Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 21 - Các bộ phận chính của cầu thờng dùng 2 loại thép nấu trong lò Mactanh l thép cán nóng CT3 để chế tạo kết cấu cầu có liên kết đinh tán v thép M16C dùng cho cầu dùng liên kết hn. Thép CT3 v M16C dễ gia công, khoan, đột, gọt. Khi nóng dễ rèn, hn nhng M16C dễ hn hơn. Đinh tán thờng dùng loại thép mềm hơn thép chính nh thép CT2. Đối với bộ phận chịu lực ít hat không chịu lực thì có thể dùng thép chất lợng thấp hơn. Các chỉ tiêu thép cán dùng trong cầu: Bảng 2.1 Loại thép Số hiệu b (kg/cm 2 ) ch (kg/cm 2 ) (%) CT3 3800 2400 22-24 Dùng cho các bộ phận cầu chính M16C 3800 2300 22-24 Đinh tán 3400 2100 26 Thép đảm bảo thnh phần hoá học: Bảng 2.2 Thnh phần hoá học % Loại thép C Mn Si S P CT3 0.14-0.22 0.40-0.65 0.15-0.30 0.05 0.045 M16C 0.12-0.20 0.40-0.70 0.12-0.25 0.045 0.04 Ngoi ra đối với thép M16C hm lợng Cr, Ni, Cu không > 0.3%. Khả năng chịu lực của thép đợc xác định bởi giới hạn chảy. Dựa vo giới hạn chảy, xác định cờng độ tính toán công trình. Nếu thép đạt đến giới hạn chảy thì kết cấu biến dạng quá lớn nên cờng độ thiết kế lấy sao cho đảm bảo 1 độ an ton no đó với giới hạn chảy; trừ 1 số điểm đặc biệt nh lực tập trung, chỗ thay đổi đột ngột tiết diện thì có thể lấy đạt hoặc vợt quá giới hạn chảy. 1.2.2-Thép hợp kim thấp: Thép có chứa 1 số chất phụ gia có lợi: Ni, Cr, Mn, Si, Cu, nhng chứa hm lợng không lớn nên gọi l thép hợp kim. Thép hợp kim trong cầu thờng có hm lợng C không > (0.1-0.18)%, nếu có nhiều Ni thì thép chịu tải trọng động khi nhiệt độ thấp tốt hơn. Các chất phụ gia lm tăng giới hạn bền v chảy. Khi tính toán cờng độ của thép hợp kim thấp lớn hơn 1.4 lần cờng độ tính toán của thép than. Do đó kết cấu có trọng lợng nhẹ hơn, vợt nhịp lớn (nhng cũng chú ý l kết cấu võng lớn). Tuy giá thnh đắt nhng sử dụng nó hon ton có hiệu quả kinh tế, đặc biệt đối với cầu nhịp lớn. Thép hợp kim thấp có giới hạn mỏi tơng đối thấp, các thanh dn lm việc chịu nén kém hơn chịu kéo. Vì vậy hệ số ổn định v mỏi phải lấy thấp hơn. Tuy nhiên những nhợc điểm trên của nó không hạn chế việc ứng dụng thép hợp kim thấp v không hạn chế hiệu quả kinh tế khi chiều di nhịp lớn. 1.2.3-Thép đúc: . Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 22 - Đối với gối cầu, khớp v 1 số chi tiết đặc biệt của cầu thì dùng thép đúc. Thép đúc tạo thnh từ lò Mactanh chứa 0.22-0.3% cacbon v 1 lợng nhỏ Si, Mn có giới hạn bền 4500kg/cm 2 , giới hạn chảy 2400kg/cm 2 , biến dạng tơng đối 19%, độ dẻo va chạm 4kg.m/cm 2 , môđun đn hồi 2.10 6 kg/cm 2 . Các thnh phẩm của thép đúc trong lò phải đợc ủ nóng trong các lò đặc biệt để khử các nội ứng suất phát sinh do thép nguội không đều, đồng thời lm cho thép có kết cấu nhỏ hạt v đồng nhất do có sự kết tinh lại trong quá trình rắn. Độ cứng của thép đúc phụ thuộc vo tốc độ lm lạnh khi ủ. Khi lm lạnh nhanh thì thép cứng hơn. Các bộ phận quan trọng của gối cấu nh khớp v các bộ phận đặc biệt đôi khi dùng thép rèn nóng. 1.2.4-Thép lm cáp v que hn: Trong cầu treo, cầu dn dây, cầu UST, ta dùng cáp không có lõi bằng các sợi thép cán nguội có độ bền từ 12.000-18.000kg/cm 2 . Trong kết cấu hn, chất lợng que hn ảnh hởng đến chất lợng mối hn: Khi hn tự động v bán tự động các thanh thép than M16C thì ta dùng que hn thép than số hiệu CB-08A hoặc CB-08A. Đối với thép hợp kim thấp dùng que hn CB-08A, CB-08C, CB-102. Khi hn tay thép M16C dùng que hn 42A, còn khi hn thép hợp kim thấp dùng 50A. 1.2.5-Thép hợp kim nhôm: Kết cấu thép hợp kim nhôm có u điểm l nhẹ hơn so với thép. Nó có tác dụng chống gỉ, khi bị dòn khi lạnh. Thép ny có lợi nhất khi cần vận chuyển xa v khi lắp ráp hoặc khi sửa chữa, thay mặt cầu thì dùng thép hợp kim nhôm sẽ lm giảm trọng lợng bản thân so với cầu cũ. Nhôm nguyên chất có các chỉ tiêu cơ học rất thấp nên đối với công trình xây dựng, đặc biệt đối với cầu thờng dùng hợp kim của Al với Cu, Mg v các thnh phần khác. Các chất Fe, Si, lm giảm chất lợng của hợp kim Al. Tuỳ thuộc vo thnh phần m ta gọi tên hợp kim Al: Hợp kim Al-Mg. Hợp kim Al-Mn. Hợp kim Al-Cu-Mg-Mn. Một số tính chất cơ lý của nó: Trọng lợng = 2.8t/m 3 (nhẹ hơn 2 lần so với thép). Giới hạn bền: 4.000 - 4.500kg/cm 2 (gần nh thép than). Giới hạn chảy: 2.500 - 3000kg/cm 2 . Độ dãn di 12 - 18%. Hệ số dãn nỡ vì nhiệt 22-24.10 -6 (lớn hơn 2 lần thép v bêtông). Môđun đn hồi: 700.000 - 750.000 kg/cm 2 , nhỏ hơn 3 lần thép than. Đây l nhợc điểm cơ bản của nó. Hợp kim Al có tính chất nh sau: . Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 23 - Khi nhiệt độ giảm, cờng độ tăng m độ dẻo không thay đổi nên thích hợp vùng nhiệt độ thấp. Khi nhiệt độ tăng, cờng độ giảm nên tránh dùng nên có nhiệt độ cao do đó quy định không dùng cho đinh tán nóng. Nói chung tính chống gỉ kém nên để bảo vệ cần mạ lớp mỏng Al tráng bên ngoi. Liên kết: khi dùng đinh tán nguội đa số dùng thép hợp kim Al. Đ2.2 sự lm việc v tính chất cơ lý của thép 2.1-Sự lm việc của thép: 2.1.1-Thí nghiệm thép chịu kéo: Thí nghiệm kéo mẫu thép tiêu chuẩn, ta có đợc quan hệ giữa ứng suất v biến dạng nh sau: E D A A' BC 00'4 12 16 20 10 8 20 30 40 50 = P F KN / cm 2 tl tr c b = l 100% l Hình 2.1: Biểu đồ quan hệ ứng suất v biến dạng Đoạn O-A: biểu đồ l đờng thẳng, quan hệ giữa ứng suất v biến dạng l bậc nhất. Vật liệu tuân theo định luật Hooke, coi vật liệu l đn hồi lý tởng. Khi đó: = = tgE E. (2.1) Ta gọi E l môđun đn hồi của thép. Nếu đến điểm A m dỡ tải trọng thì đờng biểu diễn về O. Đây l giai đoạn đn hồi. ứng suất tơng ứng với điểm A l giới hạn tỷ lệ tl . Đoạn A-A với A l điểm trên điểm A 1 chút. Đờng thẳng hơi cong 1 chút không còn giai đoạn tỷ lệ nữa nhng thép vẫn lm việc đn hồi nghĩa l biến dạng sẽ hon ton mất đi khi không còn tải trọng. ứng suất tại điểm A gọi l giới hạn đn hồi đh . Thực tế đh v tl khác rất ít nên ngời ta thờng đồng nhất 2 giai đoạn lm việc ny. . Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 24 - Đoạn A-B l đờng cong rõ rệt. Thép không còn lm việc đn hồi nữa, môđun đn hồi E giảm dần đến bằng 0 tại điểm B. Giai đoạn ny l giai đoạn đn hồi dẻo. Đoạn B-C: hầu nh song song trục honh O có nghĩa biến dạng tự động tăng m ứng suất không tăng. Nếu kéo đến C m dỡ tải, đờng quan hệ trở về O, trục OC//OA, vật liệu không khôi phục lại trạng thái ban đầu m còn 1 phần biến dạng. Khi đó vật liệu đã lm việc ở giai đoạn chảy dẻo. ứng suất tơng ứng giai đoạn ny l c . Đoạn C-D: quan hệ ứng suất v biến dạng l đờng cong thoải nghĩa l biến dạng tăng nhanh theo kiểu biến dạng dẻo. Mẫu thép bị thắt lại, tiết diện bị thu nhỏ v bị kéo đứt ứng với ứng suất tại điểm D v gọi l ứng suất bền b . Qua điểm D đến điểm E mẫu bị phá hoại. Để tiện tính toán, ta xem thép lm việc theo 2 giai đoạn: đn hồi v dẻo lý tởng: < đh : giai đoạn đn hồi, biến dạng nhỏ nên dùng giả thiết v lý luận về vật thể đn hồi. đ h < < C : giai đoạn đn hồi dẻo nên dùng lý thuyết đn hồi dẻo để tính. = C : xem nh kết cấu đạt đến trạng thái giới hạn, tức l dùng lý thuyết dẻo để tính với trị số ứng suất C khi đó vật liệu thép đợc tận dụng cao nhất. Điểm D l giới hạn bền b ứng với lực kéo đứt. Đối với thép cờng độ cao không có giới hạn chảy m phải lấy giới hạn bền để lm cơ sở tính toán, tất nhiên phải chia cho hệ số an ton no đó. 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 0 10 20 30 40 50 60 70 0 0 KN / cm 2 = P F 2 1 tl c c tl b b Hình 2.2: Biểu đồ quan hệ ứng suất v biến dạng của thép cờng độ cao 1.Biẻu đồ ứng thép cacbon cao 2.Biểu đồ thép cacbon thấp Thép có giới hạn chảy sẽ cho ta biết đợc vùng an ton giữa C v b . ứng với b ta có b rất lớn gấp 100 lần biến dạng đn hồi. Nếu ta cho thép lm việc đến C l mới chỉ dùng 1/2 khả năng khả năng chịu lực về cờng độ v 1/100 về biến dạng. Nh vậy thép l vật liệu rất an ton. . Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Chơng II: Vật liệu thép trong xây dựng cầu - 25 - 2.1.2-Thí nghiệm thép chịu nén: Nếu đem mẫu thép ngắn đi nén thì ta đợc biểu đồ quan hệ giữa ứng suất v biến dạng nh thép đợc thí nghiệm kéo. Các đặc trng cơ học nh E, C giống nh thí nghiệm kéo nhng sẽ không có b vì mẫu không bị phá hoại m bị phình ra v tiếp tục chịu đợc tải trọng lớn. Nếu nén mẫu có chiều cao lớn thì sự phá hoại còn do thêm nguyên nhân về sự mất ổn định. 2.2-Các trạng thái phá hoại của thép: 2.2.1-Sự phá hoại dòn v phá hoại dẻo: Sự phá hoạ i dòn l hiện tợng thép bị đứt gẫy tức thời khi tăng tải trọng. Kết cấu bị phá hoại đột ngột khi biến dạng còn nhỏ. Sự phá hoại dẻo l sự phá hoại xảy ra khi có biến dạng lớn. Thép nói chung l vật liệu phá hoại dẻo vì khi bị phá hoại biến dạng của nó rất lớn (22%). Nhng khi thép bị cứng nguội, bị gi khi chịu ứng suất tập trung, thì thép dễ chuyển sang phá hoại dòn rất nguy hiểm. Do vậy trong cầu phải thiết kế sao cho chỉ phá hoại dẻo tránh phá hoại dòn. Sự phá hoại dòn còn liên quan đến hiện tợng lạnh v thnh phần hóa học không tốt của nó. Ví dụ: Thép nhiều cacbon thì dòn hơn: C > 0.3% bị phá hoại dòn, C < 0.1% bị chảy dẻo, C = 0.1ữ0.3% bị phá hoại dẻo. Các thnh phần Ni, Cr, Cu tăng tính chống dòn; P, C lm tăng tính dòn. Khử oxy của Si, Al, lm cho nó hạt nhỏ hơn cũng ln tăng tính chống dòn. Thép gia công nóng cũng có ảnh hởng tốt. Ta cũng nên biết rằng ứng suất tập trung cũng lm tăng tính dòn. Do vậy cần tránh tiết diện đột ngột để giảm ứng suất tập trung. 2.2.2-Hiện tợng cứng nguội của thép: a) b) c) % % % % KN/cm 2 Hình 2.3: Biểu đồ ứng suất v biến dạng khi có hiện tợng nguội Đây l hiện tợng thép trở nên cứng sau khi bị biến dạng dẻo ở nhiệt độ thờng. Thép sau khi đã bị biến dạng dẻo thì trở nên cứng hơn, giới hạn đn hồi cao hơn v biến dạng khi phá hoại nhỏ hơn v thực tế đã trở thnh 1 loại thép khác. Nếu kéo thép đến giới hạn chảy rồi dỡ tải thì ứng suất sẽ trở về 0 nhng còn biến dạng . Sau đó tiếp tục kéo thì thềm chảy giảm đi v thậm chí không còn nữa. Nếu kéo . . hợp kim của Al với Cu, Mg v các thnh phần khác. Các chất Fe, Si, lm giảm chất lợng của hợp kim Al. Tuỳ thuộc vo thnh phần m ta gọi tên hợp kim Al: Hợp kim Al-Mg. Hợp kim Al-Mn. Hợp kim. tạo kết cấu cầu có liên kết đinh tán v thép M16C dùng cho cầu dùng liên kết hn. Thép CT3 v M16C dễ gia công, khoan, đột, gọt. Khi nóng dễ rèn, hn nhng M16C dễ hn hơn. Đinh tán thờng dùng loại. Khi tính toán cờng độ của thép hợp kim thấp lớn hơn 1.4 lần cờng độ tính toán của thép than. Do đó kết cấu có trọng lợng nhẹ hơn, vợt nhịp lớn (nhng cũng chú ý l kết cấu võng lớn). Tuy giá