Nghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tông

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯƠNG QUANG HẢI

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA LIÊN KẾT
SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP VỚI
CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

ĐÀ NẴNG – NĂM 2021


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯƠNG QUANG HẢI

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA LIÊN KẾT
SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP VỚI
CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG
Chuyên ngành : Cơ kỹ thuật
Mã số

: 9520101

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:
TS. ĐÀO NGỌC THẾ LỰC
PGS. TS. TRƯƠNG HỒI CHÍNH

ĐÀ NẴNG – NĂM 2021


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu riêng của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong Luận án là trung thực và chưa từng được
ai công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tác giả luận án

Trương Quang Hải


ii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. i
MỤC LỤC ........................................................................................................ ii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU ......................................................................... vi
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................... ix
DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................. x
DANH MỤC CÁC HÌNH .............................................................................. xi
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ............................................................................................ 1

2. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................. 2
4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ........................................................................ 3
6. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................... 3
7. Bố cục của luận án ......................................................................................... 4
8. Những đóng góp mới của luận án .................................................................. 4

CHƯƠNG 1. TỔNG QUANCỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG, SÀN
PHẲNG VÀ LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN
PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP.................................................................... 5
1.1. Tổng quan về cột ống thép nhồi bê tông ..........................................................5

1.2. Tổng quan các giải pháp sàn phẳng trong cơng trình xây dựng .................10


iii

1.3. Tổng quan về liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt
thép ..........................................................................................................................14

1.4. Các giải pháp nâng cao khả năng chịu cắt thủng cho sàn ............................29
1.5. Tổng quan một số mơ hình tính tốn khả năng chịu cắt thủng sàn ............33

1.6. Tổng quan các tiêu chuẩn tính tốn ...............................................................37

1.7. Kết luận Chương 1 ...........................................................................................43

CHƯƠNG 2. GIẢI PHÁP CẤU TẠO VÀ THỰC NGHIỆM LIÊN KẾT
CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG .......................... 45

2.1. Giải pháp cấu tạo và thực nghiệm liên kết cột giữa ống thép nhồi bê tông
với sàn phẳng bê tông cốt thép ...............................................................................45

2.2. Giải pháp cấu tạo và thực nghiệm liên kết cột giữa ống thép nhồi bê tông
với sàn phẳng bê tông ứng lực trước .....................................................................76


iv

2.3. Giải pháp cấu tạo và thực nghiệm liên kết cột biên, cột góc ống thép nhồi
bê tơng với sàn phẳng bê tông cốt thép .................................................................97

2.4. Kết luận Chương 2 .........................................................................................106

CHƯƠNG 3. MƠ PHỎNG SỐ LIÊN KẾT VÀ MƠ HÌNH TÍNH TỐN
KHẢ NĂNG CHỊU CẮT THỦNG CỦA SÀN TẠI LIÊN KẾT CỘT ỐNG
THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG ............................................ 108
3.1. Mô phỏng số liên kết cột ống thép nhồi bê tơng với sàn phẳng .................108

3.2. Mơ hình tính tốn khả năng chịu cắt thủng của sàn phẳng tại liên kết với
cột giữa ống thép nhồi bê tông .............................................................................133


v

3.3. Kết luận Chương 3 .........................................................................................146
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................................148
PHỤ LỤC .............................................................................................................. 150
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ............................................. 165
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 166

vi

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU
α

: Hệ số giãn vì nhiệt của cáp

αv

: Tỉ số độ cứng của shear-head với vùng bê tông ảnh hưởng

γv

: Hệ số chuyển mô men không cân bằng thành lực cắt trên tiết diện tới hạn

σ

: Ứng suất

σcp

: Ứng suất nén trung bình trong bê tơng

ε

: Biến dạng tương đối (cốt thép, bê tông)

εcm

: Biến dạng tương ứng với cường độ chịu nén trung bình ftm

μ

: Hệ số ma sát

ρ

: Hàm lượng cốt thép chịu uốn

θ

: Góc nghiêng của vết nứt

δ

: Chuyển vị đứng của cột

λ

: Hệ số kể đến sự có mặt của cốt đai ảnh hưởng đến khả năng chịu cắt của
bê tơng

ψ

: Góc lệch được đo trong mặt phẳng p-q (diviatory)

ϵ

: Sự lệch của mặt thế năng dẻo

∆T

: Độ chênh lệch nhiệt độ

Δdow

: Chuyển vị của cốt thép dọc tại vết nứt nghiêng cắt qua cốt thép dọc

Asp

: Diện tích một tao cáp

Asw

: Diện tích tiết diện ngang của một chu vi của cốt thép đai

bc

: Bề rộng cột

bs

: Bề rộng lớp cốt đai ở đỉnh shear-head

bo

: Chu vi dọc theo tiết diện tới hạn

b0,in

: Chu vi tiết diện phá hoại cắt qua cốt đai.

b0,out

: Chu vi tiết diện phá hoại bên ngoài vùng bố trí cốt đai.

b1, b2

: Kích thước của chu vi tiết diện tới hạn cách mặt cột d/2 và b1 lấy song
song với hướng của mô men không cân bằng

B1, B2 : Kích thước mẫu thí nghiệm
d

: Chiều cao làm việc khi uốn của sàn

dv

: Chiều cao làm việc chịu cắt của sàn


vii

dt

: Biến phá hoại kéo trong mơ hình CDP

dc

: Biến phá hoại nén trong mơ hình CDP

Ec

: Mơ đun đàn hồi của bê tông

Es

: Mô đun đàn hồi của cốt thép

Esp

: Mô đun đàn hồi của cáp ứng lực trước

fpu

: Giới hạn bền của cáp

fpy

: Giới hạn chảy của cáp

fpi

: Ứng suất kéo ban đầu trong cáp

fyp

: Ứng suất hiệu quả trong cáp

fy

: Cường độ chịu kéo của cốt thép

fyw

: Cường độ chảy dẻo của cốt đai

fyw,ef

: Ứng suất hiệu quả trong cốt thép đai (EC2)

f'c , fcm : Cường độ chịu nén trung bình của bê tơng mẫu hình lăng trụ
ftm

: Cường độ chịu kéo trung bình của bê tơng mẫu hình lăng trụ

fb0/fc0

: Tỉ số giữa cường độ nén hai trục và một trục của bê tông

h

: Chiều dày của sàn

Is

: Mơ men qn tính của shear-head

Ic

: Mơ men qn tính của tiết diện bê tơng bao quanh shear-head

J

: Mơ men qn tính của tiết diện tới hạn cách d/2 từ chu vi của cột

k

: Hệ số ảnh hưởng chiều dày của sàn đến khả năng chịu cắt thủng

Kc

: Hệ số điều khiển hình dạng mặt phẳng phá hoại

Lv

: Chiều dài shear-head tính từ mặt cột

l

: Chiều dài bụng shear-head ngàm vào cột

Mu

: Mô men không cân bằng tại cột

nw

: Số cốt thép đai cắt qua chu vi tới hạn

Vu

: Lực cắt trên tiết diện tới hạn

VR

: Khả năng chịu cắt danh nghĩa của sàn

Vc,out

: Khả năng chịu cắt thủng của sàn tại chu vi bên ngoài vùng bố trí cốt đai

Vc,in

: Khả năng chịu cắt thủng của sàn tại chu vi cắt qua cốt đai

Vcal

: Khả năng chịu cắt của sàn xác định theo tính tốn

Vtest

: Khả năng chịu cắt của sàn xác định theo thực nghiệm


viii

Vabaqus : Khả năng chịu cắt của sàn theo mô phỏng Abaqus

Vp

: Khả năng chịu cắt của sàn do độ nghiêng của cáp ứng lực trước

Vc

: Khả năng chịu cắt của bê tông

Vsw

: Khả năng chịu cắt của cốt đai

sw

: Khoảng cách giữa những chu vi của cốt đai

tf

: Chiều dày bản cánh của shear-head

tw

: Chiều dày bản bụng của shear-head

w

: Bề rộng vết nứt


ix

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CFST

: Concrete filled steel tube (Ớng thép nhời bê tơng)

BTCT

: Bê tơng cốt thép

LVDT

: Linear Variable Differential Transducer

CHS

: Circular Hollow Section - CHS

SHS

: Square Hollow Section - SHS

RHS

: Rectangular Hollow Section - RHS

CSCT

: Critical Shear Crack Theory - lý thuyết vết nứt cắt tới hạn

CDP

: Concrete damage plastic

Shear-head : Chi tiết liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT sử dụng thép
hình chữ H, I và được nhúng vào trong bê tông sàn
Stud

: Là các chi tiết dạng đinh, có tán một đầu hoặc hai đầu được
hàn vào thành ống thép hoặc bố trí trong sàn để chịu cắt


x

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Cấp phối vật liệu cho 1m3 bê tông ............................................................55
Bảng 2.2. Bảng tổng hợp các thiết bị thí nghiệm ......................................................56
Bảng 2.3. Kết quả thí nghiệm nén, ép chẻ mẫu bê tơng trụ 150×300 (mm2)............64
Bảng 2.4. Số liệu thí nghiệm kéo cốt thép thanh, thép hình H100 và thép ống........65
Bảng 2.5. Giá trị lực căng cáp ...................................................................................81
Bảng 2.6. Cấp phối vật liệu cho vữa bơm ống gen ...................................................82
Bảng 2.7. Kết quả thí nghiệm nén, ép chẻ mẫu bê tơng trụ 150×300 (mm2)............87
Bảng 2.8. Số liệu thí nghiệm kéo cốt thép thanh, thép hình H100 và thép ống........87
Bảng 2.9. Đặc tính kĩ thuật của cáp dự ứng lực lấy theo các tiêu chuẩn ..................88
Bảng 3.1. Lựa chọn phần tử cho các bộ phận của liên kết sàn – cột CFST ............109
Bảng 3.2. Mô phỏng các bộ phận của kết cấu.........................................................109
Bảng 3.3. Các thông số đặc trưng cho vật liệu bê tơng...........................................113
Bảng 3.4. Tham số của mơ hình CDP .....................................................................114
Bảng 3.5. Các dạng tương tác sử dụng trong mô phỏng .........................................116
Bảng 3.6. Kích thước chia nhỏ phần tử(mm) ..........................................................117

Bảng 3.7.Thơng số của các mẫu thí nghiệm và mơ phỏng số tính tốn cường độ chịu
cắt thủng của sàn phẳng bê tơng cốt thép................................................................140
Bảng 3.8. So sánh kết quả tính tốn với thực nghiệm.............................................141
Bảng 3.9. So sánh kết quả tính toán với nghiên cứu của D.V. Bompa [16] ...........141
Bảng 3.10. So sánh kết quả tính tốn với kết quả mơ phỏng số Abaqus ................141
Bảng 3.11. Thơng số của mẫu thí nghiệm và các mẫu mơ phỏng số sử dụng để
tính toán cường độ chịu cắt thủng của sàn phẳng bê tông ứng lực trước ...............144
Bảng 3.12. So sánh kết quả tính tốn với thực nghiệm...........................................145
Bảng 3.13. So sánh kết quả mơ phỏng với cơng thức tính đề xuất. ........................145


xi

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Cấu tạo cột ống thép nhời bê tơng...............................................................5
Hình 1.2. Mặt cắt điển hình cột ống thép nhời bê tơng ...............................................7
Hình 1.3. Cột ống thép nhời bê tơng với hai lớp ống thép ..........................................7
Hình 1.4. Cột CFST được bao bọc bởi bê tơng cốt thép .............................................8
Hình 1.5. Cột CFST tăng cường kết cấu thép và cốt thép gia cường .........................8
Hình 1.6. Cột CFST với sườn tăng cứng ....................................................................9
Hình 1.7. Nhà được xây dựng bằng kết cấu CFST [5]................................................9
Hình 1.8. Trung tâm thương mại Ruifeng, Trung Quốc [28] ...................................10
Hình 1.9. Tokyo Baycourt Club Hotel & Spa Resort, Nhật Bản [60] ......................10
Hình 1.10. Sàn phẳng bê tơng cốt thép .....................................................................11
Hình 1.11. Sàn bê tơng ứng lực trước .......................................................................12
Hình 1.12. Sàn Bubbledeck .......................................................................................13
Hình 1.13. Sàn U-Boot Beton ...................................................................................14
Hình 1.14. Liên kết cột CFST-sàn BTCT của H. Satoh và K. Shimazaki (2004) [51]
...................................................................................................................................15
Hình 1.15. Kết quả thí nghiệm C.H. Lee et al. (2008) [35] ......................................16

Hình 1.16. Liên kết cột ống thép - sàn BTCT đề xuất bởi M.A. Eder (2012)[26] ...17
Hình 1.17. Cấu tạo liên kết và mơ hình thí nghiệm của Y. Su và Y. Tian (2009) [52]
...................................................................................................................................18
Hình 1.18. Liên kết đề xuất bởi Y.K. Ju (2013) [30] ................................................18
Hình 1.19. Thí nghiệm liên kết cột CFST với sàn BTCT bởi J.W. Kim (2014) [32]
...................................................................................................................................20
Hình 1.20. Liên kết cột CFST - sàn BTCT của P.Y. Yan và Y.C. Wang (2015) [55]
...................................................................................................................................21
Hình 1.21. Liên kết đề xuất của J. L. Yu và Y. C. Wang (2018) [56] ......................22
Hình 1.22. Mơ hình thí nghiệm và hình ảnh phá hoại sau thí nghiệm [56] ..............22
Hình 1.23. Chi tiết liên kết đề xuất bởi Đ.T.N. Thảo (2019)[3] ...............................23


xii

Hình 1.24. Mơ hình thí nghiệm và hình dạng mặt phá hoại của sàn [3] ...................23
Hình 1.25. Cấu tạo liên kết đề xuất [57] ...................................................................24
Hình 1.26. Cấu tạo chi tiết liên kết và mơ hình thí nghiệm [57] ..............................24
Hình 1.27. Phá hoại của mẫu sau thí nghiệm [57] ....................................................25
Hình 1.28. Shear-head trong liên kết sàn - cột BTCT và kết quả thí nghiệm [28] ...26
Hình 1.29. Vị trí tiết diện tới hạn cho sàn cột biên sử dụng mũ thép chịu cắt [28] ..27
Hình 1.30. Tiết diện tới hạn, ứng suất cắt do lực cắt, ứng suất cắt do mô men [28] 27
Hình 1.31. Thí nghiệm liên kết sàn – cột BTCT chịu ứng lực trước căng ngồi [42]
...................................................................................................................................28
Hình 1.32. Thép hình H gia cố khả năng chịu cắt thủng cho sàn W.G. Corley và
N.M.Hawkins (1968)[19] ..........................................................................................30
Hình 1.33. Hệ thống nâng cao khả năng chị cắt thủng Subedi và Baglin (2003)[50]
...................................................................................................................................30
Hình 1.34. Hệ thống nâng cao khả năng chị cắt thủng C. Ålander (2005)[13] ........31
Hình 1.35.Chi tiết liên kết đề xuất bởi W. Piel và G. Hanswille (2006) [47]..........31

Hình 1.36. Hệ thống nâng cao khả năng chịu cắt thủng [57]....................................31
Hình 1.37. Chốt thép chịu cắt bố trí trong bản sàn [24]............................................32
Hình 1.38. Tăng cường khả năng chịu cắt thủng cho sàn bằng “Shearband” [46] ...32
Hình 1.39. Dầm tích hợp trong bản sàn [1]...............................................................33
Hình 1.40. Mơ hình cơ học của S. Kinnunen và H. S. E. Nylander (1960) [31] ......33
Hình 1.41. Mơ hình tính khả năng chịu cắt thủng của sàn P. Menétrey (1996)[45].35
Hình 1.42. Mơ hình tính khả năng chịu cắt thủng theo CSCT..................................36
Hình 1.43. Mơ hình giàn ảo phân tích khả năng chịu cắt thủng cho sàn [41] ..........37
Hình 1.44. Mơ hình Carl Erik Broms (2016)[17] .....................................................37
Hình 1.45. Sơ đờ tính tốn chọc thủng của cấu kiện khơng có cốt thép ngang ........38
Hình 1.46. Sơ đờ tính tốn chọc thủng của bản bê tơng cốt thép có cốt thép ngang
đặt đều nhau theo phương đứng [6] ..........................................................................39
Hình 1.47. Xác định chu vi tiết diện tới hạn .............................................................40
Hình 1.48. Bố trí stud và chu vi tiết diện tới hạn khi chịu cắt [11]..........................41


xiii

Hình 1.49. Xác định chu vi tiết diện tới hạn theo EC2 [25] .....................................42
Hình 1.50. Chu vi tại tiết diện tới hạn cho trường hợp có cốt thép chịu cắt .............43
Hình 2.1. Liên kết cột ống thép nhời bê tơng – dầm bẹt bê tơng cốt thép ................46
Hình 2.2. Vết nứt trên các mẫu dầm bẹt tại thời điểm phá hoại ...............................47
Hình 2.3. Minh họa cơ chế truyền lực từ sàn vào cột [40]........................................47
Hình 2.4. Cấu tạo liên kết đề xuất .............................................................................48
Hình 2.5. Mơ hình phân tích sàn ...............................................................................50
Hình 2.6. Phân tích chọn kích thước mẫu .................................................................51
Hình 2.7. Chọn mẫu điểm neo gia tải cho mẫu thí nghiệm ......................................51
Hình 2.8. Kích thước mẫu thí nghiệm.......................................................................51
Hình 2.9. Cấu tạo chi tiết liên kết..............................................................................52
Hình 2.10. Bố trí cốt thép đai và thép vịng ..............................................................53

Hình 2.11. Mặt cắt cấu tạo cốt thép – liên kết sàn BTCT với cột CFST ..................53
Hình 2.12. Cấu tạo chi tiết liên kết ...........................................................................54
Hình 2.13. Bố trí cốt thép sàn ...................................................................................54
Hình 2.14. Dưỡng hộ bê tơng sàn và mẫu bê tơng ....................................................55
Hình 2.15. Thi cơng đế gia tải thí nghiệm ................................................................57
Hình 2.16. Các chi tiết neo và mơ hình thí nghiệm neo............................................58
Hình 2.17. Sơ đờ bố trí mơ hình thí nghiệm .............................................................58
Hình 2.18. Lắp đặt thí nghiệm ..................................................................................59
Hình 2.19. Bố trí mơ hình thí nghiệm .......................................................................59
Hình 2.20. Bố trí các cảm biến (LVDT) đo chuyển vị bề mặt sàn ...........................60
Hình 2.21. Bố trí cảm biến đo biến dạng bê tơng mặt dưới của sàn .........................60
Hình 2.22. Strain gauge đo biến dạng bề mặt cánh trên của shear-head ..................61
Hình 2.23. Bố trí strain gauge đo biến dạng cốt thép đai và cốt thép vịng ..............61
Hình 2.24. Bố trí strain gauge đo biến dạng cốt thép dọc .........................................62
Hình 2.25. Bố trí các cảm biến đo biến dạng trong cốt thép và shear-head .............62
Hình 2.26. Bố trí các cảm biến đo chuyển vị và biến dạng trên bề mặt bê tông ......63
Hình 2.27. Kết nối các cảm biến vào thiết bị nhận dữ liệu Data logger ...................63


xiv

Hình 2.28. Thí nghiệm cường độ bê tơng .................................................................64
Hình 2.29. Mẫu thép, thí nghiệm kéo thép................................................................65
Hình 2.30. Ứng xử tại mặt trên của sàn ở thời điểm phá hoại ..................................66
Hình 2.31. Phá hoại bê tơng tại mặt dưới của sàn.....................................................66
Hình 2.32. Tháp phá hoại cắt thủng của sàn .............................................................67
Hình 2.33. Mặt phá hoại được giữ bởi cốt đai ..........................................................67
Hình 2.34. Vết nứt bề mặt sàn và chu vi trung bình của tháp cắt thủng cho trường
hợp phá hoại 1 (mặt phá hoại nằm bên ngồi vùng bố trí cốt đai)............................68
Hình 2.35. Mặt phá hoại sau khi tách khối bê tông tại đỉnh shear-head ...................69

Hình 2.36. Mặt phá hoại sau khi tách khối bê tơng theo phương xiên của sàn ........69
Hình 2.37. Tháp phá hoại cắt thủng khi tách các khối bê tơng bị giữ bởi cốt đai ....69
Hình 2.38. Hình dạng mặt trên của tháp cắt thủng và chu vi trung bình của tháp cắt
thủng cho trường hợp phá hoại 2 (mặt phá hoại cắt qua vùng bố trí cốt đai) ...........70
Hình 2.39. Đờ thị tải trọng – chuyển vị đứng đầu cột...............................................71
Hình 2.40. Đờ thị tải trọng – chuyển vị mặt sàn .......................................................71
Hình 2.41. Đờ thị tải trọng - biến dạng bê tơng mặt dưới của sàn ............................72
Hình 2.42. Tải trọng – biến dạng tại cánh trên của shear-head ................................72
Hình 2.43. Tải trọng – biến dạng trong cốt thép dọc ................................................73
Hình 2.44. Tải trọng – biến dạng trong cốt thép đai .................................................73
Hình 2.45. Tải trọng – biến dạng trong cốt thép vịng ..............................................74
Hình 2.46. Ứng xử phá hoại tại góc của cột so sánh với các nghiên cứu khác.........75
Hình 2.47. Quỹ đạo bố trí cáp sàn.............................................................................78
Hình 2.48. Bố trí cáp cho mẫu thí nghiệm ................................................................78
Hình 2.49. Bố trí cốt thép sàn ...................................................................................79
Hình 2.50. Dưỡng hộ bê tơng sàn .............................................................................79
Hình 2.51. Cấu tạo đầu neo cáp ứng lực trước .........................................................80
Hình 2.52. Cấu tạo đầu neo ngoài của cáp ứng lực trước .........................................80
Hình 2.53. Thi cơng kéo cáp sàn ...............................................................................81
Hình 2.54. Bơm vữa ống gen ...................................................................................82


xv

Hình 2.55. Sơ đờ bố trí mơ hình thí nghiệm .............................................................83
Hình 2.56. Bố trí LVDT đo chuyển vị bề mặt bê tơng sàn .......................................83
Hình 2.57. Bố trí strain gauge đo biến dạng bề mặt trên và mặt dưới của bê tơng...84
Hình 2.58. Bố trí strain gauge đo biến dạng cốt thép đai..........................................84
Hình 2.59. Bố trí strain gauge đo biến dạng cốt thép dọc .........................................85
Hình 2.60. Strain gauge đo biến dạng bề mặt cánh trên của shear-head ..................85

Hình 2.61. Bố trí các cảm biến đo biến dạng trong cốt thép và shear-head .............85
Hình 2.62. Kết nối các cảm biến vào thiết bị nhận dữ liệu Data Loger ....................86
Hình 2.63. Bố trí mơ hình thí nghiệm .......................................................................86
Hình 2.64. Các thiết bị ứng ứng lực trước ................................................................88
Hình 2.65. Vết nứt trên sàn P = 730 kN ....................................................................89
Hình 2.66. Vết nứt trên sàn P = 1230 kN ..................................................................89
Hình 2.67. Vết nứt trên sàn P = 1730 kN ..................................................................89
Hình 2.68. Vết nứt dưới sàn P = 1730 kN.................................................................89
Hình 2.69. Bề mặt trên của sàn lúc phá hoại.............................................................90
Hình 2.70. Phá hoại bê tơng tại mặt dưới của sàn.....................................................90
Hình 2.71. Các trường hợp phá hoại tại liên kết .......................................................91
Hình 2.72. Hình ảnh phá hoại mặt trên của sàn và xét tương quan miền phá hoại mặt
trên sàn với hệ cốt đai, shear-head và cáp ứng lực ...................................................92
Hình 2.73. Đồ thị tải trọng – chuyển vị đứng đầu cột...............................................93
Hình 2.74. Đờ thị tải trọng – chuyển vị bề mặt sàn ..................................................94
Hình 2.75. So sánh biến dạng bê tơng mặt dưới của sàn theo hai phương ...............94
Hình 2.76. Tải trọng – biến dạng trong cốt thép đai .................................................95
Hình 2.77. Tải trọng – biến dạng của shear-head .....................................................96
Hình 2.78. Cấu tạo liên kết cột biên, cột góc CFST – sàn phẳng BTCT ..................97
Hình 2.79. Kích thước mẫu thí nghiệm cho cột biên, cột góc ..................................98
Hình 2.80. Cấu tạo chi tiết liên kết ...........................................................................99
Hình 2.81. Bố trí cốt thép cho liên kết cột biên, cột góc CFST- sàn phẳng BTCT 100
Hình 2.82. Dưỡng hộ bê tông sàn sau khi đổ ..........................................................100


xvi

Hình 2.83. Chi tiết neo đầu cột ...............................................................................101
Hình 2.84. Thiết lập thí nghiệm cho cột biên, cột góc ............................................102
Hình 2.85. Ứng xử của mẫu cột biên sau thí nghiệm..............................................103

Hình 2.86. Đồ thị tải trọng - chuyển vị và tải trọng - biến dạng bê tơng vùng nén 104
Hình 2.87. Đờ thị tải trọng - biến dạng trong cốt thép đai và thép vịng ................104
Hình 2.88. Ứng xử của mẫu cột góc sau phá hoại ..................................................105
Hình 2.89. Đờ thị tải trọng - chuyển vị và tải trọng - biến dạng của cốt đai ..........106
Hình 3.1. Giả thiết đường cong nén một trục của bê tơng [14] ..............................110
Hình 3.2. Giả thiết mơ hình kéo một trục của bê tơng [14] ....................................112
Hình 3.3. Đồ thị ứng suất – biến dạng nén, biến dạng kéo một trục của bê tơng ..114
Hình 3.4. Đờ thị biến dạng – biến phá hoại nén dc, biến phá hoại kéo dt ...............115
Hình 3.5. Mơ hình mơ phỏng liên kết sàn BTCT – cột CFST ................................115
Hình 3.6. Điều kiện biên, điều kiện chuyển vị cho kết cấu ...................................118
Hình 3.7. Đồ thị tải trọng – chuyển vị đứng của sàn theo thí nghiệm và mơ phỏng
.................................................................................................................................118
Hình 3.8. Đờ thị tải trọng – biến dạng của bê tông mặt dưới sàn theo phương vng
góc với mặt cột từ kết quả thí nghiệm và mơ phỏng ...............................................119
Hình 3.9. Đờ thị tải trọng – biến dạng của cốt thép dọc trong sàn từ kết quả thí
nghiệm và mơ phỏng ...............................................................................................119
Hình 3.10. Đờ thị tải trọng – chuyển vị của sàn theo phương vuông góc với mặt cột
theo kết quả thí nghiệm và mơ phỏng .....................................................................120
Hình 3.11. Mơ hình mơ phỏng mẫu thí nghiệm sàn ứng lực trước – cột CFST .....120
Hình 3.12. Đờ thị ứng suất – biến dạng nén, kéo một trục của bê tơng .................121
Hình 3.13. Điều kiện biên mơ phỏng ......................................................................122
Hình 3.14. Đờ thị tải trọng – chuyển vị của sàn theo thí nghiệm và mơ phỏng ....123
Hình 3.15. Đờ thị tải trọng – chuyển vị của sàn theo phương vng góc với mặt cột
theo kết quả thí nghiệm và mơ phỏng .....................................................................123
Hình 3.16. Đờ thị tải trọng – biến dạng của bê tơng mặt dưới...............................124
Hình 3.17. Đờ thị tải trọng – biến dạng của cốt thép đai .......................................124


xvii

Hình 3.18. Cấu tạo vùng liên kết theo chiều dài của shear-head ...........................125
Hình 3.19. Hình ảnh phá hoại sàn theo chiều dài của shear-head .........................126
Hình 3.20. Đờ thị tải trọng - chuyển vị sàn khi thay đổi chiều dài shear-head......126
Hình 3.21. Mơ hình xác định tương quan độ cứng của shear-head với bê tơng ....127
Hình 3.22. Hình ảnh phá hoại sàn phụ thuộc tiết diện ngang shear-head ..............127
Hình 3.23. Đờ thị tải trọng - chuyển vị sàn khi thay đổi kích thước shear-head ...127
Hình 3.24. Cơ chế ảnh hưởng của cốt thép dọc đến sức kháng cắt của sàn [15] ....128
Hình 3.25. Đờ thị khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng cốt thép..............................129
Hình 3.26. Đường cong tải trọng - chuyển vị theo sự thay đổi cường độ bê tơng..130
Hình 3.27. Cơ chế truyền lực cắt trong sàn qua mơ hình giàn ảo ...........................131
Hình 3.28. Phân bố ứng suất trong sàn ...................................................................132
Hình 3.29. Đường cong tải trọng - chuyển vị ảnh hưởng cốt thép đai ...................133
Hình 3.30. Phân tích các chu vi tới hạn của sàn phẳng bê tông cốt thép ................135
Hình 3.31. Phân tích các chu vi tới hạn của sàn phẳng bê tơng ứng lực trước .......136
Hình 3.32. Chiều cao làm việc chịu cắt dv xác định từ kết quả thí nghiệm ............137
Hình 3.33. Đề xuất chu vi phá hoại.........................................................................137


1

MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Hiện nay, với việc gia tăng mạnh mẽ các dự án nhà cao tầng tại các đô thị lớn
tại Việt Nam đặt ra nhu cầu cấp thiết tìm kiếm các giải pháp kết cấu chịu lực mới
hiệu quả về mặt kĩ thuật và kinh tế. Một trong những xu hướng kết cấu mới có tính
ứng dụng, hiệu quả cao là kết hợp kết cấu cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng
bê tông cốt thép thành hệ kết cấu chịu lực cho nhà cao tầng do:
Kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tube - CFST) được
sử dụng rộng rãi để làm kết cấu chịu lực trong các cơng trình nhà cao tầng do có
nhiều ưu điểm vượt trội so với kết cấu thép và kết cấu bê tông cốt thép thơng

thường như khả năng chịu lực cao do đó làm giảm tiết diện cột nhờ vậy tăng diện
tích sàn sử dụng, độ dẻo của kết cấu lớn, khả năng tiêu tán năng lượng lớn. Ngồi ra
khả năng thi cơng nhanh do bỏ qua ván khuôn cột và gia công cốt thép thanh nên
tiết kiệm nhân cơng, giảm chi phí thi công cũng là ưu điểm vượt trội của loại kết
cấu này.
Trong cơng trình nhà cao tầng, việc giảm chiều cao nhà sẽ giảm đáng kể tác
động của tải trọng ngang cho cơng trình. Kết cấu sàn phẳng bê tơng cốt thép
(BTCT) được xem là giải pháp hiệu quả cho việc giảm chiều cao tầng nhưng vẫn
đảm bảo khoảng thông thủy sử dụng. Việc sử dụng sàn phẳng BTCT sẽ thuận lợi
cho việc thi công, rút ngắn thời gian xây dựng, thuận tiện cho việc bố trí đường ống
thiết bị kĩ thuật, dễ dàng thơng gió và linh hoạt bố trí mặt bằng.
Từ phân tích trên, nếu kết hợp hai loại kết cấu riêng biệt này thành kết cấu
chịu lực mới cho nhà cao tầng sẽ đem lại những hiệu quả đáng kể về mặt kinh tế, kỹ
thuật. Tuy nhiên, vấn đề quan trọng nhất khi kết hợp hai loại kết cấu này là giải
quyết liên kết sàn - cột. Hiện nay, các nghiên cứu mới chỉ tập trung cho liên kết cột
giữa ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tơng cốt thép, chưa có các nghiên cứu
cho liên kết cột biên, cột góc ống thép nhời bê tơng với sàn phẳng BTCT hay sàn
phẳng bê tông ứng lực trước. Bên cạnh đó, chưa có nhiều các nghiên cứu có tính hệ


2

thống về kiểu liên kết này từ việc phân tích lựa chọn hình thức liên kết đến nghiên
cứu thực nghiệm, khảo sát tham số và phân tích mơ hình tính. Do đó, việc nghiên
cứu chi tiết liên kết giữa cột ống thép nhồi bê tông với kết cấu sàn phẳng nhằm cung
cấp giải pháp cấu tạo, biện pháp gia cường, cơ chế làm việc cũng như cơng thức
tính tốn là cần thiết để có thể áp dụng rộng rãi hệ kết cấu này vào thực tế xây dựng
nhà cao tầng hiện nay.
Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu đề xuất giải pháp cấu tạo liên kết cải tiến cột ống thép nhồi bê

tông với sàn phẳng bê tông cốt thép và sàn bê tông ứng lực trước;
Nghiên cứu ứng xử và cơ chế làm việc của liên kết cột ống thép nhồi bê tông
với sàn phẳng bê tông cốt thép bằng thực nghiệm và mô phỏng số;
Đề xuất công thức xác định chu vi phá hoại của tháp cắt thủng tại liên kết cột
ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép và sàn phẳng bê tông ứng lực
trước. Từ đó, xác định khả năng chịu cắt thủng của sàn dựa vào công thức của tiêu
chuẩn châu Âu EC2 với các chu vi phá hoại đề xuất.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:
Liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép và sàn
phẳng bê tông ứng lực trước.
Phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của sàn tại liên kết cột giữa, cột biên, cột
góc ống thép nhời bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép và liên kết cột giữa ống
thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tơng ứng lực trước có gia cường cốt đai;
Các mơ hình thí nghiệm được thực hiện cho tải trọng đứng, không xét ảnh
hưởng của mô men, tải trọng lặp và tải trọng ngang;
Đề xuất chu vi tới hạn để tính tốn khả năng chịu cắt thủng của sàn tại liên
kết cột giữa ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép và sàn phẳng bê
tông ứng lực trước có gia cường cốt đai.
Nghiên cứu được thực hiện cho cột ống thép tiết diện vuông.


3

Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu thực nghiệm kết hợp mô phỏng số.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học:
Cung cấp giải pháp cấu tạo cải tiến cho liên kết cột ống thép nhồi bê tông với

kết cấu sàn phẳng để tạo nên hệ kết cấu chịu lực hiệu quả về mặt kĩ thuật và kinh tế.
Cung cấp bộ số liệu đầy đủ từ kết quả thí nghiệm và mơ phỏng số liên kết cột
ống thép nhồi bê tông với kết cấu sàn phẳng để giúp hiểu rõ hơn ứng xử, cơ chế phá
hoại của sàn cũng như ảnh hưởng của các tham số quan trọng đến khả năng chịu tải
trọng của liên kết.
Thiết lập được công thức xác định chu vi tới hạn được xây dựng từ thực
nghiệm và mơ phỏng số để tính toán khả năng chịu cắt thủng của sàn tại liên kết cột
ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng.
Ý nghĩa thực tiễn:
Đẩy mạnh ứng dụng hệ kết cấu cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê
tông cốt thép nhằm tăng hiệu quả kinh tế - kỹ thuật trong xây dựng nhà cao tầng tại
Việt Nam.
Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu tổng quan cột ống thép nhồi bê tông, sàn phẳng và liên kết cột
ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tơng cốt thép;
Nghiên cứu chọn hình thức liên kết từ đó đề xuất giải pháp cấu tạo cải tiến
cho liên kết cột giữa, cột biên, cột góc ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng;
Thực nghiệm trên mẫu kích thước lớn liên kết cột giữa ống thép nhồi bê tông
với sàn phẳng bê tông cốt thép và sàn phẳng bê tông ứng lực trước; cột biên, cột góc
ống thép nhời bê tơng với sàn phẳng bê tơng cốt thép;
Mô phỏng số bằng phần mềm Abaqus liên kết cột giữa ống thép nhồi bê tông
với sàn phẳng bê tông cốt thép và sàn phẳng bê tông ứng lực trước;
Xác định chu vi tới hạn để tính tốn khả năng chịu cắt thủng của sàn phẳng
bê tông cốt thép và sàn phẳng bê tông ƯLT sàn tại liên kết cột giữa CFST


4

Bố cục của luận án
Căn cứ nội dung cần thực hiện, luận án được cấu trúc thành các phần như sau:

Mở đầu
Chương 1. Tổng quan cột ống thép nhồi bê tông, sàn phẳng và liên kết cột ống
thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép
Chương 2. Giải pháp cấu tạo và thực nghiệm liên kết cột ống thép nhồi bê
tông với sàn phẳng
Chương 3. Mô phỏng số liên kết và mơ hình tính tốn khả năng chịu cắt thủng
của sàn tại liên kết cột ống thép nhồi bê tơng với sàn phẳng
Kết luận và kiến nghị
Những đóng góp mới của luận án
Cải tiến liên kết gia cường trong cấu tạo nút liên kết sàn phẳng – cột CFST,
cụ thể là thêm bản thép đỡ vòng quanh tiết diện cột ở phía đáy, thêm cốt thép vịng
để hạn chế vết nứt bê tông vùng kéo, thêm thép đai hình chữ C nhằm tăng cường
khả năng chống cắt thủng. Kiểm chứng hiệu quả của phương án gia cường bằng
thực nghiệm.
Cung cấp 02 bộ số liệu thí nghiệm tin cậy về sự làm việc của liên kết dầm
bẹt với cột CFST với hai loại shear-head khác nhau và cung cấp 02 bộ số liệu tin
cậy về sự làm việc của nút liên kết giữa sàn phẳng với cột CFST và sàn phẳng bê
tông ứng lực trước với cột CFST trên cơ sở là thí nghiệm tỉ lệ 1:1.
Đề xuất cách xác định chu vi tiết diện phá hoại và chiều cao làm việc chịu
cắt trong công thức của EC2 để xác định khả năng kháng thủng trong liên kết cột
ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng.


5

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG, SÀN PHẲNG VÀ
LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI
SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP
1.1. Tổng quan về cột ống thép nhồi bê tông

Khái niệm
Kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFST) là một kết cấu liên hợp bao gồm vỏ
ống thép và lõi bê tông cùng làm việc chung với nhau (Hình 1.1).

Hình 1.1. Cấu tạo cột ống thép nhồi bê tông
Cường độ chịu nén của bê tông lớn hơn rất nhiều so với cường độ chịu kéo và
khả năng chịu nén của bê tông sẽ được tăng lên khi bê tông bị hạn chế nở hông. Đối
với kết cấu thép, cường độ chịu kéo cao nhưng dễ bị mất ổn định cục bộ dưới tải
trọng nén. Như vậy, thép và bê tông được sử dụng kết hợp để có thể phát huy hết
bản chất tự nhiên của từng loại vật liệu để tạo ra kết cấu có nhiều ưu điểm. Loại kết
cấu này hiện đang được nghiên cứu áp dụng cho cơng trình nhà cao tầng, nhà cơng
nghiệp và các cơng trình cầu tại Việt Nam.

Ưu điểm, nhược điểm của cột ống thép nhồi bê tông
- Cách sắp xếp vật liệu trên trên mặt cắt ngang làm tối ưu cường độ và độ
cứng của cấu kiện. Cốt thép được phân bố ở chu vi ngoài cùng của tiết diện nên
phát huy hiệu quả làm việc cao nhất khi chịu mô men uốn. Bê tông tạo một lõi lý
tưởng để chống lại tải trọng nén trong quá trình làm việc, trì hỗn và chống lại sự


6

mất ổn định cục bộ của ống thép, đặc biệt các cấu kiện có tiết diện hình vng hoặc
chữ nhật. Ngồi ra, ống thép cản trở biến dạng nở hơng của lõi bê tông làm tăng khả
năng chịu nén và độ dẻo dai đối với cấu kiện CFST.
- Việc nhồi bê tông vào trong ống thép làm nâng cao độ chống ăn mòn bên
trong ống thép, làm giảm độ mảnh, làm tăng độ ổn định cục bộ của thành ống và
làm tăng khả năng chống móp méo của vỏ ống thép khi va đập.
- Khả năng chống cháy của cột CFST tốt hơn so với cột thép.

- Giá thành tổng thể của cơng trình làm bằng kết cấu ống thép nhời bê tơng nói
chung nhỏ hơn nhiều so với giá thành của cơng trình tương tự làm bằng kết cấu bê
tông cốt thép hay kết cấu thép thông thường. Khối lượng của kết cấu ống thép nhồi
bê tông nhỏ hơn so với kết cấu bê tơng do đó việc vận chuyển và lắp ráp dễ dàng
hơn đồng thời làm giảm tải trọng xuống móng. Kết cấu ống thép nhời bê tông kinh
tế hơn so với kết cấu bê tông cốt thép vì khơng cần ván khn, giá vịm, đai kẹp và
các chi tiết đặt sẵn, nó có sức chịu đựng tốt hơn, ít hư hỏng do va đập. Do khơng có
cốt chịu lực và cốt ngang nên có thể đổ bê tông với cấp phối hỗn hợp cứng hơn (tỉ lệ
N/X có thể lấy nhỏ hơn) và sẽ dễ dàng đạt chất lượng bê tông cao hơn [5].
Hạn chế lớn nhất ảnh hưởng đến việc sử dụng rộng rãi loại kết cấu này đó là
cấu tạo liên kết giữa cột ống thép nhồi bê tông với sàn bê tông cốt thép, dầm bê tông
cốt thép hay dầm thép. Các ứng xử, cơ chế làm việc, trạng thái phá hoại liên kết
chưa được hiểu rõ, do đó gây ra khơng ít những khó khăn cho tính tốn, thiết kế,
cấu tạo liên kết nhằm kết hợp các loại kết cấu này thành hệ kết cấu hiệu quả sử
dụng cho cơng trình nhà cao tầng tại Việt Nam.

Phân loại cột ống thép nhồi bê tông
Cột ống thép nhồi bê tông về mặt cấu tạo rất đa dạng. Dạng tiết diện phổ biến
nhất của cột CFST là tiết diện mà bê tông được nhồi vào phần rỗng bên trong ống
thép có dạng hình trịn (Circular Hollow Section - CHS), hay cột có tiết diện rỗng
hình vng (Square Hollow Section- SHS) hoặc cột có tiết diện rỗng hình chữ nhật
(Rectangular Hollow Section - RHS). Đối với tiết diện CHS sự hạn chế biến dạng