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

Bộ giáo dục v đo tạo trờng đại học giao thông vận tải - luận văn tốt nghiệp thạc sỹ khoa học kỹ thuật chuyên ngnh: Xây dựng đờng sắt mà số chuyên ngnh: 60.58.35 Tên đề ti: sở khoa học tính toán kết cấu tầng đờng sắt cao tốc Giáo viên hớng dẫn: PGS-TS Nguyễn Thanh Tùng H Nội, tháng 12 năm 2008 Lời nói đầu Để hon thnh đề ti ny đà nhận đợc giúp đỡ quý báu thầy giáo trực tiếp hớng dẫn Cho phép by tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS-TS Nguyễn Thanh Tùng, ngời đà tận tình hớng dẫn suốt trình học tập, nghiên cứu Tác giả xin chân thnh cảm ơn giúp đỡ nhiệt tình, ý kiến đóng góp quý báu thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp Bộ môn Đờng sắt-Khoa Công trình, Trờng Đại học Giao thông vận tải Trong trình thực đề ti cố gắng tự nghiên cứu nh thu thập ti liệu có liên quan với mong muốn đợc đóng góp phần nhỏ bé công học tập, nghiên cứu vo phát triển trờng, ngnh Đờng sắt Với hạn chế việc tiếp cận công nghệ v phơng pháp nghiên cứu mới, luận văn tránh khỏi nhìn nhận cha đợc tổng quan, nữa, khuôn khổ luận văn thạc sỹ kỹ thuật, chắn cha thể đáp ứng đợc đầy đủ vấn đề đặt Tác giả xin chân thnh cảm ơn v nghiêm túc tiếp thu ý kiến đóng góp nh khoa học, thầy cô v bạn đồng nghiệp H Nội, tháng 12 năm 2008 Tác giả Lê Quang Hng sở khoa học tính toán kết cấu tầng đờng sắt cao tốc Mở đầu Sự cần thiết đề ti nghiên cứu Hiện nay, tích cực triển khai nghiên cứu khả thi tuyến đờng sắt cao tốc Bắc Nam, tuyến đờng huyết mạch chạy di theo xơng sống đất nớc Cùng với hệ thống đờng cao tốc, đờng không, có mạng lới giao thông đại, thuận tiện cho việc giao lu phát triẻn kinh tế v văn hoá Vấn đề cần quan tâm l chạy tu với tốc độ bao nhiêu, lựa chọn mô hình no, thời điểm triển khai cho phù hợp với điều kiện thực tiễn v nhu cầu phát triển kinh tế Thực tế đòi hỏi phải có sở lý luận để tính toán thiết kế v vận hnh tuyến đờng sắt cao tốc an ton, đem lại hiệu kinh tế mức độ cao Trong đề ti ny, tác giả ®Ị cËp ®Õn viƯc ®−a c¬ së khoa häc, giải bi toán tính cờng độ tuyến đờng mô hình dầm gối tựa đn hồi, mô hình đợc nhiều nớc giới thừa nhận l sát với thực tế lm việc đờng ray mô hình truyền thống dầm đn hồi Mục tiêu đề ti - Đa sở lý luận cho việc áp dụng mô hình dầm gối tựa đn hồi - Giải bi toán tính cờng độ tuyến đờng dới tác dụng tải trọng tĩnh với loại đầu máy v kết cấu tầng cụ thể - Kiểm toán kết cấu tầng đờng sắt cao tốc (V=200km/h) công thức tính toán thực dụng đờng sắt Trung Quốc Phơng pháp nghiên cứu Vận dụng lý thuyết häc kÕt cÊu, søc bỊn vËt liƯu, tham kh¶o lý luận đờng sắt cao tốc nớc nh kết thực nghiệm để giải vấn đề đặt Phạm vi nghiên cứu Đề ti tập trung nghiên cứu số vấn đề sau; - Tình hình phát triển đờng sắt cao tốc giới nh thông số đặc trng tốc độ, điều kiện kỹ thuật Nghiên cứu sở lý luận để phát triển đờng sắt cao tốc - Xây dựng mô hình tính toán kết cấu tầng mô hình dầm gối tựa đn hồi v giải bi toán phơng pháp mô men - Cơ sở lý luận lựa chọn kết cấu tầng cho đờng sắt cao tốc - Bớc đầu áp dụng kiểm toán kết cấu tầng với tèc ®é 200km/h ý nghÜa khoa häc vμ thùc tiễn - Góp phần lm sáng tỏ mô hình tính toán kết cấu tầng đờng sắt dầm gối tựa đn hồi - Đóng góp sở lý luận cho việc tính toán kết cấu tầng đờng sắt cao tốc với vận tốc V=200km/h Mở đầu Mục lục Lời nói đầu Mở đầu 1 Sự cần thiết đề ti nghiên cøu Mục tiêu đề ti Phơng pháp nghiên cứu Ph¹m vi nghiªn cøu ý nghÜa khoa häc vμ thùc tiÔn Chơng I: Khái quát đờng s¾t cao tèc 1.1 Tình hình phát triển đờng sắt cao tốc thÕ giíi 1.1.1 Tỉng quan Tr−íc chiÕn tranh thÕ giíi lÇn thø nhÊt 2 Gi÷a hai cuéc chiÕn tranh thÕ giíi Sau chiÕn tranh thÕ giíi lÇn thø II 1.1.2 Kết cấu tầng đờng sắt cao tốc 1.1.3 Đặc trng kinh tế - kỹ thuật đờng sắt cao tèc 13 Tèc ®é kinh tế đờng sắt cao tốc 13 Giíi h¹n tốc độc loại tu cao tốc 15 1.2 Mét sè sở lí luận để phát triển đờng sắt cao tèc 18 1.2.1 TÝnh u việt đờng sắt cao tốc 18 1.2.2 §iỊu kiƯn kỹ thuật đờng sắt cao tốc 19 §é dèc lín nhÊt 19 Bán kính đờng cong nhỏ nhÊt 22 Khoảng cách hai đờng 23 Mét số tiêu kinh tế đờng sắt cao tốc thÕ giíi 23 Ch−¬ng II: Cơ sở tính toán kết cấu tầng cho đờng s¾t cao tèc (V=200km/h) 28 2.1 Kh¸i qu¸t 28 2.2 Xác định tham số đờng 30 2.3 Thnh lập hệ phơng trình dầm liên tục gối đỡ đn hồi 34 2.4 Tính toán cờng độ tuyến đờng dới tác dụng tải trọng tĩnh v tải trọng động 37 2.4.1 Cơ sở khoa học tính toán cờng độ tuyến đờng phơng pháp dầm liên tục gèi tùa ®μn hèi 37 2.4.2 TÝnh c−êng ®é tuyÕn đờng dới tác dụng tải trọng tĩnh v tải trọng động phơng pháp dầm gối tựa đn håi 39 Tính cờng độ tuyến đờng dới tác dụng tải träng tÜnh 39 TÝnh c−êng độ tuyến đờng dới tác dụng tải trọng động 40 2.4.3 TÝnh lùc tíi h¹n PN cho đờng sắt không khe nối 47 Giả thiết 48 Tham sè tÝnh 49 2.4.4 Các công thức kiểm toán 53 KiĨm to¸n ổn định 53 Kiểm toán cờng độ 53 Chơng III: Lựa chọn kết cấu tầng v kiểm toán cho đờng sắt cao tốc 55 3.1 Lựa chọn loại kết cấu tầng 55 3.1.1 Lùa chän lo¹i ray 55 C«ng dụng v tính ray 55 ChÊt l−ỵng vμ vËt liƯu cđa ray 58 ChiÓu dμi ray 59 Th−¬ng tỉn cđa ray 60 Sai sè kÝch th−íc cho phÐp vμ yêu cầu độ phẳng, thẳng ray đờng sắt cao tèc 61 3.1.2 Lùa chän tμ vĐt vμ phơ kiƯn liªn kÕt 63 KÕt cÊu tμ vÑt bê tông liền khối 63 Phơ kiªn liªn kÕt 68 3.1.3 Lớp đá ba lát 70 Vật liệu lm lớp đá ba lát 70 Mặt cắt ngang đá 72 3.2 Kết kiểm toán kết cấu tầng cho đờng sắt chạy với tốc độ V=200km/h 75 3.2.1 Tính toán mô men M0, lực cắt ray Q0, lực tác dụng lên t vẹt R0 chuyển vị gối Y0 dới tác dụng t¶i träng tÜnh 75 Tính phơng pháp dầm đn hồi 75 TÝnh phơng pháp dầm gối tựa đn hồi 77 3.2.2 Tính toán mô men Mđ, lực cắt ray Qđ, lực tác dụng lên t vẹt Rđ, chuyển vị gối Yđ dới tác dụng tải trọng động (tính với tốc độ 200km/h) 88 Tính phơng pháp dầm nỊn ®μn håi 88 Tính theo kết tính toán phơng pháp dầm gối tựa đn hồi 89 So sánh kết tính toán 89 3.2.3 KiÓm to¸n kÕt cÊu 89 Xác định lực nhiệt độ tính toán PN, v ứng suất nhiệt t 90 Xác định ứng suất phận kết cấu tầng 91 KÕt luËn vμ kiÕn nghÞ 93 Tμi liƯu tham kh¶o 95 c¬ së khoa học tính toán kết cấu tầng đờng sắt cao tốc Chơng i Khái quát đờng sắt cao tốc 1.1 Tình hình phát triển đờng sắt cao tốc giới 1.1.1 Tổng quan Lịch sử phát triển đờng sắt cao tốc giới phân số giai đoạn sau đây: Trớc chiến tranh giới lần thứ Trớc đại chiến giới lần thứ (1914 1918), đờng sắt đa số nớc t chủ nghĩa giai đoạn phát triển, chủ yếu việc xây dựng tuyến Hai nớc Anh, Mĩ xây dựng mạng lới đờng bản, công ty đờng sắt để thu hút hnh khách đà bắt đầu nâng cao tốc độ, tiến hnh cạnh tranh Tuyến đờng sắt bờ biển Tây v bờ biển Đông nớc Anh, cạnh tranh nâng cao tốc độ năm liên tiếp, vo tháng năm 1845 tuyến đờng sắt bờ biển Tây từ Luân - Đôn đến Ia ba - đinh, có khoảng cách 868km, sử dụng đầu máy nớc kéo tổng trọng lợng 70 toa khách, hnh trình dừng trạm, vận hnh 32 phút, vận tốc trung bình đạt 101.6km/h Năm 1902 tuyến đờng sắt từ New York đến Chicago có hai tuyến đờng sắt chạy song song bắt đầu cạnh tranh, quy định vận hnh ton tuyến 24h, tuyến di 150km, tốc độ bình quân đạt 64.5km/h, tuyến sau di 1460km, vận tốc trung bình đạt 61.0km/h Đầu máy nớc sau chạy khoảng 50-60km, cần dừng để tiếp nớc; công ty đờng sắt Anh, Mĩ để giảm bớt số lần dừng sử dụng máng nớc, toa xe trình vận hnh hạ ván chắn xuống đờng ray, sóc n−íc vμo toa xe, ng−êi Anh cßn dïng hai toa xe vận tốc máng nớc chạy song song, tiến hnh không dừng xe tiếp nớc Có thể thấy, đơng thời điều kiện kĩ thuật trang bị lạc hậu, để nâng cao tốc độ, công ty đờng sắt đà thực khai thác tất tiềm lực Giữa hai chiến tranh giới Trong đại chiến giới lần I, tốc độ đờng sắt quốc gia Châu Âu bị ảnh hởng chiến tranh nên đà ngừng phát triển chậm lại Sau chiến tranh vo năm 30 , vận tốc đờng sắt lại lần đợc tăng lên lớn Trên tuyến đờng sắt đầu máy nớc năm 30, công ty đờng sắt Mĩ đảm nhiệm tuyến đờng sắt phía Nam, khoảng cách 325.9 km đà đạt vận tốc trung bình 134.8km/h Năm 1936 nớc Đức đà đạt vận tốc cao l 200km/h tuyến đờng Berlin- Hamburg Năm 1928 tuyến đờng sắt Chơng I Khái quát đờng sắt cao tốc sở khoa học tính toán kết cấu tầng đờng sắt cao tốc Đông Bắc London, đon tu mang tên Ngời bay scôt len đà lập kỉ lục chạy liền 630km không dừng Liên tiếp năm 1958, nớc Anh ngy có 26 chuyến tu đầu máy nớc dùng phơng pháp máy nớc tiếp nớc chạy liên tục từ 360-480km không dừng Động đốt đà lm phát triển ngnh đờng sắt Năm 1934 tuyến đờng sắt Thái Bình Dơng dùng đầu máy động đốt kéo toa xe; vận tốc cao đạt 193km/h, khoảng cách 204km đạt vận tốc trung bình 148km/h, Tại Đức, tổ hợp đầu máy động đốt chạy tuyến Berlin đến Hannover tốc độ cao đạt 160km/h, vËn tèc trung b×nh tõ 132km/h – 134km/h Sau chiến tranh giới lần II Giữa đại chiến giới lần II, đờng sắt nớc Âu Châu bị phá hoại chiến tranh, tốc độ tu bị giảm xuống rõ rng, mÃi năm 50, tốc độ tu phục hồi lại mức trớc chiến tranh Tốc độ cao thờng vo khoảng dới 140km/h, cá biệt tới 160km/h, tốc độ du lịch, số tu động điện, động đốt Pháp, Tây Đức, Mĩ đạt khoảng 135 km/h Anh, Italia đạt khoảng 120km/h, tu nớc đạt 110km/h Sau đại chiến giới lần II, công nghiệp chế tạo ô tô v máy bay phát triển nhanh, đờng cao tốc v hng không dân dụng phát triển trở lại Khối lợng vận tải đờng sắt v hnh khách giảm, doanh thu giảm sút Đờng sắt cao tốc phải cạnh tranh với đờng cao tốc v hng không nên đà phát triển trở lại Vo cuối năm 50 Nhật Bản bắt đầu xây dựng đờng sắt cao tốc Tháng 10 năm 1964, thông tu tuyến đờng từ Đông Kinh (Tokyô) đến Tân Đại Bản (Shin Osaka) di 515.4km Từ Đông Kinh đến Đại Bản thời gian chạy tu v máy bay l tơng đơng, m vé tu lại thấp Mặc dù thời gian thông tu cha lâu nhng hầu hết hnh khách đà chuyển sang tu cao tốc Lợng hnh khách máy bay nửa, tuyến đờng hng không ny gần nh dừng hẳn Khối lợng vận tải hnh khách đờng sắt tăng lên nhanh chóng, tuyến đờng hầu nh năm no tăng thêm nhiều Trong thời kì đầu ngy có 30 chuyến tu khách, vận chuyển vạn hnh khách, nhiên bị lỗ Năm 1970, khối lợng hnh khách đạt 8400 vạn ngời, lợi nhuận đạt 164 vạn yên Nhật, năm 1975 ngy có 132 chuyến tu khách, vận chuyển 43 vạn hnh khách, lợi nhuận thu 1818 vạn yên Nhật Tuyến đờng sắt Đông Hải Nhật Bản vận hnh thnh công, đà đa đờng sắt giới khỏi khó khăn, mở đờng xây dựng v phát triển đờng sắt cao tốc Từ sau đờng sắt cao tốc khắp giới phát triển rộng rÃi, tốc độ lúc nhanh Chơng I Khái quát đờng sắt cao tốc sở khoa học tính toán kết cấu tầng đờng sắt cao tốc Đờng sắt cao tốc Nhật Bản phát triển nhanh, năm 1975 xây dựng xong tuyến đờng từ Đại Bản(Shin Osaka) đến Bác Đa(Hakata) di 554km, năm 1982 hon thnh 269.5km từ Omiya đến Nigata Năm 1985 hon thnh 493 km đờng sắt tuyến Đông Bắc Tổng cộng tuyến đờng di 1836km, tuyến ny đợc nối liền nhau, sử dụng đầu máy điện, tốc độ cao đạt từ 220km/h đến 275km/h Một số tuyến đờng sắt cao tốc khác cđa NhËt B¶n nh− Tokyo-Hachinohe dμi 593.1km, tun Takasaki-Nagano, 117.4km, tuyến Shin Yatsushiro-Kagoshima, 127.6km Hiện nay, tuyến đờng sắt cao tốc đợc triển khai xây dựng nh: Hachinohe-Shin Aomori, 81.2km, tuyÕn Shin Aomori- Shin Hakodate, 148.8km, Nagano-Kanazawa, 220.6km, Hakata- Shin Yatsushiro,129.9km Tất tuyến đờng sắt cao tốc ny sử dụng đon tu Shinkansen, đầu máy điện Trong tơng lai, số dự án đờng sắt tiếp tục đợc triển khai nh Shin Tosu-Nagasaki, 129.9km, Kanazawa-Shin Osaka, 254km, Shin Hakodate-Sapporo, 211.5km Điều ny chứng tỏ đờng sắt cao tốc tiếp tục phát triển mạnh mẽ Hình 1.1 Bản đồ hệ thống đờng sắt cao tốc Shinkansen Nhật Bản Chơng I Khái quát đờng sắt cao tốc sở khoa học tính toán kết cấu tầng đờng sắt cao tốc Hình 1.2 Một số hình ảnh tu cao tốc Shinkansen Nhật Bản Đờng sắt cao tốc phát triển mạnh Pháp , họ gắng sức đa tốc độ vợt qua Nhật, mục tiêu họ l 270km/h Năm 1983 xây dựng xong tuyến đờng Đông Pari Lille di 417km, năm 1993 hon thnh tuyến đờng Pari Len xơ di 333km, năm 1994 l tuyến đờng Đông Nam di 121km, năm 1996 hon thnh tuyến đờng vòng quanh Pari dμi 104km tỉng céng c¸c tun cao tèc di 1257km Trên tuyến sử dụng tu TGV, tốc ®é tèi ®a tõ 270 – 300km/h; tμu TGV cã thể chạy đợc tuyến bình thờng đà hạn chế đợc việc phải đổi tu Sau ®i vμo vËn hμnh tμu cao tèc ®· thu hút đợc lợng lớn hnh khách Chơng I Khái quát đờng sắt cao tốc sở khoa học tính toán kết cấu tầng đờng sắt cao tốc Hnh khách sử dụng hng không v đờng cao tốc tuyến khác giảm Tuyến đờng phía đông nam v Đại Tây Dơng có lợi nhuận khoảng 20%, 40% Các tuyến đờng cao sắt cao tốc Pháp nh hình sau: Hình 1-3 Hệ thống đờng sắt cao tốc TGV Pháp Hình 1-4 Một số hình ảnh tu cao tốc TGV Pháp Đức phát triển hệ thống đờng sắt cao tốc ICE từ năm 1991 Cùng năm đó, nớc Đức đà hon thμnh tuyÕn ®−êng tõ Hanover ®Õn Wurzburg dμi 327km vμ tõ Mannheim ®Õn Stuttgart dμi 99km HiƯn ®ang tiÕp tục xây dựng có tuyến Hanover đến Berlin di 264km vμ tõ Koln ®Õn Frankfurt dμi 216km, tõ Wolfsburg Chơng I Khái quát đờng sắt cao tốc K 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6,2345 -23,94 41,407 6,2345 -23,94 41,407 -23,94 6,2345 -23,94 41,407 -23,94 6,2345 6,2345 -23,94 41,407 -23,94 6,2345 6,2345 -23,94 41,407 -23,94 6,2345 6,2345 -23,94 41,407 -23,94 6,2345 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6,2345 -23,94 41,407 -23,94 6,2345 6,2345 -23,94 41,407 -23,94 6,2345 6,2345 -23,94 41,407 -23,94 6,2345 6,2345 -23,94 41,407 -23,94 6,2345 6,2345 -23,94 41,407 -23,94 6,2345 0 0 6,2345 -23,94 41,407 -23,94 6,2345 0 6,2345 -23,94 41,407 -23,94 6,2345 0 0 0 0 6,2345 -23,94 41,407 -23,94 6,2345 -23.94 41,407 -23.94 6,2345 41,407 -23,94 6,2345 C¬ së khoa học tính toán kết cấu tầng đờng sắt cao tốc Chơng III Lựa chọn kết cấu tầng v kiểm toán cho đờng sắt cao tốc 81 Cơ sở khoa học tính toán kết cấu tầng đờng sắt cao tèc  30,02   128,45     293,8     390,37   10,92    1551,06   276,76     815,76  M     427,48   1162,65    198,01   345,53     310,98   151,59     41,49   1,17    10 11 12 14 151,59 13 15 1,17 41,49 310,98 345,53 16 17 18 MTùa 1162,65 1551,06 198,01 427,48 815,76 390,37 276,76 293,8 10,92 30,02 128,45 Nh− vËy, ta cã kÕt qu¶: M2=-30,02 KN.cm ; M8=-276,76 KN.cm ; M3=-128,45 KN.cm ; M9=-815,76KN.cm ; M4=-293,8 KN.cm ; M10=-427,48 KN.cm ; M11=1162,65 KN.cm ; M5=-390,97 KN.cm ; M6=-10,92 KN.cm ; M12=198,01 KN.cm ; M7=1551,06 KN.cm ; M13=-345,53 KN.cm ; M14=-310,98 KN.cm ; M15=-151,59 KN.cm ; M16=- 41,49 KN.cm ; M17=-1,17 KN.cm ; Nh− ta có biểu đồ mômen tựa nh sau: Hình 3-20 Biểu đồ mômen tựa (Mi) gây kết cấu Biểu đồ mômen tải trọng ngoi gây kết cấu biểu đồ mômen tựa cộng với biểu đồ mômen tải trọng tác dụng lên kết cấu Bằng phép cộng biểu đồ mômen, ta có biểu đồ mômen tải trọng trục tác dụng lên ray nh sau: M=Mtua+Mp Chơng III Lựa chọn kết cấu tầng v kiểm toán cho đờng s¾t cao tèc 82 10 11 12 15 16 17 14 151,59 13 1,17 41,49 310,98 345,53 Mtựa 18 1551,06 1162,65 198,01 427,48 815,76 390,37 276,76 293,8 10,92 30,02 128,45 Cơ sở khoa học tính toán kết cấu tầng đờng sắt cao tốc 14 13 14 10 50 10 1551,06 11 12 15 15 16 17 18 13 1,17 12 708.33 41,49 11 151,59 10 310,98 390,37 345,53 293,8 198,01 128,45 16 17 18 1710,27 30,02 1162,65 427,48 815,76 85kN 276,76 10,92 85kN Hình 3-21 Biểu đồ mômen tổng thể tải trọng gây kết cấu Từ biểu đồ mômen, ta xác định đợc biểu đồ lực cắt ray nh sau: 1710,27 ă 30,46 30,24 9,06 8,98 0,5 1,64 2,75 1,61 10 11 12 13 0,57 14 15 16 0,67 17 18 0,0195 2,65 1,83 6,32 6,47 26,05 26,50 54,75 Hình 3-22 Biểu đồ lực cắt ray Chơng III Lựa chọn kết cấu tầng v kiểm toán cho đờng sắt cao tốc 83 Cơ sở khoa học tính toán kết cấu tầng đờng sắt cao tốc Từ biểu đồ lực cắt, ta xác định đợc lực tác dụng tải trọng lên tμ vĐt nh− sau: P QT QP R T¸ch mét phân tố kết cấu, lực tác dụng vo phân tố nh Chiếu lực lên phơng thẳng đứng ta đợc: Qt-Qp+R- P = nên R= P-Qt+Qp vị trí tải trọng tập trung, ta tính toán hon ton tơng tự với P=0 Sau tính toán, ta có đợc kết quả: R1 = -0.5 kN R10 = 20.03 kN R11 = 28.25 kN R2 = -1.14 kN R3 = - 1.11 kN R12 = 21.18 kN R4 = 1.14 kN R13 = 9.63 kN R14 = 2.08 kN R5 = 7.93 kN R6 = 19.73 kN R15 = -0.82 kN R7 = 28.49 kN R16 = -1.16 kN R8 = 21.48 kN R17 = -0.475 kN R18 = -0.195 kN R9 = 15.45 kN Độ lún hay chuyển vị lớn t vÑt: yt = R0 28.49   0.0946 (cm) D 301 Sơ đồ 2: Tải trọng trục bánh thứ đặt khoảng cách t vẹt P P 250 30 30 60 60 60 60 60 60 40 20 60 60 10 60 11 60 12 60 13 60 14 60 15 60 16 60 17 60 18 60 Hình 3-23 Sơ đồ đặt tải tính toán nội lực Chơng III Lựa chọn kết cấu tầng v kiểm toán cho đờng sắt cao tốc 84 Cơ sở khoa học tính toán kết cấu tầng đờng sắt cao tốc Chuyển kết cấu siêu tĩnh dạng kết cấu tĩnh định cách hoá khớp gối Kết cấu nh sau: P P 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Hình 3-24 Kết cấu M2=1 1 10 11 12 13 14 15 16 17 18 M10=1 1 10 11 12 13 14 15 16 17 18 M17=1 1 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Hình 3-25 Biểu đồ mômen Mi=1 gây kết cấu P P PL P P 10 2PL 11 12 P 13 14 15 16 17 18 2P H×nh 3-26 BiĨu đồ mômen tải trọng gây kết cấu Thay số hệ phơng trình trở thnh: 41,407M2-23,94.M3+6,2345.M4= -23,94.M2+41,407.M3-23,94.M4+6,2345.M5= 6,2345.M2-23,94.M3+41,407.M4-23,94.M5+6,2345.M6= 6,2345.M3-23,94.M4+41,407.M5-23,94.M6+6,2345.M7= 6,2345.M4-23,94.M5+41,407.M6-23,94.M7+6,2345.M8+15897,975= 6,2345.M5-23,94.M6+41,407.M7-23,94.M8+6,2345.M9-13985,475= 6,2345.M6-23,94.M7+41,407.M8-23,94.M9+6,2345.M10-13985,475= 6,2345.M7-23,94.M8+41,407.M9-23,94.M10+6,2345.M11+15897,975= 6,2345.M8-23,94.M9+41,407.M10-23,94.M11+6,2345.M12+10598,65= 6,2345.M9-23,94.M10+41,407.M11-23,94.M12+6,2345.M13+1511,11= Ch−¬ng III Lựa chọn kết cấu tầng v kiểm toán cho đờng sắt cao tốc (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) 85 C¬ së khoa häc tính toán kết cấu tầng đờng sắt cao tốc 6,2345.M10-23,94.M11+41,407.M12-23,94.M13+6,2345.M14-29907,061= 6,2345.M11-23,94.M12+41,407.M13-23,94.M14+6,2345.M15+21197,3= 6,2345.M12-23,94.M13+41,407.M14-23,94.M15+6,2345.M16=0 6,2345.M13-23,94.M14+41,407.M15-23,94.M16+6,2345.M17= 6,2345.M14-23,94.M15+41,407.M16-23,94.M17=0 6,2345.M15-23,94.M16+41,407.M17=0 (11) (12) (13) (14) (15) (16) 13 14 86,94 235,79 15 16 12 14,76 11 384,68 10 230,19 17 18 852,46 160,89 746,09 672,3 438,98 574,98 299,92 369,23 206,99 8,84 69,19 Giải hệ phơng trình ta đợc: M8=438,98 KN.cm ; M2=-8,84 KN.cm ; M3=-69,19 KN.cm ; M9=-672,3 KN.cm ; M10=-746,09 KN.cm ; M4=-206,99 KN.cm ; M5=-369,23 KN.cm ; M11=160,89 KN.cm ; M12=852,46 KN.cm ; M6=-299,92KN.cm ; M7=574,98 KN.cm ; M13=-230,19 KN.cm ; M15=-235,79 KN.cm ; M14=-384,68 KN.cm ; M16=-86,94KN.cm ; M17=-14,76 KN.cm ; Biểu đồ mômen mômen Mi gây ra: Hình 3-27 Biểu đồ mômen tựa Mi gây kết cấu Bằng phép cộng biểu ®å m«men, ta cã biĨu ®å m«men tỉng thĨ tải trọng trục tác dụng lên ray nh sau: M=M0+Mp Chơng III Lựa chọn kết cấu tầng v kiểm toán cho đờng sắt cao tốc 86 Cơ sở khoa học tính toán kết cấu tầng đờng sắt cao tèc 85kN 10 11 15 16 17 18 16 17 18 11 13 12 1755,27 1781,98 15 14,76 14 14,76 13 12 86,94 10 230,19 438,98 574,98 14 230,19 574,98 11 160,89 10 438,98 160,89 746,09 746,09 672,3 672,3 299,92 299,92 369,23 369,23 8,84 69,19 206,99 206,99 8,84 69,19 13 1133.33 1275 12 14 15 86,94 235,79 235,79 384,68 384,68 17 18 852,46 16 852,46 85kN H×nh 3-28 BiĨu đồ mômen tải trọng gây kết cấu Biểu đồ lực cắt ray: 45,15 44,77 18,58 0,147 2,7 2,3 18,04 2,57 1,22 10 11 12 13 14 2,48 0,24 15 16 1,2 17 18 2,48 11,15 14,58 40,23 15,12 39,85 Hình 3-28 Biểu đồ lực cắt ray Từ biểu đồ lực cắt, ta xác định đợc lực tác dụng lên gối (lực tác dụng lên tμ vĐt) nh− sau: Ch−¬ng III Lùa chän kÕt cÊu tầng v kiểm toán cho đờng sắt cao tốc 87 Cơ sở khoa học tính toán kết cấu tầng đờng sắt cao tốc R1 = -0.147 kN R2 = -0.853 kN R3 = - 1.3 kN R4 = -0.4 kN R5 = 13.85 kN R6 = 3.43 kN R7 = 25.65 kN R8 = 26.19 kN R9 = 17.36 kN R10 = 16.34 kN R11 = 24.73 kN R12 = 27.11 kN R13 = 15.47 kN R14 = 5.05 kN R15 = kN R16 = -1.28 kN R17 = -0.96 kN R18 = -0.24 kN §é lón hay chun vÞ lín nhÊt cđa tμ vĐt lμ: yt = R0 27.11   0.09 (cm) D 301 3.2.2 Tính toán mô men Mđ, lực cắt ray Qđ, lực tác dụng lên t vẹt Rđ, chuyển vị gối Yđ dới tác dụng tải trọng động (tính với tốc độ 200km/h) Tính phơng pháp dầm đn hồi Mô men động đợc tính theo phơng pháp thực dụng đờng sắt Trung Quốc, công thức (2-16): V= 120 km/h: Mđ120= Mt (1++) víi  lμ hƯ sè tèc ®é:   0.6V 0.6 x120   0.72 100 100  lμ hÖ sè lƯch t¶i:   0.002 xh  0.002 x50  0.1 (siªu cao thiÕu lùa chän lμ 50mm) VËy Mđ120= 1701.456(1+0.72+0.1)= 3096.65 (kN.cm) Khi V=160km/h thì: Mđ160= Mđ120(1+1) với   0.3V1 0.3(160  120)   0.12 100 100 Vậy: Mđ160= 3096.65(1+0.12)= 3468.25 (kN.cm) Khi V=200km/h thì: M®200= M®160(1+2) Víi 2= 0.45V2 0.45(200  160)   0.18 100 100 Vậy Mđ200= 3468.25(1+0.18)= 4092.5 (kN.cm) Tính toán theo công thức (2-17) ta có: Rđ200= 68.67 (kN) Theo (2-18) ta có: Yđ200 = 0.228 (cm) Chơng III Lựa chọn kết cấu tầng v kiểm toán cho đờng sắt cao tốc 88 Cơ sở khoa học tính toán kết cấu tầng đờng sắt cao tốc Tính theo kết tính toán phơng pháp dầm gối tựa đn hồi Tính toán theo công thức (2-16), (2-17), (2-18) với kết nội lực phơng pháp dầm gối tựa đn hồi ta có: M®200 = 4286.21 (kN.cm) R®200 = 68.52 (kN) Y®200 = 0.228 (cm) So sánh kết tính toán Từ kết tính toán , ta có bảng so sánh kết hai phơng pháp tính nh sau: Mô men, lực tác dụng lên t vẹt v chuyển vị tĩnh: Phơng pháp tính M0max(kN.cm) R0max(kN) Y0max(cm) Dầm đn 1701.456 28.55 0.0948 hồi Dầm gối tựa 1781.98 28.49 0.095 đn hồi Mô men, lực tác dụng lên t vẹt v chuyển vị động: Phơng pháp tính Mđmax(kN.cm) Rđmax (kN) Dầm đn 4092.5 68.67 hồi Dầm gối tựa 4286.21 68.52 đn hồi Yđmax (cm) 0.228 0.228 3.2.3 Kiểm toán kết cấu Số liệu đầu vo: Loại ray P60 T vẹt bê tông cèt thÐp dù øng lùc chiỊu dμi L= 2.5m §é dy đệm đờng: h=45cm , bao gồm lớp đá ba lát dy 35cm v lớp đá lót dy 10cm Bán kính đờng cong: R=2800m Bán kính đờng cong đn tính ban đầu: R0 l 02 f 0e Dây cung đo đợc tơng ứng R0 l: l0= 4.0m Đờng tên ban đầu đn tính: f0e=0.27cm Đờng tên ban đầu dẻo: f0p=0.27cm Đờng ray tiếp tục biến dạng đo đợc đờng tên l: f=0.35cm Sức cản đá biến dạng: Q=80N/cm Chơng III Lựa chọn kết cấu tầng v kiểm toán cho đờng sắt cao tốc 89 Cơ sở khoa học tính toán kết cấu tầng đờng sắt cao tốc Ray mới, độ mòn Z=0 Đầu máy TGV, tốc độ kiểm toán 200 km/h Tải trọng tĩnh trục bánh xe: P=170kN Khoảng cách trục cố định: Lcđ=250 cm Độ cứng gối đỡ ray: D=301kN/cm Hệ số tốc độ ảnh hởng lên ray: 0.3Vmax 100 Hệ số lệch tải: =0.002h Siêu cao thiếu cho phép: h=50mm NhiƯt ®é lín nhÊt cđa ray: tmax=600c NhiƯt ®é thÊp nhÊt cña ray: tmin= 00c øng suÊt cho phÐp cđa ray:  r   457 MPa HƯ sè an ton: K=1.25 1.Xác định lực nhiệt độ tính toán PN, v ứng suất nhiệt t + Xác định lực nhiệt độ tính toán theo công thức (2-34): PN Ta cã: 2Q  ( f  f p )Q     '  '  EJ ( f  f e ) R R  (kN) l 02 1 500   víi R    63379.6 (cm) f e x0.27 R ' R0 R nªn 1 1      19.35 x10 6 /cm ' R0 R 63379.6 280000 R Thay số vo công thức ta tính đợc: PN = 2258 (kN) Nh vậy, lực nhiệt độ tới hạn cho phép để đảm bảo điều kiện ổn định l: PN PN K 2258 1807 (kN) 1.25 Lực nhịêt độ nén ray, theo (2-36): Pt= 2.5Ft=2.5x7745x25 = 484062.5 (N) = 484.04 (kN)< PN 1807 (kN) Kết tính toán ny phù hợp với kết thực nghiệm đờng sắt cao tèc Trung Quèc (PN = 2200 kN) + X¸c định ứng suất nhiệt ray: Nhiệt độ khoá đờng: t k  t max  t  c  35 c øng suÊt nÐn ray: Chơng III Lựa chọn kết cấu tầng v kiểm toán cho đờng sắt cao tốc 90 Cơ sở khoa học tính toán kết cấu tầng đờng s¾t cao tèc  tnen  2.5t nen  2.5(60  35)  62.5MPa  6.25 (kN/cm2) øng suÊt kÐo ray:  tkeo  2.5t keo  2.5 x35 87.5MPa 8.75 (kN/cm2) Xác định ứng suất phận kết cấu tầng a Ray: ứng suất nén động ray, theo công thức 2-39:  dnen   dnam   tnen  Md 4286.21 f   tnen  x1.45  6.25  24.56 (kN/cm2) wnam 339.4 øng suÊt kÐo ®éng ray, theo c«ng thøc 2-40:  dkeo   dde   tkeo  Md 4286.21 f   tkeo  x1.45  8.75  24.44 w de 396 (kN/cm2) C¶ hai trị số ứng suất ny nhỏ trị sè øng suÊt cho phÐp:  r   457  365.6 MPa= 36,56 (kN/cm2) 1.25 b Tμ vĐt §èi với t vẹt bê tông cốt thép dự ứng lực, ta không cần tính toán áp lực hay ứng suất mặt đỉnh t vẹt phần dới đế ray +ứng suất bình quân dới đáy t vẹt: b R d 68.52 x10   0.257 (MPa) b.e 950 x 280 ứng suất lớn dới đáy t vẹt hay l ứng suất mặt đỉnh lớp đá ba l¸t:  b max   b m  0.257x1.6 = 0.412 (MPa) <  b  =0.5 (MPa) Trong đó: m l hệ số phân bố ứng suất không + Mô men uốn dơng phần tμ vĐt, theo c«ng thøc 2-41:  d b'  M d  k s    Rd  2e  Trong ®ã: - b’ : chiỊu réng ®Õ ray, b’=150mm - ks : hƯ sè thiÕt kÕ tμ vÑt, th−êng lÊy b»ng - d1: khoảng cách từ tim ray đến đầu t vẹt, d1=500mm - e: chiỊu dμi ®ì cã hiƯu cđa tμ vĐt, e=950mm Thay số v tính toán ta đợc: Md+ = 7.730 (kN.m) + Mô men uốn âm t vẹt, theo công thức 2-42: Chơng III Lựa chọn kết cấu tầng v kiểm toán cho đờng sắt cao tốc 91 Cơ sở khoa học tính toán kết cấu tầng đờng sắt cao tốc 4e 3L2  12.L.d1  8.e.d1  M d   k s Rd   4(3L  2e)   Trong ®ã: L lμ chiỊu dμi tμ vĐt, L=2500 mm Thay số v tính toán ta đợc: Md- = - 6.482 (kN.m) c ứng suất mặt đỉnh lớp đá ba lát v ứng suất mặt đỉnh đờng: ứng suất mặt đỉnh lớp đá ba lát trị số ứng suất dới đáy t vẹt theo công thức (2-25) b max   b m  0.257x1.6 = 0.41 (MPa) < b =0.5 (MPa) Xác định trị sè h1, h2 : theo c«ng thøc (2-26) b 280 cot g 35  200 (mm) e 950 cot g 35  678.3 (mm) h1= cotg = h2= cotg = Chiều dy lớp đá ba lát h = 45cm = 450mm nên h1