Nghiên cứu đánh giá mỏi cầu đường sắt la thọ KM811+012

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐỖ ĐỨC VƢƠNG NG N CỨU Đ N G MỎI CẦU ĐƢỜNG SẮT LA THỌ KM811+012 LUẬN VĂN T ẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG Đà Nẵng - Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐỖ ĐỨC VƢƠNG NG N CỨU Đ N G MỎI CẦU ĐƢỜNG SẮT LA THỌ KM811+012 Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình giao thơng Mã số : 858.02.05 LUẬN VĂN T ẠC SĨ NGƢỜ ƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN LAN Đà Nẵng - Năm 2019 ii NG N CỨU Đ N G MỎ CẦU ĐƢỜNG SẮT LA THỌ KM811+012 Học viên: Đỗ Đức Vương Chuyên ngành: Kỹ thuật XDCT giao thông Mã số: 85.80.205 Khóa: 36.XGT Trường Đại học Bách Khoa – ĐHĐN Tóm tắt: Luận văn nghiên cứu tổng quan phá hoại mỏi cầu thép; sở lý thuyết đánh giá tuổi thọ mỏi cầu thép theo phương pháp tiêu chuẩn đánh giá cầu châu Âu, Mỹ sở hư hỏng mỏi tích lũy Palm-Miner; sở phương pháp xác định hư hỏng tích lũy mỏi từ phổ ứng suất phân tích đo đạc theo thời gian hoạt tải di động gây cầu thép Một chương trình thực nghiệm đo đạc phổ ứng suất động cho đoàn tàu chạy qua cầu thép đường sắt La Thọ thực để làm liệu đầu vào cho toán đánh giá tuổi thọ mỏi lại cầu thép La thọ tuyến đường sắt BắcNam Việt Nam Từ khóa: Độ bền mỏi, khoảng ứng suất, tải trọng lặp, đếm dòng mưa, số vòng lặp tải STUDY ON RAILWAY RIDING ASSESSMENT LA THO KM811 + 012 Summary: The thesis studies an overview of the fatigue damages of each steel bridge; theoretical basis for evaluation the remaining fatigue servilife of steel bridges according to the standard method for assessing bridges of Europe and America on the basis of Palm-Miner's accumulated damage; basis of the method for determining accumulated damage from stress spectras due to analysis or measurement over time due to live loads on steel bridges An experimental program of measuring dynamic stress spectras for trains running through La Tho steel steel bridge was made as input data for the problem of evaluation the remaining fatigue life of La Tho steel bridge on the North-South railway of Vietnam Key words: Fatigue strength, stress range, repeat loads, rainflow counting, load cycles iii MỤC LỤC LỜ CAM ĐOAN i TÓM TẮT ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH vii MỞ ĐẦU .1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu .1 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiển đề tài nghiên cứu C ƢƠNG TỔNG QUAN ĐỘ BỀN MỎI KẾT CẤU CẦU 1.1 Tổng quan mạng lưới Đường sắt Việt Nam 1.2 Hư hỏng mỏi kết cấu thép cầu thép 1.2.1 Khái niệm mỏi kết cấu thép .4 1.2.2 Bản chất 1.2.3 Đặc điểm bề mặt gãy mỏi 1.2.4 Đường cong mỏi .7 1.2.5 Những tiêu chí phá hoại mỏi 1.2.6 Những yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi cầu giàn thép 11 1.3 Kết luận Chương 17 C ƢƠNG P ƢƠNG P P Đ N G TUỔI THỌ MỎI CẦU THÉP 18 2.1 Thiết kế mỏi kết cấu thép theo .18 2.2 Tính tốn tích lũy hư hại mỏi 31 2.2.1 Tích lũy hư hại theo Miner 32 2.3.2 Xác suất hư hỏng cấu trúc 35 2.3.3 Tải trọng dao động 36 2.4 Dự báo tuổi thọ mỏi lại cầu thép (Cơ sở đánh giá mỏi) 37 2.4.1 Đánh giá cầu thép theo TTGH mỏi (ở Mỹ) 37 2.4.2 Đánh giá cầu Anh Quốc châu Âu 40 2.5 Kết luận Chương 48 iv C ƢƠNG THỰC NGHIỆM Đ N G TUỔI THỌ MỎI CẦU THÉP ĐƢỜNG SẮT .49 3.1 Lựa chọn Cơng trình thực nghiệm 49 3.2 Thiết kế chương trình thực nghiệm 50 3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống đo đạc chẩn đoán tuổi thọ mỏi 50 3.2.2 Giao diện tính chương trình FAPRE .50 3.2.3 Giới thiệu thiết bị 52 3.2.4 Bố trí giàn thép sơ họa vị trí đo giàn thép 52 3.3 Kết đo đạc thực nghiệm trường 54 3.4 Phân tích kết thực nghiệm so sánh với phân tích l thuyết 58 3.5 Kết luận Chương 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .78 TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊN G AO ĐỀ TÀ LUẬN VĂN (BẢN SAO) v DAN aio ai1 ai2 ai3 AASHTO ĐSVN TTL TTM MỤC CÁC TỪ V ẾT TẮT Điểm đo kênh ai0 Điểm đo kênh ai1 Điểm đo kênh ai2 Điểm đo kênh ai3 Hội chuyên gia đường giao thông Hoa Kỳ Đường Sắt Việt Nam; Tải trọng lặp; Tải trọng mỏi ; vi DAN Số hiệu Tên bảng bảng 1.1 MỤC C C BẢNG Mối quan hệ thành phần hóa học đặc trưng học vật liệu Trang 11 1.2 Ảnh hưởng kích thước hạt tới độ bền mỏi 12 1.3 Các giới hạn bền mỏi số loại vật liệu 13 1.4 Ảnh hưởng hình dáng mặt cắt ngang mẫu tới khả chống phá hủy mỏi 15 2.1 Các loại chi tiết bị mỏi tải trọng gây 18 2.3 Hằng số loại chi tiết, A 30 2.4 Các chu kỳ lượt xe tải chạy qua, n 31 2.5 Giới hạn mỏi - biên độ không đổi 31 3.1 Giá trị Ứng suất chu kỳ thu tàu 60 3.2 Giá trị Ứng suất chu kỳ thu tàu 62 3.3 Giá trị Ứng suất chu kỳ thu tàu 65 3.4 Giá trị Ứng suất chu kỳ thu tàu 67 3.5 Các giá trị thu gây ảnh hưởng đến đến chi tiết đo 69 3.6 Các giá trị thu gây ảnh hưởng đến đến chi tiết đo 76 vii DAN MỤC C C Số hiệu ÌN Tên hình hình Trang 1.1 Bản đồ tổng quan mạng lưới đường sắt Việt Nam 1.2 Vết nứt xuất dầm, giàn thép 1.3 Quá trình phát triển vết nứt tải trọng lặp kết cấu thép 1.4 Đường cong mỏi Voler 1.5 Đồ thị ứng suất giới hạn Đường cong thực nghiệm biểu diễn biên độ giới hạn hệ 1.6 1.7 1.8 toạ độ (a - m) Đường cong Voler hệ trục logarit Biểu đồ quan hệ ứng suất biến dạng dùng để xây dựng tiêu lượng 10 1.9 Chu trình ứng suất 12 2.1 Đường cong tuổi thọ S-N 32 2.2 L thuyết Palmgren – Miner mở rộng 35 2.3 Xác suất hư hỏng 35 2.4 Hệ số rủi ro J 36 2.5 Các dạng tải trọng theo thời gian 37 2.6 Trình tự đánh giá mỏi cầu thép cũ theo Eurocode 44 2.7 Đánh giá sơ hệ số an tồn mỏi 45 2.8 Tính tốn hư hhỏng tích lũy mỏi 46 3.1 3.2 3.3 Sơ đồ khối hệ thống thu thập số liệu biến dạng động chẩn đốn tuổi thọ mỏi Giao diện chương trình FAPRE- giới thiệu hệ thống Bảng tra giá trị Ni lấy từ đường cong sức kháng mỏi S-N (TC AASHTO 2011) 50 51 51 3.4 Sơ đồ bố trí hệ giằng thượng mặt đứng dầm giàn 52 3.5 Sơ đồ bố trí hệ giằng hạ - mã hạ hệ đà sàn 52 viii Số hiệu Tên hình hình 3.6 3.7 3.8 Hình ảnh cầu La Thọ KM811+012 Sơ đồ bố trí vị trí đặt điểm đo mã hạ đo đoàn tàu số số Sơ đồ bố trí vị trí đặt điểm đo mã thượng đo đoàn tàu số số Trang 53 53 54 3.9 Bố trái vị trí cần đo 54 3.10 Máy đo hỗ trợ từ xa hệ thống WIFI 55 3.11 Chuyến tàu 1: Lúc 15:19 phút ngày 19 tháng năm 2019 55 3.12 Chuyến tàu 2: Lúc 16:34 phút ngày 19 tháng năm 2019 56 3.13 Chuyến tàu 3: Lúc 18:04 phút ngày 19 tháng năm 2019 56 3.14 Chuyến tàu 4: Lúc 06:27 phút ngày 20 tháng năm 2019 57 3.15 Tàu aio (xanh - dọc mã hạ - hạ lưu) 58 3.16 Tàu - ai1 (trắng - dọc mã hạ - thượng lưu) 58 3.17 Tàu – ai2 (xanh biển - dọc giữa) 59 3.18 Tàu – ai3 (đỏ - ngang - HL) 59 3.19 Tàu – aio (xanh - dọc mã hạ - hạ lưu) 60 3.20 Tàu – ai1 (trắng - dọc mã hạ - thượng lưu) 61 3.21 Tàu 2- ai2 (xanh biển - dọc giữa) 61 3.22 Tàu 2- ai3 (đỏ - ngang - HL) 62 3.23 Tàu – aio (xanh - dọc mã thượng) 63 3.24 Tàu – ai1 (trắng - đứng) 63 3.25 Tàu – ai2 (xanh biển - xiên) 64 3.26 Tàu – ai3 (đỏ - ngang mã thượng) 64 3.27 Tàu – aio (xanh - dọc mã thượng) 65 3.28 Tàu – ai1 (trắng - đứng) 66 3.29 Tàu – ai2 (xanh biển - xiên) 66 3.30 Tàu – ai3 (đỏ - ngang mã thượng) 67 74 Đoàn STT tàu (1) (2) Vị trí đo (3) ai1 (trắng đứng) ai2 (xanh biển - xiên) Thứ tự (4) 10 10 10 11 Ứng suất Chu kỳ tính tốn (ni) Giá trị chu kỳ tra bẳng (Ni) (5) (6) (7) 2,66 3,04 3,42 3,8 2,05 4,1 6,14 8,18 10,24 12,29 14,33 16,38 18,43 20,48 4,11 8,23 12,34 16,46 20,57 24,69 28,8 32,92 37,03 41,15 43 12 269 20 17 12 0 250 27 0 0 0 - Giá trị hƣ hại đoàn tàu (D) (8) - ƣ hỏng tích lũy cho đồn tàu (max) (9) Giá trị chọn ( G y ảnh hƣởng lớn nhất) (10) - LOẠ - LOẠ Ghi 75 Đoàn STT tàu (1) (2) Vị trí đo (3) ai3 (đỏ ngang mã thƣợng) Thứ tự (4) 10 11 Ứng suất Chu kỳ tính tốn (ni) Giá trị chu kỳ tra bẳng (Ni) (5) (6) (7) 4,21 8,41 12,62 16,83 21,03 25,24 29,44 33,65 37,86 42,06 867 106 26 11 1 0 - Giá trị hƣ hại đồn tàu (D) (8) - ƣ hỏng tích lũy cho đoàn tàu (max) (9) Giá trị chọn ( G y ảnh hƣởng lớn nhất) (10) - LOẠ Ghi + Đo đoàn tàu vị trí ( đồn tàu đo vị trí giống nhau, đồn tàu đo vị trí giống nhau) Kết cho ra: vị trí ảnh hưởng bất lới chọn, cịn lại loại Dựa biểu đồ ứng suất chu kỳ vật liệu thép theo tiêu chuẩn AASHTO – 2011 + Giá trị chọn đưa vào vào tính tốn hư hại tích lũy cho cầu Tính hư hại tích lũy cho ngày, cho năm, cho hữu hạn để đưa hư hỏng tích lũy cịn lại + D ngày = Hư hại tích lũy chuyến x Lưu lượng tàu ngày + Hư hại tích lũy cho năm : D năm = Dngày x 365 ngày + Hư hại tích lũy hữu hạn: Y năm = 1/D 1năm + Hư hỏng tích lũy cịn lại: Ycịn lại = Y năm – Y năm có 76 Vị trí đo ƣ hỏng tích lũy cho đồn tàu (max) (1) (2) (3) (9) ĐOÀN TÀU ĐOÀN TÀU 3 4 4 ĐOÀN TÀU ĐOÀN TÀU S T T Đoàn tàu Bảng 3.6 Các giá trị thu gây ảnh hưởng đến đến chi tiết đo ƣ hỏng ƣ hỏng T.Số ƣ hại tích lũy tích lũy cho năm Kết Số T.Số năm cho 1 năm khai khai (thời gian sử Ghi năm khai hƣ hỏng ngày thác thác dụng) thác ( 63 (năm) (21 đoàn (365 đoàn lại (năm) năm) tàu) tàu) (năm) (11)=(9)* (12)=(11)*3 (13)=(12) (14)=1/ (15)=(14) 21 Đ.tàu 65 ngày *63 (12) -63năm aio (xanh - dọc mã hạ - hạ lưu) - - - - - - - ai1 (trắng - dọc mã hạ - thượng lưu) ai2 (xanh biển - dọc - HL) ai3 (đỏ - ngang - HL) aio (xanh - dọc mã hạ - hạ lưu) ai1 (trắng - dọc mã hạ - thượng lưu) ai2 (xanh biển - dọc giữa) ai3 (đỏ - ngang - HL) aio (xanh - dọc mã hạ - hạ lưu) ai1 (trắng - đứng) ai2 (xanh biển - xiên) ai3 (đỏ - ngang mã thượng) aio (xanh - dọc mã thượng) ai1 (trắng - đứng) ai2 (xanh biển - xiên) ai3 (đỏ - ngang mã thượng) 1,8E-06 1,9E-06 8,70E-07 9,09E-07 1,73E-06 1,67E-07 1,30E-07 - 3,8E-05 4,0E-05 1,8E-05 1,9E-05 3,6E-05 3,5E-06 2,7E-06 - 0,014 0,015 0,007 0,007 0,013 0,001 0,001 - 0,869 0,914 0,420 0,439 0,834 0,080 0,063 - 72,480 68,924 150,033 143,509 75,531 782,779 1000,217 - 9,48 5,92 87,03 80,51 12,53 719,78 937,22 - 87 81 13 720 937 - 77 Sau q trình phân tích tính tốn ta nhận thấy qua trình sử dụng lâu dài làm cầu bị mỏi tuổi thọ cầu lại khiêm tốn năm sử dụng (giá trị thấp phạm vi nghiên cứu đề tài) Cơng trình cần có biện pháp xử l tăng cường sửa chửa thay ( vi dụ : Giảm tốc độ chạy tàu, tàu qua cầu tốc độ 80Km/h, gia cường vào số vị trí yếu cầu thép La Thọ KM811+012 ) để đảm bảo an tồn khai thác cơng trình cầu Đường Sắt La Thọ KM811+012 3.5 Kết luận Chƣơng Qua kết thực nghiệm phổ biến dạng động số chi tiết cầu đường sắt chuyến tàu chạy qua ngày Từ phổ biến dạng nhân với mô đun đàn hồi thép để chuyển sang phổ ứng ứng suất Từ phổ ứng suất thu được, sử dụng phương pháp đếm theo dòng mưa (rainflow) tích hợp phần mềm DIADEM (hoặc lệnh phần mềm MATLAB) tính khoảng ứng suất số vòng lặp tải tương ứng Căn đường cong mỏi S-N chi tiết số liệu phân tích dịng mưa thu tính hư hỏng tích lũy chi tiết chuyến tàu chạy qua từ xác định tổng tuổi thọ cầu Tuổi thọ lại cầu tổng tuổi thọ trừ số tuổi cầu đến thời điểm 78 KẾT LUẬN VÀ K ẾN NG Ị Kết luận Luận văn hệ thống hóa nội dung đánh giá mỏi cầu thép đánh giá tuổi thọ mỏi lại cầu thép Phương pháp đánh giá mỏi cầu thép theo lý thuyết hư hỏng tích lũy Palm-Miner áp dụng dựa phổ ứng suất đo thực nghiệm chi tiết cầu đường sắt tải trọng tàu lửa gây Kết đo thực nghiệm vá tính tốn tuổi thọ mỏi cịn lại cầu đường sắt La thọ năm sử dụng (giá trị thấp phạm vi nghiên cứu đề tài), nên cần có biện pháp gia cường sửa chữa cầu để đảm bảo an toàn khai thác Kiến nghị Lý thuyết đánh giá mõi gần chuyển sang sử dụng phương pháp học rạn nứt để tính tốn Sử dụng học rạn nứt cho phép xác định lan truyền phát triễn vết nứt mỏi nên kiến nghị sử dụng phương pháp để đánh giá tuổi thọ mỏi cịn lại cầu thép phù hợp Hiện nay, Các cơng trình cầu Đường sắt sử dụng lâu năm, củ kỹ nên xuống cấp trầm trọng ảnh hưởng đến an tồn gia thơng Đường Sắt Nên việc đánh giá tuổi thọ cầu Đường Sắt quan trọng khẩn cấp Nên việc áp dụng nhiều phương pháp đo tính tốn để có kết luận gần để đảm bảo an toàn giao thông Đường Sắt TÀ L ỆU T AM K ẢO Tiếng Việt [1] Bộ giao thông vận tải (2005), Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 [2] Bộ giao thông vận tải (2017) Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường TCVN 11823[3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] 6:2017 Lê Đắc Chỉnh (2000), Phân tích độ bền mỏi tuổi thọ cáp cầu Dây Văng, Tạp chí Cầu đường Việt Nam, Số 09 Phan Văn Khơi (1997), Tuổi thọ mỏi kết cấu thép biển, Nhà xuất KHKT, Hà Nội Nguyễn Lan (2019), Hoạt tải đánh giá khả chịu tải Cơng trình cầu, Nhà xuất Xây dựng số 10 Hoa Lư – Hà Nội Ngô Văn Minh – Đánh giá công trình cầu theo tiêu chuẩn AASHTO LRFR 2011 – Nhà xuất Xây dựng – 2016 (122 trang) Nguyễn Văn Phái Nguyễn Văn Việt (2004), Tính Tốn độ bền mỏi, Nhà xuất KHKT, Hà Nội Ngô Văn Quyết – Cơ sở Lý thuyết mỏi – NXB Giáo dục – 2000 (272 trang) Nguyễn Viết Trung, Nguyễn Lan, Đỗ Hữu Thắng (2012), Tính tốn tuổi thọ mỏi cầu thép kết kiểm định quan trắc trường, Kỷ yếu hội nghị học Toàn quốc tháng 12/2012 Tiếng Anh [10] B.Kuhn, M.Lukic, A.Nussbaumer, H.-P.Gunther, R.helmerich, S.Herion, M.Kolstrin, S.Walbridge, B.Androic, O.Dijkstra, O.Bucak (2008), Assessment of Existing Steel Structures: Recommendations for Estimation of Remaining Fatigue Life [11] FHWA-NHI-16-016 (2016), Design and Evaluation of Steel Bridges for Fatigue and Fracture – Reference Manual ... tiện qua lại Đánh giá tuổi thọ mỏi lại cầu thép đường sắt nội dung quan trọng kiểm định đánh giá cầu cũ đường sắt, nhằm dự đốn tuổi thọ cịn lại cầu làm sở cho tổ chức khai thác cầu để đảm bảo... lưu thơng qua cầu Bản thân công tác ngành Đường Sắt, học viên chứng kiến nhiều cầu xuất nhiều hư hỏng mỏi cầu Đường Sắt cũ nên lựa chọn đề tài : “ nc u n mỏi cầu Đường Sắt La Thọ KM811+012? ?? Do... tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu sở l thuyết tính tốn tuổi thọ mỏi cầu thép - Thực nghiệm đo phổ ứng suất động 01 cầu thép thực tế làm sở đánh giá tuổi thọ mỏi cầu thép đường sắt Đối tƣợng phạm vi nghiên