Nghiên cứu hiện trạng và đề xuất giải pháp trước sự xâm thực, ăn mòn tự nhiên một số cầu đường sắt ở khu vực miền trung

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU HIỆN TRẠNG VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TRƯỚC SỰ XÂM THỰC, ĂN MÒN TỰ NHIÊN MỘT SỐ CẤU ĐƯỜNG SẮT Ở KHU VỰC MIỀN TRUNG Mã số: B2017-ĐDN02-28 Chủ nhiệm đề tài: TS PHẠM MỸ Đà Nẵng – Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGHIÊN CỨU HIỆN TRẠNG VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TRƯỚC SỰ XÂM THỰC, ĂN MÒN TỰ NHIÊN MỘT SỐ CẤU ĐƯỜNG SẮT Ở KHU VỰC MIỀN TRUNG Mã số: B2017-ĐDN02-35 Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) PHẠM MỸ Đà Nẵng – Năm 2019 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Tác hại ăn mòn làm giảm chất lượng vật liệu thép (cường độ chịu lực/mô đuyn đàn hồi thép giảm đáng kể), làm giảm tiết diện vị trí hiểm yếu phận kết cấu cầu Do đó, việc bảo trì cầu thép cần thiết, cầu phải đảm bảo giao thông thông suốt cho xe ô tô, xe tải hệ thống đường ray đại diện cho phương tiện quan trọng cho việc vận chuyển hàng hoá dịch vụ xã hội đại Nước ta, đặc biệt khu vực Miền Trung có vị trí địa lý phía Đơng giáp biển, phía Tây bị chắn dãy Trường Sơn nên hàm lượng muối (clorua) khơng khí cao, điều kiện thuận lợi xâm thực, ăn mòn tự nhiên diễn nhanh cơng trình xây dựng kết cấu thép Ví dụ, Thanh Hóa có cầu hàm Rồng; Nghệ An có cầu n Xn; Huế có cầu Sơng Bồ thuộc thị xã Hương Trà, huyện Phong Điền; cầu Nam Ô, TP Đà Nẵng; cầu Chiêm Sơn, Điện Bàn, Quảng Nam; cầu Rù Rì, Quế Sơn, Quảng Nam, v.v., đến Phang Rang có cầu Tháp Chàm Hầu hết cầu bị xâm thực, ăn mòn gây ảnh hưởng đến khả làm việc thẩm mỹ kiến trúc Để đánh giá khả làm việc chúng phải khảo sát mức độ xâm thực, vị trí xâm thực, xây dựng mơ hình phân tích đánh giá lại khả làm việc Từ có sở để đề xuất biện pháp xử lý thích hợp hiệu Cho đến chưa có nghiên cứu đầy đủ cụ thể để đánh giá mức độ an toàn khả làm việc thực tế phận kết cấu cầu đường sắt khu vực Miền Trung xâm thực, ăn mòn tự nhiên nhằm có biện pháp sữa chửa, nâng cấp hay thay hợp lý để đảm bảo điều kiện an toàn, điều kiện kỹ thuật điều kiện kinh tế trình sử dụng Chính vậy, đề tài “Nghıên cứu hıện trạng đề xuất gıảı phá p trước xâm thực ăn mòn tự nhıên số cầu đường sắt khu vực Mıền Trung” cần thiết nhằm khảo sát q trình xâm thực, ăn mòn tự nhiên kết cấu thép cầu đường sắt địa bàn Từ số liệu khảo sát này, mô hình phân tích ăn mòn đề xuất dựa phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để đánh giá lại khả chịu lực thực tế kết cầu xâm thực, ăn mòn tự nhiên phân tích nguyên nhân, cố ảnh hưởng đến kết cấu cơng trình nhằm mục đích đề xuất biện pháp xử lý hiệu cho cơng trình Chương NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ XÂM THỰC ĂN MÒN CẦU ĐƯỜNG SẮT 1.1 Phân tích đánh giá tình hình nghiên cứu giới Theo báo cáo quan đường đường sắt, cầu thép nhiều quốc gia có cấu trúc cũ Chẳng hạn Mỹ, có 122,000 cầu 615,000 cầu nước cần nâng cấp Một vấn đề tương tự tồn Châu Âu, nơi có 66% số cầu 50 tuổi trở lên [1] Điều cho thấy nhiều cầu khơng tương thích với lưu lượng có tải trọng cường độ giao thơng gây vấn đề khả chịu tải mỏi Có 50,000 cầu đường sắt Nhật Bản, nơi nửa sử dụng 60 năm số cầu qua tuổi 100 Với lão hóa, ăn mòn trở thành ngun nhân gây hư hỏng cầu thép, thiệt hại ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ bền cầu thép [2-4] Một số nghiên cứu thực nghiệm điều tra chi tiết bề mặt bị ăn mòn thực số nhà nghiên cứu vài thập kỷ qua để giới thiệu phương pháp đánh giá sức bền lại thép bị ăn mòn [58] Tuy nhiên, để phát triển kỹ thuật đánh giá độ tin cậy, có cách tiếp cận thực nghiệm khơng đủ bề mặt bị ăn mòn thực tế khác Hơn nữa, hạn chế kinh tế, tiến hành kiểm tra cho cấu trúc cầu có tuổi thọ khác ngân sách bảo trì cầu quốc gia Do đó, ngày nay, việc sử dụng phương pháp phân tích số xem đáng tin cậy trình bảo trì sở hạ tầng cầu [9] 1.2 Phân tích đánh giá tình hình nghiên cứu nước Tình hình nghiên cứu ăn mòn hệ thống cầu đường sắt Việt Nam số tác giả đặc biệt quan tâm có nghiên cứu khoa học thiết thực công bố Tác giả Phạm Văn Hệ tập trung nghiên cứu “Phương pháp đánh giá khả chịu mỏi lại dàn cầu thép đường sắt cũ Việt Nam có xét đến ảnh hưởng ăn mòn” [10] Trong nghiên cứu tác giả phát nhiều vết nứt đứt gãy xiên dàn Krupp Đức tác động ăn mòn Một nghiên cứu khác PGS TS Nguyễn Thị Tuyết Trinh [11] Nghiên cứu trình bày số kết đánh giá giải pháp chống ăn mòn tiên tiến có khả áp dụng cho gối thép cơng trình cầu Việt Nam Bài báo nhấn mạnh nghiên cứu giải pháp bảo vệ chống ăn mòn gối thép cấu kiện thép gối cầu nhằm nâng cao tuổi thọ cho cơng trình cầu nói chung cơng trình cầu thị nói riêng vấn đề quan trọng Qua phân tích nghiên cứu nước, khẳng định cách tiếp cận đề tài hướng mới, có ý nghĩa mặt lý luận, khoa học thực tiễn Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH TÁC ĐỘNG ĂN MỊN CẦU THÉP 2.1 Phân tích động lực học phần tử hữu hạn cầu đường sắt 2.2.1 Phương trình chủ đạo tốn a) Phương trình động lực học vật rắn biến dạng Véc tơ vị trí điểm tuỳ ý phần tử chấp nhận mô tả động học thông số đối tượng, phương trình chuyển động thiết lập sau, �[ ( ) ̈ ] = �( ) + �( ) − �( học ) (1) Trong phương trình (1), vế trái đại diện cho biến thiên lượng động phần tử như; ( ) = ] =( ) ̈ (2) �[ ̈ sau, tỷ trọng vật liệ u, ma trận khối lượng tính Trong (3) =()��()� Số hạng cuối vế phải phương trình (1) đại diện cho biến dạng mơ tả số hạng lực đàn dẻo như, (4) �� � =− = −( Trong phương trình (4), ) sử dụng để mơ tả cho lực đàn dẻo suy rộng, định nghĩa như, � (5) =�� Trong động lực học, véc tơ cho sau [12], mơ tả biểu thức sau, Trong vận tốc góc phần tử đối tượng (6) (7) đó, đánh giá hệ toạ độ tồn cục, véc tơ xoay phương trình dĩ véc tơ vị trí tồn cục véc tơ xoay Vì vậy, công ngoại lực mô men thay đổi chuyển vị khả (1) viết như, = () (8) ��()+�( )�=( ) đối tượng, Trong đó, ngoại lực tác động bao gồm lượng thân cho phương trình sau, = �( ) +�( ) (9) Thay phương trình (2) , (4) (9) vào (1), phương trình chuyển động phần tử nhận dạng đọng như, b) Phương trình động lực học vật (10) rắn tuyệt đối Bánh xe lửa tàu hoả có độ cứng lớn so sánh với phận kết cấu khác cầu Vì mơ phỏng, bánh xe tàu hoả xem xét vật rắn tuyệt đối cứng Trong phân tích động lực học, động bánh xe tàu lửa mô tả hệ toạ độ suy rộng viết như, (11) Trong đó, lần lược ma trân ( ) ̇ =2 lượng đường chéo, ten xơ qu án () khối ̇ + ̇ ̇ nghĩa số hạng hệ toạ độ tồn cục sau, tính định (12) = �0 0�, = ( ) cho ten xơ qn tính đối tượng , Trong đó, biểu thị hoán chuyển định nghĩa bốn số hạng , ma trận hoán chuyển cho như, �012 Euler như: = � � 3� = − 2� 2� 2� − 2� − 3� 3� 2� − 2� − 1�2 2� − 2� ma trận ℎ 3�2 2� − (13) − � 2 Phương trình chuyển302 động đối 2với3 vật0 rắn tuyệt đối1 � − 2� − xây dựng cứng � � 2� − 2� � − 2� dạng phổ biến phương trình chuyển động Lagrange với toạ độ suy rộng độc lập Ngồi ra, phương trình chuyển động tính đến ràng buộc tham số Euler, , cách sử dụng kết hợp với nhân tử Lagrange Cuối hệ phương trình chuyển động vật thể tuyệt đối cứng nhận [12], � � −1=0 � � � −� = (14) ̇ ⎨ Trong lực suy rộng tác động lê n đối tượng � � −� � +2 = 2( ) , ma trận phụ ̇ ch tuyến tính vào bốn thơng số Euler, thuộc cá phương trình, lượng mô mem lực suy rộng Trong rộng đạo thời gian (15) λ ̈+ � véc tơ , � = + nhân tử Lagrange, hàm động toạ độ suy rộng đối tượng =− ⁄ Giả sử lửa lực suy véc tơ vận tốc bậc hai xuất = 2� � ̇+ c) Mô tả điều kiện tiếp xúc ray bánh tàu hoả ray bánh xe trọng tâm khối λ � λ cho ℎ hai điểm có tiềm tiếp xúc với nằm tương ứng (xem Hình 1) Body j (Bánh xe hoả) yj Oj xj Y Z Body j zj (Bánh xe hoả) yj Oj xj Pj X d yi yi a) Oi Pi Body i (Ray) xi z n xi Oi i P j Pi t Body i (Ray) b) điểm Hình Cơ chế tiếp xúc: a) Bánh xe lửa ray tách nhau; b) Bánh xe lửa ray tiếp xúc Ngoài ra, thâm nhập bánh xe lửa ray đánh giá tiếp xúc từ biến trạng thái ray hệ thống bánh tàu hoả (16) cho (xem Hình 1), Lực tiếp xúc điểm tiếp xúc xác định sử dụng mơ hình lực tiếp xúc Kelvin-Voigt xem xét hàm với đối số thâm nhập ray bánh xe , nhận [13], (17) lực pháp tuyến, Trong tốc độ thâm nhập bánh xe hoả ray, độ cứng tiếp xúc cản nhớt Sự xác định lần lược hệ số hệ số ̇ ph áp tuyế n lực tiế p xúc trượt thường sử dụng mơ hình Coulobm lực để làm mịn chuyển đổi hệ số ma sát tĩnh động , số phá hoại, ma sát vận tốc Trong ( ) hệ số hai điểm tiềm tiếp xúc tính như, , tuyến Trong (18) vơ hướng pháp tuyến tiếp () (19) với vận tốc điểm tiếp xúc ray bánh xe hoả, véc tơ đơn vị pháp tuyến, định � ̇ ̇ = ̇ (=,) + vé ctơ đơn vị tiế p tuyế n nhận nghĩa xoay véc tơ Ở Tất ngược chiều kim đồng hồ góc cách = ⁄‖ ‖ tha m số phương trình (19) định nghĩa Hình 90 Hợp lực tiếp xúc mô men trọng tâm khối lượng đối tượng xác định cách tương ứng hai phương trình (20), (21), (20) (21) d) Phương trình động lực học hệ thống Tích hợp phương trình động lực học ray, hệ thống cầu (phương trình (10)), bánh xe hoả (phương trình (15)) hệ phương trình ràng buộc (phương trình (20) (21)) cách sử dụng phương pháp nhân tử Lagrange, hệ lực ràng buộc mơ tả hệ phương trình chuyển động nhận như, (22) � ̈+� Trong đó, ma ̈− = � λ− − = trận khối lượng hệ thống, véc tơ lực đàn dẻo suy rộng đối tượng vật rắn biến dạng; véc tơ lực suy rộng bao gồm: ngoại lực, trọng lực, véc tơ vận tốc cầu phương lực qu án tính λ véc tơ nhân tử Lagrange, sử dụng giải lực ràng buộc; mô tả cho véc tơ vận tốc cầu phương, nhận cách đạo hàm hai lần phương trình ràng buộc thời gian, nhận trườnghợpsửdụngcáccơngthứcthamchiếucủahệtoạđộdiđộng;mơ rảmatrậnJacobiancủahệphươngtrìnhràngbuộcđốivớitoạđộsuyrộng; phương trình cho đây, (23) 2.2 Lý thuyết độ tin cậy kết cấu =−� + �� + ̇ � ̇ 2.2.1 Chỉ số độ tin cậy Chỉ số độ tin cậy ký hiệu , sử dụng để định nghĩa số an toàn Chỉ số độ tin cậy tính từ nghiên cứu Cornell [14, 15], cụ thể cho như: R (24) Q = Trương hợp, chứng cho phá hoại kết , điều� này+ minh chịu lực kết cấu khơng an tồn Vì vậy, xác cấu, khả xuất phá hoại biểu diễn như: (25) Dưới giả thiết vể xem xét hàm trạng thái giới hạn phân bố chuẩn biến ngẫu nhiên không tương quan với nhau, số độ tin cậy liên quan đến xác xuât phá hoại cho như: (,)