Báo cáo kết cấu công nghệ xây dựng phân tích ứng xử động lực học kết cấu đường sắt không ballast qua mô hình 1 và 2 bậc tự do

KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG PHÂN TÍCH ỨNG XỬ ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU ĐƯỜNG SẮT KHÔNG BALLAST QUA MÔ HÌNH VÀ BẬC TỰ DO ThS NGUYỄN XUÂN ĐẠI Học viện Kỹ thuật quân Tóm tắt: Nghiên cứu ứng xử động lực học hệ kết cấu đường sắt tác dụng tải trọng tàu có vai trò quan trọng việc thiết kế xây dựng kết cấu đường sắt Roger Bernard Sonneville phát triển sắt ballast) Kết cấu đường sắt ballast có nhiều hạn hệ kết cấu LVT (Low Vibration Track) cho tuyến đường sắt chạy hầm, xem giải pháp hiệu cho tất loại đường sắt đá ballast áp dụng tốt lĩnh vực xây dựng tàu khai thác sử dụng công trình điện ngầm Hệ thống ứng dụng rộng rãi giới Trong báo này, tác giả vận dụng nghiên cứu phương pháp mô hình hóa hệ kết cấu LVT tác dụng tải trọng tàu chạy nhằm phân tích định kết cấu đường sắt ngày quan ứng xử động lực học kết cấu nghiên cứu ảnh hưởng vận tốc, tải trọng tàu đến dao động hệ làm cần thiết chế độ ổn định hình học động lực học Sự thay đổi thành phần cấu trúc hình dạng lớp đá trình sử dụng làm ảnh hưởng đến trình Sự phát triển khoa học kỹ thuật làm cho tốc độ tàu ngày tăng, vấn đề dao động ổn trọng Việc nghiên cứu ứng dụng dạng kết cấu để đảm bảo đáp ứng phát triển công nghệ xây dựng, phương tiện vận tốc tàu chạy việc Hiện nay, giới tiến hành xây dựng Đặt vấn đề tuyến đường sắt đô thị cách sử dụng kết cấu Công tác thiết kế, xây dựng đường sắt có lịch sử bê tông thay cho lớp đá ballast (đường lâu đời có phát triển đáng kể Hiện nay, sắt không ballast - hình 1) Hệ thống giảm dao động tuyến đường sắt xây dựng chủ yếu cho hệ kết cấu thiết kế lớp đệm hệ thống đường sắt đặt đá ballast (đường đàn nhớt Hình Đường ray không ballast Hệ thống kết cấu cho phép việc xây dựng ảnh hưởng vận tốc, tải trọng phương tiện đến tuyến đường sắt có độ xác cao kích chuyển vị lực tương tác hệ thước hình học, độ ổn định trình lắp đặt Cấu tạo hệ kết cấu đường sắt không ballast khai thác sử dụng, đồng thời đảm bảo khả hạn chế dao động kết cấu Hệ kết cấu đường sắt không ballast, hay gọi hệ “Low Vibration Track” (LVT) [5], thiết kế Mục tiêu báo: Nghiên cứu mô hình hóa hệ động lực học kết cấu đường sắt không ballast, đưa số mô hình tính đơn giản nghiên cứu gồm: ray, hệ đệm kẹp ray, tà vẹt, đệm đàn nhớt tà tẹt, đế cao su bêtông (hình 2) 10 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2014 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Cấu tạo tà vẹt Các thành phần hệ LVT Tà vẹt bê tông không cốt thép Hình Kết cấu đường sắt không ballast Thanh ray giữ hệ kẹp ray đệm ray, tà vẹt cấu tạo khối bê tông độc lập, lắp đặt tạo góc nghiêng 1/20 ray Lớp đá ballast tác dụng giảm chấn thay lớp đệm đàn nhớt đặt phía tà vẹt đế cao su, đế cao su chế tạo để bảo vệ toàn hệ phía (tà vẹt, đệm đàn nhớt) Toàn hệ kết cấu đặt bê tông không cốt thép Trong hệ thống này, tà vẹt khối kết cấu độc lập, tác dụng giảm dao động kết cấu thực thông qua tà vẹt lớp vật liệu đàn nhớt đệm đàn nhớt tà vẹt đế cao su cho phép điều chỉnh dao động miền tần số xuống lớp bê tông Hình dạng thiết kế tính chất vật liệu lớp đế cao su cho phép tiếp xúc tốt với đệm đàn nhớt với đệm đàn nhớt điều chỉnh cho độ cứng hệ kết cấu yếu tác dụng tải trọng động Tùy theo tính chất đường, yêu cầu vận tốc tàu mức độ an toàn, kết cấu LVT phân thành loại: LVT-Standart, LVT-High Attenuation, LVT-Low Profile [5] 3.2 Tải trọng tác dụng - Tải trọng dọc theo ray: xuất gia tốc tàu, ma sát; khác - Tải trọng thẳng đứng: Tải trọng thân Nguyên lý làm việc mô hình tính toán tàu; 3.1 Nguyên lý làm việc hệ Low Vibration Track Khi tàu chạy, tương tác bánh đường ray gây tác dụng động vị trí có khuyết tật ray Cấu tạo hệ kết cấu từ xuống gồm: Thanh ray, hệ kẹp đệm ray, tà vẹt, lớp đệm đàn nhớt, lớp đế cao su bê tông Trong đó: - Thanh ray kết cấu hệ tương tác với phương tiện, có tác dụng tiếp nhận tải trọng tàu phân bố xuống kết cấu bên dưới; - Tải trọng vuông góc với tuyến ray: Xuất khúc cua đường ray 3.3 Các giả thiết tính toán - Tương tác bánh đường ray mô tả - Hệ kẹp ray đệm ray có vai trò giữ ổn định bảo vệ hệ LVT tác dụng tải trọng động, truyền tải trọng từ ray xuống tà vẹt; tải trọng tác dụng ray, tải trọng di động - Thanh tà vẹt: giữ ổn định cho khoảng cách ray truyền tải trọng từ ray xuống lớp dưới; xét đến toán Trong ray - Đệm đàn nhớt tà vẹt có vai trò tiếp nhận tải trọng phân phối xuống lớp đế cao su, giảm dao động cho kết cấu, đặc biệt dao động tần số thấp; đứng; - Lớp đế cao su có vai trò bảo vệ kết cấu phía (tà vẹt, đệm tà vẹt), truyền tải trọng Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2014 với vận tốc không đổi Lực tác dụng theo phương dọc trục ray phương vuông góc với tuyến ray không tồn tải trọng tác dụng động theo phương thẳng - Kết cấu ray tính toán dầm liên tục; - Bỏ qua ma sát lớp vật liệu; - Lớp bê tông coi cứng tuyệt đối 11 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 3.4 Mô hình hóa f  x,t   f  t    x  vt  Từ cấu tạo vật liệu phận hệ LVT, kết cấu LVT mô hình hóa sau (hình 3): f0  t  - hàm tải trọng phụ thuộc vào thời gian, - Thanh ray: sử dụng mô hình dầm EulerBernoulli liên tục; - Hệ kẹp-đệm ray: phần tử đàn nhớt, khối lượng hệ kể đến khối lượng tà vẹt; - Thanh tà vẹt: kết cấu tà vẹt thiết kế đảm bảo khả chịu lực truyền tải trọng xuống kết cấu phía Khối lượng tà vẹt có vai trò quan trọng việc giữ ổn định cho đường ray, tà vẹt tính toán vật cứng tuyệt đối có khối lượng; - Đệm tà vẹt: chế tạo vật liệu đàn nhớt sylomer mô hình hóa phần tử đàn nhớt; - Đế cao su tính toán hệ đàn nhớt (lò xo – cản); - Nền bê tông xem gối ngàm cứng ρ,S,E x f0 (t)δ(x-vt) xác định qua tương tác bánh tàu ray   x  vt  - hàm Đirac, mô tả vị trí tải trọng, phụ thuộc vào vận tốc, thời gian Với hàm tải trọng khả tích miền thời gian, phép biến đổi Fourier ta đưa miền tần số góc theo công thức: f    2   f  t  e i t dt (3)  Như vậy, với hàm thời gian thỏa mãn điều kiện triển khai Fourier, ta biến đổi dạng hàm điều hòa miền tần số góc ω Mô hình hệ kết cấu dao động hệ nhiều bậc tự do, cách giải thông thường phức tạp Do đó, ta đơn giản hóa mô hình theo sơ đồ tính: mô hình hệ bậc tự mô hình hệ bậc tự cho phép thực việc tính toán thuận tiện Mô hình hệ bậc tự - Dầm Euler-Bernoulli y -∞ (2) +∞ liên tục đàn nhớt Thanh ray Hệ kẹp, đệm ray Tà vẹt Tấm đệm tà vẹt Đế cao su Nền bêtông Cơ sở nghiên cứu mô hình dựa vào mô hình tính toán dầm liên tục đàn hồi chịu tác dụng tải trọng động di chuyển, trình bày [3], chương 13 Hình Mô hình hóa kết cấu đường sắt không ballast Phương trình cân dầm Euler – Bernouilli liên tục đàn hồi [3]:  t )  cw(  t )  kw( t )  f ( x,t ) EIw( )( t )  mw( Trong mô hình hóa kết cấu phương pháp giải tích, để nghiên cứu dạng chuyển vị kết cấu (1) ray tác dụng tải trọng di động, nhằm Trong đó, EI - độ cứng chống uốn dầm, m khối lượng phân bố theo chiều dài dầm, c - độ cản nhớt nền, k - độ cứng đơn giản hóa toán ta xem toàn hệ kết f(x,t) - tải trọng di động dầm, với tải trọng có dạng số, biến thiên theo thời gian di động với vận tốc không đổi v, theo tài liệu [3] trang 15, ta biến đổi dạng: ray tính toán dầm Euler-Bernoulli liên tục cấu phía ray đàn nhớt liên tục, tải trọng di động dạng hàm điều hòa Khi đó, chịu tác dụng tải trọng điều hòa di động Các phận phía ray mô tả đàn nhớt (hình 4) y -∞ x ρ,S,E f0e-iωt δ(x-vt) +∞ k,η Hình Mô hình dầm liên tục đàn nhớt Các thông số đặc trưng ray: khối lượng riêng r, mô đun Young Er, tiết diện ngang Sr, mô men quán tính Ir, hệ số đàn hồi hệ số đàn nhớt nền: (k, ), f0 biên độ tải trọng 12 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2014 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Phương trình cân động lực học hệ bỏ qua tác dụng tĩnh trọng lượng thân ray:  r  x,t   kwr  x,t   E r I r wr   x,t    f e  i t   x  vt   r S rwr  x,t    w X    x  vt  ,   Thực phép đổi biến: 4k , w  X ,t   w    x  vt  ,t  Er I r (4) (5) Tìm nghiệm phương trình dạng: wr  Ae  w 'r  i wr ; w ''r   wr ; wr    wr    r   wr  w r  i wr ; w 'r   wr ; w i (  X t ) (6) Biến đổi phương trình, ta thu phương trình đặc trưng có dạng phương trình (7):  Er I r  4   r Sr  2v 2    r S r  i  v   k  i  r Sr   wr    (7) phương trình bậc λ Chuyển vị ray tính toán có dạng theo công thức sau: wr   A je i(  j X   t ) , j   j  i (8) j j 1 Thực tế, chiều thành phần sóng “j” phụ thuộc chặt chẽ vào hệ số j j Do ta phân biệt thành thành phần sóng bên trái thành phần sóng bên phải lực tác dụng [3] Khi đó, phương trình chuyển vị ray tiết diện “0” có dạng:  wr  e it  A1ei1 X  A2 ei2 X  ,X>0  wr  e  it  A1e X  A2 e X  ,X>0    wr  e it A3 ei3 X  A4 ei4 X ,X0 ;    wr  e  i t A4 e  X  A5 e  X  A6 e  X ; X ... Ft(max)= 72. 2463kN 1. 5 Luc tac dung len ta vet (kN) Chuyen vi cua ray tai tiet dien khao sat (mm) KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 0.5 -0.5 -1 -1. 5 -2 -2. 5 -20 -15 -10 -5 X (m) 10 15 20 Hình 10 Phân tích. .. nhớt -5 -10 -15 -20 -30 -20 -10 X (m) 10 20 30 x 10 Mo hinh he 01 bac tu -3 P= 10 kN: Wr(max) =2. 5572mm 1. 5 0.5 -0.5 -1 -1. 5 -2 -2. 5 -3 -30 -20 a) Tải trọng tác dụng tĩnh -10 X (m) 10 20 30 b)... Wr(max)= 32. 929 6mm v =10 0m/s: Wr(max)=43.3 919 mm v = 12 0m/s: Wr(max)= 61. 3 12 8mm 0.04 0. 02 -0. 02 -0.04 -0.06 -0.08 -30 -20 -10 X (m) 10 20 30 Hình Ảnh hưởng vận tốc đến chuyển vị ray 14 Tạp chí KHCN Xây dựng