Trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng, kết cấu thép đã trở thành một lựa chọn quan trọng cho các công trình hiện đại nhờ tính chất cơ học hiệu quả và khả năng mô hình hóa linh hoạt. Nắm vững các dạng kết cấu cơ bản của kết cấu thép và logic lựa chọn của chúng là chìa khóa để bước vào lĩnh vực chuyên môn này. Hãy cùng tìm hiểu về năm loại kết cấu điển hình: khung cổng thép nhẹ, khung thép, lưới thép, màng cáp và giàn ống, để nhanh chóng thiết lập hệ thống kiến thức.

1. Kết cấu khung cổng thép nhẹ - Lựa chọn tiết kiệm chi phí cho các tòa nhà vừa và nhỏ

Cấu trúc lõi và đặc điểm cơ học
Khung cổng thép nhẹ bao gồm khung cổng (liên kết cứng giữa dầm và cột thép tiết diện chữ H), hệ thống xà gồ (thép tiết diện chữ C/Z) và hệ thống giằng kết cấu thép, tạo thành hệ kết cấu thép chịu lực phẳng. Ưu điểm cốt lõi của hệ thống này nằm ở thiết kế mặt cắt biến thiên - mặt cắt dầm và cột kết cấu thép được tối ưu hóa theo sự thay đổi nội lực, giúp sử dụng vật liệu hiệu quả; mái và tường kết cấu thép sử dụng thép tấm định hình nhẹ (trọng lượng riêng chỉ 0,1-0,3kN/m²), giúp giảm tải trọng nền móng từ 40%-60% so với kết cấu bê tông.

Các tình huống ứng dụng điển hình
Thích hợp cho các tòa nhà công nghiệp (kết cấu thép nhà xưởng nhẹ, kho bãi và hậu cần) và các công trình thương mại (phòng triển lãm, nhà để xe) với nhịp đơn 20-30 mét và chiều cao mái hiên không quá 10 mét. Các dự án tiêu biểu bao gồm nhà kho kết cấu thép và xưởng sản xuất của JD Logistics cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ, với thời gian thi công chỉ từ 4-8 tuần và chi phí thấp hơn 20%-30% so với kết cấu bê tông.

Ba yếu tố chính để lựa chọn
Kiểm soát nhịp: Khi nhịp vượt quá 30 mét, nên sử dụng khung cứng dạng lưới hoặc giằng giữa nhịp để tránh làm tăng quá mức tiết diện dầm và cột.
Điều chỉnh tải trọng: Đối với tải trọng cần cẩu ≤20 tấn, nên sử dụng khung cứng dạng lưới đặc; đối với tải trọng quá tải, nên chuyển sang hệ thống khung thép.
Thiết kế mối nối: Mối nối dầm-cột cứng cần kiểm tra khả năng truyền mô men uốn; mối nối bản lề chỉ phù hợp với các trường hợp không có cần cẩu hoặc tải trọng nhẹ. 

2. Kết cấu khung thép - Phù thủy không gian cho các tòa nhà nhiều tầng

Đặc điểm cấu trúc và lợi thế của hệ thống
Được cấu tạo từ các cột thép (kết cấu thép hình chữ H/ống thép tròn) và dầm thép (kết cấu thép hình chữ H/dầm composite) thông qua các mối nối cứng (kết cấu thép hàn toàn bộ/liên kết hỗn hợp hàn bu lông), tạo thành hệ thống chịu lực không gian, có thể đạt khoảng cách cột lớn hơn 9 mét (ví dụ: lưới cột kết cấu thép 8,4 mét thường được sử dụng trong các tòa nhà văn phòng). Kết hợp với các mối nối bản lề và hệ thống giằng, hệ thống này có thể linh hoạt thích ứng với các yêu cầu gia cố địa chấn khác nhau (gia cố lên đến 8 độ).

Các loại tòa nhà áp dụng
Tòa nhà thương mại nhiều tầng: Tòa nhà văn phòng có kết cấu thép từ 5-15 tầng (như tòa nhà SOHO), có mặt bằng có thể chia tách tự do để đáp ứng nhu cầu văn phòng mở.
Nhà công nghiệp: kết cấu thép Nhà xưởng nặng (như xưởng gia công cơ khí), có thể chịu được cầu trục có trọng tải 50 tấn trở lên.
Tòa nhà chịu động đất: Độ dẻo cao khiến nó trở thành lựa chọn hàng đầu cho các khu vực dễ xảy ra động đất (như Tứ Xuyên, Nhật Bản).

Các thông số chính để lựa chọn
Giới hạn tỷ lệ chiều cao-chiều rộng: Khi vượt quá 1:5, ống lõi/giàn giằng phải được thiết lập để kiểm soát tỷ lệ trôi giữa các tầng ≤1/250.
Hình dạng mối nối: Ở các vùng địa chấn, ưu tiên thiết kế thành phần mối nối mạnh và yếu, và khả năng tiêu tán năng lượng được cải thiện thông qua các tấm gia cố vùng mối nối.
Tấm sàn composite: Tấm sàn composite bằng thép định hình (dày 80-150mm) có thể giảm chiều cao của dầm thép và cải thiện việc sử dụng chiều cao sàn.

3. Kết cấu lưới thép - Mô hình chịu lực không gian cho các tòa nhà có nhịp lớn

Thành phần hình học và lợi thế cơ học
Được cấu tạo từ các thanh thép ống (φ48-φ325) thông qua các mối nối hình cầu (kết cấu thép hình cầu rỗng hàn/hình cầu bắt bu lông) được sắp xếp theo dạng lưới đều đặn (kết cấu thép hình chóp vuông, hình chóp tam giác, v.v.), tạo thành hệ thống chịu lực không gian của kết cấu thép, đạt được độ cứng uốn hai chiều cân bằng. Độ dày của lưới phẳng khoảng 1/10-1/15 nhịp, và độ cao của lưới cong (như mái vòm) là 1/6-1/8 nhịp, với tổng mức tiêu thụ kết cấu thép chỉ 30-50kg/m².

Các kịch bản ứng dụng Landmark
Công trình thể thao: kết cấu thép Nhà thi đấu (như kết cấu bảo trì bên ngoài của Tổ Chim), kết cấu thép hồ bơi, bao phủ nhịp siêu lớn từ 80-150 mét.
Các trung tâm giao thông: kết cấu thép Nhà ga sân bay (mái của hành lang tại Sân bay quốc tế Đại Hưng Bắc Kinh), tạo ra không gian trong suốt không có cột.
Xưởng công nghiệp: kết cấu thép Xưởng chế tạo máy bay (yêu cầu nhịp thông thủy lớn hơn 300m), kết hợp với hệ thống cầu trục treo.

Điểm kỹ thuật để lựa chọn
Thích ứng mặt phẳng: Lưới hình chóp vuông được chọn cho mặt phẳng hình chữ nhật; lưới ba hướng hoặc cấu trúc mái vòm được chọn cho mặt phẳng hình tròn.
Lựa chọn mối nối: Đối với nhịp ≤60 mét, sử dụng mối nối cầu bu lông (được chế tạo sẵn tại nhà máy, dễ lắp đặt); đối với nhịp siêu lớn, sử dụng mối nối cầu hàn (có khả năng chịu lực cao hơn).
Tải trọng mái: Cần kiểm tra tải trọng trượt của tuyết đối với mái tường kính; cần xem xét sức hút của gió (áp suất âm cục bộ lên tới -1,5kPa) đối với mái kim loại có kết cấu thép.