CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH HIỆU ỨNG TẢI TRỌNG
2.3. Xác định phổ tải trọng xe từ dữ liệu thống kê xe tải nặng
Khái niệm chung về cân động
Cân động (Weigh-in-Motion,WIM) là quá trình cân tổng trọng lượng xe và các trục xe trong khi vẫn đang chạy trên đường. Có hai loại hệ thống cân động: dựa trên mặt đường (Pavement based WIM) và dựa trên cầu (Bridge based WIM).
Hệ thống dựa trên mặt đường bao gồm các cảm biến lắp trên mặt đường vuông góc với hướng giao thông (Hình 2.13). Hệ thống này hoạt động theo nguyên tắc là các đại lượng đo được từ các cảm biến của WIM sẽ thay đổi theo tải trọng tác dụng. Hệ thống trên mặt đường thu thập đồng thời các tải trọng động trục xe khi xe chạy qua các cảm biến.
Hệ thống cân động dựa trên cầu (Bridge weigh-in-motion, BWIM) căn cứ việc đo biến dạng của cầu và dựa vào số liệu đo này để ước tính các thuộc tính của dòng giao thông qua cầu. Hệ thống cân động cầu thu thập các biến dạng để xác định các tải trọng trục qua cầu. Hệ thống này thường gồm hai bộ phận, bộ phận thứ nhất quan trắc sự thay đổi các đáp ứng của cầu bằng cách sử dụng cảm biến biến dạng. Bộ phận thứ hai
quan trắc tốc độ và khoảng cách các trục xe qua cầu (Hình 2.14).
Hình 2.13: Ví dụ hệ thống cân động 2 làn xe trên đường ô tô (FWHA manual)
Hình 2.14: Sơ đồ cấu tạo hệ thống B-WIM (courtesy of ZAG, Slovenia)
Hệ thống cân động trên đường ô tô đã được tiêu chuẩn hóa thành tiêu chuẩn ASTM E1318-09. Hệ thống WIM có ứng dụng chính là thu thập các dữ liệu thống kê của dòng giao thông như trọng lượng toàn bộ xe, trọng lượng các trục, tốc độ, khoảng cách trục, phân loại xe theo cấu hình trục,... và hổ trợ chế tài thực thi luật giao thông.
Dữ liệu thống kê WIM được sử dụng trong thiết lập các mô hình tải trọng trọng hoạt tải xe trong các tiêu chuẩn thiết kế cầu, đường, thiết lập các hệ số tải trọng trong các tiêu chuẩn LRFD, các hệ số tải trọng cho đánh giá cầu cũ theo phương pháp LRFR,...
Ở Việt Nam, hiện nay một số trạm cân động hoạt động như trạm cân Dầu Giây (Km1846+600 QL.1, thuộc địa phận tỉnh Đồng Nai) và trạm Quảng Ninh (Km103+800 QL.18, thuộc địa phận TP Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh). Hai trạm này hoạt động từ năm 2009 với nhiệm vụ chủ yếu là kiểm soát các xe quá tải thông qua tuyến để chế tài xử phạt. Dữ liệu cân động từ hai trạm cân này chưa được khai thác cho mục đích mô phỏng tải trọng thiết kế hay đánh giá công trình cầu đường.
Theo Quyết định số 1502/QĐ-TTg ngày 11/10/2012 của Thủ tướng Chính phủ phê
duyệt Quy hoạch tổng thể Trạm kiểm tra tải trọng xe trên đường bộ đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030 từ năm 2012 đến 2030 sẽ đầu tư xây dựng 45 trạm cân xe trên hệ thống đường bộ hiện có. Đối với hệ thống đường cao tốc và các tuyến đường bộ xây dựng mới, Bộ Giao thông vận tải xác định cụ thể vị trí đặt trạm kiểm tra tải trọng xe cố định ngay trong giai đoạn lập dự án đầu tư và báo cáo Thủ tướng Chính phủ để bổ sung vào Quy hoạch.
Các trạm kiểm tra tải trọng xe theo công nghệ cân động WIM ở Việt nam trong tương lai ngoài nhiệm vụ kiểm soát tải trọng xe lưu thông còn cung cấp một cơ sở dữ liệu thống kê quan trọng phục vụ nghiên cứu đề xuất các mô hình tải trọng giao thông phù hợp với điều kiện Việt nam trong các tiêu chuẩn thiết kế và đánh giá cầu, đường bộ.
Một số nghiên cứu sử dụng số liệu cân động WIM để xây dựng mô hình tải trọng hoạt tải trong thiết kế và đánh giá cầu như Nowak, Moses.
NCHRP Report 683 của Hoa Kỳ hướng dẫn khá chi tiết về cách thức thu thập và sử dụng dữ liệu của trạm cân động WIM trong thiết kế cầu. Một số điểm quan trọng được nêu sau đây:
Lọc dữ liệu WIM
Lọc bỏ các bản ghi (dòng) dữ liệu WIM theo các điều kiện sau để dữ liệu WIM có chất lượng phù hợp:
- Vận tốc < 10 mph (16 km/h) - Vận tốc >100 mph (160 km/h) - Chiều dài xe tải > 120 ft (36.6m) - Tổng số trục xe < 3
- Tổng khoảng cách các trục lớn hơn chiều dài xe - Tổng trọng lượng xe < 12 kips (5.44 t)
- Trọng lượng trục > 70 kips (31.75 t) - Trọng lượng 1 bánh > 25 kips (11.3 t) - Trọng lượng một bánh < 6 kips (2.72 t) - Khoảng cách trục đầu tiên < 5 feet (1.52 m) - Bất kỳ trục nào có trọng lượng < 2 kips (0.9 t)
- Tổng trọng lượng xe khác tổng trọng lượng các trục 10%.
Dự báo hiệu ứng lực từ dữ liệu trạm cân động cho đánh giá cầu cũ
Sử dụng chương trình LLPR-1 (Live Load Predict) [2] để dự báo hiệu ứng hoạt tải từ dữ liệu cân động cho các loại kết cấu nhịp giản đơn theo sơ đồ khối hình sau: