Thép dự ứng lực là gì?
Thép dự ứng lực (prestressed steel / prestressing steel) là loại thép cường độ rất cao dùng để tạo ứng suất trước trong kết cấu bê tông, giúp bê tông kháng lại lực kéo mà bê tông không có khả năng chịu. Thép dự ứng lực có cường độ kéo (fu) gấp 3-5 lần thép thường, với tỷ số fy/fu ≈ 0.85-0.95. Đây là vật liệu cốt lõi trong thi công cầu, dầm nhịp lớn, sàn hậu căng và bồn chứa áp lực.
Phân loại thép dự ứng lực
PC Wire (sợi dự ứng lực đơn)
- Đường kính: ∅4-7mm
- Cường độ kéo đứt: fu ≥ 1570 MPa (sợi ∅7mm) đến fu ≥ 1860 MPa (sợi ∅4mm)
- Ứng dụng: cọc bê tông ly tâm dự ứng lực (spun pile), tấm panel, ống áp lực
- Tiêu chuẩn: TCVN 6284-2:2012, BS 5896, ASTM A421
PC Strand (tao cáp dự ứng lực)
- Cấu tạo: 7 sợi xoắn xoắn (1 lõi + 6 ngoài); còn có loại 2, 3, 19 sợi
- Đường kính: ∅9.3-15.2mm (tao 7 sợi phổ biến)
- Cường độ kéo đứt: fu ≥ 1720-1860 MPa (tùy cấp)
- Lực căng thiết kế: 0.7-0.75 × Pu (lực kéo đứt)
- Ứng dụng: cầu dầm hộp hậu căng, sàn hậu căng PT slab, dầm đúc sẵn
- Tiêu chuẩn: TCVN 6284-3:2012, ASTM A416, EN 10138-3
PC Bar (thanh dự ứng lực)
- Đường kính: ∅15-40mm; bề mặt có gờ xoắn để neo
- Cường độ kéo đứt: fu ≥ 1080 MPa (grade 1080) đến fu ≥ 1230 MPa
- Ưu điểm: dễ vận chuyển cắt ngắn, neo đơn giản bằng đai ốc
- Ứng dụng: nối dầm ghép, neo tường chắn, dự ứng lực đứng tháp nước
- Tiêu chuẩn: TCVN 6284-4:2012, ASTM A722
So sánh thép DUL và thép thường
| Chỉ tiêu | Thép dự ứng lực | Thép thường CB300-V |
|---|---|---|
| fu (MPa) | 1570-1860 | 380-500 |
| fy (MPa) | 1400-1670 (0.1% offset) | 300-420 |
| fy/fu | 0.85-0.95 | 0.75-0.85 |
| Giãn dài khi đứt | 3.5-5% | ≥12% |
| Độ dẻo | Thấp hơn (giòn hơn) | Cao |
| Đường kính tiêu biểu | 4-15mm (wire/strand) | 6-40mm |
| Yêu cầu neo | Neo đặc biệt (anchor head, wedge) | Nối chồng hoặc hàn |
Tổn thất ứng suất dự ứng lực
Lực căng trong cáp không duy trì nguyên giá trị ban đầu do các tổn thất theo thời gian và do thi công:
Tổn thất tức thời (Immediate losses)
- Ma sát (Friction loss): Cáp trong ống bị ma sát với thành ống khi căng; tổn thất lớn nhất ở căng sau (post-tension). ΔP/P = μ×(αl + βl) (Wobble).
- Trượt neo (Anchorage set/draw-in): Cáp trượt vào neo 5-10mm khi buông kích; ảnh hưởng đoạn gần đầu neo.
- Co ngắn đàn hồi bê tông (Elastic shortening): Khi căng nhiều bó, bó căng sau gây co ngắn bê tông làm giảm ứng suất bó đã căng trước.
Tổn thất theo thời gian (Time-dependent losses)
- Co ngót bê tông (Shrinkage): Bê tông co ngót theo thời gian kéo theo co ngắn cáp → giảm ứng suất. Tổng 150-300 mm/m tùy môi trường.
- Từ biến bê tông (Creep): Bê tông biến dạng dài hạn dưới tải → cáp co ngắn theo. Hệ số từ biến φ = 1.5-3.0 tùy tuổi bê tông và độ ẩm.
- Tự chùng cáp (Relaxation): Thép DUL tự giảm ứng suất khi giữ biến dạng cố định; thép low-relaxation tổn thất ≤2.5% sau 1000h.
Tổng tổn thất ứng suất
Tổng tổn thất thường chiếm 15-25% lực căng ban đầu. Ứng suất hiệu quả dài hạn:
σpe = σpi – Δσ_tổn thất
Thiết kế cần xem xét cả hai trạng thái: vừa căng (ngắn hạn) và dài hạn (sau tổn thất).
Ứng dụng kết cấu
- Cầu dầm chữ T, dầm hộp: Dầm nhịp 20-60m dùng PC strand căng sau.
- Sàn hậu căng (PT slab): Tăng nhịp sàn, giảm chiều dày, phù hợp nhà cao tầng.
- Cọc bê tông ly tâm PHC: PC wire căng trước, đóng đến độ sâu lớn.
- Bồn áp lực, tháp nước: Dây quấn dự ứng lực vòng ngoài chống vỡ.
- PC wire và PC strand khác nhau thế nào?
- PC wire là sợi đơn ∅4-7mm; PC strand là bó 7 sợi xoắn với fu≥1860 MPa. Strand có tiết diện lớn hơn, lực căng cao hơn, dùng chủ yếu cho cầu và sàn hậu căng; wire dùng cho cọc và panel đúc sẵn.
- Tổn thất do tự chùng (relaxation) là gì?
- Relaxation là đặc tính thép DUL tự giảm ứng suất khi biến dạng giữ không đổi theo thời gian. Thép low-relaxation Class 2 (phổ biến) có tổn thất ≤2.5% sau 1000h ở 70% fu; thép normal relaxation Class 1 tổn thất ≤8%.
- Tiêu chuẩn Việt Nam cho thép DUL là gì?
- TCVN 6284:2012 (gồm 5 phần) quy định thép dự ứng lực: phần 1-tổng quát, phần 2-sợi, phần 3-tao, phần 4-thanh, phần 5-bó. Tương đương ISO 6934 và EN 10138.