Trong dòng chảy mãnh liệt của ngành xây dựng hạ tầng giao thông hiện đại, cầu không chỉ đơn thuần là những nhịp nối đôi bờ mà còn là minh chứng cho sự tiến bộ vượt bậc của khoa học kỹ thuật. Giai đoạn thi công kết cấu nhịp, đặc biệt là công tác lao lắp dầm, luôn được coi là linh hồn và cũng là thách thức lớn nhất đối với mỗi kỹ sư cầu đường. Đây là thời điểm mà các tính toán lý thuyết trên bản vẽ được hiện thực hóa bằng hàng nghìn tấn bê tông và thép, đòi hỏi sự chính xác tuyệt đối đến từng milimet để đảm bảo an toàn toàn diện cho công trình.
Việc lựa chọn loại dầm – từ dầm I truyền thống, dầm Super-T tối ưu hóa cho đến dầm hộp chịu xoắn siêu hạng – không chỉ phụ thuộc vào khẩu độ nhịp hay điều kiện địa chất mà còn gắn liền với công nghệ lao lắp khả thi tại hiện trường. Mỗi loại dầm mang trong mình một đặc tính cơ học riêng biệt, đòi hỏi những thiết bị nâng hạ chuyên dụng và các biện pháp kỹ thuật đặc thù. Sự sai lệch trong quá trình cẩu lắp hoặc không kiểm soát tốt nội lực phát sinh trong quá trình lao dầm có thể dẫn đến những rủi ro thảm khốc về cấu trúc và tính mạng.
Tại Việt Nam, với địa hình sông ngòi chằng chịt và mạng lưới cao tốc đang phát triển thần tốc, các tiêu chuẩn như TCVN 11823:2017 hay AASHTO LRFD đã trở thành kim chỉ nam cho các giải pháp thi công dầm. Bài viết này, dưới góc nhìn chuyên sâu của Cauduong.net, sẽ bóc tách mọi khía cạnh từ cấu tạo chi tiết đến các biện pháp thi công lao lắp dầm Super-T, dầm I và dầm hộp, giúp độc giả có cái nhìn toàn diện và chuyên nghiệp nhất về mảng kiến thức quan trọng này.
Chúng tôi cam kết cung cấp những dữ liệu kỹ thuật chuẩn xác, được đúc kết từ thực tiễn các đại dự án và các tài liệu chuyên ngành uy tín nhất hiện nay. Từ nguyên lý chịu lực trong quá trình nâng hạ đến các sự cố thường gặp và cách khắc phục, tất cả sẽ được trình bày một cách khoa học để phục vụ cả mục đích nghiên cứu lẫn ứng dụng thực tiễn trong thi công.
Khái niệm và vai trò của dầm trong kết cấu nhịp cầu
Dầm cầu là bộ phận kết cấu chịu lực chính của phần thượng tầng, có nhiệm vụ tiếp nhận tải trọng từ bản mặt cầu và xe cộ truyền xuống, sau đó truyền qua hệ thống gối cầu đến trụ và móng. Trong cơ học kết cấu, dầm chủ yếu chịu uốn và cắt, đồng thời phải đối mặt với các hiện tượng xoắn và dao động dưới tác động của tải trọng động.
Tầm quan trọng của dầm không chỉ nằm ở khả năng chịu tải mà còn quyết định đến tính thẩm mỹ và kinh tế của toàn bộ dự án. Việc sử dụng các loại dầm bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCT DƯL) cho phép vượt nhịp lớn hơn, giảm số lượng trụ, từ đó khơi thông dòng chảy (đối với cầu qua sông) hoặc giảm thiểu giải phóng mặt bằng (đối với cầu cạn). Công nghệ lao lắp dầm đóng vai trò là nhịp cầu nối giữa khâu sản xuất tại bãi đúc và vị trí thiết kế cuối cùng, đòi hỏi sự phối hợp nhịp nhàng giữa cơ khí, thủy lực và trí tuệ của người kỹ sư.
Kỹ thuật và cấu tạo dầm Super-T
Đặc điểm cấu tạo và ưu thế kỹ thuật
Dầm Super-T là loại dầm bê tông dự ứng lực có mặt cắt ngang hình chữ T ngược cải tiến với phần bầu dầm rộng và cánh dầm mỏng dần về phía trên. Được phát triển mạnh mẽ tại Úc và áp dụng rộng rãi tại Việt Nam trong các dự án cao tốc, dầm Super-T sở hữu những đặc tính ưu việt về khả năng chịu lực và tính thẩm mỹ. Chiều cao dầm thường dao động từ $1.0m$ đến $1.75m$, phù hợp cho các nhịp từ $25m$ đến $40m$.
Về mặt kỹ thuật, dầm Super-T tận dụng tối đa diện tích bê tông vùng nén thông qua bản mặt cầu đổ tại chỗ sau khi lắp ghép, tạo thành một hệ dầm hộp kín cục bộ. Điều này giúp tăng đáng kể độ cứng chống xoắn so với dầm I truyền thống. Các bó cáp dự ứng lực thường được bố trí tập trung ở phần bầu dầm (đáy dầm) để tạo ra lực nén trước tối ưu, giúp dầm không bị nứt dưới tác động của tải trọng khai thác. Việc sử dụng bê tông cường độ cao (thường từ $C40$ đến $C60$) là yêu cầu bắt buộc để tối ưu hóa trọng lượng bản thân của dầm.
Quy trình lao lắp dầm Super-T bằng giá long môn
Phương pháp phổ biến nhất để lắp đặt dầm Super-T tại Việt Nam là sử dụng giá long môn (Launching Gantry) hoặc cẩu chuyên dụng sức nâng lớn. Quy trình bắt đầu từ việc vận chuyển dầm từ bãi đúc bằng xe rơ-moóc chuyên dụng dọc theo tuyến đường dẫn hoặc trên chính các nhịp cầu đã hoàn thiện trước đó.
Khi dầm đến vị trí lắp đặt, giá long môn sẽ tiến hành nhấc dầm lên thông qua hệ thống tời nâng và xe con. Điểm quan trọng nhất trong bước này là việc xác định vị trí các điểm nâng (lifting points). Theo tiêu chuẩn, vị trí điểm nâng phải được tính toán sao cho ứng suất kéo trong bê tông tại thớ trên không vượt quá giới hạn cho phép để tránh nứt dầm do trọng lượng bản thân khi ở trạng thái treo. Sau khi dầm được nâng lên cao, giá long môn sẽ di chuyển dọc và ngang để đưa dầm vào vị trí gối cầu đã được định vị sẵn. Việc hạ dầm phải được thực hiện từ từ, kiểm soát bởi hệ thống thủy lực để đảm bảo gối cầu không bị xê dịch hoặc hư hại.
Kỹ thuật và cấu tạo dầm I (AASHTO)
Phân loại và đặc tính hình học
Dầm I (thường gọi là dầm AASHTO) là loại dầm kinh điển nhất trong ngành cầu. Chúng được chia thành các loại từ Type I đến Type VI tùy theo chiều cao và khẩu độ nhịp. Hình dạng chữ I giúp tối ưu hóa mô-men kháng uốn bằng cách tập trung vật liệu ở hai cánh (vùng chịu nén và chịu kéo cực hạn) và giảm bớt vật liệu ở phần bụng (vùng chịu cắt).
Mặc dù dầm I có độ cứng chống xoắn thấp hơn dầm hộp hay Super-T, nhưng ưu điểm của nó là quy trình chế tạo đơn giản, ván khuôn dễ lắp dựng và chi phí sản xuất thấp. Dầm I thường được liên kết với nhau thông qua các dầm ngang (diaphragms) tại các vị trí đầu dầm và giữa nhịp để tăng cường tính ổn định tổng thể và phân phối tải trọng ngang. Trong các nhịp cầu ngắn và trung bình ($18m – 33m$), dầm I vẫn là lựa chọn hàng đầu về mặt kinh tế.
Phương pháp lắp đặt bằng hai cẩu đồng thời
Đối với các cầu cạn có chiều cao thấp hoặc các cầu qua sông có thể bố trí sà lan, kỹ thuật lắp dầm I bằng hai cẩu (dual crane lifting) rất phổ biến. Đây là kỹ thuật đòi hỏi sự phối hợp hiệp đồng cực cao giữa hai tài xế cẩu dưới sự chỉ huy của một người điều phối duy nhất. Hai xe cẩu sẽ đứng ở hai đầu nhịp hoặc trên sà lan, cùng nâng dầm I lên đồng thời.
Thách thức lớn nhất khi lắp dầm I là hiện tượng mất ổn định lật (lateral instability). Do dầm I có chiều cao lớn nhưng bề rộng cánh dầm hẹp, dầm rất dễ bị nghiêng lật trong quá trình nâng hạ nếu dây cáp không vuông góc hoặc có tác động của gió lớn. Do đó, các kỹ sư thường phải sử dụng các thanh giằng tạm thời hoặc hệ khung giữ dầm ngay khi vừa đặt dầm xuống gối. Chỉ sau khi các dầm ngang được đổ bê tông hoặc hàn liên kết, hệ thống mới thực sự ổn định.
Kỹ thuật và cấu tạo dầm hộp (Box Girder)
Cấu tạo phức tạp và khả năng chịu lực vượt trội
Dầm hộp là đỉnh cao của kết cấu nhịp cầu về khả năng chịu lực. Với mặt cắt ngang khép kín, dầm hộp có độ cứng chống xoắn cực lớn, cho phép thiết kế các cầu có bán kính cong nhỏ hoặc nhịp siêu dài. Dầm hộp có thể là dầm đúc sẵn (segmental) hoặc đúc tại chỗ hoàn toàn.
Bên trong lòng dầm hộp thường rỗng, giúp giảm trọng lượng nhưng vẫn duy trì được diện tích bề mặt lớn để bố trí các bó cáp dự ứng lực chạy dọc theo cả thớ trên và thớ dưới. Điều này cực kỳ quan trọng trong công nghệ đúc hẫng cân bằng, nơi mô-men uốn thay đổi dấu liên tục từ dương sang âm tại vị trí trên đỉnh trụ. Các vách ngăn bên trong dầm hộp được bố trí tại các vị trí chịu lực tập trung như gối cầu để truyền lực một cách an toàn nhất.
Công nghệ thi công đúc hẫng và lắp ghép phân đoạn
Với dầm hộp, phương pháp thi công thường thấy nhất là đúc hẫng cân bằng (Balanced Cantilever Method). Quy trình bắt đầu từ khối đỉnh trụ (khối K0). Sau đó, các xe treo (form travelers) sẽ di chuyển ra hai phía để đúc các đốt dầm tiếp theo (K1, K2…). Lực dự ứng lực sẽ được căng kéo ngay sau khi bê tông mỗi đốt đạt cường độ, giúp “treo” đốt dầm đó vào phần đã thi công trước đó.
Một phương pháp khác là lắp ghép phân đoạn (Segmental Launching) bằng giá lao chuyên dụng (Overhead Launching Gantry). Các đốt dầm hộp đúc sẵn tại nhà máy được vận chuyển đến hiện trường, nâng lên và ghép nối với nhau bằng keo epoxy và cáp dự ứng lực xuyên suốt toàn bộ nhịp. Phương pháp này giúp kiểm soát chất lượng bê tông cực tốt và đẩy nhanh tiến độ thi công so với đúc tại chỗ, rất phù hợp cho các dự án đường sắt đô thị hoặc cao tốc trên cao dài hàng chục km.
So sánh các giải pháp dầm cầu
Để có cái nhìn tổng quan, dưới đây là bảng so sánh các đặc tính kỹ thuật cơ bản giữa ba loại dầm này:
| Đặc tính | Dầm I | Dầm Super-T | Dầm Hộp |
|---|---|---|---|
| Khẩu độ nhịp tối ưu | 18m – 33m | 25m – 40m | 40m – 150m+ |
| Độ cứng chống xoắn | Thấp | Trung bình – Cao | Rất cao |
| Chiều cao kiến trúc | Lớn | Trung bình | Thấp (tính trên tỷ lệ nhịp) |
| Độ phức tạp thi công | Thấp | Trung bình | Cao |
| Chi phí đơn vị | Thấp nhất | Trung bình | Cao nhất |
Nguyên lý cơ học trong quá trình lao lắp dầm
Khi một cây dầm được nhấc rời khỏi mặt đất, sơ đồ tính toán cơ học của nó thay đổi hoàn toàn so với trạng thái khai thác. Trong trạng thái tĩnh trên gối, dầm chịu uốn với thớ dưới chịu kéo và thớ trên chịu nén. Tuy nhiên, trong quá trình lao lắp, nếu các điểm treo không được tính toán kỹ, có thể xảy ra hiện tượng đảo ngược nội lực.
Công thức tính toán ứng suất tại các điểm treo cơ bản dựa trên nguyên lý lực quán tính và hệ số xung kích. Gọi $P$ là trọng lượng dầm, $k$ là hệ số xung kích (thường lấy $1.1$ đến $1.3$ tùy thiết bị nâng), lực tác động thực tế là $F = k \cdot P$. Vị trí điểm treo $a$ tính từ đầu dầm phải đảm bảo mô-men âm tại điểm treo không gây nứt bê tông:$$\sigma_{top} = \dfrac{M_{cantilever}}{W_{top}} \le f_{ct,eff}$$ . Trong đó $f_{ct,eff}$ là cường độ chịu kéo hữu hiệu của bê tông tại thời điểm lao lắp. Nếu ứng suất này vượt ngưỡng, dầm sẽ xuất hiện các vết nứt chân chim ở mặt trên, làm giảm tuổi thọ công trình nghiêm trọng.
Ngoài ra, vấn đề ổn định lật ngang đối với dầm I và Super-T là tối quan trọng. Trọng tâm của dầm phải luôn nằm dưới điểm treo. Nếu dây cáp treo bị lệch một góc $\theta$, mô-men gây lật sẽ xuất hiện. Sai số cho phép về độ lệch tâm thường chỉ trong khoảng $\pm 10-20mm$. Việc kiểm soát này hiện nay thường được hỗ trợ bởi các cảm biến độ nghiêng kỹ thuật số gắn trực tiếp trên dầm trong quá trình cẩu lắp.
Các tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng (Reference Standards)
Mọi quy trình thi công lao lắp dầm tại Việt Nam phải tuân thủ nghiêm ngặt các bộ tiêu chuẩn sau:
- TCVN 11823:2017: Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ (thay thế TCVN 272-05), quy định về tải trọng và các trạng thái giới hạn.
- TCVN 9115:2012: Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép đúc sẵn – Quy phạm thi công và nghiệm thu.
- AASHTO LRFD Bridge Construction Specifications: Tiêu chuẩn của Mỹ về thi công cầu, đặc biệt quan trọng cho các dự án có vốn đầu tư nước ngoài hoặc yêu cầu kỹ thuật cao.
- TCVN 4453:1995: Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép toàn khối – Quy phạm thi công và nghiệm thu.
Các tiêu chuẩn này quy định rõ về cường độ bê tông tối thiểu để được phép nhấc dầm (thường là 80% cường độ thiết kế), các yêu cầu về thiết bị nâng hạ (phải có kiểm định còn hiệu lực), và quy trình thử tải trước khi tiến hành lao lắp chính thức.
Sự cố thường gặp và biện pháp phòng ngừa
1. Nứt dầm do ứng suất nhiệt và dự ứng lực
Trong quá trình đúc dầm tại bãi, nếu việc bảo dưỡng không tốt hoặc căng kéo cáp quá sớm khi bê tông chưa đạt cường độ, dầm có thể bị nứt. Khi lao lắp, các vết nứt này sẽ mở rộng dưới tác động của lực động. Biện pháp: Kiểm soát chặt chẽ biểu đồ nhiệt khi đúc và chỉ cho phép lao lắp khi có kết quả nén mẫu bê tông đạt chuẩn.
2. Lún sụt chân giá long môn hoặc xe cẩu
Đây là sự cố cực kỳ nguy hiểm có thể dẫn đến đổ cẩu hoặc rơi dầm. Nguyên nhân thường do nền đất tại vị trí đứng cẩu không được gia cố đúng kỹ thuật. Biện pháp: Phải có hồ sơ khảo sát địa chất vị trí đứng cẩu, sử dụng tấm lót thép chuyên dụng và tính toán áp lực mặt đất không vượt quá sức chịu tải của nền.
3. Đứt cáp cẩu hoặc hỏng hệ thống thủy lực
Sự cố thiết bị thường đến từ việc thiếu bảo trì. Biện pháp: Kiểm tra cáp thép (số sợi đứt, độ mòn), kiểm tra van an toàn thủy lực trước mỗi ca làm việc. Luôn có phương án hạ dầm khẩn cấp nếu hệ thống gặp sự cố giữa chừng.
Kết luận
Kỹ thuật lao lắp dầm Super-T, dầm I và dầm hộp là một bài toán tổng hòa giữa trí tuệ kỹ thuật và kỷ luật thi công. Việc hiểu rõ cấu tạo đặc thù và nguyên lý chịu lực của từng loại dầm giúp người kỹ sư không chỉ tối ưu hóa được tiến độ mà còn đảm bảo tuyệt đối an toàn cho công trình. Sự chuyển dịch từ những phương pháp thủ công sang các công nghệ lao lắp hiện đại như giá long môn điều khiển kỹ thuật số hay công nghệ đúc hẫng cân bằng đã nâng tầm hạ tầng giao thông Việt Nam trên bản đồ thế giới.
Trong tương lai, với sự hỗ trợ của BIM (Building Information Modeling) và các thiết bị cảm biến IoT, việc quản lý và thực thi lao lắp dầm sẽ trở nên chính xác và minh bạch hơn bao giờ hết. Cauduong.net tin rằng, mỗi nhịp dầm được lắp đặt thành công không chỉ là một cột mốc kỹ thuật mà còn là lời cam kết về sự bền vững cho những thế hệ mai sau.
