nguyễn ngọc lâm Bộ môn Cơ kết cấu - ĐH GTVT Tóm tắt: Để đảm bảo tính liên tục của các phương tiện tham gia giao thông, tránh được sự ùn tắc, tại các tuyến đường giao nhau thường được x
Trang 1an toμn cho cầu vượt cầu cạn
dưới tác động của tải trọng va xe
ThS nguyễn ngọc lâm
Bộ môn Cơ kết cấu - ĐH GTVT
Tóm tắt: Để đảm bảo tính liên tục của các phương tiện tham gia giao thông, tránh được sự
ùn tắc, tại các tuyến đường giao nhau thường được xây dựng bằng nút giao lập thể trong đó có
sử dụng hệ thống cầu vượt, vμ cầu cạn An toμn cho cầu vượt cầu cạn đặc biệt lμ cho trụ cầu vượt cầu cạn lμ vấn đề cần quan tâm Bμi nμy nêu một số quan điểm về trụ cầu chịu tác động của tải trọng va xe để có các giải pháp hữu hiệu phục vụ cho công tác thiết kế cũng như công tác quản lý vμ khai thác nhằm đảm bảo an toμn cho người, các phương tiện vμ công trình cầu
Summary: In order to guarantee the continuity of transport vehicles and avoid traffic jams,
grade-seperated junctions with flyover and elevated way systems are built at intersections Safety of flyovers and elevated ways, particularly of their piers must be taken into consideration This article raises some standpoints about piers subjected to vehicle collision loads in order to work out some reasonable solutions for design, management and operation, ensuring safety for road users, vehicles and bridge structures
1 Mở đầu
Theo khảo sát của các tổ chức WB,
JICA đối với các thành phố lớn của Việt Nam
như: thành phố Hà Nội, thành phố Hồ Chí
Minh cho thấy, lưu lượng xe chạy trên các
đường qua các nút giao thông rất lớn, trong
khi đó mạng lưới đường lại quá chật hẹp,
chủng loại phương tiện khá đa dạng, nhiều
ngã tư đèn xanh đèn đỏ dẫn đến tình trạng
ách tắc thường xuyên xảy ra Để vừa tiết kiệm
được quỹ đất vừa giải quyết được ách tắc giao
thông, hiện nay chính phủ đã phê duyệt một
số dự án quy hoạch và triển khai thi công các
nút giao thông có sử dụng các loại cầu vượt,
cầu cạn và cầu dẫn Với lưu lượng xe lớn, hoạt
động suốt ngày đêm thì an toàn giao thông là
vấn đề cần được quan tâm An toàn giao
thông cho cầu vượt, cầu cạn mà ở đây ta đề
cập chủ yếu đến an toàn cho phần trụ cầu
vượt, cầu cạn
2 một số quy định về lực va xô xe cộ
2.1 Tiêu chuẩn 22TCN272-01
Mố trụ đặt trong phạm vi cách mép lòng
đường bộ 9m hay trong phạm vi 15 m đến tim
đường sắt đều phải thiết kế cho một lực tĩnh tương đương là 1.800.000 N tác dụng ở bất kỳ hướng nào trong mặt phẳng nằm ngang, cách mặt đất 1200 mm
2.2 Tiêu chuẩn AUSTROADS-92
Trụ cầu vượt không đặt hệ thống barrie cứng thì trụ phải được thiết kế cho một tải trọng tĩnh tương đương là 1000 kN, va chạm hợp với hướng tuyến chính đi qua dưới cầu là
100, cách mặt đất 1.2 m
Như vậy theo một số quy định về lực va
xe ta thấy các tiêu chuẩn đã đưa ra được giá trị tải trọng va xe nhưng không chỉ rõ cấp
đường, tốc độ thiết kế của đường dưới cầu vμ
Trang 2ngoμi ra giá trị tải trọng va xe nμy khá lớn có
thể không xảy ra trong điều kiện khai thác
thực tế ở Việt Nam, do đó dẫn đến vật liệu sử
dụng cho kết cấu tăng lên quá lớn, không hợp
lý, lμm tăng giá thμnh của công trình Vì vậy
cần phải nghiên cứu vμ phân tích nhằm đánh
giá đúng tác động của tải trọng nói chung vμ
của lực va xô xe cộ nói riêng lên kết cấu cầu
vượt, cầu cạn để vừa đảm bảo an toμn cho
khai thác, vừa phù hợp với điều kiện thực tế ở
nước ta
3 Các thông số khi xét đến tác
động của lực va xe
3.1 Tác động va đập theo tốc độ va chạm
Tốc độ va chạm là vận tốc được tính
trước và lúc bắt đầu tiếp xúc của phương tiện
với kết cấu công trình
3.2 Tác động va đập theo các mức độ
hấp thụ năng lượng
+ Nếu va chạm đàn hồi: năng lượng
không bị tiêu hao coi như không xảy ra biến
dạng
+ Nếu va chạm không đàn hồi (va chạm
mềm): Năng lượng bị hấp thụ, tiêu hao trong
quá trình biến dạng (Kết cấu công trình bị đổ,
nứt, ô tô bị méo mó )
3.3 Hiệu quả va chạm
Hiệu quả va chạm phụ thuộc tốc độ va
chạm hoặc mức độ hấp thụ năng lượng còn
phụ thuộc vào hình dạng, kích thước của bề
mặt vật va chạm và góc tiếp xúc giữa phương
tiện và kết cấu công trình, kết cấu phương
tiện
3.4 Xung lượng va đập
Đánh giá tải trọng va xô bằng đại lượng
gọi là xung lượng của lực tác dụngF
Theo định lý xung lượng:
∫
=
0 dt F K
3.5 Đại lượng gia tốc
Đại lượng gia tốc a cũng được đưa vào như là một thông số dẫn xuất để tính lực va xô theo định luật II Newton:
a m
Trong động học chất điểm người ta có thể biểu diễn gia tốc a qua vận tốc, quãng
đường và thời gian Mặt khác trong điều kiện trạng thái giới hạn có thể biểu diễn gia tốc a qua các thông số như: chiều cao, chiều dài, chiều rộng của ôtô
- Ta xem độ uốn của kết cấu bằng:
y = y1 + y2
y1, y2 - chuyển vị của trụ và của tiết diện
N
N
P
y
l Biểu thức đối với động năng có dạng:
∫
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
∂
∂
∂
∂ +
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
∂
+
∂
0
2 1 red
red
2 l
0
2 1
x x
y t A
2
mI dx t
) y y ( 2
m K
2 2
1 s
] ) t x ( y ) t x ( y [ 2
α + +
- Thế năng của cột trụ
2
K dx x
y K 2
D dx x
y 2
B V
2 1 2 l
0
2 0
2 l
0 2 1 2
+
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
∂
∂ +
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
∂
∂
(2)
- Công của lực dọc trục:
Trang 3dx x
y N 2
1 W
2 l
0
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
- Để thu được phương trình chuyển động
chúng ta sử dụng phương trình Lagrand bậc
hai:
n n n
W T
V T
K T
K dt
d
∂
∂
=
∂
∂
ư
∂
∂
ư
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
∂
∂
(4)
Thay (1), (2), (3) vào (4) ta được:
) 5 ( 0 ) ( ) T ( )
T
T
(
0 ) ( ) T ( ) T ( ) T ( )
T
(
2 α = ω + α + +
= α Δ + η +
+
δ
= α Δ + η + ξ + δ
+
β
&&
&&
&&
&&
&&
&&
&&
&&
&&
Nghiệm của phương trình (5) như sau:
t sin )
t cos 1
2
0 2
2
2
ω
Δ + ω
ư
ω
Φ
=
Lực va chạm:
θ
Δ
= sin
C ) t (
5 Tính lực va xe theo phương pháp
kiến nghị
Giả sử ô tô
chuyển động
và va chạm vào
trụ dưới một
góc θ Sau khi
va chạm vào
trụ ô tô theo
quán tính đi
được thêm một
quãng đường s
nào đó rồi dừng
hẳn ở đây ta
bỏ qua lực ma
sát (coi lực ma
sát nhỏ không
đáng kể so với
lực va chạm của ô tô)
Trong vật lý động học chất điểm ta có:
2 t
v - v2on = 2as (7) Sau va chạm xe dừng lại, lúc đó vt = 0, công thức (7) trở thành:
- v2on = 2as hay
s 2
v a
2 on
ư
= Thay các giá trị trên ta có:
θ
= θ
θ
l 2
v sin l 2
sin v a
2 o 2 2 o
Trong (8) ta coi trụ không có biến dạng (tức là công trình an toàn tuyệt đối)
Lực va chạm được truyền cho trụ theo
định luật II Newton:
l 2
sin v M a M a m F
2 o s s
θ
=
=
6 áp dụng Tính lực va xe theo phương pháp kiến nghị
áp dụng phương trình (9) góc va chạm
200 tính toán với các xe H30 và xe HL93 với các tốc độ từ 40 km/h đến 120 km/h
Chỉ tiêu kỹ thuật của xe ô tô thiết kế
Tải trọng tiêu chuẩn
TT
Chỉ tiêu kỹ thuật của
Xe H30
22TCN272-01
Xe HL-93
1
Trọng lượng một
xe
2
Trọng lượng trục sau
3
Trọng lượng trục trước
4
Khoảng cách tim bánh xe
5
Khoảng cách tim trục xe
Khối tâm
v on
v o θ
s
l
θ
F
F
Trang 4Giá trị lực va xô với từng loại xe thiết kế
Xe H30 Tốc độ
Lực va
Xe HL-93 Tốc độ
Lực va
7 kết luận
- So sánh kết quả đã tính toán theo phương pháp kiến nghị nêu trên với Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN272-01
ta thấy giá trị lực va xô xe cộ đưa ra trong Tiêu chuẩn (180 Tấn) là khá lớn,
độ an toàn của kết cấu rất cao Tuy nhiên, chi phí xây dựng để kết cấu chịu
được lực va này tăng lên đáng kể, gây lãng phí quá nhiều, không cần thiết
- Kết quả tính toán theo phương pháp kiến nghị cho ta thấy giá trị lực va xô tương ứng với từng cấp đường, từng tốc
độ thiết kế cụ thể mà vẫn đảm bảo độ tin cậy của công trình, giá thành xây dựng công trình hợp lý với điều kiện thực tế của nước ta
Tài liệu tham khảo
[1] Nguyễn Ngọc Lâm Các dạng trụ cầu vượt cầu
cạn và phân tích trụ cầu chịu tải trọng va xe
Luận văn Thạc sĩ Kĩ thuật Hà Nội, 2002
[2] Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường úc AUS-ROADS, 1992
[3] Tiêu chuẩn thiết kế cầu - 22TCN272 - 01
[4] A V ZABEGAEV Sự cố và tai nạn - Dịch
ra tiếng Việt - Bản tiếng Nga - MOCKVA - 1998Ă