an ton cho cầu vợt cầu cạn dới 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 phơng tiện tham gia giao thông, tránh đợc sự ùn tắc, tại các tuyến đờng giao nhau thờng đợc xây dựng bằng nút giao lập thể trong đó có sử dụng hệ thống cầu vợt, v cầu cạn. An ton cho cầu vợt cầu cạn đặc biệt l cho trụ cầu vợt cầu cạn l vấn đề cần quan tâm. Bi ny 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 nh công tác quản lý v khai thác nhằm đảm bảo an ton cho ngời, các phơng tiện v 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 nh: thành phố Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh cho thấy, lu lợng xe chạy trên các đờng qua các nút giao thông rất lớn, trong khi đó mạng lới đờng lại quá chật hẹp, chủng loại phơng tiện khá đa dạng, nhiều ngã t đèn xanh đèn đỏ dẫn đến tình trạng ách tắc thờng xuyên xảy ra. Để vừa tiết kiệm đợc quỹ đất vừa giải quyết đợc 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 vợt, cầu cạn và cầu dẫn. Với lu lợng xe lớn, hoạt động suốt ngày đêm thì an toàn giao thông là vấn đề cần đợc quan tâm. An toàn giao thông cho cầu vợt, cầu cạn mà ở đây ta đề cập chủ yếu đến an toàn cho phần trụ cầu vợt, 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 đờng bộ 9m hay trong phạm vi 15 m đến tim đờng sắt đều phải thiết kế cho một lực tĩnh tơng đơng là 1.800.000 N tác dụng ở bất kỳ hớng nào trong mặt phẳng nằm ngang, cách mặt đất 1200 mm. 2.2. Tiêu chuẩn AUSTROADS-92 Trụ cầu vợt không đặt hệ thống barrie cứng thì trụ phải đợc thiết kế cho một tải trọng tĩnh tơng đơng là 1000 kN, va chạm hợp với hớng tuyến chính đi qua dới cầu là 10 0 , cách mặt đất 1.2 m. Nh vậy theo một số quy định về lực va xe ta thấy các tiêu chuẩn đã đa ra đợc giá trị tải trọng va xe nhng không chỉ rõ cấp đờng, tốc độ thiết kế của đờng dới cầu v 65 ngoi ra giá trị tải trọng va xe ny 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, lm tăng giá thnh của công trình. Vì vậy cần phải nghiên cứu v phân tích nhằm đánh giá đúng tác động của tải trọng nói chung v của lực va xô xe cộ nói riêng lên kết cấu cầu vợt, cầu cạn để vừa đảm bảo an ton cho khai thác, vừa phù hợp với điều kiện thực tế ở nớc 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 đợc tính trớc và lúc bắt đầu tiếp xúc của phơng tiện với kết cấu công trình. 3.2. Tác động va đập theo các mức độ hấp thụ năng lợng + Nếu va chạm đàn hồi: năng lợng không bị tiêu hao coi nh không xảy ra biến dạng. + Nếu va chạm không đàn hồi (va chạm mềm): Năng lợng 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 lợng còn phụ thuộc vào hình dạng, kích thớc của bề mặt vật va chạm và góc tiếp xúc giữa phơng tiện và kết cấu công trình, kết cấu phơng tiện. 3.4. Xung lợng va đập Đánh giá tải trọng va xô bằng đại lợng gọi là xung lợng của lực tác dụng F . Theo định lý xung lợng: = t 0 dt.FK 3.5. Đại lợng gia tốc Đại lợng gia tốc a cũng đợc đa vào nh là một thông số dẫn xuất để tính lực va xô theo định luật II Newton: amF r r = Trong động học chất điểm ngời ta có thể biểu diễn gia tốc a qua vận tốc, quãng đờng và thời gian. Mặt khác trong điều kiện trạng thái giới hạn có thể biểu diễn gia tốc a qua các thông số nh: chiều cao, chiều dài, chiều rộng của ôtô - Ta xem độ uốn của kết cấu bằng: y = y 1 + y 2 y 1 , y 2 - chuyển vị của trụ và của tiết diện. N N P y x l - x - Biểu thức đối với động năng có dạng: + + = l 0 2 1 red red 2 l 0 21 x x y . tA2 mI dx t )yy( 2 m K 2 21 s ])t,x(y)t,x(y[ 2 M +++ (1) - Thế năng của cột trụ. 2 K dx x y K2 D dx x y 2 B V 2 1 2 l 0 20 2 l 0 2 1 2 0 + + = (2) - Công của lực dọc trục: 66 dx x y N 2 1 W 2 l 0 = (3) - Để thu đợc phơng trình chuyển động chúng ta sử dụng phơng trình Lagrand bậc hai: nnnn T W T V T K T K dt d = (4) Thay (1), (2), (3) vào (4) ta đợc: [] 0)TT()x(X )5(0)()T()TT( 0)()T()T()T()T( 2 0 =+++ =+++ =++++ && && && && && && && && && Nghiệm của phơng trình (5) nh sau: tsin)tcos1( 2 2 0 2 2 2 2 + = & (6) Lực va chạm: = sin C)t( F m st 5. Tính lực va xe theo phơng pháp kiến nghị Giả sử ô tô chuyển động và va chạm vào trụ dới một góc . Sau khi va chạm vào trụ ô tô theo quán tính đi đợc thêm một quãng đờng 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 - = 2as (7) 2 on v Sau va chạm xe dừng lại, lúc đó v t = 0, công thức (7) trở thành: - = 2as hay 2 on v s2 v a 2 on = Thay các giá trị trên ta có: = = sin l2 v sinl2 sinv a 2 o 22 o Trong (8) ta coi trụ không có biến dạng (tức là công trình an toàn tuyệt đối) Lực va chạm đợc truyền cho trụ theo định luật II Newton: l2 sinvM a.Ma.mF 2 os s === (9) 6. áp dụng Tính lực va xe theo phơng pháp kiến nghị áp dụng phơng trình (9) góc va chạm 20 0 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 Đơn vị 22TCN18-79 Xe H30 22TCN272-01 Xe HL-93 1 Trọng lợng một xe Tấn 30 32.5 2 Trọng lợng trục sau Tấn 2x12 2x14.5 3 Trọng lợng trục trớc Tấn 6 3.5 4 Khoảng cách tim bánh xe mét 1.9 1.8 5 Khoảng cách tim trục xe mét 6 ữ 1.6 4.3 ữ 9 Khối tâm v on vo s l F F T r ụ c ầ u v ợ t c ầ u c ạ n 67 Giá trị lực va xô với từng loại xe thiết kế Xe H30 Tốc độ thiết kế 120 100 80 60 40 Lực va (Tấn) 165.5 114.8 73.48 41.33 18.37 Xe HL-93 Tốc độ thiết kế 120 100 80 60 40 Lực va (Tấn) 115.0 79.8 51.11 28.75 12.77 7. kết luận - So sánh kết quả đã tính toán theo phơng pháp kiến nghị nêu trên với Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN272-01 ta thấy giá trị lực va xô xe cộ đa 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 đợc lực va này tăng lên đáng kể, gây lãng phí quá nhiều, không cần thiết. - Kết quả tính toán theo phơng pháp kiến nghị cho ta thấy giá trị lực va xô tơng ứng với từng cấp đờng, 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 nớc ta. Tài liệu tham khảo [1]. Nguyễn Ngọc Lâm. Các dạng trụ cầu vợt 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 đờng 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 68 . hệ thống cầu vợt, v cầu cạn. An ton cho cầu vợt cầu cạn đặc biệt l cho trụ cầu vợt cầu cạn l vấn đề cần quan tâm. Bi ny nêu một số quan điểm về trụ cầu chịu tác động của tải trọng va xe để. cấu cầu vợt, cầu cạn để vừa đảm bảo an ton cho khai thác, vừa phù hợp với điều kiện thực tế ở nớc ta. 3. Các thông số khi xét đến tác động của lực va xe 3.1. Tác động va đập theo tốc độ va. dụng các loại cầu vợt, cầu cạn và cầu dẫn. Với lu lợng xe lớn, hoạt động suốt ngày đêm thì an toàn giao thông là vấn đề cần đợc quan tâm. An toàn giao thông cho cầu vợt, cầu cạn mà ở đây ta