Kết nối bulong trong kết cấu thép là gì?
Kết nối bulong là phương pháp liên kết hai hoặc nhiều cấu kiện thép bằng cách xuyên bulong qua lỗ, siết đai ốc (nut) tạo lực kẹp (clamping force) lên bề mặt tiếp xúc. Trong kết cấu thép xây dựng, bulong cường độ cao (high-strength bolt — HSB) được dùng hầu hết thay thế bulong thông thường do khả năng chịu lực cao hơn và kiểm soát chất lượng dễ dàng hơn. Hai tiêu chuẩn Mỹ phổ biến nhất là ASTM A325 (cường độ cao loại 1) và ASTM A490 (cường độ rất cao).
Phân loại kết nối bulong theo cơ chế truyền lực
Kết nối chịu cắt (Bearing-type connection)
Lực ngang truyền qua thân bulong chịu cắt và lỗ bulong chịu ép mặt (bearing); bulong chỉ cần xiết đến snug-tight (vừa chặt tay). Đây là loại đơn giản nhất, chi phí thấp nhất; áp dụng cho kết cấu chịu tải tĩnh, không yêu cầu kiểm soát trượt. Khả năng chịu lực tính theo cắt thân bulong và ép mặt lỗ.
Kết nối ma sát (Slip-critical connection)
Lực ngang truyền qua ma sát giữa hai bề mặt kim loại nhờ lực kẹp lớn do bulong được xiết đến đủ lực kéo trước (pretension = 70% cường độ chảy bulong). Bề mặt tiếp xúc cần làm sạch đến Class A hoặc Class B (AISC) để đạt hệ số ma sát µ = 0,35–0,50. Áp dụng cho kết cấu chịu tải trọng động, mỏi, cầu thép và kết cấu chống động đất.
Kết nối chịu kéo (Tension connection)
Lực kéo vuông góc mặt bích (prying action) do bulong chịu; áp dụng trong liên kết dầm-cột qua mặt bích hoặc hanger. Bulong phải xiết đến pretension để giảm ứng suất mỏi và hiệu ứng đòn bẩy (prying). Kết nối chịu đồng thời cắt và kéo tính theo tương tác (interaction formula).
Thông số bulong cường độ cao
| Thông số | ASTM A325 | ASTM A490 | EN Gr8.8 | EN Gr10.9 |
|---|---|---|---|---|
| Giới hạn chảy (MPa) | 635–895 | ≥ 1.035 | 640 | 900 |
| Giới hạn bền (MPa) | 825–1.034 | 1.035–1.241 | 800 | 1.000 |
| Độ giãn dài (%) | ≥ 14 | ≥ 14 | ≥ 12 | ≥ 9 |
| Đường kính phổ biến | M16–M36 | M16–M36 | M12–M36 | M12–M36 |
| Tương đương | A325 ≈ Gr8.8; A490 ≈ Gr10.9 | — | ||
Lực xiết (Pretension) theo đường kính
| Đường kính | A325 / Gr8.8 (kN) | A490 / Gr10.9 (kN) | Moment xiết A325 (N·m) |
|---|---|---|---|
| M16 | 91 | 114 | 110 |
| M20 | 142 | 179 | 220 |
| M22 | 176 | 221 | 300 |
| M24 | 205 | 257 | 390 |
| M27 | 267 | 334 | 560 |
| M30 | 326 | 408 | 750 |
Phương pháp xiết đủ lực (Pretensioning methods)
- Turn-of-nut (xoay đai ốc): xiết snug-tight trước, sau đó xoay thêm 1/3 đến 1 vòng tùy chiều dài bulong; phổ biến nhất, không cần dụng cụ đặc biệt
- Calibrated wrench (cờ lê cân chỉnh): dùng cờ lê lực (torque wrench) hoặc cờ lê khí nén đã hiệu chuẩn; moment xiết theo bảng nhà sản xuất
- Twist-off type (bulong tự ngắt): bulong có đuôi mẻ gãy khi đạt đủ moment; kiểm tra bằng mắt thường; phổ biến ở Nhật (F10T)
- Direct tension indicator (DTI): vòng đệm lồi gãy phẳng khi đạt lực kẹp; kiểm tra bằng que dò (feeler gauge)
Yêu cầu về lỗ bulong
Lỗ tiêu chuẩn (standard hole) đường kính = d + 2 mm (M16–M24) hoặc d + 3 mm (M27 trở lên) theo AISC; lỗ rộng (oversized hole) và lỗ dài (slotted hole) giảm khả năng chịu lực và chỉ dùng theo thiết kế. Khoảng cách tối thiểu giữa các tâm lỗ = 2,67d; khoảng cách từ tâm lỗ đến cạnh tấm ≥ 1,5d để tránh vỡ mép. Lỗ bulong phải được khoan hoặc đục lỗ (không được cắt gas) và làm phẳng bavia.
Tiêu chuẩn áp dụng
- ASTM A325 / A490 — tiêu chuẩn bulong cường độ cao (Mỹ)
- ISO 898-1 — bulong cường độ cao Gr8.8, Gr10.9 (quốc tế)
- AISC 360-22, Chapter J — kết nối bulong trong kết cấu thép
- RCSC — Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts
- TCVN 9391:2012 — lắp ráp kết cấu thép (tham chiếu xiết bulong)
Kiểm tra nghiệm thu kết nối bulong
Sau khi xiết, 10% bulong trong mỗi nhóm được kiểm tra lại bằng cờ lê lực thử (inspection torque) = 1,1 lần moment xiết yêu cầu; nếu bulong còn xoay thêm là chưa đủ lực và phải xiết lại toàn bộ nhóm. Kiểm tra vòng đệm còn đầy đủ, đai ốc ăn ren ≥ 2 ren lộ ngoài, bề mặt tiếp xúc không có bụi bẩn hoặc dầu mỡ. Lập biên bản nghiệm thu bulong cho từng cụm mối nối trước khi sơn che phủ.