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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI HOÀNG VĂN PHÚC THIẾT KẾ TỐI ƯU DẦM THÉP I TỔ HỢP TRONG CẦU LIÊN HỢP THEO TIÊU CHUẨN TCVN11823:2017 LUẬN VĂN THẠC SĨ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI HOÀNG VĂN PHÚC HÀ NỘI, NĂM 2021 THIẾT KẾ TỐI ƯU DẦM THÉP I TỔ HỢP TRONG CẦU LIÊN HỢP THEO TIÊU CHUẨN TCVN11823:2017 Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Mã số: 858.02.05 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRƯƠNG VIỆT HÙNG TS NGUYỄN PHÚ CƯỜNG HÀ NỘI, NĂM 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn tốt nghiệp Cao học ngành kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp với đề tài “Thiết kế tối ưu dầm thép I tổ hợp cầu liên hợp theo tiêu chuẩn TCVN 11823:2017” Luận văn cá nhân thực hướng dẫn TS Trương Việt Hùng TS Nguyễn Phú Cường Các số liệu, kết nghiên cứu Luận văn trung thực có nguồn gốc rõràng Tác giả Luậnvăn Hoàng VănPhúc LỜI CẢM ƠN Trong trình thực Luận văn tác giả người hướng dẫn khoa học: TS Trương Việt Hùng TS Nguyễn Phú Cường tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn Qua đây, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới hai thầy! Tác giả xin trân trọng cảm ơn Thầy cô giáo, cán khoa Cơng trình khoa sau Đại học thuộc Trường đại học Thủy Lợi giúp đỡ dẫn trình học tập nghiên cứu Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Gia đình động viên tạo điều kiện tốt để tác giả học tập nghiêncứu Cuối tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến nhà trường đồng nghiệp nhiệt tình giúp đỡ tác giả hồn thành Luận văn Do thời gian thực Luận văn không nhiều trình độ tác giả có hạn, cố gắng Luận văn khơng tránh khỏi sai sót, tác giả mong nhận ý kiến đóng góp Thầy cô giáo, bạn đồng nghiệp để Luận văn hồn thiện MỤC LỤC DANH MỤCHÌNHẢNH v DANH MỤCBẢNGBIỂU vi DANH MỤC TỪVIẾTTẮT .vii MỞĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CẦU DẦM THÉP VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁPTỐIƯU 1.1 Đặtvấnđề 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu vàngồinước 1.2.1 Tình hình nghiên cứungồinước 1.2.2 Tình hình nghiên cứutrongnước .10 1.3 Tổng quan cầudầmthép .11 1.3.1 Giới thiệu chung cầudầmthép 11 1.3.2 Ưu khuyết điểm cầudầmthép .13 1.3.3 Các sơ đồ cầudầmthép .14 1.4 Cơ sở thiết kế theo tiêu chuẩnTCVN11823:2017 16 1.4.1 Quan điểm chung vềthiếtkế 16 1.4.2 Phương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng vàsứckháng .17 1.4.3 Hệ số tải trọng trạng tháigiớihạn 17 1.5 Tổng quan tốn tối ưu thiết kếcơngtrình 23 1.5.1 Giớithiệuchung 23 1.5.2 Phân loại dạng toán tối ưukết cấu 26 1.5.3 Các phương pháp giải tốn tối ưu hóakếtcấu 29 1.5.4 Tổng quan thuật tốnmê-tahơ-rít-tíc 35 CHƯƠNG XÂY DỰNG BÀI TOÁN TỐI ƯU DẦM THÉP I TỔ HỢP TRONGKẾT CẤU DẦM THÉP LIÊN HỢP THEOTCVN11823:2017 .38 2.1 Thiết kế dầm thép chữ I theo tiêu chuẩnTCVN11823:2017 38 2.1.1 Các loại mặt căt chữ Ichịuuốn 38 2.1.2 Cấu tạodầmthép .38 2.1.3 Mô men chảy mômendẻo 39 2.1.4 Mất ổn định dầm thép liên hợpchịuuốn 46 2.2 Kiểm toán tiết diện dầm theoTCVN11823:2017 50 2.2.1 Kiểm tra giới hạn kích thước mặtcắtngang 50 2.2.2 Trạng thái giới hạncườngđộ .51 2.2.3 Trạng thái giới hạnsửdụng .56 2.2.4 Trạng thái giới hạnvề mỏi 58 2.3 Phương pháp kinh nghiệm thiết kế dầm Itổhợp 61 2.3.1 Lựa chọn kích thước dầm Itổhợp 61 2.3.2 Sơ đồ toán thiết kế dầm Iliênhợp 61 2.4 Thành lập toán tối ưu dầm thép I tổ hợp kết cầu dầm thép liên hợp.632.4.1 Hàmmụctiêu 63 2.4.2 Các điều kiệnràngbuộc .64 2.4.3 Phương pháphàmphạt .68 2.5 Tối ưu dầm thép I tổ hợp thuật toán tiến hóaviphân 69 2.5.1 Thuật tốn tiến hóavi phân .69 2.5.2 Tối ưu dầm thép I tổ hợp thuật tốn tiến hóaviphân 71 CHƯƠNG THIẾT KẾ TỐI ƯU MỘT SỐ DẦM ITỔHỢP .73 3.1 Thiết kế dầm I liên hợp nhịp giản đơndài 33m .73 3.2 Thiết kế dầm I liên hợp nhịp giản đơndài 50m .81 KẾT LUẬN VÀKIẾN NGHỊ 85 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃCƠNGBỐ 86 TÀI LIỆUTHAM KHẢO 87 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1Cầudầm 13 Hình 1.2 Cầu dầmđơn giản 14 Hình 1.3 Cầu dầmliên tục 14 Hình 1.4 Cầu dầmmút thừa 15 Hình 1.5 Minh họa thuật tốn tối ưu dựa gradient(Vanderplaats, 2007) 30 Hình 2.1 Ứng xử dầm I chịu uốnthuầntúy 40 Hình 2.2 Quan hệ mơ men uốn độ cong củadầmI 41 Hình 2.3 Phân loại tiết diện dựa theosức kháng 42 Hình 2.4 Phân loại trường hợp trục trunghòadẻo 44 Hình 2.5 Mất ổn định tổng thể củadầmthép 47 Hình 2.6 Mất ổn định cục cánhchịu nén 48 Hình 2.7 Mất ổn định cục thẳng đứng bảnbụngdầm 49 Hình 2.8 Mất ổn định cục uốn bảnbụngdầm .49 Hình 3.1 Mặt cắt ngang kết cấu nhịpcầu33m .74 Hình 3.2 Tiết diện dầm thép kết cấu nhịpcầu33m 74 Hình 3.3 Đường cong hội tụ trình tối ưu dầmthép33m 80 Hình 3.4 Mặt cắt ngang kết cấu nhịpcầu50m .81 Hình 3.5 Tiết diện dầm thép kết cấu nhịpcầu 50m 81 Hình 3.6 Đường cong hội tụ trình tối ưu dầmthép50m 84 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tổ hợp tải trọng hệ sốtảitrọng 21 Bảng 1.2 Hệ số tải trọng cho tải trọng thườngxuyên,p 22 Bảng 1.3 Hệ số tải trọng cho tải trọng thường xuyên tích lũy biếndạng,P 23 Bảng 3.1 Tải trọng tĩnh tiêu chuẩn củadầm33m 75 Bảng 3.2 So sánh tính tốn tải trọng tiêu chuẩn chương trình tính thủ cơng củadầm 33m 75 Bảng 3.3 So sánh mô-men uốn lực cắt tiêu chuẩn tải trọng thân dầm gây chương trình tính thủ cơng củadầm33m 76 Bảng 3.4 So sánh mô-men uốn lực cắt tiêu chuẩn xe trục gây chương trình tính thủ cơng củadầm33m .76 Bảng 3.5 So sánh mô-men uốn lực cắt tiêu chuẩn tải trọng gây chương trình tính thủ cơng củadầm33m .77 Bảng 3.6 So sánh xác định Mp tiết diện liên hợp chương trình tính thủ công (Đơn vị:KN, m) 78 Bảng 3.7 So sánh xác định đặc trưng hình học tiết diện liên hợp chương trình tính thủ công (Đơnvị: mm) 79 Bảng 3.8 Kết tối ưudầm33m 80 Bảng 3.9 Tải trọng tĩnh tiêu chuẩn củadầm50m 82 Bảng 3.10 So sánh tính tốn nội lực đặc trưng hình học chương trình thủ cơng dầm 50m (Đơn vị:KN, m) 83 Bảng 3.11 Kết tối ưudầm50m 84 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT BFGS BTCT DƯL LRFD MMFD PSO SLP SQP SUMT TCVN Phương pháp Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno Bê tông cốt thép Dự ứng lực Hệ số tải trọng hệ số sức kháng Thuật toán Phương pháp sửa đổi theo hướng khả thi Particle Swarm Optimization Lập trình tuyến tính Thuật tốn Lập trình bậc hai Sequential Unconstrained Minimization Techniques Tiêu chuẩn Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đềtài Thiết kế Cầu dầm thép tổ hợp liên hợp mặt cầu bê tông cốt thép loại cầu sử dụng rộng rãi cho cầu nhịp trung tính chất vượt trội vật liệu thép khả chịu nén, chịu kéo độ cứng Cường độ chịu kéo nén thép gấp mười lần mô đun đàn hồi thép gấp sáu lần so với bê tông Việc liên hợp dầm thép với mặt cầu BTCT tạo thành tiết diện liên hợp cho phép nâng cao khả chịu tải dầm, đồng thời đảm bảo ổn định cục cánh chịu nén dầm Nhờ đặc điểm này, sử dụng phương án dầm thép liên hợp với mặt cầu BTCT cho phép giảm đáng kể kích thước tiết diện, qua giảm tải trọng thân củadầm Các phương pháp thiết kế dầm thép tổ hợp sử dụng phổ biến lựa chọn kích thước dầm theo kinh nghiệm người thiết kế gợi ý từ tài liệu tham khảo Từ kích thước chọn trước này, tải trọng thân dầm thép sau tồn nội lực tính tốn Sau đó, phương án thiết kế kiểm tốn xem “đạt” hay “khơng đạt” Khái niệm đạt ởđâyđược xét khía cạnh, đảm bảo an toàn mặt chịu lực biến dạng, chuyển vị theo quy định tiêu chuẩn; hai dư thừa sức kháng uốn sức kháng cắt không nhiều (thường chọn 15%) Nếu thiết kế khơng đạt, việc lựa chọn kích thước dầm thép phải thực lại tính tốn lại từ đầu Chính đặc điểm mà phương pháp thiết kế dầm thép truyền thống dựa kinh nghiệm thường không đem lại hiệu cao mặt kinh tế kỹ thuật tốn nhiều công sức kỹ sư thiếtkế Trong thời gian gần đây, tối ưu hóa thu hút sư quan tâm nghiên cứu nhiều nhà khoa học ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực từ quy hoạch, kinh tế, công nghệ thơng tin đến thiết kế cơng trình xây dựng Phương pháp tiếp cận đem lại hiệu vượt trội mặt tài chính, kỹ thuật, thời gian, v.v so với phương pháp thiết kế truyền thống đảm bảo đầy đủ yêu cầu thiết kế đặt Trongcácphươngpháptốiưuhóa,cácthuậttốnmetahơ-rít-tíc(metaheuristics)khá