Giáo trình thiết kế cầu thép 2 pps

Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ
Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 24 -
Đoạn A-B l đờng cong rõ rệt. Thép không còn lm việc đn hồi nữa, môđun
đn hồi E giảm dần đến bằng 0 tại điểm B. Giai đoạn ny l giai đoạn đn hồi
dẻo.
Đoạn B-C: hầu nh song song trục honh O có nghĩa biến dạng tự động tăng m
ứng suất không tăng. Nếu kéo đến C m dỡ tải, đờng quan hệ trở về O, trục
OC//OA, vật liệu không khôi phục lại trạng thái ban đầu m còn 1 phần biến
dạng. Khi đó vật liệu đã lm việc ở giai đoạn chảy dẻo. ứng suất tơng ứng giai
đoạn ny l
c
.
Đoạn C-D: quan hệ ứng suất v biến dạng l đờng cong thoải nghĩa l biến dạng
tăng nhanh theo kiểu biến dạng dẻo. Mẫu thép bị thắt lại, tiết diện bị thu nhỏ v
bị kéo đứt ứng với ứng suất tại điểm D v gọi l ứng suất bền
b
. Qua điểm D
đến điểm E mẫu bị phá hoại.
Để tiện tính toán, ta xem thép lm việc theo 2 giai đoạn: đn hồi v dẻo lý tởng:
<
đh
: giai đoạn đn hồi, biến dạng nhỏ nên dùng giả thiết v lý luận về vật thể
đn hồi.

đ h
< <
C
: giai đoạn đn hồi dẻo nên dùng lý thuyết đn hồi dẻo để tính.
=
C
: xem nh kết cấu đạt đến trạng thái giới hạn, tức l dùng lý thuyết dẻo để

tính với trị số ứng suất
C
khi đó vật liệu thép đợc tận dụng cao nhất.
Điểm D l giới hạn bền
b
ứng với lực kéo đứt. Đối với thép cờng độ cao không có
giới hạn chảy m phải lấy giới hạn bền để lm cơ sở tính toán, tất nhiên phải chia cho hệ
số an ton no đó.
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

0
10
20
30
40
50
60
70
0
0
KN
/
cm
2
=
P
F
2
1

tl

c

c

tl

b

b

Hình 2.2: Biểu đồ quan hệ ứng suất v biến dạng của thép cờng độ cao
1.Biẻu đồ ứng thép cacbon cao 2.Biểu đồ thép cacbon thấp

Thép có giới hạn chảy sẽ cho ta biết đợc vùng an ton giữa
C
v
b
. ứng với
b

ta có
b
rất lớn gấp 100 lần biến dạng đn hồi. Nếu ta cho thép lm việc đến
C
l mới
chỉ dùng 1/2 khả năng khả năng chịu lực về cờng độ v 1/100 về biến dạng. Nh vậy
thép l vật liệu rất an ton.
Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ

Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 25 -
2.1.2-Thí nghiệm thép chịu nén:
Nếu đem mẫu thép ngắn đi nén thì ta đợc biểu đồ quan hệ giữa ứng suất v biến
dạng nh thép đợc thí nghiệm kéo. Các đặc trng cơ học nh E,
C
giống nh thí
nghiệm kéo nhng sẽ không có
b
vì mẫu không bị phá hoại m bị phình ra v tiếp tục
chịu đợc tải trọng lớn.
Nếu nén mẫu có chiều cao lớn thì sự phá hoại còn do thêm nguyên nhân về sự
mất ổn định.
2.2-Các trạng thái phá hoại của thép:

2.2.1-Sự phá hoại dòn v phá hoại dẻo:

Sự phá hoạ
i dòn l hiện tợng thép bị đứt gẫy tức thời khi tăng tải trọng. Kết cấu
bị phá hoại đột ngột khi biến dạng còn nhỏ.
Sự phá hoại dẻo l sự phá hoại xảy ra khi có biến dạng lớn. Thép nói chung l vật
liệu phá hoại dẻo vì khi bị phá hoại biến dạng của nó rất lớn (22%). Nhng khi thép
bị cứng nguội, bị gi khi chịu ứng suất tập trung, thì thép dễ chuyển sang phá hoại dòn
rất nguy hiểm.
Do vậy trong cầu phải thiết kế sao cho chỉ phá hoại dẻo tránh phá hoại dòn. Sự phá hoại
dòn còn liên quan đến hiện tợng lạnh v thnh phần hóa học không tốt của nó. Ví dụ:
Thép nhiều cacbon thì dòn hơn: C > 0.3% bị phá hoại dòn, C < 0.1% bị chảy
dẻo, C = 0.1ữ0.3% bị phá hoại dẻo.
Các thnh phần Ni, Cr, Cu tăng tính chống dòn; P, C lm tăng tính dòn. Khử oxy
của Si, Al, lm cho nó hạt nhỏ hơn cũng ln tăng tính chống dòn. Thép gia
công nóng cũng có ảnh hởng tốt.

Ta cũng nên biết rằng ứng suất tập trung cũng lm tăng tính dòn. Do vậy cần tránh
tiết diện đột ngột để giảm ứng suất tập trung.
2.2.2-Hiện tợng cứng nguội của thép:





a)
b)
c)
% % % %

KN/cm
2

Hình 2.3: Biểu đồ ứng suất v biến dạng khi có hiện tợng nguội

Đây l hiện tợng thép trở nên cứng sau khi bị biến dạng dẻo ở nhiệt độ thờng.
Thép sau khi đã bị biến dạng dẻo thì trở nên cứng hơn, giới hạn đn hồi cao hơn v biến
dạng khi phá hoại nhỏ hơn v thực tế đã trở thnh 1 loại thép khác.
Nếu kéo thép đến giới hạn chảy rồi dỡ tải thì ứng suất sẽ trở về 0 nhng còn biến
dạng . Sau đó tiếp tục kéo thì thềm chảy giảm đi v thậm chí không còn nữa. Nếu kéo
Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ
Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 26 -
thép dến vùng biến dạng dẻo mới dở tải thì thép sau đó lm việc hầu nh trong giai đoạn
đn hồi với biến dạng nhỏ. Hiện tợng lm tăng giới hạn đn hồi của thép do bị biến
dạng dẻo trớc gọi l hiện tợng cứng nguội. Hiện tợng ny lm tăng cờng độ của
thép nhng độ dãn di giảm, tức l giảm tính biến dạng của thép lm cho thép dòn hơn
mặc dù cờng độ cao hơn.

Vì vậy, ngời ta ứng dụng hiện tợng ny để lm giảm biến dạng dây cáp. Trong cầu
thép cần tránh hiện tợng ny vì gây ra phá hoại dòn.
2.2.3-Hiện tợng gi của thép:

Ta thí nghiệm kéo 2 mẫu thép cùng loại nhng có tuổi khác nhau nhiều. Ta có
các đồ thị sau:
b
a



a

b

Hình 2.4: Biểu đồ ứng suất v biến dạng khi có hiện tợng gi

Ta nhận thấy:
Biểu đồ (b) có giới hạn chảy cao hơn (a) nhng độ dãn di lúc mẫu bị đứt giảm
xuống v có giới hạn chảy ngắn hơn.
Hiện tợng gi xảy ra rất lâu nhng nếu nung nóng hoặc sau khi lm việc ở trạng
thái dẻo thì quá trình lm gi sẽ rút ngắn lại. Vì vậy trong kết cấu thép không cho
lm việc quá giới hạn chảy.
Nguyên nhân hiện tợng gi:
Lúc đầu các hạt sắt ferit có nhiều tạp chất nh C, N, sau 1 thời gian nó bay ra
lm cho mng peclit (hợp chất bao quanh hạt sắt) dy lớn. Mng ny có cờng độ
cao hơn nhng có biến dạng giảm đi.
Muốn tránh hiện tợng ny cần có biện pháp xử lý từ quá trình sản xuất thép.
Hiện tợng gi trong cầu thép thờng xuất hiện vết nứt nhỏ ở mép các lỗ đinh,
thờng hay xảy ra ở công trình chịu tải trọng xung kích v có sự phân bố ứng

suất không đều.
2.2.4-Sự lm việc của thép khi chịu ứng suất tập trung:

Tại vị trí cấu trúc của thép bị vi phạm nh có lỗ hổng bọt khí, lẫn tạp chất, vị trí
thay đổi tiết diện đột ngột, lỗ đinh, vị trí đặt lực tập trung, sẽ có ứng suất thờng lớn
hơn ứng suất trung bình gọi l ứng suất tập trung.
Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ
Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 27 -
Xét ứng suất tập trung tại 1 lỗ đinh:

y

x

o



y

x

y

x



z

o

y

x

11


1.5d
1.5d
2d
2d
3d
3d
ung suat tap trung

Hình 2.5: ứng suất tập trung tại lỗ đinh

ứng suất tập trung
tt
tại mép lỗ đinh lớn gấp 3ữ4 lần ứng suất trung bình
tb
.
Tuy nhiên trong kết cấu vẫn không bị phá hoại vì khi đó ứng suất tập trung bị
triệt tiêu do xuất hiện vùng biến dạng dẻo. Tiết diện sẽ bị phá hoại nếu vùng chảy
dẻo lan ra ton tiết diện.
Qua nhiều lần ứng suất vợt quá giới hạn chảy gây nên hiện tợng hóa cứng của
thép, lm giảm tính dẻo vật liệu v gây dòn, nứt. Nếu tải trọng tăng lên nữa lm
vết nứt phát triển v sẽ bị phá hoại.

Mức độ tập trung ứng suất phụ thuộc hình dạng lỗ đinh, khuyết tật. Mức độ ny
đợc đánh giá:

tb
tt
K


=
(2.2)
K=3 đối với lỗ tròn.
K=4 đối với lỗ hình ôvan.
K=3 đối với lỗ dạng khấc nhọn.
Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ
Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 28 -
K=2 đối với lỗ dạng khấc đợc vát tròn.
Nói chung sự tập trung ứng suất không nguy hiểm nếu thép chịu tải trọng tĩnh.
Trong tính toán thờng không kể đến hiện tợng ứng suất cục bộ ny. Tuy nhiên khi
chịu tải trọng xung kích, tải trọng động thì sự tập trung ứng suất l nguy hiểm vì lm
cho thép dễ bị phá hoại dòn. Mặt khác ứng suất ny phân bố trong tiết diện rất phức tạp,
do vậy thép lm cầu cần đợc lm thêm chỉ tiêu độ dẻo khi va chạm.
10
10
2
Búa (máy thử
va chạm)
40
60
Hình 2.6: Thí nghiệm độ dẻo va chạm

Độ dẻo va chạm l công để cắt đứt diện tích mẫu thí nghiệm.
Cách thí nghiệm hình (2.6).
Độ dẻo va chạm đặc trng cho tính chống phá hoại dòn v cũng qua đó ta xác
định đợc nhiệt độ m khi đó thép bắt đầu chuyển từ dẻo sang dòn.
Thí nghiệm về độ dẻo va chạm đợc tiến hnh với các nhiệt độ khác nhau. Các trị
số độ dẻo va chạm trong cầu phải đảm bảo yêu cầu sau đây:
Bảng 2.3
Điều kiện thí nghiệm
t
o
thờng -20
o
C
Sau khi lm
gi
Loại thép v
cách đặt mẫu
Độ dẻo va chạm (kg.m/cm
2
) không
nhỏ hơn
Thép bản v tấm:
+Mẫu dọc 8 4 4
+Mẫu ngang 7 3.5 3.5
Thép hình (mẫu
dọc)
10 4 5
(*Thép lm gi bằng cách kéo dãn 10% chiều di tính toán, sau đó đốt nóng ở
250
o

C*).

2.2.5-ảnh hởng của nhiệt độ đến sự lm việc của thép:

Khi t
o
< 200ữ250
o
C thì các tính chất cơ học của thép thay đổi ít. Khi t
o
> 300
o
C
thì các tính chất cơ học v khả năng chịu lực của thép giảm nhanh nh khi t
o
= 500
o
C thì
thép CT
3
có
c
= 1400kg/cm
2
v
b
= 2500kg/cm
2
, v khi t
o

= 600ữ650
o
C thì thép CT
3
có

c
= 400kg/cm
2
v
b
= 1500kg/cm
2
.
Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ
Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 29 -
Khi t
o
< 0
o
C thì thép có cờng độ cao hơn 1 chút nhng dòn hơn. Khi t
o
< -10
o
C
thì tính dòn tăng lên rõ rệt v -45
o
C thnh dòn v dễ nứt.

Đ2.3 hiện tợng mỏi của thép

Thí nghiệm cho thép chịu tác dụng của tải trọng trùng phục (tải trọng lặp đi lặp
lại nhiều lần khoảng vi triệu lần). Kéo mẫu thép vợt quá giới hạn chảy rồi dỡ bỏ tải
trọng rồi lại kéo với tải trọng lớn hơn, ta có đợc biểu đồ hình 2.7:



Hình 2.7: Biểu đồ ứng suất v biến dạng ứng với nhiều lần tải trọng khác nhau


vòng trễ


Hình 2.8: Hiện tợng vòng trễ

Nếu với tải trọng không đổi thì sau 1 số chu kỳ ta sẽ có biểu đồ đi theo 1 vòng kín.
Ngời ta gọi đó l hiện tợng trễ, còn gọi l vòng trễ (hình 2.8). Điều ny chứng tỏ tải
trọng tiếp theo không gây nên biến dạng d nghĩa l chỉ có biến dạng đn hồi. Mỗi lần
tác dụng lm thép mất đi 1 năng lợng bằng công có giá trị bằng diện tích vòng kín, lm
mất dần khả năng chịu lực của thép v lm giảm lực liên kết giữa các hạt thép. Sau nhiều
lần các hạt thép trợt lên nhau sẽ tạo ra mặt trợt v sau đó gây nứt. Đó l hiện tợng
phá hoại do mỏi.
Thực nghiệm cho thấy rằng hiện tợng trễ xảy ra ngay khi ứng suất lớn nhất cha
vợt quá giới hạn đn hồi. Sự phá hoại do mỏi xảy ra khi ứng suất vợt quá trị số ứng
suất gọi l giới hạn mỏi. Nh vậy giới hạn mỏi l giới hạn ứng suất nếu ứng suất do tải
Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ
Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 30 -
trọng trùng phục lớn hơn nó thì các mặt trợt tinh thể thép tăng nhanh v lm tăng các
diện tích vòng trễ gây nên vết nứt v lm thép bị phá hoại.
24
6

8
10
12
14
10
6
n
10
20
40
~17

ghm
KN/cm
2

Hình 2.9: Hiện tợng mỏi của thép

Thời gian nghỉ giữa 2 lần tác dụng của tải trọng lâu thì thép có khả năng khôi
phục lại tính chất ban đầu. Giới hạn mỏi phụ thuộc vo đặc trng tải trọng lặp, kết cấu
v phụ thuộc vo tỷ số
max
min


:
Khi chu kỳ có tính chất đối xứng, nghĩa l
1
max
min

=


thì
benghmoi
R
2
1
=

.
Khi kết cấu chịu lực 1 dấu, nghĩa l
0
max
min
=


thì
chayghmoi


=
.
Nh vậy kết cấu vừa chịu nén v chịu kéo thì rất nguy hiểm về mỏi. Khi tính toán thiết
kế về mỏi, ta lấy cờng độ giới hạn mỏi:

chayghmoi

.
=
(2.3)
Trong đó:
+: hệ số triết giảm cờng độ khi tính mỏi bởi lực tác dụng có tính chất chu kỳ
v đợc xác định theo công thức:

()()
1
7.07.0
1

+
=


baba
(2.4a)
+a, b: các hệ số với a phụ thuộc chế độ của tải trọng, b phụ thuộc tỷ số giữa
cờng độ tính toán cơ bản v cờng độ chịu kéo tức thời của thép v đợc lấy:
o a = 0.58 v b = 0.26 đối với thép than.
o a = 0.65 v b = 0.3 đối với thép hợp kim thấp.
o Đối với các bộ phận thuộc phần xe chạy v liên kết của chúng, cũng nh
đối với các bộ phận lm việc chịu tải trọng cục bộ của dn chủ v liên kết
giữa chúng m khi khi chiều di đặt tải của đờng ảnh hởng 22m thì hệ
số a đợc tăng lên A lần:
1.

=

CBA với B v C phụ thuộc vo đợc
tra bảng.
Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ
Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 31 -
+: đặc trng của chu kỳ thay đổi ứng suất,
max
min



= .
+
max
,
min
: ứng suất lớn nhất v nhỏ nhất theo trị số tuyệt đối có kèm theo dấu.
Dấu (+) khi kéo v (-) khi nén. [*Trong dầm đơn giản
min
chỉ do tĩnh tải gây ra*].
+: hệ số tập trung ứng suất đợc tra bảng.
Khi xác định đối với thép cơ bản của các thanh m lm việc chịu nén l chủ yếu (
max
< 0) thì dấu trong ngoặc của mẫu số công thức (2.4a) phải lấy ngợc lại vì điều kiện lm
việc mỏi khi chịu nén tốt hơn.

()()
1
7.07.0
1

+
=


baba
(2.4b)

Khi tính toán thiết kế cầu cần kiểm tra về mỏi, đợc tính với tải trọng tiêu chuẩn
không kể hệ số vợt tải nhng kể hệ số xung kích.

Đ2.4 tác dụng hệ số xung kích của hoạt tải

Khi xe chuyển động trên cầu ngoi áp lực tĩnh do trọng lợng gây ra, nó còn chịu
tác dụng của tải trọng động. Tác dụng xung kích có 2 loại:
Ngẫu nhiên: mặt đờng không bằng phẳng, gặp chớng ngại vật,
Có chu kỳ: nhịp rung của lò xo bánh xe ôtô, va đập bánh xe lửa lên chỗ nối ray,
va đập của vệt xích lên mặt đờng, nhịp đi của ngời, gia xúc,
Nguy hiểm nhất l tải trọng có tính dao động. Nếu tần số dao động của tải trọng trùng
với tần số dao động của cầu gây ra cộng hởng dao động rất nguy hiểm. Ví dụ 1 số cầu
bị phá huỷ do tải trọng có tính chu kỳ nh cầu qua sông Suikin ở Philadenphia (Mỹ) xây
dựng năm 1809 bị phá huỷ 1811 khi có 1 đon súc vật đi qua v cầu ny đợc khôi phục
lại năm 1816 v lại phá huỷ do tuyết đọng. Cầu qua sông Men (Pháp) xây dựng năm
1828 đến năm 1850 bị sập do có 1 đon quân đi đều qua cầu trong lúc gió bão lm 226
ngời thiệt mạng,
Tác dụng xung kích đó đợc tính toán bởi hệ số xung kích (1+):
Đối với cầu thép trên đờng ôtô gồm cầu dầm, vòm, hệ liên hợp, hệ mặt cầu, trụ
thép:

()

+
+=+
5.37
15
11
(2.5)
Đối với cầu treo:

()


+
+=+
75
50
11 (2.6)
Đối với cầu đờng sắt:

()


+
+=+
30
18
11 (2.7)
Trong đó:
+: chiều di đặt lực đờng ảnh hởng.

Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ
Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 32 -
+Riêng đối với cầu đờng sắt (1+) không nhỏ hơn 1.2 khi tính theo cờng độ
v 1.1 khi tính mỏi.
Nhận xét: (1+) v cha phản ánh đầy đủ tác dụng xung kích của tải trọng
động. Đối với cầu lớn v quan trọng, ta cần xét đến dao động riêng của cầu v tải trọng
v xét đến cộng hởng của chúng.

Đ2.5 tính toán theo trạng thái giới hạn

Phơng pháp tính toán kết cấu thép theo TTGH l phơng pháp tiên tiến đang
đợc sử dụng ở nhiều nớc. Phơng pháp ny do các nh khoa học Liên Xô đề ra năm
1950.
Tính theo TTGH l thiết kế công trình đảm bảo không vợt quá các điều kiện
giới hạn. Đó l 3 TTGH:
TTGH 1: cờng độ gồm độ bền, ổn định, mỏi.
TTGH 2: biến dạng.
TTGH 3: nứt.
5.1-Trạng thái giới hạn 1:

Điều kiện:



N (2.8)
Trong đó:
+N: nội lực trong kết cấu, l hm của tải trọng. Tổng quát ta có:


=

iii
nPN

(2.9)
+P
i
: tải trọng tiêu chuẩn.
+
i
: nội lực trong kết cấu do P
i
= 1.
+n
i
: hệ số vợt tải v hệ số xung kích.
+: khả năng chịu lực của công trình, l hm của vật liệu v đặc trng hình học
của tiết diện. Tổng quát ta có:

mRF
=

(2.10)
Trong đó:
+F: đặc trng hình học của tiết diện.
+R: cờng độ vật liệu.
+m: hệ số điều kiện lm việc.
5.2-Trạng thái giới hạn 2:

Điều kiện:

gh



(2.11)
Trong đó:
+: biến dạng hay chuyển vị của kết cấu do tác dụng ngoại lực. Tổng quát ta
có:


=
ii
P

.
(2.12)
+P
i
: tải trọng tiêu chuẩn.
Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ
Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 33 -
+
i
: chuyển vị hay biến dạng do P
i
= 1.
+
gh
: trị số biến dạng hay chuyển vị cho phép của công trình đảm bảo điều kiện
lm việc bình thờng của công trình.

5.3-Trạng thái giới hạn 3:

Điều kiện:

gh
ee

(2.13)
Trong đó:
+e: bề rộng đờng nứt.
+e
gh
: bề rộng giới hạn của đờng nứt.
Nhận xét: thép l vật liệu dẻo nên không thể chịu lực m sinh ra nứt. Thông
thờng nứt của thép l do nguyên nhân khác nh: gỉ, hn, do gia công chế tạo có khuyết
tật, Vì vậy cầu thép thờng không thiết kế TTGH 3.

Đ2.6 các loại thép hình trong cầu thép

6.1-Thép tấm (bản):




Hình 2.10: Thép bản

Thép bản đợc cán thnh từng tấm có chiều dy 2ữ60mm với kích thớc:
Chiều rộng 160ữ1050mm, chiều di 18m (bản vạn năng).
Chiều rộng 2000ữ2500mm, chiều di 8m.
Chiều rộng 3000ữ3600mm, chiều di 12m.

Dựa vo các yêu cầu về cấu tạo v gỉ, chiều dy thép tấm phải đảm bảo:
Đối với bộ phận chính : 10ữ12mm.
Bộ phận phụ: 8mm.
Bản đệm: 4mm.
Bản nút tán đinh: 10mm.
Bản thép trong kết cấu hn không nên lấy dy quá. Đối với thép than < 50mm,
thép hợp kim < 40mm.
Thép tấm đợc dùng rộng rãi vì tính chất vạn năng, có thể tạo ra đợc các loại tiết
diện có hình dạng v kích thớc bất kỳ.
Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ
Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 34 -
6.2-Thép góc:
Có 2 loại thép góc đều cạnh v không đều cạnh:
Thép góc đều cạnh có bề rộng các cạnh bằng nhau b = 20ữ250mm, = 3ữ30mm.
Thép góc không đều cạnh có bề rộng các cánh không bằng nhau (1 cạnh lớn
khoảng 1,5 lần cạnh kia). Kích thớc lớn nhất của thép góc không đều cạnh
250*160*20mm, di tới 12ữ19m.


B
B
d
d
xx
y
y

B'
d
d

B
xx
y
y

Hình 2.11: Các dạng thép góc

Trong cầu thép không nên dùng thép góc có kích thớc nhỏ hơn:
100*100*10 cho kết cấu chịu lực chính.
80*80*8 cho các thanh liên kết.
63*63*6 cho các thanh giằng.
-Đặc điểm của thép góc l cánh có 2 mép song song nhau tiện cho việc cấu tạo liên kết
v l loại đợc hay dùng nhiều nhất trong kết cấu thép.
6.3-Thép chữ I:

Thép chữ I chủ yếu dùng lm dầm chịu uốn, có 2 loại cánh rộng v hẹp:

d
x
y
y
x
b
h

xx
y
y

Hình 2.12: Các dạng thép I

Loại cánh hẹp: có chiều cao h=100ữ700mm, bề dy cánh dy hơn bề dy sờn
đứng để tăng mômen quán tính. Do yêu cầu về mặt cán thép nên mặt trong cánh
thép I có độ dốc 12% nên rất khó tán đinh v thờng dùng cho hệ mặt cầu v
dầm chủ chịu tải trọng nhỏ.
Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ
Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 35 -
Loại cánh rộng: có bề rộng khá lớn, bề dy cánh không thay đổi nên thuận tiện
cho việc tán đinh lên cánh; ngoi ra có độ cứng theo phơng ngang tốt hơn. Loại
ny có 2 loại:
Loại kiểu dầm: 60.035.0 ữ=
h
b
, chiều cao h tới 1m.
Loại kiểu cột: có bề rộng cánh rộng hơn.
6.4-Thép chữ
[:
Loại ny có 1 thnh đứng v 2 cánh. Cánh thép có độ dốc 10%, cánh tơng đối
rộng do đó có thể tán đinh lên cánh. Chiều cao h = 50ữ400mm v di đến 19m.
h
b
d
xx
y
y

Hình 2.13: Các dạng thép chữ [

Thép chữ [ có 1 mặt bụng phẳng v các cạnh vơn rộng nên tiện liên kết với các
cấu kiện khác. Nó thờng đợc dùng lm dầm chịu uốn, thanh dn,

Ngoi các loại thép cơ bản nói trên, ta còn sản xuất loại đặc biệt nh hình ống,
hình lợn sóng,
xx
y
y
xx
y



Hình 2.14: Các dạng thép hình ống, lợn sóng

Đối với kết cấu dùng hợp kim nhôm, ta cũng dùng loại tiết diện nh trên v 1 số
tiết diện để tăng cờng độ cứng.
Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ
Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 36 -

Hình 2.15: Các dạng thép khác

Đ2.7 liên kết mối hn trong kết cấu thép

7.1-Các phơng pháp hn:

7.1.1-Hn điện:

7.1.1.1-Hn hồ quang điện bằng tay:

Nguyên lý:
Que hn
hồ quang

tay cầm
thép cơ bản
dây dẫn
nguồn điện

Hình 2.16: Nguyên lý hn

Dùng que hn v thép cơ bản (thép cần hn) nối với nguồn điện để tạo ra 2 điện
cực.
Dới tác dụng của dòng điện, xuất hiện hồ quang điện lm nóng chảy thép que
hn v thép cần hn. Que hn chảy từng giọt rơi xuống rãnh hn do lực hút điện
trờng (do lực hút ny m có thể hn trần phía trên tuy nhiên chất lợng không
cao). Hai kim loại hòa lẫn với nhau nguội lại tạo thnh đờng hn. Vì vậy bản
chất của mối hn l sự liên kết giữa các phần tử của các kim loại bị nóng chảy.
Nguồn điện hn dùng điện 1 chiều có hiệu điện thế thấp. Cờng độ dòng điện ảnh
hởng đến chất lợng đờng hn: cờng độ giảm hn sẽ không ngấu, chất lợng kém;
cờng độ dòng điện tăng thì chiều sâu đờng hn lớn, ngấu v nhanh nhng nếu lớn quá
sẽ cháy thép lm thép gi v dòn hơn. Cờng độ dòng điện I=150ữ500A, nhiệt độ ngọn
lửa hồ quang 6000ữ7000
o
C, nhiệt độ nóng chảy ở katod 2400
o
C, ở anod 2650
o
C.
Dới tác dụng của dòng điện cực mạnh, tia lửa hồ quang phóng từ katod sang anod
kéo theo luồng áp suất, kim loại bị nóng chảy v bị hút vo rãnh đờng hn. Khi hn
trần v hn đứng cần dòng điện cao hơn để tránh thép nóng chảy rơi xuống.
Khi hn thép nóng chảy sẽ tiếp xúc với không khí lẫn ôxy, nitơ lm thép gi v dòn.
Vì vậy phải hạn chế ngọn lửa hn (ngọn lửa hồ quang cng di cng hại) khống chế

khoảng cách giữa que hn v thép từ 2ữ3mm (nếu nhỏ hơn sẽ tắt). Đồng thời phải dùng
que hn có thuốc, thnh phần của nó gồm 1 số quặng, xỉ, 1 số chất cháy để khi nóng
chảy nó phủ lên thép ngăn cản tiếp xúc với không khí v lm nguội từ từ.
Ngời ta cấm dùng que hn trần (không có thuốc). Ta có thể thấy ở các chỉ tiêu sau:
Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ
Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 37 -

Que hn 42
bình thờng
Que hn trần
+Cờng độ phá hoại
4200ữ4800 kg/cm
2
2500ữ3500 kg/cm
2

+Cờng độ chảy
2800ữ2900 kg/cm
2
2200ữ3000 kg/cm
2

+Độ dãn di tơng đối
18ữ20% 3ữ4%
+Độ dẻo va chạm
8ữ12 kgcm/cm
2

1 kgcm/cm
2

(yêu cầu > 5)
u, nhợc điểm:
Dùng tiện lợi, có thể hn mọi đờng hn v thích ứng ở công trờng.
Chất lợng phụ thuộc trình độ công nhân v thông thờng chất lợng, tốc độ kém
hơn so với hn tự động.
7.1.1.2-Hn hồ quang điện tự động:


thép cơ bản
thuốc hn
rãnh
dây hn

Hình 2.16: Nguyên lý hn hồ quang tự động

Về nguyên tắc giống nh hn bằng tay nhng ở đây que hn đợc thay bằng cuộn
dây hn trần v dùng máy hn tự động chạy dọc theo đờng hn. Nó có đặc điểm l lớp
phủ bố trí ở trong rãnh, hn dới lớp phủ tức l hồ quang điện cháy chìm dới lớp thuốc;
cờng độ dòng điện I=800ữ1000A.
u, nhợc điểm:
u điểm:
Năng suất v chất lợng cao.
Tập trung nhiệt nên mối hn ngấu, chất lợng đảm bảo.
Kim loại lỏng đợc phủ lớp thuốc nên nguội từ từ tạo điều kiện cho bọt khí
ra ngoi lm đờng hn đặc hơn.
Hồ quang điện cháy chìm nên không ảnh hởng đến sức khỏe thợ hn.
Tránh đợc hiện tợng cháy thép v đỡ tốn que hn.
Nhợc điểm:
Phải dùng máy móc cồng kềnh, không dùng trên công trờng.
Không dùng để hn đờng hn trần, hn đứng, hn ngóc ngách v chiều di

đờng hn ngắn.
7.1.1.3-Hn tiếp xúc:

Đây cũng l phơng pháp hn tự động đợc thực hiện trên các máy hn chuyên
dụng nên có năng suất v chất lợng cao. Khi có dòng điện lớn chạy qua, tại vị trí tiếp
xúc xuất hiện điện trở, khi tiếp xúc lớn sinh ra nhiệt lm thép dẻo hoặc chảy lỏng. Nếu
hn dẻo thì dùng áp suất ép cho thép hn nối liền, còn hn chảy thì không cần ép.
Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ
Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 38 -
7.1.2-Hn hơi (hn xì):
Khi không có điện v khi hn các tấm mỏng, ta dùng hn hơi. Hổn hợp của
chúng gồm ôxy O
2
v acetylen C
2
H
2
. Hai loại ny đựng ở 2 bình riêng dẫn vo 1 mỏ hn
nhờ 1 dây mềm, khi cháy nhiệt độ lên 3200
o
C lm nóng chảy kim loại. Thông thờng
ngời ta dùng thiết bị ny để cắt thép l chính, còn hn kết cấu nên dùng hn điện.
7.2-ứng suất v biến dạng khi hn:



ứ
ng suất co ngót ngang ứng suất co ngót dọc
Hình 2.18: Phân loại ứng suất hn

Đoạn ứng suất
bị chảydẻo
t
a
b
c

l

Hình 2.19: ứng suất v biến dạng khi hn cạnh
Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ
Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 39 -
Khi hn dới tác dụng của nhiệt độ gây ứng suất v biến dạng. Khi hn do thép
nóng không đều gây ra ứng suất v khi nguội thì biến dạng bị cản trở. ứng suất ny gọi
l ứng suất hn, còn gọi l ứng suất nhiệt, ứng suất co ngót. Tùy theo phơng của ứng
suất hn so với đờng hn m phân ra ứng suất co ngót ngang v dọc (hình 2.18).
Xét 1 bản thép đợc hn ở cạnh:
Khi đốt nóng từ nhiệt độ t
1
đến t
2
, thanh sẽ di thêm 1 đoạn:
[]
12
ttll =

. Nếu
biến dạng tự do thì theo quy luật biến thiên nhiệt độ l đờng cong nhng biến
dạng của thép bản vẫn theo quy luật tiết diện phẳng dẫn đến sự chênh lệch biến
dạng gây ra ứng suất trong thanh thép. Do đó trong thanh xuất hiện ứng suất

E
l
l
E

==

.
Trong miền l khi nhiệt độ >600
o
C sẽ không có ứng suất vì thép bị chảy dẻo
(hình 2.19d). Khi nguội thép chảy co lại nhng thép cơ bản cản trở sự co đó nên
trong thép hn xuất hiện ứng suất kéo v thép cơ bản xuất hiện ứng suất nén
(hình 2.19e) ngợc với (hình 2.19d).
Xét 1 mối hn góc:

3
2
1
phần tiếp giáp với thép chính sự
co bị cản trở nên có ƯS kéov
phần mép mối hn có ƯS nén
Nếu hn lm nhiều lớp khi nguội lớp
sau triệt tiêu bớt ƯS của lớp trứơc do
đó ƯS du trong mối hn giảm nhiều

Hình 2.20: ứng suất v biến dạng khi hn góc

Phần tiếp giáp với thép chính sự co bị cản trở nên có ứng suất kéo v phần mép
ngoi mối hn chịu ứng suất nén. Nh vậy trong mối hn có ứng suất d.

Nếu hn nhiều lớp khi nguội lớp sau triệt tiêu bớt ứng suất d của lớp trớc do đó
ứng suất d trong mối hn giảm nhiều.
Một số biện pháp lm giảm ứng suất hn v biến dạng hn:
ứng suất hn tự cân bằng v trong giai đoạn lm việc dẻo của vật liệu chúng sẽ bị
san bằng vì vậy không ảnh hởng đến khả năng chịu lực của liên kết. Tuy nhiên
ứng suất hn lm tăng khả năng phá hoại dòn của kết cấu; mặt khác biến dạng
hn lm mất công sửa chữa cấu kiện nên cần tìm cách giảm chúng.
Biện pháp cấu tạo:
Giảm số lợng đờng hn đến mức tối đa.
Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ
Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 40 -
Không nên dùng đờng hn quá dy vì biến dạng hn tỷ lệ thuận với khối
lợng thép nóng chảy.
Tránh tập trung đờng hn vo 1 chỗ, tránh đờng hn kín hoặc cắt nhau
cản trở biến dạng tự do của vật liệu khi hn.
Biện pháp thi công:
Chọn trình tự hn thích hợp. Ví dụ nếu đờng hn đối đầu quá di nên chia
thnh nhiều đoạn rồi hn tuần tự, khi đó ứng suất hn sẽ bị chia nhỏ v giá
trị giảm đi.
Tạo biến dạng ngợc trớc khi hn.
Dùng khuôn cố định không cho kết cấu biến dạng khi hn.
7.3-Các loại mối hn:

7.3.1-Mối hn đối đầu:



Hn thẳng góc
Hn xiên góc

0,3


Khi
8
mm
7
0
0
2

2mm


2-2.5mm

25mm
7
0
0

Khi
= 1025
mm

2mm
Khi hn 2 mặt khó

Hình 2.21: Cấu tạo mối hn đối đầu

Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ
Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 41 -
Hn đối đầu l 2 thanh thép phải đặt trên cùng mặt phẳng, thờng dùng để nối
các bản thép v ít dùng để liên kết các thép hình vì khó gia công mép thanh thép góc.
Đờng hn nằm ở khe hở nhỏ giữa 2 thanh thép cần hn đặt đối đầu. Khe hở ny
còn nhằm để các chi tiết hn biến dạng tự do khi hn, tránh cong vênh. Đờng hn đối
đầu có thể thẳng góc hoặc xiên góc. Hn xiên góc tránh đợc hiện tợng hóa cứng trên
ton tiết diện.
u, nhợc điểm:
Chịu lực tốt (đúng tâm) v ứng suất cục bộ nhỏ.
Phải gia công mép đờng hn, phải đảm bảo khoảng cách v kích thớc.
7.3.2-Mối hn góc:

Mối hn góc l nằm ở góc vuông của 2 thanh thép đặt chồng lên nhau để liên kết
chúng lại. Tiết diện đờng hn l 1 tam giác vuông cân, hơi phồng ở giữa, cạnh của tam
giác gọi l chiều cao đờng hn. Đoạn chồng lên nhau của 2 thanh thép theo yêu cầu bố
trí đờng hn lấy 5
min
(
min
l bề dy thanh thép nhỏ nhất).
h
h
h
h

1

1
h
h


Hình 2.22: Cấu tạo mối hn đối góc
t
tl
A C
A C
NN


A - B C - D
t
max

h
h
0.1
h
Đừơng ứng suất

h
=0.7h
h

Hình 2.23: ứng suất trong đờng hn góc
Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ
Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 42 -

Mối hn góc có u điểm l không phải gia công mép v hn đơn giản. Tuy nhiên,
đờng ứng suất phân bố không đều theo chiều rộng, chiều di bản thép cũng nh dọc
theo đờng hn; mặt khác nó cong lệch dồn tại đờng hn gây nên tập trung ứng
suất.Do đó không nên dùng cho kết cấu chịu tải trọng động. Để giảm ứng suất tập trung
ny ta dùng đờng hn thoải với tỷ lệ giữa 2 cạnh l 1:1.5, cạnh lớn nằm dọc theo hơng
lực tác dụng:
1.5h
h
0.7h
h
h
h


Hình 2.24: Đờng hn thoải

Quy định đối với thép hn nh sau:
Để tránh hiện tợng hn không ngấu, chiều cao đờng hn
mmh
h
4
min

.
Để tránh thép bị cháy, chiều cao đờng hn
min
min
5.1

h
h chịu tải trọng tĩnh v
min
min
2.1


h
h chịu tải trọng động với
min
l chiều dy bản thép nhỏ nhất.
7.3.3-Mối hn rãnh:




Hình 2.25: Cấu tạo mối hn rãnh v đờng hn kiểu đinh tán

Loại ny thờng dùng khi bắt buộc phải hn 2 bản thép chồng lên nhau v dùng
kết hợp khi mối nối hn theo đờng viền không đủ chiều di. Ta có thể thay đờng hn
rãnh bằng đờng hn kiểu đinh tán.
7.4-Phân loại đờng hn:

Tùy theo ý nghĩa của mối hn, ta phân ra:
Theo sự chịu lực của mối hn:
Mối hn chịu lực: liên kết các bộ phận chịu lực.
Mối hn cấu tạo: có tính chất liên kết.
Theo vị trí của mối hn:
Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ
Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 43 -

Hn bằng (hn nằm).
Hn đứng (hn leo).
Hn trần (hn ngửa).

hn trần
hn bằng
hn
đứng
hn
bằng
hn trần

Hình 2.26: Phân loại đờng hn

7.5-Các loại liên kết hn v phơng pháp tính toán:

7.5.1-Hn đối đầu:

Có 2 cách hn: hn thẳng góc v xiên góc:



l
h

N N
b
NN
t

l
h





l
h

MM
M
M
Q
Q

l
h


Hình 2.27: Sơ đồ tính toán mối hn đối đầu

Khi hn thẳng góc, ta có công thức kiểm tra điều kiện bền:

h
h
h
Rm
l

N
.
.
=


(2.15)
Trong đó:
+N: nội lực tính toán.
+R
h
: cờng độ mối hn chịu kéo, nén.
+l
h
: chiều di tính toán đờng hn, lấy l
h
= b-2 vì 2 đầu đờng hn có chất
lợng không tốt.
+b: bề rộng thực tế của đờng hn, tức l bề rộng bản thép.
+: chiều dy tính toán của đờng hn (lấy bằng chiều dy bản thép nhỏ nhất).
+m: hệ số điều kiện lm việc.
Khi hn xiên góc, ta có công thức:
Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ
Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 44 -
Khi duyệt theo ứng suất pháp:
h
h
h
Rm
l

N
.
.
sin.
=



(2.16)
Khi duyệt theo ứng suất tiếp:
c
h
h
h
Rm
l
N
.
.
cos.
=



(2.17)
Trong đó:
+R
c
h
: cờng độ mối hn chịu cắt.

-Khi mối hn chịu mômen M v lực cắt, ta có công thức:












=
=
+=
h
h
h
h
hhhtd
l
Q
l
M
Rm
.
.
6
.15.13

2
22





(2.18)
7.5.2-Hn có bản đệm:

Hn có bản đệm l lực truyền từ cấu kiện ny sang cấu kiện kia qua các bản đệm,
các bản đệm đợc liên kết với thép cơ bản bằng các đờng hn góc.


10-20
5
1

1

1

1

Hình 2.28: Sơ đồ mối hn có bản đệm

Loại ny có u điểm hn v cấu tạo mối hn đơn giản, không phải gia công mép cấu
kiện nhng nhợc điểm l tốn mối hn hơn, bản ghép v lm việc kém hơn mối hn đối
đầu. Ngoi ra trong liên kết có ứng suất tập trung lớn vù vậy không nên dùng để chịu tải
trọng động.

Để tránh ứng suất tập trung v hiện tợng hóa gi tại 1 tiết diện, ta có những hình
thức hn sau:


Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ
Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 45 -

50 mm
50 mm

Hình 2.29: Sơ đồ mối hn có bản đệm hạn chế ứng suất tập trung

Đối với thép hình, ta có thể hn theo nguyên tắc sau:

b
b
khi b>=130mm
cắt vát

Hình 2.30: Sơ đồ mối hn thép hình hạn chế ứng suất tập trung

Công thức kiểm tra mối hn khi chỉ có lực dọc:

hh
c
h
hlRmN 7,0

(2.18)
Trong đó:

+l
h
: tổng chiều di tính toán đờng hn, lấy bằng chiều di thực tế của đờng
hn trừ đi 10mm để đến chất lợng không tốt ở đầu v cuối đờng hn.
7.5.3-Hn chồng:

Công thức tính:






=


hhh
c
h
h
hlF
R
Fm
N
.
7,0
(2.19)

Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ
Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 46 -

1

a5
min
NN

Hình 2.31: Sơ đồ tính toán mối hn chồng

Khi hn thép góc cần chú ý mối hn đúng tâm khi chịu kéo, điều ny có nghĩa l
trọng tâm các đờng hn trùng với trọng tâm tiết diện thép góc:

e
2
e
1
l
2
bản
thép
thép góc
N
1
N
2
N
l
1

Hình 2.32: Sơ đồ tính toán mối hn chồng không đối xứng

Diện tích yêu cầu của mối hn:

c
h
hhh
Rm
N
FFF
.
21
=+= (2.20a)
Lấy mômen tĩnh đối với trọng tâm tiết diện thép góc:








+
=
+
=
=
21
1
2
21

2
1
2
2
1
1
.
.
0
ee
eF
F
ee
eF
F
eFeF
h
h
h
h
hh
(2.20b)