Giáo trình Kết cấu công trình cầu đường: Phần 2

- Cấu kiện chịu nén là cấu kiện chịu tác dụng của lực nén dọc (lực nén có phƣơng song song với trục dọc cấu kiện). Khi lực nén dọc đặt tại trọng tâm mặt cắt ngang, ta có cấu kiện chịu n[r]

94

CHƢƠNG 6 :CẤU KIỆN CHỊU NÉN

6.1. Khái niệm

- Cấu kiện chịu nén cấu kiện chịu tác dụng lực nén dọc (lực nén có phƣơng song song với trục dọc cấu kiện) Khi lực nén dọc đặt trọng tâm mặt cắt ngang, ta có cấu kiện chịu nén tâm hay cấu kiện chịu nén dọc trục Khi lực nén đặt lệch so với trọng tâm mặt cắt ngang, ta có cấu kiện chịu nén lệch tâm Gọi P lực nén dọc đặt lệch tâm, e độ lệch tâm Khi tải trọng P đặt lệch tâm quy thành tải trọng P đặt tâm mô men uốn M = P.e, nên cấu kiện chịu nén lệch tâm đƣợc gọi cấu kiện chịu nén dọc trục mơ men uốn kết hợp Cấu kiện chịu nén thẳng đứng, nghiêng nằm ngang Sau ta nghiên cứu trƣờng hợp cấu kiện chịu nén đặt thẳng đứng trƣờng hợp thƣờng gặp thực tế hay gọi cột

- Các cấu kiện chịu nén thƣờng gặp thực tế kể đến cột hệ khung nhà, nén giàn, thân vòm, mố trụ cầu,

6.2. Đặc điểm cấu tạo 6.2.1. Mặt cắt ngang

- Mặt cắt ngang cấu kiện chịu nén nên chọn đối xứng theo hai trục có độ cứng theo hai phƣơng khơng chênh lệch Do vậy, mặt cắt ngang cấu kiện chịu nén thực tế thƣờng có dạng hình vng, hình trịn, hình vành khăn, đa giác đều,

- Kích thƣớc mặt cắt cột đƣợc xác định tính tốn Tuy nhiên, để dễ thống ván khn, nên chọn kích thƣớc mặt cắt bội số cm Đồng thời, để đảm bảo dễ đổ bê tông, không nên chọn mặt cắt cột nhỏ 2525cm2

6.2.2. Vật liệu

6.2.2.1. Bê tông

- Bê tơng dùng cho cột thƣờng có cƣờng độ chịu nén quy định f’c khoảng 20  28MPa

6.2.2.2. Cốt thép

- Cốt thép cấu kiện chịu nén bao gồm cốt thép dọc chủ cốt thép đai

a) Cốt thép dọc chủ: Là cốt thép đặt dọc theo chiều dài cấu kiện, để tham gia chịu lực với bê tơng Khi tính tốn bố trí cốt thép dọc chủ, ta cần ý điểm sau:

95

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

+ Số lƣợng cốt thép dọc tối thiểu mặt cắt ngang cột hình chữ nhật 4, cột hình trịn (hoặc tƣơng tự trịn) 6, kích cỡ tối thiểu 16

+ Nên bố trí cốt thép dọc quanh chu vi tiết diện

- Cốt thép dọc chủ đƣợc đặt theo tính tốn nhƣng phải đảm bảo quy định lƣợng cốt thép tối đa tối thiểu

08 ,

max 



 



g st st

A A

(6.1)

và

y c g

st st

f f A

A '

min 0,135



 

 (6.2)

Trong đó:

Ast = Diện tích cốt thép thƣờng dọc chịu nén (mm2)

Ag = Diện tích tiết diện nguyên mặt cắt (mm2)

fy = Cƣờng độ chảy quy định cốt thép thƣờng (MPa)

f’c = Cƣờng độ chịu nén quy định bê tông (MPa)

b) Cốt thép đai:

- Cốt thép đai cấu kiện chịu nén có tác dụng liên kết cốt thép dọc thành khung cốt thép đổ bê tông, giữ ổn định cho cốt thép dọc tham gia chịu lực cắt cột bị uốn Cốt thép đai đƣợc bố trí với khoảng cách nhỏ cịn có tác dụng cản trở biến dạng ngang bê tông, làm tăng đáng kể khả chịu nén phần lõi bê tông

- Cốt thép đai có hai loại: cốt đai ngang cốt đai xoắn *) Cốt thép đai ngang (đai thƣờng):

- Cốt đai ngang có cấu tạo dạng khung khép kín với đầu mút đƣợc neo với cốt thép dọc cách uốn góc 900

1350 Đƣờng kính nhỏ yêu cầu cốt thép đai ngang 10 cho cốt thép dọc chủ 32 nhỏ hơn, 16 cho cốt thép dọc chủ 36 lớn 13 cho bó Cự ly cốt đai ngang khơng đƣợc vƣợt q kích thƣớc nhỏ cột 300mm Khi hai nhiều 36 đƣợc bó lại, cự ly khơng đƣợc vƣợt nửa kích thƣớc nhỏ cột 150mm

*) Cốt thép đai xoắn:

96

cũng nhƣ vùng chịu lực nén cục lớn (ví dụ khu vực dƣới neo dự ứng lực) cột vùng có động đất Khoảng cách trống đai xoắn không đƣợc nhỏ 25 mm 1,33 lần kích thƣớc cốt liệu lớn Khoảng cách tim đến tim cốt thép không đƣợc vƣợt lần đƣờng kính cốt thép dọc 150 mm

- Hàm lƣợng cốt đai xoắn so với phần lõi bê tơng tính từ mép ngồi cốt thép đai không đƣợc nhỏ

yh c c

g f

f 1 A A

0,45  

  

 

 

s,min (6.3)

Trong đó:

Ag = Diện tích mặt cắt nguyên cột (mm2),

Ac = Diện tích lõi bê tơng, tính từ đƣờng kính mép ngồi cốt đai xoắn (mm2),

f 'c = Cƣờng độ chịu nén quy định bê tông (MPa),

fyh = Giới hạn chảy quy định cốt thép đai xoắn (MPa)

- Hàm lƣợng cốt thép đai xoắn đƣợc định nghĩa nhƣ sau:

sp sp sp

s

c c c

A L A

A L sD

   (6.4)

Trong đó:

Asp = Diện tích cốt thép đai xoắn = dsp2 4, với dsplà đƣờng kính cốt thép đai xoắn,

Lsp = Độ dài vòng cốt đai xoắn, = Dc,

Dc = Đƣờng kính lõi bê tơng, tính tới mép ngồi vịng cốt đai xoắn,

97

Hình 6.1 - Cách bố trí cốt thép đai ngang

6.3. Phân loại cột theo khả chịu lực

- Tuỳ theo vị trí tác dụng lực dọc mặt cắt ngang, cột đƣợc phân thành cột chịu nén tâm cột chịu nén lệch tâm Trong cột chịu nén tâm, nội lực mặt cắt ngang gồm lực dọc trục Trong cột chịu nén lệch tâm, lực dọc trục, mặt cắt ngang cột chịu mô men - Sự khả chịu lực cột hƣ hỏng vật liệu (cốt thép chịu kéo bị chảy và/hoặc bê tông vùng nén bị nén vỡ) ổn định cột Sự phá hoại hƣ hỏng vật liệu xảy cột ngắn, đó, ổn định xảy (trƣớc vật liệu đƣợc khai thác hết cƣờng độ) cột mảnh Cột ngắn cột mảnh đƣợc phân biệt với tỷ số độ mảnh chúng

98

+ Tỷ số độ mảnh Klu/r < 22, cấu kiện khơng có giằng đỡ ngang, hay

+ Tỷ số độ mảnh Klu/r < 34 – 12 (M1/M2), cấu kiện có giằng đỡ ngang,

Trong đó:

K = Hệ số chiều dài hữu hiệu, phụ thuộc vào điều kiện liên kết hai đầu thanh, lu = Chiều dài không đƣợc đỡ (chiều dài tự do),

r = Bán kính quán tính mặt cắt cột,

M1 M2 = Tƣơng ứng, mô men nhỏ mô men lớn hai đầu thanh, với (M1/M2)

dƣơng đƣờng cong uốn đơn 6.4. Các giả thiết tính tốn

- Các giả thiết tính toán cấu kiện chịu nén TTGH cƣờng độ đƣợc đƣa tƣơng tự nhƣ tính tốn cấu kiện chịu uốn, nghĩa là:

+ Tiết diện dầm trƣớc sau biến dạng phẳng hay biến dạng thớ mặt cắt ngang tỉ lệ thuận với khoảng cách từ thớ tới trục trung hịa tiết diện trục có biến dạng không (giả thuyết Becnuli)

+ Đối với cấu kiện có cốt thép dính bám, biến dạng bê tông cốt thép thớ (giả thiết đồng biến dạng)

+ Cốt thép vật liệu đàn dẻo lý tƣởng

+ Nếu bê tông không bị kiềm chế, ứng biến lớn đạt đƣợc thớ chịu nén ngồi 0,003 Nếu bê tơng bị kiềm chế, sử dụng giá trị ứng biến lớn 0,003 có chứng minh

+ Khơng xét đến sức kháng kéo bê tông

+ Biểu đồ ứng suất vùng chịu nén đƣợc giả thiết hình chữ nhật parabol

6.5. Khả chịu lực cột ngắn 6.5.1. Cột ngắn chịu nén tâm

- Dƣới tác dụng lực nén tâm, biến dạng điểm tiết diện giống hay biến dạng bê tông cốt thép Thực nghiệm cho thấy biến dạng nén bê tông cột đạt tới trị số giới hạn ( 0,003), cốt thép dọc cột đạt tới giới hạn chảy Do vậy, TC-05 quy định sức kháng nén danh định cấu kiện chịu nén dọc trục đƣợc xác định

99

Pn = 0,85.[0,85.f 'c.(Ag - Ast) + fy.Ast] (6.5)

+ Đối với cấu kiện chịu nén có cốt thép đai thƣờng:

Pn = 0,8 [0,85 f 'c (Ag - Ast) + fy Ast] (6.6)

Trong đó:

Pn = Sức kháng lực dọc trục danh định có khơng có uốn (N);

f 'c = Cƣờng độ chịu nén quy định bê tông (Mpa);

Ag = Diện tích nguyên mặt cắt (mm2);

Ast = Diện tích cốt thép dọc thƣờng chịu nén (mm2);

fy = Giới hạn chảy quy định cốt thép (MPa)

- Sức kháng nén tính tốn (sức kháng nén có hệ số) Pr cấu kiện chịu nén dọc trục đƣợc xác định

từ sức kháng danh định theo công thức sau:

Pr = Pn, với  hệ số sức kháng chịu nén dọc trục, đƣợc tra bảng theo quy định ( = 0,75)

6.5.2. Cột ngắn chịu nén lệch tâm, tiết diện chữ nhật a) Sơ đồ ứng suất, biến dạng:

- Dƣới tác dụng lực nén tác dụng lệch tâm, mặt cắt ngang cột se chịu tác dụng lực nén tâm mô men uốn dồng thời, ta có sơ đồ ứng suất, biến dạng nhƣ sau:

h

b

d

's

ds

d

s

c

c

A's

s A

Mặt cắt ngang cột

0,003 s'

s

Sơ đồ biến dạng Pn

e a

a = c.

a

/2

d

s

-a

/2

Cs 0,85f'c

C

Ts = fs.As Sơ đồ ứng suất Trục trung hịa

Trơc träng t©m

h

/2

Hình 6.2 – Sơ đồ tính tốn cấu kiện chịu nén lệch tâm, tiết diện chữ nhật b) Các phương trình bản:

- Sức kháng nén danh định đƣợc tính phƣơng trình hình chiếu lên trục dọc cấu kiện:

1 0,85

n c s s s s

100

- Sức kháng uốn danh định đƣợc tính tổng mô men lực trục qua trọng tâm mặt cắt:

1

0,85

2 2

n n c s s s s

h a h h

M P e  f bc   A f  dA f d 

      (6.8)

- Chú ý rằng, sức kháng nén dọc trục Pn cột chịu nén uốn khơng thể có giá trị vƣợt sức

kháng nén dọc trục cột tƣơng ứng chịu nén tâm đƣợc xác định công thức (6.5) (6.6)

- Tuỳ thuộc vào độ lệch tâm lực dọc u u

M e

P

 , cốt thép chịu nén As cốt thép chịu kéo As đạt tới cƣờng độ chảy fy fy chúng Việc đánh giá chảy cốt thép đƣợc

thực qua so sánh ứng biến thực tế cốt thép svà s sơ đồ biến dạng với ứng biến gây chảy cốt thép yvà y Trong trƣờng hợp cốt thép không chảy, ứng suất thực tế cốt thép

đƣợc tính từ biến dạng thực tế:

( )

0, 003 ,

( )

0, 003 ,

s

s s s s y

s

s s s s y

c d

f E E f

c

d c

f E E f

c

 

 

    



  

(6.9)

c) Điều kiện cường độ:

- Cấu kiện chịu nén lệch tâm đƣợc kiểm toán TTGH cƣờng độ theo công thức sau:

u n

M M (6.10)

u n

P P (6.11)

trong đó, Pn Mn đƣợc xác định từ công thức (7.7) (7.8) Hệ số sức kháng  đƣợc lấy trung

gian hệ số sức kháng uốn hệ số sức kháng nén tâm nhƣ sau:

0, 75

0, 0,15 0, 0,1125 , 0, 75

0,1 0,1

n n

c g c g

P P

f A f A

    

  (6.12)

d) Bài toán duyệt mặt cắt:

- Ở tốn này, biết yếu tố hình học vật liệu mặt cắt ngang nhƣ thông số ngoại lực Yêu cầu tính duyệt (kiểm tra) cƣờng độ mặt cắt

- Với giá trị tải trọng cho Pu Mu , xác định đƣợc độ lệch tâm lực dọc u

u

M e

P

 (6.13)

101

đƣợc c, Pn Mn Tuy nhiên, việc kết hợp hai phƣơng trình cân dẫn đến phƣơng trình

bậc ba c Đồng thời, trình giải, phải kiểm tra chảy cốt thép nhƣ nêu

6.6. Khả chịu lực cột dài( cột mảnh)

- Khi cột BTCT có độ mảnh lớn giới hạn để đƣợc xem cột ngắn, cột bị phá hoại ổn định trƣớc đạt giới hạn phá huỷ vật liệu

- Đối với cấu kiện chịu nén tâm, lời giải toán Euler cho giá trị tải trọng giới hạn gây ổn định

 

2

2 e

u

EI P

Kl 

 (6.14)

Trong đó:

Pe = Tải trọng tới hạn,

E = Mô đun đàn hồi,

I = Mô men quán tính mặt cắt,

Klu = Chiều dài hữu hiệu cấu kiện chịu nén,

K = Hệ số điều chỉnh chiều dài hữu hiệu,

lu = Chiều dài tự (chiều dài không đƣợc đỡ) nén

Hệ số điều chỉnh chiều dài hữu hiệu K

Hệ số chiều dài hữu hiệu cấu kiện chịu nén đƣợc xác định tuỳ theo điều kiện liên kết hai đầu Đối với cột làm việc độc lập, giá trị thƣờng gặp K theo lý thuyết dùng thiết kế đƣợc cho bảng 6.1

102 Ví dụ 6.1

Xác định kích thƣớc, tính bố trí cốt thép cho cột ngắn chịu nén tâm, biết: - Bê tơng có f’c = 28MPa, cốt thép theo A615M có fy = 420MPa;

- Lực nén tính tốn Pu = 1200kN

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

 

     

 

 c st y st

g g st y g st g c st y st g c n f f A A f A A f A f A A f P     85 , , 85 , , 85 , , , , ,         

- Chọn st = (1  4)% = 2% = 0,02 Ta có:

 

  g

g

n A A

P 0,8 .0,85.28.10,02 420.0,02 25,4

- Từ điều kiện cƣờng độ, ta có:

2 1260 63043 02 , 63043 75 , 10 1200 ,

25 A A mm A mm

P

P u g g st

n         

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

trên mặt cắt nhƣ hình vẽ :

300

2

5

0

4 19

Mặt cắt cột chọn

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

        kN P kN P P N A f A A f P u n r st y st g c n 1200 1341 1788 75 , 10 1788 1136 420 1136 75000 28 85 , , 85 , ,

0 ,

             

Vậy điều kiện cƣờng độ thỏa mãn

- Kiểm tra hàm lƣợng cốt thép dọc chịu nén:

009 , 420 28 135 , 135 , ; 08 , ; 015 , 75000 1136 ,

max    

   y c st st g st st f f A

A  



Suy stmin ≤ st ≤ stmax Vậy hàm lƣợng cốt thép dọc chịu nén chọn hợp lý

103 Ví dụ 6.2

Kiểm tra khả chịu lực cột ngắn chịu nén lệch tâm, biết: - Kích thƣớc tiết diện 300350 mm2;

- Bê tơng có f’c = 28MPa, cốt thép theo A615M có fy = 420MPa, Es = 2.105MPa;

- Sử dụng As = 419; ds = 290mm; d’s = 60mm;

- Tải trọng tính tốn Mu = 100kN.m; Pu = 1000kN

Giải:

- Giả sử cột bố trí cốt thép đai thƣờng, ta có :

        N P P N A f A A f P mm A n r st y st g c n st 3 , 10 1769 10 2359 75 , 10 2359 1136 420 1136 350 300 28 85 , , 85 , , 1136 284               

- Ví cốt thép bố trí đối xứng, nên ta bỏ qua cốt thép chịu nén Khi 109 , 357 , 115 , 290 300 28 85 , 284 420 85 , ,        A d b f A f gh s c s y  

- Kiểm tra hàm lƣợng cốt tối thiểu

002 , 420 28 03 , 03 , 0065 , 290 300 284 ,

min   

   y c s s f f d b A  

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

- Sức kháng uốn tính tốn

mm N A d b f M

Mr n 0,85 c s 0,9.0,85.28.300.290 0,109 58,6.10

6 2 ,     

BÀI TẬP SV TỰ LÀM:

1.Xác định kích thƣớc, tính bố trí cốt thép cho cột ngắn chịu nén tâm, biết: - Bê tơng có f’c = 32MPa, cốt thép theo A615M có fy = 300MPa;

- Lực nén tính tốn Pu = 1300kN

2.Kiểm tra khả chịu lực cột ngắn chịu nén lệch tâm, biết: - Kích thƣớc tiết diện 250300 mm2;

- Bê tơng có f’c = 30MPa, cốt thép theo A615M có fy = 300MPa, Es = 2.105MPa;

- Sử dụng As = 422; ds = 240mm; d’s = 60mm;

104 PHỤ LỤC Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05

BẢNG

Các giá trị 1, R R cho số cấp cƣờng độ bê tông

Các giá trị giới hạn Cấp cƣờng độ bê tông f'c (Mpa)

28 30 32 35 40 45

1 0,850 0,836 0,821 0,800 0,764 0,729

R 0,357 0,351 0,345 0,336 0,321 0,306

R 0,293 0,289 0,285 0,280 0,269 0,259

BẢNG

Diện tích trọng lƣợng cốt thép tròn theo ASTM A615M

Số hiệu

Diện tích mặt cắt ngang, cm2 - ứng với số Trọng lƣợng

1 10 (kG/m)

D10 0,71 1,42 2,13 2,84 3,55 4,26 4,97 5,68 6,39 7,10 0,56 D13 1,29 2,58 3,87 5,16 6,45 7,74 9,03 10,32 11,61 12,90 0,994 D16 1,99 3,98 5,97 7,96 9,95 11,94 13,93 15,92 17,91 19,90 1,552 D19 2,84 5,68 8,52 11,36 14,20 17,04 19,88 22,72 25,56 28,40 2,235 D22 3,87 7,74 11,61 15,48 19,35 23,22 27,09 30,96 34,83 38,70 3,042 D25 5,1 10,20 15,30 20,40 25,50 30,60 35,70 40,80 45,90 51,00 3,973 D29 6,45 12,90 19,35 25,80 32,25 38,70 45,15 51,60 58,05 64,50 5,06 D32 8,19 16,38 24,57 32,76 40,95 49,14 57,33 65,52 73,71 81,90 6,404 D36 10,06 20,12 30,18 40,24 50,30 60,36 70,42 80,48 90,54 100,6 7,907 D43 14,52 29,04 43,56 58,08 72,60 87,12 101,6 116,1 130,6 145,2 11,38 D57 25,81 51,62 77,43 103,2 129,0 154,8 180,6 206,4 232,2 258,1 20,24

105

  m   m   m

0,010 0,995 0,010 0,260 0,870 0,226 0,510 0,745 0,380 0,020 0,990 0,020 0,270 0,865 0,234 0,520 0,740 0,385 0,030 0,985 0,030 0,280 0,860 0,241 0,530 0,735 0,390 0,040 0,980 0,039 0,290 0,855 0,248 0,540 0,730 0,394 0,050 0,975 0,049 0,300 0,850 0,255 0,550 0,725 0,399 0,060 0,970 0,058 0,310 0,845 0,262 0,560 0,720 0,403 0,070 0,965 0,068 0,320 0,840 0,269 0,570 0,715 0,408 0,080 0,960 0,077 0,330 0,835 0,276 0,580 0,710 0,412 0,090 0,955 0,086 0,340 0,830 0,282 0,590 0,705 0,416 0,100 0,950 0,095 0,350 0,825 0,289 0,600 0,700 0,420 0,110 0,945 0,104 0,360 0,820 0,295 0,620 0,690 0,428 0,120 0,940 0,113 0,370 0,815 0,302 0,640 0,680 0,435 0,130 0,935 0,122 0,380 0,810 0,308 0,660 0,670 0,442 0,140 0,930 0,130 0,390 0,805 0,314 0,680 0,660 0,449 0,150 0,925 0,139 0,400 0,800 0,320 0,700 0,650 0,455 0,160 0,920 0,147 0,410 0,795 0,326 0,720 0,640 0,461 0,170 0,915 0,156 0,420 0,790 0,332 0,740 0,630 0,466 0,180 0,910 0,164 0,430 0,785 0,338 0,760 0,620 0,471 0,190 0,905 0,172 0,440 0,780 0,343 0,780 0,610 0,476 0,200 0,900 0,180 0,450 0,775 0,349 0,800 0,600 0,480 0,210 0,895 0,188 0,460 0,770 0,354 0,820 0,590 0,484 0,220 0,890 0,196 0,470 0,765 0,360 0,840 0,580 0,487 0,230 0,885 0,204 0,480 0,760 0,365 0,860 0,570 0,490 0,240 0,880 0,211 0,490 0,755 0,370 0,880 0,560 0,493 0,250 0,875 0,219 0,500 0,750 0,375 0,900 0,550 0,495

Bảng - Bề dày lớp bê tông bảo vệ

Trạng thái Lớp bê tông bảo vệ

(mm)

Lộ trực tiếp nƣớc muối 100

Đúc áp vào đất 75

106

Mặt cầu chịu mài mòn vấu lốp xe xích 60 Mặt ngồi khác với điều kiện 50 Mặt khác với điều kiện

- Đối với nhỏ N036 - Đối với N043 N057

40 50 Đáy đúc chỗ

- Đối với nhỏ N036 - Đối với N043 N057

25 50

Panen đúc sẵn 20

Cọc bê tông cốt thép đúc sẵn

- Mơi trƣờng khơng ăn mịn - Mơi trƣờng ăn mịn

50 70

Cọc bê tông dự ứng lực 50

Cọc đúc chỗ

- Môi trƣờng khơng ăn mịn - Mơi trƣờng ăn mịn - Giếng

- Đúc lỗ ống đổ bê tông nƣớc vữa sét

50 75 50 75

Bảng 5: Bảng tra tải trọng tơng đơng HL93 (KN/m) Chiều dài tải

(m)

Xe t¶i thiÕt kÕ(truck) Xe hai trôc thiÕt kÕ(tandem)

 

0 0.25 0.5 0 0.25 0.5

4 72.50 72.50 72.50 93.50 88.00 77.00

4.5 67.31 64.44 64.44 84.74 80.40 71.70

5 66.12 58.00 58.00 77.44 73.92 66.88

6 62.03 50.48 48.33 66.00 63.56 58.67

7 57.41 48.93 41.43 57.47 55.67 52.08

8 53.02 46.52 36.25 50.88 49.50 46.75

9 49.40 43.92 34.00 45.63 44.54 42.37

10 46.51 41.37 34.04 41.36 40.48 38.72

107

12 41.33 37.05 32.67 34.83 34.22 33.00

13 39.06 35.41 31.68 32.28 31.76 30.72

14 36.99 33.85 30.63 30.08 29.63 28.73

15 35.12 32.38 29.57 28.16 27.77 26.99

16 33.40 30.99 28.53 26.47 26.13 25.44

18 30.40 28.50 26.56 23.63 23.36 22.81

20 27.88 26.34 24.76 21.34 21.12 20.68

22 25.73 24.45 23.15 19.45 19.27 18.91

24 23.87 22.80 21.71 17.88 17.72 17.42

Tài liệu tham khảo Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05;

2 Lê Đình Tâm Cầu bê tông cốt thép đường ô tô, tập NXB Xây dựng, 2005;

3 Nguyễn Viết Trung; Hoàng Hà Cầu bê tông cốt thép nhịp giản đơn, tập I NXB Giao thông vận tải, 2003;

4 Nguyễn Viết Trung Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép đại theo ACI NXB Giao thông vận tải, 2003;

5 Phan Quang Minh (chủ biên) Kết cấu bê tông cốt thép - phần cấu kiện NXB Khoa học & Kỹ thuật, 2006

PHẦN 2: KẾT CẤU THÉP

CHƢƠNG 7 :ĐẠI CƢƠNG VỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 7.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KẾT CẤU THÉP (KCT)

108

+ Kết cấu thép có khả chịu lực lớn Do cƣờng độ thép cao nên kết cấu thép chịu đƣợc lực lớn với mặt cắt không cần lớn lắm, kết cấu thép mảnh khả vƣợt đƣợc nhịp lớn Điều đặc biệt có ý nghĩa xây dựng cầu nơi hạn chế chiều cao kiến trúc

+ Việc tính tốn kết cấu thép có độ tin cậy cao Thép có cấu trúc đồng đều, mơ đun đàn hồi lớn Trong phạm vi làm việc đàn hồi, kết cấu thép phù hợp với giả thiết sức bền vật liệu đàn hồi (nhƣ tính đồng chất, đẳng hƣớng vật liệu, giả thiết mặt cắt phẳng, nguyên lý độc lập tác dụng…)

+ Kết cấu thép “nhẹ” so với kết cấu làm vật liệu thông thƣờng khác (bê tông, gạch đá, gỗ) Độ nhẹ kết cấu đƣợc đánh giá hệ số c = γ/F, tỷ số tỷ trọng γ vật liệu cƣờng độ F Hệ số c nhỏ vật liệu nhẹ

Trong bê tông cốt thép (BTCT) có c = 24.10-4 1/m, gỗ có c = 4,5.10-4 1/m, hệ số c thép c = 3,7.10-4 1/m

+ Kết cấu thép thích hợp với thi cơng lắp ghép có khả giới hoá cao chế tạo Các cấu kiện thép dễ đƣợc sản xuất hàng loạt xƣởng với độ xác cao Các liên kết kết cấu thép (đinh tán, bu lông, hàn) tƣơng đối đơn giản, dễ thi công

+ Kết cấu thép không thấm chất lỏng chất khí thép có độ đặc cao nên thích hợp để làm kết cấu chứa đựng chuyển chở chất lỏng, chất khí

+ So với kết cấu bê tông, kết cấu thép dễ kiểm nghiệm, sửa chữa tăng cƣờng b) Nhược điểm

+ Kết cấu thép dễ bị han gỉ, địi hỏi phải có biện pháp phịng chống bảo dƣỡng tốn Đặc biệt, yêu cầu chống gỉ cao đặt cho kết cấu cầu làm việc môi trƣờng xâm thực mạnh nhƣ môi trƣờng biển

+ Thép chịu nhiệt Ở nhiệt độ 40000C, biến dạng dẻo thép phát triển dƣới tác dụng tĩnh tải (từ biến thép) Vì thế, mơi trƣờng có nhiệt độ cao, khơng có biện pháp đặc biệt để bảo vệ khơng đƣợc phép sử dụng kết cấu thép

+ Trong lĩnh vực giao thông vận tải sử dụng thép làm cấu đòi hỏi phải sơn phủ suốt trình khai thác chi phí cao, ảnh hƣởng đến mơi trƣờng

c) Phạm vi sử dụng KCT

109

có ƣu kết cấu vƣợt nhịp lớn, đòi hỏi độ mảnh cao, chịu tải trọng nặng kết cấu địi hỏi tính khơng thấm

+ Trong lĩnh vực giao thông vận tải kết cấu thép đƣợc sử dụng làm cầu thép: Cầu dầm thép, cầu giàn thép, cầu dây văng dầm thép, cầu vịm ống thép nhồi bê tơng… Ngồi kết cấu thép đƣợc sử dụng làm đà giáo, ván khuôn, trụ tạm thi công cầu

7.2. Nguyên lý thiết kế theo 22TCN 272-05: giống phần KCBTCT 7.3. Vật liệu thép xây dựng

Các thuộc tính thép thể cƣờng độ chảy, cƣờng độ kéo đứt, độ dẻo, độ rắn độ dai, thuật ngữ đƣợc phân biệt nhƣ sau:

+ Cường độ chảy là ứng suất mà xảy tăng biến dạng mà ứng suất không tăng + Cường độ chịu kéo ứng suất lớn đạt đƣợc thí nghiệm kéo

+ Độ dẻo số vật liệu phản ánh khả giữ đƣợc biến dạng đàn hồi mà không xảy phá hoại Nó đƣợc tính tỷ số độ giãn phá hoại độ giãn điểm chảy

+ Độ rắn là thuộc tính vật liệu cho phép chống lại mài mòn bề mặt

+ Độ dai thuộc tính vật liệu cho phép tiêu hao lƣợng mà không xảy phá hoại

7.3.1. Thành phần hóa học thép

Thành phần hố học có ảnh hƣởng trực tiếp tới cấu trúc thép, có liên quan chặt chẽ đến tính chất học Thành phần hố học chủ yếu thép sắt (Fe) bon (C) Lƣợng bon nhỏ nhƣng có ảnh hƣởng quan trọng tính chất học thép: lƣợng bon nhiều cƣờng độ thép cao nhƣng tính dẻo, tính dai tính hàn giảm Thép dùng xây dựng địi hỏi phải có tính dẻo cao để tránh đứt gãy đột ngột nên hàm lƣợng bon đƣợc hạn chế thấp, thƣờng không lớn 0.2-0.22 % khối lƣợng

110

Thép hợp kim loại thép mà ngồi thành phần hố học kể trên, cịn có thêm ngun tố kim loại bổ sung Các nguyên tố đƣợc đƣa vào nhằm cải thiện số thuộc tính tốt thép nhƣ làm tăng cƣờng độ mà khơng giảm tính dẻo, tăng khả chống gỉ hay khả chống mài mịn Chẳng hạn, crơm đồng làm tăng khả chống gỉ thép, đƣợc sử dụng chế tạo thép chống gỉ, mangan làm tăng cƣờng độ thép kiềm chế ảnh hƣởng xấu sunfua Tuy nhiên, hàm lƣợng kim loại bổ sung cao (hợp kim cao) tính dẻo, tính dai, tính hàn giảm Thép hợp kim dùng xây dựng thép hợp kim thấp với thành phần kim loại bổ sung khoảng 1.5-2.0%

7.3.2. Các sản phẩm thƣơng mại

Thép lỏng từ bình chứa đƣợc rót vào khn, đúc thành thỏi vào máy đúc liên tục Thép khuôn đúc rắn lại q trình nguội lạnh, sau đƣợc chuyển sang q trình thƣ hai, từ thép thỏi đƣợc gia công thành tấm, thành thỏi, thành

Trong trình đúc liên tục trực tiếp tạo tấm, thỏi, từ bể thép lỏng Quá trình trở thành chủ yếu cho chất lƣợng thép tốt loại thép chế tạo từ thỏi giá thấp

Thép đƣợc gia công nhiệt trƣớc tạo thành dạng mỏng cuối Các mép dọc thƣờng đƣợc cắt lửa thành đƣờng để tạo thành có bề rộng sau cho qua máy cán cắt thành đoạn có chiều dài Thép cần gia cơng nhiệt trƣớc sau tạo thành

Thép thỏi đƣợc gia công nhiệt liên tục đƣa qua loạt lăn đứng máy cán để tạo tiết diện cánh rộng nhƣ thép U, thép I, thép góc L Có giai đoạn cán đứng, giai đoạn cần lăn nhiều lần để biến thép thỏi thành sản phẩm cuối Có máy cắt, máy dập thô máy trung gian máy kết thúc Mỗi máy có lăn đứng ngang Thép cơng trình đƣợc cắt theo chiều dài, để nguội nắn thẳng thƣớc cán 7.3.3. Ứng suất dƣ

111

hình thành nguội xảy không Ứng suất dƣ gia công học xảy biến dạng dẻo không bị kích ép Ứng suất dƣ luyện kim sinh thay đổi cấu trúc phân tử thép

Khi mặt cắt ngang đƣợc chế tạo hàn ba chiều, ứng suất dƣ xuất ba chiều Sự đốt nóng nguội làm thay đổi cấu trúc kim loại biến dạng thƣờng bị cản trở, gây ứng suất dƣ kéo đạt tới 400 MPa mối hàn

Nhìn chung, mép thép bình thƣờng chịu ứng suất dƣ nén, đƣợc cắt nhiệt chịu ứng suất dƣ kéo Các ứng suất đƣợc cân với ứng suất tƣơng đƣơng có dấu ngƣợc lại vị trí khác cấu kiện Hình 1.5 biểu diễn cách định tính phân bố tổng thể ứng suất dƣ thép hàn cán nóng Chú ý rằng, ứng suất hình ứng suất dọc

Hình 7.1 - Sơ họa ứng suất dƣ mặt cắt thép cán ghép xƣởng (a) mặt cắt cán nóng, (b) mặt cắt hình hộp hàn, (c) cán mép, (d) cắt mép lửa,

(e) mặt cắt I tổ hợp hàn cắt mép lửa 7.3.4. Gia công nhiệt

112

Gia công làm nguội chậm phép chuẩn thơng thƣờng Nó bao gồm việc nung nóng thép đến nhiệt độ định, giữ nhiệt độ khoảng thời gian thích hợp sau đó, làm nguội chậm khơng khí Nhiệt độ tơi tuỳ theo loại gia công Gia công làm nguội chậm làm tăng tính dẻo, tính dai thép, làm giảm ứng suất dƣ giảm độ cứng

Gia công làm nguội nhanh đƣợc định cho thép cầu, đƣợc gọi nhúng Trong phƣơng pháp này, thép đƣợc nung nóng tới tới khoảng 900 0C, đƣợc giữ nhiệt độ

đó khoảng thời gian, sau đƣợc làm nguội nhanh cách nhúng vào bể nƣớc bể dầu Sau nhúng, thép lại đƣợc nung tới khoảng 5000C, đƣợc giữ nhiệt độ này, sau đƣợc làm nguội chậm Tơi nhúng làm thay đổi cấu trúc vi mô thép, làm tăng cƣờng độ, độ rắn độ dai

7.3.5. Phân loại thép kết cấu

113

Hình 7.2 - Các đƣờng cong ứng suất - biến dạng điển hình thép kết cấu Bảng 7.1 Các thuộc tính học nhỏ thép cán dùng cơng trình, cƣờng độ

và chiều dày Thép cơng

trình

Thép hợp kim thấp cƣờng độ cao

Thép hợp kim thấp

nhúng

Thép hợp kim nhúng cƣờng độ

cao Theo

AASHTO

M270 Cấp 250

M270 Cấp 345

M270 Cấp 345W

M270 Cấp

485W M270 cấp

690/690W ASTM

tƣơng đƣơng

A709M cấp 250

A709M Cấp 345

A709M Cấp 345W

A709M cấp 485 W

A709M cấp 690/690W

Chiều dày

tấm(mm)

Tối đa 100 Tối đa 100 Tối đa 100 Tối đa 100 Tối đa 65

Trên 65-100 Cƣờng độ

kéo Fu(Mpa)

400 450 485 620 760 690

Cƣờng độ kéo Fy(Mpa)