Trong lĩnh vực kỹ thuật cầu đường, việc lựa chọn sơ đồ kết cấu nhịp là quyết định quan trọng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí, biện pháp thi công, tính thẩm mỹ và tuổi thọ công trình. Hai dạng mặt cắt ngang phổ biến nhất hiện nay cho kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCT DƯL) và cầu thép là dầm tiết diện chữ I (I-Girder) và dầm tiết diện hộp (Box Girder).
Mỗi loại tiết diện đều sở hữu những đặc tính cơ học riêng biệt, phù hợp với các dải nhịp và điều kiện địa hình khác nhau. Nếu dầm I được xem là giải pháp kinh điển cho các nhịp ngắn và trung bình nhờ tính đơn giản, thì dầm hộp lại là biểu tượng của các công trình khẩu độ lớn với khả năng chịu xoắn vượt trội và tính thẩm mỹ cao. Tại Việt Nam, sự hiện diện của hai loại dầm này trải dài từ các cây cầu vượt nội đô đến những công trình vượt sông hùng vĩ như cầu Bãi Cháy hay cầu Rồng.
Bài viết chuyên đề này của Cauduong.net sẽ đi sâu phân tích, so sánh hai loại kết cấu này dưới góc độ kỹ thuật chuyên sâu, từ cơ chế chịu lực, quy trình thi công đến bài toán kinh tế. Mục tiêu là cung cấp một góc nhìn chuẩn xác, dựa trên dữ liệu và tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành (TCVN, AASHTO), giúp các kỹ sư và nhà quản lý có cơ sở vững chắc trong việc lựa chọn giải pháp tối ưu.
Chúng tôi cam kết toàn bộ nội dung phân tích dưới đây được xây dựng dựa trên nguyên lý cơ kết cấu công trình, các tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ Việt Nam và kinh nghiệm thực tế từ các dự án trọng điểm.
Khái niệm và Đặc điểm hình học của Dầm I và Dầm Hộp
1. Dầm tiết diện chữ I (I-Girder)
Dầm chữ I (hay dầm chữ T trong một số biến thể khi bản mặt cầu đóng vai trò cánh trên) là loại dầm có tiết diện hở. Cấu tạo cơ bản gồm ba phần chính: cánh trên (top flange), cánh dưới (bottom flange) và sườn dầm (web). Nguyên lý cơ bản của dầm I là tập trung vật liệu ra xa trục trung hòa để tăng mô men quán tính, giúp dầm chịu uốn tốt trong khi giảm thiểu trọng lượng bản thân.
Trong thực tế xây dựng cầu tại Việt Nam, các biến thể phổ biến của dầm I bao gồm dầm I bê tông cốt thép dự ứng lực căng trước (thường gặp ở các nhịp 24m, 33m) và dầm thép chữ I tổ hợp hàn. Một dạng cải tiến lai giữa dầm I và dầm hộp hở là dầm Super-T, tuy nhiên về bản chất chịu lực cơ bản, nó vẫn mang nhiều đặc tính của tiết diện hở.
Đặc điểm nhận dạng dễ thấy nhất của cầu dầm I là hệ dầm chủ nằm tách biệt, bên trên là bản mặt cầu bê tông cốt thép đổ tại chỗ liên kết các dầm lại với nhau thông qua dầm ngang và cốt thép bản mặt cầu.
2. Dầm tiết diện Hộp (Box Girder)
Dầm hộp là loại dầm có tiết diện kín (hoặc gần kín), bao gồm bản nắp (top slab), bản đáy (bottom slab) và các vách đứng (webs). Dầm hộp có thể có một hoặc nhiều vách ngăn (multi-cell box girder) tùy thuộc vào bề rộng mặt cầu. Không gian bên trong dầm hộp rỗng, giúp giảm đáng kể trọng lượng bản thân so với tiết diện đặc, đồng thời tận dụng triệt để vật liệu ở vùng chịu nén và chịu kéo.
Dầm hộp có thể được chế tạo từ bê tông cốt thép (thường thi công đúc hẫng hoặc đúc đẩy), thép (dầm hộp thép cho cầu dây văng, cầu treo) hoặc kết cấu liên hợp thép – bê tông. Đặc trưng lớn nhất của dầm hộp là hình dáng khí động học trơn tru và khả năng giấu kín các hệ thống kỹ thuật (ống nước, cáp điện) bên trong lòng hộp.
Phân tích so sánh về Khả năng chịu lực và Cơ kết cấu
1. Khả năng chịu Uốn (Bending Moment)
Cả dầm I và dầm hộp đều được thiết kế tối ưu cho khả năng chịu uốn theo phương dọc cầu. Bằng cách bố trí phần lớn diện tích tiết diện ở cánh trên và cánh dưới (đối với dầm I) hoặc bản nắp và bản đáy (đối với dầm hộp), cả hai loại dầm đều đạt được mô men kháng uốn lớn.
Tuy nhiên, dầm hộp có ưu thế hơn ở các nhịp lớn. Khi chiều dài nhịp tăng lên, chiều cao dầm phải tăng theo. Ở dầm hộp, bản đáy rộng tham gia chịu nén (ở khu vực mô men âm trên trụ) hiệu quả hơn nhiều so với cánh dưới nhỏ hẹp của dầm I. Do đó, dầm hộp thường được ưu tiên cho các sơ đồ cầu liên tục có khẩu độ nhịp từ 40m trở lên, nơi mà biểu đồ bao mô men thay đổi phức tạp và giá trị mô men âm tại đỉnh trụ rất lớn.
2. Khả năng chịu Xoắn (Torsional Stiffness) — Điểm khác biệt cốt lõi
Đây là yếu tố phân định rõ rệt nhất giữa hai loại kết cấu. Dầm I là tiết diện hở, do đó độ cứng chống xoắn rất thấp (chủ yếu là xoắn Saint-Venant và xoắn vênh). Khi chịu tải trọng lệch tâm (xe chạy ở làn biên, gió bão), dầm I dễ bị mất ổn định nếu không có hệ dầm ngang (diaphragm) dày đặc liên kết.
Ngược lại, dầm hộp là tiết diện kín, có độ cứng chống xoắn cực lớn (thường gấp hàng trăm lần so với tiết diện hở cùng diện tích). Dòng ứng suất trượt do xoắn chạy vòng quanh chu vi tiết diện kín tạo ra khả năng kháng xoắn tuyệt vời. Chính vì đặc tính này, dầm hộp là lựa chọn bắt buộc cho các cầu cong (curved bridges), cầu có trụ đặt lệch tâm, hoặc cầu dây văng/dây võng nơi mà độ ổn định khí động học là sống còn.
3. Ổn định khí động học (Aerodynamic Stability)
Đối với các cầu có khẩu độ lớn hoặc nằm trong vùng gió bão, hình dáng tiết diện ảnh hưởng lớn đến lực cản gió. Dầm I với cấu trúc lồi lõm tạo ra hệ số cản khí động học (Cd) lớn, dễ gây ra các dao động xoáy.
Dầm hộp, đặc biệt là các dầm có vách nghiêng hoặc được bo tròn góc, có hệ số cản gió thấp hơn nhiều. Điều này cực kỳ quan trọng đối với cầu vượt biển hoặc cầu dây văng nhịp lớn, giúp giảm tải trọng gió ngang tác dụng lên trụ và móng, đồng thời hạn chế các hiện tượng mất ổn định khí động học như dao động uốn – xoắn (flutter).
Công nghệ Thi công và Lắp dựng
1. Thi công Dầm I
Phương pháp thi công chủ đạo của cầu dầm I là Lắp ghép (Precast Beam Erection). Dầm được đúc sẵn tại bãi đúc hoặc nhà máy, sau đó vận chuyển đến công trường và dùng cần cẩu hoặc xe lao dầm (launcher) để gác lên trụ.
Ưu điểm:
Quy trình kiểm soát chất lượng tại bãi đúc rất tốt. Tốc độ thi công nhanh do có thể đúc dầm song song với thi công móng trụ. Biện pháp lao lắp tương đối đơn giản với các nhịp dưới 40m.
Hạn chế:
Bị giới hạn bởi khả năng vận chuyển. Việc vận chuyển một phiến dầm I dài 40m, nặng cả trăm tấn trên đường bộ là một thách thức lớn về logistics. Ngoài ra, tại các vị trí giao cắt phức tạp hoặc trên cao, việc huy động cẩu sức nâng lớn là rất tốn kém và khó khăn về mặt bằng.
2. Thi công Dầm Hộp
Dầm hộp linh hoạt hơn nhiều về phương pháp thi công. Các công nghệ phổ biến bao gồm:
- Đúc hẫng cân bằng (Balanced Cantilever): Phổ biến nhất cho cầu vượt sông khẩu độ lớn (như cầu Rạch Miễu, cầu Mỹ Thuận 2). Thi công từ trụ ra hai bên, không cần đà giáo dưới sông.
- Đúc đẩy (Incremental Launching): Dầm được đúc từng đốt sau mố và đẩy dần ra. Thích hợp cho cầu vượt qua địa hình hiểm trở hoặc đường cao tốc đang hoạt động bên dưới.
- Đà giáo di động (MSS – Movable Scaffolding System): Dùng hệ đà giáo khổng lồ di chuyển trên đỉnh trụ để đổ bê tông nguyên nhịp.
- Lắp ghép phân đoạn (Segmental): Đúc các đốt dầm hộp ngắn (2-3m) tại nhà máy, chở ra công trường và căng cáp dự ứng lực để nối lại.
Sự đa dạng này cho phép dầm hộp thích nghi với hầu hết mọi địa hình, từ vượt sông, vượt biển đến cầu cạn nội đô (nơi không thể chặn đường để lao dầm I).
Phân tích Hiệu quả Kinh tế và Bảo trì
1. Chi phí đầu tư ban đầu
Đối với các nhịp ngắn và trung bình (dưới 30-40m), dầm I thường kinh tế hơn. Lý do là ván khuôn dầm I đơn giản, dễ chế tạo hàng loạt, lượng vật liệu tiêu hao ít hơn cho các nhịp ngắn và không yêu cầu thiết bị thi công quá phức tạp.
Tuy nhiên, khi vượt qua khẩu độ 45-50m, dầm hộp bắt đầu chiếm ưu thế về kinh tế. Lúc này, dầm I trở nên quá nặng nề, kém ổn định và tốn kém vật liệu để đảm bảo độ cứng. Dầm hộp dù có chi phí ván khuôn cao (đặc biệt là ván khuôn trong lòng hộp), nhưng lại tiết kiệm vật liệu bê tông và thép cho nhịp lớn, đồng thời giảm số lượng trụ cầu cần thiết.
2. Bảo trì và Tuổi thọ công trình
Về bảo trì: Dầm hộp có lợi thế vượt trội nhờ bề mặt phẳng, ít góc cạnh, ít tích tụ bụi bẩn và nước đọng, do đó giảm thiểu rủi ro ăn mòn cốt thép. Không gian rỗng bên trong dầm hộp cho phép kỹ sư đi vào để kiểm tra, bảo dưỡng cáp dự ứng lực và bê tông từ bên trong mà không cần xe thang kiểm tra cầu chuyên dụng (như phải dùng cho dầm I).
Về thẩm mỹ và môi trường: Dầm hộp cho phép giấu các đường ống cấp nước, cáp viễn thông, cáp điện vào trong lòng dầm, tạo cảnh quan sạch đẹp cho đô thị. Ngược lại, cầu dầm I thường phải treo các hệ thống này bên ngoài hoặc giữa các dầm, gây mất mỹ quan và khó bảo trì các đường ống này.
Bảng Tổng Hợp So Sánh Thông Số Kỹ Thuật
| Tiêu chí so sánh | Dầm chữ I (I-Girder) | Dầm Hộp (Box Girder) |
|---|---|---|
| Tiết diện | Hở (Open Section) | Kín (Closed Section) |
| Độ cứng chống xoắn | Thấp (Kém ổn định khi chịu tải lệch tâm) | Rất cao (Tuyệt vời cho cầu cong) |
| Khẩu độ nhịp điển hình | Phổ biến 20m – 40m (Có thể lên 50m với Super-T) | Phổ biến 40m – 150m+ (Cầu dây văng lên đến hàng trăm mét) |
| Hiệu quả vật liệu | Tốt cho nhịp ngắn, tốn ván khuôn ít | Tốt cho nhịp dài, tận dụng tối đa vùng chịu nén/kéo |
| Công nghệ thi công | Chủ yếu là Lắp ghép (Cẩu, xe lao) | Đa dạng: Đúc hẫng, Đúc đẩy, MSS, Lắp ghép phân đoạn |
| Thẩm mỹ | Công nghiệp, lộ dầm, nhiều góc cạnh | Hiện đại, trơn tru, thanh mảnh |
| Bảo trì & Kiểm tra | Khó vệ sinh, cần xe thang kiểm tra dưới gầm | Dễ vệ sinh mặt ngoài, có thể kiểm tra từ trong lòng hộp |
| Chi phí | Rẻ hơn cho nhịp < 40m | Cạnh tranh và rẻ hơn cho nhịp > 50m |
Tiêu chuẩn thiết kế và Ứng dụng thực tế tại Việt Nam
1. Tiêu chuẩn áp dụng
Tại Việt Nam, việc thiết kế dầm I và dầm hộp đều tuân thủ theo tiêu chuẩn TCVN 11823:2017 “Thiết kế cầu đường bộ” (được biên soạn dựa trên AASHTO LRFD). Các quy định về hệ số phân bố ngang, kiểm toán sức kháng cắt và xoắn trong tiêu chuẩn này đã chỉ rõ sự khác biệt trong phương pháp tính toán giữa tiết diện hở và tiết diện kín.
Ví dụ, khi tính toán dầm hộp, kỹ sư phải đặc biệt lưu ý đến hiệu ứng shear lag (trễ ngẫu lực cắt) khiến ứng suất pháp phân bố không đều trên bề rộng bản cánh, điều ít nghiêm trọng hơn ở dầm I thông thường.
2. Các dự án điển hình
Ứng dụng Dầm I:
Hầu hết các cầu trên tuyến đường cao tốc Bắc – Nam giai đoạn 1 và 2 đều sử dụng dầm Super-T (một dạng dầm I cải tiến) cho các nhịp dẫn 38-40m. Các cầu vượt nhẹ trong nội đô Hà Nội và TP.HCM cũng sử dụng dầm thép chữ I hoặc dầm I bê tông cốt thép vì thi công nhanh, ít ảnh hưởng giao thông.
Ứng dụng Dầm Hộp:
Dầm hộp là “vua” của các cây cầu biểu tượng.
– Cầu Bãi Cháy (Quảng Ninh): Cầu dây văng một mặt phẳng dây với dầm hộp bê tông cốt thép dự ứng lực khẩu độ nhịp chính 435m – kỷ lục thế giới tại thời điểm khánh thành.
– Cầu Vĩnh Tuy, Cầu Thanh Trì (Hà Nội): Sử dụng kết cấu dầm hộp bê tông cốt thép thi công theo công nghệ đúc hẫng cân bằng và đà giáo di động MSS.
– Tuyến Metro số 1 (Bến Thành – Suối Tiên): Sử dụng dầm hộp chữ U (một biến thể của dầm hộp hở) và dầm hộp kín lắp ghép phân đoạn (segmental) để đảm bảo mỹ quan và chống ồn.
Kết luận
Sự lựa chọn giữa dầm I và dầm hộp không đơn thuần là bài toán “cái nào tốt hơn”, mà là “cái nào phù hợp hơn”. Dầm I vẫn giữ vững vị thế là giải pháp kinh tế, hiệu quả và tốc độ cho các cây cầu dẫn, cầu vượt khẩu độ vừa phải. Trong khi đó, dầm hộp là lời giải kỹ thuật hoàn hảo cho các thách thức về vượt nhịp lớn, cầu cong, yêu cầu thẩm mỹ cao và sự bền vững trong môi trường khắc nghiệt.
Đối với các kỹ sư thiết kế và chủ đầu tư, việc thấu hiểu tường tận đặc tính cơ học, biện pháp thi công và chi phí vòng đời (Life-cycle cost) của hai loại kết cấu này là chìa khóa để kiến tạo nên những công trình giao thông không chỉ bền vững mà còn là những tác phẩm kiến trúc đẹp mắt. Trong tương lai, xu hướng sử dụng bê tông cường độ siêu cao (UHPC) có thể sẽ làm mỏng hơn nữa các thành vách dầm hộp, mở ra những kỷ lục nhịp mới mà dầm I khó lòng vươn tới.
