ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THÁI KHIÊM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KẾT CẤU CẦU CẠN KHUNG
THÉP CHO ĐƯỜNG MIỀN NÚI Ở VIỆT NAM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Giao thơng
Mã số: 8 58 02 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2023


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: Tiến sĩ Nguyễn Cảnh Tuấn
Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: Tiến sĩ Nguyễn Phú Cường
Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS. Đặng Đăng Tùng
Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS. Lê Anh Thắng
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM,
ngày 19 tháng 08 năm 2023.
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm:

1. PGS.TS. Nguyễn Mạnh Tuấn

Chủ tịch

2. PGS.TS. Lê Văn Phúc

Thư ký

3 PGS.TS. Đặng Đăng Tùng

Phản biện 1

4. PGS.TS. Lê Anh Thắng

Phản biện 2

5. TS. Đỗ Thành Chung

Uỷ viên

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

TRƯỞNG KHOA


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: NGUYỄN THÁI KHIÊM

MSHV: 2070524

Ngày, tháng, năm sinh: 03/06/1998

Nơi sinh: TPHCM

Chun ngành: KĨ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG
Mã số: 8580205
TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ứng dụng kết cấu cầu cạn khung thép cho

I.

đường miền núi ở việt nam
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu thiết kế Metal Road – Cầu bằng hệ
khung giàn thép cho đèo Bảo Lộc theo tiêu chuẩn thiết kế cầu đường Việt Nam hiện
hành TCVN 11823:2017 và chứng minh tính ứng dụng của mối nối cơ học bê tông
cốt thép.

II.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/02/2023

III.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 19/08/2023


IV.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
1. Tiến sĩ NGUYỄN CẢNH TUẤN
2. Tiến sĩ NGUYỄN PHÚ CƯỜNG
TpHCM, ngày 19 tháng 08 năm 2023

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2

(Họ tên và Chữ ký)

(Họ tên và Chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
ĐÀO TẠO
(Họ tên và Chữ ký)

TRƯỞNG KHOA
(Họ tên và Chữ ký)


i

LỜI CẢM ƠN
Luận văn Thạc sĩ Kĩ thuật Xây dựng Cơng trình Giao thơng nằm trong hệ thống
bài luận cuối khóa nhằm trang bị cho Học viên cao học khả năng tự nghiên cứu, biết
cách giải quyết những vấn đề cụ thể đặt ra trong thực tế xây dựng… Đó là trách nhiệm

và niềm tự hào của mỗi học viên cao học.
Để hoàn thành Luận văn này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, học viên
đã nhận được sự giúp đỡ nhiều từ tập thể và các cá nhân. Học viên xin ghi nhận và tỏ
lòng biết ơn đến tập thể và các cá nhân đã dành cho học viên sự giúp đỡ quý báu đó.
Đầu tiên học viên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy. TS. Nguyễn Cảnh Tuấn
và thầy, TS. Nguyễn Phú Cường, quý thầy đã đưa ra gợi ý đầu tiên để hình thành nên ý
tưởng của đề tài và Thầy góp ý cho học viên rất nhiều về cách nhận định đúng đắn trong
những vấn đề nghiên cứu, cũng như cách tiếp cận nghiên cứu hiệu quả. Đồng thời em
cũng xin cảm ơn thầy
Học viên xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ Thuật Xây dựng, trường
Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã truyền dạy những kiến thức quý giá cho học viên, đó
cũng là những kiến thức khơng thể thiếu trên con đường nghiên cứu khoa học và sự
nghiệp của học viên sau này.
Luận văn Thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự nỗ lực của bản
thân, tuy nhiên khơng thể khơng có những thiếu sót. Kính mong q Thầy Cơ chỉ dẫn
thêm để học viên bổ sung những kiến thức và hoàn thiện bản thân mình hơn.
Xin chân thành cảm ơn.
Trân trọng!
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 06 năm 2023

Nguyễn Thái Khiêm


ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Giải pháp kết cấu ống thép hiện đang được sử dụng khá phổ biến trong trong các cơng
trình cầu cho các hạng mục như móng cọc ống thép, thân trụ cầu với nhiều ưu điểm như
có sức kháng uốn và sức kháng cắt lớn, thi công nhanh. Tại Nhật Bản, kết cấu ống thép
đang được áp dụng rất nhiều trong các cơng trình cầu cạn đường miền núi. Giải pháp

này đã cho thấy tính hiệu quả vượt trội so với các dạng kết cấu khác trong điều kiện
tương tự về khả năng chịu lực, thời gian thi công và phương pháp thi công trong các
điều kiện tương đương. Thiết kế cầu cạn khung thép (Metal Road) để ứng dụng cho điều
kiện địa lý tại Việt Nam. Phân tích kiểm tốn kết cấu cầu cạn này nhằm kiểm tra khả
năng chịu lực của các cấu kiện của cầu cạn khung thép dựa trên tiêu chuẩn Việt Nam
hiện hành. Tuy nhiên, các mối hàn tại chỗ có thể phải đối mặt với các vấn đề kỹ thuật
quan trọng cần được xem xét đối với các trụ ống thép trong giai đoạn xây dựng. Các giải
pháp cho mối nối ống hiện nay đòi hỏi phải sử dụng vật liệu có độ bền cao với cơng
nghệ gia cơng để đảm bảo độ chính xác, chất lượng và làm tăng chi phí thi cơng với số
lượng mối nối nhiều.Vì vậy, các giải pháp này khi áp dụng tại Việt Nam cũng sẽ gặp
hạn chế do trình độ của nhà thầu và công nghệ lắp dựng tại công trường. Nghiên cứu
này đề xuất một loại mối nối cho trụ ống thép của cầu cạn ở khu vực miền núi để loại
bỏ công việc hàn ống thép tại công trường và mang lại khả năng chịu lực cao, thi công
đơn giản và tiết kiệm chi phí. Phân tích phần tử hữu hạn được thực hiện để kiểm tra và
xác minh khả năng chịu uốn của ống thép với mối nối đề xuất. Vật liệu phi tuyến và
hình học phi tuyến được coi là mô phỏng các hành vi của tác động tổng hợp, chảy và
oằn trong kết cấu. Cuối cùng, các nghiên cứu so sánh về khả năng uốn của ống thép có
và khơng có mối nối được thực hiện. Sự phân bố ứng suất và biến dạng của các thành
phần kết cấu trong vùng khớp cũng được quan sát và thảo luận.

Từ khóa: Metal Road, kết cấu ống thép, cầu cạn khung thép, tiêu chuẩn Việt Nam, khả
năng chịu uốn; khớp nối ống thép; ống thép nhồi bê tơng; oằn mình; phân tích phần tử
hữu hạn.


iii

ABSTRACT
Steel pipe structural solutions are currently being used quite commonly in bridge
construction for structures such as steel pipe pile foundations, bridge piers with many

advantages such as high bending and shear resistance, construction. fast. In Japan, steel
pipe structures are being applied a lot in mountain road viaducts. This solution has
shown superior efficiency compared to other types of structures under similar conditions
in terms of bearing capacity, construction time and construction method under similar
conditions. Design of steel-frame viaduct (Metal Road) to apply to geographical
conditions in Vietnam. This structural audit analysis of viaduct is intended to test the
bearing capacity of the components of the steel-frame viaduct based on current
Vietnamese standards. However, site welded joints may face critical technical matters
which need to be considered for steel pipe piers during construction stage. Current
solutions for pipe joints require the use of high-strength materials with machining
technology to ensure accuracy, quality, and increase construction costs with substantial
number of joints. Therefore, these solutions, when applied in Vietnam, will also face
limitations due to the contractor’s qualification and erection technology at construction
site. This study proposes a type of joint for steel pipe piers of viaducts in a mountainous
region to eliminate the welding work of the steel pipe at the construction site and to
provide high bearing capacity, simple construction, and cost effectiveness. Finite
element analyses are conducted to investigate and verify the bending capacity of steel
pipes with the proposed joint. Nonlinear material and nonlinear geometry are considered
to simulate behaviors of composite action, yielding, and buckling in the structures.
Finally, comparative studies of bending capacity of the steel pipe with and without joint
are performed. Stress distributions and deformations of the structural components in the
joint region are also observed and discussed.
Keywords: Metal Road, steel pipe structure, steel frame viaduct, Vietnamese standard,
bending capacity; steel pipe joint; concrete-filled steel tube; buckling; finite element
analysis.


iv

LỜI CAM ĐOAN


Tôi tên là NGUYỄN THÁI KHIÊM – là học viên lớp Cao học chuyên ngành Kĩ
thuật Xây dựng Cơng trình Giao Thơng, Khoa Kĩ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách
Khoa TP. Hồ Chí Minh, là tác giả của Luận văn thạc sĩ luật học với đề tài “NGHIÊN
CỨU ỨNG DỤNG KẾT CẤU CẦU CẠN KHUNG THÉP CHO ĐƯỜNG MIỀN NÚI
Ở VIỆT NAM” (Sau đây gọi tắt là “Luận văn”).
Tôi xin cam đoan tất cả các nội dung được trình bày trong Luận văn này là kết quả
nghiên cứu độc lập của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của người hướng dẫn khoa học.
Trong Luận văn có sử dụng, trích dẫn một số ý kiến, quan điểm khoa học của một số tác
giả. Các thông tin này đều được trích dẫn nguồn cụ thể, chính xác và có thể kiểm chứng.
Các số liệu, thơng tin được sử dụng trong Luận văn là hoàn toàn khách quan và trung
thực.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 06 năm 2023
Học viên thực hiện

NGUYỄN THÁI KHIÊM


v

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN …………………………………………………………………………..i
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ................................................................................. ii
ABSTRACT …………………………………………………………………………iii
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... iv
MỤC LỤC

………………………………………………………………………….v


DANH MỤC HÌNH ẢNH .......................................................................................... viii
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................... xi
CHƯƠNG 1. NỘI DUNG ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU.....................................................1
1.1.

Tính cấp thiết đề tài............................................................................................1

1.2.

Mục tiêu luận văn...............................................................................................4

1.3.

Phạm vi luận văn ................................................................................................4

1.4.

Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................4

1.5.

Dự kiến kết quả ..................................................................................................5

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN .........................................................................................6
2.1.

Thực trạng sạt lở đường miền núi hiện tại ở Việt Nam .....................................6

2.2.


Giới thiệu giải pháp Metal Road ........................................................................8

2.2.1.

Tình hình sử dụng kết cấu Metal Road trên thế giới...................................8

2.2.2.

Tình hình sử dụng kết cấu Metal Road ở Việt Nam ...................................8

2.2.3.

Sơ đồ cấu tạo của Metal Road .....................................................................8

2.2.4.

Các yếu tố ảnh hưởng tới Metal Road ......................................................10

2.2.5.

Biện pháp thi công Metal Road .................................................................11

2.3.

2.2.5.1.

Khảo sát ..............................................................................................11

2.2.5.2.


Biện pháp thi công ..............................................................................11

Phạm vi nghiên cứu của đề tài .........................................................................12

2.3.1.

Thiết kế Metal Road cho đèo Bảo Lộc .....................................................12

2.3.2.

Nghiên cứu mối nối cơ học cho cọc ống thép ...........................................15

CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH TÍNH TỐN THIẾT KẾ METAL ROAD ....................18
3.1.

Tính tốn nội lực ..............................................................................................18

3.1.1.

Nhóm tải trọng thường xuyên ...................................................................18

3.1.2.

Nhóm hoạt tải và tác động của hoạt tải .....................................................18

3.1.2.1.

Hoạt tải xe HL-93 và hoạt tải người đi bộ PL ....................................18



vi

a.

3.1.2.2.

Lực hãm xe (BR) ................................................................................19

3.1.2.3.

Tải trọng gió .......................................................................................19

Gió tác dụng lên kết cấu (WS)..........................................................................19

b. Tải trọng gió tác dụng lên xe cộ (WL) (TCVN 3.8.1.3) ..................................20
3.2.

Tổ hợp tải trọng................................................................................................20

3.3.

Sơ lược về phần mềm mô phỏng MIDAS CIVIL ............................................21

3.4.

Các bước cơ bản mơ hình cầu hệ khung bằng Midas ......................................22

3.5.

Khai báo thông số đầu vào cơ bản ...................................................................22


3.5.1.

Mô phỏng cầu khung thép .........................................................................23

3.5.2.

Khai báo các loại tải trọng tác dụng ..........................................................24

3.5.3.

Xuất và so sánh kết quả .............................................................................25

CHƯƠNG 4. LÝ THUYẾT TÍNH TỐN VÀ MƠ HÌNH TÍNH TỐN MỐI NỐI
CƠ HỌC CHO CỌC ỐNG THÉP .............................................................................26
4.1.

Lý thuyết tính tốn mối nối cơ học bê tông cốt thép .......................................26

4.2.

Giới thiệu cơ bản về phần mềm ABAQUS......................................................28

4.3.

Mơ hình mối nối cơ học bê tơng cốt thép bằng ABAQUS ..............................28

CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ TÍNH TỐN METAL ROAD .........................................38
5.1.


Thiết kế bản mặt cầu ........................................................................................38

5.1.1.

Mặt cắt ngang điển hình ............................................................................38

5.1.2.

Thiết kế cốt thép trong bản mặt cầu ..........................................................39

5.2.

Thiết kế hệ dầm chính ......................................................................................40

5.2.1.

Thiết kế mặt cắt ngang ..............................................................................41

5.2.2.

Kiểm tốn mơ men dương lớn nhất ở dầm chính......................................44

5.2.3.

Kiểm tốn mơ men âm lớn nhất ở dầm chính ...........................................45

5.2.4.

Kiểm tốn mơ men dương lớn nhất ở dầm biên........................................46


5.2.5.

Kiểm tốn mơ men âm lớn nhất ở dầm biên .............................................47

5.2.6.

Kiểm tốn khả năng chịu cắt của dầm chính ............................................48

5.3.

Thiết kế hệ khung dầm ngang ..........................................................................51

5.3.1.

Kiểm tốn mơ men dương lớn nhất ở dầm ngang .....................................51

5.3.2.

Kiểm tốn mơ men âm lớn nhất ở dầm ngang ..........................................53

5.3.3.

Kiểm toán khả năng chịu cắt của dầm biên ..............................................56

5.4.

Thiết kế bản mã ................................................................................................60

5.4.1.


Kết nối dầm chính với dầm ngang ............................................................60


vii
5.4.2.
5.5.

Kết nối dầm ngang với dầm biên ..............................................................61

Thiết kế hệ cọc ống thép ..................................................................................62

5.5.1.

Kiểm tra khả năng chịu tải của kết cấu cọc ống thép ................................62

5.5.2.

Kiểm tra khả năng chịu tải của đất nền .....................................................68

5.6.

Thiết kế thi công ..............................................................................................70

5.6.1.

Giai đoạn thi công hệ kết cấu khung thép .................................................70

5.6.2.

Giai đoạn thi công hệ bản mặt cầu bê tông cốt thép .................................71


5.7.

Kết luận ............................................................................................................72

CHƯƠNG 6. KẾT QUẢ TÍNH TỐN MỐI NỐI CỌC ỐNG THÉP ...................74
CHƯƠNG 7. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................81
7.1.

Những kết luận từ hướng nghiên cứu ..............................................................81

7.2.

Những kiến nghị từ hướng nghiên cứu ............................................................81

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC.....................................................82
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................83
PHỤ LỤC : MƠ HÌNH MỐI NỐI CỌC ỐNG THÉP ............................................85
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ......................................................................................122


viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1. Cơng trình cầu cạn đường miền núi sử dụng kết cấu trụ ống thép. ................1
Hình 1. 2. Mối nối cơ học được phát triển bởi JFE Steel (Nhật Bản) .............................2
Hình 1. 3. Mối nối cơ học được phát triển bởi Nippon Steel (Nhật Bản) .......................2
Hình 2. 1. Sạt lở tại đường Hồ Chí Minh .......................................................................6
Hình 2. 2. Sạt lở tại Quảng Nam ....................................................................................7
Hình 2. 3. Sạt lở đèo Hải Vân năm 2022 ........................................................................7

Hình 2. 4. Sơ đồ kết cấu Metal Road..............................................................................9
Hình 2. 5. Sơ đồ phân tích kết cấu Metal Road ............................................................10
Hình 2. 6. Bình đồ thiết kế của Metal Road .................................................................13
Hình 2. 7. Vị trí Metal Road trên vệ tinh......................................................................13
Hình 2. 8. Mặt bằng Metal Road ..................................................................................14
Hình 2. 9. Trắc dọc điển hình khối AC ........................................................................14
Hình 2. 10. Trắc dọc điển hình khối BC.......................................................................15
Hình 2. 11. Trắc ngang điển hình Metal Road .............................................................15
Hình 2. 12. Cấu tạo chi tiết mối nối bằng ống thép nhồi bê tơng. ................................16
Hình 3. 1. Đặc trưng của xe tải thiết kế TCVN11823:2017 .........................................19
Hình 3. 2. Thơng số tiết diện đầu vào của mơ hình ......................................................23
Hình 4. 1. Mơ hình PSDM............................................................................................26
Hình 4. 2. Mơ hình đặt tải dầm giản đơn tạo ra vùng mô men uốn thuần túy .............29
Hình 4. 3. Các bộ phận kết cấu của mối nối cơ học trong mơ hình PTHH. .................30
Hình 4. 4. Mô phỏng tương tác bằng phần tử GAP giữa các bộ phận kết cấu. ............32
Hình 4. 5. Biều đồ ứng suất biến dạng của vật liệu ống thép .......................................33
Hình 4. 6. Biều đồ ứng suất biến dạng của cốt thép gia cường. ...................................33
Hình 4. 7. Mơ hình vật liệu của bê tông .......................................................................34


ix
Hình 4. 8. Mặt đứng sơ đồ đặt tải và điều kiện biên cho mơ hình phân tích. ..............36
Hình 4. 9. Điều kiện biên chống chuyển vị ngang và xoay tại gối...............................36
Hình 5. 1. Mặt cắt ngang điển hình bản mặt cầu ..........................................................38
Hình 5. 2. Cốt thép gia cố cho bản mặt cầu tại vị trí trụ AC1 ......................................39
Hình 5. 3. Cốt thép gia cố cho bản mặt cầu tại vị trí trụ AC2 ......................................39
Hình 5. 4. Cốt thép gia cố cho bản mặt cầu tại vị trí trụ AC3-AC7 .............................40
Hình 5. 5. Mặt cắt ngang điển hình dầm chính, dầm phụ khối A1-AC1 .....................41
Hình 5. 6. Mặt cắt ngang điển hình dầm chính, dầm phụ khối AC2 ............................41
Hình 5. 7. Mặt cắt ngang điển hình dầm chính, dầm phụ khối AC3 ............................42

Hình 5. 8. Mặt cắt ngang điển hình dầm chính, dầm phụ khối AC4 ............................42
Hình 5. 9. Mặt cắt ngang điển hình dầm chính, dầm phụ khối AC5 ............................43
Hình 5. 10. Mặt cắt ngang điển hình dầm chính, dầm phụ khối AC6 ..........................43
Hình 5. 11. Mặt cắt ngang điển hình dầm chính, dầm phụ khối AC7 ..........................44
Hình 5. 12. Biểu đồ mơ men dương dầm chính ...........................................................44
Hình 5. 13. Vị trí dầm chính có mơ men dương lớn nhất ............................................45
Hình 5. 14. Biểu đồ mơ men âm ở dầm chính ..............................................................45
Hình 5. 15. Vị trí dầm chính có mơ men âm lớn nhất ..................................................46
Hình 5. 16. Biểu đồ mơ men dương ở dầm biên ..........................................................46
Hình 5. 17. Vị trí dầm biên có mơ men âm lớn nhất ....................................................47
Hình 5. 18. Biểu đồ mô men âm ở dầm biên ................................................................47
Hình 5. 19. Vị trí dầm trong có mơ men âm lớn nhất ..................................................48
Hình 5. 20. Biểu đồ lực cắt dầm chính tại các khối .....................................................49
Hình 5. 21. Vị trí lực cắt lớn nhất ở dầm chính ............................................................50
Hình 5. 22. Biểu đồ mô men dương ở các đoạn dầm ngang ........................................52
Hình 5. 23. Vị trí đoạn dầm ngang có mơ men dương lớn nhất ...................................53


x
Hình 5. 24. Biểu đồ mơ men âm ở các đoạn dầm ngang ..............................................55
Hình 5. 25. Vị trí đoạn dầm ngang có mơ men âm lớn nhất ........................................55
Hình 5. 26. Biểu đồ lực cắt trong các dầm biên ở hai trạng thái giới hạn ....................59
Hình 5. 27. Vị trí xảy ra lực cắt lớn nhất tại các dầm ngang ........................................60
Hình 5. 28. Vị trí thiết kế bản mã bu lơng điển hình – Dầm chính với dầm ngang .....61
Hình 5. 29. Chi tiết điển hình các bản mã bu lơng .......................................................61
Hình 5. 30. Vị trí thiết kế bản mã bu lơng điển hình - Dầm ngang với dầm biên ........62
Hình 5. 31. Chi tiết điển hình các bản mã bu lơng .......................................................62
Hình 5. 32. Mặt cắt ngang điển hình của lớp địa chất ..................................................69
Hình 5. 33. Mơ hình thi cơng Metal Road ....................................................................70
Hình 5. 34. Biểu đồ mơ men trong giai đoạn thi cơng hệ khung dầm .........................70

Hình 5. 35. Vị trí có mơ men lớn nhất trong giai đoạn thi cơng hệ khung dầm...........71
Hình 5. 36. Biểu đồ mơ men trong dầm ở giai đoạn thi công bản mặt cầu ..................71
Hình 5. 37. Vị trí có mơ men lớn nhất trong giai đoạn thi cơng bản mặt cầu ..............72
Hình 6. 1. So sánh sức kháng uốn của mơ hình ống thép với D = 200 mm .................75
Hình 6. 2. So sánh sức kháng uốn của mơ hình ống thép với D = 350 mm .................76
Hình 6. 3. So sánh sức kháng uốn của mơ hình ống thép với D = 500 mm. ................76
Hình 6. 4. Phân bố ứng suất trong phạm vi mối nối và tại vị trí đặt tải. .....................77
Hình 6. 5. Biến dạng mất ổn định và phân bố ứng suất trong ống thép nối (D500). ...78
Hình 6. 6. Phân bố ứng suất trong lõi bê tông của mối nối liên hợp. ...........................78
Hình 6. 7. Phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang của lõi bê tông. .................................79


xi

DANH MỤC BẢNG
Bảng 3. 1. Các tổ hợp tải trọng và hệ số tải trọng .........................................................20
Bảng 3. 2. Hệ số tải trọng cho tĩnh tải thường xuyên, γp ..............................................20
Bảng 4. 1. Thơng số hình học của các mơ hình phần tử hữu hạn. ................................35
Bảng 5. 1. Kiểm toán khả năng kháng uốn nén kết hợp của kết cấu cọc ống thép không
liên hợp ở TTGH CĐ I ..................................................................................................63
Bảng 5. 2. Kiểm toán khả năng kháng uốn nén kết hợp của kết cấu cọc ống thép không
liên hợp ở TTGH NG I ..................................................................................................64
Bảng 5. 3. Kiểm toán khả năng kháng cắt của kết cấu cọc ống thép không liên hợp ở
TTGH CĐ I ....................................................................................................................64
Bảng 5. 4. Kiểm toán khả năng kháng cắt của kết cấu ống thép không liên hợp ở TTGH
NH I ...............................................................................................................................65
Bảng 5. 5. Kiểm toán khả năng kháng uốn nén kết hợp của kết cấu cọc ống thép liên hợp
ở TTGH CĐ I.................................................................................................................66
Bảng 5. 6. Kiểm toán khả năng kháng uốn nén kết hợp của kết cấu cọc ống thép liên hợp
ở TTGH NG ...................................................................................................................66

Bảng 5. 7. Kiểm toán khả năng kháng cắt của kết cấu cọc ống thép liên hợp ở TTGH
CĐ I ...............................................................................................................................67
Bảng 5. 8. Kiểm toán khả năng kháng cắt của kết cấu cọc ống thép liên hợp ở TTGH
NH .................................................................................................................................68
Bảng 5. 9. Kiểm tra sức kháng của cọc tương tác với đất nền ......................................69
Bảng 6. 1. Kết quả so sánh sức kháng uốn của ống thép chính ....................................74


1

CHƯƠNG 1.
1.1.

NỘI DUNG ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Tính cấp thiết đề tài

Giải pháp kết cấu ống thép hiện đang được sử dụng khá phổ biến trong trong các cơng
trình cầu cho các hạng mục như móng cọc ống thép, thân trụ cầu với nhiều ưu điểm như
có sức kháng uốn và sức kháng cắt lớn, thi công nhanh. Tại Nhật Bản, kết cấu ống thép
đang được áp dụng rất nhiều trong các cơng trình cầu cạn đường miền núi. Giải pháp
này đã cho thấy tính hiệu quả vượt trội so với các dạng kết cấu khác trong điều kiện
tương tự. Hình 1 thể hiện một dạng cơng trình cầu cạn đường miền núi có sử dụng kết
cấu trụ đỡ bằng kết cấu ống thép.

Hình 1. 1. Cơng trình cầu cạn đường miền núi sử dụng kết cấu trụ ống thép.
Tuy nhiên, một vấn đề rất cốt lõi cần phải giải quyết cho kết cấu trụ đỡ bằng ống thép
đó là mối nối ống thép trong q trình thi cơng. Việc gia cơng mối nối ống thép tại cơng
trường sẽ khó đảm bảo chất lượng và ảnh hưởng đến tuổi thọ khai thác của cơng trình.
Một số giải pháp cho mối nối ống thép dựa trên cơ chế mối nối cơ học đã được phát

triển và ứng dụng thực tế tại Nhật Bản. Hình 2 và Hình 3 mơ tả các giải pháp mối nối
cơ học được phát triển bởi Tập đoàn thép JFE Steel và Tập đoàn thép Nippon Steel (Nhật


2

Bản). Các giải pháp này đã được đăng ký sáng chế và đang được áp dụng thực tế trong
nhiều công trình tại Nhật có sử dụng kết cấu ống thép.

(a) Mối nối ren “High- (a) Mối nối ren “New High- (b)
Mecha-Neji”

Mecha-Neji”

Mối

nối

cơ

học

“KASHEEN”

Hình 1. 2. Mối nối cơ học được phát triển bởi JFE Steel (Nhật Bản)

(a) Mối nối bánh răng
“Gachi-cam”

(b) Mối nối khóa

cơ học “Laqnican”

(c) Mối nối bánh
răng “Hi-SHJ”

Hình 1. 3. Mối nối cơ học được phát triển bởi Nippon Steel (Nhật Bản)
Cơ chế chịu lực của mối nối cơ học bằng ren “High-Mecha-Neji” (Hình 1-2a, 1-2b) dựa
trên các đường ren song song chịu lực được các tác giả Ichikawa và cộng sự gia cơng từ
thép cường độ cao (JFE-HITEN780) có giới hạn chảy lên đến 685MPa và giới hạn bền
đến 780MPa. Sau khi được cán và xử lý nhiệt, đường ren của mối nối được gia công tự
động. Do vật liệu thép có cường độ cao nên bề dày của thành mối nối sẽ bị giới hạn. Do
đó, loại mối nối này chỉ phù hợp cho phương pháp thi công khoan thả cọc, xoay thả cọc,


3

và ép cọc với cọc có đường kính từ 318.5mm đến 1200mm. Kết quả nghiên cứu cũng
cho thấy khả năng chịu lực (uốn, nén dọc trục, kéo dọc trục, và cắt) của mối nối lớn hơn
so với thân cọc thép. Để tăng hiệu quả và phạm vi ứng dụng của mối nối, các tác giả
cũng đã cải tiến cấu tạo đường ren bằng các đường ren xoắn kích thước lớn hơn để có
thể đáp ứng được phương pháp đóng cọc. Loại mối nối cải tiến này có thể áp dụng cho
các cọc ống thép có đường kính lên đến 2000mm. Mối nối cơ học “KASHEEN” (Hình
1-2c) được tác giả Akutagawa và cộng sự giới thiệu trong báo cáo kỹ thuật của công ty
JFE. Cấu tạo mối nối gồm hai phần âm dương được hàn vào thành ống thép tại nhà máy.
Mối nối được cố định bằng chốt là các bu lông cường độ cao. Bộ phận mối nối cũng
được gia công từ thép cường độ cao (JFE-HITEN780). Loại mối nối này được sử dụng
cho các cọc ống thép có thành dày và đường kính lên đến 1600mm với hầu hết các
phương pháp thi công cọc. Kitahama và cộng sự cũng đã phát triển một cơ chế mối nối
cơ học liên kết bằng răng và sử dụng chốt để cố định (Hình 1-3). Mối nối được làm từ
thép có giới hạn bền lên đến 880MPa. Bộ phận mối nối sẽ được hàn liên kết với thành

ống thép tại nhà máy. Phạm vi áp dụng cho cọc ống thép có đường kính từ 400mm đến
1600mm với bề dày từ 6mm đến 30mm.
Một số giải pháp mối nối cơ học cho kết cấu ống thép cũng đã được phát triển bởi nhiều
tác giả khác. Uotinen và Tantala đã đề xuất giải pháp nối cọc ống thép bằng mối nối ren
gia công trực tiếp trên thành ống sử dụng cho cọc ống thép thi cơng bằng phương pháp
đóng cọc. Kết quả nghiên cứu cho thấy sức kháng uốn chỉ đạt tối đa 75% so với sức
kháng uốn của thân cọc. Sức kháng nén dọc trục của mối nối cũng bị giảm thiểu do loại
mối nối này làm giảm sức kháng mất ổn định của thân cọc thép. Phương pháp này cũng
đòi hỏi phải gia công trước đường ren tại nhà máy và thành ống phải đủ dày để có thể
gia cơng loại đường ren chịu lực lớn. Mối nối cơ học cũng được phát triển và ứng dụng
trong rất nhiều dự án thực tế cho kết cấu cọc bê tông li tâm dự ứng lực (PHC). Các mối
nối cơ học dùng cho cọc PHC cũng không phù hợp để áp dụng cho kết cấu ống thép do
không thể đáp ứng được khả năng chịu uốn lớn tương ứng với kết cấu ống thép.


4

1.2.

Mục tiêu luận văn

Mục tiêu: Nghiên cứu thiết kế Metal Road – Cầu bằng hệ khung giàn thép cho đèo Bảo
Lộc theo tiêu chuẩn thiết kế cầu đường Việt Nam hiện hành TCVN 11823:2017 và
chứng minh tính ứng dụng của mối nối cơ học bê tông cốt thép.
Nhiệm vụ:
-

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết trong tính tốn kết cấu Metal Road

-


Mơ hình hóa sự làm việc của cầu hệ khung dưới tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành.

-

Khảo sát sự ảnh hưởng của mối nối cơ học bê tông cốt thép của trụ cầu khung

thép Metal Road.
-

So sánh, đánh giá kết quả tính tốn đơn giản và kết quả từ mơ hình mơ phỏng.

-

Kết luận và nêu kiến nghị về việc sử dụng kết cấu Metal Road cho xây dựng cơng

trình giao thơng Việt Nam.
-

Sử dụng ABAQUS để phân tích mối nối cơ học bê tông cốt thép cho hệ trụ cầu

Metal Road.
1.3.

Phạm vi luận văn

Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu cầu hệ khung thép (Metal Road) và mối nối cơ học bê
tông cốt thép cho cọc ống thép.
Phạm vi nghiên cứu: Đề tài chỉ giới hạn tập trung nghiên cứu lý thuyết tính tốn về kết
cấu (theo tiêu chuẩn TCVN 11823:2017), so sánh mơ phỏng mơ hình hóa khơng gian

(phần mềm Midas Civil) để nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến Metal Road. Sử dụng
phần mềm Abaqus để phân tích mối nối cơ học bê tơng cốt thép của hệ trụ cầu.
1.4.

Phương pháp nghiên cứu

-

Tính tốn hệ kết cấu Metal Road theo TCVN 11823:2017

-

Mơ hình hệ kết cấu Metal Road bằng phần mềm Midas Civil.


5

-

Phân tích, đánh giá kết quả, so sánh với các kết quả của những tác giả khác và

đưa ra các kiến nghị.
-

Tính tốn tính khả thi của mối nối cơ học bê tông cố thép cho hệ trụ của Metal

Road
1.5.

Dự kiến kết quả


Sau khi hồn thành q trình nghiên cứu với đề tài đã được đặt ra, thì học viên dự kiến
sẽ nêu ra được những kết quả như sau:


Tính tốn kích thước dầm chính, dầm phụ, bản mặt cầu, kích thước trụ cầu cho

kết cấu cầu hệ khung ở đèo Bảo Lộc.


Đề xuất sử dụng loại mối nối cơ học bê tông cốt thép cho hệ trụ của cầu hệ khung

– Metal Road.


6

CHƯƠNG 2.
2.1.

TỔNG QUAN

Thực trạng sạt lở đường miền núi hiện tại ở Việt Nam

Việt Nam nằm ở khu vực nhiệt đới gió mùa, với lượng mưa đáng kể, điều này là một
trong những yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng cơng trình nói chung và cơng trình giao
thơng nói riêng. Đặc biệt ở các khu vực miền núi có các đèo, dốc lớn, tình trạng sạt lở
đường bộ xảy ra với tần suất khá đáng kể, đặc biệt các khu vực miền núi Trung bộ và
Tây Nguyên.
Tại tuyến đường Hồ Chí Minh đoạn La Sơn – Hịa Liên, tại Km50+200, đất đá sạt lở

taluy dương ra đến 2/3 mặt đường; tại Km54+250, sạt lở taluy dương gây tắc đường
hoàn toàn, đến nay cơng tác khắc phục thơng xe 2 làn.

Hình 2. 1. Sạt lở tại đường Hồ Chí Minh
Tại Quảng Nam, mưa lớn trong ngày và đêm 14/10 khiến nhiều điểm trên tuyến QL14
B ngập, sạt lở, hư hỏng mặt đường.


7

Hình 2. 2. Sạt lở tại Quảng Nam
Ngồi việc sạt lở các đoạn đường thì các đoạn đèo xuất hiện tình trạng sạt lở vơ cùng
nghiêm trọng như đèo Hải Vân vào năm 2022.

Hình 2. 3. Sạt lở đèo Hải Vân năm 2022
Các hiện tượng sạt lở này gây cản trở giao thông nghiêm trọng, không chỉ ở mức độ
kinh tế mà cịn gây khó khăn trong cơng tác cứu hộ cứu nạn và khắc phục hậu quả thiên


8

tai. Vì vậy cần phải có các giải pháp lâu dài cho các đoạn đường thường xuyên xảy ra
hiện tượng này, và ngoài biện pháp gia cố sửa chữa tạm thời thì các phương án đầu tư
lâu dài từ ban đầu cần được cân nhắc như các loại kết cấu đặc biệt.
2.2.

Giới thiệu giải pháp Metal Road

2.2.1. Tình hình sử dụng kết cấu Metal Road trên thế giới
Metal Road lần đầu tiên được áp dụng làm kết cấu đường trên ao kiểm sốt lũ vào năm

1991. Kể từ đó, phương pháp này đã được áp dụng rộng rãi như một phương pháp xây
dựng đường trên sườn dốc ở những khu vực khó cắt và đắp. Đến nay đã thực hiện được
545 cơng trình, tổng chiều dài tuyến đường hơn 28 km.
Nhận chứng chỉ kỹ thuật vào tháng 3 năm 2000 và đã thiết kế và áp dụng nó như một
phụ lục cho báo cáo chứng chỉ kiểm tra. Đã 19 năm kể từ khi sổ tay xây dựng (bản thảo)
được xuất bản, và nó liên quan đến thiết kế và xây dựng biện pháp thi công. Kiến thức
kỹ thuật đã được tích lũy.
Ngồi ra, giải pháp Metal Road đã được giới thiệu vào năm 2005 với mục đích phổ biến
phương pháp xây dựng và cải tiến công nghệ. Metal Road đã có điểm đặc biệt là tiêu
chuẩn hóa sản xuất và xây dựng nhắm tới mục đích phục hồi giao thông sau thảm họa
do thời tiết bất thường gần đây (mưa xối xả cục bộ, v.v.) và sạt lở do yếu tố thời gian.
Có nhiều mục đích khác nhau để phát triển cơng nghệ này và xã hội hóa như sửa chữa /
đổi mới và các biện pháp đối phó với động đất, nhưng những thách thức mà mọi người
phải đối mặt, Metal Road sẽ hữu ích trong việc giải quyết vấn đề này.
2.2.2. Tình hình sử dụng kết cấu Metal Road ở Việt Nam
Hiện nay Metal Road vẫn chưa được ứng dụng nhiều vào các cơng trình giao thơng ở
Việt Nam do hạn chế về mặt kĩ thuật và chưa có cơ hội để ứng dụng thực tế.
2.2.3. Sơ đồ cấu tạo của Metal Road
Định nghĩa các thuật ngữ như sau:
Mối nối khung: Phần liên kết cứng giữa các dầm chính, dầm ngang và cọc.


9

Dầm chính: Là dầm theo phương của đường.
Dầm ngang: Là dầm có phương vng góc với mặt đường.
Dầm biên: Dầm ở phương đường nối dầm ngang để có phần nhơ ra.
Dầm trong: Dầm đỡ tấm sàn được lắp đặt giữa các dầm chính.
Khối đầu cọc: Là cấu kiện đầu cọc điều chỉnh sai số thi công của cọc ống thép.
Cọc ống thép: Cấu kiện đặt trên mặt đất chịu tải trọng kết cấu phần trên.

Nhịp: Khoảng cách giữa các cọc theo phương của đường.
Mơ đun: Một khối có kết cấu thượng tầng liên tục qua nhiều nhịp.

Hình 2. 4. Sơ đồ kết cấu Metal Road


10

Hình 2. 5. Sơ đồ phân tích kết cấu Metal Road
2.2.4. Các yếu tố ảnh hưởng tới Metal Road
Với Metal Road, khoảng cách cọc theo hướng băng qua đường, bước cọc theo hướng
dọc, chiều dài nhô ra của dầm ngang, v.v. có thể được bố trí theo điều kiện địa hình và
điều kiện thi cơng của cơng trường, thực hiện một mặt phẳng đường có ít khơng gian thi
cơng. Ngồi ra, mỗi bộ phận kết cấu đều được đúc sẵn, và tại hiện trường, mỗi bộ phận
được sản xuất tại nhà máy được lắp ráp bằng cách nối bu lông hoặc nối hàn theo bản vẽ
thiết kế, và toàn bộ kết cấu được thi cơng.
Phương pháp này có các tính năng sau:
-

Vì nó có cấu trúc khung cứng ba chiều nhiều cột nên nó có khả năng chống động

đất tốt và có thể được sử dụng làm đường chính.
-

Dễ dàng vận chuyển và lắp dựng các cấu kiện ngay cả khi thi cơng đường hẹp ở

vùng núi và có khả năng thi công dễ dàng.
-

Bằng cách sử dụng phương pháp thi công nối tiếp (phương pháp cuốn chiếu),


công việc mở rộng có thể được thực hiện mà vẫn đảm bảo giao thông hiện tại.
-

Tác động đến môi trường tự nhiên như địa hình và thảm thực vật là tối thiểu, và

rất có ích trong việc bảo tồn mơi trường.
-

Loại tiêu chuẩn (loại Metal Road mở rộng trên đường hiện hữu), loại độc lập

hoặc tùy thuộc vào địa hình và điều kiện thi cơng. Bạn có thể chọn từ các kết hợp.


11

2.2.5. Biện pháp thi công Metal Road
2.2.5.1.

Khảo sát

Trong phương pháp thi cơng này, sau khi đóng cọc trên mái dốc của công trường, các
dầm được dựng lên để xây dựng kết cấu khung cứng ba chiều, và các bản mặt cầu được
lắp đặt để phù hợp với tuyến đường, vì vậy việc khảo sát địa hình hiện tại và các tuyến
đường vận chuyển cần được nghiên cứu. Và sử dụng nó thiết kế sơ bộ và triển khai kế
hoạch xây dựng.
-

Tuyến đường vận chuyển máy móc thiết bị nặng.


-

Bãi tập kết cẩu và kho chứa vật tư, thiết bị.

-

Có hoặc khơng có nhà riêng/đường dây trên khơng gần đó và các cơng trình gây

khuất hoặc khó khăn cho việc xây dựng.
-

Có hoặc khơng có đường dây trên khơng và cây cối cản trở cần cẩu trong q

trình thi cơng.
-

Có hoặc khơng có vật thể chơn gần phần cẩu lắp, phần thi cơng cọc, tường chắn

và các kết cấu khác.
-

Có hay khơng có nước suối.

-

Có hoặc khơng có chướng ngại vật như cây cối khó thi cơng tại vị trí ép cọc. mục

khảo sát
-


Thực hiện khảo sát động thổ trên địa hình hiện trạng tại từng vị trí cọc, đối chiếu

với hồ sơ thiết kế và có biện pháp thay đổi chiều dài cọc, chiều dài sơn cọc nếu có sự
khác biệt.
-

Các điểm tham chiếu (điểm đi qua, điểm chuẩn), v.v. phải được căn chỉnh với

các phần phía trước và phía sau và chiều cao của tường chắn được xây dựng.
2.2.5.2.

Biện pháp thi công

Các công trường áp dụng phương pháp này thường có điều kiện thi cơng chật hẹp ở
miền núi, bao gồm vận chuyển vật tư thiết bị, đóng cọc, lắp dựng dầm bản, hàn tại chỗ,
sơn tại chỗ, đổ bê tông, đào đắp và xây dựng tạm. Lên phương án thi công cẩn thận cho
các loại công việc cần thiết như.