Thiết kế tối ưu dầm thép i tổ hợp trong cầu liên hợp theo tiêu chuẩn tcvn 11823 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

HOÀNG VĂN PHÚC

THIẾT KẾ TỐI ƯU DẦM THÉP I TỔ HỢP TRONG
CẦU LIÊN HỢP THEO TIÊU CHUẨN TCVN11823:2017

LUẬN VĂN THẠC SĨ
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

HOÀNG VĂN PHÚC
HÀ NỘI, NĂM 2021


THIẾT KẾ TỐI ƯU DẦM THÉP I TỔ HỢP TRONG
CẦU LIÊN HỢP THEO TIÊU CHUẨN TCVN11823:2017

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng
Mã số: 858.02.05

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. TS. TRƯƠNG VIỆT HÙNG
2. TS. NGUYỄN PHÚ CƯỜNG

HÀ NỘI, NĂM 2021

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn tốt nghiệp Cao học ngành kỹ thuật xây dựng cơng trình
dân dụng và công nghiệp với đề tài “Thiết kế tối ưu dầm thép I tổ hợp trong cầu liên
hợp theo tiêu chuẩn TCVN 11823:2017” là Luận văn do cá nhân tôi thực hiện dưới sự
hướng dẫn của TS. Trương Việt Hùng và TS. Nguyễn Phú Cường. Các số liệu, kết quả
nghiên cứu trong Luận văn này là trung thực và có nguồn gốc rõràng.
Tác giả Luậnvăn

Hoàng VănPhúc

1


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện Luận văn này tác giả được người hướng dẫn khoa học: TS.
Trương Việt Hùng và TS. Nguyễn Phú Cường tận tình hướng dẫn, giúp đỡ cũng như
tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn này. Qua đây, tác giả xin gửi lời
cảm ơn chân thành tới hai thầy!
Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn các Thầy cô giáo, các cán bộ của khoa Cơng trình
và khoa sau Đại học thuộc Trường đại học Thủy Lợi đã giúp đỡ và chỉ dẫn trong quá
trình học tập và nghiên cứu.
Tác giả cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến Gia đình đã động viên và tạo mọi điều kiện
tốt nhất để tác giả học tập và nghiêncứu.
Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến nhà trường và các đồng nghiệp đã
nhiệt tình giúp đỡ tác giả hoàn thành Luận văn này.
Do thời gian thực hiện Luận văn khơng nhiều và trình độ tác giả có hạn, mặc dù đã hết
sức cố gắng nhưng trong Luận văn sẽ khơng tránh khỏi những sai sót, tác giả rất mong
nhận được những ý kiến đóng góp của các Thầy cơ giáo, cùng các bạn đồng nghiệp để
Luận văn hồn thiện hơn.

MỤC LỤC
DANH MỤCHÌNHẢNH................................................................................................v
DANH MỤCBẢNGBIỂU.............................................................................................vi
DANH MỤC TỪVIẾTTẮT.........................................................................................vii
MỞĐẦU........................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẦU DẦM THÉP VÀ CÁC PHƯƠNG
PHÁPTỐIƯU...................................................................................................................... 4
1.1 Đặtvấnđề............................................................................................................4
1.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong vàngồinước......................................8
1.2.1 Tình hình nghiên cứungồinước..................................................................8
1.2.2 Tình hình nghiên cứutrongnước.................................................................10
1.3 Tổng quan về cầudầmthép...............................................................................11
1.3.1 Giới thiệu chung về cầudầmthép................................................................11
1.3.2 Ưu khuyết điểm của cầudầmthép...............................................................13
1.3.3 Các sơ đồ cầudầmthép...............................................................................14
1.4 Cơ sở thiết kế theo tiêu chuẩnTCVN11823:2017.............................................16
1.4.1 Quan điểm chung vềthiếtkế........................................................................16
1.4.2 Phương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng vàsứckháng...............................17
1.4.3 Hệ số tải trọng và các trạng tháigiớihạn.....................................................17
1.5 Tổng quan về bài toán tối ưu thiết kếcơngtrình................................................23
1.5.1 Giớithiệuchung..........................................................................................23
1.5.2 Phân loại các dạng bài tốn tối ưukết cấu...................................................26
1.5.3 Các phương pháp cơ bản giải bài toán tối ưu hóakếtcấu............................29
1.5.4 Tổng quan về thuật tốnmê-tahơ-rít-tíc......................................................35
CHƯƠNG 2
XÂY DỰNG BÀI TOÁN TỐI ƯU DẦM THÉP I TỔ HỢP
TRONGKẾT CẤU DẦM THÉP LIÊN HỢP THEOTCVN11823:2017...............................38
2.1 Thiết kế dầm thép chữ I theo tiêu chuẩnTCVN11823:2017.............................38

2.1.1 Các loại mặt căt chữ Ichịuuốn....................................................................38
2.1.2 Cấu tạodầmthép.........................................................................................38
2.1.3 Mô men chảy và mômendẻo......................................................................39
2.1.4 Mất ổn định của dầm thép liên hợpchịuuốn................................................46


2.2 Kiểm toán tiết diện dầm theoTCVN11823:2017..............................................50
2.2.1 Kiểm tra các giới hạn kích thước mặtcắtngang..........................................50
2.2.2 Trạng thái giới hạncườngđộ.......................................................................51
2.2.3 Trạng thái giới hạnsửdụng.........................................................................56
2.2.4 Trạng thái giới hạnvề mỏi..........................................................................58
2.3 Phương pháp kinh nghiệm trong thiết kế dầm Itổhợp......................................61
2.3.1 Lựa chọn các kích thước của dầm Itổhợp...................................................61
2.3.2 Sơ đồ bài tốn thiết kế dầm Iliênhợp..........................................................61
2.4 Thành lập bài toán tối ưu dầm thép I tổ hợp trong kết cầu dầm thép liên
hợp.632.4.1 Hàmmụctiêu.....................................................................................63
2.4.2 Các điều kiệnràngbuộc...............................................................................64
2.4.3 Phương pháphàmphạt.................................................................................68
2.5 Tối ưu dầm thép I tổ hợp bằng thuật tốn tiến hóaviphân................................69
2.5.1 Thuật tốn tiến hóavi phân.........................................................................69
2.5.2 Tối ưu dầm thép I tổ hợp bằng thuật tốn tiến hóaviphân..........................71
CHƯƠNG 3

THIẾT KẾ TỐI ƯU MỘT SỐ DẦM ITỔHỢP.................................73

3.1 Thiết kế dầm I liên hợp nhịp giản đơndài 33m.................................................73
3.2 Thiết kế dầm I liên hợp nhịp giản đơndài 50m.................................................81
KẾT LUẬN VÀKIẾN NGHỊ........................................................................................85
DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃCƠNGBỐ................................................................86
TÀI LIỆUTHAM KHẢO.............................................................................................87

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1Cầudầm..........................................................................................................13
Hình 1.2 Cầu dầmđơn giản...........................................................................................14
Hình 1.3 Cầu dầmliên tục.............................................................................................14
Hình 1.4 Cầu dầmmút thừa...........................................................................................15
Hình 1.5 Minh họa thuật tốn tối ưu dựa trên gradient(Vanderplaats, 2007)....................30
Hình 2.1 Ứng xử của dầm I chịu uốnthuầntúy..............................................................40
Hình 2.2 Quan hệ giữa mơ men uốn và độ cong củadầmI............................................41
Hình 2.3 Phân loại tiết diện dựa theosức kháng.............................................................42
Hình 2.4 Phân loại các trường hợp của trục trunghịadẻo.............................................44
Hình 2.5 Mất ổn định tổng thể củadầmthép..................................................................47
Hình 2.6 Mất ổn định cục bộ bản cánhchịu nén.............................................................48
Hình 2.7 Mất ổn định cục bộ thẳng đứng của bảnbụngdầm..........................................49
Hình 2.8 Mất ổn định cục bộ do uốn của bảnbụngdầm.................................................49
Hình 3.1 Mặt cắt ngang kết cấu nhịpcầu33m...............................................................74
Hình 3.2 Tiết diện dầm thép kết cấu nhịpcầu33m........................................................74
Hình 3.3 Đường cong hội tụ quá trình tối ưu dầmthép33m..........................................80
Hình 3.4 Mặt cắt ngang kết cấu nhịpcầu50m...............................................................81
Hình 3.5 Tiết diện dầm thép kết cấu nhịpcầu 50m........................................................81
Hình 3.6 Đường cong hội tụ quá trình tối ưu dầmthép50m..........................................84


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Tổ hợp tải trọng và hệ sốtảitrọng..................................................................21
Bảng 1.2 Hệ số tải trọng cho tải trọng thườngxuyên,p............................................................................22
Bảng 1.3 Hệ số tải trọng cho tải trọng thường xuyên do tích lũy biếndạng,P......................23
Bảng 3.1 Tải trọng tĩnh tiêu chuẩn củadầm33m...........................................................75
Bảng 3.2 So sánh tính tốn tải trọng tiêu chuẩn giữa chương trình và tính bằng thủ

cơng củadầm 33m........................................................................................................75
Bảng 3.3 So sánh mô-men uốn và lực cắt tiêu chuẩn do tải trọng bản thân dầm gây ra
giữa chương trình và tính bằng thủ cơng củadầm33m..................................................76
Bảng 3.4 So sánh mơ-men uốn và lực cắt tiêu chuẩn do xe 3 trục gây ra giữa chương
trình và tính bằng thủ cơng củadầm33m.......................................................................76
Bảng 3.5 So sánh mô-men uốn và lực cắt tiêu chuẩn do tải trọng làn gây ra giữa
chương trình và tính bằng thủ công củadầm33m.........................................................77
Bảng 3.6 So sánh xác định Mp của tiết diện liên hợp giữa chương trình và tính bằng
thủ công (Đơn vị:KN, m)..............................................................................................78
Bảng 3.7 So sánh xác định đặc trưng hình học của tiết diện liên hợp giữa chương trình
và tính bằng thủ cơng (Đơnvị: mm)..............................................................................79
Bảng 3.8 Kết quả tối ưudầm33m..................................................................................80
Bảng 3.9 Tải trọng tĩnh tiêu chuẩn củadầm50m...........................................................82
Bảng 3.10 So sánh tính tốn nội lực và đặc trưng hình học giữa chương trình và thủ
cơng của dầm 50m (Đơn vị:KN, m).............................................................................83
Bảng 3.11 Kết quả tối ưudầm50m................................................................................84


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
BFGS
BTCT
DƯL
LRFD
MMFD
PSO
SLP
SQP
SUMT
TCVN

Phương pháp Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno
Bê tông cốt thép
Dự ứng lực
Hệ số tải trọng và hệ số sức kháng
Thuật toán Phương pháp sửa đổi theo hướng khả thi
Particle Swarm Optimization
Lập trình tuyến tính tuần tự
Thuật tốn Lập trình bậc hai tuần tự
Sequential Unconstrained Minimization Techniques
Tiêu chuẩn Việt Nam


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đềtài
Thiết kế Cầu dầm thép tổ hợp liên hợp bản mặt cầu bằng bê tông cốt thép là một trong
những loại cầu được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay cho các cầu nhịp trung do tính
chất vượt trội của vật liệu thép và cả khả năng chịu nén, chịu kéo và độ cứng. Cường
độ chịu kéo và nén của thép gấp hơn mười lần và mô đun đàn hồi của thép cũng gấp
hơn sáu lần so với của bê tông. Việc liên hợp dầm thép với bản mặt cầu bằng BTCT
tạo thành tiết diện liên hợp cho phép nâng cao hơn nữa khả năng chịu tải của dầm,
đồng thời đảm bảo ổn định cục bộ của bản cánh trên chịu nén của dầm. Nhờ đặc điểm
này, sử dụng phương án dầm thép liên hợp với bản mặt cầu bằng BTCT cho phép giảm
đáng kể kích thước tiết diện, qua đó giảm được tải trọng bản thân củadầm.
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 tồn
bộ nội lực được tính tốn. Sau đó, phương án thiết kế được kiểm tốn xem “đạt” hay
“khơng đạt”. Khái niệm đạt ởđâyđược 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 tốn
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 thiếtkế.
Trong thời gian gần đây, tối ưu hóa thu hút được sư quan tâm nghiên cứu của nhiều
nhà khoa học và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực từ quy hoạch, kinh tế,
công nghệ thơng tin đến thiết kế cơng trình xây dựng. Phương pháp tiếp cận này đem
lại hiệu quả vượt trội về mặt tài chính, kỹ thuật, thời gian, v.v. so với các phương pháp
thiết kế truyền thống trong khi vẫn đảm bảo đầy đủ các yêu cầu thiết kế được đặt ra.
Trongcácphươngpháptốiưuhóa,cácthuậttốnmetahơ-rít-tíc(metaheuristics)khá

1


phổ biến và ưa chuộng hiện nay do chúng rất mạnh mẽ và cân bằng trong việc tìm
kiếm các nghiệm tối ưu cả miền tìm kiếm địa phương cũng như toàncục.
Dựa trên đặc điểm này, học viên đề xuất đề tài luận văn là “Thiết kế tối ưu dầm thép I
tổ hợp trong cầu liên hợp theo tiêu chuẩn TCVN 11823:2017”. Trong bài toán tối ưu
được đặt ra, tổng khối lượng của toàn bộ dầm thép được chọn là hàm mục tiêu và được
tối thiểu hóa nhằm tiết kiệm chi phí. Các biến thiết kế là các kích thước của tiết diện
dầm thép I như là: chiều cao và chiều dày sườn, chiều rộng và chiều dày các bản cánh
trên và cánh dưới. Các điều kiện ràng buộc của bài tốn tối ưu là các u cầu về mặt
kích thước các bộ phận như giới hạn chiều dày hay chiều cao và các yêu cầu về mặt
cường độ và sử dụng được quy định trong tiêu chuẩn TCVN11823:2017.
2. Mục đích của Đềtài
Mục đích của đề tài là lựa chọn được tiết diện dầm thép liên hợp cho kết cấu dầm thép
liên hợp bản mặt cầu BTCT đảm bảo tối ưu về mặt kinh tế.
Mục tiêu tổng thể của đề tài là xây dựng một phương pháp tối ưu hiệu quả cho dầm
thép tổ hợp trong kết cấu dầm thép liên hợp bản mặt cầu bằng BTCT theo tiêu chuẩn
TCVN 11823:2017 sử dụng thuật tốn tối ưu tiến hóa vi phân (Differential Evolution).

Mục tiêu cụ thể:
 Mục tiêu 1: Thiết kế dầm thép theo tiêu chuẩn TCVN11823:2017.
 Mục tiêu 2: Xây dựng bài toán tối ưu dầm thép trong kết cấu dầm thép liên hợp bản
mặt cầu bằngBTCT.
 Mục tiêu 3:Xâydựng phương pháp tối ưu sử dụng thuật tốn tiến hóa vi phân cho
bài toán tối ưu đặtra.
3. Đối tượng và phạm vi nghiêncứu
 Đối tượng nghiên cứu: Dầm thép chữ I trong kết cấu dầm thép tổ hợp liên hợp bản
mặt cầu bằngBTCT.
 Phạm vi nghiên cứu: Xét cho kết cấu dầm thép liên hợp chịu tải trọng tĩnh và động
(khơng xét tải trọng gió), nhịp đơngiản.
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiêncứu


Nghiên cứu bằng lý thuyết và lập trình sử dụng các ngơn ngữ lập trình như Matlab,
Python,...
5. Cấu trúc luậnvăn
Luận văn có cấu trúc gồm các phần như sau:
 Mởđầu
 Chương 1: Tổng quan về cầu dầm thép và các phương pháp tốiưu
 Chương 2: Xây dựng bài toán tối ưu dầm thép i tổ hợp trong kết cấu dầm thép liên
hợp theo TCVN11823:2017
 Chương 3: Thiết kế tối ưu một số dầm I tổhợp
 Kết luận và kiếnnghị
 Danh mục cơng trình đã cơngbố
 Danh mục tài liệu thamkhảo


CHƯƠNG 1TỔNG QUAN VỀ CẦU DẦM THÉP VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP
TỐI ƯU

1.1 Đặt vấn đề
Các cơng 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,.. ) vượt trội. Chính nhờ đặc điểm này, mặc dù trọng lượng riêng của
thép là khá lớn (7850 kg/m3so với 2400-2500 kg/m3của BTCT), các cơng 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 cơng
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 vịm Chaotianmen (Trùng Khánh, Trung Quốc) khánh thành năm 2009
cónhịpchính dài đến 552 (m) và được xem là cầu vòm bằng thép có nhịp dài nhất thế
giới. Ngồi ra ở Trung Quốc cịn có cầu Lupu được xây dựng năm 2003 bằng vật liệu
thép có nhịp chính dài 550 (m) nắm giữ vị trí thứ hai thếgiới.
Việt Nam cũng có khá nhiều cầu thép được xây dựng. Cầu Long Biên được hồn thành
năm1903cótổngchiềudàitồncầugần3000(m),trongđóphầngiànthépdài1860
(m) theo sơ đồ giàn hẫng 52.5 + 130 + 52.5 (m). Cầu vịm Hàm Rồng ở Thanh Hóacó


nhịp chính dài 160 (m) theo sơ đồ vịm 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 Gịn, v.v.. Sau khi đất nước hồn tồn 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.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. Cịn 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. Thơng 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 tồn bộ nội lực được tính tốn. Sau đó, phương án thiết kế được kiểm
tốn xem “đạt” hay “khơng 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 khơng đạt, việc lựa chọn kích thước dầm thép
phải thực hiện lại và tính tốn 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 thiếtkế.
Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật tính tốn cũng như của phần cứng và
phần mềm máy tính, nhiều thuật tốn hiện đại đã được đề xuất nhằm hỗ trợ hiệu quả
cho việc thiết kế cơng trình. Một trong số đó có thể kể đến là các thuật tốn tối ưu
chun được sử dụng để tìm kiếm các giải pháp tối ưu trong trong thiết kế công trình.

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 cơng 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 cơng 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 tốn thiết kế dầm tổ hợp hồn tồn có thể sử dụng thuật tốn 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 ngun nhân sau: (1) do tính phi tuyến của kết cấu thép liên quan đến vật
liệu và tính ổn định của cơng 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 tốn 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 ưuđịaphương và tối ưu toàn cục. Một số thuật
tốn 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 . v . . .
Về các tiêu chuẩn thiết kế cơng 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 Xơ ban hành năm 1962
và 1967, có tham khảo thêm Quy trình của Trung Quốc năm 1959 theo quyết định số
166/QĐn g à y 2 2 / 0 1 / 1 9 7 5 c ủ a b ộ G i a o T h ô n g V ậ n T ả i . Q u y t r ì n h t h i ế t k ế 2
2TCN18.79 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 khơng được cập nhật nên bộ tiêu chuẩn này đã bộc lộ
rõ nhiều hạn chế, thiếu sót trong tính tốn thiết kế cũng như khả năng hịa nhập với
thơng 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
ThôngVậnTảichophép tiêuchuẩn th iế t kế cầu22TCN272-01đượcphépsửdụng


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 1998đểxây 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
tốn 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 tốn kết cấu BTCT (chỉ đề
cậpđến bê tơng có cường độ thơng thường f c’ < 70 MPa trong khi hiện nay có nhiều
loại bê tơng có fc’ > 70 MPa như dầm DƯL hay cọc ly tâm BTCT DƯL), tính tốn kết
cấuthép (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), cácquyđịnh 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 Cơng
Nghệ và đang trong q 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. Tuy nhiên, các tài liệu

tham khảo và hướng dẫn sử dụng TCVN 11823:2017 là khá hạn chế. Các tài liệu được
sử dụng nghiên cứu trong các trường đại học cũng rất ít. Mai Lựu và Lê Hồng Lam [8]
đã xuất bản sách “Cầu bê tông cốt thép” thiết kế theo tiêu chuẩn TCVN 11823:2017 để
phục vụ cho việc giảng dạy môn cầu BTCT 1. Tác giả Nguyễn Duy Tiến và cộng sự
[9]
cũngđã c ậ pn hậ t m ộ t s ố qu y địnhk há c n h a u g i ữ a 2 t i ê u c h uẩ n t r o n g s á c h“ ph ươ n
g


pháp hiện đại phân tích kết cấu cầu”. Tác giả Nguyễn Văn Nhậm và cs. [10] xuất bản
sách “Cầu thép theo TCVN 11823:2017” có thể sử dụng làm giáo trình trong giảng
dạy môn Cầu thép 1. Tác giả Trịnh Quốc Bảo và Nguyễn Hướng Dương [11] cũng
xuất bản tài liệu hướng dẫn thiết kế cầu dầm thép liên hợp theo TCVN11823:2017.
Dựa trên đặc điểm này, học viên đề xuất đề tài luận văn là “Thiết kế tối ưu dầm thép I
tổ hợp trong cầu liên hợp theo tiêu chuẩn TCVN 11823:2017”. Trong bài toán tối ưu
được đặt ra, tổng khối lượng của toàn bộ dầm thép được chọn là hàm mục tiêu và được
tối thiểu hóa nhằm tiết kiệm chi phí. Các biến thiết kế là các kích thước của tiết diện
dầm thép I như là: chiều cao và chiều dày sườn, chiều rộng và chiều dày các bản cánh
trên và cánh dưới. Các điều kiện ràng buộc của bài tốn tối ưu là các u cầu về mặt
kích thước các bộ phận như giới hạn chiều dày hay chiều cao và các yêu cầu về mặt
cường độ và sử dụng được quy định trong tiêu chuẩn TCVN11823:2017.
1.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngồinước
1.2.1 Tìnhhình nghiên cứu ngồinước
Thiết kế tối ưu cơng trình đóng vai trị hết sức quan trọng do những hạn chế/giới hạn
về tài chính, vật liệu, cũng như nguồn lực tính tốn. Đây cũng là ngun nhân chính vì
sao các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu đưa ra các phương pháp nhằm giảm giá
thành của cơng trình trong khi vẫn bảo đảm khả năng chịu tải và sử dụng theo yêu cầu
thiết kế. Một số nghiên cứu nổi bật về tối ưu kết cấu nhịp cơng trình cầu có thể kể đến
nhưsau.
Long cùng cs. [12] đã xây dựng chương trình phân tích phi tuyến nhằm tối ưu các cầu

dây văng với hàm mục tiêu bao gồm giá thành của bê tông, thép, cốt thép, cáp. Kaveh
và Massoudi [13] xây dựng chương trình tối ưu hệ thống sàn composite dựa trên thuật
tốn tối ưu đàn kiến (Ant Colony) theo tiêu chuẩn AISC. Poitras và cs. [14] sử dụng
thuật toán tối ưu bầy đàn (particle swarm optimization) (PSO) để thiết kế hê thống bản
sàn bằng BTCT. Hendawi và Frangopol [15] đã xây dựng thuật toán tối ưu dựa trên độ
tin cậy để thiết kế hệ thống dầm thép liên hợp có xét đến có và khơng có sườn tăng
cường cho cầu ơ tơ. Luo và cs. [16] cũng trình bày thuật tốn tối ưu dựa trên độ tin cậy
để tối ưu dầm thép tổ hợp có xét đến ảnh hưởng của sự liên kết giữa dầm thép và bản


BTCT. Kaveh và cs. [17] tối ưu kết cấu công trình cầu sử dụng thuật tốn CBO. Pedro
và cs. [18] trình bày thuật tốn tối ưu 2 bước để thiết kế dầm thép liên hợp trong cầu
dầm I. Senouci và Al-Ansari [19] sử dụng thuật toán di truyền (GA) để tối ưu giá
thànhcủadầmcompositedựatheotiêuchuẩnthiếtkếLRFDcủaAISC.Khatrivàcs.
[20] đã tiến hành so sánh giá thành của các thiết kế cơng trình cầu khác nhau sử dụng
các loại thép thông thường Fe 410, thép cường độ cao Fe 590 và sự kết hợp của 2 loại
thép đó. Kravanja và cs. [21] thực hiện so sánh thiết kế tối ưu dầm composite có bản
bằng bê tơng theo tiêu chuẩn Eurocode. De Munck và cs. [22] đã chỉ ra sự cần thiết
của việc tối thiểu hóa cả giá thành và khối lượng cùng nhau trong bài toán tối ưu.
García-Segura và Yepes [23] nghiên cứu tối ưu đa mục tiêu của cầu sử dụng BTCT
DƯL. Su và cs. [24] đã tối ưu quá trình xây dựng kết cấu nhịp của cầu dầm thép liên
tục.
Qua các ví dụ nêu trên, chúng ta có thể thấy rằng việc áp dụng các bài tốn tối ưu vào
thiết kế cơng trình cầu được các nhà khoa học trên thế giới hết sức quan tâm. Các
nghiên cứu này cũng chứng minh tính hiệu quả khi sử dụng bài tốn tối ưu trong thiết
kế cơng trình cầu.
Các thuật tốn tối ưu được sử dụng có thể phân thành 2 loại cơ bản là: (1) các phương
pháp tối ưu trực tiếp và (2) các phương pháp tối ưu mê-ta hơ-rít-tic. Các phương pháp
tối ưu trực tiếp dựa trên 1 điểm xuất phát chọn trước để tiến hành tìm kiếm nghiệm tối
ưu. Các phương pháp này có thể tìm kiếm nghiệm tối ưu chính xác của bài tốn và có

tốc độ hội tụ tính tốn nhanh. Tuy nhiên, trong các thuật toán tối ưu này, việc
lựachọnđiểm bắt đầu đóng vai trị hết sức quan trọng và ảnh hưởng lớn đến kết quả tối
ưu cuối cùng tìm được. Đối với các bài toán tối ưu độ phức tạp cao, gồmnhiềunghiệm
tối ưu địa phương, các thuật toán này thường khơng hiệu quả khi khơng thể tìm ra
nghiệm tối ưu tồn cục. Từ hơ-rit-tíc được xuất phát từ từ Hi-lạp cổ “heuriskein”, có
nghĩa là nghệ thuật của việc tìm ra các phương pháp mới cho việc giải quyết các vấn
đề. Từ “meta” cũng là một từ Hi-lạp cổ, có nghĩa là ở mức độ cao hơn của sự trừu
tượng. Cụm từ meta hơ-rit-tíc được giới thiệu lần đầu bởi Glover và Kochenberger
[25]. Các thuật tốn meta hơ-rit-tíc khơng dựa trên đặc điểm của điểm bắt đầu để giải
bài

tốn

tối

tuynhiênnghiệmtốiưutìmđượcthườngkhơngphảilànghiệmtốiưumàlà“gần”tối

ưu,


ưu với sự chênh lệch chấp nhận được so với nghiệm tối ưu tồn cục của bài tốn.
Trong các bài tốn thiết kế có độ phức tạp cao, khi các nghiệm tối ưu chính xác
thường khơng thể tìm thấy, các thuật tốn meta hơ-rit-tíc thường được ưa chuộng hơn
các thuật tốn tối ưu trực tiếp do khả năng tìm kiếm nghiệm tối ưu trên cả miền địa
phương và toàn cục của nó. Chính vì đặc điểm này, các nhà khoa học đã quan tâm đến
việc phát triển nhiều thuật toán tối ưu meta hơ-rít-tíc. Một số thuật tốn có thể kể đến
như là: Harmony Search [1], Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm) (GA) [2] [3],
tiến hóa vi phân (Differential Evolution) (DE) [4],v.v...
1.2.2 Tìnhhình nghiên cứu trongnước
Gần đây, tối ưu hóa kết cấu cơng trình cũng thu hút được sự quan tâm rất lớn của các

nhà khoa học Việt Nam. Nhóm nghiên cứu đầu tiên có thể kể đến là nhóm nghiên cứu
tại đại học Tôn Đức Thắng của PGS. TS. Nguyễn Thời Trung và cộng sự. Trong vòng
một thập kỷ qua, nhóm nghiên cứu này đã có rất nhiều cơng bố quốc tế liên quan đến
vấn đề tối ưu hóa cơng trình (ví dụ: Lê và cs. [26]; Hồ và cs. [27]). Hướng nghiên cứu
chính trong các bài báo này là tối ưu các kết cấu dàn và khung có xét đến tính bất biến
hay khơng bất biến của biến thiết kế. Nhóm nghiên cứu thứ hai có thể kể đến là nhóm
nghiên cứu của PGS.TS. Phạm Hồng Anh và cộng sự tại đại học Xây Dựng. Một số
bài báo điển hình của nhóm nghiên cứu này là: Trần và cs. [28] , Phạm [29]. Các bài
báo của nhóm nghiên cứu này tập trung vào phân tích tuyến tính kết cấu dàn và kết cấu
composite. Một nhóm nghiên cứu khác cũng có rất nhiều cơng bố quốc tế nổi bật là
nhóm nghiên cứu của TS. Trương Việt Hùng và cộng sự tại đại học Thủy Lợi. Nhóm
nghiên cứu này đã có khá nhiều cơng bố quốc tế trên các tạp chí uy tín như là: Trương
và Kim [1], Trương và Kim [4], Hà và cs. [2], Trương và cs. [3], Trương và cs. [30],
Hà và cs. [31], Kim và cs. [32], v.v.. Các bài báo này tập trung vào tối ưu hóa kết cầu
dàn, khung thép sử dụng các thuật tốn meta hơ-rít-tíc và phân tích phi tuyến. Các
cơng trình được xét đến chịu cả tải trọng tĩnh và tải trọng động đất. Các biến thiết kế
bao gồm cả biến liên tục và biến rời rạc, xác định và bấtđịnh.
Liên quan đến bài toán tối ưu dầm thép liên hợp, theo như tác giả được biết là chưa có
nghiên cứu nào của các tác giả trong nước liên quan đến vấn đề này.


1.3 Tổng quan về cầu dầmthép
1.3.1 Giới thiệu chung về cầu dầm thép
Thuật ngữ cầu thép có ý nghĩa là kết cấu nhịp được làm bằng thép. Là loại cầu được sử
dụng rộng rãi nhất do tính chất ưu việt của vật liệu thép, nhất là ngày nay thép còn bao
gồm các thành phần kim loại có các tính năng sử dụng rất tốt, cho phép đạt các tiêu
chuẩn rất cao về kỹ thuật, độ bền vững, yêu cầu khai thác và vượt được nhịp lớn, đồng
thời giá thành thấp.
Đặc điểm nổi bật của thép là tính chịu lực cao đảm bảo với mọi ứng suất (kéo, nén,
uốn, cắt, xoắn…) do đó có thể dùng để xây dựng nhiều loại cầu khác nhau như: dầm,

giàn, vòm, treo và các hệ liên hợp.
Tuy thép có trọng lượng riêng khá lớn nhưng độ bền cao nên trọng lượng bản thân kết
cấu rất nhẹ, chính vì vậy khả năng làm các cầu nhịp rất lớn mà các loại vật liệu khác
không đáp ứng được yêu cầu. Hiện nay nhịp lớn nhất của cầu vịm BTCT hay cầu dây
văng có dầm cứng bằng BTCT cịn dưới 500m trong khi đó cầu giàn thép đã đạt 550m
cầu dây văng cứng bằng thép đã đạt 1000m và cầu treo đạt 2000m và đang có nhiều dự
án cầu treo có nhịp tới 5000m.
Vật liệu thép có cường độ cao, mơ đun đàn hồi lớn. Do đó độ cứng lớn, độ võng nhỏ,
nên cầu thép vẫn đáp ứng được điều kiện khai thác thông thường, chịu được ảnh
hưởng của các loại tải trọng có chu kì như động đất, gió bão. Mặt khác thép có tính
dẻo dai cao, sự phá hoại của thép thường diễn ra dưới trạng thái dẻo, tức là phá hoại có
kèm theo biến dạng lớn, tạo điều kiện phân bố lại nội lực và ứng suất, do đó chịu tải
trọng xung kích và tải trọng mỏi tốt.
Về mặt vật lý và hóa học, thép có tính đồng nhất cao, dưới tác động của nhiệt độ,
cường độ và mơ đun đàn hồi thay đổi ít nên cầu thường làm việc tốt trong các điều
kiện nhiệt độ của môi trường biến đổi. Mô đun đàn hồi tốt và có tính chịu nhiệt cao là
ưu điểm lớn nhất của thép so với các loại vật liệu dẻo hiệnnay.
Về mặt chế tạo sản xuất, thép dễ gia công nên có thể tạo thành nhiều hình dạng phù
hợp với các loại cầu khác nhau, đồng thời tạo khả năng cơng nghiệp hóa, tự động hóa