Nghiên cứu, tính toán, thiết kế công nghệ và máy quấn ống gen xoắn phục vụ thi công dầm bê tông cốt thép dự ứng lực

MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. 3
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ 4
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................... 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................... 6
MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 9
Chương 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MÁY CUỐN ỐNG GEN XOẮN
PHỤC VỤ THI CÔNG DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC ............ 11
1.1 Tổng quan về công nghệ bê tông dự ứng lực ............................................... 11
1.1.1 Khái niệm về bê tông dự ứng lực .................................................................. 11
1.1.2 Các kết cấu bê tông dự ứng lực điển hình ..................................................... 15
1.1.3 So sánh bê tông dự ứng lực với bê tông cốt thép........................................... 16
1.2 Các hệ thống dự ứng lực ............................................................................... 19
1.2.1 Cốt dự ứng lực ............................................................................................. 19
1.2.2 Ống gen ........................................................................................................ 20
1.2.3 Neo .............................................................................................................. 21
1.3 Giới thiệu chung về máy cuốn ống gen xoắn................................................ 23
1.4 Tổng quan về tình hình khai thác máy cuốn ống gen ở Việt Nam .............. 25
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH UỐN TẤM............................. 27
2.1 Đặc điểm quá trình uốn kim loại .................................................................. 27
2.2 Uốn liên tục .................................................................................................... 29
2.2.1 Nguyên lý uốn liên tục. ................................................................................ 29
2.2.2 Áp lực uốn.................................................................................................... 37
2.2.3 Xác định chiều dài miền biến dạng . ............................................................. 38
2.2.4 Điều kiện ăn phôi vào trục uốn. .................................................................... 38
Chương 3. TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH ỐNG GEN .................... 41
3.1 Chi tiết ống ghen xoắn .................................................................................. 41
3.2 Xác định chiều rộng dải phôi ban đầu ......................................................... 43
3.3 Xác định góc đàn hồi khi uốn ....................................................................... 44
3.4 Bán kính uốn tối thiểu khi uốn. .................................................................... 44

1


3.5 Thiết kế biên dạng phôi khi uốn ................................................................... 45
3.5.1 Nguyên tắc xác định biên dạng phôi khi uốn ................................................ 45
3.5.2 Lựa chọn chế độ uốn .................................................................................... 46
3.6 Lực uốn biên dạng sóng ................................................................................ 52
3.7 Mô men uốn xoắn, lực uốn gấp mép, lăn nhám mép gấp ............................ 54
3.7.1 Mô men uốn xoắn......................................................................................... 54
3.7.2 Xác định lực uốn của trục cán gấp mép ........................................................ 56
Chương 4. NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÁY CUỐN ỐNG
GEN XOẮN ......................................................................................................... 58
4.1 Lựa chọn cơ cấu truyền động cho máy ........................................................ 58
4.2 Lựa chọn các thông số kỹ thuật cho việc thiết kế máy ................................ 59
4.3 Tính chọn công suất động cơ ........................................................................ 64
4.3.1 Xác định công suất trục cán biên dạng......................................................... 64
4.3.2 Tính công suất cho trục cán gấp mép, trục cán mối nối, trục cán băm gờ mép
ống

............................................................................................................... 66

4.3.3 Tính công suất cần thiết cho hệ thống dẫn hướng phôi ................................. 68
4.3.4 Tính toán công suất hệ thống cấp phôi:........................................................ 69
4.3.5 Tính toán công suất hệ thống rửa phôi ......................................................... 70
4.3.6 Chọn động cơ cho máy ................................................................................. 73
4.4 Tính toán hệ thống cán biên dạng sóng của ống gen xoắn .......................... 74
4.4.1 Kích thước các quả lô cán biên dạng ............................................................ 75
4.4.2 Tính toán trục và bánh răng cho hệ thống cán biên dạng............................... 76
4.4.3 Thiết kế, kiểm nghiệm trục lắp quả lô cán .................................................... 80

4.5 Tính toán thiết kế hệ thống cuốn gấp mép tạo ống ...................................... 83
4.5.1 Kích thước các quả lô cán gấp mép tạo ống .................................................. 84
4.5.2 Tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng cho tay cán băm gờ .......................... 86
4.5.3 Tính trục cho tay cán mối nối ....................................................................... 88
KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ .................................................................................... 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 93

2


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả và số liệu thuyết minh trong luận văn là do bản
thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Phạm Văn Nghệ, Viện Cơ Khí,
trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Tác giả

Nguyễn Văn Hưởng

3


LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành với sự giúp đỡ của PGS. TS. Phạm Văn
Nghệ, cùng toàn thể các thầy cô bộ môn Gia công áp lực, trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thành luận văn.
Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên luận văn không tránh khỏi sai
sót, rất mong nhận được sự đóng góp của các thầy cô giáo, các nhà khoa học, các
bạn bè để đề tài được hoàn thiện hơn.

Tác giả

Nguyễn Văn Hưởng

4


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 4.1: Đặc điểm của truyền động cơ khí .......................................................... 58
Bảng 4.2: Đặc điểm của truyền động thủy lực ....................................................... 59
Bảng 4.3: Các thông số kỹ thuật để thiết kế máy.................................................... 64
Bảng 4.4 - Hệ số ma sát của ổ đỡ trục cán f' .......................................................... 65
Bảng 4.5. Các thông số hình học cơ bản của bộ truyền ......................................... 79
Bảng 4.6: Các thông số hình học cơ bản của bộ truyền .......................................... 87
Bảng 4.7 Các kết quả tính toán trục tay cán mối nối ............................................. 88

5


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong các cấu kiện bê tông không cốt
thép, bê tông cốt thép, bê tông dự ứng lực chịu kéo đúng tâm ................................ 13
Hình 1.2: Dự ứng lực kéo sau ................................................................................ 14
Hình 1.3: Bê tông dự ứng lực kéo căng trước ........................................................ 14
Hình 1.4 Các tỷ số nhịp/chiều cao điển hình của bản một chiều dự ứng lực và không
dự ứng lực ............................................................................................................. 15
Hình 1.5: Dầm I – kết cấu bê tông dự ứng lực đúc sẵn ........................................... 16
Hình 1.6:Cầu Vĩnh Tuy với kết cấu dầm hộp bê tông dự ứng ................................ 16
Hình 1.7:Cầu Bãi Cháy – cầu dây văng có dầm bằng bê tông dự ứng lực ............. 16
Hình 1.8: Các dạng cáp dự ứng lực điển hình ........................................................ 20

Hình 1.9: Ống gen ................................................................................................. 21
Hình 1.10: Cấu tạo một neo điển hình của VSL ..................................................... 21
Hình 1.11: Các bước thực hiện dự ứng lực kéo căng sau........................................ 22
Hình 1.12: Dùng ống gen xoắn trong thi công dầm bê tông ................................... 23
Hình 1.13: Máy cuốn ống xoắn LMS ..................................................................... 24
Hình 1.14: Máy cuốn ống gen xoắn DFG 300........................................................ 24
Hình 1.15: Sơ đồ nguyên lý máy cuốn ống gen ...................................................... 25
Hình 2.1: Một số dạng uốn .................................................................................... 27
Hình 2.2: Sơ đồ uốn trên khuôn dập ...................................................................... 27
Hình 2.3: Sự biến dạng đàn hồi khi uốn ................................................................. 29
Hình 2.4: Công nghệ uốn liên tục và biên dạng các sản phẩm ................................ 30
Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý uốn liên tục .................................................................. 30
Hình 2.6: Hệ trục tọa độ không gian orzθ của phôi trong quá trình uốn ................. 31
Hình 2.7: Tiết diện ngang của phân tố trước và sau biến dạng ............................... 32
Hình 2.8: Sơ đồ trạng thái ứng suất biến dạng trong uốn phôi với các chiều rộng b
và chiều dày s khác nhau ....................................................................................... 32
Hình 2.9: Sơ đồ trạng thái ứng suất của phôi uốn tại miền biến dạng trong và ngoài
vùng tiếp xúc ......................................................................................................... 32
Hình 2.10: Miền biến dạng trên máy biến hình liên tục.......................................... 37

6


Hình 2.11: Sơ đồ tác dụng lực khi phôi ăn vào trục uốn ......................................... 39
Hình 3.1: Bản vẽ ống ghen xoắn ............................................................................ 41
Hình 3.2: Kích thước biên dạng phôi ..................................................................... 43
Hình 3.3: Sơ đồ uốn biên dạng sóng ...................................................................... 44
Hình 3.4: Phôi chuẩn bị gấp mép ........................................................................... 46
Hình 3.5: Biên dạng phôi trước khi vào gấp mép ................................................... 47
Hình 3.6: Biên dạng phôi sau khi cán qua cặp con lăn thứ 1 .................................. 47

Hình 3.7: Biên dạng phôi sau khi qua giá thứ 2 ..................................................... 49
Hình 3.8: Biên dạng phôi sau khi qua giá cán thứ 3 ............................................... 49
Hình 3.9: Sơ đồ bộ phận cán và dẫn hướng............................................................ 49
Hình 3.10: Chuẩn bị gấp mép phôi ........................................................................ 49
Hình 3.11: Mặt cắt thành ống sau khi gấp mép(mặt cắt A –A) ............................... 50
Hình 3.12: Mặt cắt thành ống sau khi cán mối nối (mặt cắt B-B) ........................... 50
Hình 3.13: Mặt cắt thành ống sau khi cán mối nối (mặt cắt C-C) ........................... 50
Hình 3.14: Sơ đồ cuốn gấp mép tạo ống gen .......................................................... 50
Hình 3.15: Sơ đồ uốn biên dạng sóng của ống gen ................................................. 51
Hình 3.16: Sơ đồ công nghệ tạo hình ống gen xoắn ............................................... 52
Hình 3.17: Sơ đồ tính lực uốn ................................................................................ 52
Hình 3.18: Xác định chiều dài đường uốn L .......................................................... 53
Hình 3.19: Biên dạng phôi khi qua giá cán 1 ......................................................... 53
Hình 3.20: Biên dạng phôi khi qua cặp lô cán số 2 ................................................ 54
Hình 3.21: Sơ đồ nguyên lý uốn xoắn ống ............................................................. 54
Hình 3.22: Sơ đồ phân chia mặt cắt xác định mô men quán tính ............................ 55
Hình 3.23: Biên dạng phôi khi đi vào hệ thống gấp mép ........................................ 56
Hình 3.24: Quá trình cán mối nối .......................................................................... 57
Hình 4.1: Sơ đồ truyền động cơ khí cho máy cuốn ống gen ................................... 58
Hình 4.2. Sơ đồ bộ truyền động nhờ hệ thống thủy lực. ......................................... 59
Hình 4.3: Máy cuốn ống BKTF -1400A ................................................................ 60
Hình 4.4: Máy cuốn ống gen ATM – ZH150 ......................................................... 61
Hình 4.5: Máy cuốn ống gen VSL ......................................................................... 62
Hình 4.6: Máy cuốn ống gen BPT-300/500: .......................................................... 63

7


Hình 4.7: Sơ đồ lực tác dụng trong quá trình bôi trơn và là phẳng ......................... 68
Hình 4.8: Hệ thống cấp phôi. ................................................................................ 69

Hình 4.9: Sơ đồ lực của cuộn phôi tác dụng lên trục đỡ của hệ thống cấp phôi. ..... 69
Hình 4.10: Hệ thống rửa phôi của máy cuốn ống gen............................................. 70
Hình 4.11: Sơ đồ lực tác dụng lên con lăn 2........................................................... 71
Hình 4.12: Sơ đồ lực tác dụng lên trục con lăn ...................................................... 71
Hình 4.13: Kết cấu bộ phận cán biên dạng ............................................................. 74
Hình 4.14: Biên dạng quả lô cán ............................................................................ 75
Hình 4.15:Phân bố ứng suất và biến dạng của cặp lô cán trên giá cán 2 ................. 75
Hình 4.16: Các kích thước cơ bản của cặp lô cán 2 ................................................ 76
Hình 4.17: Sơ đồ tính với giá cán số 1 ................................................................... 77
Hình 4.18: Chọn vật liệu chế tạo bánh răng ........................................................... 77
Hình 4.19: Nhập các thông số cơ bản của bộ truyền .............................................. 78
Hình 4.20: Các thông số hình học của bộ truyền .................................................... 79
Hình 4.21: Các thông số động học và bộ truyền bánh răng sau tính toán................ 79
Hình 4.22: Nhập thông số cho các đoạn trục .......................................................... 80
Hình 4.23: Sơ đồ tính trục ..................................................................................... 80
Hình 4.25: Ứng suất uốn trên hai mặt phẳng yz và xz ............................................ 82
Hình 4.26: Ứng suất xoắn ...................................................................................... 82
Hình 4.27: Kết quả tính toán trục lắp lô cán ........................................................... 82
Hình 4.28: Bộ phận cuốn, gấp mép tạo ống ........................................................... 83
Hình 4.29: Chi tiết số 5 trên hình 4.19 (định vi phôi) ............................................. 84
Hình 4.30: Sơ đồ tính toán kích thước các quả cán ................................................ 85
Hình 4.31: Biên dạng của các quả lô trong hệ thống cán gấp mép tạo ống và mặt cắt
biên dạng theo hình 4.20........................................................................................ 85
Hình 4.32: Đặc điểm về vật liệu chế tạo bánh răng ................................................ 86
Hình 4.33: Các thông số hình học của bộ truyền .................................................... 86
Hình 4.34: Các thông số động học và bộ truyền bánh răng sau tính toán................ 87
Hình 4.35: Các kết quả tính toán trục cho tay cán mối nối ..................................... 90
Hình 4.36: Tổng thể máy cuốn ống gen xoắn ......................................................... 91

8

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ống gen xoắn là một chi tiết quan trọng được sử dụng trong công
nghệ bê tông dự ứng lực nói chung và xây dựng cầu nói riêng. Hiện nay, ở
trong nước, một số đơn vị bước đầu đã thiết kế chế tạo máy cuốn ống gen
phục vụ cho công nghệ bê tông cốt thép dự ứng lực. Tuy nhiên, chất lượng
thiết bị chưa tốt, sản phẩm ống gen chưa đạt yêu cầu. Trong khi các thiết bị
hiện đang được sử dụng tại các đơn vị thi công chủ yếu là nhập ngoại của
Trung Quốc, Thụy Sỹ, các thiết bị này có hạn chế là nặng, khó di chuyển,
việc nhập thiết bị máy móc kèm theo mua công nghệ nên giá thành cao. Do
đó việc nghiên cứu công nghệ và thiết kế máy là rất cần thiết
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
Mục đích nghiên cứu:Tìm hiểu về ống gen xoắn và máy cuốn ống gen. Thiết
kế được sơ đồ công nghệ và máy từ đó có thể làm cơ sở để chế tạo nhằm
thay thế máy ngoại nhập với giá thành cao.
Đối tượng nghiên cứu:
- Ống gen xoắn dùng trong thi công dầm cầu bê tông dự ứng lực
- Một số máy mẫu tại các đơn vị thi công sửa chữa
Phạm vi nghiên cứu:
- Thiết kế và tính toán được sơ đồ công nghệ tạo hình ống gen xoắn
- Tính toán và thiết kế một số bộ phận cơ bản của máy cuốn ống gen
3. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về ống gen và máy cuốn ống gen phục vụ công tác
thi công dầm cầu bê tông dự ứng lực để so sánh và đưa ra các thông số cần
thiết cho việc thiết kế máy
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình uốn để tính toán và thiết kế công
nghệ tạo hình ống gen xoắn
- Từ sơ đồ công nghệ tính toán thiết kế máy cuốn ống gen xoắn.

9


4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
Ý nghĩa khoa học:
Nghiên cứu tính toán thiết kế công nghệ và máy cuốn ống gen xoắn từ
đó đưa ra các sơ đồ bản thiết kế là cơ sở cho việc chế tạo máy
Ý nghĩa thực tiễn:
Nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa nên việc xây dựng các
công trình giao thông cầu đường, nhà cao tầng chiểm tỷ trọng rất lớn.Việc
nghiên cứu và làm chủ được công nghệ, máy móc có ý nghĩa thực tiễn và
kinh tế rất lớn cho phép giảm chi phí và thời gian thi công.

10


Chương 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MÁY CUỐN ỐNG GEN
XOẮN PHỤC VỤ THI CÔNG DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP
DỰ ỨNG LỰC
1.1 Tổng quan về công nghệ bê tông dự ứng lực
(Tham khảo tài liệu 11)
Công nghệ thi công dự ứng lực được coi là một phương pháp mới trong xây
dựng nhằm giảm thời gian thi công, tiết kiệm tiền bạc và phù hợp với những công
trình nhà cao tầng, cầu… với nhịp, khẩu độ lớn.Cáp dự ứng lực có ứng lực căng rất
cao kết hợp với sức chịu nén của bê tông tạo nên trong kết cấu những biến dạng
ngược khi chịu tải. Nhờ đó các kết cấu này có thể chịu được những tải trọng lớn hơn
so với kết cấu bình thường và có khả năng vượt được những nhịp hay khẩu độ lớn
hơn kết cấu bê tông thông thường. Thi công sàn nhà bằng dự ứng lực giúp giảm
chiều cao tầng so với thi công bê tông cốt thép thường (3,1m thay vì 3,3 - 3,5m).

Khi giảm chiều cao tầng, sẽ giảm chi phí bê tông cốt thép cho cột vách, tường xây
và hoàn thiện; giảm chi phí móng do tải trọng nhẹ hơn, giảm lực gió, động đất… Từ
đó, sẽ tạo được sàn phẳng kiến trúc đẹp, phân chia không gian linh hoạt, giảm chi
phí, tiết kiệm chi phí điều hòa.
1.1.1 Khái niệm về bê tông dự ứng lực
Bê tông có cường độ cao và dẻo dai khi chịu nén nhưng lại có cường độ thấp và
giòn khi chịu kéo nên, để cải thiện sự làm việc của nó, người ta thường sử dụng
biện pháp nén trước những vùng bê tông sẽ chịu kéo dưới các tác động bên ngoài.
Việc nén trước bê tông như vậy đã tạo ra một dạng kết cấu bê tông mới – kết cấu bê
tông dự ứng lực. Như vậy, kết cấu bê tông dự ứng lực là một dạng kết cấu bê tông,
trong đó, bê tông đã được nén trước để cải thiện khả năng chịu lực. Phương pháp dự
ứng lực phổ biến nhất hiện nay là kéo trước cốt thép để tạo ra lực nén trước trong bê
tông. Nếu một cấu kiện chịu kéo được làm chỉ từ bê tông có cường độ chịu nén
bằng 35 MPa thì bê tông sẽ bị nứt và phá hoại khi ứng suất kéo đạt đến giá trị của
cường độ chịu kéo, khoảng 2 MPa (xem Hình 1.1a). Cường độ chịu kéo của bê tông
có giá trị thấp và thường không ổn định. Ngoài ra, biến dạng ứng với khi bê tông

11


nứt cũng rất nhỏ. Do đó, sự phá hoại thường là rất đột ngột – phá hoại giòn. Nếu
cấu kiện trên được tăng cường bằng các thanh cốt dọc thích hợp thì khả năng chịu
kéo của nó sẽ được cải thiện. Ví dụ, khi cốt thép dọc có cường độ 400 MPa và hàm
lượng khoảng 1,5% (tương đương với 120 kg thép/m3 bê tông) thì ứng xử chịu lực
của cấu kiện có thể đạt được như trên Hình 1.1b. Thay cho việc bị phá hoại khi các
vết nứt hình thành, cấu kiện có thể tiếp tục chịu lực cho đến khi cốt thép đi qua mặt
cắt ngang bị chảy. Do cần phải có một năng lượng lớn (năng lượng ở đây là công và
bằng diện tích phần nằm dưới đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng) để phá
hoại cấu kiện nên, có thể nói rằng, cấu kiện là dai và dẻo. Tuy nhiên, độ cứng của
cấu kiện sẽ bị giảm đáng kể sau khi nứt. Nếu cấu kiện có chứa cốt thép thường với

hàm lượng khoảng 40 kg/m3 và cốt thép cường độ cao với hàm lượng khoảng 20
kg/m3 được kéo trước để tạo ra lực nén trước trong bê tông thì ứng xử chịu lực của
cấu kiện này có thể đạt được như trên Hình 1.1c. Dự ứng lực nén làm tăng đáng kể
khả năng chống nứt cho bê tông và, qua đó, tạo ra một cấu kiện dai và cứng hơn so
với các cấu kiện không có dự ứng lực. Người sáng tạo ra bê tông dự ứng lực ứng
dụng là Eugene Freyssinet, một kỹ sư người Pháp. Ông là người năm 1928 đã bắt
đầu sử dụng các sợi thép cường độ cao để nén bê tông. Các thử nghiệm trước đó về
việc chế tạo bê tông dự ứng lực bằng cốt thép cường độ thường đã không thành
công. Nguyên nhân là, sau khi được nén trước, bê tông tiếp tục co ngắn lại theo thời
gian do từ biến và co ngót. Tổng hợp từ biến và co ngót có thể phát sinh một biến
dạng co khoảng 1‰. Cốt thép thường, do có cường độ thấp nên, không thể được
kéo để tạo dự ứng lực với biến dạng giãn lớn hơn 1,5‰. Như vậy, trong các lần thử
ban đầu để tạo dự ứng lực trong bê tông, 2/3 dự ứng lực trong cốt thép đã bị mất do
từ biến và co ngót. Ngược lại, các sợi thép cường độ cao có thể được kéo đến biến
dạng bằng khoảng 7‰ khi tạo dự ứng lực và, ngay cả khi bị mất đi 1‰ , vẫn còn lại
6/7 dự ứng lực.

12


Hình 1.1:Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong các cấu kiện bê tông không cốt
thép, bê tông cốt thép, bê tông dự ứng lực chịu kéo đúng tâm
Ở nước ta, hầu hết các công trình cầu lớn được xây dựng trong thời gian vừa qua
đều sử dụng bê tông dự ứng lực. Hai phương pháp tạo dự ứng lực khác nhau đã
được phát triển là phương pháp dự ứng lực kéo sau và phương pháp dự ứng lực kéo
trước. Hình 1.2 minh hoạ phương pháp tạo dự ứng lực kéo sau, trong đó, cốt thép sẽ
được kéo căng và neo vào bê tông sau khi bê tông đã được đúc và đạt đến một
cường độ nhất định

13

Hình 1.2: Dự ứng lực kéo sau
Hình 1.3 minh hoạ phương pháp dự ứng lực kéo trước, theo đó, cốt thép được
căng trên bệtrước khi đổ bê tông. Sau khi bê tông đạt đến cường độ mong muốn, cốt
thép sẽ được cắt khỏibệ và, thông qua lực dính bám, tạo ra lực nén trong bê tông.
Một kỹ sư người Đức là E.Hoyer đã phát triển phương pháp dự ứng lực kéo trước
thành một kỹ thuật ứng dụng vào năm 1938

Hình 1.3: Bê tông dự ứng lực kéo căng trước

14


Từ những nghiên cứu đầu tiên này, bê tông dự ứng lực đã phát triển thành
một ngành công nghiệp có doanh thu rất lớn. Hiện nay, hàng năm có hơn 600.000
tấn bê tông dự ứng lực được sử dụng trên toàn thế giới. Theo thống kê, trung bình
trên toàn thế giới có khoảng 66% thép dự ứng lực được dùng trong xây dựng cầu và
số còn lại được sử dụng cho công trình xây dựng dân dụng và các mục đích khác.
Tuy nhiên, ở các nước phát triển như Bắc Mỹ, châu Âu, quan hệ này lại ngược lại,
khoảng 59% thép dự ứng lực kéo sau được dùng trong xây dựng dân dụng và
khoảng 26% được dùng trong xây dựng cầu.
1.1.2 Các kết cấu bê tông dự ứng lực điển hình
Do dự ứng lực có thể được sử dụng để giảm thiểu hoặc triệt tiêu nứt do tải trọng
khai thác,nên nó có thể tạo ra các cấu kiện mảnh hơn.Ví dụ, các bản sàn một chiều
có thể có tỷ lệnhịp/chiều cao bằng 45/1 lớn hơn 60% so với tỷ lệ của bản sàn không
dự ứng lực (Hình 1.4).Với một chiều dài nhịp cho trước, lượng bê tông trong bản dự
ứng lực sẽ bằng khoảng 2/3lượng bê tông trong bản không dự ứng lực. Sau đây là
một số ví dụ về các kết cấu bê tông dựứng lực điển hình.Hơn 50% cầu được xây
dựng hiện nay là bằng bê tông dự ứng lực. Cầu bê tông dự ứng lựccó thể là từ dạng

cầu đơn giản được xây dựng từ các dầm I đúc sẵn dự ứng lực kéo trước(Hình 1.5)
đến các cầu dầm hộp dự ứng lực kéo sau đổ tại chỗ với nhịp đến 150 m (Hình
1.6),hay các cầu dây văng có nhịp đến hơn 500 m (Hình 1.7).

Hình 1.4Các tỷ số nhịp/chiều cao
điển hình của bản một chiều dự ứng
lực và không dự ứng lực

15


Hình 1.5: Dầm I – kết cấu bê
tông dự ứng lực đúc sẵn

Hình 1.6:Cầu Vĩnh Tuy với kết cấu
dầm hộp bê tông dự ứng

Hình 1.7:Cầu Bãi Cháy – cầu dây
văng có dầm bằng bê tông
dự ứng lực
1.1.3 So sánh bê tông dự ứng lực với bê tông cốt thép
Sự khác biệt quan trọng nhất giữa hai loại kết cấu này chính là việc sử dụng vật liệu
cườngđộ cao cho bê tông dự ứng lực. Để khai thác được thép cường độ cao thì buộc
phải sử dụngdự ứng lực. Việc kéo căng cốt thép và neo chúng vào bê tông sẽ tạo ra
các trạng thái ứng suấtvà biến dạng mong muốn để qua đó, giảm thiểu hoặc triệt
tiêu vết nứt trong bê tông. Nhờ đó,toàn bộ mặt cắt của kết cấu bê tông dự ứng lực
trở thành mặt cắt có hiệu. Trong khi đó, ở kếtcấu bê tông cốt thép thường chỉ một

16

phần mặt cắt là có hiệu.Việc sử dụng các cốt dự ứng lực có quỹ đạo cong sẽ giúp
chịu thêm lực cắt. Ngoài ra, dựứng lực trong bê tông có xu hướng làm giảm ứng
suất kéo chính và qua đó, làm tăng sứckháng cắt trong các cấu kiện. Do đó, để chịu
cùng một lực cắt, mặt cắt bằng bê tông dự ứnglực có thể nhỏ hơn mặt cắt bằng bê
tông cốt thép thường. Vì lý do này, các mặt dạng chữ I cóthành bụng mảnh hay
được sử dụng trong các kết cấu bê tông dự ứng lực.Bê tông cường độ cao vốn được
coi là không kinh tế khi sử dụng trong các kết cấu bê tongcốt thép thường lại được
mong muốn và, thậm chí, bắt buộc trong kết cấu bê tông dự ứng lực.Các cấu kiện có
mặt cắt mảnh bằng bê tông cường độ cao không dự ứng lực đòi hỏi nhiều cốtthép
thường dù vẫn không tránh được nứt và có độ cứng nhỏ. Trong khi đó, việc sử dụng
bêtông cường độ cao trong các kết cấu dự ứng lực cho phép tạo lực dự ứng lực lớn,
qua đó, làmtăng khả năng chống nứt cũng như độ cứng và từ đó, làm giảm kích
thước mặt cắt.Tuy nhiên, mỗi dạng kết cấu đều có điểm mạnh và điểm yếu khác
nhau. Phần sau đây sẽso sánh bê tông dự ứng lực và bê tông cốt thép thường ở các
phương diện tính khai thác, độan toàn và tính kinh tế.
Tính khai thác.
Kết cấu bê tông dự ứng lực thích hợp với kết cấu nhịp lớn, chịu tải trọnglớn.
Kết cấu bê tông dự ứng lực mảnh nên dễ phù hợp với các yêu cầu mỹ quan và cho
phéptạo ra các khoảng tịnh không lớn. Bê tông dự ứng lực ít bị nứt và có khả năng
phục hồi đóngvết nứt khi tải trọng đi qua. Độ võng do tĩnh tải nhỏ nhờ độ vồng
được tạo ra bởi dự ứng lực.Độ võng do hoạt tải cũng nhỏ do mặt cắt có hiệu không
nứt có độ cứng lớn hơn hai đến balần mặt cắt đã nứt. Kết cấu bê tông dự ứng lực
thích hợp hơn với kết cấu lắp ghép do có trọnglượng nhỏ hơn.Trong một số trường
hợp, kết cấu có yêu cầu trọng lượng và khối lượng lớn và khi này bêtông dự ứng lực
không có lợi thế, kết cấu bê tông hoặc bê tông cốt thép sẽ thích hợp hơn.
Độ an toàn.
Khó có thể nói rằng, dạng kết cấu này là an toàn hơn dạng kết cấu khác.
Độan toàn của một kết cấu phụ thuộc nhiều vào việc thiết kế và xây dựng hơn là
dạng của nó.Tuy nhiên, đặc tính an toàn có tính kế thừa của bê tông dự ứng lực

17


cũng cần được nêu lên ởđây. Trong quá trình tạo dự ứng lực, cả bê tông và cốt dự
ứng lực đã được thử nghiệm. Ởnhiều kết cấu, trong quá trình tạo dự ứng lực, cả bê
tông và cốt dự ứng lực đã phải chịu cácứng suất lớn nhất trong cả cuộc đời của
chúng. Do đó, nếu vật liệu đã vượt qua được quátrình tạo dự ứng lực, chúng có đủ
khả năng để chịu các tác động trong quá trình khai thác.Nếu được thiết kế phù hợp
bởi các phương pháp thiết kế hiện nay, kết cấu dự ứng lực cókhả năng chịu các vượt
tải bằng hoặc hơi cao hơn kết cấu bê tông cốt thép thường. Với cácthiết kế thông
thường, chúng có độ võng lớn trước khi bị phá hoại. Kết cấu bê tông dự ứnglực
cũng có khả năng chịu các tác động va chạm, tác động lặp tương tự như kết cấu bê
tôngcốt thép thường. Khả năng chống rỉ của bê tông dự ứng lực cao hơn của bê tông
cốt thépthường do chúng ít bị nứt và chất lượng của bê tông được dùng trong kết
cấu dự ứng lực caohơn. Tuy nhiên, nếu xuất hiện vết nứt, tác động của rỉ lên kết cấu
bê tông dự ứng lực nghiêmtrọng hơn so với kết cấu bê tông cốt thép thường. Thép
chịu ứng suất cao trong các kết cấu bêtông dự ứng lực nhạy với các tác động hoả
hoạn hơn cốt thép thường.So với kết cấu bê tông cốt thép thường, kết cấu bê tông
dự ứng lực đòi hỏi phải cẩn thậnhơn trong thiết kế và xây dựng do vật liệu có cường
độ cao hơn, mặt cắt nhỏ hơn, kết cấumảnh hơn, v.v.
Tính kinh tế.
Dễ thấy rằng, kết cấu bê tông dự ứng lực sử dụng ít vật liệu hơn nhờ vật
liệucó cường độ cao hơn. Cốt thép đai trong kết cấu bê tông dự ứng lực cũng được
sử dụng ít hơndo sức kháng cắt của bê tông cao hơn và cốt dự ứng lực xiên góp
phần chịu lực cắt. Việc làmgiảm kích thước mặt cắt dẫn đến làm giảm tĩnh tải và
chiều cao kiến trúc dẫn đến việc tiếtkiệm vật liệu ở các bộ phận khác của kết cấu.Ở
các kết cấu lắp ghép, dự ứng lực làm giảmkhối lượng vận chuyển.Mặc dù có các lợi
thế kinh tế trên, kết cấu bê tông dự ứng lực cũng không phải là có thểđược sử dụng
hợp lý cho mọi trường hợp. Trước hết, vật liệu cường độ cao có đơn giá caohơn.

Kết cấu dự ứng lực đòi hỏi nhiều thiết bị và vật liệu phụ trợ hơn như neo, ống gen,
vữabơm, v.v. Hệ thống ván khuôn cũng tốn kém hơn do mặt cắt của các cấu kiện dự
ứng lựcthường phức tạp hơn. Trong thiết kế cũng như thi công kết cấu bê tông dự

18


ứng lực, trình độnhân công đòi hỏi cao hơn, công tác giám sát trong thi công dự ứng
lực cũng cần được thựchiện chu đáo, tỉ mỉ hơn. Các chi phí bổ sung còn có thể phát
sinh phụ thuộc vào kinh nghiệmcủa kỹ sư và công nhân.Từ những vấn đề nêu trên
có thể rút ra kết luận là kết cấu bê tông dự ứng lực sẽ là kinh tếkhi áp dụng cho các
kết cấu nhịp lớn, chịu tải trọng lớn và khi công tác thiết kế và thi côngđược thực
hiện bởi các kỹ sư và công nhân có kinh nghiệm. Kết cấu này cũng được coi làkinh
tế khi được chế tạo ở dạng lắp ghép hay bán lắp ghép.
1.2 Các hệ thống dự ứng lực
(Tham khảo tài liệu 11)
Phụ thuộc vào công nghệ, các hệ thống dự ứng lực có thể bao gồm các bộ
phận khác nhau.Nếu sử dụng công nghệ căng trước và dính bám tức thời, hệ thống
dự ứng lực chỉ gồm các cốt dự ứng lực.Nếu sử dụng công nghệ căng sau, hệ thống
dự ứng lực sẽ bao gồm ống gen (ống tạo lỗ), cốt dự ứng lực, neo, các bộ nối cáp và
một số bộ phận khác.
1.2.1 Cốt dự ứng lực
Vật liệu được sử dụng để làm cốt dự ứng lực phổ biến nhất hiện nay là thép
cường độ cao. Thuật ngữ “cốt dự ứng lực” được sử dụng để chỉ các sợi riêng lẻ, các
tao (là bó của các
sợi), các thanh hay các nhóm của chúng (Hình 1.8). Dạng cốt dự ứng lực được sử
dụng rộng rãi nhất là các tao 7 sợi. Do các tao 7 sợi được phát triển ở Mỹ nên các
đường kính danh định được sử dụng trên thế giới được ghi ở đơn vị inchs (in.).
Trong đó, các đường kính 3/8 in. (9,53 mm), 1/2 in. (12,7 mm) và 0,6 in. (15,2 mm)
là được sử dụng rộng rãi hơn cả. Các tao thép này được sử dụng cả trong kết cấu dự

ứng lực kéo trước và dự ứng lực kéo sau.Cường độ chịu kéo tới hạn của các tao này
thay đổi trong khoảng từ 1720 MPa đến 1860 MPa.
Các thanh cốt thép có gờ là một dạng đặc biệt của cốt dự ứng lực, rất thích hợp
trong mộtsố kết cấu dự ứng lực kéo sau hoặc dự ứng lực tạm phục vụ thi công.
Đường kính danh định của chúng thay đổi từ 5/8 in. (15 mm) đến 13/8 in. (36 mm)
và cường độ kéo cực hạn là khoảng 1030 MPa.

19


Các sợi riêng lẻ là dạng thành công đầu tiên của cốt thép dự ứng lực và vẫn đang
được sửdụng đến ngày nay cho các ứng dụng đặc biệt như cho tà vẹt đường sắt hay
panel sàn. Các sợinày có các đường kính điển hình là 5 mm và 7 mm và có cường
độ tới hạn từ 1620 MPa đến 1720 MPa.

Hình 1.8: Các dạng cáp dự ứng lực điển hình
1.2.2 Ống gen
Ống gen (ống tạo lỗ) được đặt trước khi đổ bê tông, có tác dụng tạo ra không
gian (lỗ) đểđặt cốt thép dự ứng lực vào trong bê tông. Đối với dự ứng lực không
dính bám, khoảng trốnggiữa cốt dự ứng lực và ống gen được bơm đầy bằng mỡ để
chống rỉ.Đối với dự ứng lực códính bám sau, khoảng trống này được bơm đầy bằng
vữa. Ống gen được làm bằng nhựa cứng(HDPE – High Density Polyethylene) hoặc
bằng kim loại ở dạng trơn hay lượn sóng (Hình1.9). Đối với các cốt dự ứng lực lớn,
ống gen thường có mặt cắt dạng tròn.Ống gen có mặt cắtdạng này dễ chế tạo, dễ nối
và tốn ít vật liệu làm đầy (vữa hoặc mỡ) để chống rỉ nhất. Đối vớicác cấu kiện có
chiều cao nhỏ, cốt dự ứng lực nên được bố trí sao cho chúng có cánh tay đònnội lực
lớn nhất có thể. Do đó, ống gen cho trường hợp này thường có dạng hình chữ
nhậthoặc ô van

20

Hình 1.9: Ống gen
1.2.3 Neo
Đối với các kết cấu bê tông dự ứng lực căng sau, hai đầu của cốt dự ứng lực
cần được neochắc chắn vào bê tông thông qua các thiết bị neo.Hình 1.10 minh hoạ
cấu tạo của một dạng chủ động điển hình của hãng VSL được sử dụngđể neo cốt dự
ứng lực ở dạng các tao cáp.Các tao cáp dự ứng lực được neo nhờ các miếngchêm có
dạng hình nón. Các miếng chêm có răng ở mặt trong để bám chặt và giữ cáp dự
ứnglực. Lực nén tác dụng từ cáp dự ứng lực vào đầu neo được tạo ra nhờ dạng hình
nón của cácmiếng chêm này.

Hình 1.10: Cấu tạo một neo điển hình của VSL
Ở nước ta hiện nay chủ yếu sử dụng phương pháp bê tông dự ứng lực kéo căng
sau, ta có thể hình dung công việc thi công kết cấu bê tông dự ứng lực kéo căng sau
gồm các bước như sau:

21


Các thao tác tạo dự ứng lực căng sau
Bước đầu tiên trong việc sản xuất các cấu kiện dự ứng lực căng sau là đặt
khung cốt thépthường và các ống gen cùng cốt dự ứng lực kéo sau vào ván khuôn.
Sau khi đổ và bảo dưỡngbê tông, cáp dự ứng lực được kéo và neo bằng các kích dự
ứng lực kéo sau đặc biệt tựa vàochính bê tông. Trừ khi sử dụng cáp không dính
bám, thao tác tạo dự ứng lực sẽ kết thúc bằng việc bơm vữa vào ống gen (Hình
1.11).

Hình 1.11: Các bước thực hiện dự ứng lực kéo căng sau
Trong các kết cấu dự ứng lực có dính bám sau, các ống gen cần phải được bơm vữa

càngsớm càng tốt sau khi cáp đã được neo.Tuổi thọ lâu dài của kết cấu dự ứng lực
kéo sau códính bám phụ thuộc vào sự thành công của công tác bơm vữa. Mục tiêu
của việc bơm vữa là làm đầy ống gen bằng vật liệu có khả năng cung cấp môi
trường kiềm để chống rỉ cho cốt thép và có cường độ cần thiết để tạo lực dính bám
giữa cáp với bê tông xung quanh. Để giảm thời gian các bó cáp nằm phơi trong môi
trường rỉ, chỉ nên đưa chúng vào các ống gen ngay trước khi kéo dự ứng lực. Thông
thường, vữa bơm vào ống gen chứa một hỗn hợp xi măng và nước (tỷ lệ nước/xi
măng khoảng 0,5) cùng các phụ gia giảm nước và phụ gia nở. Vữa dùng cho các
ống gen có đường kính lớn cũng có thể chứa các cốt liệu như cát, tro bay hay

22


pozzolans.Vữa thích hợp cần phải có đủ tính lưu động trong quá trình bơm, ít bị mất
nước và phân rã, có độ co ngót thấp, có cường độ đầy đủ và không chứa các chất có
hại như clo-rit, ni-trat, sun-fit hay các hợp chất khác có thể tham gia gây rỉ cốt thép.
Vữa được bơm vào tại các điểm thấp của cáp hay tại các đầu của cấu kiện. Các ống
thông hơi được đặt ở các điểm cao của cáp như được thể hiện trên Hình 2.9c. Nếu
ống gen không được thông hơi đầy đủ, các túi khí có thể bị kẹt lại tại các điểm cao
của ống gen. Hơi nước có trong các túi khí này có thể làm cho cốt thép bị rỉ và ở các
miền lạnh, hơi nước bị đóng băng và có thể gây ra các hư hỏng nghiêm trọng. Trước
khi bơm vữa, các ống gen cần phải được thổi sạch các mảnh vụn và bụi bẩn bằng
hơi ép không có dầu.Đôi khi, ống gen cũng phải được rửa bằng nước trước khi bơm
vữa. Nếu ống gen bị tắc trong quá trình bơm vữa thì ngay lập tức phải rửa ống gen
bằng nước, bơm vào từ ống thoát khí gần nhất theo chiều ngược với chiều bơm vữa.

Hình 1.12: Dùng ống gen xoắn trong thi công dầm bê tông
1.3 Giới thiệu chung về máy cuốn ống gen xoắn
Hiện nay trên thế giới máy cuốn ống gen rất đa dạng và phong phú về mẫu
mã và chủng loại. Mỗi hãng đều có những dòng sản phẩm riêng biệt phù hợp với

yêu cầu công nghệ thi công khác nhau và có những ưu điểm riêng biệt. Máy cuốn
ống gen SBTF, SBKJ của hãng Jiangsu Trung Quốc, loại máy cuốn này cho phép
thay đổi đường kính ống gen từ 100mm đến 1600mm

23


Loại máy LMS là một trong những máy cuốn ống gen có tốc độ cuốn nhanh,
năng suất lớn, có thể cuốn với chiều dày lớn nhất 1,2 mm. Toàn bộ quy trình sản
phẩm cũng như chất lượng sản phẩm ống gen đạt tiêu chuẩn châu Âu, dải đường
kính của máy từ 800mmđến 1400 mm

Hình 1.13: Máy cuốn ống xoắn LMS
Loại máy KQG 110, KQG 300 của hãng SKU cuốn được ống gen có đường
kính ống từ 50mm đến 300mm. Các loại máy này có tốc độ cuốn nhanh, dễ dàng
thay đổi đường kính theo yêu cầu. Các máy cuốn ống gen của hãng VSL cho phép
cuốn ống gen từ 50mm đến 120 mm. Đây là một trong những loại máy đạt tiêu
chuẩn châu Âu, hiện đang được sử dụng rất phổ biến

Hình 1.14: Máy cuốn ống gen xoắn DFG 300

24


Sơ đồ nguyên lý của máy cuốn ống gen như sau:

1

Giá đỡ cấp phôi

5

Ống gen xoắn

2

Hệ thống nhúng, là phẳng phôi

6

Máng đỡ sản phẩm

3

Hệ thống cán biên dạng

7

Bộ phận làm mát

4

Hệ thống xoắn gấp mép tạo ống

8

Bộ phận cắt ống

Hình 1.15: Sơ đồ nguyên lý máy cuốn ống gen
Phôi thép từ giá đỡ 1 qua hệ thống nhúng phôi 2. Hệ thống này có tác dụng

rửa bôi trơn trước khi qua hệ thống cán biên dạng. Hệ thống cán biên dạng 3 có 3
trục cán nhằm tạo gân thành ống và chuẩn bị mép để hệ thống gấp mép 4 xoắn tạo
ống.Ống sau khi tạo thành được đỡ và trượt trên máng 6. Khi đạt đến chiều dài cần
thiết thì động cơ chính của máy ngừng làm việc, lúc đó bộ phận cắt ống 8 sẽ cắt
ống.
1.4 Tổng quan về tình hình khai thác máy cuốn ống gen ở Việt Nam
Hiện nay, công nghệ bê tông dự ứng lực được áp dụng 100% trong xây dựng
các công trình cầu đường. Công nghệ này cũng đang được ứng dụng phổ biến trong
xây dựng nhà cao tầng, các kết cấu ống khói nhà máy, kết cấu bê tông thủy điện,….
Để có thể luồn cáp dự ứng lực vào kết cấu bê tông cần phải tạo lỗ trong khối bê
tông. Máy cuốn ống gen là thiết bị sản xuất ra ống gen tạo lỗ trong khối bê tông với
nhiều loại đường kính khác nhau phù hợp với yêu cầu cụ thể của từng kết cấu. Do
vậy nhu cầu về máy cuốn ông gen trong xây dựng cầu đường và xây dựng các công
trình dân dụng, thủy lợi là rất lớn.
Trong nước có một số đơn vị bước đầu đã thiết kế chế tạo máy cuốn ống gen
phục vụ cho công nghệ bê tông cốt thép dự ứng lực như bộ môn Gia công áp lực

25