Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng công trình giao thông, kết cấu cầu khung nhiều nhịp với trụ thân đôi ngày càng được ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam. Theo ước tính, các công trình cầu sử dụng trụ thân đôi chiếm tỷ lệ tăng trưởng đáng kể trong các dự án cầu đường hiện đại do ưu điểm về tính dẻo, khả năng chống động đất và tính thẩm mỹ cao. Tuy nhiên, hiện nay vẫn còn rất ít nghiên cứu chuyên sâu về ảnh hưởng của độ mảnh trụ thân đôi đến sự phân bố nội lực trong kết cấu cầu khung nhiều nhịp, đặc biệt là so sánh với trụ thân đơn truyền thống. Luận văn thạc sĩ này nhằm mục tiêu nghiên cứu ảnh hưởng của độ mảnh trụ thân đôi đến sự phân bố nội lực trong kết cấu cầu khung nhiều nhịp, sử dụng mô hình phần tử hữu hạn trên phần mềm Midas để phân tích và so sánh với kết cấu trụ thân đơn. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các kết cấu cầu khung ba nhịp, với các trường hợp tải trọng thực tế như tải xe 3 trục, tải lực hãm xe, tải HL93 và tải ngang đại diện cho lực gió. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2022 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu thiết kế kết cấu cầu, nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu và đảm bảo an toàn kết cấu trong các công trình cầu hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình thiết kế cột chịu nén lệch tâm theo tiêu chuẩn ACI 318 và các tài liệu chuyên ngành về kết cấu bê tông cốt thép. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết cột chịu nén lệch tâm: Phân tích ứng suất và biến dạng trong cột chịu đồng thời lực nén và mô men uốn, sử dụng đường cong tương tác Pn - Mn để xác định khả năng chịu lực của cột. Khái niệm độ lệch tâm e = M/P được sử dụng để đánh giá trạng thái làm việc của cột.

  2. Ảnh hưởng của độ mảnh đến độ bền cột: Sử dụng công thức Euler để xác định tải trọng tới hạn gây mất ổn định, với độ mảnh được tính bằng tỷ số kl/r (chiều dài tính toán trên bán kính quán tính). Phương pháp khuếch đại mô men được áp dụng để điều chỉnh mô men tính toán nhằm phản ánh ảnh hưởng của độ mảnh trong các hệ khung giằng và không giằng.

Các khái niệm chính bao gồm: độ mảnh (slenderness ratio), mô men uốn (bending moment), lực nén dọc trục (axial force), hệ số khuếch đại mô men (moment amplification factor), và đường cong tương tác Pn - Mn.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn trên phần mềm Midas để mô phỏng kết cấu cầu khung nhiều nhịp với trụ thân đôi và trụ thân đơn. Cỡ mẫu mô hình bao gồm các trường hợp phân tích với các biến số chính là độ mảnh của trụ (chiều dày thân trụ từ 0.5 m đến 1.5 m), loại trụ (thân đôi, thân đơn, dầm), và các loại tải trọng (tải xe 3 trục, tải lực hãm, tải HL93, tải ngang theo phương Oy). Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn các trường hợp đại diện cho các điều kiện thực tế phổ biến trong thiết kế cầu.

Nguồn dữ liệu thu thập từ các công trình cầu thực tế như cầu Đông Bình, cầu Hàm Luông, cầu Pá Uôn và cầu Móng Sến, kết hợp với tiêu chuẩn AASHTO-LRFD12 và các tài liệu kỹ thuật liên quan. Phân tích dữ liệu tập trung vào các chỉ số nội lực như mô men uốn My, lực dọc Fx, lực ngang Fy, và mô men xoắn Mz tại các mặt cắt khảo sát trên trụ cầu.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2022, bao gồm giai đoạn xây dựng mô hình, phân tích tham số, tổng hợp kết quả và đánh giá.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của độ mảnh đến nội lực trụ thân đôi: Khi độ mảnh tăng (chiều dày thân trụ giảm từ 1.5 m xuống 0.5 m), mô men uốn My tại đỉnh trụ tăng lên khoảng 15-20%, trong khi lực dọc Fx giảm nhẹ khoảng 5%. Điều này cho thấy trụ mảnh hơn chịu mô men lớn hơn, cần bố trí cốt thép hợp lý để đảm bảo an toàn.

  2. So sánh nội lực giữa trụ thân đôi và trụ thân đơn: Trụ thân đôi có mô men uốn My thấp hơn trung bình 12% so với trụ thân đơn dưới cùng điều kiện tải trọng, đồng thời lực ngang Fy cũng giảm khoảng 10%. Điều này chứng tỏ trụ thân đôi có khả năng phân bố nội lực hiệu quả hơn, giảm ứng suất tập trung.

  3. Ảnh hưởng của loại tải trọng: Tải trọng HL93 và tải lực hãm xe làm tăng mô men uốn My lên đến 25% so với tải xe 3 trục thông thường. Tải ngang theo phương Oy (đại diện lực gió) gây ra lực ngang Fy tăng khoảng 30%, ảnh hưởng đáng kể đến thiết kế cốt thép đai và khả năng chống cắt.

  4. Hiệu quả của phương pháp khuếch đại mô men: Việc áp dụng hệ số khuếch đại mô men δb theo tiêu chuẩn ACI 318 giúp điều chỉnh mô men tính toán phù hợp với ảnh hưởng độ mảnh, đảm bảo kết cấu trụ không bị mất ổn định. Ví dụ, với độ mảnh λ = 22, hệ số δb được xác định là 1.2, tăng mô men tính toán lên 20% so với mô men ban đầu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự gia tăng mô men uốn khi độ mảnh tăng là do giảm khả năng chống uốn của trụ mảnh, làm tăng biến dạng và ứng suất tại các vị trí chịu lực lớn. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng độ mảnh trong kết cấu bê tông cốt thép. So với trụ thân đơn, trụ thân đôi với cấu tạo hai thân mỏng giúp phân bố nội lực đồng đều hơn, giảm ứng suất tập trung và tăng tính dẻo dai của kết cấu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tương quan nội lực - độ mảnh, thể hiện xu hướng tăng mô men uốn My và lực ngang Fy khi độ mảnh tăng. Bảng tổng hợp nội lực các trường hợp phân tích cũng minh họa rõ sự khác biệt giữa các loại trụ và tải trọng.

Ý nghĩa của kết quả nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế trụ cầu thân đôi với độ mảnh tối ưu, đảm bảo an toàn kết cấu và tiết kiệm vật liệu. Đồng thời, nghiên cứu góp phần hoàn thiện tiêu chuẩn thiết kế trụ thân đôi tại Việt Nam, hỗ trợ các kỹ sư trong công tác thiết kế và thi công cầu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa độ mảnh trụ thân đôi: Khuyến nghị thiết kế trụ thân đôi với độ mảnh λ không vượt quá 22 để đảm bảo khả năng chịu lực và ổn định kết cấu. Chủ thể thực hiện: các đơn vị thiết kế cầu, thời gian áp dụng: ngay trong các dự án cầu mới.

  2. Áp dụng phương pháp khuếch đại mô men trong tính toán: Sử dụng hệ số δb theo tiêu chuẩn ACI 318 để điều chỉnh mô men tính toán, đặc biệt với trụ mảnh, nhằm tránh đánh giá thấp nội lực. Chủ thể thực hiện: kỹ sư thiết kế kết cấu, thời gian: trong quá trình thiết kế và kiểm tra kết cấu.

  3. Bố trí cốt thép hợp lý cho trụ thân đôi: Dựa trên kết quả mô phỏng, bố trí cốt thép dọc và cốt đai đảm bảo hàm lượng tối thiểu 0.135% diện tích mặt cắt, đồng thời kiểm tra cắt và uốn 2 chiều để đảm bảo an toàn. Chủ thể thực hiện: nhà thầu thi công và kỹ sư giám sát, thời gian: trong giai đoạn thi công.

  4. Nâng cao nghiên cứu và hoàn thiện tiêu chuẩn thiết kế trụ thân đôi: Khuyến khích các viện nghiên cứu và cơ quan quản lý xây dựng phát triển tiêu chuẩn thiết kế trụ thân đôi phù hợp với điều kiện Việt Nam, dựa trên các kết quả nghiên cứu thực tế. Thời gian: trung hạn, 2-3 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu cầu: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu và phương pháp phân tích nội lực trụ thân đôi, hỗ trợ tối ưu thiết kế, giảm chi phí vật liệu và tăng độ bền công trình.

  2. Nhà thầu thi công cầu: Hiểu rõ yêu cầu về bố trí cốt thép và kiểm tra nội lực giúp thi công chính xác, đảm bảo chất lượng và an toàn kết cấu.

  3. Viện nghiên cứu và cơ quan quản lý xây dựng: Tài liệu tham khảo để phát triển tiêu chuẩn thiết kế trụ thân đôi, nâng cao chất lượng công trình cầu giao thông.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật xây dựng công trình giao thông: Cung cấp kiến thức chuyên sâu về phân tích kết cấu cầu khung nhiều nhịp, phương pháp phần tử hữu hạn và ảnh hưởng của độ mảnh trong thiết kế kết cấu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Độ mảnh trụ thân đôi ảnh hưởng như thế nào đến nội lực trong kết cấu cầu?
    Độ mảnh tăng làm mô men uốn tại trụ tăng khoảng 15-20%, giảm khả năng chịu lực và ổn định. Ví dụ, trụ mảnh hơn có mô men uốn My cao hơn so với trụ dày hơn, cần bố trí cốt thép phù hợp để đảm bảo an toàn.

  2. So sánh ưu điểm của trụ thân đôi và trụ thân đơn trong cầu khung nhiều nhịp?
    Trụ thân đôi phân bố nội lực đồng đều hơn, giảm mô men uốn và lực ngang khoảng 10-12% so với trụ thân đơn, giúp tăng tính dẻo dai và thẩm mỹ công trình.

  3. Phương pháp khuếch đại mô men được áp dụng như thế nào trong thiết kế trụ mảnh?
    Phương pháp này nhân mô men tính toán với hệ số δb (khoảng 1.2 với độ mảnh λ=22) để phản ánh ảnh hưởng của độ mảnh, tránh đánh giá thấp nội lực và nguy cơ mất ổn định.

  4. Các loại tải trọng nào được xem xét trong nghiên cứu này?
    Nghiên cứu phân tích tải xe 3 trục, tải lực hãm xe, tải HL93 và tải ngang đại diện cho lực gió, nhằm phản ánh các điều kiện tải trọng thực tế trên cầu.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế cầu thực tế?
    Kết quả cung cấp cơ sở lựa chọn độ mảnh trụ, bố trí cốt thép và áp dụng hệ số khuếch đại mô men trong tính toán, giúp kỹ sư thiết kế tối ưu kết cấu cầu thân đôi, đảm bảo an toàn và tiết kiệm vật liệu.

Kết luận

  • Luận văn đã nghiên cứu và phân tích ảnh hưởng của độ mảnh trụ thân đôi đến sự phân bố nội lực trong kết cấu cầu khung nhiều nhịp, sử dụng phần mềm Midas và phương pháp phần tử hữu hạn.
  • Kết quả cho thấy độ mảnh tăng làm mô men uốn tại trụ tăng 15-20%, trong khi trụ thân đôi có nội lực thấp hơn trụ thân đơn khoảng 10-12%.
  • Phương pháp khuếch đại mô men theo tiêu chuẩn ACI 318 được áp dụng hiệu quả để điều chỉnh nội lực tính toán cho trụ mảnh.
  • Nghiên cứu góp phần hoàn thiện cơ sở khoa học cho thiết kế trụ thân đôi, hỗ trợ tối ưu hóa kết cấu cầu và tiết kiệm vật liệu.
  • Đề xuất các giải pháp thiết kế và khuyến nghị áp dụng trong thực tế, đồng thời mở hướng nghiên cứu tiếp theo về tiêu chuẩn thiết kế trụ thân đôi tại Việt Nam.

Hành động tiếp theo là áp dụng kết quả nghiên cứu vào các dự án cầu mới và phát triển tiêu chuẩn thiết kế phù hợp nhằm nâng cao chất lượng công trình giao thông.