Nếu thép đạt đến giới hạn chảy thì kết cấu biến dạng quá lớn nên cường độ thiết kế lấy sao cho đảm bảo 1 độ an toμn nμo đó với giới hạn chảy; trừ 1 số điểm đặc biệt như lực tập trung, ch
Trang 1Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ
Các bộ phận chính của cầu thường dùng 2 loại thép nấu trong lò Mactanh lμ thép cán
nóng CT3 để chế tạo kết cấu cầu có liên kết đinh tán vμ thép M16C dùng cho cầu dùng
liên kết hμn Thép CT3 vμ M16C dễ gia công, khoan, đột, gọt Khi nóng dễ rèn, hμn
nhưng M16C dễ hμn hơn
Đinh tán thường dùng loại thép mềm hơn thép chính như thép CT2 Đối với bộ phận
chịu lực ít hat không chịu lực thì có thể dùng thép chất lượng thấp hơn
Các chỉ tiêu thép cán dùng trong cầu:
Bảng 2.1
Loại thép Số hiệu σb (kg/cm 2 ) σch (kg/cm 2 ) ε (%)
Dùng cho các bộ
Thép đảm bảo thμnh phần hoá học:
Bảng 2.2
Thμnh phần hoá học % Loại thép
C Mn Si S P
→Ngoμi ra đối với thép M16C hμm lượng Cr, Ni, Cu không > 0.3%
Khả năng chịu lực của thép được xác định bởi giới hạn chảy Dựa vμo giới hạn
chảy, xác định cường độ tính toán công trình Nếu thép đạt đến giới hạn chảy thì kết cấu
biến dạng quá lớn nên cường độ thiết kế lấy sao cho đảm bảo 1 độ an toμn nμo đó với
giới hạn chảy; trừ 1 số điểm đặc biệt như lực tập trung, chỗ thay đổi đột ngột tiết diện
thì có thể lấy đạt hoặc vượt 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, nhưng chứa hμm
lượng không lớn nên gọi lμ thép hợp kim Thép hợp kim trong cầu thường có hμm lượng
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 lμm tăng giới hạn bền vμ chảy Khi tính toán cường độ của thép
hợp kim thấp lớn hơn 1.4 lần cường độ tính toán của thép than Do đó kết cấu có trọng
lượng nhẹ hơn, vượt nhịp lớn (nhưng cũng chú ý lμ kết cấu võng lớn) Tuy giá thμnh đắt
nhưng sử dụng nó hoμn toμn có hiệu quả kinh tế, đặc biệt đối với cầu nhịp lớn
Thép hợp kim thấp có giới hạn mỏi tương đối thấp, các thanh dμn lμm việc chịu
nén kém hơn chịu kéo Vì vậy hệ số ổn định vμ mỏi phải lấy thấp hơn Tuy nhiên những
nhược điểm trên của nó không hạn chế việc ứng dụng thép hợp kim thấp vμ không hạn
chế hiệu quả kinh tế khi chiều dμi nhịp lớn
1.2.3-Thép đúc:
Trang 2Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ
Đối với gối cầu, khớp vμ 1 số chi tiết đặc biệt của cầu thì dùng thép đúc Thép
đúc tạo thμnh từ lò Mactanh chứa 0.22-0.3% cacbon vμ 1 lượng nhỏ Si, Mn có giới hạn
bền 4500kg/cm2, giới hạn chảy 2400kg/cm2, biến dạng tương đối 19%, độ dẻo va chạm
4kg.m/cm2, môđun đμn hồi 2.106kg/cm2
Các thμnh phẩm của thép đúc trong lò phải được ủ nóng trong các lò đặc biệt để
khử các nội ứng suất phát sinh do thép nguội không đều, đồng thời lμm cho thép có kết
cấu nhỏ hạt vμ đồng nhất do có sự kết tinh lại trong quá trình rắn Độ cứng của thép đúc
phụ thuộc vμo tốc độ lμm lạnh khi ủ Khi lμm lạnh nhanh thì thép cứng hơn
Các bộ phận quan trọng của gối cấu như khớp vμ các bộ phận đặc biệt đôi khi
dùng thép rèn nóng
1.2.4-Thép lμm cáp vμ que hμn:
Trong cầu treo, cầu dμn dây, cầu UST, ta dùng cáp không có lõi bằng các sợi thép
cán nguội có độ bền từ 12.000-18.000kg/cm2
Trong kết cấu hμn, chất lượng que hμn ảnh hưởng đến chất lượng mối hμn:
• Khi hμn tự động vμ bán tự động các thanh thép than M16C thì ta dùng que hμn
thép than số hiệu CB-08A hoặc CB-08ΓA Đối với thép hợp kim thấp dùng que
hμn CB-08ΓA, CB-08ΓC, CB-10Γ2
• Khi hμn tay thép M16C dùng que hμn ∋42A, còn khi hμn thép hợp kim thấp dùng
∋50A
1.2.5-Thép hợp kim nhôm:
Kết cấu thép hợp kim nhôm có ưu điểm lμ nhẹ hơn so với thép Nó có tác dụng
chống gỉ, khi bị dòn khi lạnh Thép nμy có lợi nhất khi cần vận chuyển xa vμ khi lắp ráp
hoặc khi sửa chữa, thay mặt cầu thì dùng thép hợp kim nhôm sẽ lμm giảm trọng lượng
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 thường dùng hợp kim của Al với Cu, Mg vμ các thμnh phần
khác Các chất Fe, Si, lμm giảm chất lượng của hợp kim Al Tuỳ thuộc vμo thμnh phần
mμ 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 lượng γ = 2.8t/m3
(nhẹ hơn 2 lần so với thép)
• Giới hạn bền: 4.000 - 4.500kg/cm2 (gần như thép than)
• Giới hạn chảy: 2.500 - 3000kg/cm2
• Độ dãn dμi 12 - 18%
• Hệ số dãn nỡ vì nhiệt 22-24.10-6
(lớn hơn 2 lần thép vμ bêtông)
• Môđun đμn hồi: 700.000 - 750.000 kg/cm2, nhỏ hơn 3 lần thép than Đây lμ
nhược điểm cơ bản của nó
Hợp kim Al có tính chất như sau:
Trang 3• Khi nhiệt độ giảm, cường độ tăng mμ độ dẻo không thay đổi nên thích hợp vùng
nhiệt độ thấp Khi nhiệt độ tăng, cường 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 ngoμi
• Liên kết: khi dùng đinh tán nguội đa số dùng thép hợp kim Al
Đ2.2 sự lμm việc vμ tính chất cơ lý của thép
2.1-Sự lμm việc của thép:
2.1.1-Thí nghiệm thép chịu kéo:
Thí nghiệm kéo mẫu thép tiêu chuẩn, ta có được quan hệ giữa ứng suất vμ biến
dạng như sau:
E
D
A A'
B C
0 0' 4 12 16 20
10
8
20 30 40 50
F KN/cm2
σtl
σtr
σc
σb
ε= Δl
100%
l
Hình 2.1: Biểu đồ quan hệ ứng suất vμ biến dạng
• Đoạn O-A: biểu đồ lμ đường thẳng, quan hệ giữa ứng suất vμ biến dạng lμ bậc
nhất Vật liệu tuân theo định luật Hooke, coi vật liệu lμ đμn hồi lý tưởng Khi đó:
⎩
⎨
⎧
=
=
α
ε σ
tg E
E
(2.1)
Ta gọi E lμ môđun đμn hồi của thép Nếu đến điểm A mμ dỡ tải trọng thì đường biểu
diễn về O Đây lμ giai đoạn đμn hồi ứng suất tương ứng với điểm A lμ giới hạn tỷ lệ σtl
• Đoạn A-A’ với A’ lμ điểm trên điểm A 1 chút Đường thẳng hơi cong 1 chút
không còn giai đoạn tỷ lệ nữa nhưng thép vẫn lμm việc đμn hồi nghĩa lμ biến
dạng sẽ hoμn toμn mất đi khi không còn tải trọng ứng suất tại điểm A’ gọi lμ
giới hạn đμn hồi σđh Thực tế σđh vμ σtl khác rất ít nên người ta thường đồng nhất
2 giai đoạn lμm việc nμy
Trang 4Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ
• Đoạn A’-B lμ đường cong rõ rệt Thép không còn lμm việc đμn hồi nữa, môđun
đμn hồi E giảm dần đến bằng 0 tại điểm B Giai đoạn nμy lμ giai đoạn đμn hồi
dẻo
• Đoạn B-C: hầu như song song trục hoμnh Oε có nghĩa biến dạng tự động tăng mμ
ứng suất không tăng Nếu kéo đến C mμ dỡ tải, đường quan hệ trở về O’, trục
O’C//OA, vật liệu không khôi phục lại trạng thái ban đầu mμ còn 1 phần biến
dạng Khi đó vật liệu đã lμm việc ở giai đoạn chảy dẻo ứng suất tương ứng giai
đoạn nμy lμ σc
• Đoạn C-D: quan hệ ứng suất vμ biến dạng lμ đường cong thoải nghĩa lμ biến dạng
tăng nhanh theo kiểu biến dạng dẻo Mẫu thép bị thắt lại, tiết diện bị thu nhỏ vμ
bị kéo đứt ứng với ứng suất tại điểm D vμ gọi lμ ứng suất bền σb Qua điểm D
đến điểm E mẫu bị phá hoại
Để tiện tính toán, ta xem thép lμm việc theo 2 giai đoạn: đμn hồi vμ dẻo lý tưởng:
• σ < σđh: giai đoạn đμn hồi, biến dạng nhỏ nên dùng giả thiết vμ lý luận về vật thể
đμn hồi
• σđ h< σ < σC: giai đoạn đμn hồi dẻo nên dùng lý thuyết đμn hồi dẻo để tính
• σ = σC: xem như kết cấu đạt đến trạng thái giới hạn, tức lμ dùng lý thuyết dẻo để
tính với trị số ứng suất σC khi đó vật liệu thép được tận dụng cao nhất
Điểm D lμ giới hạn bền σb ứng với lực kéo đứt Đối với thép cường độ cao không có
giới hạn chảy mμ phải lấy giới hạn bền để lμm cơ sở tính toán, tất nhiên phải chia cho hệ
số an toμn nμo đó
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26ε
0 10 20 30 40 50 60 70 0 0
KN/cm 2
σ= P F
2
1
σtl
σc
σc
σtl
σb
σb
Hình 2.2: Biểu đồ quan hệ ứng suất vμ biến dạng của thép cường độ cao
1.Biẻu đồ ứng thép cacbon cao 2.Biểu đồ thép cacbon thấp
Thép có giới hạn chảy sẽ cho ta biết được vùng an toμn giữa σC vμ σb ứng với σb
ta có εb rất lớn gấp 100 lần biến dạng đμn hồi Nếu ta cho thép lμm việc đến σC lμ mới
chỉ dùng 1/2 khả năng khả năng chịu lực về cường độ vμ 1/100 về biến dạng Như vậy
thép lμ vật liệu rất an toμn
Trang 52.1.2-Thí nghiệm thép chịu nén:
Nếu đem mẫu thép ngắn đi nén thì ta được biểu đồ quan hệ giữa ứng suất vμ biến
dạng như thép được thí nghiệm kéo Các đặc trưng cơ học như E, σC giống như thí
nghiệm kéo nhưng sẽ không có σb vì mẫu không bị phá hoại mμ bị phình ra vμ tiếp tục
chịu được 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 vμ phá hoại dẻo:
Sự phá hoại dòn lμ hiện tượng 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 lμ sự phá hoại xảy ra khi có biến dạng lớn Thép nói chung lμ vật
liệu phá hoại dẻo vì khi bị phá hoại biến dạng của nó rất lớn (ε≈22%) Nhưng khi thép
bị cứng nguội, bị giμ 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 tượng lạnh vμ thμnh 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 thμnh phần Ni, Cr, Cu tăng tính chống dòn; P, C lμm tăng tính dòn Khử oxy
của Si, Al, lμm cho nó hạt nhỏ hơn cũng lμn tăng tính chống dòn Thép gia
công nóng cũng có ảnh hưởng tốt
Ta cũng nên biết rằng ứng suất tập trung cũng lμm tăng tính dòn Do vậy cần tránh
tiết diện đột ngột để giảm ứng suất tập trung
2.2.2-Hiện tượng cứng nguội của thép:
σKN/cm 2
Hình 2.3: Biểu đồ ứng suất vμ biến dạng khi có hiện tượng nguội
Đây lμ hiện tượng thép trở nên cứng sau khi bị biến dạng dẻo ở nhiệt độ thường
Thép sau khi đã bị biến dạng dẻo thì trở nên cứng hơn, giới hạn đμn hồi cao hơn vμ biến
dạng khi phá hoại nhỏ hơn vμ thực tế đã trở thμnh 1 loại thép khác
Nếu kéo thép đến giới hạn chảy rồi dỡ tải thì ứng suất sẽ trở về 0 nhưng còn biến
dạng Δ Sau đó tiếp tục kéo thì thềm chảy giảm đi vμ thậm chí không còn nữa Nếu kéo