Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ chạy tầu tuyến đường sắt đô thị đến dao động của kết cấu nhịp cầu

Chia sẻ: Tưởng Bách Xuyên | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài "Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ chạy tầu tuyến đường sắt đô thị đến dao động của kết cấu nhịp cầu" trình bày những phân tích và đánh giá tác động của đoàn tàu chuyển động đến dao động của kết cấu nhịp cầu đường sắt đô thị. Các thí nghiệm hiện trường được thực hiện tại tuyến đường sắt trên cao Cát Linh - Hà Đông. Từ kết quả phân tích và kết quả từ mô hình hóa kết cấu nhịp cầu và tải trọng động, nhóm nghiên cứu kiến nghị dải vận tốc phù hợp để khai thác cho tuyến đường sắt trên cao Cát Linh - Hà Đông để đảm bảo các yêu cầu khai thác và tuổi thọ cho kết cấu cầu. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ chạy tầu tuyến đường sắt đô thị đến dao động của kết cấu nhịp cầu

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TỐC ĐỘ CHẠY TẦU TUYẾN ĐƯỜNG SẮT ĐÔ THỊ ĐẾN DAO ĐỘNG CỦA KẾT CẤU NHỊP CẦU Giảng viên hướng dẫn: TS.Nguyễn Thị Cẩm Nhung Sinh viên thực hiện: Lê Bá Thái An Lê Văn Vũ Đoàn Văn Dương Lê Khắc Huỳnh Trần Thế Anh Lớp: KSTN CĐB K61 CĐB 1 K60 CĐB 3 K60 Tóm tắt: Độ bền và khả năng chịu tải của kết cấu cầu phụ thuộc vào cường độ và phương thức của các tải trọng tĩnh và động tác dụng lên kết cấu. Việc nghiên cứu đánh giá ứng xử động của kết cấu dưới tác dụng tải trọng động góp phần nâng cao hiệu quả khai thác, đảm bảo an toàn của kết cấu cầu. Thông qua các phép đo thực nghiệm hiện trường nghiên cứu này trình bày những phân tích và đánh giá tác động của đoàn tàu chuyển động đến dao động của kết cấu nhịp cầu đường sắt đô thị. Các thí nghiệm hiện trường được thực hiện tại tuyến đường sắt trên cao Cát Linh - Hà Đông. Từ kết quả phân tích và kết quả từ mô hình hóa kết cấu nhịp cầu và tải trọng động, nhóm nghiên cứu kiến nghị dải vận tốc phù hợp để khai thác cho tuyến đường sắt trên cao Cát Linh - Hà Đông để đảm bảo các yêu cầu khai thác và tuổi thọ cho kết cấu cầu. Từ khóa: Phản ứng động, Đường sắt đô thị, Tải trọng động. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Sự phát triển đô thị ngày nay có yêu cầu càng nhiều, càng mới đối với hệ thống vận tải đường sắt đô thị, luôn đặt nó phải đối mặt với những vấn đề mới. Những tiến bộ trong công nghệ ngày nay cho phép các đoàn tàu đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về công suất và tốc độ. Các đoàn tàu đi qua kết cấu cầu gây ra rung động lớn. Vì vậy, khai thác kết cấu hạ tầng đường sắt, việc chỉ ra các thông số dao động, ảnh hưởng đến cầu là rất quan trọng, nhằm dự báo một cách tin cậy về độ bền tuổi thọ của cầu. Trong hai thập kỷ qua, rất nhiều công trình nghiên cứu đã được thực hiện về các vấn đề rung động khác nhau liên quan đến cầu đường sắt. Wang và cộng sự 0 đã phân tích tần số tải trọng đoàn tàu, hiện tượng cộng hưởng xảy ra do tần số phương thức của các cầu là bội số với tần số tác động của tải trọng đoàn tàu. Các đặc tính động học của rung động mặt đất gây ra bởi các phương tiện di chuyển bao gồm hệ thống giao thông công cộng nhanh, đường sắt tốc độ cao và đường sắt chung trên cầu, kè và trong đường hầm sử dụng các thí nghiệm hiện trường và các 66
giải pháp lý thuyết đã được nghiên cứu bởi Ju và cộng sự 0. Garinei và Risitano 0 đã nghiên cứu ứng xử của các cây cầu nhịp ngắn và trung bình kết cấu giản đơn khi xem xét các thành phần không đổi và hài hòa của tải trọng tàu hỏa. Xia và cộng sự 0 đã phân tích các loại cơ chế cộng hưởng khác nhau của hệ thống cầu tàu. Tương tự, Yang 0 đã nghiên cứu cơ chế cộng hưởng và triệt tiêu đối với cầu tựa trên gối đàn hồi. Điểm chung của những nghiên cứu này là sự đơn giản tương đối của các mô hình xe lửa và cây cầu được sử dụng. Hiện nay trên địa bàn hà nội dự kiến sẽ có 8 tuyến đường sắt đô thị với tổng chiều dài khoảng 318 km. Đây là hệ thống đường sắt đô thị trên cao đầu tiên tại Việt Nam. Hai tuyến đường sắt đầu tiên được xây dựng là tuyến số 2A, đoạn Cát Linh – Hà Đông, và tuyến số 3, đoạn Nhổn – Ga Hà Nội. Vậy nên việc kịp thời phát hiện và sửa chữa các vấn đề liên quan đến kết cấu nhịp là vô cùng cần thiết vì tuyến được xây dựng trong lòng đường của các tuyến đông dân cư và có lưu lượng giao thông lớn rất khó có thể sửa chữa với quy mô lớn. Một trong những nguyên nhân gây ảnh hưởng đến việc hư hại kết cấu nhịp một phần cũng là do sự rung động do vận tốc chạy tàu. 2. CÁC NỘI DUNG CHÍNH 2.1. Phương pháp nghiên cứu Sử dụng kết quả đo đạc thực nghiệm bằng phương pháp đo dao động, chuyển vị động kết hợp phương pháp phân tích, thống kê tổng hợp trên các mô hình bài toán phân tích số để nghiên cứu, so sánh, đánh giá để làm cơ sở đưa ra kết luận. 2.2. Phương tiện nghiên cứu 2.2.1. Thiết bị đo dao động (sử dụng cảm biến đo gia tốc) Tám cảm biến gia tốc độ nhạy cao loại PCB, NI 9234 là mô-đun thu thập tín hiệu động bốn kênh để thực hiện các phép đo có độ chính xác cao từ các cảm biến IEPE; Một máy tính xách tay có cài đặt phần mềm NI LabView, Macec. Hình 14: Hệ thống thiết bị đo dao động 2.2.2. Thiết bị đo chuyển vị động ( sử dụng cảm biến đo chuyển vị ) Hai đầu đo LVDT (Linear Variable Differential Transformer)–cảm biến đo 67
chuyển vị; dây Polyme; Solartron Metrology đầu dò S Series; Một máy tính xách tay chuyên dụng. Hình 15: Thiết bị đo chuyển vị LVDT 2.3. Nội dung nghiên cứu đã thực hiện 2.3.1. Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết của vận tốc tàu chạy đến dao động KCN cầu Dữ liệu trên miền thời gian của tải trọng trục đoàn tàu gây ra trên một điểm cố định được xây dựng như sau: Nc Nw P(t ) =  ( Paxle ( (t − tk − jtc ))) (1) j =1 k =1 Tần số chiếm ưu thế của tải trọng theo Ju và các cộng sự 0: nV f = (2) L Công thức toán để thu được phản ứng chuyển vị của một dầm giản đơn: P = Mg − Mu(Vt ) (3) Phương trình dầm trên nền đàn hồi: EIu ''''( x, t ) + mu¨( x, t ) = Mg ( x − Vt ) − Mu¨ ( x − Vt ) (4) Chuyển vị thẳng đứng có thể được biểu thị như sau: u ( x, t ) =  n ( x)qn (t ) (5) n Tổng hợp hai phương trình phía trên, ta nhận được phương trình sau: EIu( x, t ) n n ( x)"" qn (t ) + m n n ( x)qn (t ) (6) = Mg ( x − Vt ) − M  n n ( x)qn (t ) ( x − Vt ) Như vậy vận tốc sẽ ảnh hưởng đến dao động của kết cấu nhịp cầu trong quá trình 68
khai thác. 2.3.2. Mô hình hóa KCN cầu và tải trọng đoàn tàu di động trên Midas Civil 2022 Hình 17: Mô hình tính toán 3 nhịp 3×30m Hình 16: Gán tải tải trọng đoàn tàu Hình 18: Mô hình tính sau khi đã được gán tải trọng đoàn đi dộng lên mô hình tính tàu di động 2.3.3. Đo đạc thực nghiệm Lắp đặt đầu đo cảm biến đo dao động và đo chuyển vị động tại vị trí các vị trí vận tốc khác nhau trên tuyến đường sắt Cát Linh- Hà Đông. a) b) Hình 19:Thu thập số liệu ngoài thực nghiệm: a) Bố trí cảm biến đo gia tốc đo dao động thẳng đứng và dao động ngang của kết cấu nhịp; b) Bố trí cảm biến đo chuyển vị LVDT tại đáy dầm cùng tại vị trí đặt đầu đo gia tốc trên kết cấu nhịp 2.4. Kết quả nghiên cứu và phân tích 2.4.1. Kết quả trên mô hình tính toán a) b) 69
Hình 7: a) Biểu đồ giữa gia tốc và vận tốc tàu chạy;b) Biểu đồ chuyển vị với vận tốc tàu chạy Tại miền vận từ 40km/h đến 75km/h xuất hiện hai điểm vị trí xuất hiện bước nhảy về gia tốc và chuyển vị ứng với hai giá trị vận tốc xấp xỉ 55km/h và 66km/h. Do đó, đề xuất xem xét dao động của kết cấu nhip cầu tại tốc độ chạy tầu 55km/h. a) b) c) Hình 20: Kết quả từ mô hình tại v=55km/h; a) Biểu đồ chuyển vị theo t; b) Biểu đồ gia tốc theo t; c) Tần số đao động của kết cấu nhịp 2.4.2. Kết quả đo đạc thực nghiệm a) c) b) Hình 21: Biểu đồ kết quả đo đạc tại vận tốc v=55 km/h; a) Biểu đồ gia tốc trên miền thời gian và miền tần số; b) Biểu đồ ổn định sau khi phân tích dữ liệu; c) Biểu đồ chuyển vị của gia tốc theo thời gian Bảng 2: Bảng so sánh kết quả đo tần số và độ võng trên mô hình và thực nghiệm Tần số dao động (Hz) Chuyển vị(mm) Vận tốc Phương đứng Phương ngang STT tàu chạy Sai Sai Sai Mô Thực Mô Thực Mô Thực số (km/h) số số hình nghiệm hình nghiệm hình nghiệm (%) (%) (%) 1 44,5 4,98 4,61 7,43 1,90 1,96 3,11 5,13 4,61 8,90 2 55 4,88 5,02 2,95 1,95 2,00 2,40 5,26 5,09 3,23 3 60,7 5,18 4,90 5,41 1,86 1,98 6,17 4,95 5,28 6,71 4 66 4,79 4,68 2,3 1,90 1,96 2,66 5,48 5,68 3,71 70
5 72,9 4,98 5,10 2,41 2,05 2,10 2,47 4,90 4,56 6,98 Sai số kết quả đo tần số và chuyển vị trên mô hình tính và kết quả thực tế ≤ 10%. Đối với đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên thì sai số này có thể chấp nhận được, vì vậy mô hình tính toán trên là hoàn toàn phù hợp trong nghiên cứu này. Có thể sử dụng kết quả đo chuyển vị từ mô hình làm kết quả kiểm toán 3. KẾT LUẬN Kết cấu nhịp cầu đường sắt có ứng xử động khác nhau dưới các vận tốc khác nhau của đoàn tàu trong quá trình khai thác. Sự tắt dần dao động của kết cấu khi tàu có vận tốc nhỏ hơn đi qua diễn ra nhanh hơn so với khi tàu có vận tốc cao đi qua. Gia tốc trên của kết cấu nhịp dưới tác dụng của đoàn tàu chạy với tốc độ 55km/h đạt giá trị cực đại là 3.5m/s2, gia tốc trên miền tần số của kết cấu nhịp dưới tác dụng của đoàn tàu chạy với tốc độ 66km/h đạt giá trị cực đại là 6.7 m/s2. Theo điều 3.A.17 của quy trình kiểm định cầu trên đường ôtô 22TCN 243-98 [6] Thì tại dải tần số từ 55km/h đến 72.9 km/h thì chu kỳ dao động riêng thẳng đứng nằm trong khoảng 0.2008s đến 0,1931s và chu kỳ dao động ngang không là bội số của chủ kỳ đao động thẳng đứng, Vì vậy, đoàn tàu đang được khai thác với vận tốc quy định theo công lệnh tốc độ của công ty TNHH một hành viên Đường Sắt Hà Nội (tốc độ cao nhất đạt 72.9km/h), các vận tốc này an toàn cho kết cấu cầu đường sắt đô thị Cát Linh – Hà Đông. Tốc độ đoàn tàu tăng gấp đôi tuy nhiên giá trị gia tốc của kết cấu nhịp thay đổi không nhiều. Ở miền tần số thấp, tốc độ đoàn tàu không ảnh hưởng nhiều đến dao động của kết cấu nhịp, tuy nhiên ở miền tần số cao hơn, tốc độ chạy tàu ảnh hưởng rất lớn đến ứng xử kết cấu nhịp do có thể có cộng hưởng của dao động của đoàn tầu. Cần có nhiều nghiên cứu sâu hơn về vấn đề này. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Wang JF, Lin CC, Chen BL., “Vibration suppression for high-speed railway bridges using tuned mass dampers,” Int J Solids Struct 2003 40 465–491, doi: https://doi.org/10.1016/S0020-7683(02)00589-9. [2]. Ju S–H, Lin H-T, Huang J-Y., “Dominant frequencies of train-induced vibrations.,” J. Sound Vib., vol. Volume 319, Issues 1–2, 9 January 2009, Pages 247-259, doi: https://doi.org/10.1016/j.jsv.2008.05.029. [3]. Garinei, A., & Risitano, G., “Vibrations of railway bridges for high speed trains under moving loads varying in time.,” Eng. Struct. 303 724–732, doi: https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2007.05.009. [4]. Xia, H., Zhang, N., & Guo, W., “Analysis of resonance mechanism and conditions of train–bridge system.,” J. Sound Vib. 2973–5 810–822, doi: https://doi.org/10.1016/j.jsv.2006.04.022. [5]. Yang, Y. B., Lin, C. L., Yau, J. D., & Chang, D. W., “Mechanism of 71
resonance and cancellation for train-induced vibrations on bridges with elastic bearings.,” J. Sound Vib. 2691–2 345–360, doi: https://doi.org/10.1016/S0022- 460X(03)00123-8. [6]. Quy trình kiểm định cầu trên đường ôtô 22TCN 243-98. 72