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

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

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

+ Nếu ta đặt thêm cốt thép dọc vào vùng chịu kéo của dầm như hình 1.2 (ta cũng có thể dùng một số loại cốt liệu khác như tre nứa, thủy tinh, polime,...)  ta được một loại vật liệu mới là BTCT (bê tông có cốt). Nếu lượng cốt thép đặt vào là hợp lý thì thì tình hình phá hoại của dầm sẽ không xảy ra đột ngột nữa (phá hoại dẻo) và khả năng chịu lực của dầm sẽ tăng lên rất nhiều (có thể tới 20 lần). Thật vậy, khi ứng suất kéo lớn nhất trong dầm fct  fctu, thì vết nứt đầu tiên xuất hiện và mở rộng dần. Tại đó toàn bộ lực kéo sẽ do cốt thép chịu. Nếu P tiếp tục tăng, thì các tiết diện gần đó cũng sẽ xảy ra tương tự. Sự phá hoại của dầm sẽ xảy ra khi fst  fstu và fcc  fccu. Như vậy, cường độ hay khả năng chịu lực của cả bê tông và cốt thép đều được khai thác hết.

N2:		P
	TTH Vùng chịu nén As Vùng chịu kéo

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 98 trang tài liệu này.

Vết nứt thẳng góc

fcc

fs .As

Hình 1.4 - Dầm bê tông cốt thép.

- Dầm BTCT khai thác hết khả năng chịu nén tốt của bê tông và khả năng chịu kéo tốt của thép

.Nhờ vậy khả năng chịu mô men hay Sức kháng uốn lớn hơn hàng chục lần so với dầm bê tông có cùng kích thước.

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

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

+ Trên bề mặt tiếp xúc giữa bê tông và thép có lực dính bám khá lớn, lực dính bám này giữ cho cốt

thép không bị tuột khỏi bê tông khi chịu kéo, nên lực có thể truyền từ bê tông sang thép và ngược

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

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

+ Hệ số giãn nở dài vì nhiệt của bê tông và cốt thép là xấp xỉ bằng nhau ( bê tông c = 1.10-5  1,5.10-5/oC, thép s = 1,2.10-5/oC ). Do đó khi nghiệt độ thay đổi trong phạm vi thông thường (dưới 100oC) thì sự giãn dài vì nhiệt của hai vật liệu này không chênh lệch nhau mấy  nội ứng suất phát sinh sẽ không đáng kể.

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

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

+ Đối với cốt thép thường, ứng suất kéo trong cốt thép fst = 20  30MPa thì lớp bê tông bao bọc xung quanh cốt thép đã bắt đầu bị rạn nứt. Khi fct = 180  250MPa thì bề rộng vết nứt khoảng 0,2  0,3mm. Đây cũng là bề rộng vết nứt giới hạn mà các TCTK quy định (quy định này xuất phát từ các yêu cầu như bảo vệ cho cốt thép khỏi bị ăn mòn do nước hoặc hơi nước xâm nhập vào, hoặc do điều kiện tâm lý của người sử dụng,...)

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

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

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

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

+ Khái niệm kết cấu dự ứng lực: Kết cấu dự ứng lực nói chung là loại kết cấu mà khi chế tạo chúng người ta tạo ra một trạng thái ứng suất ban đầu ngược với trạng thái ứng suất do tải trọng khi sử dụng nhằm, nhằm hạn chế các yếu tố có hại đến tình hình chịu lực của kết cấu do tính chất chịu lực kém của vật liệu sinh ra.

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

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

Aps

ft fc fc fc

+ = or

fc ft ft

Do DUL Do P DULHT DULKHT

Hình 1.5 - Dầm BTCT ứng suất trước

Ta thấy, do sử dụng DUL mà ứng suất kéo trong cấu kiện đã bị triệt tiêu (DUL hoàn toàn) hoặc ứng suất kéo còn rất nhỏ (DUL không hoàn toàn).

- Ta có thể tạo ra các trạng thái ứng suất ban đầu khác nhau bằng hai cách: Thay đổi vị trí lực nén trước hoặc thay đổi trị số lực nén trước  Nhờ đó ta có thể thiết kế được kết cấu BTCT DUL một cách hợp lý và đưa đến khả năng tiết kiệm vật liệu nhất.

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

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

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

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

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

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

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

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

+ Ứng lực trước không những gây ra ứng suất nén mà còn có thể gây ra ứng suất kéo ở phía đối diện làm cho bê tông có thể bị nứt .

+ Chế tạo phức tạp hơn yêu cầu kiểm soát chặt chẽ về kỹ thuật để có thể đạt chất lượng như thiết kế đề ra.

1.2. ĐẶC ĐIỂM CHUNG VỀ CẤU TẠO VÀ CHẾ TẠO CỦA KẾT CẤU BTCT.

1.2.1. Đặc điểm chung về cấu tạo.

Trong bê tông cốt thép, giải quyết vấn đề cấu tạo sao cho hợp lý là rất quan trọng. Hợp lý về mặt chọn vật liệu (Mác bê tông hay cấp bê tông, nhóm thép hay loại thép), hợp lý về chọn dạng tiết diện và kích thước tiết diện, hợp lý về việc bố trí cốt thép để có thể đồng thời đáp ứng được sự chịu lực cục bộ của các bộ phận kết cấu chưa được xem xét đầy đủ trong tính toán như tính không liên tục của kết cấu, vị trí đặt tải trọng tập trung,...Giải quyết các liên kết giữa các bộ phận, chọn giải pháp bảo vệ kết cấu chống xâm thực, có thể thi công được (tính khả thi),...

1.2.1.1. Kết cấu bê tông cốt thép thường.

Cốt thép được đặt vào trong cấu kiện bê tông cốt thép thường bao gồm: cốt thép chịu ứng suất kéo, chịu ứng suất nén, để định vị các cốt thép khác và cốt thép cấu tạo khác. Số lượng cốt thép do tính toán định ra, nhưng nó cũng phải thoả mãn các yêu cầu cấu tạo.

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

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

a) w b) w


L



L

wL2/2 wL2/8

Cốt thép dọc chịu kéo do M Cốt thép dọc chịu kéo do M

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

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

Cốt thép xiên Cốt thép đai

Cốt thép dọc chịu nén

A-A

Cốt thép dọc chịu kéo

A's

Hình 1.7- Sơ đồ bố trí cốt thép trong dầm

 Cốt thép chịu ứng suất nén: Đó là các cốt dọc chịu nén trong dầm, cột. Các cốt thép này cùng tham gia chịu nén với bê tông.

 Cốt thép định vị các cốt thép khác trong thi công.

 Cốt thép kiểm soát nứt bề mặt phân bố gần bề mặt cấu kiện làm nhiệm vụ chịu ứng suất do co ngót, thay đổi nhiệt độ, các cốt dọc và cốt thép ngang là một phần của cốt thép kiểm soát nứt bề mặt.

Chú ý:

+ Trong cấu kiện chịu uốn khi chỉ có cốt dọc chịu kéo thì được gọi là tiết diện đặt

cốt thép đơn, còn khi có cả cốt thép dọc chịu kéo và cốt dọc chịu nén thì được gọi là tiết diện đặt cốt kép.

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

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

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

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

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

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

1.2.1.2. Kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực

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

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

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

+ Trong cấu kiện chịu uốn, kéo nén lệch tâm thì cốt thép kép căng bao gồm cả cốt thép dọc và cốt thép đai.

- Cốt thép dự ứng lực có thể đặt theo đường thẳng, cong, gãy khúc hoặc kết hợp. Ví dụ:

a) b)

c) d)

Hình 1.8 - Sơ đồ bố trí cốt thép DƯL

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

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

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

a) Bản đệm ống tạo lỗ

b) c)

Neo

Lưới thép gia cường

Cốt thép DUL đặt trong Cốt thép DUL đặt ngoài

Hình 1.9- Cách bố trí cốt thép DƯL

1.2.2. Đặc điểm chế tạo :

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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