Gối cao su cốt bản thép là một khối gồm nhiều lớp cao su xen các tấm thép mỏng, được lưu hoá liền thành một khối; lớp thép ngăn cao su phình ra hai bên nên gối chịu nén tốt, còn cao su giữa các lớp vẫn đủ mềm để đầu dầm xoay và dịch chuyển ngang. Đây là loại gối có mặt ở phần lớn cầu dầm bê tông nhịp ngắn và trung bình ở Việt Nam.
Gối rẻ, không có chi tiết chuyển động, gần như không cần bảo dưỡng; nhưng nó có giới hạn rõ ràng và cũng lão hoá theo thời gian. Bài này giải thích cơ chế làm việc, so các dạng gối cao su, điểm yếu, dấu hiệu hư hỏng khi đứng dưới gầm và nguyên lý kích dầm thay gối.
Vì sao phải có lớp thép: một phép thử bằng cục tẩy
Lấy một cục tẩy dày ấn mạnh xuống bàn: nó phình ra hai bên và lún nhiều. Cắt cục tẩy thành nhiều lát mỏng, dán xen kẽ với các tấm kim loại rồi ấn lại: mỗi lát mỏng bị kẹp giữa hai tấm cứng không phình được bao nhiêu, cả khối lún ít hơn hẳn. Nhưng nếu đẩy ngang mặt trên, khối vẫn xô lệch dễ dàng như trước, vì các lát cao su vẫn biến dạng trượt được giữa các tấm.
Gối cao su cốt bản thép khai thác đúng hiện tượng đó. Theo phương thẳng đứng, gối cứng, đỡ được tải dầm mà chỉ lún vài milimét. Theo phương ngang, gối mềm, cho dầm dịch chuyển do nhiệt độ, co ngót bằng cách để toàn khối cao su biến dạng cắt. Khi đầu dầm xoay vì võng, gối bị nén lệch, một mép lún nhiều hơn mép kia. Tất cả xảy ra mà không có bộ phận nào trượt lên nhau.
Một hệ quả ít người để ý: vì gối dịch chuyển bằng cách biến dạng chứ không trượt, nó luôn đẩy ngược lại dầm một lực nhỏ, giống như một lò xo bị xô lệch. Lực đó tỉ lệ với độ cứng cắt của cao su và độ dịch chuyển. Với cầu nhỏ, lực này không đáng kể; với chuỗi nhịp dài, người thiết kế phải tính lực đó truyền vào trụ, và đây cũng là lý do gối cao su càng cứng (cao su già cứng lại) thì trụ càng chịu thêm lực ngang.
Cao su dùng làm gối thường là cao su tự nhiên hoặc cao su tổng hợp chloroprene (hay gọi là neoprene), có phụ gia chống lão hoá và chống ozone. Thép bên trong được bọc kín hoàn toàn bằng cao su để không bị rỉ. Độ dày từng lớp, số lớp, kích thước mặt bằng được tính theo tải và chuyển vị thiết kế.
Các dạng gối cao su thường gặp
Trên cùng một nguyên lý, gối cao su có nhiều biến thể. Tên gọi thương mại khác nhau giữa các nhà sản xuất, nhưng phân theo cấu tạo thì có:
| Dạng | Đặc điểm | Khi nào dùng |
|---|---|---|
| Gối chữ nhật | Mặt bằng chữ nhật, cạnh dài thường đặt theo phương ngang cầu | Dầm thẳng, dầm I, dầm T, dầm Super T |
| Gối tròn | Mặt bằng tròn, chịu xoay như nhau mọi phương | Cầu cong, cầu chéo, dầm có xoay theo nhiều phương |
| Gối cao su có tấm trượt | Gối cao su thường, mặt trên dán tấm PTFE trượt trên tấm thép không gỉ | Khi chuyển vị lớn hơn khả năng biến dạng cắt của cao su |
| Gối cao su có chốt hoặc gờ chặn | Thêm chi tiết giữ để hạn chế dịch chuyển theo một phương | Muốn gối cao su đóng vai gần như cố định hoặc dẫn hướng |
| Tấm cao su đơn không cốt thép | Một tấm cao su mỏng, không có lớp thép | Chỉ cho kết cấu rất nhỏ, tải thấp; không phải gối cầu thực thụ |
Một sai lầm thường gặp ở công trình nhỏ là dùng tấm cao su đơn hoặc cao su tận dụng thay cho gối có cốt thép, vì trông tương tự. Tấm cao su đơn bị ép bẹp, phình ra, nứt sau thời gian ngắn và không cho chuyển vị đúng như thiết kế.
Ưu điểm và giới hạn của gối cao su
Rẻ và gần như không cần bảo dưỡng. Không có mỡ bôi trơn, không có mặt trượt hở, không có chi tiết cơ khí. Chỉ cần giữ quanh gối sạch sẽ, khô ráo.
Phân phối tải đều. Cao su thích nghi với sai lệch nhỏ của mặt dầm và mặt đá kê, nên tải được truyền tương đối đều ra toàn mặt gối.
Chuyển vị ngang có giới hạn. Gối dịch chuyển ngang bằng biến dạng cắt của cao su, nên hành trình bị giới hạn theo tổng chiều dày các lớp cao su. Muốn hành trình lớn phải làm gối cao hơn, đến một lúc không còn hợp lý và phải chuyển sang gối có tấm trượt hoặc gối chậu.
Tải trọng có giới hạn. Với nhịp lớn và phản lực gối rất cao, kích thước gối cao su sẽ quá lớn. Đó là vùng của gối chậu và gối cầu thép.
Lão hoá theo thời gian. Ozone, tia cực tím, nhiệt độ cao, dầu mỡ làm cao su cứng dần, nứt bề mặt. Gối nằm khuất dưới dầm thì lão hoá chậm hơn gối lộ nắng.
Có thể tự trượt khỏi vị trí. Gối không có liên kết với dầm và đá kê, nếu mặt tiếp xúc trơn, dính dầu hoặc tải thay đổi liên tục, gối có thể bò dần ra khỏi vị trí sau nhiều năm. Một số thiết kế dùng gối có bản thép ngoài và chốt để chống hiện tượng này.
Nhận biết hư hỏng gối cao su khi đứng dưới gầm
Gối cao su thường nằm ở chỗ khó nhìn, cần đèn pin và góc nhìn từ mặt xà mũ. Những dấu hiệu dưới đây ghi lại được bằng ảnh:
| Dấu hiệu | Có thể do đâu | Gợi ý xử lý |
|---|---|---|
| Nứt nhỏ chi chít trên bề mặt cao su | Lão hoá do ozone, nắng | Theo dõi; nếu nứt sâu tới lớp thép thì đánh giá thay |
| Mép gối phồng lồi rõ, không đều giữa các lớp | Quá tải hoặc tách lớp giữa cao su và thép | Báo đơn vị kiểm định |
| Gối nghiêng hẳn sang một phía, như hình bình hành | Biến dạng cắt lớn: dầm đã dịch chuyển nhiều | Đánh giá nguyên nhân chuyển vị dài hạn |
| Một mép gối hở, không tiếp xúc với dầm | Mặt đá kê không phẳng, gối chịu lệch | Đánh giá, có thể phải kê lại |
| Gối trượt lệch khỏi đá kê, một phần lơ lửng | Gối bò dần theo thời gian | Sửa sớm trước khi gối rơi |
| Lộ thép bên trong, vệt rỉ | Lớp cao su bọc bị rách | Thay gối |
Trước khi kết luận gối hỏng, cần nhìn cả xung quanh: đá kê có nứt không, đầu dầm có vỡ không, có rác cát lấp quanh gối không. Gối biến dạng nhiều thường chỉ là triệu chứng của một vấn đề khác như khe co giãn kẹt hoặc mố bị đẩy.
Kích dầm thay gối: các bước theo nguyên lý
Thay gối cao su là việc phổ biến trong sửa chữa cầu dầm. Biện pháp cụ thể do đơn vị thi công lập, được duyệt, có tính toán vị trí và lực kích. Trình tự chung:
- Khảo sát và tính toán: xác định phản lực gối, vị trí đặt kích trên xà mũ và dưới dầm, kiểm tra xà mũ và đầu dầm chịu được lực kích tập trung. Chuẩn bị gối mới đúng kích thước, chủng loại theo hồ sơ.
- Tổ chức giao thông: hạn chế hoặc cấm xe trên nhịp đang kích theo phương án được duyệt, có rào chắn, biển báo và người cảnh giới. Nhiều trường hợp làm vào ban đêm khi lưu lượng thấp.
- Đặt kích và nâng đồng bộ: các kích dưới cùng một đầu dầm nâng đồng thời, có đồng hồ áp lực và thiết bị đo chuyển vị; chỉ nâng một khoảng nhỏ đủ rút gối cũ ra. Luôn kê chèn an toàn theo từng nấc nâng, không để dầm chỉ nằm trên dầu kích.
- Rút gối cũ, xử lý đá kê: vệ sinh, sửa mặt đá kê cho phẳng, đúng cao độ; nếu đá kê hỏng thì phải sửa trước.
- Đặt gối mới, hạ dầm từ từ: kiểm vị trí, hạ đồng bộ, theo dõi để gối tiếp xúc đều toàn mặt.
- Kiểm tra sau thay: ghi vị trí, chụp ảnh, đo cao độ mặt đường hai bên khe co giãn để bảo đảm không tạo bậc.
Đây là việc của đơn vị có kinh nghiệm và thiết bị kích chuyên dụng. Người không có chuyên môn tuyệt đối không tự kê kích nâng dầm cầu, dù là cầu nhỏ: dầm nặng hàng chục tấn, trượt kích có thể gây tai nạn chết người.
Giữ gối cao su bền lâu: ba việc rẻ tiền
Thứ nhất, giữ khe co giãn kín nước. Phần lớn gối hỏng sớm ở các cầu nhỏ có chung một nguyên nhân: nước bẩn từ mặt cầu chảy qua khe co giãn rò, mang theo cát, dầu, rác, tưới thẳng xuống xà mũ và gối. Sửa khe co giãn là cách bảo vệ gối hiệu quả nhất.
Thứ hai, vệ sinh mặt xà mũ định kỳ. Đất, lá cây, tổ chim, rác tích tụ quanh gối giữ ẩm, làm gối không biến dạng tự do và che khuất các dấu hiệu hư hỏng. Một lần dọn mỗi năm sau mùa mưa là đủ với phần lớn cầu nhỏ, kết hợp chụp ảnh từng gối để so sánh qua các năm.
Thứ ba, kiểm soát xe quá tải. Gối được thiết kế cho phản lực ứng với tải trọng xe theo cấp đường. Xe quá tải thường xuyên làm gối bị nén vượt mức, cao su mỏi nhanh, tách lớp sớm. Với cầu trong khuôn viên doanh nghiệp, đặt biển tải trọng và kiểm soát xe ra vào là việc của chủ công trình.
Câu hỏi thường gặp
Gối cao su cốt bản thép dùng được bao nhiêu năm?
Tuổi thọ phụ thuộc chất lượng cao su, môi trường và tải. Gối khuất nắng, khô ráo, không bị dầu mỡ, xe không quá tải có thể dùng nhiều chục năm; gối bị nước bẩn tưới thường xuyên, lộ nắng thì lão hoá nhanh hơn nhiều. Thiết kế cầu thường coi gối là bộ phận có thể thay trong đời cầu.
Có thể dùng cao su lốp xe cũ cắt ra làm gối cho cầu nhỏ không?
Không nên. Cao su lốp có sợi bố, độ cứng và khả năng chịu nén khác hẳn gối chuyên dụng, không có lớp thép bọc kín để chống phình, cũng không có chứng nhận chất lượng. Gối tự chế làm dầm chịu lệch, nứt đầu dầm và thường phải thay lại sau thời gian ngắn, tốn hơn làm đúng từ đầu.
Gối cao su bị nghiêng như hình bình hành có nguy hiểm không?
Gối nghiêng là đang chịu biến dạng cắt, điều này bình thường ở mức nhỏ khi dầm dịch chuyển do nhiệt độ. Nghiêng rất nhiều, nhất là nghiêng cố định không đổi theo mùa, cho thấy dầm đã có chuyển vị dài hạn lớn hoặc khe co giãn đã kẹt. Cần đơn vị kiểm định đánh giá trước khi kết luận.
Thay gối có phải đóng cầu nhiều ngày không?
Tuỳ quy mô cầu và phương án. Với cầu dầm nhỏ, thay gối ở một đầu nhịp thường làm trong thời gian ngắn, có thể cho xe đi một làn hoặc làm ban đêm. Cầu lớn, gối nhiều, cần chuẩn bị đá kê thì kéo dài hơn. Phương án tổ chức giao thông phải được cơ quan quản lý đường chấp thuận.
Mua gối cao su cần xem chứng chỉ gì?
Cần chứng chỉ xuất xưởng ghi rõ chủng loại, kích thước, số lớp, tải trọng thiết kế; kết quả thí nghiệm vật liệu cao su và thí nghiệm gối theo tiêu chuẩn mà hồ sơ thiết kế yêu cầu; nguồn gốc xuất xứ. Với dự án có yêu cầu, lấy mẫu gối đem thí nghiệm độc lập trước khi lắp.