Giáo trình Kết cấu công trình cầu đường - Trường Cao đẳng Xây dựng TP. Hồ Chí Minh: Phần 2

CHƢƠNG 6

:CẤU KIỆN CHỊU NÉN

6.1. Khái niệm
- Cấu kiện chịu nén là cấu kiện chịu tác dụng của lực nén dọc (lực nén có phƣơng song song với
trục dọc cấu kiện). Khi lực nén dọc đặt tại trọng tâm mặt cắt ngang, ta có cấu kiện chịu nén đúng
tâm hay cấu kiện chịu nén dọc trục. Khi lực nén đặt lệch so với trọng tâm mặt cắt ngang, ta có cấu
kiện chịu nén lệch tâm. Gọi P là lực nén dọc đặt lệch tâm, e là độ lệch tâm của nó. Khi đó tải trọng
P đặt lệch tâm có thể quy về thành tải trọng P đặt đúng tâm và mô men uốn M = P.e, nên cấu kiện
chịu nén lệch tâm còn đƣợc gọi là cấu kiện chịu nén dọc trục và mô men uốn kết hợp. Cấu kiện chịu
nén có thể là thẳng đứng, nghiêng hoặc nằm ngang. Sau đây ta chỉ nghiên cứu trƣờng hợp cấu kiện
chịu nén đặt thẳng đứng là trƣờng hợp thƣờng gặp nhất trong thực tế hay còn gọi là cột.
- Các cấu kiện chịu nén thƣờng gặp trong thực tế có thể kể đến là các cột của hệ khung nhà, các
thanh nén trong giàn, thân vòm, mố và trụ cầu,...

6.2. Đặc điểm cấu tạo
6.2.1. Mặt cắt ngang
- Mặt cắt ngang của cấu kiện chịu nén nên chọn đối xứng theo hai trục và có độ cứng theo hai
phƣơng không chênh lệch nhau quá. Do vậy, mặt cắt ngang của cấu kiện chịu nén trong thực tế
thƣờng có dạng hình vuông, hình tròn, hình vành khăn, đa giác đều,...
- Kích thƣớc mặt cắt cột đƣợc xác định bằng tính toán. Tuy nhiên, để dễ thống nhất ván khuôn, nên
chọn kích thƣớc mặt cắt là bội số của 5 cm. Đồng thời, để đảm bảo dễ đổ bê tông, không nên chọn
mặt cắt cột nhỏ hơn 2525cm2.

6.2.2. Vật liệu
6.2.2.1. Bê tông
- Bê tông dùng cho cột thƣờng có cƣờng độ chịu nén quy định f’c trong khoảng 20  28MPa.

6.2.2.2. Cốt thép
- Cốt thép trong cấu kiện chịu nén bao gồm cốt thép dọc chủ và cốt thép đai

a) Cốt thép dọc chủ: Là cốt thép đặt dọc theo chiều dài cấu kiện, để tham gia chịu lực chính cùng
với bê tông. Khi tính toán bố trí cốt thép dọc chủ, ta cần chú ý các điểm sau:
+ Cốt thép dọc phải đƣợc bố trí đối xứng với trục dọc của cấu kiện.
+ Khoảng cách giữa các cốt thép dọc không đƣợc vƣợt quá 450 mm.

94


+ Khi khoảng cách trống giữa hai cốt thép dọc lớn hơn 150 mm, phải bố trí cốt đai phụ (hình
7.1).
+

Số lƣợng cốt thép dọc tối thiểu trên mặt cắt ngang của cột hình chữ nhật là 4, của cột hình
tròn (hoặc tƣơng tự tròn) là 6, kích cỡ thanh tối thiểu là 16 .

+ Nên bố trí cốt thép dọc quanh chu vi tiết diện.
- Cốt thép dọc chủ đƣợc đặt theo tính toán nhƣng phải đảm bảo quy định về lƣợng cốt thép tối đa và
tối thiểu.

 st 

Ast
  max  0,08
Ag

(6.1)

Ast
f'
  min  0,135. c

Ag
fy

(6.2)

và

 st 

Trong đó:
Ast = Diện tích cốt thép thƣờng dọc chịu nén (mm2)
Ag = Diện tích tiết diện nguyên của mặt cắt (mm2)
fy = Cƣờng độ chảy quy định của cốt thép thƣờng (MPa)
f’c = Cƣờng độ chịu nén quy định của bê tông (MPa).
b) Cốt thép đai:
- Cốt thép đai trong cấu kiện chịu nén có tác dụng liên kết các cốt thép dọc thành khung cốt thép khi
đổ bê tông, giữ ổn định cho cốt thép dọc và tham gia chịu lực cắt khi cột bị uốn. Cốt thép đai khi
đƣợc bố trí với khoảng cách khá nhỏ còn có tác dụng cản trở biến dạng ngang của bê tông, làm tăng
đáng kể khả năng chịu nén của phần lõi bê tông.
- Cốt thép đai có hai loại: cốt đai ngang và cốt đai xoắn.
*) Cốt thép đai ngang (đai thƣờng):
- Cốt đai ngang có cấu tạo dạng khung khép kín với đầu mút đƣợc neo với cốt thép dọc bằng cách
uốn góc 900 hoặc 1350. Đƣờng kính nhỏ nhất yêu cầu đối với cốt thép đai ngang là thanh 10 cho
các thanh cốt thép dọc chủ 32 hoặc nhỏ hơn, là thanh 16 cho các thanh cốt thép dọc chủ 36 hoặc
lớn hơn và là thanh 13 cho các bó thanh. Cự ly giữa các cốt đai ngang không đƣợc vƣợt quá hoặc
kích thƣớc nhỏ nhất của cột và 300mm. Khi hai hoặc nhiều thanh 36 đƣợc bó lại, cự ly này không
đƣợc vƣợt quá hoặc một nửa kích thƣớc nhỏ nhất của cột và 150mm.
*) Cốt thép đai xoắn:
- Cốt đai xoắn có cấu tạo dạng lò xo, làm bằng cốt thép trơn, cốt thép có gờ hoặc dây thép với
đƣờng kính tối thiểu 9,5 mm. Cốt đai xoắn thích hợp với các cột có mặt cắt tròn hoặc tƣơng tự tròn,

95


cũng nhƣ ở các vùng chịu lực nén cục bộ lớn (ví dụ khu vực dƣới neo dự ứng lực) hoặc các cột ở
vùng có động đất. Khoảng cách trống giữa các thanh đai xoắn không đƣợc nhỏ hơn 25 mm và 1,33
lần kích thƣớc cốt liệu lớn nhất. Khoảng cách tim đến tim của các cốt thép này không đƣợc vƣợt
quá 6 lần đƣờng kính cốt thép dọc và 150 mm.
- Hàm lƣợng cốt đai xoắn so với phần lõi bê tông tính từ mép ngoài của cốt thép đai không đƣợc
nhỏ hơn
 Ag
 f
 s,min  0,45
 1  c
 Ac
 f yh

(6.3)

Trong đó:
Ag = Diện tích mặt cắt nguyên của cột (mm2),
Ac = Diện tích của lõi bê tông, tính từ đƣờng kính mép ngoài của cốt đai xoắn (mm2),
f 'c = Cƣờng độ chịu nén quy định của bê tông (MPa),
fyh = Giới hạn chảy quy định của cốt thép đai xoắn (MPa).
- Hàm lƣợng cốt thép đai xoắn đƣợc định nghĩa nhƣ sau:

s 

Asp Lsp
Ac Lc



4 Asp

(6.4)

sDc

Trong đó:
Asp = Diện tích của thanh cốt thép đai xoắn =  d sp2 4 , với dsplà đƣờng kính cốt thép đai xoắn,
Lsp = Độ dài một vòng cốt đai xoắn, =  Dc ,
Dc = Đƣờng kính lõi bê tông, tính tới mép ngoài vòng cốt đai xoắn,
Ls = Bƣớc cốt đai xoắn.

96


Hình 6.1 - Cách bố trí cốt thép đai ngang

6.3. Phân loại cột theo khả năng chịu lực
- Tuỳ theo vị trí tác dụng của lực dọc trên mặt cắt ngang, cột đƣợc phân thành cột chịu nén đúng
tâm và cột chịu nén lệch tâm. Trong cột chịu nén đúng tâm, nội lực trên mặt cắt ngang chỉ gồm lực
dọc trục. Trong cột chịu nén lệch tâm, ngoài lực dọc trục, các mặt cắt ngang cột còn chịu mô men.
- Sự mất khả năng chịu lực của cột có thể do sự hƣ hỏng của vật liệu (cốt thép chịu kéo bị chảy
và/hoặc bê tông vùng nén bị nén vỡ) hoặc do mất ổn định của cột. Sự phá hoại do hƣ hỏng vật liệu
xảy ra đối với các cột ngắn, trong khi đó, sự mất ổn định xảy ra (trƣớc khi vật liệu đƣợc khai thác
hết về cƣờng độ) đối với các cột mảnh. Cột ngắn và cột mảnh đƣợc phân biệt với nhau bởi tỷ số độ
mảnh của chúng.
- Cấu kiện chịu nén đƣợc coi là cột ngắn, trong đó hiệu ứng độ mảnh đƣợc bỏ qua, khi thoả mãn

điều kiện sau:

97


+ Tỷ số độ mảnh Klu/r < 22, đối với các cấu kiện không có giằng đỡ ngang, hay
+ Tỷ số độ mảnh Klu/r < 34 – 12 (M1/M2), đối với các cấu kiện có giằng đỡ ngang,
Trong đó:
K = Hệ số chiều dài hữu hiệu, phụ thuộc vào điều kiện liên kết ở hai đầu thanh,
lu = Chiều dài không đƣợc đỡ (chiều dài tự do),
r = Bán kính quán tính của mặt cắt cột,
M1 và M2 = Tƣơng ứng, là mô men nhỏ hơn và mô men lớn hơn ở hai đầu thanh, với (M1/M2) là
dƣơng đối với đƣờng cong uốn đơn.

6.4. Các giả thiết tính toán
- Các giả thiết cơ bản khi tính toán cấu kiện chịu nén ở TTGH cƣờng độ đƣợc đƣa ra tƣơng tự nhƣ
trong tính toán cấu kiện chịu uốn, nghĩa là:
+ Tiết diện của dầm trƣớc và sau khi biến dạng vẫn phẳng hay biến dạng tại một thớ trên mặt
cắt ngang tỉ lệ thuận với khoảng cách từ thớ đó tới trục trung hòa của tiết diện là trục có biến
dạng bằng không (giả thuyết Becnuli).
+ Đối với các cấu kiện có cốt thép dính bám, biến dạng của bê tông và cốt thép ở trên cùng
một thớ là bằng nhau (giả thiết đồng biến dạng).
+ Cốt thép là vật liệu đàn dẻo lý tƣởng.
+ Nếu bê tông không bị kiềm chế, ứng biến lớn nhất có thể đạt đƣợc ở thớ chịu nén ngoài
cùng là 0,003. Nếu bê tông bị kiềm chế, có thể sử dụng giá trị ứng biến lớn hơn 0,003 nếu có
sự chứng minh.
+ Không xét đến sức kháng kéo của bê tông.
+ Biểu đồ ứng suất ở vùng chịu nén có thể đƣợc giả thiết là hình chữ nhật hoặc parabol.

6.5. Khả năng chịu lực của cột ngắn

6.5.1. Cột ngắn chịu nén đúng tâm
- Dƣới tác dụng của lực nén đúng tâm, biến dạng tại mọi điểm trên tiết diện là giống nhau hay biến
dạng của bê tông và cốt thép bằng nhau. Thực nghiệm cho thấy khi biến dạng nén của bê tông cột
đạt tới trị số giới hạn ( 0,003), thì cốt thép dọc trong cột cũng đã đạt tới giới hạn chảy. Do vậy,
TC-05 quy định sức kháng nén danh định của cấu kiện chịu nén dọc trục đƣợc xác định
+ Đối với cấu kiện chịu nén có cốt thép đai xoắn:

98


Pn = 0,85.[0,85.f 'c.(Ag - Ast) + fy.Ast]

(6.5)

+ i vi cu kin chu nộn cú ct thộp ai thng:
Pn = 0,8 [0,85 f 'c (Ag - Ast) + fy Ast]

(6.6)

Trong ú:
Pn = Sc khỏng lc dc trc danh nh cú hoc khụng cú un (N);
f 'c = Cng chu nộn quy nh ca bờ tụng (Mpa);
Ag = Din tớch nguyờn ca mt ct (mm2);
Ast = Din tớch ca ct thộp dc thng chu nộn (mm2);
fy = Gii hn chy quy nh ca ct thộp (MPa).
- Sc khỏng nộn tớnh toỏn (sc khỏng nộn cú h s) Pr ca cu kin chu nộn dc trc c xỏc nh
t sc khỏng danh nh theo cụng thc sau:
Pr = Pn, vi l h s sc khỏng khi chu nộn dc trc, c tra bng theo quy nh ( = 0,75).

6.5.2. Ct ngn chu nộn lch tõm, tit din ch nht

a) S ng sut, bin dng:
- Di tỏc dng ca lc nộn tỏc dng lch tõm, mt ct ngang ct se chu tỏc dng ca lc nộn ỳng
tõm v mụ men un dng thi, do ú ta cú s ng sut, bin dng nh sau:
Pn
b

h/2

C

e

Trục trung hòa
a = c.

ds-a/2

Trục trọng tâm

dsc

h

As

Cs
a

c

d's

's

ds

A's

a/2

0,85f'c

0,003

s
Ts = fs.As

Mặt cắt ngang cột

Sơ đồ biến dạng

Sơ đồ ứng suất

Hỡnh 6.2 S tớnh toỏn cu kin chu nộn lch tõm, tit din ch nht
b) Cỏc phng trỡnh c bn:
- Sc khỏng nộn danh nh c tớnh bng phng trỡnh hỡnh chiu lờn trc dc cu kin:

Pn 0,851 fcbc As fs As fs

(6.7)

99


- Sức kháng uốn danh định đƣợc tính bằng tổng mô men của các lực đối với trục đi qua trọng tâm
mặt cắt:
h
h a
h


Mn  Pn e  0,851 fcbc     As fs  d    As fs  d  
2
2 2
2



(6.8)

- Chú ý rằng, sức kháng nén dọc trục Pn khi cột chịu nén uốn không thể có giá trị vƣợt quá sức
kháng nén dọc trục của cột tƣơng ứng chịu nén đúng tâm đƣợc xác định trong các công thức (6.5)
và (6.6).
- Tuỳ thuộc vào độ lệch tâm của lực dọc e 

Mu
, cốt thép chịu nén As và cốt thép chịu kéo As có
Pu

thể đạt tới cƣờng độ chảy f y và fy của chúng. Việc đánh giá sự chảy của các cốt thép này đƣợc

thực hiện qua so sánh các ứng biến thực tế của cốt thép  s và  s trên sơ đồ biến dạng với ứng biến
gây chảy cốt thép  y và  y . Trong trƣờng hợp cốt thép không chảy, ứng suất thực tế trong cốt thép
đƣợc tính từ biến dạng thực tế:
(c  ds )
.Es ,  fy
c
(d  c)
fs   s Es  0, 003. s
.Es ,  fy
c
fs   sEs  0, 003.

(6.9)

c) Điều kiện cường độ:
- Cấu kiện chịu nén lệch tâm đƣợc kiểm toán ở TTGH cƣờng độ theo những công thức sau:
Mu   Mn

(6.10)

Pu   Pn

(6.11)

trong đó, Pn và Mn đƣợc xác định từ các công thức (7.7) và (7.8). Hệ số sức kháng  đƣợc lấy trung
gian giữa hệ số sức kháng đối với uốn và hệ số sức kháng đối với nén đúng tâm nhƣ sau:

  0, 9  0,15

0, 75Pn

Pn
 0, 9  0,1125
,  0, 75
0,1 fcAg
0,1 fcAg

(6.12)

d) Bài toán duyệt mặt cắt:
- Ở bài toán này, đã biết các yếu tố hình học và vật liệu của mặt cắt ngang cũng nhƣ thông số của
ngoại lực. Yêu cầu tính duyệt (kiểm tra) cƣờng độ mặt cắt.
- Với các giá trị tải trọng đã cho Pu và Mu , có thể xác định đƣợc độ lệch tâm của lực dọc

e

Mu
Pu

(6.13)

- Xét hai phƣơng trình cân bằng (6.7) và (6.8). Các ứng suất fs và fs có thể đƣợc biểu diễn thông
qua chiều cao vùng nén c theo công thức (6.9). Do đó, từ hai phƣơng trình trên, có thể xác định

100


đƣợc c, Pn và Mn . Tuy nhiên, việc kết hợp hai phƣơng trình cân bằng sẽ dẫn đến một phƣơng trình
bậc ba đối với c. Đồng thời, trong quá trình giải, cũng phải kiểm tra sự chảy của các cốt thép nhƣ đã
nêu ở trên.

6.6. Khả năng chịu lực của cột dài( cột mảnh)
- Khi cột BTCT có độ mảnh lớn hơn giới hạn để đƣợc xem là cột ngắn, cột sẽ bị phá hoại do mất ổn
định trƣớc khi đạt giới hạn phá huỷ của vật liệu.
- Đối với cấu kiện chịu nén đúng tâm, lời giải của bài toán Euler cho giá trị tải trọng giới hạn gây
mất ổn định là

Pe 

 2 EI

 Klu 

(6.14)

2

Trong đó:
Pe = Tải trọng tới hạn,
E = Mô đun đàn hồi,
I = Mô men quán tính của mặt cắt,
Klu = Chiều dài hữu hiệu của cấu kiện chịu nén,
K = Hệ số điều chỉnh chiều dài hữu hiệu,
lu = Chiều dài tự do (chiều dài không đƣợc đỡ) của thanh nén.
Hệ số điều chỉnh chiều dài hữu hiệu K
Hệ số chiều dài hữu hiệu của cấu kiện chịu nén đƣợc xác định tuỳ theo điều kiện liên kết ở hai đầu
thanh. Đối với cột làm việc độc lập, các giá trị thƣờng gặp của K theo lý thuyết và dùng trong thiết
kế đƣợc cho trong bảng 6.1.
Bảng 6.1 - Hệ số điều chỉnh chiều dài hữu hiệu

101

Ví dụ 6.1
Xác định kích thƣớc, tính và bố trí cốt thép cho cột ngắn chịu nén đúng tâm, biết:
-

Bê tông có f’c = 28MPa, cốt thép theo A615M có fy = 420MPa;

-

Lực nén tính toán Pu = 1200kN.

Giải:- Giả sử cột bố trí cốt thép đai thƣờng. Ta có:


 0,8. A .0,85. f





Pn  0,8. 0,85. f c, .Ag  Ast   f y . Ast  0,8 0,85. f c, .Ag   st . Ag   f y . st . Ag
g

,
c

.1   st   f y . st





- Chọn st = (1  4)% = 2% = 0,02. Ta có:
Pn  0,8. Ag .0,85.28.1  0,02  420.0,02  25,4. Ag

- Từ điều kiện cƣờng độ, ta có:

Pn 

Pu



 25,4. Ag 

1200.10 3
 Ag  63043mm 2  Ast  0,02.63043  1260mm 2 .
0,75

Vậy ta chọn Ag = 250x300 = 75000mm2 ≥ 63043mm2 ; Ast = 419 = 4.284 = 1136mm2 và bố trí

4  19

250

trên mặt cắt nhƣ hình vẽ :

300
MÆt c¾t cét ®· chän

- Kiểm tra lại mặt cắt đã chọn theo điều kiện cƣờng độ:





Pn  0,8. 0,85. f c, .Ag  Ast   f y . Ast  0,80,85.28.75000  1136  420.1136  1788.10 3 N
 Pr  .Pn  0,75.1788  1341kN  Pu  1200kN
Vậy điều kiện cƣờng độ thỏa mãn.
- Kiểm tra hàm lƣợng cốt thép dọc chịu nén:

 st 

Ast
f,
1136
28

 0,015;  st max  0,08;  st min  0,135. c  0,135.
 0,009 .
Ag 75000
fy
420

Suy ra stmin ≤ st ≤ stmax. Vậy hàm lƣợng cốt thép dọc chịu nén đã chọn là hợp lý.
Kết luận: Vậy kích thƣớc mặt cắt và cốt thép đã chọn và bố trí nhƣ trên là thỏa mãn bài toán.

102

Ví dụ 6.2
Kiểm tra khả năng chịu lực của cột ngắn chịu nén lệch tâm, biết:
- Kích thƣớc tiết diện 300350 mm2;
- Bê tông có f’c = 28MPa, cốt thép theo A615M có fy = 420MPa, Es = 2.105MPa;
- Sử dụng As = 419; ds = 290mm; d’s = 60mm;
- Tải trọng tính toán Mu = 100kN.m; Pu = 1000kN.
Giải:
- Giả sử cột bố trí cốt thép đai thƣờng, ta có :
Ast  4.284  1136mm 2 





Pn  0,8. 0,85. f c, .Ag  Ast   f y . Ast  0,8.0,85.28.300.350  1136  420.1136  2359.10 3 N 
Pr  .Pn  0,75.2359.10 3  1769.10 3 N

- Ví cốt thép bố trí đối xứng, nên ta bỏ qua cốt thép chịu nén. Khi đó



f y . As
,
c

0,85. f .b.d s



420.2.284
 0,115   gh  0,357  A  0,109
0,85.28.300.290

- Kiểm tra hàm lƣợng cốt tối thiểu



As
2.284

 0,0065
b.d s 300.290

 min

f,
28
 0,03. c  0,03.
 0,002
fy
420

; Suy ra  > min. Vậy hàm lƣợng cốt thép là hợp lý.

- Sức kháng uốn tính toán
M r  .M n  .0,85. f c, .b.d s2 . A  0,9.0,85.28.300.290 2.0,109  58,6.10 6 N .mm

BÀI TẬP SV TỰ LÀM:
1.Xác định kích thƣớc, tính và bố trí cốt thép cho cột ngắn chịu nén đúng tâm, biết:

-

Bê tông có f’c = 32MPa, cốt thép theo A615M có fy = 300MPa;

-

Lực nén tính toán Pu = 1300kN.

2.Kiểm tra khả năng chịu lực của cột ngắn chịu nén lệch tâm, biết:
- Kích thƣớc tiết diện 250300 mm2;
- Bê tông có f’c = 30MPa, cốt thép theo A615M có fy = 300MPa, Es = 2.105MPa;
- Sử dụng As = 422; ds = 240mm; d’s = 60mm;
- Tải trọng tính toán Mu = 110kN.m; Pu = 1250kN.

103


PHỤ LỤC
Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05
BẢNG 1
Các giá trị 1, R và R cho một số cấp cƣờng độ bê tông

Cấp cƣờng độ bê tông f'c (Mpa)

Các giá trị giới hạn
28

30

32

35

40

45

1

0,850

0,836

0,821

0,800

0,764

0,729

R

0,357

0,351

0,345

0,336

0,321

0,306

R

0,293

0,289

0,285

0,280

0,269

0,259

BẢNG 2
Diện tích và trọng lƣợng cốt thép tròn theo ASTM A615M

hiệu

Trọng

Diện tích mặt cắt ngang, cm2 - ứng với số thanh

Số

lƣợng

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

(kG/m)

D10

0,71

1,42

2,13

2,84

3,55

4,26

4,97

5,68

6,39

7,10

0,56

D13

1,29

2,58

3,87

5,16

6,45

7,74

9,03

10,32

11,61

12,90

0,994

D16

1,99

3,98

5,97

7,96

9,95

11,94

13,93

15,92

17,91

19,90

1,552

D19

2,84

5,68

8,52

11,36

14,20

17,04

19,88

22,72

25,56

28,40

2,235

D22

3,87

7,74

11,61

15,48

19,35

23,22

27,09

30,96

34,83

38,70

3,042

D25

5,1

10,20

15,30

20,40

25,50

30,60

35,70

40,80

45,90

51,00

3,973

D29

6,45

12,90

19,35

25,80

32,25

38,70

45,15

51,60

58,05

64,50

5,06

D32

8,19

16,38

24,57

32,76

40,95

49,14

57,33

65,52

73,71

81,90

6,404

D36

10,06

20,12

30,18

40,24

50,30

60,36

70,42

80,48

90,54

100,6

7,907

D43

14,52

29,04

43,56

58,08

72,60

87,12

101,6

116,1

130,6

145,2

11,38

D57

25,81

51,62

77,43

103,2

129,0

154,8

180,6

206,4

232,2

258,1

20,24

BẢNG 3
Quan hệ  -  - m

104






m





m





m

0,010

0,995

0,010

0,260

0,870

0,226

0,510

0,745

0,380

0,020

0,990

0,020

0,270

0,865

0,234

0,520

0,740

0,385

0,030

0,985

0,030

0,280

0,860

0,241

0,530

0,735

0,390

0,040

0,980

0,039

0,290

0,855

0,248

0,540

0,730

0,394

0,050

0,975

0,049

0,300

0,850

0,255

0,550

0,725

0,399

0,060

0,970

0,058

0,310

0,845

0,262

0,560

0,720

0,403

0,070

0,965

0,068

0,320

0,840

0,269

0,570

0,715

0,408

0,080

0,960

0,077

0,330

0,835

0,276

0,580

0,710

0,412

0,090

0,955

0,086

0,340

0,830

0,282

0,590

0,705

0,416

0,100

0,950

0,095

0,350

0,825

0,289

0,600

0,700

0,420

0,110

0,945

0,104

0,360

0,820

0,295

0,620

0,690

0,428

0,120

0,940

0,113

0,370

0,815

0,302

0,640

0,680

0,435

0,130

0,935

0,122

0,380

0,810

0,308

0,660

0,670

0,442

0,140

0,930

0,130

0,390

0,805

0,314

0,680

0,660

0,449

0,150

0,925

0,139

0,400

0,800

0,320

0,700

0,650

0,455

0,160

0,920

0,147

0,410

0,795

0,326

0,720

0,640

0,461

0,170

0,915

0,156

0,420

0,790

0,332

0,740

0,630

0,466

0,180

0,910

0,164

0,430

0,785

0,338

0,760

0,620

0,471

0,190

0,905

0,172

0,440

0,780

0,343

0,780

0,610

0,476

0,200

0,900

0,180

0,450

0,775

0,349

0,800

0,600

0,480

0,210

0,895

0,188

0,460

0,770

0,354

0,820

0,590

0,484

0,220

0,890

0,196

0,470

0,765

0,360

0,840

0,580

0,487

0,230

0,885

0,204

0,480

0,760

0,365

0,860

0,570

0,490

0,240

0,880

0,211

0,490

0,755

0,370

0,880

0,560

0,493

0,250

0,875

0,219

0,500

0,750

0,375

0,900

0,550

0,495

Bảng 4 - Bề dày lớp bê tông bảo vệ
Trạng thái

Lớp bê tông bảo vệ
(mm)

Lộ trực tiếp trong nƣớc muối

100

Đúc áp vào đất

75

Vùng bờ biển

75

105


Mt cu chu mi mũn bi vu lp xe hoc xớch

60

Mt ngoi khỏc vi cỏc iu kin trờn

50

Mt trong khỏc vi cỏc iu kin trờn
-

i vi thanh nh hn N036

40

-

i vi thanh N043 v N057

50

ỏy bn ỳc ti ch
-

i vi thanh nh hn N036

25

-

i vi thanh N043 v N057

50

Panen ỳc sn

20

Cc bờ tụng ct thộp ỳc sn
-

Mụi trng khụng n mũn

50

-

Mụi trng n mũn

70

Cc bờ tụng d ng lc

50

Cc ỳc ti ch
-

Mụi trng khụng n mũn

50

-

Mụi trng n mũn

75

-

Ging

50

-

ỳc trong l bng ng bờ tụng trong nc 75
hoc va sột

Bảng 5: Bảng tra tải trọng tơng đơng của HL93 (KN/m)
Xe tải thiết kế(truck)

Xe hai trục thiết kế(tandem)

Chiều dài tải
(m)
0

0.25

0.5

0

0.25

0.5

4

72.50

72.50

72.50

93.50

88.00

77.00

4.5

67.31

64.44

64.44

84.74

80.40

71.70

5

66.12

58.00

58.00

77.44

73.92

66.88

6

62.03

50.48

48.33

66.00

63.56

58.67

7

57.41

48.93

41.43

57.47

55.67

52.08

8

53.02

46.52

36.25

50.88

49.50

46.75

9

49.40

43.92

34.00

45.63

44.54

42.37

10

46.51

41.37

34.04

41.36

40.48

38.72

11

43.81

38.99

33.50

37.82

37.09

35.64

106


12

41.33

37.05

32.67

34.83

34.22

33.00

13

39.06

35.41

31.68

32.28

31.76

30.72

14

36.99

33.85

30.63

30.08

29.63

28.73

15

35.12

32.38

29.57

28.16

27.77

26.99

16

33.40

30.99

28.53

26.47

26.13

25.44

18

30.40

28.50

26.56

23.63

23.36

22.81

20

27.88

26.34

24.76

21.34

21.12

20.68

22

25.73

24.45

23.15

19.45

19.27

18.91

24

23.87

22.80

21.71

17.88

17.72

17.42

Tài liệu tham khảo
1. Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05;
2. Lê Đình Tâm. Cầu bê tông cốt thép trên đường ô tô, tập 1. NXB Xây dựng, 2005;
3. Nguyễn Viết Trung; Hoàng Hà. Cầu bê tông cốt thép nhịp giản đơn, tập I. NXB Giao thông vận
tải, 2003;
4. Nguyễn Viết Trung. Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép hiện đại theo ACI. NXB Giao thông vận
tải, 2003;
5. Phan Quang Minh (chủ biên). Kết cấu bê tông cốt thép - phần cấu kiện cơ bản. NXB Khoa học
& Kỹ thuật, 2006.

PHẦN 2: KẾT CẤU THÉP

CHƢƠNG 7

:ĐẠI CƢƠNG VỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP

7.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KẾT CẤU THÉP (KCT)
7.1.1. Ƣu, khuyết điểm và phạm vi sử dụng của KCT
a) Ưu điểm.

107


+ Kết cấu thép có khả năng chịu lực lớn. Do cƣờng độ của thép cao nên các kết cấu
thép có thể chịu đƣợc những lực khá lớn với mặt cắt không cần lớn lắm, kết cấu thép thanh
mảnh khả năng vƣợt đƣợc nhịp lớn. Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi xây dựng cầu ở nơi
hạn chế chiều cao kiến trúc.
+ Việc tính toán kết cấu thép có độ tin cậy cao. Thép có cấu trúc khá đồng đều, mô
đun đàn hồi lớn. Trong phạm vi làm việc đàn hồi, kết cấu thép khá phù hợp với các giả thiết
cơ bản của sức bền vật liệu đàn hồi (nhƣ tính đồng chất, đẳng hƣớng của vật liệu, giả thiết

mặt cắt phẳng, nguyên lý độc lập tác dụng…).
+ Kết cấu thép “nhẹ” nhất so với các kết cấu làm bằng vật liệu thông thƣờng khác
(bê tông, gạch đá, gỗ). Độ nhẹ của kết cấu đƣợc đánh giá bằng hệ số c = γ/F, là tỷ số giữa tỷ
trọng γ của vật liệu và cƣờng độ F của nó. Hệ số c càng nhỏ thì vật liệu càng nhẹ.
Trong khi bê tông cốt thép (BTCT) có c = 24.10-4 1/m, gỗ có c = 4,5.10-4 1/m, thì hệ số c
của thép chỉ là c = 3,7.10-4 1/m
+ Kết cấu thép thích hợp với thi công lắp ghép và có khả năng cơ giới hoá cao trong
chế tạo. Các cấu kiện thép dễ đƣợc sản xuất hàng loạt tại xƣởng với độ chính xác cao. Các
liên kết trong kết cấu thép (đinh tán, bu lông, hàn) tƣơng đối đơn giản, dễ thi công.
+ Kết cấu thép không thấm chất lỏng và chất khí do thép có độ đặc cao nên rất thích
hợp để làm các kết cấu chứa đựng hoặc chuyển chở các chất lỏng, chất khí.
+ So với kết cấu bê tông, kết cấu thép dễ kiểm nghiệm, sửa chữa và tăng cƣờng.
b) Nhược điểm.
+ Kết cấu thép dễ bị han gỉ, đòi hỏi phải có các biện pháp phòng chống và bảo dƣỡng
khá tốn kém. Đặc biệt, yêu cầu chống gỉ cao đặt ra cho các kết cấu cầu làm việc trong môi
trƣờng xâm thực mạnh nhƣ môi trƣờng biển.
+ Thép chịu nhiệt kém. Ở nhiệt độ trên 40000C, biến dạng dẻo của thép sẽ phát triển
dƣới tác dụng của tĩnh tải (từ biến của thép). Vì thế, trong những môi trƣờng có nhiệt độ
cao, nếu không có những biện pháp đặc biệt để bảo vệ thì không đƣợc phép sử dụng kết cấu
bằng thép.
+ Trong lĩnh vực giao thông vận tải khi sử dụng thép làm cấu đòi hỏi phải sơn phủ
trong suốt quá trình khai thác chi phí cao, ảnh hƣởng đến môi trƣờng.
c) Phạm vi sử dụng của KCT
+ KCT đƣợc sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhƣ: xây dựng dân dụng, xây
dựng công nghiệp, xây dựng GTVT, các lĩnh vực khác,...). Tuy nhiên, kết cấu thép đặc biệt
108


có ƣu thế trong các kết cấu vƣợt nhịp lớn, đòi hỏi độ thanh mảnh cao, chịu tải trọng nặng và
những kết cấu đòi hỏi tính không thấm.

+ Trong lĩnh vực giao thông vận tải kết cấu thép đƣợc sử dụng làm cầu thép: Cầu
dầm thép, cầu giàn thép, cầu dây văng dầm thép, cầu vòm ống thép nhồi bê tông… Ngoài ra
kết cấu thép đƣợc sử dụng làm đà giáo, ván khuôn, trụ tạm trong thi công cầu.
7.2. Nguyên lý thiết kế theo 22TCN 272-05: giống phần KCBTCT
7.3. Vật liệu thép trong xây dựng
Các thuộc tính cơ bản của thép là thể hiện ở cƣờng độ chảy, cƣờng độ kéo đứt, độ dẻo, độ
rắn và độ dai, các thuật ngữ trên đƣợc phân biệt nhƣ sau:
+ Cường độ chảy là ứng suất mà tại đó xảy ra sự tăng biến dạng mà ứng suất không tăng.
+ Cường độ chịu kéo là ứng suất lớn nhất đạt đƣợc trong thí nghiệm kéo.
+ Độ dẻo là chỉ số của vật liệu phản ánh khả năng giữ đƣợc biến dạng quá đàn hồi mà
không xảy ra phá hoại. Nó có thể đƣợc tính bằng tỷ số giữa độ giãn khi phá hoại và độ giãn
ở điểm chảy đầu tiên.
+ Độ rắn là thuộc tính của vật liệu cho phép chống lại sự mài mòn bề mặt.
+ Độ dai là thuộc tính của vật liệu cho phép tiêu hao năng lƣợng mà không xảy ra phá hoại.

7.3.1. Thành phần hóa học của thép
Thành phần hoá học có ảnh hƣởng trực tiếp tới cấu trúc của thép, do đó có liên quan chặt
chẽ đến tính chất cơ học của nó. Thành phần hoá học chủ yếu của thép là sắt (Fe) và các bon
(C). Lƣợng các bon tuy rất nhỏ nhƣng có ảnh hƣởng quan trọng đối với tính chất cơ học của
thép: lƣợng các bon càng nhiều thì cƣờng độ của thép càng cao nhƣng tính dẻo, tính dai và
tính hàn của nó giảm. Thép dùng trong xây dựng đòi hỏi phải có tính dẻo cao để tránh đứt
gãy đột ngột nên hàm lƣợng các bon đƣợc hạn chế khá thấp, thƣờng không lớn hơn 0.2-0.22
% về khối lƣợng.
Trong thép các bon thƣờng, ngoài sắt và các bon còn có những nguyên tố hoá học
khác. Các nguyên tố hoá học có lợi thƣờng gặp là mangan (Mn) và silic (Si). Các nguyên tố
có hại có thể kể đến là phốt pho (P) và lƣu huỳnh (S) ở thể rắn, ô xy (O) và ni tơ (N) ở thể
khí. Các nguyên tố có hại này, nói chung, làm cho thép trở nên giòn, đặc biệt khi thép làm
việc trong điều kiện bất lợi (chịu ứng suất tập trung, tải trọng lặp, chịu nhiệt độ cao…).
109

Thép hợp kim là loại thép mà ngoài những thành phần hoá học kể trên, còn có thêm
các nguyên tố kim loại bổ sung. Các nguyên tố này đƣợc đƣa vào nhằm cải thiện một số
thuộc tính tốt của thép nhƣ làm tăng cƣờng độ mà không giảm tính dẻo, tăng khả năng
chống gỉ hay khả năng chống mài mòn. Chẳng hạn, crôm và đồng làm tăng khả năng chống
gỉ của thép, đƣợc sử dụng trong chế tạo thép chống gỉ, mangan làm tăng cƣờng độ của thép
và có thể kiềm chế ảnh hƣởng xấu của sunfua. Tuy nhiên, hàm lƣợng các kim loại bổ sung
càng cao (hợp kim cao) thì tính dẻo, tính dai, tính hàn càng giảm. Thép hợp kim dùng trong
xây dựng là thép hợp kim thấp với thành phần kim loại bổ sung khoảng 1.5-2.0%.

7.3.2. Các sản phẩm thƣơng mại
Thép lỏng từ bình chứa đƣợc rót vào các khuôn, đúc thành thỏi hoặc vào các máy đúc liên
tục. Thép trong khuôn đúc rắn lại trong quá trình nguội lạnh, sau đó đƣợc chuyển sang quá
trình thƣ hai, từ đó thép thỏi đƣợc gia công thành tấm, thành thỏi, thành thanh.
Trong quá trình đúc liên tục trực tiếp tạo ra tấm, thỏi, thanh từ bể thép lỏng. Quá
trình này đang trở thành chủ yếu vì nó cho chất lƣợng thép tốt hơn các loại thép chế tạo từ
thỏi và giá cả thấp hơn.
Thép tấm đƣợc gia công nhiệt và tôi trƣớc khi tạo thành dạng tấm mỏng cuối cùng.
Các mép dọc thƣờng đƣợc cắt bằng lửa thành đƣờng để tạo thành các tấm có bề rộng bất kì
sau đó cho qua máy cán cắt thành đoạn có chiều dài. Thép bản cần gia công nhiệt trƣớc hoặc
sau khi tạo thành tấm.
Thép thỏi đƣợc gia công nhiệt và liên tục đƣa qua một loạt con lăn đứng trong một
máy cán để tạo ra các tiết diện cánh rộng nhƣ thép U, thép I, thép góc L. Có 4 giai đoạn cán
đứng, mỗi giai đoạn cần lăn nhiều lần để biến thép thỏi thành sản phẩm cuối cùng. Có máy
cắt, máy dập thô một máy trung gian và máy kết thúc. Mỗi máy đều có con lăn đứng và
ngang. Thép công trình đƣợc cắt theo chiều dài, để nguội và nắn thẳng bằng thƣớc cán.
7.3.3. Ứng suất dƣ
Ứng suất tồn tại trong các bộ phận kết cấu mà không do tác động của bất kỳ ngoại lực nào
đƣợc gọi là ứng suất dƣ. Điều quan trọng là nhận biết sự có mặt của nó vì ứng suất dƣ ảnh
hƣởng đến cƣờng độ của các cấu kiện chịu lực. Ứng suất dƣ có thể phát sinh trong quá trình

gia công nhiệt, gia công cơ học hay quá trình luyện thép. Ứng suất dƣ do gia công nhiệt
110


hình thành khi sự nguội xảy ra không đều. Ứng suất dƣ do gia công cơ học xảy ra do biến
dạng dẻo không đều khi bị kích ép. Ứng suất dƣ do luyện kim sinh ra do sự thay đổi cấu
trúc phân tử của thép.
Khi mặt cắt ngang đƣợc chế tạo bằng hàn ba chiều, ứng suất dƣ xuất hiện ở cả ba
chiều. Sự đốt nóng và nguội đi làm thay đổi cấu trúc của kim loại và sự biến dạng thƣờng bị
cản trở, gây ra ứng suất dƣ kéo có thể đạt tới 400 MPa trong mối hàn.
Nhìn chung, các mép của tấm và thép bình thƣờng chịu ứng suất dƣ nén, khi đƣợc cắt
bằng nhiệt thì chịu ứng suất dƣ kéo. Các ứng suất này đƣợc cân bằng với ứng suất tƣơng
đƣơng có dấu ngƣợc lại ở vị trí khác trong cấu kiện. Hình 1.5 biểu diễn một cách định tính
sự phân bố tổng thể ứng suất dƣ trong các thanh thép hàn và cán nóng. Chú ý rằng, các ứng
suất trong hình này là ứng suất dọc thanh.

Hình 7.1 - Sơ họa ứng suất dƣ trong các mặt cắt thép cán và ghép trong xƣởng.
(a) mặt cắt cán nóng, (b) mặt cắt hình hộp hàn, (c) bản cán mép, (d) bản cắt mép bằng lửa,
(e) mặt cắt I tổ hợp hàn cắt mép bằng lửa.
7.3.4. Gia công nhiệt
Thuộc tính cơ học của thép có thể đƣợc nâng cao bằng các phƣơng pháp gia công nhiệt khác
nhau: gia công làm nguội chậm và gia công làm nguội nhanh.
111


Gia công làm nguội chậm là phép tôi chuẩn thông thƣờng. Nó bao gồm việc nung
nóng thép đến một nhiệt độ nhất định, giữ ở nhiệt độ này trong một khoảng thời gian thích
hợp rồi sau đó, làm nguội chậm trong không khí. Nhiệt độ tôi tuỳ theo loại gia công. Gia
công làm nguội chậm làm tăng tính dẻo, tính dai của thép, làm giảm ứng suất dƣ giảm độ
cứng.

Gia công làm nguội nhanh đƣợc chỉ định cho thép cầu, còn đƣợc gọi là tôi nhúng.
Trong phƣơng pháp này, thép đƣợc nung nóng tới tới khoảng 900 0C, đƣợc giữ ở nhiệt độ
đó trong một khoảng thời gian, sau đó đƣợc làm nguội nhanh bằng cách nhúng vào bể nƣớc
hoặc bể dầu. Sau khi nhúng, thép lại đƣợc nung tới khoảng 5000C, đƣợc giữ ở nhiệt độ này,
sau đó đƣợc làm nguội chậm. Tôi nhúng làm thay đổi cấu trúc vi mô của thép, làm tăng
cƣờng độ, độ rắn và độ dai.
7.3.5. Phân loại thép kết cấu
Các thuộc tính cơ học của các loại thép kết cấu điển hình đƣợc biểu diễn bằng bốn
đƣờng cong ứng suất - biến dạng trong hình 1.6. Mỗi đƣờng cong đại diện cho một loại thép
kết cấu với thành phần cấu tạo đáp ứng các yêu cầu riêng. Rõ ràng là các loại thép ứng xử
khác nhau, trừ vùng biến dạng nhỏ gần gốc toạ độ. Bốn loại thép khác nhau này có thể đƣợc
nhận biết bởi thành phần hoá học và cách xử lý nhiệt của chúng. Đó là thép các bon (cấp
250), thép hợp kim thấp cƣờng độ cao (cấp 345), thép hợp kim thấp gia công nhiệt (cấp 485)
và thép hợp kim gia công nhiệt cƣờng độ cao (cấp 690). Các thuộc tính cơ học nhỏ nhất của
các thép này đƣợc cho trong bảng 1.6.

112


Hình 7.2 - Các đƣờng cong ứng suất - biến dạng điển hình đối với thép kết cấu.
Bảng 7.1. Các thuộc tính cơ học nhỏ nhất của các thép cán dùng trong công trình, cƣờng độ
và chiều dày.
Thép công
trình.

Thép hợp kim thấp
cƣờng độ cao.

Theo
AASHTO

M270 Cấp
250

M270 Cấp
345

M270 Cấp
345W

Thép hợp kim
thấp tôi
nhúng.
M270 Cấp
485W

ASTM
tƣơng
đƣơng

A709M cấp
250

A709M
Cấp 345

A709M
Cấp 345W

A709M cấp

485 W

Chiều
dày
tấm(mm)
Cƣờng độ
kéo min
Fu(Mpa)
Cƣờng độ
kéo min
Fy(Mpa)

Tối đa 100

Tối đa 100

Tối đa 100

Tối đa 100

Tối đa
65

Trên 65100

400

450

485

620

760

690

250

345

345

485

690

620

113

Thép hợp kim tôi
nhúng cƣờng độ
cao.

A709M cấp
690/690W

M270 cấp
690/690W

Một tiêu chuẩn thống nhất hoá cho thép cầu đƣợc cho trong ASTM (1995) với ký
hiệu A709/A709M-94a (M chỉ mét và 94a chỉ năm xét lại lần cuối). Sáu cấp thép tƣơng ứng
với bốn cấp cƣờng độ đƣợc cho trong bảng 1.6 và hình 7.6. Cấp thép có ký hiệu “W” là thép
chống gỉ, có khả năng chống gỉ trong không khí tốt hơn về cơ bản so với thép cacbon
thƣờng và có thể đƣợc sử dụng trong nhiều trƣờng hợp mà không cần sơn bảo vệ.
Tất cả các cấp thép trong bảng 1.6 đều có thể hàn, tuy nhiên không phải với với cùng
một quy cách hàn. Mỗi cấp thép có những yêu cầu riêng về hàn phải đƣợc tuân theo.
Trong hình 1.6, các số trong ngoặc ở bốn mức cƣờng độ thép là ký hiệu theo ASTM
của thép có cƣờng độ chịu kéo và thuộc tính biến dạng giống thép A709M. Các con số này
đƣợc nêu là vì chúng quen thuộc đối với những ngƣời thiết kế khung nhà thép và các công
trình khác. Sự khác nhau cơ bản nhất giữa các thép này và thép A709M là ở chỗ thép
A709M đƣợc dùng cho xây dựng cầu và phải có yêu cầu bổ sung về thí nghiệm xác định độ
dai. Các yêu cầu này khác nhau đối với các cấu kiện tới hạn đứt gãy và không đứt gãy trong
tính toán ở TTGH mỏi và đứt gãy.
Hai thuộc tính của tất cả các cấp thép đƣợc coi là không đổi, là mô đun đàn hồi Es = 200
GPa và hệ số giãn nở vì nhiệt bằng 11,7.10-6.
Phần sau đây giới thiệu tóm tắt về thuộc tính của các cấp thép ứng với các cấp cƣờng
độ khác nhau. Để giúp so sánh các loại thép này, các biểu đồ ứng suất - biến dạng giai đoạn
đầu và đƣờng cong gỉ phụ thuộc thời gian đƣợc cho, tƣơng ứng, trong các hình 1.7 và 1.8.
Thép các bon công trình:
Tên gọi nhƣ vậy thật ra không đặc trƣng lắm vì tất cả thép công trình đều có các bon.
Đây chỉ là định nghĩa kỹ thuật. Các tiêu chuẩn để định loại thép các bon có thể tham khảo
trong mục 8.2.5, tài liệu [4].
Một trong những đặc trƣng chủ yếu của thép các bon công trình là có điểm chảy
đƣợc nhận biết rõ và tiếp theo là một thềm chảy dài. Điều này đƣợc miêu tả trong hình 1.6
và nó biểu thị tính dẻo tốt, cho phép phân phối lại ứng suất cục bộ mà không đứt gãy. Thuộc
tính này làm cho thép các bon đặc biệt phù hợp khi sử dụng làm chi tiết liên kết.
Thép các bon có tính hàn tốt và thích hợp cho bản, thanh và các thép cán định hình

trong xây dựng. Chúng đƣợc dự kiến cho sử dụng trong nhiệt độ không khí. Mức độ gỉ trong
hình 17 đối với thép các bon có đồng (Cu) bằng khoảng một nửa thép các bon thông thƣờng.
Thép hợp kim thấp cƣờng độ cao:
114


Các thép này có thành phần hoá học đƣợc hạn chế để phát triển cƣờng độ chảy và
cƣờng độ kéo đứt lớn hơn thép các bon nhƣng lƣợng kim loại bổ sung nhỏ hơn trong thép
hợp kim. Cƣờng độ chảy cao hơn (Fy = 345 MPa) đạt đƣợc trong điều kiện cán nóng hơn là
qua gia công nhiệt. Kết quả là chúng có điểm chảy rõ ràng và tính dẻo tuyệt vời nhƣ đƣợc
miêu tả trong hình 1.6.
Thép hợp kim thấp cƣờng độ cao có tính hàn tốt và thích hợp cho bản, thanh và các
thép cán định hình trong xây dựng. Các hợp kim này có sức kháng gỉ trong không khí cao
hơn nhƣ cho thấy trong hình 1.7. Do có các phẩm chất tốt này, thép cấp 345 thƣờng là sự
lựa chọn đầu tiên của ngƣời thiết kế các cầu có nhịp trung bình và nhỏ.
Thép hợp kim thấp gia công nhiệt:
Thép hợp kim thấp cƣờng độ cao có thể đƣợc gia công nhiệt để đạt đƣợc cƣờng độ
chảy cao hơn (Fy = 485 MPa). Thành phần hoá học cho các cấp 345W và 485W là gần nhƣ
nhau. Việc xử lý nhiệt (tôi thép) làm thay đổi cấu trúc vi mô của thép và làm tăng cƣờng độ,
độ rắn và độ dai.
Sự gia công nhiệt làm điểm chảy của thép dịch chuyển cao lên nhƣ cho thấy trong
hình 1.6. Có một sự chuyển tiếp rõ rệt từ ứng xử đàn hồi sang ứng xử quá đàn hồi. Cƣờng
độ chảy của các thép này thƣờng đƣợc xác định ở độ giãn bằng 0.5% dƣới tác dụng của tải
trọng hoặc ở độ giãn bằng 0.2% theo định nghĩa bù (xem hình 1.6).
Thép hợp kim thấp đƣợc gia công nhiệt có thể hàn, tuy nhiên chỉ thích hợp cho tấm.
Sứckháng gỉ trong không khí của chúng là giống nhƣ thép hợp kim thấp cƣờng độ cao.

115

Hình 7.3 Các đƣờng cong ứng suất - biến dạng ban đầu điển hình đối với thép công trình.

Hình 7.4. Các đƣờng cong gỉ cho một vài loại thép trong môi trƣờng công nghiệp.
Thép hợp kim gia công nhiệt cƣờng độ cao:
Thép hợp kim là loại thép có thành phần hoá học không phải nhƣ trong thép hợp kim
thấp cƣờng độ cao. Phƣơng pháp gia công nhiệt tôi nhúng đƣợc thực hiện tƣơng tự nhƣ đối
với thép hợp kim thấp nhƣng thành phần khác nhau của các nguyên tố hợp kim làm phát
triển
cƣờng độ cao hơn (Fy = 690 MPa) và tính dai lớn hơn ở nhiệt độ thấp.
116


Đƣờng cong gỉ trong không khí đối với các thép hợp kim (cấp 690) đƣợc cho trong
hình 1.7 và thể hiện sức kháng gỉ tốt nhất trong bốn cấp thép. Ở đây, cƣờng độ chảy cũng
đƣợc xác định ở độ giãn bằng 0.5% dƣới tác dụng của tải trọng hoặc ở độ giãn bằng 0.2%
theo định nghĩa bù nhƣ miêu tả trong hình 1.6. Khi xem xét đƣờng cong ứng suất-biến dạng
đầy đủ trong hình 1.5, rõ ràng các thép đƣợc gia công nhiệt đạt cƣờng độ chịu kéo dạng
chóp và ứng suất giảm nhanh hơn so với thép không đƣợc xử lý nhiệt. Độ dẻo thấp hơn này
có thể gây ra vấn đề trong một số tình huống khai thác và, do vậy,cần phải thận trọng khi sử
dụng thép gia công nhiệt.

CHƢƠNG 8

: LIÊN KẾT TRONG KẾT CẤU THÉP

Trong các kết cấu thép hiện nay, có hai loại liên kết thƣờng đƣợc sử dụng: liên kết
đinh và liên kết hàn. Hình 8.1 giới thiệu một số dạng liên kết phổ biến trong kết cấu thép.
Liên kết đinh là cụm từ chung dùng để chỉ các loại liên kết có dạng thanh thép tròn xâu qua
lỗ của các bộ phận cần liên kết. Nhƣ vậy, đinh đại diện cho đinh tán, bu lông, bu lông cƣờng
độ cao, chốt …Các loại liên kết đinh đƣợc đề cập trong chƣơng này là liên kết bằng bu lông

thƣờng và liên kết bằng bu lông cƣờng độ cao. Liên kết hàn có thể đƣợc dùng cho các mối
nối ngoài công trƣờng nhƣng nói chung, chủ yếu đƣợc sử dụng để nối các bộ phận trong nhà
máy. Tuỳ theo trƣờng hợp chịu lực, các liên kết đƣợc phân chia thành liên kết đơn giản, hay
liên kết chịu lực đúng tâm, và liên kết chịu lực lệch tâm.

Hình 8.1 - Cấu tạo liên kết.

117


8.1. LIÊN KẾT BULÔNG
8.1.1. Cấu tạo liên kết bulông
Bu lông đƣợc phân biệt giữa bu lông thƣờng và bu lông cƣờng độ cao
8.1.1.1. Bulông thường
Bu lông thƣờng đƣợc làm bằng thép ít các-bon ASTM A307 có cƣờng độ chịu kéo
420 MPa. Bu lông A307 có thể có đầu dạng hình vuông, lục giác hoặc đầu chìm. Bu lông
thép thƣờng không đƣợc phép sử dụng cho các liên kết chịu mỏi.

Hình 8.2 – Bu lông thép ít cacbon A307 cấp A. Đầu bu lông do nhà
sản xuất quy định
8.1.1.2. Bu lông cường độ cao.
Bu lông cƣờng độ cao phải có cƣờng độ chịu kéo nhỏ nhất 830 MPa cho các đƣờng
kính d = 16 ÷ 27 mm và 725 MPa cho các đƣờng kính d = 30 ÷ 36 mm. Bu lông cƣờng độ
cao có thể dùng trong các liên kết chịu ma sát hoặc liên kết chịu ép mặt. Liên kết chịu ép
mặt chịu đƣợc tải trọng lớn hơn nhƣng gây biến dạng lớn khi chịu ứng suất đổi dấu nên chỉ
đƣợc dùng trong những điều kiện cho phép. Trong cầu, mối nối bu lông chịu ép mặt không
đƣợc dùng cho các liên kết chịu ứng suất đổi dấu.
Liên kết bu lông cƣờng độ cao chịu ma sát thƣờng dùng trong kết cấu cầu chịu tải
trọng thƣờng xuyên gây ứng suất đổi dấu hoặc khi cần tránh biến dạng trƣợt của mối nối.
Liên kết bu lông cƣờng độ cao chịu ép mặt chỉ đƣợc dùng hạn chế cho các bộ phận chịu ứng

suất một dấu và cho các bộ phận thứ yếu.
Trong xây dựng cầu, cả liên kết bu lông cƣờng độ cao và liên kết hàn đều có thể
đƣợc sử dụng cho các mối nối ngoài công trƣờng song liên kết bu lông cƣờng độ cao đƣợc
dùng là chủ yếu. Liên kết hàn chỉ đƣợc sử dụng trong các liên kết thứ yếu, không chịu hoạt
tải, dùng để liên kết các tấm mặt cầu hoặc các bộ phận không chịu lực chính.
118