Liên kết bu lông cường độ cao và liên kết hàn: chọn thế nào cho kết cấu thép

Trong kết cấu thép, cấu kiện hiếm khi hỏng trước liên kết. Mối nối là nơi tập trung ứng suất, nơi dung sai chế tạo cộng dồn và cũng là nơi dễ bị cắt giảm sai nhất khi cần hạ giá thành. Bài viết tổng hợp cách chọn và kiểm soát hai loại liên kết chính: bu lông cường độ cao và hàn.

Nguyên tắc chung: hàn tại xưởng, bu lông tại công trường

Hàn trong xưởng có bàn gá, tư thế hàn thuận lợi, môi trường kiểm soát được và thiết bị kiểm tra sẵn sàng. Hàn trên cao tại công trường thì ngược lại: tư thế khó, gió, độ ẩm, khó kiểm tra và tiến độ luôn bị thúc. Vì vậy nguyên tắc thiết kế thực dụng là đưa tối đa khối lượng hàn về xưởng và dùng bu lông cho mối nối lắp dựng.

Nguyên tắc này còn ảnh hưởng tới cách chia cấu kiện: chiều dài đoạn vận chuyển (thường tới 12 m theo xe, dài hơn cần phương án riêng), vị trí mối nối kèo nên đặt ở vùng mô men nhỏ, và số lượng mối nối nên đủ ít để tiến độ lắp dựng không phụ thuộc quá nhiều vào cẩu.

Liên kết bu lông cường độ cao

Chịu ép mặt hay chịu ma sát?

Liên kết chịu ép mặt truyền lực qua thân bu lông tì vào thành lỗ – đơn giản, rẻ, chấp nhận trượt nhỏ ban đầu. Liên kết chịu ma sát truyền lực qua ma sát giữa hai bản thép nhờ lực căng trước trong bu lông – đắt hơn vì đòi hỏi xử lý bề mặt và siết có kiểm soát, nhưng không cho phép trượt.

Dùng liên kết ma sát khi: có tải đổi dấu hoặc tải mỏi (dầm cầu trục), khi chuyển vị nhỏ cũng gây vấn đề (ray, đường trượt thiết bị), hoặc khi dùng lỗ ô van để điều chỉnh lắp dựng.

Cấp bu lông và xử lý bề mặt

• Cấp 8.8 đáp ứng phần lớn mối nối kết cấu; cấp 10.9 dùng cho mối nối tải lớn, khi số bu lông bị khống chế bởi kích thước bản mã.
• Với liên kết ma sát, bề mặt tiếp xúc phải được phun bi hoặc làm sạch đến độ sạch quy định và không sơn phủ trong phạm vi mối nối, trừ khi dùng loại sơn đã được chứng nhận hệ số ma sát.
• Bu lông, đai ốc, vòng đệm phải cùng bộ và đúng lô – lẫn lộn đai ốc khác cấp là lỗi nghiêm trọng mà mắt thường khó phát hiện sau khi lắp.

Siết bu lông sao cho đúng

Ba phương pháp phổ biến: siết theo mô men bằng cờ lê lực đã hiệu chuẩn, phương pháp xoay ê cu một góc quy định sau trạng thái khít chặt, và dùng vòng đệm chỉ thị lực căng. Dù dùng cách nào, hồ sơ nghiệm thu cần ghi lại: lô bu lông, thiết bị siết và ngày hiệu chuẩn, tỷ lệ kiểm tra lại.

Lỗi thường gặp nhất tại công trường: siết đủ mô men khi hai bản thép chưa khít chặt hoàn toàn. Lực căng thực tế trong bu lông khi đó thấp hơn nhiều so với tính toán, và mối nối ma sát trở thành mối nối trượt.

Liên kết hàn

Chọn loại mối hàn

Mối hàn góc là lựa chọn kinh tế cho phần lớn liên kết bản mã: không cần vát mép, dễ kiểm tra bằng mắt và bằng thẩm thấu. Mối hàn ngấu hoàn toàn chỉ dùng khi mối nối phải truyền toàn bộ khả năng chịu lực của tiết diện hoặc khi có yêu cầu chịu mỏi – và phải đi kèm kiểm tra siêu âm.

Một chi tiết hay bị bỏ qua: chiều cao chân mối hàn góc tối thiểu phụ thuộc chiều dày bản dày hơn trong mối nối, để tránh nguội quá nhanh gây nứt. Hàn mỏng hơn quy định ở bản dày là sai kỹ thuật, không phải tối ưu chi phí.

Quy trình hàn và thợ hàn

Chất lượng mối hàn phụ thuộc ba yếu tố kiểm soát được: quy trình hàn đã được phê duyệt, thợ hàn có chứng chỉ đúng tư thế và loại mối hàn, vật liệu hàn được bảo quản đúng cách (que hàn phải sấy, dây hàn không gỉ, khí bảo vệ đúng loại và lưu lượng).

Với thép kết cấu thông dụng, hàn MIG/MAG cho năng suất cao trong xưởng; TIG dùng cho chi tiết mỏng, inox hoặc mối hàn cần thẩm mỹ; hàn hồ quang tay vẫn hữu dụng ở công trường nhiều gió.

Kiểm tra không phá hủy

Phương pháp	Phát hiện	Dùng cho
Kiểm tra bằng mắt (VT)	Khuyết tật bề mặt, kích thước mối hàn	100% mối hàn
Thẩm thấu (PT)	Nứt hở bề mặt	Mối hàn góc quan trọng
Bột từ (MT)	Nứt bề mặt và gần bề mặt	Thép từ tính, mối hàn chịu mỏi
Siêu âm (UT)	Khuyết tật bên trong	Mối hàn ngấu hoàn toàn

Tỷ lệ kiểm tra nên được ghi rõ trong hồ sơ dự án ngay từ đầu (ví dụ: 100% VT, 10% UT cho mối hàn ngấu hoàn toàn, tăng lên 100% với dầm cầu trục), vì đây là khoản chi phí thật và cần được tính vào báo giá.

Biến dạng hàn – vấn đề của xưởng, không của bản vẽ

Nhiệt hàn làm cong vênh cấu kiện, đặc biệt với dầm tổ hợp bụng mỏng. Cách xử lý: hàn đối xứng và so le, dùng đồ gá giữ cấu kiện, chia nhỏ đường hàn, và tính trước độ vồng ngược cho dầm dài. Nắn nóng sau hàn là biện pháp cuối cùng và phải kiểm soát nhiệt độ để không làm thay đổi tính chất của thép.

Kết luận

Chọn liên kết là cân bằng giữa chi phí chế tạo, tốc độ lắp dựng và yêu cầu làm việc của kết cấu. Bản vẽ ghi đủ thông tin – cấp bu lông, phương pháp siết, ký hiệu mối hàn, tỷ lệ kiểm tra – là cách rẻ nhất để đảm bảo mối nối ngoài công trường đúng như trong tính toán.