Giáo trình Kết cấu công trình cầu đường - Trường Cao đẳng Xây dựng TP. Hồ Chí Minh: Phần 1

Giáo trình Kết cấu công trình cầu đường: Phần 1 với các nội dung khái niệm chung về kết cấu bê tông cốt thép; tính chất cơ lý của vật liệu; nguyên lý thiết kế theo tiêu chuẩn; tính toán kết cấu bê tông kết thép theo trạng thái giới hạn sử dụng và trạng thái giới hạn mỏi; tính toán cấu kiện bê tông kết thép chịu uốn ở ttgh cường độ.

1

TRƯỜNG CAO ĐẲNG XÂY DỰNG TP.HỒ CHÍ MINH

KHOA XÂY DỰNG

GIÁO TRÌNH KẾT CẤU CÔNG TRÌNH CẦU ĐƯỜNG

Tp.Hồ Chí Minh-2018

2

MỤC LỤC Phần 1: KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP

CHƯƠNG 1 :KHÁI NIỆM CHUNG VỀ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 7

1.1 ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 8

1.1.1 Bê tông cốt thép thường (BTCT) 8

1.1.2 Bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCTƯST) 10

1.1.3 Ưu và nhược điểm của kết cấu BTCT DƯL so với BTCT thường : 11

1.2 ĐẶC ĐIỂM CHUNG VỀ CẤU TẠO VÀ CHẾ TẠO CỦA KẾT CẤU BTCT.12 1.2.1 Đặc điểm chung về cấu tạo 12

1.2.2 Đặc điểm chế tạo : 16

CHƯƠNG 2 : TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU 20

2.1 Bê Tông 20

2.1.1 Phân loại bê tông 20

2.1.2 Các tính chất tức thời (ngắn hạn) của bê tông cứng 22

2.1.3 Các tính chất dài hạn của bê tông cứng 25

2.1.4 Hệ số giãn nở nhiệt và hệ số Poát xông (Poisson) 29

2.2 Cốt Thép 30

2.2.1 Cốt thép không dự ứng lực (cốt thép thường) 30

2.2.2 Các Cốt thép dự ứng lực (cốt thép CĐC) 32

CHƯƠNG 3 :NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ THEO TIÊU CHUẨN 36

22TCN272-05 36

3.1 Giới thiệu chung về Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272 – 05 36

3.1.1 Vài nét về Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 18 – 1979 36

3.1.2 Cơ sở của nội dung Tiêu chuẩn mới 22 TCN 272-05 36

3.2 Quan điểm chung về thiết kế 37

3.3 Thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng LRFD 37

3

3.4 Nguyên tắc cơ bản của tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 38

3.4.1 Quan điểm thiết kế 38

3.4.2 Các trạng thái giới hạn theo 22 TCN 272-05 40

3.5 Tải trọng và tổ hợp tải trọng 43

3.5.1 Phân loại các tải trọng 43

3.5.2 Các tổ hợp tải trọng và hệ số tải trọng tương ứng 44

3.5.3 Hoạt tải xe thiết kế 45

CHƯƠNG 4 48

TÍNH TOÁN KẾT CẤU BTCT THEO TRẠNG THÁI 48

GIỚI HẠN SỬ DỤNG VÀ TRẠNG THÁI GIỚI HẠN MỎI 48

4.1 TRẠNG THÁI GIỚI HẠN SỬ DỤNG 48

4.1.1 Kiểm soát nứt của dầm BTCT thường chịu uốn 48

4.1.2 Khống chế biến dạng 49

4.1.3 Phân tích ứng suất trong BT, CT của dầm BTCT thường chịu uốn ở TTGHSD51 4.1.4 Các giới hạn ứng suất đối với bê tông 58

4.1.5 Các giới hạn ứng suất đối với cốt thép dự ứng lực 62

4.2 TRẠNG THÁI GIỚI HẠN MỎI 63

CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN CẤU KIỆN BTCT CHỊU UỐN Ở TTGH CƯỜNG ĐỘ65 5.1 Quy định về cấu tạo 65

5.1.1 Cấu tạo của bản, dầm 65

5.1.2 Chiều cao tối thiểu 67

5.2 Đặc điểm chịu lực của dầm và các giả thiết cơ bản cho trạng thái giới hạn cường độ 68 5.2.1 Đặc điểm chịu lực của dầm 68

5.2.2 Các giả thiết cơ bản 69

5.2.3 Các giai đoạn của trạng thái us-bd trên tiết diện thẳng góc của dầm BTCT thường chịu uốn thuần túy 70

4

5.3 Các giới hạn về cốt thép 72

5.3.1 Tính dẻo và lượng cốt thép chịu kéo tối đa 72

5.3.2 Cốt thép chịu kéo tối thiểu 73

5.4 Tính toán tiết diện chữ nhật, BTCT thường chịu uốn thuần túy 74

5.4.1 Tiết diện chữ nhật đặt cốt thép đơn 74

5.4.2 Mặt cắt chữ nhật đặt cốt thép kép 79

5.5 Tính toán tiết diện chữ T, BTCT thường chịu uốn thuần túy 84

5.5.1 Trường hợp trục trung hòa đi qua sườn dầm (c > h f ) 85

5.5.2 Trường hợp trục trung hòa đi qua cánh dầm (c ≤ h f ) 86

5.6 Tính toán mặt cắt BTCT DUL chịu uốn thuần túy 90

5.6.1 Trường hợp cốt thép DƯL có dính bám 90

CHƯƠNG 6 :CẤU KIỆN CHỊU NÉN 94

6.1 Khái niệm 94

6.2 Đặc điểm cấu tạo 94

6.2.1 Mặt cắt ngang 94

6.2.2 Vật liệu 94

6.3 Phân loại cột theo khả năng chịu lực 97

6.4 Các giả thiết tính toán 98

6.5 Khả năng chịu lực của cột ngắn 98

6.5.1 Cột ngắn chịu nén đúng tâm 98

6.5.2 Cột ngắn chịu nén lệch tâm, tiết diện chữ nhật 99

6.6 Khả năng chịu lực của cột dài( cột mảnh) 101

PHỤ LỤC 104

Tài liệu tham khảo 107

CHƯƠNG 7 :ĐẠI CƯƠNG VỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 107

7.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KẾT CẤU THÉP (KCT) 107

5

7.1.1 Ưu, khuyết điểm và phạm vi sử dụng của KCT 107

7.2 Nguyên lý thiết kế theo 22TCN 272-05: giống phần KCBTCT 109

7.3 Vật liệu thép trong xây dựng 109

7.3.1 Thành phần hóa học của thép 109

7.3.2 Các sản phẩm thương mại 110

7.3.3 Ứng suất dư 110

7.3.4 Gia công nhiệt 111

7.3.5 Phân loại thép kết cấu 112

CHƯƠNG 8 : LIÊN KẾT TRONG KẾT CẤU THÉP 117

8.1 LIÊN KẾT BULÔNG 118

8.1.1 Cấu tạo liên kết bulông 118

8.1.2 Tính toán liên kết bu lông chịu cắt 122

8.1.3 Tính toán liên kết bu lông cường độ cao chịu ma sát 131

8.1.4 Tính toán liên kết bu lông cường độ cao chịu kéo 133

8.2 LIÊN KẾT HÀN .134

8.2.1 Vật liệu hàn 135

8.2.2 Các loại mối hàn 136

8.2.3 Cấu tạo liên kết hàn 138

8.2.4 Sức kháng cắt tính toán liên kết hàn 142

CHƯƠNG 9 :CẤU KIỆN CHỊU KÉO 145

9.1 CÁC DẠNG LIÊN KẾT 145

9.2 SỨC KHÁNG KÉO 146

9.2.1 Hệ số chiết giảm U 148

9.2.2 Diện tích thực 149

9.2.3 Giới hạn độ mảnh 150

9.2.4 Sức kháng cắt khối 151

CHƯƠNG 10 :CẤU KIỆN CHỊU NÉN 152

6

10.1 KHÁI NIỆM ỔN ĐỊNH CỦA KẾT CẤU CHỊU NÉN 152

10.1.1 Chiều dài hữu hiệu của cột 154

10.1.2 Ứng suất dƣ 155

10.1.3 Độ cong ban đầu 156

10.2 KHÁI NIỆM MẤT ỔN ĐỊNH QUÁ ĐÀN HỒI 157

10.3 SỨC KHÁNG NÉN 158

10.3.1 Sức kháng nén danh định 160

10.3.2 Tỷ số bề rộng/bề dày giới hạn 161

10.3.3 Tỷ số độ mảnh giới hạn 161

7

PHẦN 1: KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP

Kết cấu bê tông cốt thép đóng vai trò quan trọng và sử dụng rộng rãi trong tất cả các ngành xây dựng hiện nay: dân dụng công nghiệp, cầu đường, thủy lợi… và là loại vật liệu khá thông dụng và phổ biến Sản phẩm của nó là sự kết hợp giữa bê tông và cốt thép tạo ra các cấu kiện làm các kết cấu chịu lực cho các công trình Vì thế, cần nghiên cứu tính toán hợp lý về mặt chọn vật liệu, hợp lý

về hình dạng tiết diện và kích thước tiết diện, hợp lý về việc bố trí cốt thép …để đáp ứng sự chịu lực cục bộ của các bộ phận kết cấu, của tải trọng, đẹp về mỹ quan, thi công được và đặc biệt phù hợp chi phí kinh tế

Hình 1.1: Công trình cầu sử dụng vật liệu bê tông cốt thép

8

Hình 1.2: Chế tạo dầm bê tông cốt thép

1.1 ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP

1.1.1 Bê tông cốt thép thường (BTCT)

- Khái niệm: Bê tông cốt thép là một loại vật liệu xây dựng hỗn hợp do hai vật liệu thành phần có đặc trưng cơ học khác nhau là bê tông và thép cùng phối hợp chịu lực với nhau một cách hợp lý và kinh tế

+ Bê tông là một loại đá nhân tạo, thành phần bao gồm cốt liệu ( đá dăm, sỏi, cát) và chất kết dính ( xi măng) , nước và phụ gia (nếu có) Bê tông có đặc điểm là khả năng chịu nén tốt hơn khả năng chịu kéo rất nhiều (10  20 lần)

+ Thép là vật liệu có khả năng chịu kéo và chịu nén đều tốt tương đương nhau

- Như vậy, việc sử dụng riêng bê tông để làm các cấu kiện chịu lực có phát sinh ứng suất kéo (cấu kiện chịu kéo, uốn, kéo nén lệch tâm, ) sẽ là không hợp lý

- Để thấy được sự cộng tác chịu lực giữa bê tông và cốt thép ta xem xét hai thí nghiệm sau:

TTH

P

ct f

fccTN1:

Vïng chÞu nÐn Vïng chÞu kÐo VÕt nøt th¼ng gãc duy nhÊt

Hình 1.3 - Dầm bê tông không cốt thép

9

+ Khi tải trọng P trong hình 1.1 tăng dần thì tại vùng chịu kéo (thớ dưới dầm) vết nứt đầu tiên sẽ xuất hiện tại khu vực giữa dầm (khu vực có M max) khi ứng suất kéo fct  fctu trong khi đó thì ứng suất nén ở thớ trên fcc << fccu

+ Khi P tiếp tục tăng thì vết nứt đầu tiên đó sẽ càng mở rộng và nâng cao, phần chịu nén thu hẹp dần cho tới khi dầm bị phá hoại Sự phá hoại này sẽ xảy ra trong khi các tiết diện khác của dầm vẫn chưa bị phá hoại (chưa nứt), nên sự phá hoại này là đột ngột (phá hoại giòn) Đồng thời, ta thấy khi dầm bị phá hoại thì khả năng chịu lực của vật liệu, nhất là khả năng chịu nén của bê tông vẫn chưa được khai thác hết, khả năng chịu mô men của dầm nhỏ  không hợp lý

+ Nếu ta đặt thêm cốt thép dọc vào vùng chịu kéo của dầm như hình 1.2 (ta cũng có thể dùng một số loại cốt liệu khác như tre nứa, thủy tinh, polime, )  ta được một loại vật liệu mới là BTCT (bê tông có cốt) Nếu lượng cốt thép đặt vào là hợp lý thì thì tình hình phá hoại của dầm sẽ không xảy ra đột ngột nữa (phá hoại dẻo) và khả năng chịu lực của dầm sẽ tăng lên rất nhiều (có thể tới 20 lần) Thật vậy, khi ứng suất kéo lớn nhất trong dầm fct fctu, thì vết nứt đầu tiên xuất hiện và

mở rộng dần Tại đó toàn bộ lực kéo sẽ do cốt thép chịu Nếu P tiếp tục tăng, thì các tiết diện gần đó cũng sẽ xảy ra tương tự Sự phá hoại của dầm sẽ xảy ra khi fst fstu và fcc fccu Như vậy, cường

độ hay khả năng chịu lực của cả bê tông và cốt thép đều được khai thác hết

- Trong cấu kiện BTCT, do cốt thép chịu kéo và nén đều tốt, nên nó còn được đặt vào vùng chịu nén của cấu kiện để gia cường thêm cho bê tông tại vùng đó  cấu kiện sẽ có kích thước giảm đi, chịu lực khi vận chuyển, lắp ráp được tốt hơn,

- Bê tông và thép có thể kết hợp cùng chịu lực với nhau một cách hợp lý như trên là do những yếu

tố sau:

+ Trên bề mặt tiếp xúc giữa bê tông và thép có lực dính bám khá lớn, lực dính bám này giữ cho cốt thép không bị tuột khỏi bê tông khi chịu kéo, nên lực có thể truyền từ bê tông sang thép và ngược

10

lại Lực dính bám là yếu tố quan trọng nhất đối với BTCT Nhờ có lực dính bám mà cường độ của cốt thép mới được khai thác, bề rộng vết nứt trong vùng kéo mới được hạn chế Do vậy, người ta phải tìm mọi cách để tăng cường lực dính bám giữa bê tông và cốt thép

+ Giữa bê tông và cốt thép không xảy ra phản ứng hoá học nào mà bê tông còn có tác dụng bảo vệ cho cốt thép chống lại các tác dụng trực tiếp của môi trường, của các đám cháy,

+ Hệ số giãn nở dài vì nhiệt của bê tông và cốt thép là xấp xỉ bằng nhau ( bê tông c = 1.10-5 

1,5.10-5/oC, thép s = 1,2.10-5/oC ) Do đó khi nghiệt độ thay đổi trong phạm vi thông thường (dưới

100oC) thì sự giãn dài vì nhiệt của hai vật liệu này không chênh lệch nhau mấy  nội ứng suất phát sinh sẽ không đáng kể

1.1.2 Bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCTƯST)

- Ta thấy, BTCT thường (BTCT không DUL) có nhược điểm lớn là vết nứt xuất hiện sớm  giới hạn chống nứt thấp

+ Đối với cốt thép thường, ứng suất kéo trong cốt thép fst = 20  30MPa thì lớp bê tông bao bọc xung quanh cốt thép đã bắt đầu bị rạn nứt Khi fct = 180  250MPa thì bề rộng vết nứt khoảng 0,2 

0,3mm Đây cũng là bề rộng vết nứt giới hạn mà các TCTK quy định (quy định này xuất phát từ các yêu cầu như bảo vệ cho cốt thép khỏi bị ăn mòn do nước hoặc hơi nước xâm nhập vào, hoặc do điều kiện tâm lý của người sử dụng, )

+ Như vậy, nếu ta sử dụng cốt thép cường độ cao (fpy = 1000  1600MPa) để chế tạo BTCT thường thì sẽ không khai thác hết khả năng chịu lực của nó được, vì giới hạn bề rộng vết nứt cũng chính là giới hạn trị số ứng suất kéo trong cốt thép như ở trên

+ Việc tăng cường độ BT hoặc sử dụng cốt thép có đường kính nhỏ cũng phần nào giảm được bề rộng vết nứt, nhưng hiệu quả của nó rất thấp

+ Hơn nữa, với những cấu kiện yêu cầu có khả năng chống thấm (chống nứt) thì BTCT thường tỏ ra bất lực Thực tế cho thấy kết cấu BTCT thường không có khả năng chống nứt hoặc khả năng chống nứt rất hạn chế

- Do vậy, để tăng giới hạn chống nứt cho kết cấu BTCT và sử dụng được hợp lý cốt thép CĐC cũng như bê tông CĐC thì cách tốt nhất là sử dụng BTCT DUL

+ Khái niệm kết cấu dự ứng lực: Kết cấu dự ứng lực nói chung là loại kết cấu mà khi chế tạo

chúng người ta tạo ra một trạng thái ứng suất ban đầu ngược với trạng thái ứng suất do tải trọng khi

sử dụng nhằm, nhằm hạn chế các yếu tố có hại đến tình hình chịu lực của kết cấu do tính chất chịu lực kém của vật liệu sinh ra

11

+ Với bê tông cốt thép, thì chủ yếu người ta tạo ra ứng suất nén trước cho những vùng của tiết diện mà sau này dưới tác dụng của tải trọng khi sử dụng sẽ phát sinh ứng suất kéo Ứng suất nén trước này có tác dụng làm giảm hoặc triệt tiêu ứng suất kéo do tải trọng khi sử dụng sinh ra Nhờ vậy mà cấu kiện sẽ không bị nứt hoặc nứt rất nhỏ

+ Để rõ hơn, ví dụ ta xét một dầm giản đơn BTCT DUL chịu tải trọng như hìnhvẽ:

1.1.3 Ưu và nhược điểm của kết cấu BTCT DƯL so với BTCT thường :

-Ưu điểm của kết cấu BTCTDƯL so với BTCT thường :

+ Nâng cao giới hạn chống nứt, do đó có tính chống thấm cao

+ Cho phép sử dụng hợp lý cốt thép cường độ cao, bê tông cường độ cao dẫn đến giảm giá thành và kích thước cấu kiện

+ Độ cứng tăng lên nên độ võng giảm ,vượt được nhịp lớn hơn so với BTCT thường

+ Chịu tải đổi dấu tốt hơn nên sức kháng mỏi tốt

+ Nhờ có ứng suất trước mà phạm vi sử dụng của kết cấu bê tông cốt thép lắp ghép, phân đoạn mở rộng ra nhiều Người ta có thể sử dụng biện pháp ứng lực trước để nối các cấu kiện đúc sẵn của một kết cấu lại với nhau

- Nhược điểm của kết cấu BTCTDƯL so với BTCT thường :

1.2.1 Đặc điểm chung về cấu tạo

Trong bê tông cốt thép, giải quyết vấn đề cấu tạo sao cho hợp lý là rất quan trọng Hợp lý về mặt chọn vật liệu (Mác bê tông hay cấp bê tông, nhóm thép hay loại thép), hợp lý về chọn dạng tiết diện

và kích thước tiết diện, hợp lý về việc bố trí cốt thép để có thể đồng thời đáp ứng được sự chịu lực cục bộ của các bộ phận kết cấu chưa được xem xét đầy đủ trong tính toán như tính không liên tục của kết cấu, vị trí đặt tải trọng tập trung, Giải quyết các liên kết giữa các bộ phận, chọn giải pháp bảo vệ kết cấu chống xâm thực, có thể thi công được (tính khả thi),

1.2.1.1 Kết cấu bê tông cốt thép thường

Cốt thép được đặt vào trong cấu kiện bê tông cốt thép thường bao gồm: cốt thép chịu ứng suất kéo, chịu ứng suất nén, để định vị các cốt thép khác và cốt thép cấu tạo khác Số lượng cốt thép do tính

toán định ra, nhưng nó cũng phải thoả mãn các yêu cầu cấu tạo

 Cốt thép chịu ứng suất kéo do nhiều nguyên nhân gây ra như: Mô men uốn, lực cắt, lực dọc trục, mô men xoắn , tải cục bộ

- Cốt thép chịu kéo do mômen uốn gây ra đó là các cốt thép dọc chủ đặt ở vùng chịu kéo của cấu kiện, chúng được đặt theo biểu đồ M trong cấu kiện và đặt càng xa trục trung hoà càng tốt Ví dụ:

Cèt thÐp däc chÞu kÐo do M Cèt thÐp däc chÞu kÐo do M

L w

M

Hình 1.6 - Biểu đồ mô men và cách đặt cốt thép

- Cốt thép chịu kéo do lực cắt gây ra đó là các cốt thép đai (cốt ngang) hoặc cốt thép xiên, chúng được đặt theo sự xuất hiện của biểu đồ lực cắt V trong cấu kiện Đối với cấu kiện chịu uốn, ngoài cốt thép dọc chịu kéo, do ảnh hường của lực cắt mà các tiết diện nghiêng gần gối hoặc nơi có ứng suất tập trung sẽ xuất hiện ứng suất kéo chủ lớn  ta phải đặt cốt thép đai hoặc cốt thép xiên để chịu ứng suất kéo này Ví dụ:

A

ACèt thÐp däc chÞu kÐo

Cèt thÐp däc chÞu nÐn

A'sAs

14

 Cốt thép kiểm soát nứt bề mặt phân bố gần bề mặt cấu kiện làm nhiệm vụ chịu ứng suất

do co ngót, thay đổi nhiệt độ, các cốt dọc và cốt thép ngang là một phần của cốt thép kiểm soát nứt bề mặt

Chú ý:

+ Trong cấu kiện chịu uốn khi chỉ có cốt dọc chịu kéo thì được gọi là tiết diện đặt cốt thép đơn, còn khi có cả cốt thép dọc chịu kéo và cốt dọc chịu nén thì được gọi là tiết diện đặt cốt kép

+ Sơ đồ bố trí cốt thép trong cấu kiện chịu nén lệch tâm lớn, chịu kéo lệch tâm lớn gần giống như trong cấu kiện chịu uốn

- Trong cấu kiện chỉ chịu lực dọc trục trên tiết diện các cốt thép dọc thường được bố trí đối xứng với trục dọc của cấu kiện

- Kích thước tiết diện do tính toán định ra nhưng phải thoả mãn các yêu cầu cấu tạo, kiến trúc, khả năng bố trí cốt thép và kỹ thuật thi công Ngoài ra cần phải chú ý đến quy định về bề dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép, khoảng cách trống giữa các cốt thép Các quy định này được quy định trong các tiêu chuẩn ngành

- Hình dạng tiết diện phụ thuộc vào TTUS của tiết diện khi chịu tải trọng:

+ Trong cấu kiện chịu kéo, nén đúng tâm tiết diện thường có dạng đối xứng như: Vuông, tròn, vành khăn, đa giác,

+ Trong cấu kiện chịu uốn, kéo nén lệch tâm tiết diện thường có dạng hình chữ nhật, chữ T, thang, hộp, (sao cho bê tông được mở rộng thêm ra ở vùng chịu nén để tận dụng tốt khả năng chịu nén tốt của nó hoặc đưa vật liệu ra xa trục trung hòa hơn)

1.2.1.2 Kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực

- Trong cấu kiện BTCTDƯL cốt thép gồm hai loại: Cốt thép thường (hay cốt thép không kéo căng) và cốt thép Dự ứng lực (cốt thép kéo căng) Cốt thép thường làm nhiệm vụ và được bố trí giống như cấu kiện bê tông cốt thép thường Cốt thép DƯL có nhiệm vụ tạo ra ứng suất nén trước trong bê tông để làm giảm hoặc triệt tiêu ứng suất kéo sinh ra do tải trọng Do đó, cốt thép DUL được bố trí theo nguyên tắc sau:

+ Trong cấu kiện chịu nén đúng tâm, cốt thép kéo căng sẽ là các cốt thép đai Trong một số trường hợp người ta kéo căng cả cốt thép dọc để chịu tải trọng trong giai đoạn vận chuyển và lắp ráp

+ Trong cấu kiện chịu kéo đúng tâm, cốt thép kéo căng sẽ là các cốt thép dọc

Hình 1.8 - Sơ đồ bố trí cốt thép DƯL

+ Cốt thép đặt theo đường cong phức tạp hơn, nhưng nó có ưu điểm là làm việc thay cho cốt thép xiên làm cho dầm chịu lực cắt tốt hơn Ngoài ra nó còn tạo ra khoảng cách trống giữa các đầu cốt thép lớn hơn tạo điều kiện thuận lợi cho việc bố trí các neo liên kết, và giảm sự tập trung ứng suất tại đầu dầm

- Tại vị trí đầu neo có lực tập trung lớn hoặc cốt thép chỗ uốn cong thường có nội lực tiếp tuyến lớn nên ta cần đặt cốt thép gia cường cho bê tông tại đó hoặc đặt các bản đệm dưới neo

- Cốt thép kéo căng có thể đặt bên trong (DUL trong) hoặc đặt bên ngoài tiết diện (DUL ngoài)

16

1.2.2 Đặc điểm chế tạo :

1.2.2.1 Phân loại Kết cấu BTCT theo phương pháp thi công: 3loại

 Kết cấu BTCT toàn khối: Là loại kết cấu BTCT được thi công tại hiện trường theo các bước sau:

+ Lắp dựng ván khuôn và cốt thép tại hiện trường;

+ Đổ bê tông vào trong ván khuôn thành từng lớp và đầm lèn;

+ Bảo dưỡng bê tông, tháo dỡ ván khuôn và hoàn thiện

Ưu điểm: Kết cấu toàn khối, không có mối nối  các thành phần trong kết cấu cùng làm việc với nhau một cách chặt chẽ

Khuyết điểm: Tốn đà giáo ván khuôn, tốn thời gian chờ bảo dưỡng BT, khó kiểm soát chất lượng do điều kiện làm việc tại hiện trường

 Kết cấu BTCT lắp ghép: Là kết cấu BTCT mà phần lớn các cấu kiện được chế tạo sẵn trong nhà máy, sau đó trở ra hiện trường lắp ghép lại với nhau

Ưu điểm: Cơ giới hóa được quá trình sản suất, tận dụng ván khuôn được nhiều lần, thời gian thi công nhanh hơn, kiểm soát được chất lươngj cấu kiện tốt hơn

Khuyết điểm: Xuất hiện nhiều mối nối  kết cấu làm việc không gian hay tổng thể kém hơn

 Kết cấu BTCT bán lắp ghép: Là loại kết cấu kết hợp giữa kết cấu đổ toàn khối và lắp ghép Khi đó, trong nhiều trường hợp ta thường lấy luôn phần lắp ghép làm ván khuôn cho phần

đổ tại chỗ

Ví dụ về các loại kết cấu BTCT theo phương pháp thi công:

17

a) Toµn khèi

b) L¾p ghÐp

c) B¸n l¾p ghÐp

Hình 1.10 - Các biện pháp thi công kết cấu BTCT điển hình

1.2.2.2 Phân loại Kết cấu BTCT theo trạng thái ứng suất khi chế tạo: 2 loại

 Bê tông cốt thép thường (kết cấu BTCT): Là loại kết cấu mà khi chế tạo, cốt thép ở trạng thái không có ứng suất Ngoài nội ứng suất do co ngót và giãn nở nhiệt, trong BT và CT chỉ xuất hiện ứng suất khi có tải trọng sử dụng tác dụng (kể cả trọng lượng bản thân)

 Bê tông cốt thép dự ứng lực (bê tông cốt thép ứng suất trước): Là loại kết cấu mà khi chế tạo người ta căng trước cốt thép để tạo ứng suất nén trước cho những vùng của tiết diện mà sau này dưới tác dụng của tải trọng khi sử dụng sẽ phát sinh ứng suất kéo Ứng suất nén trước này có tác dụng làm giảm hoặc triệt tiêu ứng suất kéo do tải trọng khi sử dụng sinh ra Nhờ vậy, ta có thể nâng cao khả năng chịu lực, khả năng chống nứt, của kết cấu

1.2.2.3 Phân loại Kết cấu BTCT DƯL theo phương pháp tạo dự ứng lực: 2 loại

 Kết cấu BTCT DƯL thi công kéo trước (phương pháp căng cốt thép trên bệ)

B1: Lắp đặt cốt thép CĐC vào ván khuôn và liên kết với bệ kéo đặt biệt;

B2: Kéo căng côt thép CĐC đến trị số thiết kế và đổ bê tông cấu kiện;

B3: Khi bê tông đã đông cứng đủ cường độ yêu cầu, ta buông cốt thép ra khỏi bệ kéo Cốt thép sẽ có xu hướng co lại chiều dài ban đầu và do có sự dính bám giữa BT và CT tạo lực nén trước vào BT

Hình 1.11- Sơ đồ phương pháp thi công kéo trước

Để tăng thêm dính bám giữa bê tông và cốt thép DƯL người ta thường dùng cốt thép DƯL

là cốt thép có gờ, hoặc cốt thép DUL dưới dạng tao, hoặc tạo các mấu neo đặc biệt ở hai đầu

Phạm vi áp dụng: PP này thường dùng khi cốt thép kéo căng đặt theo đường thẳng hơặc gãy khúc và với những cấu kiện nhỏ và vừa Do đó PP này đặc biệt hiệu quả với các cấu kiện sản xuất hàng loạt trong nhà máy

 Kết cấu BTCT DƯL thi công kéo sau (phương pháp căng cốt thép trên bê tông)

B1: Lắp đặt ván khuôn, cốt thép thường và các ống tạo lỗ (thường làm bằng tôn lượn sóng

mạ kẽm) Ống tạo lỗ có thể được đặt theo đường thẳng hoặc đường cong tùy thuộc vào mục đích chịu lực của cấu kiện

B2: Đổ BT cấu kiện và bảo dưỡng

B3: Khi bê tông đã đạt đến cường độ yêu cầu, ta luồn cốt thép CĐC vào các lỗ tạo trước, dùng kích kéo căng cốt thép CĐC trên bê tông đến trị số thiết kế

B4: Đóng neo và buông kích, bơm vữa xi măng lấp đầy khoảng trống giữa cốt thép CĐC và ống tạo lỗ để tạo dính bám giữa BT và CT cũng như chống gỉ cho cốt thép CĐC Cũng có trường hợp cốt thép CĐC được bảo vệ trong ống tạo lỗ bằng mỡ chống gỉ, trường hợp này được gọi là cấu kiện DƯL không dính bám

Phương pháp này luôn phải có neo, khi kéo căng từ một đầu thì đầu kia gọi là neo chết (neo

cố định trước trong bê tông)

Hình 1.12 - Sơ đồ phương pháp thi công kéo sau

Hình 1.13:Hình ảnh về thi công kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực

20

2.1 Bê Tông

2.1.1 Phân loại bê tông

2.1.1.1 Theo thành phần của bê tông tươi (hỗn hợp bê tông)

- Bê tông là một loại đá nhân tạo được tạo thành từ các vật liệu thành phần, bao gồm: đá dăm, sỏi (cốt liệu lớn); cát (cốt liệu nhỏ); xi măng (chất kết dính), nước và phụ gia (nếu có) Các vật liệu này sau khi nhào trộn đều với nhau sẽ đông cứng và có hình dạng theo khuôn đúc Tỷ lệ của các vật liệu thành phần trong hỗn hợp sẽ có ảnh hưởng đến thuộc tính của bê tông sau khi đông cứng (bê tông) Trong phần lớn các trường hợp, người kỹ sư cầu sẽ chọn cấp bê tông cụ thể từ một loạt hỗn hợp thiết kế thử, trên cơ sở cường độ chịu nén mong muốn ở tuổi 28 ngày, f c Đặc trưng tiêu biểu đối với các cấp bê tông khác nhau được cho trong bảng 2.1 như sau:

Bảng 2.1 - Các đặc trưng trộn của bê tông theo cấp

Cấp bê

tông

Lượng xi măng tối thiểu

Tỉ lệ nước/xi măng lớn nhất

Độ chứa khí Kích thước cốt liệu

theo AASHTO M43

Cường độ chịu nén 28 ngày

0.58

- 6,0  1,5 5,0  1,5

- 7,0  1,5

- Quy định riêng

Quy định riêng

25 đến 4,75

25 đến 4,75

50 đến 4,75

50 đến 4,75 12,5 đến 4,75 12,5 đến 4,75

25 đến 4,75 hoặc 19 đến 4,75

Quy định riêng

Tỉ trọng

thấp 334 Như quy định trong hồ sơ hợp đồng

21

 Cấp bê tông A nói chung được sử dụng đối với tất cả các cấu kiện của kết cấu và đặc biệt đối với bê tông làm việc trong môi trường nước mặn

 Cấp bê tông B được sử dụng trong móng, bệ móng, thân trụ và tường chịu lực

 Cấp bê tông C được sử dụng trong các chi tiết có bề dày dưới 100 mm như tay vịn cầu thang và các bản sàn đặt lưới thép

 Cấp bê tông P được sử dụng khi cường độ được yêu cầu lớn hơn 28 MPa Đối với bê tông dự ứng lực, phải chú ý rằng, kích thước cốt liệu không được lớn hơn 20 mm

 Bê tông loại S được dùng cho bê tông đổ dưới nước bịt đáy chống thấm nước trong các khung vây

- Tỉ lệ nước/xi măng (W/C) theo trọng lượng là thông số quan trọng nhất ảnh hưởng đến cường độ

bê tông Tỉ lệ W/C càng gần mức tối thiểu thì cường độ càng lớn Hiển nhiên là, đối với một lượng nước đã cho trong hỗn hợp, việc tăng hàm lượng xi măng sẽ làm tăng cường độ bê tông Đối với mỗi cấp bê tông đều có quy định rõ lượng xi măng tối thiểu tính bằng kG/m3 Khi tăng lượng xi măng trên mức tối thiểu này, có thể tăng lượng nước và vẫn giữ nguyên tỉ lệ W/C Sự tăng lượng nước có thể không tốt vì lượng nước thừa, không cần thiết cho phản ứng hoá học với xi măng và làm ướt bề mặt cốt liệu, khi bốc hơi sẽ gây ra hiện tượng co ngót, làm bê tông kém đặc chắc Do vậy, Tiêu chuẩn quy định lượng xi măng tối đa là 475 kG/m3

để hạn chế lượng nước của hỗn hợp

- Bê tông AE (bê tông bọt) phát huy được độ bền lâu dài khi làm việc trong các môi trường lạnh Bê tông bọt được chế tạo bằng cách thêm vào hỗn hợp một phụ gia dẻo để tạo ra sự phân bố đều các lỗ rỗng rất nhỏ Sự phân bố đều các lỗ rỗng nhỏ này trong bê tông tránh hình thành các lỗ rỗng lớn và cắt đứt đường mao dẫn từ mặt ngoài vào cốt thép

- Để đạt được chất lượng của bê tông là độ bền lâu dài và chịu lực tốt, cần phải hạn chế hàm lượng nước Nhưng nước làm tăng độ lưu động của hỗn hợp bê tông, đặc biệt làm cho bê tông dễ đúc trong khuôn Để cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông mà không phải tăng lượng nước, người

ta đưa vào các phụ gia hoá học Các phụ gia này được gọi là phụ gia giảm nước mạnh (phụ gia siêu dẻo), rất có hiệu quả trong việc cải thiện thuộc tính của cả bê tông ướt và bê tông đã đông rắn Các phụ gia này phải được sử dụng rất thận trọng và nhất thiết phải có chỉ dẫn của nhà sản xuất vì chúng

có thể có những ảnh hưởng không mong muốn như làm rút ngắn thời gian đông kết Vì vậy trước khi sử dụng cần làm các thí nghiệm để xác minh chất lượng của cả bê tông ướt lẫn bê tông cứng

- Trong vài năm gần đây, người ta đã chế tạo được bê tông có cường độ rất cao, cường độ chịu nén

có thể tới 200MPa Mấu chốt của việc đạt cường độ này cũng như độ chắc chắn là đảm bảo cấp phối tốt nhất, sao cho tất cả các lỗ rỗng đều được lấp đầy bằng các hạt mịn cho đến khi không còn

22

lỗ rỗng nữa Trước đây người ta chỉ chú ý tới cấp phối tốt nhất của cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ là đá

và cát Việc lấp đầy các khe hở giữa các hạt nhỏ có thể là các hạt xi măng Poóc lăng, mà sau này phản ứng với nước sẽ tạo lực dính và gắn kết thành khối Trong bê tông CĐC và rất cao, người ta còn tiến thêm một bước nữa là chèn thêm vào khe hở giữa các hạt xi măng Poóc lăng Các loại vật liệu mịn để chèn này có thể là đất Puzolan hạt nhỏ, tro bay, muội silíc, Chúng có thể thay thế một phần cho XM và vẫn giữ nguyên lượng XM tối thiểu và tỉ lệ W/C

2.1.1.2 Theo tỷ trọng của bê tông:

Theo tỷ trọng, bê tông được phân thành

- Bê tông tỷ trọng thường: Là BT có tỷ trọng trong khoảng 2150  2500kG/m3

- Bê tông tỷ trọng thấp: Là BT có chứa cấp phối nhẹ và có tỷ trọng khi khô không vượt quá 1925kG/m3

2.1.2 Các tính chất tức thời (ngắn hạn) của bê tông cứng

- Các tính chất của bê tông xác định từ thí nghiệm phản ánh sự làm việc ngắn hạn khi chịu tải vì các thí nghiệm này thường được thực hiện trong vòng vài phút, khác với tải trọng tác dụng lên công trình có thể kéo dài hàng tháng, thậm chí hàng năm Các thuộc tính ngắn hạn này rất hữu dụng trong đánh giá chất lượng của bê tông và sự làm việc chịu lực ngắn hạn như dưới hoạt tải xe cộ, gió, động đất, Tuy nhiên, những thuộc tính này phải được điều chỉnh khi chúng được sử dụng để đánh giá

sự làm việc dưới tải trọng tác dụng kéo dài (thường xuyên) như trọng lượng bản thân của dầm, lớp phủ mặt cầu, lan can,…

2.1.2.1 Cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi

- Cường độ chịu nén của bê tông được xác định bằng thí nghiệm nén dọc trục phá hoại mẫu trụ tròn

có kích thước (hxd) Ký hiệu cường độ chịu nén của bê tông là fc, ta có:

4/

2 max max

- Hình 2.1 biểu diễn đường cong ứng suất-biến dạng điển hình của mẫu thử hình trụ khi chịu nén dọc trục không có kiềm chế (không có cản trở biến dạng ngang)

23

Hình 2.1 - Đường cong ứng suất-biến dạng parabol điển hình đối với bê tông chịu nén không

có kiềm chế

- Biến dạng tại đỉnh ứng suất nén f c là 'c  0,002 và biến dạng có thể lớn nhất cu  0,003 Một

quan hệ đơn giản đối với bê tông có cường độ nhỏ hơn 40 MPa được đưa ra dưới một hàm bậc hai như sau:

 = là độ biến dạng ứng với ứng suất f c

Quy ước dấu ở đây là ứng suất nén và biến dạng nén mang giá trị âm

- Mô đun đàn hồi của bê tông theo TC 05 độ nghiêng của đường thẳng đi từ gốc toạ độ qua điểm

của đường cong us-bd có ứng suất bằng 0,4 f c Khi bê tông có tỷ trọng từ 1440  2500kG/m3

f = Cường độ chịu nén quy định của bê tông (MPa)

Ví dụ: Đối với bê tông có: c = 2300 kg/m3 và f c = 28 MPa

2.1.2.2 Cường độ chịu kéo

Cường độ chịu kéo của bê tông có thể được đo trực tiếp hoặc gián tiếp Thí nghiệm kéo trực tiếp [hình 2.2(a)] được sử dụng để xác định cường độ nứt của bê tông, đòi hỏi phải có thiết bị đặc biệt (chuyên dụng) Thông thường, người ta tiến hành các thí nghiệm gián tiếp như thí nghiệm uốn phá hoại dầm và thí nghiệm ép chẻ khối trụ Các thí nghiệm này được mô tả trên hình 2.2

Hình 2.2 - Thí nghiệm kéo bê tông trực tiếp và gián tiếp

a) Thí nghiệm kéo trực tiếp b) Thí nghiệm phá hoại dầm c) Thí nghiệm chẻ khối trụ

- Thí nghiệm uốn phá hoại dầm [hình 2.2(b)] đo cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông với một dầm bê tông giản đơn chịu lực như trên hình vẽ Ứng suất kéo lớn nhất ở đáy dầm khi phá hoại gọi

là ứng suất kéo uốn giới hạn, được ký hiệu là f r TC 05 đưa ra các công thức xác định fr như sau: + Đối với bê tông tỷ trọng thông thường ,

.63,

f  (2.3)

25

+ Đối với bê tông cát tỷ trọng thấp ,

.52,

- Cả hai giá trị ứng suất kéo uốn (f r ) và ứng suất kéo chẻ (f sp) đều được xác định lớn hơn so với ứng

suất kéo dọc trục (f cr) được xác định trong thí nghiệm kéo trực tiếp [hình 2.2(a)] Các tác giả Collins

và Mitchell (1991) và Hsu (1993) đưa ra công thức xác định cường độ chịu kéo trực tiếp f cr như sau: 0,33 

- Mô đun đàn hồi của bê tông khi chịu kéo có thể được lấy như khi chịu nén

2.1.3 Các tính chất dài hạn của bê tông cứng

2.1.3.1 Cường độ chịu nén của bê tông theo thời gian

- Tính chất của BT được đặc trưng bởi cường độ chịu nén quy định ở tuổi 28 ngày (f'c) Tuy nhiên trong một số trường hợp, như đối với BTCT DUL thì ta cần phải biết cường độ chịu nén fci và Ecicủa BT ở thời điểm căng cốt thép DUL, cũng như ở các thời điểm khác trong lịch sử chịu tải của kết cấu

- Thông thường, cường độ chịu nén của BT có xu hướng tăng theo thời gian và phụ thuộc vào nhiều tham số như loại XM, điều kiện bảo dưỡng, Có các phương pháp không phá huỷ để xác định cường độ chịu nén, thường bằng con đường gián tiếp thông qua việc xác định trước hết mô đun đàn hồi rồi tính ngược trở lại để tìm cường độ chịu nén Theo một phương pháp khác, người ta đo độ nảy lên của một viên bi bằng thép, viên bi này đã được định kích thước dựa vào độ nảy trên bê tông

đã biết cường độ chịu nén Hiệp hội quốc tế BTCT DUL (FIP) kiến nghị xác định cường độ chịu nén của BT theo thời gian theo biểu đồ có dạng như sau:

26

0,0 0,5 1,0 1,5

3 7 14 28 56 90 180 360 t (ngày)

c

f /f'cBTXM PL th-ờng BTXM PL đông cứng nhanh

+ Theo Branson (1977) thỡ biểu thức xỏc định cường độ chịu nộn của BT theo thời gian cú dạng như sau:

,

t = thời gian tớnh theo ngày;

,  = là hệ số phụ thuộc vào loại XM và điều kiện bảo dưỡng Đối với XM loại I, điều kiện bảo dưỡng ẩm thỡ  = 4,0;  = 0,85 Khi đú:

, 85

- Tiờu chuẩn ASTM (C150) quy định cú 5 lọai XM cơ bản được sản xuất như sau:

+ XM loại I: Là loại chuẩn, được sử dụng trong cỏc cụng trỡnh bỡnh thường, nơi khụng cần phải cú cỏc thuộc tớnh đặc biệt

+ Loại II: Là loại đó được biến đổi, nhiệt thủy húa thấp hơn loại I, loại này thường được sử dụng ở nơi chịu ảnh hưởng vừa phải của sự ăn mũn do sunfat hoặc ở nơi mong muốn cú nhiệt thủy húa vừa phải

+ Loại III: Là loại cú CĐC sớm, được sử dụng khi mong muốn BT đạt CĐC sớm, nhiệt thủy húa cao hơn nhiều so với loại I

+ Loại IV: Là loại tỏa nhiệt thấp, được sử dụng trong cỏc đập BT khối lớn và cỏc kết cấu khỏc mà nhiệt thủy húa giảm chậm

+ Loại V: là loại chịu được sunfat, thường được sử dụng trong cỏc đế múng, tường hầm, cống rónh, , nơi tiếp xỳc với đất chứa sunfat

2.1.3.2 Co ngút của bờ tụng

- KN: Co ngút của bờ tụng là hiện tượng giảm thể tớch dưới nhiệt độ khụng đổi do hơi nước bốc hơi khi bờ tụng đó đụng cứng

- Co ngút thay đổi theo thời gian và nú phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: hàm lượng nước của bờ tụng tươi, vào loại xi măng và cốt liệu được sử dụng, vào điều kiện mụi trường (nhiệt độ, độ ẩm và

27

tốc độ gió) tại thời điểm đổ bê tông, vào quá trình bảo dưỡng, vào lượng cốt thép và vào tỉ số giữa thể tích và diện tích bề mặt cấu kiện

- Có hai loại co ngót cơ bản:

+ Co ngót dẻo: Là loạico ngót xuất hiện trong vòng ít giời đầu tiên sau khi đúc BT tươi trong ván khuôn ở giai đoạn này do phần bề mặt khối bê tông co ngót nhanh hơn và cường độ BT cờn nhỏ 

thường gây ra các vết nứt bề mặt có dạng chân chim Do đó, để hạn chế các vết nứt bề mặt này người ta thường chú ý bảo dưỡng tốt hơn trong những ngày đầu bảo dưỡng bê tông

+ Co ngót khô: Là loại co ngót xuất hiện sau khi BT đã hoàn toàn ninh kết và các phản ứng thủy hóa đã hoàn thành

- Trường hợp BT nằm trong môi trường ẩm ướt và BT chưa bão hòa nước thì nước sẽ thấm vào BT làm tăng thể tích BT  gọi là hiện tượng nở ướt Khi BT đã hoàn toàn bão hòa nước thì sẽ không xảy ra hiện tượng nở ướt

- Co ngót là một quá trình rất phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố TC 05 đưa ra công thức kinh nghiệm để tính biến dạng do co ngót (Trường hợp bảo dưỡng ẩm và cốt liệu không co ngót) như sau:

28

Bảng 2.2 - Hệ số k h đối với độ ẩm tương đối H

Độ ẩm tương đối trung bình của môi

2.1.3.3 Từ biến của bê tông

- Từ biến của BT là hiện tượng tăng biến dạng theo thời gian khi tải trọng không đổi

- Tải trọng không đổi là tải trọng tác dụng lâu dài - dài hạn - thường xuyên lên kết cấu Ví dụ độ võng của dầm, biến dạng dọc trục trong cột tăng theo thời gian khi chúng chịu tác dụng của tải trọng thường xuyên tác dụng lên như trọng lượng bản thân, trọng lượng kết cấu bên trên, Trong dầm BTCT DUL, dưới tác dụng dài lâu của UST làm cho BT bị co lại theo thời gian  làm mất mát ứng suất trong cốt thép DUL

- Sự thay đổi biến dạng theo thời gian cũng phụ thuộc vào các nhân tố có ảnh hưởng đối với biến dạng co ngót, ngoài ra còn phải kể đến độ lớn và khoảng thời gian tồn tại của ứng suất nén, cường

độ chịu nén của bê tông và tuổi của bê tông khi bắt đầu chịu tải trọng dài hạn

- Từ biến của bê tông là một quá trình phức tạp, TC 05 đưa ra công thức kinh nghiệm xác định biến dạng do từ biến như sau:

CR t t, i   t t, i ci (2.7) Trong đó:

t = là tuổi của bê tông tính bằng ngày kể từ thời điểm đổ bê tông;

t i = là tuổi của bê tông tính bằng ngày kể từ khi tải trọng thường xuyên tác dụng

(t, ti) = hệ số từ biến, được xác định như sau:

Hình 2.5 - Hệ số k c đối với tỉ số thể tích/diện tích bề mặt

- Các biện pháp hạn chế từ biến: Cũng có thể làm giảm biến dạng từ biến bằng các biện pháp như làm giảm co ngót, tức là giảm thành phần nước trong hỗn hợp bê tông và giữ cho nhiệt độ tương đối thấp Biến dạng từ biến cũng có thể được giảm bớt nhờ việc bố trí cốt thép ở vùng chịu nén vì phần nội lực nén mà cốt thép chịu không liên quan đến từ biến Trường hợp tải trọng dài hạn tác dụng ở tuổi bê tông lớn, biến dạng từ biến sẽ giảm đi do bê tông trở nên khô hơn và biến dạng ít hơn Điều

này được phản ánh trong công thức 2.8, ở đây giá trị lớn hơn t i đối với tuổi bê tông đã cho t làm

giảm hệ số từ biến (t,t i )

- Ảnh hưởng của từ biến: Cuối cùng, không phải tất cả các ảnh hưởng của biến dạng từ biến đều là

có hại Khi có sự lún khác nhau xảy ra trong một cầu BTCT, đặc tính từ biến của bê tông làm cho ứng suất trong các cấu kiện giảm rõ rệt so với giá trị dự đoán bằng phân tích đàn hồi

2.1.4 Hệ số giãn nở nhiệt và hệ số Poát xông (Poisson)

2.1.4.1 Hệ số giãn nở nhiệt

Khi thiếu các số liệu chính xác, ta có thể lấy hệ số giãn nở nhiệt như sau: (A5.4.2.2)

- Bê tông có tỷ trọng thông thường: c = 1,08.10-5/0C;

- Sự làm việc của cốt thép không dự ứng lực thường được đặc trưng bởi quan hệ ứng suất – biến dạng đối với các thanh cốt thép trần Sự làm việc của cốt thép dự ứng lực là khác nhau đối với bó cáp có dính bám và không có dính bám, điều này khiến chúng ta phải xem xét lại sự làm việc của cốt thép không dự ứng lực được bao bọc bởi bê tông

2.2.1 Cốt thép không dự ứng lực (cốt thép thường)

2.2.1.1 Phân loại cốt thép thường theo AASHTO (ASTM)

- Cốt thép dùng cho kết cấu BTCT theo AASHTO bao gồm các loại: thép thanh tròn trơn hoặc có

gờ, thép sợi (cuộn) tròn trơn và lưới cốt thép hàn

- Để tăng sự dính bám giữa BT và CT, người ta thường tạo gờ quanh cốt thép khi chế tạo  gọi là cốt thép có gờ hay cốt thép tròn đốt Tiêu chuẩn quy định: Cốt thép sử dụng phải là loại có gờ, trừ khi dùng làm cốt thép đai xoắn, móc treo và lưới thép thì có thể sử dụng loại tròn trơn

- Cốt thép được chia làm các cấp khác nhau Các tính chất quan trọng của cốt thép là: Mô đun đàn hồi Es, cường độ chảy fy, cường độ chịu kéo (cường độ phá hoại) fu và các kích thước cơ bản của thanh hoặc sợi thép Giới hạn chảy hay cấp của cốt thép phải được quy định rõ trong hồ sơ của hợp đồng Chỉ được sử dụng thép thanh có giới hạn chảy nhỏ hơn 420MPa khi có sự chấp thuận của chủ đầu tư

- Các kỹ sư có thể sử dụng các loại cốt thép có đường kính tùy theo các cơ sở sản xuất, miễn là đảm bảo các chỉ tiêu cơ lý theo quy định

Theo tiêu chuẩn ASTM A615/A615M, ta có các loại cốt thép hay cấp thép như sau:

31

D32, 36, 43, 57 = 7

32, 36, 43, 57 = 6

Các loại thanh và các giá trị danh nghĩa theo A615M:

Số hiệu thanh Các giá trị danh định

2.2.1.2 Đường cong quan hệ us-bd của cốt thép thường

- Các đường cong ứng suất – biến dạng điển hình đối với cốt thép trần được biểu diễn trên hình 2.7 đối với cấp cốt thép 300, 420 và 520 Sự làm việc của cốt thép trần có thể được chia thành ba giai đoạn, đàn hồi, dẻo và cứng hoá biến dạng (tái bền) Đoạn đàn hồi AB của biểu đồ gần giống như

một đoạn thẳng với mô đun đàn hồi không đổi E s = 200 000 MPa cho tới giới hạn biến dạng đàn hồi

y = f y / E S Đoạn chảy BC được đặc trưng bởi thềm chảy tại ứng suất không đổi f y cho tới lúc bắt

đầu cứng hoá Độ dài của thềm chảy là thước đo tính dẻo và được phân biệt với các cấp thép khác nhau Đoạn cứng hoá biến dạng CDE bắt đầu ở biến dạng h và đạt tới ứng suất lớn nhất f u tại biến dạng u trước khi giảm nhẹ ở biến dạng phá hoại b Ba đoạn của đường cong ứng suất - biến dạng đối với cốt thép trần có thể được mô tả đặc trưng bằng những quan hệ sau

Đoạn đàn hồi AB

f s = s E s 0 sy (2.14)

Đoạn chảy BC

f s = f y ysh (2.15)

Hình 2.7 - Các đường cong ứng suất-biến dạng đối với cốt thép trần dạng thanh

- Như vậy, mô đun đàn hồi của cốt thép là một thông số không đổi Tiêu chuẩn (A5.4.3.2) quy định

mô đun đàn hồi của cốt thép là một trị số không đổi Es = 2.105MPa

- Khi các thanh cốt thép được đặt trong bê tông, sự làm việc của chúng khác với các thanh cốt thép trần Sự khác biệt này là do bê tông có một cường độ chịu kéo nhất định dù khá nhỏ Điều này được thừa nhận sớm, ngay từ khi phát triển cơ học BTCT như trong ý kiến sau đây của Morsch (1908):

Do lực ma sát đối với cốt thép và do cường độ chịu kéo của bê tông tồn tại trong những đoạn cấu kiện nằm giữa các vết nứt, bê tông ngay cả khi đã nứt vẫn làm giảm một phần độ giãn của cốt thép

 Phần bê tông dính bám với cốt thép và không bị nứt làm giảm biến dạng kéo trong cốt thép

2.2.2 Cốt thép dự ứng lực (cốt thép CĐC)

2.2.2.1 Cốt thép DUL theo AASHTO (ASTM)

- Thép DUL có thể dưới dạng dây đơn, tao (gồm một số sợi bện xoắn lại với nhau), cáp (bao gồm nhiều sợi hoặc nhiều tao gộp lại với nhau) và thép thanh CĐC Tiêu chuẩn AASHTO thường dùng 3 loại cốt thép CĐC sau:

+ Thép sợi không bọc khử ứng suất dư hoặc độ tự chùng thấp;

+ Tao cáp không bọc khử ứng suất dư hoặc độ tự chùng thấp;

+ Thép thanh CĐC không bọc

- Theo ASTM A416M và A722, ta có các loại tao cáp và thép thanh DUL như sau:

Vật liệu Loại hoặc cấp thép Đường kính (mm)

Cường độ chịu kéo min, fpu(MPa)

Cường độ chảy min, fpy (MPa)

Tao cáp

thép

1725MPa (Grade 250) 6,35 15,24 1725 85%fpu, ngoại

trừ 90%fpu đối với tao tự chùng thấp

1860MPa (Grade 270) 9,35  15,29 1860

Thép

thanh

Loại 1, tròn trơn 19 35 1035 85%fpu Loại 2, có gờ (tròn

2.2.2.2 Đường cong quan hệ us-bd của cốt thép DUL

34

Hình 2.8 - Quan hệ ứng suất-biến dạng của tao thép 7 sợi được sản xuất theo các quá trình khác

nhau

- Theo Collin và Mitchell (1991) thì biểu thức thể hiện mối quan hệ giữa fps và ps như sau:

Với tao cáp độ tự chùng thấp, fpu = 1860MPa thì:

ps ps

975,0025

,0

- Trong trường hợp cốt thép không dính bám, sự trượt xảy ra giữa cốt thép và bê tông xung quanh

và biến dạng trong cốt thép trở nên đều đặn trong đoạn nằm giữa các điểm neo Biến dạng dài tổng cộng của cốt thép lúc này phải bằng biến dạng dài tổng cộng của bê tông trong đoạn nói trên, tức là

Hình 2.9 - Các đường cong ứng suất-biến dạng điển hình đối với thép dự ứng lực

- Mô đun đàn hồi của cốt thép DUL: Tiêu chuẩn (A5.4.4.2) quy định: Nếu không có các số liệu chính xác hơn, mô đun đàn hồi của cốt thép DUL có thể lấy như sau:

+ Đối với tao thép Ep = 1,97.105MPa

+ Đối với thép thanh Ep = 2,07.105MPa

36

TCVN11823: 2017 (TC cũ 22TCN272-05)

3.1 Giới thiệu chung về Tiêu chuẩn thiết kế cầu TCVN11823: 2017

3.1.1 Vài nét về Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 18 – 1979

Tiêu chuẩn hiện hành để thiết kế cầu ở Việt nam là tiêu chuẩn ngành mang ký hiệu 22 TCN 18–

1979 với tên gọi “Quy trình thiết kế cầu cống theo trạng thái giới hạn” (thường được gọi tắt là Quy trình 79) Tiêu chuẩn này đã được sử dụng trong khoảng một phần tư thế kỷ mà chưa có dịp cập nhật, sửa đổi Nội dung Quy trình này dựa trên Quy trình của Liên xô (cũ) ban hành từ năm 1962 và năm 1967 và có tham khảo Quy trình của Trung quốc năm 1959

Hiện nay, Quy trình nói trên vẫn đang được sử dụng để thiết kế nhiều cầu nhỏ và cầu trung cũng như một vài cầu lớn Nhưng nói chung khi thiết kế các cầu lớn, các nhà thiết kế Việt nam và nước ngoài đã tham khảo và sử dụng một số tiêu chuẩn thiết kế hiện đại hơn, đã được quốc tế công nhận Đặc biệt, trong những trường hợp có tư vấn nước ngoài tham gia dự án thì Tiêu chuẩn Nhật bản (JIS) và Tiêu chuẩn Hoa kỳ (AASHTO) thường được sử dụng nhất

3.1.2 Cơ sở của nội dung Tiêu chuẩn mới TCVN11823: 2017

Bản Tiêu chuẩn thiết kế cầu mang ký hiệu 22 TCN 272-01 (áp dụng từ năm 2001) đã được biên soạn như một phần công việc của dự án của Bộ giao thông vận tải mang tên “Dự án phát triển các Tiêu chuẩn cầu và đường bộ ”

Kết quả của việc nghiên cứu tham khảo đã đưa đến kết luận rằng, hệ thống Tiêu chuẩn AASHTO

(Hiệp hội cầu đường Mỹ) của Hoa kỳ là thích hợp nhất để được chấp thuận áp dụng ở Việt nam Đó

là một hệ thống Tiêu chuẩn hoàn thiện và thống nhất, có thể được cải biên để phù hợp với các điều kiện thực tế ở nước ta Tiêu chuẩn thiết kế cầu mới được dựa trên Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO

LRFD, lần xuất bản thứ hai (1998), theo hệ đơn vị đo quốc tế SI Tiêu chuẩn LRFD (Thiết kế theo

hệ số sức kháng và hệ số tải trọng) ra đời năm 1994, được sửa đổi và xuất bản lần thứ hai năm

1998 Tiêu chuẩn này đã được soạn thảo dựa trên những kiến thức phong phú tích lũy từ nhiều nguồn khác nhau trên khắp thế giới nên có thể được coi là đại diện cho trình độ hiện đại trong hầu hết các lĩnh vực thiết kế cầu vào thời điểm hiện nay

Các tài liệu Việt nam được liệt kê dưới đây đã được tham khảo hoặc là nguồn gốc của các dữ liệu thể hiện các điều kiện thực tế ở Việt nam:

Tiêu chuẩn về thiết kế cầu 22 TCN 18–1979

Tiêu chuẩn về tải trọng gió TCVN 2737 – 1995

37

Tiêu chuẩn về tải trọng do nhiệt TCVN 4088 – 1985

Tiêu chuẩn về thiết kế chống động đất 22 TCN 221 – 1995

Tiêu chuẩn về giao thông đường thủy TCVN 5664 – 1992

3.2 Quan điểm chung về thiết kế

Trong thiết kế các kỹ sư phải kiểm tra độ an toàn và ổn định của phương án khả thi đã được chọn Công tác thiết kế bao gồm việc tính toán nhằm chứng minh cho những người có trách nhiệm thấy rằng mọi tiêu chuẩn tính toán và cấu tạo đều được thoả mãn

Điều kiện để đảm bảo độ an toàn của một công trình là :

Sức kháng của vật liệu  Hiệu ứng của tải trọng

Điều kiện trên phải được xét trên tất cả các bộ phận của kết cấu

Khi nói về sức kháng của vật liệu ta xét khả năng làm việc tối đa của vật liệu mà ta gọi là trạng thái giới hạn(TTGH)

Một trạng thái giới hạn là một trạng thái mà vượt qua nó thì kết cấu hay một bộ phận nào

đó không hoàn thành mục tiêu thiết kế đề ra

Mục tiêu là không vượt quá TTGH, tuy nhiên đó không phải là mục tiêu duy nhất , mà cần xét đến các mục đích quan trọng khác , như chức năng , mỹ quan , tác động đến môi trường và yếu

tố kinh tế Sẽ là không kinh tế nếu thiết kế một cầu mà chẳng có bộ phận nào , chẳng bao giờ bị hư hỏng Do đó cần phải xác định đâu là giới hạn chấp nhận được trong rủi ro của xác suất phá huỷ Việc xác định một miền an toàn chấp nhận được (cường độ lớn hơn bao nhiêu so với hiệu ứng của tải trọng) không dựa trên ý kiến chủ quan của một cá nhân nào mà dựa trên kinh nghiệm của một tập thể Tiêu chuẩn TCVN11823: 2017 có thể đáp ứng được

3.3 Thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng LRFD

Để xét đến sự thay đổi ở cả hai phía của bất đẳng thức trong phương trình 1.1 Phía sức kháng được nhân với một hệ số sức kháng  dựa trên cơ sở thống kê (<=1) Phía tải trọng được nhân lên với hệ

số tải trọng  dựa trên cơ sở thống kê tải trọng,  thường lớn hơn 1 Nếu sức kháng danh định là Rn , tiêu chuẩn an toàn sẽ là:

.Rn ≥ Hiệu ứng của i.Qi (3.2)

Vì phương trình 1.2 chứa cả hệ số tải trọng và hệ số sức kháng nên phương pháp thiết kế được gọi

là thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng ( LRFD)

Hệ số sức kháng  cho trạng thái giới hạn cần xét tới tính phân tán của :

- Tính chất vật liệu

Ưu điểm của LRFD:

- Có xét đến sư biến đổi cả về sức kháng và tải trọng

- Đạt được mức độ an toàn đồng đều cho các TTGH khác nhau và các loại cầu mà không cần phân tích xác suất và thống kê phức tạp

- Phương pháp thiết kế thích hợp

Nhược điểm của LRFD:

- Yêu cầu thay đổi tư duy thiết kế (so với tiêu chuẩn cũ)

- Yêu cầu hiểu biết cơ bản về lý thuyết xác suất và thống kê

- Yêu cầu có các số liệu đầy đủ về thống kê và thuật toán tính xác suất để chỉnh lý hệ số sức kháng trong trường hợp đặc biệt

3.4 Nguyên tắc cơ bản của tiêu chuẩn thiết kế cầu TCVN11823: 2017

3.4.1 Quan điểm thiết kế

Cầu phải được thiết kế để đạt được các mục tiêu: thi công được, an toàn và sử dụng được,

có xét đến các yếu tố: khả năng dễ kiểm tra, tính kinh tế, mỹ quan Khi thiết kế cầu, để đạt được những mục tiêu này, cần phải thỏa mãn các trạng thái giới hạn Kết cấu thiết kế phải có đủ độ dẻo, phải có nhiều đường truyền lực (có tính dư) và tầm quan trọng của nó trong khai thác phải được xét đến

Nguyên tắc cơ bản của tiêu chuẩn TK cầu TCVN11823: 2017 là: Mỗi cấu kiện và liên kết phải thỏa mãn tất cả các TTGH cả tổng thể và cục bộ, được biểu diễn dưới dạng biểu thức sau:

i.i.Qi ≤ Rn (3.3)

Trong đó:

Qi Hiệu ứng tải trọng theo quy định (nội lực do tải hoặc các tác động bên ngoài sinh ra)

i hệ số tải trọng theo thống kê

Rn sức kháng danh định của vật liệu

39

 hệ số sức kháng theo thống kê của sức kháng danh định

Đối với mọi trạng thái giới hạn (trừ TTGHCĐ), hệ số sức kháng  = 1,0

 hệ số điều chỉnh tải trọng, xét đến tính dẻo, tính dư và tầm quan trọng trong khai thác của cầu,

có dạng tổng quát sau:

95,0

Nếu vật liệu không dẻo thì kết cấu sẽ bị phá hoại đột ngột khi bị quá tải  phá hoại giòn

Có thể biến kết cấu BTCT thành dẻo nếu ta bố trí cốt thép một cách hợp lý Nếu ta tuân thủ đầy đủ các quy định của tiêu chuẩn thì các phần tử sẽ có tính dẻo

Các trị số đối với trạng thái giới hạn cường độ:

D ≥ 1,05 cho cấu kiện và liên kết không dẻo

= 1,00 cho các thiết kế thông thường và các chi tiết theo đúng Tiêu chuẩn này

≥ 0,95 cho các cấu kiện và liên kết có tính dẻo, hoặc dùng các biện pháp tăng thêm tính dẻo

2 Tính dư

Tính dư có tầm quan trọng đặc biệt đối với khoảng an toàn của kết cấu cầu Một kết cấu siêu tĩnh được xem là dư thừa vì nó có nhiều liên kết hơn so với yêu cầu cân bằng tĩnh học Các kết cấu có nhiều đường truyền lực và kết cấu liên tục cần được sử dụng trừ khi có những lý do bắt buộc khác Khái niệm nhiều đường truyền lực là tương đương với tính dư thừa Các đường truyền lực đơn hay các kết cấu cầu không dư được khuyến cáo không nên sử dụng

Các bộ phận hoặc cấu kiện chính mà sự hư hỏng của chúng gây ra sập đổ cầu phải được coi là có nguy cơ hư hỏng và hệ kết cấu liên quan không có tính dư, các bộ phận có nguy cơ hư hỏng có thể được xem là phá hoại giòn

40

Các bộ phận hoặc cấu kiện mà sự hư hỏng của chúng không gây nên sập đổ cầu được coi

là không có nguy cơ hư hỏng và hệ kết cấu liên quan là dư

Đối với trạng thái giới hạn cường độ :

R  1,05 cho các bộ phận không dư = 1,00 cho các mức dư thông thường

 0,95 cho các mức dư đặc biệt

3 Tầm quan trọng trong khai thác

Điều quy định này chỉ dùng cho trạng thái giới hạn cường độ và trạng thái giới hạn đặc biệt

Các cầu có thể được xem là có tầm quan trọng trong khai thác nếu chúng nằm trên con đường nối giữa các khu dân cư và bệnh viện hoặc trường học, hay là con đường dành cho lực lượng công an, cứu hỏa và các phương tiện giải cứu đối với nhà ở, cơ quan và các khu công nghiệp Cầu cũng có thể được coi là quan trọng nếu chúng giúp giải quyết tình trạng đi vòng do tắc đường, giúp tiết kiệm thời gian và xăng dầu cho người lao động khi đi làm và trở về nhà Nói tóm lại, khó có thể tìm thấy tình huống mà cầu không được coi là quan trọng trong khai thác Một ví dụ về cầu không quan trọng là cầu trên đường phụ dẫn tới một vùng hẻo lánh được sử dụng không phải quanh năm

Chủ đầu tư có thể công bố một cầu hoặc bất kỳ cấu kiện hoặc liên kết nào của nó là loại cầu quan trọng trong khai thác

Đối với trạng thái giới hạn cường độ và đặc biệt

I  1,05 cho các cầu quan trọng = 1,00 cho các cầu điển hình  0,95 cho các cầu tương đối ít quan trọng

3.4.2 Các trạng thái giới hạn theo TCVN11823: 2017

TTGH là trạng thái mà vượt qua nó kết cấu hay một bộ phận nào đó không hoàn thành được nhiệm

vụ mà thiết kế đề ra Tiêu chuẩn 05 đề cập tới 4 TTGH sau:

3.4.2.1 TTGH sử dụng

- TTGHSD phải xét đến như một biện pháp nhằm hạn chế đối với ứng suất, biến dạng và bề rộng vết nứt dưới điều kiện sử dụng bình thường

3.4.2.2 Trạng thái giới hạn mỏi và phá hoại giòn

Trạng thái giới hạn mỏi phải được xét đến trong tính toán như một biện pháp nhằm hạn chế về biên độ ứng suất do một xe tải thiết kế gây ra với số chu kỳ biên độ ứng suất dự kiến