Tính toán kết cấu cửa van theo độ bền mỏi và một số giải pháp tăng khả năng chịu mỏi

KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) 87 
TÍNH TOÁN KẾT CẤU CỬA VAN THEO ĐỘ BỀN MỎI 
VÀ MỘT SỐ GIẢI PHÁP TĂNG KHẢ NĂNG CHỊU MỎI 
Đỗ Văn Hứa 
Khúc Hồng Vân 
Tóm tắt: Bài báo nêu ra các yếu tố cần tính đến khi tính toán thiết kế cửa van nhịp lớn vùng 
triều Thanh phố Hồ Chí Minh có xét đến độ bền mỏi. Ngoài việc chon loại vật liệu thích hợp cho 
loại cấu kiện cửa van cần sử dụng công nghệ hàn thích hợp nhằm giảm ứng suất tồn dư để tăng khả 
năng chịu mỏi cho các cấu kiện và mối nối chịu tải trọng lặp. 
Từ khóa: Thiết kế cửa van xét đến mỏi 
1. Mở đầu 
Sự phá hủy mỏi là cả một quá trình tích lũy sự 
suy thoái dần dần khả năng làm việc của vật liệu 
và chi tiết kết cấu. Biểu hiện của sự suy thoái này 
được đặc trưng bởi quá trình sinh ra và phát 
triển, lan truyền của hệ thống vết nứt mỏi trong 
trường hợp ứng suất thay đổi theo thời gian 
Phá hoại về mỏi thường bắt đầu từ ví trí có 
ứng suất tập trung lớn do khuyết tật của mối hàn, 
do ứng suất hàn và biến hình hàn, đặc biệt là cấu 
tạo không hợp lý của kết cấu sinh ứng suất tập 
trung .Sự phá hoại mỏi của thép sẩy ra ngay cả 
khi ứng suất thay đổi có giá trị nhỏ hơn giới hạn 
đàn hồi; giới hạn chảy và càng nhỏ hơn nhiều 
giới hạn bền. Sự phá hoại về mỏi mang tính chất 
phá hoại giòn thường xẩy ra đột ngột và kèm 
theo vết nứt. Độ bền mỏi của kết cấu thép là ứng 
suất phá hoại khi có hiện tượng mỏi. Đối với 
dầm cầu trục, dầm đỡ sàn đặt máy, bệ máy, cầu 
chuyển tải, bunke, cửa van vùng triều vvđược 
xem là những kết cấu chịu tải trọng lặp với chu 
kỳ đủ lớn thì cần tính toán theo độ bền mỏi. 
Độ bền mỏi phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Đó là 
ảnh hưởng của bản chất vật liệu và xử lý nhiệt 
(ảnh hưởng của tổ chức tế vi, kích thước hạt, 
thành phần hóa học); của trạng thái ứng suất; của 
tần số tải trọng; ảnh hưởng của môi trường (nhiệt 
độ, môi trường ăn mòn) dẫn đến hiện tượng 
mỏi – mòn – rỉ. Ứng suất cục bộ lớn nhất trong 
cấu kiện đang xét max hoặc biên độ ứng suất a= 
(max - min)/2 )là chỉ số để so sánh đánh giá độ 
bền mỏi. Chỉ số này phụ thuộc vào sự tập trung 
ứng suất, vào cấu tạo của cấu kiện và kiểu liên 
kết (nhóm của cấu kiện); đặc tính của tải trọng 
chu kỳ (dừng hoặc không dừng); số chu kỳ của 
tải trọng giai đoạn sử dụng kết cấu. Khi tính kết 
cấu cửa van còn cần chú ý đến điều kiện môi 
trường ăn mòn và các điều kiện khác. 
Việc xác định số chu kỳ tải trọng cửa van để 
tính toán mỏi cho các cấu kiện như dầm chính, 
dầm phụ, dầm biên, dàn ngang không được 
nêu ra trong TCVN 338: 2005, cũng như trong 
tiêu chuẩn về tải trọng và tác động TCVN 
2737:1995. Trong tiêu chuẩn thiết kế cửa van 
TCVN: 8299-2009 cũng không đề cập đến vấn 
đề tính mỏi. 
Trong tiêu chuẩn của Mỹ EM 1110 -2- 2105 
và “Tiêu chuẩn tính toán, thiết kế cửa van” trong 
dự án chống ngập thành phố Hồ Chí Minh về 
thiết kế của van thủy lợi có quy định phải tính độ 
bền mỏi cho kết cấu cửa van khi chu kỳ tải trọng 
từ 104 trở lên 
2. Tính toán kết cấu cửa van theo độ bền 
mỏi 
Phát triển vết nứt thường xẩy ra rõ rệt khi tải 
trọng có tính lặp đi lặp lại, ứng suất cục bộ lớn và 
sử dụng loại thép độ bền cao lại có khuyết tật . 
Mỏi có thể sẩy ra ở cả 3 giai đoạn: 
- Giai đoạn thiết kế ( thiết kế sơ bộ, thiết kế kỹ 
thuật) 
- Giai đoạn chế tạo 
- Giai đoạn khai thác 
2-1. Tính toán kết cấu thép cửa van theo độ 
bền mỏi. 
Trong cửa van, theo tài liệu thực tế, nơi bị phá 
hoại mỏi thường sẩy ra chố nối giữa dầm chính 
với dầm biên (hình 1a), chỗ nối giao giữa các 
thanh (hình 1b). 
 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) 88 
Hình 1 
Mục đích tính toán kiểm tra độ bền mỏi là so 
sánh ứng suất cục bộ lớn nhất tại tiết diện khảo 
sát với cường độ tính toán mỏi, có xét đến loại 
thép, nhóm kết cấu, số chu kỳ và hệ số ứng suất 
không đối xứng (đặc trưng chu trình tải trọng) 
Công thức kiểm tra độ bền mỏi được tính 
theo công thức: 
 fff   max (1) 
Trong đó: 
ff - Cường độ tính toán về mỏi, phụ thuộc 
vào cường độ kéo đứt tức thời của thép và nhóm 
cấu kiện . 
uf cường độ kéo đứt tức thời 
 - hệ số, kể đến đặc trưng chu kỳ tải trọng 
nQ và được tính theo công thức: 
- Khi nQ 3,9 x 106 
Đối với các nhóm cấu kiện 1 và 2: 
75,1)
10
(5,0)
10
(064,0 6
2
6 
QQ nn  (2) 
Đối với các nhóm cấu kiện 3 đến 8: 
2,2)
10
(64,0)
10
(07,0 6
2
6 
QQ nn (3) 
- Khi nQ 3,9 x 106, lấy 77,0 . Lúc này 
độ bền mỏi tính toán có giá trị ổn định không phụ 
thuộc vào số chu kỳ cũng như nhóm cấu kiện. 
f - hệ số, lấy theo bảng1, phụ thuộc vào 
trạng thái ứng suất và hệ số không đối xứng của 
ứng suất maxmin / . f luôn luôn lớn hơn 
1 vì đã được xác định với trường hợp bất lợi 
nhất là ứng suất phản đối xứng 1 . Tuy 
nhiên cường độ mỏi tính toán (Giá trị vế phải 
của công thức (1) không thể vượt qúa giới hạn 
bền tính toán nên khi kiểm tra theo công thức 
(1) trị số fff  không được vượt quá giá trị 
Muf / ; với 3,1 M 
2-2. Tính toán kiểm tra độ bền mỏi của 
mối hàn 
Trong kết cấu hàn giới hạn độ bền mỏi phụ 
thuộc vào vật liệu, công nghệ, quá trình hàn, 
dạng kết cấu cũng như loại lực và đặc tính chu 
trình tải trọng. Ảnh hưởng của công nghệ hàn 
đến cường độ khi chịu tải trọng thay đổi thường 
nghiên cứu trên các mấu chuẩn có mối nối hàn. 
Trong giai đoạn thiết kế sơ bộ các kết cấu 
hoặc tính mỏi cho dường hàn chịu tải trọng lặp 
có thể tính theo ứng suất cho phép. Ứng suất 
cho phép của thép cơ bản vùng lân cận và trong 
đường hàn được xác định theo công thức (4): 
  kr / . (4) 
Ở đây: k – hệ số an toàn cường độ thường lấy 
1,4-1,6. Với tải trọng lặp lấy bằng 1,6 
r - giới hạn độ bền mỏi phụ thuộc vào hệ số 
tập trung ứng suất K , tính chất chu trình tải 
trọng . 
Vết nứt mỏi 
a/ 
b/ 
Vết nứt mỏi 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) 89 
Bảng 1. Hệ số f 
max 
Hệ số không đối 
xứng 
của ứng suất 
Công thức tính hệ 
số f 
Kéo 01 
8,00 
18,0 
)5,1/(5,2  f 
)2,1/(0,2  f 
)1/(0,1  f 
Nén 11 )1/(0,2  f 
Giá trị của hệ số tập trung ứng suất K phụ 
thuộc vào loại liên kết hàn, phụ thuộc vào loại 
mối hàn, loại thép hàn, sơ đô liên kết và vị trí 
tiết diện tính toán. 
Mục đích tính toán kiểm tra độ bền mỏi của 
mối hàn là so sánh ứng suất cục bộ lớn nhất tại 
tiết diện khảo sát với ứng suất cho phép khi tính 
mỏi. Công thức kiểm tra độ bền mỏi của đường 
hàn thường được tính theo ứng suất cho phép và 
theo công thức: 
  max (5) 
Trong đó: 
max - Ứng suất cục bộ lớn nhất tại mặt cắt 
tính toán 
  - Ứng suất cho phép khi tính với tải 
trọng lặp; 1  
 - Hệ số xác định như sau: 
Với ứng suất lớn nhất chịu kéo: 
)/(  bac (6a) 
 Với ứng suất lớn nhất chịu nén: 
)/(  abc (6b) 
Với đặc trưng của chu kỳ tải trọng. 
a,b và c trong công thức (6a) và (6b), phụ 
thuộc vào nhóm liên kết, loại thép và số chu 
trình tải trọng. 
3. Một số biện pháp tăng khả năng chịu 
lực của kết cấu hàn khi chịu tải trọng lặp 
Quá trình hàn trong kết cấu, dưới tác dụng 
của sự nung nóng không đều ở thép cơ bản, sự 
co ngót kim loại hàn làm thay đổi cấu trúc của 
thép sẽ xuất hiện nội ứng suất làm biến dạng kết 
cấu hàn. Nội ứng suất thường làm cho kết cấu bị 
cong vênh, tạo ra sự lồi lõm, trong kết cấu tấm 
thì bị lượn sóng. 
Các yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng 
mối hàn.thể hiện trên hình 2. 
Sự xuất hiện biến dạng do hàn có thể ngăn 
ngừa hoặc giảm nhỏ được. Các dạng phá hoại 
của kết cấu hàn khi chịu tải trọng lặp rất khác 
nhau. Chỗ phá hoại của đường hàn thường xẩy 
ra trong đường hàn có khuyết tật, hình dạng liên 
kết hàn không hợp lý cũng như do sự tồn tại 
“vùng thoát” trong các liên kết của thép nhiệt 
luyện. Sự phá hoại thông thường sẩy ra cách 
không xa mép đường hàn (xem hình 3) ở đó 
giới hạn độ bền dẻo thấp nhất trong thép cơ bản. 
Chất lượng 
Mối hàn 
Thiết kế mối hàn 
Quá trình hàn 
Vật liệu 
Quản lý Kiểm tra 
Phương pháp hàn 
Nhiệt độ 
Sấy nóng trước 
Vết nứt 
Hình dạng 
Chất lượng phần hàn Điều kiện vật liệu hàn 
Phương pháp kiểm tra 
Vật liệu thép hàn 
Hình dạng phần khung hàn 
Hình 2 
 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) 90 
Do vậy để nâng cao cường độ của mối hàn thép 
hợp kim thấp chịu tải trọng lặp bằng cách gia 
công các sản phẩm. Để ngăn ngừa sự giảm 
cường độ khi chịu tải trọng lặp cần thiết kế hợp 
lý kết cấu hàn, nghĩa là tạo ra dạng kết cấu giảm 
tối đa sự tập trung ứng suất. Nâng cao cường độ 
mỏi có thể thực hiện bằng cách gia công cơ khí 
chi tiết hàn, đảm bảo sự tiếp giáp trơn tru thép 
cơ bản và thép nóng chảy (xem hình 4) 
Ứng suất dư trong đường hàn có ảnh hưởng 
đến khả năng chịu lực của liên kết và kết cấu 
hàn. Ứng suất dư chịu kéo sẽ làm giảm cường 
độ của kết cấu hàn. Nếu ứng suất này tác dụng 
ở vùng chịu ứng suất tập trung và tính chất cơ 
học không đồng nhất thì ở đó sẽ xuất hiện sự 
phá hoại mỏi đầu tiên. Vì vậy cần có giải pháp 
giảm ứng suất dư trong đường hàn. Nghiên cứu 
thực nghiệm cho thấy thoát nhiệt ở nhiệt độ 
6500C sẽ loại bỏ được ứng suất dư gây ra bởi 
hàn. Một số dạng gia công thường sử dụng như 
dạng hình 2-5. 
Để giảm ứng suất trong đường hàn có thể sử 
dụng ba phương pháp cơ bản sau 
- Giảm khối lượng kim loại hàn bị lôi kéo 
vào vùng biến dạng dẻo trong giai đoạn đốt 
nóng. Điều này thực hiện bằng cách tính toán 
tiết diện hàn vừa đủ và nên 
chọn đường hàn góc hoặc đường hàn hai phía 
đối xứng với chiều dầy đường hàn tối thiểu. 
- Làm bù trừ biến dạng và chuyển vị xuất 
hiện bằng cách bố trí vị trí đường hàn đối xứng, 
tạo ra vùng biến dạng dẻo, tạo sẵn chuyển vị 
trước, đảm bảo sự co ngót tự do. 
- Ở vùng đốt nóng sinh ra biến dạng dẻo, cần tạo 
thêm “vùng sấy nóng” có biến dạng ngược dấu. 
Sau đây là các giải pháp cụ thể có thể áp 
dụng khi gia công chế tạo cửa van: 
1/ Để tạo ra biến dạng đều khi hàn cần sử 
dụng đường hàn hai phía dạng chữ X cắt mép 
(Hình 5a), hàn tự động có chất trợ dung không 
cần cắt mép nghiêng (Hình 5b) 
2/ Tăng cường làm lạnh mối hàn bằng cách 
đặt tấm lót kê bằng đồng hoặc làm lạnh bằng 
 1 112MPa 1 80MPa 
Không gia công Gia công lượn tròn 
ở phân tố hàn 
Hình 4. Hiệu quả gia công lượn tròn 
R50 
 Hình 3 
----Vị trí phá hoại của liên kết hàn 
bằng thép hợp kim thấp khi chịu 
tải trọng lăp 
Tấm lót 
0,5;5mmm 
s 16mm 
1:5 
1:5 
1:5 
Hình 5 
a/ 
b/ 
c/ 
 K0 
K 
K0/K=1,5 – 2,5 
 d/ 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) 91 
nước v.v(Hình 5c) 
3/ Trong một số trường hợp kết cấu cần hàn 
được tạo trước biến dạng ngược dấu với biến 
dạng khi hàn hoặc đặt kết cấu ở dạng tự do với 
một góc nghiêng nhằm tạo ra mô men uốn 
ngược khi hàn (Hình 6) 
4/ Khi hàn phải cố định các phân tố hàn bằng cách hàn đính hoặc kê, kẹp giữ bằng các thiết bị 
(Hình 7) 
Hình 7. Sơ đồ hàn dầm chính cửa van với dầm biên 
5/ Cần hàn các phân tố với trạng thái tối ưu đảm bảo nhiệt tập trung cao và nhanh. Ví dụ khi chế 
tạo lắp ráp dầm chữ I nên thực hiện theo sơ đồ hình 8 sau: 
Hình 8. Sơ đồ vị trí liên tiếp vị trí hàn dầm chữ I 
 a/ Sơ đồ vị trí liên tiếp hàn bản cánh dầm I, II, III, IV 
 b/ Hàn bản bụng dầm chữ I:. Số 1, 2, 3, 4 chỉ thứ tự hàn 
6/ Tạo vùng sấy nóng và lạnh không đều. 
Nếu tạo từ hai phía của liên kết hàn của vùng 
sấy nóng, như chỉ dẫn trên hình 9a thì kim loại 
sẽ bị giãn nở ra (Hình 9b). Sơ đồ ứng suất này 
tạo ra biến dạng chảy dẻo theo hướng dọc 
đường hàn và làm giảm ứng suất kéo 
dư.Chuyển dịch vùng sấy nóng theo hướng 
mũi tên trên hình 9a sẽ làm nguội thép phía 
sau nguồn nhiệt. Quá trình này cần làm liên 
tục. 
● ● ● ● ● 
● 
Hình 6 
 
 
 
 
 
 
  
 
 
I II III IV 
 
 
1 
1 4 
1 
 
 
4 1 
2 
3 
400 
a/ 
b/ 
Miếng kê 
 
 
 
 
Hàn đính 
 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) 92 
7/ Khi hàn lấp đầy các đoạn dài cần phân tách thành các đoạn ngắn (Hình 10), khi hàn chồng lớp 
sau thì lớp trước phải kịp đủ nguội và có sự xuất hiện biến dạng (Hình 10a). Việc áp dụng phương 
pháp hàn bậc ngược (Hình 10b) đối với các đường hàn có 
độ dài lớn thì sẽ làm cho ứng suất phân bố 
đều hơn, giảm bớt biên dạng nhờ tạo ra sự nguội 
lạnh đều ở các phân đoạn hàn và tụt giảm nhiệt 
độ giữa các đoạn. 
8/ Cần tuân thủ chiều dài đã xác định chồng 
lên của đường hàn và hướng hàn vì điều này có 
ảnh hưởng đến tính chất và trị số biến dạng của 
các phân tố và sự cong vênh của toàn bộ kết 
cấu. 
9/ Để giảm ứng suất tập trung cần cố gắng 
tránh các đường hàn giao nhau và các mối liên 
kết có thanh táp thanh nẹp. 
10/ Mối hàn đối đầu bị co ngót lớn nên cần 
hàn trước , sau đó đến mối hàn góc. Các sườn 
tăng độ cứng, các thanh xiên nên hàn cuối 
cùng. 
Việc lắp ráp kết cấu làm bằng thép mà 
không nhậy cảm với tác dụng của nhiệt thì được 
thực hiện bằng cách hàn đính mà không gây 
cong trước khi hàn. 
Vùng sấy nóng 
Vùng sấy nóng 
ng hàn 
b/ a/ 
Hình 10 
1 
2 
5 
3 4 
6 
1 
2 
3 4 
5 6 
7 
1
1 
2
3
4
5
6
7
8
9
1 
2
3
4
1 
2 
3 
4 
5 
1 
2
3 
1 
2 
3 
a/ 
b/ 
c/ 
Hình 9 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) 93 
Tiết diện hàn đính không được vượt quá 1/3 
tiết diện mối hàn (Tiết diện lớn nhất của đường 
hàn đính không được lớn hơn 25-30mm2).Chiều 
dài của đoạn hàn đính thường trong phạm vi 20-
120mm, khoảng cách giữa các đoạn hàn đính từ 
500 đến 800mm. 
Ngoài các giải pháp nêu trên, khi thiết kế cửa 
van vùng triều đồng bằng sông Cửu Long cần 
tính đến yếu tố ăn mòn rất mạnh do nước lợ và 
chua phèn. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. TCXDVN 338: 2005 Két cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế. NXB Xây dựng 
2. Ngô văn Quyết .Cơ sở lý thuyết mỏi. NXBGD 2000 
3. Phan văn Khôi. Tuổi thọ mỏi của kết cấu thép ngoài biển. NXB KHKT 1997. 
4. Engineering and Design. Vertical lift gates. Manual N0 1110-2-2701 USACE 
5. Engineering and Design. Design of hydraulic steel structures. Manual N0 1110-2-2105 
CECW-ED 
6. Design of steel structures (AI SC/ASD METHOD) Bản dịch 
7. Γ.А HиколаеВ, C.А. Кypкuн , B.А. BИНокУОВ. 
 Cвapные kонцтрyкции. Моckbа "Bыcokaя школа"1982 
 9. А. Γ Kocикоba, M.. Cyxob. 
 Teнoлoгия производства подъёмно-транспортных машин. M.,”Машинострение”, 1972 
Abstract 
CALCULATION CONSTRUCTION OF GATE IS CONSIDERING FATIGUE 
AND SOLUTIONS TO TAKE INCREASE FATIGUE 
The article sets forth factors to take into account when calculation design the span gate in the 
tidal region of Ho Chi Minh city is considering fatigue. In addition to choose Appropriate materials 
for constructions gate neet to use proper welding technology to reduce residual stresses exist to 
increase fatigue for members and their conections subjected to repeated variations of load 
Keyword: Designation the hydraulic gate considering fatigue 
Người phản biện: PGS. TS. Vũ Thành Hải BBT nhận bài: 5/12/2012 Phản biện xong: 25/12/2012