Báo cáo khoa học: "an toàn cho cầu vượt cầu cạn dưới tác động của tải trọng va xe" pps

an ton cho cầu vợt cầu cạn
dới tác động của tải trọng va xe


ThS. nguyễn ngọc lâm
Bộ môn Cơ kết cấu - ĐH GTVT
Tóm tắt: Để đảm bảo tính liên tục của các phơng tiện tham gia giao thông, tránh đợc sự
ùn tắc, tại các tuyến đờng giao nhau thờng đợc xây dựng bằng nút giao lập thể trong đó có
sử dụng hệ thống cầu vợt, v cầu cạn. An ton cho cầu vợt cầu cạn đặc biệt l cho trụ cầu
vợt cầu cạn l vấn đề cần quan tâm. Bi ny nêu một số quan điểm về trụ cầu chịu tác động
của tải trọng va xe để có các giải pháp hữu hiệu phục vụ cho công tác thiết kế cũng nh công
tác quản lý v khai thác nhằm đảm bảo an ton cho ngời, các phơng tiện v công trình cầu.
Summary: In order to guarantee the continuity of transport vehicles and avoid traffic jams,
grade-seperated junctions with flyover and elevated way systems are built at intersections.
Safety of flyovers and elevated ways, particularly of their piers must be taken into
consideration. This article raises some standpoints about piers subjected to vehicle collision
loads in order to work out some reasonable solutions for design, management and operation,
ensuring safety for road users, vehicles and bridge structures.

1. Mở đầu
Theo khảo sát của các tổ chức WB,
JICA đối với các thành phố lớn của Việt Nam
nh: thành phố Hà Nội, thành phố Hồ Chí
Minh cho thấy, lu lợng xe chạy trên các
đờng qua các nút giao thông rất lớn, trong
khi đó mạng lới đờng lại quá chật hẹp,
chủng loại phơng tiện khá đa dạng, nhiều
ngã t đèn xanh đèn đỏ dẫn đến tình trạng
ách tắc thờng xuyên xảy ra. Để vừa tiết kiệm
đợc quỹ đất vừa giải quyết đợc ách tắc giao
thông, hiện nay chính phủ đã phê duyệt một

số dự án quy hoạch và triển khai thi công các
nút giao thông có sử dụng các loại cầu vợt,
cầu cạn và cầu dẫn. Với lu lợng xe lớn, hoạt
động suốt ngày đêm thì an toàn giao thông là
vấn đề cần đợc quan tâm. An toàn giao
thông cho cầu vợt, cầu cạn mà ở đây ta đề
cập chủ yếu đến an toàn cho phần trụ cầu
vợt, cầu cạn.
2. một số quy định về lực va xô xe cộ
2.1. Tiêu chuẩn 22TCN272-01
Mố trụ đặt trong phạm vi cách mép lòng
đờng bộ 9m hay trong phạm vi 15 m đến tim
đờng sắt đều phải thiết kế cho một lực tĩnh
tơng đơng là 1.800.000 N tác dụng ở bất kỳ
hớng nào trong mặt phẳng nằm ngang, cách
mặt đất 1200 mm.
2.2. Tiêu chuẩn AUSTROADS-92
Trụ cầu vợt không đặt hệ thống barrie
cứng thì trụ phải đợc thiết kế cho một tải
trọng tĩnh tơng đơng là 1000 kN, va chạm
hợp với hớng tuyến chính đi qua dới cầu là
10
0
, cách mặt đất 1.2 m.
Nh vậy theo một số quy định về lực va
xe ta thấy các tiêu chuẩn đã đa ra đợc giá
trị tải trọng va xe nhng không chỉ rõ cấp
đờng, tốc độ thiết kế của đờng dới cầu v

65

ngoi ra giá trị tải trọng va xe ny khá lớn có
thể không xảy ra trong điều kiện khai thác
thực tế ở Việt Nam, do đó dẫn đến vật liệu sử
dụng cho kết cấu tăng lên quá lớn, không hợp
lý, lm tăng giá thnh của công trình. Vì vậy
cần phải nghiên cứu v phân tích nhằm đánh
giá đúng tác động của tải trọng nói chung v
của lực va xô xe cộ nói riêng lên kết cấu cầu
vợt, cầu cạn để vừa đảm bảo an ton cho
khai thác, vừa phù hợp với điều kiện thực tế ở
nớc ta.
3. Các thông số khi xét đến tác
động của lực va xe
3.1. Tác động va đập theo tốc độ va chạm
Tốc độ va chạm là vận tốc đợc tính
trớc và lúc bắt đầu tiếp xúc của phơng tiện
với kết cấu công trình.
3.2. Tác động va đập theo các mức độ
hấp thụ năng lợng
+ Nếu va chạm đàn hồi: năng lợng
không bị tiêu hao coi nh không xảy ra biến
dạng.
+ Nếu va chạm không đàn hồi (va chạm
mềm): Năng lợng bị hấp thụ, tiêu hao trong
quá trình biến dạng (Kết cấu công trình bị đổ,
nứt, ô tô bị méo mó ).
3.3. Hiệu quả va chạm
Hiệu quả va chạm phụ thuộc tốc độ va
chạm hoặc mức độ hấp thụ năng lợng còn
phụ thuộc vào hình dạng, kích thớc của bề

mặt vật va chạm và góc tiếp xúc giữa phơng
tiện và kết cấu công trình, kết cấu phơng
tiện.
3.4. Xung lợng va đập
Đánh giá tải trọng va xô bằng đại lợng
gọi là xung lợng của lực tác dụng
F .
Theo định lý xung lợng:

=
t
0
dt.FK

3.5. Đại lợng gia tốc
Đại lợng gia tốc a cũng đợc đa vào
nh là một thông số dẫn xuất để tính lực va xô
theo định luật II Newton:

amF
r
r
=
Trong động học chất điểm ngời ta có
thể biểu diễn gia tốc a qua vận tốc, quãng
đờng và thời gian. Mặt khác trong điều kiện
trạng thái giới hạn có thể biểu diễn gia tốc a
qua các thông số nh: chiều cao, chiều dài,
chiều rộng của ôtô
- Ta xem độ uốn của kết cấu bằng:

y = y
1
+ y
2

y
1
, y
2
- chuyển vị của trụ và của tiết diện.
N
N
P
y
x
l
-
x

- Biểu thức đối với động năng có dạng:

+







+
=
l
0
2
1
red
red
2
l
0
21
x
x
y
.
tA2
mI
dx
t

)yy(
2
m
K

2
21
s
])t,x(y)t,x(y[
2
M

+++
(1)
- Thế năng của cột trụ.
2
K
dx
x
y
K2
D
dx
x
y
2
B
V
2
1

2
l
0
20
2
l
0
2
1
2
0

+








+

=


(2)
- Công của lực dọc trục:

66
dx
x
y
N
2
1
W
2
l
0









=
(3)

- Để thu đợc phơng trình chuyển động
chúng ta sử dụng phơng trình Lagrand bậc
hai:
nnnn
T
W
T
V
T
K
T
K
dt
d


=

(4)
Thay (1), (2), (3) vào (4) ta đợc:
[]
0)TT()x(X
)5(0)()T()TT(
0)()T()T()T()T(
2
0
=+++
=+++
=++++
&&
&&
&&
&&
&&
&&
&&
&&
&&

Nghiệm của phơng trình (5) nh sau:
tsin)tcos1(
2
2
0
2

2
2
2



+


=
&
(6)
Lực va chạm:


=
sin
C)t(
F
m
st

5. Tính lực va xe theo phơng pháp
kiến nghị
Giả sử ô tô
chuyển động
và va chạm vào
trụ dới một
góc . Sau khi
va chạm vào

trụ ô tô theo
quán tính đi
đợc thêm một
quãng đờng s
nào đó rồi dừng
hẳn. ở đây ta
bỏ qua lực ma
sát (coi lực ma
sát nhỏ không
đáng kể so với
lực va chạm của ô tô).
Trong vật lý động học chất điểm ta có:
2
t
v - = 2as (7)
2
on
v
Sau va chạm xe dừng lại, lúc đó v
t
= 0,
công thức (7) trở thành:
- = 2as hay
2
on
v
s2
v
a
2

on

=

Thay các giá trị trên ta có:
=


= sin
l2
v
sinl2
sinv
a
2
o
22
o

Trong (8) ta coi trụ không có biến dạng
(tức là công trình an toàn tuyệt đối)
Lực va chạm đợc truyền cho trụ theo
định luật II Newton:

l2
sinvM
a.Ma.mF
2
os
s

===
(9)
6. áp dụng Tính lực va xe theo
phơng pháp kiến nghị
áp dụng phơng trình (9) góc va chạm
20
0
tính toán với các xe H30 và xe HL93 với
các tốc độ từ 40 km/h đến 120 km/h
Chỉ tiêu kỹ thuật của xe ô tô thiết kế
Tải trọng tiêu chuẩn
TT
Chỉ tiêu kỹ
thuật của
xe
Đơn vị
22TCN18-79
Xe H30
22TCN272-01
Xe HL-93
1
Trọng
lợng một
xe
Tấn 30 32.5
2
Trọng
lợng trục
sau

Tấn 2x12 2x14.5
3
Trọng
lợng trục
trớc
Tấn 6 3.5
4
Khoảng
cách tim
bánh xe
mét 1.9 1.8
5
Khoảng
cách tim
trục xe
mét
6
ữ
1.6 4.3
ữ
9
Khối tâm
v
on
vo

s
l

F

F
T
r
ụ
c
ầ
u
v

ợ
t
c
ầ
u
c
ạ
n

67
Giá trị lực va xô với từng loại xe thiết kế
Xe H30
Tốc độ
thiết kế
120 100 80 60 40
Lực va
(Tấn)
165.5 114.8 73.48 41.33 18.37
Xe HL-93
Tốc độ
thiết kế

120 100 80 60 40
Lực va
(Tấn)
115.0 79.8 51.11 28.75 12.77
7. kết luận
- So sánh kết quả đã tính toán theo
phơng pháp kiến nghị nêu trên với
Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN272-01
ta thấy giá trị lực va xô xe cộ đa ra
trong Tiêu chuẩn (180 Tấn) là khá lớn,
độ an toàn của kết cấu rất cao. Tuy
nhiên, chi phí xây dựng để kết cấu chịu
đợc lực va này tăng lên đáng kể, gây
lãng phí quá nhiều, không cần thiết.
- Kết quả tính toán theo phơng pháp
kiến nghị cho ta thấy giá trị lực va xô
tơng ứng với từng cấp đờng, từng tốc
độ thiết kế cụ thể mà vẫn đảm bảo độ
tin cậy của công trình, giá thành xây
dựng công trình hợp lý với điều kiện
thực tế của nớc ta.


Tài liệu tham khảo
[1]. Nguyễn Ngọc Lâm. Các dạng trụ cầu vợt cầu
cạn và phân tích trụ cầu chịu tải trọng va xe.
Luận văn Thạc sĩ Kĩ thuật. Hà Nội, 2002.
[2]. Tiêu chuẩn thiết kế cầu đờng úc. AUS-
ROADS, 1992.
[3]. Tiêu chuẩn thiết kế cầu - 22TCN272 - 01.

[4]. A. V. ZABEGAEV. Sự cố và tai nạn - Dịch
ra tiếng Việt - Bản tiếng Nga - MOCKVA -
1998Ă


68