NGHIÊN cứu ỨNG xử của nút KHUNG BIÊN TRONG kết cấu LIÊN hợp dầm THÉP cột bê TÔNG cốt THÉP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA NÚT KHUNG BIÊN TRONG
KẾT CẤU LIÊN HỢP DẦM THÉP CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

HÀ NỘI, 2022


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA NÚT KHUNG BIÊN TRONG
KẾT CẤU LIÊN HỢP DẦM THÉP CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH ĐẶC BIỆT
MÃ SỐ:

9580206

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

HÀ NỘI- 2022


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án này là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tơi Các kết quả nêu

trong luận án là trung thực và chưa được cơng bố trong các cơng trình khác Việc tham
khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng
quy định

Hà Nội, Ngày 01 tháng 08 năm 2022
Tác giả

i


LỜI CẢM ƠN

Luận án được thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS TS
Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới các Thầy,
những người đã dành cho tôi nhiều lời khuyên, sự định hướng, và cả những hỗ trợ q báu
trong suốt q trình học tập
Tơi chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo là Giảng viên ở Bộ mơn Cơng trình giao thơng
thành phố và Cơng trình thủy, cảm ơn PGS TS đã giúp đỡ tôi rất
nhiều về mặt tinh thần, và các chỉ dẫn trong q trình học tập và nghiên cứu
Tơi chân thành cảm ơn PGS TS cùng các
Giảng viên ở Bộ môn Kết cấu xây dựng đã giúp đỡ tôi rất nhiều về mặt khoa học, công
việc, và những hỗ trợ về tinh thần trong suốt q trình nghiên cứu
Tơi chân thành cảm ơn anh
và các Cán bộ ở Phịng thí nghiệm cơng trình, Trung tâm Khoa học Cơng nghệ GTVT đã
nhiệt tình giúp đỡ tơi trong việc thực hiện các thí nghiệm của luận án
Tôi trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu trường Đại học Giao thông vận tải, Lãnh đạo Bộ
môn Kết cấu xây dựng, Lãnh đạo Khoa Kỹ thuật xây dựng đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi
để tôi hồn thành luận án này
Tơi trân trọng cảm ơn Phịng Đào tạo Sau đại học Trường Đại học Giao thông vận tải
đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong q trình học tập, nghiên cứu

Cuối cùng, tơi muốn được bày tỏ sự biết ơn đến các đồng nghiệp, các bạn sinh viên,
người thân, và bạn bè đã giúp đỡ tơi trong q trình học tập, nghiên cứu
Hà Nội, Ngày 01 tháng 08 năm 2022
Tác giả

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN

I

LỜI CẢM ƠN

II

MỤC LỤC

III

DANH MỤC BẢNG BIỂU

VII

DANH MỤC HÌNH ẢNH

VIII

CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

XIV

MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1

1
TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÚT

KHUNG LIÊN HỢP DẦM THÉP CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP

7

1 1 Tình hình sử dụng kết cấu khung liên hợp

7

1 2 Tổng quan về nút khung

9

121

Khái niệm và phân loại nút khung

9

122

Đặc điểm làm việc của nút khung

10

123

Tình hình nghiên cứu nút khung trên thế giới

11

124

Tình hình nghiên cứu nút khung ở Việt Nam

12

125

Tình hình nghiên cứu nút khung RCS

13

126

Các nghiên cứu về cấu tạo nút

15

127

Các dạng phá hoại có thể xuất hiện trên kết cấu khung RCS

20

1 3 Các nghiên cứu nút khung sử dụng liên kết dạng khóa chịu cắt

22

1 4 Nghiên cứu có liên quan đến nội dung của luận án

27

1 5 Phân tích, đánh giá các nghiên cứu đã được thực hiện

32

1 6 Kết luận chương 1

34

CHƯƠNG 2

XÂY DỰNG MƠ HÌNH ỨNG XỬ NÚT KHUNG LIÊN HỢP

DẦM THÉP CỘT BÊ TƠNG CỐT THÉP

36

2 1 Mục đích của nghiên cứu

36

iii


2 2 Cơ sở đánh giá ứng xử của nút khung

36

221

Tương quan của nút khung trong kết cấu khung

36

222

Sức kháng cắt của nút khung

39

223

Phản ứng không đàn hồi của kết cấu

40

224

Độ dẻo

41

225

Độ cứng

42

226

Độ cản

43

227

Biến dạng của nút

44

2 3 Đề xuất nút khung biên được nghiên cứu

45

2 4 Phân tích cơ cấu truyền lực giữa các thành phần trong nút

47

2 5 Mơ hình xác định sức kháng của dạng nút khung được nghiên cứu

50

251

Sức kháng của các phần tử vùng nút

50

252

Sức kháng nén cục bộ của các thành phần ở vùng nút

54

253

Sức kháng kéo cục bộ của bản bụng thép hình

56

254

Sức kháng uốn cục bộ của bản cánh thép hình đặt trong cột bê tông cốt thép
57

255

Sức kháng của vùng giao thoa

57

256

Sức kháng cắt của cột

60

257

Sức kháng của mặt cắt các cấu kiện dầm, cột

62

258

Sức kháng của mối hàn

62

2 6 Tổng hợp các công thức xác định sức kháng thành phần của nút

62

2 7 Kết luận chương 2

65

CHƯƠNG 3

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ỨNG XỬ CHỊU

LỰC CỦA NÚT KHUNG LIÊN HỢP DẦM THÉP CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP
67
3 1 Mục đích nghiên cứu

67

3 2 Cấu tạo của các mẫu thí nghiệm

68

321

Xây dựng mơ hình thí nghiệm

68
iv

322
323


Cấu tạo chi tiết mẫu thí nghiệm

69

Vật liệu được sử dụng để chế tạo mẫu thí nghiệm

71

3 3 Nghiên cứu thực nghiệm nút khung liên hợp dầm thép cột bê tông cốt thép

chịu đồng thời tải trọng đứng và tải trọng ngang tĩnh

73

331

Hệ thống gia tải

73

332

Thiết bị đo và hệ thống thu nhận số liệu

74

333

Kết quả thí nghiệm nút khung chịu tải trọng tĩnh

76

3 4 Nghiên cứu thực nghiệm nút khung liên hợp dầm thép cột bê tông cốt thép
chịu đồng thời tải trọng đứng và tải trọng ngang đổi chiều

88

341

Giới thiệu chung

88

342

Mẫu thí nghiệm nút khung chịu tải trọng đổi chiều

88

343

Kết quả thí nghiệm nút khung chịu tải trọng đổi chiều

90

344

Quan hệ giữa lực tác dụng với chuyển vị của các mẫu chịu tải trọng lặp

93

345

Khả năng tiêu tán năng lượng

95

346

Sự suy giảm độ cứng

98

347

Độ dẻo của các mẫu thí nghiệm

98

3 5 So sánh kết quả thí nút khung chịu tải trọng tĩnh với nút khung chịu tải trọng
đổi chiều

100

3 6 Kết luận chương 3
CHƯƠNG 4

101

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG SỐ THEO PHƯƠNG PHÁP

PHẦN TỬ HỮU HẠN

104

4 1 Mục đích nghiên cứu

104

4 2 Xây dựng mơ hình mơ phỏng số

104

421

Mơ hình tổng thể

104

422

Mơ hình vật liệu

105

423

Cấu tạo mơ hình và tải trọng

108

424

Kết quả mô phỏng

111

425

Nghiên cứu tham số

114

4 3 Kết luận chương 4

122
v


KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

123

Kết luận

123

Kiến nghị

126

DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ

127

TÀI LIỆU THAM KHẢO

129

PHỤ LỤC

137

vi


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1 1 Thông số vật liệu được sử dụng cho các mẫu

28

Bảng 2 1 Công thức xác định sức kháng của các thành phần cấu tạo nút

63

Bảng 3 1 Các mẫu được sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm

67

Bảng 3 2 Đặc trưng vật liệu thép sử dụng trong mẫu thí nghiệm

72

Bảng 3 3 Điểm chảy ở các vị trí cảm biến của hai mẫu thí nghiệm

81

Bảng 3 4 Sức kháng của các thành phần theo mơ hình lý thuyết với kết quả thí nghiệm
của mẫu 1

84

Bảng 3 5 Sức kháng của các thành phần theo mơ hình lý thuyết với kết quả thí nghiệm
của mẫu 2

85

Bảng 3 6 Giá trị lực và độ lệch tầng ở thời điểm chảy và thời điểm sức kháng lớn nhất
của các mẫu thí nghiệm

99

Bảng 4 1 Các thơng số được sử dụng cho mơ hình CDP trong nghiên cứu của luận án
107
Bảng 4 2 Thơng số mơ hình của vật liệu bê tơng sử dụng cho mơ hình CDP

107

Bảng 4 3 Các tham số của các mơ hình nghiên cứu sự ảnh hưởng của chiều dài thép
hình

115

Bảng 4 4 Các tham số của các mơ hình nghiên cứu sự ảnh hưởng của chiều dày thép tấm
gia cường trong vùng nút khung

117

Bảng 4 5 Các tham số của các mô hình nghiên cứu sự ảnh hưởng của chiều dài thép tấm
gia cường trong vùng nút khung

119

Bảng 4 6 Tham số trong các mơ hình nghiên cứu ảnh hưởng của lực nén dọc trong cột
120

vii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1 1 Khung thép, sàn liên hợp thép – BTCT/sàn BTCT

7

Hình 1 2 Khung có cột và dầm là kết cấu liên hợp

7

Hình 1 3 Kết cấu RCS sử dụng cho cơng trình nhà nhịp lớn và nhà nhiều tầng [37]

9

Hình 1 4 Sơ đồ khung phẳng và phân loại nút khung theo vị trí

10

Hình 1 5 Các dạng nút khung được đề xuất trong nghiên cứu của Nishiyama, 2004

15

Hình 1 6 Cấu tạo nút khung trong nghiên cứu của Nishimura và Pan [58] [86]

17

Hình 1 7 Cấu tạo nút khung trong nghiên cứu của Zhang và Zibasokhan [29] [87]

18

Hình 1 8 Cấu tạo nút khung trong nghiên cứu của Seyed [73]

19

Hình 1 9 Cấu tạo nút khung trong nghiên cứu của Wu [81] và Wang [84]

19

Hình 1 10 Cấu tạo nút khung trong nghiên cứu của Wu và Yu [22] [78]

20

Hình 1 11 Khớp dẻo xảy ra ở dầm và dạng vết nứt ở cột BTCT [14]

21

Hình 1 12 Khớp dẻo xảy ra ở cột/nút [36]

21

Hình 1 13 Dạng phá hoại xảy ra ở nút khung dầm liên tục qua nút [49]

22

Hình 1 14 Dạng phá hoại xảy ra ở các vị trí cục bộ của liên kết

22

Hình 1 15 Cấu tạo nút khung trong nghiên cứu của Pan [86]

23

Hình 1 16 Cấu tạo nút khung trong nghiên cứu của Choi và Xu [24]

24

Hình 1 17 Cấu tạo nút khung trong nghiên cứu của Zhang [43] [44]

24

Hình 1 18 Cấu tạo nút khung trong nghiên cứu của Zhang [44] và Feng [75]

25

Hình 1 19 Cấu tạo nút khung trong nghiên cứu của Montava [40]

25

Hình 1 20 Cấu tạo nút khung trong nghiên cứu của Liao [36]

26

Hình 1 21 Dạng phá hoại trong nghiên cứu về liên kết của Zha [83]

26

viii


Hình 1 22 Cấu tạo vùng nối/giao thoa trong các nghiên cứu của Gao và Jia [47] [48]
[82]

27

Hình 1 23 Cấu tạo mẫu thí nghiệm trong nghiên cứu ở INSA Rennes

28

Hình 1 24 Sơ đồ thí nghiệm trong nghiên cứu ở INSA Rennes [76]

29

Hình 1 25 Vị trí các cảm biến đo biến dạng của cốt thép và thép hình [76]

29

Hình 1 26 Hình dạng vết nứt trên bê tơng cột sau khi kết thúc thí nghiệm trong nghiên
cứu ở INSA Rennes [76]

30

Hình 1 27 Biểu đồ quan hệ tải trọng-độ lệch tầng của các mẫu thí nghiệm trong nghiên

cứu ở INSA Rennes

31

Hình 1 28 Thời điểm các vị trí thép chảy dẻo trên đường quan hệ tải trọng-độ lệch tầng
31
Hình 2 1 Một trường hợp về sơ đồ biến dạng và biểu đồ mơ men uốn của khung

37

Hình 2 2 Mô men uốn và lực cắt ở nút biên và nút giữa [89]

37

Hình 2 3 các cơ cấu phá hoại điển hình ở kết cấu khung [4]

39

Hình 2 4 Một số dạng đường cong trễ đặc trưng

40

Hình 2 5 Biểu đồ để xác định độ dẻo của kết cấu

42

Hình 2 6 Biểu đồ xác định độ cứng cát tuyến của kết cấu [5]

42

Hình 2 7 Biểu đồ được dùng để xác định giá trị cản riêng của kết cấu

43

Hình 2 8 Vị trí đặt dụng cụ đo chuyển vị để xác định biến dạng của nút

44

Hình 2 9 Cấu tạo của phần thép hình

45

Hình 2 10 Các dạng cấu tạo của nút được nghiên cứu trong luận án

46

Hình 2 11 Các phân vùng của nút khung được nghiên cứu trong luận án

47

Hình 2 12 Sơ đồ tính và biểu đồ nội lực của nút khung khi bỏ qua vùng nút

48

Hình 2 13 Sơ đồ tính và biểu đồ nội lực của nút khung khi xét đến vùng nút

48

Hình 2 14 Biểu đồ nội lực của các thành phần cấu thành nút khung

49

ix


Hình 2 15 Nội lực thành phần trên các mặt cắt vùng nút khung

50

Hình 2 16 Vị trí tác dụng của lực truyền từ cánh dầm thép sang thép hình [33]

52

Hình 2 17 Các thành phần tham gia vào chịu cắt của nút khung có cốt thép đai liền
(khơng có thép tấm gia cường)

53

Hình 2 18 Các thành phần tham gia vào chịu cắt của nút khung sử dụng thép tấm gia
cường và cốt thép đai cấu tạo

54

Hình 2 19 Tác động cục bộ của lực kéo, nén từ cánh dầm thép lên bản bụng của thép
hình đặt trong cột BTCT [33]

56

Hình 2 20 Cơ cấu chịu lực từ dầm truyền vào cột thơng qua thép hình

58

Hình 2 21 Cơ cấu chịu lực cắt của vùng giao thoa

61

Hình 3 1 Cấu tạo và kích thước của thép hình sử dụng cho các mẫu thí nghiệm

69

Hình 3 2 Cấu tạo thực tế của thép hình sử dụng cho các mẫu thí nghiệm

70

Hình 3 3 Cấu tạo mẫu thí nghiệm 1 (Mẫu 1, Mẫu 3)

70

Hình 3 4 Cấu tạo mẫu thí nghiệm 2 (Mẫu 2, Mẫu 4)

71

Hình 3 5 Các mẫu vật liệu sau khi thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo của thép 72
Hình 3 6 Hình mẫu thí nghiệm trước và sau khi đổ bê tơng

72

Hình 3 7 Sơ đồ bố trí thí nghiệm tương ứng với sơ đồ tính lực tác dụng ở dầm

74

Hình 3 8 Sơ đồ bố trí thí nghiệm thực tế

74

Hình 3 9 Vị trí gắn cảm biến đo biến dạng trên hai mẫu thí nghiệm

75

Hình 3 10 Vết nứt xuất hiện trên mẫu 1 thí nghiệm chịu tải tĩnh

76

Hình 3 11 Vết nứt xuất hiện trên mẫu 2 thí nghiệm chịu tải tĩnh

77

Hình 3 12 Vết nứt trên mặt bên của mẫu thí nghiệm sau khi cắt bỏ dầm thép

78

Hình 3 13 Vết nứt trên mặt trước của mẫu thí nghiệm sau khi cắt bỏ dầm thép

78

Hình 3 14 Quan hệ lực – độ lệch tầng tại đầu dầm

79

x

Hình 3 15 Điểm chảy của cốt thép dọc của các mẫu thí nghiệm tại các vị trí cảm biến
81
Hình 3 16 Điểm chảy của cốt thép đai của các mẫu thí nghiệm tại các vị trí cảm biến
81
Hình 3 17 Biến dạng xoay của mặt cắt dầm, cột và biến dạng cắt của vùng nút

82

Hình 3 18 Tỷ lệ giữa các biến dạng thành phần của mẫu 1

83

Hình 3 19 Tỷ lệ giữa các biến dạng thành phần của mẫu 2

83

Hình 3 20 Tương quan sức kháng của mơ hình lý thuyết với kết quả thí nghiệm mẫu 1
83
Hình 3 21 Tương quan sức kháng của mơ hình lý thuyết với kết quả thí nghiệm mẫu 2
85
Hình 3 22 Lịch sử gia tải ở vị trí tác dụng tải trọng đổi chiều

89

Hình 3 23 Vết nứt xuất hiện trên mẫu 3 ở các mức chuyển vị khác nhau

91

Hình 3 24 Vết nứt xuất hiện trên mẫu 4 ở các mức chuyển vị khác nhau

92

Hình 3 25 Đường cong trễ quan hệ lực – độ lệch tầng của mẫu 3

94

Hình 3 26 Đường cong trễ quan hệ lực – độ lệch tầng của mẫu 4

95

Hình 3 27 Đường bao của đường quan hệ lực – độ lệch tầng

95

Hình 3 28 Năng lượng tiêu tán của các mẫu thí nghiệm ở từng vịng lặp

96

Hình 3 29 Tỷ số năng lượng tiêu tán của các mẫu thí nghiệm ở từng vịng lặp

97

Hình 3 30 Năng lượng tiêu tán cộng dồn của các mẫu thí nghiệm

97

Hình 3 31 Biểu đồ độ cứng cát tuyến với độ lệch tầng của các mẫu thí nghiệm

98

Hình 3 32 Biểu đồ xác định thời điểm chảy của mẫu 3 và mẫu 4

99

Hình 3 33 Biểu đồ lực và độ lệch tầng của các mẫu thí nghiệm

101

Hình 4 1 Mơ hình tổng thể của nút trên nền phần mềm PTHH Abaqus

105

Hình 4 2 Mơ hình vật liệu bê tơng được sử dụng trong mơ hình CDP

105

xi


Hình 4 3 Mơ hình ứng xử chịu nén của vật liệu bê tơng theo Eurocode 2

107

Hình 4 4 Mơ hình được sử dụng cho vật liệu thép thanh và thép hình

108

Hình 4 5 Mơ hình điều kiện biên và tải trọng

109

Hình 4 6 Mơ hình phần tử và chia lưới phần tử

110

Hình 4 7 Biểu đồ lực tác dụng – độ lệch tầng của mơ hình mơ phỏng số và của mơ hình
thí nghiệm

111

Hình 4 8 Điểm chảy của cốt thép và thép hình của mơ hình mơ phỏng và mơ hình thí
nghiệm mẫu 1

112

Hình 4 9 Điểm chảy của cốt thép và thép hình của mơ hình mơ phỏng và mơ hình thí
nghiệm mẫu 2

113

Hình 4 10 Hình ảnh kết thúc thí nghiệm và biểu đồ phân bố ứng suất theo thông số phá
hoại do kéo DAMAGET, do nén DAMAGEC trong bê tơng ở mơ hình mơ phỏng mẫu 1
113
Hình 4 11 Hình ảnh kết thúc thí nghiệm và biểu đồ phân bố ứng suất theo thông số phá
hoại do kéo DAMAGET, do nén DAMAGEC trong bê tông ở mơ hình mơ phỏng mẫu 2
114
Hình 4 12 Phân bố ứng suất Von-Mises trên cốt thép và thép hình ở các mơ hình thay
đổi chiều dài của thép hình đặt trong cột BTCT

116

Hình 4 13 Biểu đồ lực tác dụng với độ lệch tầng của các mơ hình mơ phỏng nghiên cứu
ảnh hưởng của tham số chiều dài thép hình

116

Hình 4 14 Các vị trí khảo sát giá trị ứng suất trong cốt thép và thép hình

116

Hình 4 15 Biểu đồ lực tác dụng – độ lệch tầng và điểm chảy của thép

117

Hình 4 16 Biểu đồ lực tác dụng – độ lệch tầng của các mơ hình mơ phỏng nghiên cứu
ảnh hưởng của tham số chiều dày thép tấm gia cường

118

Hình 4 17 Phân bố ứng suất Von-Mises trên cốt thép và thép hình ở các mơ hình thay
đổi chiều dày của thép tấm gia cường trong vùng nút khung

xii

118


Hình 4 18 Biểu đồ lực tác dụng – độ lệch tầng của các mơ hình mơ phỏng nghiên cứu

ảnh hưởng của tham số chiều dài thép hình

119

Hình 4 19 Phân bố ứng suất Von-Mises trên cốt thép và thép hình ở các mơ hình thay
đổi chiều dài của tấm thép gia cường trong vùng nút khung

120

Hình 4 20 Biểu đồ lực tác dụng – độ lệch tầng của các mơ hình mơ phỏng nghiên cứu
ảnh hưởng của tham số lực nén dọc trong cột khi khơng có tấm thép gia cường

121

Hình 4 21 Biểu đồ lực tác dụng – độ lệch tầng của các mơ hình mơ phỏng nghiên cứu
ảnh hưởng của tham số lực nén dọc trong cột khi có tấm thép gia cường

xiii

121


CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

Ký hiệu

Ý nghĩa

ACI

Hiệp hội Bê tông Mỹ (American concrete institute)

AISC

Hiệp hội thép Mỹ (American Institute of Steel Construction)

BTCT

Bê tơng cốt thép

CDP

Mơ hình vật liệu của bê tơng trong mơ hình Abaqus (Concrete Damaged
Plasticity)

IBC

Tiêu chuẩn quốc tế cho cơng trình nhà (International Building Code)

RCS

Dầm thép cột bê tông cốt thép (Reinforced Concrete Column – Steel
Beam)

RILEM

Liên đồn thế giới của các phịng thí nghiệm và chun gia trong lĩnh vực
vật liệu xây dựng, hệ thống và kết cấu (The International Union of
Laboratories and Experts in Construction Materials, Systems and
Structures)

y

Chuyển vị tương ứng với điểm chảy của hệ đàn hồi – dẻo

u

Chuyển vị cực hạn, chuyển vị tại thời điểm được coi là hệ bị phá hoại

 max

Chuyển vị của hệ tại giá trị lực đạt được là lớn nhất

c

Biến dạng khi chịu nén của bê tông mẫu trụ

t

Biến dạng dẻo của bê tông khi chịu kéo

 0elc

Biến dạng đàn hồi của bê tông khi bỏ qua sự phá hoại

Avc

Diện tích chịu cắt của thép hình đặt trong cột

Ak

Diện tích mặt cắt của thép hình đặt trong cột

in

xiv


Asl ,col

Diện tích cốt thép dọc của cột

Ac,col

Diện tích bê tơng của mặt cắt cột

Aswj

Diện tích cốt đai trong vùng nút

bb

Chiều rộng mặt cắt dầm

bc

Chiều rộng mặt cắt cột

bk

Chiều rộng mặt cắt thép hình đặt trong cột (chiều rộng bản cánh thép hình
đặt trong cột)

dc

Chiều cao có hiệu của mặt cắt cột BTCT, được tính bằng chiều cao mặt
cắt cột trừ đi lớp bê tông bảo vệ

d0

Khoảng cách từ mép trong bản cánh thép hình đặt trong cột đến mép cốt
thép chịu kéo của cột

dc, A

Hệ số kể đến khả năng phục hồi của bê tông khi chịu nén

dt , A

Hệ số kể đến khả năng phục hồi của bê tông khi chịu kéo

Fc ,Rd

Sức kháng nén của các thành phần nút khi chịu lực nén do cánh dầm thép
tác dụng lên

Ft ,wc ,Rd

Khả năng chịu kéo của bản bụng thép hình đặt trong cột

Fc ,wc ,Rd

Khả năng chịu nén của bản bụng thép hình đặt trong cột

Fc ,wc ,c ,Rd

Khả năng chịu nén của bê tông nằm giữa các bản cánh của thép hình đặt
trong cột

xv

f yd

Cường độ thiết kế của thép hình đặt trong cột

f sd

Cường độ thiết kế của cốt thép dọc trong cột

fcd

Cường độ chịu nén tính tốn của bê tơng


f y ,wc

Cường độ kéo chảy của thép hình đặt trong cột

f y ,wd

Cường độ thiết kế của cốt đai

hb

Chiều cao mặt cắt dầm

hc

Chiều cao mặt cắt cột

hk

Chiều cao mặt cắt thép hình đặt trong cột

Lcol

Khoảng cách giữa 2 điểm được khảo sát của cột phía trên và phía dưới của
nút

Le

Chiều dài của thép hình đặt trong cột

Lk

Chiều dài của thép hình đặt trong cột tình từ mặt dầm đến điểm kết thúc
trong cột

xvi

M Ed ,col

Mô men uốn do ngoại lực gây ra trên mặt cắt của cột

M Ed ,b

Mô men uốn do ngoại lực gây ra trên mặt cắt của dầm

M Ed ,k

Mô men uốn trên mặt cắt thép hình do lực ép mặt tác dụng

M Ed , j

Mơ men uốn do ngoại lực gây ra trên mặt cắt của nút

N Ed ,col

Lực dọc do ngoại lực gây ra trên mặt cắt cột

N Ed , j

Lực dọc do ngoại lực gây ra trên mặt cắt nút

N pl , Rd

Sức kháng nén thiết kế của mặt cắt cột

Pmax

Giá trị lực lớn nhất mà hệ đạt được

Py

Lực chảy dẻo, giá trị lực tại thời điểm được coi là hệ bị chảy dẻo

Pu

Lực cực hạn, giá trị lực tại thời điểm được coi là hệ bị phá hoại

sj

Khoảng cách cốt đai trong vùng nút


xvii

TEd ,b

Lực kéo quy đổi về bản cánh dầm do ngoại lực gây ra

VEd ,col

Lực cắt do ngoại lực gây ra trên mặt cắt cột

VEd ,b

Lực cắt do ngoại lực gây ra trên mặt cắt dầm

VEd , j

Lực cắt do ngoại lực gây ra trên mặt cắt nút

V j ,Rd

Sức kháng cắt của nút

Vwp ,c ,Rd

Sức kháng cắt của phần bê tơng chèn giữa bản cánh của thép hình

Vwp ,Rd

Sức kháng cắt của thép hình

Vwp , p ,Rd

Sức kháng cắt của thép tấm gia cường

V j ,RC ,Rd

Sức kháng cắt của phần bê tông cốt thép ở vùng nút

V j ,Rd ,max

Cường độ chịu cắt tới hạn của phần bê tông ở vùng nút

Vc ,com ,Rd

Sức kháng cắt của mặt cắt cột liên hợp

Vc,k ,Rd

Sức kháng cắt của mặt cắt giao thoa

Vc ,c ,Rd

Sức kháng cắt của mặt cắt cột BTCT

VEd ,k

Lực cắt trên mặt cắt thép hình do lực ép mặt tác dụng

W pl ,k

Mô men chống uốn cực hạn của mặt cắt thép hình đặt trong cột


MỞ ĐẦU
1 Đặt vấn đề
Kết cấu khung liên hợp có cấu tạo từ cột bê tông cốt thép (Reinforced Concrete - RC)
và dầm thép (steel - S) được gọi tắt là khung RCS [38] Khung RCS có nhiều ưu điểm như:
độ cứng ngang lớn, kích thước cấu kiện thanh mảnh, độ dẻo cao dẫn đến hiệu quả kinh tế
từ việc tiết kiệm vật liệu và phù hợp khi kết hợp được với nhiều loại hình kết cấu khác
Trong kết cấu khung nói chung và kết cấu khung liên hợp RCS nói riêng, vị trí liên kết
giữa dầm và cột (nút khung) có trạng thái ứng suất rất phức tạp Để chịu các thành phần
ứng suất khơng kể được trong tính toán, các Tiêu chuẩn thiết kế thường yêu cầu tăng hàm
lượng cốt thép cấu tạo và tăng chiều dài neo cốt thép ở nút Điều này gây khó khăn cho quá
trình xây dựng, làm giảm tốc độ xây dựng và đơi khi làm phản tác dụng do khó khăn trong
thi công, dẫn đến việc chế tạo trong thực tế không giống như yêu cầu của thiết kế (bê tông

bị lỗ rỗng, chiều dài neo cốt thép không đủ) Một số dạng cấu tạo chi tiết của nút khung
RCS đã được đề xuất và công bố trên thế giới [27], [59] Các dạng cấu tạo nút đã được
công bố trước đây nếu có cấu tạo đơn giản thì khả năng chịu lực và độ cứng của nút có giá
trị nhỏ do sự truyền lực ở nút chỉ thông qua các cơ cấu và chi tiết đơn giản Để khắc phục
nhược điểm trên, một số dạng nút được gia cường bằng nhiều chi tiết tập trung ở vùng nút
Các chi tiết cấu tạo ở nút lại gây ra ứng xử tại nút phức tạp, khó dự đốn dạng phá hoại và
mơ hình lý thuyết khơng mang tính tổng qt cũng như khó khăn trong chế tạo Vì vậy,
các nỗ lực trong việc đưa ra dạng cấu tạo nút khung RCS vừa đảm bảo sức kháng, độ cứng,
khả năng tiêu tán năng lượng và cấu tạo đơn giản là mục tiêu của nhiều nghiên cứu về nút
khung RCS
Kết cấu liên hợp thép – bê tơng cốt thép có nhiều ưu điểm cả về khả năng chịu lực và
tính năng của kết cấu Do đó, việc ứng dụng kết cấu liên hợp vào thực tế xây dựng nói
chung và xây dựng cơng trình nhà nhiều tầng nói riêng đang tăng lên một cách nhanh
chóng Việc ứng dụng đã phát sinh ra các dạng kết cấu liên hợp có cấu tạo mới so với các
cấu tạo được nói đến trong các Tiêu chuẩn thiết kế hiện hành Năm 2012, Ủy ban Châu Âu
bắt đầu triển khai dự án SmartCoCo (Smart Composite Components) [76] Mục đích của
dự án này là xây dựng được hướng dẫn thiết kế bổ sung cho Tiêu chuẩn Eurocode 2 và
Eurocode 4 Các mơ hình lý thuyết được xây dựng dựa trên cơ sở của các Tiêu chuẩn
1


Eurocode 2, Eurocode 3 và Eurocode 4, hoặc đề xuất mới sau đó được hiệu chỉnh thơng
qua các kết quả thí nghiệm Các nội dung được nghiên cứu gồm:
(i) - Kết cấu bê tông cốt thép được tăng cường bởi nhiều thanh thép hình trên mặt cắt;
(ii) - Kết cấu bê tơng cốt thép có phần thép hình đặt khơng liên tục;
(iii) - Liên kết giữa kết cấu thép với kết cấu bê tơng cốt thép có dạng khóa chịu cắt
Trong ba nội dung trên đây, nội dung thứ ba về nghiên cứu liên kết giữa kết cấu thép
với kết cấu bê tơng cốt thép dạng khóa chịu cắt bằng thép hình Ở INSA Rennes, đã có
những nghiên cứu ban đầu về việc ứng dụng dạng liên kết này cho nút khung RCS Kết
quả nghiên cứu đã chỉ ra hiệu quả của dạng này như: khả năng phân tán lực tương tác giữa

dầm/cột, khả năng hình thành vùng dẻo để tiêu tán năng lượng Tuy nhiên, để có sự hiểu
biết đầy đủ và hướng đến áp dụng vào thực tế cần có thêm các nghiên cứu về việc áp dụng
dạng cấu tạo này cho kết cấu nút khung RCS
Ở Việt Nam, kết cấu liên hợp thép – BTCT cho công trình nhà bắt đầu được đưa vào
thực tế xây dựng khoảng cuối thập kỷ 90 [7] Cho đến nay, số lượng cơng trình có sử dụng
kết cấu liên hợp đã tăng nhanh Tiêu chuẩn riêng dành cho kết cấu liên hợp theo các điều
kiện thực tế ở Việt Nam hiện chưa có Đặc biệt, các nghiên cứu về kết cấu liên hợp thép BTCT rất ít về mặt số lượng và chưa đa dạng về kết cấu Khoảng thời gian từ những năm
1990 cho đến năm 2015, phương pháp nghiên và phạm vi nghiên cứu cịn hạn chế Các
cơng bố chủ yếu mang tính giới thiệu [8], [12] Những năm gần đây, sự phát triển của công
nghệ xây dựng, nhu cầu xây dựng và áp dụng các công nghệ mới, kết cấu mới tăng nhanh,
vì vậy mà các nghiên cứu đã được nâng cao cả về phương pháp và phạm vi [1], [2], [10]
Với mục đích để nâng cao kiến thức về kết cấu liên hợp và sự hiểu biết về ứng xử của
vị trí cục bộ trong kết cấu liên hợp nói chung và vị trí nút khung nói riêng, cần có thêm các
nghiên cứu về kết cấu liên hợp thép-BTCT gồm cả mơ hình lý thuyết, mơ hình mô phỏng
số và thực nghiệm với các điều kiện thực tế ở Việt Nam Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu ứng
xử của nút khung biên trong kết cấu liên hợp dầm thép cột bê tông cốt thép” được lựa chọn
để nghiên cứu trong nội dung của luận án này

2 Mục đích nghiên cứu
Nhằm mục đích có thêm sự hiểu biết về ứng xử chịu lực của kết cấu liên hợp nói chung
2


và một dạng mới trong kết cấu liên hợp giữa dầm thép cột bê tơng cốt thép nói riêng, cần
thực hiện nghiên cứu để:
(a) Xác định được cơ cấu truyền lực giữa các bộ phận của kết cấu nút khung bằng thực
nghiệm để kiểm chứng mơ hình tính tốn sức kháng của kết cấu nút khung
(b) Xác định được giá trị của các thơng số về tính năng của nút khung để đánh giá sự
đáp ứng của dạng kết cấu nút khung được nghiên cứu so với yêu cầu của các Tiêu chuẩn
thiết kế hiện hành

(c) Xác định được một số tham số ảnh hưởng đến ứng xử tổng thể của kết cấu nút khung
dựa trên các mơ hình mơ phỏng số

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là nút khung trong kết cấu khung liên hợp dầm thépcột bê tông cốt thép
Phạm vi nghiên cứu của luận án là:
- Nghiên cứu ứng xử cơ học của kết cấu nút khung ở vị trí biên trong kết cấu khung
phẳng liên hợp dầm thép-cột BTCT chịu tải trọng tĩnh hoặc/và chịu tải trọng lặp (tải trọng
đổi chiều)
- Vật liệu sử dụng trong nghiên cứu phù hợp với các quy định của hệ thống Tiêu chuẩn
Eurocode cho kết cấu bê tông, kết cấu liên hợp thép-BTCT Trong đó, bê tơng là loại bê
tơng thường có cấp độ bền trong khoảng C25-C60 Cốt thép là loại thép thanh có gờ, có
cường độ kéo chảy khơng vượt quá 560 Mpa Thép hình được sử dụng là loại thép hình
cán nóng hoặc thép hình tổ hợp hàn, có cường độ kéo chảy không vượt quá 460 Mpa
- Cấu kiện có kích thước thơng dụng trong cơng trình nhà, cụ thể: cột BTCT có mặt cắt
hình vng hoặc chữ nhật với kích thước của cạnh khoảng từ 300 đến 600mm, dầm thép
có chiều cao mặt cắt từ 300 đến 500 mm

4 Phương pháp nghiên cứu
Việc nghiên cứu được thực hiện dựa trên 3 phương pháp chính là nghiên cứu lý thuyết,
nghiên cứu thực nghiệm và nghiên cứu mô phỏng số Phần nghiên cứu lý thuyết được thực
hiện trên cơ sở kế thừa, tổng hợp và phân tích các nghiên cứu ở trong nước và nước ngoài
3


về kết cấu liên hợp để xác định phương pháp tính tốn và thiết lập mơ hình lý thuyết xác
định khả năng chịu lực của kết cấu nút khung
Phần nghiên cứu thực nghiệm có mục tiêu xác định ứng xử cơ học của kết cấu nút khung,
qua đó, giúp cho việc nghiên cứu lý thuyết khái quát hoá được quá trình làm việc của kết
cấu và đề ra được các phương pháp thiết kế thích hợp Nghiên cứu thực nghiệm cũng có

vai trị kiểm chứng, đánh giá mức độ chính xác của các mơ hình tính được đề xuất trong
nghiên cứu lý thuyết
Phần nghiên cứu mô phỏng số được xây dựng dựa trên nền phần tử hữu hạn Mơ hình
mơ phỏng số được kiểm chứng với kết quả thí nghiệm, từ đó, các mơ hình khảo sát tham
số được xây dựng để nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số cấu tạo đến ứng xử của
nút khung
Luận án từng bước thực hiện các mục tiêu đặt ra theo sơ đồ tiếp cận như sau:

1

Tổng quan tình hình nghiên cứu ở trong nước và nước ngoài về
kết cấu nút khung, bao gồm các thơng số về tính năng và ứng xử
chịu lực của kết nút khung

2

Xây dựng mơ hình xác định sức kháng của một dạng nút khung
liên hợp dầm thép cột bê tông cốt thép được đề xuất và nghiên
cứu trong luận án

3

Thí nghiệm vật lý xác định ứng xử chịu lực của nút khung, nhằm
kiểm chứng các mô hình tính đã được đề xuất

4

Xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn cho các nút đã được thí
nghiệm vật lý, kiểm chứng với kết quả thí nghiệm

5

Nghiên cứu khảo sát ứng xử của nút khung với một số tham số
khác nhau, dựa trên mơ hình phần tử hữu hạn đã được kiểm
chứng

5 Cấu trúc của luận án
Nội dung của luận án bao gồm ba phần chính, tương ứng với 4 chương như sau:
- Chương 1: Tổng hợp và phân tích các nghiên cứu trong và ngồi nước về dạng kết
cấu khung liên hợp dầm thép cột bê tông cốt thép Đặc biệt, ứng xử chịu cắt của vị trí cục
4


bộ nút khung được nghiên cứu để làm cơ sở đề xuất dạng nút khung liên kết giữa dầm thép
với cột bê tông cốt thép, nhằm phát huy được các đặc tính của kết cấu khung liên hợp dầm
thép cột bê tơng cốt thép
- Chương 2: Trình bày một cách tổng hợp cơ sở để nghiên cứu, đánh giá về sức kháng
và tính năng của kết cấu nút Việc thiết lập mơ hình tính tốn xác định ứng xử chịu cắt cho
dạng nút khung liên hợp dầm thép-cột BTCT đề xuất nghiên cứu cũng được trình bày trong
chương này
- Chương 3: Trình bày nghiên cứu thực nghiệm với hai nội dung chính là:
(a) Thí nghiệm nút khung chịu tải trọng không đổi chiều (tải trọng tĩnh) để xác định cơ
cấu truyền lực giữa các thành phần bằng thực nghiệm, dựa trên: trình tự và cấu trúc của
các vết nứt, sự chảy của cốt thép, sự chảy của thép hình và vùng bê tông bị ép vỡ Các cơ
cấu hư hỏng sẽ được so sánh và kiểm chứng với các mô hình tính tốn đã được thiết lập ở
chương 2
(b) Thí nghiệm nút khung chịu tải trọng đổi chiểu để xác định tính năng của dạng kết
cấu dựa trên các thơng số: khả năng tiêu tán năng lượng, độ dẻo, sự suy giảm độ cứng và
tương quan biến dạng giữa các thành phần cấu thành nút Giá trị của các thông số từ thí
nghiệm được so sánh với giá trị trong Tiêu chuẩn thiết kế hiện hành để đánh giá sự đáp

ứng của dạng kết cấu về tính năng khi chịu lực
- Chương 4: Xây dựng các mơ hình mơ phỏng bằng phần mềm phần tử hữu hạn để phân
tích chi tiết ứng xử cơ học của dạng nút khung được nghiên cứu Dựa trên các mơ hình mơ
phỏng đã được kiểm chứng với kết quả thí nghiệm, một số tham số liên quan đến cấu tạo
nút sẽ được khảo sát để đánh giá ảnh hưởng của các tham số này đến ứng xử tổng thể của
nút
- Phần kết luận và kiến nghị: Trình bày các kết luận chính của luận án và đề xuất
hướng nghiên cứu tiếp theo

6 Đóng góp mới về khoa học
-

Luận án đã phân tích được ứng xử cơ học của một dạng nút khung có cấu tạo mới sử
dụng cho kết cấu khung liên hợp có dầm thép liên kết với cột bê tông cốt thép Cấu tạo
của nút khung được nghiên cứu hướng tới việc khai thác được tối đa khả năng kháng
5


cắt của thép hình và tăng được tính năng cho nút khung khi chịu tải trọng lặp Cụ thể,
nút khung có thể hình thành được các vùng biến dạng dẻo mà vẫn đảm bảo được tính
tồn vẹn của nút khung để các cấu kiện liên kết với nút khung (dầm, cột) có thể đạt tới
trạng thái cực hạn khi thiết kế theo trạng thái giới hạn về cường độ Luận án cũng đã
xem xét đến cấu tạo của cốt đai ở vùng nút khung, qua đó, đề xuất phương án giảm/thay
thế cốt đai kín ở vùng nút theo yêu cầu của các Tiêu chuẩn thiết kế hiện hành nhằm
hướng tới tính đơn giản trong cơng tác lắp dựng
-

Luận án đã thiết lập được mơ hình xác định sức kháng cắt cho dạng nút khung được
nghiên cứu ở trạng thái giới hạn về cường độ dựa trên các Tiêu chuẩn Eurocode 2,
Eurocode 3, Eurocode 4 và Hướng dẫn của Ủy ban Châu Âu cho các dạng kết cấu liên

hợp mới, kết cấu lai

-

Luận án đã cung cấp được một bộ dữ liệu về ứng xử chịu tải trọng tĩnh và tải trọng lặp
của nút khung liên hợp dầm thép cột bê tơng cốt thép sử dụng liên kết dạng khóa chịu
cắt Các thí nghiệm nút khung chịu tải trọng tĩnh đã đánh giá được cơ cấu chịu lực và
sự tương tác giữa các thành phần cấu thành nút Các thí nghiệm nút khung chịu tải trọng
đổi chiều đã xác định được các thơng số về tính năng của nút đáp ứng được yêu cầu của
các Tiêu chuẩn thiết kế hiện đại cho kết cấu khung chịu tải trọng lặp

-

Luận án đã xây dựng được mơ hình mơ phỏng số có xét đến tính phi tuyến của vật liệu,
nhằm xác định sự làm việc của nút khung liên hợp dầm thép cột bê tông cốt thép Đồng
thời, các tham số cấu tạo ảnh hưởng đến ứng xử nút khung cũng đã được khảo sát để
đưa ra được cấu tạo hợp lý về mặt chịu lực và có tính năng tốt khi chịu tải trọng lặp

6