Cầu thép chịu thời tiết thí điểm ở vùng đồng bằng sông Cửu Long

TS. Đặng Đăng Tùng; Ts. Nguyễn Cảnh Tuấn  Trường Ðại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh Ts. Jun Okada; ths. Yasuyuki Kurihara; ths. Shinichi Miura Viện nghiên cứu thép, tập đoàn thép jfe steel, Nhật Bản Người phản biện: PGS.TS. Lê Bích Thủy TS. Nguyễn Danh Thắng

TÓM TẮT: Đồng bằng sông Cửu Long là vùng đất rộng lớn - hạ nguồn của hệ thống sông Mekong nằm ở phía Nam của Việt Nam. Từ nhiều năm trước, ở những vùng nông thôn hay những khu vực vùng sâu vùng xa, nơi hạ tầng giao thông đường bộ chưa phát triển, người dân địa phương sử dụng hệ thống sông và kênh rạch để đi lại, vận chuyển hàng hóa. Tuy nhiên, ngày nay, nhu cầu sử dụng giao thông đường bộ tăng lên rõ rệt bởi sự tiện lợi trong di chuyển và tiết kiệm được thời gian của phương thức giao thông vận tải này. Để phát triển một hệ thống giao thông đường bộ hoàn chỉnh, nhiều cây cầu cần được xây dựng để phục vụ người dân địa phương. Trong bài báo, một cầu thép chịu thời tiết thí điểm với những ưu điểm vượt trội về vật liệu và giảm tối đa chi phí duy tu bảo dưỡng được đề xuất.      

TỪ KHÓA: Cầu thép, đồng bằng sông Cửu Long.

ABSTRACT: The Mekong Delta is a vast region in the low stream of the Mekong river locating in the South of Vietnam. Local people utilize these rivers and canals for their main transportation for years to reach rural and remote areas in which no road transportation is available. However, nowadays, the need of road transportation becomes sharply increasing because the road transportation is more convenient and save time. To develop a full road transportation, many bridges need to be built to serve local people. In this paper, a pilot weathering steel bridge is proposed as a steel bridge with smart material and minimum maintenance cost.

KEYWORDS: Steel bridge, Mekong delta.

1. ĐẶC ĐIỂM HẠ TẦNG GIAO THÔNG Ở VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG

Để thực hiện chiến lược phát triển kinh tế đến năm 2020, Chính phủ đã ban hành quy hoạch tổng thể phát triển của vùng đồng bằng sông Cửu Long, bao gồm các dự án phát triển giao thông nông thôn, trong đó cải tạo và xây mới hạ tầng giao thông là những ưu tiên hàng đầu [1].

Vùng đồng bằng sông Cửu Long rộng lớn có diện tích khoảng 39.000km² với dân số khoảng 20 triệu người. Phần lớn dân số tham gia sản xuất nông nghiệp. Diện tích trồng lúa khoảng 2,3 triệu ha (Hình 1.1), chiếm hơn 40% diện tích trồng lúa của cả nước. Sản lượng đầu ra của lúa gạo đạt gần 50%. Hàng năm, lượng lúa gạo dư thừa khoảng 4 triệu tấn, được bán với giá thấp gây nhiều thiệt hại cho nông dân. Một trong những nguyên nhân chính là chi phí vận chuyển cao do hạ tầng giao thông chưa phát triển [2].

Một đặc điểm nổi bật của vùng đồng bằng sông Cửu Long là bị chia cắt bởi hệ thống sông ngòi, kênh rạch chằng chịt. Việc đi lại giữa các xã, đặc biệt là vùng sâu, vùng xa gặp nhiều khó khăn. Phương thức GTVT chủ yếu vẫn là đường thủy, sử dụng thuyền, ghe nhỏ. Đồng bằng sông Cửu Long có mạng lưới giao thông đường thủy dày đặc với tổng chiều dài khoảng 5.000km, gấp 3 lần chiều dài các tuyến đường bộ của vùng. Lượng hàng hóa được vận chuyển bởi giao thông đường thủy nội địa chiếm khoảng 70% trong khi vận tải đường bộ chỉ chiếm 30% trong tổng số. Nguyên nhân là do hệ thống đường bộ bao gồm các cầu qua sông và kênh rạch, nối liền các khu dân cư vẫn chưa phát triển [2]. Các tuyến đường giao thông nông thôn thường dọc theo các sông và kênh đào (việc đào kênh kết hợp với đắp đường) nên nền đất bên dưới chủ yếu là đất yếu. Với độ dày đặc cao của hệ thống sông ngòi, kênh rạch, số lượng 20.107 cầu với tổng chiều dài khoảng 273.743m [2] như hiện nay là không đủ để đáp ứng yêu cầu của GTVT ở khu vực này (Hình 1.2).

Hình 1.1: Bản đồ vùng đồng bằng sông Cửu Long

 

Hình 1.2: Hạ tầng giao thông chưa phát triển

2. TÌNH HÌNH CÁC CẦU GIAO THÔNG NÔNG THÔN TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH ĐỒNG THÁP

Đồng Tháp nằm ở biên giới giữa Việt Nam và Campuchia, nơi sông Mekong bắt đầu đổ vào lãnh thổ Việt Nam và được chia làm 2 nhánh sông lớn là sông Hậu và sông Tiền (Hình 2.1). Hai nhánh sông lớn này hình thành nên một mạng lưới các sông nhỏ trải khắp khu vực Đồng Tháp đem lại cho người dân địa phương nhiều thuận lợi nhưng đi kèm với đó là không ít những khó khăn. Vào mùa lũ, nước dâng cao gây phá hoại cơ sở hạ tầng và chia cắt hệ thống giao thông. Nhiều cầu nông thôn cần được xây dựng để kết nối các địa phương lân cận được dễ dàng hơn. Chỉ tính riêng Đồng Tháp, khoảng 500 cầu giao thông nông thôn gồm các loại như cầu thép, cầu gỗ, cầu giao thông nông thôn dạng cầu treo dây văng và cầu bê tông cốt thép cần được xây dựng. Trong thời gian ngắn hạn, ngân sách của tỉnh Đồng Tháp không thể đáp ứng cho nhu cầu xây dựng này (số liệu theo Sở GTVT Đồng Tháp). Thêm vào đó, nhiều cầu giao thông nông thôn hiện tại có năng lực vận tải thấp (khoảng 2,5 tấn), bề rộng cầu nhỏ (khoảng 2m), kết cấu đơn giản. Vì vậy, nhằm đa dạng hóa sự lựa chọn các loại kết cấu cầu để phát triển giao thông đường bộ mang tính kinh tế và bền vững hơn, một phương án về vật liệu và kết cấu cầu giao thông nông thôn mới là rất cần thiết.

Nhiều loại cầu giao thông nông thôn ở Đồng Tháp được sử dụng: Cầu bê tông cốt thép, cầu bê tông cốt thép dự ứng lực, cầu thép liên hợp, cầu dàn thép (Hình 2.2 - 2.4). Sự lựa chọn loại cầu phụ thuộc vào điều kiện địa chất, khí hậu và nguồn vật liệu địa phương của mỗi vùng.

Hình 2.1: Bản đồ tỉnh Đồng Tháp

 

Hình 2.2: Cầu giao thông nông thôn dạng cầu treo dây văng

 

Hình 2.3: Cầu bê tông cốt thép

 

Hình 2.4: Cầu dàn thép

3. GIẢI PHÁP CHO CẦU GIAO THÔNG NÔNG THÔN

Để giải quyết nhu cầu xây dựng cầu giao thông nông thôn đã đề cập ở trên, một nghiên cứu về giải pháp cầu thép với kết cấu và vật liệu tốt, đảm bảo chi phí bằng hoặc thấp hơn phương án cầu bê tông hiện tại là rất có ý nghĩa.

Cầu dầm thép có nhiều ưu điểm như được chế tạo công nghiệp, lắp đặt dễ dàng và vượt nhịp lớn. Tuy nhiên, chi phí cao hơn cầu bê tông cốt thép và bê tông cốt thép dự ứng lực trong trường hợp cầu có nhịp ngắn.

Với quan điểm giao thông nông thôn là sự kết hợp giữa các tuyến đường liên huyện, liên xã và liên thôn, tải trọng thiết kế cầu nên chọn H8 (8 tấn) hoặc 0,5HL93 (13 tấn). Bề rộng cầu từ 4m đến 6m, đủ cho 2 làn xe lưu thông và tuổi thọ tối đa của cầu là 50 năm.

Đề xuất này dựa trên thực tế rằng số lượng cầu giao thông nông thôn ở đồng bằng sông Cửu Long là rất lớn. Vì vậy, chi phí cho 1 mét cầu cần được tối ưu hóa để đáp ứng nhu cầu vận tải với nguồn ngân sách hạn hẹp, cạnh tranh được với các cầu bê tông cốt thép và cầu bê tông cốt thép dự ứng lực. Một dạng cầu thép mới có thể được sử dụng rộng rãi ở đồng bằng sông Cửu Long, đặc biệt là tỉnh Đồng Tháp cần phải đáp ứng các yêu cầu sau:

- Có thể thi công dễ dàng và nhanh chóng;

- Có thể sử dụng trong trường hợp tĩnh không và chiều dài nhịp lớn mà không cần trụ cầu;

- Chi phí cho 1 mét chiều dài cầu là hợp lý;

- Chi phí duy tu bảo dưỡng là nhỏ nhất khi sử dụng trong điều kiện khí hậu nhiệt đới.

4. KẾ HOẠCH XÂY DỰNG MỘT CẦU THÍ ĐIỂM Ở TỈNH ĐỒNG THÁP

Thép chịu thời tiết được sử dụng nhiều trong cầu thép ở Nhật Bản. Loại thép này có đặc tính là lớp gỉ đặc sít hình thành dễ dàng và tỉ lệ ăn mòn thấp hơn so với thép thông thường trong điều kiện ăn mòn khí quyển. Theo như kết quả của Hội thảo kỹ thuật tại Cần Thơ được đồng tổ chức bởi Ban chỉ đạo Tây Nam bộ, 2 cầu thép thí điểm cần được xây dựng là: Một cầu ở vùng nước ngọt (Đồng Tháp) và một cầu ở vùng nước mặn (Cà Mau).

Năm 2014, một cầu thép thí điểm ở Đồng Tháp được lên kế hoạch xây dựng chi tiết như sau:

- Thỏa thuận hợp tác giữa ba bên: Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh, Tập đoàn Thép JFE Steel và tỉnh Đồng Tháp (Sở GTVT tỉnh Đồng Tháp);

- Thực hiện thí nghiệm phơi bày tại 3 vị trí ở tỉnh Đồng Tháp;

- Thu thập tất cả số liệu hiện có về các cầu giao thông nông thôn, đặc biệt là cầu thép;

- Phân tích và tổng hợp một cách tổng quan về nhu cầu xây dựng cầu giao thông nông thôn và chiến lược để đáp ứng đầy đủ nhu cầu cho Đồng Tháp;

- Điều tra tất cả những kỹ thuật xây dựng cầu giao thông nông thôn hiện có ở Đồng Tháp;

- Nghiên cứu các tài liệu đánh giá về cầu thép trên thế giới để học tập những kết cấu cải tiến nhằm phát triển một dạng cầu giao thông nông thôn mới phù hợp với vùng đồng bằng sông Cửu Long;

- Thiết kế một vài dạng kết cấu cầu thép chịu thời tiết tiềm năng;

- Phân tích để tìm ra kết cấu tối ưu;

- Đề xuất kết cấu cầu thép giao thông nông thôn cho vùng đồng bằng sông Cửu Long;

- Thiết kế phần thượng tầng kết cấu của cầu dầm thép chịu thời tiết nhịp giản đơn dài 24m tại một vị trí cụ thể do địa phương chỉ định;

- Đưa ra một báo cáo kỹ thuật mô tả chi tiết về mô hình cầu thép chịu thời tiết phù hợp, có thể sử dụng cho vùng đồng bằng sông Cửu Long.

5. GIỚI THIỆU VỀ CẦU THÉP CHỊU THỜI TIẾT THÍ ĐIỂM

Nhìn chung, mất mát ăn mòn tăng lên so với sự ảnh hưởng của nồng độ muối trong không khí. Ở Nhật Bản, theo tiêu chuẩn cho cầu đường bộ [3], nếu nồng độ muối trong không khí ít hơn 0,05mg/dm²/ngày, thép chịu thời tiết có thể sử dụng mà không cần phải sơn.

Hình 5.1 chỉ ra các vùng khảo sát và Hình 5.2 thể hiện kết quả đo đạc của nồng độ muối trong không khí ở Việt Nam [4]. Các vùng khí hậu ở Việt Nam được chia làm 3 vùng: Vùng 1 ở Nam bộ, Vùng 2 ở Trung bộ và Vùng 3 ở Bắc bộ. Hình 5.2 cũng chỉ ra nồng độ muối trong không khí phụ thuộc vào khoảng cách từ vị trí thí nghiệm đến bờ biển. Tại cầu Kỳ Hà thuộc Vùng 1, nồng độ muối trong không khí lớn hơn thông thường do nằm trong vùng nước mặn. Ở Vùng 1, nồng độ muối nhỏ hơn 0,05 mdd ở vị trí phơi bày cách bờ biển 2km.

Vì khu vực xây dựng cầu mới nằm trong Vùng 1 và khoảng cách từ vị trí này đến bờ biển khoảng 80km, nên nồng độ muối trong không khí ít hơn 0,05mdd. Trên thực tế, nồng độ muối trong không khí đo được ở vị trí này là 0,01mdd. Do đó, dựa trên tiêu chuẩn của Nhật Bản [3], thép chịu thời tiết có thể sử dụng mà không cần phải sơn ở khu vực xây dựng cầu mới. 

Hình 5.1: Các vùng thực hiện thí nghiệm phơi bày

 

Hình 5.2: Kết quả đo đạc các thông số môi trường

 Trong Hình 5.3 là cây cầu cũ trước khi xây dựng. Cầu cũ được làm bằng gỗ và chỉ được thiết kế cho người đi bộ lưu thông. Cầu mới với tên gọi là cầu Xẻo Bèo có chiều dài 24m, rộng 4,5m và tải trọng cho phép 8 tấn. Mặt cắt ngang gồm 3 dầm chính làm bằng thép chịu thời tiết.

Hình 5.3: Cầu Xẻo Bèo trước khi xây dựng

 

Hình 5.4: Lễ động thổ cầu Xẻo Bèo

 

6. THIẾT KẾ CỦA CẦU THÉP THÍ ĐIỂM

Việc thiết kế cầu thép thí điểm có những lưu ý như sau:

Chiều cao dầm, chiều dày bản bụng và bản cánh được tối ưu dựa trên phương pháp thiết kế theo trạng thái giới hạn, cho phép đạt tới mô-men chảy của dầm liên hợp theo Tiêu chuẩn AASHTO LRFD. Do đó, vật liệu và chi phí gia công chế tác đã giảm đáng kể, đồng thời đảm bảo tĩnh không dưới dầm do không cần phải dùng đến trụ. Các phương pháp thiết kế kết cấu đặc biệt và bảo vệ ăn mòn cũng được xem xét để đảm bảo tuổi thọ của công trình:

- Bản nối ở mặt dưới của bản cánh dưới được chia làm hai phần để việc thoát nước mưa và làm khô thoáng được dễ dàng hơn (Hình 6.1).

- Tại vị trí tiếp xúc giữa sườn tăng cường đứng và bản cánh dưới, rãnh vát có kích thước lớn hơn (R50) để đảm bảo thoát nước mưa dễ dàng và tránh tình trạng tích tụ một lớp bụi dày tại khu vực này (Hình 6.2).

- Đầu dầm là vị trí tiếp xúc với độ ẩm lâu dài và thông gió kém nên cần được sơn một lớp sơn chống ăn mòn để bảo vệ (Hình 6.3).

Hình 6.1: Mối nối bản cánh dưới

 

ình 6.2: Vát sườn tăng cường đứng

 

Hình 6.3: Sơn bảo vệ đầu dầm

 

7. XÂY DỰNG CẦU THÉP THÍ ĐIỂM

Để phục vụ cho việc xây dựng cầu thép chịu thời tiết, các tấm thép chịu thời tiết được vận chuyển từ Nhật Bản. Việc gia công, chế tác và xây dựng được các công ty ở Việt Nam thực hiện. Trước khi dầm thép được vận chuyển đến địa điểm xây dựng cầu, Sở GTVT Đồng Tháp đã kiểm tra lần cuối tại nhà máy gia công (Hình 7.1).

Từ khi hoàn thành vào tháng 12/2014, cầu Xẻo Bèo đã trở thành một cơ sở hạ tầng vô giá của người dân Đồng Tháp.

Hình 7.1: Sở GTVT Đồng Tháp kiểm tra gia công chế tác dầm

 

Hình 7.2: Lễ khánh thành cầu Xẻo Bèo

8. SO SÁNH CHI PHÍ

Thực hiện một so sánh về chi phí xây dựng giữa cầu bê tông cốt thép (BTCT) gồm 3 nhịp (6m + 12m + 6m; tổng chiều dài 24m) với 2 trụ dựa trên phương án cầu BTCT do Sở GTVT tỉnh Đồng Tháp cung cấp và cầu thép chịu thời tiết 1 nhịp 24m, không có trụ dựa trên phương án nhóm nghiên cứu đề xuất (Hình 8.1).

Kết quả tính toán được thể hiện qua Hình 8.2. Xem tổng chi phí xây dựng cầu bê tông cốt thép là 100% thì tổng chi phí xây dựng cầu thép chịu thời tiết là 105%, lớn hơn 5% so với cầu BTCT. Sự chênh lệch này là không nhiều.

Phương án cầu BTCT có 2 trụ ở giữa sông. Chi phí cho 2 trụ này chiếm khoảng 30% trong tổng chi phí. Hơn nữa, trụ làm gián đoạn khổ thông thuyền và ăn mòn cốt thép, hư hỏng bê tông của trụ thường xuyên xảy ra ở vùng gần mặt nước do tàu thuyền qua lại làm tăng chí phí duy tu bảo dưỡng.

Mặt khác, phương án cầu thép chịu thời tiết không cần trụ ở giữa sông do tải trọng bản thân nhỏ và độ cứng cao.

Hình 8.2: So sánh chi phí giữa cầu BTCT và cầu thép chịu thời tiết

Hình 8.1: Minh họa 2 phương án cầu bê tông cốt thép và cầu thép chịu thời tiết

 

Hình 8.2: So sánh chi phí giữa cầu BTCT và cầu thép chịu thời tiết

9. KẾT LUẬN

Việc phát triển một kết cấu thép với giá thành hợp lý, chi phí duy tu bảo dưỡng thấp đảm bảo khổ thông thuyền lớn đang đặt ra cho các nhà quản lý, thiết kế những thách thức mới. Thép chịu thời tiết với nhiều tính năng ưu việt đã trình bày trong bài báo được coi là một giải pháp hữu hiệu cho việc kết nối các vùng sông nước ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long. Việc theo dõi đánh giá cầu Xẻo Bèo vẫn đang được tiến hành và nhóm nghiên cứu sẽ công bố những kết quả mới nhất trong những bài báo sau.

Tài liệu tham khảo

[1]. N.X. Dao, N.M.Hung, L.H.Dac. (1997), Optimal Technologies of Road and Bridge Construction for Developing Rural Road Network of the Mekong Delta, Proceeding of the Eastern Asia Society for Transpotation Studies,Vol.1, Autumn.

[2]. Gerard Pichel (2013), Mekong Delta Transport Infrastructure Development Project, Vietnam Inland Waterway Administration, MOT.

[3].  Pubic Works Research Institute, Kozai Club, Japan Bridge Association (1993), Report on Application of Weathering Steel to Highway Bridges (XX) (in Japanese).

[4]. Đ. Đ. Tùng, T. D. Khanh, S. Miura, I. Kage, T. Okamoto, E. Iwasaki (2013), Đánh giá ứng dụng thép chịu thời tiết trong điều kiện khí hậu ở Việt Nam, Tạp chí GTVT, số 12, trang 14-17.