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

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, 2021


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

Nghành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thông
Mã số: 9580205
Chuyên ngành: Xây dựng đường sắt

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. GS.TS Phạm Văn Ký
2. PGS.TS Lê Hải Hà

HÀ NỘI, 2021


i
LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng mình. Các
số liệu, kết quả được đưa ra trong luận án là trung thực và chưa từng được
cơng bố trong bất cứ cơng trình nào khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu
(nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng
quy định.
Tác giả luận án

Trần Anh Dũng


ii
LỜI CẢM ƠN
Luận án được thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của GS.TS Phạm
Văn Ký và PGS.TS Lê Hải Hà. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy hướng
dẫn đã chỉ dẫn tận tình và đã đóng góp các ý kiến quý báu để giúp tôi thực
hiện luận án này.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu Trường đại học Giao thông
Vận tải, lãnh đạo Khoa công trình, Phịng đào tạo Sau đại học, Bộ mơn
Đường sắt, Trung tâm khoa học công nghệ Giao thông vận tải đã tạo điều
kiện thuận lợi cho tơi trong q trình học tập nghiên cứu.
Cuối cùng tôi bày tỏ cảm ơn các đồng nghiệp, gia đình người thân đã

giúp đỡ tơi trong quá trình học tập, nghiên cứu.

Tác giả luận án

Trần Anh Dũng


iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..........................................................................................................ii
MỤC LỤC .....................................................................................................................iii
DANH MỤC HÌNH VẼ ..............................................................................................vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU........................................................................................xii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..........................................................................xiv
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MỎI ĐỐI VỚI TÀ VẸT BÊ TƠNG DỰ
ỨNG LỰC ..................................................................................................................... 6
1.1. Tình hình sử dụng tà vẹt bê tông dự ứng lực trên thế giới và Việt Nam ........... 6
1.1.1. Tình hình sử dụng tà vẹt bê tông dự ứng lực trên thế giới ................. 6
1.1.2. Tình hình sử dụng tà vẹt bê tơng dự ứng lực ở Việt Nam .................. 6
1.2. Tình hình sử dụng kết cấu đường sắt đơ thị trên thế giới và Việt Nam............. 7
1.3. Tải trọng động .......................................................................................................15
1.4. Nghiên cứu về mỏi trên thế giới ..........................................................................16
1.4.1. Giới thiệu........................................................................................... 16
1.4.2. Lịch sử nghiên cứu mỏi..................................................................... 16
1.4.3. Nghiên cứu mỏi của bê tông ............................................................. 18
1.4.4. Nghiên cứu mỏi của cốt thép trong bê tông ...................................... 18
1.4.5. Nghiên cứu mỏi của bê tông cốt thép ............................................... 20
1.4.6. Nghiên cứu mỏi của bê tông dự ứng lực ........................................... 20
1.5. Nghiên cứu về mỏi ở Việt Nam ..........................................................................22

1.6. Các nghiên cứu về mỏi đối với tà vẹt đã thực hiện ...........................................23
1.7. Những vấn đề còn tồn tại .....................................................................................24
1.8. Xác định vấn đề nghiên cứu ................................................................................24
1.9. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................... 4
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐỐI
VỚI ĐƯỜNG SẮT ĐÔ THỊ Ở VIỆT NAM ............................................................26


iv
2.1. Tải trọng động .......................................................................................................26
2.2. Xây dựng mơ hình động lực học tương hỗ giữa đường sắt và đoàn tàu đường
sắt đô thị tuyến Cát Linh – Hà Đông ..........................................................................29
2.3. Ứng dụng phần mềm xây dựng mơ hình mơ phỏng 3D động lực học giữa
đường sắt và đoàn tàu đường sắt đô thị tuyến Cát Linh – Hà Đông .......................40
2.4. Nghiên cứu thực nghiệm xác định tác dụng tương hỗ giữa đường sắt và đồn
tàu đường sắt đơ thị tuyến Cát Linh – Hà Đông .......................................................46
2.5. Phương pháp phần tử hữu hạn tính tốn biến dạng tương đối của ray dưới tác
dụng của tải trọng tĩnh của đường sắt đô thị tuyến Cát Linh – Hà Đơng ...............52
2.5.1. Mơ hình phân tích lực ....................................................................... 52
2.5.2. Rời rạc hóa kết cấu ............................................................................ 53
2.5.3. Thiết lập ma trận độ cứng, véc tơ tải, xử lý điều kiện biên và giải
bài toán ................................................................................................. 53
2.5.4. Q trình tính tốn ............................................................................ 55
2.6. Xác định hệ số tải trọng động đối với tuyến đường sắt đô thị Cát Linh – Hà
Đông ..............................................................................................................................62
2.7. Kết luận chương 2.................................................................................................65
CHƯƠNG 3: 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 ......................................................................................................66
3.1. Đặt vấn đề nghiên cứu ..........................................................................................66

3.2. Phương pháp lý thuyết xác định tuổi thọ mỏi. ...................................................68
3.2.1. Cơ sở lý thuyết .................................................................................. 68
3.2.2. Mô hình tà vẹt sử dụng trong tính tốn ............................................. 72
3.2.3. Mơ hình tính tốn tuổi thọ mỏi của tà vẹt bê tông dự ứng lực đường
sắt đô thị tuyến Bến Thành – Suối Tiên ...................................................... 73


v
3.2.4. Lập chương trình tính tốn tuổi thọ mỏi cho tà vẹt bê tông dự ứng lực
đường sắt đô thị tuyến Bến Thành – Suối Tiên bằng ngôn ngữ lập trình Visual
Basic for Applications (VBA) ...................................................................... 85
3.2.5. Ví dụ tính tốn mơ phỏng tà vẹt bê tơng dự ứng lực đối với tuyến
đường sắt đô thị Bến Thành-Suối Tiên ....................................................... 87
3.3. Kết luận chương 3...............................................................................................103
CHƯƠNG 4: 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.................................................................................................................105
4.1. Thiết bị thí nghiệm..............................................................................................105
4.2. Bố trí thí nghiệm .................................................................................................113
4.3. Kết quả thí nghiệm..............................................................................................118
4.4. Đánh giá độ chụm của kết quả thí nghiệm .......................................................121
4.5. So sánh kết quả nghiên cứu mỏi của luận án với các tác giả khác.................123
4.6. Kết luận chương 4...............................................................................................124
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..................................................................................125
DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

LIÊN

QUAN ĐẾN LUẬN ÁN...........................................................................................128
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................129

PHỤ LỤC ...................................................................................................................135


vi
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1. Mặt cắt ngang bản bê tơng đặt trực tiếp của Anh. ............................ 8
Hình 1-2. Phụ kiện giữ ray bản bê tơng của Anh.............................................. 8
Hình 1-3. Mặt cắt ngang kết cấu bản rãnh. ....................................................... 9
Hình 1-4. Kết cấu bản bê tông dự ứng lực theo phương dọc của Đức. ............ 9
Hình 1-5. Kết cấu bản bê tông dự ứng lực theo 2 phương của Đức. .............. 10
Hình 1-6. Kết cấu bản BT dầm dọc dự ứng lực xen kẽ bởi các dầm ngang của
Đức. ................................................................................................................. 10
Hình 1-7. Đường bản bê tơng trên tuyến Tokaido-Shinkansen. ..................... 11
Hình 1-8. Bản bê tông cốt thép đường sắt Kansas. ......................................... 12
Hình 1-9. Phụ kiện giữ ray Fastex của đường Kansas. ................................... 12
Hình 1-10. Mặt cắt ngang đường sắt đơ thị Cát Linh - Hà Đơng. .................. 13
Hình 1-11. Mặt bằng đường sắt đô thị Cát Linh - Hà Đông. .......................... 13
Hình 1-12. Mặt cắt ngang đường sắt đơ thị Nhổn - Ga Hà Nội. ..................... 14
Hình 1-13. Mặt bằng đường sắt đơ thị Nhổn - Ga Hà Nội. ............................ 14
Hình 1-14. Mặt cắt ngang đường sắt đô thị Bến Thành - Suối Tiên............... 15
Hình 1-15. Mặt bằng đường sắt đơ thị Bến Thành - Suối Tiên. .................... 15
Hình 1-16. Thí nghiệm mỏi thiết lập của Thun và cộng sự. ........................... 21
Hình 2-1. Mơ hình đồn tàu đường sắt đơ thị tuyến Cát Linh – Hà Đơng. .... 30
Hình 2-2. Kết cấu tổng thể của toa xe động lực M. ........................................ 31
Hình 2-3. Kết cấu tổng thể của toa kéo có buồng lái Tc................................. 32
Hình 2-4. Kết cấu tổng thể của giá chuyển hướng toa xe động lực M. .......... 33
Hình 2-5. Kết cấu tổng thể của giá chuyển hướng toa kéo có buồng lái Tc. .. 34
Hình 2-6. Mơ hình tính tốn mơ phỏng dao động của toa xe trong mặt đứng
toa xe. .............................................................................................................. 37
Hình 2-7. Mơ hình tính tốn mô phỏng dao động của toa xe trong mặt bằng

toa xe. .............................................................................................................. 37


vii
Hình 2-8. Mơ hình tính tốn mơ phỏng dao động của toa xe trong mặt cắt
ngang toa xe. ................................................................................................... 38
Hình 2-9. Mơ hình tính tốn mơ phỏng dao động kết cấu đường trong mặt cắt
dọc đường. ....................................................................................................... 40
Hình 2-10. Mơ hình tính tốn mơ phỏng dao động kết cấu đường trong mặt
cắt ngang đường. ............................................................................................. 40
Hình 2-11. Mơ phỏng mơ hình bánh xe toa xe. .............................................. 42
Hình 2-12. Mơ phỏng mơ hình giá chuyển hướng toa xe. .............................. 42
Hình 2-13. Mơ hình thân toa xe. ..................................................................... 43
Hình 2-14. Mơ hình 3D tính tốn động lực học của toa xe đường sắt đơ thị
tuyến Cát Linh – Hà Đơng. ............................................................................. 43
Hình 2-15. Biểu đồ lực động của bánh xe tác dụng lên ray khi đoàn tàu
ĐSĐT tuyến Cát Linh - Hà Đông di chuyển với vận tốc V = 30 km/h. ......... 44
Hình 2-16. Biểu đồ lực động của bánh xe tác dụng lên ray khi đoàn tàu ĐSĐT
tuyến Cát Linh – Hà Đông di chuyển với vận tốc V = 50 km/h. .................... 45
Hình 2-17. Biểu đồ lực động của bánh xe tác dụng lên ray khi đoàn tàu
ĐSĐT tuyến Cát Linh – Hà Đông di chuyển với vận tốc V = 80 km/h. ........ 45
Hình 2-18. Hệ số động theo vận tốc của đoàn tàu ĐSĐT tuyến Cát Linh – Hà
Đơng theo phương pháp mơ phỏng. ................................................................ 46
Hình 2-19. Cảm biến lá điện trở...................................................................... 47
Hình 2-20. Sơ đồ bố trí thiết bị đo biến dạng. ................................................ 47
Hình 2-21. Bố trí thiết bị đo biến dạng ở hiện trường. ................................... 48
Hình 2-22. Đồn tàu đường sắt đơ thị tuyến Cát Linh - Hà Đơng. ................. 48
Hình 2-23. Sơ đồ tải đồn tàu đường sắt đơ thị tuyến Cát Linh - Hà Đơng. .. 48
Hình 2-24. Biến dạng động theo thời gian khi đồn tàu đường sắt đơ thị
tuyến Cát Linh - Hà Đông di chuyển với vận tốc V = 30 km/h...................... 49

viii
Hình 2-25. Biến dạng động theo thời gian khi đồn tàu đường sắt đô thị
tuyến Cát Linh – Hà Đông di chuyển với vận tốc V = 50 km/h. .................... 49
Hình 2-26. Biến dạng động theo thời gian khi đồn tàu đường sắt đô thị
tuyến Cát Linh – Hà Đông di chuyển với vận tốc V = 80 km/h. .................... 50
Hình 2-27. Hệ số động theo vận tốc của đồn tàu đường sắt đô thị
tuyến Cát Linh – Hà Đông theo phương pháp thực nghiệm. .......................... 51
Hình 2-28. Mơ hình tính.................................................................................. 52
Hình 2-29. Rời rạc hóa kết cấu ray. ................................................................ 53
Hình 2-30. Phần tử ray. ................................................................................... 53
Hình 2-31. Xác định phản lực tại các gối. ...................................................... 55
Hình 2-32. Mơ hình và sơ đồ tính ray chịu tác dụng của tải trọng đoàn tàu
di chuyển chậm từ đầu trái sang đầu phải của đoạn ray. ................................ 56
Hình 2-33. Đoạn ray được rời rạc thành m phần tử. ....................................... 57
Hình 2-34. Mặt cắt ngang ray 60 kg/m. .......................................................... 58
Hình 2-35. Độ võng lớn nhất tại mặt cắt A khi cho đoàn tàu di chuyển từ đầu
trái sang đầu phải của ray với các phương án đoạn ray tính tốn có các chiều
dài khác nhau................................................................................................... 59
Hình 2-36. Biểu đồ độ võng, mơ men uốn tại mặt cắt A khi cho đoàn tàu
di chuyển từ đầu trái sang đầu phải của đoạn ray tính tốn. ........................... 60
Hình 2-37. Biểu đồ biến dạng dọc trục tại điểm nằm dưới đáy ray tại mặt cắt A
khi cho đoàn tàu di chuyển từ đầu trái qua đầu phải của đoạn ray tính tốn. . 61
Hình 2-38. Hệ số động theo vận tốc của đoàn tàu đường sắt đô thị tuyến Cát
Linh – Hà Đông theo phương pháp phần tử hữu hạn. .................................... 62
Hình 2-39. Hệ số động theo vận tốc của đồn tàu tuyến đường sắt đơ thị Cát
Linh-Hà Đơng theo các phương pháp tính...................................................... 63
Hình 2-40. Hệ số động theo tốc độ của đoàn tàu đường sắt theo các tác giả. 64
Hình 3-1. Đường cong mỏi theo Wohler. ....................................................... 69

ix
Hình 3-2. Các kiểu vết nứt. ............................................................................. 70
Hình 3-3. Đường cong tốc độ phát triển vết nứt. ............................................ 71
Hình 3-4. Kích thước tà vẹt bê tơng dự ứng lực. ............................................ 73
Hình 3-5. Hình ảnh tà vẹt bê tơng dự ứng lực. ............................................... 73
Hình 3-6. Đường cong S-N cho thép dự ứng lực. ........................................... 74
Hình 3-7. Hình ảnh mặt cắt ngang và bố trí thép dự ứng lực trong tà vẹt. ..... 74
Hình 3-8. Mặt cắt ngang tà vẹt tại vị trí đặt ray. ............................................. 75
Hình 3-9. Sơ đồ khối tính tuổi thọ mỏi của tà vẹt bê tông dự ứng lực. .......... 75
Hình 3-10. Trạng thái ứng suất biến dạng sau khi nứt của tà vẹt. .................. 80
Hình 3-11. Giao diện chương trình tính tuổi thọ mỏi. .................................... 85
Hình 3-12. Nhập thơng số đầu vào. ................................................................ 86
Hình 3-13. Tính tốn kết quả. ......................................................................... 87
Hình 3-14. Cấu hình đồn tàu ở giai đoạn đầu Mc – T – Mc. ........................ 88
Hình 3-15. Cấu hình đồn tàu ở giai đoạn sau Mc – T – M – M – T – Mc. ... 88
Hình 3-16. Kết cấu thân toa xe động lực có buồng lái Mc. ............................ 89
Hình 3-17. Kết cấu thân toa xe kéo theo T. .................................................... 89
Hình 3-18. Đồn tàu đường sắt đô thị tuyến Bến Thành – Suối Tiên. ........... 90
Hình 3-19. Kết cấu giá chuyển hướng toa xe động lực tuyến Bến Thành –
Suối Tiên ......................................................................................................... 91
Hình 3-20. Kết cấu khung giá chuyển hướng toa xe đường sắt đơ thị tuyến
Bến Thành – Suối Tiên. .................................................................................. 92
Hình 3-21. Hệ thống treo giá chuyển hướng toa xe đường sắt đơ thị tuyến Bến
Thành – Suối Tiên. .......................................................................................... 92
Hình 3-22. Hệ thống treo sơ cấp của toa xe đường sắt đơ thị tuyến Bến Thành
– Suối Tiên. ..................................................................................................... 93
Hình 3-23. Hình chiếu đứng kết cấu đường sắt đơ thị. ................................... 94
Hình 3-24. Hình chiếu bằng kết cấu đường sắt đơ thị. ................................... 94

x
Hình 3-25. Hình chiếu cạnh kết cấu đường sắt đơ thị..................................... 94
Hình 3-26. Hộp chống rung AVT Box. .......................................................... 95
Hình 3-27. Hình ảnh kết cấu đường sắt đơ thị. ............................................... 95
Hình 3-28. Sơ đồ xác định độ cứng của gối đỡ ray D. ................................... 95
Hình 3-29. Mơ hình mơ phỏng trục bánh xe. .................................................. 97
Hình 3-30. Mơ hình mơ phỏng giá chuyển hướng. ......................................... 97
Hình 3-31. Mơ hình mơ phỏng thân toa xe. .................................................... 98
Hình 3-32. Mơ hình mơ phỏng toa xe. ............................................................ 98
Hình 3-33. Biểu đồ lực động của bánh xe tác dụng lên ray khi đoàn tàu
ĐSĐT tuyến Bến Thành – Suối Tiên di chuyển với vận tốc V = 30 km/h. .... 99
Hình 3-34. Biểu đồ lực động của bánh xe tác dụng lên ray khi đoàn tàu
ĐSĐT tuyến Bến Thành – Suối Tiên di chuyển với vận tốc V = 50 km/h. .. 100
Hình 3-35. Biểu đồ lực động của bánh xe tác dụng lên ray khi đoàn tàu
ĐSĐT tuyến Bến Thành – Suối Tiên di chuyển với vận tốc V = 80 km/h. .. 100
Hình 3-36. Mơ hình vật liệu thép dự ứng lực và bê tơng.............................. 101
Hình 3-37. Đặt tải và gán điều kiện biên. ..................................................... 101
Hình 3-38. Chia lưới phần tử. ....................................................................... 102
Hình 3-39. Kết quả phân tích lực. ................................................................. 103
Hình 4-1. Võng kế. ........................................................................................ 105
Hình 4-2. Indicator. ....................................................................................... 106
Hình 4-3. Đầu đo laser. ................................................................................. 106
Hình 4-4. Thiết bị cảm biến chuyển vị (LVDT). .......................................... 106
Hình 4-5. Gắn thiết bị cảm biến chuyển vị (LVDT). .................................... 107
Hình 4-6. Cấu tạo máy thí nghiệm mỏi LFV 500kN-HH. ............................ 108
Hình 4-7. LFV 500kN-HH. ........................................................................... 108
Hình 4-8. Tủ điện loại nhỏ NS19-PA 09/9. .................................................. 109
Hình 4-9. Bộ nguồn thủy lực PAR-160. ....................................................... 109

xi
Hình 4-10. Bàn máy tính. .............................................................................. 109
Hình 4-11. Hệ thống làm mát tuần hồn bằng nước. .................................... 110
Hình 4-12. Bộ giá đỡ tà vẹt lên thiết bị LFV 500 kN-HH. ........................... 110
Hình 4-13. Hệ thống gối đỡ tà vẹt................................................................. 111
Hình 4-14. Hệ thống thiết bị thí nghiệm mỏi. ............................................... 111
Hình 4-15. Cấu tạo máy thủy lực vạn năng SANS SHT4306-W. ................ 112
Hình 4-16. Hệ thống thiết bị thí nghiệm xác định tải trọng phá hoại. .......... 112
Hình 4-17. Sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm xác định tải trọng nứt. .............. 113
Hình 4-18. Sơ đồ bố trí tải thí nghiệm xác định tải trọng nứt....................... 114
Hình 4-19. Hình ảnh thí nghiệm mỏi cho tà vẹt PCS1. ................................ 115
Hình 4-20. Hình ảnh thí nghiệm mỏi cho tà vẹt PCS2. ................................ 115
Hình 4-21. Bố trí thí nghiệm tại vị trí đế ray theo tiêu chuẩn EN 132302:2016. ........................................................................................................... 116
Hình 4-22. Bố trí thí nghiệm xác định tải trọng phá hoại. ............................ 117
Hình 4-23. Thí nghiệm xác định tải trọng phá hoại với tà vẹt PCS3............ 117
Hình 4-24. Thí nghiệm xác định tải trọng phá hoại với tà vẹt PCS4............ 117
Hình 4-25. Kết quả xác định giá trị tải trọng nứt đối với tà vẹt PCS1 và PCS2. 118
Hình 4-26. Độ mở rộng vết nứt với số chu kỳ tải đối với tà vẹt PCS1......... 119
Hình 4-27. Độ mở rộng vết nứt với số chu kỳ tải đối với tà vẹt PCS2......... 119
Hình

4-28.

Kết

quả

xác

định

giá

trị

tải

trọng

phá

hoại

đối với tà vẹt PCS3 và PCS4......................................................................... 121


xii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2-1. Năng lực vận tải hành khách của tuyến Cát Linh – Hà Đông........ 30
Bảng 2-2. Trọng lượng đoàn tàu của tuyến Cát Linh - Hà Đông ................... 30
Bảng 2-3. Các thông số kỹ thuật của đồn tàu ĐSĐT Cát Linh – Hà Đơng. . 35
Bảng 2-4. Các dao động tự do của toa xe. ...................................................... 39
Bảng 2-5. Hệ số động của đoàn tàu đường sắt đô thị tuyến

Cát

Linh – Hà Đông theo phương pháp mô phỏng. .............................................. 46
Bảng 2-6. Bảng kết quả biến dạng tĩnh thực đo. ............................................. 50

Bảng 2-7. Hệ số động của đoàn tàu đường sắt đô thị
tuyến Cát Linh – Hà Đông theo phương pháp thực nghiệm. .......................... 50
Bảng 2-8. Độ võng lớn nhất tại mặt cắt A khi cho đoàn tàu di chuyển từ đầu
trái sang đầu phải của ray với các phương án đoạn ray tính tốn có chiều dài
khác nhau......................................................................................................... 59
Bảng 2-9. Hệ số động của đoàn tàu đường sắt đô thị
tuyến Cát Linh – Hà Đông theo phương pháp phần tử hữu hạn. .................... 61
Bảng 2-10. So sánh hệ số động theo các phương pháp tính khác nhau. ......... 62
Bảng 2-11. So sánh hệ số động trong dải vận tốc từ 0 -:- 80 km/h. ............... 64
Bảng 3-1. Đặc tính vật liệu làm tà vẹt............................................................. 72
Bảng 3-2. Các thông số của đường cong S-N của thép dự ứng lực. ............... 74
Bảng 3-3. Tính mơ men nứt và tải trọng nứt. ................................................. 78
Bảng 3-4. Tuổi thọ mỏi đối với tà vẹt PCS1. .................................................. 82
Bảng 3-5. Tuổi thọ mỏi đối với tà vẹt PCS2. .................................................. 83
Bảng 3-6. Các thông số kỹ thuật chính của toa xe đường sắt đơ thị tuyến Bến
Thành – Suối Tiên ........................................................................................... 90
Bảng 4-1. So sánh tải trọng nứt..................................................................... 120
Bảng 4-2. So sánh tuổi thọ mỏi. .................................................................... 120
Bảng 4-3. Độ chụm trong thí nghiệm tải trọng nứt....................................... 122


xiii
Bảng 4-4. Độ chụm trong thí nghiệm mỏi. ................................................... 122
Bảng 4-5. Độ chụm trong thí nghiệm tải trọng phá hoại. ............................. 123
Bảng 4-6. So sánh kết quả nghiên cứu mỏi của luận án với các tác giả khác
....................................................................................................................... 123


xiv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ tiếng Anh

Chữ viết đầy đủ tiếng Việt

BT

Bê tông

BTCT

Bê tông cốt thép

TVBTCT

Tà vẹt bê tông cốt thép

CEB

Comite euro-international du beton Ủy ban bê tông quốc tế châu Âu

S

stress

Ứng suất

N

Number of cycles

Số chu kỳ phá hoại

S-N

A plot of the magnitude of an

Biểu đồ tương quan giữa ứng

alternating stress versus the

suất và số chu kỳ phá hoại

number of cycles to failure for a
given material
ACI

American Concrete Institute

Viện bê tông Hoa Kỳ

FIB

The International Federation

Liên đồn quốc tế về kết cấu

for Structural Concrete

bê tơng

Carbon-fibre reinforced

Polyme cốt sợi các bon.

CFRP

polymer
AREMA

American Railway Engineering Hiệp hội kỹ thuật và bảo trì
and Maintenance-of-

đường sắt Hoa Kỳ

WayAssociation
AS

Australian Standard

ĐSĐT

Tiêu chuẩn Úc
Đường sắt đô thị

PCS

Prestress Concrete Sleeper

Tà vẹt bê tông dự ứng lực

LVDT

Linear variable differential

Thiết bị chuyển đổi tuyến

transformer

tính

EN

European Norms

Tiêu chuẩn Châu Âu

AVT Box

Anti-Vibration Track Box

Hộp chống rung

PTHH

Phần tử hữu hạn


1
MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Xu thế phát triển chung của các thành phố lớn trên thế giới bao giờ
cũng gắn liền với hệ thống giao thông công cộng, trong đó hệ thống đường sắt
đơ thị là xương sống. Hệ thống đường sắt đô thị do mật độ chạy tàu cao, năng
lực vận chuyển lớn sẽ giải quyết được căn bản vấn đề đi lại của người dân khi
có sự kết nối với loại hình giao thơng cơng cộng khác.
Đường sắt đơ thị là loại hình giao thơng xanh đặc biệt quan trọng của
các thành phố lớn, đặc điểm chung của loại hình giao thơng này là mật độ
chạy tàu liên tục, yêu cầu rất cao về độ tin cậy, tính an tồn, êm thuận.
Theo Quy hoạch giao thơng vận tải thủ đô Hà Nội đến năm 2030 và
tầm nhìn đến năm 2050 đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt ngày 31
tháng 3 năm 2016 tại Quyết định số 519/QĐ-TTg, thành phố Hà Nội sẽ xây
dựng 12 tuyến với tổng chiều dài 422 km, trong đó 346,4 km cầu cạn kết hợp
đi trên nền đường, 75,6 km đi ngầm.
Đối với thành phố Hồ Chí Minh, tại Quyết định số 568/QĐ-TTg ngày
8/4/2013 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Điều chỉnh Quy hoạch phát
triển GTVT TP Hồ Chí Minh đến năm 2020 và tầm nhìn sau năm 2020, theo
đó sẽ xây dựng 08 tuyến xuyên tâm và vành khuyên nối các trung tâm chính
của thành phố, chủ yếu đi ngầm trong nội đô và 03 tuyến xe điện mặt đất hoặc
đường sắt một ray. Hệ thống đường sắt đô thị thành phố Hồ Chí Minh có tổng
chiều dài 172 km, trong đó có 90 km đi ngầm và 82 km đi trên cao.
Để đảm bảo sứ mạng chuyên chở một lượng lớn hành khách di chuyển
cùng nhịp đập của thành phố nên nó phải làm việc liên tục với 18-20 giờ trong
ngày. Vì vậy triết lý xây dựng của nó là giảm tối thiểu thời gian sửa chữa, nên
nó có độ dư cường độ nhiều, riêng mỏi kết cấu đỡ khơng chỉ khơng có độ dư
mà cịn chịu tần suất lặp của tải trọng đoàn tầu gấp hàng chục lần đường sắt
truyền thống.


2
Hiện tượng mỏi là hiện tượng khá phức tạp, xảy ra trong thời gian hoạt

tải lặp sinh ra ứng suất động nhỏ hơn giới hạn đàn hồi. Hiện tượng mỏi của
vật liệu kim loại đã được phát hiện cách đây hơn 100 năm. Mới đầu người ta
cảm thấy ngạc nhiên và lạ lùng khi phát hiện ra rằng, trục của bánh xe tàu hỏa
bị phá hoại dưới tác động của ứng suất lặp theo thời gian nhưng có trị số nhỏ
hơn nhiều so với giới hạn bền.
Mỏi được gọi là hiện tượng phá hủy trong vật liệu của kết cấu gây ra
bởi tải tuần hoàn lặp đi lặp lại. Từ quan điểm kỹ thuật, mỏi rất quan trọng
trong việc đánh giá tuổi thọ thiết kế các kết cấu hiện có và thiết kế các kết cấu
mới chịu tải tuần hoàn lặp đi lặp lại. Một loạt các thử nghiệm đã được tiến
hành về sự mỏi của vật liệu trong thế kỷ 20 của các tác giả trên thế giới.
Ở Việt Nam, các nghiên cứu và đánh giá về mỏi trên các kết cấu cơng
trình cũng như các bộ phận cơ cấu bằng thép ở các ngành khác nhau cũng đã
được tiến hành và đã có các báo cáo về các kết quả này. Tuy nhiên, các
nghiên cứu sâu rộng mới chỉ tập trung ở một số ngành mà tỉ trọng sử dụng các
kết cấu cơng trình bằng thép lớn.
Tà vẹt bê tông là một trong những bộ phận quan trọng nhất của hệ
thống đường sắt. Các nhà nghiên cứu trước đây đã nghiên cứu các đặc điểm
tải trọng tác động và khả năng chịu tải giới hạn của tà vẹt dự ứng lực nhưng
nghiên cứu về tuổi thọ mỏi của tà vẹt bê tơng dự ứng lực cịn hạn chế. Sự phá
hoại mỏi của tà vẹt bê tông dự ứng lực chủ yếu dẫn tới sự tích lũy các hư
hỏng gây ra bởi tải trọng lặp thể hiện sự tương tác giữa bánh xe và ray.
Hiện nay, chưa có cơng trình nghiên cứu thực nghiệm về tuổi thọ mỏi
cho tà vẹt bê tông dự ứng lực được thực hiện đặc biệt là đối với tà vẹt bê tông
dự ứng lực cho đường sắt đơ thị.
Trình tự thiết kế một cơng trình trong thực tế cần có số liệu đầu vào về
tải trọng tác động lên kết cấu đặc biệt là giá trị tải trọng động, tuy nhiên hiện


3
nay việc xác định tải trọng động đối với đường sắt đơ thị vẫn chưa có cơ sở

khoa học và cơng thức tính tốn.
Sau q trình thiết kế người kỹ sư sẽ tiến hành kiểm toán kết cấu, đối
với kết cấu tà vẹt bê tông dự ứng lực hiện nay đang chỉ kiểm toán kết cấu ở
các trạng thái giới hạn cường độ mà chưa xét đến giới hạn mỏi.
Trong các tiêu chuẩn thiết kế liên quan đến kết cấu tầng trên đường sắt
đô thị hiện nay chưa xét đến hệ số động đối với tải trọng đường sắt đô thị
cũng như chưa xét đến mỏi trong quá trình thiết kế tà vẹt bê tông dự ứng lực
của đường sắt đô thị. Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu tầng trên đường sắt đô thị ở
Việt Nam hiện nay vẫn chưa được ban hành.
Đường sắt đơ thị có tần suất khai thác của các chuyến tàu từ 2-5
phút/chuyến nên hiện tượng tải trọng lặp đi lặp lại tác dụng lên tà vẹt là
thường xuyên. Do vậy nghiên cứu tuổi thọ mỏi cho tà vẹt bê tông dự ứng lực
để đánh giá đặc tính sử dụng và dự báo tuổi thọ mỏi của tà vẹt bê tơng cũng
như cung cấp tính linh hoạt trong thiết kế và mở rộng nguyên tắc thiết kế kết
cấu tầng trên. Kết quả của nghiên cứu cũng có thể dùng để cải thiện các quy
trình duy tu bảo dưỡng kết cấu tầng trên, để thiết lập một mạng lưới theo dõi
tình trạng đường thích hợp trong thực tế.
Đề tài: “Nghiên cứu đánh giá tuổi thọ mỏi của tà vẹt bê tông dự ứng lực
trên đường sắt đô thị ở Việt Nam” nhằm mục đích nghiên cứu hệ số động đối
với đường sắt đô thị, nghiên cứu tuổi thọ mỏi của tà vẹt bê tông dự ứng lực
đường sắt đô thị, là cơ sở để tiến hành xây dựng tiêu chuẩn thiết kế kết cấu
tầng trên đường sắt đơ thị.
2. MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU CỦA LUẬN ÁN
2.1. Mục đích nghiên cứu


4
- Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm xác định hệ số động cho đường
sắt đô thị tuyến Cát Linh - Hà Đông để làm cơ sở nghiên cứu mỏi các bộ phận

kết cấu tầng trên liên quan khác.
- Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm xác định tuổi thọ mỏi của tà vẹt
bê tông dự ứng lực trên tuyến đường sắt đô thị Bến Thành - Suối Tiên.
- Lập mơ phỏng số mơ hình đồn tàu - đường ray của đường sắt đô thị
tuyến Cát Linh – Hà Đông và tuyến Bến Thành - Suối Tiên.
- Lập chương trình tính tuổi thọ mỏi của tà vẹt bê tơng dự ứng lực trên
tuyến đường sắt đô thị Bến Thành – Suối Tiên.
2.2. Đối tượng nghiên cứu
- Đoàn tàu của tuyến đường sắt đô thị Cát Linh – Hà Đông và tuyến
đường sắt đô thị Bến Thành – Suối Tiên.
- Tà vẹt bê tông dự ứng lực liền khối dạng thanh được đặt trên đường
không đá ba lát của tuyến đường sắt đô thị Bến Thành – Suối Tiên.
2.3. Phạm vi nghiên cứu
Trên cơ sở phân tích những nghiên cứu ở nước ngoài và trong nước,
luận án tập trung vào một số vấn đề sau:
1. Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực nghiệm xác định hệ số tải trọng
động cho tuyến đường sắt đô thị Cát Linh - Hà Đông.
2. Nghiên cứu lý thuyết và thí nghiệm xác định tuổi thọ mỏi đối với tà vẹt
bê tông dự ứng lực được đặt trên đường sắt đô thị tuyến Bến Thành - Suối Tiên.
3. Không nghiên cứu ảnh hưởng của từ biến, lực nhiệt độ, ăn mịn hóa
học đến tuổi thọ mỏi và chỉ nghiên cứu mỏi uốn của tà vẹt bê tông cốt thép dự
ứng lực trên đường sắt đô thị ở Việt nam.
2.4. Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng phương pháp lý thuyết kết hợp thực nghiệm.


5
3. 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 đường sắt đô thị tuyến Cát

Linh - Hà Đông và tuyến Bến Thành - Suối Tiên.
Luận án nghiên cứu đề xuất cơng thức tính hệ số động mới phù hợp với
tuyến đường sắt đô thị Cát Linh - Hà Đơng để từ đó có thể dễ dàng giải hàng
loạt bài toán động khác. Lựa chọn và thiết lập cụ thể phương pháp tính tuổi
thọ mỏi đối với tà vẹt bê tông dự ứng lực tuyến đường sắt đô thị Bến Thành Suối Tiên.
-Ý nghĩa thực tiễn:
Dựa vào các kết quả nghiên cứu là cơ sở để tính tuổi thọ mỏi cho các
bộ phận kết cấu đỡ đường ray khác và đóng góp xây dựng tiêu chuẩn thiết kế
kết cấu tầng trên đường sắt đô thị.
Việc xác định tải trọng động cũng như tuổi thọ mỏi cho tà vẹt nhằm tối
ưu hóa thiết kế. Đảm bảo tính an tồn cho kết cấu tầng trên đường sắt trong
q trình khai thác sử dụng. Tối ưu hóa duy tu bảo dưỡng kết cấu tầng trên
đường sắt đô thị.


6
CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ MỎI ĐỐI VỚI TÀ VẸT BÊ TƠNG DỰ ỨNG LỰC
1.1. Tình hình sử dụng tà vẹt bê tông dự ứng lực trên thế giới và Việt Nam
1.1.1. Tình hình sử dụng tà vẹt bê tơng dự ứng lực trên thế giới
Trên thế giới sử dụng phổ biến một số loại tà vẹt bê tông dự ứng lực như sau:
Tà vẹt hai khối: Hai khối bê tông tà vẹt được nối với nhau bằng các ống
được lấp đầy bằng bê tông và chứa các thanh thép dự ứng lực bên trong ống
nhằm tạo ra ứng suất trước trong hai khối bê tông.
Tà vẹt dọc: nằm dọc dưới ray và nối với nhau bởi các thanh giằng ngang
để giữ cự ly đường. Các thanh thép dự ứng lực được bố trí dọc theo dầm dọc.
Tà vẹt liền khối: là tà vẹt bê tông dự ứng lực kiểu dầm đơn, có kích
thước gần giống với tà vẹt gỗ. Các thanh thép dự ứng lực được bố trí dọc
trong thanh tà vẹt.
1.1.2. Tình hình sử dụng tà vẹt bê tơng dự ứng lực ở Việt Nam

Được sử dụng ở đường sắt Việt Nam từ những năm 1970 đến trước năm
2005 lượng tà vẹt bê tông Dự ứng lực sử dụng rất ít ở đường sắt Việt Nam. Tà
vẹt bê tơng Dự ứng lực được sử dụng một lượng nhỏ ở tuyến đường sắt khổ
1435mm tuyến Kép - Hạ Long. Chỉ từ năm 2005 trở lại đây khi các đơn vị
trong ngành đường sắt nhập dây chuyền sản xuất tà vẹt bê tông dự ứng lực về
để sản xuất lượng tà vẹt bê tông dự ứng lực được sử dụng nhiều hơn qua hơn
10 năm kể từ năm 2005 đến nay 2018 lượng tà vẹt bê tông Dự ứng lực được
sử dụng trên đường sắt Việt Nam ≈ 1.000.000 thanh chủ yếu ở các loại:
- Tà vẹt bê tông Dự ứng lực khổ 1435mm đường đơn (2 ray) và tà vẹt
bê tông Dự ứng lực khổ đường lồng 1435/1000mm dùng phụ kiện Vossloh
(Dự án đường sắt Yên Viên – Hạ Long – Cái Lân).
- Tà vẹt bê tông Dự ứng lực kiểu “S2”, “L” đường lồng 1435/1000
mm dùng phụ kiện giữ ray kiểu . (Dự án Hà Nội – Lào Cai).


7
- Tà vẹt bê tông Dự ứng lực TN1 khổ đường 1000mm dùng phụ kiện
giữ ray kiểu  (Sử dụng phổ biến trên tuyến đường sắt Bắc – Nam).
- Tà vẹt bê tông Dự ứng lực TN1-P khổ 1000mm dùng phụ kiện giữ ray
kiểu Pandrol (Dự án Hà Nội – Lào Cai).
- Tà vẹt bê tông Dự ứng lực TN1-P khổ 1000mm dùng phụ kiện giữ ray
kiểu Pandrol (dự án các Cầu trên tuyến đường sắt Bắc-Nam).
- Tà vẹt bê tông Dự ứng lực kiểu TN1-C dùng phụ kiện giữ ray kiểu
Pandrol, 3 ray lắp cho đường cong bán kính nhỏ (Dự án Hà Nội – Lào Cai).
- Tà vẹt bê tông Dự ứng lực TN1-B khổ 1000mm dùng phụ kiện giữ
ray kiểu Pandrol lắp cho các Cầu (Dự án Hà Nội – Lào Cai)..
- Tà vẹt bê tông dự ứng lực “S2.PM-CTB” được thiết kế dùng để đặt
ray phòng mòn, chống trật bánh cho đường sắt khổ lồng 1435mm và 1000mm
(trường hợp ray chung ở phía bụng đường cong). (Dự án Hà Nội - Lạng Sơn)
- Tà vẹt bê tông dự ứng lực “5R-HL” được thiết kế dùng để đặt ray

phòng mòn, chống trật bánh cho đường sắt khổ lồng 1435mm và 1000mm
(trường hợp ray chung ở phía lưng đường cong). (Dự án Hà Nội - Lạng Sơn)
1.2. Tình hình sử dụng kết cấu đường sắt đơ thị trên thế giới và Việt Nam
1.2.1. Tình hình sử dụng kết cấu đường sắt đô thị một số nước trên thế giới [41]
1.2.1.1. Kết cấu đường sắt đô thị Anh
Anh đã lựa chọn thử nghiệm đặt đường không đá ở các ga giữa Bingham
và Radcliffe-on-Trent trên tuyến đường sắt đô thị Grantham-Nottingham.
Đoạn thử nghiệm đặt trên nền đường đã được sử dụng trước đó. Nền cũ được
sửa sang để phù hợp với việc đặt các tấm bê tông cơ sở. Sáu hệ thống phụ
kiện liên kết khác nhau đã được sử dụng cho đoạn này.
Giai đoạn đầu tiên của quá trình xây dựng là một lớp bê tông cơ sở đổ
trực tiếp trên toàn bộ chiều dài của đoạn tuyến với chiều dày 150 mm. Bản bê


8
tơng chính gồm 2 lớp cốt thép dọc và ngang được hàn thành lưới sau đó đặt
và đổ bê tơng bản chính.
Hình 1-1 là mặt cắt ngang của loại bản đặt trực tiếp trên lớp bê tông cơ
sở. Các bản bê tông với phụ kiện liên kết khác (ngoại trừ loại bản trong hầm)
có mặt cắt ngang tương tự như loại này.
599,44

1300,48

287,02

66,04

320,04

16,002

381,00

2590,80

Cèt thÐp däc
D=15,875mm

Cèt thÐp ®ai ngang
D=9,525mm

Hình 1-1. Mặt cắt ngang bản bê tông đặt trực tiếp của Anh.
Mặt cắt ngang lõm ở giữa để thu nước thốt ra ngồi. Phụ kiện liên kết
như Hình 1-2. Ray hàn liền đặt trên lớp đệm cao su dưới đế ray.

Hình 1-2. Phụ kiện giữ ray bản bê tông của Anh.
Hệ thống bản rãnh dọc được sử dụng ở Radcliffe được thể hiện như
Hình 1-3. Các bản bê tơng (BT) đúc sẵn lớn được gắn lên bản bê tông đổ
tại chỗ. Các dầm dọc bê tông dự ứng lực được đặt vào các rãnh dọc trên lớp
đệm cao su mỏng dài. Vật liệu Polysulphide được đổ hai bên dầm để giảm
bớt tác hại của lực bên. Ray hàn liền được đặt trên các đệm cao su có chiều
dày khoảng 4,5mm


9

Hình 1-3. Mặt cắt ngang kết cấu bản rãnh.
1.2.1.2. Kết cấu đường sắt đô thị Đức
Đường sắt Liên bang Đức đã xây dựng một đoạn đường bản bê tông vào

năm 1967. Thiết kế đầu tiên của Đức sử dụng bản bê tơng thép dự ứng lực
theo phương dọc, bố trí các thanh cốt thép thường theo phương ngang. Các
thanh thép dự ứng lực phù hợp với các chốt giữa các bản bê tông liền kề. Bản
bê tông đặt trên lớp bê tơng nhẹ Styropor nhằm mục đích cách nhiệt. Theo

3962,4

150,114

2400,30

Bª tông cường độ thấp

180,086

51

81
,

6

thit k lp bờ tụng nh ny có thể chịu được khi nhiệt độ xuống -230C.

Hình 1-4. Kết cấu bản bê tông dự ứng lực theo phương dọc của Đức.
Thiết kế thứ hai là bản bê tông dự ứng lực theo hai phương. Kết nối giữa
các tấm bằng thép và hàn nhiệt nhơm. Lớp móng dưới là lớp sỏi cát nhằm
mục đích tạo ra lớp hoạt động như bê tông cường độ thấp bằng cách thêm một
lượng nhỏ bê tơng ở phần trên của nó.