Cầu vòm là dạng kết cấu đã được xây dựng từ lâu, nhưng biện pháp thi công nặng nền và phải dùng dàn giáo chống đỡ rất phức tạp. Hiện nay với các công nghệ thi công hiện đại, cầu vòm đã được nghiên cứu và cải thiện để khắc phục những khuyết điểm trên, đặc biệt là tận dụng sự liên hợp làm việc giữa thép và bô tông. Trên thực tế có rất nhiều biện pháp gia công, trong bài báo này giới thiệu một số công nghệ chế tạo vòm và trọng tâm là công nghệ uốn nguội trên máy uốn 3 trục để chế tạo vòm.
1. Đặt vấn đề.
Cầu vòm là một trong những dạng cầu có những nét khá độc đáo và cóvẻ đẹp riêng. Từ xa xưa đã có những cầu vòm bằng đá, gạch xây, bằng bê tông với rất nhiều dạng khác nhau đã được nghiên cứu và xây dựng.
Ngày nay cầu vòm được cải thiện rất nhiều, những dạng cầu vòm hiện đại hơn, vượt nhịp lớn hơn đã và đang được xây dựng ở khắp nơi trên thế giới. Ở Thượng Hải – Trung Quốc đã khánh thành cầu vòm LUPU vượt nhịp 550m là cầu vòm dài nhất thế giới cho đến hiện nay.
Tại TP. HCM, chủ đầu tư Phú Mỹ Hưng đã chọn và xây dựng ba chiếc cầu vòm ống thép nhồi bê tông trên Đại lộ Nguyễn Văn Linh làm biểu tượng riêng cho khu đô thị mới Nam Sài Gòn.
Ngoài các cầu vòm đã xây dựng, hiện nay dự án nâng cấp và mở rộng đường Nam Kỳ Khởi Nghĩa - Nguyễn Văn Trỗi quận 3 – Quân Phú Nhuận TP. HCM, Chủ đầu tư là Khu quản lý giao thông đô thị số 1 - Sở GTCC TP. HCM cũng chọn kết cấu dạng vòm ống thép nhồi bê tông cho cầu Công lý. Sau khi hoàn thành sẽ góp phần tăng thêm vẻ đẹp và tạo nét riêng cho tuyến đường cũng như cả TP. HCM.
Hiện nay ở Việt Nam chưa có quy trình cụ thể, hướng dẫn gia công và chế tạo ống thép trong xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông. Do đó việc nghiên cứu về công nghệ chế tạo vòm này là rất thiết thực và cần thiết.
2. Phương pháp chế tạo vòm:
Trong nhiều dự án lớn người ta đã thi công bằng cách chia thép tấm ra thành từng đoạn ngắn và dùng máy uốn 3 trục để uốn cong theo như bán kính cong thiết kế. Thép tấm được chia thành từng đoạn ngắn theo chiều dài cung vòm và chia làm sao cho khi ráp từng đoạn lại sẽ không bị gẫy khúc, nhìn đường cong phải đều đặn. Ví dụ: Khi gia công ba cầu trên đường cao tốc Nam Sài Gòn chuyên gia Trung Quốc đã dùng thép tấm dày 12mm và chia thành từng đoạn 1m theo chiều dài cung vòm, uốn cong thép tấm với bán kính 1m và sau đó hàn nối lại thành một cung vòm hoàn chỉnh. Hoặc có thể dùng thép tấm cắt và uốn xoắn kiểu lò xo, uốn cong theo một bán kính thiết kế rồi hàn nối lại thành cung vòm hoàn chỉnh.
Ưu và nhược điểm của các phwng pháp trên là: khi dùng thép tấm 1,5mx6m để gia công, thực tế cho thấy đã để lại rất nhiều vết đường hàn và nó sẽ làm giảm đi khả năng chịu lực chung của cầu vòm, ngoài ra còn giảm đi tính mỹ quan chung của công trình.
Một biện pháp khác là có thể dùng ống thép nguyên để uốn cong theo độ cong thiết kế. Ống thép được đúc sẵn trong nhà máy, sau đó dùng máy uốn 3 trục uốn nguội hoặc uốn nóng để tạo thành cung tròn như mong muốn. Biện pháp trên chính là nội dung trọng tâm của bài báo này.
Việc dùng ống thép nguyên uốn nguội hoặc uốn nóng sẽ để lại ít đường hàn hơn, cải thiện nhiềun về mỹ quan của vòm cũng như khả năng chịu lực cao hơn. Tuy nhiên dùng công nghện uốn nguội sẽ xảy ra hiện tượng biến cứng nguội của kim loại. Để khắc phục vấn đề này người ta phải đốt nóng kim loại trước khi uốn, nhưng nếu dùng phương pháp gia nhiệt thì phải đầu tư một dây chuyền công nghệ khá lớn và tốn kém. Do đó với quy mô công trình cầu vòm tương đối nhỏ thì phương pháp uốn nguội rất hiệu quả và vẫn đảm bảo về mặt kỹ thuật cho công trình.
Với những ưu điểm trên, các tác giả đã nghiên cứu và đưa ra quy trình gia công vòm ống thép nhồi bê tông, đã gia công thử nghiệm và áp dụng rất thành công cho dự án xây dựng mở rộng
cầu Công Lý Nam Kỳ Khởi Nghĩa - Nguyễn Văn Trỗi – TP. HCM.
3. Công nghệ uốn nguội ống thép bằng máy uốn 3 trục:
3.1. Các chỉ tiêu kỹ thuật của vòm ống thép.
Vật liệu thép làm vòm là CT3; Giới hạn chảy của thép 240N/mm2; Giới hạn bền của thép 420N/mm2; Độ giãn dài tương đối 22%; Đường kính ngoài ống thép 508mm, chiều dày ống thép 15,09mm;Bán kính của vòm R = 34630mm, chiều dài cung vòm: 28262mm; đường tên lớn nhất là 3073mm.
Thép ống đường kính 508mm có chiều dài là 12m được đúc sẵn trong nhà máy chế tạo ống, sau khi kiểm tra các chỉ tiêu kỹ thuật được đảm bảo, bắt đầu tiến hành uốn thử nghiệm trên máy uốn 3 trục.
3.2. Cấu tạo máy uốn 3 trục.
Cấu tạo máy uốn 3 trục gồm các bộ phận chính như sau:
1. Bánh uốn cố định.
2. Bánh uốn di động, bánh uốn này có thể di động theo phương đứng nhờ hệ thống kích thuỷ lực.
3. Bánh uốn cố định.
4. Hệ thống kích thuỷ lực.
5. Hệ giá đỡ .
6. Môtơ điện 3 pha để quay bánh số 2.
3.3. Trình tự gia công uốn ống.
Chuẩn bị các thao tác máy uốn: ống thép đường kính 508mm→ cẩu lắp ống vào máy uốn → uốn ống thép→ cẩu lắp vào bộ gá để kiểm tra bán kính vòm →hàn tổ hợp vòm→ kiểm tra chất lượng đường hàn → Sơn hoàn thiện vòm.
Ở đây chiều dài cung vòm là 28262mm đã được tổ hợp, uốn từng đoạn ống thép, sau đó tổ hợp 3 đoạn lại thành cung vòm có chiều dài 28262mm. Mỗi đoạn trên được hàn nối thêm chiều dài, chiều dài đoạn nối này thường lớn hơn khoảng cách giữa 2 bánh số 1 và số 2 hoặc bánh số 3. Đoạn này được gọi là đoạn mồi, mục đích để trong suốt quá trình uốn tất cả chiều dài trong đoạn vòm đều phải được đi qua bánh uốn số 2, có như vậy mới đảm bảo được đường tên vòm như mong muốn.
Trong quá trình uốn, tốc độ máy uốn cần được khống chế 400mm/phút. Tốc độ uốn và cấp lực để di chuyển bánh uốn số 2 là rất quan trọng, nếu không quan tâm đến vấn đề này, ống thép rất dễ bị biến dạng dẫn đến đường kính ống thép và đường tên vòm sẽ không đảm bảo. Sau đây là minh hoạ khi thi công đoạn ống 12000mm, còn đoạn 4262mm cũng có các thao tác tương tự.
Bảng 1. Cấp lực uốn ống.
|
Lực uốn
|
5MPa
|
7MPa
|
10MPa
|
12MPa
|
>14MPa
|
|
Độ võng
|
~6cm
|
~9cm
|
~12cm
|
~15cm
|
Đạt R thiết kế
|
Bảng cấp lực ở Bảng 1 là tương ứng vứi độ võng đạt được trong quá trình uốn ống, người vận hành máy uốn căn cứ vào đó mà thao tác và khống chế đường tên. Tuy nhiên muốn đạt được đường tên người vận hành phải làm như sau:
- Từ điểm số 1 đến số 2 phải căng một sợi dây và sau đó đo đặc từng vị trí.
- Nếu ở vị trí nào đó mà không đạt đường đường tên yêu cầu thì chỉ cần di chuyển vị trí ống đó đến ngay bánh uốn và dùng bảng cấp lực ở bảng 1 để thao tác uốn ống.
3.4. Kiểm tra chất lượng trong quá trình chế tạo vòm:
Trong suốt quá trình chế tạo vòm cần thực hiện nghiêm chỉnh việc kiểm tra chất lượng theo trình tự như sau:
- Kiểm tra các chỉ tiêu kỹ thuật ống thép trước khi uốn → Kiểm tra tim trục máy uốn trước khi uốn → Khống chế đường tên theo từng cấp lực và cho từng đoạn ống → Kiểm tra độ giãn dài tương đối sau khi uốn → Kiểm tra chất lượng đường hàn trong quá trình tổ hợp 3 đoạn lại với nhau→Kiểm tra tổng thể vòm thép sau khi nối 3 đoạn trên bộ gá đã kiểm tra đạt yêu cầu.
4. Nhận xét.
Sau khi gia công kết cấu ống thép cho công trình cầu Công Lý, với các kết quả đo đạc kiểm tra cho thấy như sau:
- Uốn nguội sẽ xảy ra hiện tượng biến dạng cứng nguội của kim loại, tuy nhiên với kết cấu dạng vòm chỉ chịu nén là chính. Nên sau khi uốn ống thép vẫn đảm bảo về mặt kỹ thuật và chất lượng.
- Biến dạng tương đối ở mép trên ống thép sau khi uốn vẫn nhỏ hơn 2%
- Độ ô van ống thép <3/1000.
- Ngoài ra, thao tác của người vận hành máy uốn rất quan trọng, họ cần được hướng dẫn chi tiết và cụ thể. Kết quả của việc chế tạo vòm phụ thuộc rất nhiều vào trình độ tay nghề của người điều khiển điều khiển máy uốn. Vì vậy trước khi uốn đại trà, cần phải tiến hành uốn thử nghiệm và cần theo dõi đo đạc để rút ra những kinh nghiệm và tìm các biện pháp khắc phục.
5. Kết luận
Trong việc gia công chế tạo vòm cho cầu Công Lý, tác giả đã cố gắng bám sát và theo dõi thực tế việc uốn thử nghiệm bằng công nghệ uốn nguội. Kết quả sau khi uốn và tổ hợp lại thành cung vòm hoàn chỉnh, các yêu cầu về kỹ thuật và chất lượng của ống vòm là đảm bảo. Tuy nhiên việc gia công chế tạo này mới chỉ dừng ở mức gia công uốn nguội cho ống thép có đường kính 508mm. Vì vậy, để có thể đưa ra một quy trình gia công uốn nguội tổng quát, hoặc gia công uốn nguội cho ống thép có đường kính lớn hơn, cần phải có những nghiên cứu kỹ và sâu hơn, từ đó mới có thể đem ra áp dụng đại trà trong xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông.
Qua kết quả bài báo này, tác giả hy vọng sẽ góp phần vào vốn kiến thức chung về cầu vòm. Việc nghiên cứu hoàn thiện về quy trình công nghệ này đòi hỏi sự nỗ lực cao cả về kiến thức, kinh nghiệm và thời gian, cũng như cần có sự hợp tác, hỗ trợ của các đơn vị thiết kế, thi công và giám sát công trình.
Nguồn: Tạp chí Giao thông vận tải, số 1+2/2008