Phân tích khả năng ứng dụng thép chịu thời tiết trong xây dựng cầu ở khu vực tp hồ chí minh phan thiết

Việc nghiên cứu và ứng dụng thép chịu thời tiết vào trong xây dựng cầu ở nước ta còn hạn chế, do đó một nghiên cứu để đánh giá khả năng ứng dụng của thép này trong xây dựng cầu ở nước ta

HỒ TRUNG THÔNG

PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG THÉP CHỊU THỜI TIẾT TRONG XÂY DỰNG CẦU

Ở KHU VỰC TP HỒ CHÍ MINH – PHAN THIẾT

Chuyên ngành : Xây dựng cầu, hầm

Mã số: 60 58 25

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 09 năm 2012

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS TRẦN VĂN MIỀN

Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS.TS LÊ THỊ BÍCH THỦY

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 08 tháng 09 năm 2012 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 TS TRỊNH VĂN CHÍNH

2 TS ĐẶNG ĐĂNG TÙNG

3 TS TRẦN VĂN MIỀN

4 PGS TS LÊ THỊ BÍCH THỦY

5 TS VĂN HỒNG TẤN

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Hồ Trung Thông MSHV: 10380358 Ngày, tháng, năm sinh: 10/07/1986 Nơi sinh: Quảng Nam Chuyên ngành: Xây dựng cầu, hầm Mã số : 60 58 25

I TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích khả năng ứng dụng thép chịu thời tiết trong xây dựng cầu ở

khu vực TP Hồ Chí Minh – Phan Thiết

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Đề tài nằm trong chương trình nghiên cứu 5 năm về khả năng sử dụng thép chịu thời tiết trong điều kiện Việt Nam do TS Đặng Đăng Tùng chủ trì Trong phạm vi đề tài luận văn Thạc sĩ, mục đích của đề tài bao gồm:

- Tìm hiểu về đặc điểm, tính chất và bản chất của thép chịu thời tiết

- Tìm hiểu về kinh nghiệm nghiên cứu và sử dụng thép chịu thời tiết ở các nước phát triển

- Xây dựng cơ sở dữ liệu các điều kiện môi trường ảnh hưởng đến việc áp dụng thép chịu thời tiết thích hợp với điều kiện khu vực TP Hồ Chí Minh – Phan Thiết

- Đánh giá bước đầu về khả năng ứng dụng thép chịu thời tiết vào trong xây dựng cầu ở khu vực TP Hồ Chí Minh – Phan Thiết

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 29/02/2012

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/08/2012

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất của mình đến thầy giáo hướng dẫn TS Đặng Đăng Tùng, bộ môn Cầu Đường, khoa Kỹ thuật Xây dựng, Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Nhờ những tư vấn, giải thích, kinh nghiệm và những động viên trong suốt quá trình nghiên cứu của thầy đã giúp tác giả hoàn thành được luận văn này

Xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô của trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh đã truyền đạt cho tôi những kiến thức bổ ích trong quá trình học tập tại trường Nhân cơ hội này, tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô của trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng đã cho tôi những kiến thức cơ sở khi tôi theo học chương trình đại học

Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới tập đoàn JFE Steel đã tài trợ mẫu và thiết bị thí nghiệm phục vụ cho quá trình nghiên cứu Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các cơ quan quản lý cầu đường đã cho phép nhóm nghiên cứu thực hiện việc lắp đặt và theo dõi

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới đồng nghiệp và ban lãnh đạo công ty ATC Projects Vietnam đã tạo điều kiện thuận lợi về thời gian cho tôi trong quá trình thực hiện đề tài

Tác giả xin gửi lời cảm ơn gia đình đã luôn khuyến khích, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

ABSTRACT iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH x

CHƯƠNG MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI .1

1 Tính cấp thiết của đề tài .1

2 Mục đích nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẦU THÉP VÀ VẬT LIỆU THÉP DÙNG CHO CẦU 4

1.1 TỔNG QUAN VỀ CẦU THÉP 4

1.1.1 Đặc điểm của vật liệu thép và cầu thép 4

1.1.2 Ưu, khuyết điểm của cầu thép 5

1.1.3 Sơ lược lịch sử phát triển cầu thép 6

1.1.4 Tình hình sử dụng cầu thép ở nước ta 16

1.1.5 Phương hướng phát triển cầu thép 20

1.2 VẬT LIỆU THÉP DÙNG CHO CẦU 20

1.3 VẬT LIỆU THÉP CHỊU THỜI TIẾT 22

1.3.1 Định nghĩa và đặc điểm của thép chịu thời tiết 22

1.3.2 Lịch sử phát triển của thép chịu thời tiết 25

1.3.3 Lợi ích của thép chịu thời tiết 28

1.3.4 Tình hình nghiên cứu và sử dụng cầu thép chịu thời tiết ở các nước trên thế

giới và Việt Nam 30

1.4 NHẬN XÉT VÀ CÁC VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU 37

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT CẦU THÉP CHỊU THỜI TIẾT 38 2.1 BẢN CHẤT THÉP CHỊU THỜI TIẾT 38

2.1.1 Vật liệu thép chịu thời tiết 38

2.1.2 Quá trình phong hóa 40

2.1.3 Thời gian ổn định lớp gỉ 42

2.1.4 Hình thái của lớp gỉ bảo vệ 46

2.2 CÁC CHÚ Ý ĐỐI VỚI CẦU THÉP CHỊU THỜI TIẾT 48

2.2.1 Các chú ý về thiết kế, chi tiết 48

2.2.2 Chế tạo và lắp dựng 51

2.2.3 Kiểm định, giám sát và bảo trì 53

2.3 PHƯƠNG TRÌNH DỰ BÁO ĂN MÒN 54

2.3.1 Phương trình cơ bản 54

2.3.2 Hệ số A và số mũ B 55

2.4 MỨC ĐỘ ẢNH HƯỞNG CÁC THAM SỐ MÔI TRƯỜNG CHO VIỆC SỬ DỤNG THÉP CHỊU THỜI TIẾT TRUYỀN THỐNG 56

2.4.1 Nồng độ muối trong không khí 56

2.4.2 Mối quan hệ giữa lượng muối thổi đến và khoảng cách bờ biển 59

2.4.3 Thời gian ngưng tụ ẩm và nhiệt độ 60

2.4.4 Nồng độ SOx trong không khí 62

2.5 ĐẶC ĐIỂM KHÍ HẬU VIỆT NAM 63

2.6 NHẬN XÉT 64

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CẦU THÉP CHỊU THỜI TIẾT 65

3.1 NGUYÊN TẮC CHỌN CẦU ĐỂ TIẾN HÀNH KHẢO SÁT 65

3.2 PHƯƠNG PHÁP LẮP ĐẶT THÍ NGHIỆM 66

3.3 THU THẬP VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM 72

3.3.1 Các số liệu nhiệt độ, độ ẩm và môi trường 72

3.3.2 Các số liệu bề dày lớp gỉ mẫu thép 73

3.3 NHẬN XÉT 74

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM SƠ BỘ, ĐÁNH GIÁ 75

4.1 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VỀ MÔI TRƯỜNG, ĐÁNH GIÁ 75

4.1.1 Nhiệt độ và độ ẩm 75

4.1.2 Kết quả phân tích mật độ muối và SOx trong không khí 87

4.2 KẾT QUẢ ĐO ĐẠC VÀ ĐÁNH GIÁ MẤT MÁT ĂN MÒN 92

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN , KIẾN NGHỊ 107

5.1 KẾT LUẬN 107

5.2 KIẾN NGHỊ 107

5.3 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI 109

TÀI LIỆU THAM KHẢO 110

PHỤ LỤC 112

TÓM TẮT LÝ LỊCH KHOA HỌC 128

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Thành phần hóa học

Bảng 2.2 Tính chất cơ học của cor-ten A

Bảng 2.3 Tính chất cơ học của cor-ten B

Bảng 2.4 Thành phần hóa học các sản phẩm thép chịu thời tiết

Bảng 2.5 Thông tin về sự phát triển ăn mòn khí quyển của thép chịu thời tiết

truyền thống theo thời gian phơi bày

Bảng 2.6 Phân loại môi trường ăn mòn

Bảng 4.3 Kết quả phân tích mật độ muối và SOx

Bảng 4.4 Tổng hợp các kết quả phân tích muối và SOx

Bảng 4.5 So sánh lượng muối thổi đến

Bảng 4.6 Dự báo ăn mòn đối với mẫu thép 1

Bảng 4.7 Dự báo ăn mòn đối với mẫu thép 2

Bảng 4.8 Dự báo ăn mòn đối với mẫu thép 3

Bảng 4.9 Dự báo ăn mòn đối với mẫu thép 4

Bảng 4.10 Dự báo ăn mòn đối với mẫu thép 5

Bảng 4.11 Dự báo ăn mòn đối với mẫu thép 6

Bảng 5.1 Xác định vị trí lắp đặt thí nghiệm bổ sung

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ

Biểu đồ 1.1 Các nhóm thành phần trong thép

Biểu đồ 1.2 So sánh giữa mất mát ăn mòn thép chịu thời tiết và thép carbon thông

thường

Biểu đồ 1.3 Đường cong ứng suất – biến dạng điển hình

Biểu đồ 1.4 Tình hình sử dụng thép chịu thời tiết ở Nhật Bản

Biểu đồ 2.4 Ảnh hưởng của nồng độ muối trong không khí đến ổn định lớp gỉ bảo

vệ thép chịu thời tiết

Biểu đồ 2.5 Kết quả mất mát ăn mòn ước lượng của thép chịu thời tiết kháng ăn

mòn cao thêm Niken sau 100 năm

Biểu đồ 2.6 Lượng muối biển thổi đến theo phương trình 2.7 và 2.8

Biểu đồ 2.7 Sự biển đổi của tốc độ ăn mòn khí quyển đối với thép chịu thời tiết

truyền thống với hàm lượng SO2 trong khí quyển

Biểu đồ 3.1 Mối quan hệ giữa khoảng cách bờ biển với lượng muối thổi đến

Biểu đồ 4.1 Nhiệt độ và độ ẩm tại cầu A

Biểu đồ 4.2 Nhiệt độ và độ ẩm tại cầu E (cầu thép)

Biểu đồ 4.3 Nhiệt độ và độ ẩm tại cầu C

Biểu đồ 4.4 Nhiệt độ và độ ẩm tại cầu D

Biểu đồ 4.5 Nhiệt độ và độ ẩm tại cầu B

Biểu đồ 4.6 Nhiệt độ và độ ẩm tại cầu E (cầu bê tông)

Biểu đồ 4.7 Biến đổi nhiệt độ trong một ngày tiêu biểu

Biểu đồ 4.8 So sánh nhiệt độ đo được tại các cầu

Biểu đồ 4.9 So sánh độ ẩm đo được tại các cầu

Biểu đồ 4.10 So sánh nhiệt độ đo được tại cầu E (cầu thép và cầu bê tông) Biểu đồ 4.11 So sánh độ ẩm đo được tại cầu E (cầu thép và cầu bê tông) Biểu đồ 4.12 Diễn biến lượng muối biển thổi đến qua các lần đo

Biểu đồ 4.13 So sánh lượng muối thổi đến

Biểu đồ 4.14 Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt trên ở cầu A

Biểu đồ 4.15 Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt dưới ở cầu A

Biểu đồ 4.16 Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt trên ở cầu C

Biểu đồ 4.17 Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt dưới ở cầu C

Biểu đồ 4.18 Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt trên ở cầu D

Biểu đồ 4.19 Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt dưới ở cầu D

Biểu đồ 4.20 Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt trên ở cầu B

Biểu đồ 4.21 Mất mát ăn mòn các mẫu thép mặt dưới ở cầu B

Biểu đồ 4.22 Mất mát ăn mòn dự báo tính cho mẫu thép 1 ở các vị trí cầu Biểu đồ 4.23 Mất mát ăn mòn dự báo tính cho mẫu thép 2 ở các vị trí cầu Biểu đồ 4.24 Mất mát ăn mòn dự báo tính cho mẫu thép 3 ở các vị trí cầu Biểu đồ 4.25 Mất mát ăn mòn dự báo tính cho mẫu thép 4 ở các vị trí cầu Biểu đồ 4.26 Mất mát ăn mòn dự báo tính cho mẫu thép 5 ở các vị trí cầu Biểu đồ 4.27 Mất mát ăn mòn dự báo tính cho mẫu thép 6 ở các vị trí cầu

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Gỉ ở cầu thép Nam Ô, thành phố Đà Nẵng

Hình 1.2 Cầu Coalbrookdale ở Shropshire, Anh (1777-1779)

Hình 1.3 Cầu dây võng bắc qua eo biển Menai, Wales (1819-1826)

Hình 1.4 Cầu Grand Trumk, Niagara

Hình 1.5 Cầu Brooklyn, New York (1867-1883)

Hình 1.6 Cầu Forth, Scotland (1881-1890)

Hình 1.7 Cầu Howrah, Kolkata, Ấn Độ

Hình 1.8 Cầu cảng Sydney, Australia (1923-1932)

Hình 1.9 Cầu George Washington, New York (1931)

Hình 1.10 Cầu Golden Gate, San Francisco (1937)

Hình 1.11 Cầu Stromsund, Thụy Điển (1955)

Hình 1.12 Cầu Long Biên, Hà Nội (1893-1903)

Hình 1.13 Cầu Thăng Long, Hà Nội

Hình 1.14 Cầu Bính, Hải Phòng (2002-2005)

Hình 1.15 cầu Cần Thơ (2004-2010)

Hình 1.16 Cầu Thuận Phước, Đà Nẵng (2003-2009)

Hình 1.17 Cầu Nhật Tân, Hà Nội (đang xây dựng)

Hình 1.18 Bề mặt lớp gỉ của thép chịu thời tiết và thép thường

Hình 1.19 Cầu New River Gorge, West Virginia, Mỹ

Hình 1.20 Cầu Newburgh-Beacon, New York, Mỹ

Hình 1.21 Tác phẩm Angel of the North, Gateshead, Tyne and Wear, Anh

Hình 1.22 Tác phẩm Chicago Picasso, Chicago, Illinois, Mỹ

Hình 1.23 Cầu Chợ Thượng làm bằng thép chịu thời tiết trên tuyến đường sắt Bắc

– Nam

Hình 2.1 Phân vùng khí hậu Việt Nam

Hình 3.1 Vị trí các cầu lắp đặt thí nghiệm

Hình 3.2 Mẫu thép kích thước 50x50x2 mm dùng trong thí nghiệm

Hình 3.3 Giá đỡ mẫu thép thí nghiệm và thiết bị đo đạc thông số môi trường Hình 3.4 Thiết bị đo đạc nhiệt độ và độ ẩm

Hình 3.5 Công tác làm sạch bề mặt dầm cầu

Hình 3.6 Các mẫu thép và thiết bị thí nghiệm sau khi được lắp đặt

Hình 3.7 Lắp nhiệt kế và độ ẩm kế

Hình 3.8 Thiết bị đo mật độ muối và tạp chất trong không khí

Hình 3.9 Dụng cụ hình chông dùng để ngăn chim đậu trên mẫu thép

Hình 3.10 Lắp đặt thí nghiệm theo sơ đồ 1

Hình 3.11 Lắp đặt thí nghiệm theo sơ đồ 2

Hình 3.12 Vị trí lắp đặt theo phương dọc cầu

Hình 3.13 Số liệu nhiệt độ và độ ẩm hiển thị ở chương trình đọc dữ liệu đo Hình 3.14 Máy đo độ dày lớp gỉ hiện trường

Hình 4.1 Các mẫu thép được đo mất mát ăn mòn

Hình 4.2 Đánh số các mẫu thép được đo mất mát ăn mòn

Hình 5.1 Khu vực đề xuất lắp đặt thí nghiệm bổ sung

CHƯƠNG MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

CỦA ĐỀ TÀI - -

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Đất nước ta đang trong quá trình hội nhập và phát triển, nhu cầu xây dựng cơ

sở hạ tầng, đặc biệt là hạ tầng giao thông rất lớn Trong những năm gần đây, hàng loạt các dự án lớn như đường cao tốc, đường quốc lộ, đường vành đai, đường tránh… được triển khai xây dựng ở khắp cả nước

Với đặc điểm địa hình có mật độ sông ngòi dày đặc, nhu cầu xây dựng các công trình cầu rất nhiều Do đó yêu cầu chọn phương án cầu với chi phí thấp nhất, bảo dưỡng ít nhất, tuổi thọ cao, thân thiện với môi trường và mỹ quan là vấn đề rất quan trọng

Theo kinh nghiệm của các nước phát triển, cầu thép sử dụng thép chịu thời tiết đáp ứng được nhiều ưu điểm kể trên đặc biệt là làm giảm chi phí vòng đời cho cầu, tối thiểu công bảo trì và góp phần bảo vệ môi trường

Việc nghiên cứu và ứng dụng thép chịu thời tiết vào trong xây dựng cầu ở nước ta còn hạn chế, do đó một nghiên cứu để đánh giá khả năng ứng dụng của thép này trong xây dựng cầu ở nước ta là thực sự cần thiết

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Đề tài nằm trong chương trình nghiên cứu 5 năm về khả năng sử dụng thép chịu thời tiết trong điều kiện Việt Nam do TS Đặng Đăng Tùng chủ trì Trong phạm vi đề tài luận văn Thạc sĩ, mục đích của đề tài bao gồm:

- Tìm hiểu về đặc điểm, tính chất và bản chất của thép chịu thời tiết

- Tìm hiểu về kinh nghiệm nghiên cứu và sử dụng thép chịu thời tiết ở các nước phát triển

- Xây dựng cơ sở dữ liệu các điều kiện môi trường ảnh hưởng đến việc áp dụng thép chịu thời tiết thích hợp với điều kiện khu vực TP Hồ Chí Minh – Phan Thiết

- Đánh giá bước đầu về khả năng ứng dụng thép chịu thời tiết vào trong xây dựng cầu ở khu vực TP Hồ Chí Minh – Phan Thiết

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các loại thép chịu thời tiết dùng cho kết cấu thượng tầng của cầu bắc qua sông, suối Các loại thép chịu thời tiết gồm thép chịu thời tiết truyền thống và thép chịu thời tiết mới với hàm lượng Niken cao, thích hợp cho môi trường ven biển với hàm lượng muối trong không khí lớn Các loại thép này đã được sử dụng rất thành công ở các nước phát triển

Trong phạm vi một đề tài luận văn Thạc sĩ, đề tài nhằm mục đích xây dựng tổng quan nền tảng và đánh giá hiện tượng, khuynh hướng đối với thép chịu thời tiết làm cơ sở cho những nghiên cứu sâu hơn Khu vực giới hạn nghiên cứu của đề tài là thành phố Hồ Chí Minh – Phan Thiết

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nội dung nghiên cứu của đề tài được giải quyết thông qua một số phương pháp chính sau:

- Thu thập, tổng hợp và phân tích tài liệu tham khảo có liên quan đến cầu thép

và cầu thép chịu thời tiết

- Phân tích và lựa chọn mô hình dự đoán tốc độ ăn mòn thép chịu thời tiết

- Thực hiện thí nghiệm phơi bày đối với thép chịu thời tiết

- Dựa trên cơ sở các tiêu chuẩn đánh giá ăn mòn, mô hình dự đoán tốc độ ăn mòn và các dữ liệu thí nghiệm được thu thập và phân tích Tiến hành đánh giá về khả năng ứng dụng của thép chịu thời tiết vào trong xây dựng cầu ở khu vực TP Hồ Chí Minh – Phan Thiết

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Với đặc tính là dùng lớp gỉ để bảo vệ lớp gỉ thì thép chịu thời tiết được sử dụng rất nhiều trong xây dựng cơ sở hạ tầng, đặc biệt trong xây dựng cầu, trên cơ sở

phát huy đặc tính này thì ở các nước phát triển đã thành công trong việc giảm chi phí duy tu bảo dưỡng các kết cấu có thép, tuy nhiên việc áp dụng thép chịu thời tiết

ở các vùng có lượng muối nhiều hoặc những vùng có độ ẩm cao sẽ làm nảy sinh ra vấn đề thép chịu thời tiết chưa phát huy được tác dụng Do đó việc hiểu về đặc tính của thép chịu thời tiết, sử dụng thép chịu thời tiết trong môi trường thích hợp và các phương pháp duy tu bảo dưỡng thích hợp sẽ góp phần vào xây dựng các công trình cầu với chi phí bảo dưỡng thấp nhất Do đó đề tài rất có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẦU THÉP

VÀ VẬT LIỆU THÉP DÙNG CHO CẦU

- -

1.1 TỔNG QUAN VỀ CẦU THÉP

1.1.1 Đặc điểm của vật liệu thép và cầu thép

Thép là vật liệu hoàn chỉnh được dùng rộng rãi trong tất cả mọi ngành công nghiệp cũng như đời sống hàng ngày và trong ngành xây dựng cầu nói riêng

Thép có tính chịu lực cao với các loại ứng suất: kéo, nén, uốn, cắt…Có thể dùng để chế tạo tất cả các dạng cầu khác nhau: dầm, dàn, vòm, treo… và các hệ liên hợp

Thép có trọng lượng riêng lớn, độ bền cao, trọng lượng bản thân nhẹ do đó

có thể xây dựng được những cầu nhịp rất lớn

Thép có cường độ cao và mô đun đàn hồi lớn – độ cứng lớn, đảm bảo ổn định dưới tác dụng của tải trọng gió và các loại tải trọng có chu kỳ

Về mặt lí hóa, thép có tính đồng nhất cao, dưới ảnh hưởng của nhiệt độ, cường độ và mô đun đàn hồi thay đổi ít nên cầu thường làm việc tốt trong điều kiện nhiệt độ của môi trường biến đổi

Về mặt chế tạo, thép dễ gia công, dễ cắt, rèn đập, đúc cán, hàn nên có thể chế tạo thành nhiều loại hình dạng thích hợp với đặc điểm các loại cầu khác nhau, đồng thời tạo khả năng công nghiệp hóa, tự động hóa chế tạo trong công xưởng nhà máy Thêm vào đó các bộ phận của cầu thép được vận chuyển từ nơi chế tạo đến công trường và công việc lắp ráp có thể cơ giới hóa triệt để, tạo điều kiện đẩy nhanh thời gian xây dựng công trình

Một đặc điểm quan trọng của cầu thép là có nhiều dạng liên kết đáng tin cậy như bu lông, chốt, đinh tán, hàn và dán Các loại liên kết của thép đảm bảo tính lắp

ghép cao, làm cho cầu dễ lắp, dễ tháo có thể dùng được trong các công trình vĩnh cửu, các công trình tạm và các công trình phục vụ quốc phòng

1.1.2 Ưu, khuyết điểm của cầu thép

1.1.2.1 Ưu điểm

Thép là loại vật liệu hoàn chỉnh nhất Nó có tính đồng nhất, đẳng hướng, làm việc hoàn toàn đàn hồi trước khi đạt cường độ chảy, có cường độ chịu nén và chịu kéo cùng cao Thép có độ dự trữ biến dạng và cường độ cao mà các vật liệu khác không có được do đó chịu được ổn định và tải trọng động tốt

Thời gian xây dựng cầu thép nhanh hơn cầu bêtông Nó có thể được lắp dựng

dễ dàng qua sông, suối, thung lũng trong các điều kiện môi trường khác nhau nên giảm giá thành xây dựng

Kết cấu cầu thép có trọng lượng nhẹ nên làm giảm giá thành kết cấu phần dưới Điều này càng có ý nghĩa khi gặp địa chất xấu, nền đất yếu

Kết cấu nhịp cầu thép có thể thiết kế với chiều cao thấp hơn cầu bê tông nên giảm được chiều cao kiến trúc khi sử dụng cầu vượt, cầu trên đường cao tốc…

Cầu thép dễ sửa chữa và sửa chữa nhanh hơn cầu bêtông

1.1.2.2 Khuyết điểm

Gỉ của thép là vấn đề dai dẳng và tốn kém trong việc duy tu bảo dưỡng cầu

Đó là nguyên nhân chính dẫn đến phá hỏng cầu thép

Giá thành sơn cầu thép trong suốt thời gian phục vụ là rất lớn Vấn đề cạo gỉ ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe con người Việc cạo sạch sơn cũ và thu gom các phế thải độc hại vô cùng đắt đỏ, đôi khi giá thành này lại lớn hơn việc bỏ cầu cũ

và xây dựng cầu mới Việc sơn cầu cũng gây nhiều vấn đề khác như làm ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe của con người…

Với những nhược điểm nói trên đã làm giảm sự hấp dẫn phần nào của cầu thép so với cầu bêtông ứng suất trước

Hình 1.1 Gỉ ở cầu thép Nam Ô, thành phố Đà Nẵng 1.1.3 Sơ lược lịch sử phát triển cầu thép

1.1.3.1 Cầu bằng gang

Gang được sử dụng ở châu Âu để xây dựng các khẩu pháo và máy móc vào thế kỷ XVI, nhưng mãi đến cuối thế kỷ XVIII, trong bối cảnh của cuộc cách mạng công nghiệp đầu tiên, gang mới được sử dụng cho kết cấu [21] Chiếc cầu vòm gang đầu tiên trên thế giới là cầu Coalbrookdale nổi tiếng ở hạt Shropshire, Anh, với nhịp dài 30.5 m Cầu này được thiết kế bởi Thomas Pritchard và xây dựng bởi Darby và Wilkinson từ năm 1777 – 1779 Chất lượng của công trình 400 tấn gang này rất tốt, sau hơn 200 năm, cầu này vẫn tồn tại được cho đến bây giờ

Tuy nhiên, cầu Coalbrookdale được xây dựng với những khái niệm của cầu truyền thống bằng đá, như hình dạng vòm bán nguyệt và cấu trúc trên vòm Thomas Telford đã nhận ra rằng nhờ tính chất đặc biệt của gang như trọng lượng nhẹ và cường độ cao có thể cho phép vượt nhịp lớn hơn và phẳng hơn vòm Năm 1796 ông

đã xây dựng cầu Buildwas qua sông Severn ở Shropshire với nhịp vòm 40 m

Hình 1.2 Cầu Coalbrookdale ở Shropshire, Anh (1777-1779)

Trước đó, Tom Paine đã thiết kế cầu bằng gang với nhịp 122 m bắc qua sông Schuylkill ở Philadelphia, đặt hàng từ Yorkshire, Anh Tuy nhiên, dự án bị đình trệ

và khối lượng gang đó đã được dùng để xây dựng cầu dài 72 m bắc qua sông Wear

ở Sunderland cùng thời điểm với cầu Buildwas Những cầu này đã mở đường cho rất nhiều cầu bằng gang khác trong hai thập kỷ đầu của thế kỷ XIX ở Anh và Pháp

Năm 1814 Thomas Telford đã đề xuất cầu treo bắc qua sông Mersey ở Runcorn với nhịp chính 1000 ft (305 m) và hai nhịp biên dài 500 ft Telford hợp tác với Samuel Brown đã tiến hành thí nghiệm với sắt rèn và quyết định rằng cáp làm

từ sắt rèn có thể sử dụng với ứng suất làm việc là 5 tấn trên một inch vuông (77 N/mm2), so với ứng suất làm việc của gang chỉ 1.25 tấn/in2 Cầu Mersey đã không thành hiện thực Tuy nhiên, đề xuất giúp nâng cao hợp tác giữa Anh và Ireland Sau

đó là yêu cầu một chiếc cầu bắc qua eo biển Menai và Telford đã đề xuất cầu treo dây võng với nhịp chính dài 177 m vào năm 1817 Công trình bắt đầu vào năm

1819 và đến năm 1826 chiếc cầu treo bằng gang đầu tiên trên thế giới được hoàn thành Đây cũng là cây cầu đầu tiên trên thế giới bắc qua biển Telford cũng xây dựng cầu dây võng nhịp 100 m ở Conway cùng thời điểm này Sự thành công với hai cây cầu này mang lại một kỷ nguyên mới đối với cầu nhịp lớn

Hình 1.3 Cầu dây võng bắc qua eo biển Menai, Wales (1819-1826)

Tại Hoa Kỳ, việc xây dựng đường sắt bắt đầu vào đầu những năm 1830 Những cây cầu đường sắt đầu tiên được cấp bằng sáng chế chủ yếu là các loại cầu giàn với phần tử nén bằng gỗ và phần tử chịu kéo bằng sắt rèn Kế tiếp theo đó là hệ thống giàn liên hợp bởi những phần tử nén bằng gang đúc và phần tử chịu kéo bằng sắt rèn Loại thứ hai là dạng cầu gỗ với hình dáng vòm cong thoải được tăng cường bởi hệ giàn thanh chéo bằng sắt, đây là dạng sử dụng đầu tiên của sắt vào cầu nhịp lớn ở Mỹ

Trong năm 1848 John Ellet đã xây dựng cầu dây võng với nhịp chính dài

308 m qua sông Ohio ở Wheeling, West Virginia Vào tháng giêng năm 1854, cầu này bị sụp đổ trong một trận bão do sự dao động khí động học Roebling đã nhận ra rằng sự phá hủy của cầu Wheeling là do sự thiếu ổn định chứ không phải do thiếu cường độ Ông cũng nghiên cứu về sự sụp đổ của cầu dây võng vào năm 1850 ở Angers, Pháp dưới một trung đoàn hành quân và ở Licking, Kentucky vào năm

1854 dưới một xe ngựa chở nước Cầu Grand Trunk của ông ở Niagara với nhịp chính 250 m và có hai tầng, tầng trên cho đường sắt và tầng dưới cho đường bộ; giàn tăng cường cao 5.5m được làm bằng gỗ giữa hai bản mặt cầu, đây là dạng dầm tăng cường đầu tiên sử dụng cho cầu dây võng Hệ mặt cầu được chống đỡ bởi bốn cáp chủ đường kính 10 inch (254 mm) bao gồm nhiều sợi sắt rèn song song nhau được bện lại với nhau và cùng chịu kéo

Đây là sự ra đời của cầu treo hiện đại, mà phải được xếp hạng là một trong những phát minh vĩ đại của lịch sử Bản mặt cầu được chống đỡ bởi tháp cầu thông qua 64 dây treo Cầu này được hoàn thành vào năm 1855 Roebling đã chứng minh rằng cầu dây võng có thể mang đường sắt và chứng tỏ tính kinh tế hơn việc xây dựng bằng dầm hộp được xây dựng ở Menai sau đó

Hình 1.4 Cầu Grand Trumk, Niagara

Wye và cầu Saltash qua sông Tamar cho đường sắt Chúng là sự kết hợp của kết cấu dạng vòm và treo Ngoài ra ở Đức, một số cầu đường sắt được xây dựng vào nửa sau của thế kỷ này phải kể đến; hai cầu ở Koln vào năm 1859, với bốn nhịp dài

103 m; cầu ở Mainz xây vào năm 1882 với bốn nhịp dài 105 m

Ở Mỹ, sau kết thúc cuộc nội chiến và sự phát triển xây dựng đường sắt làm cho nhu cầu xây dựng cầu lớn lên Trước nhu cầu kết nối đường sắt ở bang Illinois qua sông Mississippi Eads đã đề xuất xây dựng một cầu vòm kiểu giàn với một nhịp 159 m và hai nhịp 153 m bằng thép Cầu này mang hai làn đường sắt ở tầng 1

và đường bộ ở phía trên và cho đến nay vẫn còn được sử dụng

Năm 1867 John Roebling và con trai Washington bắt đầu xây dựng cầu Brooklyn qua sông Đông kết nối Manhattan và Brooklyn, New York Với nhịp dài

487 m gần gấp đôi những cầu nhịp dài nhất trước đó và nó phải mang hai làn đường sắt, hai làn xe điện, đường bộ và lề đường bộ hành Kết cấu duyên dáng nhưng mạnh mẽ của cầu Brooklyn là mốc thành tích, tầm nhìn và sự quyết tâm của con người

Hình 1.5 Cầu Brooklyn, New York (1867-1883)

Nửa sau của thế kỷ XIX chứng kiến những tiến bộ lớn trong vật liệu, máy móc và lý thuyết xây dựng James Clerk Maxwell, Rankine và các giáo sư xây dựng khác đã phát triển lý thuyết phân tích cáp dây võng, dầm giàn, mômen uốn và lực cắt trong dầm, tính toán độ võng và sự mất ổn định thanh nén Những phát triển này

và sự không phù hợp của cầu dây võng cho đường sắt dẫn đên sự phát triển mạnh của cầu giàn dạng mút thừa, dẫn đầu là cầu Forth nỗi tiếng dành cho đường sắt, cầu này được hoàn thành vào năm 1890 Đây là cầu lớn đầu tiên ở châu Âu được xây dựng bằng thép

Hình 1.6 Cầu Forth, Scotland (1881-1890)

Cầu giàn thép bắt đầu phát triển khắp thế giới Nối tiếp theo cầu Forth ở Scotland là một số cầu như Queenboro bắc qua sông Đông ở New York với nhịp chính dài 360 m; cầu Quebec bắc qua sông St Lawrence, Canada với nhịp chính dài

549 m Một số cầu hẫng nhịp lớn cũng đã được xây dựng ở Mỹ như cầu Commodore, Pennsylvania, nhịp chính 501 m, xây dựng năm 1974; cầu Greater New Orleans, Louisiana, nhịp chính 480 m, xây dựng năm 1958 và East Bay, San Francisco, nhịp chính 427 m, xây dựng năm 1936

Một số ví dụ đáng chú ý của loại cầu này là cầu Howrah ở Kolkata, Ấn Độ với nhịp chính 457 m và tháp chính cao 83 m được làm bằng thép và hoàn thành năm 1943 Cầu Minato ở Osaka, Nhật Bản hoàn thành năm 1974 với nhịp chính

510 m

Hình 1.7 Cầu Howrah, Kolkata, Ấn Độ

Đối với cầu giàn phải kể đến cầu Hell Gate ở New York bắc qua sông Đông với nhịp dài 298 m Được thiết kể bởi Gustav Lindenthal và hoàn thành năm 1916,

nó là cầu dạng vòm hai khớp với các phần tử thép carbon, cầu này mang 4 làn đường sắt

Tiếp đến là cầu cảng Sydney với nhịp chính dài 509 m, được thiết kế bởi Ralph Freeman, xây dựng bởi công ty Dorman Long, Anh và được hoàn thành vào năm 1932 Nó mang bốn làn tàu điện ngầm và đường bộ rộng 17 m với hai lối đi bộ được đỡ bởi hệ giàn ở độ cao 52 m trên mặt nước Chiếc cầu tiêu tốn gần 40,000 tấn thép, được sản xuất ở anh, được chế tạo ở Anh và New South Wales Một số tấm thép và các bộ phận đã phá vỡ các kỷ lục trước đó về độ dày và kích thước

Hình 1.8 Cầu cảng Sydney, Australia (1923-1932)

Kỷ lục tiếp theo được phá vỡ vào năm 1977, cầu giàn thép dài nhất thế giới với nhịp chính dài 511 m đó là cầu Bayonne qua sông Kill Van Kull ở New Jersey

Kỷ lục hiện tại cho cầu vòm thép được nắm giữ bởi cầu qua sông New River Gorge

ở West Virginia với nhịp chính 51 8m, được xây dựng năm 1977

Sự thành công lớn của cầu dây võng ở Brooklyn truyền cảm hứng cho việc xây dựng cầu Williamsburg và Manattan ở New York vào năm 1903 và 1909 Cầu thứ hai được thiết kế bởi Leon Moisseiff có sử dụng lý thuyết biến dạng cho cầu dây võng mới được phát triển bởi Melan và Steinman Sau chiến tranh thế giới thứ

I, hai cầu nữa thuộc loại này được xây dựng là cầu Camden ở Philadelphia vào năm

1926 và Ambassador ở Detroit vào năm 1929 đạt chiều dài nhịp lần lượt là 534 m

và 564 m

Sau đó là bước tiến lớn trong việc xây dựng dạng cầu này ở cầu George Washington qua sông Hudson ở New York Với chiều dài nhịp chính đạt 1067 m, gần gấp đôi kỷ lục trước đó và tháp bằng thép cao gần 183 m, cầu này được hoàn thành vào năm 1931

Hình 1.9 Cầu George Washington, New York (1931)

Năm 1937, cầu Golden Gate ở San Francisco với nhịp chính dài 1280 m cũng được hoàn thành Toàn bộ cầu được sơn bởi một màu đỏ đậm và với kiến trúc đẹp đã tạo nên một cảnh quan rất đẹp ở vịnh San Francisco

Hình 1.10 Cầu Golden Gate, San Francisco (1937)

Năm 1940 cầu Tacoma Narrows ở bang Washington với chiều dài nhịp chính

853 m đã bị sụp đổ không lâu sau khi hoàn thành bởi một trận bão với tốc độ gió chỉ

68 km/h Cầu rộng 11.9 m với hai làn xe, bản mặt cầu dạng dầm bản chứ không phải là dạng giàn như các cầu tương tự trước đó Trước khi xây dựng, thí nghiệm hầm gió đã chỉ ra rằng cầu có khả năng chống lại lực gió tới 193 km/h Thảm họa này đã làm lung lay nền tảng xây dựng cầu, nhưng nó cũng tạo điều kiện để lý thuyết về xây dựng cầu dây võng được hoàn thiện hơn

Ở Châu Âu, đầu thế kỷ XX, Pháp đi theo hướng tìm các hệ giàn dây trong đó các thanh chỉ chịu kéo và làm việc theo sơ đồ không biến dạng hình học Đứng đầu trường phái này là Gisclar, một kỹ sư nỗi tiếng người Pháp Tuy nhiên chỉ vào năm

1938 giáo sư người Đức Dishinbger đã thử thiết kế một cầu treo cho đường sắt đôi

qua sông Elbe gần Hambourg nhịp 750 m Mục đích của ông là đưa các dây cáp căng xiên vào cầu treo để tăng cường độ cứng Dischinger đã dùng các dây cáp tiết diện lớn để đỡ dầm cứng như các gối tựa đàn hồi Đề nghị của Dischinger được thực hiện vào cầu Stromsund ở Thụy điển năm 1955 Cầu có dầm cứng liên tục ba nhịp làm bằng thép hợp kim và các dây văng làm bằng dây cáp cường độ cao, cầu

có nhịp chính 183 m Bản mặt cầu bằng bê tông cốt thép Cầu Stromsund trở thành cầu dây văng lớn nhất thời điểm đó

Hình 1.11 Cầu Stromsund, Thụy Điển (1955)

Cuối thế kỷ XX là cuộc chạy đua về chiều dài nhịp cầu treo và cầu dây văng Các cầu dây văng có nhịp lớn là cầu Scarsundet, Na Uy với nhịp chính 530 m, hoàn thành năm 1991; cầu Nam Phố, Thượng Hải, Trung Quốc với nhịp chính 602 m, hoàn thành năm 1993; cầu Normandie, Pháp với nhịp chính 856 m, hoàn thành năm 1995; cầu Tatara, Nhật Bản với nhịp chính 890 m, hoàn thành năm 1999 Năm 1998 cầu treo Akashi Kaikyo kết nối Honshu và Shikoku, Nhật Bản với nhịp chính

1991 m, dài nhất thế giới

1.1.4 Tình hình sử dụng cầu thép ở nước ta

Ở Việt Nam lịch sử phát triển cầu thép qua nhiều giai đoạn Thời Pháp thuộc, mạng lưới giao thông đường sắt và đường bộ được triển khai, đặc biệt là tuyến đường sắt xuyên Việt (1920-1936), nhiều cầu giàn thép được xây dựng Đặc điểm nổi bậc của cầu thép trong giai đoạn này là khổ hẹp, tải trọng nhẹ, kết cấu theo các dạng cổ điển của các cầu châu Âu vào cuối thế kỷ 19

Một số cầu có kiến trúc đặc biệt như cầu Long Biên với chiều dài toàn cầu

3000 m, trong đó phần giàn thép dài 1860 m, kết cấu theo sơ đồ giàn hẫng, nhịp lớn nhất 130 m, nhịp treo 52.5 m Các cầu khác như cầu Hàm Rồng (Thanh Hóa), cầu Trường Tiền (Huế)…

Hình 1.12 Cầu Long Biên, Hà Nội (1893-1903)

Ở miền Nam, trong thời kỳ chiến tranh Mỹ đầu tư khá nhiều vào giao thông vận tải Một số chiếc cầu thép được xây dựng như cầu Sài Gòn, cầu Bình Triệu, cầu Bình Phước, cầu Tân An, cầu Bến Lức…

Sau ngày đất nước thông nhất, đất nước bước vào thời kỳ mới xây dựng và phát triển đất nước Các cầu thép trên tuyến đường sắt xuyên Việt lần lượt được thay thế, xây dựng mới, trong đó đáng kể là cầu Thăng Long nhịp liên tục 112 m có

2 tầng, cầu Long Đại liên tục 2 nhịp dài 158 m (1976), cầu Chương Dương nhịp 97.6 m (1985)

Hình 1.13 Cầu Thăng Long, Hà Nội

Cầu dây văng được xây dựng từ năm 1976 tại cầu Đắc Krông (Quảng Trị); cầu sông Hàn với nhịp thép quay độc đáo; cầu Bính bắc qua sông Cấm, thành phố Hải Phòng với chiều dài toàn cầu là 1280 m (trong đó phần cầu dây văng là 460 m); cầu Cần Thơ với kết cấu dầm hộp nhịp chính 550 m (trong đó phần dầm hộp thép là

210 m); cầu treo dây võng Thuận Phước (Đà Nẵng) với dầm hộp thép, cầu Nhật Tân bắc qua sông Hồng, thành phố Hà Nội đang được xây dựng, cầu với tổng chiều dài 3.755 m (trong đó phần cầu dây văng với chiều dài 1.500 m với 5 trụ tháp)… là những ví dụ điển hình cho việc dùng thép trong xây dựng cầu ở nước ta trong những năm gần đây

Hình 1.14 Cầu Bính, Hải Phòng (2002-2005)

Hình 1.15 cầu Cần Thơ (2004-2010)

Hình 1.16 Cầu Thuận Phước, Đà Nẵng (2003-2009)

Hình 1.17 Cầu Nhật Tân, Hà Nội (đang xây dựng) 1.1.5 Phương hướng phát triển cầu thép

Qua phân tích một loạt các cầu thép hiện đại đã được xây dựng trên thế giới trong những năm gần đây ta thấy nổi bật 3 phương hướng phát triển như sau:

- Phương hướng 1: sử dụng các loại thép chất lượng cao nhằm giảm giá thành công tác duy tu, bảo dưỡng, một việc làm tốn kém ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng, gây ô nhiễm môi trường

- Phương hướng 2: tiếp tục nghiên cứu, tìm kiếm các hệ liên hợp để vượt nhịp dài, có tính thẫm mỹ cao

- Phương hướng 3: giảm khối lượng và chi phí chế tạo, xây dựng cầu thép

1.2 VẬT LIỆU THÉP DÙNG CHO CẦU

Thép được sử dụng cho xây dựng cầu và kết cấu gồm các thành phần:

(1) Sắt

(2) Một tỷ lệ phần trăm nhỏ carbon và mangan

(3) Tạp chất không thể được hoàn toàn loại bỏ từ quặng, cụ thể là lưu huỳnh

và phốt pho

(4) Một số thành phần hợp kim được thêm vào với lượng nhỏ để cải thiện các thuộc tính của sản phẩm như đồng, silic, niken, crom, molypden, vanadium, columbi và zirconium

Biểu đồ 1.1 Các nhóm thành phần trong thép

Cường độ của thép tăng lên khi tăng hàm lượng carbon, nhưng một số tính chất khác như độ dẻo dai và tính chịu hàn giảm Lưu huỳnh và phốt pho có tác dụng

không mong muốn, do đó hàm lượng của chúng được khống chế [21] Thép sử dụng cho xây dựng cầu có thể được nhóm thành các nhóm chính sau đây:

(1) Thép carbon: chỉ mangan và đôi khi một lượng nhỏ đồng và silic được sử

dụng như là thành phần hợp kim Đây là loại thép rẻ nhất có thể dùng được cho kết cấu, được sử dụng khi mà độ cứng quan trọng hơn là cường

độ Nó có giới hạn chảy tới 275 N/mm2 và có thể hàn được dễ dàng Thép theo tiêu chuẩn châu Âu EN 10025 với cấp S235 và S275, và thép Bắc

Mỹ tới cấp G36 theo AASHTO M270, ASTM A709 và trước đó ASTM

A36 thuộc vào nhóm này

(2) Thép cường độ cao: Loại này gồm các loại thép với giới hạn chảy từ 300

đến 390 N/mm2 Chúng đạt được cường độ cao và các tính chất yêu cầu khác từ việc thêm vào các thành phần hợp kim như đã đề cập ở trên Thép tiêu chuẩn châu Âu EN 10025 với cấp S355, và thép Bắc Mỹ cấp G50 theo AASHTO M270, ASTM A709 và trước đó ASTM A572 thuộc

nhóm này

(3) Thép carbon xử lý nhiệt: Đây là thép có cường độ cao nhất và vẫn giữ lại

tất cả những tính chất cần thiết cho việc xây dựng cầu Chúng đạt được cường độ cao nhờ vào một vài dạng xử lý nhiệt sau khi cán cụ thể là sự chuẩn hóa hoặc sự tôi rèn Thép theo tiêu chuẩn châu Âu EN 10113 cấp S420 và S460 và thép Bắc Mỹ cấp G100 theo AASHTO M270, ASTM

A709 và trước đó ASTM A514 thuộc nhóm này

(4) Thép chịu thời tiết: Sự khác biệt của thép là được sản xuất với sức kháng

ăn mòn khí quyển cao và chúng có thể để lại ngoài môi trường mà không cần sơn trong những tình huống thích hợp Ở châu Âu loại thép này được sản xuất theo EN 10155, với hai cấp S235 và S355 Ở Mỹ, chúng được sản xuất với cấp G50W, G70W và G100W theo AASHTO M270 và ASTM A709; các quy định về ăn mòn theo ISO 9223 Ở Anh, quy định

về thiết kế, thi công và bảo trì thép chịu thời tiết cho cầu theo tiêu chuẩn

BD 7/01 – Thép chịu thời tiết đối với các kết cấu đường bộ, sổ tay hướng

dẫn thiết kế đối với đường bộ và cầu, quyển 2, phần 3; các quy định về ăn

mòn theo ISO 9223 Ở Nhật Bản, thép chịu thời tiết truyền thống được

quy định theo tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản G 3114 SMA (JIS-SMA

Weathering Steel)

1.3 VẬT LIỆU THÉP CHỊU THỜI TIẾT

1.3.1 Định nghĩa và đặc điểm của thép chịu thời tiết

Thép chịu thời tiết (weathering steel) hay thép kháng thời tiết (weather resistant steel) là những thuật ngữ thông thường được sử dụng để mô tả các loại thép với sức kháng ăn mòn khí quyển được cải thiện [5]

Thép chịu thời tiết là thép hợp kim thấp, có cường độ cao, trong môi trường phù hợp sẽ hình thành lớp gỉ bảo vệ chắc chắn để kiềm chế ăn mòn thêm Tốc độ ăn mòn là rất chậm, cầu được chế tạo từ thép chịu thời tiết không sơn có thể đạt đến

120 năm tuổi thọ thiết kế với việc bảo trì chỉ mang tính danh nghĩa [5] Do đó khi dùng loại thép này chúng ta không cần sơn hoặc các biện pháp chống gỉ khác, tiết kiệm được chi phí bảo dưỡng khi sử dụng kết cấu

Thép chịu thời tiết có được những thuộc tính đặc biệt này từ việc pha trộn cẩn thận của các thành phần hợp kim được thêm vào thép trong suốt quá trình sản xuất Hàm lượng carbon thấp và thép ít giòn hơn và có khả năng chịu tải cao hơn trước Thép chịu thời tiết là sự kết hợp của crom, đồng, silic, và phốt pho, hàm lượng phụ thuộc vào thuộc tính được yêu cầu

Với sự hiện diện của độ ẩm và không khí, tất cả các thép hợp kim thấp có xu hướng gỉ, tốc độ của gỉ phụ thuộc vào sự tiếp xúc của oxi, độ ẩm và các tạp chất trong khí quyển đối với bề mặt kim loại Với thép chịu thời tiết, khi quá trình này phát triển, lớp gỉ tạo thành lớp màng oxit để ngăn cản sự xâm nhập của oxi, độ ẩm

và các tạp chất trong khí quyển, do đó tốc độ gỉ chậm lại [5]

Sắt và thép cả hai đều gỉ khi có sự có mặt của không khí và nước, kết quả là sản phẩm của sự ăn mòn, gỉ và sắt oxit Thép không chịu thời tiết (Non-weather-resisting steel) có một lớp oxit tương đối xốp mà có thể dữ ẩm và thúc đẩy sự ăn mòn hơn nữa Sau một thời gian nhất định (phụ thuộc vào điều kiện), lớp gỉ này sẽ

tách khỏi bề mặt kim loại, làm bề mặt kim loại bị phơi bày ra và gây hư hại nhiều hơn nữa Do đó, tốc độ gỉ phát triển như một loạt các đường cong và được xấp xỉ bởi một đường thẳng, độ dốc của nó phụ thuộc vào tính chất xâm thực của môi trường (biểu đồ 1.2)

Biểu đồ 1.2 So sánh giữa mất mát ăn mòn thép chịu thời tiết

và thép carbon thông thường

Với thép chịu thời tiết, quá trình gỉ được bắt đầu theo cùng một cách như các loại thép cacbon thông thường Khi phơi bày ngoài môi trường gỉ hình thành trong giai đoạn đầu với đặc điểm và tốc độ giống với thép cacbon thông thường, nhưng các thành phần hợp kim đặc biệt trong thép tạo nên một lớp gỉ ổn định, bám chặt vào kim loại cơ bản và ít xốp Lớp gỉ “đồng” này phát triển dưới điều kiện ẩm và khô xen kẻ nhau và tạo nên một lớp oxit chống gỉ, ngăn chặn sự thâm nhập của oxi

và hơi ẩm Kết quả là làm giảm tốc độ gỉ của thép như được thể hiện ở biểu đồ 1.2 [5]

Giới hạn chảy cao của thép chịu thời tiết cho phép giảm giá thành nhờ khả năng có thể thiết kế mặt cắt kết cấu mảnh hơn Những loại thép này được thiết kế, chủ yếu cho những ứng dụng không sơn, giảm chi phí bảo dưỡng

Biểu đồ 1.3 Đường cong ứng suất – biến dạng điển hình

cho các loại thép kết cấu

Qua khảo sát bề mặt thép đang khai thác đã cho thấy hiện tượng gỉ rất ít ngay

cả khi kết cấu thép không được sơn hoặc mạ kẽm Thép có thể được khai thác trong một thời gian dài mà hầu như không tốn chi phí bảo dưỡng

Hình 1.18 Bề mặt lớp gỉ của thép chịu thời tiết và thép thường

1.3.2 Lịch sử phát triển của thép chịu thời tiết

Năm 1916, Hiệp hội thí nghiệm vật liệu Hoa Kỳ đã bắt đầu một nghiên cứu

về sự ăn mòn khí quyển của vật liệu

Trong những năm 1930, tập đoàn thép Hoa Kỳ đã khám phá ra thép chịu thời tiết với sức kháng ăn mòn khí quyển lớn trong môi trường công nghiệp và nông thôn bằng cách thêm vào một lượng nhất định đồng, phốt pho và các thành phần hợp kim khác Thép chịu thời tiết được phát triển dưới tên gọi thương mại là cor-ten, chủ yếu được sử dụng cho các toa xe than đường sắt Kiểm soát ăn mòn là tính năng của vật liệu mà được chào đón như là một sản phẩm cho nhu cầu về một loại thép chắc chắn có khả năng chịu đựng được sự khắc nghiệt của các chuyến tàu và ở các mỏ than ở Mỹ Bởi vì độ bền vốn có của nó, thép chịu thời tiết cũng được sử dụng rỗng rãi cho các container Nhưng thép chịu thời tiết không thể hình thành lớp

gỉ bảo vệ và có tốc độ ăn mòn cao hơn trong môi trường với sự có mặt của ion Cl-

Nhiều năm sau, Yamashita khảo sát sự ăn mòn khí quyển của thép chịu thời tiết có chứa một lượng nhất định Crôm được phơi bày trong khí quyển gần biển trong hơn 20 năm và đã nhận thấy rằng lớp gỉ tự nhiên bao gồm hai lớp, lớp bên trong được kết chặt và làm giàu với Crôm [16] Tài liệu báo cáo rằng lớp gỉ bảo vệ này có phần tử (α-(Fe1-X, CrX) OOH) Thí nghiệm đo lường Ion đã chỉ ra rằng lớp gỉ chứa phần tử (α-(Fe1-X, CrX) OOH) có thể ngăn chặn sự xâm hại của Cl-; điều này giúp đẩy nhanh sự hình thành của lớp gỉ chắc chắn

Những ứng dụng kỹ thuật dân sự mà đã xuất hiện vào đầu những năm 1960

đã trực tiếp sử dụng sức kháng ăn mòn được cải thiện để chống ăn mòn Cầu đầu tiên sử dụng vật liệu này được xây dựng ở New Jersey Turnpike vào năm 1964

Thép chịu thời tiết ngày nay đang được sử dụng trong rất nhiều những ứng dụng bao gồm cho cầu, đường sắt, tháp truyền dẫn, ống khói và đóng tàu Một số ví

dụ việc ứng dụng của nó cho các kết cấu lớn như như cầu New River Gorge, West Virginia, Mỹ với vòm dài 518m được xây dựng năm 1974 và hoàn thành năm 1977; nhánh mới của cầu Newburgh-Beacon, New York, Mỹ, nhánh này được xây dựng

vào năm 1972 nhằm giảm tải cho cầu cũ chỉ có hai làn xe; Trung tâm nghệ thuật đương đại Australia (ACCA) được hoàn thành năm 2002

Hình 1.19 Cầu New River Gorge, West Virginia, Mỹ

Hình 1.20 Cầu Newburgh-Beacon, New York, Mỹ

Thép chịu thời tiết cũng được sử dụng phổ biến cho những tác phẩm điêu khắc ngoài trời như tác phẩm Angel of the North ở Gateshead, Tyne and Wear,

Anh; tác phẩm điêu khắc Chicago Picasso ở Chicago, Illinois, Mỹ và cũng như cho mặt tiền của công trình, hay những tác phẩm với diện mạo cổ kính

Hình 1.21 Tác phẩm Angel of the North, Gateshead, Tyne and Wear, Anh

Hình 1.22 Tác phẩm Chicago Picasso, Chicago, Illinois, Mỹ

Ở Việt Nam, cầu thép chịu thời tiết đã được ứng dụng vào cầu Chợ Thượng,

huyện Đức Thọ, tỉnh Hà Tĩnh Cầu này nằm trên tuyến đường sắt Thống Nhất Bắc – Nam sử dụng kết cấu giàn thép chịu thời tiết không sơn do Nhật Bản giúp đỡ xây dựng vào tháng 5 năm 2000

Hình 1.23 Cầu Chợ Thượng làm bằng thép chịu thời tiết

trên tuyến đường sắt Bắc – Nam

1.3.3 Lợi ích của thép chịu thời tiết

Cầu thép thông thường tận dụng những tiến bộ mới nhất trong tự động hóa chế tạo và kỹ thuật xây dựng có thể cung cấp các giải pháp kinh tế đối với các yêu cầu về an toàn, xây dựng nhanh, diện mạo hấp dẫn, chiều cao kết cấu thấp, bảo trì tối thiểu và tính linh hoạt trong sử dụng sau này Cầu thép chịu thời tiết có tất cả những phẩm chất này, nhưng còn cung cấp nhiều lợi ích hơn nữa [5]

Cầu thép chịu thời tiết cũng đã có hồ sơ theo dõi đầy đủ Một nghiên cứu gần đây bởi M.McKenzie chỉ ra rằng những cầu thép chịu thời tiết đã được xây dựng trong vòng 20 năm qua hoạt động rất tốt Qua các hồ sơ đã được ghi nhận, họ đã có kết quả trực tiếp của các lỗi cụ thể như hở mối nối bản mặt cầu chứ không phải là các lỗi do thiếu khả năng chống ăn mòn

Qua kinh nghiệm sử dụng cầu thép chịu thời tiết trên thế giới đã chỉ ra một

số lợi ích đối với loại cầu này bao gồm: