Tổng quan nghiên cứu

Trong kỹ thuật xây dựng hạ tầng giao thông hiện đại, cầu thép dầm giản đơn chiếm hơn 60% thị phần thiết kế cho các nút giao đô thị nhờ ưu điểm vượt trội về trọng lượng nhẹ, tốc độ lắp dựng nhanh và giảm thiểu ùn tắc giao thông. Tuy nhiên, kết cấu này đối mặt với một thách thức kỹ thuật lớn là hiện tượng mất ổn định tổng thể do oằn xoắn ngang trong giai đoạn thi công, khi bê tông bản mặt cầu chưa đông kết và dầm thép phải độc lập chịu lực. Thống kê thực tế từ các công trình cầu cho thấy hơn 70% các rủi ro biến dạng dầm phát sinh từ việc thiếu hụt độ cứng chống xoắn của hệ giằng phụ trợ. Ngược lại, thực trạng thiết kế tại nhiều dự án hiện nay thường thiên về an toàn theo kinh nghiệm, dẫn đến lãng phí từ 15% đến 25% khối lượng vật liệu thép và làm phát sinh các vết nứt cục bộ trong giai đoạn khai thác do chênh lệch độ cứng giữa dầm ngang và dầm chủ.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông do học viên Phạm Minh Đức thực hiện dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Huỳnh Ngọc Thi tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM đã giải quyết triệt để hai bài toán cốt lõi: đề xuất quy trình tính toán tối ưu hóa hệ giằng liên kết ngang truyền thống và nghiên cứu ứng xử kết cấu cầu thép kiểu mới không sử dụng hệ giằng trung gian. Đề tài được hoàn thành trong mốc thời gian từ tháng 08/2019 đến tháng 12/2019, lấy đối tượng thực nghiệm là công trình cầu Lương Thực tại Cà Mau có tổng chiều dài 90m gồm 3 nhịp, trong đó nhịp tính toán lớn nhất đạt 35.4m, chiều dài toàn dầm 35.9m, bề rộng mặt cầu 6.0m với 4 dầm chủ I1387x350x25mm đặt cách nhau 1.5m. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp giảm 20% khối lượng thép hệ giằng, nâng hệ số an toàn chống oằn lên trên 2.4 lần tải trọng tính toán và giảm thiểu hơn 30% chi phí bảo trì bề mặt kết cấu trong suốt vòng đời dự án.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết mất ổn định tổng thể của dầm thép đàn hồi theo quan điểm kinh điển của Timoshenko kết hợp với lý thuyết giằng chống xoắn của Joseph A. Yura (1992) và Winter (1958). Các tiêu chuẩn tính toán hiện hành được áp dụng nghiêm ngặt gồm Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD và TCVN 11823:2017 ở trạng thái giới hạn cường độ I. Để mô tả chính xác ứng xử của hệ thống, tác giả sử dụng mô hình phân tích ổn định tuyến tính bài toán trị riêng để xác định hệ số tải trọng tới hạn và mômen uốn tới hạn của dầm.

Khung lý thuyết tập trung vào 4 khái niệm nền tảng: mômen kháng uốn dẻo và mômen chảy đầu tiên của mặt cắt chữ I; hiện tượng oằn ngang do xoắn; độ cứng chống xoắn tổng thể bao gồm độ cứng riêng của thanh giằng, độ cứng uốn ngoài mặt phẳng của dầm chủ và độ cứng mặt cắt bản bụng; cùng khái niệm kết cấu cầu thép kiểu mới không có hệ giằng trung gian. Đối với kết cấu không giằng trung gian, cơ chế chịu lực dựa trên sự làm việc liên hợp giữa dầm chủ I, tấm thép tăng cường và các thanh neo thép hình I được chôn chìm trong bản bê tông cốt thép, kết hợp khối bê tông dầm ngang đầu dầm tại gối để chống xoắn toàn hệ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào được thu thập trực tiếp từ hồ sơ thiết kế kỹ thuật thực tế của cầu Lương Thực. Các thông số vật liệu và tải trọng bao gồm: mô đun đàn hồi của thép E = 200.000 MPa, giới hạn chảy dầm chính fy = 415 MPa, giới hạn chảy thép giằng fy = 250 MPa, tĩnh tải bản thân dầm thép 3.7 kN/m, tĩnh tải bê tông 7.5 kN/m, hoạt tải thi công phân bố 0.48 kN/m2 và hoạt tải khai thác HL-93. Tiến trình nghiên cứu được triển khai liên tục và hoàn thiện từ tháng 08/2019 đến tháng 12/2019.

Nghiên cứu lựa chọn mẫu khảo sát điển hình gồm 4 phương án hệ giằng truyền thống (chữ I dùng thép I400x200x8x13, chữ X dùng thép góc L100x100x10, chữ K và chữ Z dùng thép góc đôi 2L100x100x10) cùng 9 biến thể kết cấu không hệ giằng trung gian với chiều dày tấm thép thay đổi từ 8mm đến 12mm và khoảng cách thanh neo I150 thay đổi từ 400mm đến 800mm. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích này đại diện đầy đủ cho các giải pháp kết cấu nhịp giản đơn phổ biến từ 30m đến 40m. Tác giả lựa chọn phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEM) không gian 3D trên phần mềm chuyên dụng Midas Civil 2019 vì đây là công cụ có độ chính xác cao nhất hiện nay trong việc mô phỏng hiện tượng oằn phi tuyến cục bộ và phân bố ứng suất phức tạp. Mô hình số được chia lưới chi tiết với 43.068 phần tử tấm 4 nút cho dầm chính và bản thép, cùng từ 195 đến 450 phần tử dầm cho các hệ thanh giằng, giúp phản ánh chân thực ứng xử cơ học mà phương pháp giải tích phẳng 2D không thể thực hiện được.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu đã tối ưu hóa thành công khoảng cách giữa các hệ giằng liên kết ngang trung gian với cự ly Lb = 6.0m, tương ứng với số lượng 5 hệ giằng phân bố đều trên nhịp 35.4m, đảm bảo khả năng chịu tải với mômen uốn tính toán Mu = 2.588 kNm. So với khoảng cách bố trí ban đầu là 3.5m, giải pháp này giúp cắt giảm 37.5% số lượng liên kết giằng phụ mà vẫn duy trì độ ổn định tuyệt đối trong giai đoạn thi công.

Thứ hai, kết quả phân tích so sánh 4 loại hệ giằng truyền thống chứng minh hệ giằng chữ K và chữ X có hiệu quả làm việc vượt trội nhất. Hệ số tải trọng tới hạn của hệ giằng chữ K đạt 2.45 và hệ chữ X đạt 2.38, cao hơn 18.5% so với hệ giằng chữ I truyền thống (hệ số tới hạn đạt 2.06) và cao hơn 24.3% so với hệ giằng chữ Z (hệ số tới hạn đạt 1.97), đồng thời giảm ứng suất cục bộ tại các mắt nối dầm xuống dưới 180 MPa.

Thứ ba, đối với kết cấu cầu thép kiểu mới không có hệ giằng trung gian, phương án tối ưu sử dụng bản thép dày 10mm và thanh neo I150 cự ly 600mm đạt hệ số ổn định tới hạn lên tới 2.82, tăng 15.1% so với kết cấu dùng hệ giằng chữ K tốt nhất của dầm truyền thống. Ứng suất tổng cộng của dầm chính trong giai đoạn thi công duy trì ở mức an toàn 142.5 MPa, chỉ bằng khoảng 34% giới hạn chảy của vật liệu.

Thứ tư, trong giai đoạn khai thác dưới tác dụng của hoạt tải HL-93, độ võng đàn hồi của kết cấu không hệ giằng trung gian chỉ đạt 18.2 mm trên nhịp 35.4m (tương đương tỷ lệ L/1945), nhỏ hơn 22.8% so với độ võng của kết cấu dầm giằng truyền thống (đạt 23.6 mm, tương đương L/1500), vượt xa yêu cầu khống chế độ võng cực hạn L/800 theo quy định của tiêu chuẩn thiết kế cầu đường.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi tạo nên sự vượt trội của kết cấu không hệ giằng trung gian là nhờ cơ chế liên hợp hoàn hảo giữa bản thép đáy và hệ neo I150, tạo nên một bản đáy tăng cứng liên tục ngay dưới mặt cầu. Thay vì dựa vào các thanh giằng rời rạc dễ bị xoắn vặn, tấm thép đáy đã biến toàn bộ mặt cắt dầm chữ I thành một hệ dầm hộp hở có độ cứng chống xoắn cực lớn. Đặc biệt, khối bê tông dầm ngang đầu dầm tại vị trí gối đóng vai trò như một liên kết ngàm tuyệt đối, khóa chặt chuyển vị xoay của 4 dầm chủ và truyền lực đồng đều xuống gối tựa, loại bỏ hoàn toàn sự tập trung ứng suất lệch tâm.

Khi so sánh với các công bố của Yura (1992) và các nghiên cứu về cầu dầm Panel của Nhật Bản như cầu Kirisawa hay Sendai No.3, nghiên cứu này đã tạo ra bước tiến quan trọng khi thiết lập thành công hệ số quy đổi độ cứng K = 1.53 cho hệ 4 dầm, giúp công thức giải tích lý thuyết tiệm cận với sai số dưới 4.2% so với mô hình FEM 3D. Đồng thời, việc ứng dụng sơ đồ nhịp giản đơn đã triệt tiêu hoàn toàn nguy cơ nứt bê tông do mômen âm thường gặp ở các kết cấu dầm liên tục. Toàn bộ các tương quan phi tuyến giữa chiều dày bản thép (từ 8mm đến 12mm), khoảng cách sườn neo (từ 400mm đến 800mm) và hệ số ổn định tới hạn được tổng hợp trực quan qua các biểu đồ đường đồng mức 3D và bảng tra thông số đa biến, cung cấp công cụ tra cứu chuẩn xác cho công tác thiết kế thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ban hành quy trình tính toán tối ưu hệ giằng ngang: Các Viện chuyên ngành Giao thông Vận tải và đơn vị tư vấn thiết kế cần áp dụng quy trình xác định cự ly giằng Lb = 6.0m cùng hệ số quy đổi K = 1.53 trong vòng 6 tháng tới, nhằm cắt giảm tối thiểu 15% khối lượng thép phụ trợ cho các dự án cầu dầm I thép nhịp 30m đến 40m.
  2. Chuẩn hóa thiết kế điển hình cho kết cấu cầu thép không hệ giằng trung gian: Bộ Giao thông Vận tải và các Tổng công ty tư vấn giao thông cần xây dựng bộ thiết kế mẫu sử dụng bản thép dày 10mm và neo I150 bước 600mm trong giai đoạn 2024 - 2025, hướng tới mục tiêu nâng hệ số an toàn chống oằn lên trên 2.5 và giảm 25% thời gian lắp dựng kết cấu tại hiện trường.
  3. Triển khai công nghệ ngàm bê tông dầm ngang đầu dầm: Các nhà thầu xây lắp công trình cầu cần áp dụng giải pháp đổ bê tông chèn khối dầm ngang tại mố trụ trong vòng 3 tháng đầu của giai đoạn thi công hạ bộ, nhằm đảm bảo độ cứng chống xoắn toàn hệ tăng thêm ít nhất 20% trước khi lao lắp dầm chính.
  4. Xây dựng quy trình kiểm soát độ võng và bảo trì chu kỳ: Chủ đầu tư và các đơn vị quản lý đường bộ cần thực hiện đo đạc ứng suất và độ võng định kỳ 12 tháng một lần, duy trì độ võng khai thác dưới ngưỡng L/1500 và nâng cao tuổi thọ công trình lên trên 50 năm nhờ cấu tạo giấu kín thép giằng trong bê tông, loại bỏ triệt để nguy cơ rỉ sét do môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư tư vấn thiết kế cầu và kết cấu công trình: Tiếp cận phương pháp giải tích tối ưu kích thước thanh giằng chữ K, X và xác định chính xác mômen tới hạn, giúp tiết kiệm từ 15% đến 20% chi phí vật liệu trong các phương án cầu dầm I thép khẩu độ trung bình.
  2. Chỉ huy trưởng và kỹ sư thi công của nhà thầu: Nắm vững giải pháp kiểm soát ổn định dầm thép trong giai đoạn đổ bê tông bản mặt cầu khi chưa liên hợp, rút ngắn 25% tiến độ thi công nhờ loại bỏ hoàn toàn công tác lắp ráp và liên kết giằng ngang trung gian phức tạp trên cao.
  3. Cơ quan quản lý dự án và đơn vị khai thác hạ tầng: Ứng dụng giải pháp kết cấu mới nhằm giảm thiểu các mối nối hở ngoài trời, triệt tiêu nguy cơ ăn mòn gỉ sét cục bộ và tiết kiệm từ 30% đến 40% chi phí sơn phủ bảo dưỡng định kỳ trong suốt 50 năm vận hành.
  4. Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Công trình Giao thông: Sử dụng tài liệu như một cẩm nang học thuật mẫu mực về phân tích ổn định kết cấu nâng cao trên Midas Civil 2019 với mô hình hơn 43.000 phần tử, làm tiền đề nghiên cứu phát triển các dạng kết cấu liên hợp tiên tiến.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao hiện tượng mất ổn định tổng thể của dầm thép lại đặc biệt nguy hiểm trong giai đoạn thi công? Trong giai đoạn thi công, bê tông bản mặt cầu chưa đông cứng nên dầm thép phải độc lập chịu tải trọng bản thân 3.7 kN/m, tải trọng ván khuôn bê tông 7.5 kN/m và hoạt tải thi công 0.48 kN/m2. Khi mômen vượt quá ngưỡng tới hạn, dầm sẽ bị oằn xoắn ngang đột ngột mà không có dấu hiệu biến dạng dẻo báo trước, gây nguy cơ sập đổ cục bộ rất khó khắc phục.

Hệ giằng liên kết ngang chữ K có ưu thế kỹ thuật gì so với hệ giằng chữ I truyền thống? Hệ giằng chữ K sử dụng thép góc đôi 2L100x100x10 tạo thành hệ khung tam giác có độ cứng chống xoắn không gian vượt trội. Kết quả mô phỏng số cho thấy hệ giằng chữ K đạt hệ số ổn định tới hạn 2.45, cao hơn 18.5% so với hệ giằng chữ I (đạt 2.06) với cùng định mức thép, giúp phân bổ tải trọng ngang đều hơn và giảm ứng suất tập trung tại mắt nối.

Kết cấu cầu thép không hệ giằng trung gian hoạt động theo nguyên lý cơ học nào để giữ ổn định? Kết cấu này thay thế các giằng ngang rời rạc bằng tấm thép dày 10mm hàn chặt vào cánh dưới dầm chủ cùng các neo thép hình I150 bước 600mm chôn trong bê tông. Tổ hợp này hoạt động như một dầm hộp kín tăng cường độ cứng xoắn, kết hợp khối bê tông dầm ngang đầu dầm ngàm cứng tại gối giúp nâng hệ số ổn định tới hạn lên 2.82.

Cơ sở khoa học nào quyết định việc chọn khoảng cách bố trí hệ giằng Lb = 6.0m trong nghiên cứu? Khoảng cách Lb = 6.0m được tính toán từ phương trình cân bằng mômen tới hạn nội tại lớn hơn mômen uốn dầm Mu = 2.588 kNm theo lý thuyết Yura kết hợp giới hạn cấu tạo theo tiêu chuẩn. Khoảng cách này chia nhịp 35.4m thành 6 khoang đều nhau với 5 hệ giằng, vừa thỏa mãn điều kiện ổn định vừa giảm được 37.5% mối nối liên kết so với thiết kế cũ.

Làm thế nào để áp dụng công thức giải tích dầm đôi cho hệ kết cấu gồm 4 dầm chủ của cầu Lương Thực? Để chuyển đổi lý thuyết dầm đôi sang hệ 4 dầm của cầu Lương Thực, nghiên cứu đã xây dựng hệ số quy đổi độ cứng tổng thể K = 1.53 cho từng kiểu liên kết. Khi nhân với hệ số K này, kết quả tính toán giải tích chỉ sai lệch dưới 4.2% so với mô hình phần tử hữu hạn 43.068 phần tử trên Midas Civil 2019, khẳng định độ tin cậy tuyệt đối của phương pháp.

Kết luận

  • Xây dựng thành công quy trình giải tích chuẩn mực để thiết kế tối ưu hệ giằng ngang cho cầu thép dầm giản đơn, xác định cự ly giằng tối ưu Lb = 6.0m và hệ số quy đổi độ cứng K = 1.53 cho hệ đa dầm.
  • Xác định hệ giằng chữ K và chữ X là phương án tối ưu nhất trong các hệ giằng truyền thống với hệ số ổn định tới hạn đạt từ 2.38 đến 2.45, cao hơn tới 18.5% so với dầm ngang chữ I.
  • Đề xuất đột phá giải pháp kết cấu cầu thép không hệ giằng trung gian sử dụng bản thép 10mm và neo I150 bước 600mm, nâng hệ số an toàn chống oằn lên 2.82 và giảm 22.8% độ võng khai thác so với kết cấu thông thường.
  • Kiểm chứng toàn diện lý thuyết qua mô hình phần tử hữu hạn không gian 3D gồm 43.068 phần tử trên Midas Civil 2019, đạt độ hội tụ cao với sai số dưới 4.2%.
  • Mở ra giải pháp kết cấu ưu việt giúp các dự án cầu đô thị tại Việt Nam tiết kiệm 20% vật liệu thép phụ trợ và cắt giảm hơn 30% chi phí duy tu bảo dưỡng chống ăn mòn trong vòng đời 50 năm.

Đóng góp quan trọng nhất của luận văn là đã hoàn thiện lý thuyết và công cụ thực hành giúp kỹ sư cầu đường kiểm soát hiệu quả tính ổn định của dầm thép ngay từ giai đoạn thi công. Trong giai đoạn 2024 - 2026, các cơ quan chuyên môn và đơn vị tư vấn cần đẩy mạnh chuyển giao và ứng dụng thử nghiệm kết cấu không hệ giằng trung gian vào các dự án giao thông trọng điểm. Quý độc giả, kỹ sư và nhà nghiên cứu quan tâm có thể tra cứu toàn văn luận văn tại thư viện Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM để tiếp cận chi tiết hệ thống bảng tính và tệp mô hình mô phỏng hoàn chỉnh.