VIỆN NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN GIAO THÔNG
BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CẦU TOÀN KHỐI CNĐT: NGUYỄN PHÚC TRÍ
8127 HÀ NỘI – 2010


……………………………………………………….

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 không 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 quát tình hình của Wasserman (2005)

…………………………………………………

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

………………………………………………………

1-35

Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần 1. Nghiên cứu tổng quát về Cầu toàn khối

Chủ nhiệm đề tài:
Gs-Ts. Nguyễn Phúc Trí

Hà Nội tháng 05 – 2010
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



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 tông
………………………………………

2-3

2.3.1.1 Co ngót
………………………………………………………………

2-3

2.3.1.2 Từ biến
………………………………………………………………

……………………

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


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
………………………………………

3.2.2.1 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


3.2.3.3 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

Đề tài mã số DT094035 “Nghiên cứu Cầu toàn khối” – Phần 1. Nghiên cứu tổng quát về Cầu toàn khối

Chủ nhiệm đề tài:
Gs-Ts. Nguyễn Phúc Trí

Hà Nội tháng 05 – 2010
3.2.6 Cầu chéo và cầu cong
………………………………………………….

3-16

3.2.6.1 Cơ chế hoạt động
…………………………………………………

3-17


3.2.7.5 Mái dốc trước mố và tường đất có cốt
………………………………

3-27

3.2.8 Vấn đề thi công
……………………………………………………

3-29

3.3. Các đặc thù của Việt Nam cần xem xét
………………………………

3-29

3.3.1 Nhiệt độ tính toán 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

…………………………………………………………………

4-1

4.2.2 Một vài dạng mô hình
…………………………………………………….

4-2

4.2.3 Một mô hình quy mô nghiên cứu sâu về loại CTK có dầm DUL
…………

4-5

4.2.4 Mô 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. Mô hình hóa mối tương tác đất/cọc bằng phần tử lò xo Winkler
………

4-10

4.2.4.3 Sơ đồ biểu thị sự làm việc của phần tử lò xo

4.2.5 Tính tải trọng tác động
………………………………………………

4-14

4.2.5.1 Khái quát
……………………………………………………………

4-14

4.2.5.2 Những tính toán 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


4.3.2.3 Mô hình đơn giản đáp ứng yêu 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 mô đuyn đàn hồi E
s
và áp lực cực hạn P
u
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)


Chủ nhiệm đề tài:
Gs-Ts. Nguyễn Phúc Trí 1-1

Hà Nội tháng 05 – 2010
Chương 1. Tình hình ứng dụng cầu toàn 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 không
DUL), dầm chữ T ghép nhiều phiến (đúc tại chỗ hoặc lắp ghép, có hoặc không DUL),
dầm I (đúc sẵn, có DUL, có liên hợp hoặc không 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 công 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 ngoài vào. Vì thế các mố ngoài 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 không 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

dầm giản đơn và đặc biệt các mố loại tường chắn đất to đồ sộ nhiều hàng cọc, có cả
cọc nghiêng. Loại cầu toàn khối cực kỳ hiệu quả này được xây dựng không khe co
giãn chính là loại cầu toàn 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 thông
thường hiện nay được dùng để chỉ loại cầu toàn khối “hiện đại”. Các từ: Cầu toàn
khối (Integral bridge), Cầu mố toàn khối (Integral abutment bridge), Cầu không
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 toàn khối gối kê (Bankseat integral bridge). Hình vẽ 1.1 Cầu toàn khối điển hình ở Bắc Mỹ

Loại cầu toàn 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 (không dưới 85% có chiều dài không quá 100m).
1.2. Đặc điểm cơ bản của Cầu toàn 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

cấu nhịp đều có thể giải quyết để không có khe co giãn.
Trong CBTK móng của mố/trụ có thể là móng nông hoặc có nhiều hàng cọc và có cả
cọc nghiêng như thông thường, trong khi mố CTK rất ít khi dùng móng nông và
thường chỉ có một hàng đơn toàn cọc thẳng đứng (so sánh 2 hình vẽ 1.2-2 và 1.2-3).

Hình vẽ 1.2-2 Mố CTK theo thiết kế của New York DoT (Hoa Kỳ) Nền đường
Bản gối *
Móng
Mố
Đất đắp
Bản lên cầu* Kết cấu phần trên
Phần cầu

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 công 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 muôn 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 không
có biến dạng. Các khe co giãn luôn là điểm gây nhiều rắc rối cho an toàn chạy
xe, nếu bị nứt gãy có thể gây ra tai nạn giao thông;
Xét về mặt cải thiện tính chịu lực, mố không 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 ngoài 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). Dầm thép

Hà Nội tháng 05 – 2010
Việc lọt nước qua khe co giãn là chuyện phổ biến. Theo Nhóm nghiên cứu phát
triển cầu bê tông 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 công trình của R. I. Lock [2].
Vasant C. Mistry, một chuyên 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 còn chịu lực thẳng đứng nên chỉ có cọc thẳng đứng. Không
có gối và tấm bịt khe co giãn. Thi công 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 không còn.
Khi xây dựng mố không cần vòng 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.
Không có cọc nghiêng, hạ cọc dễ dàng. Không 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

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 không chỉ ở Bắc Mỹ mà
còn 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 tông 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 thông bang Tennessee là nơi có chiến lược đòi hỏi tất cả các cầu xây dựng
mới phải thiết kế không 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
toàn khối bất kể điều kiện của móng mố (có nghĩa là ngay cả khi không 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;
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

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);
M
ố toàn khối (thiết kê)Không

Trên

S
ố l
ư
ợng cầu thiết kế sử dụng mố toàn khối (Khoảng)

Phần trăm thống kê
M
ố toàn khối (xây mới)

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

Chủ nhiệm đề tài:
Gs-Ts. Nguyễn Phúc Trí 1-8

Hà Nội tháng 05 – 2010
• 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 ngoài cọc đóng (H-pile và ống
thép), cọc ma sát và cọc mở rộng đáy còn dùng cọc khoan. 46% để cọc chịu

Chương 1, Tình hình ứng dụng CTK trên thế giới

Chủ nhiệm đề tài:
Gs-Ts. Nguyễn Phúc Trí 1-9

Hà Nội tháng 05 – 2010

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 hoàn toàn 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 không
còn đáp ứng yêu 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 thông 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 hoàn toàn không cần phải xét tới.
Các hình vẽ dưới đây là một số thí dụ hoán cải cầu cũ thành CTK.

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.
• Toàn 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. Loại bỏ khe & đổ
m
ới bản bê tông

Khe h
ở vốn cóĐể lại cốt
thép vốn có


Liên k
ết đúc
t
ại chỗ

L
ớp phủ
atxphan

L
ớp ngăn nước
C
ốt thép dầm

Bản hình hộp đúc
s
ẵn
đ
ặt liền kề

Tao thép DUL

G
ối cao su
Tim g
ối
Tim tr
ụ
Tim gối
Tim trụ


Hình vẽ 1.3-6 Hoán 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 quát 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

Tim gối
Tim gối
Tim gối
Tim gối
Không vẽ cốt
thép trong b
ản


L
ớp mặt miết
k
ỹ trên trải 2
l
ớp amiăng bọc
graphit

TRƯỚC SAU
TRƯỚC
SAU
Th
ềm
đư
ờng

N
ền đắp
th
ấm n
ư
ớc

Không vẽ cốt
thép trong b
ản

Mối nối
Mối nối
Thanh ch

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:
Dịch chuyển do ∆tº

(mm)
Lmax (m)
với cầu thép

Lmax (m)
với cầu bê tông

Độ chéo max

(độ)
Trung bình

49 83 118 28
Tối thiểu 13 24,4 18.3 0
Và trong thực tiễn đã xây dựng :
• CTK bê tông đúc sẵn dài nhất là 358m;
• CTK thép dài lớn nhất là 318m ;
• CTK bê tông đúc tại chỗ dài nhất là 290m ;
• 75% trong số các đơn vị trả lời phỏng vấn, nói chung không xét tới yếu tố co
ngót, chỉ xét tới co ngót với cầu có dầm bê tông DUL và độ co ngót là 200
microstrains;

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 công 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 mô hình tính toán,
thí nghiệm trong phòng 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 công trình nghiên
cứu khá qui mô, thí dụ như công trình của Jennie Road, thuộc Chương trình chuyển
giao công nghệ của Đại học Minnesota, công bố vào mùa thu 1999. Trên một chiếc
cầu 3 nhịp bê tông 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 môi trường lúc đo [26].
Thời gian sau các công trình theo dõi tại hiện trường được kết hợp với việc đối chiếu
với kết quả tính theo các mô 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. Mô hình kết cấu gồm
3 mức độ: mô hình cọc chịu lực ngang sử dụng phần mềm máy tính thương mại với
các gối lò xo để mô hình hóa tương tác đất/cọc, mô hình 2 chiều để mô hình hóa cầu

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 không quá 60m và chéo không quá 30 độ, nói chung là đầu tiên phải
xét tới phương án CTK [32].
Tuy nhiên cho đến năm 1996 ở nước này còn rất ít kinh nghiệm thực tiễn về thiết kế
và xây dựng CTK. Vì vậy Nhóm phát triển cầu bê tông, Bộ Công 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 quá trình
đó, trung tuần tháng 8/1997 Tổ công tác đã cử một đoàn khảo sát sang 5 bang tiêu
biểu và cơ quan thí nghiệm công 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 công 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 không 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
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

Chủ nhiệm đề tài:
Gs-Ts. Nguyễn Phúc Trí 1-15


ời gian

T
ỷ lệ toàn
kh
ối
trong kho
ảng
th
ời gianToàn khối
Bán toàn khối
Không toàn khối
Tỷ lệ toàn khối

Trước
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

Chủ nhiệm đề tài:
Gs-Ts. Nguyễn Phúc Trí 1-16

Hà Nội tháng 05 – 2010

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)
Hình vẽ 1.3-11 Cầu toàn khối với tường chắn đất có cốt bao quanh mố

Hình vẽ 1.3-12 Cầu toàn 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

Xà ngang đầu dầm
Gối tạm
Mũ cọc
Vỏ bao (nếu cần)
Cọc (BTCT hoặc thép chữ H)
Vỏ bao (nếu cần)
Khối chắn tại đầu

Tường đất có cốt
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

Chủ nhiệm đề tài:
Gs-Ts. Nguyễn Phúc Trí 1-18


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. Mô hình tính toàn số học
cũng cho các kết quả tương tự với sai số trong vòng 5%, chứng tỏ loại cọc này hoàn
toàn đạt yêu cầu đặt ra [36].

Hình vẽ 1.3-13 Mặt cắt ngang cọc X130-16mm