BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
--------- oOo --------

NGUYỄN TOÀN TRUNG

NGHIÊN CỨU CẦU LIÊN TỤC NHỊP LỚN SỬ DỤNG
DẦM BTCT DƯL TIẾT DIÊN I33

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TP. HCM 08 - 2015

MỞ ĐẦU


22
1. Mục đích của đề tài
Trong những năm gần đây, nền kinh tế Việt Nam đang có những bước
chuyển mình nhanh chóng, hội nhập với nền kinh tế toàn cầu. Song song với sự
phát triển đó, hệ thống sơ sở hạ tầng cũng có những bước phát triển quan trọng.
Hiện nay, thành phố TP HCM có mật độ giao thông cao, nhiều tuyến đường
trong nội thành và cửa ngõ vào thành phố bị tắc nghẽn, quá tải trên các tuyến
đường này, hầu hết là cầu cũ cần thay thế hoặc cải tạo (theo thống kê có gần 100
cây cầu yếu cần thay thế, cải tạo – số liệu của sở GTVT TP HCM) bên cạnh đó
theo quy hoạch chung đến năm 2025, TP HCM sẽ xây dựng mới 07 tuyến đường
cao tốc, 06 tuyến metro, 03 tuyến đường sắt nhẹ; cải tạo, xây dựng mới 80 nút
giao thông khác mức; nâng cấp cải tạo 06 tuyến quốc lộ hướng tâm. Vì thế trong

và White 2004).
Dựa trên hệ thống lý thuyết, các kết cấu thực tế đã được xây dựng trên thế
giới, việc nghiên cứu và ứng dụng vào các dầm I33 định hình tại công ty CP
Beton 6 sẽ giúp đưa ra một giải pháp công nghệ mới trong công nghệ thiết kế và
thi công cầu tại Việt Nam.
Xuất phát từ thực tiễn sản xuất, đưa ra các giải pháp kết cấu khác nhau và đa
dạng hóa sản phẩm tại Công ty CP Beton 6, việc nghiên cứu và ứng dụng phương
pháp liên tục hóa dầm I33 là cần thiết.
Xuất phát từ nhu cầu trên, nội dung luận văn sẽ tập trung giải quyết những
vấn đề sau:
o Nghiên cứu, phân tích kết cấu cầu dầm BTCT DƯL tiết diện I33
nhịp giản đơn và liên tục.
o Các phương pháp thi công, xử lý mối nối
o Trình tự thi công kết cấu cầu dầm liên tục BTCT DƯL tiết diện I33


44

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ KẾT CẤU LIÊN TỤC HÓA
DẦM BTCT DƯL TIẾT DIỆN I

1.1 Sơ lược về công nghệ thi công lắp ghép dầm BTCT DƯL tiết diện I trên
thế giới
Cầu BTCT xuất hiện đầu tiên vào những năm 70 của thế kỷ XIX, sau khi xi
măng được phát minh vào khoảng năm 1825, việc đặt thép vào bê tông xuất hiện
lẻ tẻ vào những năm 1835-1850. Từ năm 1855 trở đi BTCT mới chính thức ra đời
tại Pháp. Năm 1875 Joseph Monier đã xây dựng cầu BTCT đầu tiên dài 50ft
(15,24m) rộng 13ft (3,96m). Kỹ sư người Pháp Francois Hennebique đã phát
triển mặt cắt ngang dạng T, ông và những học trò của ông như kỹ sư người Thụy
Sĩ Robert Maillart đã xây dựng một vài cầu vòm BTCT nổi tiếng.

Klickitat Country, Washington: những dầm cầu dạng I được xây dựng ở
Klickitat Country, Washington, vào năm 1954 làm nó trờ thành 1 trong những
cây cầu dự ứng lực dạng I đầu tiên được xây dựng ở Hoa Kỳ. cầu dầm nhịp giản
đơn hầu như chắc chắn là 1 trong những loại dầm cầu bê tông cốt thép dạng I
ngắn nhất ở Hoa Kỳ với chiều dài cuối cùng của dầm là 27m. Dầm được chế tạo
thành 03 đốt mỗi đốt dài 9m, được tạo bằng cách chèn tấm ngăn cách trong ván
khuôn dầm. Dầm được sử dụng vì nhà thầu không có cẩu đủ lớn để nhấc toàn bộ
dầm. Các đốt dầm sẽ được lắp đặt trên hệ khung chống và sau đó sẽ tiến hành
căng cáp dự ứng lực liên kết.

Hình 1.1: Cầu ở Klickitat Country, WA
Rock Cut Bridge, Washington: cầu Rock Cut bắc qua sông Kettle ở khu vực
xa bang Washington, được xây dựng chỉ trong 3,5 tháng vào năm 1995. Chiều dài


66
tổng cộng của dầm là 57.15m, được chia làm 03 đốt dầm gần bằng nhau, đường
vào công trường rất khó khăn, tránh sử dụng toàn bộ chiều dài dầm. Tuy nhiên,
bởi vì sự yêu cầu nghiêm ngặt về môi trường nên không được phép thi công trên
sông. Thêm nữa là 03 đốt dầm sẽ được liên kết lại trên mặt đất gần vị trí xây cầu,
tiếp đó, dầm sẽ được vận chuyển bằng xe đầu kéo đến vị trí lao phóng và tiến
hành lao lắp bằng cách sử dụng dàn lao phóng. Cách tiếp cận thi công sáng tạo
này khi gặp phải điều điện khó khăn tại công trường, thời gian thi công nghiêm
ngặt và nó đã mang về giải thưởng công nghiệp tiên tiến PCI Harry H.Edward
năm 1997.

Hình 1.2: Cầu Rock Cut
15 cây cầu, thành phố Salt Lake, Utah: xây dựng lại 15 cây cầu bằng qua
trung tâm thành phố Salt Lake là một dự án thiết kế xây dựng quy mô lớn với tiến
độ rất nghiêm ngặt. Những cầy cầu này có nhịp giản đơn với chiều dài dầm đến

88
Long Hà Nội). Tại miền nam trước 1975: xây dựng rất nhiều cầu BTCT ƯST sử
dụng chủ yếu là kết cấu nhịp 24,7; 24,54 (bán lắp ghép); dầm bụng cá: 12,5m;
15,6m; 18,6m; 21,6m...các kết cấu nhịp này chủ yếu đước chế tạo tại nhà máy bê
tông Châu Thới.
Từ năm 1958, công ty RMK của Mỹ đã chế tạo, thiết kế và sản xuất các loại
cấu kiện BTCT tiền áp (dầm cầu dạng T12.5m, T18.6m, T24.7m). Sau năm 1975,
đồi tên là xí nghiệp bê tông Châu Thới dưới sự tiếp quản của bộ Giao Thông Vận
Tải đã nghiên cứu và sản xuất thành công sản phẩm mới là dầm BTCT tiền áp
I24.54m, dầm I33.
Trong những năm gần đây, dầm BTCT dự ứng lực dạng I đã được ứng dụng
và sản xuất rộng rãi theo quy mô công nghiệp đã và đang là một giải pháp kết cấu
kinh tế được các đơn vị thiết kế ứng dụng khi thiết kế cho công trình cầu tại Việt
Nam.
1.3

Liên tục hóa dầm BTCT DƯL tiết diện I trên thế giới và Việt Nam.
Trong hơn 60 năm qua, dầm bê tông cốt thép dự ứng lực đúc sẵn đã được
ứng dụng hiểu quả ở rất nhiều công trình cầu trên thế giới, vì tinh lâu bền, chi phí
duy tu bảo dưỡng thấp, khả năng thay thế dễ dàng, và rất nhiều những lợi ích
khác. Nó đã trở thành dạng dàm phổ biến cho kết cấu cầu, và được sản xuất theo
quy mô công nghiệp. Tuy nhiên, cần một sự phát triển mạnh từ ngành vận tải để
xây dựng những nhịp dài hơn với những dầm BTCT DƯL đang I tiêu chuẩn sẵn
có.
Phương pháp sử dụng ở những tiểu bang khác nhau để kéo dài chiều dài
nhịp bằng cách cải tiến vật liệu, thiết kế thông thường, cho ra kết quả tăng chiều
dài nhịp ít cho kết cấu dầm BTCT DƯL đúc sẵn.
Công nghệ xây dựng được đưa ra là tăng chiều dài nhịp sử dụng những
phiến dầm I tiêu chuẩn đúc sẵn.
Một hệ thống dầm ghép có thể cung cấp một số ý tưởng lựa chọn thiết kế

cầu sử dụng phương pháp liên tục hóa dầm I. Ví dụ cầy cầu hightland view tại
florida, có chiều dài nhịp chính lên đến 75m, cây cầu được hoàn tất vào năm
1994.


10
Tại nước ta công nghệ liên tục hóa các dầm đơn giản định hình vẫn đang
trong giai đạo nghiên cứu và chưa đưa vào ứng dụng trong thực tế, đến nay, loại
kết cấu kinh tế này vẫn chưa được ứng dụng tại Việt Nam.
1.4 Kết luận
Liên tục hóa dầm I thực sự là một giải pháp kết cấu tuyệt vời cho các nhà
đầu tư, các nhà thiết kế và nhà thầu xây dựng trong công nghệ xây dựng cầu. So
với các kết cấu cầu liên tục khác có cùng chiều dài nhịp phương pháp liên tục hoá
dầm I tỏ ra là một phương pháp vượt trội, tối ưu và có tính kinh tế cao. Vì vậy
nghiên cứu này phần nào cung cấp cái nhìn mới mẻ, thông tin cơ bản về kết cấu
mới này, có thể nghiên cứu sâu hơn nhằm đưa kết cấu này vào ứng dụng trong
ngành xây dựng cầu tại Việt Nam, mang lại một giải pháp kết cấu mới, kinh tế,
rút ngắn thời gian thi công so với các kết cấu liên tục khác có chiều dài nhịp
tương tự đang triển khai tại Việt Nam.


11

2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Giới thiệu phương pháp tính
Tiêu chuẩn ngành TCN272-05, tiêu chuẩn AASHTO.
2.1.1 Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH)
Ý tưởng cơ bản trong phương pháp PTHH là tìm lời giải của một bài toán phức
tạp bằng cách thay nó bởi một bài toán đơn giản hơn. Do bài toán thực tế được thay




(2.1)


13
[N] = ma trận hàm hình dạng,

Trong đó:

re
Q ( ) = vectơ chuyển vị nút của phần tử (e)
r

( e)

( e)
Bước 3: Thiết lập ma trận độ cứng [ K ] và vectơ tải P của từng phần tử

bằng cách sử dụng nguyên lý thế năng cực tiểu. Phiếm hàm thế năng

πp

của toàn bộ

vật thể (chỉ xét lực thể tích và lực mặt) có thể được viết như sau:
E

π p = ∑ π (pe )

(2.3)

( e)
S
1
= thể tích của phần tử (e);
= phần diện tích bề mặt của phần

r
r
tử (e) có lực phân bố ϕ tác dụng lên một đơn vị diện tích bề mặt; và có φ = lực phân
bố tác dụng lên một đơn vị thể tích vật thể.

r ( e)
r
Q
ε
Vectơ biến dạng
có thể được biểu diễn theo vectơ chuyển vị nút
bằng

cách lấy đạo hàm (2.1) một cách thích hợp và ta được:
 ∂u   ∂
 ∂x   ∂x

 
 ∂v   0
ε xx   ∂y  
 
ε  


∂
u 
r
∂z   
( e)
  v  = [ B] Q
0   w


∂
∂y 

∂
∂x 

(2.4)


14

Với

∂
 ∂x

0


0

0


∂
∂y 

∂
∂x 

r

(2.5)

Ứng suất có thể được xác định từ biến dạng ε như sau:
r
r r
r
r
σ = [ D ] ( ε − ε 0 ) = [ D ] [ B ] Q( e) − [ D ] ε 0

(2.6)

Lưu ý rằng để tổng quát cả ba thành phần chuyển vị, sáu ứng suất và sáu biến
dạng được xem xét trong các phương trình trên.
Thay các phương trình (2.1) và (2.4) vào phương trình (2.3) ta được thế năng
của phần tử như sau:

π (pe) =

r ( e) T

r
r
r
T r
T
− ∫∫ ( e) Q ( e ) T [ N ] ϕ dS1 − ∫∫∫ ( e) Q ( e) T [ N ] φ dV
s

v

1

(2.7)

Trong các phương trình (2.3) và (2.7) chỉ xét lực cắt và lực thể tích. Nhưng

r
P
tổng quát còn có một số ngoại lực tập trung tác dụng vào các nút khác nhau. Nếu ~e
r
Q
là vectơ lực nút (tác dụng theo phương vectơ chuyển vị nút ~e của toàn bộ kết cấu)
tổng thế năng của kết cấu có thể được viết như sau:
E

π p = ∑π p
e =1

( e)


π (pe)
ϕ
φ
vectơ (như [B], [N],
và ) trong biểu thức của
được mở rộng bằng cách

thêm các giá trị zero tại các nơi cần thiết. Nói cách khác dấu tổng trong phương trình
(2.8) ám chỉ việc mở rộng các ma trận phần tử thành kích thước của toàn bộ công
trình và cộng các giá trị xếp chồng nhau. Như vậy phương trình (2.7) và (2.8) cho ta:
1 r E
T
r
π p = QT  ∑ ∫∫∫ ( e) [ B ] [ D ] [ B ] dV  Q
2 %  e=1 v
%
r E
−QT ∑
% e=1

(

∫∫∫ ( e) [ B ]
v

T

)

r


∂π p
∂Q1

=

∂π p
∂Q2

= ..... =

∂π p

≈

∂QM

∂π p
r =0
∂Q
%

(2.10)

Với phương trình (2.6), (2.7) ta viết lại như sau:
 E
T
r r
B
D


[ N]

T

r
r
T
ϕ dS1 + ∫∫∫ ( e) [ N ] φ dV
v

E
ur( e ) ur ( e ) ur ( e )
r E uu(uer) ur
 E  ( e)   r r
K
.
Q
=
P
+
P
+
P
+
P
=
P
+∑P = P
i


r
Q
%= vectơ chuyển vị nút của toàn bộ cấu kiện
r
Pe = vectơ tải tập trung
%

r
Pi (e) = vectơ lực nút phần tử do biến dạng ban đầu gây ra

r
Ps ( e) = vectơ lực nút phần tử do lực bề mặt gây ra
r
Pb ( e ) = vectơ lực nút phần tử do lực khối gây ra

r
P ( e)

= vectơ lực nút phần tử

r
P~ = vectơ lực nút tổng cộng

Trong đó
T

 K ( e )  = ∫∫∫ ( e ) [ B ] [ D ] [ B ] dV



thích động lực học (vì chúng thỏa mãn phương trình công ảo hay năng lượng). Đó là,
công ảo do một tải tổng quát hóa cụ thể P j khi chuyển vị tương ứng

δQj

được cho

phép (trong khi các chuyển vị nút khác bị cưỡng bức không xảy ra) thì bằng với công
do lực phân bố khi di chuyển theo chuyển vị do

δ Qj

gây ra.

Bước 4: tập hợp các phương trình phần tử để được hệ phương trình cần bằng
tổng thể cho hệ:


17
• Xây dựng điều kiện liên tục giữa các biên phần tử với các biến cơ sở (quan hệ giữa
bậc tự do địa phương và bậc tự do toàn cục, thiết lập quan hệ kết nối giữa các phần
tử) bằng quan hệ giữa nút địa phương với nút toàn cục.
• Xây dựng điều kiện cân bằng.
• Lắp ghép các phương trình phần tử dựa vào các bước trên, kết quả là hệ phương trình
cân bằng tổng thể có dạng:

r

r
=P

• Giải tìm giá trị của ẩn số chuyển vị nút sau khi đã kết hợp điều kiện biên để được hệ
r r
K ] .φ = P
[
phương trình có dạng
• Đối với bài toán tuyến tính, hệ phương trình có thể giải một cách dễ dàng.
• Đối với bài toán phi tuyến, cần tiến hành giải lặp bao gồm nhiều bước, sau mỗi bước

r

cần hiệu chỉnh ma trận độ cứng [K] hay vectơ tải P .
Bước 6: tính toán ứng suất và biến dạng của phần tử
Giải hệ phương trình đã lắp ghép, phân tích và đánh giá kết quả:
• Tính các đại lượng dẫn xuất.
• Tính sai số và tốc độ hội tụ bài toán.
• So sánh với lời giải giải tích nếu có.


18
2.1.2 Khả năng ứng dựng của phương pháp PTHH trong tính toán kết cấu
Trong tính toán kết cấu, phương pháp phần tử hữu hạn có thể được áp dụng để
tính toán nhiều dạng kết cấu khác nhau như phần tử nút, phần tử thanh, phần tử tấm
vỏ, phần tử giàn, phần tử khối…
Đặc trưng cơ bản của một phần tử hữu hạn là ma trận độ cứng của phần tử, ma
trận độ cứng chứa các thông tin hình học và ứng xử vật liệu của phần tử nghĩa là lực
kháng biến dạng khi chịu tác dụng của ngoại lực tác dụng.
Trong phạm vi nghiên cứu tính toán có thể kể đến loại phần tử được tính theo
phương pháp PTHH là:
 Phần tử dầm
Giả thiết:

{δz1 δz2 } : các chuyển vị thẳng theo phương trục z.
{θy1 θy2 } : góc xoay trong mặt phẳng xz.
Hai thành phần {δz1 δz2 } và {θy1 θy2}gây biến dạng uốn trong mặt phẳng xz

δy2
θy2
δx2

θx2

δz2
θz2

2

y
x

z

δy1
θy1
δ x1
Hình 2.9

θx1

δ z1
θz1


G : Môđun đàn hồi trượt của vật liệu.
Jx : Momen quán tính trục x của mặt cắt ngang dầm.

Hình 2.4: Các biến dạng trong mỗi phần tử.
c) Biến dạng uốn trong mặt phẳng xy (do δy1, δy2, θz1 và θz2) :

 K xy 
(e )

6l
 12

2
EJ z  6l 4l
= 3
l  −12 −6l

 6l 2l 2

−12
−6l
12
−6l

6l 

2l 2 
−6l 

4l 2 


Ma trận độ cứng phần tử được thiết lập từ 4 ma trận độ cứng (2.18) ~ (.21) có
được từ việc xét độc lập các nhóm bậc tự do chuyển vị khác nhau. Cuối cùng ta có
ma trận độ cứng của phần tử trong hệ tọa độ địa phương như sau:


21

[ K ] ( e)

 EF
0
 l

12 EJ z


l3











= 


0

0

0

0

0

0

6 EJ z
l2

0

−12 EJ z
l3

0

0

0

0

0


0

0

0

12 EJ z
l3

0

0

0

12 EJ y
l3

0
GJ x
l

−6 EJ y
l2
0
4 EJ y
l

4 EJ z

l2
0
4 EJ y
l




6 EJ z 
l2 

0 


0 


0 

2 EJ z 

l 

0 

−6 EJ z 

l2 

0 

phẩm phần mềm chuyên dụng thì công việc mô hình hóa và phân tích kết cấu trở nên
nhanh chóng và chính xác.
Hiện nay, với sự bùng nổ của máy tính điện tử, phương pháp phần tử hữu hạn
nhanh chóng được ứng dụng trong các sản phẩm phần mềm để tính toán một cách
chính xác và nhanh chóng. Có rất nhiều phần mềm tính toán được lập trên cơ sở
phương pháp phần tử hữu hạn rất hiệu quả như : Sap2000, RM2000, Lusas, Staad
Pro, Midas Civil,…v.v
2.2.1 Phần mềm SAP2000
Sap2000 là một trong những phần mềm phần tử hữu hạn phân tích và thiết kế
kết cấu rất mạnh và đa năng của hãng COMPUTER & STRUCTURE (Mỹ).
SAP2000 có khả năng phân tích các bài toán phi tuyến sau [3], [4], [8]:
• Phi tuyến vật liệu (Material Nonlinear): có thể mô phỏng các loại vật liệu trực hướng
(Othotropic), vật liệu dị hướng (Anisotopic), vật liệu có các đặc tính thay đổi theo
thời gian (Time dependent properties).
• Phi tuyến hình học (Geometric Nonlinear): xét các hiệu ứng P-delta, hiệu ứng biến
dạng lớn (Large displacement).
• Phần tử phi tuyến (Nlink element): mô phỏng các phần tử liên kết, phần tử gối đỡ,
phần tử giảm chấn có các ứng xử phi tuyến.
Có thể nói SAP2000 là phần mềm rầt quen thuộc với kỹ sư công trình, tuy
nhiên SAP2000 chưa tối ưu hóa cho việc phân tích thiết kế cầu.
2.2.2 Phần mềm MIDAS/Civil
MIDAS/Civil là một sản phẩm phần mềm phân tích cầu chuyên dụng. Chương
trình hỗ trợ cho việc phân tích các bài toán cầu như: Cầu treo dây văng, dây võng,
cầu bê tông dự ứng lực khẩu độ lớn thi công theo phương pháp đúc hẫng cân bằng,
đà giáo di động, đúc đẩy...v.v.
MIDAS/Civil được phát triển dựa trên Visual C, Fortran … một ngôn ngữ lập
trình hướng đối tượng mạnh trong môi trường Windows. Chương trình nổi bật về
mặt tốc độ mô hình hóa và tính toán, rất dễ sử dụng bởi giao diện thân thiện với



thanh chỉ chịu nén, tấm, vỏ, khối,…
• Phân tích kết cấu có xét đến tính phi tuyến hình học (biến dạng lớn), phi tuyến vật
liệu, P-Delta,…v.v
•

Phân tích động lực học: tính trị riêng, phổ phản ứng, lịch sử thời gian.

• Mô hình hóa và phân tích các giai đoạn thi công có xét đến sự thay đổi tính năng vật
liệu, co ngót, từ biến của bê tông, vị trí và hình dạng kết cấu.
• Hỗ trợ trực tiếp việc mô hình hóa và phân tích. Đặc biệt, chương trình có hỗ trợ rất
tiện lợi cho hầu hết các kết cấu cầu dầm, cầu vòm, cầu bản, với các công nghệ thi


24
công như đúc tại chỗ, đúc đẩy, đúc trên đà giáo đẩy và nhất là các kết cấu phức tạp
như cầu treo dây văng, dây võng.
Ngoài ra hiện nay trên thế giới còn rất nhiều các phầm mềm cho phép người
dùng tính toán bài toán cầu một cách hiệu quả chính xác.
Qua tham khảo xem xét một số phần mềm tính toán, tác giả nhận thấy phần
mềm MIDAS/Civil có giao diện thân thiện với người dùng, dễ sử dụng, tính chính
xác cao đặc biệt là được ứng dụng cho rất nhiều công trình thực tế trên thế giới, vì
vậy, quyết định lựa chọn phần mềm này để hỗ trợ tính toán giải quyết nhiệm vụ
nghiên cứu của luận văn.


25

3 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH KÊT CẤU CẦU GIẢN ĐƠN VÀ
CẦU LIÊN TỤC NHỊP LỚN SỬ DỤNG DẦM BTCT TIẾT
DIỆN I33