Luận Án Tiến Sĩ: Phương Pháp Updown Trong Thiết Kế Và Hành Vi Cầu Dầm Thép Hộp Mở

Luận án tiến sĩ nghiên cứu hành vi và thiết kế cầu dầm thép hộp mở bằng phương pháp thi công từ trên xuống, ứng dụng hiệu quả trong xây dựng hiện đại.

• Tác giả: Do Dai Thang
• Người hướng dẫn: PTS. Koo Min Se
• Trường học: Inha University
• Chuyên ngành: Civil Engineering
• Đề tài: Behavior and Design of Open Steel Box Girder Bridges by Up-down Construction Method
• Loại tài liệu: doctoral dissertation
• Năm xuất bản: 2009
• Địa điểm: Incheon

Mục lục chi tiết

• TÓM TẮT
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
• 1.3. Bố cục luận án
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 2.1. Cơ sở lý thuyết của phương pháp thi công nâng - hạ
• 2.1.1. Nhịp đơn
• 2.1.2. Nhịp liên tục
• 2.2. Phương pháp thi công nâng - hạ áp dụng cho dầm hộp thép
• 2.3. Bản mặt cầu bê tông đúc sẵn một phần chiều dài
• 2.4. Đề xuất phương pháp nâng - hạ cho dầm hộp thép hở
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH
• 3.1. Mô tả mô hình phần tử hữu hạn
• 3.2. Mô hình hóa phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến
• 3.3. So sánh các kết quả
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ
• 4.1. Ảnh hưởng của chiều cao nâng lên và hạ xuống
• 4.2. Ảnh hưởng của bản bê tông đáy
• 4.3. Ảnh hưởng của chiều dài bản mặt cầu bê tông đúc sẵn một phần
• 4.4. Ảnh hưởng của cường độ thép
• 4.5. Ảnh hưởng của bản cánh trên
• 4.6. Ảnh hưởng của trình tự thi công đối với cầu ba và bốn nhịp liên tục
• 5. CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH TIẾT DIỆN LIÊN HỢP KÉP PHỤ THUỘC THỜI GIAN
• 5.1. Các mô hình dự đoán từ biến và co ngót
• 5.2. Phương pháp Gilbert cải tiến, phân tích chính xác phụ thuộc thời gian có xét đến khoảng thời gian trong phương pháp nâng - hạ
• 5.3. Tính toán tiết diện liên hợp ngắn hạn và dài hạn theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD
• 5.4. So sánh các kết quả
• 6. CHƯƠNG 6: CÁC NỘI DUNG THIẾT KẾ BỔ SUNG
• 6.1. Phân tích mất ổn định và thiết kế ổn định
• 6.2. Đề xuất các chi tiết cấu tạo thi công
• 6.3. Tối ưu hóa chi phí dầm hộp thép bằng cách thay đổi chiều dày bản thép
• 6.4. Ví dụ thiết kế và đánh giá
• 7. CHƯƠNG 7: TÓM TẮT VÀ KẾT LUẬN
• 7.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu
• 7.2. Kết luận
• 7.3. Kiến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo
• PHỤ LỤC A: THIẾT KẾ PHỤ THUỘC THỜI GIAN CỦA CẦU DẦM HỘP THÉP LIÊN HỢP
• A.1. Đặc trưng hình học của tiết diện
• A.2. Xác định mô men uốn trong trình tự thi công
• A.3. Phân tích phụ thuộc thời gian bằng phương pháp Gilbert cải tiến
• A.4. Phân tích phụ thuộc thời gian theo quy định AASHTO LRFD
• PHỤ LỤC B: VÍ DỤ THIẾT KẾ
• B.1. Tính toán ứng suất uốn cho Mô hình 1
• B.2. Tính toán ứng suất uốn cho Mô hình 2

Tóm tắt

I. Phương pháp Updown trong thiết kế cầu

Phương pháp Updown là một kỹ thuật xây dựng cầu tiên tiến, được phát triển bởi Giáo sư Koo Min-Se từ năm 1997. Phương pháp này tập trung vào việc nâng và hạ các điểm đỡ trong quá trình thi công để cải thiện đặc tính kết cấu của cầu. Phương pháp Updown đã được áp dụng rộng rãi trong các loại cầu như cầu bê tông dự ứng lực, cầu preflex và cầu dầm thép hộp. Ưu điểm chính của phương pháp này là giảm độ võng và phân bố mô men hợp lý hơn so với phương pháp truyền thống. Ngoài ra, việc sử dụng kết cấu thép hộp mở kết hợp với bản mặt cầu bê tông đúc sẵn một phần giúp tối ưu hóa chi phí và thời gian thi công.

1.1. Cơ sở lý thuyết của phương pháp Updown

Phương pháp Updown dựa trên nguyên lý nâng và hạ các điểm đỡ trong quá trình thi công để tạo ra các kết cấu liên tục. So với hệ thống truyền thống, phương pháp này giúp giảm đáng kể độ võng và phân bố mô men hợp lý hơn. Trong hệ thống liên tục, các dầm riêng lẻ được kết nối thông qua các mối nối đặc biệt, giúp tăng tính liên tục và giảm nguy cơ nứt bản mặt cầu do mô men âm. Phương pháp này cũng giúp giảm số lượng khe co giãn, từ đó dễ dàng bảo trì hơn.

1.2. Ứng dụng trong cầu dầm thép hộp mở

Trong thiết kế cầu dầm thép hộp mở, phương pháp Updown được áp dụng để tối ưu hóa kết cấu và giảm thiểu các nhược điểm như tiếng ồn và rung động. Việc sử dụng bản mặt cầu bê tông đúc sẵn một phần và kết cấu thép hộp mở giúp cải thiện hiệu quả thi công và giảm chi phí. Phương pháp này cũng cho phép tạo ra các kết cấu liên tục thông qua việc đổ bê tông vào bản đáy tại vùng mô men âm, giúp tăng độ cứng uốn và giảm ảnh hưởng của tiếng ồn và rung động.

II. Thiết kế và hành vi của cầu dầm thép hộp mở

Thiết kế cầu dầm thép hộp mở sử dụng phương pháp Updown tập trung vào việc phân tích và tối ưu hóa các đặc tính kết cấu. Các mô hình phần tử hữu hạn ba chiều được sử dụng để mô phỏng quá trình thi công và phân tích ứng xử của cầu. Các yếu tố như chiều cao nâng hạ, chiều dài và độ dày của bản đáy, chiều dài của bản mặt cầu đúc sẵn một phần, và độ bền của thép được nghiên cứu để đánh giá ảnh hưởng đến hành vi của cầu. Phân tích phi tuyến cũng được thực hiện để xem xét các đặc tính vật liệu và ứng xử kết cấu trong quá trình thi công.

2.1. Mô hình hóa và phân tích kết cấu

Các mô hình phần tử hữu hạn ba chiều được phát triển để mô phỏng quá trình thi công và phân tích ứng xử của cầu dầm thép hộp mở. Các mô hình này bao gồm các yếu tố như dầm thép hộp mở, bản mặt cầu bê tông đúc sẵn một phần, và kết cấu liên tục. Các phân tích phi tuyến được thực hiện để xem xét các đặc tính vật liệu và ứng xử kết cấu trong quá trình thi công. Kết quả phân tích cho thấy sự phân bố mô men và ứng suất hợp lý hơn so với các phương pháp truyền thống.

2.2. Nghiên cứu tham số

Các nghiên cứu tham số được thực hiện để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố kết cấu đến hành vi của cầu dầm thép hộp mở. Các yếu tố như chiều cao nâng hạ, chiều dài và độ dày của bản đáy, chiều dài của bản mặt cầu đúc sẵn một phần, và độ bền của thép được nghiên cứu để tối ưu hóa thiết kế. Kết quả cho thấy việc tăng chiều cao nâng hạ và độ dày của bản đáy giúp cải thiện độ cứng uốn và giảm ứng suất trong kết cấu.

III. Phân tích thời gian và tối ưu hóa thiết kế

Phân tích thời gian được thực hiện để đánh giá ứng xử ngắn hạn và dài hạn của cầu dầm thép hộp mở trong quá trình thi công. Các mô hình dự đoán hệ số co ngót và từ biến được sử dụng để phân tích ứng xử kết cấu. Phương pháp Gilbert được điều chỉnh để phân tích chính xác hơn ứng xử thời gian của kết cấu. Ngoài ra, việc tối ưu hóa độ dày của các tấm thép trong mặt cắt ngang cũng được thực hiện để giảm chi phí và tăng hiệu quả kết cấu.

3.1. Phân tích ứng xử thời gian

Các mô hình dự đoán hệ số co ngót và từ biến được sử dụng để phân tích ứng xử ngắn hạn và dài hạn của cầu dầm thép hộp mở. Phương pháp Gilbert được điều chỉnh để phân tích chính xác hơn ứng xử thời gian của kết cấu. Kết quả phân tích cho thấy sự thay đổi ứng suất và biến dạng trong kết cấu theo thời gian, giúp đánh giá độ bền và độ ổn định của cầu.

3.2. Tối ưu hóa thiết kế

Việc tối ưu hóa độ dày của các tấm thép trong mặt cắt ngang được thực hiện để giảm chi phí và tăng hiệu quả kết cấu. Các nghiên cứu cho thấy việc thay đổi độ dày của các tấm thép theo chiều dài cầu giúp phân bố ứng suất hợp lý hơn và giảm chi phí vật liệu. Kết quả tối ưu hóa được so sánh với các thiết kế truyền thống để đánh giá hiệu quả của phương pháp này.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Do Dai Thang (도다이탕), được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Giáo sư Koo Min-Se (구민세) tại Khoa Kỹ thuật Xây dựng (Department of Civil Engineering), Trường Đại học Inha (Inha University, Hàn Quốc), bảo vệ vào tháng 8 năm 2009. Luận án nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực kỹ thuật cầu và công trình kết cấu thép – bê tông liên hợp.

Tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ thực tiễn ứng dụng kết cấu dầm hộp thép trong kỹ thuật cầu. Dầm hộp thép sở hữu độ cứng uốn và độ cứng xoắn lớn cùng khả năng lắp dựng nhanh. Tuy nhiên, kết cấu này thường đòi hỏi kích thước mặt cắt tương đối lớn, đồng thời dễ phát sinh tiếng ồn và rung động trong quá trình khai thác. Mặc dù công nghệ kích nâng – hạ điểm tựa (Up-Down construction method) đã được phát triển để cải thiện phân bố nội lực và ứng suất, phương pháp ứng dụng trước đó cho dầm hộp thép vẫn tồn tại sự kém hiệu quả về chi phí vật liệu và thời gian thi công do sử dụng mặt cắt hộp chữ nhật kín và đổ bê tông bản mặt cầu toàn khối tại hiện trường. Khoảng trống nghiên cứu được luận án giải quyết là tích hợp mặt cắt dầm hộp hở hình thang (open-trapezoidal cross section), bản bê tông mặt cầu đúc sẵn từng phần (partial-length prefabricated concrete deck) và mặt cắt liên hợp kép (double composite section) thông qua việc đổ bê tông bản đáy tại vùng mô men âm.

Mục tiêu nghiên cứu tổng quát của luận án là khảo sát ứng xử cơ học, khả năng chịu lực, độ ổn định và đề xuất quy trình thiết kế hoàn chỉnh cho dầm hộp thép hình thang hở thi công bằng phương pháp Up-Down. Cụ thể, các nhiệm vụ nghiên cứu được phân định thành 6 nhiệm vụ (Task):

1. Làm rõ quy trình công nghệ Up-Down đề xuất áp dụng cho dầm hộp thép hình thang có bản bê tông đúc sẵn từng phần và đánh giá ưu điểm của mặt cắt liên hợp kép bản đáy.
2. Thiết lập và phân tích mô hình phần tử hữu hạn không gian 3 chiều (3D FEA), tập trung vào ứng xử đàn hồi tổng thể và kiểm chứng độ chính xác của mô hình.
3. Khảo sát phi tuyến vật liệu và hình học, bao gồm ứng xử phi tuyến của thép và bê tông, ứng suất dư (residual stresses) và độ lệch hình học ban đầu.
4. Thực hiện nghiên cứu tham số toàn diện về chiều cao nâng/hạ, kích thước bản đáy bê tông, chiều dài bản mặt cầu tiền chế, cấp độ bền thép và số nhịp liên tục (3 đến 4 nhịp).
5. Phân tích ứng xử phụ thuộc thời gian (từ biến, co ngót) của mặt cắt liên hợp kép và hiệu chỉnh phương pháp Gilbert (Modified Gilbert’s Method).
6. Khảo sát ổn định cục bộ, oằn bản bụng, giằng ngang đỉnh dầm, tối ưu hóa bề dày bản thép và thiết lập ví dụ tính toán thiết kế chi tiết.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Dầm hộp thép hở hình thang liên hợp hai bản bê tông (đỉnh và đáy) chịu tác động của trình tự thi công kích nâng – hạ gối tựa.
• Phạm vi kết cấu: Các sơ đồ cầu dầm liên tục 2 nhịp (Model 1, chiều dài nhịp từ 40m đến 90m) và cầu dầm liên tục 3 nhịp (Model 2, sơ đồ nhịp 65m + 100m + 65m), cùng các mở rộng cho sơ đồ 4 nhịp. Trạng thái giới hạn được kiểm toán theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD Bridge Design Specifications (2007) cho Trạng thái Giới hạn Cường độ I (Strength I) và Trạng thái Giới hạn Sử dụng II (Service II).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng thuật hệ thống các công trình nghiên cứu và thực tiễn ứng dụng liên quan đến ba nhóm vấn đề kỹ thuật cốt lõi:

1. Phương pháp thi công Up-Down: Công nghệ kích nâng và hạ điểm tựa trong xây dựng kết cấu nhịp cầu được Giáo sư Koo Min-Se cùng các cộng sự phát minh và phát triển từ năm 1997. Phương pháp này đã được ứng dụng trên 200 công trình cầu bê tông cốt thép dự ứng lực, cầu preflex và dầm hộp thép. Năm 2003, phương pháp được phát triển và áp dụng cho cầu dầm hộp thép 2 nhịp liên tục (2@45m) (MANSECOREA, 2007). Về phân loại thi công, phương pháp bao gồm ba dạng chính: Up-Down (nâng - hạ gối trung gian), Down-Up (hạ - nâng gối phụ cho nhịp đơn), và Down-Down (hạ gối tạm ngoài biên - hạ gối trung gian).

2. Khái niệm kết cấu liên hợp kép (Double Composite): Ý tưởng sử dụng bê tông tại bản đáy vùng mô men âm để thay thế thép chịu nén đắt tiền đã được nghiên cứu từ cuối thế kỷ 20. Saul (1992) ghi nhận ba công trình cầu liên hợp kép hoàn thành tại Đức giai đoạn 1992–1994. Martinez (1995) chỉ ra cầu Ciervana (Tây Ban Nha, 1978) là công trình cầu liên hợp kép đầu tiên trên thế giới. Hanswille (2001) giới thiệu công trình cầu đường bộ liên hợp kép lớn tại Neuötting (Đức) trên tuyến cao tốc A94 với nhịp chính 154m. Sen et al. (1999) nghiên cứu và phát triển thiết kế cầu dầm bản và dầm hộp liên hợp kép theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD. Nagai (2006) chứng minh mặt cắt dầm chữ I liên hợp kép có thể đạt tới mô men dẻo ở cả vùng mô men dương và âm, giúp giảm trên 20% diện tích mặt cắt khi thiết kế theo trạng thái giới hạn.

3. Bản mặt cầu bê tông đúc sẵn từng phần (Partial-Length Prefabricated Deck): Rigoberto và Benjamin (2008) tổng kết quá trình 35 năm phát triển các cấu kiện thượng tầng cầu dầm hộp tiền chế. Việc tiền chế giúp giảm thời gian thi công tại công trường, hạn chế gián đoạn giao thông và kiểm soát nứt do co ngót tốt hơn so với đúc tại chỗ toàn phần.

Vị trí học thuật của luận án: Các nghiên cứu trước đây chỉ áp dụng công nghệ Up-Down cho dầm hộp kín đúc toàn khối hoặc nghiên cứu liên hợp kép độc lập với công nghệ kích điểm tựa. Luận án của Do Dai Thang là công trình kết hợp đồng thời ba giải pháp: mặt cắt hộp hở hình thang, bản mặt cầu đúc sẵn từng phần và bê tông bản đáy liên hợp kép tạo ứng suất nén trước bằng công nghệ Up-Down, từ đó giải quyết bài toán giảm vật liệu thép, hạ chiều cao dầm và rút ngắn tiến độ thi công.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án xây dựng khung phân tích kết hợp giữa lý thuyết cơ học kết cấu liên hợp thép – bê tông, lý thuyết ổn định công trình và phương pháp mô phỏng số phi tuyến:

• Phương pháp mô phỏng số phần tử hữu hạn: Luận án sử dụng phần mềm ANSYS để mô hình hóa kết cấu 3D theo từng giai đoạn thi công thông qua thuật toán sinh tử phần tử (Element Birth and Death). Các phần tử tương ứng với mối nối thép, bản bê tông đáy và bản bê tông đỉnh đúc tại chỗ được khử kích hoạt (lệnh EKILL) ở giai đoạn đầu và kích hoạt trở lại (lệnh EALIVE) theo đúng trình tự lắp dựng nhằm đảm bảo trạng thái không ứng suất ban đầu khi tiếp nhận biến dạng của dầm.
• Loại phần tử hữu hạn sử dụng:
  • Bản mặt cầu bê tông, bản cánh dầm thép, bản bụng, sườn tăng cường dọc, sườn tăng cường ngang (khoảng cách 5m) và vách ngăn (diaphragm) được mô hình bằng phần tử vỏ 8 nút SHELL93.
  • Hệ giằng ngang đỉnh dầm (top lateral bracing) được mô hình bằng phần tử dầm BEAM4.
  • Gối cầu và các vị trí đặt kích nâng/hạ thủy lực được mô hình bằng phần tử khối đặc 3 chiều SOLID45.
  • Tương tác truyền lực liên hợp giữa bản bê tông với cánh dầm thép và gối tựa được thiết lập bằng phần tử ràng buộc đa điểm MPC184 (Multipoint Constraint) với tùy chọn thanh cứng (rigid beam).
• Mô hình vật liệu và ứng suất dư:
  • Thép: Mô hình quan hệ ứng suất – biến dạng lý tưởng hóa theo Bureau et al., xét tới phân bố ứng suất dư do cắt nhiệt và hàn theo tiêu chuẩn AWS (2001) cho bản cánh rộng 800mm và bản bụng cao 1800mm.
  • Bê tông: Quan hệ ứng suất – biến dạng chịu nén và kéo đơn trục theo Bangash (1989) và đường cong lý tưởng hóa theo Hognestad (1951).
• Mô hình tải trọng: Tuân thủ tiêu chuẩn AASHTO LRFD (2007). Tĩnh tải bao gồm trọng lượng bản thân kết cấu, tĩnh tải cốp pha đáy ($10^{-3}\text{ MPa}$ theo Sen et al.) và tĩnh tải rải đều giai đoạn 2 (gờ chắn, lớp phủ mặt cầu là $10^{-3}\text{ MPa}$). Hoạt tải xe HL-93 kết hợp tải trọng làn với hệ số xung kích làm tăng mô men uốn xấp xỉ 12% (tổng tải trọng phân bố tương đương là $3.1\text{ kN/m}$ cộng hoạt tải trục xe).

Nội dung chính theo từng chương

CHAPTER 1: INTRODUCTION

Chương này trình bày bối cảnh nghiên cứu, tính năng cơ học của dầm hộp thép và sự cần thiết phải cải tiến phương pháp thi công Up-Down hiện hữu. Tác giả xác lập 6 nhiệm vụ nghiên cứu chi tiết (Task 1 đến Task 6) và cấu trúc 7 chương cùng 2 phụ lục tính toán.

CHAPTER 2: LITERATURE REVIEW

Chương 2 tổng hợp cơ sở lý thuyết của phương pháp Up-Down, mặt cắt liên hợp kép và bản bê tông tiền chế. Tác giả phân tích so sánh cơ học giữa sơ đồ dầm giản đơn và dầm liên tục thông thường với hệ thống thi công bằng Up-Down.

Loại kết cấu	Điều kiện biên	Mô men lớn nhất	Độ võng lớn nhất ($\Delta$)
Hệ thống thông thường (Nhịp đơn)	Khớp – Khớp (Hinged – Hinged)	$M_{\max} = \frac{1}{8}wL^2$ (tại $x = \frac{L}{2}$)	$\Delta = \frac{5}{384}\frac{wL^4}{EI}$
Hệ thống cải tiến Up-Down (Nhịp đơn)	Ngàm – Khớp (Fixed – Hinged)	$M = -\frac{1}{8}wL^2$ (tại ngàm); $M = \frac{9}{128}wL^2$ (tại $x = \frac{3}{8}L$)	$\Delta = 0.0054\frac{wL^4}{EI}$ (tại $x = 0.4215L$)

Luận án phân tích ba phương thức thi công kích nâng/hạ:

• Down-Up: Dùng cho cầu 1 nhịp. Lắp dầm ngàm một đầu, hạ gối tạm để tạo nén đáy dầm, đổ bê tông bản mặt cầu, sau đó kích nâng gối để tạo ứng suất nén cho bê tông.
• Up-Down: Dùng cho điều kiện tổng quát cầu 2 nhịp liên tục trở lên. Lắp dựng dầm, liên kết tại trụ giữa, kích nâng gối trung gian, đổ bê tông bản đỉnh, sau đó hạ gối trung gian về cao độ thiết kế để nén trước bản bê tông đỉnh vùng trụ.
• Down-Down: Thích hợp cho cầu nhịp lớn, dầm rất nặng, trụ quá cao hoặc mặt bằng mố rộng. Hạ gối tạm phía ngoài, đổ bê tông bản đỉnh, sau đó hạ gối trung gian.

Tác giả dẫn số liệu từ MANSECOREA (2007) cho thấy việc kết hợp liên hợp kép và Up-Down trên dầm hộp chữ nhật giúp giảm 14.4% lượng thép và giảm 6.8% chiều cao mặt cắt so với thiết kế dầm hộp thông thường.

Chỉ tiêu so sánh	Hệ thống hiện hữu	Hệ thống cải tiến (Up-Down)	Tỷ lệ thay đổi
Trọng lượng thép (kN)	1210	1030	-14.4%
Chiều cao mặt cắt vùng mô men dương (mm)	2200	2050	-6.8%
Lượng bê tông ($m^3$)	108.5	113.3	+4.4%

Về hiệu quả kinh tế của liên hợp kép, tác giả so sánh chi phí chịu lực nén giữa thép Grade 345 (đơn giá $2.20\text{/kg}$) và bê tông $28\text{ MPa}$ (đơn giá $426\text{/m}^3$): để chịu lực nén $1\text{ MN}$, chi phí thép là $$50.08\text{/m}$ trong khi bê tông chỉ tốn $$17.90\text{/m}$, chứng minh bê tông hiệu quả gấp gần 3 lần về mặt chi phí.

Quy trình thi công đề xuất cho dầm hộp hở hình thang gồm 5 giai đoạn chính (từ Stage 1 đến Stage 6):

• Stage 1: Lắp đặt gối phụ và cẩu lắp các phân đoạn dầm thép có sẵn bản bê tông đúc sẵn từng phần.
• Stage 2: Hàn nối các mối nối thép để tạo thành dầm liên tục.
• Stage 3: Đổ bê tông bản đáy tại vùng mố trụ (vùng mô men âm), bảo dưỡng đạt cường độ, sau đó kích nâng gối trung gian lên một cao độ xác định ($0.1\text{m}$ đến $0.4\text{m}$).
• Stage 4: Đổ bê tông bản đỉnh tại chỗ vùng mố trụ, bảo dưỡng, sau đó hạ gối trung gian về vị trí ban đầu để tạo ứng suất nén trước cho bản đỉnh.
• Stage 5 & 6: Thi công tĩnh tải giai đoạn 2 (gờ chắn, lớp phủ) và đưa vào khai thác chịu hoạt tải xe.

CHAPTER 3: ANALYTICAL STUDIES

Chương 3 trình bày chi tiết phương pháp xây dựng mô hình phần tử hữu hạn 3D trong ANSYS cho hai mô hình kết cấu:

• Model 1: Cầu 2 nhịp liên tục, nhịp đối xứng biến thiên từ 40m đến 90m (chiều cao dầm thép từ 1.8m đến 2.4m; bề rộng đáy 2.5m; hai cánh trên rộng 800mm, chiều dày bản thay đổi từ 20mm đến 50mm). Bản mặt cầu dày 0.2m, rộng 6m; bản đáy bê tông dày 0.2m phủ toàn bộ chiều rộng bản đáy thép trên chiều dài 20%L. Bản đúc sẵn đỉnh chiếm 80%L nhịp biên.
• Model 2: Cầu 3 nhịp liên tục ($65\text{m} + 100\text{m} + 65\text{m}$), chiều cao sườn dầm 2.5m, bản tiền chế chiếm 80%L nhịp biên và 60%L nhịp giữa.

Kết quả phân tích kiểm chứng ứng xử đàn hồi và phi tuyến qua các giai đoạn: Tại Stage 3 (khi kích nâng), trục trung hòa tại vùng mô men âm hạ thấp do có mặt bản bê tông đáy, làm tăng mô men quán tính, ứng suất kéo cánh trên và ứng suất nén cánh dưới/bản đáy bê tông tăng lên. Tại Stage 4 (sau khi hạ gối), bản bê tông đỉnh xuất hiện ứng suất nén trước, trục trung hòa dịch chuyển lên gần cánh trên và diện tích mặt cắt liên hợp tham gia chịu mô men âm tăng đáng kể.

CHAPTER 4: PARAMETRIC STUDIES

Chương 4 thực hiện khảo sát tham số trên Model 1 và sơ đồ nhiều nhịp nhằm xác định các quy luật biến thiên ứng xử:

1. Chiều cao kích nâng và hạ: Khảo sát các mức độ nâng gối từ $0.1\text{m}$ đến $0.4\text{m}$ trên các nhịp từ 40m đến 90m. Kết quả chỉ ra độ cao kích nâng tối ưu tỷ lệ thuận với chiều dài nhịp; việc nâng quá cao gây ứng suất kéo vượt giới hạn đàn hồi ở cánh trên trong Stage 3.
2. Thông số bản bê tông đáy: Chiều dài bản đáy tối ưu nằm trong khoảng 20% đến 25% chiều dài nhịp $L$ tính từ trụ trung gian; chiều dày 0.2m đáp ứng đủ khả năng chịu nén và chống mất ổn định cục bộ bản đáy thép.
3. Chiều dài bản đúc sẵn đỉnh: Việc bố trí bản đúc sẵn 80%L ở nhịp biên và 60%L ở nhịp giữa đảm bảo tối ưu hóa việc khử ứng suất kéo trong bê tông và tạo điều kiện thi công mối nối ướt nhanh chóng.
4. Cấp độ bền của thép: Đánh giá dầm đồng nhất (Grade 36, Grade 50) và dầm lai (Hybrid Girder Grade 36/50 và Grade 50/70). Việc sử dụng thép cường độ cao ở bản cánh vùng mô men lớn giúp giảm đáng kể trọng lượng và chi phí vật liệu.
5. Kích thước bản cánh đỉnh: Xác định mối liên hệ giữa chiều dày/chiều rộng bản cánh trên với biến thiên ứng suất tại Stage 3 gần vùng gối tựa.
6. Trình tự thi công cầu 3 nhịp và 4 nhịp: Khảo sát 3 trường hợp trình tự nâng hạ gối liên tiếp hoặc đồng thời cho cầu 3 nhịp và 4 nhịp để tìm sơ đồ phân bố mô men uốn có lợi nhất.

CHAPTER 5: TIME DEPENDENT ANALYSIS OF DOUBLE COMPOSITE SECTION

Chương này nghiên cứu biến dạng phụ thuộc thời gian (từ biến và co ngót) của mặt cắt liên hợp kép:

• Luận án đánh giá các mô hình dự báo từ biến và co ngót tiêu chuẩn (ACI 209, CEB-FIP, B3, AASHTO).
• Tác giả đề xuất phương pháp Gilbert cải tiến (Modified Gilbert’s Method), cho phép phân tích chính xác ứng xử theo thời gian có xét đến khoảng thời gian ngắt quãng (interval time) giữa các bước thi công kích nâng – hạ và sự chênh lệch tuổi bê tông cũng như mô đun đàn hồi giữa bản đỉnh và bản đáy.
• So sánh kết quả tính toán theo phương pháp Modified Gilbert với phương pháp hệ số mô đun quy đổi dài hạn ($3n$) của tiêu chuẩn AASHTO LRFD tại các mặt cắt chịu mô men dương (sagging) và mô men âm (hogging) ở Stage 5 và giai đoạn khai thác lâu dài. Kết quả chỉ ra sự phân phối lại ứng suất đáng kể giữa thép và hai bản bê tông theo thời gian.

CHAPTER 6: ADDITIONAL DESIGN CONSIDERATION

Chương 6 tập trung vào các bài toán thiết kế bổ sung, ổn định kết cấu và tối ưu hóa hình học:

• Phân tích ổn định và mất ổn định bản bụng: Đánh giá hiện tượng oằn bản bụng (web buckling), tác động của cơ chế dải kéo (tension field action) tại các khoang dầm sát gối tựa trung gian và mố biên, hiện tượng uốn xoắn mất ổn định tổng thể (lateral torsional buckling) và hiện tượng oằn lật cánh trên (tripping of top flange).
• Bố trí sườn tăng cường và hệ giằng đỉnh: Thiết lập khoảng cách sườn tăng cường ngang, vị trí sườn tăng cường dọc bản bụng; tính toán hệ thống giằng ngang đỉnh dạng giàn chéo đơn (single-diagonal truss) chịu mô men xoắn phát sinh do lực cắt kích nâng.
• Chi tiết cấu tạo: Đề xuất chi tiết neo chốt cho mặt cắt liên hợp kép, chi tiết vách ngăn trên gối cho các phương án bố trí 1 hoặc 2 gối đỡ chịu lực mỗi bên.
• Tối ưu hóa bề dày bản thép: Thiết lập bài toán tối ưu hóa mặt cắt dầm hộp liên tục 4 nhịp (chia thành các phân đoạn segment) dựa trên hàm mục tiêu chi phí vật liệu và các ràng buộc về ứng suất, độ mảnh bản theo AASHTO.
• Ví dụ thiết kế đối chứng: So sánh toàn diện giữa thiết kế truyền thống (T1), thiết kế cải tiến không up-down (T2), thiết kế đề xuất dầm hộp hở up-down (T3) và dầm hộp kín (R4). Kết quả cho thấy phương án đề xuất T3 tiết kiệm đáng kể khối lượng thép và chi phí tổng thể so với dầm hộp hở truyền thống T1 và dầm hộp kín R4.

CHAPTER 7: SUMMARY AND CONCLUSIONS

Chương 7 tổng kết các phát hiện khoa học chính của luận án, đưa ra hướng dẫn tính toán thiết kế cho kỹ sư cầu và đề xuất các hướng nghiên cứu mở rộng trong tương lai.

PHỤ LỤC (APPENDICES)

• APPENDIX A (Time Dependent Design of Composite Steel Box Girder Bridge): Trình bày chi tiết các đặc trưng hình học mặt cắt, xác định biểu đồ mô men trong các giai đoạn thi công, công thức giải tích theo phương pháp Modified Gilbert và quy trình kiểm toán theo AASHTO LRFD.
• APPENDIX B (Design Example): Cung cấp bảng tính chi tiết ứng suất uốn cho Model 1 (cầu 2 nhịp) và Model 2 (cầu 3 nhịp) qua từng bước thi công và khai thác.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các kết quả và đóng góp mới sau:

1. Đóng góp về mặt giải pháp kết cấu: Đề xuất thành công dạng kết cấu dầm hộp thép hình thang hở kết hợp bản bê tông đúc sẵn từng phần (80% nhịp biên, 60% nhịp giữa) và liên hợp kép bản đáy vùng mô men âm thi công bằng phương pháp Up-Down. Giải pháp này khắc phục nhược điểm thẩm mỹ, độ nặng nề và thời gian thi công kéo dài của dầm hộp kín truyền thống.
2. Đóng góp về phương pháp tính toán phụ thuộc thời gian: Phát triển phương pháp phân tích Modified Gilbert áp dụng riêng cho dầm liên hợp kép thi công nhiều giai đoạn, giải quyết chính xác bài toán từ biến và co ngót khi hai bản bê tông đỉnh và đáy có tuổi và mô đun đàn hồi khác nhau trong quá trình kích nâng – hạ.
3. Làm rõ cơ chế ứng xử cơ học và ổn định: Định lượng chi tiết sự phân bố lại mô men uốn, chuyển dịch trục trung hòa, ứng suất nén trước trong bản bê tông đỉnh và cơ chế chống oằn của bản đáy thép nhờ có bản bê tông liên hợp chèn kín. Xác lập các thông số thiết kế cho hệ giằng ngang đỉnh dạng giàn chéo đơn và sườn tăng cường bản bụng.
4. Phương pháp luận tối ưu hóa mặt cắt: Đưa ra quy trình xác định quy luật thay đổi chiều dày bản cánh và bản bụng thép dọc theo chiều dài cầu nhiều nhịp có xét đến trình tự thi công, mang lại hiệu quả giảm khối lượng vật liệu thép vượt trội so với phương pháp thiết kế quy ước.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo nội dung trình bày tại Mục 1.2 và Mục 7.3 của luận án, các giới hạn và hướng nghiên cứu mở rộng bao gồm:

• Hạn chế về phạm vi trạng thái giới hạn: Nghiên cứu tập trung chủ yếu vào trạng thái giới hạn cường độ (Strength I) và sử dụng (Service II); các trạng thái giới hạn mỏi (Fatigue Limit State) và trạng thái tải trọng cực hạn/đặc biệt (Extreme Event Limit States) chưa được đưa vào khảo sát chi tiết.
• Hướng nghiên cứu tiếp theo (Mục 7.3):
  • Tiến hành các thử nghiệm thực nghiệm quy mô lớn trên mô hình dầm hộp hở liên hợp kép thi công bằng phương pháp Up-Down để kiểm chứng số liệu mô phỏng số 3D.
  • Nghiên cứu sâu hơn về độ bền mỏi của liên kết chốt neo bản đáy và bản đỉnh dưới tác động lặp của tải trọng trùng phục.
  • Phân tích ứng xử động lực học và khả năng kháng chấn của kết cấu dầm hộp hở liên hợp kép sau khi hoàn thiện công nghệ kích nâng – hạ.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn giá trị cho các nhóm đối tượng:

• Kỹ sư thiết kế cầu và công trình kết cấu: Cung cấp quy trình thiết kế hoàn chỉnh từ việc chọn kích thước sơ bộ, bố trí hệ giằng, sườn tăng cường đến các bước kiểm toán theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD (Phụ lục A và B).
• Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Cầu hầm/Công trình: Cung cấp phương pháp luận mô hình hóa số 3D FEA nâng cao trên ANSYS sử dụng kỹ thuật sinh tử phần tử (Birth and Death) để mô phỏng chính xác quá trình thi công phân đoạn phức tạp.
• Các nhà nghiên cứu kết cấu liên hợp: Tham khảo phương pháp Modified Gilbert để giải quyết các bài toán từ biến, co ngót trong các hệ kết cấu liên hợp nhiều lớp bê tông có tuổi khác nhau.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp Up-Down tạo ra trạng thái ứng suất có lợi cho bản bê tông mặt cầu như thế nào? Tại Stage 3, gối tựa trung gian được kích nâng lên làm phát sinh thêm mô men âm phụ gia. Sau khi đổ và bảo dưỡng bê tông bản đỉnh tại vùng mô men âm (Stage 4), gối tựa được hạ xuống cao độ ban đầu. Quá trình hạ gối này gây ra một trạng thái nén trước (initial compressive stress) trong bản bê tông đỉnh trên đỉnh trụ, giúp bản bê tông không bị nứt và có thể tham gia cùng chịu mô men uốn âm trong suốt giai đoạn khai thác.

2. Tại sao luận án đề xuất dầm hộp hở hình thang thay vì dầm hộp chữ nhật kín? Dầm hộp hở hình thang với các vách nghiêng có tính thẩm mỹ và khí động học tốt hơn vách đứng, đồng thời giảm diện tích bản cánh trên giúp tiết kiệm thép. Việc kết hợp bản bê tông đúc sẵn từng phần giúp tạo độ cứng xoắn tương đương mặt cắt kín, loại bỏ đáng kể hệ giằng ngang đỉnh dầm và giảm khối lượng bê tông đổ tại hiện trường.

3. Bản bê tông đáy ở vùng mô men âm đóng vai trò gì trong kết cấu? Bản bê tông đáy giúp thay thế phần thép dày đắt tiền ở vùng nén âm bằng bê tông có chi phí thấp hơn (hiệu quả kinh tế gấp gần 3 lần). Đồng thời, lớp bê tông đáy đóng vai trò giằng cứng liên tục, ngăn ngừa hiện tượng mất ổn định cục bộ của bản đáy thép, tăng mô men quán tính mặt cắt và cải thiện khả năng giảm chấn, giảm ồn và chống ăn mòn bên trong lòng hộp.

4. Kỹ thuật sinh tử phần tử (Birth and Death) trong ANSYS được tác giả áp dụng như thế nào? Toàn bộ mô hình cầu được thiết lập ban đầu, sau đó các phần tử mối nối thép, bê tông bản đáy và bê tông bản đỉnh đúc tại chỗ được "khử" bằng lệnh EKILL (gán độ cứng rất nhỏ và ứng suất bằng 0). Khi đến giai đoạn thi công tương ứng, các phần tử này được "kích hoạt" lại bằng lệnh EALIVE bám theo hình dạng biến dạng hiện thời của dầm thép mà không bị tồn dư ứng suất giả tạo trước đó.

5. Phương pháp Modified Gilbert có ưu điểm gì so với tính toán theo tiêu chuẩn AASHTO thông thường? Tiêu chuẩn AASHTO thông thường sử dụng hệ số mô đun dài hạn $3n$ đơn giản hóa, không phản ánh được lịch trình thi công kích nâng/hạ ngắt quãng và sự khác biệt về tuổi bê tông giữa bản đáy (đổ trước ở Stage 3) và bản đỉnh (đổ sau ở Stage 4). Phương pháp Modified Gilbert giải tích phân bậc theo thời gian, cho phép tính toán chính xác biến thiên ứng suất và sự phân phối lại nội lực giữa các cấu phần liên hợp theo thời gian.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của Do Dai Thang đã nghiên cứu và phát triển giải pháp dầm hộp thép hở hình thang liên hợp kép kết hợp bản bê tông đúc sẵn từng phần thi công bằng phương pháp Up-Down. Bằng việc kết hợp mô phỏng số 3D phi tuyến trên ANSYS, khảo sát tham số toàn diện và phát triển phương pháp Modified Gilbert phân tích từ biến/co ngót, luận án đã làm sáng tỏ ứng xử cơ học và độ ổn định của kết cấu qua từng giai đoạn thi công. Kết quả nghiên cứu khẳng định giải pháp đề xuất giúp giảm đáng kể trọng lượng thép, tối ưu chiều cao mặt cắt dầm và mang lại hiệu quả kinh tế – kỹ thuật rõ rệt cho các công trình cầu dầm liên tục.

Trích đoạn nội dung tài liệu

공학박사학위 논문 지점의 상승하강 공법을 이용한 개구제형 강합성 거더교의 설계와 거동 Behavior and Design of Open Steel Box Girder Bridges by Up-down Construction Method 2009 년 8 월 인하대학교 대학원 토목공학과 도다이탕 (Do Dai Thang) 공학박사학위 논문 지점의 상승하강 공법을 이용한 개구제형 강합성 거더교의 설계와 거동 Behavior and Design of Open Steel Box Girder Bridges by Up-down Construction Method 2009 년 8 월 지도교수 : 구 민세 이 논문을 박사학위 논문으로 제출함 인하대학교 대학원 토목공학과 도다이탕 (Do Dai Thang) FF@FsPet'-" BsR600Z G&lb Eo++ b&{vinbA &["te= €*t [o Behavior and Design of Open Steel Box Girder Bridges by Up-down Construction Method By Do Dai Thang A DISSERTATION Submitted to the faculty of INHA UNIVERSITY In partial fulfillment of the requirements for the degree of DOCTOR OF PHILOSOPY Department of Civil Engineering August, 2009 ABSTRACT This research investigates the behavior of open steel box girder bridge by up-down construction method. The steel box girder with open-trapezoidal cross section, partial-length prefabricated concrete slab and double composite section by cast-in-place concrete on bottom flange is considered. The three-dimensional finite element models, considering construction sequence in modeling, have been used to carry out the analysis. A parametric study is used to investigate the effects of some structural characteristics on the behavior of steel box girder.

These parameters include the variation of lifting upward and lowering downward height, the length and depth of bottom concrete slab, the length of partial prefabricated concrete slab and the steel strength. A modification of the time-dependent behavior for double composite section with difference in ages and modulus of elasticity of top and bottom concrete slab are presented. An overview of the effect of lifting upward and lowering downward to the stability design such as web buckling and top lateral bracing are given. Optimization of the plate thickness of cross section by considering construction sequences is also presented as additional consideration.

Finally the recommendations are made for the engineers to the design and construct steel box girder bridges by up-down construction method. -i- TABLE OF CONTENTS Title Page No. i Table of Contents. ii List of Figures.

v List of Tables. xi CHAPTER 1 INTRODUCTION 1.2 Objectives and Scope. 4 CHAPTER 2 LITERATURE REVIEW 2.1 Fundamental of Up-Down Construction Method .2 Up-Down Construction Method Applied for Steel Box Girder .4 Partial Length Prefabricated Deck Concrete Slab .5 Proposed Up-Down Method for Open Steel Box Girder. 26 CHAPTER 3 ANALYTICAL STUDIES 3.1 Finite Element Model Description .2 Nonlinear Finite Element Analysis Modeling .4 Comparisons the Results.

50 CHAPTER 4 PARAMETRIC STUDIES 4.2 The Effect of Lifting-up and Lowering-down Height .3 The Effect of Bottom Concrete Slab.4 The Effect of Length of Partial Pre-fabricated Deck Concrete Slab .5 The Effect of Steel Strength .5 The Effect of the Top Flange .6 The Effect of Sequence Construction on Three, Four-Span Bridge. 71 CHAPTER 5 TIME DEPENDENT ANALYSIS OF DOUBLE COMPOSITE SECTION 5.1 Prediction Models of Creep and Shrinkage .2 Modified Gilbert’ Method, an Accurate Time-Dependent Analysis with Consideration of Interval Time during Up-Down Method.3 Calculation of Short-term and Long-term Composite Section according to AASHTO LRFD Specification.4 Comparisons of the Result. 96 - iii - CHAPTER 6 ADDITIONAL DESIGN CONSIDERATION 6.2 Suggested Construction Details .3 Optimum Cost of Steel Box-Girder by Varying Plate Thickness.4 Example Design and Evaluation. 135 CHAPTER 7 SUMMARY AND CONCLUSIONS 7.3 Recommendations for Further Research.

148 APPENDIX A TIME DEPENDENT DESIGN OF COMPOSTIE STEEL BOX GIRDER BRIDGE A.1 Properties of Cross Section .2 Determination of Bending Moment during Construction Sequence.3 Time Dependent Analysis by Modification of Gilbert's Method.4 Time Dependent Analysis by AASHTO LRFD Provision. 173 APPENDIX B DESIGN EXAMPLE B.1 Calculation Bending Stress for Model 1 .2 Calculation Bending Stress for Model 2. 188 - iv - LIST OF FIGURES Figure Page No.2 Two continuous spans .3 Steel box girder in two continuous spans .4 Detail install bottom slab in steel box girder applied up-down construction method .5 Double composite bridge Neuötting, (Hanswille, 2001) .6 Partial-length prefabricated steel box girder component .7 Construction sequence in two-spans continuous bridge.8 The normal stress at negative moment region .9 The normal stress at positive moment region .