Nghiên cứu đánh giá tuổi thọ mỏi của tà vẹt bê tông dự ứng lực trên đường sắt đô thị ở việt nam TT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRẦN ANH DŨNG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TUỔI THỌ MỎI CỦA TÀ VẸT BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC TRÊN ĐƯỜNG SẮT ĐÔ THỊ Ở VIỆT NAM Ngành : Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Mã số : 9580205 Chuyên ngành : Xây dựng đường sắt TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2021 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Giao thông Vận tải Người hường dẫn khoa học: GS.TS Phạm Văn Ký Trường Đại học Giao thông Vận tải PGS.TS Lê Hải Hà Trường Đại học Giao thông Vận tải Phản biện 1: GS.TSKH Nguyễn Xuân Trục Phản biện 2: GS.TSKH Nguyễn Thúc Tuyên Phản biện 3: GS.TS Phạm Cao Thăng Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp Trường Đại học Giao thông Vận tải vào hồi … ngày … tháng … năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Quốc Gia Việt Nam - Thư viện Trường Đại học Giao thơng Vận tải CÁC CƠNG TRÌNH Đà CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ Trần Anh Dũng, Trần Thế Truyền, Lê Hải Hà (2019), Nghiên cứu đánh giá tuổi thọ mỏi bê tông dự ứng lực liền khối vị trí đường ngang đường sắt nút giao quốc lộ đường sắt, Hội nghị học kỹ thuật toàn quốc, 40 năm thành lập Viện học, ISBN 978-604-913-854-6, tr 542-549 ThS Trần Anh Dũng (2019), Nghiên cứu sở lý thuyết tính tốn tuổi thọ mỏi tà vẹt bê tông dự ứng lực nhằm nâng cao an toàn chạy tàu, Số đặc biệt Tạp chí GTVT, ISSN 2354-0818, tr 157-161 Tran Anh Dung, Tran The Truyen, Nguyen Hong Phong, Pham Van Ky, Le Hai Ha (2020), Theoretical and experimental research in the assessment fatigue life of prestressed concrete sleeper on the urban railway, The book: Advances in Intelligent Systems and Computing, Volume 1284, pp.327-337, series with ISSN: 2194-5357 by Springer, SCOPUS, DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-62324-1 Tran Anh Dung, Mai Van Tham, Do Xuan Quy, Tran The Truyen, Pham Van Ky, Le Hai Ha (2020), Numerical and experimental study of the dynamic factor of the dynamic load on the urban railway, Journal of Mechanical Behavior of Materials, Volume 29, Issue 1, Pages 195–202, eISSN 2191-0243, ISSN 0334-8938, SCOPUS, DOI: https://doi.org/10.1515/jmbm-2020-0020 ĐẶT VẤN ĐỀ I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Xu phát triển chung thành phố lớn giới gắn liền với hệ thống giao thơng cơng cộng, hệ thống ĐSĐT (ĐSĐT) xương sống Theo Quy hoạch thủ đô Hà Nội xây dựng 12 tuyến với tổng chiều dài 422 km, 346,4 km cầu cạn kết hợp đường, 75,6 km ngầm Đối với TP Hồ Chí Minh xây dựng 08 tuyến với tổng chiều dài 172 km, có 90 km ngầm 82 km cao Để đảm bảo sứ mạng chuyên chở lượng lớn hành khách di chuyển nên phải làm việc liên tục với 18-20 ngày Vì triết lý xây dựng giảm tối thiểu thời gian sửa chữa, nên có độ dư cường độ nhiều, riêng mỏi kết cấu đỡ khơng khơng có độ dư mà cịn chịu tần suất lặp tải trọng đoàn tàu gấp hàng chục lần đường sắt truyền thống Hiện tượng mỏi tượng phức tạp, xảy thời gian hoạt tải lặp sinh ứng suất động nhỏ giới hạn đàn hồi Mỏi gọi tượng phá hủy vật liệu kết cấu gây tải tuần hoàn lặp lặp lại Tà vẹt bê tông phận quan trọng hệ thống đường sắt Nghiên cứu tuổi thọ mỏi tà vẹt bê tông dự ứng lực (TV BTDƯL) hạn chế Sự phá hoại mỏi TV BTDƯL chủ yếu dẫn tới tích lũy hư hỏng gây tải trọng lặp thể tương tác bánh xe ray Hiện nay, chưa có cơng trình nghiên cứu thực nghiệm tuổi thọ mỏi cho TV BTDƯL thực đặc biệt TV BTDƯL cho ĐSĐT Việc xác định tải trọng động ĐSĐT chưa có sở khoa học cơng thức tính tốn Trong q trình tính tốn thiết kế kiểm toán kết cấu trạng thái giới hạn cường độ mà chưa xét đến giới hạn mỏi Trong tiêu chuẩn thiết kế liên quan đến kết cấu tầng ĐSĐT chưa xét đến hệ số tải trọng động chưa xét đến mỏi trình thiết kế TV BTDƯL ĐSĐT Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu tầng ĐSĐT Việt Nam chưa ban hành ĐSĐT có tần suất khai thác chuyến tàu từ 2-5 phút/chuyến nên tượng tải trọng lặp lặp lại tác dụng lên tà vẹt thường xuyên Do nghiên cứu tuổi thọ mỏi cho TV BTDƯL để đánh giá đặc tính sử dụng dự báo tuổi thọ mỏi tà vẹt bê tơng cung cấp tính linh hoạt thiết kế mở rộng nguyên tắc thiết kế kết cấu tầng Kết nghiên cứu dùng để cải thiện quy trình tu bảo dưỡng kết cấu tầng trên, để thiết lập mạng lưới theo dõi tình trạng đường thích hợp thực tế Đề tài: “Nghiên cứu đánh giá tuổi thọ mỏi TV BTDƯL ĐSĐT Việt Nam” đề tài cần thiết II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm xác định hệ số tải trọng động cho ĐSĐT tuyến Cát Linh – Hà Đông để làm sở nghiên cứu mỏi phận kết cấu tầng liên quan khác - Nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm xác định tuổi thọ mỏi TV BTDƯL tuyến ĐSĐT Bến Thành - Suối Tiên - Lập mô số mơ hình đồn tàu - đường ray ĐSĐT tuyến Cát Linh – Hà Đông tuyến Bến Thành – Suối Tiên - Lập chương trình tính tuổi thọ mỏi TV BTDƯL tuyến ĐSĐT Bến Thành – Suối Tiên III NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Nội dung luận án tập trung vào số vấn đề sau: Tổng quan mỏi TV BTDƯL; Nghiên cứu xác định hệ số tải trọng động ĐSĐT Việt Nam; Nghiên cứu xây dựng mơ hình tính tốn tuổi thọ mỏi TV BTDƯL cho ĐSĐT Việt Nam; Nghiên cứu thực nghiệm xác định tuổi thọ mỏi TV BTDƯL cho ĐSĐT Việt Nam IV Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU  Ý nghĩa khoa học: Xác lập mơ hình tàu - đường ray phù hợp ĐSĐT tuyến Cát Linh – Hà Đông tuyến Bến Thành – Suối Tiên Luận án nghiên cứu đề xuất cơng thức tính hệ số động phù hợp với tuyến ĐSĐT Cát Linh – Hà Đông để từ dễ dàng giải hàng loạt tốn động khác Lựa chọn thiết lập cụ thể phương pháp tính tuổi thọ mỏi TV BTDƯL tuyến ĐSĐT Bến Thành – Suối Tiên  Ý nghĩa thực tiễn: Dựa vào kết nghiên cứu sở để tính tuổi thọ mỏi cho phận kết cấu đỡ đường ray khác đóng góp xây dựng tiêu chuẩn thiết kế kết cấu tầng ĐSĐT Việc xác định tải trọng động tuổi thọ mỏi cho tà vẹt nhằm tối ưu hóa thiết kế Đảm bảo tính an tồn cho kết cấu tầng đường sắt trình khai thác sử dụng Tối ưu hóa tu bảo dưỡng kết cấu tầng ĐSĐT TỔNG QUAN VỀ MỎI ĐỐI VỚI TÀ VẸT BÊ TƠNG DỰ ỨNG LỰC Chương phân tích tổng quan mỏi TV BTDƯL từ lựa chọn loại tà vẹt làm sở nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm chương 1.1 Tình hình sử dụng tà vẹt bê tơng dự ứng lực giới Việt Nam 1.1.1 Tình hình sử dụng tà vẹt bê tơng dự ứng lực giới Trên giới sử dụng phổ biến số loại TV BTDƯL sau:Tà vẹt hai khối, tà vẹt dọc, tà vẹt liền khối 1.1.2 Tình hình sử dụng tà vẹt bê tơng dự ứng lực Việt Nam Từ năm 2005 trở lại đơn vị ngành đường sắt nhập dây chuyền sản xuất TV BTDƯL để sản xuất lượng TV BTDƯL sử dụng nhiều hơn, TV BTDƯL sử dụng đường sắt Việt Nam ≈ 1.000.000 chủ yếu TV BTDƯL dạng liền khối 1.2 Tình hình sử dụng kết cấu đường sắt thị giới Việt Nam 1.2.1 Tình hình sử dụng kết cấu đường sắt đô thị số nước giới 599,44 1300,48 Kết cấu gồm lớp bê tơng sở đổ trực tiếp tồn chiều dài đoạn tuyến với chiều dày 150 mm Bản bê tơng gồm lớp cốt thép dọc ngang hàn thành lưới sau đặt đổ bê tơng 287,02 16,002 320,04 66,04 381,00 1.2.1.1 Kết cấu đường sắt đô thị Anh 2590,80 Cèt thÐp däc D=15,875mm Cèt thÐp ®ai ngang D=9,525mm Hình 1-1 Bản bê tông đặt trực tiếp Anh 1.2.1.2 Kết cấu đường sắt đô thị Đức Thiết kế Đức sử dụng bê tông thép dự ứng lực (DƯL) theo phương dọc, bố trí cốt thép thường theo phương ngang Bản bê tông đặt lớp bê tơng nhẹ Styropor nhằm mục đích cách nhiệt Thiết kế thứ hai bê tơng Hình 1-2 Bản bê tông DƯL theo hai phương Lớp DƯL theo phương dọc móng lớp sỏi cát nhằm mục đích tạo lớp hoạt động bê tơng cường độ thấp Thiết kế thứ ba cấu kiện dài 6,48 m bao gồm dầm dọc Hình 1-3 Kết cấu DƯL xen kẽ dầm ngang bê tông dự ứng lực theo Các dầm đặt lớp phương bê tông nghèo, lớp sỏi cát Không gian dầm lấp đầy lớp: lớp ballast lớp bitum sỏi Hình 1-4 Bản BT dầm dọc DƯL xen kẽ dầm ngang 1.2.1.3 Kết cấu đường sắt đô thị Nhật Bản Đường sắt Nhật Bản xây dựng đoạn đường bê tông thử nghiệm phần mở rộng đường trục Tokaido (Tokaido-Shinkansen) Đường bao gồm bê tông đúc sẵn cố định đường Đệm cao su điều chỉnh chèn gối đỡ dầm Hình 1-5 Đường bê tơng tuyến Tokaido-Shinkansen 1.2.1.4 Kết cấu đường sắt đô thị Mỹ Đường bê tông gần đặt Mỹ đường thử Kansas Aikman Chelsea, Kansas đường sắt Santa Fe Ba loại mặt cắt đặt đường Hai số mặt cắt dầm dọc, phần đúc sẵn phần khác đỗ chỗ Mặt cắt thứ ba đúc chỗ Tất mặt cắt có chứa cốt thép phần cịn lại nằm lớp đệm Hình 1-6 Bản bê tông cốt thép đường sắt Kansas Mỹ 1.2.2 Tình hình sử dụng kết cấu đường sắt thị Việt Nam 1.2.2.1 Kết cấu đường sắt đô thị tuyến Cát Linh – Hà Đông Sử dụng tà vẹt bê tông ngắn đúc sẵn đặt bê tông cốt thép đổ trực tiếp Chiều dài tà vẹt ngắn 0,56, chiều rộng 0,25m, kết cấu bê tông cốt thép thường Tà vẹt ngắn sử dụng bê tông C50 Bản bê tông bên đường ray làm thành kết cấu hình chữ nhật, chiều rộng 0,8m, thơng thường dài 6,25m 6m, bê tông bố trí khe hướng ngang 0,15m Hình 1-7 Kết cấu ĐSĐT tuyến Cát Linh - Hà Đông 1.2.2.2 Kết cấu đường sắt đô thị tuyến Nhổn – Ga Hà Nội Sử dụng kết cấu bê tông cốt thép dọc đúc trường có chiều dài xấp xỉ 5,25 m Ray đỡ đệm đàn hồi đặt cách 0,6 m từ tâm đệm đến tâm đệm Khoảng cách hai bê tông 0,15 m tạo điều kiện thuận lợi cho việc thoát nước mưa đường cáp cần thiết Hình 1-8 Kết cấu ĐSĐT tuyến Nhổn - Ga Hà Nội 1.2.2.3 Kết cấu đường sắt đô thị tuyến Bến Thành – Suối Tiên Sử dụng kết cấu tà vẹt dài bê tông cốt thép DƯL đúc sẵn đặt bê tông cốt thép đổ chỗ Kích thước tà vẹt bê tơng cốt thép DƯL dài 2,3m Các tà vẹt đặt cách 0,625m Kích thước bê tơng có chiều dài 5,9 m, rộng 2,78 m, cao 0,326 m Khoảng cách bê tơng 0,1 m 1.3 Tải trọng động Hình 1-9 Kết cấu ĐSĐT tuyến Bến Thành - Suối Tiên Tải trọng động sử dụng phổ biến trình thiết kế tuyến đường sắt ứng dụng đường sắt Tải động xem xét tương tác động bánh xe-ray điều kiện bình thường; Tải trọng động thường liên quan đến tốc độ chạy tàu sử dụng cho phương pháp thiết kế ứng suất cho phép Tải trọng động bánh xe thường biểu diễn hàm tải trọng tĩnh bánh xe (Doyle, 1980): Pd = Ф.Ps, Pd tải trọng động bánh xe, Ф hệ số tải trọng động bánh xe (Ф> 1), Ps tải trọng tĩnh bánh xe 1.4 Nghiên cứu mỏi giới 1.4.1 Giới thiệu Mỏi gọi tượng phá hủy vật liệu kết cấu gây tải tuần hoàn lặp lặp lại 1.4.2 Lịch sử nghiên cứu mỏi Lịch sử nghiên cứu mỏi kết cấu bắt đầu với kỹ sư người Đức Albert (1837) Thuật ngữ “Mỏi” đề cập lần Braithwaite (1854) Các thử nghiệm mỏi hệ thống tiến hành trục đường sắt kỹ sư người Đức khác, Wӧhler (1870) Quy luật Palmgren-Miner - biết đến ngày nay, giới thiệu độc lập Palmgren (1924)và Miner (1945) 1.4.3 Nghiên cứu mỏi bê tông Mỏi bê tơng q trình lan truyền vết nứt vi mô Các vết nứt vĩ mô hình ứng suất gia tăng phá hoại xảy (CEB, 1988) 1.4.4 Nghiên cứu mỏi cốt thép bê tơng Wưhler (1870) đề xuất kỷ trước độ bền mỏi kim loại phụ thuộc vào biên độ ứng suất (∆σ), (∆σ) hiệu đại số ứng suất lớn (σmax) ứng suất nhỏ (σmin), mức độ ứng suất (σmax) 1.4.5 Nghiên cứu mỏi bê tông cốt thép Fib model code 2010 (fib, 2013) cung cấp hướng dẫn thiết kế mỏi kết cấu bê tông cốt thép dựa hiệu suất riêng bê tông cốt thép sử dụng đường cong phương trình S-N Các thí nghiệm gãy cốt thép chế phá hoại chủ yếu mỏi dầm bê tông cốt thép 1.4.6 Nghiên cứu mỏi bê tông dự ứng lực Khi chưa bị nứt bê tông thường bị nén chịu ứng suất trước thép DƯL, với khả chịu nén cao bê tơng tuổi thọ mỏi coi vơ hạn Do đó, khơng có nguy phá hoại xảy mỏi Đối với tải lớn khả chịu nứt bê tông, bê tông bị nứt phạm vi ứng suất sợi cáp lớn nhiều so với chưa nứt sợi cáp phải chịu tất lực kéo Khi vết nứt trở nên rộng hơn, liên kết gần vết nứt trở nên xấu khả chống mỏi sau phụ thuộc vào biên độ ứng suất tính chất thép 1.5 Nghiên cứu mỏi Việt Nam Năm 1997, Phan Văn Khôi xuất sách: Tuổi thọ mỏi kết cấu thép biển Năm 2011, Phạm Lê Tiến thực nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi tuổi thọ mỏi khung giá chuyển hướng trục bánh xe đầu máy D19E vận dụng đường sắt Việt Nam Năm 2015 Trần Thiện Lưu thực nghiên cứu số yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi bê tông asphalt làm lớp mặt đường Việt Nam Năm 2009 Bùi Ngọc Dung thực nghiên cứu phân tích đánh giá số hư hỏng mỏi kết cấu nhịp cầu thép biện pháp sữa chữa, tăng cường Năm 2011, Lê Đắc Chỉnh thực nghiên cứu ứng dụng phương pháp kiểm tra mỏi Châu Âu cho cầu bê tông DƯL Việt Nam Năm 2016, Nguyễn Thị Cẩm Nhung thực nghiên cứu đánh giá mỏi cáp cầu treo dây văng tác dụng tải trọng khai thác sử dụng kết đo dao động Tại Việt Nam chưa có cơng trình nghiên cứu thực nghiệm mỏi cho TV BTDƯL thực Việt Nam đặc biệt TV BTDƯL cho ĐSĐT Đối với tiêu chuẩn thiết kế hành phương pháp thiết kế TV BTDƯL Việt Nam chưa xét đến yếu tố mỏi tà vẹt Cụ thể chưa có định lượng việc thiết kế hàm lượng cốt thép đạt yêu cầu khả chịu mỏi 1.6 Các nghiên cứu mỏi tà vẹt thực Các nghiên cứu giới dừng lại nghiên cứu mỏi TV BTDƯL đối đường sắt cao tốc, đường sắt chạy hỗn hợp tàu khách với tàu hàng, đường sắt chạy tàu khổ hẹp đường sắt chạy tàu khổ rộng Nghiên cứu mỏi ĐSĐT hạn chế Ở Việt Nam số nghiên cứu mỏi TV BTDƯL thực sau: Năm 2016, Trần Anh Dũng, Nguyễn Văn Bá, Đỗ Xuân Quý, Đặng Việt Hùng, Nguyễn Khánh Dũng, Đàm Anh Tú, Thân Thế Vũ thực thí nghiệm mỏi tà bê tơng DƯL ray cho đường sắt khổ lồng tuyến Hà Nội - Lạng Sơn Năm 2017, Trung tâm khoa học công nghệ giao thông vận tải - Đại học giao thông vận tải tiến hành thí nghiệm mỏi TV BTDƯL tuyến ĐSĐT Bến Thành - Suối Tiên Trong thí nghiệm thử nghiệm mỏi thực để kiểm tra khả chịu mỏi tà vẹt sau số lượng chu kỳ định theo tiêu chuẩn Châu Âu EN13230 Hiện chưa có cơng trình nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm tuổi thọ mỏi cho TV BTDƯL thực Việt Nam 1.7 Những vấn đề tồn - Tại Việt Nam đến tính tốn thiết kế tà vẹt phận kết cấu tầng trên, tải trọng động sử dụng cách nhân tải trọng tĩnh với hệ số động nước mà chưa có nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm thực để xác định hệ số động đường sắt nói chung ĐSĐT nói riêng - Trong thiết kế kiểm toán tà vẹt chưa xét đến độ bền mỏi Hiện tuổi thọ mỏi TV BTDƯL ĐSĐT chưa triển khai nghiên cứu mặt lý thuyết thực nghiệm cách cụ thể 1.8 Xác định vấn đề nghiên cứu luận án Thông qua nghiên cứu tổng quan mỏi TV BTDƯL số chu kỳ tà vẹt chịu tải trọng đoàn tàu ĐSĐT ngày đêm lớn (12000 chu kỳ/ngày) tác giả xác định vấn đề nghiên cứu sau: - Xây dựng mơ hình động lực học tương hỗ đường sắt đoàn tàu tuyến ĐSĐT Cát Linh – Hà Đông tuyến Bến Thành – Suối Tiên - Xây dựng mô hình mơ 3D động lực học đường sắt đoàn tàu tuyến ĐSĐT Cát Linh – Hà Đông tuyến Bến Thành – Suối Tiên - Nghiên cứu thực nghiệm phương pháp phần tử hữu hạn xác định tác dụng tương hỗ đường sắt đồn tàu tuyến ĐSĐT Cát Linh – Hà Đơng - Xác định hệ số tải trọng động tuyến ĐSĐT Cát Linh – Hà Đông - Lý thuyết xác định tuổi thọ mỏi - Lập chương trình tính tuổi thọ mỏi TV BTDƯL tuyến ĐSĐT Bến Thành Suối Tiên - Nghiên cứu thực nghiệm xác định tuổi thọ mỏi TV BTDƯL tuyến ĐSĐT Bến Thành - Suối Tiên - Xây dựng mơ hình mơ 3D TV BTDƯL tuyến ĐSĐT Bến Thành - Suối Tiên NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐỐI VỚI ĐƯỜNG SẮT ĐÔ THỊ Ở VIỆT NAM Chương tiến hành nghiên cứu sử dụng lý thuyết tính tốn, mơ phỏng, thực nghiệm trường với mục đích xác định hệ số tải trọng động cho tuyến ĐSĐT Cát LinhHà Đông 2.1 Tải trọng động Tải trọng động thường biểu thị thông qua hàm tải trọng tĩnh phương trình sau P = ∅ P Trong Pd tải trọng động bánh xe, Ф hệ số động (Ф> 1), Ps tải tĩnh bánh xe Các kỹ sư đường sắt khắp giới đề xuất số công thức thông số để tính tốn hệ số tải trọng động bánh xe Bảng 2-1 Hệ số động tác giả giới Công thức Tablot (Hay, 1982) Đường sắt Ấn Độ (Srinivasan, 1969) Eisenmann (Esveld, 2001) ORE/Birmann (1965) Hệ số động V Ф = + 5,21 D V Ф=1+ 58,14 U , Ф = + ɳ.t Ф=1+ + + Các định nghĩa V: tốc độ đoàn tàu (km/h) D: Đường kính bánh xe (mm) U: Mơ đun đường (Mpa) δ: 0.1, 0.2, 0.3 phụ 10 * Các kết quả: Khi vận tốc đoàn tàu V=30 km/h Giá trị lớn tải trọng động tác dụng lên ray 48,652 kN Khi vận tốc đoàn tàu V = 50 km/h Giá trị lớn tải trọng động tác dụng lên ray 52,883 kN vận tốc đoàn tàu V = 80 km/h Giá trị lớn tải trọng động tác dụng lên ray l 59,228 kN 55 Bánh xe bên trái Bánh xe bên phải 50 Bánh xe bên trái Bánh xe bên phải Bánh xe bên trái Bánh xe bên phải 60 40 35 55 Tải trọng động (kN) Tải trọng ®éng (kN) T¶i träng ®éng (kN) 50 45 45 40 10 45 40 35 30 50 Thêi gian (s) 35 0.5 Thêi gian (s) 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Thêi gian (s) Hình 2-8 Biểu đồ tải trọng động tàu chuyển với vận tốc khác 1.4 Bảng 2-2 Hệ số động đoàn tàu tuyến Cát Linh – Hà Đông theo phương pháp mô Vận tốc (km/h) 30 50 80 HƯ sè ®éng,  STT 1.3 Hệ số động Ф 1,00 1,15 1,25 1,40 1.2 1.1 1.0 20 40 60 80 VËn tèc (km/h) Hình 2-9 Biểu đồ hệ số động đoàn tàu tuyến Cát Linh – Hà Đông theo phương pháp mô 2.4 Nghiên cứu thực nghiệm xác định tác dụng tương hỗ đường sắt đồn tàu đường sắt thị tuyến Cát Linh – Hà Đơng • Thiết bị thí nghiệm: Sử dụng thiết bị đo biến dạng gắn vào đế ray khoảng hai gối đỡ ray Thiết bị đo biến dạng điện trở (Strain Gage) A Đoàn tàu Hướng di chuyển tải trọng động Ray Tà vẹt Bản bê tông A 62.5cm 62.5cm Thiết bị ®o biÕn d¹ng 31.25cm 31.25cm Hình 2-10 Bố trí thiết bị đo biến dạng • Tải trọng thí nghiệm: Tải trọng thí nghiệm đồn tàu ĐSĐT tuyến Cát Linh – Hà Đông 11 10400 2200 2200 (t?n/bánh) (t?n/bánh) (t?n/bánh) (t?n/bánh) 10400 2200 2200 4720 10400 2200 4720 19500 4,3125 (t?n/bánh) 4,3125 (t?n/bánh) 4,3125 (t?n/bánh) 4,3125 (t?n/bánh) 4,3125 (t?n/bánh) 4,3125 (t?n/bánh) 4,3125 (t?n/bánh) 10400 2200 520 520 4,3125 (t?n/bánh) (t?n/bánh) (t?n/bánh) (t?n/bánh) (t?n/bánh) 520 2200 2200 4720 19000 19000 19500 Hình 2-11 Sơ đồ tải trọng đoàn tàu tuyến Cát Linh – Hà Đơng • Kết thí nghiệm: Khi đồn tàu di chuyển với vận tốc V = 30 km/h Giá trị biến dạng lớn thu 0,00011732 Khi đoàn tàu di chuyển với vận tốc V = 50 km/h Giá trị biến dạng lớn thu 0,000127 0.00010 0.00010 0.00005 0.00005 0.00000 0.00000 -0.00005 -0.00005 -0.00010 -0.00010 -0.00015 10 Hình 2-12 Biến dạng động theo thời gian đoàn tàu Cát Linh-Hà Đông di chuyển với vận tốc V=30 km/h V=50 km/h Khi đoàn tàu di chuyển với vận tốc V = 80 km/h Giá trị biến dạng lớn thu 0,000145 0.00015 Tiến hành đo biến dạng tĩnh ray ta có kết sau: Bảng 2-3 Bảng kết biến dạng tĩnh thực đo 0.00010 0.00005 STT Lần đo Lần Lần Lần Trung bình Biến dạng tĩnh 0,00010735 0,00010519 0,00010004 0,00010419 0.00000 -0.00010 -0.00015 Hình 2-13 Biến dạng động theo thời gian đồn tàu Cát Linh-Hà Đơng di chuyển với vận tốc V=80 km/h Bảng 2-4 Hệ số động đoàn tàu tuyến Cát Linh – Hà Đông theo phương pháp thực nghiệm STT Vận tốc (km/h) 30 50 80 Hệ số động Ф 1,00 1,13 1,22 1,39 1.4 1.3 HƯ sè ®éng,  -0.00005 1.2 1.1 1.0 20 40 60 80 VËn tèc (km/h) Hình 2-14 Biểu đồ hệ số động đoàn tàu tuyến Cát Linh – Hà Đông theo phương pháp thực nghiệm Bằng việc sử dụng phân tích hồi quy tuyến tính (linear regression analysis) Sử dụng phần mềm mô Minitab Công thức hệ số động Ф đề xuất: 12 Ф = 0,9909 + 0,004853 Trong đó: V vận tốc chạy tàu (km/h) Phương trình đảm bảo độ tin cậy với hệ số xác định điều chỉnh R2đc=99,21%; Hệ số p-value tham số nhỏ 0,05 2.5 Phương pháp phần tử hữu hạn tính toán biến dạng tương đối ray tác dụng tải trọng tĩnh đường sắt đô thị tuyến Cát Linh – Hà Đơng 2.5.1 Mơ hình phân tích lực Khi phân tích lực kết cấu ĐSĐT Có thể sử dụng mơ Hình 2-15 Có thể xem ray dầm dài vô hạn đỡ gối đỡ đàn hồi chỗ phụ kiện giữ ray Hình 2-15 Mơ hình tính 2.5.2 Q trình tính tốn Kết phân tích đoạn ray tính tốn với chiều dài L = 7375 cm thể Hình 2-16 Trong đó, đoạn ray rời rạc hóa thành 118 phần tử có chiều dài lpt = 62,5 cm; tải trọng dịch chuyển dần từ đầu trái sang đầu phải đoạn ray với bước dịch chuyển tải 3,125 cm Hình 2.16 cho thấy, trục tàu đặt mặt cắt A gây biến dạng Hình 2-16 Biểu đồ biến dạng dọc trục điểm nằm đáy ray mặt cắt A cho đáy ray mặt cắt A có giá đoàn tàu di chuyển từ đầu trái qua đầu phải trị cực trị Giá trị biến dạng dọc đoạn ray tính tốn trục lớn tính tốn max = 9.989384.10-05, tương ứng với trường hợp trục trục 12 đặt mặt cắt A STT Vận tốc (km/h) Hệ số động Ф 30 50 80 1,00 1,17 1,27 1,45 1.5 1.4 HƯ sè ®éng,  Bảng 2-5 Hệ số động đồn tàu tuyến Cát Linh – Hà Đơng theo phương pháp phần tử hữu hạn 1.3 1.2 1.1 1.0 20 40 60 80 VËn tèc (km/h) Hình 2-17 Biểu đồ hệ số động đoàn tàu tuyến Cát Linh – Hà Đông theo phương pháp PTHH 13 2.6 Xác định hệ số tải trọng động tuyến ĐSĐT Cát Linh – Hà Đông Căn vào kết đo đạc thực nghiệm, mô phương pháp phần tử hữu hạn ta có hệ số tải trọng động tương ứng với vận tốc khác Bảng 2.6 Bảng 2-6 So sánh hệ số động theo phương pháp tính khác Hệ số động Vận tốc Kết thực nghiệm Kết PTHH Sai số (%) Kết mô Sai số (%) 30 km/h 50 km/h 80 km/h 1,13 1,22 1,39 1,17 1,27 1,45 3,54 4,10 4,32 1,15 1,25 1,4 1,77 2,46 0,72 Kết phương pháp tương đối tương đồng Phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng mô hình dầm gối đỡ đàn hồi, mơ hình không gian chiều (2D) Phương pháp mô phần mềm Simpack mô không gian chiều (3D) Phương pháp mơ 3D có kết sát với kết thực tế mơ hình kết cấu gần với sơ đồ làm việc thực tế kết cấu Dựa vào hệ số động theo phương pháp tính tốn ta có biểu đồ sau: 1.5 Thùc nghiƯm PTHH M« pháng 1.4 Dựa vào hệ số động tác giả giới hệ số động ĐSĐT tuyến Cát Linh – Hà Đông ta có biểu đồ sau: Talbot Ên §é Eisenmann ORE/Birmann 3.0 §øc 1.2 Nam Phi 2.5 Clarke WMATA HƯ sè ®éng,  HƯ sè ®éng,  3.5 1.3 1.1 1.0 20 40 60 80 Sadeghi 2.0 Trung Quèc §S§T 1.5 1.0 VËn tèc (km/h) Hình 2-18 Hệ số tải trọng động tuyến Cát Linh – Hà Đông theo phương pháp tính 0.5 0.0 -50 50 100 150 200 250 300 350 VËn tèc (Km/h) Hình 2-19 Biểu đồ hệ số động theo tốc độ đoàn tàu theo tác giả 14 Căn vào biểu đồ hệ số động loại hình đường sắt nước ta có bảng thống kê hệ số động loại công thức cho tác giả theo dải vận tốc từ đến 80 km/h sau: Theo bảng thống kê ta nhận thấy hệ số động có khác nước tác giả đề xuất hệ số động phụ thuộc vào yếu tố riêng đặc trưng loại đường như: đường kính bánh xe, tải trọng trục đầu máy, toa xe, độ cứng gối đỡ, … Kết hệ số động đề xuất cho ĐSĐT tuyến Cát Linh – Hà Đông phù hợp Bảng 2-7 So sánh hệ số tải trọng động dải vận tốc từ -:- 80 km/h 2.7 Kết luận chương Thông qua nghiên cứu tải trọng mỏi TV BTDƯL tác giả có số kết luận sau:  Trong q trình tính tốn mỏi ĐSĐT tải trọng động sử dụng q trình tính tốn  Các nghiên cứu trước tác giả giới nghiên cứu tải trọng động thông qua hệ số động ĐSĐT cần phải tiếp tục  Trên giới có nghiên cứu hệ số động đường sắt nhiên nghiên cứu hệ số động ĐSĐT hạn chế  Kết đạt nghiên cứu sử dụng để tối ưu hóa tính tốn thiết kế, tu bảo dưỡng kết cấu tầng ĐSĐT Kết nghiên cứu để xây dựng tiêu chuẩn thiết kế kết cấu tầng cải thiện tiêu chuẩn kiểm định, thử tải thực tế kết cấu tầng ĐSĐT NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN TUỔI THỌ MỎI CỦA TÀ VẸT BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC CHO ĐƯỜNG SẮT ĐÔ THỊ Ở VIỆT NAM Chương nghiên cứu xây dựng mơ hình tính tốn tuổi thọ mỏi TV BTDƯL tuyến Bến Thành - Suối Tiên 3.1 Đặt vấn đề nghiên cứu Ở Việt Nam giới chưa có cơng trình nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm tuổi thọ mỏi cho TV BTDƯL ĐSĐT thực Có số phương pháp phù hợp để đánh giá tuổi thọ mỏi Phương pháp tổn thương tích lũy Phương pháp học phá hủy Phương pháp học phá hủy 15 thường áp dụng để dự đoán tuổi thọ tích lũy từ vết nứt ban đầu khuyết tật Theo CEB, chất lượng thép bê tơng đồng đều, tuổi thọ mỏi chúng ước tính xác cách thí nghiệm chúng cách độc lập tuổi thọ tương tự phải quan sát chúng thí nghiệm dạng vật liệu hỗn hợp Các thí nghiệm Schläfli Brühwilerhave kết luận đứt gãy cốt thép nguyên nhân gây mỏi dầm bê tơng cốt thép DƯL Do đó, tuổi thọ mỏi TV BTDƯL thép DƯL định Nội dung chương nghiên cứu tuổi thọ mỏi TV BTDƯL cho ĐSĐT tuyến Bến Thành – Suối Tiên khổ đường 1.435 mm theo Phương pháp tổn thương tích lũy 3.2 Phương pháp lý thuyết xác định tuổi thọ mỏi 3.2.1 Cơ sở lý thuyết Có hai phương pháp thường sử dụng để xác định tuổi thọ mỏi: phương pháp tổn thương tích lũy phương pháp học phá hủy 3.2.1.1 Phương pháp tổn thương tích lũy Đối với Phương pháp tổn thương tích lũy, theo Palmgren Miner, phá hoại xuất tổng tổn thương tích lũy Phương pháp dự đốn tuổi thọ theo biên độ ứng suất phụ thuộc vào phân tích ứng suất chi tiết kết cấu = = Trong đó: Wi, W: Cơng thu sau ni chu trình ứng suất cơng phá hủy ni, Ni: Số chu trình ứng suất mà phần tử phải chịu với ứng suất Si khơng đổi số chu trình tới phá hủy lấy theo đường cong S-N ứng với Si 3.2.1.2 Phương pháp học phá hủy Đối với Phương pháp Cơ học phá hủy, định luật Paris liên quan đến tốc độ phát triển vết nứt với biên độ hệ số cường độ ứng suất Khi xác định tốc độ phát triển vết nứt da/dN, ta xác định thời gian số chu trình cần thiết làm vết nứt phát triển từ chiều sâu a1 đến chiều sâu a 2: = / 3.2.2 Mơ hình tà vẹt sử dụng tính tốn Đối tượng nghiên cứu luận văn TV BTDƯL cho ĐSĐT tuyến Bến Thành – Suối Tiên Kết cấu tà vẹt sau: Bảng 3-1 Đặc tính vật liệu làm tà vẹt Bê tông Thông số Cường độ chịu nén bê tông Ký hiệu fc’ Giá trị 49,1 MPa 16 Thông số Cường độ kéo bê tông Mơ đun đàn hồi bê tơng Lực căng có hiệu sợi thép DƯL Mô đun đàn hồi sợi thép DƯL Thép DƯL Ký hiệu fcf Ec fse Es Giá trị 5,255 MPa 33,0 MPa 19,7 kN 200 MPa Kích thước tà vẹt ĐSĐT Hình 3-1 B Tà vẹt C 189.5 A 2300.0 Mặt cắt B-B Mặt c¾t C-C  193.5 150.0 70.0 55 30 30 55 70.0 55 30 30 55 40 40 25 185.0 40 110.0 Tao thÐp dù øng lùc  2.9mmx3 170.0 40 130.0 40 149.5 45 40 4064.5 176.7 189.5 C B Mặt cắt A-A 45 40 40 45 A 70.0 55 30 30 55 Hình 3-1 Kích thước tà vẹt 3.2.3 Mơ hình tính tốn tuổi thọ mỏi tà vẹt bê tông dự ứng lực đường sắt đô thị tuyến Bến Thành – Suối Tiên Dựa vào đường cong S-N thép DƯL, nghiên cứu tính tốn tuổi thọ mỏi TV BTDƯL tuyến Bến Thành – Suối Tiên theo phương pháp tổn thương tích lũy Miner-Palmgren Bảng 3-2 Tính mơ men nứt tải trọng nứt STT Tên Đơn vị Công thức Tỷ lệ mô đun đàn hồi thép DƯL bê tơng Diện tích sợi thép DƯL đơn Tổng diện tích sợi thép DƯL Diện tích mặt cắt bê tông Khoảng cách từ mặt đến trọng tâm bê tông Khoảng cách từ mặt đến trọng tâm sợi thép DƯL Diện tích quy đổi Mô men sợi thép đáy ne = Es/Ec Aps Ap = n·Aps Ac yc yp At = Ac+(ne − 1) Ap St = Ac.yc +(ne − 1).Ap.yp yt = St/At Khoảng cách từ trục trọng tâm diện tích quy đổi tới mặt 10 Độ lệch tâm lực DƯL 11 Mơ men qn tính mặt cắt quy đổi 12 Ứng suất trước có hiệu sợi thép DƯL It = Ic + (ne − 1).Ip σse 13 Ứng suất bê tơng sợi phía lực ứng suất 14 Mô men nứt 15 Tải trọng nứt STT Tên Tải trọng giới hạn Tải trọng giới hạn Mô men uốn lớn mặt cắt e = yp − yt = + + = 38.428,61 mm3 3.117.461,99 mm mm 81,12 mm4 91.083.472,58 MPa MPa 993,95 3,88 6,97 MPa Pcr = 2.Mcr/0,25 6,06 19,82 237,84 37.225 81,0 85,0 mm2 mm2 mm2 mm mm mm2 Giá trị kN 13,72 109,79 Bảng 3-3 Tuổi thọ mỏi tà vẹt PCS1 Công thức Pmax Pmin Ms = Mmax = Pmax.0,25/2 = Mơ men qn tính có hiệu Biên độ ứng suất thép DƯL ∆ = +( − − ) ( (ℎ − Đơn vị kN kN kN.m mm4 ) − ) Mpa Giá trị 169,0 50,0 21,125 30.494.997,84 283,06 17 STT Tên Ứng suất chu kỳ N* Tuổi thọ mỏi Công thức ∆ N Đơn vị Mpa Giá trị 300,0 1.687.106 Bảng 3-2 Tuổi thọ mỏi tà vẹt PCS2 STT Tên Tải trọng giới hạn với biên độ ứng suất ∆ Tải trọng giới hạn với biên độ ứng suất ∆ Tải trọng giới hạn với biên độ ứng suất ∆ Tải trọng giới hạn Mô men uốn lớn mặt cắt ứng với tải trọng Pmax1 Mô men uốn lớn mặt cắt ứng với tải trọng Pmax2 Đơn vị kN kN kN kN kN m kN m kN m mm Công thức Pmax1 Pmax2 Pmax3 Pmin Ms1 = Mmax1 = Pmax1.0,25/2 Ms2 = Mmax2 = Pmax2.0,25/2 Ms3 = Mmax3 = Pmax3.0,25/2 Giá trị 159,0 169,0 179,0 50,0 19,875 21,125 Mô men uốn lớn mặt cắt ứng với tải trọng Pmax3 Mơ men qn tính có hiệu ứng với mô men Ms1 = +( − ) ( Mơ men qn tính có hiệu ứng với mơ men Ms2 = +( − ) ( ) 10 Mô men qn tính có hiệu ứng với mơ men Ms3 = +( − ) ( ) mm (ℎ − Mp a 225,32 Mp a 283,06 Mp a 348,26 11 12 Biên độ ứng suất thép DƯL ứng với Mmax1, Mmin Biên độ ứng suất thép DƯL ứng với Mmax2, Mmin ∆ 1= ∆ = 1− − ) Biên độ ứng suất thép DƯL ứng với Mmax3, Mmin ∆ = − ∆ Ứng suất chu kỳ N* 15 Tuổi thọ mỏi ứng với biên độ ứng suất ∆ 16 Tuổi thọ mỏi ứng với biên độ ứng suất ∆ 17 Tuổi thọ mỏi ứng với biên độ ứng suất ∆ N*2 N*3 18 19 Chọn chu kỳ gia tải với biên độ ứng suất ∆ Chọn chu kỳ gia tải với biên độ ứng suất ∆ ) ) 20 Chu kỳ gia tải với biên độ ứng suất ∆ 21 Tuổi thọ mỏi (1 − N=n1+n2+ 300,0 13.149.57 6,8 1.687.106 474.367,4 500.000 500.000 n1 n2 ∗ − Mp a N*1 = (ℎ − − 14 (ℎ − − 13 mm 22,375 35.090.82 8,8 30.494.99 7,8 26.869.29 5,8 ∗ − ∗) 315.743 1.315.743 3.2.4 Lập chương trình tính tốn tuổi thọ mỏi cho tà vẹt bê tơng dự ứng lực đường sắt đô thị tuyến Bến Thành – Suối Tiên ngơn ngữ lập trình Visual Basic for Applications (VBA) Hình 3-2 Giao diện chương trình 18 3.2.5 Ví dụ tính tốn mơ tà vẹt bê tông dự ứng lực tuyến đường sắt đô thị Bến Thành-Suối Tiên 3.2.5.1 Kết cấu thông số đồn tàu đường sắt thị tuyến Bến Thành – Suối Tiên Cấu hình đồn tàu : Giai đoạn đầu đồn tàu gồm có toa xe, Trong tương lai lập đồn tàu toa xe Hình 3-3 Đồn tàu toa Hình 3-4 Đồn tàu toa 3.2.5.2 Kết cấu đường tuyến đường sắt đô thị Bến Thành – Suối Tiên Sử dụng kết cấu tà vẹt dài bê tông cốt thép DƯL đúc sẵn đặt bê tơng cốt thép đổ chỗ Kích thước tà vẹt bê tông cốt thép DƯL dài 2,3 m Các tà vẹt đặt cách 0,625 m Các tà vẹt đặt hộp chống rung (AVT Box) Vật liệu cao su tự nhiên cao su styrene-butadiene Hình 3-5 Kết cấu đường tuyến Bến Thành – Suối Tiên 3.2.5.3 Độ cứng gối đỡ đàn hồi D tuyến đường sắt đô thị Bến Thành – Suối Tiên Khi sử dụng mô hình dầm (ray) gối đỡ đàn hồi, Dp độ cứng đệm cao su, Ds độ cứng tà vẹt D2 độ cứng hộp chống rung AVT Box Độ cứng gối đỡ D: 3.2.5.4 Ứng dụng phần mềm Simpack mơ mơ hình 3D động lực học tuyến đường sắt đô thị Bến Thành-Suối Tiên Các bước mô sau: Bước 1: Nghiên cứu kết cấu toa xe ĐSĐT, tính tốn, xác định thơng số kỹ thuật dùng cho tính tốn Bước 2: Xây dựng mơ hình trục bánh xe Hình 3-6 Bước 3: Xây dựng mơ hình khung giá chuyển hướng Hình 3-7 Bước 4: Với giá chuyển hướng thứ 2: xây dựng bước đến bước với thông số khoảng cách hai tâm giá chuyển Bước 5: Xây dựng thân toa xe Hình 3-8 Bước 6: Xây dựng mơ hình mơ toa xe Hình 3-9 Bước 7: Xây dựng kết cấu đường sắt: định nghĩa kết cấu đường Bước 8: Tiến hành tính tốn: Sau xây dựng hồn chỉnh mơ hình toa xe đường sắt, tiến hành tính tốn Phần mềm Simpack tính tốn lực thẳng đứng tác dụng lên ray 19 Hình 3-6 Mơ trục bánh xe Hình 3-7 Mơ giá chuyển hướng Hình 3-8 Mơ thân toa xe Hình 3-9 Mô toa xe *Các kết quả: Khi vận tốc đoàn tàu V=30 km/h Giá trị lớn tải trọng động tác dụng lên ray 73,472 kN Khi vận tốc đoàn tàu V = 50 km/h Giá trị lớn tải trọng động tác dụng lên ray 78,024 kN Khi vận tốc đoàn tàu V = 80 km/h Giá trị lớn tải trọng động tác dụng lên ray 84,526 kN 80 Bánh xe bờn trỏi Bỏnh xe bờn phải 74 Bánh xe bên trái Bánh xe bên phải 72 68 66 64 62 Tải trọng động (kN) Tải trọng động (kN) 70 Tải trọng động (kN) Bánh xe bên trái Bánh xe bên ph¶i 85 75 70 65 80 75 70 60 60 58 56 65 0 10 Thêi gian (s) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Thêi gian (s) Thêi gian (s) Hình 3.10 Biểu đồ tải trọng động đoàn tàu chuyển động với vận tốc khác Mơ hình hóa kết cấu phần mềm MIDAS Hình 3-11 Mơ hình vật liệu thép DƯL bê tơng Hình 3-13 Chia lưới phần tử Hình 3-12 Đặt tải gán điều kiện biên Hình 3-14 Kết phân tích lực Tính tốn tuổi thọ mỏi TV BTDƯL Căn theo kết phân tích 20 lực ứng suất thép DƯL Tuổi thọ mỏi TV BTDƯL Nf = 101.502.519 Theo tính tốn với đồn tàu có toa, trung bình phút/chuyến, ngày hoạt động 20 Tuổi thọ mỏi tà vẹt 38,62 năm Căn theo tiêu chuẩn UIC 713R - Hiệp hội đường sắt giới ta có tuổi thọ TV BTDƯL liền khối 40 năm Do kết nghiên cứu phù hợp 3.3 Kết luận chương -Nội dung chương xây dựng mơ hình tính tốn tuổi thọ mỏi TV BTDƯL cho tuyến ĐSĐT Bến Thành – Suối Tiên khổ đường 1.435 mm -Xây dựng cơng thức tính độ cứng gối đỡ đàn hồi D tuyến ĐSĐT Bến Thành – Suối Tiên: = + -Tính tốn tuổi thọ mỏi TV BTDƯL với tải trọng tuyến ĐSĐT Bến Thành – Suối Tiên -Kết tính tốn sở để xây dựng tiêu chuẩn thiết kế kết cấu tầng ĐSĐT, hoàn thiện tiêu chuẩn tu bảo dưỡng ĐSĐT NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH TUỔI THỌ MỎI CỦA TÀ VẸT BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC CHO ĐƯỜNG SẮT ĐÔ THỊ Ở VIỆT NAM Trong chương 4, thí nghiệm mỏi TV BTDƯL tuyến Bến Thành – Suối Tiên, phân tích kết thí nghiệm, so sánh với lý thuyết nghiên cứu khác 4.1 Thiết bị thí nghiệm Thiết bị đo độ mở rộng vết nứt Độ mở rộng vết nứt đo thiết bị cảm biến chuyển vị (LVDT) Datamyte Hình 4-1 Thiết bị LVDT Thiết bị xác định tải trọng nứt thí nghiệm mỏi: Gia tải thơng qua thiết bị thí nghiệm mỏi LFV 500-HH, no 1349 Thiết bị xác định tải trọng phá hoại Xác định tải trọng phá hoại thiết bị máy thủy lực vạn SANS 3000 kN SHT4306-W Máy tính nối với máy SANS để xử lý số liệu Hình 4-2 Thiết bị thí nghiệm mỏi 4.2 Bố trí thí nghiệm Hình 4-3 Thiết bị thí tải phá hoại 21 Thí nghiệm thực theo tiêu chuẩn EN 13230-2:2016 Thí nghiệm xác định tải trọng nứt 10kN Frr Fr T¶i träng Thêi gian 120kN/phót Tõ 10s-:-5 Hình 4-4 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tải trọng nứt Thí nghiệm mỏi Fr Fmax Fr r Fmax Fmin Fmin L r /2 1/f L r /2 Lp Tải trọng Thời gian Tần số Hỡnh 4-5 Sơ đồ bố trí thí nghiệm mỏi Thí nghiệm xác định tải trọng phá hoại Hình 4-6 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tải trọng phá hoại 4.3 Kết thí nghiệm Thí nghiệm xác định tải trọng nứt Đối với tà vẹt PCS1 Giá trị tải trọng nứt Frr xác định tà vẹt PCS1 124 kN Giá trị tải trọng nứt Frr xác định tà vẹt PCS2 125 kN Thí nghiệm mỏi Hình 4-7 Kết xác định giá trị tải trọng nứt tà vẹt PCS1 PCS2 0.24 0.24 §é më réng vÕt nứt với tải trọng max Độ mở rộng vết nứt với tải trọng 0.22 Độ mở rộng vết nứt với tải trọng max Độ mở rộng vết nứt với tải trọng 0.22 0.20 0.18 Độ mở rộng vết nøt (mm) §é më réng vÕt nøt (mm) 0.20 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.04 0.02 0.02 0.00 0.00 500000 1000000 1500000 2000000 Sè chu kú (N) Hình 4-8 Tuổi thọ mỏi tà vẹt PCS1 500000 1000000 1500000 2000000 Sè chu kú (N) Hình 4-9 Tuổi thọ mỏi tà vẹt PCS2 22 Đối với tà vẹt PCS1 Thử nghiệm mỏi thiết lập cho biên độ tải với tải trọng tối thiểu cho phần thử nghiệm mỏi Fmin = 50 kN, tải trọng mỏi lớn Fmax = 169 kN Tà vẹt bị phá hoại mỏi 1.820.000 chu kỳ tương ứng với tổng thời gian tiến hành thí nghiệm 10,5 ngày Đối với tà vẹt PCS2 Thử nghiệm mỏi thiết lập cho ba biên độ tải Biên độ tải từ Fmin = 50 kN ÷ Fmax = 159 kN với 500.000 chu kỳ Biên độ tải thứ hai từ Fmin = 50 kN ÷ Fmax = 169 kN với 500.000 chu kỳ Biên độ tải thứ ba từ Fmin = 50 kN ÷ Fmax = 179 kN Tà vẹt bị phá hoại 455.000 chu kỳ biên độ tải thứ ba Tổng số chu kỳ đểtà vẹt bị phá hoại mỏi 1.455.000 tương ứng với tổng thời gian tiến hành thí nghiệm 8,5 ngày Bảng 4-1 So sánh tải trọng nứt Bảng 4-2 So sánh tuổi thọ mỏi Thí nghiệm xác định tải trọng phá hoại Giá trị tải trọng phá hoại Ff tà vẹt PCS3 402 kN Giá trị tải trọng phá hoại Ff tà vẹt PCS4 399 kN Hình 4-10 Tải trọng phá hoại tà vẹt PCS3 PCS4 4.4 Đánh giá độ chụm kết thí nghiệm Bảng 4-3 Độ chụm thí nghiệm tải trọng nứt Bảng 4-4 Độ chụm thí nghiệm mỏi Bảng 4-5 Độ chụm thí nghiệm tải trọng phá hoại 4.5 So sánh kết nghiên cứu mỏi luận án với tác giả khác Luận án nghiên cứu tuổi thọ mỏi Bảng 4-6 So sánh kết nghiên cứu mỏi luận án với tác giả khác TV BTDƯL ĐSĐT tuyến Bến Thành – Suối Tiên (khổ đường 1435mm) Thí nghiệm thực theo tiêu chuẩn châu Âu EN 13230 Độ mở rộng vết nứt đo thiết bị đo cảm biến chuyển vị LVDT Tiến hành so sánh tuổi thọ mỏi thực nghiệm tính tốn với tác giả khác giới ta có Bảng 4-6 Kết nghiên cứu phù hợp với nghiên cứu tác giả thực Tuổi thọ mỏi phụ thuộc vào biên độ tải trọng, kích thước mặt cắt ngang tà vẹt, bố trí 23 cốt thép, sơ đồ gia tải Kết tính tốn lý thuyết thực nghiệm thống nhất, đảm bảo độ tin cậy 4.6 Kết luận chương Nội dung chương thực thí nghiệm xác định tuổi thọ mỏi TV BTDƯL ĐSĐT tuyến Bến Thành – Suối Tiên khổ đường 1.435 mm phịng thí nghiệm để so sánh kết tính tốn Kết lý thuyết tính tốn thực nghiệm tương đối thống Kết thí nghiệm cho thấy giá trị tải trọng nứt tuổi thọ mỏi tà vẹt lớn giá trị tính tốn Ngun nhân tính tốn sử dụng độ bền kéo uốn đặc trưng, giá trị thấp độ bền kéo uốn thực tế vật liệu sử dụng Tải trọng phá hoại ứng với giới hạn bền có giá trị lớn giá trị tải trọng phá hoại mỏi Nguyên nhân tượng mỏi, q trình tích lũy dần phá hỏng thân vật liệu tác động ứng suất thay đổi theo thời gian Ứng suất thay đổi làm xuất vết nứt mỏi, sau vết nứt mỏi phát triển dẫn tới phá hủy vật liệu Sự phá hủy gọi phá hủy mỏi Có nhiều yếu tố để đánh giá tuổi thọ mỏi, nghiên cứu này, tác giả đánh giá tuổi thọ mỏi theo tiêu chí thép DƯL bị đứt Nghiên cứu đánh giá tuổi thọ mỏi tà vẹt DƯL ĐSĐT KẾT LUẬN CỦA LUẬN ÁN Bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm trường thí nghiệm phòng số tuyến ĐSĐT Việt Nam, luận án có số đóng góp mặt khoa học thực tiễn sau: - Luận án xây dựng mơ hình động lực học tương hỗ đoàn tàu kết cấu đường tuyến ĐSĐT Cát Linh – Hà Đông với 35 bậc tự toa xe bậc tự kết cấu đường Ứng dụng mơ hình mơ 3D động lực học đoàn tàu kết cấu đường ĐSĐT phần mềm SIMPACK chỉnh thể thống để xác định tải trọng động, kết sử dụng để tính tốn hệ số tải trọng động phù hợp với kết đo thực nghiệm - Luận án nghiên cứu thực nghiệm trường đề xuất cơng thức thực nghiệm tính hệ số tải trọng động tuyến ĐSĐT Cát Linh – Hà Đông với giá trị phù hợp với kết tính tốn phương pháp phần tử hữu hạn phương pháp mô Kết sở để xác định tải trọng động q trình tính tốn kết cấu tầng ĐSĐT - Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mơ hình tính tốn tác dụng đồn tàu kết cấu đường ĐSĐT tuyến Cát Linh – Hà Đơng mơ hình dầm gối đàn hồi thay cho mơ hình tính tốn truyền thống dầm đàn hồi để tăng độ xác mơ hình Kết tính tốn hệ số động theo phương pháp phần tử hữu hạn phù hợp với kết thực nghiệm - Luận án mơ hình mơ 3D động lực học đoàn tàu kết cấu đường ĐSĐT tuyến Bến Thành – Suối Tiên phần mềm SIMPACK để xác định tải trọng động - Luận án xây dựng cơng thức tính độ cứng gối đỡ đàn hồi kết cấu đường sắt không đá tuyến ĐSĐT Bến Thành – Suối Tiên 24 - Sử dụng phương pháp tổn thương tích lũy tính toán tuổi thọ mỏi TV BTDƯL tuyến ĐSĐT Bến Thành – Suối Tiên Phương pháp tính tốn tuổi thọ mỏi TV BTDƯL lập trình tính tốn thơng qua ngơn ngữ lập trình VBA để tiết kiệm thời gian tính tốn - Nghiên cứu thí nghiệm phòng xác định tuổi thọ mỏi TV BTDƯL tuyến ĐSĐT Bến Thành – Suối Tiên Thí nghiệm thực với trường hợp cấp gia tải ba cấp gia tải, kết thí nghiệm phù hợp với lý thuyết tính tốn - Nghiên cứu thí nghiệm phòng xác định tải trọng phá hoại TV BTDƯL tuyến ĐSĐT Bến Thành – Suối Tiên Kết cho thấy giá trị tải trọng phá hoại mỏi nhỏ nhiều giá trị tải trọng phá hoại tĩnh tà vẹt, kết phù hợp với lý thuyết mỏi - Xây dựng mơ hình mơ 3D TV BTDƯL tuyến ĐSĐT Bến Thành – Suối Tiên phần mềm MIDAS để tính tốn tuổi thọ mỏi tà vẹt Những đóng góp mới: - Luận án nghiên cứu đề xuất cơng thức thực nghiệm tính hệ số tải trọng động tuyến ĐSĐT Cát Linh – Hà Đông: Ф = 0,9909 + 0,004853 - Luận án xây dựng cơng thức tính độ cứng gối đỡ đàn hồi kết cấu đường sắt không đá ba lát tuyến ĐSĐT Bến Thành – Suối Tiên: = + - Luận án nghiên cứu tuổi thọ mỏi TV BTDƯL tuyến ĐSĐT Bến Thành – Suối Tiên - Luận án nghiên cứu thực nghiệm xác định tuổi thọ mỏi TV BTDƯL tuyến ĐSĐT Bến Thành – Suối Tiên sử dụng phương pháp phân mẫu gia tải phân cấp gia tải ... Kích thước tà vẹt 3.2.3 Mơ hình tính tốn tuổi thọ mỏi tà vẹt bê tông dự ứng lực đường sắt đô thị tuyến Bến Thành – Suối Tiên Dựa vào đường cong S-N thép DƯL, nghiên cứu tính tốn tuổi thọ mỏi TV BTDƯL... chịu mỏi 1.6 Các nghiên cứu mỏi tà vẹt thực Các nghiên cứu giới dừng lại nghiên cứu mỏi TV BTDƯL đối đường sắt cao tốc, đường sắt chạy hỗn hợp tàu khách với tàu hàng, đường sắt chạy tàu khổ hẹp đường. .. loại tà vẹt làm sở nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm chương 1.1 Tình hình sử dụng tà vẹt bê tông dự ứng lực giới Việt Nam 1.1.1 Tình hình sử dụng tà vẹt bê tông dự ứng lực giới Trên giới sử dụng