Nghiên cứu ứng dụng hệ lan can liên kết chìm trên các tuyến đường cao tốc ở Việt Nam

Lan can thép với hệ liên kết chìm tăng cường tại vị trí chân cột (lan can liên kết chìm) được ứng dụng tại các tuyến đường cao tốc ở nhiều nước trên thế giới, đặc biệt là Cộng hòa Pháp, đã chứng tỏ được những ưu thế về mặt kinh tế - kỹ thuật, đồng thời mang lại tính thẩm mỹ bởi kết cấu thanh mảnh. Bài viết nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ lan can liên kết chìm vào các tuyến đường cao tốc ở Việt Nam.

Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Nghiên cứu ứng dụng hệ lan can liên kết chìm tuyến đường cao tốc Việt Nam Nguyễn Trọng Đồng*, Đặng Ngọc Anh, Đỗ Minh Hiếu, Trần Mỹ Hạnh Tổng công ty Đầu tư phát triển Đường cao tốc Việt Nam (VEC) Ngày nhận 2/1/2019; ngày chuyển phản biện 7/1/2019; ngày nhận phản biện 21/2/2019; ngày chấp nhận đăng 27/2/2019 Tóm tắt: Lan can thép với hệ liên kết chìm tăng cường vị trí chân cột (lan can liên kết chìm) ứng dụng tuyến đường cao tốc nhiều nước giới, đặc biệt Cộng hòa Pháp, chứng tỏ ưu mặt kinh tế - kỹ thuật, đồng thời mang lại tính thẩm mỹ kết cấu mảnh Bài viết nghiên cứu khả ứng dụng công nghệ lan can liên kết chìm vào tuyến đường cao tốc Việt Nam Từ khóa: lan can cầu, liên kết chìm, kết cấu thép Chỉ số phân loại: 2.1 Research into applying sunk-jointed rails for expressways in Vietnam Trong Dong Nguyen*, Ngoc Anh Dang, Minh Hieu Do, My Hanh Tran Vietnam Expressway Corporation (VEC) Received January 2019; accepted 27 February 2019 Abstract: Bridge steel rails with sunk joint at the base of the railing column (sunk-jointed rails), which have been applied for expressway projects in many countries around the world, especially in France, have proved their advantages on the economical and technical sides, as well as the aesthetics thank to their slender structure This article presents an overview of the sunk-jointed rails technology and the ability to apply it for expressways in Vietnam Keywords: bridge rails, steel structure, sunk-jointed Classification number: 2.1 Đặt vấn đề Trên tuyến đường cao tốc Việt Nam nay, kết cấu lan can sử dụng chủ yếu lan can bê tông lan can liên hợp bê tông - thép [1] Các lan can đáp ứng mức độ ngăn chặn cho tuyến đường có xe tải trọng lớn lưu thơng với tốc độ cao, nhiên tồn số nhược điểm nặng nề (700-1.400 kg/m dài), thời gian thi công dài thẩm mỹ chưa cao Các lan can thép có cấu tạo mảnh, nhẹ nhàng chưa đáp ứng mức độ ngăn chặn lan can bê tông Xuất phát từ đặc điểm trên, Tổng công ty Đầu tư phát triển Đường cao tốc Việt Nam (VEC) đề xuất với Bộ Giao thông Vận tải (GTVT) cho phép nghiên cứu dạng lan can khắc phục nhược điểm hệ thống lan can cầu Trên sở tham khảo lan can BN4 Cộng hòa Pháp, nhóm nghiên cứu có cải tiến để phù hợp với điều kiện thi công Việt Nam, từ đề xuất lan can thép với hệ liên kết chìm đặt bê tơng mặt cầu nhằm gia cường phần chân cột, đáp ứng mức độ ngăn chặn L4 dành cho tuyến đường cao tốc [2, 3] Đồng thời với kết cấu mảnh, trọng lượng nhỏ làm giảm tĩnh tải tác dụng lên cánh hẫng dầm biên tăng tính thẩm mỹ cho cơng trình Với ưu điểm mình, kết cấu lan can liên kết chìm hứa hẹn khả áp dụng đại trà cho cơng trình cầu tuyến đường Việt Nam Đối tượng phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu lan can thép có hệ liên kết chìm đặt bê tơng mặt cầu * Tác giả liên hệ: Email: trongdong.nguyen@gmail.com 61(8) 8.2019 29 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Phương pháp nghiên cứu nghiên cứu lý thuyết, kết hợp với mô phần mềm thực nghiệm: Nghiên cứu lý thuyết để xác định sở thiết kế lan can cầu Nghiên cứu thực qua việc nghiên cứu tiêu chuẩn thiết kế lan can Mỹ, Anh, châu Âu Việt Nam [4, 5]; xem xét, đánh giá quy định mức độ ngăn chặn, loại phương tiện, vận tốc góc va xơ với lan can; từ đề xuất tiêu chuẩn phù hợp áp dụng cho thiết kế cấu kiện lan can Thông qua việc nghiên cứu tiêu chuẩn thiết kế khác nhau, nhóm nghiên cứu nhận thấy yêu cầu thiết kế lan can tiêu chuẩn dựa quy định mức độ ngăn chặn Đối với nước, đặc điểm phương tiện tham gia giao thơng khác nhau, văn hóa giao thơng khác mà quy định loại xe, tải trọng, vận tốc va chạm, góc va chạm khác Theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN272-05 Việt Nam quy định mức độ ngăn chặn lan can cầu đường cao tốc phải đạt mức độ ngăn chặn L4, có nghĩa lan can phải chịu xe có tải trọng 22 va chạm theo góc 150 với vận tốc 80 km/h Quy định phù hợp với điều kiện Việt Nam nên nhóm nghiên cứu lựa chọn tiến hành thiết kế tính tốn theo Tiêu chuẩn 22TCN272-05 [2] Thiết kế, kiểm toán lan can theo Tiêu chuẩn 22 TCN272-05 Việc thiết kế tính tốn theo tiêu chuẩn kỹ thuật thực với trình tự sau: thiết kế cấu tạo hệ - cột lan can, kiểm tốn lan can theo điều kiện hình học; kiểm tốn lan can theo điều kiện sức kháng; xác định nội lực hệ lan can phần mềm Midas; thiết kế hệ liên kết chìm, bố trí bulong liên kết; kiểm toán bulong đường hàn theo điều kiện tiêu chuẩn; thiết kế bố trí cốt thép cho cánh hẫng dầm biên Theo tiêu chuẩn, điều kiện đảm bảo hình học lan can sau: Trên sở phân tích phi đàn hồi q trình va chạm ô tô lan can, mục 13.7.3.4, 22TCN272-05 quy định điều kiện kiểm toán cho hệ lan can gồm nội dung: Kiểm toán sức kháng: ∑Ri ≥ Ft  Kiểm toán trọng tâm ngoại lực tác dụng: Y = ∑ (RiYi)/∑Ri ≥ He - Điều kiện đảm bảo ô tô va xô không bị lật ngồi lan can Trong đó: Ri - Sức kháng hệ thống lan can (kN); Yi - Khoảng cách từ mặt cầu tới lan can thứ i Ri lan can cần tính trường hợp: Khi xe va vào nhịp lan can, dạng phá hoại gồm số lượng nhịp lan can N lẻ, sức kháng hệ dầm cột: 16 16M M pp   (( N N 1 1)( )(N N 1 1)) P PPP L L R RRR   NL  L Lt NL t Khi vào cột lan hoại gồm lượng nhịp lan can Khixe landạng can,phá dạng hoại gồm Khi xexeva vava vàovào cột cột lan can, can, dạng phá hoại phá gồm số số lượng nhịpsố lanlượng can N N là chẵn, sức kháng hệ dầm cột: nhịp lan can N chẵn, sức kháng hệ dầm cột: chẵn, sức kháng hệ dầm cột: 16 16M M PP  N N 2P PPP L L R RRR   NL  L NL  Ltt Ngồi u vật tốn chi tiết Ngồi yêu cầu cầu kiểm kiểm toán vật liệu, liệu, kiểm tiết bulong, bulong, đường Ngồicáccác u cầu tốn kiểmvề tốn vềkiểm vật tốn liệu,chikiểm tốn đường chi hàn yêu cầu kiểm toán đặc thù cơng tác thiết lan hàntiết yêu cầu kiểm toán đặc thù công tác thiết kế kế bulong, đường hàn u cầu kiểm tốn cơlan can can cầu cầu đặc thù công tác thiết kế lan can cầu Đánh Đánh giá giá khả khả năng làm làm việc việc của lan lan can can Đánh giá khả làm việc lan canthể đánh giá Sau thiết kế, khả làm việc Sau thiết kế, khả làm việc lan lan can can có đánh giá phương pháp sau: phươngSau pháp sau: thiết kế, khả làm việc lan can đánh giágiá pháp việc sau:thử Đánh thử nghiệm Đánh giá thửphương nghiệm động: động: việc thử nghiệm nghiệm động động được tiến tiến hành hành nhiều phương pháp, phổ biến sử dụng xe ô tô va vào mô hình nhiều phương pháp, phổ biến sử dụng xe tơ va vào mơ hình Đánh giá thử nghiệm động: việc thử nghiệm động lan can cầu bố trí bãi thử (hình 2) Ơ tơ có tải trọng, vận tốc góc lanđược can cầu bố trí bãinhiều thử (hình 2) Ơ tơ có tảitrong trọng, vận phổ tốc vàbiến góc va va tiến hành phương pháp, tương tự quy định tiêu chuẩn tương tự quy định tiêu chuẩn sử dụng xe ô tô va vào mơ hình lan can cầu bố trí bãi thử (hình 2) Ơ tơ có tải trọng, vận tốc góc va tương tự quy định tiêu chuẩn ∑Ai/H ≥ ∑Ai/Hmin tuyệt đối Với ∑Ai/Hmin tuyệt đối xác định theo Điều 13.7.3.2.2, Tiêu chuẩn 22TCN272-05 Hình Hình 2 Mơ Mơ hình hình xe xe đâm đâm vào vào lan lan can can Ngoài ra, phương pháp sử dụng Ngoài ra, phương pháp sử dụng vật vật nặng nặng được tạo tạo thế năng tương tương đương đương động va chạm sử dụng (hình 3) động va chạm sử dụng (hình 3) Hình Mơ hình xe đâm vào lan can Hình Các kích thước lan can dạng cột 61(8) 8.2019 Ngoài ra, phương pháp sử dụng vật nặng tạo tương đương động va chạm sử dụng (hình 3) 30 cao [10, 11] Ví dụ so sánh kết thử nghiệm động va xe Khoa học Kỹ thuật Cơng nghệ với mơ phần mềm Abaqus (hình 6) [6] Hình So sánhHình mơ6.phỏng So sánhva mơchạm va chạm Hình Mơ hình va chạm lắc Những phân tích nêu cho thấy rằng, việc sử dụng Những tíchpháp nêu mơ trênphỏng cho động thấy để rằng, việc pháp mô phương đánh giá sử khảdụng phương làm Đánh giá thử nghiệm tĩnh: thử nghiệm tĩnh có phân việc kết cấu lan can cho độ tin cậy cao Chi phí thời thể tiến hành phòng thí nghiệm (hình 4)động để đánh giá khả làm việc kết cấu lan can cho độ tin cậy trực tiếp ngồi cơng trường (hình 5) Với phương pháp thử gian thực phương pháp thấp so với cao.chuyển Chi phí thờiphương gian thực vớinhóm phương pháp thấp lựa so với pháp khác.đối Do nghiên cứunày đề xuất nghiệm tĩnh, hệ thống kích, cảm biến đo lực, vị vàcác chọn phương pháp mô va chạm động để đánh giá khả sử dụng để đánh giá khả chịu lực,phương quan hệ pháp khác Do nhóm nghiên cứu đề xuất lựa chọn phương pháp mô làm việc lan can liên kết chìm phần mềm lực chuyển vị lan can [6-9] dụngđánh Abaqus/Exlicit - đâylàm có uyliên kết chìm va chạm chun động để giá khả việcphần củamềm lan can tín dùng để mơ cơng trình dựa phương pháp phần mềm chuyên dụng Abaqus/Exlicit - phần mềm có uy tín phần tử hữu hạn, cho phép giải vấn đề từ phân tích tuyếncơng tính đơn giản đếntrên mơ tuyếnphần tính tử phức tạp.hạn, cho phép dùng để mơ trình dựa phươngphipháp hữu Mơphân hình lan tơ mơgiản phầnphi tuyến tính giải vấn đề từ tíchcan tuyến tính đơn đến mơdạng tử dạng vỏ mỏng theo kích thước thực tế (hình 7) phức tạp Mơ hình lan can ô tô mô dạng phần tử dạng vỏ mỏng theo kích thước thực tế (hình 7) Hình Mơ hình thử nghiệm tĩnh phòng thí nghiệm Hình Mơ hình va chạm xe tải với lan can liên kết chìm Mơ hình đàn hồi dẻo Von - Mises sử dụng để mô tả ứng xử cấu kiện cột lan can Hệ số Poisson thép miền biến dạng đàn hồi lấy νa=0,3 Hình Mơ hình va chạm củalanxecan tảiđược với lan kết động chìm.tự Đầu cột khaican báoliên chuyển Hình Mơ hình thử nghiệm tĩnh ngồi trường Đánh giá thông qua mô phần mềm chuyên dụng: với phát triển công nghệ thông tin, có nhiều phần mềm chun dụng mơ ứng xử động kết cấu phương pháp phần tử hữu hạn cho độ xác cao [10, 11] Ví dụ so sánh kết thử nghiệm động va xe với mô phần mềm Abaqus (hình 6) [6] 61(8) 8.2019 theo hướng, chân cột có liên kết dạng ngàm nhằm thiên an tồn tính tốn lực tác dụng lên hệ liên kết chìm Ơ tơ mơ xây dựng theo mẫu ô tô thử tải tiêu chuẩn cho mức độ ngăn chặn L4, vận tốc 80 km/h va xô vào lan can với góc tiếp xúc 150 Kết mơ kiểm chứng tính tốn, kiểm toán theo tiêu chuẩn kỹ thuật phục vụ tối ưu hóa thiết kế Nghiên cứu làm việc phận liên kết chìm Bộ phận liên kết chìm chơn bê tơng phân tích, 31 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ nghiên cứu mơ hình thực nghiệm, mẫu thử cột lan can có chiều cao 1,4 m tiết diện chữ H (250 x 250 x mm), liên kết với mặt cầu bulong đường kính 24 mm (liên kết thường) liên kết với mặt cầu thơng qua hệ liên kết chìm (hình 8) Bảng Kích thước lan can Kích thước (mm) Thanh Thanh Thanh Thanh B 150 150 100 90 b 64 64 39 39 t 4 4 R 4 4 Kết kiểm toán theo nội dung tiêu chuẩn cho thấy hệ lan can thỏa mãn điều kiện kiểm tốn hình học: ∑A/H = 0,32 > ∑A/Hmin tuyệt đối = 0,3 Gia cơng liên kết chìm Đồng thời hệ lan can thỏa mãn điều kiện kiểm toán sức kháng tác dụng ngoại lực tiêu chuẩn, theo bảng Bảng Giá trị kiểm tốn sức kháng lan can liên kết chìm Tổ hợp va xe Gia cơng bulong M24 Hình Bố trí mơ hình thực nghiệm Các mẫu thử chịu tác dụng ngoại lực kích thủy lực đạt biến dạng lớn, từ phân tích, đánh giá chế hình thành, phát triển vết nứt, sức kháng cột lan can Để đo đạc chuyển vị mẫu thử q trình thử nghiệm, nhóm nghiên cứu lắp đặt đầu đo chuyển vị, đầu đo vị trí đầu cột đầu đo vị trí thép tăng cường, đầu đo vị trí cạnh bên táp chân cột Kết bàn luận 05 Thiết kế, kiểm toán lan can theo Tiêu chuẩn 22TCN272- Va vào cột lan can Va vào nhịp lan can Rtb (N) Ytb (mm) Rtb (N) Ytb (mm) Giá trị 1.868.914 1.031 1.343.270 1.159 Điều kiện Rtb ≥ Ft = 516.000 N Ytb ≥ He = 1.020 mm Rtb ≥ Ft = 516.000 N Ytb ≥ He = 1.020 mm Kiểm toán Đạt Đạt Đạt Đạt Kết luận Đạt Đạt Kiểm chứng khả làm việc lan can mô động Hệ lan can ô tô thử tải mô theo tỷ lệ 1:1 so với kích thước khối lượng thực tế Các thông số vật liệu lấy theo thiết kế Biến dạng chi tiết hệ lan can thể hình 10; chuyển vị đầu cột thể hình 11; ứng suất lớn vị trí chân cột thể hình 12 lực nhổ bulong chân cột thể hình 13 Thép chế tạo lan can có giới hạn chảy fy=400 MPa, giới hạn bền fu=570 MPa Cấu tạo lan can có dạng hình 9, kích thước trình bày bảng Hình Cấu tạo điển hình lan can liên kết chìm 61(8) 8.2019 Hình 10 Mô biến dạng va xô lan can liên kết chìm 32 Kết tố:Kỹ học Kếtquả thử thửnghiệm nghiệm thể thể hiện Khoa 22 yếu yếu tố: thuật Công nghệ Tương Tươngquan quanchuyển chuyển vị vị lực: lực: Lực kích lớn thử nghiệm liên kết bulong 52 kN (hình 14) Lực kích lớn thử nghiệm liên kết bulong 52 kN (hình 14) lực kích lớn thử nghiệm liên kết chìm 105 kN (hình 15) lực kích lớn thử nghiệm liên kết chìm 105 kN (hình 15) LIÊN KẾT BULONG LIÊN KẾT BULONG 300 300 200 200 100 -60 -60 -50 -40 -30 -20 -10 -50 -40 -30 -20 -10 Chuyển vị Hình 11 Biểu đồ chuyển vị đầu cột Lực 1000 -100 0 10 10 -100 Thời gian Thời gian Chuyển vị Lực Hình 14 đồ vịchuyển vị thử - lực thử nghiệm đốibulong với liên Hình 14 Biểu đồBiểu chuyển - lực nghiệm liên kết kết bulong Hình 14 Biểu đồ chuyển vị - lựcLIÊN KẾT thử CHÌM nghiệm liên kết bulong LIÊN KẾT CHÌM -120 Hình 12 Biểu đồ ứng suất chân cột -120 -100 -100 -80 -80 -60 -40 300 250 200 300 150 250 100 200 50 1500 -20 100 -50 20 50 Thời gian Chuyển vị Lực -60 -40 -20 -50 20 Hình 15 Biểu đồ chuyển vị - lực thử nghiệm đốiThời vớigian liên kết chìm Chuyển vị Lực Cùng hành trình kích, ngoại lực kích tác động lên mẫu lan can liên kết chìm giá đồ trị chuyển lớn gấpvị2 -lần lực nghiệm kíchđối tác với động lênkết mẫu lan can liên Hình 15.có Biểu lựcngoại thử liên chìm Hình 15 Biểu đồ chuyển vị - lực thử nghiệm liên kết thường Điều minh chứng khả chịu lực lan can liên kết chìm tốt kết chìm Cùng hành trình kích, ngoại lực kích tác động lên mẫu lan can liên khả chịu lực lan can thơng thường kết chìm có giá trị lớn gấp lần ngoại lực kích tác động lên mẫu lan can liên Mức độ phá hủy kết cấu: Cùng hànhchứng trìnhkhả kích, lực tác động lêntốt kết thường Điềumột minh năngngoại chịu lực củado lankích can liên kết chìm mẫu lanchịu canlựcliên chìm cóthường giá trị khả kết lan can thông lớn gấp lần ngoại lực doMức kích tác hủy động độ phá kết lên cấu: mẫu lan can liên kết thường Điều minh chứng khả chịu lực lan can liên kết chìm tốt khả chịu lực lan can thông thường Mức độ phá hủy kết cấu: Hình 13 Biểu đồ lực nhổ bulong Việc mơ va chạm động cho thấy số điểm sau đây: nội lực phá hoại xác định mô động nhỏ nội lực xác định tính tốn theo tiêu chuẩn tính tốn theo tiêu chuẩn phương pháp phân tích lực chưa xem xét ảnh hưởng biến dạng đến trình truyền lực Như vậy, theo tiêu chuẩn hệ liên kết chìm thiết kế thiên an toàn, đủ khả chịu lực va chạm động, đảm bảo mức độ ngăn chặn L4 Về biến dạng, ứng suất chân cột đạt tới giá trị giới hạn đàn hồi (450 MPa), chân cột lan can vị trí va xơ bị biến dạng làm việc trạng thái chảy dẻo Tuy nhiên, hệ lan can chưa đạt đến trạng thái phá hoại (