Nghiên cứu công nghệ chế tạo vòm trong xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông (2)

Trọng tâm của chương này là không đi sâu vào cơ sở vật lý của quá trình biến dạng dẻo kim loại mà chủ yếu tìm hiểu về cơ sở cơ học của quá trình biến dạng dẻo như: sự phân bố ứng suất và

CHƯƠNG II

LÝ THUYẾT VỀ CÔNG NGHỆ UỐN NGUỘI

trong các lĩnh vực xây dựng, giao thông vận tải Tuy nhiên việc gia công chế tạo

vòm ống thép nhồi bê tông chưa được nghiên cứu nhiều Quá trình tạo được hình

dáng vòm cong như vậy là nhờ có hiện tượng chảy dẻo của kim loại

Trọng tâm của chương này là không đi sâu vào cơ sở vật lý của quá trình

biến dạng dẻo kim loại mà chủ yếu tìm hiểu về cơ sở cơ học của quá trình biến

dạng dẻo như: sự phân bố ứng suất và biến dạng theo chiều dày phôi thép, lực và

mômen uốn, tính dẻo và trở lực biến dạng, ma sát giữa kim loại và trục uốn Mục

đích nghiên cứu để ứng dụng vào quá trình gia công và chế tạo vòm trong xây

dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông

2.1 Khái quát về gia công biến dạng dẻo kim loại

Ngày nay, các phương pháp gia công kim loại dựa trên sự biến dạng dẻo

của vật liệu ( còn gọi là gia công biến dạng dẻo hay gia công áp lực) đã chiếm một

ví trí quan trọng trong sản xuất cơ khí, luyện kim, đặc biệt trong ngành xây dựng

ở nước ta hiện nay rất được quan tâm là vì tính thanh mảnh, nhẹ của kết cấu thép,

việc gia công được thực hiện trong công xưởng, do đó sẽ giảm giá thành cho công

trình xây dựng nói chung và công trình cầu nói riêng Gia công biến dạng dẻo đã

trở thành một công nghệ khá phổ biến và được phát triển nhanh chóng là vì chúng

có những ưu điểm nổi bật, đó là tiết kiệm nguyên vật liệu, năng suất cao và đặc

biệt là không chỉ tạo ra sản phẩm có hình dáng, kích thước như mong muốn mà

thông qua đó nó còn cải thiện tính chất của vật liệu kim loại.[2]

Hiện nay các công trình xây dựng, đặc biệt là xây dựng cầu vòm ống thép

nhồi bê tông đang được quan tâm Trong các cầu vòm đã xây dựng ở thành phố

Hồ Chí Minh như cầu Ông Lớn, Cầu Xóm Củi, cầu Cần Giuộc, cầu Công Lý …

Phần lớn khi gia công và chế tạo vòm ống thép người ta thường dùng thép tấm

uốn lại thành ống rồi tổ hợp chúng lại thành một cung vòm hoàn chỉnh, hoặc có

thể dùng ống thép nguyên có chiều dài tới 12m hoặc lớn hơn được đúc sẵn trong

nhà máy rồi dùng máy uốn 3 trục để uốn ống thép tạo thành cung vòm Quá trình

gia công ống thép như vậy là dựa trên hiện tượng biến dạng dẻo của kim loại và

được trình bày chi tiết ở phần dưới.[2]

2.2 Các vấn đề cần xem xét đối với một quá trình biến dạng[4]

Trên thực tế có rất nhiều phương pháp biến dạng khác nhau, tuy nhiên dù

một quá trình biến dạng nào cũng hàm chứa 6 khu vực như hình 2.1

Hình 2.1 Hệ thống vấn đề cần xem xét đối với một quá trình biến dạng

Khu vực 1: là vùng (ổ) biến dạng, nghiên cứu ứng xử của vật liệu trong trạng

thái dẻo, xác định ứng suất, biến dạng, tốc độ biến dạng, dòng chảy kim loại, sự

phân bố nhiệt độ

Khu vực 2: tính chất của vật liệu trước khi biến dạng như thành phần hoá học,

cấu trúc tinh thể, các tính chất cơ học, chất lượng bề mặt của vật liệu Những vấn

đề này có ảnh hưởng rất lớn đến ứng xử của vật liệu trong vùng biến dạng và tính

chất của sản phẩm

Khu vực 3: bao gồm các vấn đề chất lượng của sản phẩm sau khi biến dạng, ví

dụ như tổ chức và các tính chất cơ học, chất lượng bề mặt và chất lượng của sản

phẩm

Khu vực 4: là vùng ranh giới giữa vật thể bị biến dạng và dụng cụ biến dạng,

bởi vậy để giải quyết vấn đề này điều cần phải là làm giảm ma sát bằng cách bôi

trơn

Khu vực 5 : để thực hiện quá trình biến dạng dẻo không thể không có dụng

cụ biến dạng, do đó vấn đề về kết cấu, vật liệu, độ chính xác của việc chế tạo dụng

cụ là rất quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc, tuổi thọ của

dụng cụ, chất lượng bề mặt và độ chính xác của sản phẩm tạo ra

Khu vực 6: vùng này có thể xảy ra những phản ứng giữa bề mặt vật thể bị

biến dạng và môi trường xung quanh

2.3 Sự thay đổi tính chất của thép theo thời gian và trong quá trình gia công

Khi uốn nguội tính chất của thép sẽ bị thay đổi, sở dĩ như vậy là trong quá

trình biến dạng dẻo nguội sẽ làm cho cấu trúc tinh thể thay đổi, mật độ khuyết tật

tăng lên dẫn đến độ bền kim loại tăng lên, kích thước và hình dạng của hạt kim

loại cũng như hướng trục của tinh thể thay đổi làm phát sinh ứng suất dư và xuất

hiện những mặt trượt kích thích quá trình hóa già của kim loại

2.3.1 Sự hóa già do biến dạng[6]

Hệ quả của sự hóa già kim loại là làm giảm tính dẻo và nâng cao tính bền

của kim loại (trở lực biến dạng, giới hạn chảy và độ cứng tăng) Vì vậy kim loại

sẽ bị giòn và kém dẻo Xu hướng của sự già hóa này khi biến dạng tùy thuộc vào

thành phần Nitơ tự do chứa trong thép và đặc biệt là cacbon trong nền cứng

(pherit) Trong quá trình già hóa, các nguyên tử cacbon và Nitơ khếch tán và tập

trung vào các vùng biến dạng của mạng tinh thể, xung quanh lệch Điều đó sẽ cản

trở sự di chuyển của lệch và gây khó khăn cho quá trình biến dạng dẻo Sự hóa già

biến dạng xảy ra không đồng đều, trước tiên nó làm tăng độ cứng kim loại tại

vùng có mật độ nguyên tử nitơ và cacbon cao, chủ yếu là ở mặt trượt, tại đây đặc

biệt có nhiều lệch

Với thép cacbon thấp, sự già hóa xảy ra mãnh liệt hơn sau khi biến dạng

dẻo nguội, cường độ của nó tỷ lệ thuận với mức độ biến dạng, nhiệt độ môi

trường xung quanh và thời gian Vì vậy đối với thép cán nguội và ngay cả những

bán thành phẩm, không nên để quá lâu ở trong kho hoặc ở trong công xường, đặc

biệt là khi nhiệt độ tăng lên

Hiện nay người ta đã dùng loại thép không hóa già, những loại thép này

được khử oxy bởi nhôm hoặc chất phụ gia vanadi ( ví dụ: thép 08IO, 08K,

08CIO ) người ta đã chứng minh rằng sự ổn định của loại thép này là do các

liên kết của các nguyên tử nitơ dưới dạng nitơrua bền vững Chính vì vậy, sau khi

uốn nguội sự già hóa do biến dạng hầu như không xảy ra

2.3.2 Mặt trượt [6]

Đối với các chi tiết có yêu cầu cao chất lượng bề mặt, đều đó có nghĩa

quan trọng là khả năng của kim loại giữ được bề mặt bằng phẳng trong quá trình

uốn, không có những mặt trượt là những dấu vết vật lý do biến dạng dẻo cục bộ

gây ra

Mặt trượt xuất hiện trên bề mặt của các chi tiết, như vậy có liên quan đến

tính chất cơ học không đồng đều của phôi thép Sự không đồng đều này là do sự

hóa già trong quá trình biến dạng gây ra Trên bề mặt của chi tiết sau khi uốn có

thể quan sát thấy những phần lồi lõm tương ứng với các mặt trược

Một trong những phương pháp rộng rãi nhất được sử dụng để ngăn ngừa

khả năng xuất hiện của các mặt trượt là tiến hành ép nguội theo chiều dày tấm

thép một lượng biến dạng nhỏ Trị số ép này tùy thuộc vào chiều dày thép tấm

Do các thép tấm ép nguội với lượng ép nhỏ, lệch bị tách khỏi các nguyên

tử nitơ và cacbon đồng thời xảy ra hình thành lệch mới Điều đó làm giảm trở lực

biến dạng của các tinh thể trên bề mặt trượt dẫn đến sự phân bố ứng suất không

đồng đều hơn theo chiều dày của tấm thép, do đó sự chảy của kim loại bắt đầu với

lực nhỏ hơn so với mẫu trước khi ép Tác dụng của việc ép nguội thường rất ngắn,

do đó cần phải tiến hành uốn ngay sau khi ép, vì sau khi ép một thời gian ngắn sẽ

xảy ra sự hóa già biến dạng với cường độ lớn Nếu không tiến hành ngay sẽ làm

mất đi hiệu quả của việc ép

2.3.3 Phát sinh hiện tượng ăn mòn (rỉ)[6]

Trong quá trình biến dạng dẻo nguội kim loại xảy ra sự hóa bền Sự hóa

bền cùng với một số hiện tượng khác là khả năng chống ăn mòn của kim loại

giảm đi

Tuy vậy, do những điều kiện không giống nhau, sự thay đổi hình dạng của

các vùng phôi kề nhau sau khi thôi tác dụng sẽ phát sinh thêm ứng suất tế vi loại

một Những ứng suất dư này khi có sự ăn mòn sâu vào các tính thể sẽ làm suy yếu

liên kết ở biên giới giữa các hạt và có thể gây ra hiện tượng giòn tự phát

2.4 Tính dẻo và trở lực biến dạng của vật liệu kim loại[4]

Trong phần lớn các phương pháp gia công kim loại bằng áp lực, sự làm

việc của thiết bị cùng với các công cụ biến dạng gắn trên nó được thực hiện một

chuyển động thằng đứng Lực do thiết bị sinh ra tác dụng lên vật thể kim loại

thông qua công cụ biến dạng chủ yếu để khắc phục trở lực biến dạng của phôi và

lực ma sát Nếu chúng ta biết được lực biến dạng thì dễ dàng chọn một phương

pháp gia công nào đó thích hợp

Để xác định lực biến dạng cần phải biết trị số và quy luật phân bố ứng suất

trên bề mặt tiếp xúc giữa công cụ biến dạng và vật thể biến dạng Giả sử trong

một phương pháp gia công nào đó trên hình 2.1, AB là mặt tiếp xúc giữa công cụ

biến dạng và vật thể biến dạng, trên bề mặt đó lực biến dạng đặt lên vật thể theo

hướng chuyển động của công cụ biến dạng (hướng c), ứng suất pháp n phân bố

trên bề mặt tiếp xúc theo sơ đồ ab Xét một phân tố diện tích vô cùng nhỏ bất kỳ

trên bề mặt tiếp xúc dFk , lực vuông góc trên phân tố đó là dPn

dPn  n dFk hay P n dF ( 2.1 )

Việc xác định lực biến dạng có ý nghĩa rất quan trọng trong thực tế và là

nhiệm vụ chủ yếu của việc phân tích các quá trình biến dạng Như trình bày ở

công thức trên ta có thể xác định được lực biến dạng nếu như biết trị số và quy

luật phân bố ứng suất trên bề mặt tiếp xúc Nhưng vấn đề này hết sức phức tạp, để

giải được bài toán trên có rất nhiều phương pháp khác nhau như: dựa vào phương

trình vi phân cân bằng kết hợp với điều kiện dẻo, phương pháp đường trượt,

phương pháp trở lực biến dạng, phương pháp cân bằng công, phương pháp định

trị, phương pháp phần tử hữu hạn Ngày nay với sự hổ trợ của máy tính thì việc

này có thể dễ dàng xác định một cách khá chính xác

2.5 Ma sát học giữa vật thể kim loại và con lăn của trục máy uốn[5]

Như đã trình bày ở trên, trong quá trình gia công biến dạng kim loại (hình

2.3) một phần bề mặt kim loại tiếp xúc với con lăn của trục máy uốn, kết quả tạo

ra cặp ma sát tiếp xúc cản trở quá trình chuyển vị của các phần tử kim loại Ma sát

này gọi là ma sát lăn

Lực ma sát phụ thuộc vào chất lượng, đặc tính và trạng thái bề mặt như độ

bằng phẳng Bề mặt còn chịu ảnh hưởng của nhiệt độ sinh ra trong quá trình ma

sát lăn Ma sát vừa là tích cực vừa là tiêu cực, nhờ có ma sát nên khi uốn bề mặt

phôi không bị nhăn, nhưng ma sát làm cản trở vật liệu biến dạng Từ đó nó làm

thay đổi trạng thái ứng suất và gây biến dạng không đều Sự biến dạng không đều

này sẽ phá hủy tính đồng nhất của vật liệu về cấu trúc và tính chất, kể cả quá trình

biến cứng và khử biến cứng

Ngoài ra ma sát còn có những nhược điểm sau : do phải tăng năng lượng để

khắc phục ma sát nên áp lực đơn vị cũng tăng lên, ma sát sẽ làm mài mòn bề mặt

con lăn của máy uốn và phát sinh ra nhiệt độ làm giảm tuổi thọ của dụng cụ biến

dạng Cách xác định lực ma sát cần tham khảo thêm tài liệu kỹ thuật chuyên

ngành

2.6 Sự phân bố ứng suất và biến dạng theo chiều dày phôi uốn [6]

rộng

Uốn là một nguyên công nhằm làm biến đổi từ hình dáng (ban đầu) thẳng

thành một hình dáng cong như mong muốn Nguyên công uốn được thực hiện trên

máy ép trục khuỷu, máy ép thủy, máy uốn tấm chuyên dùng để uốn có kéo và các

máy uốn tự động vạn năng Ta có thể xem sơ đồ uốn trên máy ép trục khuỷu như

hình 2.4

Lực P và Q sẽ tạo ra mômen uốn làm thay đổi hình dáng của phôi Trong

quá trình uốn cong như vậy, các lớp kim loại ở mặt ngoài góc uốn sẽ bị kéo còn

các lớp bên trong thì bị nén lại Khi thực hiện giảm bán kính uốn, biến dạng dẻo

sẽ bao trùm toàn bộ chiều dày phôi Hình dạng của vùng biến dạng dẻo và độ dài

của nó khi uốn một góc  = 90o gần bằng L/4 tay đòn uốn, ta có thể xem hình

dạng và kích thước sau khi uốn của phôi trên hình 2.4

Khi uốn các phôi dải hẹp có tiết diện ngang hình chữ nhật (bề rộng nhỏ) thì

sau khi uốn tiết diện ngang của phôi tại vùng uốn sẽ bị biến dạng và trở thành

hình thang (Hình 2.5) Khi đó chiều dày phôi tại vùng uốn sẽ giảm đi S < S0và khi

bán kính uốn càng nhỏ thì tiết diện ngang của phôi tại vùng uốn có độ cong

ngang

Khi uốn phôi dải rộng (b >> 3S) hoặc có dạng tấm thì tiết diện ngang của

phôi hầu như không thay đổi mà chỉ giảm chiều dày đi một chút (Hình 2.5)

Trạng thái ứng suất tại vùng uốn đặc trưng bởi ứng suất pháp  theo

hướng tiếp tuyến và  theo hướng bán kính Ứng suất  do các thớ dọc phôi ép

lên nhau Ngoài ra còn thành phần Z theo hướng trục khi uốn phôi rộng, ứng suất

này xuất hiện là do biến dạng đàn hồi theo phương ngang (bề rộng) của phôi Khi

uốn phôi dải rộng hầu như biến dạng đàn hồi theo phương ngang không đáng kể

do trở lực theo phương này rất lớn Vì vậy khi đó trạng thái ứng suất là khối còn

trạng thái biến dạng là phẳng

Thành phần ứng suất Z là ứng suất kéo khi ở trong vùng kéo, còn ở vùng

nén nó là ứng suất nén Bề mặt phân chia giữa hai vùng trên gọi là mặt trung hoà

ứng suất Khi uốn phôi dải hẹp thành phần Z  0 (vì biến dạng đàn hồi theo bề

rộng rất nhỏ có thể bỏ qua) Do đó có thể coi là trạng thái ứng suất phẳng

Giá trị và sự phân bố ứng suất trong vùng biến dạng dẻo tuỳ thuộc vào bán

kính uốn phôi, khi bắt đầu uốn thì bán kính lớn nên phôi chỉ biến dạng đàn hồi và

giai đoạn này gọi là giai đoạn uốn đàn hồi được chỉ rõ ở hình 2.6.a

Hình 2.6 Biểu đồ phân bố ứng suất theo chiều dày phôi ở các giai đoạn

Khi chúng ta tiếp tục uốn với bán kính giảm dần thì các lớp kim loại ở xa

tâm phôi bắt đầu biến dạng dẻo Lúc đó ứng suất tiếp tuyến  trong lớp này đạt

đến giá trị ứng suất chảy, giai đoạn này gọi là giai đoạn uốn đàn hồi - dẻo (xem

hình 2.6.b) Quá trình uốn vẫn tiếp tục thì vùng biến dạng dẻo sẽ tăng lên còn

vùng biến dạng đàn hồi giảm đi, khi tỷ số r/S  5 thì hầu như toàn bộ tiết diện

ngang của phôi ở trạng thái dẻo và bắt đầu giai đoạn uốn dẻo hoàn toàn Ở giai

đoạn này xuất hiện rõ rệt sự dịch chuyển của lớp bề mặt trung hoà ứng suất về

phía bị nén của phôi, sự dịch chuyển này càng tăng khi uốn phôi với bán kính

càng nhỏ dần Biểu đồ phân bố ứng suất xem hình 2.6.b

Ở giai đoạn uốn dẻo hoàn toàn do có sự dịch chuyển của lớp trung hoà ứng

suất, vùng biến dạng sẽ tồn tại một vùng biến dạng không đơn điệu Nghĩa là có

những lớp kim loại ở thời điểm trước đó thuộc vùng nén nhưng sau đó lại là vùng

chịu kéo Giữa các lớp này sẽ tồn tại một lớp mà biến dạng nén trước đó sẽ bằng

biến dạng kéo tại thời điểm đang xét, bề mặt trùng với lớp này gọi là mặt trung

hoà biến dạng (hay lớp trung hoà biến dạng) Đặc điểm của lớp trung hoà biến

dạng này là có độ dài bằng độ dài của phôi ban đầu, vì vậy đây là cơ sở tốt nhất để

xác định chiều dài phôi khi uốn

Hình 2.7 Vị trí của lớp trung hoà biến

dạng

Hình 2.8 Sơ đồ xác định moment uốn

Bán kính cong của lớp trung hoà (hình 2.7) được xác định tuỳ thuộc vào

mức độ biến dạng và loại vật liệu khi uốn Những đặc trưng về năng lượng khi

uốn (như mômen uốn, lực biến dạng ) cũng như biến dạng đàn hồi của phôi (xuất

hiện sau khi dỡ tải tác dụng) được xác định một cách gần đúng, với một giai đoạn

nhất định của quá trình uốn có liên quan đến mức độ thay đổi bán kính uốn là

trạng thái ứng suất biến dạng của ổ biến dạng (con lăn máy uốn), trị số ứng suất

và bán kính uốn cong của bề mặt trung hoà

2.7 Mômen uốn [6]

2.7.1 Uốn dẻo hoàn toàn

Mômen cần thiết để uốn phôi được xác định bằng tổng mômen sinh ra tại

vùng kéo và vùng nén do các ứng suất tiếp  đối với tâm uốn (hình 2.8)

us

k

.)(

   ) ( 2.2 ) Trong đó:

b: bề rộng của phôi thép

R, r : bán kính ngoài và bán kính trong của phôi thép tại góc uốn

us: bán kính cong của lớp trung hoà ứng suất

Nếu giả thiết rằng ở giai đoạn uốn dẻo hoàn toàn với phôi dải rộng, ứng

suất  tại vùng kéo và vùng nén không đổi trên toàn bộ chiều dày phôi thép và

do đó:

us  r + 0,5.S  0,5(R+r), khi đó mômen uốn sẽ là:

M  .b S

S r

)(

W: mômen chống uốn của phôi thép

s : ứng suất chảy dẻo của phôi thép

  1  1,15 hệ số quy đổi tính đến ảnh hưởng của ứng suất trung bình đến

bước chuyển quy ước của kim loại ở trạng thái dẻo, hệ số này đạt giá trị lớn nhất ở

trạng thái biến dạng phẳng

Ở giai đoạn uốn dẻo hoàn toàn với trạng thái biến dạng khối thì ứng suất 

thay đổi trên chiều dày của phôi thép và bề mặt trung hoà ứng suất dịch chuyển về

thớ nén Tuy nhiên mômen uốn vẫn không thay đổi và được xác định theo công

thức (2.3), do đó trạng thái ứng suất tại ổ biến dạng khi uốn cũng như vị trí của

lớp trung hoà ứng suất sẽ không ảnh hưởng đến giá trị của mômen uốn Trong giai

đoạn này xảy ra sự giảm đi chiều dày thép ở tại vùng biến dạng, điều đó có nghĩa

là sẽ làm giảm giá trị mômen uốn Mức độ càng giảm khi uốn với bán kính nhỏ

Nếu r  S thì mômen uốn sẽ giảm khoảng  10%

Công thức để xác định mômen uốn khi uốn dẻo hoàn toàn với trạng thái

biến dạng khối và nếu tính đến sự hoá bền của kim loại thì ta có công thức tính

2 2 2

2 2

r R r

R r

R r

R

b s

Trong đó  là môđun hoá bền, nếu uốn kim loại không hoá bền   0 thì

công thức trên trở thành công thức ( 2.4 )

2.7.2 Uốn đàn hồi - dẻo

Giai đoạn uốn đàn hồi – dẻo (hình 5a) khi vùng biến dạng đàn hồi đáng kể (có tính khả ước) so với vùng biến dạng dẻo thì mômen tác dụng

tại vùng đàn hồi và vùng dẻo như sau: