.0 × 40 = 40 m³/dầm; G/dầm = 25 × 40 = 1000 kN ≈ 100 tấn/dầm; Tổng G = 700 tấn.

Tổng tải: 33m: 882 tấn; 40m: 1210 tấn.

3.2. Nội lực và biểu đồ

Moment uốn (M/dầm): 33m: 11,409 kNm; 40m: 16,757 kNm.

Lực cắt (V/dầm): 33m: 1,382 kN; 40m: 1,676 kN.

3.3. Chiều cao kiến trúc

Dầm T ngược: 33m: 1.0-1.2m; 40m: 1.2-1.4m (H/L ≈ 1/28-1/33).

Dầm Super Tee: 33m: 1.3-1.6m; 40m: 1.5-1.8m (H/L ≈ 1/22-1/25).

Dầm I: 33m: 1.8-2.0m; 40m: 2.0-2.4m (H/L ≈ 1/16-1/18).

Dầm chữ Pi: 33m: 1.4-1.7m; 40m: 1.5-2.0m (H/L ≈ 1/20-1/23).

Dầm bản rỗng: 33m: 0.8-1.0m; 40m: 1.0-1.2m (H/L ≈ 1/33-1/40).

3.4. Giá thành

Dầm T ngược: 33m: 7-9 triệu VND/m²; 40m: 8-10 triệu VND/m² 

Dầm Super Tee: 33-40m: 9-12 triệu VND/m².

Dầm I: 33-40m: 8-11 triệu VND/m² (FHWA).

Dầm chữ Pi: 33-40m: 9-12 triệu VND/m² (FHWA).

Dầm bản rỗng sản xuất quy mô công nghiệp: 18-20-24m: 3-5 triệu VND/m².

4. Bảng so sánh tổng hợp

Xem Hình

5. Phân tích chuyên sâu

Tải trọng bản thân của phần thượng bộ: Dầm bản rỗng nhẹ nhất (882-1210 tấn), nổi bật với khả năng giảm tải móng, lý tưởng cho đất yếu ĐBSCL. Dầm I nặng nhất (1400-1910 tấn). Dầm T ngược (945-1280 tấn) cân đối về kinh tế và kỹ thuật.

Nội lực: Moment tăng 47% (11,409 lên 16,757 kNm/dầm) và lực cắt tăng 21% (1,382 lên 1,676 kN/dầm) từ 33m lên 40m. Dầm chữ Pi và Super Tee vượt trội về độ cứng, chịu nội lực tốt; dầm bản rỗng cần tăng chiều dày tiết diện và tăng cường liên kết ngang dọc theo dầm nếu dùng nhịp dài để tránh ứng suất vượt quá.

Chiều cao: Dầm bản rỗng (0.7-1.2m) và T ngược (1.0-1.4m) tối ưu cho không gian hạn chế; dầm I (1.8-2.4m) bất lợi về thẩm mỹ và tĩnh không đứng.

Giá thành: 

Dầm bản rỗng tiết kiệm vật liệu nhất và có giá thành rẻ nhất nếu có biện pháp sản xuất quy mô công nghiệp tạo lỗ rỗng không cần ván khuôn trong và căng cáp hàng loạt trong Nhà máy hoặc bãi đúc, dầm chữ Pi đắt nhất trong các loại dầm so sánh. Dầm T ngược cân bằng hiệu quả kinh tế và kỹ thuật. 

6. Kết luận

Việc lựa chọn loại dầm cho nhịp 20-24-33-40m trên cao tốc 4 làn xe không chỉ dựa vào tính toán lý thuyết mà còn phải xem xét bối cảnh thực tế của dự án. Dầm bản rỗng sản xuất quy mô công nghiệp bằng công nghệ đùn nổi lên như giải pháp tối ưu khi lựa chọn chiều dài nhịp hợp lý từ 18-20-24m, đặc biệt tại các khu vực như ĐBSCL nơi có tầng đất yếu dày, với tải trọng bản thân rất nhẹ và chiều cao kiến trúc thấp, và chi phí rất hợp lý (4-6 triệu VND/m² phần mặt cầu), đồng thời chịu nội lực hiệu quả, tối ưu về sử dụng vật liệu. Dầm T ngược phù hợp tối ưu cho nhịp 30m-35m trở lại ( Thực ra dầm T ngược, sau khi đổ liên kết mặt cầu cũng làm việc như một dầm bản rỗng toàn khối). Dầm Super Tee và chữ Pi lý tưởng cho nhịp lớn, trong khi dầm I kém cạnh tranh ở nhịp 40m do tải trọng bản thân lớn và chiều kiến trúc dầm cũng lớn.

Khuyến nghị: 

Tác giả đề xuất khi so sánh phương án phải tính đủ các nhịp khác nhau, cả nhịp ngắn và nhịp dài với tổng chi phí cả phần trên và dưới. Khi khối lượng cầu cạn lớn, cần xem xét kỹ giải pháp sử dụng dầm bản rỗng sản xuất quy mô công nghiệp cho nhịp tối ưu 20m-24m hoặc T ngược cho cầu cao tốc 4 làn nhịp 30-35m, kết hợp sử dụng bê tông C60 và tối ưu hóa bố trí cáp dự ứng lực để đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế. 

Đây không chỉ là lựa chọn kỹ thuật tối ưu mà còn là giải pháp thực tiễn đã được chứng minh qua các dự án tại Việt Nam và quốc tế.

-Mai Triệu Quang-