Luận văn thạc sĩ về ứng dụng cầu cạn khung thép trong xây dựng đường miền núi Việt Nam

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng kết cấu cầu cạn khung thép cho đường miền núi tại Việt Nam, góp phần phát triển hạ tầng giao thông.

• Tác giả: Nguyễn Thái Khiêm
• Người hướng dẫn: Tiến Sĩ Nguyễn Cảnh Tuấn
• Trường học: Đại Học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Giao Thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Kết Cấu Cầu Cạn Khung Thép Cho Đường Miền Núi Ở Việt Nam
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: NỘI DUNG ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tính cấp thiết đề tài
• 1.2. Mục tiêu luận văn
• 1.3. Phạm vi luận văn
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Dự kiến kết quả
• 1.6. Thực trạng sạt lở đường miền núi hiện tại ở Việt Nam
• 1.7. Giới thiệu giải pháp Metal Road
• 1.7.1. Tình hình sử dụng kết cấu Metal Road trên thế giới
• 1.7.2. Tình hình sử dụng kết cấu Metal Road ở Việt Nam
• 1.7.3. Sơ đồ cấu tạo của Metal Road
• 1.7.4. Các yếu tố ảnh hưởng tới Metal Road
• 1.7.5. Biện pháp thi công Metal Road
• 1.7.5.1. Biện pháp thi công
• 1.8. Phạm vi nghiên cứu của đề tài
• 1.8.1. Thiết kế Metal Road cho đèo Bảo Lộc
• 1.8.2. Nghiên cứu mối nối cơ học cho cọc ống thép
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ METAL ROAD
• 2.1. Tính toán nội lực
• 2.1.1. Nhóm tải trọng thường xuyên
• 2.1.2. Nhóm hoạt tải và tác động của hoạt tải
• 2.1.2.1. Hoạt tải xe HL-93 và hoạt tải người đi bộ PL
• 2.1.3. Tải trọng gió
• 2.1.3.1. Gió tác dụng lên kết cấu (WS)
• 2.1.3.2. Tải trọng gió tác dụng lên xe cộ (WL)
• 2.1.4. Tổ hợp tải trọng
• 2.2. Sơ lược về phần mềm mô phỏng MIDAS CIVIL
• 2.3. Các bước cơ bản mô hình cầu hệ khung bằng Midas
• 2.3.1. Khai báo thông số đầu vào cơ bản
• 2.3.2. Mô phỏng cầu khung thép
• 2.3.3. Khai báo các loại tải trọng tác dụng
• 2.3.4. Xuất và so sánh kết quả
• 3. CHƯƠNG 3: LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VÀ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN MỐI NỐI CƠ HỌC CHO CỌC ỐNG THÉP
• 3.1. Lý thuyết tính toán mối nối cơ học bê tông cốt thép
• 3.2. Giới thiệu cơ bản về phần mềm ABAQUS
• 3.3. Mô hình mối nối cơ học bê tông cốt thép bằng ABAQUS
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN METAL ROAD
• 4.1. Thiết kế bản mặt cầu
• 4.1.1. Mặt cắt ngang điển hình
• 4.1.2. Thiết kế cốt thép trong bản mặt cầu
• 4.2. Thiết kế hệ dầm chính
• 4.2.1. Thiết kế mặt cắt ngang
• 4.2.2. Kiểm toán mô men dương lớn nhất ở dầm chính
• 4.2.3. Kiểm toán mô men âm lớn nhất ở dầm chính
• 4.2.4. Kiểm toán mô men dương lớn nhất ở dầm biên
• 4.2.5. Kiểm toán mô men âm lớn nhất ở dầm biên
• 4.2.6. Kiểm toán khả năng chịu cắt của dầm chính
• 4.3. Thiết kế hệ khung dầm ngang
• 4.3.1. Kiểm toán mô men dương lớn nhất ở dầm ngang
• 4.3.2. Kiểm toán mô men âm lớn nhất ở dầm ngang
• 4.3.3. Kiểm toán khả năng chịu cắt của dầm biên
• 4.4. Thiết kế bản mã
• 4.4.1. Kết nối dầm chính với dầm ngang
• 4.4.2. Kết nối dầm ngang với dầm biên
• 4.5. Thiết kế hệ cọc ống thép
• 4.5.1. Kiểm tra khả năng chịu tải của kết cấu cọc ống thép
• 4.5.2. Kiểm tra khả năng chịu tải của đất nền
• 4.6. Thiết kế thi công
• 4.6.1. Giai đoạn thi công hệ kết cấu khung thép
• 4.6.2. Giai đoạn thi công hệ bản mặt cầu bê tông cốt thép
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN MỐI NỐI CỌC ỐNG THÉP
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• Những kết luận từ hướng nghiên cứu
• Những kiến nghị từ hướng nghiên cứu
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC: MÔ HÌNH MỐI NỐI CỌC ỐNG THÉP
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Tính cấp thiết đề tài

Giải pháp kết cấu ống thép hiện đang được sử dụng phổ biến trong các công trình cầu, đặc biệt là trong các hạng mục như móng cọc ống thép và thân trụ cầu. Các ưu điểm của kết cấu ống thép bao gồm sức kháng uốn và sức kháng cắt lớn, cùng với thời gian thi công nhanh chóng. Tại Nhật Bản, cầu cạn với kết cấu ống thép đã được áp dụng rộng rãi trong các công trình đường miền núi, cho thấy hiệu quả vượt trội so với các dạng kết cấu khác. Tuy nhiên, một vấn đề quan trọng cần giải quyết là mối nối ống thép trong quá trình thi công. Việc gia công mối nối ống thép tại công trường có thể gây khó khăn trong việc đảm bảo chất lượng và ảnh hưởng đến tuổi thọ khai thác của công trình. Các giải pháp cho mối nối ống thép dựa trên cơ chế mối nối cơ học đã được phát triển và ứng dụng tại Nhật Bản. Những giải pháp này đã được đăng ký sáng chế và đang được áp dụng trong nhiều công trình sử dụng kết cấu ống thép.

1.1 Giới thiệu giải pháp Metal Road

Giải pháp Metal Road được thiết kế nhằm ứng dụng cho các điều kiện địa lý tại Việt Nam. Metal Road không chỉ mang lại tính khả thi trong việc xây dựng cầu cạn mà còn đảm bảo khả năng chịu lực tốt trong môi trường miền núi. Phân tích kiểm toán kết cấu của cầu cạn khung thép này sẽ giúp xác định khả năng chịu lực của các cấu kiện dựa trên tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành. Các giải pháp cho mối nối ống thép trong cầu cạn cần được nghiên cứu kỹ lưỡng để đảm bảo tính an toàn và hiệu quả trong thi công. Việc áp dụng các công nghệ tiên tiến trong thiết kế và thi công sẽ giúp nâng cao chất lượng công trình và giảm thiểu rủi ro trong quá trình xây dựng.

II. Tình hình sử dụng kết cấu Metal Road trên thế giới

Trên thế giới, kết cấu Metal Road đã được áp dụng thành công trong nhiều dự án cầu cạn, đặc biệt là ở Nhật Bản, nơi có nhiều điều kiện địa hình tương tự như miền núi Việt Nam. Các nghiên cứu cho thấy rằng cầu cạn khung thép không chỉ có khả năng chịu lực tốt mà còn có thể thi công nhanh chóng và tiết kiệm chi phí. Việc áp dụng kết cấu ống thép trong các công trình cầu cạn đã chứng minh tính hiệu quả vượt trội so với các giải pháp truyền thống. Hơn nữa, các công nghệ mới trong thiết kế và thi công cầu cạn đang ngày càng được cải tiến, giúp tối ưu hóa quá trình xây dựng và nâng cao độ bền của công trình. Việc nghiên cứu và áp dụng các giải pháp hiện đại này sẽ là một bước tiến quan trọng trong phát triển hạ tầng giao thông tại Việt Nam.

2.1 Tình hình sử dụng kết cấu Metal Road ở Việt Nam

Tại Việt Nam, việc áp dụng kết cấu Metal Road vẫn còn ở giai đoạn đầu. Mặc dù đã có một số dự án thử nghiệm, nhưng việc triển khai rộng rãi vẫn gặp nhiều khó khăn do thiếu hụt công nghệ và kinh nghiệm trong thi công. Các nhà thầu Việt Nam cần được đào tạo và trang bị công nghệ tiên tiến để có thể áp dụng hiệu quả kết cấu ống thép trong các công trình cầu cạn. Việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp mối nối cơ học cho cầu cạn sẽ là một yếu tố quyết định trong việc nâng cao chất lượng và hiệu quả của các công trình giao thông miền núi.

III. Thiết kế Metal Road cho đèo Bảo Lộc

Thiết kế Metal Road cho đèo Bảo Lộc được thực hiện dựa trên các tiêu chuẩn thiết kế cầu đường hiện hành của Việt Nam. Việc tính toán nội lực và xác định các nhóm tải trọng như tải trọng thường xuyên, tải trọng gió, và tải trọng xe là rất quan trọng để đảm bảo tính an toàn và ổn định của công trình. Các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế như địa hình, khí hậu và lưu lượng giao thông cũng cần được xem xét kỹ lưỡng. Các mô hình tính toán phần tử hữu hạn đã được áp dụng để kiểm tra khả năng chịu lực của cầu cạn khung thép, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu cho thiết kế. Việc áp dụng công nghệ mô phỏng hiện đại sẽ giúp nâng cao độ chính xác trong thiết kế và đảm bảo chất lượng công trình.

3.1 Nghiên cứu mối nối cơ học cho cọc ống thép

Nghiên cứu mối nối cơ học cho cọc ống thép là một phần quan trọng trong thiết kế Metal Road. Các giải pháp mối nối hiện tại cần được cải tiến để loại bỏ công việc hàn ống thép tại công trường, từ đó nâng cao khả năng chịu lực và giảm thiểu chi phí thi công. Việc áp dụng các vật liệu có độ bền cao và công nghệ gia công tiên tiến sẽ giúp đảm bảo chất lượng của mối nối. Các phân tích phần tử hữu hạn sẽ được thực hiện để kiểm tra và xác minh khả năng chịu uốn của ống thép với mối nối đề xuất. Kết quả nghiên cứu sẽ đóng góp vào việc phát triển các giải pháp thi công hiệu quả hơn cho các công trình cầu cạn tại miền núi Việt Nam.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Khu vực miền núi Việt Nam, đặc biệt là các tuyến giao thông huyết mạch qua khu vực miền Trung và Tây Nguyên, thường xuyên đối mặt với hiểm họa sạt lở nghiêm trọng trong mùa mưa bão. Thực tế ghi nhận tại tuyến đường Hồ Chí Minh đoạn La Sơn – Hòa Liên, đất đá sạt lở tại vị trí Km50+200 đã tràn ra chiếm hơn 66% mặt đường; trong khi tại Km54+250, sạt lở taluy dương đã làm tê liệt giao thông hoàn toàn. Các sự cố tương tự tại Quốc lộ 14B và đèo Hải Vân năm 2022 cho thấy các giải pháp gia cố tạm thời như kè rọ đá hay bạt mái taluy truyền thống không còn đem lại hiệu quả bền vững. Trước thách thức đó, công nghệ cầu cạn khung thép (Metal Road) nổi lên như một giải pháp đột phá. Tại Nhật Bản, giải pháp này đã được ứng dụng thành công tại hơn 545 dự án với tổng chiều dài vượt trên 28 km kể từ năm 1991, chứng minh ưu thế vượt trội về khả năng chịu tải trọng động đất, thích ứng địa hình hiểm trở và giảm thiểu tác động đến môi trường sinh thái.

Nghiên cứu này được thực hiện nhằm giải quyết bài toán thiết kế cầu cạn khung thép cho tuyến đèo Bảo Lộc (tỉnh Lâm Đồng) theo hệ thống tiêu chuẩn thiết kế cầu đường hiện hành TCVN 11823:2017. Đồng thời, luận văn tập trung nghiên cứu, phát triển và kiểm chứng giải pháp mối nối cơ học dạng ống thép nhồi bê tông cốt thép nhằm thay thế hoàn toàn công tác hàn nối tại công trường. Nghiên cứu được triển khai trong giai đoạn từ tháng 02/2023 đến tháng 08/2023 tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu mở ra hướng đi mới giúp rút ngắn khoảng 30% thời gian thi công trên sườn dốc hiểm trở, loại bỏ 100% rủi ro do khuyết tật đường hàn hiện trường, đồng thời bảo tồn nguyên vẹn cảnh quan tự nhiên của các cung đường đèo tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng cơ sở tính toán dựa trên sự kết hợp giữa lý thuyết thiết kế cầu theo hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD) của tiêu chuẩn TCVN 11823:2017 cùng lý thuyết ứng xử phi tuyến vật liệu và hình học của kết cấu liên hợp thép - bê tông. Ba khái niệm cốt lõi định hình nên nghiên cứu bao gồm: kết cấu cầu cạn không gian nhiều cột (Metal Road), ống thép nhồi bê tông liên hợp (Concrete-Filled Steel Tube - CFST), và cơ chế truyền lực khóa cắt (shear key) thông qua tương tác tiếp xúc ma sát.

Khả năng chịu uốn thuần túy của đoạn ống thép nhồi bê tông được xác định dựa trên Phương pháp phân bố ứng suất dẻo (Plastic Stress Distribution Method - PSDM). Theo mô hình này, sức kháng uốn danh định tổng cộng được hình thành từ sự đóng góp đồng thời của ba thành phần: lõi bê tông chịu nén, cốt thép gia cường chịu kéo nén, và thành ống thép chịu uốn. Sức kháng uốn dẻo của ống thép rỗng được kiểm chứng theo công thức lý thuyết của M. Bill Wong thông qua mô đun dẻo của tiết diện và giới hạn chảy của vật liệu. Đối với vật liệu bê tông trong mối nối liên hợp, mô hình phá hoại dẻo (Concrete Damaged Plasticity) dựa trên lý thuyết của Lubliner, Lee, kết hợp công thức thực nghiệm của Hsu và Mo được sử dụng để mô tả chính xác ứng xử nén vỡ và nứt dẻo dưới trạng thái ứng suất đa trục phức tạp.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu triển khai phương pháp phân tích số hai cấp độ gồm mô hình hóa hệ kết cấu tổng thể và mô phỏng chi tiết phần tử hữu hạn phi tuyến:

• Cỡ mẫu và quy cách mô phỏng chi tiết: Nghiên cứu thiết lập 12 mô hình phần tử hữu hạn trên phần mềm chuyên dụng ABAQUS để khảo sát sức kháng uốn của cọc ống thép. Mẫu nghiên cứu được chia đều thành 3 nhóm đường kính đại diện cho các dải cọc thực tế: đường kính 200 mm (dày 6 mm, dài 2100 mm), đường kính 350 mm (dày 8 mm, dài 3600 mm), và đường kính 500 mm (dày 8 mm, dài 5100 mm). Mỗi nhóm đường kính bao gồm 4 cấu hình thử nghiệm: mô hình nguyên khối không mối nối (M0), mô hình nối bằng ống lót nhồi bê tông có cốt thép gia cường (M1), mô hình nối bằng ống lót nhồi bê tông không cốt thép (M2), và mô hình nối bằng ống thép rỗng (M3). Chiều dài đoạn ống nối được cố định ở mức 1000 mm.
• Khai báo phần tử và tương tác phi tuyến: Ống thép chính và ống nối được mô hình bằng phần tử vỏ 4 nút S4R; lõi bê tông sử dụng phần tử khối 8 nút C3D8R; cốt thép dọc và đai sử dụng phần tử thanh chịu lực T3D2. Tương tác tiếp xúc giữa ống chính - ống nối và ống nối - bê tông được mô phỏng thông qua phần tử tiếp xúc GAP với lưới chia 40 phần tử quanh chu vi, gán hệ số ma sát trượt lần lượt là 0,47 và 0,60. Thép có giới hạn chảy 345 MPa, giới hạn bền 490 MPa; cốt thép có giới hạn chảy 400 MPa; bê tông có cường độ nén 28 MPa và góc giãn nở 20 độ.
• Phân tích khung không gian tổng thể: Phần mềm Midas Civil được sử dụng để phân tích toàn diện cầu cạn Metal Road đèo Bảo Lộc dưới tác dụng của tổ hợp tải trọng tĩnh tải, hoạt tải xe tải thiết kế HL-93, hoạt tải người đi bộ 3,0 kPa, lực hãm xe 25% trọng lượng trục, tải trọng gió ngang và gió dọc theo các trạng thái giới hạn Cường độ I, Sử dụng I và Mỏi.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích số liệu từ 12 mô hình phần tử hữu hạn và mô hình khung tổng thể mang lại các kết quả then chốt sau:

1. Hiệu quả phục hồi sức kháng uốn của mối nối: Mối nối cơ học ống thép nhồi bê tông có gia cường cốt thép (cấu hình M1) đạt khả năng chịu uốn tương đương từ 98,5% đến 101,2% so với dầm ống thép nguyên khối không mối nối (cấu hình M0) trên cả 3 dải kích thước đường kính 200 mm, 350 mm và 500 mm.
2. Sự suy giảm khả năng chịu lực của mối nối ống rỗng: Cấu hình mối nối chỉ sử dụng ống lót thép rỗng không nhồi bê tông (cấu hình M3) bị suy giảm sức kháng uốn nghiêm trọng, chỉ đạt từ 65,4% đến 71,8% sức kháng của ống nguyên khối do hiện tượng mất ổn định cục bộ và oằn thành ống xảy ra sớm tại mép nối.
3. Vai trò gia cường của lõi bê tông và cốt thép: Lõi bê tông nhồi bên trong giúp ngăn ngừa hoàn toàn hiện tượng móp méo thành ống thép, trong khi cốt thép gia cường dọc làm tăng mô men kháng uốn thêm khoảng 12% đến 15% so với cấu hình chỉ nhồi bê tông đơn thuần (cấu hình M2).
4. Độ tin cậy của kết cấu khung Metal Road đèo Bảo Lộc: Toàn bộ hệ dầm chính, dầm ngang, dầm biên, hệ bản mã liên kết bu lông và cọc ống thép ngàm trong nền đất đá đèo Bảo Lộc đều thỏa mãn điều kiện bền uốn, nén uốn kết hợp và kháng cắt theo TCVN 11823:2017 dưới tổ hợp tải trọng Cường độ I với hệ số an toàn vượt trên 1,35.

Thảo luận kết quả

Dữ liệu mô phỏng được trực quan hóa qua biểu đồ quan hệ Mô men – Độ cong và biểu đồ phân bố ứng suất Von Mises trong các mặt cắt. Tại vùng khớp nối, ứng suất nén truyền qua lõi bê tông phân bố đều đặn dưới dạng parabol với giá trị cực đại đạt ngưỡng 28 MPa, trong khi ứng suất kéo được chuyển dịch an toàn sang thành ống thép ngoài và cốt thép dọc. Sự tương tác tiếp xúc thông qua lực ma sát và hiệu ứng chốt khóa cắt của đinh neo giúp triệt tiêu hiện tượng trượt tương đối giữa hai đoạn cọc.

So sánh với các công nghệ mối nối cơ học tiên tiến của Nhật Bản như ren High-Mecha-Neji của Tập đoàn JFE hay khớp khóa răng Hi-SHJ của Nippon Steel đòi hỏi thép cường độ cao mác HITEN780 (giới hạn chảy lên tới 685 MPa) với chi phí gia công cơ khí chính xác rất đắt đỏ, giải pháp mối nối nhồi bê tông cốt thép tự định vị đề xuất trong luận văn có chi phí chế tạo thấp hơn ước tính khoảng 40%. Giải pháp này hoàn toàn thích ứng với năng lực thi công và công nghệ lắp dựng của các nhà thầu giao thông Việt Nam hiện nay mà không đòi hỏi thiết bị chuyên dụng phức tạp trên địa hình đèo dốc hiểm trở.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hiện thực hóa công nghệ cầu cạn khung thép vào hạ tầng giao thông vùng núi tại Việt Nam, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp hành động cụ thể:

• Xây dựng bộ chỉ dẫn kỹ thuật và quy trình chuẩn: Đề nghị Cục Đường bộ Việt Nam phối hợp cùng các Viện nghiên cứu chuyên ngành biên soạn "Sổ tay hướng dẫn thiết kế và thi công cầu cạn khung thép Metal Road" dựa trên TCVN 11823:2017. Mục tiêu là hoàn thiện khung pháp lý và tiêu chuẩn nghiệm thu trước quý 4 năm 2024 nhằm tạo hành lang kỹ thuật đồng bộ cho các dự án giao thông miền núi.
• Triển khai thí điểm tại các điểm đen sạt lở đèo Bảo Lộc: Kiến nghị Sở Giao thông Vận tải tỉnh Lâm Đồng và các Ban Quản lý dự án trực thuộc Bộ Giao thông Vận tải áp dụng thí điểm 02 đoạn cầu cạn khung thép dài 150 m đến 250 m tại cung đèo Bảo Lộc trong kế hoạch trung hạn 2024-2025. Giải pháp này giúp mở rộng nền đường đèo mà không cần đào phá taluy dương hay đắp đất taluy âm, giảm 45% nguy cơ sạt trượt đất đá trong mùa mưa.
• Nội địa hóa chế tạo cấu kiện mối nối cơ học: Khuyến khích các nhà máy cơ khí giao thông trong nước đầu tư dây chuyền gia công đúc sẵn ống thép nối và bản mã định hình. Phấn đấu đạt tỷ lệ nội địa hóa 90% cấu kiện vào năm 2025, khống chế dung sai thi công đóng cọc trên sườn dốc dưới 100 mm theo đúng quy trình kiểm soát chất lượng.
• Tích hợp hệ thống quan trắc sức khỏe công trình tự động (SHM): Lắp đặt hệ thống cảm biến đo biến dạng và độ võng tự động trên hệ khung thép tại các vị trí nối cọc xung yếu. Đơn vị quản lý khai thác tuyến đường cần thu thập dữ liệu định kỳ 24/7 nhằm đánh giá tình trạng khai thác và đảm bảo tuổi thọ công trình đạt trên 50 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Tài liệu luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Cơ quan quản lý và Chủ đầu tư dự án giao thông: Các Ban Quản lý dự án đường bộ, Sở Giao thông Vận tải các tỉnh miền núi có thêm giải pháp kỹ thuật công nghệ cao để xử lý triệt để bài toán sạt lở đèo dốc, tối ưu hóa tổng mức đầu tư và giảm thiểu chi phí cứu hộ, khắc phục thiên tai hàng năm.
• Kỹ sư tư vấn thiết kế kết cấu cầu đường: Cung cấp quy trình tính toán chi tiết từ khai báo tải trọng gió, hoạt tải HL-93, lực hãm xe trên Midas Civil đến phương pháp thiết kế bản mã bu lông cường độ cao và kiểm toán móng cọc thép ngàm trong nền địa chất phức tạp.
• Nhà thầu xây lắp công trình giao thông: Nắm bắt biện pháp thi công cuốn chiếu hiện đại, giải pháp vận chuyển thiết bị hạng nặng trên đường hẹp và quy trình lắp ghép cọc ống thép nối cơ học không cần hàn tại hiện trường.
• Học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên: Nguồn tư liệu tham khảo giá trị về phương pháp mô hình hóa tương tác tiếp xúc phi tuyến bằng phần tử GAP trong ABAQUS và lý thuyết phân bố ứng suất dẻo cho kết cấu liên hợp thép - bê tông.

Câu hỏi thường gặp

Kết cấu cầu cạn khung thép Metal Road là gì và có điểm gì khác biệt so với cầu truyền thống? Metal Road là hệ cầu cạn không gian ba chiều bằng khung giàn thép đúc sẵn, sử dụng cọc ống thép đóng trực tiếp vào sườn dốc để nâng đỡ mặt đường xe chạy. Khác với cầu bê tông truyền thống cần diện tích thi công lớn và khối lượng đào đắp đất đá khổng lồ, Metal Road cho phép thi công cuốn chiếu từng nhịp ngay trên mặt đường hiện hữu, bảo tồn nguyên vẹn mái dốc tự nhiên và rút ngắn hơn 35% tiến độ tổng thể.

Tại sao cần loại bỏ mối nối hàn cọc ống thép tại công trường miền núi? Thi công hàn ống thép tại các cung đường đèo dốc hiểm trở thường gặp điều kiện thời tiết mưa ẩm bất lợi, không gian chật hẹp và thiếu nguồn điện công suất lớn. Việc hàn tại chỗ đòi hỏi kỹ thuật cao, rất khó kiểm soát chất lượng đường hàn bằng siêu âm, dễ tạo khuyết tật gây nứt gãy mỏi dưới tải trọng xe tải nặng và làm tăng chi phí quản lý chất lượng lên hơn 25%.

Mối nối cơ học nhồi bê tông cốt thép hoạt động dựa trên nguyên lý chịu lực nào? Mối nối gồm một đoạn ống thép nối bên trong kết hợp lõi bê tông cốt thép và đinh neo chống cắt. Ống thép nối truyền ứng suất kéo uốn, lõi bê tông chịu ứng suất nén ngăn chặn hiện tượng oằn móp thành ống, trong khi cốt thép gia cường bổ sung mô men kháng uốn. Lực ma sát và hiệu ứng khóa cắt giữa các bề mặt tiếp xúc giúp mối nối đạt sức kháng uốn tương đương 100% thân cọc nguyên vẹn.

Sự kết hợp giữa Midas Civil và ABAQUS trong nghiên cứu có vai trò gì? Midas Civil được sử dụng để phân tích ứng xử tĩnh và động lực học của toàn bộ hệ khung không gian 3D cầu cạn dưới các tổ hợp tải trọng tiêu chuẩn TCVN 11823:2017. Trong khi đó, ABAQUS đóng vai trò phân tích chi tiết vi mô ứng xử phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu, xác định chính xác sự phân bố ứng suất cục bộ và sức kháng uốn cực hạn của vùng mối nối cơ học.

Công nghệ Metal Road có tính khả thi như thế nào khi áp dụng tại đèo Bảo Lộc? Kết quả tính toán kiểm toán kết cấu cho thấy hệ khung thép hoàn toàn chịu được điều kiện tải trọng phức tạp trên nền địa chất đèo Bảo Lộc với hệ số an toàn vượt yêu cầu thiết kế. Phương pháp thi công lắp ghép từng phân đoạn đúc sẵn giúp duy trì giao thông thông suốt trên tuyến Quốc lộ 20 trong suốt thời gian xây dựng, mang lại tính khả thi kỹ thuật và hiệu quả kinh tế rất cao.

Kết luận

• Luận văn đã làm chủ quy trình tính toán, thiết kế toàn diện hệ cầu cạn khung thép (Metal Road) ứng dụng mở rộng đường đèo miền núi Việt Nam theo tiêu chuẩn hiện hành TCVN 11823:2017.
• Đề xuất thành công giải pháp mối nối cơ học ống thép nhồi bê tông cốt thép tự định vị, loại bỏ hoàn toàn 100% công tác hàn nối cọc tại công trường miền núi.
• Mô phỏng 12 mô hình số trên ABAQUS chứng minh mối nối đề xuất phục hồi đến 101,2% sức kháng uốn so với cọc nguyên khối, đồng thời ngăn ngừa hiện tượng oằn cục bộ.
• Thiết kế hoàn chỉnh phương án cầu cạn khung thép cho tuyến đèo Bảo Lộc, đảm bảo các tiêu chuẩn nghiêm ngặt về khả năng chịu lực, kháng chấn và an toàn khai thác.
• Mở ra giải pháp kỹ thuật bền vững giúp bảo vệ cảnh quan môi trường, thích ứng linh hoạt với điều kiện biến đổi khí hậu và sạt lở đất đá tại vùng núi Việt Nam.

Kế hoạch tiếp theo cần tập trung chế tạo mẫu thử thực tế quy mô 1:1 và tiến hành thí nghiệm uốn tĩnh tại phòng thí nghiệm chuyên ngành trong giai đoạn 2024-2025 trước khi triển khai đại trà. Các kỹ sư, nhà khoa học và đơn vị quản lý hạ tầng giao thông hãy cùng nghiên cứu, ứng dụng giải pháp Metal Road để kiến tạo những cung đường miền núi Việt Nam an toàn, hiện đại và bền vững trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. NỘI DUNG ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU. Tính cấp thiết đề tài. Mục tiêu luận văn.

Phạm vi luận văn. Phương pháp nghiên cứu. Dự kiến kết quả. Thực trạng sạt lở đường miền núi hiện tại ở Việt Nam.

Giới thiệu giải pháp Metal Road. Tình hình sử dụng kết cấu Metal Road trên thế giới. Tình hình sử dụng kết cấu Metal Road ở Việt Nam. Sơ đồ cấu tạo của Metal Road.

Các yếu tố ảnh hưởng tới Metal Road. Biện pháp thi công Metal Road. Biện pháp thi công. Phạm vi nghiên cứu của đề tài.

Thiết kế Metal Road cho đèo Bảo Lộc. Nghiên cứu mối nối cơ học cho cọc ống thép. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ METAL ROAD. Tính toán nội lực.

Nhóm tải trọng thường xuyên. Nhóm hoạt tải và tác động của hoạt tải. Hoạt tải xe HL-93 và hoạt tải người đi bộ PL. Tải trọng gió.

Gió tác dụng lên kết cấu (WS). Tải trọng gió tác dụng lên xe cộ (WL) (TCVN 3. Tổ hợp tải trọng. Sơ lược về phần mềm mô phỏng MIDAS CIVIL.

Các bước cơ bản mô hình cầu hệ khung bằng Midas. Khai báo thông số đầu vào cơ bản. Mô phỏng cầu khung thép. Khai báo các loại tải trọng tác dụng.

Xuất và so sánh kết quả. LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VÀ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN MỐI NỐI CƠ HỌC CHO CỌC ỐNG THÉP. Lý thuyết tính toán mối nối cơ học bê tông cốt thép. Giới thiệu cơ bản về phần mềm ABAQUS.

Mô hình mối nối cơ học bê tông cốt thép bằng ABAQUS. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN METAL ROAD. Thiết kế bản mặt cầu. Mặt cắt ngang điển hình.

Thiết kế cốt thép trong bản mặt cầu. Thiết kế hệ dầm chính. Thiết kế mặt cắt ngang. Kiểm toán mô men dương lớn nhất ở dầm chính.

Kiểm toán mô men âm lớn nhất ở dầm chính. Kiểm toán mô men dương lớn nhất ở dầm biên. Kiểm toán mô men âm lớn nhất ở dầm biên. Kiểm toán khả năng chịu cắt của dầm chính.

Thiết kế hệ khung dầm ngang. Kiểm toán mô men dương lớn nhất ở dầm ngang. Kiểm toán mô men âm lớn nhất ở dầm ngang. Kiểm toán khả năng chịu cắt của dầm biên.

Thiết kế bản mã. Kết nối dầm chính với dầm ngang. Kết nối dầm ngang với dầm biên. Thiết kế hệ cọc ống thép.

Kiểm tra khả năng chịu tải của kết cấu cọc ống thép. Kiểm tra khả năng chịu tải của đất nền. Thiết kế thi công. Giai đoạn thi công hệ kết cấu khung thép.

Giai đoạn thi công hệ bản mặt cầu bê tông cốt thép. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN MỐI NỐI CỌC ỐNG THÉP. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. Những kết luận từ hướng nghiên cứu.

Những kiến nghị từ hướng nghiên cứu .81 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC.82 TÀI LIỆU THAM KHẢO.83 PHỤ LỤC : MÔ HÌNH MỐI NỐI CỌC ỐNG THÉP .85 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG .122 viii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. Công trình cầu cạn đường miền núi sử dụng kết cấu trụ ống thép. Mối nối cơ học được phát triển bởi JFE Steel (Nhật Bản). Mối nối cơ học được phát triển bởi Nippon Steel (Nhật Bản).

Sạt lở tại đường Hồ Chí Minh. Sạt lở tại Quảng Nam. Sạt lở đèo Hải Vân năm 2022. Sơ đồ kết cấu Metal Road.

Sơ đồ phân tích kết cấu Metal Road. Bình đồ thiết kế của Metal Road. Vị trí Metal Road trên vệ tinh. Mặt bằng Metal Road.

Trắc dọc điển hình khối AC. Trắc dọc điển hình khối BC. Trắc ngang điển hình Metal Road. Cấu tạo chi tiết mối nối bằng ống thép nhồi bê tông.

Đặc trưng của xe tải thiết kế TCVN11823:2017. Thông số tiết diện đầu vào của mô hình. Mô hình PSDM. Mô hình đặt tải dầm giản đơn tạo ra vùng mô men uốn thuần túy.

Các bộ phận kết cấu của mối nối cơ học trong mô hình PTHH. Mô phỏng tương tác bằng phần tử GAP giữa các bộ phận kết cấu. Biều đồ ứng suất biến dạng của vật liệu ống thép. Biều đồ ứng suất biến dạng của cốt thép gia cường.

Mô hình vật liệu của bê tông. Mặt đứng sơ đồ đặt tải và điều kiện biên cho mô hình phân tích. Điều kiện biên chống chuyển vị ngang và xoay tại gối. Mặt cắt ngang điển hình bản mặt cầu.

Cốt thép gia cố cho bản mặt cầu tại vị trí trụ AC1. Cốt thép gia cố cho bản mặt cầu tại vị trí trụ AC2. Cốt thép gia cố cho bản mặt cầu tại vị trí trụ AC3-AC7. Mặt cắt ngang điển hình dầm chính, dầm phụ khối A1-AC1.

Mặt cắt ngang điển hình dầm chính, dầm phụ khối AC2. Mặt cắt ngang điển hình dầm chính, dầm phụ khối AC3. Mặt cắt ngang điển hình dầm chính, dầm phụ khối AC4. Mặt cắt ngang điển hình dầm chính, dầm phụ khối AC5.

Mặt cắt ngang điển hình dầm chính, dầm phụ khối AC6. Mặt cắt ngang điển hình dầm chính, dầm phụ khối AC7. Biểu đồ mô men dương dầm chính. Vị trí dầm chính có mô men dương lớn nhất.

Biểu đồ mô men âm ở dầm chính. Vị trí dầm chính có mô men âm lớn nhất. Biểu đồ mô men dương ở dầm biên. Vị trí dầm biên có mô men âm lớn nhất.

Biểu đồ mô men âm ở dầm biên. Vị trí dầm trong có mô men âm lớn nhất. Biểu đồ lực cắt dầm chính tại các khối. Vị trí lực cắt lớn nhất ở dầm chính.

Biểu đồ mô men dương ở các đoạn dầm ngang. Vị trí đoạn dầm ngang có mô men dương lớn nhất. Biểu đồ mô men âm ở các đoạn dầm ngang. Vị trí đoạn dầm ngang có mô men âm lớn nhất.

Biểu đồ lực cắt trong các dầm biên ở hai trạng thái giới hạn. Vị trí xảy ra lực cắt lớn nhất tại các dầm ngang. Vị trí thiết kế bản mã bu lông điển hình – Dầm chính với dầm ngang. Chi tiết điển hình các bản mã bu lông.

Vị trí thiết kế bản mã bu lông điển hình - Dầm ngang với dầm biên. Chi tiết điển hình các bản mã bu lông. Mặt cắt ngang điển hình của lớp địa chất. Mô hình thi công Metal Road.

Biểu đồ mô men trong giai đoạn thi công hệ khung dầm. Vị trí có mô men lớn nhất trong giai đoạn thi công hệ khung dầm. Biểu đồ mô men trong dầm ở giai đoạn thi công bản mặt cầu. Vị trí có mô men lớn nhất trong giai đoạn thi công bản mặt cầu.

So sánh sức kháng uốn của mô hình ống thép với D = 200 mm. So sánh sức kháng uốn của mô hình ống thép với D = 350 mm. So sánh sức kháng uốn của mô hình ống thép với D = 500 mm. Phân bố ứng suất trong phạm vi mối nối và tại vị trí đặt tải.

Biến dạng mất ổn định và phân bố ứng suất trong ống thép nối (D500). Phân bố ứng suất trong lõi bê tông của mối nối liên hợp. Phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang của lõi bê tông.79 xi DANH MỤC BẢNG Bảng 3. Các tổ hợp tải trọng và hệ số tải trọng.

Hệ số tải trọng cho tĩnh tải thường xuyên, γp. Thông số hình học của các mô hình phần tử hữu hạn. Kiểm toán khả năng kháng uốn nén kết hợp của kết cấu cọc ống thép không liên hợp ở TTGH CĐ I. Kiểm toán khả năng kháng uốn nén kết hợp của kết cấu cọc ống thép không liên hợp ở TTGH NG I.

Kiểm toán khả năng kháng cắt của kết cấu cọc ống thép không liên hợp ở TTGH CĐ I. Kiểm toán khả năng kháng cắt của kết cấu ống thép không liên hợp ở TTGH NH I. Kiểm toán khả năng kháng uốn nén kết hợp của kết cấu cọc ống thép liên hợp ở TTGH CĐ I. Kiểm toán khả năng kháng uốn nén kết hợp của kết cấu cọc ống thép liên hợp ở TTGH NG.

Kiểm toán khả năng kháng cắt của kết cấu cọc ống thép liên hợp ở TTGH CĐ I. Kiểm toán khả năng kháng cắt của kết cấu cọc ống thép liên hợp ở TTGH NH. Kiểm tra sức kháng của cọc tương tác với đất nền. Kết quả so sánh sức kháng uốn của ống thép chính.

NỘI DUNG ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1. Tính cấp thiết đề tài Giải pháp kết cấu ống thép hiện đang được sử dụng khá phổ biến trong trong các công trình cầu cho các hạng mục như móng cọc ống thép, thân trụ cầu với nhiều ưu điểm như có sức kháng uốn và sức kháng cắt lớn, thi công nhanh. Tại Nhật Bản, kết cấu ống thép đang được áp dụng rất nhiều trong các công trình cầu cạn đường miền núi. Giải pháp này đã cho thấy tính hiệu quả vượt trội so với các dạng kết cấu khác trong điều kiện tương tự.

Hình 1 thể hiện một dạng công trình cầu cạn đường miền núi có sử dụng kết cấu trụ đỡ bằng kết cấu ống thép. Công trình cầu cạn đường miền núi sử dụng kết cấu trụ ống thép. Tuy nhiên, một vấn đề rất cốt lõi cần phải giải quyết cho kết cấu trụ đỡ bằng ống thép đó là mối nối ống thép trong quá trình thi công. Việc gia công mối nối ống thép tại công trường sẽ khó đảm bảo chất lượng và ảnh hưởng đến tuổi thọ khai thác của công trình.

Một số giải pháp cho mối nối ống thép dựa trên cơ chế mối nối cơ học đã được phát triển và ứng dụng thực tế tại Nhật Bản. Hình 2 và Hình 3 mô tả các giải pháp mối nối cơ học được phát triển bởi Tập đoàn thép JFE Steel và Tập đoàn thép Nippon Steel (Nhật 2 Bản). Các giải pháp này đã được đăng ký sáng chế và đang được áp dụng thực tế trong nhiều công trình tại Nhật có sử dụng kết cấu ống thép. (a) Mối nối ren “High- (a) Mối nối ren “New High- (b) Mối nối cơ học Mecha-Neji” Mecha-Neji” “KASHEEN” Hình 1.

Mối nối cơ học được phát triển bởi JFE Steel (Nhật Bản) (b) Mối nối khóa (c) Mối nối bánh (a) Mối nối bánh răng cơ học “Laqnican” răng “Hi-SHJ” “Gachi-cam” Hình 1.