luận án tiến sỹ kỹ thuật cầu đường “Nghiên cứu đánh giá tính dư trong kết cấu cầu ở Việt Nam”

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện. Các số liệu
và kết quả trình bày trong luận án là trung thực, chưa được công bố bởi bất kỳ
tác giả nào hay ở bất kỳ công trình nào khác.

Hà Nội, tháng 09 năm 2015

Tác giả

Nguyễn Viết Huy


ii

LỜI CẢM ƠN
Luận án Tiến sỹ được thực hiện tại Trường Đại học Giao thông Vận tải
dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Trần Đức Nhiệm và PGS.TS Nguyễn
Thị Minh Nghĩa. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy về
định hướng khoa học, liên tục quan tâm sâu sát, tạo điều kiện thuận lợi trong
suốt quá trình nghiên cứu, có những lúc nghiên cứu sinh cảm tưởng khó có thể
tiếp tục nghiên cứu nhưng nhờ sự động viên, khích lệ của các thầy cộng với sự
nỗ lực không ngừng nghỉ của bản thân, đến nay luận án đã được hoàn thành.
Nghiên cứu sinh cũng xin được chân thành cảm ơn các nhà khoa học trong và
ngoài nước, tác giả của các công trình nghiên cứu đã được nghiên cứu sinh sử
dụng trích dẫn trong luận án về nguồn tư liệu quý báu, những kết quả liên quan
trong quá trình nghiên cứu hoàn thành luận án.
Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu, Phòng Đào tạo Đại
học và Sau Đại học, Bộ môn Cầu Hầm, Hội đồng Tiến sỹ Trường Đại học Giao
thông Vận tải đã tạo điều kiện để nghiên cứu sinh thực hiện và hoàn thành

chương trình nghiên cứu của mình.
Nghiên cứu sinh cũng xin trân trọng cảm ơn Bộ Giao thông Vận tải đã
đưa vào quy hoạch đào tạo sau đại học giai đoạn 2011-2015, cảm ơn lãnh đạo
Ban PPP đã tạo điều kiện cho nghiên cứu sinh vừa công tác vừa học tập, nghiên
cứu.
Cuối cùng là sự biết ơn đến ba mẹ, vợ và các con vì đã liên tục động viên
để duy trì nghị lực, sự hy sinh thầm lặng, sự cảm thông, chia sẻ về thời gian, sức
khỏe và các khía cạnh khác của cuộc sống trong cả quá trình thực hiện luận án.
Hà Nội, tháng 9/2015

Nguyễn Viết Huy


iii

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................ xiv
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÍNH DƯ VÀ XÁC ĐỊNH MỤC TIÊU
NGHIÊN CỨU ................................................................................................. 1
1.1 Tổng quan về các công trình cầu ở Việt Nam .......................................... 1
1.1.1 Các dạng kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép và bê tông cốt thép dự ứng lực
[2],[5] ................................................................................................................. 1
1.1.2 Các dạng kết cấu nhịp cầu thép [4]........................................................... 4
1.1.3 Các dạng kết cấu mố, trụ [3] .................................................................... 6
1.2 Tổng quan về nghiên cứu tính dư ............................................................. 8
1.2.1 Các phương pháp được sử dụng để tính toán tính dư [29], [32], [48], [49],
[50], [52], [57].................................................................................................... 8
1.2.2 Nghiên cứu tính dư trong kết cấu công trình cầu ...................................... 9
1.2.3 Nhận xét................................................................................................. 13
1.2.4 Tính dư trong tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 272-05 ................................... 13

1.3 Những vấn đề còn tồn tại trong nghiên cứu tính dư .............................. 14
1.4 Những vấn đề đề tài tập trung nghiên cứu giải quyết ........................... 15
1.5 Kết luận chương 1 ................................................................................... 16
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỊNH CHUẨN TÍNH
DƯ CỦA KẾT CẦU VÀ ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH TỔNG QUAN XÁC
ĐỊNH TÍNH DƯ ............................................................................................. 17
2.1 Đánh giá tính dư cho kết cấu phần dưới [48]......................................... 17
2.1.1 Xác định kết cấu bên dưới điển hình ...................................................... 17
2.1.2 Các giả thiết về trạng thái làm việc của kết cấu và TTGH tương ứng [27],
[48], [56]. ......................................................................................................... 25
2.1.3 Phương pháp phân tích tính dư ............................................................... 28
2.1.4 Tính toán tính dư [75] ............................................................................ 31


iv
2.1.5 Quan hệ giữa hệ số hệ thống s với phương pháp độ tin cậy của tính dư
u và tỉ lệ bảo toàn hệ thống Ru ..................................................................... 52
2.1.6 Tỉ lệ bảo toàn hệ thống của hình dạng kết cấu bên dưới định hình ......... 54
2.1.7 Quy trình xác định tính dư cho kết cấu phần dưới [48]........................... 55
2.2 Đánh giá và định chuẩn tính dư của kết cấu phần trên ........................ 62
2.2.1 Mức độ an toàn của kết cấu phần trên .................................................... 63
2.2.2 Các trạng thái giới hạn ........................................................................... 64
2.2.3 Chu kỳ vòng đời và mô hình tải trọng - chỉ số độ tin cậy ....................... 67
2.2.4 Phương pháp độ tin cậy .......................................................................... 69
2.2.5 Xác định chỉ số độ tin cậy mục tiêu ........................................................ 70
2.2.6 Quy trình kiểm tra tính dư trực tiếp ........................................................ 72
2.2.7 Quy trình từng bước xác định hệ số dư................................................... 75
2.2.8 Hệ số hệ thống (tính dư) ......................................................................... 77
2.2.9 Hệ số hệ thống cho cầu điển hình thông dụng ........................................ 79
2.2.10 Xếp hạng tải trọng cho cầu đang tồn tại ................................................ 80

2.3 Kết luận chương 2 ................................................................................... 82
CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH PHI TUYẾN XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG LÀM
VIỆC CỰC HẠN CỦA KẾT CẤU ................................................................ 84
3.1 Tổng quan ................................................................................................ 84
3.2 Tóm tắt lý thuyết phần tử hữu hạn tích hợp bước nhảy chuyển vị cho
phần tử dầm Timoshenko .............................................................................. 88
3.2.1 Lý thuyết dầm Timoshenko và phương pháp phần tử hữu hạn truyền
thống ............................................................................................................... 88
3.2.2 Mở rộng phương pháp phần tử hữu cho dầm Timoshenko để xét đến phá
hoại uốn và cắt trên dầm [78] ........................................................................... 93
3.3 Mối quan hệ nội lực – biến dạng (mô-men/ độ cong, lực cắt – biến dạng
cắt) trong dầm bê tông cốt thép. .................................................................... 98
3.4 Phương pháp chia lớp mặt cắt để xác định trạng thái ứng suất, biến
dạng trong dầm ............................................................................................ 101


v
3.5 Xây dựng bảng tính xác định đường cong chịu uốn (đường cong M-к)
phụ thuộc vào lực dọc và lực cắt trên dầm ................................................. 109
3.6 Thí nghiệm kiểm chứng mô hình phân tích đề xuất ............................ 112
3.6.1 Cấu tạo của dầm BTCT thí nghiệm ...................................................... 113
3.6.2 Sơ đồ thí nghiệm .................................................................................. 115
3.6.3 Xây dựng mô hình phi tuyến cho dầm thí nghiệm: ............................... 116
3.7 So sánh kết quả mô hình hóa và kết quả thí nghiệm ........................... 123
3.8 Kết luận chương 3 ................................................................................. 129
CHƯƠNG 4. CÁC VÍ DỤ ÁP DỤNG MÔ HÌNH PHI TUYẾN VÀ QUY
TRÌNH TRỰC TIẾP .................................................................................... 130
4.1 Trụ 2 cột chịu lực đẩy ngang ................................................................ 130
4.1.1 Phân tích sự làm việc của trụ dưới tác dụng của lực đầy ngang theo mô
hình phi tuyến ................................................................................................ 130

4.1.2 Xác định tính dư của kết cấu trụ 2 cột theo quy trình trực tiếp ............. 134
4.2 Trụ 3 cột ................................................................................................. 135
4.2.1 Phân tích sự làm việc của trụ 3 cột chịu lực ngang ............................... 135
4.2.2 Xác định tính dư của kết cấu trụ 3 cột theo quy trình trực tiếp ............. 137
4.3 Dầm liên tục 2 nhịp................................................................................ 138
4.3.1 Phân tích khả năng chịu lực thẳng đứng của dầm liên tục 2 nhịp .......... 138
4.3.2 Xác định tính dư của dầm liên tục hai nhịp theo Quy trình trực tiếp ..... 140
4.4 Kết luận chương 4 ................................................................................. 140
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 142
DANH MỤC CÁC BÀI BÁO, ĐỀ TÀI CÔNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN
CỨU CỦA LUẬN ÁN .................................................................................. 147
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 148
PHỤ LỤC...................................................................................................... 157


vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Các thông số trung bình của 4 loại kết cấu bên dưới ......................... 19
Bảng 2.2. Các thông số của kết cấu uốn hai cột ................................................ 20
Bảng 2.3. Các thông số của kết cấu uốn bốn cột ............................................... 21
Bảng 2.4. Độ cứng móng - kết cấu uốn hai cột ................................................. 22
Bảng 2.5. Độ cứng móng - kết cấu uốn bốn cột ................................................ 23
Bảng 2.6. Kết quả phân tích lực đẩy phi tuyến kết cấu uốn 2 cột ...................... 31
Bảng 2.7. Các biến số kết cấu của kết cấu uốn hai cột và bốn cột ..................... 32
Bảng 2.8. Các điều kiện địa chất và móng ........................................................ 32
Bảng 2.9. Dữ liệu đầu vào cho phân tích ví dụ cầu hai cột................................ 41
Bảng 2.10. Dữ liệu đầu vào cho phân tích ví dụ cầu bốn cột ............................ 42
Bảng 2.11. Khả năng tải trọng ngang đối với trụ bốn cột và hai cột.................. 44
Bảng 2.12. Giá trị của biến ngẫu nhiên đã sử dụng trong phân tích kết cấu uốn
hai cột .............................................................................................................. 45

Bảng 2.13. Kết quả của phân tích đối với kết cấu uốn hai cột ........................... 45
Bảng 2.14. Kết quả của phân tích đối với kết cấu uốn bốn cột .......................... 46
Bảng 2.15. Giá trị trung bình và COV của tải trọng áp dụng như là tác động của
2 xe tải thiết kế đặt cạnh nhau .......................................................................... 68
Bảng 2.16. Tỉ lệ hệ số tải trọng yêu cầu đối với phương pháp tính dư hệ thống
trực tiếp ............................................................................................................ 73
Bảng 3.1. Kết quả thí nghiệm cường độ bê tông ............................................. 113
Bảng 3.2. Kết quả thí nghiệm cường độ thép .................................................. 114
Bảng 3.3. Chia lớp phần tử bê tông ................................................................ 116
Bảng 3.4. Chia lớp phần tử thép ..................................................................... 117
Bảng 3.5. Giá trị mô men – độ cong cho phần tử dầm .................................... 122
Bảng 3.6. Thông số đầu vào cho phần tử chịu uốn thuần túy .......................... 123
Bảng 3.7. Thông số đầu vào cho phần tử chịu uốn (có xét đến ảnh hưởng của lực
cắt) ................................................................................................................. 124


vii
Bảng 4.1. Đặc trưng vật liệu sử dụng trụ 2 cột................................................ 131
Bảng 4.2. Đặc trưng vật liệu sử dụng trụ 3 cột................................................ 136
Bảng 4.3. Đặc trưng vật liệu sử dụng dầm liên tục hai nhịp ............................ 139


viii
DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Cầu dàn BTCT thường (Cầu Sê Rê Pôk cũ- Đăk Lăk) ........................ 1
Hình 1.2. Cầu Roòn- Quốc lộ 1A - Quảng Bình (1985) ...................................... 2
Hình 1.3. Cầu Pá Uôn - Sơn La (2010) ............................................................... 3
Hình 1.4. Cầu Thanh Trì- Hà Nội (2006)........................................................... 4
Hình 1.5. Cầu Bãi Cháy- Quảng Ninh (2006) ..................................................... 4

Hình 1.6. Cầu Long Biên.................................................................................... 5
Hình 1.7. Cầu Hàm Rồng ................................................................................... 6
Hình 1.8. Trụ Cầu Thăng Long (Hà Nội)............................................................ 7
Hình 1.9. Một số hình dạng điển hình của trụ cầu .............................................. 7
Hình 2.1. Cầu Turnpike sụp đổ ......................................................................... 18
Hình 2.2. Mô hình kết cấu uốn hai cột .............................................................. 29
Hình 2.3. Mặt cắt cột rời rạc ............................................................................. 30
Hình 3.1. Mô hình khung dầm cho kết cấu bê tông cốt thép ............................. 86
Hình 3.2 Phá hoại nén uốn đồng thời................................................................ 86
Hình 3.3. Phá hoại cắt-uốn đồng thời. (xem [91]) ............................................. 87
Hình 3.4. Quan hệ giữa mô-men giới hạn và lực cắt giới hạn cho một số dạng
mặt cắt dầm bê tông cốt thép [43]..................................................................... 87
Hình 3.5. Quan hệ chuyển vị -biến dạng của dầm theo lý thuyết của Timoshenko
và Euler-Bernoulli (nguồn [92]) ....................................................................... 89
Hình 3.6. Mô hình phần tử dầm chịu tác dụng của ngoài lực ............................ 89
Hình 3.7. Hàm dạng mô tả bước nhảy của góc xoay và chuyển vị thẳng đứng
trong phần tử .................................................................................................... 95
Hình 3.8. Hàm Heaviside H x và hàm  x  ....................................................... 95
c

Hình 3.9. Quá trình phá hoại dầm bê tông cốt thép ........................................... 99
Hình 3.10. Mô hình chịu uốn của dầm bê tông cốt thép (xem [22], [78]).......... 99
Hình 3.11. Mô hình quan hệ lực cắt – biến dạng cắt trượt (xem [78])............. 100


ix
Hình 3.12. Phân lớp dầm và trạng thái ứng suất, biến dạng tại một điểm........ 101
Hình 3.13. Trạng thái ứng suất- biến dạng tại một phân tố trên dâm............... 102
Hình 3.14. Vòng tròn Mohr ứng suất và vòng tròn Mohr biến dạng tại lớp đang
xét .................................................................................................................. 102

Hình 3.15. Trạng thái biến dạng của dầm khi chịu cắt và uốn đồng thời ........ 103
Hình 3.16 Biều đồ ứng suất – biến dạng của bê tông theo mô hình vật liệu của
Vecchio và Collins ([33], [44]) ....................................................................... 105
Hình 3.17 Biều đồ ứng suất – biến dạng của thép (đàn hồi – dẻo lý tưởng) .... 106
Hình 3.18. Sơ đồ thuật toán xác định trạng thái ứng suất-biến dạng của dầm
BTCT ............................................................................................................. 108
Hình 3.19. Mô-đun nhập số liệu đầu vào (kích thước, thông số vật liệu dầm) 110
Hình 3.20. Mô-đun nhập số liệu đầu vào(lực cắt, lực dọc trục) ...................... 110
....................................................................................................................... 111
Hình 3.21. Kết quả đường cong mô-men/độ cong (M- к) ............................... 111
Hình 3.22. Đường cong M- к của dầm phụ thuộc vào lực dọc trục trong dầm 111
Hình 3.23. Đường cong M- к của dầm phụ thuộc vào lực cắt trong dầm ........ 112
Hình 3.24. Bố trí cốt thép trong dầm thí nghiệm ............................................ 115
Hình 3.25. Công tác chế tạo, gia công dầm thí nghiệm ................................... 115
Hình 3.26 Sơ đồ gia tải dầm (uốn 4 điểm) ...................................................... 116
Hình 3.27. Đường cong quan hệ ứng suất- biến dạng cho bê tông dầm (f’c
=36.08MPa) ................................................................................................... 117
Hình 3.28. Đường cong quan hệ ứng suất- biến dạng cho cốt thép (fy =
523.67MPa).................................................................................................... 118
Hình 3.29 (a) Biểu đồ biến dạng trên dầm ...................................................... 119
Hình 3.29 (b) Biểu đồ ứng suất trên dầm tại trạnig thai mô-men nứt .............. 119
Hình 3.30 (a) Biểu đồ biến dạng trên dầm khi ứng suất ở vùng cốt thép chịu kéo
đạt đến giới hạn chảy........................................................................................... i
Hình 3.30 (b) Biểu đồ ứng suất trên mặt cắt ngang dầm khi ứng suất ở vùng cốt
thép chịu kéo đạt đến giới hạn chảy................................................................ 120


x
Hình 3.31 (a) Biến dạng trong bê tông khi ứng suất ở vùng nén bê tông đạt đến
giới hạn nén.................................................................................................... 121

Hình 3.31 (b) Ứng suất trong bê tông khi ứng xuất ở vùng nén bê tông đạt đến
giới hạn .......................................................................................................... 121
Hình 3.32. Quan hệ mô-men độ cong của phần tử dầm ứng với các giá trị lực cắt
khác nhau ....................................................................................................... 122
Hình 3.33. Mô-men giới hạn của dầm giảm xuống khi lực cắt tăng ................ 123
Hình 3.34. Đánh số phần tử và đánh số nút cho mô hình dầm. ....................... 124
Hình 3.35. Biểu đồ phân phối mô-men và lực cắt trên dầm tại thời điểm chuyển
vị cưỡng bức bằng 5cm (mô hình thứ nhất) .................................................... 125
Hình 3.36. Biểu đồ độ võng và góc xoay trên dầm ở thời điểm chuyển vị cưỡng
bức bằng 5cm tại vị trí đặt lực (mô hình thứ nhất) ......................................... 125
Hình 3.37. Biểu đồ phân phối mô-men và lực cắt trên dầm tại thời điểm chuyển
vị cưỡng bức bằng 5cm tại vị trí đặt lực (mô hình thứ 2) ................................ 126
Hình 3.38. Biểu đồ độ võng và góc xoay trên dầm ở thời điểm chuyển vị cưỡng
bức bằng 5cm (mô hình thứ hai)..................................................................... 126
Hình 3.39. Biểu đồ lực/độ võng của dầm theo kết quả mô hình hóa ............... 127
Hình 3.40 Kết quả nén dầm trong phòng thí nghiệm ...................................... 127
Hình 3.41.Kết quả từ mô hình phân tích (phóng đại 1000 lần) ....................... 128
Hình 3.42 So sánh kết quả mô hình hóa với đường cong lực /độ võng của dầm
....................................................................................................................... 128
Hình 4.1. Trụ khung 2 cột .............................................................................. 131
Hình 4.2. Quan hệ mô men – độ cong cho cột và dầm ngang ......................... 132
Hình 4.3. Quan hệ lực cắt – biến dạng cắt cho cột .......................................... 132
Hình 4.4. Quan hệ lực ngang và chuyển vị ngang tại xà mũ ........................... 133
Hình 4.5. Chuyển vị của trụ cột dưới tác dụng tại thời điểm chuyển vị ngang
bằng 160mm................................................................................................... 133
Hình 4.6. Trụ khung 3 cột .............................................................................. 135
Hình 4.7. Quan hệ lực - chuyển vị ngang của trụ khung 3 cột......................... 136


xi

Hình 4.8. Biến dạng của trụ ứng với chuyển vị ngang ở xà mũ bằng 160mm . 137
Hình 4.9. Dầm liên tục 2 nhịp chịu tải trọng thẳng đứng ................................ 138
Hình 4.10. Cấu tạo mặt cắt ngang dầm ........................................................... 138
Hình 4.11. Quan hệ lực và độ võng tại giữa nhịp 2 khi tăng tải ...................... 139
Hình 4.12. Dầm ở trạng thái phá hoại trong TTGH cường độ ......................... 139


xii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials
TTGH

Trạng thái giới hạn

PTHH

Phần tử hữu hạn

Φs

Hệ số hệ thống quan hệ với sự an toàn, tính dư và tính dẻo của hệ thống kết cấu



Hệ số sức kháng thành phần

R’

Khả năng sức kháng danh định yêu cầu của thành phần tính đến tính dư của hệ
thống

γd

Hệ số tải trọng tĩnh

Dn

Tải trọng tĩnh danh định

L

Hệ số tải trọng động xe cộ

w

Hệ số tải trọng ngang

member

Chỉ số độ tin cậy thành phần

sysem

Chỉ số độ tin cậy hệ thống

ult

Chỉ số độ tin cậy của hệ thống kết cấu cho TTGH cuối cùng

funct

Chỉ số độ tin cậy hệ thống cho TTGH hoạt động

damaged

Độ tin cậy hệ thống cho điều kiện phá hoại

r1 

Tỉ lệ bảo toàn thành phần

Ru

Tỉ lệ bảo toàn hệ thống cho TTGH cuối cùng

Rf

Tỉ lệ bảo toàn hệ thống cho TTGH hoạt động

Rd

Tỉ lệ bảo toàn hệ thống cho điều kiện phá hoại



Hệ số điều chỉnh tải trọng; hệ số liên quan đến tính dẻo, tính dư và tầm quan
trọng trong khai thác

D

Hệ số liên quan đến tính dẻo

 R

Hệ số liên quan đến tính dư


xiii
I

Hệ số liên quan đến tầm quan trọng trong khai thác

Qn

Tác động tổng cộng của trọng lực

Ln

Tổng của tác động của hoạt tải danh định

LW

Giá trị trung bình của hệ số tải trọng ngang

Wmax

Giá trị trung bình của tải trọng ngang lớn nhất

Wn

Giá trị thiết kế danh định của tải trọng tác dụng

LFu 

Giá trị trung bình của hệ số tải trọng tương ứng với TTGH cuối cùng

LFu

Sức kháng thành phần

R

Độ lớn của tải trọng đứng tác dụng

LFf



Giá trị trung bình của hệ số tải trọng tương ứng với TTGH hoạt động

ru 

Tỉ lệ tính dư cho TTGH cuối cùng

rf 

Tỉ lệ tính dư cho TTGH hoạt động

rd 

Tỉ lệ tính dư cho TTGH phá hoại

Rfinal

Sức kháng cuối cùng

Rexist

Khả năng thành phần đang tồn tại

Psd

TTGH về mặt sử dụng

Pcd

TTGH cường độ


xiv

MỞ ĐẦU
Luận án này nghiên cứu và phát triển phương pháp để tính toán tính dư
trong quá trình thiết kế và đánh giá độ an toàn của kết cấu cầu.
Lý do để chọn đề tài

Ngày nay, cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội toàn cầu, số lượng công
trình hạ tầng kỹ thuật đặc biệt là các công trình cầu đường bộ được xây dựng
ngày càng tăng nhằm đáp ứng nhu cầu giao thông vận tải phục vụ phát triển kinh
tế - xã hội của các nước trên thế giới và của Việt Nam. Ở nước ta, với hơn

3000km bờ biển cùng hệ thống sông ngòi chằng chịt tại đồng bằng Sông Hồng
và đồng bằng Sông Cửu Long cùng với đa số các sông suối ở Miền Trung đều
chảy dọc theo hướng Tây Bắc - Đông Nam đổ ra biển đã chia cắt mạng lưới
đường bộ Bắc Nam cũng như hệ thống mạng lưới đường bộ liên tỉnh điều này
dẫn đến nhu cầu xây dựng cầu vượt sông suối ở nước ta rất lớn, hàng năm có
hàng chục cây cầu được xây dựng trên phạm vi toàn lãnh thổ Việt Nam. Phần
lớn các cây cầu này có kết cấu phần dưới bằng bê tông cốt thép và kết cấu phần
trên là dạng dầm bê-tông cốt thép hoặc bê tông cốt thép dự ứng lực nhịp giản
đơn hoặc liên tục. Tuy nhiên, đi kèm với việc ngày càng có nhiều cầu được xây
dựng mới thì việc đánh giá tính dư của các bộ phận kết cấu cầu là một chỉ tiêu
quan trọng ảnh hưởng đến độ an toàn cũng như tính kinh tế khi xây dựng cầu.
Hiện nay, tiêu chuẩn ngành về thiết kế cầu 22TCN-272-05 mới chỉ đề nghị áp
dụng hệ số liên quan đến tính dư trong các TTGH chưa đưa ra được cơ sở khoa
học cũng như phương pháp tính dư trong kết cấu cầu.
Tính dư là khả năng của một hệ thống chịu sự phá hoại mà không sập đổ.
Sập đổ theo định nghĩa của AASHTO-LRFD [9],[10] sự là thay đổi hình học
lớn, làm cầu làm mất đi khả năng làm việc của nó.
Tính dư được phân thành 3 loại chính theo các định nghĩa dưới đây:


xv
- Tính dư nội bộ: một thành phần bị phá hoại sẽ không dẫn đến sự phá
hoại của các thành phần khác. Ví dụ, một thành phần của kết cấu bị phá hoại sẽ
không dẫn đến các thành phần khác bị phá hoại.
- Tính dư kết cấu: tính dư tồn tại như là kết quả của sự liên tục trong
đường truyền tải. Kết cấu siêu tĩnh như dầm liên tục và khung cứng thuộc loại
này.
- Tính dư đường truyền tải: được định nghĩa bởi AASHTO-LRFD
[9],[10],[32],[40], là số các thành phần hỗ trợ. Một kết cấu là không dư khi chỉ
có một đường truyền tải hoặc hai đường truyền tải nhưng độc lập với nhau. Ví

dụ, một kết cấu nhịp cầu bao gồm một hoặc hai dầm song song được xem như là
không dư. Một dầm bị phá hoại với một hoặc hai đường truyền tải sẽ dẫn đến sự
sụp đổ của nhịp. Khi đó, cầu được xem như không dư.
Tổng hợp các dạng tính dư nêu trên, tính dư có thể được hiểu là khả năng
chịu lực còn lại của kết cấu cầu sau khi một thành phần chịu tải chính bị phá
hoại.
Tính dư phụ thuộc vào ứng xử tổng thế của toàn bộ kết cấu khi chịu lực.
Để tính toán tính dư một công trình cầu, cần xem xét ứng xử của toàn bộ hệ
thống và tương tác giữa các bộ phân của kết cấu như: nhịp, mố, trụ và móng. Sự
tương tác này rất phức tạp với nhiều hệ số ảnh hưởng đến toàn bộ phản ứng của
toàn hệ thống. Các nghiên cứu trên thế giới hiện tại cũng tiến hành phân chia hệ
thống thành các hệ thống thành phần (kết cấu nhịp-kết cấu mố, trụ-địa
chất/móng,..) để nghiên cứu riêng. Với từng dạng kết cấu này, một số nhà
nghiên cứu đã đưa ra quy trình nhiều bước để xác định tính dư cho kết cầu [11],
[48], [49], [53], [57], [61], [66], [70]. Tuy nhiên, các quy trình này còn phức tạp
và khó áp dụng, đặc biệt là với các kĩ sư thiết kế.
Trong tiêu chuẩn thiết kế cầu của Việt Nam [1], tính dư được thể hiện
thông qua hệ số dư (ɳr) là một tham số thiết kế đầu vào quan trọng, có thể làm
thay đổi kích thước và quy mô của thiết kế do làm tăng, hoặc giảm hiệu ứng tải


xvi
trọng tác dụng lên công trình trong công thức kiểm toán. Tuy nhiên, chưa có một
nghiên cứu nào chỉ ra cách xác định hệ số này, hoặc đưa ra một chỉ dẫn đơn giản
để giúp các kĩ sư thiết kế có thể lựa chọn hệ số tính dư cho phù hợp với từng
loại, bộ phân và dạng kết cấu công trình.
Từ tầm quan trọng của vấn đề, số lượng nghiên cứu hạn chế ở Việt Nam
và tính cấp thiết của nội dung nghiên cứu, Nghiên cứu sinh chọn đề tài “Nghiên
cứu đánh giá tính dư trong kết cấu cầu ở Việt Nam”.
Mục đích nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của đề tài luận án là đề xuất một quy trình đơn giản
và trực tiếp để xác định tính dư của kết cấu để áp dụng trong quá trình thiết kế
và đánh giá kết cấu công trình cầu, làm cơ sở cho việc xây dựng được hệ thống
bảng tra để giúp cho các kĩ sư thiết kế dễ dàng xác định hệ số tính dư cho từng
loại kết cấu.
Phương pháp nghiên cứu

Đề tài luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với
kiểm chứng bằng thực nghiệm. Theo đó, trước hết đề tài tổng hợp những kết quả
nghiên cứu về tính dư cho kết cấu cầu trên thế giới và tại Việt Nam. Từ đó xác
định những điểm cần cải tiến trong quy trình và phương pháp đánh giá tính dư
để có thể xác định được hệ số tính dư chính xác và đơn giản hơn. Trên cơ sở đó,
luận án đề xuất mô hình lý thuyết cho phép xác định chính xác hơn tính dư của
kết cấu cầu. Kết quả phân tích lý thuyết được kiểm chứng lại bằng một số kết
quả thí nghiệm.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án

Bằng việc nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết phân tích phi tuyến vật liệu và
phương pháp PTHH mở rộng, luận án đã đề xuất quy trình xác định tính dư trực
tiếp đơn giản hơn so với quy trình của các tác giả trước đó để áp dụng trong thiết
kế cầu. Đồng thời đề xuất mô hình phân tích phi tuyến bằng phương pháp PTHH


xvii
mở rộng, cho phép xét đến sự làm việc của kết cấu sau khi những bộ phận chính
đầu tiên bị phá hoại.
Luận án đưa ra các dạng kết cấu điển hình trong công trình cầu để xác
định tính dư, giúp thiết lập bảng tra về hệ số tính dư cho các kết cấu này để tiện
áp dụng trong thực tế. Qua đó, phát triển một cơ sở hợp lý cho việc xem xét tính

dư kết cấu nhịp và phần dưới trong thiết kế và đánh giá kết cấu cầu, và phát triển
dữ liệu cần thiết để bổ sung vào tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN-272-05.
Bố cục của luận án

Để đạt mục tiêu đề ra, luận án giải quyết 03 vấn đề chính: (1) Tổng quan
về tình hình nghiên cứu tính dư, xác định mục tiêu nghiên cứu tính dư (2) Đánh
giá và định chuẩn tính dư của kết cấu công trình cầu trên cơ sở lý thuyết độ tin
cậy (3) Tính toán, đánh giá tính dư kết cấu trụ cầu.
Luận án được cấu thành các nội dung như sau:
Phần mở đầu: Giới thiệu về các lý do chọn lựa đề tài, mục đích nghiên
cứu, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ðề tài luận án
và bố cục luận án.
Chương 1. Tổng quan về tính dư và xác định mục tiêu nghiên cứu
Chương 2. Cơ sở phân tích, đánh giá và định chuẩn tính dư của kết cấu và
đề xuất quy trình tổng quan xác định tính dư
Chương 3. Đề xuất mô hình tính toán tính dư của kết cấu dựa trên phân
tích phi tuyến vật liệu và phương pháp phần tử hữu hạn mở rộng
Chương 4. Các ví dụ áp dụng mô hình phi tuyến và quy trình trực tiếp
Kết luận và kiến nghị


1

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ TÍNH DƯ VÀ XÁC ĐỊNH MỤC
TIÊU NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về các công trình cầu ở Việt Nam

Các công trình cầu bê tông cốt thép, bê tông cốt thép dự ứng lực và cầu
thép đã và đang được xây dựng ngày càng nhiều, theo các giai đoạn lịch sử khác
nhau.
1.1.1

Các dạng kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép và bê tông cốt thép dự ứng lực

[2],[5]

Trước năm 1954, đã có nhiều cầu thuộc hệ thống nhịp bản, dầm giản đơn,
dầm hẫng, vòm bê tông cốt thép thường với nhịp 2 đến 20m được xây dựng trên
các tuyến đường sắt và đường bộ. Ví dụ chỉ trên tuyến đường sắt Hà Nội - TP.
Hồ Chí Minh có khoảng hơn 600 cầu bê tông cốt thép nhịp từ 8 đến 11m xây
dựng từ 1927 - 1932, đến nay vẫn còn tận dụng được sau khi gia cố sửa chữa
nhiều đợt. Trên các tuyến đường ô tô ở Nam bộ còn nhiều cầu dầm hẫng, cầu
vòm chạy dưới thuộc loại này đang được khai thác, ở miền Bắc hầu hết cầu bê
tông cốt thép do Pháp xây dựng đã bị phá hoại do bom Mỹ.

Hình 1.1. Cầu dàn BTCT thường (Cầu Sê Rê Pôk cũ- Đăk Lăk)
Trong thời kỳ 1954-1975, nước ta bị chia làm hai miền và sự phát triển
cầu bê tông cốt thép cũng đi theo hai hướng khác nhau. Ở miền Bắc ngay sau
năm 1954 nhiều cầu bê tông cốt thép thường thuộc hệ bản, dầm giản đơn, dầm
hẫng đúc bê tông tại chỗ đã được xây dựng. Các đề tài ứng dụng bê tông cốt
thép dự ứng lực trong xây dựng cầu lần đầu tiên đã do Đại học Giao thông tiến


2
hành năm 1961: Một số cầu giản đơn bê tông cốt thép dự ứng lực đã được xây
dựng như cầu Phủ lỗ, cầu Cửa tiền, cầu Tràng Thưa, cầu Bía (cầu dầm hẫng có
chốt giữa) theo đồ án của Việt Nam. Các đồ án điển hình về cầu bản mố nhẹ,

dầm giản đơn lắp ghép mặt cắt chữ T có dầm ngang hoặc không có dầm ngang
với nhịp 3 - 4 - 6 - 9 - 12 - 15 - 21 m đã được Viện Thiết kế Giao thông thiết kế
được áp dụng rộng rãi trên các tuyến đường ô tô.
Trong quá trình 10 năm xây dựng cầu Thăng Long, một hệ thống cầu
dẫn gồm khoảng 4 km cầu đường sắt và 2 km cầu ô tô bằng các dầm bê tông cốt
thépdự ứng lực kéo trước hoặc kéo sau đã được xây dựng với công nghệ Liên
Xô (cũ). Qua đó ngành công nghiệp xây dựng cầu bê tông cốt thép dự ứng lực ở
nước ta đã tiến một bước mới.
Tại miền Nam một số loại đồ án định hình cầu bê tông cốt thép dự ứng
lực theo tiêu chuẩn Mỹ AASHTO [9], [10] đã được sản xuất và lắp ghép rộng
rãi trên các tuyến đường bộ trục chính khẩu độ nhịp dầm xấp xỉ là 12 - 18 - 25m.
Kết cấu dầm BTCT dự ứng lực kéo trước với loại cáp xoắn 7 sợi, d =
12,7mm,.. Các dầm T được lắp ghép theo phương ngang cầu bằng cáp thép dự
ứng lực kéo sau cùng loại nói trên. Dạng kết cấu này được lắp ghép nguyên dài
bằng các cần cẩu cỡ 40 - 60 tấn, bánh xích.
Thời kỳ 1975-1992, tại miền Bắc đã có các trung tâm chế tạo các dầm
dự ứng lực nhịp đến 33 m tại Hà Nội, TP. Vinh. Tại miền Nam việc sản xuất
dầm dự ứng lực vẫn theo mẫu AASHO cũ của Mỹ tại xưởng dầm Châu Thới gần
TP. Hồ Chí Minh.

Hình 1.2. Cầu Roòn- Quốc lộ 1A - Quảng Bình (1985)


3
Một số cầu khung T-dầm đeo thuộc hệ tĩnh định có nhịp dài xấp xỉ 60 70m (cầu Rào, cầu Niệm, cầu An Dương, v.v...) với cốt thép dự ứng lực dạng bó
24 sợi  5mm đã được xây dựng.
Bắt đầu từ năm 1992 nhiều công nghệ tiên tiến của thế giới đang được
chuyển giao vào nước ta. Đối với những kết cấu nhịp giản đơn dự ứng lực (kéo trước
và kéo sau), công nghệ dầm I, T và Super-T được phát triển rộng rãi với các khẩu độ
phổ biến từ 20-42m, số lượng dầm chủ phụ thuộc vào bề rộng cầu đã được áp dụng

rất nhiều cho đến hiện nay. Bên cạnh đó, công nghệ đúc hẫng hiện đại đã áp dụng
thành công ở nhiều dự án lớn như Dự án cải tạo Quốc lộ 1, các dự án cầu Phú Lương
(hệ dầm liên tục), cầu Gianh, cầu Pá Uôn v.v,.. Đến cuối năm 2006 đã có khoảng 60
cầu thuộc hệ thống nhịp liên tục được đúc hẫng thành công.

Hình 1.3. Cầu Pá Uôn - Sơn La (2010)
Công nghệ đúc đẩy cũng đã được áp dụng thi công các cầu Mẹt (Bắc
Giang), Hiền-Lương., Quán-hầu, Sảo-Phong, Hà-Nha. Công nghệ đúc trên đà
giáo di đông đã được áp dụng cho phần cầu dẫn của các cầu Thanh-trì (Hà nội),
cầu Bãi Cháy (Quảng Ninh).


4

Hình 1.4. Cầu Thanh Trì- Hà Nội (2006)
Công nghệ đúc hẫng dầm cứng của cầu dây văng-dầm cứng bê tông cốt
thép đã áp dụng thành công ở cầu Mỹ thuận (Tiền Giang), cầu bãi Cháy (Quảng
Ninh-2006). Công nghệ lắp hẫng của cầu dây văng-dầm cứng bê tông cốt thép
đã áp dụng thành công ở cầu Kiền (Hải-Phòng-2003).

Hình 1.5. Cầu Bãi Cháy- Quảng Ninh (2006)
1.1.2 Các dạng kết cấu nhịp cầu thép [4]

Trước năm 1954, mạng lưới giao thông đường sắt và đường bộ được
triển khai, đặc biệt là tuyến đường sắt xuyên Việt (1920-1936). Khi đó nhiều cầu
giàn thép đã được xây dựng. Đặc điểm nổi bật của các cầu thép trong giai đoạn
này là khổ hẹp, tải trọng nhẹ kết cấu theo dạng cổ điển ở các nước châu âu vào
cuối thể kỉ 19. Trên đường sắt chỉ phục vụ một đường đơn chung với ôtô, trên
đường bộ thưởng chỉ thiết kế cho một làn xe. Dàn chủ có dạng nhiều thanh xiên

5
như cầu Đuống cũ, các dàn biên cong và vành lược như cầu Ninh Bình, Phú
Lương, Lai Vu, Tân An, Bến Lức; một số cầu có tính định hình bán vĩnh cửu trên
thế giới như các dàn Pigiô, Effel, Bailey [28],.. Cây cầu nổi tiếng được xây dựng
tại Việt Nam thời đó là cầu Long Biên. Cầu dàn có biên đa giác với chiều dài
toàn cầu gần 3000m trong đó phần dàn thép dài 1860m, theo sơ đồ dàn hẫng,
nhịp lớn nhất dài 130m và nhịp đeo dài 52,5m và đến nay cầu vẫn còn đang
được sử dụng

Hình 1.6. Cầu Long Biên
Sau năm 1954, một số công trình được khôi phục và làm mới hàng loạt
các cầu thép như cầu Làng Giàng ở Lào Cai, cầu Việt Trì, cầu Ninh Bình, cầu
Hàm Rồng được xây dựng lại theo sơ đồ dàn liên tục 2 nhịp (80 + 80)m. Một số
công trình được xây dựng như: Cầu Sài Gòn, Cầu Bình Triệu, Bến Lức,. Từ năm
1954 - 1975 hầu hết các công trình cầu ở miền Bắc đều bị phá huỷ trong cuộc
chiến tranh phá hoại do Mỹ phát động. Các công trình cầu giai đoạn này chủ yếu
là công trình tạm để phục vụ giao thông trong thời chiến. Sau năm 1975, hàng
loạt các cầu thép trên tuyến đường sắt xuyên Việt lần lượt được thay thế và xây
dựng mới.


6

Hình 1.7. Cầu Hàm Rồng
Sau 1975, nhiều công trình cầu thép được xây dựng như cầu Đò Trai
(Hà Tĩnh), Cầu Thăng Long (Hà Nội), Cầu Chương Dương (Hà Nội),.
Một số câu lớn đã được xây dựng gần đây sử dụng dầm thép như : cầu
Bính (Hải Phòng), cầu Nhật Tân (Hà Nội),..Gần đây, một số cầu vượt tại các nút
giao ở Hà Nội và Thành Phố HCM đã được xây dựng bằng kết cấu nhịp thép

dạng nhiều dầm và dầm hộp.
Như vậy, ở Việt Nam hiện tồn tại nhiều dạng kết cấu nhịp thép khác
nhau (giàn thép và dầm thép), trong đó dạng kết cấu nhịp dầm thép liên hợp
dạng nhiều dầm chủ chiếm tỷ lệ rất lớn.
1.1.3 Các dạng kết cấu mố, trụ [3]

Cùng với sự phát triển kết cấu phần trên, các dạng mố trụ cầu được sử
dụng trong các công trình cầu ở Việt Nam khá đa dạng, tùy vào dạng kết cấu nhịp.
Vật liệu cấu thành bao gồm: đá xây, bê tông, bê tông cốt thép,.. Một số ít mố trụ
dạng lắp ghép và bán lắp ghép, còn lại chủ yếu là kết cấu toàn khối.
Đối với mố cầu, khá nhiều cầu được đã xây dựng dưới dạng như mố kê,
mố chữ nhật hay mố vùi,.. Hầu hết các công trình xây dựng gần đây, mố cầu
BTCT dạng chữ U đang được áp dụng. Tùy theo dạng kết cấu nhịp và điều kiện


7
địa chất, thủy văn, các dạng trụ cầu được áp dụng khá đa dạng như: trụ thân hẹp,
trụ thân cột (hai cột và nhiều cột) và trụ nặng. Gần đây, một số công trình lớn
được xây dựng với kết cấu lớn, do đó nhiều trụ cầu được xây dựng như trụ cầu
Pá Uôn (Sơn La), trụ tháp các cầu dây văng (Mỹ Thuận, Bãi Cháy, Nhật Tân,..).

Hình 1.8. Trụ Cầu Thăng Long (Hà Nội)

Hình 1.9. Một số hình dạng điển hình của trụ cầu


8
1.2 Tổng quan về nghiên cứu tính dư

Một xu hướng có thể thấy trong xu thế phát triển chung của việc xây dựng

công trình cầu ở Việt Nam là có mức độ phức tạp (có thể được hiểu là mức độ
dư thừa) tăng dần. Tuy nhiên, việc đánh giá tính dư của kết cấu cầu ở Việt Nam
từ trước đến nay chưa được chú trọng, ngoại trừ một số nghiên cứu của PGS.TS.
Trần Đức Nhiệm, PGS.GS. Phạm Văn Thứ về lý thuyết độ tin cậy như là một cơ
sở của việc xác định tính dư [6],[7],[8]. Ở các phần sau, luận án giới thiệu các
phương pháp được sử dụng để tính toán tính dư trên và kết quả nghiên cứu về
tính dư của các tác giả trên thế giới cho đến thời điểm này.
1.2.1

Các phương pháp được sử dụng để tính toán tính dư [29], [32], [48], [49],

[50], [52], [57]

1.2.1.1

Phương pháp hệ số hệ thống

Hệ số hệ thống s sử dụng trong công thức kiểm tra thiết kế các thành
phần kết cấu như sau:
 s R'   d Dd   L Ln   wWn

(1.1)

Trong đó,
 Φslà hệ số hệ thống quan hệ với sự an toàn, tính dư và tính dẻo của hệ
thống kết cấu
  là hệ số sức kháng thành phần,
 R’ là khả năng sức kháng danh định yêu cầu của thành phần tính đến tính
dư của hệ thống,
 γdlà hệ số tải trọng tĩnh,

 Dn là tải trọng tĩnh danh định,
  L là hệ số tải trọng động xe cộ và Ln là tải trọng động xe cộ danh định,
 w là hệ số tải trọng ngang và Wn là tác động danh định của tải trọng

ngang áp dụng trên kết cấu (ví dụ: tải trọng gió, động đất).