khảo sát ứng xử chịu cắt của liên kết perfobond dạng mở được sử dụng trong dầm liên hợp bê tông - thép

1

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU


1.1-Giới thiệu chung về kết cấu liên hợp bê tông-thép
Kết cấu liên hợp bê tông-thép (composite construction) là sự kết hợp của bê
tông - thép kết cấu và cốt thép thành một thể thống nhất làm việc đồng thời với
nhau
1
. Nó đã được nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới trong những năm đầu của
thập niên 1920, hiện nay nó được sử dụng rộng rãi trong xây dựng công trình dân
dụng, công nghiệp và hạ tầng giao thông.
Sử dụng kết cấu liên hợp không những tăng khả năng chịu lực, độ cứng, độ dai
của kết cấu mà còn bảo đảm các yếu tố về kiến trúc, kinh tế, tính ứng dụng cao. Kết
cấu liên hợp có nhiều ưu điểm hơn so với kết cấu bê tông cốt thép truyền thống đó
là giảm được kích thước dầm có nhịp lớn, bản sàn mỏng, có thời gian thi công
nhanh do đó tiết kiệm được chi phí, sớm đưa công trình vào sử dụng. So với kết cấu
thép thông thường, kết cấu liên hợp giảm được các nguy cơ gây bất ổn định.
Việc nghiên cứu ứng dụng và phát triển kết cấu liên hợp hiện đang được nhiều
quốc gia quan tâm, trên thế giới cũng như Việt Nam hiện nay đã có các công trình
sử dụng kết cấu liên hợp vì ưu điểm của nó là có độ cứng hình học lớn và khả năng
chịu lực cao hơn so với kết cấu bê tông cốt thép thông thường. Chẳng hạn như tòa
nhà Major Bank cao 35 tầng ở thành phố Dallas bang Texas, trụ sở của Citibank ở
Duisburg - Đức. Ở Việt nam công trình sử dụng kết cấu bê tông thép điển hình là
trung tâm thương mại Diamond Plaza tọa lạc tại trung tâm Tp HCM. Gần đây các
công trình cầu vượt mới được thi công ở Hà nội cũng sử dụng kết cấu liên hợp,
trong khi luận văn này đang được thực hiện thì nhà thầu Freyssiness của Pháp đang

1

Từ đây về sau sẽ được gọi ngắn gọn là kết cấu liên hợp
2

tiến hành sửa chữa các nhịp dầm thép của cầu Bình Phước - Tp HCM. Giải pháp
chính của biện pháp gia cường là sử dụng các kết cấu liên hợp bê tông thép.
Một trong những công trình điển hình cho sự ứng dụng thành công kết cấu liên
hợp là công trình Millennium Tower cao 55 tầng (hình 1.1), với chiều cao công
trình là 202m. Công trình được thi công và hoàn thành với thời gian kỷ lục trong
vòng 8 tháng [1].



a) Toàn cảnh công trình
b) Mặt bằng dầm sàn
Hình 1.1: Công trình Millennium Tower, Tp Viên, Áo

Không những được sử dụng trong công trình nhà, kết cấu liên hợp còn được sử
dụng rộng rãi trong việc xây dựng các công trình cầu vượt nhịp lớn, gần đây nhất
nút giao thông Hàng xanh-Tp HCM đã chính thức được hợp long, công trình này sử
dựng kết cấu liên hợp để rút ngắn thời gian thi công.

3



Hình 1.2: Thi công nút cầu vượt Hàng xanh – Tp HCM

1.2- Động lực cho nghiên cứu
Trong một hệ kết cấu liên hợp bao gồm 03 thành phần cơ bản: Kết cấu thép,
kết cấu bê tông cốt thép và chi tiết liên kết hai phần bê tông và thép. Hai phần bê

tông và thép đóng vai trò khối chịu tải trọng tác tộng từ bên ngoài. Liên kết (shear
connector) đóng vai trò truyền lực giữa hai khối trên và đảm bảo chúng làm việc
đồng thời. Trong thực tế thiết kế và xây dựng công trình hiện nay, chi tiêt liên kết
dạng đinh (headed sud) đang được sử dụng phổ biến cho các loại kết cấu. Hình 1.3.
minh họa một kết cấu dầm vượt nhịp lớn có sử dụng liên kết đinh.

Hình 1.3: Dầm cầu thi công bằng liên kết dạng đinh

4

Trong quá trình sử dụng liên kết đinh mũ (head stud connector) đã xuất hiện
một số bất lợi chẳng hạn như các yêu cầu về thiết bị hàn khi thi công tại hiện
trường. Vật liệu thép cho liên kết đinh tán bắt buộc phải có cường độ cao hơn thép
kết cấu, điều này dẫn đến các khó khăn khi nhiều nơi chưa thể tự sản xuất loại thép
này. Những điều này đã thôi thúc các kỹ sư và nhà nghiên cứu tìm kiếm các giải
pháp thay thế cho liên kết đinh mũ.
Dạng liên kết perfobond là một giải pháp thay thế cho liên kết kiểu đinh mũ sử
dụng trong kết cấu dầm, perfobond được đề nghị bởi LEONHARDT và cộng sự từ
thập niên 80 [2], đến nay nó đã nhận được sự quan tâm của giới kỹ sư công trình và
các nhà nghiên cứu. Sản phầm dầm liên hợp VFT-WIB [3] của công ty SSS
Engineer (Đức) đã đưa vào ứng dụng liên kết perfobond cho dầm vượt nhịp khẩu độ
lớn. Hiện nay nó đang được sử dụng ở một số quốc gia trên thế giới. Theo đó dầm
cầu được chế tạo bởi dầm thép tiết diện I hay T ngược và liên kết perfobond hình
dạng mở được cắt trực tiếp từ bản bụng của dầm thép hoặc hàn vào bản cánh dầm
như hình 1.4a, điều này dẫn đến thuận lợi cho việc lắp đặt cốt thép tương đối dễ
dàng hình 1.4b.

a) Dầm cầu sau khi được cắt
b) Lắp đặt cốt thép
Hình 1.4: Dầm cầu thi công bằng liên kết dạng perfobond

Năm 1999, cầu vượt sông Lech ở Schongau của Đức (hình 1.5) đã sử dụng
liên kết perfobond cho dầm liên hợp, với nhịp cầu 27+30+26m. Theo đó, cầu có
tổng chiều dài 83m dài, các hạng mục chính của công trình được hoàn thành chỉ
trong vòng 3 tháng.
5


Hình 1.5: Cầu vượt sông Lech ở Schongau của Đức [3]

Trong thực hành thiết kế kết cấu liên hợp, tiêu chuẩn Eurocode 4 (EC4) đang
được sử dụng phổ biến rộng rãi trên thế giới, tuy nhiên trong EC4 chỉ trình bày chỉ
dẫn tính toán thiết kế và thí nghiệm cho liên kết chống cắt kiểu đinh mũ. Các loại
liên kết khác gần như chưa được đề cập một cách cụ thể.
Từ thực tế ứng dụng của các nước có ngành công nghiệp xây dựng phát triển
và đặc biệt là tình hình ứng dụng kết cấu liên hợp trong nước, việc tìm một loại liên
kết thay thế cho đinh mũ là một nhu cần cần thiết nhất là khi tất cả các loại liên kết
đinh mũ chưa thể sản xuất ở Việt nam. Chọn lựa loại perfobond thích hợp và khảo
sát khả năng chịu lực của nó để có thể ứng dụng trong công trình mà không phải
nhập khẩu liên kết đinh mũ là động lực thúc đẩy cho nghiên cứu này.
Ở Việt Nam hiện nay, công tác nghiên cứu liên quan đến liên kết perfobond
chỉ dừng lại ở việc tính toán lý thuyết cho từng kết cấu liên hợp riêng lẻ như cột
hoặc dầm liên hợp, còn trong thực tế thi công thì chưa có công trình nào áp dụng
bởi không có các dữ liệu đầy đủ khi thiết kế. Xuất phát từ thực tế trên, để tạo thuận
lợi cho thi công cũng như có thể áp dụng cho điều kiện kinh tế nước ta, việc khảo
sát khả năng chịu lực loại liên kết khác thật sự rất cần thiết.
6

1.3- Mục tiêu và giới hạn của đề tài
Đề tài khảo sát ứng xử chịu cắt của liên kết perfobond dạng mở được sử dụng

trong dầm liên hợp bê tông - thép sẽ được thực hiện trong nghiên cứu này. Chương
trình thí nghiệm được tiến hành với thiết kế của perfobond có hình dạng gần giống
với chữ Ω, các nhóm mẫu khác nhau sẽ được khảo sát nhằm đánh giá các yếu tố
liên quan đến cơ chế truyền lực, dạng phá hoại và khả năng chịu lực của liên kết
perfobond. Mỗi nhóm mẫu thí nghiệm sẽ được thay đổi các thông số mục tiêu. Bên
cạnh thí nghiệm, mô hình phần tử hữu hạn ba chiều cũng được thực hiện để mô
phỏng sự làm việc của liên kết. Ngoài ra mô phỏng số cũng nhằm đánh giá những
yếu tố ảnh hưởng đến sức chống cắt của liên kết mà thí nghiệm chưa thực hiện
được.
Liên kết perfobond được khảo sát trong nghiên cứu này được áp dụng giới hạn
cho loại dầm liên hợp có dầm thép định hình tiết tiện chữ I. Các giả thiết về phá
hoại do lực cắt theo phương vuông góc với trục dầm sẽ không được xét đến. Ngoài
ra bất ổn định của dầm thép cũng không được đề cập đến.

1.4- Nội dung và ý nghĩa của đề tài
1.4.1- Nội dung nghiên cứu
Với những vấn đề được trình bày ở phần trước về kết cấu liên hợp, đề tài tiến
hành khảo sát ứng xử của liên kết, bao gồm những vấn đề sau:
 Tính toán khả năng chịu lực cắt của liên kết.
 Đánh giá độ mềm của liên kết.
 Khảo sát dạng phá hoại của liên kết gồm phá hoại của thép, liên kết
chống cắt, đường hàn và bê tông.

1.4.2- Ý nghĩa thực tiễn và ý nghĩa khoa học của đề tài
Trong những năm gần đây, kết cấu liên hợp ngày càng được ứng dụng ở Việt
Nam, tuy nhiên những nghiên cứu về vấn đề liên quan đến loại kết cấu này chưa
nhiều. Nhằm mục đích nghiên cứu loại liên kết có thể áp dụng tại Việt Nam, đề tài
7

giới thiệu liên kết chống cắt dạng perfobond sử dụng trong liên kết dầm sàn liên

hợp.
Hiện nay vẫn chưa có tiêu chuẩn nào hướng dẫn cách tính toán cho loại liên
kết này, do đó việc thực hiện chương trình thí nghiệm sẽ giúp đánh giá chính xác
khả năng chịu lực của liên kết.

1.5- Phương pháp nghiên cứu
Để đánh giá khả năng ứng xử của liên kết, một chương trình thí nghiệm được
đặt ra xét tới ảnh hưởng của một số thông số. Các thông số khảo sát bao gồm kích
thước của lỗ liên kết, hàm lượng cốt thép đặt trong liên kết và cường độ chịu nén
của bê tông.
Chương trình thí nghiệm dựa theo chỉ dẫn của EC4, các thí nghiệm Push-out
đã được thực hiện với 6 nhóm mẫu khác nhau nhằm xác định cơ chế truyền lực và
độ dai của liên kết.

1.6- Cấu trúc luận văn
Luận văn này được chia làm các phần chính như sau:
Chương 1: Giới thiệu về nội dung, mục tiêu và ý nghĩa của đề tài nghiên cứu
Chương 2: Trình bày tổng quan về mô hình ứng xử của kết cấu liên hợp và
giới thiệu về liên kết chống cắt perfobond.
Chương 3: Trình bày nội dung của chương trình thí nghiệm push out cho 6
nhóm mẫu, từ đó nêu lên được những yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu cắt của
liên kết.
Chương 4: Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn cho thí nghiệm push out nhằm
khảo sát cơ chế truyền lực và khả năng làm việc của liên kết.
Chương 5: Nêu lên những kết luận của nghiên cứu, đồng thời đề xuất những
kiến nghị và hướng phát triển trong thời gian sắp tới.

8

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN

2.1- Liên kết chống cắt trong kết cấu liên hợp bê tông – thép
2.1.1- Tổng quan
Kết cấu liên hợp là sự kết hợp của bê tông cốt thép và kết cấu thép (gọi
chung là thép hình), phần thép định hình có thế có dạng tấm, thanh định hình hay
ống . . . Trong tổng thể công trình kết cấu liên hợp được dùng cho các cấu kiện chịu
lực như dầm, sàn, cột, dàn vòm hay các chi tiết liên kết ở các vị trí chịu lực đặc biệt.
Thông thường phần thép hình có thể nằm ngoài bao lấy bê tông hoặc được đặt bên
trong tiết diện.



a) Dầm liên hợp
b) Cột sử dụng thép hình

c) Sàn liên hợp
Hình 2.1: Ứng dụng của kết cấu liên hợp bê tông thép [1]

9

Hình 2.1a và 2.1b mô tả một số dạng điển hình của tiết diện kết cấu liên hợp,
hình 2.1c thể hiện một ứng dụng của kết cấu liên hợp trong hệ dầm sàn mà đang
được sử dụng phổ biến ở nước ta hiện nay [1].

Kết cấu liên hợp đang được sử dụng rộng rãi trong xây dựng công trình nhờ bố
trí tối ưu về khả năng chịu lực của mỗi loại vật liệu thành phần. Bê tông và cốt thép
là hai loại vật liệu hoàn toàn khác nhau nhưng khi trong cùng một kết cấu thì lại bổ
sung cho nhau. Như chúng ta đã biết, bê tông làm việc hiệu quả khi chịu nén và
ngược lại thép hiệu quả khi chịu kéo. Sự kết hợp giữa bê tông và thép sẽ làm tăng

độ cứng của cấu kiện và làm giảm nguy cơ mất ổn định so với kết cấu thép thuần
túy. Ngoài ra bê tông còn chống ăn mòn, chống nhiệt, chống cháy và thép làm cho
kết cấu dẻo dai hơn, làm tăng độ cứng hình học, từ đó giảm độ võng của kết cấu [1]

Đối với công trình dân dụng, kết cấu liên hợp được ứng dụng nhiều trong kết
cấu dầm sàn, với hệ dầm cột làm bằng thép (thường sử dụng thép hình chữ H và chữ
I) và sàn bằng bê tông. Dầm composite thực sự làm việc sau khi tấm tôn chịu lực,
cốt thép thường, chốt liên kết và bê tông đóng rắn kết hợp thành một cấu kiện duy
nhất. Dưới tác dụng của tải trọng, dầm composite bị uốn và ứng suất cắt xuất hiện
tại mặt tiếp xúc giữa bê tông và thép. Tại vị trí này sẽ phát sinh biến dạng trượt
tương đối giữa dầm thép và sàn bê tông. Do đó liên kết chống cắt (shear connector)
được bố trí nhằm ngăn cản sự trượt tương đối đó. Hình 2.2 mô tả trường hợp dầm
liên hợp khi có và không có sử dụng các liên kết chống cắt.


Hình 2.2: Vai trò của liên kết chống cắt trong dầm liên hợp [1]

10


Hình 2.3: Ứng xử của dầm liên hợp [1]

Hình 2.3 mô tả các trường hợp ứng xử của dầm liên hợp khi xét đến sự tương
tác làm việc giữa bê tông và dầm thép [1]. Theo đó, dầm chia thành ba loại như sau:
 Tương tác toàn phần (full interaction): không có sự trượt tương đối tại
mặt tiếp xúc giữa bản bê tông và dầm thép. Lực cắt dọc được truyền toàn bộ và tải
trọng phá hoại P
u
đạt giá trị lớn nhất, bê tông và thép làm việc cùng nhau hoàn toàn.
Phá hoại là dòn nếu xảy ra đột ngột, là dẻo nếu xảy ra từ từ.

 Không tương tác (no interaction): chuyển vị trượt tương đối giữa bê tông và
thép tại mặt tiếp xúc là không giới hạn; hầu như không có sự truyền lực cắt. Tải
trọng phá hoại P
u
nhỏ nhất, phá hoại là chuyển tiếp (progresive).
 Tương tác bán phần (partial interaction): trượt giữa bê tông và thép tại
mặt tiếp xúc khác không nhưng có giới hạn. Lực cắt được truyền một phần và P
u

nằm giữa hai giá trị trên. Phá hoại có thể là dòn hoặc dẻo.

Nhằm làm rõ hơn ứng xử của dầm, xét dầm có chiều dài L chịu tải trọng
phân bố đều, có dạng phá hủy mô tả như hình 2.4a [4]. Kết quả tính biến dạng trượt
và chuyển vị được mô tả như hình 2.4b,c cho thấy rằng, tại vị trí giữa dầm, chuyển
vị đạt giá trị lớn nhất, biến dạng trượt bằng không. Ngược lại, tại vị trí cuối dầm,
gần vị trí gối tựa thì chuyển vị bằng không còn biến dạng trượt đạt giá trị lớn nhất.
Đường nét liền mô tả kết quả của dầm không sử dụng liên kết chống cắt (no
11

interaction), đường nét đứt mô tả kết quả của trường hợp tính toán loại tương tác
bán phần (partial interaction). Điều đó chứng tỏ rằng liên kết chống cắt giúp tăng độ
cứng cho dầm nếu chúng làm việc hiệu quả.


Hình 2.4: Biến dạng, chuyển vị và trượt của dầm [4]

Sự trượt giữa dầm và sàn phụ thuộc vào mức độ chống cắt của liên kết. Hình
2.5 biểu diễn mức độ trượt giữa dầm và sàn khi có và không có liên kết.

b) Slip train

- 5 5
1.05
6.08
10
4
ds
dx
Slip mm
- 5
5
8
4
-4
-8
c) slip
a) deflected shape
S
L/2L/2
X
no interaction
partial interaction
x metres
1
0
x metres
1
0,45 mm
8,1 mm
0
max

12


Hình 2.5: Ảnh hưởng của lực cắt [1]

2.1.2- Các giai đoạn làm việc của dầm liên hợp
Sự làm việc của kết cấu được minh họa theo hình 2.6, được chia thành 3 giai
đoạn sau [5]:

Hình 2.6: Các giai đoạn chịu tải của dầm liên hợp [5]
 Giai đoạn 1:
Khi tải trọng còn nhỏ, bê tông và thép làm việc đàn hồi, ứng suất và biến
dạng là tuyến tính. Liên kết giữa chúng chịu lực cắt nhỏ. Dầm bị biến dạng ít nên
ứng suất tại giữa nhịp dầm phân bố dạng đường thẳng như hình 2.6a
13

Theo biểu đồ biến dạng, nếu sàn đủ dày thì trục trung hòa sẽ nằm trong bê
tông, như vậy một phần bê tông chịu kéo. Ngược lại, khi bản sàn mỏng thì trục
trung hòa nằm trong phần dầm thép thì lúc này phần phía trên chịu nén.
 Giai đoạn 2
Khi tải trọng tiếp tục tăng, ứng suất cắt giữa thép và bê tông tăng làm tăng
biến dạng liên kết. Biến dạng này làm tăng biến dạng tổng thể của dầm. Hình 2.6b
biểu diễn ảnh hưởng của biến dạng trượt đến sự phân bố ứng suất và biến dạng của
dầm. Ở giai đoạn này dầm liên hợp được thiết kế liên kết loại một phần. Tuy nhiên
biến dạng trượt rất nhỏ và có thể bỏ qua.
 Giai đoạn 3
Thép đạt đến giới hạn chảy, vùng dẻo phát triển và sau đó toàn bộ tiết diện
thép bị chảy dẻo. Quá trình này cũng xảy ra tương tự như với bê tông, biểu đồ ứng
suất biến dạng như hình 2.6c.
Khi biến dạng phát triển gây ra ứng suất quá lớn sẽ làm phá hoại giòn tại bề

mặt bản bê tông. Sự gia tăng ứng suất trong bê tông dẫn đến sự gia tăng biến dạng,
ứng suất sẽ bị thay đổi.
Nếu khả năng chống lại lực cắt dọc đủ lớn thì biến dạng trượt có thể bỏ qua.
Tuy nhiên, trên thực tế mức độ biến dạng dầm phụ thuộc rất nhiều ứng xử của liên
kết chống cắt.

2.1.3- Liên kết chống cắt trong kết cấu dầm
Tác động liên hợp giữa dầm thép và bản bê tông được quyết định bởi sự
truyền lực cắt ngang tại mặt tiếp xúc. Tác động này có thể được đặc trưng bởi một
vài đặc tính cơ học như sự bám dính, ma sát và sự liên kết. Sự ma sát và bám dính
giữa bê tông và thép được bỏ qua do chúng rất nhỏ so với lực kháng cắt của liên kết.
Do đó, những liên kết chống cắt được hàn vào dầm thép sẽ làm tăng khả năng chịu
lực của liên kết dưới tác dụng của tải trọng.
Trong thực tế để xác định khả năng chịu tải của dầm, giả sử tất cả liên kết
ngay cả khi đã biến dạng thì cũng đảm bảo khả năng chống lại lực cắt dọc của dầm.
14

Nếu khả năng chống cắt của liên kết đảm bảo cho dầm tiếp tục làm việc đến giai
đoạn chảy dẻo hoàn toàn thì được gọi là liên kết toàn phần (full interaction). Ngược
lại liên kết chỉ đảm bảo mômen nội lực của dầm đạt đến giới hạn nhất định độ bền
tiêu chuẩn thì gọi là liên kết bán phần
Hình 2.7 minh họa sự làm việc của liên kết chống cắt trong kết cấu dầm sàn
liên hợp.

Hình 2.7: Biểu đồ ứng suất – biến dạng [1]
a) Không có liên kết chống cắt
b) Liên kết hoàn toàn

Theo hình trên, nếu không có liên kết giữa dầm và sàn bê tông thì hai lớp vật
liệu sẽ trượt lên nhau và biểu đồ ứng suất sẽ được mô tả ở hình 2.7a, xem như liên

kết hoàn toàn có độ cứng tuyệt đối. Tuy nhiên trong thực tế không có liên kết cắt
cứng hoàn toàn vì hầu như xảy ra sự trượt ở mặt tiếp xúc. Độ dai của liên kết cho
phép phân phối lại lực cắt dọc ở bề mặt tiếp xúc như hình 2.7b.
Beam section
Elastic stress
Ultimate plastic stress
a) No connection
a) Full connection
Strain
Strain
Bending stress Shear stress
Bending stress Shear stress
15

Trường hợp lực cắt dọc theo mặt tiếp xúc được ngăn cản bởi liên kết chống
cắt thì ứng suất tại mặt tiếp xúc là như nhau, khi đó dầm làm việc như kết cấu liên
hợp hoàn chỉnh.
Nếu xét trường hợp sử dụng liên kết hoàn toàn trong dầm liên hợp và dầm
làm việc trong giai đoạn đàn hồi, gọi T là lực trượt trên một đơn vị chiều dài tại vị
trí giữa bê tông và dầm thép, thì T được tính theo công thức [6]:
(2.1)
Với V : Lực cắt theo phương đứng tại điểm tính toán
I : moment quán tính của tiết diện tương đương
S : moment tĩnh của tiết diện bản bê tông và tiết diện thép lấy đối
với trục trung hòa
2.1.4- Ứng xử của liên kết chống cắt:
Khi tải trọng tăng, lực cắt dọc vị trí tiếp xúc tăng. Dầm đơn giản chịu tải
phân bố đều, lực cắt dọc đơn vị được tính theo công thức (2.1). Theo công thức trên
lực cắt dọc tỷ lệ với lực cắt đứng nên lực cắt của liên kết ở vị trí đầu dầm là lớn
nhất. Hình 2.8 mô tả ứng xử của liên kết chống cắt trong dầm.

Hình 2.8: Ứng xử của liên kết khi chịu tác dụng của lực cắt [5]
VS
T
I

16

Dưới tác dụng của tải trọng nhỏ, liên kết biến dạng tuyến tính như hình 2.8a.
Biến dạng trượt giữa bê tông và thép sẽ tăng dần từ giữa đến hai bên đầu dầm.
Khi tải càng tăng thì lực cắt càng lớn, tải tác dụng lên liên kết ở đầu dầm gây
ra biến dạng dẻo. Độ dẻo của liên kết nghĩa là liên kết có thể bị biến dạng dẻo trong
khi vẫn còn khả năng chống lại được lực cắt. Hình 2.8b mô tả khi liên kết ở vị trí
cuối cùng (vị trí đầu dầm) bị chảy dẻo, nếu tải tiếp tục tăng thì liên kết tại gần vị trí
giữa nhịp tiếp tục bị chảy dẻo. Sự phá hủy xảy ra khi một trong các liên kết tiến tới
khả năng chịu cắt tới hạn như hình 2.8c. Hình dạng phá hoại tùy thuộc vào dạng phá
hoại của liên kết. Độ dẻo của liên kết cũng rất cần thiết khi xét đến trong trường hợp
này.
Sự phá hoại của dầm liên hợp thì phụ thuộc bởi khả năng chịu lực của ba
thành phần chính: dầm thép, bản bê tông cũng như là liên kết chống cắt. Sự ảnh
hưởng tác động giữa các thành phần trên rất phức tạp, do đó quan hệ giữa ứng suất
và biến dạng của các vật liệu này được giả định là đường đàn dẻo lý tưởng [7].
Dầm liên hợp được thiết kế với thép đạt đến giới hạn chảy, bê tông đạt đến
biến dạng phá hoại và liên kết đạt đến biến dạng dẻo.

Hình 2.9: Biểu đồ đánh giá độ mềm của liên kết [1]

P (shear)
P
Rk

u
slip
Ductile connector
Non ductile connector
1
P
Rk
2
1
2
1
2

1
u

2
17

Liên kết cắt đóng vai trò truyền lực từ sàn bê tông sang dầm thép bằng cách
khống chế sự trượt tương đối giữa bản bê tông và dầm thép khi chịu lực uốn. Cấu
tạo của liên kết cắt ảnh hưởng đáng kể đến hiệu năng làm việc của kết cấu dầm. Có
rất nhiều yếu tố quyết định khả năng chịu lực của dầm như cường độ đường hàn, vật
liệu kết cấu thép và bê tông xung quanh liên kết. Tùy thuộc vào sự phân bố lực cắt
và dạng đường quan hệ giữa khả năng chịu lực và biến dạng. Liên kết chống cắt
được phân thành 2 loại: dai hoặc không dai được minh họa ở hình 2.9.
Theo EC4 (điều số 6.6.1.1) [6], một liên kết được gọi là dẻo khi nó có khả
năng biến dạng đủ khi chịu trượt để phù hợp giả thiết làm việc dẻo hoàn toàn của
liên kết khi trượt. Đường cong P- hiển thị quan hệ giữa lực và biến dạng trượt
tương đối giữa bê tông và thép được xác định bằng thí nghiệm pust-out. Biến dạng

trượt 
u
tương ứng với cường độ đặc trưng P
RK
. Một liên kết dẻo khi 
u
≥ 6mm và
với điều kiện là phải có số liên kết đủ theo chiều dài nhịp dầm.


(a) Liên kết dạng đinh (head studs)
(b) Liên kết Perfobond [8]


(c) Liên kết Thép góc [1]
(d) Liên kết đai
Hình 2.10: Một số loại liên kết chống cắt
18

Hiện nay có rất nhiều loại liên kết chống cắt được sử dụng, hình 2.10 minh
họa hình ảnh một số loại liên kết thường được sử dụng trong thực tế. Ngoài liên kết
đinh mũ truyền thống người ta còn sử dụng một số liên kết khác như liên kết bằng
bu lông (bolt connector), thép C (channel connector), thép T (T-shape connector).
Hình 2.11 minh họa việc thi công liên kết bằng thép C và T ngoài công trường và
hình 2.12 biểu diễn mặt cắt qua liên kết trong kết cấu liên hợp.



a) Liên kết chịu cắt bằng thép C
b) Liên kết chịu cắt bằng thép T

Hình 2.11: Các loại liên kết khác [2] [9]



Hình 2.12: Mặt cắt qua liên kết bản sàn và cánh trên dầm thép [10]
19

2.1.5- Sự truyền lực cắt trong liên kết
Trong các loại liên kết kể trên thì liên kết chống cắt dạng đinh (head stud)
được tiến hành nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới, SLOBODAN
RANKOVIC, DRAGOLIJUB DRENIC [11] đã tiến hành nghiên cứu và minh họa việc
truyền lực cắt trong liên kết chống cắt dạng đinh. Theo đó, dưới tác dụng của tải
trọng, lực cắt P xuất hiện và truyền từ chân của liên kết cắt vào bản bê tông như
hình 2.13.

Hình 2.13: Sự phân bố lực cắt của liên kết dạng đinh [11]

Lực P
w
xuất hiện với góc nghiêng nhỏ phía trên đường hàn liên kết chốt và
cánh dầm thép. Với sự gia tăng áp lực trong bê tông, tại chân của liên kết cắt bê
tông bị vỡ ra và lực cắt được truyền vào thân của chốt liên kết thông qua lực P
B
.
Điều này gây ra biến dạng dẻo do uốn trong thân chốt và nó cũng làm xuất hiện lực
kéo trong chốt mà ngăn cản sự tách rời. Do lực kéo này trong liên kết cắt mà phát
sinh ứng suất kéo trong bê tông, nhất là tại đầu của chốt liên kết.
Bên cạnh đó lực kéo trong chốt còn làm xuất hiện lực ma sát tại vị trí tiếp xúc
giữa bê tông và cánh trên của dầm thép (lực P
B

). Thành phần nằm ngang của lực
kéo ký hiệu là P
z
được truyền vào chân của liên kết cắt. Trong trường hợp này liên
kết phá hoại ngay phía trên đường hàn do tác động của lực kéo và lực cắt.
Điều này làm xuất hiện vết nứt xiên mà có điểm gốc tại đầu của chốt liên kết
như hình 2.14
20


Hình 2.14: Dạng phá hoại của liên kết [11]

2.2- Đánh giá khả năng chịu lực của một số dạng liên kết chống cắt.
Việc nghiên cứu ứng dụng và phát triển kết cấu bê tông liên hợp dùng trong
các lĩnh vực cầu đường, nhà cửa và các dạng công trình kỹ thuật khác đã và đang
được rất nhiều quốc gia quan tâm. Hiện nay có rất nhiều công trình nghiên cứu liên
quan đến các dạng liên kết chống cắt được sử dụng, một số kết quả điển hình được
liệt kê tóm tắt ở đây.
JORGEN G. OLLGAARD và cộng sự [12] nghiên cứu khả năng chịu lực của liên
kết dạng đinh với bê tông thường và bê tông nhẹ bằng thí nghiệm PO, thí nghiệm
được tiến hành trên 48 mẫu. Tác giả đã đề xuất công thức tính toán khả năng chịu
cắt của đinh theo cường độ và mô đun đàn hồi của bê tông, đưa ra được công thức
của biểu đồ quan hệ giữa chuyển vị và tải trọng.
MD. KHASRO MIAH [13] phân tích biến dạng của liên kết chống cắt trong kết
cấu liên hợp, theo đó việc khảo sát đo lường biến dạng ở chân liên kết đinh tán bằng
thực nghiệm tương đối khó khăn, khả năng chịu lực của chân liên kết và vùng bê
tông xung quanh có thể xác định bằng phương pháp số. Các tác giả đề xuất mô hình
tính cũng như các thông số vật liệu cho mô hình và biểu đồ ứng xử của liên kết.
EHAB ELLOBODY, BEN YOUNG [14] đã thực hiện các nghiên cứu thực
nghiệm đối với liên kết dạng đinh trong kết cấu liên hợp có sử dụng tấm tôn sàn đặt

21

vuông góc với dầm thép, nội dung chính của bài báo là phát triển mô hình phần tử
hữu hạn nhằm khảo sát ứng xử của liên kết. Phần mềm ABAQUS được sử dụng, kết
quả mô phỏng được so sánh với các công thức tính toán cường độ liên kết theo
AISC, BS 5950 và EC4. Trong nghiên cứu của mình các tác giả đã đưa ra các biểu
đồ lực – chuyển vị cũng như phân tích sự ảnh hưởng của các yếu tố đến khả năng
chịu lực của liên kết như là: cường độ bê tông, kích thước tấm tôn, đường kính và
chiều cao của chốt. Kết quả cho thấy, khả năng chịu lực của liên kết được tính toán
theo tiêu chuẩn AISC và BS 5950 cao hơn so với mô phỏng khoảng 25%. Trong khi
đó, kết quả tính bằng EC4 tương đối gần với mô phỏng nhất, chênh lệch không
nhiều.
A.L.SMITH, G.H.COUCHMAN [15] đã tiến hành thí nghiệm PO trên 27 mẫu sử
dụng liên kết chống cắt dạng đinh, trong đó có sử dụng tấm tôn định hình. Theo đó,
nếu sử dụng hai đinh liên kết tại một vị trí thì khả năng chịu lực tăng khoảng 16%
so với việc chỉ dùng một đinh. Ngoài ra, khi sử dụng lưới thép đặt dưới đầu đinh thì
khả năng chịu lực sẽ tăng khoảng 30% so với trường hợp đặt dưới lớp bảo vệ tính từ
mặt sàn cho cả hai trường hợp đặt một và hai đinh.
M. M. ABBASS và các cộng sự [16] nghiên cứu cường độ và ứng xử của liên
kết dạng đinh dùng cho sàn bê tông cốt thép, thí nghiệm với 7 mẫu khác nhau về
đường kính của chốt và cường độ bê tông. Kết quả cho thấy khi tăng đường kính
chốt liên kết và cường độ bê tông thì khả năng chịu cắt của liên kết cũng tăng. Khi
tải trọng còn thấp thì biến dạng trượt tương đối nhỏ, tại vị trí đạt 80% tải lớn nhất
thì biến dạng tăng nhanh cùng với sự phá hủy ở bản bê tông.
SHERVIN MALEKIN và SAMAN BAGHERI [17] nghiên cứu ứng xử của liên
kết chống cắt dạng chữ C trong các trường hợp sử dụng bê tông thường, bê tông cốt
thép và bê tông sợi. Thí nghiệm tiến hành trên 9 mẫu dưới tác dụng của tải trọng
thường và 7 mẫu với tải trọng lặp. Sự phá hoại của mẫu xảy ra chủ yếu xảy ra trong
bê tông và ứng xử của liên kết được xếp vào loại liên kết dai, phân tích được mức
độ ảnh hưởng của các loại sợi cũng như hàm lượng cốt thép đến khả năng chịu lực

22

của liên kết. Bên cạnh đó mô phỏng liên kết trên phần mềm ANSYS được thực hiện
để so sánh kết quả giữa lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng [18].
MAHDI SHARIATI [9] tiến hành nghiên cứu ứng xử của liên kết chống cắt
dạng chữ C (hình 2.15) khi so sánh giữa các nhóm bê tông thường, bê tông có cốt
thép và bê tông nhẹ. Thí nghiệm được tiến hành trên 5 nhóm. Kết quả của thí
nghiệm cho thấy rằng, khả năng chịu lực của liên kết khi sử dụng bê tông nhẹ giảm
20% so với bê tông thường. Liên kết dài cho độ dai liên kết lớn hơn, với mẫu bê
tông thường không đặt cốt thép thì độ dai tương đối nhỏ, kết cấu bị phá hoại giòn.
Khi cùng so sánh cùng một kích thước liên kết thì cốt thép làm khả năng chịu lực và
độ dẻo cho liên kết.

Hình 2.15: Kết quả thí nghiệm với liên kết chữ C [9]

Liên kết chống cắt dạng perfobond được nghiên cứu nhiều trong những năm
gần đây, các tiêu chuẩn hiện hành chưa đề cập đến dạng liên kết perfobond. Do đó
trong một số công trình đã được công bố, các tác giả đã nghiên cứu ứng xử của liên
kết cũng như xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến chúng. Bên cạnh đó đề xuất một số
mô hình tính toán cho dạng liên kết này.
M.R.VELDANDA, M.U.HOSAIN [19] đã tiến hành thí nghiệm so sánh khả năng
chống cắt của liên kết dạng đinh và liên kết dạng perfobond chốt kín. Kết quả cho
thấy với những mẫu có bề dày bản bê tông là 100mm thì dạng 1 lỗ perfobond có
khả năng chịu lực tương đương với 5 liên kết dạng đinh 16mm × 75mm. Ngoài ra,
23

khi sử dụng thêm cốt thép vào trong lỗ thì khả năng chịu lực tăng khoảng 50% khi
sử dụng sàn 100mm và 40% với sàn 150mm.
E.C.OGUEJIOFOR, M.U.HOSAIN [20] tiến hành thí nghiệm PO với 40 mẫu
dùng liên kết perfobond chốt kín, xét được các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu

lực của liên kết và từ đó đưa ra được phương trình tính toán khả năng chống cắt q
u

của liên kết.
Hai tác giả ISABEL VALENTE, PAULO J.S.CRUZ [2] đã thực hiện khảo sát thực
nghiệm sự trượt giữa bê tông và thép khi sử dụng liên kết dạng perfobond đóng kín
với bê tông nhẹ (hình 2.16). Thí nghiệm được tiến hành với 4 nhóm mẫu, các thông
số được sử dụng là cường độ bê tông, hàm lượng cốt thép đặt trong liên kết và
khoảng cách các lỗ. Phá hoại của mẫu chủ yếu xảy ra trong bê tông, liên kết hầu
như không bị phá hoại. Chương trình thí nghiệm nhằm đánh giá ứng xử của liên kết,
đồng thời so sánh với kết quả tính từ công thức thực nghiệm của OUGUEJIOFOR và
HOSAIN đã nghiên cứu trước đó. Kết quả cho thấy tải phá hoại tính bằng công thức
này nhỏ hơn so với giá trị thực nghiệm khoảng 20%. Bên cạnh đó, việc sử dụng liên
kết perfobond với bê tông nhẹ cho kết quả độ dai liên kết rất nhỏ (
u
=1,39÷2,2mm).

Hình 2.16: Hình dạng mẫu thí nghiệm [2]
PETER CHROMIAK, JIRI STUDNICKA [21] đã tiến hành thí nghiệm với dạng
perfobond như hình 2.17 với dạng kích thước liên kết như hình 2.17a,b và mẫu thí
nghiệm chuẩn bị như hình 2.17c.

24

Theo đó thí nghiệm PO được tiến hành trên 12 mẫu với đường kính lỗ 32mm
và 16 mẫu với đường kính 60mm. Loại liên kết này cho biến dạng trượt u khoảng
1,8 đến 2,2 mm.


(a) Đường kính lỗ 60mm

(b) Đường kính lỗ 32mm

(c) Thí nghiệm PO
Hình 2.17: Kích thước mẫu thí nghiệm [21]
TUE và VINH [5] đã tiến hành các khảo sát thực nghiệm đối với hai dạng
perfobond đóng và mở tiết diện lỗ tròn. Bản sàn được làm bằng bê tông cường độ
siêu cao với cường độ nén đến 150 MPa. Kết quả cho thấy liên kết perfobond có
khả năng truyền lực tốt, khả năng chịu lực của 2 loại liên kết này cho kết quả gần
như nhau. Ngoài ra công trình nghiên cứu đã đưa ra được phương trình tham số
nhằm dự đoán tải trọng tới hạn của liên kết.
J.DA.C.VIANNA và các cộng sự [22] đã tiến hành khảo sát ứng xử của liên kết
Perfobond và T-perfobond, các tác giả đã tiến hành 12 thí nghiệm push-out test theo
tiêu chuẩn EC4 để đánh giá ứng xử của liên kết dạng perfobond và T-perfobond.
Thí nghiệm được chia thành 2 nhóm chính: liên kết perfobond 2 lỗ và 4 lỗ (hình
2.18), với bề dày của bản sàn bê tông là 120mm và 200mm.
A
st
25


Hình 2.18: Mẫu thí nghiệm với Pefobond và T- Pefobond [22]
Kết quả của thí nghiệm này cho thấy:
- Đối với perfobond: khi bề dày của bản bê tông tăng thì khả năng chịu lực P
RK

tăng 37% và biến dạng trượt u cũng tăng. Bên cạnh đó số lượng lỗ liên kết thì
không ảnh hưởng nhiều đến khả năng chịu lực.
- Đối với T-perfobond: dạng liên kết này cho kết quả khả năng chịu lực tốt
hơn, tuy nhiên độ dai của liên kết thì nhỏ hơn (u=3÷4mm). Nếu so sánh trong cùng
dạng liên kết T-perfobond thì kết quả cho thấy khi tăng bề dày sàn từ 120mm đến

200mm thì khả năng chịu cắt tăng 26% và giá trị này cũng tăng khi thay đổi hình
dạng từ 2 lỗ sang 4 lỗ.
Hình 2.19 mô tả dạng phá hoại sau khi kết thúc thí nghiệm, vết nứt xuất hiện
đầu tiên dọc theo bản bê tông và càng được mở rộng khi tải tăng, tuy nhiên đối với
T-perfobond thì vùng nứt tập trung gần vị trí liên kết hơn.