bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học xây dựng
Phạm anh tuấn

PHạM ANH tuấn NGHIÊN CứU tính toán KếT CấU DầM LIÊN HợP
thép - BÊ TÔNG ứng suất trớc TRONG
xây dựng dân dụng v công nghiệp
luận án tiến sỹ kỹ thuật

NGHIÊN CứU tính toán KếT CấU DầM LIÊN HợP
thép - BÊ TÔNG ứng suất trớc TRONG
xây dựng dân dụng v công nghiệp

Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
Mã số: 62.58.20.01

luận án tiến sỹ kỹ thuật ngời hớng dẫn khoa học
1. GS.TS Phạm Văn Hội
2. GS.TS Lê Xuân Huỳnh
Hà Nội Năm 2012


Thiết bị và Kiểm định Xây dựng - CONINCO, nơi tác giả đang công tác đã tạo
điều kiện thuận lợi, hỗ trợ kinh phí, thời gian để tác giả hoàn thành tốt luận án.
Cuối cùng tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè và các
đồng nghiệp đã động viên, khích lệ, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án này.

Tác giả
Phạm Anh Tuấn i
Mục lục
Trang

Mở đầu 1

1. Lý do chọn đề tài 1
2. Mục đích, đối tợng, phạm vi và phơng pháp nghiên cứu của luận án 2
3. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu 3
Chơng 1: Tổng quan về kết cấu liên hợp thép - bê tông và hớng sử
dụng ứng suất trớc trong loại kết cấu này 4

1.1. Tổng quan về kết cấu liên hợp thép - bê tông 4
1.1.1. Tình hình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông 4
1.1.2. Kết cấu liên hợp thép - bê tông tại Việt Nam 8
1.2. ứng suất trớc trong kết cấu công trình bằng thép hoặc BTCT 9
1.2.1. Nguyên lý ứng suất trớc 9
1.2.2. Các phơng pháp tạo ứng suất trớc 10

2.1. Nguyên tắc tính toán dầm liên hợp thép - bê tông ƯST 26
2.1.1. Đặc điểm làm việc của dầm liên hợp thép -bê tông ƯST 26
2.1.2. Phơng pháp thi công dầm liên hợp thép - bê tông ƯST 27
2.1.3. Đặc điểm tính toán theo phơng pháp thi công 27
2.1.3.1. Phơng pháp thi công không chống đỡ 28
2.1.3.2. Phơng pháp thi công có chống đỡ 28
2.1.4. Kiểm tra dầm liên hợp thép - bê tông ƯST theo từng giai đoạn 29
2.1.4.1. Giai đoạn thi công 29
2.1.4.2. Giai đoạn sử dụng 29
2.2. Tính toán dầm liên hợp thép - bê tông ƯST trong giai đoạn thi công 30
2.2.1. Trạng thái ứng suất của dầm thép ƯST 30
2.2.2. Chiều dài dây căng hợp lý và lực căng trớc 31
2.2.2.1. Xác định chiều dài hợp lý của dây căng trong dầm liên tục 31
2.2.2.2. Xác định lực căng trớc 33
2.2.3. Xác định tự ứng lực 36
2.2.4. Kiểm tra dầm thép ƯST theo trạng thái giới hạn 1 37
2.2.5. Kiểm tra dầm thép ƯST theo trạng thái giới hạn 2 39
2.3. Tính toán dầm LHT-BT ƯST trong giai đoạn sử dụng 40
2.3.1. Các thông số cơ bản 40
2.3.1.1. Hệ số mô đun đàn hồi chung 41

iii
2.3.1.2. Chiều dày của sàn bê tông 41

2.3.1.3. Chọn kích thớc tôn hình 42
2.3.1.4. Chiều rộng tham gia làm việc của tấm sàn 42
2.3.1.5. Phân loại tiết diện ngang 43
2.3.2. Mô men quán tính của tiết diện dầm liên hợp thép - bê tông 43
2.3.2.1. Tiết diện chịu mô men dơng 43
2.3.2.2. Tiết diện chịu mô men âm 46

4.1.1. Mục đích thí nghiệm 76
4.1.2. Đơn vị thí nghiệm, địa điểm, thời gian 77
4.2. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm 77
4.2.1. Thiết kế thí nghiệm 78
4.2.1.1. Thiết kế mẫu thí nghiệm 78
4.2.1.2. Bố trí tải trọng cho thí nghiệm 79
4.2.1.3. Bố trí thiết bị đo của dầm liên hợp thép - bê tông ƯST (D1) 79
4.2.1.4. Bố trí thiết bị đo của dầm liên hợp thép - bê tông (D2) 80
4.2.2. Thiết kế bệ thí nghiệm, hệ gia tải, các liên kết 81
4.2.3. Vật liệu chế tạo mẫu thí nghiệm 82
4.2.3.1. Dầm thép 82
4.2.3.2. Bê tông 83
4.2.3.3. Thanh căng 84
4.2.3.4. Liên kết neo 85
4.3. Quy trình thí nghiệm, thiết bị thí nghiệm và dụng cụ đo 85
4.3.1. Hệ kích thủy lực gia tải 85
4.3.2. Dụng cụ thí nghiệm 85
4.3.2.1. Biến dạng kế điện trở 85
4.3.2.2. Biến dạng kế cơ học 86
4.3.2.3. Chuyển vị kế 86
4.3.3. Quy trình gia tải 86
4.3.3.1. Dầm liên hợp thép - bê tông ƯST (D1) 86
4.3.3.2. Dầm liên hợp thép - bê tông (D2) 87
4.4. Các thông số đợc nghiên cứu 88
4.5. Kết quả tổng quát thí nghiệm 89
4.5.1. Kết quả tổng quát 89
4.5.2. Ghi chép hiện tợng 89
4.5.2.1. Dầm liên hợp thép - bê tông ƯST (D1) 89
4.5.2.2. Dầm liên hợp thép - bê tông (D2) 91


Kết luận chung của luận án 106
Kiến nghị 106
Danh mục những công trình công bố của tác giả 107
Danh mục Tài liệu tham khảo 108
Phụ lục 113

vi
danh mục các ký hiệu
Các ký hiệu viết hoa:
A
a
: Diện tích thép hình
A
d
: Diện tích dây căng
A
s
: Diện tích cốt thép thanh
A
eq
: Diện tích tơng đơng của tiết diện liên hợp
E
a
: Mô đun đàn hồi thép hình
E
d
: Mô đun đàn hồi dây căng
E
cm
: Mô đun đàn hồi cát tuyến của bê tông

][M
+

: Mô men dẻo dơng giới hạn của dầm LHT-BT ƯST
gh
d
][M


Mô men dẻo âm giới hạn của dầm LHT-BT ƯST
N : Lực dọc, số lợng của liên kết
P
R
: Sức bền chịu cắt của liên kết
W
ia
: Mô men kháng uốn của dầm thép
W
eq
: Mô men kháng uốn của tiết diện dầm liên hợp
vii
Các ký hiệu viết thờng

b
+
eff
: Bề rộng hiệu quả của bản sàn tại tiết diện chịu mô men dơng


: Giá trị tiêu chuẩn của giới hạn đàn hồi khi kéo của thép kết cấu
f
yp

: Giá trị tiêu chuẩn của giới hạn đàn hồi khi kéo của thép làm tôn
h : Chiều cao tổng thể tiết diện liên hợp
h
a
: Chiều cao tiết diện thép hình
h
c
: Chiều dày bê tông sàn
h
p
: Chiều cao sóng tôn
h
1
: Khoảng cách từ trọng tâm thép hình đến mép ngoài cánh trên
h
2
: Khoảng cách từ trọng tâm thép hình đến mép ngoài cánh dới
i
: Bán kính quán tính
n : Hệ số mô đun đàn hồi dùng cho tải trọng ngắn hạn
n : Hệ số mô đun đàn hồi dùng cho tải trọng dài hạn
n : Hệ số mô đun đàn hồi chung cho tải trọng ngắn hạn và dài hạn
t
w
: Chiều dày bản bụng tiết diện thép hình

Dầm LH T-BT ƯST

: Dầm liên hợp thép - bê tông ứng suất trớc

(Dịch theo tiếng Anh: Prestressed composite steel
concrete beam)
Dầm LH T-BT : Dầm liên hợp thép - bê tông
EC4 : Tiêu chuẩn EuroCode 4
ƯST :
ứng suất trớc

ix
danh mục các bảng
Bảng 1.1. So sánh kết quả thí nghiệm giữa dầm LHT-BT và dầm liên hợp
thép bê tông ứng suất trớc trong thí nghiệm của M. Safan
Bảng 1.2. Các đặc trng cơ học của bê tông theo Eurocode 4
Bảng 1.3. Giá trị f
cm
của bê tông ở tuổi 28 ngày theo Eurocode 4
Bảng 1.4. Lớp độ bền bê tông giữa Eurocode với TCXDVN 356:2005
Bảng 1.5. Thép thanh dùng cho kết cấu BTCT theo TCXDVN 356:2005
Bảng 1.6. Các chỉ tiêu cơ học của thép các bon cán nóng theo TCVN 5709
Bảng 1.7. Một số dạng tôn hình của Steel Deck Institute (SDI)

Bảng 2.1. ứng suất lớn nhất cho phép trong cốt thép

Bảng 3.1. Kết quả lựa chọn dầm đơn giản nhịp L = 7,5m
Bảng 3.2. Kết quả lựa chọn dầm liên tục, đều nhịp L = 10,0m
Bảng 3.3. Tỷ số về diện tích thép giữa dầm LHT-BT ƯST với dầm LHT-BT


Hình 1.8. Sàn liên hợp tại 109 Đờng Trờng Chinh Hà Nội (trớc khi đổ
bê tông)
Hình 1.9. Sơ đồ thí nghiệm của M.Safan
Hình 1.10. Mặt cắt tiết diện
Hình 1.11. Toàn cảnh thí nghiệm của M.Safan
Hình 1.12. Toàn cảnh thí nghiệm của Shimming Chen
Hình 1.13. Quan hệ mô men và độ võng trong thí nghiệm Shiming Chen
Hình 1.14. Toàn cảnh thí nghiệm của Wojciech Lorenc

Hình 2.1. Biểu đồ ứng suất của dầm trong giai đoạn đàn hồi
Hình 2.2. Biểu đồ nội lực để xác định chiều dài dây căng tại nhịp bất kỳ
trong dầm liên tục
Hình 2.3. Biểu đồ nội lực để xác định chiều dài hợp lý của dây căng tại
nhịp đầu và nhịp cuối dầm liên tục
Hình 2.4. Sơ đồ dầm liên tục và biểu đồ mô men uốn
Hình 2.5. Hệ cơ bản của dầm liên tục
Hình 2.6. Các kích thớc của sàn và tấm tôn.
Hình 2.7. Chiều rộng tham gia làm việc của bản sàn
Hình 2.8. Nhịp tơng đơng để xác định bề rộng hiệu quả

xii
Hình 2.9. Trục trọng tâm đi qua bản bê tông
Hình 2.10. Trục trọng tâm đi qua thép hình
Hình 2.11. Tiết diện chịu mô men âm
Hình 2.12. Biểu đồ mô men để kiểm tra độ võng theo phơng pháp đơn giản
Hình 2.13. Biểu đồ ứng suất trong dầm trong trờng hợp phát triển biến hình
dẻo
Hình 2.14. Biểu đồ ứng suất dẻo khi trục trung hoà dẻo đi qua bản bê tông
(Tiết diện chịu mô men dơng)
Hình 2.15. Biểu đồ ứng suất dẻo khi trục trung hoà dẻo đi qua bản cánh dầm

Hình 4.10. Thí nghiệm xác định chỉ tiêu cơ lý thanh căng
Hình 4.11. Thí nghiệm xác định chỉ tiêu cơ lý bê tông
Hình 4.12. Thí nghiệm xác định chỉ tiêu cơ lý vật liệu dầm
Hình 4.13. Các hình ảnh phá hoại dầm LHT-BT ƯST
Hình 4.14. Các hình ảnh phá hoại dầm LHT-BT
Hình 4.15. Biều đồ phân bố ứng suất trong dầm thép ƯST tại mặt cắt 2-2
Hình 4.16. Đồ thị ứng suất trong thanh căng theo các cấp tải
Hình 4.17. Biểu đồ độ võng thực nghiệm dầm thép ƯST (D1)
Hình 4.18. Phân bố ứng suất tại mặt cắt giữa dầm
Hình 4.19. Đồ thị tải trọng - ứng suất trong bản BT (mặt cắt 2-2 - dầm D1)
Hình 4.20. Đồ thị tải trọng - ứng suất trong bản BT (mặt cắt 3-3 dầm D1)
Hình 4.21. Đồ thị tải trọng - ứng suất trong dầm thép (mặt cắt 2-2 - dầm D1)
Hình 4.22. Đồ thị ứng suất trong thanh căng của dầm D1
Hình 4.23. Biểu đồ chuyển vị dầm D1 theo các cấp tải
Hình 4.24. Biểu đồ ứng suất trong bê tông dầm LHT-BT
Hình 4.25. Đồ thị ứng suất trong dầm thép (mặt cắt 2-2 dầm D2)
Hình 4.26. Biểu đồ chuyển vị tại tiết diện giữa dầm D2

1
Mở đầu
1. Lý do chọn đề tài
Kết cấu liên hợp thép - bê tông (LHT-BT) đã đợc nghiên cứu, ứng
dụng và phát triển từ hơn 100 năm nay và đã thể hiện những u điểm của nó
về khả năng chịu lực, thời gian thi công, ứng dụng vào các công trình cao
tầng, công trình nhịp lớn.
ứng suất trớc (ƯST) là một phơng pháp tạo nên trong kết cấu ứng
suất ngợc dấu với ứng suất do tải trọng gây ra nhằm mục đích tăng khả năng
chịu lực của kết cấu, tức là giảm chi phí vật liệu nhng vẫn đảm bảo khả năng
chịu lực yêu cầu, giảm biến dạng của kết cấu. ứng suất trớc đến nay là một
phơng án thiết kế hiện đại rất phổ biến trong kết cấu bê tông cốt thép, kết cấu

- Thí nghiệm kiểm chứng để kiểm tra các công thức tính toán của kết
cấu dầm LHT-BT ƯST, đồng thời kiểm chứng tính hiệu quả của kết cấu dầm
LHT-BT ƯST so với dầm LHT-BT.
* Đối tợng và phạm vi nghiên cứu
- Sử dụng ƯST trong kết cấu LHT-BT là một bài toán lớn, đa dạng và
phức tạp, trong luận án này, tác giả lựa chọn đối tợng nghiên cứu là kết cấu
dầm LHT-BT ƯST. Đây cũng là loại cấu kiện phổ biến và quan trọng nói
chung và trong kết cấu nhà cao tầng nói riêng.
- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu dầm đơn giản, dầm liên tục LHT-BT
ƯST. Phơng pháp ƯST là phơng pháp căng trớc trên dầm thép, dùng dây
căng dạng thẳng, không dính bám (nếu đặt trong bê tông). Thép kết cấu sử
dụng loại có giới hạn chảy không vợt quá 355 N/mm
2
, các vật liệu sử dụng
trong điều kiện Việt Nam.
* Phơng pháp nghiên cứu
- Tìm hiểu lý thuyết và phơng pháp tính kết cấu LHT-BT và những
thành tựu ứng dụng của kết cấu này trên thế giới và tại Việt Nam.
- Nghiên cứu lý thuyết tính toán kết cấu ƯST trong lĩnh vực kết cấu
thép, từ đó thiết lập lý thuyết tính toán kết cấu dầm LHT-BT ƯST.

3
- Khảo sát và ứng dụng tính toán các dầm đơn giản và liên tục LHT-BT
ƯST;
- Thí nghiệm kết cấu dầm LHT-BT ƯST trên mô hình lớn để kiểm tra,
so sánh với lý thuyết tính toán.
3. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
- Về ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về kết cấu
dầm LHT-BT ƯST áp dụng trong lĩnh vực xây dựng và công nghiệp, và sử
dụng vào Việt Nam.

cũng mang tính chất hoàn toàn khác [4, tr8].
Tuy ra đời muộn hơn một số kết cấu truyền thống nh kết cấu thép, kết
cấu bêtông, kết cấu gỗ nhng dạng kết cấu này đã đợc sử dụng từ hơn 100
năm nay và càng ngày càng thấy có nhiều u việt cần thiết phải khai thác .
Kết cấu LHT-BT bắt đầu xuất hiện từ năm 1894, thời kỳ đầu các ứng
dụng chủ yếu làm cầu nh các công trình Cầu Rock Rapids (1894); cầu ở Pitts
Burgh, Pennsylvania (1898) [4, tr 8-9]; Cầu Sava ở Bekgrade, Nam T cũ
(1956); Cầu Whisky Creek, Mỹ (1961) [19, tr. 103-107];
Đến đầu những năm 1950, ứng dụng kết cấu LHT-BT trong công trình
xây dựng thờng không có tính kinh tế cao, do lợng ván khuôn, hệ đỡ đáng
kể phải sử dụng trong quá trình thi công bản bê tông, cùng với việc mất nhiều
thời gian để hàn các neo thép vào dầm. Đến thời điểm này, kết cấu LHT-BT
chỉ đợc sử dụng rộng rãi trong thi công cầu. [40, tr. 20]

5
Sự phát triển của máy hàn đinh theo công nghệ cung lửa điện vào những
năm 1954 cho phép ra đời loại neo chốt hàn có mũ, đợc liên kết nhanh và tại
chỗ trên bản cánh của dầm thép. Cùng với sự ra đời của ván thép định hình
(sau này phát triển thành tôn sóng) vào nửa cuối những năm 1950, đã xóa bỏ
hầu nh toàn bộ việc sử dụng ván khuôn tạm bằng gỗ trớc kia, do các u
điểm sử dụng làm sàn công tác đỡ tải trọng thi công cũng nh làm ván khuôn
vĩnh cửu cho bê tông. [40, tr.23-24]
Từ đó trở đi kết cấu LHT-BT bắt đầu đợc dùng phổ biến trong xây
dựng nhà cao tầng trên thế giới nh Toà nhà Atlantic Centre Project ở Atlanta;
Millennium Tower, Bãi đỗ xe DEZ (áo); Citibank Duisburg (Đức) [4, tr.17-
19].
Việc sử dụng kết cấu LHT-BT đã trải qua một quãng đờng dài nhng
chính thức đa vào tiêu chuẩn quốc gia thì gần đây mới đợc quan tâm rõ rệt.
Sau khi tiêu chuẩn ASSHTO (Mỹ), DIN 1078 (Đức), SRC Standard (Nhật) ban
hành, hàng loạt các quốc gia khác dựa vào đó soạn thảo tiêu chuẩn cho nớc

công trình vào sử dụng.
- So với kết cấu bê tông thông thờng, kích thớc của kết cấu LHT-BT
bé hơn, do đó tăng đợc không gian sử dụng.
- Có thể đạt hiệu quả kinh tế cao. So với kết cấu bê tông cốt thép thông
thờng thì lợng thép dùng trong kết cấu LHT-BT lớn hơn, nhng đôi khi
cha hẳn là đắt hơn. Nếu đánh giá hiệu quả kinh tế một cách toàn diện, có thể
chi phí vật liệu cao nhng bù lại bởi tốc độ thi công nhanh, sớm quay vòng
vốn và đa vào sử dụng sớm thì rất có thể công trình sẽ rẻ hơn [4, tr16], [51].
1.1.1.2. Một số công trình kết cấu liên hợp thép - bê tông trên thế giới.
- Tháp Thiên niên kỷ (Viên - áo): Tòa nhà cao 55 tầng ( hơn 202m, bao
gồm cả ăngten); với diện tích mặt bằng khoảng 1000m
2
. Tiến độ thi công 8
tháng (tháng 5 đến tháng 9/1998), tơng đơng từ 2ữ2,5 tầng/tuần. (Hình 1.1
và hình 1.2)

7
- Tòa nhà Major Bank ở Dallas, tiểu bang Texas, 35 tầng (237m), tổng
diện tích khoảng 185.800 m
2
, chi phí thép cho nhà tính bình quân khoảng
khoảng 78 kg/ m
2
.
- Trụ sở của Citibank ở Duisburg (Đức), cao 15 tầng (72m), diện tích
mặt bằng 14.500m
2
. Tiến độ thi công theo chiều cao là 3m/tuần.

Hình 1.1 - Tháp Thiên niên kỷ - áo Hình 1.2 Quá trình xây dựng