Tổng quan nghiên cứu

Trong hơn 20 năm qua, công nghệ ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tubes - CFST) đã tạo nên bước đột phá vượt bậc trong ngành kỹ thuật công trình toàn cầu với hơn 400 cây cầu vòm quy mô lớn được xây dựng tại Trung Quốc, tiêu biểu là cầu Pingnan Third có nhịp chính dài kỷ lục 575 m, hay tòa tháp Trung tâm thương mại Osaka World tại Nhật Bản với chiều cao 256 m. Tại Việt Nam, giải pháp kết cấu liên hợp này đã được ứng dụng thành công tại các công trình trọng điểm như cầu Ông Lớn, cầu Xóm Củi và cầu Cần Giuộc. Mặc dù các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số dành cho cột chịu nén CFST đã đạt được nhiều thành tựu rõ nét, mảng nghiên cứu về ứng xử chịu uốn của dầm CFST tiết diện vuông vẫn còn khá hạn chế, tạo ra khoảng trống kỹ thuật đáng kể trong việc tối ưu hóa thiết kế khung nhà cao tầng và cầu vượt nhịp lớn.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng (Mã số: 8580201) do học viên Nguyễn Thiên Phú thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Cao Văn Vui và TS. Lê Bá Khánh tại Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM (hoàn thành tháng 12/2023, bảo vệ thành công ngày 25/01/2024) tập trung giải quyết trọn vẹn bài toán này. Mục tiêu cốt lõi của đề tài là xây dựng mô hình phần tử hữu hạn 3D phi tuyến có độ chính xác cao trên phần mềm ABAQUS nhằm mô phỏng ứng xử chịu uốn của dầm CFST tiết diện vuông 150 × 150 × 4 mm, chiều dài 1400 mm dưới tác dụng của tải trọng nén đơn thuần. Nghiên cứu thực hiện khảo sát tham số toàn diện về ảnh hưởng của cường độ bê tông (từ 38 MPa đến 80 MPa), giới hạn chảy của thép (từ 235 MPa đến 630 MPa) và tỷ số kích thước trên chiều dày D/t (từ 25 đến 75). Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, cung cấp hệ thống dữ liệu định lượng chuẩn xác giúp tăng khả năng chịu tải giới hạn lên đến 148,93%, hỗ trợ trực tiếp cho các kỹ sư kết cấu trong việc tính toán thiết kế dầm liên hợp tối ưu về kỹ thuật và tiết kiệm đáng kể chi phí cốp pha trong thi công thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng nền tảng cơ học kết cấu liên hợp hiện đại kết hợp với các mô hình phi tuyến vật liệu tiên tiến nhằm tái hiện chính xác ứng xử chịu uốn của dầm CFST. Ba trụ cột lý thuyết và mô hình tính toán nòng cốt bao gồm:

  1. Mô hình phá hoại dẻo của bê tông (Concrete Damaged Plasticity Model - CDPM): Ứng dụng mô hình bê tông bị kiềm chế (Confined Concrete) do Han và cộng sự đề xuất để mô tả chính xác giai đoạn đàn hồi - dẻo và giai đoạn tái bền khi chịu nén. Trạng thái ứng suất sau nứt được kiểm soát bởi hệ số kháng nở hông ξ với giá trị ngưỡng chuẩn hóa ξ₀ = 4,5 cho tiết diện vuông. Đối với vùng bê tông chịu kéo, mô hình hóa mềm biến dạng (Strain Softening) của Massicotte được tích hợp, giả định ứng suất suy giảm tuyến tính về 0 khi tổng biến dạng đạt xấp xỉ 16 lần biến dạng tại vết nứt đầu tiên (εcr = 0,00017 với cường độ kéo giới hạn fct max = 6,38 MPa).
  2. Mô hình vật liệu thép đàn hồi - dẻo tái bền song tuyến tính: Áp dụng mô hình chuẩn của Han và cộng sự với nhánh đàn hồi có mô-đun Es = 200.000 MPa, điểm chảy dẻo fy = 430 MPa và nhánh tái bền tuyến tính có hệ số góc bằng 0,01Es với giới hạn bền fu = 547 MPa.
  3. Cơ chế tương tác tiếp xúc bề mặt và hiệu ứng kháng nở hông: Tương tác giữa mặt trong ống thép và lõi bê tông được định nghĩa qua cơ chế tiếp xúc bề mặt Master-Slave (Hard Contact theo phương pháp tuyến và mô hình ma sát Coulomb theo phương tiếp tuyến với hệ số ma sát μ = 0,6; góc giãn nở bê tông ψ = 40°; độ lệch tâm ef = 0,1). Khái niệm tương tác liên hợp giải thích cơ chế truyền ứng suất cắt và sự triệt tiêu hiện tượng mất ổn định cục bộ của thành thép mỏng nhờ lõi bê tông nâng đỡ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis - FEA) phi tuyến 3D trên phần mềm ABAQUS kết hợp với phương pháp đàn hồi - dẻo tương đương để xác định các đặc trưng cơ học của dầm.

  • Nguồn dữ liệu và kiểm chứng mô hình: Tập mẫu kiểm chứng chuẩn được trích xuất từ dữ liệu thực nghiệm dầm SCW1-2 chịu uốn 4 điểm do Li và cộng sự thực hiện. Mẫu thử có chiều dài 1400 mm, khoảng cách giữa 2 gối tựa là 1200 mm, hai điểm đặt tải cách tâm giữa nhịp 200 mm, tiết diện vuông 150 × 150 mm, chiều dày thành thép 4 mm, bê tông mác cao f'c = 80 MPa và giới hạn chảy của thép fy = 430 MPa.
  • Lựa chọn loại phần tử và kỹ thuật chia lưới: Ống thép và lõi bê tông được mô hình hóa hoàn toàn bằng phần tử khối 8 nút tích phân rút gọn C3D8R (Continuum 3D 8-node Reduced Integration). Kích thước mắt lưới tối ưu được lựa chọn qua phân tích hội tụ là 40 mm, đảm bảo cân bằng lý tưởng giữa độ chính xác của kết quả ứng suất - biến dạng và thời gian xử lý của máy tính. Các tấm đệm gối tựa và điểm truyền lực được mô hình hóa thành các tấm tuyệt đối cứng liên kết với các điểm tham chiếu (Reference Point).
  • Quy trình phân tích và mốc thời gian: Sử dụng thuật toán gia tải phi tuyến tĩnh dưới dạng kiểm soát chuyển vị cưỡng bức theo phương đứng lên đến 50 mm tại giữa nhịp dầm. Dữ liệu mô phỏng được thu thập và phân tích liên tục trong mốc thời gian từ ngày 04/09/2023 đến ngày 18/12/2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích số liệu mô phỏng từ 25 kịch bản tham số mở rộng đã đưa ra các phát hiện mang tính quy luật rõ rệt về ứng xử cơ học của dầm CFST:

  1. Ảnh hưởng vượt trội của giới hạn chảy của thép (fy): Khi giữ nguyên cường độ bê tông và tăng giới hạn chảy của thép từ 235 MPa lên 630 MPa, độ cứng đàn hồi (ke) của dầm hầu như không biến đổi, tuy nhiên các chỉ số sau chảy dẻo tăng trưởng đột phá: độ cứng chảy dẻo (kp) tăng từ 18,25% đến 88,32%, tải trọng chảy dẻo (Py) tăng từ 40,61% đến 142,62%, và tải trọng uốn giới hạn (Pu) tăng mạnh mẽ từ 32,43% đến 148,93%.
  2. Tác động kiểm soát của tỷ số độ mảnh D/t: Khi giảm tỷ số D/t từ 75 xuống 25 (tương ứng với việc tăng độ dày thành ống thép từ mỏng đến dày), độ cứng đàn hồi (ke) tăng vọt từ 23,78% đến 129,14%, độ cứng chảy dẻo (kp) tăng từ 25,63% đến 47,50%, tải trọng chảy dẻo (Py) tăng từ 21,77% đến 127,02%, và tải trọng giới hạn (Pu) tăng từ 28,17% đến 108,23%.
  3. Ảnh hưởng thứ yếu của cường độ nén bê tông (f'c): Khảo sát dải cường độ bê tông từ 38 MPa đến 80 MPa cho thấy sự thay đổi về độ cứng đàn hồi, tải trọng chảy dẻo và tải trọng giới hạn của dầm dao động dưới 5%, chứng minh cường độ bê tông chỉ đóng vai trò thứ cấp trong khả năng chịu uốn thuần túy.
  4. Mức độ phù hợp xuất sắc của mô hình số: Đường cong quan hệ tải trọng - chuyển vị giữa nhịp (P - Δ) thu được từ mô hình phần tử hữu hạn C3D8R 40 mm hoàn toàn trùng khớp với đường cong thực nghiệm của Li và cộng sự trên toàn bộ các giai đoạn làm việc đàn hồi, đàn hồi - dẻo và biến dạng dẻo lớn với độ võng tối đa đạt 50 mm.

Thảo luận kết quả

Cơ chế cơ học giải thích vì sao cường độ thép và tỷ số D/t chi phối toàn diện ứng xử của dầm CFST chịu uốn: Dưới tác dụng của mô-men uốn thuần túy, ống thép nằm ở thớ biên ngoài cùng chịu toàn bộ ứng suất kéo và nén cực đại của mặt cắt. Lõi bê tông bên trong dù chịu nén ở vùng trên nhưng chủ yếu đóng vai trò như một gối tựa liên tục chống lại hiện tượng oằn méo hoặc mất ổn định cục bộ của các vách thép mỏng, đồng thời truyền ứng suất cắt thông qua ma sát tiếp xúc (μ = 0,6). Do đó, việc nâng cao cường độ chịu nén của lõi bê tông từ 38 MPa lên 80 MPa không làm gia tăng đáng kể cánh tay đòn nội lực, trong khi việc tăng chiều dày bản thép (giảm D/t từ 75 xuống 25) hay tăng mác thép (tăng fy lên 630 MPa) trực tiếp làm tăng diện tích và khả năng chịu kéo nén của thớ biên.

Khi so sánh kết quả mô phỏng với các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu liên hợp quốc tế:

  • Tiêu chuẩn Eurocode 4 (EC4): Đạt độ tương thích cao nhất với sai số chỉ từ 10% đến 11% so với giá trị thực nghiệm, là tiêu chuẩn an toàn và tin cậy nhất để áp dụng.
  • Tiêu chuẩn AISC và AIJ: Dự báo khả năng chịu uốn thấp hơn từ 15% đến 20% so với kết quả mô phỏng và thực tế, do các tiêu chuẩn này đưa ra hệ số an toàn khá cao và giả định phân bố ứng suất dẻo bảo thủ.
  • Tiêu chuẩn BS 5400: Cho kết quả thấp hơn thực nghiệm khoảng 12%.

Toàn bộ các biểu đồ phân bố ứng suất Von Mises và đường cong ứng xử tải trọng - độ võng (P - Δ) được xây dựng trong nghiên cứu đã phản ánh trực quan sự dịch chuyển trục trung hòa và quá trình hình thành khớp dẻo tại vùng giữa nhịp dầm mà không xuất hiện sự suy giảm tải trọng đột ngột.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả phân tích số liệu định lượng, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao:

  1. Tối ưu hóa lựa chọn tỷ số hình học D/t trong thiết kế dầm liên hợp: Các đơn vị tư vấn thiết kế nên khống chế tỷ số D/t trong phạm vi từ 25 đến 37,5 cho các cấu kiện dầm CFST tiết diện vuông nhịp từ 6 m đến 15 m. Giải pháp này giúp tăng độ cứng đàn hồi của dầm lên đến 129,14% và nâng tải trọng uốn giới hạn thêm hơn 100%, kiểm soát hiệu quả độ võng công trình mà không làm tăng kích thước bao ngoài.
  2. Tiết kiệm chi phí vật liệu thông qua lựa chọn cấp phối bê tông hợp lý: Thay vì sử dụng bê tông cường độ siêu cao (f'c ≥ 80 MPa) vốn đòi hỏi phụ gia đắt đỏ và công nghệ thi công phức tạp, các nhà thầu nên ưu tiên sử dụng bê tông thương phẩm thông thường với cường độ f'c từ 38 MPa đến 48 MPa. Biện pháp này giúp cắt giảm từ 20% đến 25% chi phí vật liệu bê tông cho mỗi mét dài dầm mà vẫn đảm bảo hơn 95% khả năng chịu tải so với bê tông mác 80 MPa.
  3. Chuẩn hóa quy trình mô phỏng phi tuyến cho doanh nghiệp tư vấn kết cấu: Đề xuất các viện nghiên cứu và phòng kỹ thuật kết cấu áp dụng quy trình thiết lập mô hình ABAQUS với phần tử C3D8R (kích thước lưới 40 mm), kết hợp mô hình bê tông CDPM (góc giãn nở ψ = 40°, hệ số ma sát Coulomb μ = 0,6) để kiểm tra ứng xử phi tuyến của dầm CFST trước khi thi công, rút ngắn thời gian thử nghiệm tải trọng tĩnh từ 3 tháng xuống còn 2 tuần.
  4. Hoàn thiện hệ thống tiêu chuẩn thiết kế kết cấu liên hợp tại Việt Nam: Kiến nghị Bộ Xây dựng và các cơ quan quản lý chuyên ngành đẩy nhanh tiến độ biên soạn, cập nhật tiêu chuẩn quốc gia về thiết kế dầm ống thép nhồi bê tông trong giai đoạn 2024-2026, trong đó khuyến nghị tiếp thu trực tiếp khung tính toán của Eurocode 4 (EC4) để đạt độ chính xác cao và tiết kiệm vật liệu từ 10% đến 15% so với các phương pháp cũ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật chuyên sâu cho 4 nhóm đối tượng chính:

  1. Kỹ sư kết cấu công trình dân dụng và công nghiệp: Cung cấp bảng tra định lượng chi tiết về độ cứng đàn hồi, độ cứng chảy dẻo và tải trọng giới hạn tương ứng với từng mác thép (235 - 630 MPa) và tỷ số D/t (25 - 75), hỗ trợ trực tiếp việc thiết kế hệ dầm liên hợp khẩu độ lớn cho nhà cao tầng và sàn công nghiệp nặng.
  2. Kỹ sư tư vấn và nhà thầu xây dựng cầu đường: Nắm vững cơ chế uốn và tương tác dính bám ma sát để áp dụng chính xác cho kết cấu dầm chủ, vòm cầu vượt nhịp lớn (như mô hình cầu Ông Lớn hay cầu Cần Giuộc), giảm tải trọng bản thân công trình lên đến 36%.
  3. Học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên ngành Kỹ thuật Xây dựng: Sử dụng như tài liệu mẫu chuẩn mực về phương pháp mô hình hóa vật liệu phi tuyến CDPM của Han, mô hình làm mềm bê tông của Massicotte và kỹ thuật chia lưới phần tử C3D8R trên phần mềm ABAQUS.
  4. Chủ đầu tư và giám đốc quản lý dự án: Đánh giá bài toán hiệu quả kinh tế khi chuyển đổi từ dầm bê tông cốt thép truyền thống sang dầm CFST, tận dụng vỏ ống thép làm cốp pha tự mang giúp rút ngắn 30% tiến độ thi công sàn dầm.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cường độ bê tông lại ít ảnh hưởng đến khả năng chịu uốn của dầm CFST?

Trong dầm CFST chịu uốn thuần túy, ứng suất kéo và nén tập trung lớn nhất tại thớ biên của ống thép ngoài. Lõi bê tông chủ yếu đóng vai trò nâng đỡ chống mất ổn định vách thép và chịu nén cục bộ. Do đó, khi tăng cường độ bê tông từ 38 MPa lên 80 MPa, khả năng chịu tải giới hạn của dầm chỉ biến thiên dưới 5%.

Giới hạn chảy của thép ảnh hưởng như thế nào đến khả năng chịu lực của dầm CFST?

Giới hạn chảy của thép chi phối quyết định đến giai đoạn sau chảy dẻo. Khi fy tăng từ 235 MPa lên 630 MPa, độ cứng đàn hồi giữ nguyên nhưng độ cứng chảy dẻo tăng 18,25% đến 88,32%, tải trọng chảy dẻo tăng 40,61% đến 142,62% và tải trọng giới hạn tăng vượt bậc từ 32,43% đến 148,93%.

Tỷ số D/t có vai trò kỹ thuật gì trong việc khống chế độ võng của dầm?

Tỷ số D/t quyết định trực tiếp chiều dày thành thép so với kích thước tiết diện. Khi giảm tỷ số D/t từ 75 xuống 25, diện tích mặt cắt thép tăng lên làm độ cứng đàn hồi tăng vọt từ 23,78% đến 129,14%, giúp kiểm soát độ võng dầm cực kỳ hiệu quả trong giới hạn cho phép 50 mm.

Nên áp dụng tiêu chuẩn thiết kế quốc tế nào để tính toán dầm CFST?

Kết quả kiểm chứng chỉ ra rằng tiêu chuẩn Eurocode 4 (EC4) là công cụ tính toán chính xác nhất với độ chênh lệch chỉ từ 10% đến 11% so với mô phỏng và thực nghiệm. Các tiêu chuẩn như AISC hoặc AIJ đánh giá khả năng chịu uốn thấp hơn thực tế khoảng 15% đến 20%.

Cần thiết lập các thông số tiếp xúc nào trong ABAQUS để mô phỏng chính xác dầm CFST?

Để mô phỏng chính xác, cần khai báo tương tác Master-Slave với bề mặt ống thép là mặt Master, lõi bê tông là mặt Slave. Tiếp xúc pháp tuyến chọn Hard Contact, tiếp xúc tiếp tuyến chọn mô hình ma sát Coulomb với hệ số ma sát μ = 0,6 và góc giãn nở bê tông ψ = 40°.

Kết luận

  • Xây dựng thành công mô hình phần tử hữu hạn 3D trên ABAQUS sử dụng phần tử khối C3D8R kích thước lưới 40 mm, mô phỏng hoàn hảo ứng xử chịu uốn của dầm CFST với độ chính xác cao khi kiểm chứng bằng thực nghiệm.
  • Khẳng định cường độ thép fy là yếu tố chi phối mạnh mẽ nhất đến khả năng chịu tải sau đàn hồi, giúp tăng tải trọng giới hạn Pu lên tới 148,93% khi nâng giới hạn chảy từ 235 MPa lên 630 MPa.
  • Xác lập quy luật ảnh hưởng của tỷ số D/t, chứng minh việc giảm D/t từ 75 xuống 25 làm tăng độ cứng đàn hồi tới 129,14% và tăng tải trọng uốn giới hạn tới 108,23%.
  • Chỉ rõ cường độ chịu nén của bê tông (từ 38 MPa đến 80 MPa) có ảnh hưởng không đáng kể đến ứng xử uốn thuần túy, mở ra cơ hội tối ưu hóa chi phí cấp phối bê tông trong xây dựng thực tế.
  • Đóng góp cơ sở dữ liệu khoa học tin cậy để đề xuất cập nhật các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu liên hợp tại Việt Nam tương thích với Eurocode 4 trong giai đoạn 2024-2026.

Trong các bước tiếp theo, các hướng nghiên cứu nên mở rộng phân tích dầm CFST chịu tải trọng động đất chu kỳ, tác động va chạm và tải trọng cháy nổ; các kỹ sư và đơn vị tư vấn hãy liên hệ áp dụng ngay giải pháp mô phỏng số dầm CFST để tối ưu hóa hiệu quả kinh tế cho các dự án kết cấu nhịp lớn.