intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD - Chương 1

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:24

Thêm vào BST
Báo xấu
477
lượt xem 111
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

ĐẠI CƯƠNG VỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 1.1 Đặc điểm và phạm vi sử dụng của kết cấu thép 1.1.1 Ưu điểm Kết cấu thép có những ưu điểm cơ bản. Kết cấu thép có khả năng chịu lực lớn. Do c ường độ của thép cao nên các kết cấu thép có thể chịu được những lực khá lớn với mặt c ắt không cần lớn lắm, vì thế có thể lợi dụng được không gian một cách hiệu quả. Việc tính toán kết cấu thép có độ tin cậy cao. Thép có cấu trúc khá đồng đều, mô đun đàn...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD - Chương 1

  1. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD Chương 1 ĐẠI CƯƠNG V Ề THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 1.1 Đặc điểm v à phạm vi sử dụng của kết cấu thép 1.1.1 Ưu điểm Kết cấu thép có những ưu điểm cơ bản. Kết cấu thép có khả năng chịu lực lớn. Do c ường độ của thép cao n ên các k ết cấu thép có th ể chịu đ ược những lực khá lớn với mặt c ắt không cần lớn lắm, v ì thế có thể lợi dụng được không gian một cách hiệu quả. Việc tính toán kết cấu thép có độ tin cậy cao. Thép có cấu trúc khá đồng đều, mô đun đàn hồi lớn. Trong phạm vi l àm việc đàn hồi, kết cấu thép khá ph ù hợp với các giả thiết cơ bản của sức bền vật liệu đ àn hồi (như tính đ ồng chất, đẳng h ướng của vật liệu, giả thiết mặt cắt phẳng, nguy ên lý độc lập tác dụng). Kết cấu thép “nhẹ” nhất so với các kết cấu l àm bằng vật liệu th ông thường khác (b ê tông, gạch đá, gỗ). Độ nhẹ của kết cấu đ ược đánh giá bằng hệ số c = , là tỷ số giữa tỷ trọng của vật liệu v à cường độ F của nó. Hệ số c càng nh ỏ thì vật liệu c àng nhẹ. Trong 1 1 khi bê tông c ốt thép (BTCT) có , gỗ có thì hệ số c của m m 1 thép chỉ là (Tài liệu [1]) m Kết cấu thép thích hợp với thi công lắp ghép v à có khả năng c ơ giới hoá cao trong chế tạo. Các cấu kiện thép dễ đ ược sản xuất h àng loạt tại xưởng với độ chính xác cao. Các liên kết trong kết cấu thép (đinh tán, bu lông, h àn) tương đối đơn giản, dễ thi công. Kết cấu thép không thấm chất lỏng v à chất khí do thép có độ đặc cao n ên rất thích hợp để làm các k ết cấu chứa đựng hoặc chuyển chở các chất lỏng, chất khí. So với kết cấu b ê tông, k ết cấu thép dễ kiểm nghiệm, sửa chữa và tăng cư ờng. 1.1.2 Nhược điểm Bên cạnh các ưu điểm chủ yếu kể tr ên, kết cấu thép cũng có một số nh ược điểm. Kết cấu thép dễ bị han gỉ, đ òi hỏi phải có các biện pháp ph òng chống và bảo dưỡng khá tốn kém. Đặc biệt, yêu cầu chống gỉ cao đặt ra cho các kết cấu cầu l àm việc trong môi trường xâm thực lớn . http://www.ebook.edu.vn 1
  2. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD Thép chịu nhiệt kém. Ở nhiệt độ tr ên 4000C, biến dạng dẻo của thép sẽ phát triể n dưới tác dụng của tĩnh tải (từ biến của thép). V ì thế, trong những môi tr ường có nhiệt độ cao, nếu không có những biện pháp đặc biệt để bảo vệ th ì không được phép sử dụng kết cấu bằng thép. 1.1.3 Phạm vi sử dụng Do những ưu điểm nói tr ên, kết cấu thép đ ược sử dụng rộng r ãi trong m ọi lĩnh vực xây dựng. Tuy nhi ên, kết cấu thép đặc biệt có ưu th ế trong các kết cấu vượt nhịp lớn, đòi hỏi độ thanh mảnh cao, chịu tải trọng nặng và những kết cấu đ òi hỏi tính không thấm. 1.2 Cơ sở thiết kế kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn thiết kế cầu 22 TCN 272 -05 1.2.1 Quan đi ểm chung về thiết kế Công tác thi ết kế bao gồm việc tính toán nhằm chứng minh cho những ng ười có trách nhiệm thấy rằng , mọi tiêu chuẩn tính toán v à cấu tạo đều đ ược thỏa m ãn. Quan điểm chung đ ể đảm bảo an to àn trong thi ết kế là sức kháng của vật liệu v à mặt cắt ngang phải không nh ỏ hơn hiệu ứng gây ra bởi các tác động ngo ài, nghĩa là Sức kháng Hiệu ứng tải trọng (1.1) Khi áp d ụng nguyên tắc đơn giản này, điều quan trọng là hai vế của bất đẳng thức phải được đánh giá trong c ùng những điều kiện. Chẳng hạn, nếu hiệu ứng của tải trọng l à gây ra ứng suất nén tr ên nền thì, tất nhiên, nó ph ải được so sánh với sức kháng ép mặt của nền đó. Nói cách khác, sự đánh giá của bất đẳng thức phải đ ược tiến hành cho m ột điều kiện tải trọng ri êng biệt liên kết sức kháng v à hiệu ứng tải trọng với nhau. Li ên kết thông thường này được quy định bằng việc đánh giá hai v ế ở cùng một trạng thái giới hạn. Trạng thái giới hạn (TTGH) được định nghĩa nh ư sau: Trạng thái giới hạn là trạng thái m à kể từ đó trở đi , kết cấu cầu hoặc một bộ phận của nó không c òn đáp ứng được các yêu c ầu mà thiết kế đặt ra cho nó . Các ví d ụ của TTGH cho cầu dầm hộp bao gồm độ v õng, nứt, mỏi, uốn, cắt, xoắn, mất ổn định (oằn), lún, ép mặt v à trượt. Một mục ti êu quan tr ọng của thiết kế l à ngăn ngừa để không đ ạt tới TTGH. Tuy nhiên, đó không ph ải là cái đích duy nh ất. Các mục ti êu khác ph ải được xem xét v à cân đối trong thiết kế to àn thể là chức năng, thẩm mỹ v à tính kinh t ế. Sẽ là không kinh t ế nếu thiết kế một cầu mà không có b ộ phận n ào có th ể bị phá hoại bao giờ. Do đó, cần phải xác định đâu là mức độ rủi ro hay xác suất xảy ra phá hoại có thể chấp nhận đ ược. Việc xác định miền an to àn chấp nhận đ ược (sức kháng cần phải lớn h ơn bao nhiêu so v ới hiệu ứng của tải trọng) không phải căn cứ v ào ý kiến của một cá nhân m à phải dựa trên kinh http://www.ebook.edu.vn 2
  3. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD nghiệm của tập thể kỹ sư và cơ quan nghiên c ứu. Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272 -05, dựa trên tiêu chu ẩn AASHTO LRFD (1998) của Hiệp hội cầu đ ường Mỹ, có thể đáp ứng được các yêu cầu trên. 1.2.2 Sự phát triển của quá tr ình thiết kế Qua nhi ều năm, quá tr ình thiết kế đã được phát triển nhằm cung cấp một miền an to àn hợp lý. Quá tr ình này d ựa trên những ý kiến đóng góp trong phân tích hiệu ứng của tải trọng và cường độ của vật liệu sử dụng. 1.2.2.1 Thiết kế theo ứng suất cho phép (ASD) Các phương pháp thi ết kế đầu ti ên trong lịch sử đã được xây dựng tập trung tr ước hết vào kết cấu thép. Thép kết cấu có ứng xử tuyến tính cho tới điểm chảy , được nhận biết khá r õ ràng và th ấp hơn một cách an to àn so với cường độ giới hạn của vật liệu. Độ an to àn trong thiết kế được đảm bảo bằng quy đị nh là ứng suất do hiệu ứng của tải trọng sinh ra chỉ bằng một phần ứng suất chảy fy. Giá trị này tương đương v ới việc quy định một hệ số an toàn F bằng 2, nghĩa l à, Vì phương pháp thi ết kế này đặt ra giới hạn về ứng suất n ên được biết đến với t ên gọi thiết kế theo ứng suất cho phép (Allowable Stress Design , ASD). Khi phương pháp thi ết kế theo ứng suất cho phép mới ra đời, hầu hết các cầu có cấu tạo giàn hoặc vòm. Với giả thiết các cấu kiện li ên kết với nhau bằng chốt và kết cấu là tĩnh định, việc phân tích cho thấy các cấu kiện thường chỉ chịu kéo hoặc chịu nén. Diện tích hữu hiệu cần thiết của một thanh kéo chịu ứng suất phân bố đều đ ược xác định đ ơn giản bằng cách chia lực kéo T cho ứng suất kéo cho phép ft. Đối với cấu kiện chịu nén, ứng suất cho phép fc phụ thuộc vào độ mảnh của cấu kiện, tuy nhiên, cơ s ở để xác định diện tích cần thiết của mặt cắt ngang vẫn nh ư trong c ấu kiện chịu kéo; diện tích mặt cắt cần thiết bằng lực nén C chia cho ứng suất cho phép fc. Phương pháp này đ ã được áp dụng trong những năm sáu m ươi của thế kỷ 19 để thiết kế thành công nhi ều cầu gi àn tĩnh định nhịp lớn. Ng ày nay, các c ầu tương tự vẫn được xây dựng nhưng chúng không c òn là tĩnh định v ì chúng không còn được liên kết bằng chốt. Do đó, ứng suất trong các cấu kiện không c òn phân b ố đều nữa. Phương pháp thi ết kế theo ứng suất cho phép cũng đ ược áp dụng cho dầm chịu uốn. Với giả thiết mặt cắt phẳng v à quan h ệ ứng suất -biến dạng tuyến tính, mô đun mặ t cắt (mô http://www.ebook.edu.vn 3
  4. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD men chống uốn) cần thiết có thể được xác định bằng cách chia mô men uốn M cho ứng suất uốn cho phép fb. Ẩn trong phương pháp thi ết kế theo ứng suất cho phép là giả thiết ứng suất trong cấu kiện bằng không tr ước khi có tải trọng tác dụng, nghĩa l à không có ứng suất d ư tồn tại khi chế tạo. Giả thiết n ày ít khi đúng hoàn toàn nhưng nó g ần đúng h ơn đối với những thanh đặc hơn là đối với những mặt cắt hở, mỏng của các dầm thép cán điển h ình. Các chi ti ết mỏng của dầm thép cá n nguội đi (sau x ử lý nhiệt) với mức độ khác nhau và ứng suất d ư tồn tại trong mặt cắt ngang. Các ứng suất d ư này không ch ỉ phân bố không đều m à chúng còn khó d ự đoán tr ước. Do đó, cần phải có sự điều chỉnh đối với ứng suất uốn cho phép, đặc biệt trong các chi tiết chịu nén, để xét đến ảnh h ưởng của ứng suất d ư. Một khó khăn khác trong áp dụng ph ương pháp thi ết kế theo ứng suất cho phép đối với dầm thép l à uốn thường đi k èm với cắt và hai ứng suất n ày tương tác v ới nhau. Do vậy, sẽ không ho àn toàn đúng khi sử dụng các thí nghiệm kéo mẫu để xác định c ường độ chảy fy cho dầm chịu uốn. Một quan niệm khác về ứng suất chảy có kết hợp xem xét hiệu ứng cắt sẽ l à logic hơn. Như vậy, phương pháp thi ết kế theo ứng suất cho phép đ ã được xây dựng cho thiết kế các kết cấu thép t ĩnh định. Nó không nhất thiết phải đ ược áp dụng một cách cứng nhắc cho các vật liệu khác v à cho các kết cấu si êu tĩnh. Phương pháp thi ết kế theo ứng suất cho phép hiện vẫn đ ược dùng làm cơ s ở cho một số tiêu chuẩn thiết kế ở các n ước trên thế giới, chẳng hạn, ti êu chuẩn của Viện kết cấu thép Mỹ (AISC) 1.2.2.2 Thiết kế theo hệ số sức kháng v à hệ số tải trọng (LRFD) Để xét đến sự thay đổi ở cả hai vế của bất đẳng thức trong công thức 1.1, vế sức kháng được nhân với một hệ số sức kháng dựa tr ên thống kê , thường có giá trị nhỏ h ơn 1, và vế tải trọng đ ược nhân với hệ số tải trọng dựa tr ên thống kê , thường có giá trị lớn h ơn 1. Vì hiệu ứng tải trọng ở một trạng thái giới hạn (TTGH) nhất định l à một tổ hợp cá c loại tải trọng khác nhau ( Qi) có mức độ dự đoán khác nhau n ên vế hiệu ứng tải trọng đ ược thể hiện là một tổng của các giá trị . Nếu sức kháng danh định được cho bởi Rn thì tiêu chuẩn an toàn là (1.2) Vì công th ức 1.2 chứa cả hệ số tải trọng v à hệ số sức kháng n ên phương pháp thi ết kế này được gọi l à phương pháp thi ết kế theo hệ số sức kháng v à hệ số tải trọng ( Load and Resistance Factor Design , viết tắt l à LRFD). Hệ số sức kháng cho một TTGH nhất định phải xét đến sự không ch ắc chắn trong - Thuộc tính vật liệu - Công thức dự đoán c ường độ http://www.ebook.edu.vn 4
  5. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD - Tay ngh ề của công nhân - Việc kiểm tra chất l ượng - Tầm quan trọng của phá hoại Hệ số tải trọng được chọn đ ối với một loại tải trọng nhất định phải xét đến sự không ch ắc chắn trong - Độ lớn của tải trọng - Sự sắp xếp (vị trí) của tải trọng - Tổ hợp tải trọng có thể xảy ra Trong vi ệc chọn hệ số sức kháng v à hệ số tải trọng cho cầu, lý thuyết xác xuất đ ược áp dụng cho các số liệu về c ường độ vật liệu v à thống kê học, cho trọng lượng vật liệu cũng như tải trọng xe cộ. Một số ý kiến đánh giá về ph ương pháp LRFD có th ể được tóm tắt nh ư sau: Ưu điểm của ph ương pháp 1. Xét tới sự thay đổi trong cả sức kháng v à tải trọng. 2. Đạt được mức độ an to àn khá đ ồng đều cho các TTGH và các lo ại cầu khác nhau, không c ần phân tích thống k ê hay xác xu ất phức tạp. 3. Đưa ra m ột phương pháp thi ết kế hợp lý v à nhất quán. Nhược điểm của ph ương pháp 1. Đòi hỏi sự thay đổi trong quan điểm thiết kế (so với tiêu chuẩn cũ). 2. Yêu cầu có hiểu biết c ơ bản về lý thuyết xác xuất v à thống kê. 3. Yêu cầu có các số liệu thống k ê đầy đủ và thuật toán tính xác xuất để điều chỉnh các hệ số sức kháng cho ph ù hợp với những tr ường hợp đặc biệt. Phương pháp LRFD đư ợc dùng làm cơ sở cho các ti êu chuẩn thiết kế của Mỹ hiện nay như tiêu chu ẩn của V iện kết cấu thép Mỹ (AISC), của Hiệp hội cầu đ ường Mỹ (AASHTO) c ũng như tiêu chu ẩn thiết kế cầu ở n ước ta. 1.2.3 Nguyên t ắc cơ bản của Ti êu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 1.2.3.1 Vài nét về việc bi ên soạn Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272 -05 Bản Tiêu chuẩn thiết kế cầu mới 22 TCN 272-05 (lúc ra đời, năm 2001, mang ký hi ệu 22 TCN 272 -01) đã được biên soạn như một phần công việc của dự án của Bộ giao thông vận tải mang t ên “Dự án phát triển các Ti êu chuẩn cầu và đường bộ ”. Kết quả của việc nghi ên cứu tham khảo đ ã đưa đến kết luận rằng, hệ thống Ti êu chuẩn AASHTO của Hiệp hội cầu đ ường Mỹ là thích h ợp nhất để đ ược chấp thuận áp dụng ở Việt nam. Đó l à một hệ thống Ti êu chuẩn hoàn thiện và thống nhất, có thể được cải biên để phù hợp với các điều kiện thực tế ở n ước ta. Ngôn ngữ của t ài liệu này cũng http://www.ebook.edu.vn 5
  6. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD như các tài li ệu tham chiếu của nó đều l à tiếng Anh, l à ngôn ngữ kỹ thuật thông dụng nhất trên thế giới và cũng là ngôn ngữ thứ hai phổ biến nhất ở Việt nam. Hơn nữa, hệ thống Tiêu chu ẩn AASHTO có ảnh h ưởng rất lớn trong các n ước thuộc khối ASEAN m à Việt nam là m ột thành viên. Tiêu chuẩn thiết kế cầu mới đ ược dựa tr ên Tiêu chu ẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD, lần xuất bản thứ hai (1998), theo hệ đ ơn vị đo quốc tế SI. Tiêu chu ẩn LRFD ra đời năm 1994, đư ợc sửa đổi v à xuất bản lần thứ hai năm 1998. Ti êu chuẩn này đã được soạn thảo dựa trên những kiến thức phong phú tích lũy từ nhiều nguồn khác nhau tr ên khắp thế giới nên có th ể được coi là đại diện cho tr ình độ hiện đạ i trong h ầu hết các lĩnh vực thiết kế cầu vào thời điểm hiện nay. Các tài liệu Việt nam đ ược liệt k ê dưới đây đ ã được tham khảo hoặc l à 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 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 đ ường thủy TCVN 5664 – 1992 Các quy đ ịnh của bộ Ti êu chuẩn thiết kế cầu mới n ày nhằm sử dụng cho các công tác thiết kế, đánh giá v à khôi ph ục các cầu cố định v à cầu di động tr ên tuyến đường bộ. Các điều khoản sẽ không li ên quan đ ến cầu đ ường sắt, xe điện hoặc các ph ương ti ện công cộng khác. Các y êu cầu thiết kế đối với cầu đ ường sắ t dự kiến sẽ đ ược ban h ành như m ột phụ bản trong t ương lai. 1.2.3.2 Tổng quát Cầu phải đ ược thiết kế để đạt đ ược các mục ti êu: thi công đư ợc, an toàn và sử dụng đ ược, có xét đ ến các yếu tố: khả năng dễ kiểm tra, tính kinh tế, mỹ quan. Khi thiết kế cầu, để đạt được những mục ti êu này, c ần phải thỏa m ãn các trạng thái giới hạn. Kết cấu thiết kế phải có đủ độ dẻo, phải có nhiều đ ường truyền lực (có tính d ư) và tầm quan trọng của nó trong khai thác ph ải được xét đến. Mỗi cấu kiện v à liên kết phải thỏa m ãn công thức 1.3 đối với tất cả các trạng thái giới hạn. (1.3 ) trong đó: Qi hiệu ứng của tác động (ví dụ, nội lực do tải trọng ngoài sinh ra) . hệ số tải trọng: hệ số nhân dựa tr ên thống kê dùng cho hiệu ứng của tác động . i Rn sức kháng danh định . hệ số sức kháng: hệ số nhân dựa tr ên thống kê dùng cho s ức kháng danh định . Rr sức kháng tính toán (hay sức kháng có hệ số) , Rr = .Rn. http://www.ebook.edu.vn 6
  7. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD hệ số điều chỉnh tải trọng, xét đến tính dẻo, tính d ư và tầm quan trọng trong khai thác đối với tải trọng d ùng giá tr ị max đối với tải trọng d ùng giá tr ị min hệ số xét đến tính dẻo D hệ số xét đến tính d ư R hệ số xét đến tầm quan trọng trong khai thác I Hai hệ số đầu có li ên quan đ ến cường độ của cầu, hệ số thứ ba xét đến sự l àm việc của cầu ở trạng thái sử dụng. Đối với tất cả các trạng thái giới hạn không phải c ường độ, D = R = 1,0. 1.2.3.3 Khái ni ệm về tính dẻo, tính d ư và tầm quan trọng trong khai thác Hệ số xét đến tính dẻo D Tính dẻo là một yếu tố quan trọng đối với sự an to àn của cầu. Nhờ tính dẻo, các bộ phận chịu lực lớn của kết cấu có thể phân phối lại tải trọng sang những bộ phận khác có dự trữ về cường độ. Sự phân phối lại n ày phụ thuộc vào khả năng biến dạng của bộ phận chịu lực lớn và liên quan đ ến sự phát triển biến dạng dẻo m à không x ảy ra phá hoại. Nếu một cấu kiện của cầu đ ược thiết kế sao cho biến dạng dẻo có thể xuất hiện th ì sẽ có dự báo khi cấu kiện bị quá tải. Nếu l à kết cấu BTCT th ì vết nứt sẽ phát triển v à cấu kiện được xem là ở vào tình tr ạng nguy hiểm. Phải tránh sự l àm việc giòn vì nó d ẫn đến sự mất khả năng chịu lực đột ngột khi v ượt quá giới hạn đ àn hồi. Các cấu kiện v à liên kết trong BTCT có th ể làm việc dẻo khi hạn chế h àm lượng cốt thép chịu uốn v à khi bố trí cốt đai để kiềm chế biến dạng. Cốt thép có thể đ ược bố trí đối xứng để chịu uốn, điều n ày cho phép xảy ra sự l àm việc dẻo. Nói tóm lại, nếu trong thiết kế, các quy định của Ti êu chuẩn được tuân theo th ì thực nghiệm cho thấy rằng, các cấu kiện s ẽ có đủ tính dẻo cần thiết. Đối với trạng thái giới hạn c ường độ, hệ số li ên quan đ ến tính dẻo đ ược quy định nh ư sau: 1,05 đối với các cấu kiện v à liên kết không dẻo D = 1,0 đối với các thiết kế thông th ường và các chi ti ết theo đúng Ti êu chuẩn D này 0,95 đối với các cấu kiện v à liên kết có các biện pháp tăng th êm tính d ẻo D vượt quá những y êu cầu của Ti êu chuẩn này http://www.ebook.edu.vn 7
  8. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD Hệ số xét đến tính d ư R Tính dư có t ầm quan trọng đặc biệt to lớn đối với khoảng an to àn của kết cấu cầu. Một kết cấu siêu tĩnh là dư vì nó có nhi ều liên kết hơn số liên kết cần thiết để đảm bảo không biến dạng hình học. Ví dụ, một dầm cầu li ên tục ba nhịp l à kết cấu siêu tĩnh bậc hai. Một tổ hợp hai li ên kết đơn, hoặc hai liên kết chống quay, hoặc một li ên kết đơn và m ột liên kết chống quay có thể bị mất đi m à không d ẫn tới h ình thành kh ớp dẻo ngay lập tức v ì tải trọng tác dụng có thể t ìm được các con đ ường khác để truyền xuồng đất. Khái niệm nhiều đường truyền lực l à tương đương v ới tính d ư. Các đư ờng truyền lực đ ơn hay các k ết cấu cầu không d ư được khuyến cáo không n ên sử dụng. Tính dư trong k ết cấu cầu l àm tăng kho ảng an toàn của chúng v à điều này được phản ánh ở trạng thái giới hạn c ường độ qua hệ số xét đến tính d ư R, được quy định trong Ti êu chuẩn 22 TCN 272 -01 như sau: 1,05 đối với các cấu kiện không d ư R R= 1,0 đối với các cấu kiện có mức d ư thông thư ờng 0,95 đối với các cấu kiện có mức d ư đặc biệt R Hệ số xét đến tầm quan trọng trong khai thác I Các cầu có thể đ ược xem l à có tầm quan trọng trong khai thác nếu chúng nằm trên con đường nối giữa các khu dân c ư và bệnh viện hoặc tr ường học, hay l à con đư ờng dành cho lực lượng công an, cứu hỏa v à các phương ti ện giải cứu đối với nh à ở, cơ quan và các khu công nghi ệp. Cầu cũng có thể đ ược coi l à quan trọng nếu chúng giúp giải quyết t ình trạng đi vòng do t ắc đường, giúp tiết kiệm thời gian v à xăng d ầu cho ng ười lao động khi đi l àm và trở về nhà. Nói tóm l ại, khó có thể t ìm thấy tình huống mà cầu không đ ược 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 đ ược sử dụng không phải quanh năm. Khi có s ự cố động đất, điều quan trọng l à tất cả các con đ ường huyết mạch, nh ư các công trình c ầu, vẫn phải thông. V ì vậy, các yêu cầu sau đây đ ược đặt ra đối với trạn g thái giới hạn đặc biệt cũng nh ư đối với trạng thái giới hạn c ường độ: 1,05 đối với các cầu quan trọng I = 1,0 đối với các cầu điển h ình I 0,95 đối với các cầu ít quan trọng I Đối với các trạng thái giới hạn khác : = 1,0 I 1.2.3.4 Các trạng thái giới h ạn Kết cấu cầu thép phải đ ược thiết kế sao cho, d ưới tác dụng của tải trọng, nó không ở vào bất cứ TTGH n ào được quy định bởi Ti êu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272 -05. Các TTGH này có th ể được áp dụng ở tất cả các giai đoạn của cuộc đời kết cấu cầu . Điều kiện http://www.ebook.edu.vn 8
  9. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD phải đặt ra cho tất cả các TTGH l à sức kháng có hệ số phải không nhỏ h ơn hiệu ứng của tổ hợp tải trọng có hệ số (công thức 1.3) Theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272 -05, đối với kết cấu thép, có bốn trạng thái giới hạn đ ược đề cập: Trạng thái giới hạn s ử dụng: đ ược xét đến nhằm hạn chế biến dạng của cấu kiện và hạn chế ứng suất đối với thép. Trạng thái giới hạn c ường độ: đ ược xét đến nhằm đảm bảo khả năng chịu lực của các bộ phận kết cấu về c ường độ và về ổn định d ưới các tổ hợp tải trọng c ơ bản. Trạng thái giới hạn mỏi: đ ược xét đến nhằm hạn chế bi ên độ ứng suất do một xe tải thiết kế gây ra với số chu kỳ bi ên độ ứng suất dự kiến. Trạng thái giới hạn đặc biệt: đ ược xét đến nhằm đảm bảo sự tồn tại của cầu khi xảy ra các sự cố đặc biệt nh ư động đất, va đâ m xe, xói l ở, lũ lớn. Trạng thái giới hạn sử dụng TTGH sử dụng li ên quan đ ến phẩm chất của cầu chịu tải trọng ở trạng thái khai thác. Ở TTGH sử dụng của kết cấu thép, các giới hạn đ ược đặt ra đối với độ v õng và các bi ến dạng quá đ àn hồi dưới tải trọng sử d ụng. Bằng hạn chế độ v õng, độ cứng thích hợp đ ược đảm bảo và độ dao động đ ược giảm tới mức có thể chấp nhận đ ược. Bằng kiểm tra sự chảy cục bộ, có thể tránh đ ược các biến dạng quá đ àn hồi thường xuyên và c ải thiện khả năng giao thông. Vì các quy định cho T TGH sử dụng l à dựa trên kinh nghi ệm và phán quy ết của người thiết kế hơn là đư ợc xác định theo thống k ê, hệ số sức kháng , hệ số điều chỉnh tải trọng và hệ số tải trọng trong công th ức 1.3 được lấy bằng đ ơn vị. Giới hạn về độ v õng là không b ắt buộc. Nếu chủ đầu t ư yêu c ầu, có thể lấy độ võng tương đối cho phép đối với hoạt tải l à , với l là chiều dài nhịp tính toán. Trong tính toán độ võng, phải giả thiết về phân phối tải trọng đối với dầm, về độ cứng chống uốn của dầm có sự tham gia l àm việc của bản mặt cầu v à sự đóng góp độ cứng của các chi tiết gắn liền như rào chắn và gờ chắn bánh bằng b ê tông. Nói chung, k ết cấu cầu có độ cứng lớn hơn giá tr ị được xác định bằng tính toán. Do vậy, việc tính toán độ v õng chỉ là sự ước lượng độ võng thực tế. Các giới hạn đối với biến dạng quá đ àn hồi là bắt buộc. Sự chảy cục bộ d ưới tải trọng sử dụng II (theo AASHTO LRFD) là không đư ợc phép. Sự chảy cục bộ n ày sẽ không xảy ra cho các m ặt cắt được thiết kế bằng công thức 1.3 đối với TTGH c ường độ nếu hiệu ứng lực lớn nhất đ ược xác định bằng phân tích đ àn hồi. Tuy nhi ên, nếu có phân phối lại mô men quá đàn h ồi thì khớp dẻo có thể h ình thành và các ứng suất phải đ ược kiểm tra. Trong trư ờng hợp n ày, các ứng suất của bản bi ên chịu uốn d ương và ch ịu uốn âm cần không vư ợt quá: Đối với cả hai bản bi ên thép c ủa mặt cắt li ên hợp (dầm thép, bản b ê tông) http://www.ebook.edu.vn 9
  10. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD (1.4) Đối với cả hai bản bi ên thép của mặt cắt không li ên hợp (1.5) trong đó, Rh là hệ số giảm ứng suất của bản bi ên cho d ầm lai (là dầm mà vách và b ản biên làm bằng vật liệu khác nhau) , ff là ứng suất đ àn hồi của bản bi ên gây ra b ởi tải trọng sử dụng II (MPa) v à Fyf là ứng suất chảy của bản bi ên (MPa). Đ ối với tr ường hợp dầm thông thường có c ùng loại thép ở vách v à các bản biên, . Việc đảm bảo công thức 1.4 (hay 1.5) s ẽ ngăn chặn sự phát triển của biến dạng th ường xuyên do sự chảy cục bộ của bản biên dưới tác động của v ượt tải sử dụng đôi khi xảy ra. Trạng thái giới hạn mỏi v à đứt gãy Thiết kế theo TTGH mỏi bao gồm việc giới hạn bi ên độ ứng suất do xe tải mỏi thiết kế sinh ra t ới một giá trị ph ù hợp với số chu kỳ lặp của b iên độ ứng suất trong suốt quá tr ình khai thác c ầu. Thiết kế cho TTGH đứt g ãy bao gồm việc lựa chọn thép có độ dẻo dai thích hợp cho một phạm vi nhiệt độ nhất định. Chi tiết về tải trọng mỏi v à kiểm toán mỏi có thể tham khảo t ài liệu [3], [4]. Trạng thái giới hạn cường độ TTGH cư ờng độ có li ên quan đ ến việc quy định c ường độ hoặc sức kháng đủ để thoả m ãn bất đẳng thức của công thức 1.3 cho các tổ hợp tải trọng quan trọng theo thống k ê sao cho cầu được khai thác an to àn trong cuộc đời thiết kế của nó. TTGH c ường độ bao h àm sự đánh giá s ức kháng uốn, cắt, xoắn v à lực dọc trục. Các hệ số sức kháng được xác định bằng thống k ê thường là nhỏ hơn 1,0 và có giá tr ị khác nhau đối với các vật liệu v à các TTGH khác nhau. Các hệ số tải trọng được xác định bằng thống k ê được cho trong ba tổ hợp tải trọng khác nhau của bảng 1.1 theo những xem xét thiết kế khác nhau TTGH cư ờng độ được quyết định bởi cường độ t ĩnh của vật liệu hay ổn định của m ột mặt cắt đã cho. C ó 3 tổ hợp tải trọng c ường độ kh ác nhau được quy định trong bảng 1.2 (Theo AASHTO LRFD: có 5 t ổ hợp tải trọng c ường độ). Đối với một bộ phận riêng biệt của kết cấu cầu, chỉ một hoặc có thể hai trong s ố các tổ hợp tải trọng n ày cần được xét đến. Sự khác biệt trong các tổ hợp tải trọng c ường độ ch ủ yếu liên quan đến các hệ số tải trọng được quy định đối với hoạt tải. Tổ hợp tải trọng sinh ra hi ệu ứng lực lớn nhất được so sánh với cường độ ho ặc sức kháng c ủa mặt cắt ngang c ủa cấu kiện. Trong tính toán sức kháng đối với một hiệu ứng tải trọng có hệ số nào đó như lực dọc trục, lực uốn, lực cắt hoặc xoắn, sự không chắc chắn được biểu thị qua hệ số giảm cường độ hay hệ số sức kháng . Hệ số là hệ số nhân của sức kháng danh định Rn và sự thỏa mãn trong thi ết kế được đảm bảo bởi công thức 1.3. Trong các c ấu kiện bằng thép, sự không chắc chắn có liên quan đ ến các thuộc tính của vật liệu, kích th ước mặt cắt ngang, dung sai trong chế tạo, tay nghề công nhân v à các http://www.ebook.edu.vn 10
  11. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD công thức được dùng để tính toá n sức kháng. Tầm quan trọng của phá hoại cũng đ ược đề cập trong hệ số này. Chẳng hạn , hệ số sức kháng đối với cột nhỏ hơn đối với dầm v à các liên kết nói chung vì sự phá hoại của cột kéo theo nguy hiểm cho các kết cấu tựa tr ên nó. Các xem xét này đư ợc phản ánh trong các hệ số sức kháng ở TTGH c ường độ đ ược cho trong bảng 1.1. Bảng 1.1 Các hệ số sức kháng cho các TTGH c ường độ Trường hợp chịu lực Hệ số sức kháng Uốn = 1,00 f Cắt = 1,00 Nén dọc trục, cấu kiện chỉ có thép = 0,90 c Nén dọc trục, cấu kiện li ên hợp = 0,90 c Kéo, đứt gãy trong m ặt cắt thực (mặt cắt hữu hiệu) = 0,80 u Kéo, chảy trong mặt cắt nguy ên = 0,95 y Ép mặt tựa tr ên các ch ốt, các lỗ doa, khoan, lỗ bu lông v à các bề mặt cán = 1,00 b Ép mặt của bu lông l ên thép cơ b ản = 0,80 bb Neo ch ống cắt = 0,85 sc Bu lông A325M và A490M ch ịu kéo = 0,80 t Bu lông A307 ch ịu kéo = 0,65 t Bu lông A325M và A490M ch ịu cắt = 0,80 s Cắt khối = 0,80 bs Kim loại hàn trong các đư ờng hàn ngấu hoàn toàn - Cắt trên diện tích hữu hiệu = 0,85 el - Kéo hoặc nén vuông góc với diện tích hữu hiệu = của thép c ơ bản - Kéo hoặc nén song song với diện tích hữu hiệu = của thép c ơ bản Kim loại hàn trong các đư ờng hàn ngấu không ho àn toàn - Cắt song song với trục đ ường hàn = 0,80 e2 - Kéo hoặc nén song song với trục đ ường hàn = của thép c ơ bản - Nén vuông góc v ới diện tích hữu hiệu = của thép c ơ bản el = 0,80 - Kéo vuông góc v ới diện tích hữu hiệu Kim loại hàn trong các đư ờng hàn góc - Kéo hoặc nén song song với trục đ ường hàn = của thép cơ b ản - Cắt trong mặt phẳng tính toán của đ ường hàn = 0,80 e2 http://www.ebook.edu.vn 11
  12. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD Trạng thái giới hạn đặc biệt TTGH đặc biệt xét đến các sự cố với chu kỳ xảy ra lớn hơn tuổi thọ của cầu. Động đất, tải trọng băng tuyết, lực đâm xe và va xô của tàu thuyền được coi là những sự cố đặc biệt và tại mỗi thời điểm, chỉ xét đến một sự cố. Tuy nhi ên, những sự cố này có thể được tổ hợp với lũ lụt lớn (khoảng lặp lại > 100 n ăm nhưng < 500 n ăm) hoặc với các ảnh hưởng của xói lở. Hệ số sức kháng đối với TTGH đặc biệt được lấy bằng đơn vị. 1.2.4 Giới thiệu về t ải trọng v à tổ hợp t ải trọng 1.2.4.1 Các tổ hợp tải trọng Tiêu chuẩn AASHTO LRFD quy định xét 11 tổ hợp tải trọng. Trong Tiêu chu ẩn 22TCN 272-05, việc tổ hợp tải trọng đ ược đơn giản hóa ph ù hợp với điều kiện Việt nam. Có 6 tổ hợp tải trọng đ ược quy định nh ư trong b ảng 1.2. Bảng 1.2 Các tổ hợp tải trọng theo Ti êu chu ẩn 22TCN 272-05 Tổ hợp tải trọng Mục đích củ a tổ hợp tải trọng Các hệ số tải trọng chủ yếu Cường độ I Xét xe bình th ường trên cầu không có gió Hoạt tải L= 1,75 Cường độ II Cầu chịu gió có tốc độ h ơn 25 m/s Tải trọng gió L= 1,40 Cường độ III Xét xe bình th ường trên cầu có gió với tốc Hoạt tải L= 1,35 độ 25 m/s Tải trọng gió L= 0,40 Đặc biệt Kiểm tra về động đất, va xe, va xô t àu Hoạt tải L= 0,50 thuyền và xói lở Tải trọng đặc biệt L= 1,00 Khai thác Kiểm tra tính khai thác, tức l à độ võng và Hoạt tải L= 1,00 bề rộng vết nứt của b ê tông Tải trọng gió L= 0,30 Mỏi Kiểm tra mỏi đối với cốt t hép Hoạt tải L= 0,75 1.2.4.2 Hoạt tải xe thiết kế Số làn xe thi ết kế Bề rộng l àn xe đư ợc lấy bằng 3500 mm để ph ù hợp với quy định của “Ti êu chuẩn thiết kế đường ô tô”. Số l àn xe thi ết kế được xác định bởi phần nguy ên của tỉ số w/3500, trong đó w là bề rộng khoảng trống của l òng đường giữa hai đá vỉa hoặc hai r ào chắn, tính bằng mm. Hệ số làn xe Hệ số làn xe được quy định trong bảng 1.3 Bảng 1.3 Hệ số làn xe m http://www.ebook.edu.vn 12
  13. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD Số làn chất tải Hệ số làn 1 1,20 2 1,00 3 0,85 >3 0,65 Hoạt tải xe ô tô thi ết kế Hoạt tải xe ô tô tr ên mặt cầu hay các kết cấu phụ trợ có ký hiệu l à HL-93, là m ột tổ hợp của xe tải thiết kế hoặc xe hai trục thiết kế v à tải trọng l àn thiết kế (hình 1.2). Xe tải thiết kế Trọng lượng, khoảng cách các trục v à khoảng cách các bánh xe của xe tải thiết kế được cho trên hình 1.1. L ực xung kích đư ợc lấy theo bảng 1.4 . Hình 1.1 Đặc trưng c ủa xe tải thiết kế Cự ly giữa hai trục sau của xe phải đ ược thay đổi giữa 4300 mm v à 9000 mm đ ể gây ra ứng lực lớn nhất. Đối với các cầu tr ên các tuyến đường cấp IV v à thấp hơn, chủ đầu t ư có thể xác định tải trọng trục thấp h ơn tải trọng cho tr ên hình 1.1 b ởi các hệ số chiết giảm 0,50 hoặc 0,65. Xe hai trục thiết kế Xe hai trục gồm một cặp trục 110.000 N cách nhau 1200 mm. Khoảng cách theo chiều ngang c ủa các bánh xe bằng 1800 mm. Lực xung kích đư ợc lấy theo bảng 1.4 . http://www.ebook.edu.vn 13
  14. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD Đối với các cầu tr ên các tuyến đường cấp IV v à thấp hơn, chủ đầu t ư có thể xác định tải trọng hai trục thấp h ơn tải trọng nói tr ên bởi các hệ số chiết giảm 0,50 hoặc 0,65. Tải trọng l àn thiết kế Tải trọng l àn thiết kế là tải trọng có c ường độ 9,3 N/mm phân bố đều theo chiều dọc cầu. Theo chiều ngang cầu, tải trọng đ ược giả thiết l à phân b ố đều trên bề rộng 3000 mm. Khi tính n ội lực do tải trọng l àn thiết kế, không xét tác động xung kích. Đồng thời, khi giảm tải trọng thiết kế cho các tuyến đ ường cấp IV v à thấp hơn, tải trọng l àn vẫn giữ nguyên giá tr ị 9,3 N/mm, không nhân với các hệ số (0,50 hay 0,65). Hình 1.2 Hoạt tải thiết kế theo Ti êu chuẩn 22 TCN 272 -05 và AASHTO LRFD (1998) Lực xung kích Tác động tĩnh học của xe tải thiết kế hoặc xe hai trục thiết kế phải đ ược lấy tăng th êm một tỉ lệ phần trăm cho tác động xung kích IM, được quy định trong bảng 1.4 . Bảng 1.4 Lực xung kích IM Cấu kiện IM Mối nối bản mặt cầu, đối với tất cả các trạng thái 75% giới hạn Tất cả các cấu kiện khác 15% Trạng thái giới hạn mỏi 25% Các trạng thái giới hạn khác http://www.ebook.edu.vn 14
  15. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD 1.3 Vật liệu Các thuộc tính c ơ bản của thép l à thể hiện ở c ường độ chảy, c ường độ kéo đứt, độ dẻo, độ rắn và độ dai. Cường độ chảy l à ứng suất m à tại đó xảy ra sự tăng biến dạng m à ứng suất không tăng. Cường độ chịu kéo l à ứng suất lớn nhất đạt được trong thí nghi ệm kéo. Độ dẻo là chỉ số của vật liệu phản ánh khả năng giữ đ ược biến dạng quá đ àn hồi mà không x ảy ra phá hoại. Nó có thể đ ược tính bằng tỷ số giữa độ gi ãn khi phá ho ại và độ giãn ở điểm chảy đầu ti ên. Độ rắn là thuộc tính của vật liệu cho phép chống lại sự m ài mòn bề mặt. Độ dai là thuộc tính của vật liệu cho phép ti êu hao năng lư ợng mà không x ảy ra phá hoại. 1.3.1 Thành ph ần hóa học của thép Thành phần hoá học có ảnh h ưởng trực tiếp tới cấu trúc của thép, do đó có li ên quan ch ặt chẽ đến tính chất c ơ học của nó. Thành ph ần hoá học chủ yếu của thép l à sắt (Fe) và các bon (C). Lư ợng các bon tuy rất nhỏ nh ưng có ảnh hưởng quan trọng đối với tính chất cơ học của thép: lượng các bon càng nhi ều thì cường độ của thép c àng cao nhưng tính d ẻo, tính dai v à tính hàn c ủa nó giảm. Thép d ùng trong xây d ựng đòi hỏi phải có tính dẻo cao để tránh đứt g ãy đột ngột nên hàm lư ợng các bon đ ược hạn chế khá thấp, th ường không lớn hơn 0,2-0,22 % về khối lượng. Trong thép các bon thư ờng, ngo ài sắt và các bon còn có nh ững nguyên tố hoá học khác. Các nguyên t ố hoá học có lợi th ường gặp l à mangan (Mn) và silic (Si). Các nguyên tố có hại có thể kể đến l à phốt pho (P) và lưu hu ỳnh (S) ở thể rắn, ô xy (O) v à ni tơ (N) ở thể khí. Các nguy ên tố có hại n ày, nói chung, làm cho thép tr ở nên giòn, đặc biệt khi thép làm việc trong điều kiện bất lợi (chịu ứng suất tập trung, tải trọng lặp, chịu nhiệt độ cao…). Thép hợp kim l à loại thép m à ngoài nh ững thành phần hoá học kể tr ên, còn có thêm các nguyên t ố kim loại bổ sung. Các nguy ên tố này được đưa vào nh ằm cải thiện một số thuộc tính tốt của thép nh ư làm tăng cư ờng độ m à không gi ảm tính dẻo, tăng khả năng chống gỉ hay khả năng chống m ài mòn. Chẳng hạn, crôm v à đồng làm tăng kh ả năng chống gỉ của thép, đ ược sử dụng trong chế tạo thép chống gỉ, mangan l àm tăng cư ờng độ của thép và có thể kiềm chế ảnh h ưởng xấu của sunfua. Tuy nhi ên, hàm lư ợng các kim loại bổ sung c àng cao (hợp kim cao) th ì tính dẻo, tính dai , tính hàn càng giảm. Thép hợp kim dùng trong xây d ựng là thép h ợp kim thấp với th ành phần kim loại bổ sung khoảng 1,5-2,0%. http://www.ebook.edu.vn 15
  16. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD 1.3.2 Khái niệm về ứng suất dư Ứng suất tồn tại trong các bộ phận kết cấu m à không do tác động của bất kỳ ngoại lực n ào được gọi l à ứng suất d ư. Điều quan trọng l à nhận biết sự có mặt của nó v ì ứng suất d ư ảnh hưởng đến c ường độ của các cấu kiện chịu lực. Ứng suất d ư có thể phát sinh trong quá trình gia công nhi ệt, gia công c ơ học hay quá tr ình luyện thép. Ứng suất dư do gia công nhiệt hình thành khi s ự nguội xảy ra không đều. Ứng suất dư do gia công cơ h ọc xảy ra do biến dạng dẻo không đều khi bị kích ép. Ứng suất dư do luyện kim sin h ra do s ự thay đổi cấu trúc phân tử của thép. Khi mặt cắt ngang đ ược chế tạo bằng h àn ba chi ều, ứng suất d ư xuất hiện ở cả ba chiều. Sự đốt nóng v à nguội đi làm thay đ ổi cấu trúc của kim loại v à sự biến dạng th ường bị cản trở, gây ra ứng suất d ư kéo có th ể đạt tới 400 MPa trong mối h àn. Nhìn chung , các mép c ủa tấm và thép bình th ường chịu ứng suấ t dư nén, khi đư ợc cắt bằng nhiệt th ì chịu ứng suất d ư kéo. Các ứng suất n ày được cân bằng với ứng suất t ương đương có dấu ngược lại ở vị trí khác trong cấu kiện. H ình 1.3 biểu diễn một cách định tính sự phân bố tổng thể ứng suất d ư trong các thanh thép hà n và cán nóng. Chú ý r ằng, các ứng suất trong h ình này là ứng suất dọc thanh. Hình 1.3 Sơ họa ứng suất d ư trong các m ặt cắt thép cán v à ghép trong xư ởng. (a) mặt cắt cán nóng, (b) mặt cắt h ình hộp hàn, (c) b ản cán mép, (d) bản cắt mép bằng lửa, (e) mặt cắt I tổ hợp h àn cắt mép bằng lửa 1.3.3 Gia công nhi ệt Thuộc tính c ơ học của thép có thể đ ược nâng cao bằng các ph ương pháp gia công nhi ệt khác nhau: gia công làm ngu ội chậm v à gia công làm ngu ội nhanh. http://www.ebook.edu.vn 16
  17. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD Gia công làm ngu ội chậm l à phép tôi chu ẩn thông th ường. Nó b ao gồm việc nung nóng thép đ ến một nhiệt độ nhất định, giữ ở nhiệt độ n ày trong m ột khoảng thời gian thích hợp rồi sau đó, l àm nguội chậm trong không khí. Nhiệt độ tôi tuỳ theo loại gia công. Gia công làm ngu ội chậm l àm tăng tính d ẻo, tính dai của thép, l àm giảm tính d ư nhưng không nâng cao đư ợc cường độ và độ cứng. Gia công làm ngu ội nhanh đ ược chỉ định cho thép cầu, c òn được gọi l à tôi nhúng. Trong phương pháp này, thép đư ợc nung nóng tới tới khoảng 900 0C, được giữ ở nhiệt độ đó trong m ột khoảng thời gian , sau đó đư ợc làm nguội nhanh bằng cách nhúng v ào bể nước hoặc bể dầu. Sau khi nhúng, thép lại đ ược nung tới khoảng 500 0C, được giữ ở nhiệt độ này, sau đó được làm ngu ội chậm. Tôi nhúng l àm thay đ ổi cấu trúc vi mô của thép, làm tăng cư ờng độ, độ rắn v à độ dai. 1.3.4 Phân lo ại thép kết cấu Các thuộc tính c ơ học của các loại thép kết cấu điển h ình được biểu diễn bằng bốn đ ường cong ứng suất -biến dạng trong h ình 1.4. Mỗi đường cong đại diện cho một loại thép kết cấu với th ành phần cấu tạo đáp ứng các y êu cầu riêng. Rõ ràng là các lo ại thép ứng xử khác nhau, tr ừ vùng biến dạng nhỏ gần gốc toạ độ. Bốn loại thép khác nhau n ày có thể được nhận biết bởi th ành phần hoá học v à cách xử lý nhiệt của chúng. Đó l à thép các bon (cấp 250), thép hợp kim thấp c ường độ cao (cấp 345) , thép hợp kim thấp gia công nhiệt (cấp 485) và thép h ợp kim gia công nhiệt c ường độ cao (cấp 690). Các thuộc tính c ơ học nhỏ nhất của các thép này đư ợc cho trong bảng 1. 5. Hình 1.4 Các đường cong ứng suất -biến dạng điển hình đối với thép kết cấu http://www.ebook.edu.vn 17
  18. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD Bảng 1.5 Các thu ộc tính c ơ học nhỏ nhất của các thép cán d ùng trong công trình, c ường độ v à chiều dày Thép kết Thép h ợp kim thấp Thép h ợp Thép h ợp kim tôi cấu cường độ cao kim th ấp nhúng cư ờng độ cao tôi nhúng Ký hiệu theo M270 M270 M270 M270 M270 AASHTO Cấp 250 Cấp 345 Cấp Cấp Cấp 690/690W 345W 485W Ký hiệu theo ASTM A709M A709M A709M A709M A709M tương đương Cấp 250 Cấp 345 Cấp Cấp Cấp 690/690W 345W 485W Chiều dày của bản Tới 100 Tới 100 Tới 100 Tới 100 Tới 65 Trên 65 (mm) tới 100 Thép hình Tất cả Tất cả Tất cả các Không áp Không áp Không áp các các nhóm dụng dụng dụng nhóm nhóm Cường độ chịu kéo 400 450 485 620 760 690 nhỏ nhất, Fu, (MPa) Điểm chảy nhỏ nhất 250 345 345 485 690 620 hoặc cường độ chảy nhỏ nhất, Fy, (MPa) Một tiêu chuẩn thống nhất hoá cho thép cầu đ ược cho trong ASTM (1995) với ký hiệu A709/A709M -94a (M ch ỉ mét và 94a ch ỉ năm xét lại lần cuối). Sáu cấp thép t ương ứng với bốn cấp cường độ đ ược cho trong bảng 1.2 và hình 1.2. C ấp thép có ký hiệu “W” là thép chống gỉ, có khả năng chống gỉ trong không khí tốt h ơn về cơ bản so với thép than thường và có thể được sử dụng trong nhiều tr ường hợp m à không c ần sơn bảo vệ. Tất cả các cấp thép trong bảng 1.5 đều có thể h àn, tuy nhiên không ph ải với với c ùng một quy cách hàn. M ỗi cấp thép có những y êu cầu riêng về hàn phải được tuân theo. Trong hình 1.4 , các số trong ngoặc ở bốn mức c ường độ thép l à ký hiệu theo ASTM của thép có c ường độ chịu kéo v à thuộc tính biến dạng giống thép A709M. Các con số này được nêu là vì chúng quen thu ộc đối với những ng ười thiết kế khung nh à thép và các công trình khác. S ự khác nhau c ơ bản nhất giữa các thép n ày và thép A709M là ở chỗ thép A709M đư ợc dùng cho xây d ựng cầu và phải có yêu cầu bổ sung về thí nghiệm xác định độ dai. Các y êu cầu này khác nhau đ ối với các cấu kiện tới hạn đứt g ãy và không đứt gãy trong tính toán ở TTGH mỏi v à đứt gãy. Hai thuộc tính của tất cả các cấp thép đ ược coi là không đ ổi, là mô đun đàn h ồi Es = 200 GPa và h ệ số giãn nở vì nhiệt bằng 11,7.10 -6. http://www.ebook.edu.vn 18
  19. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD Phần sau đây giới thiệu tóm tắt về thuộc tính của các cấp thép ứng với các cấp c ường độ khác nhau. Để giúp so sánh các loại thép n ày, các biểu đồ ứng suất -biến dạng giai đoạn đầu và đường cong gỉ phụ thuộc thời gian đ ược cho, tương ứng, trong các h ình 1.5 và 1.6 . Thép các bon công trình Tên gọi như vậy thật ra không đặc tr ưng lắm vì tất cả thép công tr ình đều có các bon. Đây chỉ là định nghĩa kỹ thuật. Các ti êu chuẩn để định loại thép các bon có thể tham khảo trong m ục 8.2.5, t ài liệu [4]. Một trong những đặc trưng chủ yếu của thép các bon công tr ình là có điểm chảy đ ược nhận biết r õ và tiếp theo l à một thềm chảy dài. Điều này được miêu tả trong h ình 1.5 và nó biểu thị tính dẻo tốt, cho phép phân phối lại ứng suất cục bộ m à không đ ứt gãy. Thuộc tính này làm cho thép các bon đ ặc biệt ph ù hợp khi sử dụng l àm chi tiết liên kết. Thép các bon có tính hàn t ốt và thích h ợp cho bản, thanh v à các thép cán đ ịnh hình trong xây d ựng. Chúng đ ược dự kiến cho sử dụng trong nhiệt độ không khí. Mức độ gỉ trong hình 1. 6 đối với thép c ác bon có đ ồng (Cu) bằng khoảng một nửa thép các bon thông thư ờng. Thép hợp kim thấp c ường độ cao Các thép này có thành ph ần hoá học đ ược hạn chế để phát triển c ường độ chảy v à cường độ kéo đứt lớn h ơn thép các bon nhưng lư ợng kim loại bổ sung nhỏ h ơn trong thép h ợp kim. Cư ờng độ chảy cao h ơn (Fy = 345 MPa) đ ạt được trong điều kiện cán nóng h ơn là qua gia công nhi ệt. Kết quả l à chúng có đi ểm chảy r õ ràng và tính d ẻo tuyệt vời nh ư được miêu tả trong h ình 1.5. Thép hợp kim thấp c ường độ cao có tính hàn tốt và thích hợp cho bản, thanh v à các thép cán đ ịnh hình trong xây d ựng. Các hợp kim n ày có sức kháng gỉ trong không khí cao hơn như cho th ấy trong h ình 1.6. Do có các ph ẩm chất tốt n ày, thép c ấp 345 th ường là sự lựa chọn đầu ti ên của người thiết kế các cầu có nhịp trung b ình và nh ỏ. Thép hợp kim thấp gia công nhi ệt Thép hợp kim thấp c ường độ cao có thể được gia công nhiệt để đạt đ ược cường độ chảy cao hơn ( Fy = 485 MPa). Thành ph ần hoá học cho các cấp 345W v à 485W là g ần như nhau. Vi ệc xử lý nhiệt (tôi thép) l àm thay đ ổi cấu trúc vi mô của thép v à làm tăng cư ờng độ, độ rắn v à độ dai. Sự gia công nhiệt l àm điểm chảy của thép dịch chuyển cao l ên như cho th ấy trong hình 1.5. Có m ột sự chuyển tiếp r õ rệt từ ứng xử đ àn hồi sang ứng xử quá đ àn hồi. Cường độ chảy của c ác thép này thư ờng đ ược xác định ở độ gi ãn bằng 0,5% d ưới tác dụng của tải trọng hoặc ở độ gi ãn bằng 0,2% theo định nghĩa b ù (xem hình 1.5). Thép hợp kim thấp được gia công nhiệt có thể h àn, tuy nhiên ch ỉ thích hợp cho tấm. Sức kháng gỉ trong không khí củ a chúng là gi ống như thép h ợp kim thấp c ường độ cao. http://www.ebook.edu.vn 19
  20. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD Hình 1.5 Các đường cong ứng suất -biến dạng ban đầu điển h ình đối với thép công tr ình Hình 1.6 Các đường cong gỉ cho một v ài loại thép trong môi tr ường công nghiệp Thép hợp kim gia công nhi ệt cường độ cao Thép hợp kim l à loại thép có th ành phần hoá học không phải nh ư trong thép h ợp kim thấp cường độ cao. Ph ương pháp gia công nhi ệt tôi nhúng đ ược thực hiện t ương tự như đối với thép hợp kim thấp nh ưng thành ph ần khác nhau của các nguy ên tố hợp kim l àm phát triển cường độ cao h ơn (Fy = 690 MPa) và tính dai l ớn hơn ở nhiệt độ thấp. http://www.ebook.edu.vn 20
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí
65 tài liệu
2431 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2