Đặt vấn đề Các công trình kết cấu thép được sử dụng rộng rãi hiện nay nhờ ưu điểm vượt trội của vật liệu thép so với các vật liệu thông thường như BTCT hay gỗ. Đặc điểm nổi bật của vật liệu thép là tính chất cơ lý rất tốt, có khả năng chịu được mọi loại ứng suất (kéo, nén, uốn, xoắn,. Chính nhờ đặc điểm này, mặc dù trọng lượng riêng của thép là khá lớn (7850 kg/m3 so với 2400-2500 kg/m3 của BTCT), các công trình làm bằng thép cho phép giảm tải trọng bản thân đáng kể và qua đó có thể vượt được nhịp lớn hơn. Do đó, vật liệu thép rất được ưa chuộng và sử dụng rộng rãi trong các công trình cầu hiện nay, đặc biệt là với các sơ đồ cầu treo, cầu giàn và cầu dầm.
Một số ví dụ cầu làm bằng thép nổi tiếng trên thế giới có thể kể đến như sau. Cầu treo Cổng Vàng (Golden Gate) được xây dựng từ tháng 1/1933 đến tháng 5/1937 tại San Francisco (Mỹ) với chiều dài nhịp chính lên đến 1280 (m) và hai tháp cao 227 (m). Cầu treo Akashi-Kaikyo (Pearl Bridge) được xây dựng bắc qua vịnh Akashi ở Nhật Bản, có chiều dài nhịp chính lên đến 1991 (m) do eo biển Akashi là một tuyến đường thủy quốc tế nên cần phải có bề rộng thông thuyền là 1500 (m). Cầu treo Bosphorus (Thổ Nhĩ Kỳ) nối liền châu Âu và châu Á có nhịp chính dài 1074 (m).
Khi được xây xong vào năm 1073, cầu Bosphorus là cây cầu treo dài thứ tư thế giới còn hiện nay là cầu treo dài thứ 22 thế giới. Cầu giàn thép Ikitsuki (Nhật Bản) được mở của năm 1991 có chiều dài nhịp chính lên đến 400 (m). Cầu giàn thép Astoria-Megler nối liền Oregon và Washington (Mỹ) được khánh thành năm 1966 có nhịp chính dài 376 (m). Cầu vòm Chaotianmen (Trùng Khánh, Trung Quốc) khánh thành năm 2009 có nhịp chính dài đến 552 (m) và được xem là cầu vòm bằng thép có nhịp dài nhất thế giới.
Ngoài ra ở Trung Quốc còn có cầu Lupu được xây dựng năm 2003 bằng vật liệu thép có nhịp chính dài 550 (m) nắm giữ vị trí thứ hai thế giới. Việt Nam cũng có khá nhiều cầu thép được xây dựng. Cầu Long Biên được hoàn thành năm 1903 có tổng chiều dài toàn cầu gần 3000 (m), trong đó phần giàn thép dài 1860 (m) theo sơ đồ giàn hẫng 52. Cầu vòm Hàm Rồng ở Thanh Hóa có 4 nhịp chính dài 160 (m) theo sơ đồ vòm ba khớp có thanh chịu kéo.
Cầu bị phá hủy năm 1946 trong cuốc kháng chiến chống thực dân Pháp và được xây dựng lại theo sơ đồ giàn liên tục hai nhịp 80+80 (m). Sau năm 1954, hàng loạt cầu thép được xây dựng như cầu Làng Nhàng (Lào Cai), cầu Việt Trì, cầu Lèn, cầu Ninh Bình, cầu Bình Triệu, cầu Sài Gòn, v. Sau khi đất nước hoàn toàn được giải phóng (1975), chúng ta đã xây dựng được nhiều cầu thép mới như: cầu Thăng Long bắc qua sông Hồng là cầu giàn thép liên tục nhịp 112 (m), cầu Long Đại là cầu giàn liên tục 2 nhịp dài 158 (m) (1976), cầu Chương Dương (1885) là cầu giàn thép nhịp 97,6 (m), v. Trong các loại cầu thép, cầu dầm thép là loại cầu được sử dụng phổ biến nhất cho các nhịp nhỏ và vừa trên đường ô tô cũng như trong đô thị.
Đối với các nhịp nhỏ (< 30 m) dầm chủ thường được làm bằng thép hình I cán. Còn đối với các nhịp lớn hơn, dầm chủ thường được làm bằng dầm tổ hợp được tạo thành từ nhiều loại thép hình khác nhau. Thông thường các dầm thép tổ hợp này có chiều cao lớn hơn chiều cao lớn nhất của dầm thép cán. Dầm thép tổ hợp thường được cấu tạo liên kết với bản mặt cầu bằng BTCT phía trên tạo thành tiết diện liên hợp giúp tăng khả năng chịu tải trọng và tính ổn định cho dầm.
Các phương pháp thiết kế dầm thép tổ hợp được sử dụng phổ biến hiện nay vẫn là lựa chọn kích thước dầm theo kinh nghiệm của người thiết kế và gợi ý từ các tài liệu tham khảo. Từ kích thước chọn trước này, tải trọng bản thân của dầm thép và sau đó là toàn bộ nội lực được tính toán. Sau đó, phương án thiết kế được kiểm toán xem “đạt” hay “không đạt”. Khái niệm đạt ở đây được xét dưới 2 khía cạnh, một là đảm bảo an toàn về mặt chịu lực và biến dạng, chuyển vị theo quy định của tiêu chuẩn; hai là sự dư thừa sức kháng uốn và sức kháng cắt không được quá nhiều (thường chọn dưới 15%).
Nếu thiết kế không đạt, việc lựa chọn kích thước dầm thép phải thực hiện lại và tính toán lại từ đầu. Chính vì đặc điểm này mà các phương pháp thiết kế dầm thép truyền thống dựa trên kinh nghiệm thường không đem lại hiệu quả cao nhất về mặt kinh tế kỹ thuật cũng như tốn nhiều công sức của kỹ sư thiết kế. Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật tính toán cũng như của phần cứng và phần mềm máy tính, nhiều thuật toán hiện đại đã được đề xuất nhằm hỗ trợ hiệu quả cho việc thiết kế công trình. Một trong số đó có thể kể đến là các thuật toán tối ưu chuyên được sử dụng để tìm kiếm các giải pháp tối ưu trong trong thiết kế công trình.
5 Một ưu điểm vượt trội của bài toán thiết kế tối ưu so với phương pháp thiết kế thông thường là nó có thể tối thiểu hóa chi phí trong khi đó các điều kiện và yêu cầu về thiết kế vẫn được đảm bảo. Trong các bài toán tối ưu về thiết kế công trình, tổng khối lượng hoặc tổng giá thành của kết cấu thường được chọn là hàm mục tiêu, các biến thiết kế thường là tiết diện của các phần tử của công trình. Các điều kiện ràng buộc bao gồm các yêu cầu khác nhau về khả năng chịu lực, về sử dụng, về cấu tạo, xây dựng. Với đặc điểm này, bài toán thiết kế dầm tổ hợp hoàn toàn có thể sử dụng thuật toán tối ưu nhằm tìm ra phương án thiết kế tốt nhất, có hiệu quả cao.
Cần lưu ý rằng, bài toán tối ưu các kết cấu thép nói chung và dầm thép tổ hợp nói riêng thường có tính phi tuyến cao do các nguyên nhân sau: (1) do tính phi tuyến của kết cấu thép liên quan đến vật liệu và tính ổn định của công trình và (2) do tính rời rạc của các biến thiết kế thường được chọn từ một tập các giá trị cho trước chứ không phải là dạng liên tục. Do vậy, các thuật toán mê-ta hơ-rít-tíc thường được sử dụng do ưu điểm của chúng trong việc cân bằng giữa tìm kiếm các kết quả tối ưu địa phương và tối ưu toàn cục. Một số thuật toán mê-ta hơ-rít-tíc có thể kể đến ở đây như là: Harmony Search [1], Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm) (GA) [2], [3], tiến hóa vi phân (Differential Evolution) (DE) [4], v. Về các tiêu chuẩn thiết kế công trình cầu được sử dụng ở Việt Nam từ trước đến nay, tiêu chuẩn thiết kế cầu đầu tiên là Quy trình thiết kế cầu cống theo trạng thái giới hạn 22TCN-18.79 [5] được biên soạn dựa trên Quy trình của Liên Xô ban hành năm 1962 và 1967, có tham khảo thêm Quy trình của Trung Quốc năm 1959 theo quyết định số 166/QĐ ngày 22/01/1975 của bộ Giao Thông Vận Tải.
Quy trình thiết kế 22TCN- 18.79 đã được áp dụng một thời gian rất dài (trên 30 năm) và đã phát huy được tác dụng chỉ đạo và thống nhất về quản lý kỹ thuật ngành cầu trong nước. Tuy nhiên trong suốt thời gian dài áp dụng đó do không được cập nhật nên bộ tiêu chuẩn này đã bộc lộ rõ nhiều hạn chế, thiếu sót trong tính toán thiết kế cũng như khả năng hòa nhập với thông lệ đầu tư xây dựng quốc tế yếu. Khi nước ta bắt đầu mở cửa vào đầu thập kỷ 90, dòng vốn đầu tư quốc tế vào Việt Nam tăng mạnh buộc chúng ta phải có sự sửa đổi tiêu chuẩn thiết kế cầu để phù hợp với các chỉ tiêu kỹ thuật do tư vấn quốc tế kiến nghị. Dựa trên cơ sở đó, theo quyết định số 3277/2003/QĐ-BGTVT của Bộ Giao Thông Vận Tải cho phép tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-01 được phép sử dụng 6 đồng thời cùng với 22TCN-18-79 và áp dụng thử nghiệm cho đến năm 2005.
Đây là tiêu chuẩn biên soạn dựa trên tiêu chuẩn thiết kế cầu theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng của AASHTO LRFD 1994 và 1998. Đến năm 2005, tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN272-05 [6] được chính thức ban hành dựa trên tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD 1998. Một số tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành được áp dụng thể hiện các điều kiện thực tế của nước ta như: Tiêu chuẩn về thiết kế cầu – 22TCN-18.79; Tiêu chuẩn về tải trọng gió - TCVN 2737 – 1995; Tiêu chuẩn về tải trọng do nhiệt – TCVN 4088 – 1985; Tiêu chuẩn về thiết kế chống động đất – 22TCN 221 – 1995; Tiêu chuẩn về giao thông đường thuỷ TCVN 5664 – 1992. Tuy nhiên, trong quá trình sửa đổi vận dụng tiêu chuẩn AASHTO LRFD 1998 để xây dựng tiêu chuẩn 22TCN 272-05 đã làm nảy sinh nhiều bất cập về tuổi thọ thiết kế (tiêu chuẩn AASHTO là 75 năm nhưng 22TCN 272-05 là 100 năm), chiều dài nhịp giới hạn của tiêu chuẩn (tính toán hiệu ứng động đất trong tiêu chuẩn chỉ áp dụng với nhịp có khẩu độ <= 150m trong khi cầu nhịp > 150m khá phổ biến hiện nay), tính toán kết cấu BTCT (chỉ đề cập đến bê tông có cường độ thông thường fc’ < 70 MPa trong khi hiện nay có nhiều loại bê tông có fc’ > 70 MPa như dầm DƯL hay cọc ly tâm BTCT DƯL), tính toán kết cấu thép (chưa có nội dung quy định cho cầu ống thép nhồi bê tông mà hiện nay vẫn đang tham khảo thiết kế theo tiêu chuẩn Trung Quốc), các quy định về khe co giãn và gối cầu (cần cập nhật lại do có nhiều chủng loại khe co giãn và gối cầu mới), v.v… Ngoài ra, các tiêu chuẩn về tải trọng, đường song đều đã được sửa đổi bổ sung.
Thêm vào đó, với tốc độ sửa đổi của tiêu chuẩn AASHTO-LRFD trung bình 2 đến 3 năm một lần cũng đặt ra yêu cầu phải xây dựng một bộ tiêu chuẩn mới. Dựa trên các đặc điểm đó, tiêu chuẩn quốc gia về thiết kế đường bộ TCVN 11823:2017 [7] được ban hành theo quyết định số 3859/QĐ-BKHCN ngày 29/12/2017 của bộ Khoa Học Công Nghệ và đang trong quá trình áp dụng thực tế. Tiêu chuẩn TCVN 11823:2017 có rất nhiều điểm sửa đổi và khác so với tiêu chuẩn 22TCN 272-05.