Nghiên cứu công nghệ xử lý nhiệt khi hàn dầm chữ I kích thước lớn

Nghiên cứu công nghệ xử lý nhiệt khi hàn dầm chữ I kích thước lớn Nghiên cứu công nghệ xử lý nhiệt khi hàn dầm chữ I kích thước lớn Nghiên cứu công nghệ xử lý nhiệt khi hàn dầm chữ I kích thước lớn luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS NGUYỄN THÚC HÀ

Hà Nội – 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu công nghệ xử lý nhiệt khi hàn dầm chữ I

kích thước lớn” này là công trình nghiên cứu của tôi và nó chưa hề được công bố, hoặc

trình bày trên bất kỳ bài báo hay tạp trí khoa học nào của các tác giả trong nước

Tác giả luận văn

Đỗ Vinh Quang

L ỜI CẢM ƠN

Để hoàn thanh luận văn này, ngoài sự cố gắng của bản thân, tác giả đã nhận được

sự giúp đỡ của nhiều tập thể, cá nhân trong và ngoài trường

Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và sự biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguy ễn Thúc Hà,

người luôn tận tình hướng dẫn, động viên và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới các Ban lãnh đạo Viện Cơ Khí, Viện Đào tạo Sau đại

học và Bộ môn Hàn và Công nghệ Kim loại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu

Trong quá trình làm đề tài, tôi nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của cán bộ công nhân viên, đội ngũ kỹ sư, giám sát và tư vấn của công ty TNHH Kết Cấu Thép MitSui Thăng Long

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới những người thân trong gia đình, bạn bè và đồng nghiệp, những người luôn bên tôi, động viên tôi trong quá trình học cao học và hoàn thiện luận văn

Cuối cùng, tôi cũng xin cám ơn các anh chị trong lớp Cao Học khóa 2011B – Công nghệ Hàn trường Đại Học Bác Khoa Hà Nội đã hỗ trợ tôi nhiều trong quá trình thực

hiện đề tài

M ỤC LỤC

Trang

TRANG PHỤ BÌA……… ………1

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 3

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 6

Danh mục các bảng 7

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 8

PHẦN MỞ ĐẦU 10

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ DẦM 12

1.1 Khái niệm 12

1.2 Đặc điểm và phân loại 12

1.3 Sơ lược về dầm hàn và ứng dụng của dầm hàn trong kết cấu thép 14

1.4 Cấu tạo của dầm chữ I 18

1.5 Quy trình chế tạo dầm hàn chữ I 18

1.6 Mục đích, ý nghĩa của việc giảm ứng suất và biến dạng hàn 21

CHƯƠNG II KHẢO SÁT VỀ CÔNG NGHỀ CHẾ TẠO DẦM CHÍNH NHẬT TÂN 23

2.1 Giới thiệu chung về cầu Nhật Tân 23

2.2 Cấu tạo dầm cầu Nhật Tân 24

2.2.1 Thành phần hóa học của các loại thép trong dầm GB3WS 26

2.2.2 Cơ tính của các loại thép trong dầm GB3WS 26

2.2.3 Các mác thép tương đương 27

2.2.4 Quy trình hàn 27

2.4.2 Thiết bị hàn 33

2.4.3 Nghiên cứu công nghệ hàn dầm chính cầu Nhật Tân 36

2.5 Kết luận 42

CHƯƠNG III ỨNG SUẤT, BIẾN DẠNG CỦA DẦM CHÍNH CẦU NHẬT TÂN VÀ CÁC BIỆN PHÁP HẠN CHẾ 43

3.1 Ứng suất và biến dạng của dầm chính cầu Nhật Tân 43

3.1.1 Ứng suất và biến dạng do co ngang gây ra 43

3.1.2 Xác định tiết diện vùng ứng suất tác động của bản cánh trên do cặp mối hàn góc gây ra 45

3.1.3 Xác định tiết diện vùng ứng suất tác động của bản cánh dưới do 1 mối hàn góc gây ra 48

3.1.4 Ứng suất và biến dạng do co dọc gây ra 50

3.1.5 Tính toán độ võng dư của các phương án hàn nối cánh với bụng 52

3.1.6 Các biện pháp hạn chế ứng suất và biến dạng hàn cho dầm chính cầu Nhật Tân 65 3.1.7 Biện pháp kết cấu 65

3.1.8 Biện pháp công nghệ 68

3.1.9 Biện pháp công nghệ sau khi hàn 69

3.2 Kết luận 70

CHƯƠNG IV CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NHIỆT KHI HÀN DẦM CHÍNH CẦU NHẬT TÂN 71

4.1 Công nghệ xử lý nhiệt trước khi hàn 71

4.1.1 Mục đích 71

4.1.2 Phương pháp 71

4.1.3 Xác định nhiệt độ nung nóng sơ bộ 72

4.1.4 Công nghệ xử lý nhiệt trước khi hàn 73

4.2 Công nghệ xử lý nhiệt trong khi hàn 77

4.2.1 Xác định nhiệt độ lớn nhất giữa các lớp hàn (maximum interpass Temperature) 77

4.2.2 Kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn 78

4.3 Xử lý nhiệt sau khi hàn 78

4.3.1 Mục đích 78

4.3.2 Nghiên cứu công nghệ nắn nhiệt 79

4.3.3 Xử lý biến dạng dư giữa bụng và bản cánh sau khi hàn 86

4.4 Quy trình xử lý nhiệt cho dầm chính cầu Nhật Tân 89

4.4.1 Kiến thức cơ bản về hỏa công 89

4.4.2 Chuẩn bị 91

4.4.3 Kỹ thuật nắn dầm GB3WS 92

4.4.4 Kiểm tra kích thước sau hỏa công dầm GB3WS 94

CHƯƠNG V.KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 98

TÀI LIỆU THAM KHẢO 98

Phụ lục 1: Bản vẽ dầm GB3WS 100

Phụ lục 2: Bản vẽ đồ gá hàn 102

Phụ lục 3: Quy trình chế tạo 103

Phụ lục 4: Quy trình hàn 105

Phụ lục 5: Mỏ hỏa công HD310C 113

Danh m ục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Ký hiệu Đơn vị Nội Dung

q d Calo/cm Năng lượng đường

b n mm Vùng ứng suất tác động

Σδ cm Tổng chiều dày truyền nhiệt

σ T Kg/cm 2 Ứng suất kéo toàn phần ở vùng ứng suất tác động

E MPa Môđun đàn hồi vật liệu

T P oC Nhiệt độ nung nóng sơ bộ

FCAW Flux core arc welding : Hàn hồ quang dây lõi thuốc

Danh m ục các bảng

Bảng 1.1: Bán kính cong và độ võng yêu cầu khi nắn và uốn các chi tiết thép 26

Bảng 2.1: Thành phần hóa học của thép 26

Bảng 2.2: Cơ tính của thép 26

Bảng 2.3: Các mác thép tương đương 27

Bảng 2.4: Sơ bộ quy trình hàn áp dụng cho hàn dầm chính cầu Nhật Tân 28

Bảng 2.5: Vật liệu hàn theo khuyến cáo của nhà thầu chính 28

Bảng 2.6: Vật liệu hàn thực tế 29

Bảng 2.7: Bảng thông số của máy hàn OTC XD500 34

Bảng 2.8: Bảng thông số của đầu hàn Handy Carriage I-D 35

Bảng 3.1 : Bảng so sánh độ võng trường hợp hàn lần lượt từng mối hàn 63

Bảng 3.2 : Bảng so sánh độ võng trường hợp hàn đồng thời từng cặp mối hàn 64

Bảng 4.1: Nhiệt độ nung nóng sơ bộ và nhiệt độ tối thiểu giữa các lớp hàn 73

Bảng 4.2: Thông số của súng đo nhiệt độ IR-HI 76

Bảng 4.3: Bảng so sánh nắn bằng ngọn lửa với Inductor 84

Bảng 4.4: Nhiệt độ tối đa cho nắn dạng dầm chính cầu Nhật Tân 87

Bảng 4.5: Bảng các kích cỡ bép hỏa công của Victor Professional 88

Bảng 4.6: Chuyển vị mép bản cánh trên sau khi hỏa công (đo tại 03 điểm) 95

Bảng 4.7: Chuyển vị mép bản cánh dưới sau khi hỏa công (đo tại 03 điểm) 95

Bảng 4.8: Dung sai cho phép trong chế tạo dầm chính cầu Nhật Tân [6] 96

Danh m ục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1 1 : Các loại dầm hình 12

Hình 1.2: Các loại dầm tổ hợp (dầm hàn – dầm đinh tán) 13

Hình 1.3: Dầm hộp 14

Hình 1.4: Dầm cầu thép 14

Hình 1.5: Dầm I kích thước lớn 17

Hình 1.6: Dầm hàn cho kết cấu cầu thép 17

Hình 1.7: Sơ đồ quy trình chế tạo kết cấu dầm chữ I 19

Hình 1.8: Cán phẳng phôi 20

Hình 1.9: Máy cắt giàn song song 21

Hình 2.1: Mô hình cầu Nhật Tân kiểu dây văng, dẻ quạt 24

Hình 2.2: Kết cấu dầm chính cầu Nhật Tân 25

Hình 2.3: Kết cấu dầm ngang cầu Nhật Tân 25

Hình 2.4: Vật liệu hàn sử dụng cho dầm chính (phía bên trong) 30

Hình 2.5: Vật liệu hàn sử dụng cho dầm chính (phía bên ngoài) 30

Hình 2.6: Đồ gá gá lắp 32

Hình 2.7: Đồ gá hàn 33

Hình 2.8: Máy hàn OTC XD500 34

Hình 2.9: Đầu hàn Handy Carriage I-D 36

Hình 2.10: Thứ tự hàn dầm chính Nhật Tân 37

Hình 2.11: Hàn dầm chính sử dụng dầu hàn Handy Carriage I-D 38

Hình 2.12 Dạng liên kết hàn của mối hàn giữa bản bụng với bản cánh trên 38

Hình 2.13 Dạng liên kết hàn của mối hàn giữa bản bụng với bản cánh dưới 42

Hình 3.1: Góc biến dạng của tấm cánh khi hàn liên kết chữ T 43

Hình 3.2: Sơ đồ vùng ứng suất tác động do cặp mối hàn gây ra 45

Hình 3.3: Sơ đồ vùng ứng suất tác động do cặp mối hàn gây ra 48

Hình 3.4 : Biểu đồ ứng suất khi hàn liên kết chữ I 51

Hình 3.5 : Các phương án hàn dầm chữ I 52

Hình 3.6 : Phương án hàn dầm theo trường hợp a,b 53

Hình 3.7 : Khoảng cách yo 54

Hình 3.8 : Trình tự hàn 58

Hình 3.9 : Tư thế hàn sấp ( hàn lòng máng) của liên kết chữ T 59

Hình 3.10: Trình tự hàn 60

Hình 3.11 : Trình tự hàn 61

Hình 3 12: Mối hàn gần trục trung hòa 66

Hình 3 13: Trình tự hàn cho mối hàn vát mép hai phía 66

Hình 3 14: Cân bằng mối hàn quanh trục trung hòa 67

Hình 3 15: Tạo góc nghiêng khi gá 67

Hình 3.16: Mối hàn không liên tục 68

Hình 3.17: Sử dụng số lớp hàn ít nhất có thể 68

Hình 3.18: Kỹ thuật hàn phân đoạn nghịch 69

Hình 4.1: Phân loại vùng của thép 72

Hình 4.2: Kích thước khu vực cần nung nóng sơ bộ 73

Hình 4.3: Phấn đo nhiệt 75

Hình 4.4: Súng đo nhiệt của hãng Chino 75

Hình 4.5: Nắn thẳng bằng nhiệt 80

Hình4.6: Mô hình nắn nhiệt và các phương lực 81

Hình 4.7: Biện pháp sử dụng thanh thẳng 82

Hình 4.8: Quá trình hạ nhiệt khi dùng Inductor 83

Hình 4.9: Thiết bị Terac Inducutor 85

Hình 4.10 Chiều rộng vùng nung nóng 87

Hình 4.11: Đặc tính của ngọn lửa hỏa công 91

Hình 4.12: Mỏ hỏa công 91

Hình 4.13: Vị trí đường hỏa công 92

PH ẦN MỞ ĐẦU

 Lý do chọn đề tài:

Công nghiệp hóa, hiện đại hóa là chiến lược dài hạn của Việt Nam với mục tiêu là đến năm 2020 sẽ trở thành một nước công nghiệp hiện đại Song song với sự phát triển của nền công nghiệp, xây dựng cơ sở hạ tầng cũng được chú trọng

Ngày 07-03-2009, Hà Nội đã khởi công xây dựng Cầu Nhật Tân và đường hai đầu cầu Dự án cầu Nhật Tân được xác định là một trong những công trình giao thông trọng điểm của thủ đô không chỉ có ý nghĩa lớn về kinh tế mà còn có ý nghĩa chính trị, xã hội quan trọng Công trình hoàn thành sẽ kết nối trung tâm thành phố với các khu công nghiệp ở phía Bắc như Bắc Thăng Long - Vân Trì, Đông Anh - Cổ Loa, Gia Lâm - Sài Đồng-Yên Viên, đồng thời hoàn thiện tuyến đường vành đai 2 và rút ngắn tuyến đường

từ trung tâm đến sân bay Quốc tế Nội Bài Với quy mô lớn, công nghệ thi công tiên tiến, hiện đại, kết cấu đặc biệt- cầu dây văng 2 mặt phẳng dây, cầu Nhật Tân khi hoàn thành sẽ trở thành một điểm nhấn kiến trúc, một biểu tượng mới của thủ đô Hà Nội Phần chính của cầu Nhật Tân là tổ hợp các dầm hàn chữ I có kích thước lớn, bao gồm dầm chính, dầm ngang và các thanh giằng liên kết Dầm chính có chiều cao 3m, chiều dài 12m Chất lượng của các dầm hàn lớn như vậy phụ thuộc rất nhiều vào quá trình thực hiện công việc hàn Quy trình sản xuất hiện đại dù có rất nhiều thiết bị, đồ gá hiện đại nhưng vẫn tồn tại ứng suất dư và biến dạng hàn, đặc biệt là khi hàn các dầm chính và dầm ngang Kết cấu dầm chính, dầm ngang cầu Nhật Tân là dầm chữ I kích

thước lớn Nhận thức được điều đó, tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu công nghệ

xử lý nhiệt khi hàn dầm chữ I kích thước lớn ” để làm đề tài nghiên cứu của Luận

Nghiên cứu, tính toán và xây dựng quy trình hàn và đồ gá hàn khi hàn dầm chữ I kích thước lớn

Nghiên cứu và tính toán ứng suất dư và biến dạng khi hàn dầm chữ I kích thước lớn Xây dựng các quy trình xử lý nhiệt trước, trong và sau khi hàn dầm chữ I kích thước lớn nhằm giảm ứng suất dư và biến dạng khi hàn dầm chữ I kích thước lớn

- Đối tượng nghiên cứu: Các dầm hàn chữ I kích thước lớn trong hệ thống kết

cấu cầu dầm, cầu dây văng, cầu tạm đang được chế tạo và thi công tại Việt Nam

- Ph ạm vi nghiên cứu: Công nghệ xử lý nhiệt khi hàn dầm chính, dầm ngang cầu

Nhật Tân

 Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

Áp dụng vào thực tế chế tạo dầm chính và dầm ngang cầu Nhật Tân, làm giảm biến

dạng khi hàn dầm, đạt yêu cầu về chất lượng của chủ đầu tư đề ra.Hiện tại, toàn bộ kết

cấu thép của một nhịp cầu Nhật Tân được sản xuất tại Mitsui Thăng Long đã được chủ đầu tư, nhà thầu chính Nhật Bản – IHI và đơn vị tư vấn nghiệm thu và giao nhận hàng

Việc nghiên cứu quy trình xử lý nhiệt khi hàn dầm chữ I kích thước lớn có ý nghĩa quan trọng đối với các cơ quan, công ty chuyên về sản xuất, chế tạo kết cấu thép nói chung và trong việc xây dựng, thi công các cây cầu hiện đại ở Việt Nam sau này

 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ DẦM 1.1 Khái ni ệm

Dầm là loại kết cấu rất phổ biến trong nhiều thiết bị, máy móc, đặc biệt là trong lĩnh vực xây dựng, giao thông Ví dụ dầm cầu trục, cầu thép, toa xe, sàn công tác, khung nhà thép, vỏ tàu thủy, khung máy, bệ máy,

Về chức năng dầm làm việc chống uốn ngang là chủ yếu Thông thường nó nhận tải từ các phần tử khác và chuyển xuống các gối tựa ( tức là phần đỡ dầm)

1.2 Đặc điểm và phân loại

Theo cấu tạo tiết diện ngang dầm có thể chia làm hai loại: dầm hình và dầm tổ hợp

Dầm hình là dầm từ một loại thép hình phổ thông như thép I, thép U, thép góc hoặc các loại thép hình thành mỏng chuyên dụng khác Dầm từ thép chữ I có tiết diện đối xứng, mômen chống uốn (Wx ) rất lớn, dùng hợp lý đối với các trường hợp chịu uốn phẳng như dầm cầu, dầm sàn công tác, dầm cầu trục, v v

Hình 1.1 : Các loại dầm hình Dầm từ thép chữ U có tiết diện không đối xứng nên khi chịu uốn phẳng dễ bị xoắn Tuy nhiên dầm chữ U ( đặc biệt loại cánh rộng) có khả năng chịu uốn xiên tốt và rất dễ liên kết với các bộ phận khác của kết cấu nên thường được dùng làm khung vỏ tàu, xà gồ, sườn máy bay, toa tàu, hoặc dầm công tác với nhịp và tải trọng bé

Dầm từ thép chữ U có tiết diện không đối xứng nên khi chịu uốn phẳng dễ bị xoắn Tuy nhiên dầm chữ U ( đặc biệt loại cánh rộng) có khả năng chịu uốn xiên tốt và rất dễ liên kết với các bộ phận khác của kết cấu nên thường được dùng làm khung vỏ tàu, xà gồ, sườn máy bay, toa tàu, hoặc dầm công tác với nhịp và tải trọng bé

Do hạn chế về công nghệ cán, các thép hình cán nóng thường có bề dày bản bụng khá lớn và tốn thêm kim loại tại chỗ lượn chuyển tiếp từ bụng sang cánh Vì vậy việc dùng thép hình cán nóng tuy tiết kiệm được công nghệ chế tạo nhưng vẫn còn nặng nề, chưa tiết kiệm được kim loại, đặc biệt là với các dầm vượt nhịp lớn, chịu tải trọng bé Khắc phục nhược điểm này, áp dụng sự tiến bộ của công nghệ cán, hiện nay kết cấu dầm đã ứng dụng nhiều loại tiết diện mới là thép hình cán nóng hình chữ I cánh rộng, I cao thành hoặc tiết diện cán nguội, dập nguội từ thép bản mỏng tạo thành tiết diện dạng chữ [, chữ Z

Dầm tổ hợp: Dầm tổ hợp được chế tạo từ các loại thép hình, thép tấm hoặc thép định hình Nếu dụng phương pháp hàn để chế tạo thì quy ước gọi là dầm hàn, còn nếu dung liên kết đinh tán hoặc bulong thì tương ứng gọi là dầm đinh tán hoặc dầm bulong

Ở đây chỉ đề cập tới dầm hàn

Hình 1.2: Các loại dầm tổ hợp (dầm hàn – dầm dinh tán

Hình 1.3: Dầm hộp Dầm hàn chữ I gồm ba phần tử cơ bản: Hai bản cánh (còn gọi là cánh hoặc đế dầm) và bụng (còn gọi là thành hay bụng dầm) Ngoài ra, trong dầm hàn còn có các phần tử kết cấu khác như gân cứng vững, vách ngăn, bản nối,vv…

So với dầm đinh tán hoặc dầm bulong thì dầm hàn nhẹ hơn, chi phí chế tạo thấp hơn nên được sử dụng phổ biến trong những thập kỷ gần đây

Điều cần chú ý là dầm tổ hợp cho phép tạo ta các giải pháp kết cấu linh động hơn như: Có thể giảm chiều dày bụng dầm xuống mức tối thiểu hoặc thay đổi tiết diện dầm tùy thuộc vài giá trị nội lực cụ thể Điều này đặc biệt có hiệu quả kinh tế đối với các dầm có khẩu độ và tải trọng lớn

Tuy nhiên, sử dụng dầm hình sẽ giảm được số lượng chi tiết cấu tành, chi phí chế tạo giảm và thời gian đưa công trình vào sử dụng sẽ ngắn hơn Do vậy, trong mọi trường hợp cần phải cân nhắc kỹ các yếu tố kinh tế - kỹ thuật để chọ loại dầm hinh hay

dầm tổ hợp nhằm đạt hiệu quả tối ưu nhất

1.3 Sơ lược về dầm hàn và ứng dụng của dầm hàn trong kết cấu thép

1.3.1 Dầm hàn

Loại cầu thép phổ biến nhất cho các nhịp nhỏ và vừa trên đường ôtô là cầu dầm thép Với các nhịp nhỏ và vừa (< 30 m) thông thường dầm chủ được làm bằng thép hình I cán đặt cách đều đều và song song với nhau Đối với các nhịp lớn hơn thường dùng dầm thép, các dầm này thường có chiều cao lớn hơn chiều cao nhất của dầm thép

cán Bên trên dầm thép thường là bản bê tông cốt thép vừa làm bản mặt cầu cho xe chạy vừa tạo độ cứng ngang cho các dầm dọc

Các dầm ngang ở các đầu dầm và tại các điểm trung gian tạo độ cứng ngang và phân bố tải trọng tập trung lên các dầm dọc

Hình 1.4: Dầm cầu thép Cầu dầm thép có ưu điểm đặc biệt là cấu tạo đơn giản, trọng lượng bản thân nhẹ, thi công nhanh chóng, không cần giàn dáo nên rất thích hợp cho các công trình cầu cần xây dựng nhanh và các cầu địa phương

1.3.2 Ưu nhược điểm của cầu dầm thép:

Ưu điểm:

- Cầu dầm thép có thể thi công nhanh chóng hơn cầu bêtông cốt thép hoặc cầu bêtông cốt thép ứng suất trước

- Kết cấu nhịp cầu thép thường nhẹ hơn cầu bê tông cốt thép làm giảm giá thành chung, đặc biệt có ý nghĩa khi địa chất lòng sông yếu Kết cấu nhịp cầu thép thường có chiều cao kiến trúc nhỏ hơn cầu bê tông cốt thép do đó thích hợp khi làm các cầu vượt, khi cần đảm bảo tĩnh không dưới cầu mà không cần nâng cao quá mức cao độ mố trụ

- Cầu thép dễ sữa chữa và sửa chữa nhanh hơn cầu bê tông cốt thép

Nhược điểm:

- Gỉ của thép là vấn đề cần quan tâm, phải sửa chữa thường xuyên, tốn kém và là nguyên nhân chủ yếu gây ra hư hỏng cầu thép Ngay cả thép chống gỉ cũng không hoàn toàn đảm bảo về hiệu quả kinh tế như các nhà chế tạo công bố

- Hậu quả cuối cùng của gỉ là làm suy yếu công trình

- Giá thành sơn cầu trong suốt thời gian sử dụng rất cao Việc cạo gỉ, sơn lại ảnh hưởng bất lợi tới sức khỏe con người và môi trường Khi dùng sơn trên nên

dầu, sự bay hơi của các thành phần hữu cơ ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức

khỏe Việc cạo bỏ các lớp sơn cũ và tiêu hủy phế thải trong suốt thời gian phục

vụ cầu rất tốn kém Trong một số trường hợp giá thành của việc cạo gỉ và tiêu

hủy phế thải bằng với việc hủy bỏ cầu cũ, xây dựng cầu mới

- Khoảng 20 năm gần đây, thép chống gỉ được dùng nhiều trong cầu như một

yếu tố giảm giá thành do không phải sơn Nhưng theo thời gian, gỉ vẫn hình thành, thép trở thành nâu, theo quan điểm mỹ quan là một trong những màu

xấu nhất Rỉ kết cấu nhịp và các bộ phận bằng thép thường chảy xuống tường

mố trụ làm mất vẻ mỹ quan

- Một số hình ảnh dầm hàn

Hình 1.5: Dầm I kích thước lớn

1.4 C ấu tạo của dầm chữ I

Dầm I hay còn gọi là dầm H là dầm có mặt cắt ngang hình chữ I hoặc chữ H Hai phần nằm ngang gọi là bản cánh, phần thẳng đứng là bản bụng Bản bụng chịu lực kéo, trong khi bản cánh chịu phần lớn momen uốn của dầm

Như vậy, lý thuyết về dầm chỉ ra rằng dầm có mặt cắt ngang hình chữ I rất hiệu quả trong việc chịu cả tải trọng kéo và momen uốn trong mặt phẳng chứa bản bụng Mặt khác, mặt cắt ngang có thể giảm theo chiều ngang Nhưng dầm I lại không hiệu quả trong việc chịu xoắn

Có hai dạng dầm I theo tiêu chuẩn:

• Dầm I cán: được tạo hình bởi cán nóng, cán nguội hoặc đúc ép (tùy thuộc vào vật liệu)

• Dầm I hàn (đôi khi dầm I có thể được tạo bằng gắn kết bulong hoặc đinh tán) Dầm I thường được chế tạo bởi vật liệu thép kết cấu nhưng đôi khi cũng có thể được chế tạo từ hợp kim nhôm và một số loại vật liệu khác

Dầm I được sử dụng rộng rãi trong các kết cấu công nghiệp với kích thước đa dạng và được tiêu chuẩn hóa Việc này cho phép dễ dàng lựa chọn kích thước và tải trọng phù hợp của dầm I Dầm I được sử dụng với cả hai công năng: dầm và cột

Dưới tác dụng của lực uốn, ứng suất pháp lớn nhất sẽ tập trung tại thớ kim loại

xa nhất từ trục trung hòa Và cũng do nguyên nhân này nên phần lớn vật liệu của dầm

sẽ tập trung tại vùng này, vùng gần trục trung hòa sẽ tập trung ít vật liệu hơn Chính điều này là cơ sở của mặt cắt ngang của dầm I; trục trung hòa nằm tại trung tâm của bản bụng, và bản bụng sẽ mỏng hơn bản cánh

1.5 Quy trình ch ế tạo dầm hàn chữ I

Quy trình chế tạo dần hàn chữ I trong điều kiện nhà máy kết cấu thép thường

gồm các công đoạn chủ yếu sau:

Ghi chú: A,B: Chuẩn bị phôi, nắn cắt phôi; C: Hàn đính kết cấu; D: Hàn kết cấu; E,F: Uốn

phẳng bản cánh của dầm I; G: Phay hai phần đầu của dầm I, nơi đây thường xảy ra khuyết

tật.; H: Phun bi, phun cát, làm sạch kết cấu, biến cứng bề mặt; I: Sơn phủ bảo vệ kết cấu

Hình 1.7: Sơ đồ quy trình chế tạo kết cấu dầm chữ I

a A,B: Chu ẩn bị phôi, nắn cắt phôi

- Nắn cần tránh tạo vết xước, vết lõm và các khuyết tất khác trên bề mặt

- Nắn cần đảm bảo bán kính cong và độ võng của chi tiết theo yêu cầu (bảng 1)

b C, D: Hàn đính và hàn dầm

- Chế độ hàn đính và chế độ hàn phải tuân thủ theo quy trình hàn đề ra

- Trình tự hàn cũng phải được chỉ dẫn rõ nhằm giảm ứng suất và biến dạng sau

khi hàn

c E,F: U ốn phẳng bản cánh dầm I

- Dùng máy nắn dầm chuyên dụng hoặc các phương pháp nắn thủ công nhưng

B ảng 1.1: Bán kính cong và độ võng yêu cầu khi nắn và uốn các chi tiết thép

- Nắn phôi được thực hiện bằng phương pháp cán phẳng (leveler process)

Hình 1.8: Cán phẳng phôi

d G: Phay hai ph ần đầu dầm I:

- Hai phần đầu dầm thường có nhiều khuyết tật, lệch mép giữa bản cánh trên, bản

cánh dưới và bản bụng

- Kích thước sau khi phay cần đảm bảo theo đúng kích thước của bản vẽ

- Với các dầm có kích thước lớn, khó sử dụng máy phay để phay, có thể sử dụng

đá mài giấy để mài Tuy nhiên, sản phẩm sau khi mài vẫn phải đạt được các yêu

cầu đề ra

e H,I: Phun bi, phun cát làm s ạch kết cấu và sơn

- Trước khi phun bi, phun cát cần chú ý mài các cạnh sắc, góc…

- Mài láng các mối hàn gồ ghề, khuyết tật sắt thép, các ba via…

- Trước khi sơn cần chú ý làm sạch nước, hơi ẩm, dầu mỡ, vết phấn cũng như các

chất bẩn không thích hợp

- Do vật liệu chế tạo kết cấu cầu thường thuộc nhóm thép cacbon, xuất phát từ yêu cầu cao về chất lượng cắt, năng suất và các đường cắt đều là đường thẳng ta

lựa chọn phương pháp cắt bằng máy cắt giàn song song

Hình 1.9: Máy cắt giàn song song

1.6 M ục đích, ý nghĩa của việc giảm ứng suất và biến dạng hàn

Biến dạng hoặc cong vênh có thể xảy ra trong khi hàn do sự co ngót không đều

của mối hàn và kim loại cơ bản trong chu kỳ nung nóng và làm nguội trong khi hàn và sau khi hàn Ứng suất hình thành ở mối hàn là kết quả của những thay đổi về thể tích, đặc biệt là nếu mối hàn bị hạn chế bởi các kết cấu kẹp hoặc các vật liệu khác xung quanh Nếu những hạn chế bị loại bỏ phần nào, ứng suất có thể gây biến dạng vật liệu

và thậm chí có thể gây xé rách hoặc đứt gãy Tất nhiên, biến dạng hàn có thể làm phát sinh chi phí để sửa chữa, do đó ngăn ngừa biến dạng là vấn đề quan trọng trong quá trình hàn

Có nhiều loại biến dạng và thay đổi kích thước bao gồm: biến dạng dọc, ngang,

1.7 K ết luận

Tác giả đã tiến hành nghiên cứu các tài liệu chuyên nghành để tìm hiểu về dầm, cách phân loại, đặc điểm và điều kiện làm việc của dầm cầu Tìm hiểu về quy trình chế tạo chủ yếu

Trong phạm vi của đồ án này, từ cơ sở tham gia giám sát chế tạo tại công tý TNHH Kết Cấu Thép MitSui Thăng Long, tác giả sẽ đề xuất biện pháp công nghệ chế

tạo cũng như xử lý nhiệt cho dầm chính GB3WS của Cầu Nhật Tân

CHƯƠNG II: KHẢO SÁT VỀ CÔNG NGHỀ CHẾ TẠO DẦM CHÍNH

NH ẬT TÂN 2.1 Gi ới thiệu chung về cầu Nhật Tân

Cầu Nhật Tân là một cây cầu đang được xây dựng nằm trong tổng số 7 cầu bắc qua sông Hồng đoạn Hà Nội, kết cấu nhịp của cầu chính theo dạng cầu dây văng nhiều nhịp với 5 trụ tháp hình thoi và 6 nhịp dây văng, bắt đầu tại phường Phú Thượng, quận Tây Hồ đến điểm cuối giao với quốc lộ 3 tại km 7+100, xã Vĩnh Ngọc huyện Đông Anh, mục đích rút ngắn đường từ sân bay Nội Bài về trung tâm thành phố

Hà Nội Cầu được khởi công ngay sau khi hoàn thành cầu Thanh Trì Theo dự án, cầu được kết cấu kiểu dây văng liên tục bê tông cốt thép dự ứng lực với 5 trụ tháp, thi công bằng phương án đúng hẫng cân bằng[1]

Mặt cầu rộng 33,2m chia thành 4 làn xe cơ giới, 2 làn xe buýt, 2 dải xe hỗn hợp, phân cách giữa, đường dành cho người đi bộ Cầu dài 3,9 km và có đường dẫn 4,5 km, trong đó phần chính của cầu qua sông dài 1,5 km Tổng mức đầu tư dự định cho cầu từ

7500 tỷ đến 8000 tỷ đồng tùy theo số lượng cột phải thi công

Hình 2.1: Mô hình cầu Nhật Tân kiểu dây văng, dẻ quạt Cầu Nhật Tân được cấu tạo bởi hệ thống các dầm chính, dầm ngang, phần đỡ và các trụ tháp

2.2 C ấu tạo dầm cầu Nhật Tân

Dầm chính cầu Nhật Tân là các dầm chữ I với hệ thống các gân tăng cứng và ống neo cáp… (Phụ lục 1)

D ầm GB3WS có:

• Bản cánh trên có kích thước 570x12000x24mm, vật liệu là JIS G3016 SM570

• Bản cánh dưới có kích thước 910x12000x55mm, vật liệu là JIS G3106 SM570

• Bản bụng có kích thước: 2921x12000x19mm Vật liệu là JIS G3106 SM570

• Vật liệu của các gân tăng cứng là JIS G3106: SM490YA; SM490YB và SM400A

Hình 2.2: Kết cấu dầm chính cầu Nhật Tân Dầm ngang cầu Nhật Tân là dầm I với hệ thống các gân tăng cứng

2.2.1 Thành phần hóa học của các loại thép trong dầm GB3WS

Bảng 2.1: Thành phần hóa học của thép [1]

SM400A 0.23 max - 2,5x%C min 0.035 max 0.035 max SM490YA 0.20 max 0.55max 1.6 max 0.035 max 0.035 max SM490YB 0.20 max 0.55max 1.6 max 0.035 max 0.035 max SM570 0.18 max 0.55max 1.6 max 0.035 max 0.035 max

2.2.2 Cơ tính của các loại thép trong dầm GB3WS

Chi ều dày

2.2.4 Quy trình hàn

Vật liệu cơ bản của các dầm chính cầu Nhật Tân là thép JIS G3101 SM570,

dạng mối hàn chủ yếu là mối hàn góc nên quy trình hàn áp dụng cho các mối hàn dầm chính như bảng sau:

Hình dạng mối hàn Dải chiều

dày

Mối hàn theo AWS

Hàn dầm chính (SM570) FCAW-

FA2

1F, 2F, 3F (Semi)

B ảng 2.4: Sơ bộ quy trình hàn áp dụng cho hàn dầm chính cầu Nhật Tân

Chi tiết quy trình hàn áp dụng cho hàn dầm chính cầu Nhật Tân được thể hiện

trong (ph ụ lục 4)

T

0-2mm

2.3 V ật liệu hàn dầm

Theo khuyến cáo của nhà thầu chính, vật liệu hàn cho theo bảng sau:

Bảng 2.5: Vật liệu hàn theo khuyến cáo của nhà thầu chính

Strength of

Welded steel Process

AWS specification JIS specification Trade Name Manufacture

FCAW

A5.20 E71T-1C Z3313

YFW-C50DR

DW-100 Kobeco SF-71 Hyundai

A5.20 E71T-1C Z3313

YFW-C50DM

MX-200 Kobeco SF-71MX Hyundai

SAW A5.17

EH14-F7A4 Z3183 S502-H

US36 / MF38 Kobeco S-777MXH/H-14 Hyundai

570N/mm2

SMAW A5.5 E9016-G Z3212 D5816

LB-62 Kobeco S-9016.G Hyundai

FCAW

A 5.29 E81T1-Ni1 JIS

Z3313YFW-C602R

DW-60 Kobeco Supercored 81 Hyundai

- JIS

SAW

A5.23 A4 F8P6-EG-A4

F8A4-EG-Z3183 S584-H US-49 / MF-38 Kobeco

A5.23

F8A4-EA3-G Z3183 S584-H S-777MXH / A-3 Hyundai

Với đặc điểm công nghệ chế tạo của Công ty Mitsui Thăng Long, sản xuất hàn chủ yếu sử dụng phương pháp hàn FCAW và SAW, riêng phương pháp hàn SMAW sẽ

được khuyến cáo nhưng chỉ sử dụng cho hàn sửa chữa

Việc lựa chọn vật liệu hàn thực tế do tác giả lựa chọn dựa trên điều kiện thực tế của công ty và khuyến cáo của nhà thầu chính Vật liệu hàn sử dụng thực tế theo bảng sau:

Bảng 2.6: Vật liệu hàn thực tế

Strength of

Welded steel Process

AWS specification JIS specification Trade Name Manufacture

F7A4 Z3183 S502-H US36 / MF38 Kobeco

570N/mm2

SMAW

A5.5 E9016-G Z3212 D5816

LB-62 Kobeco S-9016.G Hyundai FCAW

A 5.29 E81T1-Ni1 JIS

SAW A5.23

F8A4-EG-A4 F8P6-EG-A4

Z3183 S584-H US-49 / MF-38 Kobeco

Chi tiết các vật liệu hàn được sử dụng trong dầm chính GB3WS như hình sau:

Hình 2.4: Vật liệu hàn sử dụng cho dầm chính (phía bên trong)

Hình 2.5: Vật liệu hàn sử dụng cho dầm chính (phía bên ngoài)

2.4 Công ngh ệ chế tạo dầm chính cầu Nhật Tân

Quy trình chế tạo dầm chính cầu Nhật Tân được thể hiện trong (phụ lục 3) bao gồm

các bước công nghệ sau:

Bước 1: Kiểm tra vật liệu đầu vào, kiểm tra kích thước chủng loại Cắt mẫu đi

kiểm tra độ bền (01 mẫu độ bền kéo) và 03 mẫu thử độ dai va đập tại những vị trí thừa trên tấm thép

Bước 2: Lấy dấu, cắt các chi tiết theo bản vẽ của phòng thiết kế phát hành ra Bước 3: Hàn nối tấm (nếu có), chụp phim để xác nhận mối hàn nối tấm không

có khuyết tật Nắn dạng

Bước 4: Khoan lỗ bắt bulông hai đầu dầm chính

Bước 5: Gá lắp, hàn đính

Bước 6: Hàn, hỏa công nắn dạng sau hàn

Bước 7: Gá lắp và hàn các gân tăng cứng, phần tăng cứng cho ống neo cáp Bước 8: Gá lắp và hàn ống neo cáp ở mặt sau

Bước 9: Hàn đinh, nắn biến dạng cục bộ, sửa chữa các khuyết tật…

Bước 10: Kiểm tra sản phẩm trước khi đưa ra lắp thử

2.4.1 Thiết kế đồ gá hàn

Phần này tác giả sẽ thiết kế đồ gá dùng để gá lắp và đồ gá hàn

a Đồ gá gá lắp

Hình 2.6: Đồ gá gá lắp và đồ gá hàn Chi tiết đồ gá gá lắp được thể hiện (Phụ lục 2) bao gồm: Hệ thống đỡ bản bụng

được làm từ các dầm I300x300 Hệ thống đỡ bản cánh trên và bản cánh dưới bằng các dầm I200 được gắn vào hệ thống trụ cột I300 Hệ thống các kích thủy lực dùng để ép chặt bản cánh trên, bản cánh dưới vào bản bụng

b Đồ gá hàn

Đồ gá hàn bao gồm đồ gá để chi tiết lên hàn và đồ gá xoay lật Chi tiết đồ gá hàn được thể hiện trong (phụ lục 2) Đồ gá hàn gồm hệ thống các dầm I300x300 đỡ

bản bụng

Hình 2.7: Đồ gá hàn

Hình 2.8: Máy hàn OTC XD500

Bảng 2.7: Bảng thông số của máy hàn OTC XD500

Dải điện áp đầu vào 415V ±10%

Dải công suất đầu vào 31,5kVA, 28kW

Dải dòng điện đầu vào 43,9A

Dải dòng điện đầu ra 50-500A

Dải điện áp đầu ra 15-45V

Điện áp không tải max 68V

Nhiệt độ lên cao 160oC

Sử dụng máy hàn OTC XD500 cho việc hàn đính và hàn sửa , hàn khóa đầu dầu Đầu hàn tự động sử dụng đầu hàn HANDY CARRIAGE I-D của hãng MATSUMOTO KIKAI CO.,LTD

Thông số của đầu hàn Handy Cariage I-D được thể hiện ở bảng 2.6

Bảng 2.8: Bảng thông số của đầu hàn Handy Carriage I-D

Điều chỉnh góc mỏ 45º +10º / -5º (So với mỏ ở vị trí thẳng đứng) Chức năng tự động dừng Cung cấp (Cả hai hướng)

Thiết bị chuyển mạch 1)Nguồn 2)Hướng dich chuyển 3)Điều chỉnh tốc đô 4)Ra dây(Hồ quang)/Chạy/Hàn 5)Bắt đầu 6)Dừng

Khoảng cách không hàn Bắt đầu: 105mm, Kết thúc:140mm

Nguồn cung cấp (110V and 220V are available) AC100V., 50/60Hz., 1-Phase

Hình 2.9: Đầu hàn Handy Carriage I-D

2.4.3 Nghiên cứu công nghệ hàn dầm chính cầu Nhật Tân

2.4.3.1 Chế độ hàn đính cho dầm chính cầu Nhật Tân

Mối hàn dầm chính cầu Nhật Tân là mối hàn góc, kích thước mối hàn góc không quá 4 mm, chiều dài mối hàn đính 50 – 80 mm

Chế độ hàn đính : Ta dùng phương pháp hàn FCAW với chế độ hàn theo chế độ lớp số 1 trong bản thông số quy trình hàn FCAW-FA1 và FCAW-FA2 [Phụ lục 4]

1 Thợ hàn đính phải được phòng Quản lý Chất lượng công ty sát hạch và

có chứng chỉ phù hợp với tiêu chuẩn AWS D1.5

2 Chiều dài mối hàn đính tối thiểu là 80mm, kích thước tối thiểu là 4mm, khoảng cách giữa các mối hàn đính tối đa là 400mm

3 Xỉ trên mối hàn đính phải được loại bỏ, bề mặt mối hàn đính phải được

kiểm tra cẩn thận trước khi hàn chính

Với các yêu cầu ở trên, chế độ hàn đính như sau:

• Ta dùng phương pháp hàn FCAW với chế độ hàn như sau :

o Kích thước mối hàn đính = 5mm

o Diện tích tiết diện đắp : FH= 1/4xπR2=0.25x3.14x52=20 (mm2)

o Chọn loại dây hàn E81T1-Ni1C tương ứng với mác sản phẩm của hãng Kobelco là DW-60 và đường kính dây d=1,2(mm)

• Các thông số chế độ hàn đính giống như chế độ hàn trong các quy trình

FCAW-FA1 và FCAW-FA2 [ phụ lục 4]

2.4.3.2 Tính toán chế độ hàn

Bản thông số hàn dầm chính cầu Nhật Tân - WPS được thể hiện trong (phụ lục

4) Các thông số hàn được ghi chép và kiểm nghiệm qua các phép thử cơ tính

Để tăng năng suất và giảm biến dạng hàn tới mức tối thiểu, trong quy trình hàn

giữa bản bụng và bản cánh, tác giả sử dụng 02 xe hàn cùng thực hiện một lúc

Thứ tự hàn như sau

Hình 2.10: Thứ tự hàn dầm chính Nhật Tân Sau khi hàn hoàn thành một phía của dầm I, dầm I sẽ được xoay lật để hàn tiếp phía bên kia Cơ sở để lựa chọn phương án trên sẽ được trình bày cụ thể tại múc 3.15

Hình 2.11: Hàn dầm chính sử dụng dầu hàn Handy Carriage I-D

a Ch ế độ hàn FCAW cho mối hàn giữa bản cánh trên và bản bụng

Hình 2.12 Dạng liên kết hàn của mối hàn giữa bản bụng với bản cánh trên Với dạng liên kết hàn như trên hình vẽ, ta tính được diện tích tiết diện ngang của kim loại chảy mối hàn FH = 100 (mm2) Ở đây ta hàn hai phía , mỗi phía có diện tích tiết diện ngang của kim loại chảy mối hàn FH khoảng 50 (mm2) Với diện tích FH như vậy ta không thể hàn một lớp ngấu hết mối hàn được Sơ bộ ta sẽ chọn hàn 2 lớp mỗi phía

Tính chế độ hàn cho lớp thứ nhất của mỗi phía: F H1 = 30(mm 2 ):

• Theo thực tế kiểm nghiệm [6] ta có chế độ dòng diện, điện áp, tốc độ hàn đo được trên thực tế bằng:

- k’: Hệ số được xác định như sau:

- k’ = 1 khi hàn bằng dòng xoay chiều

- Khi hàn bằng dòng một chiều cực thuận:

k’ =1,12 nếu j ≥ 120 (A/mm2) k’ = 2,82.j0,1925nếu j < 120(A/mm2)

- Khi hàn bằng dòng một chiều cực nghịch:

k’ = 0,92 nếu j ≥ 120 (A/mm2) k’ = 0,367.j0,1925nếu j < 120(A/mm2)

- Do ta dùng dòng hàn một chiều cực nghịch, đường kính dây Φ 1.2 có:

- Mật độ dòng điện j (Chọn dòng điện là 270A):