Sàn phẳng bêtông ứng lực trước căng sau phan quang minh

Phan Quang Minh

đe*liÌSi'S«

HZ7

NHÀ XU AT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT


PGS. TS. PHAN QUANG M IN H

SflN PHflNG
BÊTÔNG ỨNG Lực TRƯỚC CRNG SRCI

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT
HÀ N Ộ I-2 0 1 0


In 1000 cuốn, khổ 19

X

27 cm, tại Công ty in Thanh Bình.

Số đăng ký K H X B : 215 - 2010/CXB/302 - 17/KHKT,ngày 05/03/2010.
Quyết định xuất bản: 93/Q Đ XB N X B K H K T , ngàyO 1/06/2010
In xong và nộp lun chiểu quý 11/2010.


< £ ế & ể u íì đ ẩ u

Từ sau những năm 1995 trở lại đây, sàn bêtông ứng lực trước căng sau được ứng
dụng ngày càng phổ biến trong xây dựng nhà nhiều tầng ở Việt Nam. Ưu điểm cùa
kết cấu sàn bêtông ứng lực trước là tiết kiệm chi ph i do giảm chiều dày sàn và chiều
cao tầng, cho phép sử dụng nhịp lớn hơn và linh động trong việc bó trí mặt bằng kiến
trúc, giảm thời gian xây dựng do có thể tháo dỡ ván khuôn sớm, dễ dàng lắp đặt hệ
thống kỹ thuật. Tuy vậy, tiêu chuẩn thiết kế hiện hành TCXDVN 356:2005 và các tài
liệu hướng dẫn chì đề cập chủ yếu đến thiết kế cấu kiện dầm bêtông ứng lực trước. Hy
vọng cuốn sách SÀN PHẢNG BẺTÓNG ỨNG

Lực TRƯỚC CẢNG SAƯ’ sẽ góp phần

đưa công nghệ ứng lực trước ứng dụng rộng rãi hơn trong kết cẩu sàn bêtông cốt thép.
Sách cung cấp cho bạn đọc những kiến thức cơ bản về kết cấu bêtông ứng lực trước
và đl sâu vào việc thiết kế sàn bêtông ứng lực trước căng sau theo tiêu chuẩn ACI
318-2008. NỘI dung sách được viết trên cơ sờ giáo trình giảng dạy của tác giả về kết
cấu bêtông ứng lực trước trong chương trinh cao học ở Trường Đạl học Xây dựng.
Sách là tài liệu tham khảo hữu ích cho các kỹ sư thiết kế và sinh viên ngành xây dựng
cùa các trường đại học.
Tác giả xin chản thành cảm ơn các cán bộ giảng dạy trong bộ môn "Công trình
Bêtông cốt thép" - Trường Đại học Xây dựng đã đóng góp nhiều ý kiến trong quá trình
biên soạn.
Sách được biên soạn lần đầu chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, tác glả
mong nhận được sự góp ỷ cùa bạn đọc.

Tác giả

3

CÁC KÝ HIỆU
A

diện tích tiết diện

G

tải trọng thướng xuyên

/

mômen quán tính

M

mômen uốn

N

lực dọc trục

\/

lực cắt

b

chiều rộng của tiết diện ngang

d

chiều cao làm việc cùa tiết diện

e

độ lệch tâm

h

chiều cao cùa tiết diện trong mặt phẳng uốn, chiều dày sàn

/

bán kính quán tính

I, L

chiều dài hoặc nhịp

1/R

độ cong của quỹ đạo cáp

c.g.c

trọng tâm tiết diện bêtông

c g.s

trọng tâm cốt thép ứng lực trước

Ac

diện tích tiết diện ngang cùa bêtông

Aps

diện tích tiết diện ngang cùa cốt thép ứng lực trước (ƯLT)

As

diện tích tiết diện ngang cùa cốt thép thường

A's

diện tích tiết diện ngang cùa cốt thép chịu nén

Ec

môđun đàn hồi của bêtông

Eps

mỏđun đàn hồi của cốt thép

Mn

cường độ mômen uốn tới hạn

Mcr

mômen kháng nứt

p0

lực căng ban đầu

5


p

lực căng trước hiệu quả

fc

cường độ chịu nén đặc trưng của mẫu trụ bêtỏng ỡ 28 ngày tuổi

f c,

cường độ chịu nén của bêtông tại thời điểm truyền lực

f,

cường độ chịu kéo cùa bêtông

fpe

ứng suất hiệu quả cùa thép ƯLT

fpu

giới hạn bền của thép ƯLT

fpy

giới hạn chảy của thép ƯLT

fp,

ứng suất căng ban đầu của thép ƯLT

fy

cường độ của thép thường

zb

Z ị

mômen quán tính tĩnh của tiết diện tại thớ trên và dưới

£

biến dạng

f ,ơ

ứng suất

tv

tải trọng phân bố

ộ

hệ số giảm độ bền

A

độ võng, chuyển vị

6


Chương 1

KHÁI NIỆM VÈ KÉT CÁU BÊTÔNG
ỨNG LỰC TRƯỚC

1.1. Khái niệm chung
1.1.1. Bản chất của bẻtông ứng lực trước
Ý tường về ứng lực trước (ƯLT) xuất hiện từ nhiều thế kỷ trước, khi người ta sử dụng
các đai kim loại bó quanh các thanh gỗ để chế tạo thùng rượu (hình 1.1a). Khi đai
đưọc kéo chặt, các thanh gỗ bị ép chặt vào nhau và tạo ra ứng suất nén trước giữa
chúng (hình 1.1b). ứng suất nén này sẽ làm triệt tiêu ứng suất kéo vòng tác dụng lên
thành khi trong thùng chứa chất lỏng, vì vậy các thanh gỗ của thành thùng rượu sẽ
không bị tách khỏi nhau, giữ cho thùng không bị rò rỉ.

Hình 1.1. Nguyên lý chế tạo thùng rượu

Khả năng chịu kéo của bêtông rất kém, vì vậy để làm giảm ứng suất kéo do tải trọng
gây ra ờ giai đoạn sử dụng, trong quá trình chế tạo người ta đã tạo ra ứng suất nén
trước ban đầu tại hầu hết những miền của cấu kiện sẽ phát sinh ứng suất kéo, tương
tự như nguyên lý chế tạo thùng rượu.
7


Bêtông cốt thép (BTCT) là sự kết hợp đơn thuần giữa bêtông và cốt thép để chúng
cùng làm việc một cách bị động, còn bêtông cốt thép ƯLT (được gọi là bêtông ƯLT)
là sự kết hợp một cách tích cực, có chù ý giữa bêtông và cốt thép. Trong cấu kiện
bêtông ƯLT, người ta đặt vào một lực nén trước tạo bời việc kéo cốt thép rồi gắn chặt
nó vào bêtông thõng qua lực dính hoặc neo. Nhờ tính đàn hồi, cốt thép cỏ xu hưởng
co lại tạo nên lực nén trước p và gây ra ứng suất nén trước trong bêtông. ứng suát
nén này sẽ triệt tiêu hay làm giảm ứng suất kéo do tải trọng sử dụng gây ra, do vậy
làm tăng khả năng chịu lực của cấu kiện trước khi bị nứt và làm hạn chế sự phát triển
của khe nứt (hình 1.2). ƯLT chính là việc tạo ra cho kết cấu một cách có chủ ý các
ứng suất trước nhằm tăng cường sự làm việc của vật liệu trong các điều kiện sử
dụng khác nhau. Nói cách khác, trước khi cấu kiện chịu tải trọng sử dụng, cốt thép đã
bị căng trước, còn bêtông đã bị nén trước.

ΠT G

U

.U

l . L ị, Ĩ D

a)

b)>
Hình 1.2. Hạn chế ứng suất kéo trên tiết diện bêtông bằng lực nén trước p
a) Dầm BTCT ứng lực trước; b) ứng suất pháp trên tiết diện

Trong cấu kiện BTCT thường, những khe nứt đầu tiên ờ bêtông xuất hiện khi ứng
suất trong cốt thép chịu kéo mới chỉ đạt từ 20 đến 30 MPa. Nếu dùng thép cường độ
cao, ứng suất trong cốt thép chịu kéo có thẻ đạt tới trị số 1000 đến 1200 MPa hoặc
lớn hơn, điều đó làm xuất hiện các khe nứt lớn, vượt quá giới hạn cho phép. Với
bêtông ƯLT, do có thể khống chế sự xuất hiện khe nứt bằng lực căng trước nên cần
thiết và có thề dùng cốt thép cường độ cao. Mặt khác, đẻ có thể giảm được kích
thước tiết diện và từ đó trọng lượng bản thân của cấu kiện, đồng thời để tăng khả
năng chịu ứng suất tập trung ở vùng neo, cần thiết phải sử dụng bêtông cường độ
cao. Bêtông ƯLT đã trở thành một sự kết hợp lý tưởng giữa hai loại vật liệu hiện đại
có cường độ cao.

8


1.1.2. So sánh bêtông ƯLT và bêtông cót thép
Sr khác biệt lớn nhất giữa hai loại vật liệu trên chính là khả năng sử dụng vật liệu
ciờng độ cao trong bêtông ƯLT. Sự xuất hiện của bêtông ƯLT - với tính hợp lý, kinh
tế và khả năng thích ứng cho các công trình đặc biệt, không có nghĩa là sự phù nhận
B"CT, mỗi loại vật liệu có những ưu, khuyết điểm và phạm vi áp dụng riêng của nó,
thì hiện trong các khía cạnh sau:
a. Độ an toàn
KM được thiết kế theo các tiêu chuẩn hiện hành, kết cấu bêtông ƯLT có khả năng
chịu tải giới hạn tương đương, thậm chí cao hơn một chút so với BTCT. Các thí
nchiệm cho thấy dầm bêtông ƯLT có độ võng đáng kể trước khi bị phá hoại, như vậy
sẽ cho người sử dụng những cảnh báo rõ rệt trước khi kết cấu bị phá hoại. Khả năng

chịu tải trọng động, tải trọng lặp giữa hai loại vật liệu là tương đương,
Do hạn chế được vết nứt và sử dụng bêtông chất lượng cao nên khả năng chống ăn
mon của bêtông ƯLT là cao hơn BTCT, nhưng một khi đã xuất hiện vết nứt thì quá
trình ăn mòn trong bêtông ƯLT sẽ diễn biến nhanh hơn.
Thép cường độ cao nhạy cảm với nhiệt độ lớn hơn so với cốt thép thường nên
bétông ƯLT có khả năng chịu lửa hạn chế hơn, tuy nhiên do cáp ƯLT thường được
bc trí theo dạng cong nên tại một số vị trí trên cấu kiện, bêtông ƯLT có ưu thế hơn về
IỚ3 bêtông bảo vệ.
Do có cường độ vật liệu cao hơn, tiết diện thanh mảnh hơn, kết cấu bêtông ƯLT đòi
hỏi phải được chú ý nhiều hơn trong các khâu thiết kế, thi công và lắp dựng.
Tuổi thọ của kết cấu bêtông ƯLT không thua kém so với BTCT.
b. Tính kinh tế
Đẻ chịu được cùng một tải trọng, bêtông ƯLT sử dụng một khối lượng bêtông và thép
ít hơn, do sử dụng được cấu kiện thanh mảnh, giảm trọng lượng bản thân, nên
bẽtông ƯLT tiết kiệm được vật liệu cho các bộ phận kết cẩu khác như móng, cột

V.V.,

với cấu kiện đúc sẵn, điều đó làm giảm chi phí vận chuyển và lắp dựng.
Tuy nhiên vật liệu cường độ cao sẽ có giá thành đơn vị cao hơn, mặt khác bêtông
ƯLT lại sừ dụng nhiều thiết bị chuyên dụng như neo, cáp, vữa v.v.., việc gia công,
chế tạo cốp pha phức tạp hơn. Chi phí thiết kế, giám sát thi công, chi phí nhân công
cho một đơn vị khối lượng công việc cũng cao hơn. Tuỳ thuộc vào kinh nghiệm, trình
độ cùa nhà thầu mà khối lượng công việc phát sinh cũng có thể nhiều hơn.

9


c. Phạm vi áp dụng
Bêtông ƯLT tỏ ra có hiệu quả kinh tế hơn cho kết cấu nhịp lớn, chịu tải trọng nặng,

các cấu kiện điển hình được thi công hàng loạt và cấu kiện đúc sẵn hoặc kết cấu
liên hợp.
Nhờ việc sử dụng vật liệu cường độ cao, bêtông ƯLT thích hợp với kết cấu nhịp lớn,
chịu tải trọng nặng. Do có thẻ sử dụng tiết diện thanh mảnh nên kết cấu bêtống ƯLT
đáp ứng được các yêu cầu mỹ quan. Bêtông ƯLT cũng phù hợp với cấu kiện đúc sẵn
hơn do có trọng lượng nhỏ hơn.

1.1.3. Phân loại bêtông ƯLT
Phân loại bêtông ƯLT tuỳ thuộc vào đặc điểm thiết kế và phương pháp thi công.
a. Theo thời điểm căng cốt thép tạo ƯLT, người ta phân thành phương pháp căng
trước và phương pháp căng sau. Với phương pháp căng trước, hệ thống tạo ƯLT
bao gồm hai khối neo đặt cách nhau một khoảng cách nào đó, thép ƯLT được căng
giữa hai khối neo này trước khi đổ bêtông, lực căng được tạo bời các kích thuỷ lực.
Sau khi bêtông đủ cường độ, các áp lực kích được thả ra, truyền ƯLT cho bêtông.
Với phương pháp căng sau, thép ƯLT được đặt sẵn trong cấu kiện, khi bêtông đạt đủ
cường độ thép ƯLT được căng và neo vào đầu cuối của cấu kiện.
Phương pháp căng trước và phương pháp căng sau sẽ được trình bày cụ thẻ hơn
trong mục 1.2.
b. Theo vị tri bố trí cáp ƯLT, người ta phản thành phương pháp cẫng trong và căng
ngoài. Phương pháp căng trong là cách căng trước thép ƯLT nằm trong bêtông như
đã đề cập tới ở trên. Khi thép ƯLT nằm bên ngoài cấu kiện, ta có phương pháp căng
ngoài. Ngoài ra có thể tạo ƯLT bời các tác nhân khác bên ngoài cấu kiện, ví dụ như
đối với các kết cấu siêu tĩnh như dầm liên tục, khung, vòm v.v.., bằng cách chuyển vị
cưỡng bức gối tựa có thể tạo nên ứng suất trước nhằm điều chỉnh hợp lý sự phân bố
nội lực trong kết cấu.
c. Theo mức độ hạn chế ứng suất kéo trong cấu kiện trong giai đoạn sử dụng, người
ta phân thành ứng lực toàn phần và ứng lực một phần, ứng lực toàn phần nghĩa là
cấu kiện được thiết kế sao cho không xuất hiện ứng suất kéo khi chịu tải trọng sử
dụng. Nếu dưới tác dụng cùa tải trọng sử dụng, sau khi ƯLT vẫn có ứng suất kéo
được khống chế trong cấu kiện, người ta gọi đó là ứng lực một phần.

10


d Theo việc đặt cáp ƯLT trong cấu kiện, người ta phân thành ứng lực thẳng và ứng
lực vòng. Đối với các cấu kiện có dạng thẳng như dầm, sàn

V .V .,

tuy rằng bản thân

các sợi cáp được đặt theo hình pa ra bôn nhưng chúng không bị uốn cong trên mặt
bằng, vì vậy được gọi là ứng lực thẳng. Đối với các kết cấu có tiết diện dạng tròn như
silô, bể chứa

V .V.,

các cáp ƯLT được đặt theo chu vi của cấu kiện, do vậy được gọi là

ứng lực vòng.

1.1.4. Sự hình thành và phát triển của bêtông ứng lực trước
Năm 1886, p. H. Jackson, một kỹ sư người San Francisco, đã giành được bằng sáng
chế nhờ việc buộc chặt các sợi dây thép vào bêtông khi thi công sàn nhà bằng
phương pháp cuốn vòm. Vào năm 1888,

c.

E.

w.

Doehring, người Đức, cũng đã

nhận được bằng sáng chế nhờ vào việc tạo nên lực kéo trước vào kim loại đặt trong
bêtông trước khi chất tải cho bản sàn. Những sáng chế kể trên đã không đạt được
thành công do việc ứng lực trong cốt thép sớm bị mất mát do sự co ngót và từ biến
cùa bêtông. Năm 1908,

c.

R. Steiner, người Mỹ, đã đề xuất việc gia cường các sợi

cốt thép sau khi xảy ra co ngót và từ biến của bêtông, nhằm phục hồi một phần các
ứng lực đã bị mất mát. Năm 1925, R. E. Dill, người Nebraska, đã sử dụng các thanh
cốt thép được sơn phù nhằm tránh lực dính với bêtông, sau khi đổ bêtông, các thanh
cốt thép được kéo và neo vào bẽtông bằng các đai ốc, tuy nhiên phương pháp này đã
không được áp dụng vì những lý do kinh tế.
Năm 1928, sự phát triển của bêtông ƯLT hiện đại thực sự được khời đầu bời
E. Freyssinet, người Pháp, với việc sử dụng các sợi thép ƯLT có cường độ cao, tuy
nhiên phương pháp thực hành đầu tiên được tìm ra bời E. Hoyer, người Đức. Với
phương pháp này các sợi thép được căng giữa hai bệ neo đặt cách nhau vài chục
m ét trước khi đúc một vài cấu kiện trong các khuôn đặt giữa hai khối neo, khi bêtông
đạt đù cường độ, sợi thép được cắt khỏi neo và sẽ gây nên ứng lực trước trong các
cấu kiện đó.
B'êtông ƯLT thực sự được ứng dụng rộng rãi bời độ tin cậy và tính kinh tế của nó, kể
từ khi phương pháp ƯLT bằng các thiết bị neo được phát minh. Năm 1939,
F reyssinet đã phát triển các neo có dạng nêm hình côn và các kích thuỷ lực hai chiều,
vừa kéo cốt thép, vừa đẩy cho các nêm dạng côn lồng vào nhau tạo nên một kiểu neo
rầt chắc chắn. Năm 1940, giáo sư người Bỉ G. Magnel cũng đã sáng chế ra một hệ

thống mang tên ông, trong đó hai sợi dây thép được kéo căng đồng thời và được neo
b(ởi các nêm kim loại ở hai đầu. Từ năm 1945, trong bối cảnh sau chiến tranh thế giới
lầm thứ hai và sự khan hiếm cùa thép xây dựng ờ châu Âu, với đặc điểm là sử dụng ít
thiép hơn, bêtông ƯLT đã trờ thành một vật liệu xây dựng đóng vai trò quan trọng. Từ

11


đó cho đến nay, cùng với quá trình không ngừng được nghiên cứu và phát triển,
bêtông ƯLT đã được các kỹ sư thiết kế, các nhà xây dựng công nhận như một giải
pháp hoàn toàn tin cậy, an toàn, kinh tế và đã được ứng dụng rộng rãi trong xây
dựng.

1.2. Các phương pháp gây ứng lực trước
1.2.1. Phương pháp căng trước
Cốt thép ƯLT được neo một đầu cố định vào bệ còn đầu kia được kéo ra với lực kéo
p (hình 1.3a). Dưới tác dụng cùa lực p, cốt thép được kéo trong giới hạn đàn hồi và
sẽ bị dãn dài một đoạn và tương ứng là ứng suất kéo trong cốt thép. Khi đó, đầu còn
lại của cốt thép được cố định nốt vào bệ.

b)

c)
Hình 1.3. Sơ đồ phương pháp căng trước
a) Căng và cố định cốt thép ƯLT; b) Sau khi buông thép ƯLT
c) Chế tạo đồng thời các cấu kiện ƯLT

12

Tiếp đó, đặt các cốt thép thông thường khác rồi đổ bêtông. Đợi cho bêtỏng đạt được
cường độ cần thiết thì thả các cốt thép ƯLT rời khỏi bệ. Nhờ tính đàn hồi, các cốt thép
này có xu hướng co lại và thông qua lực dính giữa nó với bêtông trên suốt chiều dài
cấu kiện, cấu kiện sẽ bị nén với giá trị bằng lực p đã dùng khi kéo cốt thép (hình 1,3b).
Phương pháp căng trước tỏ ra ưu việt đối với những cấu kiện sản xuất hàng loạt
trong nhà máy (hình 1.3c).

1.2.2. Phương pháp căng sau
Trước hết đặt các cốt thép thông thường và các ống rãnh bằng tôn, kẽm hoặc bằng
vật liệu khác để tạo các rãnh dọc, rồi đổ bêtông (hình 1.4a). Khi bêtông đạt đến
cường độ nhất định thì tiến hành luồn và căng cốt thép ƯLT tới ứng suất quy định
(hìình 1,4b). Sau khi căng xong, cốt thép ƯLT được neo chặt vào cấu kiện (hình 1.4c).
Thông qua các neo đó, cấu kiện sẽ bị nén bằng lực đã dùng khi kéo căng cốt thép.
Tiếp đó, người ta bơm vữa vào trong ống rãnh để bảo vệ cốt thép khỏi bị ăn mòn và
tạro ra lực dính giữa bêtông và cốt thép. Đó là loại bêtông ƯLT có bám dính. Ngoài ra,
người ta còn dùng loại bêtông ƯLT không bám dính, cốt thép (thường là cáp 7 sợi)
được đặt trong những ống nhựa đặc biệt có chứa đầy mỡ chống gỉ. ống nhựa chứa
cố't thép được đặt cùng một lúc với việc đặt cốt thép thường. Sau khi đổ bêtông và
bê'tông đủ cường độ, người ta căng cốt thép, neo cốt thép và đổ bêtông bảo vệ đầu
ne^o. Cốt thép nầm trong ống mỡ nên giữa cốt thép và bêtông không tồn tại lực dính.
•õne chờ đặt thép ƯLT

a)

b)

c)

Hình 1.4. Sơ đồ phương pháp căng sau
a) Bố trí ống chờ và đổ bêtông cấu kiện; b) Trong quá trinh căng; c) Sau khi căng.

13


Phương pháp căng sau được sử dụng thích hợp để chế tạo các cấu kiện mà yêu cầu
phải có lực nén bêtông tương đối lớn hoặc các cấu kiện phải đổ bêtông tại chỗ.

1.2.3. Các loại thiết bị căng
Có bốn loại thiết bị căng bằng thép được sử dụng, cụ thể như sau:
Căng bằng thiết bị cơ khí: nói chung được sử dụng bao gồm bộ truyền lực đòn
bẩy, bộ truyền lực số kết hợp với bệ ròng rọc có hoặc không có bánh răng và máy
cuốn sợi. Những thiết bị này được sử dụng chủ yếu cho thành phẩm bêtông ƯLT
sản xuất tại nhà máy với quy mô lớn.
Căng bằng kích thuỷ lực: kích thuỷ lực là một thiết bị đơn giản nhất để sinh ra lực
ƯLT lớn, được sử dụng rộng rãi như là một thiết bị căng. Các kích thuỳ lực thông
dụng có lực căng khoảng từ 5 đến 100 tấn. Các kích thuỷ lực lớn cho lực căng trong
khoảng từ 200 đến 600 tấn. Với kích thuỷ lực, điều quan trọng nhất là lực căng cần
được đo một cách chính xác bằng đồng hồ áp lực trong suốt quá trình căng (hình 1.5).
OÔNG NÔ DOAPLUC

(NỀM DUOC GIŨ BỞI CÁC
LỒ XO BÊN TOONG Iđcn
TRONG QUẮ TIỈNH c a n g CẮP)

Hình 1.5. Kích căng cáp

-

Căng bằng nguyên lý điện học: nguyên lý của hệ thống này là sau khi bêtông đă
đạt đủ cường độ, nhờ dòng điện đi qua, thép ƯLT được nung nóng và dãn dài ra.

Sau khi đổ bêtông, cho một dòng điện có điện thế thấp và cường độ cao đi qua
các thanh thép, thanh thép bị nung nóng và giãn dài, các đai ốc được siết chặt /ào
các đầu chờ và tỳ vào cấu kiện thông qua các vòng đệm cứng và tạo nên ƯLT khỉ
thanh thép nguội đi.

14


Căng bang nguyên lý hoá học: nguyên lý của hệ thống này dựa vào phản ứng hoá
học xảy ra trong ximăng trương nờ bao bọc quanh thép và gây ứng suất cho thép,
tạo nên ƯLT.

1.2.4. Thiết bị neo
Có ba dạng thiết bị neo cơ bản được sử dụng để neo cáp ƯLT vào bêtông trong
phương pháp căng sau:
- Sử dụng nêm nhằm kẹp chặt sợi cáp ƯLT.
- Sử dụng bulông và đinh tán bắt trực tiếp vào đầu sợi cáp ƯLT.
- Cuộn cáp theo vòng ở trong bêtông.
Trên thực tế, dạng thiết bị thử nhất đã phát triển thành một số hệ thống neo phổ biến
và đáng tin cậy, trong đỏ có hệ thống neo cùa Freysinet (hình 1.6).

Thiết bị này bao gồm một đầu neo được chế tạo từ một miếng thép dày hình trụ,
được đục lỗ cho cáp luồn qua. Miếng thép này tỳ vào một tấm đỡ bằng thép, tấm đỡ
này được đặt sẵn trong cấu kiện và có tác dụng truyền lực vào cấu kiện, trên tấm đỡ
có cấu tạo lỗ để bơm vữa vào ống rãnh. Khi sợi cáp được luồn qua lỗ, nó bị chốt lại
bời một chi tiết chêm bằng thép, hình côn nằm dọc theo lỗ. Các nêm này có tác dụng
vừa cho phép kích kéo thép theo hướng đi ra khỏi cấu kiện, vừa ngăn không cho cáp
bị tụt vào trong cấu kiện. Ngoài ra đầu neo còn có cấu tạo các vòng thép dạng lò xo
có tác dụng gia cường và làm giảm ứng suất tập trung xuất hiện ờ bêtông vùng neo.
Khi khoảng cách giữa hai đầu cáp không lớn lắm, việc căng cáp chỉ cần tiến hành ờ

một đầu (live end), đầu kia được neo chặt vào bêtông bằng đầu neo cố định (dead
end - hình 1.7a,b). Khi khoảng cách này quá lớn, việc căng cáp được tiến hành từ hai

15


đầu. Trong một số trường hợp để phù hợp quy trinh thi công đổ bêtông theo các đợt,
có thẻ sử dụng các neo trung gian (hình 1,7c).

a)

c)
Hình 1.7. Một số loại neo trong phưomg pháp căng sau
a) Neo cố định sử dụng ổng dập khuôn sẵn; b) Neo cố định sử dụng tấm chịu lực;
c) Neo trung gian

16


Quy trình thi công cấu kiện bêtông ƯLT theo phương pháp căng sau được trình bày
trên hình 1.8.

Bước 4. Lắp đẩu hãm và chốt hãm

Bưóc 5. Kích tạo ƯLT

Bước 6. Nhà kích

Bước 8. Bom vữa

Bước 9. Lấp đáu neo

Hình 1.8. Quy trình thi công căng cáp trong phương pháp căng sau

1.2.5. Một số công nghệ khác tạo ứng lực trước
Ngoài hai phương pháp căng trước và căng sau, trong bêtông ứng lực trước còn sử
dụng một số phương pháp sau:
- Sử dụng ximăng nở tạo ứng lực trước trong bêtông:

17


Theo phương pháp này, trong quá trình ninh kết và phát triển cường độ, ximăng nờ
làm tăng thể tích, các cốt thép trong bêtông sẽ ngăn cản sự dãn nờ của ximăng, kết
quả là trong bêtông được tạo có một ứng suất nén trước.
Người ta có thẻ sử dụng loại ximăng đặc biệt cho sự trương nờ này. Song, thực tế
cũng có thể biến ximăng Pooclăng thông thường thành loại ximăng đặc biệt này bằng
cách trộn thêm phụ gia aluminat và thạch cao. Loại ximăng trương nờ tự tạo ứng lực
trước này dùng để chế tạo các kết cấu như bẻ chứa, cầu tàu, cọc, dầm, panen mái
che cho nhà công nghiệp. Phương pháp này còn gọi là phương pháp hoá học để tạo
ƯLT.
- Dùng kích ép ngoài để tạo ứng lực trước
Khác với hai phương pháp căng trước và căng sau, kích đặt ờ hai đầu kết cấu không
dùng để kéo căng cốt thép ra mà dùng để ép chặt cấu kiện bêtông lại, cáp hoặc cốt
thép được neo vào các gối tựa. Sau khi bỏ kích ra, tạo ra trường ƯLT luôn được duy
trì trong kết cấu.

1.3. Các giai đoạn chịu tải của cấu Kiện bêtông ƯLT
Khi thiết kế cấu kiện bêtông ƯLT cần phải nghiên cứu các giai đoạn chịu tải mà nó
phải trải qua. Với kết cấu đổ tại chỗ, cấu kiện bêtông ƯLT được thiết kế với ít nhất hai

giai đoạn: giai đoạn ban đầu trong khi ƯLT và giai đoạn cuối cùng dưới tác dụng của
tải trọng ngoài. Với kết cấu đúc sẵn, cần nghiên cứu thêm giai đoạn trung gian là vận
chuyển và lắp dựng. Với mỗi một giai đoạn trong các giai đoạn trên, có thể chia thành
các giai đoạn nhỏ hơn tuỳ theo các trường hợp tải trọng khác nhau.

1.3.1. Giai đoạn ban đầu
Cấu kiện chịu ƯLT nhưng chưa chịu bất kỳ một tải trọng ngoài nào. Giai đoạn này có
thể được chia thành các giai đoạn nhò, một vài giai đoạn trong số này là không quan
trọng và có thể không xét đến trong tinh toán.
1.3.1.1. Trước khi ƯLT
Trước khi được ƯLT, cường độ bêtông còn nhò để có thể chịu được tải trọng ngoài,
do vậy yêu cầu sự chắc chắn của hệ thống cốp pha. Nhằm hạn chế hoặc loại trừ sự
xuất hiện của khe nứt trong cấu kiện do sự co ngót của bẽtông, bêtông phải được bảo
dưỡng một cách cẩn thận, tránh hiện tượng bị khô hay thay đổi nhiệt độ đột ngột. Sự
xuất hiện của vết nứt do co ngót sẽ làm triệt tiêu khả năng chịu ứng suất kéo của

18


bêtông, tuy nhiên ƯLT có thể làm khép lại các khe nứt này hay không còn phụ thuộc
vào nhiều yếu tố.
1 3 12. Trong khi căng thép ƯLT
Trong giai đoạn này, một ửng suất khá lớn được tạo ra trong thép ƯLT. ứng suất lớn
nhất cho phép trong thép ƯLT ờ giai đoạn này phải tuân thủ theo tiêu chuẩn thiết kế.
Do các khuyết tật và sai số trong chế tạo, nếu vượt quá các giá trị này, sợi thép riêng
lẻ có thề bị đứt trong khi ƯLT.
1.3.1.3. Tại lúc truyền ƯLT
Với cấu kiện căng trước, quá trình truyền ƯLT diễn ra khá nhanh, nhưng với cấu kiện
căng sau, ƯLT được truyền từ thép sang bêtông được diễn ra theo một quá trình tuần
tự. Trong cả hai trường hợp, kết cấu không chịu bất kỳ một tải trọng nào ngoại trừ

trọng lượng bản thân của nó. ƯLT ban đầu tuy rằng có một lượng tổn hao nhất định
nào đó, cũng đã gây nên một trạng thái làm việc nguy hiểm cho bêtông và trờ thành
mội yếu tố quan trọng trong việc thiết kế cấu kiện. Việc truyền ƯLT cũng tạo nên một
ứng suất rất lớn trong bêtông ờ vùng neo. Trong giai đoạn này do bêtông chưa đủ
tuổi trong khi ƯLT đã đạt tới giá trị cực đại nên có thể xảy ra sự phá hoại bêtõng ờ
vùng neo nếu bêtông có chất lượng kém. Sự bố trí không đối xứng hay tập trung cáp
ƯLT cũng có thể là nguyên nhân cho sự quá tải trong bêtông. Do vậy trình tự căng
thép ƯLT phải được nghiên cứu một cách hợp lý.
1.3.1.4. Giai đoạn cẳng lại
Cấu kiện được đúc và ƯLT tại chỗ thường tự mang trong quá trinh ƯLT, vì vậy có thể
dỡ cốp pha sau khi truyền ƯLT với điều kiện không có một tải trọng mới nào tác động
lên kết cầu. Một số cấu kiện có thể được căng lại với hai giai đoạn hay nhiều hơn, do
vậy phải nghiên cứu ứng suất sinh ra trong cấu kiện tại các giai đoạn căng này.

1.3.2. Giai đoạn trung gian
Đây là giai đoạn vận chuyển và lắp dựng, chỉ xảy ra đối với cấu kiện đúc sẵn. Việc
đảm bào cho cấu kiện được chống đỡ một cách chắc chắn trong suốt giai đoạn này là
rất quan trọng. Ngay cả khi chất tĩnh tải lên cấu kiện (như các lớp sàn, mái

V .V.),

điều

kiện chống đỡ và tải trọng cũng phải được đặc biệt chú ý.

1.3.3. Giai đoạn cuối cùng
Đây là giai đoạn cấu kiện chịu tác dụng của các tải trọng ngoài khác nhau. Cũng như
đối với các dạng kết cấu khác, trong giai đoạn này cần phải cân nhắc tới các tổ hợp
19

tải trọng của hoạt tải tác động lên các phần khác nhau của kết cẩu với các trường hợp
tải khác như gió, động đất, chuyển vị cưỡng bức gối tựa hay sự thay đổi nhiệt độ v.v.
Sự làm việc của cấu kiện theo các giai đoạn được phân tích theo các loại tải trọng
khác nhau.
a. Tải trọng dài hạn
Dưới tác động của tải trọng dài hạn thực tế (thường chỉ là tĩnh tải), giá trị cùa độ vồng
hoặc độ võng cấu kiện bẽtông ƯLT sẽ tăng lên do ảnh hường cùa từ biến, do vậy cần
phải được kiểm soat trong thiết kế và phải được giới hạn bờl một giá trị qui định.
b. Tải trọng sử dụng
Thiết kế với tải trọng sử dụng lả kiểm tra xem ứng suất và biến dạng xuất hiện trong
cấu kiện có vượt quá giá trị cho phép hay không, chứ không phải là một sự đảm bảo
cấu kiện đảm bảo khả năng chịu lực. Do vậy, với các dạng cấu kiện bêtông ƯLT
thông dụng, thường thiết kế dựa trên tính toán với tải trọng sử dụng, sau đó kiểm tra
điều kiện về cường độ.
c Tải trọng gây nứt
Sự xuất hiện của vết nứt do tải trọng trong cẩu kiện bêtông ƯLT báo hiệu sự thay đổi
đột ngột của lực dính kết và ứng suất cắt. Đối với các kết cấu chịu ảnh hưởng cùa ăn
món như bể chứa, cọc... hoặc đối với kết cấu mà vết nứt có thể làm phát triển độ
võng quá mức cho phép thì việc nghiên cứu tải trọng nứt là rất quan trọng.
d. Tải trọng giới hạn
Khi cấu kiện được thiết kế với tải trọng sử dụng không có sự đảm bảo nào là cấu kiện
đảm bão khả năng chịu lực. Vì vậy cần xác định tải trọng lớn nhất mà kết cấu có thể
chịu được trước khi bị phá hoại. Ngoài các điều kiện chịu tải thông dụng, trên thực tế
kết cấu còn có thẻ chịu một số dạng tải trọng đặc biệt khác như tải trọng lặp với một
giá trị đáng kể có thể gây phá hoại do mỏi; hoặc một tải trọng lớn được duy trì trong
một thời gian dài có thẻ gây biến dạng lớn do từ biến, trong khi các cấu kiện ƯLT
khác do chịu tải trọng nhẹ nên độ vồng gây bởi ƯLT không những không bị triệt tiêu
mà ngày càng phát triển.

20


Chương 2

c ơ s ở THIẾT KẾ CÁU KIỆN BẺTÔNG ỨNG Lực TRƯỚC

2.1. Vật liệu
2.1.1. Bêtông
2.1.1.1. Cường độ của bêtông
Các tiêu chuẩn thiết kế đều đưa ra các quy định về sử dụng cường độ cùa bêtông
cũng như khống chế ứng suất trong bêtông phụ thuộc vào các giai đoạn làm việc cùa
cấu kiện Theo TCXDVN 356:2005, việc lựa chọn cấp độ bền cùa bêtông phụ thuộc
vào dạng, loại và đường kính thép căng trước cũng như phụ thuộc vào việc neo cốt
thép . Nếu dùng sợi thép có đường kính không nhỏ hơn 0 6 thì cấp độ bền của bêtông
lấy không nhỏ hơn B30. Theo tiêu chuẩn ACI 318, bẽtông dùng trong bêtông ƯLT
phải có cường độ chịu nén fccho mẫu lăng trụ ờ 28 ngày tuổi từ 28-55 MPa. Tiêu
chuẩn châu Âu EC-2 quy định cấp độ bền của bêtông không nhỏ hơn C28/35. Với
cường độ như vậy, bêtỏng sẽ có sự co ngót nhỏ, đặc tính từ biến nhò và môđun đàn
hồi cao, làm giảm hao tổn ứng suất trong thép. Kinh nghiệm cho thấy sử dụng bêtông
có cường độ mẫu lăng trụ từ 28-34 MPa là kinh tế nhất. Khi bêtông có cường độ từ
28-Ì-41 MPa có thể thi công khá dễ dàng, không cần yêu cầu cao về công nghệ. Giá
thành của bêtông có cường độ 41 MPa cao hơn của bêtông có cường độ 21 MPa là
khoảng 15%. Với bêtông có cường độ lớn hơn 41 MPa, cần có yêu cầu cao về thiết
kế, điều chỉnh cấp phối, thi công và bảo dưỡng bêtông nên không dễ thực hiện tại
hiện trường. Bêtông có cường độ từ 41-55 MPa thường được sử dụng cho cấu kiện
đúc sẵn do điều kiện sản xuất trong nhà máy có thể đáp ứng được yêu cầu chất
lượng cao. Thông thường có thể tiến hành truyền ƯLT khi bêtông chưa đạt tới cường
độ ờ 28 ngày tuổi, ví dụ như đối với cấu kiện căng trước có cường độ ờ 28 ngày tuổi
là 34 MPa, có thể tiến hành truyền ƯLT khi bẽtông đạt cường độ 24 MPa. Lý do lả

trong quá trình truyền ƯLT, bêtông chưa phải chịu tải trọng ngoài và cường độ bêtông
chỉ cần thiết đẻ tránh phá hoại ờ vùng neo.

21


2.1.1.2. ứng suất cho phép của bêtông
Tiêu chuẩn ACI 318-2008 phân chia cấu kiện chịu uốn bêtông ƯLT theo ba nhóm u,
T và c phụ thuộc vào ứng suất kéo lớn nhất cùa bêtông ft (MPa) trong giai đoạn sử
dụng như sau:
a) nhóm U:

f' < 0 , 6 2 ^

b) nhóm T:

0,62 J ĩc < f '< J ĩ c

c) nhóm C:

ft > 'Tc

(2.1)

Sàn bêtông ƯLT theo hai phương được thiết kế theo nhóm u với ft < 0,5^ĩc. Khi tính
toán trong giai đoạn sử dụng cùa cấu kiện thuộc nhóm

u hoặc

T cho phép sử dụng

tiết diện không nứt. ứng suất cho phép của bêtông (cấu kiện nhóm u và T) được cho
trong bảng 2.1. Cường độ cùa bẽtông tại thời điểm truyền ƯLT fa (MPa) phải đạt đến
giá trị không nhỏ hơn 28 MPa khi sử dụng bó cáp và 17,5 MPa với cáp đơn.
Bàng 2.1. ứng suất cho phép của bêtóng theo ACI 318-2008

Giai đoạn
truyền ƯLT

ứng suất nén cho phép

ứng suất kéo cho phép

(a) Tại đầu mút của cấu kiện gối đơn
giản 0 ,7 fci’

(a) Tại đầu mút của cấu kiện gối đơn
giản 0 , 5 ^

(b) Tại những vị trí khác 0,6 fCị'
(b) Tại những vị tri khác 0 ,2 5 s Ịĩy
Giai đoạn
làm việc

(a) ƯLT và tải trọng dài hạn 0,4 5 fc’

Công thức (2 1)

(b) ƯLT và toàn bộ tải trọng 0,6fc'

2.1.1.3. Biến dạng cùa bêtông
Nén một mẫu trụ bêtông, quan hệ ứng suất - biến dạng ơ - 8 được thẻ hiện giống
như trên hình 2.1. Có thẻ thấy quan hệ ơ - 8 có dạng đường cong. Nếu theo định
nghĩa chung E. = — thì môđun đàn hồi của bêtông Ec có giá tri thay đổi ứng với mỗi
de
giá trị cùa ứng suất. Với ứng suất nhò hơn 30-40% cường độ chịu nén thì có thề xem
bêtông làm việc trong giai đoạn đàn hồi, do đó trong nhiều tiêu chuẩn giá trị mô đun
đàn hồi được lấy ứng với giá trị ứng suất bằng 40% cường độ chịu nén (hình 2.1).

22


Hình 2.1. Quan hệ ứng suất - biến dạng của bêtỗng

Dưới đây là một vài công thức được đề xuất trong các tiêu chuẩn quốc gia đẻ tính
toan môđun đàn hồi của bêtông:
a) Theo ACI 318:

Ec = 4 7 3 0 ^ (N/mm2)

(2.2)

b) Liên đoàn quốc tế về bêtông ƯLT (FIP) đề xuất giá trị môđun đàn hồi được lấy như
trên hình 2.2.

12

20

30

40

50

60

70

80

Giá trị cường độ chịu nén của bố tổng fCk(N/m m 2)

Hình 2.2. Quan hệ môđun đàn hồi và cường độ cùa bêtông theo FIP

23


c) Tiêu chuẩn châu Âu EC-2 quy ước gọi Ecm là môđun tĩnh, ứng với giá trị ứng suất
bằng khoảng 0,5 giá trị cường độ trung bình cùa các mẫu lập phương hoặc 0,4 giá trị
cường độ trung bình của mẫu trụ /cm(hình 2.1):
Ecm= tg a ,

(2.3)

Gọi Ed là môđun động:
Ed = tg a 0

(2.4)

với a 0 - góc nghiêng cùa tiếp tuyến với đường cong ơ - £ ở điểm gốc ứng với
<7 = 0 .

Thông qua thí nghiệm, quan hệ giữa Ecm và Ed có thể biểu diễn như sau:
Ecm = (1,25EƠ-1 9 )

KN/mm2.

(2.5)

2.1.2. Cốt thép ứng lực trước
2.1.2.1. Thép cường độ cao
Trong thép cường độ cao, do có hàm lượng cacbon cao hơn so với thép cán nên có
cường độ cao hơn. Thép cường độ cao thường chửa 0,6=0.85% cacbon, 0,7=1,0%
mangan, 0,05% sulfua và phốt pho với một lượng nhỏ silicon. Thỏi thép được cán
nóng thành thanh sau đó kéo nguội qua một loạt khuôn kéo sợi để giảm đường kính
và tăng cường độ chịu kéo. Sau quá trình kéo nguội qua các khuôn, để nâng cao
cường độ chịu kéo, sợi thép được tôi hay hoá già hoặc làm mất ứng suất tại nhiệt độ
150°=

420°c.

Thép cường độ cao sử dụng cho cấu kiện bêtông ƯLT nói chung bao gồm dạng sợi,
cáp hoặc dạng thanh. Tùy theo mức độ chùng ứng suất cùa các sợi thép cường độ
cao người ta phân ra làm hai loại: sợi thép có độ chùng ứng suất bình thường (stressrelieved) và sợi thép có độ chùng ứng suất nhỏ (low-relaxaion). Giá thành giữa hai
loại thép này chênh lệch không lớn, vì vậy sợi thép có độ chùng ứng suất nhỏ thường
được chọn dùng trong thực tế.
Cường độ giới hạn của thép cường độ cao đươc xác định bằng thí nghiệm. Cường
độ chịu kéo tới hạn cùa sợi thép cán nguội giảm khi đường kinh của sợi thép tăng.
Khó có thề xác định chính xác giới hạn chảy của thép cường độ cao, do đó người ta

đề xuất các giới hạn chảy quy ước. Giới hạn này thường được chấp nhận ứng với
0,2% biến dạng dư hoặc 1% biến dạng.

24