Gối cầu thép, trong thực tế phổ biến nhất là gối chậu (một chậu thép chứa đĩa cao su bị bó kín, đậy bằng piston thép), là loại gối dùng khi tải trọng thẳng đứng lớn và chuyển vị dọc cầu lớn, nơi gối cao su thông thường không đủ. Mỗi gối có thể làm ở ba dạng: cố định (chỉ cho xoay), di động một hướng (cho xoay và trượt theo một phương), di động đa hướng (cho xoay và trượt mọi phương).
Chọn dạng nào cho từng vị trí là bài toán bố trí gối của cả cây cầu, không phải của riêng từng gối. Bài viết giải thích cấu tạo, cách ba dạng gối phối hợp với nhau trên một nhịp, những thông số cần đọc khi nhận gối ở công trường và các lỗi lắp đặt làm gối hỏng sớm.
Cấu tạo gối chậu: cao su bị nhốt thì chịu được gì
Một khối cao su để tự do sẽ phình ra khi bị nén và không chịu được áp lực lớn. Nhưng nếu nhốt kín nó trong một chậu thép, cao su cư xử gần giống chất lỏng đặc: không phình được nữa, nó truyền áp lực đều xuống đáy chậu và chịu được ứng suất cao hơn nhiều lần. Đó là ý tưởng của gối chậu. Piston thép đặt lên đĩa cao su, có vòng làm kín để cao su không bị ép trào qua khe giữa piston và thành chậu.
Khả năng xoay đến từ chính đĩa cao su: khi đầu dầm xoay đi một góc nhỏ, piston nghiêng theo, cao su bên dưới biến dạng chút ít để thích nghi. Khả năng trượt thì do một bộ phận riêng nằm trên piston: tấm PTFE (nhựa có hệ số ma sát rất thấp, quen gọi là teflon) trượt trên một tấm thép không gỉ được đánh bóng gắn vào bản đế trên của gối. Mặt PTFE thường có các lỗ nhỏ chứa mỡ bôi trơn chuyên dụng.
Ngoài gối chậu, còn có gối cầu (gối mặt cong), dùng một mặt cong lõm và lồi trượt lên nhau để cho góc xoay lớn hơn, và các gối thép kiểu cũ như gối con lăn, gối tiếp tuyến ở cầu xây dựng nhiều thập kỷ trước. Nguyên lý cố định, di động một hướng, đa hướng áp dụng như nhau cho các loại.
Ba dạng gối và chúng làm gì
Mỗi dạng gối khoá một số chuyển vị và thả một số chuyển vị khác. Bảng dưới tóm tắt:
| Dạng gối | Xoay | Trượt dọc cầu | Trượt ngang cầu | Nhận lực ngang |
|---|---|---|---|---|
| Cố định | Có | Không | Không | Theo mọi phương: hãm xe, gió, động đất |
| Di động một hướng | Có | Có | Không (có thanh dẫn hướng) | Chỉ theo phương ngang cầu |
| Di động đa hướng | Có | Có | Có | Gần như không, chỉ phần ma sát nhỏ |
Gối di động một hướng nhận ra được nhờ thanh dẫn hướng: một gờ thép chạy dọc theo phương cho phép trượt, khớp vào rãnh ở bản đế trên. Gối đa hướng không có gờ này. Gối cố định không có tấm thép không gỉ dài, bản đế trên gắn trực tiếp lên piston.
Trên nhãn hoặc tấm định danh của mỗi gối thường có mũi tên chỉ phương trượt và ký hiệu dạng gối theo quy ước của nhà sản xuất. Ký hiệu khác nhau giữa các nhà sản xuất, nên ở công trường luôn đối chiếu với bản vẽ bố trí gối chứ không đoán theo ký hiệu.
Bố trí gối trên một nhịp: vì sao không thể đặt toàn gối cố định
Thử hình dung một dầm hộp liên tục dài vài trăm mét. Khi nhiệt độ thay đổi vài chục độ giữa trưa hè và đêm đông, chiều dài dầm thay đổi tới vài centimét. Nếu tất cả các gối đều cố định, dầm không dài ra được, sinh lực dọc rất lớn đẩy vào trụ. Ngược lại, nếu tất cả các gối đều di động, dầm sẽ trôi dọc mỗi khi xe phanh, không có điểm nào giữ nó lại.
Vì vậy cách bố trí thường gặp là: chọn một trụ (thường ở khoảng giữa chuỗi nhịp liên tục, hoặc trụ cứng nhất) đặt gối cố định làm điểm neo. Từ điểm neo đó, dầm co giãn về hai phía, nên các trụ còn lại đặt gối di động. Trên mặt cắt ngang, nếu dầm rộng có hai gối trên một trụ, một gối di động một hướng giữ dầm không trôi ngang, gối kia di động đa hướng để dầm tự do giãn theo bề ngang.
Chuyển vị ở gối càng xa điểm neo càng lớn. Vì thế gối ở hai đầu chuỗi nhịp phải có hành trình trượt dài nhất, và khe co giãn đặt ở đó cũng phải lớn nhất. Ở cầu cong, phương trượt của gối không song song với tim cầu mà hướng về điểm neo, đó là lý do bản vẽ bố trí gối cầu cong luôn ghi góc đặt từng gối.
Nhận gối ở công trường: những gì cần đọc và kiểm
Gối là chi tiết nhỏ so với cả cây cầu nhưng thay thế rất tốn kém. Khi nhận hàng, đội kỹ thuật nên kiểm theo danh mục:
- Khớp bản vẽ: mã vị trí gối, dạng gối, tải trọng thẳng đứng thiết kế, hành trình trượt dọc và ngang, góc xoay, kích thước bản đế, vị trí lỗ bu lông neo.
- Chứng chỉ chất lượng và xuất xứ: chứng nhận thí nghiệm của lô gối, vật liệu thép, cao su, PTFE, lớp mạ hoặc sơn; với dự án yêu cầu, có biên bản thử tải mẫu gối.
- Tình trạng bề mặt: tấm thép không gỉ không xước, không móp; tấm PTFE không bị bẩn, không bị nứt; lớp sơn bảo vệ thân gối nguyên vẹn.
- Khoá vận chuyển: gối di động được giao kèm các tấm, bu lông giữ tạm để các phần không trượt khi vận chuyển. Ghi chú để nhớ tháo sau khi lắp.
- Mũi tên phương trượt và ký hiệu vị trí đặt sẵn: có đúng hướng so với bản vẽ hay không, nhất là gối một hướng.
- Bảo quản: để nơi khô, kê cao, có bạt che, không chồng vật nặng lên gối, không để mặt trượt bị cát bụi bám.
Giữ lại toàn bộ hồ sơ gối trong hồ sơ hoàn công. Hai mươi năm sau, khi cần thay gối, người quản lý cầu sẽ cần biết chính xác loại gối, kích thước và nhà sản xuất để chọn gối thay thế lắp vừa.
Trình tự lắp gối theo nguyên lý và các lỗi hay gặp
Trình tự cụ thể theo chỉ dẫn kỹ thuật của dự án và hướng dẫn nhà sản xuất. Về nguyên lý, các bước gồm:
- Chuẩn bị đá kê gối: kiểm tim, cao độ và độ phẳng; chừa hốc cho bu lông neo theo bản vẽ. Mặt đá kê nghiêng hoặc lồi lõm làm gối chịu lệch tâm ngay từ đầu.
- Đặt gối lên nêm, chỉnh cao độ và thăng bằng: dùng thiết bị đo đạc, không ước lượng bằng mắt. Gối phải nằm ngang theo thiết kế, kể cả khi dầm đặt dốc dọc.
- Đặt trước theo nhiệt độ lắp: gối di động thường được dịch trước một khoảng tuỳ nhiệt độ ngày lắp, để khi kết cấu về nhiệt độ trung bình thì gối ở giữa hành trình. Giá trị này do thiết kế cho theo bảng.
- Đổ vữa kê gối: vữa không co ngót, cường độ cao, rót kín toàn bộ khoảng dưới bản đế và hốc bu lông, không để rỗng. Bảo dưỡng vữa đủ thời gian trước khi chất tải.
- Hạ dầm và liên kết bản đế trên: hạ từ từ, kiểm lại vị trí; liên kết bản đế trên với dầm bằng bu lông hoặc bản thép chôn sẵn.
- Tháo khoá vận chuyển: lỗi rất hay gặp là quên tháo, khiến gối di động thành gối cố định, dầm nứt hoặc trụ chịu lực ngang ngoài thiết kế.
- Che chắn và ghi nhận: lắp tấm chắn bụi cho mặt trượt nếu có, đo và ghi vị trí ban đầu của gối để theo dõi về sau.
Công việc kê kích, hạ dầm diễn ra trên cao và dưới tải lớn, phải có biện pháp an toàn được duyệt, đồ bảo hộ, người chỉ huy duy nhất và vùng cấm người dưới khu vực cẩu.
Khi nào cầu cần đến gối thép thay vì gối cao su
Với phần lớn cầu dầm giản đơn nhịp ngắn, gối cao su cốt bản thép là đủ và rẻ hơn nhiều. Gối thép xuất hiện khi gặp một trong ba điều kiện. Điều kiện thứ nhất là phản lực gối rất lớn, như ở trụ giữa của dầm hộp liên tục nhịp lớn hay chân tháp cầu dây văng, nơi một gối phải đỡ tải tương đương hàng trăm, hàng nghìn tấn; gối cao su cho tải đó sẽ to quá khổ.
Điều kiện thứ hai là chuyển vị dọc lớn. Gối cao su dịch chuyển bằng cách cả khối cao su nghiêng đi, nên hành trình bị giới hạn bởi chiều dày cao su. Ở đầu một chuỗi nhịp liên tục dài, chuyển vị do nhiệt độ cộng co ngót và từ biến có thể vượt xa khả năng đó; mặt trượt của gối thép giải quyết việc này mà gối vẫn thấp gọn.
Điều kiện thứ ba là cần kiểm soát rõ ràng phương chuyển vị, như cầu cong, cầu có sơ đồ phức tạp hay yêu cầu chịu động đất, khi người thiết kế muốn từng gối khoá hoặc thả đúng phương mình định. Thanh dẫn hướng của gối một hướng làm việc đó chắc chắn hơn chốt chặn gắn thêm vào gối cao su. Ngoài ba trường hợp này, chọn gối thép cho cầu nhỏ thường là tốn tiền mà không được thêm gì.
Gối thép trong quá trình khai thác: theo dõi những gì
Vị trí trượt so với ban đầu. Gối luôn lệch hẳn về một đầu hành trình, kể cả khi nhiệt độ trung bình, gợi ý dầm đã có chuyển vị dài hạn lớn hơn dự kiến do co ngót, từ biến, hoặc mố trụ đã dịch chuyển.
Mặt trượt và PTFE. Bụi cát, rỉ bám lên tấm thép không gỉ làm ma sát tăng, PTFE mòn nhanh. Tấm PTFE mòn tới mức bản đế trên gần chạm piston là cần thay.
Rò cao su và vòng làm kín. Cao su trào qua khe piston là dấu hiệu vòng làm kín hỏng; gối mất dần khả năng chịu tải đều.
Rỉ sét và bu lông neo. Nước từ khe co giãn rò xuống thường đọng đúng vùng gối, làm gỉ thân gối và bu lông. Bu lông neo lỏng làm gối dịch khỏi vị trí.
Vữa kê và đá kê. Vữa nứt, vỡ, rỗng làm gối kê không đều. Đá kê nứt góc thường đi kèm gối bị kẹt.
Câu hỏi thường gặp
Gối chậu và gối cao su cốt bản thép khác nhau ở điểm nào?
Gối cao su cốt bản thép cho dầm xoay và dịch chuyển nhờ biến dạng của chính khối cao su, hợp với tải và chuyển vị vừa phải. Gối chậu nhốt cao su trong chậu thép để chịu tải lớn hơn nhiều, và giao việc trượt cho cặp mặt PTFE với thép không gỉ, nên hành trình trượt dài hơn. Gối chậu đắt hơn và cần lắp đặt chính xác hơn.
Trên một trụ có hai gối, có cần một gối cố định không?
Tuỳ sơ đồ. Nếu trụ đó là điểm neo dọc của chuỗi nhịp thì thường một gối cố định và một gối di động một hướng theo phương ngang, để dầm vẫn giãn được theo bề rộng. Nếu trụ không phải điểm neo, có thể là một gối di động một hướng và một gối đa hướng. Bản vẽ bố trí gối quyết định.
Quên tháo khoá vận chuyển ở gối di động thì hậu quả là gì?
Gối không trượt được, nên khi nhiệt độ đổi, dầm bị giữ lại và sinh lực dọc lớn đẩy vào trụ, đá kê và đầu dầm. Hậu quả có thể là nứt đầu dầm, vỡ đá kê, hỏng bu lông neo hoặc trụ chịu lực ngoài thiết kế. Đây là mục cần có trong biên bản kiểm tra sau lắp đặt.
Vì sao phải đặt trước gối theo nhiệt độ ngày lắp?
Vì kết cấu dài ra, ngắn lại xoay quanh nhiệt độ trung bình của vùng. Nếu lắp gối vào ngày rất nóng mà để gối ở giữa hành trình, khi trời lạnh dầm co lại, gối sẽ chạy hết hành trình về một phía và có thể kẹt. Đặt trước theo bảng của thiết kế giúp gối dùng đều hành trình hai phía.
Tuổi thọ của gối cầu thép là bao lâu và có thay được không?
Gối được thiết kế để dùng lâu dài, nhưng thường có tuổi thọ ngắn hơn kết cấu cầu, nên thiết kế tốt luôn chừa vị trí đặt kích để nâng dầm thay gối. Tuổi thọ thực tế phụ thuộc nhiều vào việc giữ gối khô ráo, sạch sẽ và chất lượng lắp đặt ban đầu.