Khe co giãn mô-đun (còn gọi là khe dạng ray, khe nhiều dầm) gồm một loạt dầm thép hình đặt song song theo phương ngang cầu, giữa mỗi cặp dầm có một gioăng cao su kín nước; tổng hành trình rất lớn của kết cấu được chia đều thành nhiều khe con, mỗi khe con chỉ mở đóng một khoảng nhỏ. Đây là loại khe của cầu dây văng, cầu treo, dầm liên tục rất dài, nơi chuyển vị lên tới vài chục centimét hoặc hơn.
Một khe như vậy không còn là chi tiết hoàn thiện mà là một cỗ máy nhỏ nằm dưới mặt đường, chịu hàng triệu lượt bánh xe đập mỗi năm. Bài này giải thích nó hoạt động thế nào, vì sao các khe con phải luôn đều nhau, điểm nào hay mỏi và hỏng, và những gì đội quản lý cầu nên làm định kỳ.
Ý tưởng chia nhỏ: vì sao không làm một khe răng lược thật to
Về lý thuyết, có thể làm một bộ răng lược dài thật dài cho chuyển vị lớn. Nhưng răng càng dài thì càng phải dày để chịu bánh xe khi khe mở rộng nhất, bản thép trở nên rất nặng, hệ neo phải rất lớn, và kẽ răng vẫn để nước lọt qua. Khe mô-đun đi đường khác: thay vì một khoảng hở lớn, nó tạo ra nhiều khoảng hở nhỏ, mỗi khoảng chỉ rộng vừa đủ để bánh xe lăn qua mà không rơi xuống.
Giả sử một khe con được thiết kế mở đóng trong khoảng vài chục milimét đến khoảng tám chục milimét. Khi kết cấu cần tổng hành trình lớn gấp nhiều lần, người ta xếp thêm dầm: thêm một dầm là thêm một khe con. Ví dụ giả định, tổng hành trình 480 mm chia cho mỗi khe con 80 mm thì cần sáu khe con, tức năm dầm giữa cộng hai dầm biên gắn vào hai đầu kết cấu.
Gioăng cao su giữa các dầm được kẹp vào rãnh trên dầm, gấp lại khi khe đóng và căng ra khi khe mở. Nhờ các gioăng nối liền, toàn bộ khe gần như kín nước: đây là khác biệt lớn với khe răng lược. Nước mưa đọng trên gioăng rồi chảy dọc theo khe ra hai bên lề, tới điểm thu nước đã bố trí sẵn.
Cấu tạo bên dưới mặt đường
Người đi đường chỉ thấy các thanh thép song song và dải cao su đen. Phần lớn khe nằm trong một hốc sâu ở đầu dầm và đầu mố hoặc đầu nhịp kề bên:
- Dầm biên: hai dầm thép hình gắn cố định vào hai đầu kết cấu bằng hệ neo chôn trong bê tông, là điểm bắt đầu và kết thúc của khe.
- Dầm giữa (dầm ray): các thanh thép hình mặt trên phẳng, chịu bánh xe trực tiếp. Chúng không gắn chết vào bên nào mà "nổi" trên hệ đỡ, dịch chuyển tương đối với nhau.
- Dầm đỡ: các thanh chạy dọc cầu nằm bên dưới, đỡ các dầm giữa, tựa trên gối trượt và lò xo đàn hồi; có thiết kế mỗi dầm giữa một dầm đỡ riêng, có thiết kế một dầm đỡ chung cho cả dãy.
- Hộp đỡ: hộp thép chôn trong bê tông, chứa đầu dầm đỡ, cho phép dầm đỡ trượt vào ra khi khe đóng mở.
- Gối trượt và lò xo đàn hồi: các chi tiết nhựa kỹ thuật, cao su đặt giữa dầm giữa với dầm đỡ và giữa dầm đỡ với hộp; vừa cho trượt, vừa giảm chấn, vừa giữ dầm khỏi bật lên.
- Cơ cấu điều khiển khoảng cách: lò xo cao su, thanh đàn hồi hoặc cơ cấu đòn bẩy kiểu cắt kéo nối các dầm giữa, đảm bảo khi khe mở thêm 60 mm thì mỗi khe con mở đều thêm một phần, chứ không dồn cả vào một khe.
Cơ cấu điều khiển khoảng cách là phần đáng chú ý nhất. Thiếu nó, các dầm giữa có thể dồn cục: vài khe con đóng sát, một khe con mở toang vượt giới hạn, bánh xe máy lọt xuống hoặc gioăng bị kéo đứt.
Khe mô-đun và khe răng lược: chọn bên nào
Hai loại khe đều dùng cho chuyển vị lớn và hay được đem ra so khi thiết kế cầu nhịp lớn. So sánh định tính:
| Tiêu chí | Khe mô-đun nhiều dầm | Khe răng lược |
|---|---|---|
| Hành trình | Rất lớn, tăng bằng cách thêm dầm | Lớn, giới hạn bởi chiều dài răng |
| Kín nước | Gần như kín nhờ gioăng | Không kín, cần máng hứng bên dưới |
| Chuyển vị nhiều phương | Chịu được một phần xoay và dịch ngang theo thiết kế | Chủ yếu dọc cầu, nhạy với dịch ngang |
| Tiếng ồn | Có tiếng gõ đặc trưng khi bánh xe qua từng dầm | Thường êm hơn |
| Số chi tiết | Nhiều: gối trượt, lò xo, gioăng, cơ cấu điều khiển | Ít: bản thép và neo |
| Bảo trì | Cần lối vào kiểm tra từ dưới, thay chi tiết hao mòn | Thông máng, kiểm neo, răng |
Không có câu trả lời chung. Cầu có chuyển vị nhiều phương (cầu cong, cầu dây văng chịu gió ngang, vùng có yêu cầu động đất) hay nghiêng về khe mô-đun; cầu muốn đơn giản, ít chi tiết, ít ồn trong đô thị có khi chọn khe răng lược loại lớn kèm máng hứng tốt.
Điểm yếu cố hữu: mỏi và hao mòn chi tiết
Mối nối giữa dầm giữa và dầm đỡ. Mỗi lần bánh xe nặng lăn qua, dầm giữa bị đập xuống rồi bật lên, liên kết với dầm đỡ chịu ứng suất thay đổi liên tục. Sau hàng triệu chu kỳ, vết nứt mỏi có thể xuất hiện ở mối hàn hoặc chỗ liên kết. Đây là hư hỏng nguy hiểm nhất của khe mô-đun vì dầm gãy có thể bung lên mặt đường.
Gối trượt và lò xo mòn, chai cứng. Chi tiết nhựa và cao su hao mòn theo thời gian. Khi mòn, dầm giữa bị lỏng, đập mạnh hơn vào dầm đỡ, tiếng ồn tăng và mỏi tiến nhanh hơn. Thay các chi tiết này đúng hạn rẻ hơn rất nhiều so với thay cả khe.
Gioăng tuột khỏi rãnh hoặc rách. Đá sắc, vật cứng kẹt trên gioăng, xe xích, lưỡi xúc của xe dọn vật liệu có thể làm rách gioăng. Gioăng hỏng thì nước bẩn lọt xuống hộp đỡ và gối cầu bên dưới.
Khoảng cách các khe con không đều. Dấu hiệu cơ cấu điều khiển hỏng hoặc dầm giữa bị kẹt. Có thể đo nhanh khoảng cách từng khe con bằng thước khi đóng làn, ghi kèm nhiệt độ.
Bê tông đệm và hệ neo ở hai dầm biên. Giống mọi loại khe, bê tông chuyển tiếp hai bên vỡ là khởi đầu của va đập tăng cường.
Kiểm tra định kỳ một khe mô-đun: việc gì, ở đâu
Chu kỳ và nội dung kiểm tra theo quy trình bảo trì của công trình và hướng dẫn nhà sản xuất. Về nguyên lý, đội quản lý nên làm:
- Quan sát từ mặt đường khi đóng làn tạm: gioăng có nguyên, có vật lạ kẹt không; dầm giữa có nhô lên, tụt xuống so với nhau; khoảng cách các khe con có đều không; bê tông đệm hai bên có vỡ không.
- Nghe khi xe chạy: tiếng gõ đều đặn là bình thường ở mức độ nhất định; tiếng gõ đanh, to bất thường ở một dầm thường do gối trượt hoặc lò xo dưới dầm đó hỏng.
- Kiểm tra từ dưới qua lối vào: cầu lớn thường có sàn công tác, lối vào trong dầm hộp hoặc dưới khe để nhìn dầm đỡ, hộp đỡ, gối trượt. Tìm vết nứt ở liên kết, vệt rỉ, chi tiết rơi rụng, nước đọng trong hộp.
- Đo và ghi: độ mở tổng của khe, độ mở từng khe con, nhiệt độ kết cấu; so với lần đo trước và với bảng độ mở theo nhiệt độ của thiết kế.
- Vệ sinh: thổi, hút sạch đất đá trên gioăng và trong hộp đỡ, thông đường thoát nước hai đầu khe.
- Lập danh sách thay thế: chi tiết hao mòn cần thay, gioăng cần thay, vết nứt cần đơn vị chuyên môn đánh giá bằng phương pháp không phá huỷ.
Mọi việc trên mặt cầu đang khai thác phải có phương án tổ chức giao thông được chấp thuận, rào chắn, biển báo từ xa, người cảnh giới và áo phản quang; làm việc trong dầm hộp là không gian hạn chế, cần thông gió, đèn và ít nhất hai người.
Tiếng ồn của khe mô-đun và các cách giảm
Người sống gần cầu lớn hay phàn nàn về tiếng "lộc cộc" lặp lại mỗi khi xe tải qua khe. Nguồn gốc là bánh xe lăn qua từng dầm giữa, rơi nhẹ vào khoảng hở rồi va vào cạnh dầm kế tiếp; khoang rỗng của hộp đỡ bên dưới còn làm âm thanh vang hơn. Khe càng nhiều dầm, khe con mở càng rộng, tiếng càng rõ.
Có ba hướng giảm ồn thường được dùng. Thứ nhất, gắn trên mặt dầm các tấm thép dạng răng cưa hoặc hình sin để bánh xe chuyển từ dầm này sang dầm kia dần dần, không rơi vào khe hở thẳng. Thứ hai, giữ chi tiết đàn hồi trong tình trạng tốt, vì gối trượt mòn làm dầm đập kim loại vào kim loại. Thứ ba, xử lý tiêu âm khoang bên dưới khe ở những cầu sát khu dân cư.
Lắp đặt cũng ảnh hưởng tới tiếng ồn và độ bền về sau. Khe mô-đun thường được chế tạo sẵn thành cụm, chở tới công trường ở trạng thái đã khoá tạm với độ mở đặt trước theo nhiệt độ dự kiến lúc lắp. Cụm khe được đặt vào hốc lớn chừa sẵn ở đầu kết cấu, chỉnh cao độ cho mặt dầm khớp với lớp phủ hai bên, hàn hoặc liên kết neo với thép chờ, rồi mới tháo khoá tạm và đổ bê tông. Mặt dầm nhô cao hay tụt thấp vài milimét so với lớp phủ đã đủ làm tiếng gõ to hơn và tải va đập tăng lên rõ rệt.
Với chủ đầu tư hay đơn vị quản lý, tiếng ồn tăng dần theo năm là một chỉ báo rẻ tiền về tình trạng chi tiết bên dưới, đáng ghi nhận thay vì coi là chuyện bình thường của cầu lớn.
Câu hỏi thường gặp
Khe co giãn mô-đun dùng cho cầu có chuyển vị bao nhiêu?
Khe mô-đun thường được dùng khi tổng hành trình vượt khả năng hợp lý của khe răng lược hoặc khi cần kín nước với chuyển vị lớn, thường từ khoảng vài trăm milimét trở lên, có công trình lên tới hàng mét. Con số cụ thể do thiết kế tính từ nhiệt độ, co ngót, từ biến và các tác động khác của từng cầu.
Vì sao các dầm của khe mô-đun phải cách đều nhau?
Vì mỗi khe con chỉ được phép mở tới một giới hạn để bánh xe không rơi xuống và gioăng không bị kéo đứt. Nếu các dầm dồn lại, một khe con có thể vượt giới hạn trong khi các khe khác gần như khép kín. Cơ cấu điều khiển khoảng cách giữ cho tổng chuyển vị được chia đều.
Gioăng cao su của khe mô-đun có thay riêng được không?
Thường thay được mà không phải tháo cả khe, vì gioăng được kẹp vào rãnh trên dầm. Việc thay cần đóng làn, làm sạch rãnh, dùng dụng cụ chuyên dụng và gioăng đúng chủng loại. Gioăng rách nên thay sớm, vì nước bẩn lọt xuống làm hỏng gối trượt, hộp đỡ và gối cầu bên dưới.
Khe co giãn kêu to hơn trước có đáng lo không?
Đáng ghi nhận và kiểm tra. Tiếng gõ tăng thường do gối trượt hoặc lò xo đàn hồi dưới dầm đã mòn, khiến kim loại va vào kim loại. Nếu để lâu, va đập làm mỏi liên kết nhanh hơn và có thể dẫn tới nứt dầm giữa, hư hỏng tốn kém và nguy hiểm hơn nhiều.
Có thể thay khe co giãn mô-đun mà không đóng cầu hoàn toàn không?
Nhiều trường hợp làm được theo từng nửa bề rộng cầu, khe được chế tạo chia đoạn để lắp nối. Tuy vậy, việc phá bê tông đầu dầm, đặt hộp đỡ mới và đổ bê tông lại cần nhiều ngày cho mỗi nửa, đòi hỏi phương án giao thông chi tiết. Phương án cụ thể do đơn vị thiết kế sửa chữa lập.