Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu đánh giá tuổi thọ mỏi của tà vẹt bê tông dự ứng lực trên đường sắt đô thị ở Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:163

Thêm vào BST

Báo xấu

34
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án trình bày các nội dung chính sau: Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm xác định hệ số động cho đường sắt đô thị tuyến Cát Linh - Hà Đông để làm cơ sở nghiên cứu mỏi các bộ phận kết cấu tầng trên liên quan khác; Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm xác định tuổi thọ mỏi của tà vẹt bê tông dự ứng lực trên tuyến đường sắt đô thị Bến Thành - Suối Tiên; Lập mô phỏng số mô hình đoàn tàu - đường ray của đường sắt đô thị tuyến Cát Linh – Hà Đông và tuyến Bến Thành - Suối Tiên;...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu đánh giá tuổi thọ mỏi của tà vẹt bê tông dự ứng lực trên đường sắt đô thị ở Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI _______________________ TRẦN ANH DŨNG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TUỔI THỌ MỎI CỦA TÀ VẸT BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC TRÊN ĐƯỜNG SẮT ĐÔ THỊ Ở VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI _______________________ TRẦN ANH DŨNG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TUỔI THỌ MỎI CỦA TÀ VẸT BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC TRÊN ĐƯỜNG SẮT ĐÔ THỊ Ở VIỆT NAM Nghành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 9580205 Chuyên ngành: Xây dựng đường sắt LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS.TS Phạm Văn Ký 2. PGS.TS Lê Hải Hà HÀ NỘI, 2021
i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng mình. Các số liệu, kết quả được đưa ra trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất cứ công trình nào khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Trần Anh Dũng
ii LỜI CẢM ƠN Luận án được thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của GS.TS Phạm Văn Ký và PGS.TS Lê Hải Hà. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy hướng dẫn đã chỉ dẫn tận tình và đã đóng góp các ý kiến quý báu để giúp tôi thực hiện luận án này. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu Trường đại học Giao thông Vận tải, lãnh đạo Khoa công trình, Phòng đào tạo Sau đại học, Bộ môn Đường sắt, Trung tâm khoa học công nghệ Giao thông vận tải đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập nghiên cứu. Cuối cùng tôi bày tỏ cảm ơn các đồng nghiệp, gia đình người thân đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu. Tác giả luận án Trần Anh Dũng
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ..........................................................................................................ii MỤC LỤC .....................................................................................................................iii DANH MỤC HÌNH VẼ ..............................................................................................vi DANH MỤC BẢNG BIỂU........................................................................................xii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..........................................................................xiv MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MỎI ĐỐI VỚI TÀ VẸT BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC ..................................................................................................................... 6 1.1. Tình hình sử dụng tà vẹt bê tông dự ứng lực trên thế giới và Việt Nam ........... 6 1.1.1. Tình hình sử dụng tà vẹt bê tông dự ứng lực trên thế giới ................. 6 1.1.2. Tình hình sử dụng tà vẹt bê tông dự ứng lực ở Việt Nam .................. 6 1.2. Tình hình sử dụng kết cấu đường sắt đô thị trên thế giới và Việt Nam............. 7 1.3. Tải trọng động .......................................................................................................15 1.4. Nghiên cứu về mỏi trên thế giới ..........................................................................16 1.4.1. Giới thiệu........................................................................................... 16 1.4.2. Lịch sử nghiên cứu mỏi..................................................................... 16 1.4.3. Nghiên cứu mỏi của bê tông ............................................................. 18 1.4.4. Nghiên cứu mỏi của cốt thép trong bê tông ...................................... 18 1.4.5. Nghiên cứu mỏi của bê tông cốt thép ............................................... 20 1.4.6. Nghiên cứu mỏi của bê tông dự ứng lực ........................................... 20 1.5. Nghiên cứu về mỏi ở Việt Nam ..........................................................................22 1.6. Các nghiên cứu về mỏi đối với tà vẹt đã thực hiện ...........................................23 1.7. Những vấn đề còn tồn tại .....................................................................................24 1.8. Xác định vấn đề nghiên cứu ................................................................................24 1.9. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................... 4 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐỐI VỚI ĐƯỜNG SẮT ĐÔ THỊ Ở VIỆT NAM ............................................................26
iv 2.1. Tải trọng động .......................................................................................................26 2.2. Xây dựng mô hình động lực học tương hỗ giữa đường sắt và đoàn tàu đường sắt đô thị tuyến Cát Linh – Hà Đông ..........................................................................29 2.3. Ứng dụng phần mềm xây dựng mô hình mô phỏng 3D động lực học giữa đường sắt và đoàn tàu đường sắt đô thị tuyến Cát Linh – Hà Đông .......................40 2.4. Nghiên cứu thực nghiệm xác định tác dụng tương hỗ giữa đường sắt và đoàn tàu đường sắt đô thị tuyến Cát Linh – Hà Đông .......................................................46 2.5. Phương pháp phần tử hữu hạn tính toán biến dạng tương đối của ray dưới tác dụng của tải trọng tĩnh của đường sắt đô thị tuyến Cát Linh – Hà Đông ...............52 2.5.1. Mô hình phân tích lực ....................................................................... 52 2.5.2. Rời rạc hóa kết cấu ............................................................................ 53 2.5.3. Thiết lập ma trận độ cứng, véc tơ tải, xử lý điều kiện biên và giải bài toán ................................................................................................. 53 2.5.4. Quá trình tính toán ............................................................................ 55 2.6. Xác định hệ số tải trọng động đối với tuyến đường sắt đô thị Cát Linh – Hà Đông ..............................................................................................................................62 2.7. Kết luận chương 2.................................................................................................65 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN TUỔI THỌ MỎI CỦA TÀ VẸT BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC CHO ĐƯỜNG SẮT ĐÔ THỊ Ở VIỆT NAM ......................................................................................................66 3.1. Đặt vấn đề nghiên cứu ..........................................................................................66 3.2. Phương pháp lý thuyết xác định tuổi thọ mỏi. ...................................................68 3.2.1. Cơ sở lý thuyết .................................................................................. 68 3.2.2. Mô hình tà vẹt sử dụng trong tính toán ............................................. 72 3.2.3. Mô hình tính toán tuổi thọ mỏi của tà vẹt bê tông dự ứng lực đường sắt đô thị tuyến Bến Thành – Suối Tiên ...................................................... 73
v 3.2.4. Lập chương trình tính toán tuổi thọ mỏi cho tà vẹt bê tông dự ứng lực đường sắt đô thị tuyến Bến Thành – Suối Tiên bằng ngôn ngữ lập trình Visual Basic for Applications (VBA) ...................................................................... 85 3.2.5. Ví dụ tính toán mô phỏng tà vẹt bê tông dự ứng lực đối với tuyến đường sắt đô thị Bến Thành-Suối Tiên ....................................................... 87 3.3. Kết luận chương 3...............................................................................................103 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH TUỔI THỌ MỎI CỦA TÀ VẸT BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC CHO ĐƯỜNG SẮT ĐÔ THỊ Ở VIỆT NAM.................................................................................................................105 4.1. Thiết bị thí nghiệm..............................................................................................105 4.2. Bố trí thí nghiệm .................................................................................................113 4.3. Kết quả thí nghiệm..............................................................................................118 4.4. Đánh giá độ chụm của kết quả thí nghiệm .......................................................121 4.5. So sánh kết quả nghiên cứu mỏi của luận án với các tác giả khác.................123 4.6. Kết luận chương 4...............................................................................................124 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..................................................................................125 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN...........................................................................................128 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................129 PHỤ LỤC ...................................................................................................................135
vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1. Mặt cắt ngang bản bê tông đặt trực tiếp của Anh. ............................ 8 Hình 1-2. Phụ kiện giữ ray bản bê tông của Anh.............................................. 8 Hình 1-3. Mặt cắt ngang kết cấu bản rãnh. ....................................................... 9 Hình 1-4. Kết cấu bản bê tông dự ứng lực theo phương dọc của Đức. ............ 9 Hình 1-5. Kết cấu bản bê tông dự ứng lực theo 2 phương của Đức. .............. 10 Hình 1-6. Kết cấu bản BT dầm dọc dự ứng lực xen kẽ bởi các dầm ngang của Đức. ................................................................................................................. 10 Hình 1-7. Đường bản bê tông trên tuyến Tokaido-Shinkansen. ..................... 11 Hình 1-8. Bản bê tông cốt thép đường sắt Kansas. ......................................... 12 Hình 1-9. Phụ kiện giữ ray Fastex của đường Kansas. ................................... 12 Hình 1-10. Mặt cắt ngang đường sắt đô thị Cát Linh - Hà Đông. .................. 13 Hình 1-11. Mặt bằng đường sắt đô thị Cát Linh - Hà Đông. .......................... 13 Hình 1-12. Mặt cắt ngang đường sắt đô thị Nhổn - Ga Hà Nội. ..................... 14 Hình 1-13. Mặt bằng đường sắt đô thị Nhổn - Ga Hà Nội. ............................ 14 Hình 1-14. Mặt cắt ngang đường sắt đô thị Bến Thành - Suối Tiên............... 15 Hình 1-15. Mặt bằng đường sắt đô thị Bến Thành - Suối Tiên. .................... 15 Hình 1-16. Thí nghiệm mỏi thiết lập của Thun và cộng sự. ........................... 21 Hình 2-1. Mô hình đoàn tàu đường sắt đô thị tuyến Cát Linh – Hà Đông. .... 30 Hình 2-2. Kết cấu tổng thể của toa xe động lực M. ........................................ 31 Hình 2-3. Kết cấu tổng thể của toa kéo có buồng lái Tc................................. 32 Hình 2-4. Kết cấu tổng thể của giá chuyển hướng toa xe động lực M. .......... 33 Hình 2-5. Kết cấu tổng thể của giá chuyển hướng toa kéo có buồng lái Tc. .. 34 Hình 2-6. Mô hình tính toán mô phỏng dao động của toa xe trong mặt đứng toa xe. .............................................................................................................. 37 Hình 2-7. Mô hình tính toán mô phỏng dao động của toa xe trong mặt bằng toa xe. .............................................................................................................. 37
vii Hình 2-8. Mô hình tính toán mô phỏng dao động của toa xe trong mặt cắt ngang toa xe. ................................................................................................... 38 Hình 2-9. Mô hình tính toán mô phỏng dao động kết cấu đường trong mặt cắt dọc đường. ....................................................................................................... 40 Hình 2-10. Mô hình tính toán mô phỏng dao động kết cấu đường trong mặt cắt ngang đường. ............................................................................................. 40 Hình 2-11. Mô phỏng mô hình bánh xe toa xe. .............................................. 42 Hình 2-12. Mô phỏng mô hình giá chuyển hướng toa xe. .............................. 42 Hình 2-13. Mô hình thân toa xe. ..................................................................... 43 Hình 2-14. Mô hình 3D tính toán động lực học của toa xe đường sắt đô thị tuyến Cát Linh – Hà Đông. ............................................................................. 43 Hình 2-15. Biểu đồ lực động của bánh xe tác dụng lên ray khi đoàn tàu ĐSĐT tuyến Cát Linh - Hà Đông di chuyển với vận tốc V = 30 km/h. ......... 44 Hình 2-16. Biểu đồ lực động của bánh xe tác dụng lên ray khi đoàn tàu ĐSĐT tuyến Cát Linh – Hà Đông di chuyển với vận tốc V = 50 km/h. .................... 45 Hình 2-17. Biểu đồ lực động của bánh xe tác dụng lên ray khi đoàn tàu ĐSĐT tuyến Cát Linh – Hà Đông di chuyển với vận tốc V = 80 km/h. ........ 45 Hình 2-18. Hệ số động theo vận tốc của đoàn tàu ĐSĐT tuyến Cát Linh – Hà Đông theo phương pháp mô phỏng. ................................................................ 46 Hình 2-19. Cảm biến lá điện trở...................................................................... 47 Hình 2-20. Sơ đồ bố trí thiết bị đo biến dạng. ................................................ 47 Hình 2-21. Bố trí thiết bị đo biến dạng ở hiện trường. ................................... 48 Hình 2-22. Đoàn tàu đường sắt đô thị tuyến Cát Linh - Hà Đông. ................. 48 Hình 2-23. Sơ đồ tải đoàn tàu đường sắt đô thị tuyến Cát Linh - Hà Đông. .. 48 Hình 2-24. Biến dạng động theo thời gian khi đoàn tàu đường sắt đô thị tuyến Cát Linh - Hà Đông di chuyển với vận tốc V = 30 km/h...................... 49
viii Hình 2-25. Biến dạng động theo thời gian khi đoàn tàu đường sắt đô thị tuyến Cát Linh – Hà Đông di chuyển với vận tốc V = 50 km/h. .................... 49 Hình 2-26. Biến dạng động theo thời gian khi đoàn tàu đường sắt đô thị tuyến Cát Linh – Hà Đông di chuyển với vận tốc V = 80 km/h. .................... 50 Hình 2-27. Hệ số động theo vận tốc của đoàn tàu đường sắt đô thị tuyến Cát Linh – Hà Đông theo phương pháp thực nghiệm. .......................... 51 Hình 2-28. Mô hình tính.................................................................................. 52 Hình 2-29. Rời rạc hóa kết cấu ray. ................................................................ 53 Hình 2-30. Phần tử ray. ................................................................................... 53 Hình 2-31. Xác định phản lực tại các gối. ...................................................... 55 Hình 2-32. Mô hình và sơ đồ tính ray chịu tác dụng của tải trọng đoàn tàu di chuyển chậm từ đầu trái sang đầu phải của đoạn ray. ................................ 56 Hình 2-33. Đoạn ray được rời rạc thành m phần tử. ....................................... 57 Hình 2-34. Mặt cắt ngang ray 60 kg/m. .......................................................... 58 Hình 2-35. Độ võng lớn nhất tại mặt cắt A khi cho đoàn tàu di chuyển từ đầu trái sang đầu phải của ray với các phương án đoạn ray tính toán có các chiều dài khác nhau................................................................................................... 59 Hình 2-36. Biểu đồ độ võng, mô men uốn tại mặt cắt A khi cho đoàn tàu di chuyển từ đầu trái sang đầu phải của đoạn ray tính toán. ........................... 60 Hình 2-37. Biểu đồ biến dạng dọc trục tại điểm nằm dưới đáy ray tại mặt cắt A khi cho đoàn tàu di chuyển từ đầu trái qua đầu phải của đoạn ray tính toán. . 61 Hình 2-38. Hệ số động theo vận tốc của đoàn tàu đường sắt đô thị tuyến Cát Linh – Hà Đông theo phương pháp phần tử hữu hạn. .................................... 62 Hình 2-39. Hệ số động theo vận tốc của đoàn tàu tuyến đường sắt đô thị Cát Linh-Hà Đông theo các phương pháp tính...................................................... 63 Hình 2-40. Hệ số động theo tốc độ của đoàn tàu đường sắt theo các tác giả. 64 Hình 3-1. Đường cong mỏi theo Wohler. ....................................................... 69
ix Hình 3-2. Các kiểu vết nứt. ............................................................................. 70 Hình 3-3. Đường cong tốc độ phát triển vết nứt. ............................................ 71 Hình 3-4. Kích thước tà vẹt bê tông dự ứng lực. ............................................ 73 Hình 3-5. Hình ảnh tà vẹt bê tông dự ứng lực. ............................................... 73 Hình 3-6. Đường cong S-N cho thép dự ứng lực. ........................................... 74 Hình 3-7. Hình ảnh mặt cắt ngang và bố trí thép dự ứng lực trong tà vẹt. ..... 74 Hình 3-8. Mặt cắt ngang tà vẹt tại vị trí đặt ray. ............................................. 75 Hình 3-9. Sơ đồ khối tính tuổi thọ mỏi của tà vẹt bê tông dự ứng lực. .......... 75 Hình 3-10. Trạng thái ứng suất biến dạng sau khi nứt của tà vẹt. .................. 80 Hình 3-11. Giao diện chương trình tính tuổi thọ mỏi. .................................... 85 Hình 3-12. Nhập thông số đầu vào. ................................................................ 86 Hình 3-13. Tính toán kết quả. ......................................................................... 87 Hình 3-14. Cấu hình đoàn tàu ở giai đoạn đầu Mc – T – Mc. ........................ 88 Hình 3-15. Cấu hình đoàn tàu ở giai đoạn sau Mc – T – M – M – T – Mc. ... 88 Hình 3-16. Kết cấu thân toa xe động lực có buồng lái Mc. ............................ 89 Hình 3-17. Kết cấu thân toa xe kéo theo T. .................................................... 89 Hình 3-18. Đoàn tàu đường sắt đô thị tuyến Bến Thành – Suối Tiên. ........... 90 Hình 3-19. Kết cấu giá chuyển hướng toa xe động lực tuyến Bến Thành – Suối Tiên ......................................................................................................... 91 Hình 3-20. Kết cấu khung giá chuyển hướng toa xe đường sắt đô thị tuyến Bến Thành – Suối Tiên. .................................................................................. 92 Hình 3-21. Hệ thống treo giá chuyển hướng toa xe đường sắt đô thị tuyến Bến Thành – Suối Tiên. .......................................................................................... 92 Hình 3-22. Hệ thống treo sơ cấp của toa xe đường sắt đô thị tuyến Bến Thành – Suối Tiên. ..................................................................................................... 93 Hình 3-23. Hình chiếu đứng kết cấu đường sắt đô thị. ................................... 94 Hình 3-24. Hình chiếu bằng kết cấu đường sắt đô thị. ................................... 94
x Hình 3-25. Hình chiếu cạnh kết cấu đường sắt đô thị..................................... 94 Hình 3-26. Hộp chống rung AVT Box. .......................................................... 95 Hình 3-27. Hình ảnh kết cấu đường sắt đô thị. ............................................... 95 Hình 3-28. Sơ đồ xác định độ cứng của gối đỡ ray D. ................................... 95 Hình 3-29. Mô hình mô phỏng trục bánh xe. .................................................. 97 Hình 3-30. Mô hình mô phỏng giá chuyển hướng. ......................................... 97 Hình 3-31. Mô hình mô phỏng thân toa xe. .................................................... 98 Hình 3-32. Mô hình mô phỏng toa xe. ............................................................ 98 Hình 3-33. Biểu đồ lực động của bánh xe tác dụng lên ray khi đoàn tàu ĐSĐT tuyến Bến Thành – Suối Tiên di chuyển với vận tốc V = 30 km/h. .... 99 Hình 3-34. Biểu đồ lực động của bánh xe tác dụng lên ray khi đoàn tàu ĐSĐT tuyến Bến Thành – Suối Tiên di chuyển với vận tốc V = 50 km/h. .. 100 Hình 3-35. Biểu đồ lực động của bánh xe tác dụng lên ray khi đoàn tàu ĐSĐT tuyến Bến Thành – Suối Tiên di chuyển với vận tốc V = 80 km/h. .. 100 Hình 3-36. Mô hình vật liệu thép dự ứng lực và bê tông.............................. 101 Hình 3-37. Đặt tải và gán điều kiện biên. ..................................................... 101 Hình 3-38. Chia lưới phần tử. ....................................................................... 102 Hình 3-39. Kết quả phân tích lực. ................................................................. 103 Hình 4-1. Võng kế. ........................................................................................ 105 Hình 4-2. Indicator. ....................................................................................... 106 Hình 4-3. Đầu đo laser. ................................................................................. 106 Hình 4-4. Thiết bị cảm biến chuyển vị (LVDT). .......................................... 106 Hình 4-5. Gắn thiết bị cảm biến chuyển vị (LVDT). .................................... 107 Hình 4-6. Cấu tạo máy thí nghiệm mỏi LFV 500kN-HH. ............................ 108 Hình 4-7. LFV 500kN-HH. ........................................................................... 108 Hình 4-8. Tủ điện loại nhỏ NS19-PA 09/9. .................................................. 109 Hình 4-9. Bộ nguồn thủy lực PAR-160. ....................................................... 109
xi Hình 4-10. Bàn máy tính. .............................................................................. 109 Hình 4-11. Hệ thống làm mát tuần hoàn bằng nước. .................................... 110 Hình 4-12. Bộ giá đỡ tà vẹt lên thiết bị LFV 500 kN-HH. ........................... 110 Hình 4-13. Hệ thống gối đỡ tà vẹt................................................................. 111 Hình 4-14. Hệ thống thiết bị thí nghiệm mỏi. ............................................... 111 Hình 4-15. Cấu tạo máy thủy lực vạn năng SANS SHT4306-W. ................ 112 Hình 4-16. Hệ thống thiết bị thí nghiệm xác định tải trọng phá hoại. .......... 112 Hình 4-17. Sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm xác định tải trọng nứt. .............. 113 Hình 4-18. Sơ đồ bố trí tải thí nghiệm xác định tải trọng nứt....................... 114 Hình 4-19. Hình ảnh thí nghiệm mỏi cho tà vẹt PCS1. ................................ 115 Hình 4-20. Hình ảnh thí nghiệm mỏi cho tà vẹt PCS2. ................................ 115 Hình 4-21. Bố trí thí nghiệm tại vị trí đế ray theo tiêu chuẩn EN 13230- 2:2016. ........................................................................................................... 116 Hình 4-22. Bố trí thí nghiệm xác định tải trọng phá hoại. ............................ 117 Hình 4-23. Thí nghiệm xác định tải trọng phá hoại với tà vẹt PCS3............ 117 Hình 4-24. Thí nghiệm xác định tải trọng phá hoại với tà vẹt PCS4............ 117 Hình 4-25. Kết quả xác định giá trị tải trọng nứt đối với tà vẹt PCS1 và PCS2. 118 Hình 4-26. Độ mở rộng vết nứt với số chu kỳ tải đối với tà vẹt PCS1......... 119 Hình 4-27. Độ mở rộng vết nứt với số chu kỳ tải đối với tà vẹt PCS2......... 119 Hình 4-28. Kết quả xác định giá trị tải trọng phá hoại đối với tà vẹt PCS3 và PCS4......................................................................... 121
xii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1. Năng lực vận tải hành khách của tuyến Cát Linh – Hà Đông........ 30 Bảng 2-2. Trọng lượng đoàn tàu của tuyến Cát Linh - Hà Đông ................... 30 Bảng 2-3. Các thông số kỹ thuật của đoàn tàu ĐSĐT Cát Linh – Hà Đông. . 35 Bảng 2-4. Các dao động tự do của toa xe. ...................................................... 39 Bảng 2-5. Hệ số động của đoàn tàu đường sắt đô thị tuyến Cát Linh – Hà Đông theo phương pháp mô phỏng. .............................................. 46 Bảng 2-6. Bảng kết quả biến dạng tĩnh thực đo. ............................................. 50 Bảng 2-7. Hệ số động của đoàn tàu đường sắt đô thị tuyến Cát Linh – Hà Đông theo phương pháp thực nghiệm. .......................... 50 Bảng 2-8. Độ võng lớn nhất tại mặt cắt A khi cho đoàn tàu di chuyển từ đầu trái sang đầu phải của ray với các phương án đoạn ray tính toán có chiều dài khác nhau......................................................................................................... 59 Bảng 2-9. Hệ số động của đoàn tàu đường sắt đô thị tuyến Cát Linh – Hà Đông theo phương pháp phần tử hữu hạn. .................... 61 Bảng 2-10. So sánh hệ số động theo các phương pháp tính khác nhau. ......... 62 Bảng 2-11. So sánh hệ số động trong dải vận tốc từ 0 -:- 80 km/h. ............... 64 Bảng 3-1. Đặc tính vật liệu làm tà vẹt............................................................. 72 Bảng 3-2. Các thông số của đường cong S-N của thép dự ứng lực. ............... 74 Bảng 3-3. Tính mô men nứt và tải trọng nứt. ................................................. 78 Bảng 3-4. Tuổi thọ mỏi đối với tà vẹt PCS1. .................................................. 82 Bảng 3-5. Tuổi thọ mỏi đối với tà vẹt PCS2. .................................................. 83 Bảng 3-6. Các thông số kỹ thuật chính của toa xe đường sắt đô thị tuyến Bến Thành – Suối Tiên ........................................................................................... 90 Bảng 4-1. So sánh tải trọng nứt..................................................................... 120 Bảng 4-2. So sánh tuổi thọ mỏi. .................................................................... 120 Bảng 4-3. Độ chụm trong thí nghiệm tải trọng nứt....................................... 122
xiii Bảng 4-4. Độ chụm trong thí nghiệm mỏi. ................................................... 122 Bảng 4-5. Độ chụm trong thí nghiệm tải trọng phá hoại. ............................. 123 Bảng 4-6. So sánh kết quả nghiên cứu mỏi của luận án với các tác giả khác ....................................................................................................................... 123
xiv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ tiếng Anh Chữ viết đầy đủ tiếng Việt BT Bê tông BTCT Bê tông cốt thép TVBTCT Tà vẹt bê tông cốt thép CEB Comite euro-international du beton Ủy ban bê tông quốc tế châu Âu S stress Ứng suất N Number of cycles Số chu kỳ phá hoại S-N A plot of the magnitude of an Biểu đồ tương quan giữa ứng alternating stress versus the suất và số chu kỳ phá hoại number of cycles to failure for a given material ACI American Concrete Institute Viện bê tông Hoa Kỳ FIB The International Federation Liên đoàn quốc tế về kết cấu for Structural Concrete bê tông CFRP Carbon-fibre reinforced Polyme cốt sợi các bon. polymer AREMA American Railway Engineering Hiệp hội kỹ thuật và bảo trì and Maintenance-of- đường sắt Hoa Kỳ WayAssociation AS Australian Standard Tiêu chuẩn Úc ĐSĐT Đường sắt đô thị PCS Prestress Concrete Sleeper Tà vẹt bê tông dự ứng lực LVDT Linear variable differential Thiết bị chuyển đổi tuyến transformer tính EN European Norms Tiêu chuẩn Châu Âu AVT Box Anti-Vibration Track Box Hộp chống rung PTHH Phần tử hữu hạn
1 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Xu thế phát triển chung của các thành phố lớn trên thế giới bao giờ cũng gắn liền với hệ thống giao thông công cộng, trong đó hệ thống đường sắt đô thị là xương sống. Hệ thống đường sắt đô thị do mật độ chạy tàu cao, năng lực vận chuyển lớn sẽ giải quyết được căn bản vấn đề đi lại của người dân khi có sự kết nối với loại hình giao thông công cộng khác. Đường sắt đô thị là loại hình giao thông xanh đặc biệt quan trọng của các thành phố lớn, đặc điểm chung của loại hình giao thông này là mật độ chạy tàu liên tục, yêu cầu rất cao về độ tin cậy, tính an toàn, êm thuận. Theo Quy hoạch giao thông vận tải thủ đô Hà Nội đến năm 2030 và tầm nhìn đến năm 2050 đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt ngày 31 tháng 3 năm 2016 tại Quyết định số 519/QĐ-TTg, thành phố Hà Nội sẽ xây dựng 12 tuyến với tổng chiều dài 422 km, trong đó 346,4 km cầu cạn kết hợp đi trên nền đường, 75,6 km đi ngầm. Đối với thành phố Hồ Chí Minh, tại Quyết định số 568/QĐ-TTg ngày 8/4/2013 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Điều chỉnh Quy hoạch phát triển GTVT TP Hồ Chí Minh đến năm 2020 và tầm nhìn sau năm 2020, theo đó sẽ xây dựng 08 tuyến xuyên tâm và vành khuyên nối các trung tâm chính của thành phố, chủ yếu đi ngầm trong nội đô và 03 tuyến xe điện mặt đất hoặc đường sắt một ray. Hệ thống đường sắt đô thị thành phố Hồ Chí Minh có tổng chiều dài 172 km, trong đó có 90 km đi ngầm và 82 km đi trên cao. Để đảm bảo sứ mạng chuyên chở một lượng lớn hành khách di chuyển cùng nhịp đập của thành phố nên nó phải làm việc liên tục với 18-20 giờ trong ngày. Vì vậy triết lý xây dựng của nó là giảm tối thiểu thời gian sửa chữa, nên nó có độ dư cường độ nhiều, riêng mỏi kết cấu đỡ không chỉ không có độ dư mà còn chịu tần suất lặp của tải trọng đoàn tầu gấp hàng chục lần đường sắt truyền thống.
2 Hiện tượng mỏi là hiện tượng khá phức tạp, xảy ra trong thời gian hoạt tải lặp sinh ra ứng suất động nhỏ hơn giới hạn đàn hồi. Hiện tượng mỏi của vật liệu kim loại đã được phát hiện cách đây hơn 100 năm. Mới đầu người ta cảm thấy ngạc nhiên và lạ lùng khi phát hiện ra rằng, trục của bánh xe tàu hỏa bị phá hoại dưới tác động của ứng suất lặp theo thời gian nhưng có trị số nhỏ hơn nhiều so với giới hạn bền. Mỏi được gọi là hiện tượng phá hủy trong vật liệu của kết cấu gây ra bởi tải tuần hoàn lặp đi lặp lại. Từ quan điểm kỹ thuật, mỏi rất quan trọng trong việc đánh giá tuổi thọ thiết kế các kết cấu hiện có và thiết kế các kết cấu mới chịu tải tuần hoàn lặp đi lặp lại. Một loạt các thử nghiệm đã được tiến hành về sự mỏi của vật liệu trong thế kỷ 20 của các tác giả trên thế giới. Ở Việt Nam, các nghiên cứu và đánh giá về mỏi trên các kết cấu công trình cũng như các bộ phận cơ cấu bằng thép ở các ngành khác nhau cũng đã được tiến hành và đã có các báo cáo về các kết quả này. Tuy nhiên, các nghiên cứu sâu rộng mới chỉ tập trung ở một số ngành mà tỉ trọng sử dụng các kết cấu công trình bằng thép lớn. Tà vẹt bê tông là một trong những bộ phận quan trọng nhất của hệ thống đường sắt. Các nhà nghiên cứu trước đây đã nghiên cứu các đặc điểm tải trọng tác động và khả năng chịu tải giới hạn của tà vẹt dự ứng lực nhưng nghiên cứu về tuổi thọ mỏi của tà vẹt bê tông dự ứng lực còn hạn chế. Sự phá hoại mỏi của tà vẹt bê tông dự ứng lực chủ yếu dẫn tới sự tích lũy các hư hỏng gây ra bởi tải trọng lặp thể hiện sự tương tác giữa bánh xe và ray. Hiện nay, chưa có công trình nghiên cứu thực nghiệm về tuổi thọ mỏi cho tà vẹt bê tông dự ứng lực được thực hiện đặc biệt là đối với tà vẹt bê tông dự ứng lực cho đường sắt đô thị. Trình tự thiết kế một công trình trong thực tế cần có số liệu đầu vào về tải trọng tác động lên kết cấu đặc biệt là giá trị tải trọng động, tuy nhiên hiện
3 nay việc xác định tải trọng động đối với đường sắt đô thị vẫn chưa có cơ sở khoa học và công thức tính toán. Sau quá trình thiết kế người kỹ sư sẽ tiến hành kiểm toán kết cấu, đối với kết cấu tà vẹt bê tông dự ứng lực hiện nay đang chỉ kiểm toán kết cấu ở các trạng thái giới hạn cường độ mà chưa xét đến giới hạn mỏi. Trong các tiêu chuẩn thiết kế liên quan đến kết cấu tầng trên đường sắt đô thị hiện nay chưa xét đến hệ số động đối với tải trọng đường sắt đô thị cũng như chưa xét đến mỏi trong quá trình thiết kế tà vẹt bê tông dự ứng lực của đường sắt đô thị. Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu tầng trên đường sắt đô thị ở Việt Nam hiện nay vẫn chưa được ban hành. Đường sắt đô thị có tần suất khai thác của các chuyến tàu từ 2-5 phút/chuyến nên hiện tượng tải trọng lặp đi lặp lại tác dụng lên tà vẹt là thường xuyên. Do vậy nghiên cứu tuổi thọ mỏi cho tà vẹt bê tông dự ứng lực để đánh giá đặc tính sử dụng và dự báo tuổi thọ mỏi của tà vẹt bê tông cũng như cung cấp tính linh hoạt trong thiết kế và mở rộng nguyên tắc thiết kế kết cấu tầng trên. Kết quả của nghiên cứu cũng có thể dùng để cải thiện các quy trình duy tu bảo dưỡng kết cấu tầng trên, để thiết lập một mạng lưới theo dõi tình trạng đường thích hợp trong thực tế. Đề tài: “Nghiên cứu đánh giá tuổi thọ mỏi của tà vẹt bê tông dự ứng lực trên đường sắt đô thị ở Việt Nam” nhằm mục đích nghiên cứu hệ số động đối với đường sắt đô thị, nghiên cứu tuổi thọ mỏi của tà vẹt bê tông dự ứng lực đường sắt đô thị, là cơ sở để tiến hành xây dựng tiêu chuẩn thiết kế kết cấu tầng trên đường sắt đô thị. 2. MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 2.1. Mục đích nghiên cứu
4 - Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm xác định hệ số động cho đường sắt đô thị tuyến Cát Linh - Hà Đông để làm cơ sở nghiên cứu mỏi các bộ phận kết cấu tầng trên liên quan khác. - Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm xác định tuổi thọ mỏi của tà vẹt bê tông dự ứng lực trên tuyến đường sắt đô thị Bến Thành - Suối Tiên. - Lập mô phỏng số mô hình đoàn tàu - đường ray của đường sắt đô thị tuyến Cát Linh – Hà Đông và tuyến Bến Thành - Suối Tiên. - Lập chương trình tính tuổi thọ mỏi của tà vẹt bê tông dự ứng lực trên tuyến đường sắt đô thị Bến Thành – Suối Tiên. 2.2. Đối tượng nghiên cứu - Đoàn tàu của tuyến đường sắt đô thị Cát Linh – Hà Đông và tuyến đường sắt đô thị Bến Thành – Suối Tiên. - Tà vẹt bê tông dự ứng lực liền khối dạng thanh được đặt trên đường không đá ba lát của tuyến đường sắt đô thị Bến Thành – Suối Tiên. 2.3. Phạm vi nghiên cứu Trên cơ sở phân tích những nghiên cứu ở nước ngoài và trong nước, luận án tập trung vào một số vấn đề sau: 1. Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực nghiệm xác định hệ số tải trọng động cho tuyến đường sắt đô thị Cát Linh - Hà Đông. 2. Nghiên cứu lý thuyết và thí nghiệm xác định tuổi thọ mỏi đối với tà vẹt bê tông dự ứng lực được đặt trên đường sắt đô thị tuyến Bến Thành - Suối Tiên. 3. Không nghiên cứu ảnh hưởng của từ biến, lực nhiệt độ, ăn mòn hóa học đến tuổi thọ mỏi và chỉ nghiên cứu mỏi uốn của tà vẹt bê tông cốt thép dự ứng lực trên đường sắt đô thị ở Việt nam. 2.4. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp lý thuyết kết hợp thực nghiệm.