Nghiên cứu công nghệ xử lý nhiệt khi hàn dầm chữ I kích thước lớn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Đỗ Vinh Quang

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NHIỆT KHI HÀN DẦM CHỮ I
KÍCH THƯỚC LỚN

CHUN NGÀNH : CƠNG NGHỆ HÀN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS. NGUYỄN THÚC HÀ

Hà Nội – 2014


Viện SĐH- Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Cơ khí

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu công nghệ xử lý nhiệt khi hàn dầm chữ I
kích thước lớn” này là cơng trình nghiên cứu của tơi và nó chưa hề được cơng bố, hoặc
trình bày trên bất kỳ bài báo hay tạp trí khoa học nào của các tác giả trong nước.
Tác giả luận văn

Đỗ Vinh Quang

Đỗ Vinh Quang

1

Lớp : 11BCNH


Viện SĐH- Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Cơ khí

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thanh luận văn này, ngoài sự cố gắng của bản thân, tác giả đã nhận được
sự giúp đỡ của nhiều tập thể, cá nhân trong và ngoài trường.
Tơi xin bày tỏ lịng kính trọng và sự biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Thúc Hà,
người luôn tận tình hướng dẫn, động viên và giúp đỡ tơi hồn thành luận văn này.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn tới các Ban lãnh đạo Viện Cơ Khí, Viện Đào tạo Sau đại
học và Bộ môn Hàn và Công nghệ Kim loại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo
điều kiện thuận lợi nhất cho tơi trong q trình học tập và nghiên cứu.
Trong quá trình làm đề tài, tơi nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của cán bộ công
nhân viên, đội ngũ kỹ sư, giám sát và tư vấn của công ty TNHH Kết Cấu Thép MitSui
Thăng Long.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới những người thân trong gia đình, bạn bè và
đồng nghiệp, những người luôn bên tôi, động viên tôi trong quá trình học cao học và
hồn thiện luận văn.
Cuối cùng, tơi cũng xin cám ơn các anh chị trong lớp Cao Học khóa 2011B – Cơng
nghệ Hàn trường Đại Học Bác Khoa Hà Nội đã hỗ trợ tôi nhiều trong quá trình thực
hiện đề tài.

Đỗ Vinh Quang

2

Lớp : 11BCNH


Viện SĐH- Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Cơ khí

MỤC LỤC
Trang
TRANG PHỤ BÌA……………………………………...………………………………1
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ 1
MỤC LỤC ........................................................................................................................ 3
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ............................................................................ 6
Danh mục các bảng .......................................................................................................... 7
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ........................................................................................... 8
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 10
CHƯƠNG I.

TỔNG QUAN VỀ DẦM .................................................................... 12

1.1

Khái niệm ......................................................................................................... 12

1.2

Đặc điểm và phân loại ...................................................................................... 12

1.3

Sơ lược về dầm hàn và ứng dụng của dầm hàn trong kết cấu thép .................. 14

1.4

Cấu tạo của dầm chữ I ...................................................................................... 18

1.5

Quy trình chế tạo dầm hàn chữ I ...................................................................... 18

1.6

Mục đích, ý nghĩa của việc giảm ứng suất và biến dạng hàn ........................... 21

CHƯƠNG II KHẢO SÁT VỀ CƠNG NGHỀ CHẾ TẠO DẦM CHÍNH NHẬT TÂN
........................................................................................................................................ 23
2.1

Giới thiệu chung về cầu Nhật Tân .................................................................... 23

2.2

Cấu tạo dầm cầu Nhật Tân ............................................................................... 24

2.2.1

Thành phần hóa học của các loại thép trong dầm GB3WS. ...................... 26

2.2.2

Cơ tính của các loại thép trong dầm GB3WS. ........................................... 26

2.2.3

Các mác thép tương đương ........................................................................ 27

2.2.4

Quy trình hàn ............................................................................................. 27

2.3

Vật liệu hàn dầm ............................................................................................... 28

2.4

Cơng nghệ chế tạo dầm chính cầu Nhật Tân .................................................... 31

2.4.1

Thiết kế đồ gá hàn ...................................................................................... 32

Đỗ Vinh Quang

3

Lớp : 11BCNH

Viện SĐH- Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Cơ khí

2.4.2

Thiết bị hàn ................................................................................................ 33

2.4.3

Nghiên cứu cơng nghệ hàn dầm chính cầu Nhật Tân ................................ 36

2.5

Kết luận............................................................................................................. 42

CHƯƠNG III. ỨNG SUẤT, BIẾN DẠNG CỦA DẦM CHÍNH CẦU NHẬT TÂN
VÀ CÁC BIỆN PHÁP HẠN CHẾ................................................................................. 43
3.1

Ứng suất và biến dạng của dầm chính cầu Nhật Tân ....................................... 43

3.1.1

Ứng suất và biến dạng do co ngang gây ra ................................................ 43

3.1.2 Xác định tiết diện vùng ứng suất tác động của bản cánh trên do cặp mối
hàn góc gây ra .......................................................................................................... 45
3.1.3 Xác định tiết diện vùng ứng suất tác động của bản cánh dưới do 1 mối hàn

góc gây ra ................................................................................................................ 48
3.1.4

Ứng suất và biến dạng do co dọc gây ra .................................................... 50

3.1.5

Tính toán độ võng dư của các phương án hàn nối cánh với bụng. ............ 52

3.1.6
Tân

Các biện pháp hạn chế ứng suất và biến dạng hàn cho dầm chính cầu Nhật
65

3.1.7

Biện pháp kết cấu ....................................................................................... 65

3.1.8

Biện pháp công nghệ.................................................................................. 68

3.1.9

Biện pháp công nghệ sau khi hàn .............................................................. 69

3.2

Kết luận............................................................................................................. 70

CHƯƠNG IV. .. CƠNG NGHỆ XỬ LÝ NHIỆT KHI HÀN DẦM CHÍNH CẦU NHẬT
TÂN
................................................................................................................ 71
4.1

Công nghệ xử lý nhiệt trước khi hàn ................................................................ 71

4.1.1

Mục đích .................................................................................................... 71

4.1.2

Phương pháp. ............................................................................................. 71

4.1.3

Xác định nhiệt độ nung nóng sơ bộ ........................................................... 72

4.1.4

Cơng nghệ xử lý nhiệt trước khi hàn ......................................................... 73

4.2

Công nghệ xử lý nhiệt trong khi hàn ................................................................ 77

4.2.1 Xác định nhiệt độ lớn nhất giữa các lớp hàn (maximum interpass
Temperature) ........................................................................................................... 77

4.2.2

Kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn.......................................................... 78

Đỗ Vinh Quang

4

Lớp : 11BCNH


Viện SĐH- Đại học Bách Khoa Hà Nội
4.3

Viện Cơ khí

Xử lý nhiệt sau khi hàn ..................................................................................... 78

4.3.1

Mục đích .................................................................................................... 78

4.3.2

Nghiên cứu công nghệ nắn nhiệt ............................................................... 79

4.3.3

Xử lý biến dạng dư giữa bụng và bản cánh sau khi hàn ............................ 86

4.4

Quy trình xử lý nhiệt cho dầm chính cầu Nhật Tân ......................................... 89

4.4.1

Kiến thức cơ bản về hỏa công.................................................................... 89

4.4.2

Chuẩn bị ..................................................................................................... 91

4.4.3

Kỹ thuật nắn dầm GB3WS ........................................................................ 92

4.4.4

Kiểm tra kích thước sau hỏa cơng dầm GB3WS ....................................... 94

CHƯƠNG V.KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................. 98
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 98
Phụ lục 1: Bản vẽ dầm GB3WS ................................................................................... 100
Phụ lục 2: Bản vẽ đồ gá hàn ......................................................................................... 102
Phụ lục 3: Quy trình chế tạo ......................................................................................... 103
Phụ lục 4: Quy trình hàn .............................................................................................. 105
Phụ lục 5: Mỏ hỏa công HD310C ................................................................................ 113

Đỗ Vinh Quang

5

Lớp : 11BCNH


Viện SĐH- Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Cơ khí

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Ký hiệu

Đơn vị

Nội Dung

t

mm

Chiều dày

FH

mm2

Diện thích đắp

d

mm

Đường kính dây hàn

Ψn

Hệ số ngấu

j

A/mm2

Mật độ dịng điện

qd

Calo/cm

Năng lượng đường

η

Hệ số hữu ích khi hàn hồ quang

δb

mm

Chiều dày bản cánh

δv

mm

Chiều dày bản bụng

k

mm

Cạnh mối hàn góc

bn

mm

Vùng ứng suất tác động

Σδ

cm

Tổng chiều dày truyền nhiệt

σT

Kg/cm2

Ứng suất kéo tồn phần ở vùng ứng suất tác động

δ

mm

Độ võng

E

MPa

Mơđun đàn hồi vật liệu

CE

Thành phần Cacbon tương đương

C ET

Đương lượng Cabon tồn phần
o

TP

C

Nhiệt độ nung nóng sơ bộ
Độ cứng vật liệu

HB
σ

MPa

Độ bền của vật liệu

ak

%

Độ giãn dài tương đối

FCAW

Flux core arc welding : Hàn hồ quang dây lõi thuốc

Ih

A

Cường độ dòng điện hàn

Uh

V

Điện áp hàn

Vh

mm/ph

Tốc độ hàn

Đỗ Vinh Quang

6

Lớp : 11BCNH


Viện SĐH- Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Cơ khí

Danh mục các bảng
Bảng 1.1: Bán kính cong và độ võng yêu cầu khi nắn và uốn các chi tiết thép ............. 26
Bảng 2.1: Thành phần hóa học của thép ........................................................................ 26
Bảng 2.2: Cơ tính của thép ............................................................................................. 26
Bảng 2.3: Các mác thép tương đương ............................................................................ 27
Bảng 2.4: Sơ bộ quy trình hàn áp dụng cho hàn dầm chính cầu Nhật Tân .................... 28
Bảng 2.5: Vật liệu hàn theo khuyến cáo của nhà thầu chính ......................................... 28
Bảng 2.6: Vật liệu hàn thực tế ........................................................................................ 29
Bảng 2.7: Bảng thông số của máy hàn OTC XD500 ..................................................... 34
Bảng 2.8: Bảng thông số của đầu hàn Handy Carriage I-D ........................................... 35
Bảng 3.1 : Bảng so sánh độ võng trường hợp hàn lần lượt từng mối hàn ..................... 63
Bảng 3.2 : Bảng so sánh độ võng trường hợp hàn đồng thời từng cặp mối hàn ............ 64
Bảng 4.1: Nhiệt độ nung nóng sơ bộ và nhiệt độ tối thiểu giữa các lớp hàn ................. 73
Bảng 4.2: Thông số của súng đo nhiệt độ IR-HI ........................................................... 76
Bảng 4.3: Bảng so sánh nắn bằng ngọn lửa với Inductor .............................................. 84
Bảng 4.4: Nhiệt độ tối đa cho nắn dạng dầm chính cầu Nhật Tân ................................ 87

Bảng 4.5: Bảng các kích cỡ bép hỏa cơng của Victor Professional ............................... 88
Bảng 4.6: Chuyển vị mép bản cánh trên sau khi hỏa công (đo tại 03 điểm) ................. 95
Bảng 4.7: Chuyển vị mép bản cánh dưới sau khi hỏa công (đo tại 03 điểm) ................ 95
Bảng 4.8: Dung sai cho phép trong chế tạo dầm chính cầu Nhật Tân [6] ..................... 96

Đỗ Vinh Quang

7

Lớp : 11BCNH


Viện SĐH- Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Cơ khí

Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình 1. 1 : Các loại dầm hình ........................................................................................ 12
Hình 1.2: Các loại dầm tổ hợp (dầm hàn – dầm đinh tán) ............................................. 13
Hình 1.3: Dầm hộp ......................................................................................................... 14
Hình 1.4: Dầm cầu thép ................................................................................................. 14
Hình 1.5: Dầm I kích thước lớn ..................................................................................... 17
Hình 1.6: Dầm hàn cho kết cấu cầu thép ....................................................................... 17
Hình 1.7: Sơ đồ quy trình chế tạo kết cấu dầm chữ I..................................................... 19
Hình 1.8: Cán phẳng phơi .............................................................................................. 20
Hình 1.9: Máy cắt giàn song song.................................................................................. 21
Hình 2.1: Mơ hình cầu Nhật Tân kiểu dây văng, dẻ quạt .............................................. 24
Hình 2.2: Kết cấu dầm chính cầu Nhật Tân ................................................................... 25
Hình 2.3: Kết cấu dầm ngang cầu Nhật Tân .................................................................. 25
Hình 2.4: Vật liệu hàn sử dụng cho dầm chính (phía bên trong) ................................... 30

Hình 2.5: Vật liệu hàn sử dụng cho dầm chính (phía bên ngồi) .................................. 30
Hình 2.6: Đồ gá gá lắp ................................................................................................... 32
Hình 2.7: Đồ gá hàn ....................................................................................................... 33
Hình 2.8: Máy hàn OTC XD500 .................................................................................... 34
Hình 2.9: Đầu hàn Handy Carriage I-D ......................................................................... 36
Hình 2.10: Thứ tự hàn dầm chính Nhật Tân .................................................................. 37
Hình 2.11: Hàn dầm chính sử dụng dầu hàn Handy Carriage I-D ................................. 38
Hình 2.12. Dạng liên kết hàn của mối hàn giữa bản bụng với bản cánh trên ................ 38
Hình 2.13. Dạng liên kết hàn của mối hàn giữa bản bụng với bản cánh dưới ............... 42
Hình 3.1: Góc biến dạng của tấm cánh khi hàn liên kết chữ T ...................................... 43
Hình 3.2: Sơ đồ vùng ứng suất tác động do cặp mối hàn gây ra ................................... 45
Hình 3.3: Sơ đồ vùng ứng suất tác động do cặp mối hàn gây ra ................................... 48
Hình 3.4 : Biểu đồ ứng suất khi hàn liên kết chữ I ........................................................ 51
Hình 3.5 : Các phương án hàn dầm chữ I ...................................................................... 52

Đỗ Vinh Quang

8

Lớp : 11BCNH


Viện SĐH- Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Cơ khí

Hình 3.6 : Phương án hàn dầm theo trường hợp a,b ...................................................... 53
Hình 3.7 : Khoảng cách y o ............................................................................................. 54
Hình 3.8 : Trình tự hàn ................................................................................................... 58
Hình 3.9 : Tư thế hàn sấp ( hàn lòng máng) của liên kết chữ T..................................... 59

Hình 3.10: Trình tự hàn .................................................................................................. 60
Hình 3.11 : Trình tự hàn ................................................................................................. 61
Hình 3. 12: Mối hàn gần trục trung hịa ......................................................................... 66
Hình 3. 13: Trình tự hàn cho mối hàn vát mép hai phía ................................................ 66
Hình 3. 14: Cân bằng mối hàn quanh trục trung hòa ..................................................... 67
Hình 3. 15: Tạo góc nghiêng khi gá. .............................................................................. 67
Hình 3.16: Mối hàn khơng liên tục ................................................................................ 68
Hình 3.17: Sử dụng số lớp hàn ít nhất có thể ................................................................. 68
Hình 3.18: Kỹ thuật hàn phân đoạn nghịch ................................................................... 69
Hình 4.1: Phân loại vùng của thép ................................................................................. 72
Hình 4.2: Kích thước khu vực cần nung nóng sơ bộ ..................................................... 73
Hình 4.3: Phấn đo nhiệt .................................................................................................. 75
Hình 4.4: Súng đo nhiệt của hãng Chino ....................................................................... 75
Hình 4.5: Nắn thẳng bằng nhiệt ..................................................................................... 80
Hình4.6: Mơ hình nắn nhiệt và các phương lực ............................................................. 81
Hình 4.7: Biện pháp sử dụng thanh thẳng ...................................................................... 82
Hình 4.8: Quá trình hạ nhiệt khi dùng Inductor ............................................................. 83
Hình 4.9: Thiết bị Terac Inducutor ................................................................................ 85
Hình 4.10. Chiều rộng vùng nung nóng ......................................................................... 87
Hình 4.11: Đặc tính của ngọn lửa hỏa cơng ................................................................... 91
Hình 4.12: Mỏ hỏa cơng................................................................................................. 91
Hình 4.13: Vị trí đường hỏa cơng .................................................................................. 92
Hình 4.14: Nắn hỏa cơng dầm chính GB3WS ............................................................... 92
Hình 4.15: Nắn hỏa công mối hàn giữa bản cánh trên và bản bụng dầm GB3WS........ 92
Hình 4.16: Nắn hỏa cơng mối hàn giữa bản bụng và bản cánh dưới dầm GB3WS ...... 92
Đỗ Vinh Quang

9

Lớp : 11BCNH

Viện SĐH- Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Cơ khí

PHẦN MỞ ĐẦU
 Lý do chọn đề tài:
Cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa là chiến lược dài hạn của Việt Nam với mục tiêu là
đến năm 2020 sẽ trở thành một nước công nghiệp hiện đại. Song song với sự phát triển
của nền công nghiệp, xây dựng cơ sở hạ tầng cũng được chú trọng.
Ngày 07-03-2009, Hà Nội đã khởi công xây dựng Cầu Nhật Tân và đường hai đầu
cầu. Dự án cầu Nhật Tân được xác định là một trong những cơng trình giao thơng trọng
điểm của thủ đơ khơng chỉ có ý nghĩa lớn về kinh tế mà cịn có ý nghĩa chính trị, xã hội
quan trọng. Cơng trình hoàn thành sẽ kết nối trung tâm thành phố với các khu cơng
nghiệp ở phía Bắc như Bắc Thăng Long - Vân Trì, Đơng Anh - Cổ Loa, Gia Lâm - Sài
Đồng-Yên Viên, đồng thời hoàn thiện tuyến đường vành đai 2 và rút ngắn tuyến đường
từ trung tâm đến sân bay Quốc tế Nội Bài. Với quy mô lớn, công nghệ thi công tiên
tiến, hiện đại, kết cấu đặc biệt- cầu dây văng 2 mặt phẳng dây, cầu Nhật Tân khi hoàn
thành sẽ trở thành một điểm nhấn kiến trúc, một biểu tượng mới của thủ đô Hà Nội.
Phần chính của cầu Nhật Tân là tổ hợp các dầm hàn chữ I có kích thước lớn, bao
gồm dầm chính, dầm ngang và các thanh giằng liên kết. Dầm chính có chiều cao 3m,
chiều dài 12m. Chất lượng của các dầm hàn lớn như vậy phụ thuộc rất nhiều vào q
trình thực hiện cơng việc hàn. Quy trình sản xuất hiện đại dù có rất nhiều thiết bị, đồ gá
hiện đại nhưng vẫn tồn tại ứng suất dư và biến dạng hàn, đặc biệt là khi hàn các dầm
chính và dầm ngang. Kết cấu dầm chính, dầm ngang cầu Nhật Tân là dầm chữ I kích
thước lớn.. Nhận thức được điều đó, tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu công nghệ
xử lý nhiệt khi hàn dầm chữ I kích thước lớn ” để làm đề tài nghiên cứu của Luận
văn.
 Lịch sử nghiên cứu

Ý tưởng về đề tài và quá trình nghiên cứu được tiến hành song song với quá trình
chế tạo phần kết cấu thép của nhịp số 1 cầu Nhật Tân.
 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu.
- Mục đích nghiên cứu
Đỗ Vinh Quang

10

Lớp : 11BCNH


Viện SĐH- Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Cơ khí

Nghiên cứu, tính tốn và xây dựng quy trình hàn và đồ gá hàn khi hàn dầm chữ I
kích thước lớn.
Nghiên cứu và tính tốn ứng suất dư và biến dạng khi hàn dầm chữ I kích thước lớn
Xây dựng các quy trình xử lý nhiệt trước, trong và sau khi hàn dầm chữ I kích
thước lớn nhằm giảm ứng suất dư và biến dạng khi hàn dầm chữ I kích thước lớn.
-

-

Đối tượng nghiên cứu: Các dầm hàn chữ I kích thước lớn trong hệ thống kết
cấu cầu dầm, cầu dây văng, cầu tạm đang được chế tạo và thi công tại Việt
Nam.
Phạm vi nghiên cứu: Công nghệ xử lý nhiệt khi hàn dầm chính, dầm ngang cầu
Nhật Tân .

 Tóm tắt cơ đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
Áp dụng vào thực tế chế tạo dầm chính và dầm ngang cầu Nhật Tân, làm giảm biến
dạng khi hàn dầm, đạt yêu cầu về chất lượng của chủ đầu tư đề ra.Hiện tại, toàn bộ kết
cấu thép của một nhịp cầu Nhật Tân được sản xuất tại Mitsui Thăng Long đã được chủ
đầu tư, nhà thầu chính Nhật Bản – IHI và đơn vị tư vấn nghiệm thu và giao nhận hàng.
Việc nghiên cứu quy trình xử lý nhiệt khi hàn dầm chữ I kích thước lớn có ý nghĩa
quan trọng đối với các cơ quan, công ty chuyên về sản xuất, chế tạo kết cấu thép nói
chung và trong việc xây dựng, thi công các cây cầu hiện đại ở Việt Nam sau này.
 Phương pháp nghiên cứu.
Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm

Đỗ Vinh Quang

11

Lớp : 11BCNH


Viện SĐH- Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Cơ khí

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ DẦM
1.1 Khái niệm
Dầm là loại kết cấu rất phổ biến trong nhiều thiết bị, máy móc, đặc biệt là trong
lĩnh vực xây dựng, giao thơng. Ví dụ dầm cầu trục, cầu thép, toa xe, sàn công tác,
khung nhà thép, vỏ tàu thủy, khung máy, bệ máy,..
Về chức năng dầm làm việc chống uốn ngang là chủ yếu. Thơng thường nó nhận
tải từ các phần tử khác và chuyển xuống các gối tựa ( tức là phần đỡ dầm).
1.2 Đặc điểm và phân loại

Theo cấu tạo tiết diện ngang dầm có thể chia làm hai loại: dầm hình và dầm tổ
hợp.
Dầm hình là dầm từ một loại thép hình phổ thơng như thép I, thép U, thép góc
hoặc các loại thép hình thành mỏng chun dụng khác. Dầm từ thép chữ I có tiết diện
đối xứng, mơmen chống uốn (W x ) rất lớn, dùng hợp lý đối với các trường hợp chịu
uốn phẳng như dầm cầu, dầm sàn cơng tác, dầm cầu trục, v..v..

Hình 1.1 : Các loại dầm hình
Dầm từ thép chữ U có tiết diện không đối xứng nên khi chịu uốn phẳng dễ bị
xoắn. Tuy nhiên dầm chữ U ( đặc biệt loại cánh rộng) có khả năng chịu uốn xiên tốt và
rất dễ liên kết với các bộ phận khác của kết cấu nên thường được dùng làm khung vỏ
tàu, xà gồ, sườn máy bay, toa tàu, hoặc dầm công tác với nhịp và tải trọng bé.
Đỗ Vinh Quang

12

Lớp : 11BCNH


Viện SĐH- Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Cơ khí

Dầm từ thép chữ U có tiết diện khơng đối xứng nên khi chịu uốn phẳng dễ bị
xoắn. Tuy nhiên dầm chữ U ( đặc biệt loại cánh rộng) có khả năng chịu uốn xiên tốt và
rất dễ liên kết với các bộ phận khác của kết cấu nên thường được dùng làm khung vỏ
tàu, xà gồ, sườn máy bay, toa tàu, hoặc dầm công tác với nhịp và tải trọng bé.
Do hạn chế về cơng nghệ cán, các thép hình cán nóng thường có bề dày bản
bụng khá lớn và tốn thêm kim loại tại chỗ lượn chuyển tiếp từ bụng sang cánh. Vì vậy
việc dùng thép hình cán nóng tuy tiết kiệm được công nghệ chế tạo nhưng vẫn còn

nặng nề, chưa tiết kiệm được kim loại, đặc biệt là với các dầm vượt nhịp lớn, chịu tải
trọng bé. Khắc phục nhược điểm này, áp dụng sự tiến bộ của công nghệ cán, hiện nay
kết cấu dầm đã ứng dụng nhiều loại tiết diện mới là thép hình cán nóng hình chữ I cánh
rộng, I cao thành hoặc tiết diện cán nguội, dập nguội từ thép bản mỏng tạo thành tiết
diện dạng chữ [, chữ Z.
Dầm tổ hợp: Dầm tổ hợp được chế tạo từ các loại thép hình, thép tấm hoặc thép
định hình. Nếu dụng phương pháp hàn để chế tạo thì quy ước gọi là dầm hàn, cịn nếu
dung liên kết đinh tán hoặc bulong thì tương ứng gọi là dầm đinh tán hoặc dầm bulong.
Ở đây chỉ đề cập tới dầm hàn.

Hình 1.2: Các loại dầm tổ hợp (dầm hàn – dầm dinh tán

Đỗ Vinh Quang

13

Lớp : 11BCNH


Viện SĐH- Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Cơ khí

Hình 1.3: Dầm hộp
Dầm hàn chữ I gồm ba phần tử cơ bản: Hai bản cánh (còn gọi là cánh hoặc đế
dầm) và bụng (còn gọi là thành hay bụng dầm). Ngồi ra, trong dầm hàn cịn có các
phần tử kết cấu khác như gân cứng vững, vách ngăn, bản nối,vv…
So với dầm đinh tán hoặc dầm bulong thì dầm hàn nhẹ hơn, chi phí chế tạo thấp
hơn nên được sử dụng phổ biến trong những thập kỷ gần đây.
Điều cần chú ý là dầm tổ hợp cho phép tạo ta các giải pháp kết cấu linh động

hơn như: Có thể giảm chiều dày bụng dầm xuống mức tối thiểu hoặc thay đổi tiết diện
dầm tùy thuộc vài giá trị nội lực cụ thể. Điều này đặc biệt có hiệu quả kinh tế đối với
các dầm có khẩu độ và tải trọng lớn.
Tuy nhiên, sử dụng dầm hình sẽ giảm được số lượng chi tiết cấu tành, chi phí
chế tạo giảm và thời gian đưa cơng trình vào sử dụng sẽ ngắn hơn. Do vậy, trong mọi
trường hợp cần phải cân nhắc kỹ các yếu tố kinh tế - kỹ thuật để chọ loại dầm hinh hay
dầm tổ hợp nhằm đạt hiệu quả tối ưu nhất.
1.3 Sơ lược về dầm hàn và ứng dụng của dầm hàn trong kết cấu thép
1.3.1. Dầm hàn
Loại cầu thép phổ biến nhất cho các nhịp nhỏ và vừa trên đường ôtô là cầu dầm
thép. Với các nhịp nhỏ và vừa (< 30 m) thông thường dầm chủ được làm bằng thép
hình I cán đặt cách đều đều và song song với nhau. Đối với các nhịp lớn hơn thường
dùng dầm thép, các dầm này thường có chiều cao lớn hơn chiều cao nhất của dầm thép
Đỗ Vinh Quang

14

Lớp : 11BCNH


Viện SĐH- Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Cơ khí

cán. Bên trên dầm thép thường là bản bê tông cốt thép vừa làm bản mặt cầu cho xe
chạy vừa tạo độ cứng ngang cho các dầm dọc.
Các dầm ngang ở các đầu dầm và tại các điểm trung gian tạo độ cứng ngang và
phân bố tải trọng tập trung lên các dầm dọc.

Hình 1.4: Dầm cầu thép

Cầu dầm thép có ưu điểm đặc biệt là cấu tạo đơn giản, trọng lượng bản thân nhẹ,
thi cơng nhanh chóng, khơng cần giàn dáo nên rất thích hợp cho các cơng trình cầu cần
xây dựng nhanh và các cầu địa phương.
1.3.2. Ưu nhược điểm của cầu dầm thép:
Ưu điểm:
-

Cầu dầm thép có thể thi cơng nhanh chóng hơn cầu bêtơng cốt thép hoặc cầu
bêtơng cốt thép ứng suất trước.

-

Cầu dầm thép có thể lắp đặt dễ dàng qua sông suối, qua chướng ngại vật ở bất
kỳ hồn cảnh thời tiết nào, do đó giảm được giá thành xây dựng.

Đỗ Vinh Quang

15

Lớp : 11BCNH


Viện SĐH- Đại học Bách Khoa Hà Nội
-

Viện Cơ khí

Kết cấu nhịp cầu thép thường nhẹ hơn cầu bê tông cốt thép làm giảm giá thành
chung, đặc biệt có ý nghĩa khi địa chất lịng sơng yếu. Kết cấu nhịp cầu thép
thường có chiều cao kiến trúc nhỏ hơn cầu bê tơng cốt thép do đó thích hợp khi

làm các cầu vượt, khi cần đảm bảo tĩnh không dưới cầu mà không cần nâng
cao quá mức cao độ mố trụ.

-

Cầu thép dễ sữa chữa và sửa chữa nhanh hơn cầu bê tông cốt thép.
Nhược điểm:

-

Gỉ của thép là vấn đề cần quan tâm, phải sửa chữa thường xuyên, tốn kém và là
nguyên nhân chủ yếu gây ra hư hỏng cầu thép. Ngay cả thép chống gỉ cũng
khơng hồn tồn đảm bảo về hiệu quả kinh tế như các nhà chế tạo công bố.

-

Hậu quả cuối cùng của gỉ là làm suy yếu cơng trình.

-

Giá thành sơn cầu trong suốt thời gian sử dụng rất cao. Việc cạo gỉ, sơn lại ảnh
hưởng bất lợi tới sức khỏe con người và môi trường. Khi dùng sơn trên nên
dầu, sự bay hơi của các thành phần hữu cơ ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức
khỏe. Việc cạo bỏ các lớp sơn cũ và tiêu hủy phế thải trong suốt thời gian phục
vụ cầu rất tốn kém. Trong một số trường hợp giá thành của việc cạo gỉ và tiêu
hủy phế thải bằng với việc hủy bỏ cầu cũ, xây dựng cầu mới.

-

Khoảng 20 năm gần đây, thép chống gỉ được dùng nhiều trong cầu như một

yếu tố giảm giá thành do không phải sơn. Nhưng theo thời gian, gỉ vẫn hình
thành, thép trở thành nâu, theo quan điểm mỹ quan là một trong những màu
xấu nhất. Rỉ kết cấu nhịp và các bộ phận bằng thép thường chảy xuống tường
mố trụ làm mất vẻ mỹ quan.

-

Một số hình ảnh dầm hàn

Đỗ Vinh Quang

16

Lớp : 11BCNH


Viện SĐH- Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Cơ khí

Hình 1.5: Dầm I kích thước lớn

Hình 1.6: Dầm hàn cho kết cấu cầu thép

Đỗ Vinh Quang

17

Lớp : 11BCNH

Viện SĐH- Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Cơ khí

1.4 Cấu tạo của dầm chữ I
Dầm I hay còn gọi là dầm H là dầm có mặt cắt ngang hình chữ I hoặc chữ H.
Hai phần nằm ngang gọi là bản cánh, phần thẳng đứng là bản bụng. Bản bụng chịu lực
kéo, trong khi bản cánh chịu phần lớn momen uốn của dầm.
Như vậy, lý thuyết về dầm chỉ ra rằng dầm có mặt cắt ngang hình chữ I rất hiệu
quả trong việc chịu cả tải trọng kéo và momen uốn trong mặt phẳng chứa bản bụng.
Mặt khác, mặt cắt ngang có thể giảm theo chiều ngang. Nhưng dầm I lại khơng hiệu
quả trong việc chịu xoắn.
Có hai dạng dầm I theo tiêu chuẩn:
• Dầm I cán: được tạo hình bởi cán nóng, cán nguội hoặc đúc ép (tùy thuộc vào
vật liệu)
• Dầm I hàn (đơi khi dầm I có thể được tạo bằng gắn kết bulong hoặc đinh tán).
Dầm I thường được chế tạo bởi vật liệu thép kết cấu nhưng đơi khi cũng có thể
được chế tạo từ hợp kim nhôm và một số loại vật liệu khác.
Dầm I được sử dụng rộng rãi trong các kết cấu cơng nghiệp với kích thước đa
dạng và được tiêu chuẩn hóa. Việc này cho phép dễ dàng lựa chọn kích thước và tải
trọng phù hợp của dầm I. Dầm I được sử dụng với cả hai công năng: dầm và cột.
Dưới tác dụng của lực uốn, ứng suất pháp lớn nhất sẽ tập trung tại thớ kim loại
xa nhất từ trục trung hòa. Và cũng do nguyên nhân này nên phần lớn vật liệu của dầm
sẽ tập trung tại vùng này, vùng gần trục trung hịa sẽ tập trung ít vật liệu hơn. Chính
điều này là cơ sở của mặt cắt ngang của dầm I; trục trung hòa nằm tại trung tâm của
bản bụng, và bản bụng sẽ mỏng hơn bản cánh.
1.5 Quy trình chế tạo dầm hàn chữ I
Quy trình chế tạo dần hàn chữ I trong điều kiện nhà máy kết cấu thép thường
gồm các công đoạn chủ yếu sau:

Đỗ Vinh Quang

18

Lớp : 11BCNH


Viện SĐH- Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Cơ khí

Ghi chú: A,B: Chuẩn bị phôi, nắn cắt phôi; C: Hàn đính kết cấu; D: Hàn kết cấu; E,F: Uốn
phẳng bản cánh của dầm I; G: Phay hai phần đầu của dầm I, nơi đây thường xảy ra khuyết
tật.; H: Phun bi, phun cát, làm sạch kết cấu, biến cứng bề mặt; I: Sơn phủ bảo vệ kết cấu.

Hình 1.7: Sơ đồ quy trình chế tạo kết cấu dầm chữ I
a. A,B: Chuẩn bị phôi, nắn cắt phôi
- Nắn cần tránh tạo vết xước, vết lõm và các khuyết tất khác trên bề mặt
-

Nắn cần đảm bảo bán kính cong và độ võng của chi tiết theo yêu cầu (bảng 1).

b. C, D: Hàn đính và hàn dầm
-

Chế độ hàn đính và chế độ hàn phải tuân thủ theo quy trình hàn đề ra.

-

Trình tự hàn cũng phải được chỉ dẫn rõ nhằm giảm ứng suất và biến dạng sau
khi hàn.

c. E,F: Uốn phẳng bản cánh dầm I
-

Dùng máy nắn dầm chuyên dụng hoặc các phương pháp nắn thủ công nhưng
cần tránh tạo các vết trên bề mặt dầm.

-

Cần đảm bảo kích thước, độ võng, độ vênh của sản phẩm theo yêu cầu được cho
trong bảng 1 [11].

Đỗ Vinh Quang

19

Lớp : 11BCNH


Viện SĐH- Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Cơ khí

Bảng 1.1: Bán kính cong và độ võng yêu cầu khi nắn và uốn các chi tiết thép
-

Nắn phôi được thực hiện bằng phương pháp cán phẳng (leveler process)

Hình 1.8: Cán phẳng phôi
d. G: Phay hai phần đầu dầm I:
-

Hai phần đầu dầm thường có nhiều khuyết tật, lệch mép giữa bản cánh trên, bản
cánh dưới và bản bụng.

-

Kích thước sau khi phay cần đảm bảo theo đúng kích thước của bản vẽ.

-

Với các dầm có kích thước lớn, khó sử dụng máy phay để phay, có thể sử dụng
đá mài giấy để mài. Tuy nhiên, sản phẩm sau khi mài vẫn phải đạt được các yêu
cầu đề ra.

e. H,I: Phun bi, phun cát làm sạch kết cấu và sơn
-

Trước khi phun bi, phun cát cần chú ý mài các cạnh sắc, góc…

-

Mài láng các mối hàn gồ ghề, khuyết tật sắt thép, các ba via…

Đỗ Vinh Quang

20

Lớp : 11BCNH


Viện SĐH- Đại học Bách Khoa Hà Nội
-

Viện Cơ khí

Trước khi sơn cần chú ý làm sạch nước, hơi ẩm, dầu mỡ, vết phấn cũng như các
chất bẩn khơng thích hợp.

-

Do vật liệu chế tạo kết cấu cầu thường thuộc nhóm thép cacbon, xuất phát từ
yêu cầu cao về chất lượng cắt, năng suất và các đường cắt đều là đường thẳng ta
lựa chọn phương pháp cắt bằng máy cắt giàn song song.

-

Hình 1.9: Máy cắt giàn song song
Trị số mạch cắt đối với thép:
t≤20mm là 2mm;
20≤t≤30mm là 2.5mm;
30≤t≤50mm là 3mm;
t≥50mm là 3.5 - 4mm

1.6 Mục đích, ý nghĩa của việc giảm ứng suất và biến dạng hàn
Biến dạng hoặc cong vênh có thể xảy ra trong khi hàn do sự co ngót khơng đều
của mối hàn và kim loại cơ bản trong chu kỳ nung nóng và làm nguội trong khi hàn và
sau khi hàn. Ứng suất hình thành ở mối hàn là kết quả của những thay đổi về thể tích,

đặc biệt là nếu mối hàn bị hạn chế bởi các kết cấu kẹp hoặc các vật liệu khác xung
quanh. Nếu những hạn chế bị loại bỏ phần nào, ứng suất có thể gây biến dạng vật liệu
và thậm chí có thể gây xé rách hoặc đứt gãy. Tất nhiên, biến dạng hàn có thể làm phát
sinh chi phí để sửa chữa, do đó ngăn ngừa biến dạng là vấn đề quan trọng trong q
trình hàn
Có nhiều loại biến dạng và thay đổi kích thước bao gồm: biến dạng dọc, ngang,
góc, xoắn và uốn cong. Có thể xảy ra đồng thời hai hoặc nhiều dạng biến dạng.
Các biến dạng hàn gây nhiều khó khăn trong cơng tác chế tạo, lắp ráp phân
đoạn, tổng đoạn của kết cấu và đồng thời còn làm giảm sức bền, tuổi thọ của kết cấu.
Đỗ Vinh Quang

21

Lớp : 11BCNH


Viện SĐH- Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Cơ khí

1.7 Kết luận
Tác giả đã tiến hành nghiên cứu các tài liệu chuyên nghành để tìm hiểu về dầm,
cách phân loại, đặc điểm và điều kiện làm việc của dầm cầu. Tìm hiểu về quy trình chế
tạo chủ yếu.
Trong phạm vi của đồ án này, từ cơ sở tham gia giám sát chế tạo tại công tý
TNHH Kết Cấu Thép MitSui Thăng Long, tác giả sẽ đề xuất biện pháp công nghệ chế
tạo cũng như xử lý nhiệt cho dầm chính GB3WS của Cầu Nhật Tân .

Đỗ Vinh Quang

22

Lớp : 11BCNH


Viện SĐH- Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Cơ khí

CHƯƠNG II: KHẢO SÁT VỀ CƠNG NGHỀ CHẾ TẠO DẦM CHÍNH
NHẬT TÂN
2.1 Giới thiệu chung về cầu Nhật Tân
Cầu Nhật Tân là một cây cầu đang được xây dựng nằm trong tổng số 7 cầu bắc
qua sông Hồng đoạn Hà Nội, kết cấu nhịp của cầu chính theo dạng cầu dây văng nhiều
nhịp với 5 trụ tháp hình thoi và 6 nhịp dây văng, bắt đầu tại phường Phú Thượng,
quận Tây Hồ đến điểm cuối giao với quốc lộ 3 tại km 7+100, xã Vĩnh Ngọc
huyện Đơng Anh, mục đích rút ngắn đường từ sân bay Nội Bài về trung tâm thành phố
Hà Nội. Cầu được khởi công ngay sau khi hồn thành cầu Thanh Trì. Theo dự án, cầu
được kết cấu kiểu dây văng liên tục bê tông cốt thép dự ứng lực với 5 trụ tháp, thi công
bằng phương án đúng hẫng cân bằng[1].
Mặt cầu rộng 33,2m chia thành 4 làn xe cơ giới, 2 làn xe buýt, 2 dải xe hỗn hợp,
phân cách giữa, đường dành cho người đi bộ. Cầu dài 3,9 km và có đường dẫn 4,5 km,
trong đó phần chính của cầu qua sơng dài 1,5 km. Tổng mức đầu tư dự định cho cầu từ
7500 tỷ đến 8000 tỷ đồng tùy theo số lượng cột phải thi công.

Đỗ Vinh Quang

23

Lớp : 11BCNH

Viện SĐH- Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Cơ khí

Hình 2.1: Mơ hình cầu Nhật Tân kiểu dây văng, dẻ quạt
Cầu Nhật Tân được cấu tạo bởi hệ thống các dầm chính, dầm ngang, phần đỡ và
các trụ tháp
2.2 Cấu tạo dầm cầu Nhật Tân
Dầm chính cầu Nhật Tân là các dầm chữ I với hệ thống các gân tăng cứng và
ống neo cáp… (Phụ lục 1)
Dầm GB3WS có:
• Bản cánh trên có kích thước 570x12000x24mm, vật liệu là JIS G3016 SM570.
• Bản cánh dưới có kích thước 910x12000x55mm, vật liệu là JIS G3106 SM570.
• Bản bụng có kích thước: 2921x12000x19mm. Vật liệu là JIS G3106 SM570.

Đỗ Vinh Quang

24

Lớp : 11BCNH