TẢI TRỌNG KHAI THÁC CỦA CẦU ĐƯỜNG BỘ (Sưu tầm)

- Có thể khẳng định rằng, không thể lấy trị số tải trọng của xe thiết kế hay của xe nặng nhất trong đoàn xe thiết kế được qui định trong các tiêu chuẩn thiết kế để qui định hoặc cắm biển hạn chế tải trọng khai thác đối với công trình cầu đường bộ.

- Bản chất của tải trọng xe hay tải trọng đoàn xe dùng để tính toán thiết kế cầu đã được các giáo trình, sổ tay, tiêu chuẩn thiết kế cầu...đề cập nhưng vẫn có nhiều người cho rằng cầu được tính toán thiết kế với xe thiết kế có tải trọng bao nhiêu thì sẽ được qui định tải trọng khai thác tối đa là bấy nhiêu. Cụ thể là các cầu ở nước ta nếu được thiết kế với tải trọng thiết kế H30, H13 hay H10 theo tiêu chuẩn 22TCN 18-79 thì tải trọng tối đa của xe được phép đi qua cầu tương ứng được họ quan niệm một cách đơn giản là xe hay đoàn xe 30 tấn, 13 tấn hoặc 10 tấn. Quan niệm như vậy là không đúng. Xin được trích dẫn tiêu chuẩn thiết kế cầu của Úc (Austroads: Bridge Design Code 1992) để làm rõ bản chất của tải trọng thiết kế cầu. Điều 2.3. Hoạt tải của tiêu chuẩn này cho thấy như sau: “Hoạt tải là tải trọng của dòng xe ( các xe đơn chiếc hoặc đoàn xe) hoặc của người đi bộ. Trị số và cách bố trí tải trọng theo danh nghĩa, mang tính chất lí thuyết được qui định trong tiêu chuẩn sẽ tạo nên các hiệu ứng trong kết cấu tương đương với các hiệu ứng do các xe đơn chiếc hoặc đoàn xe trong thực tế tạo ra”.

- Nói một cách khác, việc xác định tải trọng xe hay đoàn xe thiết kế cầu được thực hiện theo nguyên tắc như sau: Xuất phát từ thực tế là các xe đơn chiếc hay đoàn xe được chế tạo để lưu hành trên hệ thống đường bộ có tải trọng rất khác nhau. Các xe này vận hành ngẫu nhiên sẽ gây ra các hiệu ứng cũng rất khác nhau trong các bộ phận của kết cấu cầu như nội lực, biến dạng, chuyển vị, dao động, suy giảm độ bền của kết cấu theo lưu lượng và cường độ vận tải, theo thời gian khai thác ... . Xử lý thống kê các hiệu ứng này sẽ tìm được đường bao, tức là tập hợp các giá trị lớn nhất của các hiệu ứng đó. Vấn đề đặt ra đối với những người nghiên cứu và biên soạn tiêu chuẩn thiết kế cầu là tìm ra cách bố trí các tải trọng với những trị số tải trọng được chọn sao cho hiệu ứng của chúng gây ra trong kết cấu cầu là tương đương (mà thực chất còn lớn hơn nhiều vì còn xét đến hệ số tải trọng để đảm bảo an toàn và xét đến sự phát triển tải trọng cả về trị số và số lượng trong tương lai để đảm bảo thời gian phục vụ, tức là tuổi thọ theo qui định của tiêu chuẩn thiết kế của công trình cầu) so với các hiệu ứng có được qua tính toán xử lý thống kê nêu trên. Sơ đồ bố trí và các trị số tải trọng tìm được chính là tải trọng của xe hoặc đoàn xe thiết kế, hay chính xác hơn là hoạt tải thiết kế. Chúng có thể là các dãy lực tập trung hay phân bố đều như qui định của các tiêu chuẩn CHnII 84 của Nga, AASHTO 1994 hay 1998 cũng của Mỹ, 22TCN 272-05 của Việt Nam hiện nay...Chúng cũng có thể là những xe đơn chiếc và đoàn xe thiết kế giả định (tức chính cũng là các dãy lực tập trung) như qui định của tiêu chuẩn 22TCN 18-79 của Việt Nam, CHnII 200-62 của Liên xô trước đây, AASHTO 1992 của Mỹ, DIN 1072 của Cộng hòa Liên bang Đức, AUSTROADS 1992 của Úc....

- Để làm sáng tỏ thêm điều này, xin được nhắc lại bản chất của tải trọng thiết kế H30 - XB80, H10, H13 và X60 đối với cầu đường bộ được qui định trong Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 18 - 79. Điều 2.12 của tiêu chuẩn này qui định: “Hoạt tải thẳng đứng tiêu chuẩn (có xét tới phát triển tương lai) lấy như sau: Dùng tải trọng H30 và XB80 cho các tuyến đường liên lạc quốc tế, đường trục chính yếu có ý nghĩa quan trọng về kinh tế, chính trị văn hóa, quốc phòng phục vụ cho toàn quốc, có cường độ vận tải trong tương lai rất lớn, cũng như các đường vận chuyển nối liền các khu công nghiệp quan trọng với các thành phố lớn và đường trục chính quốc gia thuộc đường ô tô từ cấp IV trở lên...Dùng tải trọng H10 và X60 hay H13 và X60 cho các đường địa phương trong tỉnh, đường giao thông công nghiệp và các đường kinh tế trong tỉnh thuộc hệ thống đường cấp IV trở xuống”. Ngoài ra, qui định này còn lưu ý là khi tính toán về độ chịu mỏi không dùng tải trọng xe bánh hay xích. Khi xét tải trọng xe bánh, xe xích thì không xét tải trọng ô tô và người đi. Các hoạt tải này đều cho phép đưa về tải trọng rải đều tương đương. Qui định trên đây được soạn thảo trên cơ sở qui định của tiêu chuẩn thiết kế cầu CHnII 200-62 của Liên xô trước đây và có nội dung hoàn toàn giống như qui định của CHnII 200-62. Để tính toán các nội lực do hoạt tải thẳng đứng gây ra, sơ đồ của tải trọng thiết kế được qui định là đoàn xe tiêu chuẩn H30 gồm 2 loại xe 3 trục có tổng tải trọng mỗi xe là 30 tấn xếp xen kẽ với cự ly 10m tính từ trục sau thứ hai đến trục trước của xe tiếp theo với chiều dài không hạn chế. Cả hai lọai xe này đều có trục trước là 6 tấn, trục sau tiếp theo là 12 tấn, nhưng một loại thì trục sau cách trục trước 4m, một loại cách trục trước 6m, tiếp đến là trục sau thứ hai 12 tấn cách trục sau trước đó 1,6m. Bề rộng bánh xe trước là 0,3m, bánh sau là 0,6m, chiêù dài tiếp xúc dọc cầu là 0,2m, bề rộng thùng xe là 2,9 m, khoảng cách trục xe theo phương ngang là 1,9m. Còn xe bánh XB80 gồm 4 trục 20 tấn có cự ly giữa các trục là 1,2m, mỗi trục gồm 2 bánh có cự ly giữa các bánh là 2,7m, bề rộng mỗi bánh là 0,8m. Theo thống kê có được đến nay thì không hề có loại xe tải 3 trục nào được sản xuất trên thế giới có tải trọng trục (khi chở đúng tải trọng thiết kế của xe) và cự li giữa các trục giống như hai loại xe tải tiêu chuẩn H30 nói trên và cũng không có loại xe bánh nào 4 trục có các thông số giống như xe bánh XB80. Còn đoàn xe tiêu chuẩn H10 hoặc H13 gồm các xe 2 trục. Các xe thiết kế này có trục trước 3 tấn (hoặc 3,9 tấn) trục sau 7 tấn (hoặc 9,1 tấn), hai trục cách nhau 4m và có một xe nặng có trục trước 3,5 tấn (hoặc 4,55 tấn) và trục sau 9,5 tấn (hoặc 12,35 tấn). Bề rộng thùng xe của các xe này là 2,7m. Các xe này đặt cách nhau 8m, riêng xe xếp sau xe nặng thì cự li chỉ là 4m. Xe xích

X60 có tổng trọng lượng 60 tấn, chiều dài 5m, hai vệt bánh xích có bề rộng mỗi vệt 0,7m, cự li hai vệt bánh là 2,6m. Theo thống kê có được đến nay thì cũng không hề có loại xe tải 2 trục nào hoặc xe xích nào được sản xuất trên thế giới có tải trọng trục (khi chở đúng tải trọng thiết kế của xe) và cự li giữa các trục giống như hai loại xe tải tiêu chuẩn H10 hoặc H13 và xe xích X60 nói trên.

- Cũng xin được lưu ý thêm là nếu có những phương tiện vận tải được chế tạo có bề rộng đến 2,9m và 2,7m như các xe tiêu chuẩn H30 và H10, H13 hoặc cự ly theo phương ngang giữa các trục bánh đến 2,7m và 2,6m (tức là bề ngang chiếm dụng lòng đường lên đến 3,5m hoặc 3,3m) như XB80 và X60 thì những phương tiện này cũng không thể được phép lưu hành một cách bình thường trên mạng đường bộ theo luật giao thông đường bộ của Việt Nam cũng như của bất cứ nước nào trên thế giới. Như vậy, các đoàn xe tiêu chuẩn, xe bánh, xe xích dùng để tính toán thiết kế này chỉ mang tính chất qui ước, giả định. Nếu bỏ qua thuật ngữ “đoàn xe thiết kế H30” thì ngoại lực tính toán cho trường hợp này thực chất sẽ chỉ là 2 dãy các lực tập trung có số lượng không hạn chế đặt cách nhau theo phương ngang cầu là 1,9m. Dãy lực tập trung này có các trị số 6 tấn, 12 tấn đặt cách nhau theo phương dọc cầu lần lượt là 4m; 6m; 1,6m. Các trường hợp tính toán nội lực do xe bánh XB80, H10, H13 hay X60 gây ra cũng có bản chất như vậy. Nhiệm vụ của người thiết kế là xếp các sơ đồ tải trọng này nhằm tìm ra nội lực lớn nhất do chúng gây ra ở tất cả các mặt cắt của kết cấu cầu để tiến hành tổ hợp với các trị số nội lực tương ứng do các tải trọng và tác động khác gây ra như trọng lượng bản thân kết cấu, tải trọng gió, tác động của động đất, biến thiên nhiệt độ, gối lún, co ngót, từ biến v. v. để phục vụ cho việc thiết kế cầu. Đã từng có những ông chủ thuê thử tải cầu gay gắt đòi đơn vị thử tải phải huy động đoàn xe thử tải ngoài việc xếp đủ tải trọng theo qui trình kiểm định cầu còn phải có đầy đủ các thông số như quy định của tiêu chuẩn 22TCN 18 - 79 nói trên, nếu không sẽ không đồng ý cho phép triển khai thực hiện công tác thử tải. Làm sao có thể đáp ứng được yêu cầu này khi mà đoàn xe tiêu chuẩn H30 không hề tồn tại trong thực tế vận tải đường bộ mà thực chất chỉ là các dãy lực tập trung mang tính giả định để phục vụ cho công tác tính toán nội lực khi thiết kế cầu như đã phân tích ở trên.

- Trong suốt hơn một phần tư thế kỷ qua, các cây cầu được xây dựng ở các tỉnh phía Bắc của nước ta đều được tính toán thiết kế chủ yếu xuất phát từ các sơ đồ tải trọng thiết kế H30 - XB 80; H13 - X60 hoặc H10 - X60 theo tiêu chuẩn 22TCN 18 - 79 nêu trên. Và trong một thời gian khá dài, nhiều cây cầu vừa được thiết kế và xây dựng theo các sơ đồ tải trọng này đã được cắm những tấm biển hạn chế tải trọng là 30 tấn, 13 tấn hoặc 10 tấn (?). Tương tự, các cây cầu ở phía Nam được thiết kế và xây dựng theo tiêu chuấn AASHO hoặc AASHTO với tải trọng thiết kế là H20 - 44 hoặc HS25 - 44 thì cũng được cắm biển hạn chế tải trọng là 20 tấn, 25 Tấn (?). Thậm chí vào những năm 90 của thế kỷ trước, trong một số dự án cầu ở nước ta được xây dựng bằng nguồn vốn ODA, tư vấn nước ngoài thiết kế theo tiêu chuẩn AASHTO đã rất sai lầm khi tăng tải trọng thiết kế HS20 - 44 lên 25% để “tương đương” với tải trọng thiết kế H30 của Việt Nam (?). Những quan niệm và cách làm này đã gây không ít khó khăn cho hoạt động vận tải đường bộ và làm qui mô, giá thành các cây cầu tăng lên không cần thiết. Chỉ sau khi tải trọng thiết kế HL93 có sơ đồ là tải trọng phân bố đều của tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272 - 01 (đã được bổ sung sửa đổi thành 22TCN 272 - 05) được áp dụng thì việc cắm biển hạn chế tải trọng 30 tấn đối với các cây cầu được xây dựng mới theo tải trọng thiết kế H30 hoặc HL93 mới được chấm dứt. Thế mà vẫn có những cây cầu gần đây sau khi xây dựng xong, các cơ quan chức năng vẫn đề nghị cắm biển hạn chế tải trọng xe là 30 Tấn với lập luận rằng cầu được thiết kế với H30 thì chỉ cho xe có trọng lượng tối đa là 30 Tấn qua cầu (?). Cụ thể trong hướng dẫn thiết kế cầu 272-05 có qui đổi tải trọng H10 ≅ 50%HL93; H13 ≅ 65%HL93. Có nghĩa là mật độ lưu thông cho những đường này ít nên ít nên độ mỏi kết cấu cũng ít đi, chứ không có nghĩa là chỉ cho xe 50% hay 65% HL93 mới được qua cầu.

- Còn đối với các cây cầu được thiết kế theo tải trọng thiết kế H13 hay H10 theo 22TCN 18 - 79 thì cũng không thể cho rằng tải trọng xe cho phép qua cầu tối đa là 13 tấn hay 10 tấn để cắm biển hạn chế tải trọng. Nếu căn cứ theo qui định của Điều 2.12 của 22TCN 18 -79 nói trên hoặc điều qui định tương tự của CHnII 200 - 62 của Liên xô trước đây thì các đường tỉnh, các đường cấp IV trở xuống có thể dùng H13 hay H10 để thiết kế và xây dựng. Điều này cũng tương tự như việc người Mỹ được phép sử dụng tải trọng thiết kế H15 - 44 hay HS20 - 44 hoặc HS25 - 44 của tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO để thiết kế và xây dựng cầu trên mạng đường bộ của nước Mỹ. Rõ ràng là trong mạng đường bộ chung của Liên xô trước đây và của nước Nga và của cả nước Mỹ cũng như các nước phát triển khác hiện nay không thể có việc các xe ô tô đã được phép lưu hành trên các đường quốc gia mà lại không được phép lưu hành trên các đường tỉnh, trừ trường hợp các xe có chiều dài không phù hợp với bán kính cong hạn chế của đường nên không thể lưu hành. Không hề có chuyện ở Nga có các biển hạn chế tải trọng 30 Tấn, 13 Tấn hay 10 Tấn được cắm ở đầu các cây cầu tương ứng được thiết kế theo H30, H13 hay H10. Trên mạng đường bộ của nước Mỹ cũng không hề có chuyện người ta cắm các biển hạn chế tải trọng 25 Tấn, 20 Tấn hoặc 15 Tấn tương ứng với các cầu được thiết kế theo các cấp tải trọng HS25 - 44, HS 20 - 44 hoặc HS15 - 44. Và cũng không hề có một nước phát triển nào trên thế giới làm việc này mặc dầu tải trọng thiết kế được qui định trong các tiêu chuẩn thiết kế cầu của họ cũng có các cấp khác nhau. Vậy thì tại sao họ lại cho phép sử dụng tải trọng thiết kế có trị số nhỏ hơn khi thiết kế, xây dựng những cây cầu trên các đường này? Vấn đề là do các tuyến đường này có lưu lượng xe ít hơn, cường độ vận tải thấp hơn. Để thỏa mãn tuổi thọ qui định của thiết kế đối với cây cầu như nhau thì các cây cầu có lưu lượng xe ít hơn, cường độ vận tải thấp hơn sẽ được tính toán với tải trọng thiết kế nhỏ hơn. Nếu như trong quá trình khai thác mà lưu lượng xe trên các tuyến đường này tăng lên nhiều, khác với dự báo ban đầu, thì sẽ phải căn cứ vào lưu lượng tăng lên này để xác định lại tuổi thọ còn lại của cây cầu đã bị giảm đi so với dự kiến ban đầu nhằm đưa ra lộ trình bảo trì chứ không phải là để cắm biển hạn chế tải trọng.

- Tóm lại, sơ đồ tải trọng xe và đoàn xe thiết kế được qui định trong các tiêu chuẩn thiết kế cầu đều mang tính chất lý thuyết và giả định sao cho việc tính toán thiết kế được đơn giản nhưng các cây cầu được thiết kế và xây dựng phải đáp ứng yêu cầu lưu hành bình thường cho tất cả các phương tiện giao thông được chế tạo để làm nhiệm vụ vận tải đường bộ. Việc lấy nguyên xi các trị số taỉ trọng xe 30 tấn, 25 tấn, 20 tấn, 13 tấn hoặc 10 tấn được qui định trong các tiêu chuẩn thiết kế cầu để qui định tải trọng khai thác và cắm biển hạn chế tải trọng đối với các cầu vừa được xây dựng và đưa vào khai thác là không đúng và cần được chấm dứt.

- Tương tự, cũng không thể tiến hành thử tải bằng một đoàn xe nào đó theo cách thử tải được hiểu rất phiến diện hiện nay để rồi đưa ra những kết luận thiếu căn cứ về việc cắm biển hạn chế tải trọng của những cây cầu bị nghi ngờ là đã xuống cấp hay như nhiều người vẫn gọi theo cảm tính chủ quan, chưa đủ căn cứ là “cầu yếu”. Xin được bàn về vấn đề cắm biển hạn chế tải trọng đối với loại cầu này trong một bài viết khác.