1

LỜI GIỚI THIỆU

Quyển Kết cấu bê tông này đƣợc biên soạn, trƣớc hết, để dành sinh viên các chuyên ngành
xây dựng, đặc biệt là xây dựng giao thông và xây dựng dân dụng. Trong quá trình biên soạn,
các tác giả đã cố gắng mô tả sự làm việc của các kết cấu bê tông cũng nhƣ các phƣơng pháp
thiết kế chúng dựa trên các tính chất cơ học. Tuy nhiên, khoa học về kết cấu bê tông là khoa
học thực nghiệm nên việc tính toán và thiết kế kết cấu bê tông đòi hỏi phải sử dụng cả các kết
quả thí nghiệm, các công thức thực nghiệm cũng nhƣ các quy định và khuyến nghị của các
Tiêu chuẩn thiết kế. Các tiêu chuẩn đƣợc sử dụng có tính chất ví dụ trong tài liệu này là Tiêu
chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 của Bộ Giao thông vận tải cũng nhƣ Tiêu chuẩn thiết kế
kết cấu bê tông ACI 318-05 của Viện Bê tông Hoa Kỳ. Để so sánh, một số chỗ trong tài liệu
cũng tham khảo cả các tiêu chuẩn khác nhƣ Euro Code, TCXDVN 356-2005, v.v.
Tài liệu này bao gồm 10 chƣơng, giới thiệu một số vấn đề cơ bản nhất trong việc tính toán
và thiết kế các cấu kiện bê tông và bê tông cốt thép.
Chƣơng 1 giới thiệu các vấn đề tổng quan về kết cấu bê tông và kết cấu bê tông cốt thép
cũng nhƣ các phƣơng pháp tính toán và thiết kế chúng.
Chƣơng 2 tập trung về tính chất cơ bản của các vật liệu đƣợc sử dụng trong kết cấu bê
tông và bê tông cốt thép.
Chƣơng 3 trình bày nguyên lý thiết kế kết cấu bê tông cốt thép theo các trạng thái giới hạn.
Các chƣơng 4, 5, 6 và 7 lần lƣợt đƣợc dành để trình bày cách tính toán ứng xử và thiết kế
theo trạng thái giới hạn cƣờng độ các cấu kiện bê tông cốt thép ở các trạng thái chịu lực cơ
bản nhƣ chịu uốn, chịu cắt, chịu xoắn và chịu nén uốn kết hợp.
Chƣơng 8 giới thiệu cách tính toán và thiết kế cấu kiện bê tông cốt thép trong trạng thái
giới hạn sử dụng.
Chƣơng 9 đƣợc dành cho việc thiết kế các khu vực không liên tục trong các kết cấu bê
tông cốt thép.
Chƣơng 10 giới thiệu các nguyên lý thiết kế cấu tạo trong các kết cấu bê tông cốt thép.
Việc biên soạn tài liệu đƣợc thực hiện theo sự phân công giữa các tác giả:

1.1.4 Ưu, nhược điểm và phạm vi áp dụng của kết cấu bê tông 19
1.1.5 Các dạng kết cấu bê tông điển hình dùng trong công trình xây dựng 20
1.2 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA BÊ TÔNG CỐT THÉP 22
1.3 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 23
1.3.1 Thiết kế sơ bộ 23
1.3.2 Phân tích kết cấu 23
1.3.3 Thiết kế chi tiết 24
1.4 TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 24
CHƢƠNG 2 VẬT LIỆU 26
2.1 BÊ TÔNG 26
2.1.1 Thành phần của bê tông 26
2.1.2 Đặc tính của bê tông non 28
2.1.3 Phân loại bê tông 30
2.1.4 Các tính chất cơ lý của bê tông đã đóng rắn 30
2.1.4.1 Cường độ chịu nén dọc trục của bê tông 30
2.1.4.2 Cường độ chịu kéo của bê tông 33
2.1.4.3 Sự làm việc của bê tông khi chịu nén một trục – các định luật vật liệu của bê tông 34
2.1.4.4 Mô đun đàn hồi của bê tông 39
2.1.4.5 Sự làm việc của bê tông khi chịu kéo 40
2.1.4.6 Sự làm việc của bê tông khi chịu tải trọng lặp 41
2.1.4.7 Ảnh hưởng của tốc độ chất tải đến cường độ của bê tông 42
2.1.4.8 Từ biến của bê tông 43
2.1.4.9 Ví dụ 2.1 – Tính toán từ biến 48
2.1.4.10 Co ngót của bê tông 49
2.1.4.11 Các thuộc tính nhiệt của bê tông 51
2.1.4.12 Khối lượng thể tích của bê tông 52
2.1.4.13 Sự làm việc của bê tông khi chịu ứng suất nhiều chiều 53
2.1.5 Cấp bê tông, cấp độ bền và mác bê tông 56
2.1.5.1 Cấp bê tông 56
2.1.5.2 Cấp độ bền và mác bê tông 57

3.3.4.6 Xác suất phá hoại (Probability of Failure) 83
3.3.4.7 Chỉ số độ an toàn (Safety Index) 85
3.3.4.8 Cách xác định hệ số cường độ và hệ số tải trọng 87
3.4 TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ 89
CHƢƠNG 4 THIẾT KẾ CHỊU UỐN 91
4.1 GIỚI THIỆU 91
4.2 ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO 91
4.2.1 Cấu tạo của rầm 91
4.2.1.1 Chiều dày bản cánh 92
4.2.1.2 Chiều dày sườn rầm 92
4.2.1.3 Chiều cao rầm 92
4.2.1.4 Cốt thép rầm 93
4.2.2 Cấu tạo của bản 94
4.3 SỰ LÀM VIỆC CỦA RẦM KHI CHỊU UỐN 95
4.3.1 Tổng quan về sự làm việc của rầm khi chịu uốn 95
4.3.2 Tính toán xác định sự làm việc của rầm chịu uốn thuần tuý 98
4.3.2.1 Các tham số cơ bản 98
4.3.2.2 Điều kiện tương thích về biến dạng 98
4.3.2.3 Điều kiện cân bằng 99
4.3.2.4 Phương pháp xác định sự làm việc của rầm chịu uốn 99
4.3.2.4.1 Phương pháp chia lớp 100
4.3.2.4.2 Phương pháp khối ứng suất 101
4.3.3 Chi tiết về các giai đoạn trong quá trình làm việc chịu uốn thuần tuý của rầm bê tông cốt thép
104

5

4.3.3.1 Giai đoạn I – Giai đoạn bê tông chưa nứt 104
4.3.3.2 Ví dụ 4.1 – Tính toán mô men gây nứt 105
4.3.3.3 Giai đoạn II – Giai đoạn bê tông vùng kéo đã nứt, bê tông vùng nén làm việc trong giai đoạn đàn

4.4.9.3.2 Tính toán theo Tiêu chuẩn ACI 318-05 148
4.4.9.4 Ví dụ 4.8 – Tính toán sức kháng uốn của rầm chữ T theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 150
4.4.9.5 Ví dụ 4.9 – Tính toán sức kháng uốn của rầm chữ T theo Tiêu chuẩn ACI 318-05 151
4.4.9.6 Thiết kế mặt cắt chữ T 154
4.4.9.7 Ví dụ 4.10 – Thiết kế mặt cắt chữ T 155
4.5 BÀI TẬP 158
CHƢƠNG 5 THIẾT KẾ CHỊU CẮT 162
5.1 GIỚI THIỆU CHUNG 162
5.2 SỰ LÀM VIỆC CỦA CẤU KIỆN CHỊU CẮT 162
5.2.1 Cơ sở xác định sự làm việc của cấu kiện chịu cắt 162
5.2.2 Sức kháng cắt của bê tông 164
5.2.2.1 Các dạng phá hoại ở cấu kiện chịu cắt 164
5.2.2.2 Sức kháng cắt sườn 165
5.2.2.3 Sức kháng uốn cắt 165
5.2.2.3.1 Xác định ứng suất dọc trục 166
5.2.2.3.2 Xác định ứng suất tiếp 166

6

5.2.2.3.3 Tính toán sức kháng uốn cắt của bê tông theo tiêu chuẩn ACI 318-05 168
5.2.3 Sự làm việc của rầm bê tông cốt thép sau khi nứt nghiêng 169
5.3 THIẾT KẾ CHỊU CẮT 171
5.3.1 Mô hình giàn 171
5.3.2 Mô hình của Tiêu chuẩn ACI 318-05 174
5.3.3 Ví dụ thiết kế chịu cắt theo tiêu chuẩn ACI 177
5.3.3.1 Ví dụ 5.1 177
5.3.3.2 Ví dụ 5.2 178
5.3.3.3 Ví dụ 5.3 180
5.3.4 Lý thuyết trường nén sửa đổi 184
5.3.4.1 Giới thiệu 184

6.4.3 Thiết kế chịu xoắn, uốn và cắt đồng thời theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 222
6.4.3.1 Mô men xoắn tính toán 223
6.4.3.2 Giới hạn kích thước mặt cắt ngang 223
6.4.3.3 Thiết kế cốt thép chịu xoắn 223
6.4.4 Ví dụ 6.2 – Thiết kế cốt thép ngang cho rầm chịu xoắn, cắt và uốn kết hợp 224
6.5 SỰ PHÂN BỐ LẠI MÔMEN XOẮN TRONG CÁC KẾT CẤU SIÊU TĨNH 227
6.6 BÀI TẬP 230

7

CHƢƠNG 7 THIẾT KẾ CHỊU NÉN UỐN KẾT HỢP 231
7.1 GIỚI THIỆU CHUNG 231
7.2 PHÂN LOẠI CỘT 232
7.3 XÁC ĐỊNH ĐỘ MẢNH CỦA CỘT 234
7.3.1 Khái quát 234
7.3.2 Các đặc trưng hình học và vật liệu 234
7.3.3 Chiều dài có hiệu và bán kính quán tính 235
7.3.3.1 Hệ số chiều dài có hiệu 235
7.3.3.2 Phân biệt khung có chuyển vị ngang và khung không có chuyển vị ngang 236
7.3.3.3 Xác định hệ số chiều dài có hiệu bằng phương pháp biểu đồ 237
7.3.3.4 Xác định hệ số chiều dài có hiệu bằng công thức kinh nghiệm 238
7.3.4 Ví dụ 7.7 – Tính toán hệ số độ mảnh 239
7.4 ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO CỦA CỘT 240
7.4.1 Kích thước mặt cắt ngang 240
7.4.2 Cốt thép dọc 241
7.4.2.1 Hàm lượng cốt thép tối thiểu 241
7.4.2.2 Hàm lượng cốt thép dọc tối đa. 241
7.4.2.3 Số lượng thanh cốt thép dọc tối thiểu 241
7.4.3 Bố trí cốt thép đai 241
7.5 NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ CỐT ĐAI 242


7.8.2.4 Ổn định của cột trong khung không có giằng 278
7.8.3 Ví dụ tính toán cột trong khung không có chuyển vị ngang 279
7.8.3.1 Ví dụ 7.8 279
7.8.3.2 Ví dụ 7.9 280
7.8.4 Ví dụ 7.10 – Tính toán cột trong khung có chuyển vị ngang 283
7.9 CẤU KIỆN CHỊU NÉN VÀ UỐN HAI PHƯƠNG 286
7.9.1 Giới thiệu chung 286
7.9.2 Ví dụ 7.11 – Tính toán cột chịu nén uốn theo hai phương 290
7.10 BÀI TẬP 291
CHƢƠNG 8 THIẾT KẾ KẾT CẤU TRONG GIAI ĐOẠN SỬ DỤNG 294
8.1 GIỚI THIỆU CHUNG 294
8.2 CÁC GIẢ THIẾT CƠ BẢN 294
8.3 TÍNH TOÁN ĐỘ VÕNG 295
8.3.1 Giới thiệu chung 295
8.3.2 Tính toán độ cứng chống uốn 295
8.3.3 Mô men quán tính của một số dạng mặt cắt phổ biến 297
8.3.3.1 Mặt cắt chữ nhật đặt cốt thép đơn 297
8.3.3.2 Mặt cắt chữ nhật đặt cốt thép kép 297
8.3.3.3 Mặt cắt chữ T 298
8.4 ĐỘ VÕNG DÀI HẠN 300
8.5 TÍNH DUYỆT ĐỘ VÕNG 302
8.6 VÍ DỤ TÍNH TOÁN ĐỘ VÕNG 303
8.6.1 Ví dụ 8.1 – Tính duyệt độ võng của rầm giản đơn theo Tiêu chuẩn ACI 318-05 303
8.6.2 Ví dụ 8.2 – Tính duyệt độ võng của rầm liên tục theo Tiêu chuẩn ACI 318-05 306
8.6.3 Ví dụ 8.3 – Tính duyệt độ võng của rầm cầu theo 22 TCN 272-05 314
8.7 TÍNH TOÁN VÀ HẠN CHẾ ĐỘ MỞ RỘNG VẾT NỨT 316
8.7.1 Các loại vết nứt và nguyên nhân 316
8.7.1.1 Các vết nứt do chịu lực 317
8.7.1.2 Các vết nứt không do chịu lực 318

9.4.4 Thiết kế và tính duyệt kết cấu bằng phương pháp sơ đồ hệ thanh 353
9.4.4.1 Xác định kích thước của các nút 354
9.4.4.2 Xác định kích thước của các thanh nén 356
9.4.4.3 Xác định kích thước thanh kéo 358
9.4.5 Ví dụ 9.1 – Thiết kế vùng neo bằng phương pháp SĐHT 359
9.4.6 Ứng dụng phương pháp SĐHT trong tính toán chịu cắt 362
9.4.7 Ví dụ 9.2 – Thiết kế rầm tường (rầm cao) bằng phương pháp SĐHT 364
9.5 SỰ TRUYỀN LỰC CẮT QUA MẶT PHẲNG YẾU – KHÁI NIỆM VỀ MA SÁT CẮT 370
CHƢƠNG 10 THIẾT KẾ CẤU TẠO 373
10.1 GIỚI THIỆU CHUNG 373
10.2 LỚP BÊ TÔNG BẢO VỆ 373
10.3 KHOẢNG CÁCH GIỮA CÁC THANH CỐT THÉP 375
10.3.1 Khoảng cách tối thiểu theo phương ngang giữa các thanh cốt thép 375
10.3.2 Khoảng cách tối đa theo phương ngang giữa các thanh cốt thép 376
10.3.3 Khoảng cách tối thiểu giữa các lớp cốt thép 376
10.4 TRIỂN KHAI CỐT THÉP 377
10.4.1 Khái niệm về chiều dài triển khai 377
10.4.2 Mặt cắt khống chế đối với việc triển khai cốt thép 379
10.4.3 Triển khai cốt thép chịu kéo thông qua lực dính bám 379
10.4.3.1 Chiều dài triển khai cơ sở cho các thanh có gờ và sợi thép có gờ chịu kéo 380
10.4.3.2 Các hệ số điều chỉnh chiều dài triển khai cho các thanh có gờ và sợi thép có gờ chịu kéo 380
10.4.3.3 Chiều dài triển khai cho các bó thanh 381
10.4.4 Ví dụ 10.1 – Tính toán chiều dài triển khai cho cốt thép chịu kéo 382
10.4.5 Triển khai cốt thép chịu kéo có móc và các thiết bị neo 383
10.4.5.1 Cấu tạo móc 383
10.4.5.2 Chiều dài triển khai của cốt thép có móc chịu kéo 384
10.4.5.3 Yêu cầu giằng cho cốt thép có móc chịu kéo 385
10.4.5.4 Các dạng neo cơ khí khác 385
10.4.6 Triển khai cốt thép chịu nén 386
10.5 NỐI CỐT THÉP 388


HỆ THỐNG KÝ HIỆU
Ký hiệu
Ý nghĩa


Góc nghiêng của cốt thép sƣờn so với trục rầm
1


Hệ số khối ứng suất
c


Hệ số giãn nở nhiệt của bê tông
s


Hệ số giãn nở nhiệt của thép


Hệ số sức kháng cắt của bê tông
1


Hệ số khối ứng suất
c


Khối lƣợng thể tích của bê tông




Biến dạng ứng với lúc ứng suất trong bê tông đƣợc kiềm chế đạt đến
giá trị cƣờng độ
cu


Biến dạng cực hạn của bê tông khi chịu nén
cr


Biến dạng gây nứt trong bê tông khi chịu kéo
CR


Từ biến
cf


Biến dạng của bê tông do ứng suất
cth


Biến dạng của bê tông do nhiệt độ
sh


Biến dạng do co ngót


c
A

Diện tích phần bê tông trong mặt cắt
,c eff
A

Diện tích có hiệu của bê tông quanh cốt thép
s
A

Diện tích phần cốt thép chịu kéo trong mặt cắt
s
A


Diện tích phần cốt thép chịu nén trong mặt cắt
a

Chiều cao khối ứng suất
a

Chiều dài chịu cắt
b

Bề rộng của mặt cắt
eff
b

Bề rộng có hiệu của cánh rầm

tâm cốt thép chịu kéo)
d


Khoảng cách từ mép chịu nén đến trọng tâm cốt thép chịu nén
v
d

Chiều cao chịu cắt, bằng khoảng cách giữa trọng tâm vùng nén đến
trọng tâm vùng kéo
E

Mô đun đàn hồi

13

c
E

Mô đun đàn hồi của bê tông
,c adj
E

Mô đun đàn hồi có hiệu, hiệu chỉnh của bê tông
,c eff
E

Mô đun đàn hồi có hiệu của bê tông
s
E

u
f

Cƣờng độ kéo đứt của cốt thép
h

Chiều cao của mặt cắt rầm
f
h

Chiều cao của cánh rầm
min
h

Chiều cao tối thiểu của mặt cắt thoả mãn yêu cầu độ cứng
I

Mô men quán tính của mặt cắt
g
I

Mô men quán tính của mặt cắt nguyên
cr
I

Mô men quán tính của mặt cắt đã nứt tính đổi
e
I

Mô men quán tính có hiệu của mặt cắt

M

Mô men gây nứt
n
M

Mô men uốn danh định
u
M

Mô men uốn tính toán (mô men uốn đã nhân hệ số)
r
M

Mô men kháng tính toán
N

Lực dọc
P

Lực nén
Q

Hiệu ứng do tải trọng sinh ra
R

Sức kháng
T

Lực kéo

u

CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU BÊ TÔNG
15

CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU BÊ TÔNG
1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1.1.1 Kết cấu bê tông
Bê tông là một loại đá nhân tạo đƣợc tạo thành từ việc đóng rắn hỗn hợp xi măng, nƣớc,
cốt liệu mịn, cốt liệu thô (đá, sỏi) và có thể có cả phụ gia cũng nhƣ các chất độn hoạt tính.
Các loại bê tông thông thƣờng có khả năng chịu nén rất lớn nhƣng khả năng chịu kéo lại rất
nhỏ. Cƣờng độ chịu kéo của bê tông chỉ bằng khoảng 1/20 đến 1/10 cƣờng độ chịu nén của
nó. Bên cạnh giá trị thấp, cƣờng độ chịu kéo của bê tông lại rất không ổn định. Ngoài ra, biến
dạng kéo của bê tông khi ứng suất đạt đến cƣờng độ chịu kéo cũng có giá trị rất nhỏ. Vì
những lý do này, khả năng sử dụng riêng bê tông (bê tông không đƣợc gia cƣờng) trong kết
cấu là khá hạn chế. Ví dụ, một cấu kiện chịu uốn, đƣợc làm từ bê tông có cƣờng độ chịu nén
đến 35 MPa, sẽ bị nứt và phá hoại khi ứng suất kéo trong bê tông ở thớ chịu kéo đạt khoảng 2
MPa. Sự phá hoại này xảy ra là do khả năng chịu kéo của bê tông đã bị khai thác hết mặc dù
khả năng chịu nén của nó vẫn rất dƣ thừa. Việc sử dụng vật liệu nhƣ vậy là rất lãng phí. Do
đó, bê tông không đƣợc gia cƣờng chỉ đƣợc sử dụng rất hạn chế cho một số kết cấu chịu lực
có dạng khối lớn nhƣ đập chắn nƣớc, bệ móng, v.v. là dạng kết cấu chịu nén là chủ yếu. Ngay
cả ở những kết cấu này, để hạn chế bề rộng của các vết nứt bề mặt gây ra bởi co ngót và ứng
suất nhiệt, ngƣời ta cũng phải tìm cách gia cƣờng cho bê tông gần bề mặt.
Có rất nhiều giải pháp kết cấu hoặc phối hợp vật liệu có thể giúp khai thác đƣợc khả năng
chịu nén tốt của bê tông và, đồng thời, khắc phục đƣợc khả năng chịu kéo kém của nó. Điển
hình nhất trong số này là sử dụng những vật liệu có khả năng chịu kéo tốt, nhƣ thép hay sợi
thuỷ tinh hoặc chất dẻo, v.v. làm cốt để tăng cƣờng cho vùng chịu kéo của bê tông. Nếu khi
đổ bê tông, các thanh thép hoặc các vật liệu tăng cƣờng khác đƣợc đƣa vào các vị trí thích
hợp thì khả năng chịu lực của kết cấu bê tông sẽ đƣợc tăng lên đáng kể. Trong rất nhiều
trƣờng hợp, bê tông cũng còn đƣợc gia cƣờng cả vùng chịu nén bằng các vật liệu thích hợp

đƣợc gọi là bê tông cốt thép. Bên cạnh các loại cốt ở dạng thanh, ngƣời ta cũng sử dụng cốt
tăng cƣờng cho bê tông ở dạng sợi và loại vật liệu này đƣợc gọi là bê tông cốt sợi.
0
20
40
60
80
100
140
120
2
4
6
8
10
12
14
16
Phá hoại
QUAN HỆ LỰC – ĐỘ VÕNG
Độ võng giữa nhịp (mm)
Lực (kN)
600
250
3#29
0
2
4
6
10

CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU BÊ TÔNG
17

Ngoài việc bố trí các vật liệu có khả năng chịu kéo lớn vào kết cấu bê tông (để thay thế bê
tông chịu lực kéo), ngƣời ta còn tìm cách nén trƣớc các vùng bê tông sẽ chịu kéo khi chịu các
tác động bên ngoài. Giải pháp này sẽ làm tăng khả năng chống nứt của kết cấu bê tông và,
qua đó, làm tăng khả năng chống thấm, độ cứng và độ bền của nó. Kết cấu bê tông dạng này
đƣợc gọi là kết cấu bê tông dự ứng lực hay kết cấu bê tông ứng suất trƣớc.
Kết cấu bê tông đƣợc sử dụng trong tài liệu này là một khái niệm chung để chỉ các kết cấu
đƣợc làm từ bê tông xi măng nhƣ kết cấu bê tông không có cốt, kết cấu bê tông có cốt, kết
cấu bê tông dự ứng lực, kết cấu bê tông cốt sợi, v.v.
Tài liệu này chỉ tập trung cho kết cấu bê tông cốt thép là dạng kết cấu đang đƣợc sử dụng
phổ biến nhất hiện nay ở nƣớc ta và trên toàn thế giới.
1.1.2 Bê tông cốt thép
Ở các điều kiện sử dụng bình thƣờng, bê tông và cốt thép có thể phối hợp làm việc rất tốt
với nhau nhờ các yếu tố sau:
 Lực dính bám giữa bê tông và bề mặt cốt thép. Lực này hình thành trong quá trình
đông cứng của bê tông và đảm bảo cho cốt thép không bị tuột khỏi bê tông trong quá
trình chịu lực. Do lực dính bám đóng vai trò quyết định trong sự làm việc chung của bê
tông và cốt thép nhƣ là một vật liệu thống nhất nên ngƣời ta luôn tìm mọi cách để làm
tăng độ lớn của lực này.
 Giữa bê tông và cốt thép không có các phản ứng hoá học làm ảnh hƣởng đến từng loại
vật liệu. Ngoài ra, bê tông còn tạo ra trên bề mặt cốt thép một lớp thụ động, có tác
dụng bảo vệ cốt thép khỏi bị ăn mòn do tác động của môi trƣờng.
 Bê tông và cốt thép có hệ số giãn nở nhiệt gần bằng nhau. Hệ số giãn nở nhiệt của bê
tông là
55
1,0 10 1,5 10
c


lực. Thông qua dự ứng lực, ngƣời ta có thể chủ động tạo ra các trạng thái ứng suất
thích hợp trong kết cấu để hạn chế tối đa các tác động bất lợi từ bên ngoài. Kết cấu bê
tông dự ứng lực còn đƣợc phân loại thành kết cấu bê tông dự ứng lực hoàn toàn và dự
ứng lực một phần. Ở kết cấu bê tông dự ứng lực hoàn toàn, trong bê tông không đƣợc
phép nứt hoặc, thậm chí, không đƣợc xuất hiện ứng suất kéo. Trong khi đó, ở kết cấu
bê tông dự ứng lực một phần, bê tông đƣợc phép xuất hiện vết nứt ở một số tổ hợp tải
trọng nhất định.
1.1.3.2 Phân loại theo phƣơng pháp thi công
Theo phƣơng pháp thi công, kết cấu bê tông cốt thép có thể đƣợc phân loại thành:
 Kết cấu bê tông đổ tại chỗ: là loại kết cấu đƣợc lắp dựng cốt thép và đổ bê tông tại vị
trí thiết kế của nó. Hầu hết các kết cấu bê tông cốt thép có kích thƣớc lớn đều đƣợc thi
công đổ tại chỗ. Kết cấu bê tông cốt thép đƣợc thi công đổ tại chỗ có tính toàn khối
cao, ít mối nối nên có độ bền cao, có độ cứng và khả năng chịu lực lớn theo nhiều
phƣơng. Tuy nhiên, do đƣợc đổ bê tông tại công trƣờng nên thời gian thi công thƣờng
kéo dài, chất lƣợng bê tông khó đƣợc kiểm soát vì chịu ảnh hƣởng nhiều của các tác
động môi trƣờng. Hiện nay, việc sử dụng bê tông thƣơng phẩm và việc hoàn thiện các
công nghệ đổ bê tông tại chỗ đã cơ bản khắc phục đƣợc các nhƣợc điểm này.
 Kết cấu bê tông lắp ghép. Theo phƣơng pháp thi công này, các bộ phận kết cấu bê tông
đƣợc đúc sẵn tại nhà máy hay tại các xƣởng đúc bê tông và, sau đó, đƣợc vận chuyển
đến công trƣờng xây dựng và lắp ghép tại đó. Bê tông đƣợc thi công theo phƣơng pháp
này có chất lƣợng cao hơn nhƣng kết cấu lại có độ toàn khối thấp. Các mối nối đƣợc
thực hiện ở công trƣờng chính là các điểm xung yếu làm giảm độ bền chung của kết
cấu. Phụ thuộc vào năng lực của các thiết bị vận chuyển và thi công, các bộ phận lắp
ghép có thể là các phần nhỏ của kết cấu nhƣ các đốt rầm, các cấu kiện tƣơng đối hoàn
chỉnh nhƣ rầm, cột, tƣờng hoặc các khối kết cấu.
 Kết cấu bê tông bán lắp ghép. Đây là phƣơng pháp thi công kết hợp cả hai phƣơng
pháp nêu trên. Một số bộ phận của kết cấu đƣợc chế tạo ở xƣởng nhƣng ở dạng chƣa
hoàn thiện và, sau khi đƣợc vận chuyển đến vị trí xây dựng, sẽ đƣợc đổ bê tông bổ
sung. Phần bê tông đƣợc đổ mới cũng đóng luôn vai trò của các mối nối thi công. Các
rầm cầu dạng chữ I, T có phạm vi nhịp đến khoảng 40 m thƣờng đƣợc xây dựng theo

 Dễ tạo dáng. Do bê tông đóng rắn từ hỗn hợp dẻo nên việc tạo dáng cho các cấu kiện
phù hợp với yêu cầu kiến trúc là khá dễ dàng.
 Chịu lửa tốt. Cƣờng độ của bê tông bị suy giảm không đáng kể khi nhiệt độ lên đến
400
o
C. Ngoài ra, hệ số dẫn nhiệt của bê tông khá thấp (khoảng từ 1 đến 2,6
o
W m C
)
nên nó có thể bảo vệ đƣợc cốt thép không bị chảy khi nhiệt độ cao.
 Có khả năng hấp thụ năng lƣợng tốt. Các kết cấu bằng bê tông cốt thép thƣờng có khối
lƣợng lớn nên có khả năng hấp thụ năng lƣợng xung kích tốt.
Bên cạnh các ƣu điểm kể trên, bê tông cốt thép cũng có một số nhƣợc điểm quan trọng
sau:
Phần bê tông
đúc sẵn
Phần bê tông đổ tại chỗ
Ván khuôn ở
công trƣờng

Kết cấu bê tông
20

 Có tỷ lệ cƣờng độ so với đơn vị trọng lƣợng bản thân nhỏ. Do đó, các kết cấu đƣợc xây
dựng từ vật liệu này thƣờng có nhịp tƣơng đối nhỏ và chi phí cho việc xây dựng kết
cấu nền móng lớn. Tuy nhiên, việc sử dụng bê tông dự ứng lực cƣờng độ cao hoặc các
giải pháp kết cấu hợp lý đã khắc phục đƣợc đáng kể nhƣợc điểm này.
 Bê tông đổ tại chỗ đòi hỏi thời gian thi công dài và các hệ thống đà giáo ván khuôn
phức tạp. Do thời gian thi công kéo dài nên chất lƣợng bê tông chịu nhiều ảnh hƣởng
của thời tiết và, do đó, khó kiểm soát. Việc sử dụng bê tông lắp ghép hay bán lắp ghép


CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU BÊ TÔNG
21

mái bao phủ một diện tích lớn với số lƣợng cột đỡ ít đến mức có thể. Thay cho cách thức xây
dựng truyền thống đơn giản với vì kèo, xà gồ và các tấm lợp, trong kết cấu mái có khẩu độ
lớn bằng kết cấu bê tông, ngƣời ta sử dụng các kết cấu không giản vỏ mỏng nhiều lớp hoặc
kết cấu vòm cuốn (Hình 1.3).

Hình 1.3 Mái vỏ Isler bằng BTCT ở gần thành phố Bern, Thuỵ sỹ [7]
Cầu là các công trình kỹ thuật để đƣa các tuyến giao thông vƣợt qua chƣớng ngại vật
(Hình 1.4). Theo loại hình giao thông, cầu đƣợc phân loại thành cầu cho ngƣời đi bộ, cầu
đƣờng ô tô hay cầu đƣờng sắt. Theo loại chƣớng ngại vật phải vƣợt qua, cầu đƣợc phân biệt
thành cầu qua thung lũng, cầu qua sƣờn núi hay cầu qua sông, biển hoặc cầu phục vụ cho các
đƣờng giao thông trên cao. Các công trình cầu bao gồm kết cấu phần trên và kết cấu phần
dƣới. Kết cấu phần trên bao gồm kết cấu chịu lực và hệ mặt cầu. Tuỳ theo hình dạng và đặc
điểm chịu lực mà kết cấu này đƣợc phân biệt thành cầu bản, cầu rầm, cầu khung, cầu vòm,
cầu dây văng, cầu dây võng và các dạng cầu hỗn hợp khác nhƣ cầu extradosed, v.v. Kết cấu
phần dƣới bao gồm móng, mố và trụ. Các công trình cầu chịu tác động của thời tiết và ảnh
hƣởng của môi trƣờng mạnh hơn rõ rệt so với các công trình nhà cửa. Do ƣu điểm về tuổi thọ,
bê tông cốt thép đƣợc sử dụng rất phổ biến trong xây dựng cầu. Nhƣợc điểm vì trọng lƣợng
bản thân lớn đã phần nào đƣợc khắc phục nhờ kết cấu bê tông dự ứng lực.

Hình 1.4 Cầu Bãi Cháy, cầu dây văng một mặt phẳng dây với rầm chính bằng kết cấu bê tông
Tháp và cột tháp, về tổng thể, là những cấu kiện kiểu công son liên kết cứng với nền
móng. Thí dụ về dạng kết cấu này là các loại tháp đứng độc lập, nhƣ tháp truyền hình, tháp
thông tin, ống khói, tháp chuông, v.v. Ngoài ra, có những kết cấu dạng tháp làm việc nhƣ là
các bộ phận của một công trình, nhƣ trụ cầu và tháp cầu, chân giàn khoan trên biển. Tháp có
tác dụng thu hút sự chú ý và nhờ độ cao của chúng, có một ý nghĩa đặc biệt về kiến trúc. Do


tông cốt thép tại Liên Xô (cũ) từ năm 1938. Lý thuyết này, sau đó, đƣợc sử dụng tại Anh và
Mỹ vào năm 1956. Phƣơng pháp thiết kế theo các trạng thái giới hạn đã đƣợc sử dụng ở Liên
Xô (cũ) từ năm 1955. Hiện nay, phƣơng pháp này đang đƣợc hoàn thiện và đƣợc sử dụng phổ
biến ở rất nhiều nƣớc trên thế giới nhƣ Mỹ, Châu Âu, Nhật, v.v. Các Tiêu chuẩn tính toán,
thiết kế kết cấu bê tông cốt thép của nƣớc ta cũng áp dụng phƣơng pháp các trạng thái giới
hạn.
Với việc phát hiện ra thành phần vật liệu và nguyên tắc phối hợp mới, bê tông tính năng
cao hiện nay đã có thể đạt đến cƣờng độ chịu nén đến 140 MPa, thậm chí đến 200 MPa. Để
khai thác một cách có hiệu quả các loại bê tông này đòi hỏi phải có những dạng kết cấu mới.
Trong thời gian gần đây, các dạng kết cấu liên hợp, kết cấu lai (hybrid structures) đang đƣợc
nghiên cứu phát triển mạnh mẽ.

CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU BÊ TÔNG
23

1.3 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ KẾT CẤU BÊ TÔNG
CỐT THÉP
Thiết kế kết cấu bê tông, cũng nhƣ khi thiết kế các kết cấu khác, có thể đƣợc xem nhƣ là
một quá trình thử dần bao gồm các giai đoạn có liên quan chặt chẽ với nhau là thiết kế sơ bộ,
phân tích và thiết kế chi tiết.
1.3.1 Thiết kế sơ bộ
Thiết kế sơ bộ là phần quan trọng và sáng tạo nhất của quá trình thiết kế. Trong giai đoạn
này, các kỹ sƣ thiết kế sẽ xác định dạng kết cấu, kích thƣớc sơ bộ của các bộ phận cũng nhƣ
tải trọng dự kiến. Để thoả mãn các chức năng yêu cầu của công trình, ngƣời kỹ sƣ thiết kế
phải vận dụng nghệ thuật, kinh nghiệm, các kiến thức về kỹ thuật xây dựng, tính trực quan và
tính sáng tạo. Kinh nghiệm thƣờng đóng vai trò quan trọng trong việc tìm ra các giải pháp
phù hợp nhất trên cơ sở hài hoà các yếu tố nhƣ yêu cầu của chủ đầu tƣ, yêu cầu kiến trúc, tiêu
chuẩn, điều kiện môi trƣờng, sự sẵn có của các vật liệu thành phần cũng nhƣ điều kiện và khả
năng thi công, v.v.
1.3.2 Phân tích kết cấu

lực đã đƣợc xác định từ phân tích tổng thể. Mặc dù nội lực của các bộ phận kết cấu thƣờng
đƣợc xác định trên các sơ đồ tính với giả thiết về sự làm việc đàn hồi tuyến tính của bê tông
nhƣng khi thiết kế chi tiết, ngƣời thiết kế cần phải tính đến các ứng xử thật và phức tạp của
vật liệu này.
Thiết kế chi tiết cũng là một quá trình thử dần với việc xác định kích thƣớc, lựa chọn và bố
trí vật liệu và tính duyệt để đảm bảo rằng, mọi bộ phận kết cấu đều thoả mãn các yêu cầu về
cƣờng độ, độ bền, độ cứng, độ ổn định, v.v. Đối với kết cấu bê tông, đây là một quá trình đòi
hỏi phải xử lý rất nhiều tham số khác nhau nhƣ kích thƣớc của mặt cắt, chủng loại và diện
tích của cốt thép, mô hình làm việc của bê tông và cốt thép, v.v. Bên cạnh những mô hình vật
liệu đƣợc đề xuất theo các triết lý thiết kế, các kỹ sƣ phải phối hợp rất nhiều phƣơng pháp và
kỹ thuật khác nhau nhƣ các công thức kinh nghiệm (ví dụ, công thức để tính toán độ mở rộng
vết nứt hay công thức tính cƣờng độ kháng cắt), các phƣơng pháp gần đúng (ví dụ, tính duyệt
mặt cắt với giả thiết là ứng suất trong bê tông phân bố dạng chữ nhật) cũng nhƣ các mô hình
suy luận (ví dụ, giả thiết mặt cắt phẳng khi chịu uốn).
Tuỳ thuộc vào đặc điểm cấu tạo và chịu lực, cách tính toán đối với từng bộ phận trong kết
cấu bê tông cũng khác nhau. Các khu vực ở xa điểm đặt lực có thể đƣợc thiết kế và tính toán
bằng các phƣơng pháp mặt cắt thông thƣờng. Tuy nhiên, các khu vực ở gần điểm đặt lực hoặc
có cấu tạo phức tạp cần đƣợc thiết kế theo các phƣơng pháp thích hợp hơn nhƣ phƣơng pháp
dòng lực hay phƣơng pháp sơ đồ hệ thanh, v.v.
1.4 TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ KẾT
CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP
Các lý thuyết và phƣơng pháp tính toán, thiết kế kết cấu bê tông đã đạt đƣợc rất nhiều tiến
bộ cùng với sự phát triển của công nghệ vật liệu, phƣơng pháp và thiết bị thí nghiệm cũng
nhƣ khả năng tính toán trong thời gian qua.
Trong giai đoạn đầu thế kỷ 20, kết cấu bê tông đƣợc tính toán và thiết kế theo ứng suất
cho phép, theo đó, các vật liệu trong kết cấu đƣợc giả thiết là làm việc đàn hồi tuyến tính cho
đến khi bị phá hoại. Điều kiện an toàn của một kết cấu đƣợc xác định trên cơ sở so sánh ứng
suất lớn nhất do tác động bên ngoài sinh ra với ứng suất cho phép, là giá trị đƣợc có đƣợc từ
ứng suất gây phá hoại vật liệu và đƣợc chiết giảm bằng hệ số an toàn. Hệ số an toàn đƣợc xác
định từ việc xem xét các yếu tố nhƣ tính đồng nhất và chất lƣợng của vật liệu, độ chính xác

hạn trong thời gian phục vụ dự kiến của nó. Phƣơng pháp tính toán, thiết kế theo trạng thái
giới hạn đang đƣợc coi là phƣơng pháp tiên tiến nhất do có cơ sở khoa học rõ ràng, có khả
năng tuỳ biến theo yêu cầu cho từng công trình cụ thể.