Nghiên cứu đề xuất quy trình thiết kế hệ giằng và ứng xử của kết cấu cầu thép dầm giản đơn với hệ giằng kiểu mớ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHẠM MINH ĐỨC

“NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ
GIẰNG VÀ ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU CẦU THÉP DẦM
GIẢN ĐƠN VỚI HỆ GIẰNG KIỂU MỚI”

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG
MÃ SỐ:

8580205

TP. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2019


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Huỳnh Ngọc Thi
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Đặng Đăng Tùng

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Nguyễn Duy Liêm
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 11 tháng 01 năm 2020.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS Lê Thị Bích Thủy – Chủ tịch
2. TS. Hồ Thu Hiền – Thư ký
3. TS. Đặng Đăng Tùng – Phản biện 1

4. TS. Nguyễn Duy Liêm – Phản biện 2

5. TS. Mai Lựu
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS. TS Lê Thi Bích Thủy

PGS. TS Lê Anh Tuấn


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Phạm Minh Đức

MSHV: 1870020

Ngày, tháng, năm sinh: 16/08/1995

Nơi sinh: Thanh Hóa

Chun ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Cơng Trình Giao Thông Mã số: 8580205
I. TÊN ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ
GIẰNG VÀ ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU CẦU THÉP DẦM GIẢN ĐƠN VỚI HỆ
GIẰNG KIỂU MỚI”.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Nghiên cứu tổng quan về hệ giằng liên kết ngang trong nước và ngoài nước.
2. Nguyên cứu tổng quan về cơ sở lý thuyết mất ổn định, lý thuyết quy trình
thiết kế hệ giằng liên kết ngang và lý thuyết kết cấu cầu thép khơng hệ giằng
trung gian.
3. Nghiên cứu xây dựng quy trình thiết kế hệ giằng liên kết ngang và kiểm tra
bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM).
4. Nghiên cứu ứng xử của kết cấu cầu thép không hệ giằng trung gian.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/08/2019.
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08/12/2019.
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Huỳnh Ngọc Thi
Tp. HCM, ngày 08 tháng 12 năm 2019
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS. Huỳnh Ngọc Thi
PGS.TS Nguyễn Mạnh Tuấn
TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS.TS Lê Anh Tuấn


-i-

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Đại học Bách khoa, tôi đã đƣợc tập
thể thầy cô của Bộ môn Cầu đƣờng, Khoa Kỹ thuật Xây dựng giảng dạy và hƣớng
dẫn rất nhiệt tình. Tơi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy cơ. Bên cạnh
đó, xin gửi lời cảm ơn đến Phịng Đào tạo Sau đại học đã tạo điều kiện thuận lợi để
tơi có thể hồn thành luận văn và bảo vệ đúng thời hạn.
Đặc biệt, tôi xin cảm ơn đến Thầy Huỳnh Ngọc Thi, Giảng viên Bộ môn Cầu
đƣờng. Những kinh nghiệm và kiến thức đƣợc chia sẻ từ Thầy trong quá trình hƣớng
dẫn luận văn sẽ là hành trang quý giá cho tôi trên con đƣờng nghiên cứu sắp tới.
Xin cảm ơn đến những ngƣời thân trong gia đình. Sự động viên, chia sẻ và giúp đỡ
của mọi ngƣời là niềm động lực lớn lao đối với tôi trong suốt thời gian học tập và
nghiên cứu.
Quá trình làm nghiên cứu, tôi tiếp thu đƣợc nhiều kiến thức mới. Bên cạnh
đó, tơi cũng khơng thể tránh khỏi những sai sót trong quá trình thực hiện đề tài mà
bản thân chƣa nhận ra đƣợc. Do vậy, những ý kiến đóng góp của Quý thầy cô, đồng
nghiệp sẽ giúp cho luận văn của tơi đƣợc hồn chỉnh hơn.
Cuối cùng, xin kính chúc tồn thể Q thầy cơ, gia đình, bạn bè và đồng
nghiệp thật nhiều sức khỏe.
Trân trọng!
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 08 tháng 12 năm 2019
Học viên

Phạm Minh Đức


-ii-

TÓM TẮT
Ngày nay, kết cấu cầu thép đang trở thành xu hƣớng của ngành xây dựng cầu
đƣờng bộ không chỉ về đặc tính vật liệu mà cịn khả năng sản xuất dễ dàng và giảm

thời gian thi công. Tuy nhiên, kết cấu này vẫn có nhƣợc điểm. Một trong những yếu
tố quan trọng nhất ảnh hƣởng lớn đến khả năng chịu lực của toàn bộ kết cấu sự mất
ổn định của dầm chính, đặc biệt là trong giai đoạn thi công. Giải pháp phổ biến nhất
để tăng độ ổn định của kết cấu là cung cấp cho hệ giằng liên kết ngang dọc theo
chiều dài dầm. Việc thiết kế giằng cho cầu thép địi hỏi độ chính xác cao. Mặt khác,
nếu thiết kế hệ giằng liên kết ngang không đáp ứng đƣợc độ cứng cần thiết, độ cứng
toàn bộ kết cấu sẽ giảm đáng kể. Hiện nay, nhiều dự án đƣợc thiết kế quá đủ dẫn đến
lãng phí rất lớn về chi phí và thời gian. Do đó, kết quả của nghiên cứu này là đề xuất
một quy trình thiết kế tối ƣu cho thiết kế hệ thống giằng liên kết ngang cho cầu thép
dầm giản đơn và mơ hình phần tử hữu hạn của cầu thép thực tế để xác nhận độ tin
cậy của thông số kỹ thuật đƣợc đề xuất.
Ngồi ra, Nghiên cứu cịn để cập đến hệ kết cấu lƣợc bỏ các hệ giằng trung
gian, sƣờn tăng cƣờng,.. thay thế bằng hệ kết cấu mới đủ khả năng chịu lực và không
bị mất ổn định tổng thể thì việc xây dựng, duy tu bảo dƣỡng sẽ đơn giản hơn nhiều.
Hệ kết cấu cầu với đặc điểm nhƣ trên gọi là kết cấu cầu thép với hệ giằng kiểu mới
(kết cấu không hệ giằng trung gian). Để thuận tiện cho việc thi công, tránh nứt bản
mặt cầu tại các vị trí mơmen âm, kết cấu khơng hệ giằng trung gian đƣợc đề xuất áp
dụng cho cầu thép nhịp giản đơn. Bài nghiên cứu trình bày kết quả so sánh độ ổn
định của hệ kêt cấu không hệ giằng trung gian với hệ dầm truyền thống và xác định
những yếu ảnh hƣởng đến độ ổn định trong giai đoạn thi công và kiểm tra ứng xử,
khả năng chịu lực hệ kết cấu mới trong giai đoạn thi công và khai thác. Từ đó đƣa ra
ứng dụng thực tế của kết cấu cầu thép dầm giản đơn với hệ giằng kiểu mới trong
điều kiện tại Việt Nam.


-iii-

ABSTRACT
Nowadays, Steel structure has become a trend of bridge engineering, not
only due to its material mechanism but the ability of manufacture and reduce time of

construction also. However this kind of structure has its drawbacks. One of the most
crucial elements affecting the bearing capacity of the whole structure is the
instability of the main girder in construction stage. The most common solution to
improve the stability of the structure is providing the intermediate bracing system
(IBS) along the girder. The design of the IBS requires high accuracy. In the other
hand, if the IBS does not have enough stiffness, the global stiffness will reduce
considerably. At present, many projects are over designed lead to huge wasting in
cost and time. So that, this reasearch aims to propose an optimal design process for
IBS for simple supported steel bridge and finite element model of a real steel bridge
to confirm the reliability of the proposed technical specifications.
Besides, the research also mentions

bridge structures eliminating IBS,

stiffening ribs,... replaced by new structural system that have enough bearing
capacity and does not cause global instability. Therefore, the maintenance will be a
lot more easier. The bridge structure with above behaviours called steel bridge
structure with non-intermediate bracing system (non-IBS). For convenience in
construction stage, avoiding deck failure at negative moment position, the non-IBS
structrure is applied for simple supported steel bridge. The paper compare between
the stability of the non-IBS structrure and the traditional structure, moreover, factors
which relevant to the stability in construction stage and the behaviours and bearing
capacity of the new structural systems in construction stage and exploitation stage
are also mentioned. From above information, realistic application of the simple
supported steel bridge with new bracing system with Vietnam's condition is
proposed.


-iv-

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ kỹ thuật: “NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT QUY
TRÌNH THIẾT KẾ HỆ GIẰNG VÀ ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU CẦU THÉP DẦM
GIẢN ĐƠN VỚI HỆ GIẰNG KIỂU MỚI” là kết quả nghiên cứu của cá nhân tôi và
đƣợc hƣớng dẫn bởi thầy TS. Huỳnh Ngọc Thi. Các số liệu thu đƣợc là trung thực,
khách quan. Việc tham khảo tài liệu (nếu có) đều đƣợc trích dẫn phù hợp.
Tơi hồn tồn chịu trách nhiệm về nội dung đƣợc thể thiện trong luận văn này.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 08 tháng 12 năm 2019

Phạm Minh Đức


-v-

MỤC LỤC
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU ...................................................................................................... 1
1.1. Giới thiệu chung ............................................................................................................ 1
1.2. Nghiên cứu tổng quan ................................................................................................... 2
1.2.1. Các nghiên cứu ngoài nƣớc ................................................................................... 2
1.2.2. Các nghiên cứu trong nƣớc .................................................................................... 3
1.3. Mục tiêu nghiên cứu...................................................................................................... 3
1.4. Ý nghĩa đề tài ................................................................................................................ 4
CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...................................................................... 5
2.1. Cơ sở lý thuyết về mất ổn định ..................................................................................... 5
2.1.1. Ổn định tổng thể .................................................................................................... 5
2.1.2. Ổn định cục bộ ....................................................................................................... 7
2.2. Lý thuyết quy trình thiết kế hệ giằng liên kết ngang .................................................... 9
2.2.1. Giới thiệu ............................................................................................................... 9
2.2.2. Phƣơng pháp luận ................................................................................................ 11
2.2.3. Sơ đồ thực hiện quy trình thiết kế hệ giằng liên kết ngang ................................. 19

2.3. Lý thuyết kết cấu cầu thép không hệ giằng trung gian ............................................... 21
CHƢƠNG 3: QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ GIẰNG LIÊN KẾT NGANG .......................... 24
3.1. Phạm vi nghiên cứu ..................................................................................................... 24
3.2. Đối tƣợng nghiên cứu ................................................................................................. 24
3.3. Tải trọng thiết kế ......................................................................................................... 25
3.4. Thơng số đầu vào ........................................................................................................ 25
3.4.1. Cấu tạo hình học .................................................................................................. 25
3.4.2. Đặc trƣng hình học mặt cắt dầm chủ ................................................................... 25
3.5. Xây dựng tính tốn theo lý thuyết hệ giằng liên kết ngang ........................................ 26
3.5.1. Tối ƣu hóa số hệ liện kết ngang. .......................................................................... 26
3.5.2. Cấu tạo hình học mặt cắt hệ liên kết ngang đƣợc sử dụng. ................................. 27
3.5.3. Độ cứng tổng thể của các hệ liên kết ngang và giá trị momen tới hạn dầm theo
phƣơng pháp lý thuyết. ...................................................................................................... 28
3.6. Phân tích mơ hình các hệ dầm có hệ giằng trung gian bằng phƣơng pháp phần tử
hữu hạn .................................................................................................................................. 31
3.6.1. Định nghĩa vật liệu ............................................................................................... 33
3.6.2. Định nghĩa thuộc tính mặt cắt .............................................................................. 33
3.6.3. Mơ hình hóa điều kiện biên ................................................................................. 34
3.6.4. Mơ hình số kết cấu chính các hệ liên kết ngang .................................................. 34
3.6.5. Tải trọng tính tốn................................................................................................ 36
3.6.6. Cơng tác phân tích ............................................................................................... 36
3.6.7. Kết quả phân tích ................................................................................................. 38
3.6.8. Tổng hợp kết quả mơ hình ................................................................................... 42
3.7. Kiểm tra phƣơng pháp phần tử hữu hạn...................................................................... 43
3.8. Phân tích khả năng chịu lực mơ hình kết cấu giai đoạn khai thác .............................. 46
3.8.1. Mơ hình hóa kết cấu............................................................................................. 46
3.8.2. Kiểm tốn ứng suất của hệ giằng liên kết ngang cả 2 giai đoạn thi công và
khai thác ............................................................................................................................. 53
3.8.3. Đánh giá khả năng chịu lực hệ kết cấu trong cả 2 giai đoạn thi công và khai
thác

............................................................................................................................. 54
3.9. Kết luận ....................................................................................................................... 54
CHƢƠNG 4: KẾT CẤU CẦU THÉP KHÔNG HỆ GIẰNG TRUNG GIAN ....................... 55


-vi4.1. Giới hạn nghiên cứu .................................................................................................... 55
4.2. Cơ sở lý thuyết phƣơng pháp phần tử hữu hạn (FEM). .............................................. 55
4.3. Các trƣờng hợp phân tích ............................................................................................ 56
4.3.1. Đối tƣợng phân tích ............................................................................................. 56
4.3.2. Mơ hình số hệ kết cấu khơng hệ giằng trung gian (KHGTG) ............................. 56
4.3.3. Tải trọng tính tốn................................................................................................ 56
4.3.4. Cơng tác phân tích ............................................................................................... 57
4.3.5. Kết quả phân tích ................................................................................................. 58
4.4. Phân tích đánh giá kết quả .......................................................................................... 59
4.4.1. Phân tích ổn định của kết cấu khơng hệ giằng trung gian trong giai đoạn thi
công
............................................................................................................................. 59
4.4.2. Đánh giá ổn định của kết cấu không hệ giằng trung gian trong giai đoạn thi
cơng
............................................................................................................................. 61
4.4.3. Phân tích yếu tố ảnh hƣởng ổn định của kết cấu không hệ giằng trung gian
trong giai đoạn thi cơng ..................................................................................................... 62
4.5. Phân tích khả năng chịu lực mơ hình kết cấu khơng hệ giằng trung gian trong giai
đoạn khai thác. ....................................................................................................................... 63
4.5.1. Mô hình hóa kết cấu............................................................................................. 64
4.5.2. Đánh giá khả năng chịu lực của kết cấu không hệ giằng trung gian trong cả 2
giai đoạn thi công và khai thác .......................................................................................... 66
4.6. Kết luận ....................................................................................................................... 67
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN ...................................................................................................... 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................................... 70

-vii-

MỤC LỤC HÌNH
Hình 2.1: Hình dạng mất ổn định tổng thể dầm I [2].................................................................. 5
Hình 2.2: Hình ảnh mất ổn định cục bộ [2]................................................................................. 8
Hình 2.3: Hiện tƣợng oằn ngang do xoắn [7]. .......................................................................... 10
Hình 2.4: Sƣờn tăng cƣờng bố trí một phần trên bảng bụng dầm [6] ....................................... 13
Hình 2.5: Độ cứng riêng và nội lực trong thanh khi làm việc của một số hệ liên kết ngang
phổ biến [7] ................................................................................................................................ 14
Hình 2.6: Biểu đồ điểm tách đơi [8] ......................................................................................... 16
Hình 2.7: Sơ đồ quy trình thiết kế hệ giằng liên kết ngang ...................................................... 20
Hình 2.8: Cầu dầm I liên hợp kiểu mới [11] ............................................................................. 21
Hình 2.9: Cầu Kirisawa [10] ..................................................................................................... 21
Hình 2.10: Cầu JX Sendai No3 [10] ......................................................................................... 22
Hình 2.11: Cấu tạo cầu dầm I liên hợp kiểu mới [11] .............................................................. 22
Hình 2.12: Dầm ngang trƣớc khi liên hợp và sau khi liên hợp [11] ......................................... 23
Hình 3.1: Mặt cắt ngang cầu tại vị trí gối [9]............................................................................ 24
Hình 3.2: Các bƣớc mơ phỏng mơ hình kết cấu ....................................................................... 32
Hình 3.3: Thơng số vật liệu....................................................................................................... 33
Hình 3.4: Mơ hình điều kiện biên ............................................................................................. 34
Hình 3.5: Hệ liên kết ngang đầu dầm ....................................................................................... 35
Hình 3.6: Kết cấu cầu dầm có hệ giằng liên kết ngang chữ I ................................................... 35
Hình 3.7: Kết cấu cầu dầm có hệ giằng liên kết ngang chữ X .................................................. 35
Hình 3.8: Kết cấu cầu dầm có hệ giằng liên kết ngang chữ K .................................................. 36
Hình 3.9: Kết cấu cầu dầm có hệ giằng liên kết ngang chữ Z .................................................. 36
Hình 3.10: Mơ hình 1 ................................................................................................................ 37
Hình 3.11: Mơ hình 2 ................................................................................................................ 37
Hình 3.12: Mơ hình 3 ................................................................................................................ 38

Hình 3.13: Mơ hình 4 ................................................................................................................ 38
Hình 3.14: Hệ số tới hạn mơ hình 1 .......................................................................................... 39
Hình 3.15: Ứng suất dầm chính mơ hình 1 ............................................................................... 39
Hình 3.16: Hệ số tới hạn mơ hình 2 .......................................................................................... 40
Hình 3.17: Ứng suất dầm chính mơ hình 2 ............................................................................... 40
Hình 3.18: Hệ số tới hạn mơ hình 3 .......................................................................................... 41
Hình 3.19: Ứng suất dầm chính mơ hình 3 ............................................................................... 41
Hình 3.20: Hệ số tới hạn mơ hình 4 .......................................................................................... 42
Hình 3.21: Ứng suất dầm chính mơ hình 4 ............................................................................... 42
Hình 3.22: Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa hệ số quy đổi (K), giá trị momen tới hạn
M cr (tính tốn) và M cr (FEM) của hệ liên kết ngang chữ I...................................................... 44
Hình 3.23: Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa hệ số quy đổi (K), giá trị momen tới hạn
M cr (tính tốn) và M cr (FEM) của hệ liên kết ngang chữ K .................................................... 44
Hình 3.24: Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa hệ số quy đổi (K), giá trị momen tới hạn
M cr (tính tốn) và M cr (FEM) của hệ liên kết ngang chữ X .................................................... 45
Hình 3.25: Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa hệ số quy đổi (K), giá trị momen tới hạn
M cr (tính tốn) và M cr (FEM) của hệ liên kết ngang chữ Z .................................................... 45
Hình 3.26: Mơ hình kết cấu trong giai đoạn khai thác.............................................................. 46
Hình 3.27: Ứng suất hệ giằng  2 ( KN / m 2 ) mơ hình sử dụng hệ giằng liên kết ngang chữ
K trong giai đoạn khai thác ........................................................................................................ 47


-viiiHình 3.28: Ứng suất dầm chính  KT ( KN / m 2 ) mơ hình sử dụng hệ giằng liên kết ngang
chữ K trong giai đoạn khai thác ................................................................................................. 47
Hình 3.29: Độ võng do hoạt tải (m) mơ hình sử dụng hệ giằng liên kết ngang chữ K
trong giai đoạn khai thác ............................................................................................................ 48
Hình 3.30: Ứng suất hệ giằng  2 ( KN / m 2 ) mơ hình sử dụng hệ giằng liên kết ngang chữ
X trong giai đoạn khai thác ........................................................................................................ 48
Hình 3.31: Ứng suất dầm chính  KT ( KN / m 2 ) mơ hình sử dụng hệ giằng liên kết ngang
chữ X trong giai đoạn khai thác ................................................................................................. 49

Hình 3.32: Độ võng do hoạt tải (m) mơ hình sử dụng hệ giằng liên kết ngang chữ X
trong giai đoạn khai thác ............................................................................................................ 49
Hình 3.33: Ứng suất hệ giằng  2 ( KN / m 2 ) mơ hình sử dụng hệ giằng liên kết ngang chữ I
trong giai đoạn khai thác ............................................................................................................ 50
Hình 3.34: Ứng suất dầm chính  KT ( KN / m 2 ) mơ hình sử dụng hệ giằng liên kết ngang
chữ I trong giai đoạn khai thác .................................................................................................. 50
Hình 3.35: Độ võng do hoạt tải (m) mơ hình sử dụng hệ giằng liên kết ngang chữ I trong
giai đoạn khai thác ..................................................................................................................... 51
Hình 3.36: Ứng suất hệ giằng  2 ( KN / m2 ) mơ hình sử dụng hệ giằng liên kết ngang chữ Z
trong giai đoạn khai thác ............................................................................................................ 51
Hình 3.37: Ứng suất dầm chính  KT ( KN / m 2 ) mơ hình sử dụng hệ giằng liên kết ngang
chữ Z trong giai đoạn khai thác ................................................................................................. 52
Hình 3.38: Độ võng do hoạt tải (m) mơ hình sử dụng hệ giằng liên kết ngang chữ Z trong
giai đoạn khai thác ..................................................................................................................... 52
Hình 4.1: Mơ hình kết cấu cầu thép KHGTG ........................................................................... 58
Hình 4.2: Hệ số tới han cr khi bề dày tấm thép t=10mm và khoảng cách thanh neo I150
s= 600mm (TH 1-3) ................................................................................................................... 58
Hình 4.3: Ứng suất dầm chính  TC (KN/ m 2 ) khi bề dày tấm thép t=10mm và khoảng cách
thanh neo I150 s= 600mm (TH 1-3) trong giai đoạn thi công. ................................................. 59
Hình 4.4: Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa bề dày (t), khoảng cách (s) và hệ số tới hạn
(cr ) ........................................................................................................................................... 60
Hình 4.5: Biểu đồ so sánh hệ số tới hạn (cr ) của các loại kết cấu .......................................... 61
Hình 4.6: Mơ hình kết cấu khơng hệ giằng trung gian trong giai đoạn khai thác..................... 65
Hình 4.7: Ứng suất dầm chính  KT ( KN / m 2 ) mơ hình kết cấu khơng hệ giằng trung gian
trong giai đoạn khai thác. ........................................................................................................... 65
Hình 4.8: Độ võng do hoạt tải (m) mơ hình kết cấu khơng hệ giằng trung gian trong giai
đoạn khai thác ............................................................................................................................ 66
Hình 4.9: Biểu đồ so sánh độ võng do hoạt tải (mm) của các loại kết cấu trong giai đoạn
khai thác. .................................................................................................................................... 66
Hình 4.10: Biểu đồ tổng ứng suất dầm dầm chính  girder ( KN / m2 ) của các loại kết cấu

trong giai đoạn thi công và khai thác ......................................................................................... 67


-x-

MỤC LỤC BẢNG
Bảng 2.1: Phƣơng trình hàm dạng của phần tử 4 nút và 8 nút .................................................. 18
Bảng 3.1: Cấu tạo hình học ....................................................................................................... 25
Bảng 3.2: Đặc trƣng mặt cắt dầm chủ ....................................................................................... 25
Bảng 3.3: Thông số hệ giằng liên kết ngang ............................................................................. 28
Bảng 3.4: Đặc trƣng cấu kiện các hệ giằng liên kết ngang ....................................................... 28
Bảng 3.5: Thông số xác định độ cứng mặt cắt ngang dầm ....................................................... 30
Bảng 3.6: Độ cứng mặt cắt ngang dầm ..................................................................................... 30
Bảng 3.7: Giá trị momen tới hạn tính theo lý thuyết................................................................. 31
Bảng 3.8: Đặc trƣng vật liệu ..................................................................................................... 35
Bảng 3.9: Tải trọng tính tốn trong giai đoạn thi cơng ............................................................. 36
Bảng 3.10: Bảng kết quả phân tích mơ hình ............................................................................. 43
Bảng 3.11: Bảng đánh giá kết quả phân tích mơ hình và lý thuyết........................................... 43
Bảng 3.12: Bảng kết quả phân tích giữa mơ hình và lý thuyết khi nhân hệ số quy đổi K ........ 45
Bảng 3.13: Tải trọng mô phỏng trong giai đoạn khai thác........................................................ 46
Bảng 3.14: Bảng tổng hợp ứng suất các hệ liên kết ngang và độ võng do hoạt tải trong giai
đoạn khai thác ............................................................................................................................ 53
Bảng 3.15: Bảng đánh giá ứng suất các hệ liên kết ngang trong giai đoạn thi công và khai
thác ............................................................................................................................................. 53
Bảng 3.16: Bảng đánh giá ứng suất các hệ liên kết ngang trong giai đoạn thi công và khai
thác ............................................................................................................................................. 54
Bảng 4.1: Thông số các thành phần kết cấu của hệ dầm cầu KHGTG ..................................... 56
Bảng 4.2: Tải trọng tính tốn trong giai đoạn thi công ............................................................. 57
Bảng 4.3: Các trƣờng hợp thay đổi bề dày tấm thép (mm) và khoảng cách thanh neo I150
(mm)........................................................................................................................................... 57

Bảng 4.4: Bảng tổng hợp hệ số tới hạn cr thay đổi bề dày tấm thép (mm) và khoảng cách
thanh neo I150 (mm).................................................................................................................. 59
Bảng 4.5: Bảng tổng hợp hệ các trƣờng hợp không bị mất ổn định ......................................... 60
Bảng 4.6: Đánh giá ảnh hƣởng khoảng cách thanh neo thép hình I150 tới độ cứng kết cấu .... 62
Bảng 4.7: Đánh giá ảnh hƣởng bề dày tấm thép (t) tới độ cứng kết cấu. .................................. 63
Bảng 4.8: So sánh khối lƣợng vât liệu của các trƣờng hợp tối ƣu kết cấu. ............................... 64
Bảng 4.9: Tải trọng mô phỏng trong giai đoạn khai thác.......................................................... 64


CHƢƠNG 1:
1.1.

GIỚI THIỆU

Giới thiệu chung

Trong những năm qua, sự tăng trƣởng nhanh của nền kinh tế đã thúc đẩy cho sự kết
nối mạng lƣới hạ tầng giao thông ở các đơ thị lớn, góp phần quan trọng trong vận chuyển
hàng hóa, đảm bảo an ninh quốc phịng, nâng cao đời sống nhân dân.
Hiện nay, với những vƣợt trội về công nghệ thời gian thi công nhanh, kết cấu nhẹ và
lắp ráp vận chuyển phù hợp với điều kiện thực tế thi công, cầu thép là sự lựa chọn hàng đầu
khi thiết kế các cơng trình đƣờng cầu vƣợt trong nút giao đơ thi có mật độ xe qua lại lớn.
Do đó, vấn đề nghiên cứu tối ƣu kết cấu cầu thép nhằm để kết cấu nhẹ, đảm bảo khả năng
chịu lực, mỹ quan và thời gian thi công nhanh là mối quan tâm hàng đầu của các nhà
nghiên cứu cũng nhƣ nhà quản lý giao thông và xây dựng công trình. Mặc khác, trong
những thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu quan tâm đến việc ứng dụng hệ kết cấu mới nhƣ
lƣợc bỏ một số bộ phận sƣờn tăng cƣờng, hệ giằng trung gian trong cầu thép. Các nhà khoa
học Nhật Bản nghiên cứu kết cấu cầu thép không hệ giằng trung gian đã đƣợc áp dụng vào
thực tế. Hệ kết cấu này hồn tồn khơng có hệ giằng trung gian nhƣng vẫn đảm bảo ổn định
trong thi công và mỹ quan trong đô thị. Một ƣu điểm nữa kết cấu này là làm giảm đáng kể

chi phí duy tu bảo dƣỡng hệ kết cấu thép tiếp xúc trực tiếp với mơi trƣờng (do khơng có hệ
giằng trung gian). Tuy nhiên, hệ kết cấu này mới chỉ đƣợc áp dụng cho các kết cấu cầu tiết
diện I dầm liên tục. Đây là loại kết cấu có nhiều khó khăn trong việc giải quyết các vấn đề
phát sinh khi xử lý ứng suất kéo trên bản mặt cầu tại vị trí momen âm của dầm chính. Để
tháo gỡ khó khăn này, tác giả đề xuất kết cấu cầu thép không hệ giằng trung gian đƣợc áp
dụng cho cầu thép dầm I giản đơn. Thực chất, hệ kết cấu này sử dụng tấm thép và các thanh
neo bằng thép hình để đảm bảo ổn định kết cấu trong giai đoạn thi công và giúp bản mặt
cầu bê tơng cốt thép có thể làm việc liên hợp với dầm thép. Tổ hợp tấm thép và thanh neo
thép hình I đƣợc coi hệ kết cấu giằng đƣợc giấu trong bản mặt cầu. Ƣu điểm của kết cấu
này là rút ngắn thời gian thi công (do thi công tổ hợp khá dễ dàng), thép đƣợc chôn trong
bản bê tông giảm tối đa sự tiếp xúc trực tiếp giữa kết cấu thép với môi trƣờng, từ đó đảm
bảo kết cấu khơng bị ăn mịn do gỉ sét.
Việc thiết kế tổ hợp tấm thép và thanh neo có thể đƣợc coi là thiết kế hệ giằng mới
trong cầu thép. Vì vậy trƣớc khi đi vào phân tích ứng xử kết cấu hệ giằng mới tác giả muốn
đề nghị một quy trình thiết kế hệ giằng liên kết ngang trong cầu thép dầm giản đơn truyền
thống nhằm mong muốn đạt đƣợc 2 mục đích: 1) đảm bảo ổn định cầu thép trong q trình
thi cơng với kết cấu hệ giằng tối ƣu (độ cứng hệ giằng vừa đủ, khơng xuất hiện vết nứt tại
vị trí nối giữa hẹ giằng liên kết ngang và dầm chính do độ cứng giằng ngang lớn hơn độ
cứng dầm chính, đồng thời độ cứng vẫn đủ để hệ kết cấu ổn định trong thi công), kết cấu đủ
khả năng chịu lực trong cả hai giai đoạn từ thi công đến khai thác; và 2) làm cơ sở để đánh
giá khả năng làm việc hệ kết cấu cầu thép dầm giản đơn không hệ giằng trung gian.
Với những vấn đề cấp thiết trên tác giả muốn đề nghị một quy trình thiết kế hệ giằng
liên kết ngang cho kết cấu cầu thép dầm giản đơn, đồng thời đƣa ra đánh giá khả năng áp
dụng vào thực tế của kết cấu cầu thép dầm giản đơn không hệ giằng trung gian.

1


1.2.

Nghiên cứu tổng quan

1.2.1. Các nghiên cứu ngoài nƣớc
Tiêu chuẩn AASHTO (1996) không cung cấp một hƣớng dẫn cụ thể cho cơng tác thiết
kế, tính tốn liên kết ngang cho cầu thép. Thực tế tại Mỹ, mỗi bang sử dụng một kích thƣớc
tiêu chuẩn cho hệ giằng ngang hoặc dầm ngang và những kích thƣớc này thƣờng đƣợc lựa
chọn dựa vào nhịp tính tốn. Mặc dù vậy, nhiều nghiên cứu đã đƣợc thực hiện từ những
năm giữa thế kỷ XX để đƣa ra cái nhìn cụ thể hơn về ứng xử và cách làm việc của hệ liên
kết ngang trong cầu thép. Những nghiên cứu này chỉ ra đƣợc một số trƣờng hợp thiết kế
theo kinh nghiệm dẫn đến dƣ thừa khi độ cứng dầm ngang lớn hơn nhiều độ cứng dầm chủ
khiên cho cơng trình vừa khơng an tồn trong giai đoạn khai thác lại vừa tốn chi phí vật
liệu.
Hệ giằng liên kết ngang cơ bản đƣợc chia làm 2 loại chính là hệ giằng liên kết ngang
chống xoắn và hệ giằng liên kết ngang khống chế chuyển vị ngang. Vào những năm 1940,
1950, tác giả Flint đã thực hiện nhiều nghiên cứu về hệ liên kết ngang cho cầu dầm giản
đơn, gối tựa đơn giản. Sau nhiều năm nghiên cứu, ông kết luận rằng một hệ liên kết ngang
hiệu quả chỉ cần cũng cấp cho dầm chính khả năng chịu xoắn. Vì vậy, ơng khẳng định rằng
một hệ thống giằng ngang hay dầm ngang có khả năng chống xoắn cho dầm chính đã là
một hệ thống hiệu quả mặc dù vẫn cho phép chuyển vị ngang trong hệ. Tuy nhiên, ông vẫn
chƣa công bố đƣợc cụ thể các yếu tổ có thể ảnh hƣởng đến sự làm việc hiệu quả của hệ liên
kết ngang mình đang nghiên cứu.
Các nghiên sau đó tập trung vào việc phân tích các yếu tố cũng nhƣ mức độ ảnh hƣởng
của chúng đến sự làm việc hiệu quả của hệ liên kết ngang. Vào năm 1958, tác giả Winter đã
phát biểu : “ Một hệ liên kết ngang phù hợp cần đảm bảo hai yếu tố chính là độ cứng và khả
năng chịu lực”. Winter là tác giả đầu tiên đánh giá ảnh hƣởng cùng lúc của độ cứng và khả
năng chịu lực của hệ liên kết ngang vào hiệu quả làm việc của hệ. Nhƣng mơ phỏng ơng
vẫn cịn đơn giản và chƣa mang tính tổng qt.
Sau đó, năm 1982, tác giả Trahair và Nethercot cơng bố một bản tóm tắt những yêu cầu
cần thiết trong hệ liên kết ngang dành cho cầu thép dầm chữ I. Kết quả đƣợc trình bày một
cách mơ hình hóa cho cả trƣờng hợp hệ liên kết ngang liên tục và riêng biệt ứng xử trƣớc

những tải trọng thông thƣờng nhƣ momen đồng bộ, lực tập trung giữa nhịp và tải trọng
phân bố đều toàn nhịp. Các tác giả đồng thời cũng xem xét đến ảnh hƣởng do vị trí của hệ
liên kết ngang trên mặt cắt ngang dầm chủ.
Kế thừa các nghiên cứu chƣa hoàn chỉnh của các nhà khoa học đi trƣớc, năm 1992, tác
giả Joseph A. Yura đã tiến hành một nghiên cứu chi tiết về hệ liên kết ngang dành cho dầm
thép. Bên cạnh những thí nghiệm trong phịng, một mơ hình phần tử hữu hạn 2 chiều đƣợc
thiết kế để mô phỏng ứng xử của hệ. Nghiên cứu của tác giả Yura kể đến tác dụng của các
loại liên kết khác nhau, độ cứng của liên kết, vị trí và số lƣợng hệ liên kết trên ứng xử xoắn
của dầm. Một số trƣờng hợp tải trọng đã đƣợc xét đến cũng nhƣ các vị trí có thể của hệ liên
kết ngang trên mặt cắt ngang dầm chủ. Bên cạnh đó ảnh hƣởng của sự biến dạng của mặt
cắt dầm chủ cũng đƣợc xem xét một cách chi tiết bao gồm cả trƣờng hợp bản bụng có và
khơng có sƣờn tăng cƣờng đứng. Nghiên cứu trên của tác giả đã kể đến hầu nhƣ tất cả các
yếu tố có thể có ảnh hƣởng tới khả năng làm việc của hệ liên kết ngang và kết quả là tác giả
đã công bố công thức giá trị momen cực hạn của dầm chủ khi có hệ liên kết ngang mà trong

2


đó độ cứng của giằng ngang là biến số. Đây chính là cơ sở quan trọng có thể thiết kế đƣợc
một hệ liên kết ngang phù hợp cho các trƣờng hợp cụ thể.

1.2.2. Các nghiên cứu trong nƣớc
Tác giả Nguyễn Thạch Bích và Nguyễn Hữu Thuấn cơng bố đề tài nghiên cứu Phân
tích ảnh hƣởng của các tham số của hệ liên kết ngang đến ổn định của dầm thép mặt cắt chữ
I nhịp giản đơn trong giai đoạn thi công bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn. Nghiên cứu đi
sâu vào phân tích sự ảnh hƣởng các yếu tố nhƣ độ cứng, khoảng cách, số lƣợng hệ liên kết
ngang đến hiệu quả của toàn hệ. Phạm vi nghiên cứu dừng lại ở việc mô phỏng và đánh giá
dựa trên kết quả của mơ hình phần tử hữu hạn, những vẫn chƣa đề ra một quy trình thiết kế
đầy đủ cho hệ liên kết ngang. Kết luận của nghiên cứu về khoảng cách tối ƣu giữa liên kết
ngang cũng nhƣ tiết diện của hệ là vẫn chƣa đầy đủ. Tác giả kết luận rằng tiết diện ngang

của hệ liên kết ngang không ảnh hƣởng đáng kể so với độ cứng đến khả năng chống xoắn
và chống uốn của dầm đôi, với hệ thống dầm đôi chiều dài nhịp phải nhỏ hơn Lmax ( Lmax
là công thức chiều dài lớn nhất dầm đơn đảm bảo ổn định tổng thể cho dầm theo Yura )
nếu không hệ sẽ mất ổn định ngay cả khi khoảng cánh tốt nhất và độ cứng tốt nhất của dầm
ngang. Mặc dù bài báo đã đề câp đến ảnh hƣởng độ cứng của hệ liên kết ngang nhƣng vẫn
chƣa đủ và chƣa tổng quát hết các cho các hệ liên kết ngang mà thực tế đang áp dụng. Hơn
nữa, bài viết vẫn chƣa đề cập đến khả năng chịu lực của các thanh cấu tạo nên hệ giằng liên
kết ngang. Bên cạnh đó tham số chiều cao của hệ liên kết ngang vẫn chƣa đƣợc kể đến kể
cả trong lý thuyết lẫn trong mô phỏng.
Tác giả Nguyễn Thị Tuyết Trinh đã công bố đề tài nghiên cứu: Phân tích ứng xử của
cầu dầm liên hợp kiểu mới khơng có dầm ngang trung gian. Kết cấu khơng hệ giằng trung
gian là một kết cấu rất mới, kết cấu giản lƣợc đi các bộ phận nhƣ sƣờn tăng cƣờng, hệ liên
kết dọc, hệ liên kết ngang... thì cơng tác chế tạo, thi công cũng nhƣ bảo dƣỡng kết cấu sẽ
đơn giản hơn rất nhiều. Nghiên cứu đã phân tích ứng xử của kết cấu cầu dầm thép liên hợp
không sử dụng dầm ngang trung gian, sƣờn tăng cƣờng và hệ liên kết dọc nhằm xác nhận
tính khả thi của loại hình kết cấu cầu dầm liên hợp kiểu mới áp dụng cho cơng trình cầu
trong đơ thị Việt Nam. Kết quả của phân tích đã cho thấy, nhờ vào việc đƣa vào một số kết
cấu đặc biệt nhƣ khối bê tông bao quanh dầm ngang đầu dầm, bản thép tăng cƣờng cho dầm
chủ, thanh neo thép chữ I... mà chuyển vị, chu kỳ và tần số dao động riêng của cầu dầm I
liên hợp kiểu mới xấp xỉ bằng cầu dầm I liên hợp truyền thống và nằm trong phạm vi cho
phép. Tuy nhiên, với việc chỉ phân tích về 3 khía cạnh nhƣ phân tích về momen uốn,
chuyển vị và dao động để đánh giá kết cấu cho cầu dầm liên tục mà chƣa đề cập đến độ ổn
định tổng thể của kết cấu cũng nhƣ việc đánh giá mức độ ổn định này so với hệ giằng
ngang nhƣ thế nào. Đối tƣợng nghiên cứu chỉ giới hạn cho cầu chỉ giới hạn cho cầu liên tục
có hệ dầm chủ tựa lên dầm ngang ( dầm ngang tựa lên gối ).

1.3.

Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu, đề xuất quy trình thiết kế cấu hệ giằng liên kết ngang
cho cầu thép dầm giản đơn. Bên cạnh đó đề tài cũng đồng thời nghiên cứu, đánh giá khả
năng áp dụng kết cấu cầu thép với hệ giằng kiểu mới vào thực tế thơng qua phân tích ứng
xử của nó trong giai đoạn thi cơng và khai thác.

3


1.4.

Ý nghĩa đề tài

Trong các tiêu chuẩn thiết kế cầu (TCVN 11823-2017) và ngồi nƣớc (AASHTO) đều
khơng đề cập đến việc thiết kế hệ giằng liên kết ngang một cách chi tiết, do đó việc đề xuất
quy trình thiết kế hệ giằng có ý nghĩa bổ sung hồn chỉnh quy trình thiết kế cầu thép cho kỹ
sƣ và sinh viên chuyên ngành trong công tác thiết kế cầu thép. Trƣớc đây công tác thiết kế
chỉ xoay quanh việc chọn và thử dần, việc này khơng đảm bảo tính khoa học và chặt chẽ
trong quy trình thiết kế. Vì vậy tác giả mong muốn góp một phần nhỏ vào cơng tác đào tạo
cũng nhƣ công việc thiết kế trong sản xuất.
Việc nghiên cứu khả năng ứng dụng thực tế của kết cấu cầu thép dầm giản đơn với hệ
giằng kiểu mới (hay cịn gọi là kết cấu cầu thép khơng hệ giằng trung gian) nhằm mang lại
một sự lựa chọn về kết cấu cho các kỹ sƣ, góp phần đa dạng hóa các phƣơng án cầu. Đồng
thời ƣu điểm hệ kết cấu cầu thép này là giảm thiểu chi phí duy tu bảo dƣỡng trong quá trình
khai thác, tiết kiệm đƣợc chi phí đáng kể trong giai đoạn vận hành. Đây là một nghiên cứu
có ý nghĩa trong việc góp phần nâng cao năng suất khai thác của cơng trình giao thơng nói
chung và cơng trình cầu thép nói riêng.

4

CHƢƠNG 2:
2.1.

PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Cơ sở lý thuyết về mất ổn định

Sức kháng uốn của mặt cắt tiết diện chữ I phụ thuộc lớn vào độ ổn định cục bộ
cũng nhƣ tổng thể. Nếu mặt cắt rất ổn định với tải trọng lớn thì mặt cắt tiết diện chữ
I có thể pháp triển sức kháng uốn từ mômen kháng chảy đầu tiên M y tới mơ men
kháng dẻo tồn phần M p . Nếu ổn định bị hạn chế bởi mất ổn định cục bộ hay mất
ổn định tổng thể thì sức kháng uốn sẽ nhỏ hơn M p và nếu mất ổn định nghiêm trọng
sẽ nhỏ hơn M y [1].
Vấn đề mấu chốt để phát triển sức kháng dẻo M p là sự ổn định có đƣợc đảm
bảo hay không đối với mặt cắt ngang. Nếu xảy ra mất ổn định tổng thể hay cục bộ
thì M p khơng thể đạt đƣợc.
2.1.1. Ổn định tổng thể
Khi dầm chịu tải trọng, dầm chịu uốn và phát sinh biến dạng trong mặt phẳng
tác dụng của tải trọng (mặt phẳng uốn). Khi tải trọng đến một giá trị nào đó, ngồi
biến dạng trong mặt phẳng uốn, còn phát sinh biến dạng ở ngoài mặt phẳng uốn.
Trong trƣờng hợp này dầm vừa chịu uốn, vừa chịu xoắn và bị vênh khỏi mặt phẳng
chịu uốn, dầm mất khả năng chịu lực. Hiện tƣợng đó là mất ổn định tổng thể.

Hình 2.1: Hình dạng mất ổn định tổng thể dầm I [2]
Công thức chung: Momen uốn lúc đầu có oằn ngang là momen tới hạn. Giá trị
momen tới hạn đƣợc cho bởi công thức kinh điển [1]:
2
4
M cr  Cb

L2

EI y GJ T 

Trong công thức này:
L : chiều dài tự do giữa các giằng bên
J T : Hằng số xoắn giữa tiết diện
5

L4

EI y ECw


E
(  là hệ số poisson)
2(1   )
I h2
C w : Hằng số vênh của tiết diện. Với tiết diện I, Cw  f . Trong đó I f là momen
2

G : Modun đàn hồi cắt của vật liệu G 

quán tinh của một cánh đối với trục y – y của tiết diện.
Ứng suất uốn tới hạn là:
Fcr 

M cr
Sx

Đối với tiết diện thấp và cánh dày, cƣờng độ chịu xoắn là quyết định :
 EI y GJ T
M cr
Fcr 

Sx

 Cb

LS x

Vì Fcr khơng vƣợt q Fy , chiều dài không giằng lớn nhất L của dầm để đảm bảo
tính ổn định là:
L

20000Cb
( Fy d / Af )

Đối với tiết diện cao, cánh và bụng mỏng, cƣờng độ chịu uốn dọc và cánh là quyết
định. Ứng suất uốn tới hạn là:
M cr Cb ( / L) EI y GCw
Fcr 

Sx



Sx

Dùng kết quả thí nghiệm để chỉnh sửa tỉ số L / ry ta đƣợc

ry  0.25b . Ta đƣợc: L 

L 300
. Lấy gần đúng

ry
Fy

76b
Fy

Quy phạm AISC/ ADS quy định: đối với tiết diện đƣợc coi là đặc trắc đƣợc thiết kế:
Giá trị ứng suất cho phép phụ thuộc vào chiều dài không giằng nhƣ sau:
- Khi L không vƣợt qua giá trị nhỏ hơn của:
Lc 

-

76b f
20000
và Lc 
(d / Af ) Fy
Fy

Thì Fb  0.66 Fy ( Công thức F1-1 và F1- 2 của AISC/ASD).
Khi L không vƣợt qua giá trị lớn hơn của:
Lu  rT

102 103 Cb
20000

hay Lu 
Fy
(d / Af ) Fy

Thì Fb  0.6 Fy ( AISC/ADS F1-5).
-

Khi L vƣợt quá Lu nhƣng nhỏ hơn rT

510 103 Cb
, giá trị lớn hơn của hai
Fy

giá trị Fb sau sẽ là ứng suất cho phép:
 2 F ( L / rT ) 2 
Fb    y
 Fy  0.6 Fy ( AISC/ADS F1-6).
3
 3 1530 10 Cb 

6


12 103 Cb
Fb 
 0.6 Fy
Ld / Af

-

Khi L vƣợt quá rT

510 103 Cb
, Ứng suất Fb là giá trị lớn hơn trong 2 giá trị:
Fy

12 103 Cb
 0.6 Fy
Ld / Af

( AISC/ADS F1-8).

170 103 Cb
 0.6 Fy
( L / rT ) 2

( AISC/ADS F1-7).

Fb 
Fb 

( AISC/ADS F1-8).

Giá trị Cb đƣợc xác định từ phƣơng trình:
2

M 
M 
2
Cb  1.75  1.05  1   0.3  1  

3
 M2 
 M2 

Trong đó M 1 là momen nhỏ M 2 là momen lớn của 2 đầu đoạn không giằng. Nếu
nhịp nhiều điểm giằng ngang cách đều thì giá trị Cb đƣợc cho trong bảng sau, đối với
dầm đơn giản chịu tải trọng phân bố đều:
Vị trí các giằng trung gian
Khơng có giằng
Tại giữa nhịp
Tại phần ba nhịp
Tại phần tƣ nhịp
Tại phần năm nhịp
Tại phần sáu nhịp

Cb
1.00
1.75
1.00
1.13
1.00
1.05

2.1.2. Ổn định cục bộ
Mất ổn định cục bộ là hiện tƣợng các bản thép mỏng của dầm bị biến dạng cục
bộ (lồi, lõm, cong, vênh) dƣới tác dụng của các ứng suất nén. Mất ổn định cục bộ có
thể xảy ra khi tỷ số giữa bề rộng và bề dày của các phần tử chịu nén là quá lớn. Nếu
sự oằn xảy ra trong biên nén thì đƣợc gọi là mất ổn định cục bộ của bản biên. Nếu sự
oằn xảy ra trong vùng nén của vách (sƣờn dầm) thì đƣợc gọi là mất ổn định cục bộ
của vách đứng.

7


Hình 2.2: Hình ảnh mất ổn định cục bộ [2]
a, Sức kháng mất ổn định cục bộ:
Sức kháng của mất ổn định chịu uốn của bản cánh trên chịu nén đƣợc quy định
theo AASHTO – A6.3.2
Nếu  f   pf thì M nc  R pc M yc








Nếu khơng thì M nc  1  1 

Fyr S xc   f   pf  

  Rpc M yc
Rpc M yc 



rf
pf

 

Trong đó:
f 

b fc
2t fc

: tỷ số độ mảnh của bản cánh chịu nén.

 pf  0.38

E
: giá trị độ mảnh giới hạn cho mặt cắt đặc chắc.
Fyc

rf  0.95

Ekc
: giá trị độ mảnh giới hạn cho mặt cắt không đặc chắc.
Fyr

k c : Hệ số ổn định cục bộ bản cánh.
Fyr : ứng suất tại bản cánh chịu nén tại thời điểm bắt đầu chảy, đƣợc lấy bằng số nhỏ

hơn giữa 0.7 Fyc và Fyw , nhƣng không nhỏ hơn 0.5 Fyc .
M yc : moment chảy bản cánh chịu nén
M yt : moment chảy bản cánh chịu kéo
Rh : hệ số lai lấy theo mục 6.10.1.10.1
R pc : hệ số giảm ứng suất bản cánh chịu nén lấy theo mục A6.2.1 hoặc A6.2.2
 M yc

S xc : moment kháng uốn tiết diện chịu nén 
 F
 yc

8






 M yt
S xt : moment kháng uốn tiết diện chịu kéo 
 F
 yt





b, Sức kháng mất ổn định uốn ngang – xoắn:
Sức kháng mất ổn định chịu uốn của bản cánh trên chịu nén đƣợc quy định theo
AASHTO-A6.3.3
Đối với các cấu kiện không giằng, sức kháng mất ổn định uốn ngang-xoắn đƣợc
lấy nhƣ sau:
Nếu Lb  L p thì M nc  R pc M yc




Nếu Lp  Lb  Lr thì M nc  Cb 1  1 
 
Nếu Lb  Lr thì M nc  Fcr S xc  R pc M yc

Fyr S xc  Lb  Lp

Rpc M yc 
 Lr  Lp


  Rpc M yc  Rpc M yc
 

Trong đó:
Lb : Chiều dài không giằng.
L p : Độ dài giới hạn giằng ngang đối với khả năng chịu uốn bị khống chế bởi sự
hình thành uốn dẻo, Lp  1.0rt

E
Fyc

Lr : Độ dài giới hạn giằng ngang đối với khả năng chịu uốn bị khống chế bởi mất

ổn định khi chịu xoắn ngang phi đàn hồi,
E
Lr  1.95rt
Fyr

 Fyr S xc h 
1  1  6.76 


S xc h
 E J 
J

2

Cb : Hệ số điều chỉnh gradient moment, lấy nhƣ sau : Đối với các dầm hẫng không

đƣợc giằng hoặc đối vối các cấu kiện mà moment trong phạm vi lớn của đoạn dầm
không đƣợc giằng vƣợt qua giá trị lớn hơn trong hai giá trị cùa các moment mút đầu
của đoạn dầm, Cb  1
Fcr : Ứng suất đàn hồi mất ổn định xoắn ngang, Fcr 

Cb 2 E
J
2
1  0.078
 Lb / rt 
2
( Lb / rt )
S xc h

3
t fc  b ft t 3ft 
t ft
Dtw3 b fc t fc 

J : Hằng số xoắn St. Venent, J 
1  0.63  

1  0.63
3
3 
b fc 
3 
b ft
rt : bán kính hồi chuyển của bản cánh chịu nén đối với trục thẳng đứng,
b fc
rt 
 1 Dc tw 
12 1 
 3 b t 
fc fc 


2.2.





Lý thuyết quy trình thiết kế hệ giằng liên kết ngang

2.2.1. Giới thiệu
Khi thiết kế dầm thép nói chung và các dạng cầu thép nhịp giản đơn nói riêng
thì hiện tƣợng mất ổn đinh tổng thể của dầm là một giới hạn của việc thiết kế cầu
9


thép đó là vấn đề oằn ngang do xoắn của dầm chủ. Hiện tƣợng này xảy ra chủ yếu ở

giai đoạn thi công khi bản mặt cầu chƣa đông cứng và mặt cắt làm việc của dầm chủ
là mặt cắt chƣa liên hợp [3]. Đặc trƣng của hiện tƣợng mất ổn định tổng thể là khi tải
trọng đạt đến một giá trị nào đó thì ngồi biến dạng võng trong mặt phẳng uốn, cịn
phát sinh biến dạng ở ngồi mặt phẳng uốn. Hình dạng tiết diện dầm khơng thay đổi
nhƣng các tiết diện dầm xoay tƣơng đối với nhau, dầm vừa chịu uốn vừa chịu xoắn;
trục dầm vừa bị võng trong mặt phẳng uốn, oằn ngang, vênh ra khỏi mặt phẳng uốn
và nhanh chóng mất khả năng chịu lực [4].

Hình 2.3: Hiện tƣợng oằn ngang do xoắn [7].
Để giải quyết hiện tƣợng mất ổn định tổng thể này đã có rất nhiều phƣơng
pháp đƣợc đƣa ra và phổ biến nhất là thêm cho hệ dầm các hệ liên kết ngang trung
gian dọc theo chiều dài nhịp tính tốn. Việc nghiên cứu hệ liên kết ngang nhƣ thế
nào để đảm bảo đƣợc khả năng chịu lực của kế cấu và tiết kiêm đƣợc chi phí là vấn
đề đƣợc đặt ra.
Hệ liên kết ngang khi đƣợc thiết kế thiếu an toàn rất dễ dẫn đến hậu quả
nghiêm trọng nhất là trong giai đoạn thi cơng vì hiện tƣợng oằn ngang do xoắn diễn
ra rất nhanh và đột ngột khi nội lực trong dầm vƣợt quá giá trị momen tới hạn, sự cố
khi đã xảy ra, dù có phát hiện kịp thời, vẫn rất khó để can thiệp. Ngƣợc lại, khi thiết
kế dƣ thừa dẫn đến độ cứng riêng của hệ liên kết ngang lớn hơn quá mức cần thiết
thì trƣớc mắt sẽ vô cùng hao tốn vật liệu cũng nhƣ công lắp dựng, bên cạnh đó cịn
dễ gây ra các vết nứt trong giai đoạn khai thác ở vị trí liên kết các hệ liên kết ngang
do hoạt tải xe cộ lặp đi lặp lại gây nên ứng xuất cục bộ ở những vị trí này, vừa tốn
cơng duy tu sữa chữa vừa kém an tồn.
Trong phạm vi nghiên cứu, nhóm nghiên cứu đã tập trung phân tích ứng xử kết
cấu của hệ liên kết ngang trong cầu thép dầm chữ I nhịp giản đơn. Kết quả thu đƣợc
từ nghiên cứu này có thể giúp tối ƣu hóa kết cấu cầu thép, giảm giá thành một cách
tƣơng đối cũng nhƣ những rủi ro có thể xảy ra cả trong giai đoạn thi công và khai
thác.

10

2.2.2. Phƣơng pháp luận
2.2.2.1 Cơ sở lý thuyết bố trí hệ giằng liên kết ngang
Các nghiên cứu ổn định của dầm thép đều nhấn mạnh đến khả năng làm việc
và khả năng chịu tải trọng của dầm đơn bên trong hệ thống dầm. Theo hai nhà
nghiên cứu Yura và Widianto đã chỉ ra rằng khả năng ổn định chịu xoắn của dầm
phụ thuộc chặt chẽ vào khoảng cách giữa hai dầm chủ, vào chiều nhịp, độ cứng của
hệ liên kết ngang và vật liệu thép sử dụng. Một hệ liên kết ngang hiệu quả yêu cầu
độ cứng và khả năng chịu lực phù hợp [6].
a) Độ cứng hệ liên kết
Khả năng chống oằn ngang do xoắn của dầm thép đƣợc đặc trung bởi giá trị
momen tới hạn Mcr của dầm, khi nội lực trong dầm vƣợt quá giá trị momen tới hạn,
hiện tƣợng mất ổn định tổng thể xảy ra. Giá trị momen tới hạn của dầm thép khi có
kể đến sự làm việc của các hệ liên kết ngang đƣợc cho bởi công thức :

Mcr = C2bu M02 +

nC2bbβT EIeff
Ct L

(Yura 1992) (1)

Trong đó :
Cbu ,Cbb : Hệ số biến dạng biểu đồ momen nội lực trong dầm, thiên về an toàn thƣờng
lấy bằng 1
M 0 : Giá trị momen tới hạn nội tại của dầm.

n : Số hệ liên kết ngang trung gian.

 T : Độ cứng tổng thể của hệ liên kết ngang.
L : Chiều dài nhịp tính tốn.
Ct : Hệ số xét đến vị trí đặt tải trọng tiết diện dầm, lấy bằng 1.2 với tải trọng đặt cánh
trên.
I eff  I yc 

t
I yt
c

Với:
I yc : Momen quán tính cánh chịu nén đối với trục Y.

I yt : Momen quán tính cánh chịu kéo đối với trục Y.

t: Khoảng cách từ trọng tâm tiết diện đến trọng tâm thớ chịu kéo.
c: Khoảng cách từ trọng tâm tiết diện đến trọng tâm thớ chịu nén.
Trong phạm vi nghiên cứu, nhóm nghiên cứu chỉ xét trƣờng hợp các hệ liên
kết ngang trung gian cách đều nhau. Khoảng cách giữa các hệ liên kết ngang đƣợc
lựa chọn từ giá trị momen tới hạn nội tại M0 của dầm sao cho M0 > Mu (với Mu là
giá trị momen lớn nhất trong dầm). Giá trị momen tới hạn nội tại M0 đƣợc tính theo
cơng thức đề xuất trong tiêu chuẩn AASHTO (1996) có dạng:
11


 I yc  2G  J  2  d 
  +π 


 

 L b  E  I yc 
 Lb 

2

M 0 =πE 

(2)

Trong đó :
- E: modul đàn hồi về uốn của vật liệu.
- G: modul đàn hồi về cắt của vật liệu, G 

E
(  : Hệ số poisson)
2(1   )

- d: khoảng cách giữa trọng tâm cánh trên và cánh dƣới dầm
- Lb: khoảng cách lớn nhất giữa 2 điểm đƣợc giằng ngang kế nhau trên dầm
- J : momen quán tính chống xoắn của dầm đƣợc tính bằng:

1
J= (Σbf t 3f +h w t 3w )
3
Với:
bf, tf

: bề rộng và bề dày của các bản cánh

hw, tw

: chiều cao và bê dày của bản bụng

Chọn đƣợc giá trị Lb lớn nhất khi M0 > Mu, ta có thể xác định đƣợc số lƣợng
hệ liên kết ngang trung gian tối thiểu (n) từ giá trị chiều dài tính tốn Ltt của dầm và
khoảng cách giữa 2 hệ liên kết ngang Lb . Độ cứng tổng thể tối thiểu của hệ liên kết
ngang có thể đƣợc tính ngƣợc từ cơng thức (1) sau khi thay giá trị Mcr bằng giá trị
Mu.
Thiên về an toàn, tác giả Yura đề xuất đơn giản bớt đại lƣợng momen tới hạn
nội tại của dầm chủ ở cơng thức (1) vì nhìn chung giá trị này khá nhỏ so với giá trị
momen tới hạn của toàn hệ khi có sự tham gia làm việc chung của hệ liên kết ngang
và để đơn giản hơn trong tính tốn [6]. Do đó, từ cơng thức (1), giá trị  T có giá trị
bằng:
βT =

2.4LM 2u
C2bb nEI y

(3)

Giá trị độ cứng tổng thể này thể hiện sự làm việc chung của toàn hệ bao gồm
cả dầm chủ và hệ liên kết ngang. Cụ thể, sự làm việc chung này đƣợc thể hiện bằng
công thức:
1 1 1
1
= + +
β T β b β g βsec

(4)

Trong đó :
b : độ cứng riêng của hệ liên kết ngang. Trong nghiên cứu này, độ cứng
riêng của hệ dầm đơi đƣợc áp dụng (Hình 2.5). Các sai số do sử dụng
độ cứng riêng của hệ kết cấu khác sẽ đƣợc thảo luận sau.
 g : độ cứng trong mặt phẳng uốn của dầm chủ đƣợc tính bởi:

12


24  n g -1 S2 EI x
2

βg =

(5)

n g L3

Với:

 sec

ng
: số lƣợng dầm chủ của hệ.
S
: khoảng cách giữa các dầm chủ
L
: chiều dài nhịp tính tốn
Ix
: momen quán tính của tiết diện dầm

: độ cứng mặt cắt ngang dầm. Yura và Phillips đề nghị sử dụng các
phƣơng trình sau để ƣớc tính độ cứng của mặt cắt ngang :
1

sec



1

c



1

s



1

(6)

t

Trong đó:
 c : Độ cứng mặt cắt bản bụng tƣơng ứng bản cánh chịu nén.
 s : Độ cứng mặt cắt bản bụng tại sƣờn tăng cƣờng.
t : Độ cứng mặt cắt bản bụng tƣơng ứng bản cánh chịu kéo

c ,  s , t :.Có thể xác định bằng các phƣơng trình sau:  j 

3.3E  h

h j  h j

 1.5h j tw3 ts bs3 



  12
12 


Với j là c, s, t tƣơng ứng. Các định nghĩa đƣợc thể hiện trong Hình 2.4

Hình 2.4: Sƣờn tăng cƣờng bố trí một phần trên bảng bụng dầm [6]

13