Cơ sở khoa học tính toán kết cấu tầng trên đường sắt cao tốc,luận văn thạc sỹ khoa học kỹ thuật

Trong đề tμi nμy, tác giả đề cập đến việc đưa ra cơ sở khoa học, giải quyết bμi toán tính cường độ tuyến đường bằng mô hình “dầm trên gối tựa đμn hồi”, một mô hình được nhiều nước trên t

trường đại học giao thông vận tải

-luận văn tốt nghiệp thạc sỹ khoa học kỹ thuật

chuyên ngμnh: Xây dựng đường sắt mã số chuyên ngμnh: 60.58.35

Tên đề tμi: cơ sở khoa học tính toán kết cấu tầng trên

đường sắt cao tốc

Giáo viên hướng dẫn: PGS-TS Nguyễn Thanh Tùng

Lời nói đầu

Để hoμn thμnh đề tμi nμy tôi đã nhận được sự giúp đỡ hết sức quý báu của thầy giáo trực tiếp hướng dẫn Cho phép tôi bμy tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến

PGS-TS Nguyễn Thanh Tùng, người đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình

học tập, nghiên cứu

Tác giả xin chân thμnh cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình, những ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp trong Bộ môn Đường sắt-Khoa Công trình, Trường Đại học Giao thông vận tải

Trong quá trình thực hiện đề tμi tôi luôn cố gắng tự nghiên cứu cũng như thu thập các tμi liệu có liên quan với mong muốn được đóng góp một phần nhỏ bé công học tập, nghiên cứu của mình vμo sự phát triển của trường, của ngμnh Đường sắt Với hạn chế trong việc tiếp cận công nghệ vμ phương pháp nghiên cứu mới, luận văn không thể tránh khỏi những nhìn nhận chưa được tổng quan, hơn nữa, trong khuôn khổ luận văn thạc sỹ kỹ thuật, chắc chắn chưa thể đáp ứng được đầy đủ những vấn đề đặt ra Tác giả xin chân thμnh cảm ơn vμ nghiêm túc tiếp thu các ý kiến đóng góp của các nhμ khoa học, các thầy cô vμ các bạn đồng nghiệp

Hμ Nội, tháng 12 năm 2008

Lê Quang Hưng

Mở đầu

1 Sự cần thiết của đề tμi nghiên cứu

Hiện nay, chúng ta đang tích cực triển khai nghiên cứu khả thi tuyến đường sắt cao tốc Bắc Nam, tuyến đường huyết mạch chạy dμi theo xương sống của đất nước Cùng với hệ thống đường bộ cao tốc, đường không, chúng ta sẽ có mạng lưới giao thông hiện đại, thuận tiện cho việc giao lưu phát triẻn kinh tế vμ văn hoá Vấn đề cần quan tâm lμ chạy tμu với tốc độ bao nhiêu, lựa chọn mô hình nμo, thời điểm triển khai cho phù hợp với điều kiện thực tiễn vμ nhu cầu phát triển kinh tế Thực tế

đó đòi hỏi phải có cơ sở lý luận để tính toán thiết kế vμ vận hμnh tuyến đường sắt cao tốc an toμn, đem lại hiệu quả kinh tế ở mức độ cao nhất

Trong đề tμi nμy, tác giả đề cập đến việc đưa ra cơ sở khoa học, giải quyết bμi toán tính cường độ tuyến đường bằng mô hình “dầm trên gối tựa đμn hồi”, một mô hình được nhiều nước trên thế giới thừa nhận lμ sát với thực tế lμm việc của đường ray hơn mô hình truyền thống “dầm trên nền đμn hồi”

2 Mục tiêu của đề tμi

- Đưa ra cơ sở lý luận cho việc áp dụng mô hình “dầm trên gối tựa đμn hồi”

- Giải quyết bμi toán tính cường độ tuyến đường dưới tác dụng của tải trọng tĩnh với một loại đầu máy vμ kết cấu tầng trên cụ thể

- Kiểm toán kết cấu tầng trên đường sắt cao tốc (V=200km/h) bằng các công thức tính toán thực dụng của đường sắt Trung Quốc

3 Phương pháp nghiên cứu

Vận dụng các lý thuyết về cơ học kết cấu, sức bền vật liệu, tham khảo lý luận của đường sắt cao tốc các nước cũng như những kết quả thực nghiệm để giải quyết những vấn đề đặt ra

4 Phạm vi nghiên cứu

Đề tμi tập trung nghiên cứu một số vấn đề sau;

- Tình hình phát triển của đường sắt cao tốc trên thế giới cũng như các thông số

đặc trưng về tốc độ, điều kiện kỹ thuật của nó Nghiên cứu cơ sở lý luận để phát triển đường sắt cao tốc

- Xây dựng mô hình tính toán kết cấu tầng trên bằng mô hình “dầm trên gối tựa

đμn hồi” vμ giải quyết bμi toán bằng phương pháp 5 mô men

- Cơ sở lý luận lựa chọn kết cấu tầng trên cho đường sắt cao tốc

- Bước đầu áp dụng kiểm toán kết cấu tầng trên với tốc độ 200km/h

5 ý nghĩa khoa học vμ thực tiễn

- Góp phần lμm sáng tỏ mô hình tính toán kết cấu tầng trên đường sắt “dầm trên gối tựa đμn hồi”

Lời nói đầu

Mở đầu 1

1 Sự cần thiết của đề tμi nghiên cứu 1

2 Mục tiêu của đề tμi 1

3 Phương pháp nghiên cứu 1

4 Phạm vi nghiên cứu 1

5 ý nghĩa khoa học vμ thực tiễn 1

Chương I: Khái quát về đường sắt cao tốc 2

1.1 Tình hình phát triển của đường sắt cao tốc trên thế giới 2

1.1.1 Tổng quan 2

1 Trước chiến tranh thế giới lần thứ nhất 2

2 Giữa hai cuộc chiến tranh thế giới 2

3 Sau chiến tranh thế giới lần thứ II 3

1.1.2 Kết cấu tầng trên đường sắt cao tốc 9

1.1.3 Đặc trưng kinh tế - kỹ thuật của đường sắt cao tốc 13

1 Tốc độ kinh tế của đường sắt cao tốc 13

2 Giới hạn tốc độc của các loại tμu cao tốc 15

1.2 Một số cơ sở lí luận để phát triển đường sắt cao tốc 18

1.2.1 Tính ưu việt của đường sắt cao tốc 18

1.2.2 Điều kiện kỹ thuật của đường sắt cao tốc 19

1 Độ dốc lớn nhất 19

2 Bán kính của đường cong nhỏ nhất 22

3 Khoảng cách giữa hai đường 23

4 Một số chỉ tiêu kinh tế đường sắt cao tốc trên thế giới 23

Chương II: Cơ sở tính toán kết cấu tầng trên cho đường sắt cao tốc (V=200km/h) 28

2.1 Khái quát 28

2.2 Xác định các tham số cơ bản của đường 30

2.3 Thμnh lập hệ phương trình dầm liên tục trên gối đỡ đμn hồi 34

2.4 Tính toán cường độ tuyến đường dưới tác dụng của tải trọng tĩnh vμ tải trọng động 37

2.4.1 Cơ sở khoa học tính toán cường độ tuyến đường bằng phương pháp dầm liên tục trên gối tựa đμn hối 37

2.4.2 Tính cường độ tuyến đường dưới tác dụng của tải trọng tĩnh vμ tải trọng động bằng phương pháp dầm trên gối tựa đμn hồi 39

1 Tính cường độ tuyến đường dưới tác dụng của tải trọng tĩnh 39

2 Tính cường độ tuyến đường dưới tác dụng của tải trọng động 40

1 Giả thiết cơ bản 48

2 Tham số tính 49

2.4.4 Các công thức kiểm toán 53

1 Kiểm toán ổn định 53

2 Kiểm toán cường độ 53

Chương III: Lựa chọn kết cấu tầng trên vμ kiểm toán cho đường sắt cao tốc 55

3.1 Lựa chọn loại kết cấu tầng trên 55

3.1.1 Lựa chọn loại ray 55

1 Công dụng vμ tính năng của ray 55

2 Chất lượng vμ vật liệu của ray 58

3 Chiểu dμi ray 59

4 Thương tổn của ray 60

5 Sai số kích thước cho phép vμ yêu cầu độ phẳng, thẳng của ray đường sắt cao tốc 61

3.1.2 Lựa chọn tμ vẹt vμ phụ kiện liên kết 63

1 Kết cấu tμ vẹt bê tông liền khối 63

2 Phụ kiên liên kết 68

3.1.3 Lớp đá ba lát 70

1 Vật liệu lμm lớp đá ba lát 70

2 Mặt cắt ngang nền đá 72

3.2 Kết quả kiểm toán kết cấu tầng trên cho đường sắt chạy với tốc độ V=200km/h 75

3.2.1 Tính toán mô men M0, lực cắt trong ray Q0, lực tác dụng lên tμ vẹt R0 chuyển vị tại các gối Y0 dưới tác dụng của tải trọng tĩnh 75

1 Tính bằng phương pháp dầm trên nền đμn hồi 75

2 Tính bằng phương pháp dầm trên gối tựa đμn hồi 77

3.2.2 Tính toán mô men Mđ, lực cắt trong ray Qđ, lực tác dụng lên tμ vẹt Rđ, chuyển vị tại gối Yđ dưới tác dụng của tải trọng động (tính với tốc độ 200km/h) 88

1 Tính bằng phương pháp dầm trên nền đμn hồi 88

2 Tính theo kết quả tính toán bằng phương pháp dầm trên gối tựa đμn hồi 89

3 So sánh kết quả tính toán 89

3.2.3 Kiểm toán kết cấu 89

1 Xác định lực nhiệt độ tính toán PN, vμ ứng suất nhiệt t 90

2 Xác định ứng suất của các bộ phận kết cấu tầng trên 91

Kết luận vμ kiến nghị 93

Tμi liệu tham khảo 95

Chương i

Khái quát về đường sắt cao tốc

1.1 Tình hình phát triển của đường sắt cao tốc trên thế giới

1.1.1 Tổng quan

Lịch sử phát triển của đường sắt cao tốc trên thế giới có thể phân ra một số giai đoạn sau đây:

1 Trước chiến tranh thế giới lần thứ nhất

Trước đại chiến thế giới lần thứ nhất (1914 – 1918), đường sắt của đa số các nước tư bản chủ nghĩa đang trong giai đoạn phát triển, chủ yếu trong việc xây dựng tuyến mới Hai nước Anh, Mĩ xây dựng các mạng lưới đường cơ bản, các công ty

đường sắt để thu hút hμnh khách đã bắt đầu nâng cao tốc độ, tiến hμnh cạnh tranh Tuyến đường sắt giữa bờ biển Tây vμ bờ biển Đông nước Anh, trong cuộc cạnh tranh nâng cao tốc độ 8 năm liên tiếp, vμo tháng 8 năm 1845 tuyến đường sắt bờ biển Tây từ Luân - Đôn đến Ia – ba - đinh, có khoảng cách 868km, sử dụng đầu máy hơi nước kéo tổng trọng lượng 70 tấn toa khách, trong hμnh trình dừng tại 3 trạm, vận hμnh mất 8 giờ 32 phút, vận tốc trung bình đạt 101.6km/h Năm 1902 tuyến đường sắt từ New York đến Chicago có hai tuyến đường sắt chạy song song bắt đầu cạnh tranh, đều quy định vận hμnh trên toμn tuyến trong 24h, tuyến đầu tiên dμi 150km, tốc độ bình quân đạt 64.5km/h, tuyến sau dμi 1460km, vận tốc trung bình đạt 61.0km/h

Đầu máy hơi nước sau khi chạy khoảng 50-60km, đều cần dừng để tiếp nước; các công ty đường sắt của Anh, Mĩ để giảm bớt số lần dừng đều sử dụng máng nước, toa xe trong quá trình vận hμnh hạ ván chắn xuống đường ray, súc nước vμo toa xe, người Anh còn dùng hai toa xe vận tốc bằng nhau máng nước ở giữa chạy song song, tiến hμnh không dừng xe tiếp nước Có thể thấy, đương thời trong điều kiện kĩ thuật trang bị lạc hậu, để nâng cao tốc độ, các công ty đường sắt đã thực sự khai thác tất cả tiềm lực

2 Giữa hai cuộc chiến tranh thế giới

Trong đại chiến thế giới lần I, tốc độ đường sắt của các quốc gia Châu Âu bị

ảnh hưởng bởi chiến tranh nên đã ngừng phát triển hoặc chậm lại Sau chiến tranh vμo những năm 30 , vận tốc của đường sắt lại một lần nữa được tăng lên rất lớn Trên tuyến đường sắt đầu máy hơi nước trong những năm 30, các công ty

đường sắt Mĩ đảm nhiệm trong tuyến đường sắt phía Nam, trong khoảng cách 325.9

km đã đạt vận tốc trung bình 134.8km/h Năm 1936 nước Đức đã đạt vận tốc cao nhất lμ 200km/h trên tuyến đường Berlin- Hamburg Năm 1928 trên tuyến đường sắt

Đông Bắc London, đoμn tμu mang tên “Người bay scôt – len” đã lập kỉ lục chạy liền 630km không dừng Liên tiếp cho đến năm 1958, nước Anh mỗi ngμy vẫn có 26 chuyến tμu đầu máy hơi nước dùng phương pháp máy nước tiếp nước chạy liên tục

3 Sau chiến tranh thế giới lần II

Giữa đại chiến thế giới lần II, đường sắt các nước Âu Châu bị phá hoại bởi chiến tranh, tốc độ tμu bị giảm xuống rõ rμng, mãi cho đến những năm 50, tốc độ tμu mới phục hồi bằng lại mức trước chiến tranh Tốc độ cao nhất thường vμo khoảng trên dưới 140km/h, cá biệt có thể tới 160km/h, còn về tốc độ du lịch, một số

ít tμu động cơ điện, động cơ đốt trong của Pháp, Tây Đức, Mĩ đạt khoảng 135 km/h Anh, Italia đạt khoảng 120km/h, tμu hơi nước đạt 110km/h

Sau đại chiến thế giới lần II, công nghiệp chế tạo ô tô vμ máy bay phát triển rất nhanh, đường cao tốc vμ hμng không dân dụng dần dần phát triển trở lại Khối lượng vận tải đường sắt vμ hμnh khách đều giảm, doanh thu giảm sút Đường sắt cao tốc vì phải cạnh tranh với đường cao tốc vμ hμng không nên cũng đã dần dần phát triển trở lại

Vμo cuối những năm 50 Nhật Bản bắt đầu xây dựng đường sắt cao tốc Tháng

10 năm 1964, thông tμu tuyến đường từ Đông Kinh (Tokyô) đến Tân Đại Bản (Shin Osaka) dμi 515.4km

Từ Đông Kinh đến Đại Bản thời gian chạy tμu vμ máy bay lμ tương đương, mμ

vé tμu lại thấp hơn Mặc dù thời gian thông tμu còn chưa lâu nhưng hầu hết hμnh khách đã chuyển sang đi tμu cao tốc Lượng hμnh khách đi máy bay chỉ còn một nửa, tuyến đường hμng không nμy gần như dừng hẳn Khối lượng vận tải hμnh khách của đường sắt tăng lên nhanh chóng, các tuyến đường mới hầu như năm nμo cũng tăng thêm rất nhiều Trong thời kì đầu mỗi ngμy đều có 30 chuyến tμu khách, vận chuyển 6 vạn hμnh khách, tuy nhiên vẫn bị lỗ Năm 1970, khối lượng hμnh khách

đạt 8400 vạn người, lợi nhuận đạt 164 vạn yên Nhật, năm 1975 mỗi ngμy có 132 chuyến tμu khách, vận chuyển 43 vạn hμnh khách, lợi nhuận thu về 1818 vạn yên Nhật Tuyến đường sắt Đông Hải của Nhật Bản vận hμnh thμnh công, đã đưa đường sắt thế giới ra khỏi khó khăn, mở ra con đường xây dựng vμ phát triển đường sắt cao tốc Từ đó về sau đường sắt cao tốc trên khắp thế giới phát triển rộng rãi, tốc độ mỗi

Đường sắt cao tốc của Nhật Bản phát triển rất nhanh, năm 1975 xây dựng xong tuyến đường từ Đại Bản(Shin Osaka) đến Bác Đa(Hakata) dμi 554km, năm 1982 hoμn thμnh 269.5km từ Omiya đến Nigata Năm 1985 hoμn thμnh 493 km đường sắt tuyến Đông Bắc Tổng cộng 4 tuyến đường dμi 1836km, 4 tuyến nμy đều được nối liền nhau, sử dụng đầu máy điện, tốc độ cao nhất đạt từ 220km/h đến 275km/h Một

số tuyến đường sắt cao tốc khác nữa của Nhật Bản như Tokyo-Hachinohe dμi 593.1km, tuyến Takasaki-Nagano, 117.4km, tuyến Shin Yatsushiro-Kagoshima, 127.6km Hiện nay, các tuyến đường sắt cao tốc đang được triển khai xây dựng như: Hachinohe-Shin Aomori, 81.2km, tuyến Shin Aomori- Shin Hakodate, 148.8km, Nagano-Kanazawa, 220.6km, Hakata- Shin Yatsushiro,129.9km Tất cả các tuyến

đường sắt cao tốc nμy đều sử dụng đoμn tμu Shinkansen, đầu máy điện Trong tương lai, một số dự án đường sắt tiếp tục được triển khai như Shin Tosu-Nagasaki, 129.9km, Kanazawa-Shin Osaka, 254km, Shin Hakodate-Sapporo, 211.5km Điều nμy chứng tỏ đường sắt cao tốc vẫn đang tiếp tục phát triển mạnh mẽ

Hình 1.1 Bản đồ hệ thống đường sắt cao tốc Shinkansen tại Nhật Bản

Hình 1.2 Một số hình ảnh tμu cao tốc Shinkansen của Nhật Bản

Đường sắt cao tốc cũng phát triển mạnh tại Pháp , họ luôn gắng sức đưa tốc độ vượt qua Nhật, mục tiêu của họ lμ 270km/h Năm 1983 xây dựng xong tuyến đường

Đông Pari – Lille dμi 417km, năm 1993 hoμn thμnh tuyến đường Pari – Len xơ dμi 333km, năm 1994 lμ tuyến đường Đông Nam dμi 121km, năm 1996 hoμn thμnh tuyến đường vòng quanh Pari dμi 104km tổng cộng các tuyến cao tốc dμi 1257km Trên các tuyến sử dụng tμu TGV, tốc độ tối đa từ 270 – 300km/h; tμu TGV có thể chạy được cả trên các tuyến bình thường vì thế đã hạn chế được việc phải đổi tμu

Hμnh khách sử dụng hμng không vμ đường bộ cao tốc trên các tuyến khác nhau đều giảm Tuyến đường phía đông nam vμ Đại Tây Dương đều có lợi nhuận khoảng 20%, 40% Các tuyến đường cao sắt cao tốc của Pháp như hình sau:

Hình 1-3 Hệ thống đường sắt cao tốc TGV của Pháp

Hình 1-4 Một số hình ảnh tμu cao tốc TGV của Pháp

Đức phát triển hệ thống đường sắt cao tốc ICE từ năm 1991 Cùng năm đó, nước Đức đã hoμn thμnh tuyến đường từ Hanover đến Wurzburg dμi 327km vμ từ Mannheim đến Stuttgart dμi 99km Hiện nay đang tiếp tục xây dựng còn có tuyến Hanover đến Berlin dμi 264km vμ từ Koln đến Frankfurt dμi 216km, từ Wolfsburg

đến Berlin, Darmstadt-Stuttgart, Nurnberg-Ingolstadt Các tuyến nμy đều sử dụng tμu ICE, vận tốc tối đa đạt từ 250km/h – 280km/h

Hình 1-5 Hệ thống đường sắt cao tốc ICE của Đức

Hình 1-6 Một số hình ảnh tμu cao tốc ICE của Đức

Năm 1973 Hiệp hội đường sắt quốc tế đã tuyên bố kế hoạch xây dựng đường sắt cao tốc tại Châu Âu, vμ nối mạng đường sắt cao tốc các nước trên thế giới Tổng chiều dμi toμn mạng lμ 40.000km, với tổng cộng 22 tuyến đường, có tuyến cải tạo vμ cả tuyến xây mới

Italia phát triển hệ thống đường sắt cao tốc ETR Năm 1992, Italia hoμn thμnh tuyến đường Rome đến Florence dμi 262km, đồng thời xây dựng tuyến đường sắt cao tốc từ Rome đến Bolognha dμi 220km, từ Milano đến Napoli vμ Torino- Venezia, tốc độ vận hμnh lμ 250km/h Hiện nay, hệ thống ETR đã được nâng cấp, phát triển đến ETR 500, tốc độ tối đa đạt 300km/h

Tây Ban Nha phát triển hệ thống đường sắt AVE với đoμn tμu TGV của Pháp nhưng hệ thống cung cấp năng lượng vμ thông tin tín hiệu của hệ thống ICE, Đức Năm 1992, Tây Ban Nha hoμn thμnh tuyến đường sắt cao tốc Madrid-Sevilla với tổng chiều dμi 471km, đồng thời cũng đang xây dựng tuyến đường sắt cao tốc từ Madrid đến Barcelonadμi 651km Tốc độ cao nhất đạt 350km/h

Anh, Bỉ, Nga, Séc, Thuỵ Điển, Na Uy, Bồ Đμo Nha cùng nhiều nước khác đều lập kế hoạch xây dựng đường sắt cao tốc tốc độ trên 250kmm/h

Tại Châu á , Hμn Quốc cũng đang xây dựng tuyến đường từ Seul đến Busan dμi 409km, tuyến Deagu-Busan, tốc độ tối đa lμ 300km/h với đoμn tμu KTX Tại Trung Quốc, đang triển khai tuyến Bắc Kinh- Thượng Hải tốc độ thiết kế 350km/h.Tại Đμi Loan xây dựng tuyến đường từ Đμi Bắc đến Cao Hùng, tốc độ thiết

kế lμ 350km/h ở Mỹ, năm 2000, công ty Amtrak đã đầu tư vμ hoμn thμnh tuyến

đường nối Washington vμ New York, Boston với tổng chiều dμi 735km, khai thác với đoμn tμu ACELA, tốc độ cao nhất đạt 240km/h

Cho đến nay thế giới đã xây dựng được khoảng 43000km đường sắt cao tốc, trong đó đường có vận tốc cho phép trên 200km/h lμ hơn 10.000km

Vận tốc cao, thấp lμ khái niệm có tính tương đối về thời gian, trong mỗi bối cảnh lịch sử khác nhau, trình độ khoa học kỹ thuật vμ trang bị khác nhau sẽ hình thμnh nên các tiêu chuẩn tốc độ khác nhau Năm 1825, nước Anh xây dựng tuyến

đường sắt đầu tiên trên thế giới, 5 năm sau vẫn trên tuyến đường sắt nμy (từ Liverpool đến Manchester), đã tổ chức cuộc thi về tốc độ tμu hoả, cha con nhμ Sti – vân – xen đã chế tạo ra đầu máy hơi nước mang tên “Hoả tiễn” giμnh chức quán quân, nhưng nó chỉ kéo được 17 tấn, vận tốc trung bình chỉ đạt 22km/h, tuy nhiên cũng đã nhanh hơn rất nhiều xe ngựa kéo trên đường ray gỗ Hay như năm 1948, Trung Quốc đã chế tạo đoμn tμu “Phi khoái” (nhanh như bay, sử dụng đầu máy hơi nước 8 toa xe, hμnh trình trong 5h, tốc độ đạt 60km/h

Tốc độ lμ nhân tố quyết định với giao thông vận tải hiện đại Trong hơn 150 năm lịch sử phát triển của đường sắt cũng chính lμ hơn 150 năm phát triển không ngừng vận tốc đường sắt Các quốc gia trên thế giới không ngừng ứng dụng các tiến

bộ khoa học kĩ thuật trong việc thử nghiệm nâng cao tốc độ cũng như chính thức vận hμnh nâng cao tốc độ, đồng thời tích luỹ kinh nghiệm Hai nước Anh, Pháp vμo cuối thế kỷ 19 trước sau đã dùng đầu máy hơi nước tạo ra các đầu máy thử nghiệm với

vận tốc 145km/h, Mĩ năm 1893 tại New York đã thử nghiệm tμu chạy với vận tốc 181km/h, năm 1903 nước Đức dùng tμu chạy điện thử nghiệm với vận tốc 210km/h, năm 1931 chạy thử nghiệm tμu cao tốc động cơ đốt trong từ Berlin đến Hamburg, vận tốc cao nhất đạt 230km/h, vận tốc trung bình đạt 154km/h, năm 1939 Italia chạy thử nghiệm tμu điện cao tốc từ Florence đến Milano dμi 314.5km, vận tốc trung bình đạt 164km./h

Sau chiến tranh thế giới lần II, vì sự phát triển của hμng không vμ đường bộ cao tốc, ngμnh đường sắt lại cμng phải nỗ lực hơn nữa nâng cao vận tốc Ngμy 28/3/1955 , Pháp tiến hμnh thí nghiệm đường sắt cao tốc đã sử dụng một đầu máy chạy điện kéo theo 3 toa xe, vận tốc cao nhất đạt 330km/h, năm 1981, Pháp dùng tμu mang kí hiệu TGV – PSE chạy điện tạo ra kỉ lục 380km/h Năm 1988, tμu ICE của Đức tạo

ra kỉ lục 406.9km/h, tháng 5/1990 Pháp dùng tμu TGV – A tạo ra kỉ lục cao hơn lμ 515.3km/h Tháng 12/1993, Nhật thử nghiệm tμu STAR21 ,vận tốc đạt 425km/h Các thí nghiệm vể tốc độ nμy mặc dù sau một vμi năm mới chính thức vận hμnh vμo thực tế, nhưng đã thực sự cho thấy rằng ngμnh đường sắt thế giới đã đạt đến trình độ rất cao

Kỷ lục về tốc độ đường sắt cao tốc trên thế giới Biểu 1-1

lμ đường sắt truyền thống

1.1.2 Kết cấu tầng trên đường sắt cao tốc

Kết cấu tầng trên của đường sắt cao tốc trên thế giới chủ yếu bao gồm hai loại lμ đường có đá vμ đường không đá

Đường có đá có ưu điểm lμ điều kiện đμn hồi tốt, với điều kiện chất lượng duy tu nhất định, nó có hiệu ứng tiếp xúc ray – bánh xe tương đối tốt; hiệu quả giảm chấn, giảm tiếng ồn tốt duy tu dễ dμng, giá thμnh xây dựng tương đối thấp

Tuy vậy, đá đường của đường có đá dễ mòn hỏng, tăng khối lượng công tác duy tu bảo dưỡng, rút ngắn chu kỳ duy tu bảo dưỡng, điều kiện ổn định tương đối kém, dưới tác dụng của tải trọng động đoμn tμu, độ bằng phẳng của đường dễ bị phá hoại, khi tμu chay với tốc độ cao, áp lực ngang của bánh xe tương đối lớn mμ lực cản ngang của đệm đường lại nhỏ, bất lợi cho ổn định của đường không khe nối, khi thiết kế vμ thi công phải tăng cường các biện pháp ổn định như xác định hợp lý kích thước hình học đệm đường, chọn đá chất lượng tốt, tối ưu hoá cấp phối đá, tăng cường lớp đệm đμn hồi dưới đá ở những đoạn cơ sở cứng hoặc sử dụng tμ vẹt đμn hồi, giảm thiểu đá đường bị bột hoá, khống chế chặt chẽ chất lượng thi công v.v

Hình 1-7 Kết cáu tầng trên đường sắt cao tốc loại có đá

Đường không đá có ưu điểm lμ tính chỉnh thể tốt, ổn định ngang, ổn định dọc tương đối tốt, tuy giá thμnh xây dựng cao hơn đường có đá Nhưng do giảm được rất nhiều khối lượng công tác duy tu vμ giá thμnh duy tu, nên hiệu quả tổng hợp về kinh

tế tương đối tốt Chiều dμy kết cấu đường không đá mỏng hơn đường có đá, có lợi cho cao trình thiết kế kết cấu tạo điểm vượt tuyến, có thể giảm được khoảng 40% tĩnh tải trên cầu

Đường không đá của các nước trên thế giới có đường sắt cao tốc phát triển, chủ yếu sử dụng 3 hình thức kết cấu: kiểu tấm bản, kiểu tμ vẹt chôn, kiểu khối đỡ đμn hồi Đường không đá kiểu tấm bản ở Nhật, đường không đá kiểu tμ vẹt chôn ở Đức, kiểu khối đỡ đμn hồi ở Thuỵ Sĩ, Đan Mạch, Anh v.v

Đường không đá kiểu tẩm bản như loại J-slab vμ Rheda: tμ vẹt kiểu dạng tấm dμi từ 2.5m đến 6.0m, liên kết với ray bằng phụ kiện đμn hồi, dưới tấm bản tμ vẹt có

1 lớp đệm tổng hợp của xi măng vμ asphalt

Hình 1-8 Đường không đá loại Rheda

Đường không đá loại Embedded: Nền đường được đổ bê tông, ray đặt trực tiếp trên nền bê tông, phụ kiện liên kết cứng

Hình 1-10 Đường không đá loại Embedded

Đường không đá loại LVT: giống như loại Rheda nhưng tμ vẹt vμ nền

đường không được liên kết cứng, dưới đáy vμ xung quanh tμ vẹt có các tấm

đệm đμn hồi

Hình 1-11 Đường không đá loại LVT

Hình 1-12 Ghi đường sắt cao tốc

Khuyết điểm của đường không đá chủ yếu lμ độ cứng lớn, tính đμn hồi của

đường kém vμ chấn động tuyến cũng lớn, nếu xảy ra hư hỏng thì khắc phục rất khó khăn

Trong phạm vi của đề tμi nμy, chỉ đề cập đến loại hình đường sắt cao tốc có đá,

đưa ra mô hình tính toán cường độ tuyến đường, lựa chọn kết cấu tầng trên vμ kiểm toán với tốc độ 200km/h

1.1.3 Đặc trưng kinh tế kỹ thuật của đường sắt cao tốc

1 Tốc độ kinh tế của đường sắt cao tốc

Tốc độ kinh tế chính lμ lợi nhuận thu được về từ vận tải cao nhất trong đường sắt cao tốc Các nước Tây Âu trong quá trình sơ bộ trù bị xây dựng đường sắt cao tốc, đều đã tiến hμnh nghiên cứu về tốc độ kinh tế Vì khi tốc độ được nâng cao, một mặt có thể thu hút nhiều hμnh khách, tăng thêm thu nhập khi vận hμnh, một mặt khác lại đòi hòi phải tăng vốn đầu tư, vốn bỏ ra cao, giá vé vì thế cũng tăng lên, lại

có thể trở thμnh hạn chế; trong đó tất yếu phải có một loại tốc độ lμm cho lợi nhuận cao nhất, tốc độ nμy gọi lμ tốc độ kinh tế

Nâng cao tốc độ có thể giảm bớt thời gian hμnh trình, nhưng tốc độ cμng cao thì mỗi khi dừng xe tμu thì thời gian phụ thêm vμo lại cμng dμi Vì thế mỗi lần dừng tμu thì thời gian phụ thêm vμo cho việc tăng, giảm tốc lại cμng nhiều vì thế các khả năng tiết kiệm thời gian cũng giảm đi Hình 1-4 lμ kết quả nghiên cứu về tuyến

đường sắt Đông Nam nước Pháp

Hình 1.13 Đường cong quan hệ giữa tốc độ tối đa

vμ thời gian chạy tμu

Trong hình t lμ thời gian chạy tμu tiết kiệm được mỗi khi tăng thêm 50km/h cho tốc độ tối đa

Khi tốc độ tăng lên, thời gian được rút ngắn, các chi phí phát sinh do tăng tốc

ta có thể điều chỉnh, cân nhắc thời gian tiết kiệm được so với thời gian được rút ngắn

có thể thu hút thêm được nhiều khách hμng, từ đó tăng thêm thu nhập vμ lợi nhuận Nhưng tốc độ tăng cao thì các tiêu chuẩn về công trình xây dựng cũng tăng theo, các kĩ thuật vμ trang thiết bị cần cải tiến Vì vậy, tất nhiên chi phí đầu tư cũng tăng thêm, nữa lμ phần lớn năng lượng hao phí do ma sát với không khí, điều nμy một lần nữa lại lμm cho chi phí vận hμnh tăng, vốn đầu tư ban đầu tăng cao

Sau những năm 70, các quốc gia Tây Âu dựa vμo tình hình của nước mình nghiên cứu ra tốc độ kinh tế phù hợp của nước mình Như Anh lμ 230km/h, Pháp lμ 280-300km/h, Đức lμ 270km/h Hiệp hội đường sắt quốc tế nghiên cứu vμ cho kết quả lμ 300km/h Tốc độ kinh tế của đường sắt cao tốc có tác dụng chỉ đạo quan trọng, thông thường thì vận tốc tối đa cao hơn vận tốc kinh tế

200 250 300 350 400 450 500

Tốc độ (Km/h)

Thời gian chạy (phút)

2 Giới hạn tốc độ của các loại tμu cao tốc

a Giới hạn tốc độ của đường sắt cao tốc theo nguyên lý bám lăn:

Sử dụng lực bám giữa bánh xe vμ đường ray đã sinh ra lực kéo cho tμu, khả năng thực hiện được tốc độ cao nhất gọi lμ tốc độ giới hạn Vì lực kéo bị hạn chế bởi

điều kiện bám giữa bánh vμ ray, vì vậy tỉ lệ giữa lực kéo vμ lực bám dính do trọng lượng toa xe không thể lớn hơn hệ

số bám dính giữa bánh vμ ray, mμ

hệ số bám dính lại giảm khi tốc độ

tăng cao Nghiên cứu những năm

70 cho thấy, khi tốc độ đạt đến

300km/h, hệ số bám dính chỉ còn

0.03-0.05, như vậy nghĩa lμ tμu xe

có thể sinh ra lực kéo lớn nhất

cũng chỉ bằng 3%-5% trọng lượng

bản thân của tμu Đồng thời khi tốc

độ tăng lên, lực cản của không khí

cũng lớn lên

Theo một nghiên cứu của Tây

Đức khi tốc độ đạt trên 300km/h, lực cản không khí lμm tiêu hao tới 95% công suất Vì vậy khi tốc độ tăng cao, lực kéo cũng nhỏ dần đi, mμ lực cản lại tăng dần lên, khi hai lực nμy cân bằng nhau, tốc độ không thể tăng thêm được nữa, lúc đó tốc

độ nμy gọi lμ tốc độ giới hạn (hình 1.2)

Vấn đề nμy đã sớm được nghiên cứu, thông thường tốc độ giới hạn của đường sắt thanh ray vμo khoảng 350km/h Nhưng cùng với việc thay đổi lại cấu tạo của toa

xe, đồng thời dùng động cơ điện xoay chiều, gia tăng cường độ đường ray vμ nâng cao chất lượng cả bánh xe, hệ số bám dính đã được tăng lên; đầu máy chế tạo theo phương pháp khí động học giúp giảm sức cản của không khí; vì vậy tốc độ giới hạn

đã từng bước tăng lên theo tiến bộ khoa học kĩ thuật Hiện nay, tốc độ giới hạn của

đường sắt cao tốc bánh xe-ray đạt 400km/h

b Tμu đệm khí

Vận tải trên mặt đất vận tốc cao nhất cần đạt được lμ 500km/h, điều nμy đường sắt theo nguyên lý bám lăn truyền thống rất khó để thực hiện, chính vì nhu cầu chế tạo một phương tiện vận tải mới, khoảng những năm 60 đã chế tạo ra tμu chạy trên

đệm khí

Tốc độ km/h

Lực kéo

Lực cản

Hình 1.14 Hình biểu thị tốc độ giới hạn

Lực (kN)

Tốc độ giới hạn

Tμu đệm khí thường dùng khí đốt lμm lực đẩy nổi trong quỹ đạo vμ tμu hình thμnh nên đệm khí giúp tμu nổi lên, đồng thời cũng dùng khí phun ra lμm lực đẩy cho tμu Pháp thí nghiệm “tμu bay”, tμu dμi 26m, trọng lượng 20t, có thể chở 80 khách, dùng bánh phản lực công suất 530kw (720 mã lực) dùng 2 động cơ phản lực công suất 2x956kw (2x1300 mã lực), quãng đường sắt điện khí thí nghiệm dμi 18km, tốc độ tối đa đạt 420km/h Năm 1974 vì khủng hoảng năng lượng, thêm nữa loại tμu nμy ô nhiễm môi trường, tiếng ồn lớn vì vậy đã huỷ bỏ kế hoạch thí nghiệm Trước đó Liên Xô, Mỹ đều đã từng nghiên cứu tμu chạy trên đệm khí, nhưng chưa thu được kết quả khả quan nμo, sau đó dừng lại Từ thập kỷ 70 các nước kỹ thuật tiên tiến đều lần lượt dừng chương trình nghiên cứu, mμ chuyển sang nghiên cứu tμu chạy đệm từ trường

c Tμu từ trường:

Tμu từ trường có 2 loại, một loại lμ tμu đệm từ bộ dẫn hướng bình thường, còn một loại lμ tμu có bộ siêu dẫn hướng đệm từ trường

- Tμu đệm từ trường thông thường:

Loại tμu nμy nằm ở phía trên ray từ, trên tμu lắp bộ tụ điện, cung cấp điện cho thanh từ (thanh nμy dùng từ trường giữ cho tμu treo nổi trên ray), các thanh ngang của ray đều lắp đặt bộ phận dẫn hướng tương ứng, cùng với thanh từ tạo nên một

đường về cho từ trường, lợi dụng lực hút của từ trường, toa xe sẽ bị hút khoảng 10mm, đồng thời lợi dụng động cơ điện tuyến tính, đẩy tμu tiến lên Loại tμu đệm từ nμy cần có bộ cung cấp điện ngoμi, vì vậy vận tốc bị hạn chế một cách nhất định Tháng 8 năm 1974 Mỹ đã thử nghiệm cảm ứng trên ray bình thường, dùng

động cơ điện tuyến tính, lúc khởi động ban đầu sử dụng khí đẩy, vận tốc cao nhất

đạt 410km/h

Tại Đức từ rất sớm đã sử dụng tμu đệm từ Năm 1979 tại triển lãm giao thông thế giới đã tiến hμnh biểu diễn tμu chạy trên đệm từ Sau năm 1983 chuyển thμnh loại tμu dùng phương pháp cấp điện hướng trục lắp trên ray Năm 1988 thử nghiệm thμnh công, đã đạt vận tốc tối đa 412.6km/h Tháng 5 năm 1997 quyết định xây dựng tuyến đường Berlin đến Hamburg dμi 285km, tốc độ tối đa từ 450km/h đến 500km/h, vốn đầu tư khoảng 5.7 tỉ đô la Mĩ

Tại Trung Quốc trường đại học giao thông Tây Nam , sau nhiều năm nghiên cứu, vμo đầu những năm 90 đã thử nghiệm tμu đệm từ chở người, năm 1997 hợp tác cùng tỉnh Tứ Xuyên chuẩn bị xây dựng tại đập Đơ Gian bên dưới núi Thanh Thμnh một đoạn dμi 2km chuyên dùng cho tμu đệm từ dẫn hướng bình thường Đây lμ tuyến một chiều đường trên cao, độ dốc lớn nhất lμ 600/00, độ dốc bình quân lμ

300/00, bán kính nhỏ nhất 300m tốc độ thiết kế tμu lμ 100km/h, vận tốc cao nhất khi vận hμnh 60km/h, tμu gồm 3 toa nối liền nhau cùng vận hμnh

- Tμu có bộ siêu dẫn hướng:

Loại tμu nμy cũng bắc trên thanh ray dẫn hướng, trên tμu lắp bộ dây cuộn siêu dẫn, bộ dây cuộn siêu dẫn thường lμ hợp kim NBTi (Ni - ô - bi Titan), đem nhúng cuộn dây vμo Nitơ lỏng có nhiệt độ -2680C, điện trở tiến gần O, chỉ cần có dòng

điện chạy qua thì sẽ duy trì luôn có điện, không cần cung cấp điện tiếp Các thanh ray dẫn đường đều lắp đặt cuộn dây, khi có tμu chạy qua cuộn dây trên thanh ray dẫn đường sẽ sinh dòng điện cảm ứng, xuất hiện từ trường Từ trường của cuộn dây t siêu dẫn cùng với từ trường của cuộn dây trên thanh ray dẫn hướng sẽ sinh ra lực trượt, lμm cho xe dịch chuyển khoảng 100mm Loại nμy thích hợp với chạy cao tốc, tuy nhiên vẫn phải sử dụng động cơ điện tuyến tính

Năm 1979 Nhật thử nghiệm trên đoạn đường dμi 7km, vận tốc tức thời đạt 517km/h vμ duy trì được 5 giây, quãng đường chạy vận hμnh lμ 0.7km, còn 6.3 km dμnh cho việc tăng, giảm tốc độ Tμu thí nghiệm dμi 13.5m, rộng 3.8m, cao 2.7m, trọng lượng 10 tấn, lực từ lμ 100KN, lực đẩy lμ 44kN, vậy mỗi tấn cuả toa xe có 4400N lực đẩy Năm 1980 tiến hμnh cải tiến tμu vμ đường đệm từ Năm 1982 thử nghiệm cho người, vận tốc cao nhất lμ 262km/h, tháng 2 năm 1987 đạt vận tốc 375

d Tμu từ trường trong ống:

Vận tải trên mặt đất phải khắc phục lực cản rất lớn của không khí, khi vận tốc lớn hơn 500km/h, lực cản không khí rất lớn, vì vậy đã nảy sinh ra ý tưởng chạy tμu

đệm từ trong ống chân không Thêm nữa khi vận hμnh tμu đệm từ trong ống chân không, vận tốc gần như có thể tăng đến vô hạn Một công ty của Mĩ đã thử đưa ra ý tưởng hệ thống giao thông cao tốc trong ống chân không, dự tính trong thế kỉ 21 sẽ thμnh hiện thực

Đó lμ ý tưởng sẽ xây một đường ống dμi 13950km xuyên qua lòng đất nối từ

Đông sang Tây nước Mỹ, trong đường ống áp lực chỉ bằng 10/00 áp lực chân không,

tốc độ của đoμn tμu sẽ lμ 22.500km/h,tốc độ bình quân 6760km/h, nếu đường dμi 13950km, chạy tμu trong khoảng thời gian 36 phút 30 giây

Trong hầm không dễ dμng rẽ vòng, bán kính lúc rẽ sẽ lμ 700km – 800km Theo tính toán của những năm 80, giá xây đường hầm sẽ lμ 1850 tỷ đô lμ Mĩ, nếu bao gồm cả hệ thống đệm từ thì tổng vốn đầu tư lμ 2500 tỉ đô la

1.2 Một số cơ sở lý luận để phát triển đường sắt cao tốc

1.2.1 Tính ưu việt của đường sắt cao tốc:

Đường sắt cao tốc có khả năng chuyên chở lớn, tốc độ nhanh, tiết kiệm năng lượng, ít ô nhiễm, chiếm ít diện tích, độ an toμn cao, hiệu quả kinh tế cao So với hμng không vμ đường ôtô cao tốc thì có những đặc trưng sau:

- Khả năng chuyên chở lớn Tuyến đường sắt cao tốc đôi mỗi năm có thể chuyên chở 120 triệu người một năm Ví dụ như tuyến đường sắt Đông Hải tại Nhật Bản mỗi năm chuyên chở 150 triệu lượt khách

- Tốc độ cao: thông thường, tốc độ vận chuyển của đường sắt cao tốc cao gấp

2 – 3 lần tốc độ vận chuyển của đường bộ cao tốc Dưới góc độ tiết kiệm thời gian thì khoảng cách kinh tế nhất với đường sắt cao tốc lμ khoảng từ 200km đến 1000km Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng: nếu như vận tốc của tμu từ 250 – 300 km/h, lại tính thêm cả thời gian sử dụng các phương tiện giao thông trong thμnh phố trước khi lên tμu thì tμu cao tốc sẽ hiệu quả hơn xe ôtô chạy đường dμi với khoảng cách lớn hơn 85km, với xe con lμ lớn hơn 200km, còn với máy bay lμ nhỏ hơn 1000km

- Tiết kiệm năng lượng Theo thống kê của Nhật Bản, mức năng lượng mỗi người tiêu tốn trên mỗi km cho tμu cao tốc chỉ tốn năng lượng bằng 1/5, 1/6 so với

ôtô con vμ máy bay

- ít ô nhiễm: Ô nhiễm môi trường của các phương tiện giao thông chủ yếu do khí thải vμ tiếng ồn Tμu cao tốc nếu sử dụng điện thì sẽ không thải ra khí thải, còn ô nhiễm tiếng ồn chỉ diễn ra trên một tuyến, phạm vi không lớn, còn có thể xây tường cách âm, giảm bớt mức độ nguy hiểm Tạp âm do máy bay vμ ôtô gây ra có biên độ cao vμ phạm vi lớn, khói bụi của đường bộ cao tốc hiện vẫn lμ vấn đề nghiêm trọng với xã hội Thống kê cho thấy, lượng khí thải của đường sắt cao tốc so với các phương tiện khác như sau: khí CO bằng 1/60 so với ô tô, bằng 1/70 máy bay, lượng khí NO bằng 1/10 so với ô tô, 1/35 so với máy bay, lượng CO2 bằng 1/4 so với ô tô

vμ bằng 1/11 so với máy bay

- Chiếm ít diện tích: Đường sắt cao tốc chiếm dụng diện tích đất bằng 30% so với đường bộ cao tốc 4 lμn xe, bằng 20% so với đường bộ cao tốc 6 lμn xe Một sân bay lớn bao gồm đường băng, đường dẫn, bãi đỗ máy bay, nhμ chờ vμ các công trình khác có diện tích tới 20km2

- Tính an toμn cao: Theo thống kê của Đức, tỉ lệ thương vong của cứ 1 triệu người trên mỗi km, nếu đường sắt cao tốc lμ 1, thì đường bộ lμ 24, máy bay lμ 0.8 Các tuyến đường sắt của Nhật Bản độ an toμn cao, tỉ lệ tại nạn so với đường bộ lμ 1/1510, hμng không lμ 1/60 Hơn nữa đường sắt cao tốc lμm cho hμnh khách cảm thấy dễ chịu nhất, đúng giờ nhất, chịu ít ảnh hưởng của thời tiết, trong khi đó máy bay lại chịu nhiều ảnh hưởng của thời tiết

1.2.2 Điều kiện kĩ thuật của đường sắt cao tốc

Biểu 1-2 lμ các điều kiện kĩ thuật của các tuyến đường sắt cao tốc chủ yếu trên thế giới Trong đó có độ dốc lớn nhất, bán kính đường cong nhỏ nhất, khoảng cách giữa các tim tuyến

Tuyến đường Đông Nam nước Pháp đi qua chủ yếu khu vực đồi núi, độ dốc lớn nhất lμ 350/00, đi qua tổng cộng 12 ga, nhưng độ dμi trung bình tương đối ngắn Trên toμn tuyến không có đường hầm, cầu các loại chiếm 1.2%, công trình không lớn Cách thiết kế cho tμu TGV có tổng công suất lớn, có thể sử dụng động năng ở chân dốc, kết hợp với lực kéo của tμu Khi lên dốc dùng vận tốc lớn để lên đỉnh, khi xuống lại dùng thế năng để gia tốc Với cách thiết kế nμy, thời gian chạy không tăng thêm nhiều lắm, mμ lại có thể tiết kiệm được một lượng lớn các công trình Thông qua tính toán, nếu như chân dốc vận tốc lμ 260km/h, thì khi lên đến đỉnh dốc có cao

độ 122m, có thể sử dụng 3.5km có độ dốc lμ 350/00 , vận tốc đỉnh dốc lμ 220km/h thì chỉ nhiều hơn khi duy trì chạy thẳng với vận tốc 260km/h lμ 4 giây Phương pháp nμy có rất nhiều gợi ý Ví dụ như thiết kế tuyến đường sắt Đông Hải, Nhật Bản, để hạn chế việc động cơ điện của tμu chở hμng quá nóng, đã sử dụng độ dốc lớn nhất lμ

150/00, độ dμi tiếp tục không dμi quá 7km, khi độ dốc lμ 200/00, chạy trên chiều dμi không quá 1km Về sau, dựa vμo kinh nghiệm trên, Pháp xây dựng tiếp tuyến đường phía Bắc Tuy rằng tuyến nμy vẫn lấy theo quy định với tμu khách cao tốc, độ dốc lμ

150/00, nhưng trong một đoạn dμi 20km, dùng độ dốc lμ 200/00 Sắp tới tuyến đường sắt Cửa Châu, Trung Quốc sẽ lấy độ dốc lμ 380/00

Điều kiện kỹ thuật của đường sắt cao tốc Biểu 1-2

wei-đơ

Stuc- no-vơ

Han-

Wei- bốc

đen-Tuyến TGV

Đông Nam

Tuyến TGV

Đại Tây Dương

Tuyến

Đông Hải

Tuyến Sơn Dương

Tuyến

Đông Bắc

Tuyến Thượng Việt

Roma



ren xơ

cũ

Phương thức

vận hμnh

Chuyên dụng chở khách Tổ hợp chuyên dụng chở khách

Khách, hμng hoá

30 (bình thường)

45 92

85 (khó khăn) 60 (khó khăn) Siêu cao vượt

10000 15000 3000

Khó

12000 (dạng lõm)

đường(m) 13.50-13.70

13.00 13.60 10.70

11.35- 11.60 11.60-12.20 11.00

11.00-Cấu tạo tuyến

đường đá dăm đá dăm đá dăm

loại ván chiếm 50%

loại ván chiếm 90% trở lên đá dăm

Chủng loại tμ

vẹt

Tμ vẹt bê tông mộtkhối

Tμ vẹt bê tông hai khối Tμ vẹt bê tông một khối

Tμ vẹt

bê tông một khối

Tμu tự động khống chế Tμu tự động khống chế

Tự

động khống chế + Tín hiệu mặt đất

Hệ thống cấp

điện

15KV 162/3Hz 25 KV 50Hz 25KV 60 Hz

3KV một chiều

2 Bán kính của đường cong nhỏ nhất:

Bán kính đường cong nhỏ nhất của tμu cao tốc chở khách (R) dựa theo vận tốc tối đa Vk vμ giá trị siêu cao lớn nhất hmax vμ giá trị siêu cao thiếu cho phép hthiếu, dựa theo công thức sau đây:

thieu

k h h

V R



 max

2 8 11

(m) Tuyến đường sắt cao tốc chở khách của Pháp vμ Nhật Bản đều dùng siêu cao lμ 180mm Tuyến đường Đông Nam Pháp vμ Đại Tây Dương, cùng với tuyến Đông Bắc vμ Thượng Việt của Nhật đều dùng bán kính đường cong nhỏ nhất lμ 4000m Tuy nhiên vận tốc tối đa của từng tuyến không giống nhau: Pháp lμ 300km/ h, Nhật

lμ 200km/h, nguyên nhân lμ do các quy định về độ thoải mái giá trị siêu cao thiếu không như nhau, Pháp lấy 90mm, Nhật lấy 35mm

Âu thì bán kính đường cong nhỏ nhất lμ 6000m

Với tuyến đường sắt cao tốc vận tải hμng hoá vμ hμnh khách có bán kính

đường cong nhỏ nhất Rmin dựa theo tốc độ tối đa Vh khi chở khách vμ vận tốc tối đa khi chở hμng Vh, cùng với độ siêu cao thiếu cho phép hthiếu vμ siêu cao cho phép h s, dựa theo công thức sau:

s thieu

h K h h

V V R





11.8 2 2 (m) Tuyến đường sắt cao tốc vận tải hμnh khách, hμng hoá của Đức vμ Italia có vận tốc tối đa như sau: Đức: vk= 300km/h, vh= 120km/h

Itali: vk= 250km/h, vh= 80km/h

Trong đó bán kính đường cong nhỏ nhất lμ 7000m (sau nμy lμ 5100m) vμ 3000m Nguyên nhân khác nhau nμy lμ do đã lấy những giá trị siêu cao thiếu khác nhau: Đức lấy tổng giá trị hai siêu cao lμ 130mm, Italia lấy 184mm

Đức:

11.8(300 120 )

6862 7000( )130

Itali:

2

11.8(250 120 )

3085 3000( )184

Cả hai đoạn đường sắt cao tốc tại khoảng trước vμ sau ga vận tốc không cao, nên tại các đoạn nμy bán kính đường cong nhỏ nhất cũng nhỏ; như Nhật Bản, tuyến

Đông Hải lấy 2000m, Sơn Dương lấy 1000m

3 Khoảng cách giữa hai đường:

Trên tuyến đường sắt cao tốc, khi hai đoμn tμu gặp nhau, vì vận tốc lớn nên áp lực chính diện vμ lực hút bên đều rất lớn, vận tốc xe chạy, độ rộng của tμu xe, thiết

kế khí động học của tμu đều có liên quan lẫn nhau Trong bảng 1 cũng có khoảng cách giữa hai tμu, nhỏ nhất lμ 0.82m, lớn nhất lμ 1.70m Vận tốc cμng nhanh thì khoảng cách giữa hai đường cμng lớn; trên tuyến chở hμnh khách vμ hμng vμ trên tuyến chở khách lại khác nhau hoμn toμn Các số liệu trong bảng tương đối lớn, nên thông qua động lực học, thí nghiệm gió hầm thí nghiệm đồng thời các kiểm chứng trong thực tế, đưa ra giá trị hợp lý

4 Một số chỉ tiêu kinh tế đường sắt cao tốc trên thế giới :

Trong các quốc gia xây dựng đường sắt cao tốc, tình hình mỗi nước mỗi khác, vì thế phương hướng hμnh động cũng khác nhau, các chính sách khi vận hμnh ứng dụng cũng không tương đương

+ Giá thμnh đường sắt cao tốc:

Biểu 1.3 lμ tỉ trọng độ dμi giữa nền đường, cầu, hầm, Biểu 1.4 lμ giá thμnh các công trình cấu tạo nền đường sắt cao tốc

Tỉ trọng độ dμi giữa nền đường, cầu vμ hầm của đường sắt cao tốc Biểu1-3

Nước Điểm bắt đầu, kết thúc của

đường

Chiều dμi (km)

Nền đường (%)

Hầm (%)

Cầu (%)

Đường trên cao (%)

Tỉ trọng giá cả các loại công trình đường sắt cao tốc Biểu 1-4

Nước Điểm bắt đầu, kết thúc của

tuyến Đất đặt mua Đất xây dựng Đường ray

Tín hiệu, cấp điện

Đông Nam: Pari – Lyông 4.8% 56.8% 21.4% 17.0%

Đại Tây Dương: Pari –

+ Phí đặt mua tổ hợp tμu chạy điện

Bộ phận động lực của tμu cao tốc chạy điện được phân bố lμm hai loại lμ tập

trung vμ phân li Loại tập trung lμ loại bộ phận động lực lắp ở phía trước vμ phía sau

tμu, ở giữa lμ các toa xe Loại phân li lμ loại lắp đặt xuống phía dưới các toa xe Loại

tập trung có các loại như TGV của Pháp, ICE của Đức vμ ETR500 của Italia Loại

phân li có ETR450 Loại phân li công suất nhỏ, kỹ thuật không khó nhưng giá

thμnh vμ phí bảo dưỡng cao Cùng với tiến bộ kỹ thuật, thường thì loại tập trung có

ưu điểm hơn

Động cơ điện của tμu cao tốc, thời kỳ đầu hay sử dụng loại động cơ một chiều

như lμ loại 0 của Nhật, loại 100, 200 cũng của Nhật, loại TGV – PSE của Pháp, loại

ETR450 của Italy, về sau Pháp dùng loại TGV – A lμ loại động cơ điện xoay chiều

Những loại tμu tiên tiến nhất hiện nay như ICE của Đức, 300 của Nhật, ETR500 của

Italia, TGV – N của Pháp đều dùng loại động cơ điện xoay chiều Trong đó đặc

tính truyền lực, tính toán giữa bánh vμ ray đều ưu việt, thể hiện phương hướng phát

triển của kỹ thuật

Còn về chi phí mua các loại tμu cao tốc, trong đó có đặc tính vận hμnh, vật liệu

chế tạo, trang bị trong xe, số lượng toa xe đều liên quan đến giá cả Ngoμi ra còn

liên quan đến đặt mua tại trong hay ngoμi nước, số lượng mua, điều kiện chuyển

giao kỹ thuật, tỉ lệ ngoại hối cùng nhiều nhân tố khác Biểu 1-5 lμ giá cả tham khảo

các loại tμu vμo năm 1992

Giá cả tham khảo các loại tμu cao tốc Biểu 1-5

Các

nước Các loại tμu

Phương thức lập tμu

Chiều dμi của tμu(m)

Số khách

Công suất cực

đại(Kw)

Vận tốc lớn nhất (Km/h)

Số

đoμn tμu (đang chạy)

Vận hμnh vμo năm

Giá thμnh mỗi

đoμn tμu

Đôla x10 4

Ban

Nha

+ Giá vé của đường sắt cao tốc:

Giá vé tμu cao tốc của Nhật, Pháp, Đức đều dựa theo giá vé của tμu bình

thường rồi cộng thêm giá vé cao tốc Để thu hút thêm hμnh khách, giá vé trên mỗi

tuyến đường lại không giống nhau Giá vé hai nước Pháp, Đức đắt hơn Nhật, giá vé

của Nhật lại đắt hơn của Trung Quốc 10 lần Ta có thể thấy ở biểu 1-7

Ví dụ như giá vé tμu cao tốc ở Nhật năm 1988, giá vé tμu bình thường lμ giá cơ

bản cộng thêm với giá cao tốc Giá cao tốc tỉ lệ với giá cơ bản thường lμ 61.7% -

84.6%, mỗi tuyến khác nhau Giá vé tμu cao tốc thường bằng 76.4% giá máy bay

(Đông Kinh - Đại Bản), vμ 84% (Đông Kinh – Bác Đa), giá vé đến nơi cμng xa lại

cμng giảm Ngμy lương của một nhân viên mới bình thường bằng giá vé của một

đoạn khoảng 450km Với giá vé nμy đa số người dân có thể chấp nhận được Theo

thống kê của năm 1993, trên tuyến đường Đông Kinh - Đại Bản đường sắt cao tốc

vận chuyển 88% khối lượng khách Tuyến đường Đông Hải của Nhật không ngừng

điều chỉnh giá vé, tháng 10 năm 1964 bắt đầu đi vμo vận hμnh cho đến tháng 4 năm

1989, sau 25 năm tổng cộng đã thay đổi 17 lần, bình quân nửa năm thay đổi 1 lần

Giá vé tμu cao tốc của Nhật, Đức, Pháp Biểu 1-6

Các

nước Năm Các tuyến đường

Hμnh trình (km)

Giá vé toμn tuyến Giá vé mỗi người trên km

Đơn vị tiền từng nước

Đơn vị tiền từng nước Đổi sang tệ Loại

Giá vé đường sắt cao tốc của Đức, giá vé loại 1 gấp 1.5 lần giá vé loại 2 Giá

tμu cao tốc ICE so với giá vé tμu nhanh IC thì, loại 2 đắt hơn 26%, loại 1 đắt hơn

30% Giá vé dựa theo độ tiện nghi, thời gian chạy vμ các yếu tố khác

Giá vé tμu cao tốc của Pháp năm 1991, cũng do giá vé cơ bản của tμu thường

cộng với giá vé cao tốc, giá vé cao tốc bằng 20% -> 63% giá vé thường Tuỳ theo

thời gian khởi hμnh, tình hình khách đi khứ hồi mμ điều chỉnh giá vé phụ thêm, để

cân bằng lưu lượng khách của các chuyến, nâng cao hiệu suất Trong bảng giá vé

1.1.6, tính theo giá bình quân của từng chuyến Giá vé tμu cao tốc của Pháp loại 1

đắt gấp 1.5 lần loại 2

Tóm lại, đường sắt cao tốc thể hiện thμnh thμnh tựu khoa học kĩ thuật hiện đại,

lμ tiêu chí quan trọng của hiện đại hoá đường sắt, đã trở thμnh xu thế chung của

nhiều quốc gia trong việc phát triển giao thông vận tải hμnh khách Diện tích lãnh

thổ của Nhật Bản vμ các nước Tây Âu không lớn, hμng không dân dụng, đường bộ

cao tốc rất phát triển, nhưng đường sắt cao tốc vẫn đạt được những thμnh tựu rõ

rμng, điều đó nói nên được tầm quan trọng vμ ưu thế của đường sắt cao tốc Hμng

không dân dụng có tốc độ nhanh, thích hợp với vận tải đường dμi nhưng giá cao,

năng lực vận chuyển không cao Đường bộ cao tốc tiện dụng linh hoạt, nhưng chỉ

thích hợp với vận tải đường ngắn, đường sắt cao tốc khắc phục được hạn chế của hai

loại hình trên, lại có tính ưu việt hơn, xây dựng đường sắt cao tốc lμ việc cần thiết cho việc xây dựng kinh tế thị trường xã hội chủ nghĩa trong thời kì đổi mới, lμ cần thiết cho phát triển kinh tế quốc dân vμ nâng cao cuộc sống người dân, cũng lμ tăng cường thêm sức mạnh, hiện đại hoá hệ thống giao thông vận tải Để giải quyết vấn

đề cấp bách của giao thông vμ mở ra con đường mới cho giao thông giữa các thμnh phố Số lượng lớn hμnh khách được vận chuyển với vận tốc cao, lμ xu thế tất yếu của phát triển xã hội , xây dựng đường sắt cao tốc lμ lựa chọn xác đáng nhất

Vậy đặc điểm kỹ thuật lớn nhất của đường sắt cao tốc so với đường sắt phổ thông lμ: tốc độ cao, an toμn cao, mức độ thoải mái cho hμnh khách cao, khi chạy tμu phải đạt được tốc độ thiết kế

Kinh tế đất nước ngμy cμng phát triển, vai trò quốc tế ngμy cμng quan trọng, vậy không thể cho phép hệ thống hạ tầng cơ sở của đường sắt tiếp tục kéo dμi trong lạc hậu, Đường sắt cao tốc cần ứng dụng rất nhiều những kĩ thuật cao hiện đại Xây dựng đường sắt cao tốc sẽ bắt buộc phải thúc đẩy tiến trình hiện đại hoá đường sắt, nghiên cứu ứng dụng tiến độ kĩ thuật đường sắt, đồng thời phát triển kĩ thuật cao đối với ngμnh điện tử, thông tin, vật liệu, cơ khí, nâng cao chất lượng sản phẩm kĩ thuật Vốn đầu tư đường sắt cao tốc lớn, thời gian xây dựng dμi, yêu cầu kĩ thuật cao, thời gian thu hồi vốn lâu, vì vậy tất yếu phải nghiên cứu từ góc độ tổng sản phẩm quốc nội, khả năng đầu tư của quốc gia, sức mua của hμnh khách với giá vé Nhật Bản bắt đầu qui hoạch đường sắt cao tốc vμo năm 1957, thu nhập bình quân đầu người lúc đó lμ 308 đô la

Đường bộ cao tốc trong khoảng cách 200km có ưu thế, nhưng sẽ không thuận tiện trong việc vận tải trên tuyến dμi Hμng không dân dụng tuy nhanh, nhưng sức chuyển chở hạn chế, giá vé không được đại chúng chấp nhận; chỉ có đường sắt cao tốc, nhanh chóng, thuận tiện, an toμn, giá vé thấp, có thể đáp ứng những nhu cầu khác của đại chúng Xây dựng đường sắt cao tốc vừa thoả mãn nhu cầu đi lại của người dân vừa đáp ứng được nhu cầu ngμy cμng tăng của vận tải hμng hoá ,hai nhiệm vụ mμ hμng không vμ đường bộ cao tốc không thể hoμn thμnh Chỉ có thể xây dựng đường sắt cao tốc phối hợp cùng đường bộ vμ hμng không mới có thể hình thμnh nên hệ thống giao thông tổng hợp, đáp ứng nhu cầu ngμy cμng cao của nền kinh tế quốc dân

đoμn tμu Căn cứ vμo kết quả tính toán để chọn loại kết cấu tầng trên phù hợp với tốc

độ chạy tμu vμ tải trọng trục của đầu máy toa xe hoặc ngược lại, căn cứ vμo trạng thái kết cấu tầng trên của đường đang khai thác thông qua tính toán cường độ với quy định tốc độ chạy tμu vμ tải trọng trục đầu máy toa xe đang sử dụng trên tuyến

đường

Kết cấu tầng trên đường sắt lμ loại kết cấu công trình rất phức tạp, động lực học đầu máy toa xe tác dụng lên ray cũng phức tạp Lực tác dụng lên kết cấu tầng trên lμ lực thẳng đứng, lực đẩy ngang, lực dọc vμ lực nhiệt độ Những lực nμy do đầu máy toa xe vμ nhiệt độ tác dụng vμo đường ray gây nên Dưới tác dụng của lực nμy kết cấu tầng trên phát sinh ứng suất vμ biến dạng

Khi đoμn tμu chạy trên tuyến đường các bộ phận ở phía trên vμ dưới lò xo bị rung động lμm cho đoμn tμu bị lắc, xóc lμm tăng áp lực bánh xe đè lên ray Do vậy, lμm cho đầu máy toa xe vμ các bộ phận kết cấu tầng trên nhanh bị phá hoại Nguyên nhân chủ yếu lμm cho đầu máy toa xe bị rung động lμ: Đường ray không trơn phẳng, mặt lăn bánh xe không tròn có chỗ bị lẹm vμ hệ thống rung động của lò xo Đường ray không trơn phẳng biểu hiện trên trắc dọc lμ mặt đỉnh ray mấp mô, còn trên bình diện ở chỗ mặt tác dụng của ray không nằm trên đường cong hoặc đường thẳng hình học

Kích thước vμ hình dạng đường mấp mô không trơn phẳng mỗi chỗ một khác,

có chỗ dùng thị giác nhận biết được, nhưng có vị trí phải dùng dụng cụ đo đạc thì mới kiểm tra được

Nguyên nhân lμm cho đường ray không bằng phẳng lμ: Đặt ray không chính xác, ray khi chế tạo đã bị biến dạng dư, quá trình khai thác mặt ray vμ má ray mòn không đều, lớp đá ba lát vμ nền đường lún cục bộ Ngoμi những chỗ đường ray không trơn phẳng ở trạng thái tĩnh gọi lμ dốc không đồng đều hình học, đường ray còn tồn tại dạng không trơn phẳng ở trạng thái động khi đoμn tμu chạy trên đường gọi lμ dốc không đồng đều hình học

Mặt lăn bánh xe mòn không đều có chỗ bị lẹm, bánh xe lắp vμo trục bị lệch tâm không chính xác cũng lμm cho đầu máy toa xe rung động

Vì đường ray chịu lực phức tạp cho nên lý luận tính toán cường độ tuyến

đường cho đến nay vẫn tiếp tục nghiên cứu Nhưng để việc tính toán cường độ tuyến

đường được đơn giản để ứng dụng trong công tác thực tế thường phải có các giả thiết cơ bản ban đầu, như vậy ít nhiều sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác trong quá trình tính toán Song việc nghiên cứu lý luận cần phải tiến hμnh những công trình thí nghiệm trong thực tế để xác nhận độ chính xác của lý luận đồng thời cũng dùng lμm căn cứ

để định những thông số trong công thức tính toán

Việc gia tăng tốc độ chuyển động đoμn tμu với tải trọng trục lớn vμ cường độ vận chuyển đường sắt đòi hỏi phải hoμn thiện các phương pháp tính toán đường ray Một trong những nhiệm vụ cơ bản trong tính toán độ bền của đường ray vμ đoμn tμu khi tμu chuyển động với tốc độ cao lμ việc xác định lực va chạm giữa đường ray vμ tiếp xúc bánh xe đoμn tμu trên bề mặt thẳng đứng vμ nằm ngang

Các nhμ khoa học trên thế giới như: Anh, Pháp, Mỹ, Nhật, Đức, Nga vμ gần

đây lμ Trung Quốc đã có nhiều cống hiến khoa học to lớn trong sự phát triển lý luận

vμ thực nghiệm để tính cường độ tuyến đường với tốc độ chạy tμu bình thường V < 140km/h, tốc độ cao 140km/h  V < 200km/h, cao tốc 200km/h  V < 400km/h vμ siêu cao tốc V 400km/h đã được đường sắt các nước có phương pháp tính toán

Khi tính cường độ tuyến đường dưới tác dụng của tải trọng tĩnh có 2 mô hình

để tính độ lún ray y0, mô men uốn M0 vμ lực R0 trên tμ vẹt

Mô hình thứ nhất: giả thiết coi ray như một dầm dμi vô hạn đặt trên các gối tựa đμn hồi liên tục (dầm trên nền đμn hồi, hình 2-1a)

Mô hình thứ hai: giả thiết coi ray như một dầm dμi vô hạn đặt trên các gối đỡ đμn hồi (hình 2-1b)

Hình 2-1 Mô hình tính toán dầm trên nền đμn hồi vμ gối đỡ đμn hồi

a Dầm dμi trên gối đỡ đμn hồi liên tục

b Dầm dμi trên gối đỡ đμn hồi

Trong phạm vi độ cứng của nền dưới ray thì hai mô hình cho kết quả tính toán chênh nhau từ 5-10%, Nhưng tính theo mô hình thứ 2 phù hợp với trạng thái thực tế của đường hơn, nhất lμ đường sắt đặt trên tμ vẹt bê tông thì độ cứng của nền

mãn yêu cầu Tuy nhiên, mô hình tính toán thứ hai rất phức tạp so với mô hình thứ nhất

2.2 Xác định các tham số cơ bản của đường

Khi sử dụng mô hình dầm đỡ điểm liên tục đμn hồi thì độ cứng gối đỡ ray biểu thị đặc trưng đμn hồi của gối đỡ, được định nghĩa lμ: Lực cần thiết tác dụng lên mặt đỉnh gối đỡ để lμm mặt đỉnh gối đỡ ray lún xuống một đơn vị, đơn vị đo lμ lực/chiều dμi Có thể xem gối đỡ như lò xo mắc nối tiếp (hình 2-2) Trong hình DP

lμ độ cứng của đệm đμn hồi DS lμ độ cứng của tμ vẹt (Đối với tμ vẹt bê tông có thể tính gần đúng DS=) D2 lμ độ cứng của nền đường+ đá ba lát Giả sử dưới tác dụng của lực R gối đỡ lún xuống lμ yD

y D  y P y S y2 (2-1) Căn cứ vμo định nghĩa độ cứng ta có

;

P P D

R

S S D

R

2 2

D D

D P  S  ).R nên D= 





i S

D

1

1 1

1 1 1

1 1 1 1

1 1

D

D  ).R Vậy độ cứng của gối đỡ ray D lμ:

2 1

2

1

D D

D D

b C y

R D r

C - hÖ sè nÒn theo gi¶ thiÕt Vincle, MPa/mm (b¶ng 2-1)

D - lμ độ cứng của lò xo giữ ray, N/mm

n - lμ số phụ kiện liên kết ray với tμ vẹt

- hệ số truyền lực căng của lò xo liên kết lên tấm đệm (cóc đμn hồi)

Độ cứng của tấm đệm D d vμ liên kết giữ rayD lx xác định trong phòng thí nghiệm Còn hệ số đμn hồi của lớp đá ba lát vμ nền đường C0 cần phải xác định thực nghiệm đo ở hiện trường Cách đo lμ tác dụng hai lực R lên tμ vẹt ở dưới đế ray vμ

bố trí các thiên phân kế đặt dọc theo tμ vẹt để đo độ lún y i, từ đó tính C0 Qua thực tế đo đạc của các nước cho thấy C0 lμ đại lượng có trị số rất khác nhau trên một

đoạn đường, mức độ khác nhau nhiều hay ít thể hiện tính không đồng đều của lớp đá

ba lát Kết quả đo đạc trị số C0 (Biểu 2-1)

Trong quá trình khai thác nền đá ngμy cμng mất dần tính đμn hồi(nền cứng),

hệ số Cotăng lên đến 0,4 MPa/mm, ở các nước xứ lạnh do nước đóng băng trong nền

đá ba lát nên Co còn tăng cao hơn đến 0,6 MPa/mm

Đối với tμ vẹt bê tông có độ cứng cao, độ đμn hồi nhỏ để triệt tiêu ảnh hưởng của lực xung kích từ đoμn tμu tác dụng lên tμ vẹt cũng như những dao động của ray, thì cần thiết phải đặt giữa ray vμ tμ vẹt bê tông một lớp đệm đμn hồi để lμm giảm độ cứng của đường hạn chế ảnh hưởng của lực xung kích Vậy mô đun đμn hồi của nền dưới ray được tính theo sơ đồ như hình 2-3

U=

a

D

(N/mm2) (2-5) Trong đó:

a- cự ly hai tim tμ vẹt, mm

D- độ cứng của gối ray, N/mm

Hình 2-3 Sơ đồ tính U của TVBT

Do trị số C, U vμ D luôn biến đổi, sự biến đổi đó phụ thuộc vμo tuổi thọ của

kết cấu đường, quá trình khai thác, mức độ duy tu, trung đại tu vμ công nghệ sử

dụng máy móc để duy trì trạng thái của tuyến đường Nó được đánh giá qua các trị

số trên Kinh nghiệm của đường sắt TQ đã cho kết quả của các trị số đó (Biểu 2-2)

Trị số D, U đường tμ vẹt gỗ, TVBT vμ TVBT tấm Biểu 2-2

Mô men chống uốn W vμ mô men quán tính J ngang của các loại ray Biểu 2-4

Kết quả nghiên cứu của đường sắt Nga xác định mô đun đμn hồi của nền dưới

ray U của tμ vẹt gỗ vμo mùa hè khoảng 20 - 30 MPa, mùa đông 45-50 MPa (có đóng

băng) Còn đối với TVBT khi đường mới đặt hoặc mới đại tu khoảng 50 MPa, đường

khai thác lâu năm chưa được đại tu từ 170-200 MPa Khi kiểm toán để đảm bảo

chạy tμu với tốc độ khai thác thì dùng UTVG=27MPa; UTVBT=100MPa, mùa đông

đường cứng dùng U = 79-233 MPa

2.3 Thμnh lập hệ phương trình dầm liên tục trên gối đỡ đμn hồi

Căn cứ vμo môn học cơ học kết cấu, hệ siêu tĩnh bậc cao, ta có thể gặp bμi

toán các dầm liên tục đặt trên các cột có chiều dμi hữu hạn, đặt trên các hệ đμn hồi

khác hoặc đặt trên các gối phao v.v Dưới tác dụng của tải trọng, các gối nμy có thể

chuyển vị đμn hồi theo phương vuông góc với trục dầm Ta gọi những dầm nμy lμ

dầm liên tục đặt trên các gối đμn hồi (hình 2-4)

l i

1

l i+1 1

i-2

R Ri-1 Ri Ri+1 Ri+2

i+1 i

a b i a i+1 b

i i+1

i-1M

iM

Hình 2-4 Sơ đồ tính dầm liên tục trên các gối đμn hồi

Giả sử hệ chịu tải trọng ,sơ đồ tính của dầm nh− trên hình Ta có thể mô tả các gối đμn hồi bằng các liên kết lò xo, đặc tr−ng bằng hệ số đμn hồi Cj

Nh− đã biết, về ý nghĩa, hệ số đμn hồi Cj của gối đμn hồi thứ j lμ lực cần tác dụng vμo gối thứ j để sao cho gối có chuyển vị bằng đơn vị Ví dụ, hệ số đμn hồi của cột thứ j có tiết diện Aj, chiều cao dj sẽ bằng:

 

j

j j

d

EA

c  (2-6) Như vậy, nếu phản lực tại gối tựa thứ i lμ Rj thì giữa Rj vμ chuyển vị yj của

gối có sự liên hệ:

R j c j.y j (2-7)

Để tính dầm ta vận dụng phương pháp lực, chọn hệ cơ bản như trên hình

2-4b, ẩn lμ mômen uốn tại tiết diện trên các gối tựa trung gian Với hệ cơ bản đã chọn

ta nhận thấy mômen Mi chỉ gây ra chuyển vị trong phạm vi các nhịp (i-1), i, (i+1) vμ

(i+2) như đường nét đứt đã vẽ trong hình 2-4e Như vậy mômen Mi chỉ gây ra

chuyển vị tương ứng với các ẩn Mi-2, Mi-1, Mi, Mi+1 vμ Mi+2 nghĩa lμ chỉ tồn tại các hệ

số (i-2)i = i(i-2) ; (i-1)i = i(i-1) ; ii ; (i+1)i = i(i+1) ; (i+2)i = i(i+2), còn các hệ số phụ khác

đều bằng không Phương trình chính tắc viết cho gối tựa trung gian thứ i có dạng:

0 )

2 ( ) 2 ( ) 1 ( ) 1 ( )

1 ( ) 1 ( ) 2 ( )

ứng với mỗi gối tựa trung gian của dầm ta lập được một phương trình năm

mômen Do đó, với dầm có n gối tựa trung gian ta sẽ lập được hệ n phương trình

năm mômen đủ để xác định n ẩn số mômen tựa

Bây giờ ta xác định các hệ số vμ số hạng tự do của phương trình năm mômen

Khi tìm các hệ số nμy, ngoμi ảnh hưởng của biến dạng uốn ta còn phải chú ý đến

ảnh hưởng của biến dạng dọc trục trong các gối tựa đμn hồi (bỏ qua biến dạng

trượt) Theo công thức xác định chuyển vị, ta có:

  

jk ji k

i ik

c R R M

Dấu tổng được thực hiện cho tất cả các gối đμn hồi

Ví dụ, ta xác định các hệ số i(i-2) ; i(i-1) vμ ii Các biểu đồ mômen uốn đơn vị

vμ phản lực trong các gối đμn hồi do các Mi-2 = 1, Mi-1 = 1 vμ Mi = 1gây ra trong hệ

cơ bản được xác định như trên hình 2-4c, d, e Ta có: