Bê tông cốt thép dự ứng lực
Btct dự ứng lực trong kt-ct
1 Đại c&ơng về BTCT ứng lực tr&ớc.
1 Khái niệm.
Trên dầm một nhịp, ta đặt vào một lực nén tr9ớc N (Hình 1a) và
tải trọng sử dụng P (Hình 1b). D9ới tác dụng cuả tải trọng P, ở vùng
d9ới của dầm xuất hiện ứng suất kéo. Nh9ng do ảnh h9ởng của lực
nén N, trong vùng d9ới đó lại suất hiện ứng suất nén. ứng suất nén
tr9ớc này sẽ triệt tiêu hoặc làm giảm ứng xuất kéo do tải trọng sử
dụng P gây ra. Để cho dầm không bị nứt, ứng xuất tổng cộng trong
vùng d9ới không đ9ợc v9ợt quá c9ờng độ bị kéo R
k
của bêtông.
Để tạo ra lực nén tr9ớc ng9ời ta căng cốt thép rồi gắn chặt nó
vào bê tông thông qua lực dính hoặc neo. Nhờ tính chất đàn hồi, cốt
thép có xu h9ớng co lại và sẽ tạo nên lực nén tr9ớc N. Nh9 tr9ớc khi
tải trọng sử dụng P, Cốt thép đã bị căng tr9ớc còn bêtông thì đã bị
nén tr9ớc.
2 Ưu khuyết điểm của BTCT ứng lực tr-ớc.
a/. Ưu điểm:
1. Cần thiết và có thể dùng đ-ợc thép c-ờng độ cao.
Trong bêtông cốt thép th9ờng, Không dùng đ9ợc thép c9ờng độ
cao, vì những khe nứt đầu tiên ở bêtông sẽ xuất hiện khi ứng xuất
trong cốt thép chịu kéo a mới chỉ đạt giá trị từ 200 đến 300 KG/cm2.
Khi dùng thép c9ờng độ cao ứng xuất trong cốt thép chịu kéo có thể

giảm giá thành công trình.
2. Có khả năng chống nứt cao hơn. (Do đó khả năng chống thấm tốt
hơn).
Btct dự ứng lực trong kt-ct
Dùng bêtông cốt thép ƯLT, ng9ời ta có thể tạo ra các cấu kiện
không xuất hiện các khe nứt trong vùng bêtông chịu kéo, hoặc hạn
chế sự phát triển bề rộng của khe nứt, khi chịu tải trọng sử dụng. Do
đó bêtông cốt thép ƯLT tỏ ra có nhiều 9u thế trong các kết cấu đòi
hỏi phải có khả năng chống thấm cao nh9 ống dẫn có áp, bể chứa
chất lỏng và chất khí v.v
3. Có độ cứng lớn hơn. (Do đó có độ võng và biến dạng bé hơn).
Nhờ có độ cứng lớn, nên cấu kiện bêtông cốt thép ƯLT có kích
th9ớc tiết diện ngang thanh mảnh hơn so với cấu kiện bêtông cốt thép
th9ờng khi có cùng điều kiện chịu lực nh9 nhau, vì vậy có thể dùng
trong kết cấu nhịp lớn.
Ngoài các 9u điểm cơ bản trên, kết cấu bêtông cốt thép ƯLT còn
có một số 9u điểm khác nh9:
- Nhờ có tính chống nứt và độ cứng tốt nên tính chống mỏi của
kết cấu đ9ợc nâng cao khi chịu tải trọng lặp đi lặp lại nhiều lần.
- Nhờ có ƯLT nên phạm vi sử dụng kết cấu bêtông cốt thép lắp
ghép và nửa lắp ghép đ9ợc mở rộng ra rất nhiều. Ng9ời ta có thể sử
dụng biện pháp ƯLT để nối các mảnh rời của một kết cấu lại với
nhau.
b/. Nh9ợc điểm:
ƯLT không những gây ra ứng suất nén mà còn có thể gây ra ứng
suất kéo ở phía đối diện làm cho bêtông có thể bị nứt.
Việc chế tạo bêtông cốt thép ƯLT cần phải có thiết bị đặc biệt,
có công nhân lành nghề và có sự kiểm soát chặt chẽ về kỹ thuật, nếu
không sẽ có thể làm mất ƯLT do tuột neo, do mất lực dính. Việc bảo
đảm an toàn lao động cũng phải đặc biệt l9u ý.

eo
2
4
5
eo
+
b

b
6

Hình 2. Sơ đồ ph-ơng pháp căng tr-ớc
Btct dự ứng lực trong kt-ct
a) Tr-ớc khi buông cốt thép ƯLT - b) Sau khi buông cốt thép
ƯLT
1- Cốt thép ứng lực tr-ớc; 2- Bệ căng; 3- Ván khuôn; 4- Thiết bị
kéo thép;
5- Thiết bị cố định cốt thép ứng lực tr-ớc; 6- Trục trung tâm.
Để tăng thêm lực dính giữa bêtông và cốt thép, ng9ời ta th9ờng
dùng cốt thép ƯLT là cốt thép có có gờ hoặc là cốt thép trơn đ9ợc
xoắn lại, hoặc là ở hai đầu có cấu tạo những mấu neo đặc biệt (Hình
3).
Đoạn thép
2d 4d
d
2,5d
Vòng đệm
4d
10mm
5mm

ván khuôn thép làm bệ căng.
2.2 Ph-ơng pháp căng sau (căng trên bê tông).
Btct dự ứng lực trong kt-ct
Tr9ớc hết đặt các cốt thép thông th9ờng vào các ống rãnh bằng
tôn, kẽm hoặc bằng vật liệu khác để tạo các rãnh dọc, rồi đổ bêtông.
Khi bêtông đạt đến c9ờng độ nhất định R
o
thì tiến thành luồn và căng
cốt thép ƯLT tới ứng suất qui định. Sau khi căng xong, cốt ƯLT đ9ợc
neo chặt vào đầu cấu kiện (Hình 4). Thông qua các neo đó cấu kiện
sẽ bị nén bằng lực đã dùng khi kéo căng cốt thép. Tiếp đó, ng9ời ta
bơm vữa vào trong ống rãnh để bảo vệ cốt thép khỏi bị ăn mòn và tạo
ra lực dính giữa bêtông với cốt thép.
Để bảo đảm tốt sự tryuền lực nén lên cấu kiện, ng9ời ta chế tạo
các loại neo đặc biệt nh9 neo Freyssinet (Neo bó sợi thép khi dùng
kích hai chiều - Hình 5).
Neo kiểu cốc (Hình 6).
N
b)
a)

b
1
eo
+
b
2
4
eo
N

7
8
2
0
0
4

Hình 6. Neo kiểu cốc.
1- Bê tông, 2- Cốc bằng thép, 3- Chốt thép, 4- Vòng đệm bằng thép
5- Vòng kẹp, 6- Bó sợi thép, 7- ống tạo rãnh, 8- Cấu kiện.
3 Các chỉ dẫn cơ bản về cấu tạo.
3.1 Vật liệu.
a. Bê tông và vữa.
Bêtông dùng trong cấu kiện bêtông cốt thép ƯLT là bêtông nặng
có mác lớn hơn hoặc bằng 200. Việc lựa chọn mác bêtông phụ thuộc
vào dạng, loại và đ9ờng kính của cốt thép căng, cũng nh9 phụ thuộc
vào việc có dùng neo hay không dùng neo. Ví dụ nếu dùng sợi thép
có đ9ờng kính không lớn hơn 5 thì các thiết kế của bêtông lấy không
nhỏ hơn 250, còn nếu sợi thép có đ9ờng kính không nhỏ hơn 6 thì
mác thiết kế của bêtông lấy không nhỏ hơn 400. Ngoài ra việc lựa
chọn mác bêtông còn phụ thuộc vào c9ờng độ mà nó cần phải có khi
bắt đầu gây ƯLT, cũng nh9 vào loại tải trọng tác dụng lên cấu kiện.
Thông th9ờng, với kết cấu nhịp lớn dầm, dàn v.v nên dùng bêtông
Btct dự ứng lực trong kt-ct
mác 400 hoặc 500, còn đối với kết cấu có nhịp thông th9ờng nh9
panen, xà gỗ v.v nên dùng bêtông mác 300 hoặc 350.
Vữa dùng để lấp các khe thi công, các mối nối của cấu kiện
ghép, để làm lớp bảo vệ cốt thép và bảo vệ các neo, phải có mác từ
150 trở lên. Vữa dùng để bơm vào các ống rãnh phải có mác không
nhỏ hơn 300 và phải dễ chảy, ít co ngót.

1- Sợi thép 5, 2- sợi thép 1quấn ngoài bó sợi, 3- Thành ống rãnh,
4- cấu kiện.
Ngoài ra, có thể dùng cốt thép thanh có gờ từ nhóm thép cán
nóng loại A - IV và loại gia công nhiệt A
T
- IV trở lên.
Thông th9ờng, khi chiều dài d9ới 12m, nên dùng các loại thép
thanh còn khi chiều dài cấu kiện lớn hơn 12 m thì nên dùng các sợi
thép c9ờng độ cao và dây cáp.
Khi cấu kiện làm việc trong các điều kiện đặc biệt nh9 d9ới áp
lực của hơi, các chất lỏng, của vật liệu hạt thì nên dùng các sợi thép
c9ờng độ cao và cốt thép thanh thuộc nhóm A-V và A
T
-V trở lên.
3.2. Bố trí và cấu tạo cốt thép.
Btct dự ứng lực trong kt-ct
2
3
1

Hình 8. Gia cố khu vực neo.
1- Bó sợi thép, 2- L-ới thép gia cố, 3- Phần tăng thêm KTTD ở miền
gần neo.
Trong cấu kiện bêtông cốt thép ƯLT, việc bố trí cốt thép hợp lý
để bảo đảm sự làm việc bình th9ờng của cấu kiện trong quá trình chế
tạo cũng nh9 khi sử dụng là rất quan trọng.
a)
l
Neo
Cốt thép neo

1
3
1
2
a)
2
1
3
b)
b
>=8cm
>=6cm
>=b/2
1
2
3

Hình 10. Bố trí cốt thép trong tiết diện ngang.
a- Trong ph-ơng pháp căng tr-ớc; b- Trong ph-ơng pháp căng
sau;
1- cốt thép ứng lực tr-ớc; 2- cốt thép dọc th-ờng; 3- cốt đai
th-ờng.
Khoảng cách giữa các rãnh không đ9ợc bé hơn đ9ờng kính rãnh
và không nhỏ hơn 50 mm, đồng thời phải chọn sao cho việc căng cốt
thép đ9ợc dễ dàng và không bị phá hoại cục bộ khi buông cốt thép.
4 Các chỉ dẫn cơ bản về tính toán cấu kiện BTCT ƯLT.
Giống nh9 cấu kiện bêtông cốt thép th9ờng, cấu kiện BTCT ƯLT
cần phải đ9ợc tính toán theo hai nhóm trạng thái giới hạn.
Khi tính cấu kiện bêtông cốt thép ƯLT theo nhóm trạng thái giới
hạn thứ nhất ngoài việc tính theo c9ờng độ, theo ổn định (nếu có khả

o
< 0,95R
HC

(1)
Đối với sợi thép c9ờng độ cao: 0,25R
HC

o
< 0,75R
HC

(2)
Ngoài ra, để đo kiểm tra ứng suất trong cốt thép ƯLT thời điểm
kết thúc việc căng trên bệ, hoặc tại vị trí đặt lực căng khi căng cốt
thép trên bêtông, ng9ời ta đ9a vào khái niệm ứng suất khống chế.
Khi căng cốt thép trên bệ:
Trị số ứng suất khống chế lấy bằng trị số
o
và
o
sau khi đã kể
đến các hao tổn ứng suất do biến dạng của neo (
neo
) và của ma sát
(
ms
).

HK

H

bH

(4)
Trong đó
bH
và
bH
- ƯST trong bêtông ở ngang mức trọng tâm
cốt thép F
H
và F
H
(có kể đến các hao tổn ứng suất tr9ớc khi ép
Btct dự ứng lực trong kt-ct
bêtông); n
H
- tỉ số giữa môđun đàn hồi của cốt thép căng E
H
và
môđun đàn hồi của bêtông E
b
. n
H
= E
H
/E
B
.

- VI và dây cáp
thì không đ9ợc lấy nhỏ hơn 200 kG/cm
2
.
Bảng .1. Trị số giới hạn của tỉ số
bH
/R
o
Tỉ số
bH
/R
o
khi nén
Trạng thái ứng
suất của tiết diện
Ph9ơng pháp
căng
Đúng
tâm
Lệch
tâm
ứng suất nén tăng
khi ngoại lực tác
Căng tr9ớc
Căng sau
0,50
0,45
0,55
0,50
Btct dự ứng lực trong kt-ct

ch
R


)1,022,0( =

(5)
Đối với cốt thép thanh:
2001,0

=
och



(6)
Trị số
o
tính bằng kG/cm
2
và không kể đến các hao tổn ứng
suất. Khi tính
ch
nếu ra kết quả âm, thì xem nh9
ch
= 0.
Btct dự ứng lực trong kt-ct
2) Do sự chênh lệch nhiệt độ giữa cốt thép và thiết bị căng (
nh
)

4) Do sự ma sát của cốt thép với thành ống (
ms
)
Trong ph9ơng pháp căng sau,
ms
đ9ợc tính theo công thức







=
+à

kx
ms
e
1
1
0

(9)
Trong đó e - cơ số lôgarit tự nhiên; k - hệ số xét đến sự chênh
lệch vị trí đặt ống so với vị trí thiết kế (bảng 2); x - chiều dài đoạn ống
Btct dự ứng lực trong kt-ct
(tính bằng m) kể từ thiết bị căng đầy gần nhất tới tiết diện tính toán; à
- hệ số ma sát giữa cốt thép và thành ống (bảng 2); - tổng góc quay
của trục cốt thép, tính bằng radian.

tbn
)
Trong ph9ơng pháp căng tr9ớc, ứng suất hao này xảy ra ngay
sau khi buông cốt thép để ép bêtông. Đối với bêtông khô cứng tự
nhiên:

a
R
khi
R
o
BH
o
II
tbn
=


500

(10)

a
R
khia
R
b
bHbH
tbn
>

lấy theo bảng
3.
Bảng .3. Sự hao ứng suất trong cốt thép do co ngót của
bêtông, kG/cm
2

Ph9ơng pháp căng
Mác bêtông
Căng tr9ớc Căng sau
M400
M500
M600
400
500
600
300
350
500
Trong ph9ơng pháp căng sau,
co
có trị số bé hơn là vì tr9ớc khi
buông cốt thép, bêtông đã co ngót đ9ợc một phần. Biến dạng co ngót
này không ảnh h9ởng đến sự hao ứng suất trong cốt thép.
7) Do từ biến của bêtông (
bt
)
Hao tổn do từ biến của bêtông xảy ra sau một qúa trình chịu nén
lâu dài. Đối với bêtông nặng

o

bHbH
tb



Btct dự ứng lực trong kt-ct
trong đó k = 1 đối với bêtông đông cứng tự nhiên, k = 0,85 đối với
bêtông d9ỡng hộ nhiệt; trị số
bH
đ9ợc lấy bằng
bH
khi tính ứng suất
hao do từ biến nhanh.
8) Bêtông bị cốt thép vòng, hoặc cốt thép xoắn ốc ép lõm xuống
(
el
)
Các cốt thép ƯLT ép lõm mặt bêtông xuống, do đó đ9ờng kính
vòng thép giảm đi, gây ra sự hao ứng suất.
Nếu đ9ờng kính của cấu kiện < 3 m, ứng suất hao lấy bằng
el
=
300 kG/cm
2
.
Nếu đ9ờng kính của cấu kiện >3m, ứng suất này không đáng kể,
có thể bỏ qua.
Ngoài các ứng suất hao cơ bản trên đây, trong một số tr9ờng
hợp còn cần phải kể đến các ứng suất hao do biến dạng của khuôn
thép, do độ ép sát các khối lắp ghép, do kết cấu chịu tải trọng rung

=
neo
+
ms
;
h2
=
ch
+
co
+
tb
+
el

Trong tính toán, tổng các ứng suất hao
h
=
h1
+
h2
phải lấy ít
nhất bằng 1000 kG/cm
2
.
5 Cấu kiện chịu kéo trung tâm.
Btct dự ứng lực trong kt-ct
Các cấu kiện th9ờng gặp là thanh cánh hạ chịu kéo của dàn,
thanh kéo của vòm, ống dẫn có áp và bể chứa tròn v.v
5.1 Các giai đoạn của trạng thái ứng suất.

khống chế
HK
trong cốt thép ƯLT.

H
=
HK
-
ch
-
nh
- Giai đoạn I
4
: Khi bêtông đạt c9ờng độ R
O
thì buông cốt thép để
ép bêtông. Lúc này phát sinh biến dạng từ biến nhanh ban đầu và
xảy ra ứng xuất hao
tbn
. Do đó ứng suất hao
h1
đạt giá trị lớn nhất:

h1
=
neo
+
ms
+
ch

b
nHh1
i
4
o
b1
i
5
h
b
b1nH
i
6
n
0
n
0
b
no
o rkcn +2nH
iarkc
n
III
n
rH
nn nn
i
1
H=0
0


Hình 11. Các trạng thái ứng suất của cấu kiện ƯLT chịu kéo
trung tâm.
a) Cấu kiện căng tr-ớc, b) Cấu kiện căng sau.
ứng suất nén tr9ớc trong bêtông đ9ợc tính theo công thức:

qd
b
F
N
01
=

(13)
Trong đó: N
01
= (
0
-
h1
) F
H
-
tbn
F
a
Btct dự ứng lực trong kt-ct
N
o1
- lực nén khi bắt đầu buông cốt thép. F

bêtông xảy ra thêm ứng suất hao
h2
do đó ứng suất hao tổng cộng

h
=
h1
+
h2
và ứng suất trong cốt thép ƯLT bằng:

H
=
o
-
h
- n
H

b1
.
- Giai đoạn I
6
: Tải trọng tác dụng gây thêm ứng suất kéo trong
cốt thép WLT. Khi ứng suất nén tr9ớc trong bêtông bị triệt tiêu thì ứng
suất trong cốt thép bằng:

H
=
0

nứt xuất hiện, cấu kiện bêtông cốt thép ƯLT làm việc hoàn toàn giống
nh9 cấu kiện bêtông cốt thép thông th9ờng.
b. Cấu kiện căng sau.
Trong ph9ơng pháp căng sau, các giai đoạn của trạng thái ứng
suất cũng t9ơng tự nh9 tr9ờng hợp căng tr9ớc. Chỉ khác trạng thái
ứng suất từ giai đoạn I
1
chuyển ngay sang giai đoạn I
4
mà không qua
các giai đoạn I
2
và I
3
(Hình 11b).
- Giai đoạn I
1
: Luồn cốt thép vào trong cấu kiện, nh9ng ch9a
căng.
- Giai đoạn I
4
: Căng cốt thép đạt tới ứng suất khống chế:
HK
=

0
- n
H

b

h1
- n
h

b
.
Từ giai đoạn I
5
đến lúc phá hoại, trạng thái ứng suất trong bêtông
và cốt thép giống nh9 đối với cấu kiện căng tr9ớc.
5.2 Tính toán cấu kiện chịu kéo trung tâm.
a. Tính theo c-ờng độ (Giai đoạn sử dụng).
Cơ sở dùng để tính toán theo c9ờng độ là giai đoạn III. ở giai
đoạn này, xem toàn bộ tải trọng đều do cốt thép chịu, nên điều kiện
bền sẽ là: