Kết cấu ống thép nhồi bê tông

GS TS NGUYÊN VIẾT TRUNG (Chủ biên) KSề TRẤN VIỆT h u n g « m — KẾT CẤU THÉP NHĨI BÊ TƠNG Á / NHÀ XUẤT BẢN XÂY DỰNG GS TS NGUYỄN VIẾT TRUNG (C hủ biên) KS TRẦN VIỆT HÙNG KẾT CẤU ÔNG THÉP NHỐI BÊ TÔNG NHÀ XUẤT BẢN XÂY DựNG HÀ N Ộ I - 0 L Ờ I N Ó I ĐẦU K ết cấu ống thép nh i bẽ tông đ a n g q u a n tâ m p h t triển xâ y d ự n g V iệt N a m , đặc biệt xâ y d ự n g cầu lớn T rong vài n ă m g ầ n đ â y cẩu vòm ống thép nhồi bê tông xă y d ự n g th n h công th n h p h 'H C h í M inh Đó ỉà cầu X ó m Cải, Ơ ng Lớn c ầ n Giuộc, vượt n h ịp xấp x ỉ lOOm M ột loạt d ự án cầu vòm ống thép kh c đ a n g đưực ch u â n bị n h cầu H n (H ải Dương), cầu Đ ông T rù (H Nội), V V Đê giới th iệu với đông đảo bạn đọc kỹ sư sin h viên n g n h xây d ự n g loại kết cấu ống thép nh i bê tông, ch ú n g tòi biền soạn tài liệu dự a th a m kh ả o tài liệu V iệt N a m uà nước Trong tiêu ch u â n th iết k ế kết cấu h n h Bộ X ă y d ự n g Bộ Giao thông vận tải chưa đ ề cập cụ th ể đến loại kết cấu Do k h i th iết k ế củng n h thi công chủ yếu p h ả i th a m khảo tiêu ch u â n nước S c h b iê n so n lầ n đ ầ u , ch ắ c k h ô n g tr n h kh ỏ i th iế u sót, N h x u ấ t b ả n tá c g iả x in trâ n trọ n g tiếp th u cá m ơn m ọ i ý kiế n p h ê b ìn h g ó p ý củ a b n đọc Y kiến p h ê bìn h x in gử i N h x u ấ t X ẩ y d ự n g 37 Lê Đ ại H n h H N ội đ ịa ch ỉ em a iỉ tác giă: N ffu yen vietru n g @ u ct.cd u T ác g iả Chương GIỚI THIỆU CHUNG VỂ KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỔl BÊ TÔNG 1.1 ĐẶC Đ IỂM CHUNG KẾT c ấ u l i ê n h ợ p Ố n g t h é p n h i b ê t ô n g 1.1.1 Khái niệm Hệ thống kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông (Concrete-Filled Steel Tube - viết tắt tiếng Anh CFST) hệ thống gồm cấu kiện chịu lực ống thép nhổi đặc bê tông cường độ cao trung bình Thơng thường dùng ống trịn, ong vng áp dụng Trong sách chủ yếu đề cập đến loại dùng ống trịn Hộ thống kết cấu CFST có nhiều ưu điểm độ cứng, cường độ, khả chống biến dạng, khả chống cháy Nói chung, loại kết cấu nghiẽn cứu áp dụng cho nhiều loại công trinh xây dựng nhà, xưởng cơng trình cầu đường H ình ỉ ỉ c 'âu lạo kết cấu ống thép nhồi bê irì/ig (CI-SĨ) Kết Cấu ống thép nhồi bê tơng m ột kết cấu liên hợp bao gồm ống ihép vỏ bê tơng lõi làm việc chung Kêì cấu loại có nhiều ưu ihế: - Đ ộ bền loi bè tơng (có lớp vỏ thép với chức lớp áo bọc chặt bên ngoài) tảng khoảng lần so với độ bền bê tịng thơng thường - Các nghiên cứu dã chứng tỏ có co ngót v ỏ thép có trương nở bê tỏng ống trương nở đuy trì nhiểu năm tạo thuận lợi cho làm việc cua bẽ tõng Khơng có trao đổi độ ẩm bê tông môi trường nguyên nhân gày sụ trương nở N hiều thí nghiệm chứng tỏ trị số biến dạng co ngót theo chiổu dọc mẫu bị cách ly nhỏ, vào khoảng — (2 — 3).10"5 Đó ưu điểm kết cấu ống thép đuợc nhồi bê tông so với kết cấu bê tông cốt thép Ihơng thường Ngồi kết cấu ống thép mặt cắt đậc cịn có loại ống thép trịn nhồi bê tống mặt cắt rỗng với lớp vỏ thép bọc mặt mặt trong, kẹp lóp lõi bê tỏng (xem hình 1.2) H ình 1.2 Cấu tạo kết cấu ơỉìg ĩhép nhồi bétâng mặt cắt rổng Cách xếp đan xen lớp vật liệu thép bê lông tạo cấu chịu lực chung lõi bê tông vỏ thép nhờ hiệu ứng nở hịng bê tơng chịu nén Sự cách ly cua bê tỏng với môi trường xung quanh tạo điều kiện tốt cho làm việc bê tông chịu tải trọng Nhiều Ihí nghiệm so sánh loại kết cấu cho thấy tải trọng tác dụng dài hạn gây phá hoại bê tông không bị cách ly lớn nhiểu so với bê tịng bị cách ly Trong bố tống khơng bị cách ly vết nứt nhỏ ngày nhicư, cịn bê tơng bị cách ly chịu ứng suất mức độ nhỏ tương tự bẻ lơng khơng bị cách ly sau đến ngày đầu hồn tồn khơng bị nứt thêm Trong mẫu bê tông không bị cách ly tính phi tuyến biên dạng lừ biên có Ihể quan sát dược vòng 20 đến 30 ngày, bê tơng bị cách Iv tính phi tuyến vòng đến ngày đầu (với điều kiện chúng chịu ứng suất nhau) Việc nhồi bê tông vào ống thcp nâng cao độ bền chống ãn m òn mặt Irong cúa ống thcp, làm giảm độ m ảnh cấu kiện, làm tăng độ ổn định cục thành ống làm tãng khả chống móp, méo (biến dạng) vỏ ống thép bị va đập 1.1.2 Đặc điểm chịu lực kết cấu ông thép nhồi bê tông K hác với ống thép thường, ống thép nhồi bẽ tông làm việc hiệu chịu nén Khi chịu kéo khả chịu lực nhỏ nhiều, v ề mặt ống thép nhồi bê tông tương tự kết cấu bẽ tỏng cốt thép Do hộ thống kết cấu chịu lực ncn dùng ống thcp nhồi bê tông cho cấu kiện chịu nén v ề nguyên tắc khổng nên dùng kết cáu ống thép nhồi bê tông làm cấu kiện chịu kéo Tuy nhiên m ột số trường hợp dùng ống thép nhồi bê tơng làm cấu kiện chịu kéo lý đặc biệt như: đc chống gỉ cho bề mặt ống, để tâng độ cứng chống uốn hay tăng trọng lượng thân Trong thực tế thường có cách lập sơ đồ chịu lực: + Thứ nhất: sử dụng ống thép nhối bê tông sơ đồ kết cấu truyền thống cơng trình mà có cấu kiện chịu nén chủ yếu, cột, trụ, biên cột điện, chịu nén giàn vòm + Thứ hai: lạp sơ đồ kết cấu mà tải trọng tính tốn yếu ống thép nhồi bê tông chịu Theo cách thứ hai cần lưu ý áp dụng mây nguyên lý sau: * N guyên lí tập trung vật liệu, cấu kiện nên làm to lên tổng khối lượng toàn kết cấu giảm nhẹ nhờ khả chịu lực kết cấu tăng nhanh so với tãng khối lượng nó; * Nguvên lí đơn giản hố hình dạng kết cấu * Nguyên lí kết hợp chức Diện tích bể m ặt ngồi kết cấu ơng thép nhồi bê tông nhỏ khoảng nửa so với kết cấu thép cán có khả nâng chịu lực, chi phí sơn phủ bảo dưỡng Trên bể m ặt ống hình trụ đọng lại bụi chất bấn kết cấu ống thép nhồi bê tơng có độ bền chống gỉ cao Do kết cấu hình trụ trịn ncn cải thiện tính chất khí dộng học tính ốn định Độ cứng chống xoắn loại ống tròn cao nhiểu so với mặt cắt hư Các ống thép nhồi bê tông không cần sơn phủ, mạ kim loại bịt kín mặt ống Giá thành tổng the cơng trình làm kết cấu ống thép nhổi bê tơng nói chung nhỏ nhiều so với giá thành cơng trình tương tự làm kết cấu bê tỏng cốt thép kết cấu thép thông thường Khối lượng kết cấu ống thép nhồi bẽ tông nhỏ so với kết cấu bê lông cốt ihép việc vận chuyển láp ráp dễ dàng hom Kết cấu ống thép nhồi bê tồng kinh tế so với kết cấu bê tông cốt thép khơng cần ván khn, giá vịm, đai kẹp chi tiết đặt sẩn có sức chịu đựng lốt hơn, hư hỏng va đập Do khỏng có cốt chịu lực cốt ngang nên đổ bc tông với cấp phối hỗn hợp cứng (tỷ lộ nước/xi màng lấy nhỏ hơn) dễ dàng đạl chất lưựng bê tông cao hưn Ong ihép sản xuất thép cán uốn trịn hàn nối theo dọc ống thường có độ xác cao vể bề dày, đường kính, độ ovan đo thoả m ãn điều kiện lắp dựng khai thác Loại ống thép hàn xoắn ch ế tạo cách uốn thép hẹp theo đường xoắn ốc hàn lại dọc theo đường nối xoản ốc kinh tế (loại ống nàv dùng làm cọc ống cho cầu Bính Hải Phịng) Nói chung đặc điểm loại kết cấu ống thép nhồi bẽ tông tổng kết sau: - M ặt cắt ngang cột hộ thống kết cấu ống thép nhồi bê tơng giảm tăng cường dộ vật liệu - Các nguyên nhân dao động kết cấu động đất gió giảm lăng cường độ cứng kết cấu thép thông thường - Anh hưởng cố cháy giảm bỏ qua hiệu ứng bê tông nhồi đặc ống thép 1.2 K ẾT CẤU ỐNG THÉP LIÊN HỢP Trong xây dựng cơng trình, phẩm chất vật liệu xây dựng thơng thường đánh giá dựa trẽn yếu tố tính kinh tế, cường độ (độ bền) kết cấu, tính bền lâu khả nãng khai thác thuận tiện Người thiết kế quan tâm lựa chọn tối ưu vật liệu khác phương pháp xây dựng, cho kết cấu có giá thành rẻ mà đảm bao yêu cầu khai thác Theo Yam (1 ỉ), phương pháp cải tiến việc sử dụng vật liệu phân thành hai loại Thứ lựa chọn thứ hai tổ hợp loại vật liệu thích hợp từ vậi liệu với đặc tính cần thiết xây dựng, vậv kết đời loại vật liệu liên hợp Sự lựa chọn vật liệu khác gán vào dạng mật cắt ngang với đặc trưng hình học thích hợp nhất, cho đậc tính cúa loại vật liệu tận dụng triệt dể Kết cấu liên hợp phương pháp xây dựng thích hợp tương ứng gọi phương pháp xây dựng liên hợp Tuy nhiên, tổ hợp kết cấu liên hợp phương pháp xây dựng liên hợp nguyên nhân làm tâng việc sử dụng vật liệu nhiều Việc ứng dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông tà xu hướng tất yêu ngàv cải tiến kỹ thuật xây dựng, đặc biệt xây dựng công nghiệp, nhà cửa cầu đường Các kết cấu ống thép liên hợp xây dựng dân dụng thường kết cấu cột liên hợp, kết cấu chịu nén dọc trục Nhưng thực tế, cột khơng chịu nén mà cịn chịu uốn lực nén đặt lệch tâm Tiêu chuẩn chung cột liên hợp phần tứ thép có tác động liên hợp với phần tử bc tơng, hai phần tử thép bẻ tông tham gia kháng lại lực nén Cột liên hợp gồm thành phần kết cấu thép bén bẽ tông bọc bên tận dụng hiệu mặt cường độ loại vật liệu đồng thời cịn tạo thành kết cấu có tính kháng cháy cao Chính vậy, kiểu cột liên hợp phát triển sớm kỷ XX nhu m ột cách thức bảo vệ chống cháy Bẽ tông bọc bên ngồi thép, tạo lóp vỏ bảo vệ chống cháy bên ngồi cho Lõi thép (hình l-3a) Trong hình 1.3 nêu m ột vài kiểu cột liên hợp với dạng mặt cắt ngang khác a) b) c) Hình 1.3, Các kiểu cột liên hợp khác nhau: a) Mặt cắt bê tông cốt thép, b) mặt cắt vỏ thép nhồi đặc bê tông, c) tổ hợp mặt cắt bẽ tông cô't thép vỏ Ihép đuợc nhồi dặc bê tông Nhược điểm kết cấu bê tơng thơng thường cần phải có ván khn hồn chỉnh qưá trình thi cơng Kết cấu ống thép nhồi bê tỏng (CFST) có lớp vỏ ống thép bọc bê tỏng khơng cần thiết phải có ván khn thân ống thép làm nhiệm vụ ván khn Irong suốt q trình đổ bê tơng Cột CFST có khả nãng áp dụna với nhiều trạng thái kết cấu, Tuỳ theo cách bố trí thép bê tông mặt cắt ngang tạo độ cứng cần thiết mặt cắt v ỏ ihép có tác dụng chịu kéo chịu mơ men uốn cột Đ ộ cứng cột CFST lớn bời vật liệu thép bố (rí xa trục trọng lâm nhất, vị trí góp phần làm tãng mơ men qn tính mặt cắt Các dạng lõi bê tông lý tương có tác dụng chống lại tải trọng nén cản trò Irạng thái oằn cục ống thép Như vậy, nên sử dụng cột CFST nhũng vị trí phải chịu tải trọng nén lớn Sự giãn nở bị động thành bên dược tạo ống thép làm cải thiện cường độ, tính mềm dẻo biến dạng bê tông Khác hẳn với cột bê tơng cốt thép cột liên hợp có tơng bọc bên ngồi thép với cốt thép ngang, kết cấu CFST vỏ ống thép ngăn cản nứt vỡ lõi bê tông tập trung cốt chép nhỏ vừng liên kết Việc sử dụng cột ống thép nhồi bê tông Sewell công bô từ năm 1901 Lý đo Sewell sử dụng bê tơng để chống lại gí bên cột ống thép Tuy nhiên, vài cột chịu tải trọng ngẫu nhiên lớn Từ nhận xét Sevvcll kết luận độ cứng tăng 25% Phát Concedère trạng thái kiềm ch ế cát bê tông, hiệu suất giãn nớ, công bố từ đầu năm 1903 1906; Các nghiên cứu Gardner Jacobson (1967) giải thích hiệu ứng giãn I1Ở bị động cách thí nghiệm thùng chứa đầy cát Khi lấp đầy cát vào thùng, khả nãng chịu nén thùng tãng đáng kể M ột cột bê tơng hình trụ, có cường độ xác định, cho chịu tải, co ngắn lại nở hông M ột ống thép dược lấp đầy bê tơng có tượng giống thùng thép chứa đầy cát Đặc biệt, xây dựng dân dụng, thay sử dụng cốt thép thông thường, người ta đưa khả sử dụng ống thép mỏng cốt thép cột, (hình 1.4) H ình 1.4 Cột bê tơng có bê tơng bao ngồi ống thép mỏng Các cột liên hợp CFST ngày áp dụng nhiều giới Dạng cột có nhiều lợi cường độ cao, tính mcm dẻo, khả chịu nhiệt lớn, giảm thời gian xây dựng, tãng độ an toàn sử dụng kiểu liên kết đơn giản tiêu chuẩn hố Ngày nay, tiến cơng nghệ cho phcp sản xuất bè tông cường độ chịu nén cao nên cho phép thiết kế cột mảnh hơn, cho phép có sàn rộng (Ví dụ Bộ Giao thông vạn tải ban hành Tiêu chuẩn ngành chế tạo bê tông cấp 60-80 MPa từ năm 2003) 10 Các kết nghiên cứu kết hợp thí nghiệm phân tích phương pháp phần tử hữu hạn (FE) cột CFST cho thấy sử dụng bê tơng cường độ cao đạt trạng thái kết cấu mềm dẻo Tuy nhiên, ống thép dày cần thiết cho bê tỏng cường độ cao mục đích đảm bảo tính mềm dẻo Hiệu ứng tăng cường độ bc tông trương nở rõ ràng cột ngắn chịu tải trọng lệch tâm Để đảm bảo tác động liên hợp thép với bê tơng, ngồi việc lợi dụng cường độ dính bám tự nhiên tải trọng tác dụng với ống thép với lõi bc tỏng cần phải thiết kế bổ sung neo liên kết Vì vậy, cường độ dính bám quan trọng Điều cần lưu ý đặc biệt sử dụng bê tòng cường độ cao nhồi vào ống thép Có thổ so sánh cách đơn giản kết cấu bê tống cốt thép thường (RC), bê tông cốt thép thường có lõi thép cứng (SRC), thép (S) với kết cấu ống thép nhồi bê tông (CFST CFT) bảng sau Do bc tông bị kiềm ch ế ống thép vỏ, hệ thống cột làm kết cấu CFST có cường độ cao khả biến dạng dọc nhỏ phạm vi biến dạng ngang lớn Chúng ta gọi hiệu ứng liên kết tác động tương hỗ ống thép bê tông “hiệu ứng tổ hợp” Các trạng thái làm việc kết cấu cột CFST tuỳ thuộc vào tác động khác Để rõ nhiều nhà nghiên cứu kiểm tra khả nãng chịu nén dọc trục chịu uốn tải trọng dọc trục loại kết cấu CFT SRC Trong xây dựng dân dụng, liên kết hệ thống kết cấu CFST yêu cầu tính lưu động bc tông tươi cao (độ sụt hỗn hợp bc tông lớn) truvền ứng suất êm 11 - Bước ỉ l : Bơm bê tông cho hệ giằng ngang - Bước /2: Treo cáp treo dầm ngang đợt I, tiến hành thi công lúc từ phía bờ Sau tiến hành căng kéo cáp DƯL dầm ngang dầm bê tông dự ứng lực thông thường - Rước 13: Tạo lực căng kéo lần - Bước Ỉ4: Treo dầm ngang đợt II (số dầm lại), thi công bờ lúc Căng cáp DƯL dầm ngang - Bước 75: Tạo lực căng Irong kéo lần - Bước ỉ ổ: Lắp đặt dầm mặt cầu {hoặc dầm dọc giữa) - Rước Ỉ7\ Tạo lực cãng kéo lần - Bước ỉ 8: Lắp đặt dầm dọc biên (2 biên) - Bước /9: Tạo lực cãng kéo lần - Bước 20: Thi công mặt cầu bê tỏng cốt thép - Bước 2Ỉ: Tạo lực căng kéo lần 7, - Bước 22: Thi công phần lan can, lắp dặt nắp hộp bê tông để bảo hộ cáp kéo - Bước 24’ Tạo lực căng kéo lần - Bước 25: Thi cõng lóp bê tông nhựa mặt cầu - Bước 26' Căng chỉnh lần cuối (lần 9) theo thiết kế dự phịng độ biến dạng nhiệt dộ Kết hợp khố neo, cắt cáp lắp đặt nắp bảo hộ đầu nco cáp kéo - Birớc 27' Sơn vòm - Bước 28: Thử tải cầu 8.7 CÁC VẤN ĐÊ AN TOÀN CAN c h ú ý Thiết bị cấu cần tiến hành kiểm tra, đồng thời phải cho hoạt động thử, trước hết áp dụng cách dùng cẩu nàng thử cung vịm để thử nghiệm tính nãng cẩu, chủ yếu Ihử thông số hãm, phanh, xoay chuyển góc ngắm chiều cao cẩu Sau bố trí xong điểm cấu cho cung vòm, cẩu lên tốc độ chậm thời ý quan sát có khả nâng bị lật khơng, có vấn đề phải kịp thời dừng lại gỡ tải, điểu chinh lại điểm cẩu Dảy cáp giằng: cẩu lắp cung vịm phải bố trí dây cáp mềm giầng để khống chế cung vòm bị-quay lắc lư khơng q trình cẩu láp Cẩu xà lan phải cố định vững chắc, với xà lan phái bố trí tời kco, balãng diều khiến cơng nhân máy, đổ dùng neo di dời xà lan trình cáu lắp Khi cẩu lắp, xà lan cẩu phải có người chun mơn phụ trách, phải phối hợp thống nhất, nhịp nhàng đồng 147 Sau cung vòm đặt vào vị trí, tuyệt đối khơng đựơc nới bng móc cáu, cẩn phải chờ sau hai dầu cung vòm cố định đồng thời hàn liên kết lại có Ihể nới móc cẩu Khi thực phải cho nới từ từ, q trình nới móc phải ý quan sál tình hình biến động cung vòm, đặc biệt phải ý xem vòm có xu hướng lật hay khơng Nếu có biến động, nên cho khép chặt móc, đồng thời báo cho người phụ trách trường Trong trình cẩu lắp phải cử người chuyên phụ trách quan sát theo dõi mối hàn cúa thép liên kết tạm chân vịm, có tượng xảy nứt nc phải báo cho người phụ trách trường Toàn nhân viên phải đội mũ an toàn, người thao tác Irẽn cao bắt buột phải thắt dây an tồn 8.8 PHẢN TÍCH CÁC GIAI ĐOẠN CHỊU TẢI TRỌNG CỦA TIÊT d i ệ n SUỜN v ò m Dựa vào trình tự bước thi cống bản, hình dung dược giai đoạn làm việc khác tiết diện sườn vòm Tương ứng giai đoạn có sơ đổ tính tốn tiết diện làm việc sườn vòm với tải trọng tác dụng tên hệ vòm khác nhau, trẽn sớ sc tính tốn nội lực Irong sườn vịm chuyển vị ngang vị trí chân vịm Phạm vi chuyển vị ngang cho phép chân vòm xác định gối cầu Như vậy, việc phân chia tải trọng cho đợt thi công phải đảm bảo ổn dinh kết cấu cơng trình thi cơng, tức nội lực sưừn vòm chuyển vị ngang chân vịm khơng dược lớn giới hạn cho phép chịu nén sườn vòm chuyển vị ngang gói cầu 8.8.1 Các giai đoạn làm việc tiết diện sườn vòm Gồm giai đoạn Giai đoạn I: lừ bước 1-11 gồm tải trọng thân sườn vòm, kéo treo, hệ giằng ngang, trọng lượng bê tòng nhồi ống Tiết diện làm việc vòm ]à tiết diện ống thép rổng Giai đoạn II: từ bước 15-26 gồm toàn tải trọng giai đoạn í cộng thêm hộ mặt cẩu lớp mạt đường, lan can, đường người di bộ, dải phân cách Tiết diện làm viêc vòm tiết diện liên hợp vỏ ống thép lõi bê tông Ciiai đoạn III: từ bước 27 28, tải trọng tương tự giai đoạn II cộng thcm hoạt tải khai thác, gió, nhiệt độ Tiết diện làm việc vòm tiết diện liên hợp vỏ ống thép lõi bc tỏng s.8.2 Đicu kiện kiểm Ira giai đoạn thi công cầu vòm Việc căng chỉnh kéo cầu vòm chia làm nhiêu đợt, dợt phái thỏa mãn hai điều kiện sau: giới hạn cường độ chịu nén mật cắt sườn vòm; giới hạn chuyển vị cho phốp gối cầu 8.8.2.1 Dựa vào điều kiện giới hạn cường độ chịu nén mặt cắt sườn vòm, tương ứng với đợt thi cơng ta có sơ đồ tải trọng tác dụng lên sườn vòm tiết diện làm việc cua sườn vịm Từ xác định nội lực phát sinh vòm kiem tra bén 148 cường độ chịu ncn mặt cắt sườn vòm Giới hạn tải trọng đợt thi cơng xác định cách tính lặp nhiều lần cho thỏa mãn điều kiện giới hạn cường độ chịu nén - Trong trường hợp tiết diện làm việc sườn vịm ống thép rổng kiểm tra ống ihép theo kết cấu thép ứng với cột thép chịu nén lệch tâm Điều kiện bền cột là: N M — ± — y