Nghiên cứu đánh giá tuổi thọ mỏi của tà vẹt bê tông dự ứng lực trên đường sắt đô thị ở việt nam TT

Trong các tiêu chuẩn thiết kế liên quan đến kết cấu tầng trên ĐSĐT hiện nay chưa xét đến hệ số tải trọng động cũng như chưa xét đến mỏi trong quá trình thiết kế TV BTDƯL của ĐSĐT.. Do vậ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

Chuyên ngành : Xây dựng đường sắt

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2021

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Giao thông Vận tải

Người hường dẫn khoa học:

1 GS.TS Phạm Văn Ký

Trường Đại học Giao thông Vận tải

2 PGS.TS Lê Hải Hà

Trường Đại học Giao thông Vận tải

Phản biện 1: GS.TSKH Nguyễn Xuân Trục

Phản biện 2: GS.TSKH Nguyễn Thúc Tuyên

Phản biện 3: GS.TS Phạm Cao Thăng

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp tại Trường Đại học Giao thông Vận tải vào hồi giờ … ngày … tháng … năm 2021

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

- Thư viện Quốc Gia Việt Nam

- Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải

CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

1 Trần Anh Dũng, Trần Thế Truyền, Lê Hải Hà (2019), Nghiên cứu

đánh giá tuổi thọ mỏi của bản bê tông dự ứng lực liền khối tại vị trí đường ngang trên đường sắt tại các nút giao quốc lộ và đường sắt, Hội nghị cơ học kỹ thuật toàn quốc, 40 năm thành lập Viện

cơ học, ISBN 978-604-913-854-6, tr 542-549

2 ThS Trần Anh Dũng (2019), Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán

tuổi thọ mỏi đối với tà vẹt bê tông dự ứng lực nhằm nâng cao an toàn chạy tàu, Số đặc biệt Tạp chí GTVT, ISSN 2354-0818,

tr 157-161

3 Tran Anh Dung, Tran The Truyen, Nguyen Hong Phong, Pham

Van Ky, Le Hai Ha (2020), Theoretical and experimental

research in the assessment fatigue life of prestressed concrete sleeper on the urban railway, The book: Advances in Intelligent

Systems and Computing, Volume 1284, pp.327-337, series with ISSN: 2194-5357 by Springer, SCOPUS, DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-62324-1

4 Tran Anh Dung, Mai Van Tham, Do Xuan Quy, Tran The Truyen,

Pham Van Ky, Le Hai Ha (2020), Numerical and experimental

study of the dynamic factor of the dynamic load on the urban railway, Journal of Mechanical Behavior of Materials, Volume

29, Issue 1, Pages 195–202, eISSN 2191-0243, ISSN 0334-8938, SCOPUS, DOI: https://doi.org/10.1515/jmbm-2020-0020

1

ĐẶT VẤN ĐỀ

I TÍNH CẤP THIẾT CỦA 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 ĐSĐT (ĐSĐT) là xương sống Theo Quy hoạch thủ đô 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 TP

Hồ Chí Minh sẽ xây dựng 08 tuyến với 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 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 tàu gấp hàng chục lần đường sắt truyền thống

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 Mỏi được gọi là hiện tượng phá hủy trong vật liệu của kết cấu gây ra bởi tải tuần hoàn lặp đi lặp lại

Tà vẹt bê tông là một trong những bộ phận quan trọng nhất của hệ thống đường sắt Nghiên cứu về tuổi thọ mỏi của tà vẹt bê tông dự ứng lực (TV BTDƯL) còn hạn chế Sự phá hoại mỏi của TV BTDƯL 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 TV BTDƯL được thực hiện đặc biệt là đối với TV BTDƯL cho ĐSĐT Việc xác định tải trọng động đối với ĐSĐT vẫn chưa có cơ sở khoa học và công thức tính toán Trong quá trình tính toán thiết kế 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 ĐSĐT hiện nay chưa xét đến hệ số tải trọng động cũng như chưa xét đến mỏi trong quá trình thiết kế

TV BTDƯL của ĐSĐT Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu tầng trên ĐSĐT ở Việt Nam hiện nay vẫn chưa được ban hành

ĐSĐT 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 TV BTDƯL 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 TV BTDƯL trên ĐSĐT ở Việt Nam” là đề tài cần thiết

2

II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm xác định hệ số tải trọng động cho ĐSĐT 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 TV BTDƯL trên tuyến ĐSĐT Bến Thành - Suối Tiên

- Lập mô phỏng số mô hình đoàn tàu - đường ray của ĐSĐT tuyến Cát Linh – Hà Đông và tuyến Bến Thành – Suối Tiên

- Lập chương trình tính tuổi thọ mỏi của TV BTDƯL trên tuyến ĐSĐT Bến Thành – Suối Tiên

III NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Nội dung luận án tập trung vào một số vấn đề sau:

1 Tổng quan về mỏi đối với TV BTDƯL;

2 Nghiên cứu xác định hệ số tải trọng động đối với ĐSĐT ở Việt Nam;

3 Nghiên cứu xây dựng mô hình tính toán tuổi thọ mỏi của TV BTDƯL cho

ĐSĐT ở Việt Nam;

4 Nghiên cứu thực nghiệm xác định tuổi thọ mỏi của TV BTDƯL cho ĐSĐT ở

Việt Nam

IV Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

 Ý nghĩa khoa học: Xác lập mô hình tàu - đường ray phù hợp ĐSĐT tuyến Cát

Linh – Hà Đông và tuyến Bến Thành – Suối Tiên Luận án nghiên cứu đề xuất công thức tính hệ số động mới phù hợp với tuyến ĐSĐT Cát Linh – Hà Đông

để từ đó có thể dễ dàng giải hàng loạt bài toán động khác Lựa chọn và thiết lập

cụ thể phương pháp tính tuổi thọ mỏi đối với TV BTDƯL tuyến ĐSĐT Bến

Thành – Suối Tiên

 Ý nghĩa thực tiễn: Dựa vào các kết quả nghiên cứu là cơ sở để tính tuổi thọ mỏi

cho các bộ phận kết cấu đỡ đường ray khác và đóng góp xây dựng tiêu chuẩn thiết kế kết cấu tầng trên ĐSĐT Việc xác định tải trọng động cũng như tuổi thọ mỏi cho tà vẹt nhằm tối ưu hóa thiết kế Đảm bảo tính an toàn cho kết cấu tầng trên đường sắt trong quá trình khai thác sử dụng Tối ưu hóa duy tu bảo

dưỡng kết cấu tầng trên ĐSĐT

TỔNG QUAN VỀ MỎI ĐỐI VỚI TÀ VẸT BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC

Chương 1 phân tích tổng quan về mỏi đối với TV BTDƯL từ đó lựa chọn được loại tà vẹt làm các cơ sở nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm ở các chương tiếp theo

1.1 Tình hình sử dụng tà vẹt bê tông dự ứng lực trên thế giới và Việt Nam

1.1.1 Tình hình sử dụng tà vẹt bê tông dự ứng lực trên thế giới

Trên thế giới sử dụng phổ biến một số loại TV BTDƯL như sau:Tà vẹt hai khối, tà

3 vẹt dọc, tà vẹt thanh liền khối

1.1.2 Tình hình sử dụng tà vẹt bê tông dự ứng lực ở Việt Nam

Từ năm 2005 trở lại đây khi các đơn vị trong ngành đường sắt nhập dây chuyền sản xuất TV BTDƯL về để sản xuất lượng TV BTDƯL được sử dụng nhiều hơn, TV BTDƯL được sử dụng trên đường sắt Việt Nam ≈ 1.000.000 thanh chủ yếu là TV BTDƯL dạng thanh liền khối

1.2 Tình hình sử dụng kết cấu đường sắt đô thị trên thế giới và Việt Nam

1.2.1 Tình hình sử dụng kết cấu đường sắt đô thị một số nước trên thế giới

1.2.1.1 Kết cấu đường sắt đô thị Anh

Kết cấu gồm một lớp bê tông cơ sở đổ trực tiếp trên toàn

bộ chiều dài của đoạn tuyến với chiều dày 150 mm Bản

bê tông chính gồm 2 lớp cốt thép dọc và ngang được hàn

thành lưới sau đó đặt và đổ bê tông bản chính

1.2.1.2 Kết cấu đường sắt đô thị Đức

Thiết kế đầu tiên của Đức sử dụng bản bê tông thép dự ứng lực

(DƯL) theo phương dọc, bố trí các thanh cốt thép thường theo

phương ngang Bản bê tông đặt trên lớp bê tông nhẹ

Styropor nhằm mục đích cách nhiệt

Thiết kế thứ hai là bản bê tông DƯL theo hai phương Lớp móng dưới là lớp sỏi cát nhằm mục đích tạo ra lớp hoạt động như bê tông cường độ thấp

Thiết kế thứ ba mỗi cấu kiện dài 6,48 m bao gồm các dầm dọc DƯL xen kẽ bởi các dầm ngang

Các dầm này được đặt trên lớp

bê tông nghèo, dưới cùng là lớp sỏi cát Không gian giữa các dầm được lấp đầy bằng 2 lớp:

lớp dưới là ballast và lớp trên là bitum sỏi

1.2.1.3 Kết cấu đường sắt đô thị Nhật Bản

Đường sắt Nhật Bản đã xây dựng đoạn đường

bê tông thử nghiệm trên phần mở rộng đường

trục Tokaido (Tokaido-Shinkansen) Đường

bao gồm các bản bê tông đúc sẵn được cố

định trong đường Đệm cao su điều chỉnh

được chèn giữa gối đỡ và dầm

Hình 1-1 Bản bê tông đặt trực tiếp của Anh

Cèt thÐp ®ai ngang Cèt thÐp däc

Hình 1-5 Đường bản bê tông trên tuyến Tokaido-Shinkansen

Hình 1-3 Kết cấu bản

bê tông dự ứng lực theo

2 phương Hình 1-4 Bản BT dầm dọc DƯL xen kẽ bởi

các dầm ngang

4

1.2.1.4 Kết cấu đường sắt đô thị Mỹ

Đường bản bê tông gần đây nhất được đặt ở Mỹ là

tại đường thử Kansas tại Aikman và Chelsea, Kansas

trên đường sắt Santa Fe Ba loại mặt cắt đã được đặt

trên đường này Hai trong số các mặt cắt đấy là dầm

dọc, một phần đúc sẵn và một phần khác đỗ tại chỗ

Mặt cắt thứ ba là tấm đúc tại chỗ.Tất cả các mặt cắt

có chứa cốt thép và phần còn lại nằm trên lớp đệm

trên của nền

1.2.2 Tình hình sử dụng kết cấu đường sắt đô thị Việt Nam

1.2.2.1 Kết cấu đường sắt đô thị tuyến Cát Linh – Hà Đông

Sử dụng tà vẹt bê tông ngắn đúc sẵn đặt trên tấm bản

bê tông cốt thép đổ trực tiếp Chiều dài tà vẹt ngắn

0,56, chiều rộng 0,25m, kết cấu bê tông cốt thép

thường Tà vẹt ngắn sử dụng bê tông C50 Bản bê

tông bên dưới mỗi đường ray làm thành kết cấu hình

chữ nhật, chiều rộng là 0,8m, thông thường dài

6,25m hoặc 6m, giữa các tấm bê tông bố trí các khe

hướng ngang 0,15m

1.2.2.2 Kết cấu đường sắt đô thị tuyến Nhổn – Ga Hà Nội

Sử dụng kết cấu bản bê tông cốt thép dọc đúc trên

hiện trường có chiều dài xấp xỉ 5,25 m Ray được

đỡ bởi các bản đệm đàn hồi đặt cách nhau 0,6 m từ

tâm bản đệm này đến tâm bản đệm kia Khoảng

cách giữa hai bản bê tông là 0,15 m tạo điều kiện

thuận lợi cho việc thoát nước mưa và đi đường cáp

khi cần thiết

1.2.2.3 Kết cấu đường sắt đô thị tuyến Bến Thành – Suối Tiên

Sử dụng kết cấu tà vẹt dài bê tông cốt thép DƯL

đúc sẵn đặt trên bản bê tông cốt thép đổ tại chỗ

Kích thước tà vẹt bê tông cốt thép DƯL dài 2,3m

Các tà vẹt đặt cách nhau 0,625m Kích thước bản

bê tông có chiều dài 5,9 m, rộng 2,78 m, cao

0,326 m Khoảng cách các bản bê tông là 0,1 m

1.3 Tải trọng động

Tải trọng động được sử dụng phổ biến trong quá trình thiết kế các tuyến đường sắt

và các ứng dụng đường sắt Tải động xem xét sự tương tác động bánh xe-ray trong các điều kiện bình thường; Tải trọng động thường liên quan đến tốc độ chạy tàu và được sử dụng cho phương pháp thiết kế ứng suất cho phép Tải trọng động bánh xe thường được biểu diễn như một hàm của tải trọng tĩnh bánh xe (Doyle, 1980): P =

Hình 1-6 Bản bê tông cốt thép đường sắt Kansas ở Mỹ

Hình 1-7 Kết cấu ĐSĐT tuyến Cát Linh - Hà Đông

Hình 1-8 Kết cấu ĐSĐT tuyến Nhổn - Ga Hà Nội

Hình 1-9 Kết cấu ĐSĐT tuyến Bến Thành - Suối Tiên

5 Ф.Ps, trong đó Pd là tải trọng động của bánh xe, Ф là hệ số tải trọng động bánh xe (Ф> 1), và Ps là tải trọng tĩnh bánh xe

1.4 Nghiên cứu về mỏi trên thế giới

1.4.1 Giới thiệu

Mỏi được gọi là hiện tượng phá hủy trong vật liệu hoặc kết cấu gây ra bởi tải tuần hoàn lặp đi lặp lại

1.4.2 Lịch sử nghiên cứu mỏi

Lịch sử nghiên cứu về mỏi trong các kết cấu bắt đầu với kỹ sư người Đức Albert (1837) Thuật ngữ “Mỏi” đã được đề cập lần đầu tiên bởi Braithwaite (1854) Các thử nghiệm mỏi hệ thống đã được tiến hành trên các trục đường sắt bởi một kỹ sư người Đức khác, Wӧhler (1870) Quy luật Palmgren-Miner - được biết đến như ngày nay, được giới thiệu độc lập bởi Palmgren (1924)và Miner (1945)

1.4.3 Nghiên cứu mỏi của bê tông

Mỏi của bê tông là một quá trình lan truyền các vết nứt vi mô Các vết nứt vĩ mô tiếp theo được hình khi ứng suất gia tăng cho đến khi phá hoại xảy ra (CEB, 1988)

1.4.4 Nghiên cứu mỏi của cốt thép trong bê tông

Wöhler (1870) đã đề xuất hơn một thế kỷ trước rằng độ bền mỏi của kim loại phụ thuộc vào biên độ ứng suất (∆σ), trong đó (∆σ) là hiệu đại số giữa ứng suất lớn nhất (σmax) và ứng suất nhỏ nhất (σmin), hơn là mức độ ứng suất (σmax)

1.4.5 Nghiên cứu mỏi của bê tông cốt thép

Fib model code 2010 (fib, 2013) cung cấp hướng dẫn thiết kế mỏi của kết cấu bê tông cốt thép dựa trên hiệu suất riêng của bê tông và thanh cốt thép sử dụng các đường cong và phương trình S-N

Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng gãy thanh cốt thép là cơ chế phá hoại chủ yếu đối với mỏi trong dầm bê tông cốt thép

1.4.6 Nghiên cứu mỏi của bê tông dự ứng lực

Khi chưa bị nứt bê tông thường vẫn bị nén do chịu ứng suất trước của thép DƯL, với khả năng chịu nén cao của bê tông tuổi thọ mỏi có thể được coi là vô hạn Do

đó, không có nguy cơ phá hoại xảy ra do mỏi

Đối với tải lớn hơn khả năng chịu nứt của bê tông, khi bê tông bị nứt phạm vi ứng suất trong các sợi cáp lớn hơn nhiều so với khi chưa nứt vì các sợi cáp phải chịu tất

cả lực kéo Khi vết nứt trở nên rộng hơn, liên kết gần vết nứt trở nên xấu đi và khả năng chống mỏi sau đó phụ thuộc vào biên độ của ứng suất và tính chất của thép

1.5 Nghiên cứu về mỏi tại Việt Nam

Năm 1997, Phan Văn Khôi xuất bản cuốn sách: Tuổi thọ mỏi của kết cấu thép ngoài biển Năm 2011, Phạm Lê Tiến thực hiện nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi và tuổi thọ mỏi của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy D19E vận dụng trên đường sắt Việt Nam Năm 2015 Trần Thiện Lưu đã thực hiện nghiên cứu một số yếu

6

tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi bê tông asphalt làm lớp mặt đường tại Việt Nam Năm

2009 Bùi Ngọc Dung thực hiện nghiên cứu phân tích đánh giá một số hư hỏng do mỏi trong kết cấu nhịp cầu thép và các biện pháp sữa chữa, tăng cường Năm 2011,

Lê Đắc Chỉnh thực hiện nghiên cứu ứng dụng phương pháp kiểm tra mỏi của Châu

Âu cho cầu bê tông DƯL ở Việt Nam Năm 2016, Nguyễn Thị Cẩm Nhung thực hiện nghiên cứu đánh giá mỏi của cáp cầu treo dây văng dưới tác dụng của tải trọng khai thác sử dụng kết quả đo dao động

Tại Việt Nam hiện nay chưa có công trình nghiên cứu thực nghiệm về mỏi cho TV BTDƯL được thực hiện tại Việt Nam đặc biệt là đối với TV BTDƯL cho ĐSĐT Đối với tiêu chuẩn thiết kế hiện hành phương pháp thiết kế TV BTDƯL ở Việt Nam chưa xét đến yếu tố mỏi trong tà vẹt Cụ thể chúng ta chưa có định lượng trong việc thiết kế hàm lượng cốt thép đạt yêu cầu về khả năng chịu mỏi

1.6 Các nghiên cứu về mỏi đối với tà vẹt đã thực hiện

Các nghiên cứu trên thế giới cũng mới chỉ dừng lại ở nghiên cứu mỏi đối với TV BTDƯL đối đường sắt cao tốc, đường sắt chạy hỗn hợp tàu khách với tàu hàng, đường sắt chạy tàu khổ hẹp và đường sắt chạy tàu khổ rộng Nghiên cứu về mỏi đối với ĐSĐT vẫn còn hạn chế

Ở Việt Nam hiện nay một số nghiên cứu về mỏi đối với TV BTDƯL đã được thực hiện như sau:

Năm 2016, Trần Anh Dũng, Nguyễn Văn Bá, Đỗ Xuân Quý, Đặng Việt Hùng, Nguyễn Khánh Dũng, Đàm Anh Tú, Thân Thế Vũ thực hiện thí nghiệm mỏi đối với

tà bê tông DƯL 5 ray cho đường sắt khổ lồng tuyến Hà Nội - Lạng Sơn

Năm 2017, Trung tâm khoa học công nghệ giao thông vận tải - Đại học giao thông vận tải tiến hành thí nghiệm mỏi đối với TV BTDƯL tuyến ĐSĐT Bến Thành - Suối Tiên

Trong các thí nghiệm trên thử nghiệm mỏi được thực hiện để kiểm tra khả năng chịu mỏi của tà vẹt sau một số lượng chu kỳ nhất định theo tiêu chuẩn Châu Âu EN-

- Trong thiết kế và kiểm toán tà vẹt chưa xét đến độ bền mỏi Hiện nay tuổi thọ mỏi đối với TV BTDƯL đối với ĐSĐT chưa được triển khai nghiên cứu về mặt lý thuyết

và thực nghiệm một cách cụ thể

1.8 Xác định vấn đề nghiên cứu của luận án

Thông qua nghiên cứu tổng quan về mỏi đối với TV BTDƯL và số chu kỳ tà vẹt

7 chịu tải trọng đoàn tàu ĐSĐT trong ngày đêm là rất lớn (12000 chu kỳ/ngày) tác giả xác định vấn đề nghiên cứu như sau:

- Xây dựng mô hình động lực học tương hỗ giữa đường sắt và đoàn tàu của tuyến ĐSĐT Cát Linh – Hà Đông và tuyến Bến Thành – Suối Tiên

- Xây dựng mô hình mô phỏng 3D động lực học giữa đường sắt và đoàn tàu của tuyến ĐSĐT Cát Linh – Hà Đông và tuyến Bến Thành – Suối Tiên

- Nghiên cứu thực nghiệm và phương pháp phần tử hữu hạn xác định tác dụng tương

hỗ giữa đường sắt và đoàn tàu tuyến ĐSĐT Cát Linh – Hà Đông

- Xác định hệ số tải trọng động đối với tuyến ĐSĐT Cát Linh – Hà Đông

- Lý thuyết xác định tuổi thọ mỏi

- Lập chương trình tính tuổi thọ mỏi đối với TV BTDƯL tuyến ĐSĐT Bến Thành - Suối Tiên

- Nghiên cứu thực nghiệm xác định tuổi thọ mỏi đối với TV BTDƯL tuyến ĐSĐT Bến Thành - Suối Tiên

- Xây dựng mô hình mô phỏng 3D TV BTDƯL tuyến ĐSĐT Bến Thành - Suối Tiên

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TẢI TRỌNG ĐỘNG

ĐỐI VỚI ĐƯỜNG SẮT ĐÔ THỊ Ở VIỆT NAM

Chương 2 tiến hành nghiên cứu sử dụng lý thuyết tính toán, mô phỏng, thực nghiệm hiện trường với mục đích xác định hệ số tải trọng động cho tuyến ĐSĐT Cát Linh-

Các kỹ sư đường sắt trên khắp thế giới đã đề xuất một số công thức và thông số để tính toán hệ số tải trọng động bánh xe

Bảng 2-1 Hệ số động của các tác giả trên thế giới

D: Đường kính bánh xe (mm)

U: Mô đun của đường (Mpa)

t: 0, 1, 2, 3 liên quan đến lựa chọn giới hạn tin cậy trên xác định dựa vào khả năng vượt giới hạn

α: phụ thuộc cấp đường sắt, hệ thống treo phương tiện và tốc độ đoàn tàu

β: hệ số lệch tải γ: phụ thuộc vào tốc độ đoàn tàu, tuổi thọ đường, khả năng giữ của tà vẹt, các điều kiện bảo dưỡng đầu máy và toa xe thiết kế

f: hệ số lực ngang phụ thuộc vào bán kính đường cong

South Africa (Doyle,

DClarke (Doyle, 1980;

Van Dyk và cộng sự,

2017)

Ф = 1 +19,65.

√WMMTA (Prause và

thuật và bảo trì đường sắt

Mỹ, 2012)

Ф = 0,6 + 0,008 V, (32 < V < 193) China (Xiufang Chen,

2017)

∅ = (1 + ɳ + ) , ( ≤ 200)

∅ = 2,5 (200 < ≤ 250)

∅ = 3 (250 < )

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

2.2.1 Thông số đoàn tàu đường sắt

đô thị tuyến Cát Linh – Hà Đông

Đoàn tàu tuyến Cát Linh – Hà

Đông được thiết kế gồm 4 toa trong

đó có 2 toa động lực 2 toa xe kéo, phương thức bố trí như sau: + Tc - M + M - Tc + (trong đó: Toa Tc: là toa xe kéo theo có cabin lái tàu; Toa M: là toa xe động lực có động cơ)

2.2.2 Mô hình phân tích dao động của đoàn tàu ĐSĐT tuyến Cát Linh – Hà Đông 2.2.2.1 Mô hình toa xe đường sắt đô thị tuyến Cát Linh – Hà Đông

Mô hình tính toán động lực học của toa xe tuyến Cát Linh – Hà Đông sử dụng giá chuyển hướng 2 trục bao gồm 7 vật thể: thân xe, giá chuyển hướng trước, giá chuyển hướng sau, 4 bộ trục bánh xe

Hình 2-1 Mô hình đoàn tàu ĐSĐT tuyến

Cát Linh – Hà Đông

9

Hình 2-2 Mô hình tính toán mô phỏng dao động của toa xe trong mặt đứng, mặt bằng

và mặt cắt ngang toa xe

2.2.2.2 Mô hình kết cấu đường của đường sắt đô thị tuyến Cát Linh – Hà Đông

Mô hình kết cấu đường sắt không đá bao gồm đường ray, cơ cấu liên kết phụ kiện vào tà vẹt Trong hệ thống đường sắt này, tính đàn hồi của đường sắt chủ yếu do đệm cao su dưới ray cung cấp Ray và tà vẹt coi là 1 lớp chung có độ cứng và cản tương đương

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

Nghiên cứu sử dụng phần mềm Simpack để mô phỏng mô hình tính toán động lực học toa xe ĐSĐT tuyến Cát Linh – Hà Đông Phần mềm Simpack do công ty INTEC của Đức sản xuất, là một phần mềm phân tích, mô phỏng động lực học

Hình 2-4 Mô hình bánh toa xe Hình 2-5 Mô hình giá chuyển hướng

Hình 2-6 Mô hình thân toa xe Hình 2-7 Mô hình toa xe

Hình 2-3 Mô hình tính toán mô phỏng dao động kết cấu đường trong mặt cắt dọc và mặt cắt ngang đường

10

* Các kết quả:

Khi vận tốc đoàn tàu V=30 km/h Giá trị lớn nhất của tải trọng động tác dụng lên ray

là 48,652 kN Khi vận tốc đoàn tàu V = 50 km/h Giá trị lớn nhất của tải trọng động tác dụng lên ray là 52,883 kN và khi vận tốc đoàn tàu V = 80 km/h Giá trị lớn nhất của tải trọng động tác dụng lên ray là 59,228 kN

Hình 2-8 Biểu đồ tải trọng động khi tàu chuyển với các vận tốc khác nhau

Bảng 2-2 Hệ số động của đoàn tàu tuyến

Cát Linh – Hà Đông theo phương pháp

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

35 40 45 50 55

Thêi gian (s)

B¸nh xe bªn tr¸i B¸nh xe bªn ph¶i

35 40 45 50 55 60

1.0 1.1 1.2 1.3 1.4