Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Hệ thống đường sắt đô thị giữ vai trò then chốt trong mạng lưới giao thông công cộng tại các đô thị lớn nhờ năng lực vận chuyển khối lượng lớn và mật độ chạy tàu cao. Theo Quyết định số 519/QĐ-TTg ngày 31 tháng 3 năm 2016 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Quy hoạch giao thông vận tải Thủ đô Hà Nội đến năm 2030 và tầm nhìn đến năm 2050, Hà Nội được quy hoạch xây dựng 12 tuyến đường sắt đô thị với tổng chiều dài 422 km (gồm 346,4 km đi trên cao kết hợp nền đường và 75,6 km đi ngầm). Tại Thành phố Hồ Chí Minh, theo Quyết định số 568/QĐ-TTg ngày 08 tháng 4 năm 2013, quy hoạch phát triển mạng lưới gồm 08 tuyến xuyên tâm và vành khuyên với tổng chiều dài 172 km (trong đó có 90 km đi ngầm và 82 km đi trên cao) cùng 03 tuyến xe điện mặt đất hoặc đường sắt một ray.

Về mặt khai thác kỹ thuật, đường sắt đô thị vận hành liên tục từ 18 đến 20 giờ mỗi ngày với tần suất giãn cách giữa các đoàn tàu rất ngắn (từ 2 đến 5 phút/chuyến), tương ứng với khoảng 12.000 chu kỳ tải trọng tác dụng lên kết cấu đường ray trong một ngày đêm. Mặc dù các kết cấu chịu lực của tầng trên đường sắt thường được thiết kế có độ dự trữ cường độ lớn đối với tải trọng tĩnh, song khả năng chịu mỏi lại chịu tác động bất lợi nghiêm trọng bởi tần suất lặp của tải trọng lớn gấp hàng chục lần so với đường sắt truyền thống.

Khoảng trống nghiên cứu và thiết kế thực tế tại Việt Nam tồn tại ở các điểm sau:

  1. Thiếu cơ sở khoa học và công thức tính toán hệ số tải trọng động đặc thù cho các tuyến đường sắt đô thị khai thác tại Việt Nam; trong thực tế thiết kế kết cấu tầng trên chủ yếu sử dụng hệ số động của nước ngoài bằng cách nhân tải trọng tĩnh với các hệ số kinh nghiệm.
  2. Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu tầng trên đường sắt đô thị tại Việt Nam chưa được ban hành chính thức.
  3. Quy trình tính toán kiểm toán kết cấu tà vẹt bê tông dự ứng lực hiện hành chủ yếu dừng lại ở các trạng thái giới hạn về cường độ, chưa xét đến trạng thái giới hạn mỏi và đánh giá tuổi thọ mỏi dưới tác động tương hỗ giữa đoàn tàu và đường ray.
  4. Chưa có công trình nghiên cứu toàn diện kết hợp giữa mô phỏng số và thực nghiệm chuyên sâu về tuổi thọ mỏi đối với tà vẹt bê tông dự ứng lực trên đường sắt đô thị tại Việt Nam.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và thực nghiệm nhằm xác định hệ số tải trọng động cho tuyến đường sắt đô thị Cát Linh – Hà Đông, làm tiền đề xác định tải trọng mỏi cho các kết cấu tầng trên.
  2. Thiết lập mô hình mô phỏng số 3D đánh giá tương tác động lực học giữa đoàn tàu và kết cấu đường sắt đối với tuyến Cát Linh – Hà Đông và tuyến Bến Thành – Suối Tiên.
  3. Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng chương trình tính toán tuổi thọ mỏi của tà vẹt bê tông dự ứng lực trên tuyến đường sắt đô thị Bến Thành – Suối Tiên.
  4. Thực hiện nghiên cứu thực nghiệm xác định tải trọng nứt, quy luật phát triển vết nứt theo số chu kỳ tải và tải trọng phá hoại mỏi của tà vẹt bê tông dự ứng lực theo tiêu chuẩn kỹ thuật.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu:
    • Đoàn tàu đường sắt đô thị tuyến Cát Linh – Hà Đông và tuyến Bến Thành – Suối Tiên.
    • Tà vẹt bê tông dự ứng lực liền khối dạng thanh đặt trên kết cấu đường không đá ba lát của tuyến đường sắt đô thị Bến Thành – Suối Tiên.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Tập trung xác định hệ số tải trọng động của đoàn tàu vận hành trên tuyến đường sắt đô thị Cát Linh – Hà Đông trong dải vận tốc từ 0 đến 80 km/h.
    • Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và thí nghiệm kiểm chứng tuổi thọ mỏi đối với tà vẹt bê tông dự ứng lực thuộc tuyến đường sắt đô thị Bến Thành – Suối Tiên.
    • Luận án giới hạn phạm vi nghiên cứu ở hiện tượng mỏi uốn của tà vẹt bê tông cốt thép dự ứng lực; không xét đến ảnh hưởng của hiện tượng từ biến, lực tác dụng do nhiệt độ và quá trình ăn mòn hóa học của môi trường.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Lịch sử nghiên cứu mỏi trên thế giới

Hiện tượng mỏi của vật liệu kim loại được ghi nhận từ thế kỷ 19 với các nghiên cứu của Albert (1837) trên dây tời mỏ bằng sắt, thuật ngữ "Mỏi" (Fatigue) được Braithwaite đưa ra vào năm 1854. Wöhler (1870) đã thực hiện các thí nghiệm có hệ thống trên trục bánh xe đường sắt và thiết lập quy luật cơ bản: vật liệu có thể bị phá hoại dưới tác dụng của ứng suất lặp có giá trị nhỏ hơn nhiều so với giới hạn bền tĩnh, trong đó biên độ ứng suất là đại lượng quyết định. Các nền tảng cơ học phá hủy tiếp tục được hoàn thiện bởi Griffith (1920) và Forest (1936). Nguyên lý tích lũy hư hỏng mỏi tuyến tính được Palmgren (1924) và Miner (1945) công bố độc lập, hình thành quy luật Palmgren-Miner.

Đối với bê tông, Van Ornum (1907) đã thực hiện các khảo sát đầu tiên và chỉ ra rằng cường độ mỏi của bê tông đạt khoảng 55% cường độ tĩnh sau chu kỳ tải lặp. Sự phát triển kết cấu đường ô tô và công trình biển thúc đẩy các nghiên cứu của Hsu (1981), CEB (1988), Gylltoft (1994), Petersson (1995), Ameen và Szymanski (2006), làm rõ cơ chế tích lũy vi nứt trong cấu trúc không đồng nhất của bê tông dẫn đến hình thành các vết nứt vĩ mô.

Về mỏi của cốt thép và bê tông cốt thép, Schläfli và Brühwiler (1998) phân chia quá trình phá hoại mỏi của thép thành ba giai đoạn: khởi sinh nứt, phát triển ổn định và phá hoại giòn. Moss (1982) qua 118 thí nghiệm uốn cốt thép trong bê tông đã kết luận hình dạng sườn tăng cường và đường kính thanh thép là các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền mỏi. Các nghiên cứu của Tilly (1988), Mallett (1991) và tiêu chuẩn Fib Model Code 2010 đã cụ thể hóa việc đánh giá mỏi của bê tông cốt thép qua đường cong $S-N$.

Về mỏi của bê tông dự ứng lực và tà vẹt đường sắt, Rao và Frantz (1996) chỉ ra rằng khi bê tông chưa nứt, biên độ ứng suất trong cáp dự ứng lực rất nhỏ; khi tải trọng vượt quá khả năng chịu nứt, ứng suất trong cáp tăng vọt làm tăng nguy cơ phá hoại mỏi. Thun và cộng sự (2008) đã tiến hành thí nghiệm mỏi trên tà vẹt bê tông dự ứng lực tại Thụy Điển với tần số tải trọng 2,0 Hz, mức tải cực đại 62,5 kN lên đến 2 triệu chu kỳ, ghi nhận hiện tượng phá hoại do trượt cáp thép dự ứng lực trong bê tông theo mô hình của Balázs (1991). Các nghiên cứu chuyên sâu về mỏi tà vẹt khác gồm công trình của Wakui (1997) cho đường sắt cao tốc và Parvez cho đường sắt khổ hẹp.

Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Ở trong nước, nghiên cứu về mỏi chủ yếu tập trung vào kết cấu công trình biển và cơ khí: Phan Văn Khôi (1997) nghiên cứu tuổi thọ mỏi kết cấu thép ngoài biển; Phạm Lê Tiến (2011) khảo sát mỏi khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy D19E. Trong ngành công trình giao thông: Trần Thiện Lưu (2015) nghiên cứu mỏi của bê tông asphalt; Bùi Ngọc Dung (2009) đánh giá hư hỏng mỏi kết cấu nhịp cầu thép; Lê Đắc Chỉnh (2011) áp dụng tiêu chuẩn châu Âu kiểm tra mỏi cầu bê tông dự ứng lực; Nguyễn Thị Cẩm Nhung (2016) đánh giá mỏi cáp cầu dây văng.

Về lĩnh vực tà vẹt đường sắt:

  • Năm 2016, nhóm nghiên cứu Trần Anh Dũng, Nguyễn Văn Bá, Đỗ Xuân Quý, Đặng Việt Hùng, Nguyễn Khánh Dũng, Đàm Anh Tú, Thân Thế Vũ thực hiện thí nghiệm mỏi tà vẹt bê tông dự ứng lực 5 ray cho đường sắt khổ lồng trên tuyến Hà Nội – Lạng Sơn.
  • Năm 2017, Trung tâm Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải (Trường Đại học Giao thông Vận tải) thử nghiệm mỏi cho tà vẹt tuyến Bến Thành – Suối Tiên theo tiêu chuẩn EN 13230.

Vị trí và khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Các công trình trước đây tại Việt Nam mới chỉ dừng lại ở việc thử nghiệm kiểm tra chất lượng tà vẹt theo một số chu kỳ quy định sẵn của tiêu chuẩn mà chưa xây dựng phương pháp lý thuyết dự báo tuổi thọ mỏi gắn liền với điều kiện tải trọng động thực tế của đoàn tàu đường sắt đô thị. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng cách: xác định hệ số tải trọng động thực tế của đường sắt đô thị Việt Nam; thiết lập mô hình tính toán giải tích kết hợp lập trình tự động đánh giá tuổi thọ mỏi; thực nghiệm kiểm chứng quy luật tích lũy hư hỏng và phá hoại mỏi của tà vẹt bê tông dự ứng lực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và công thức tính toán

  • Tải trọng động bánh xe: Biểu diễn dưới dạng hàm của tải trọng tĩnh theo Doyle (1980): $$P_d = \Phi \cdot P_s$$ Trong đó: $P_d$ là tải trọng động của bánh xe, $P_s$ là tải trọng tĩnh của bánh xe, $\Phi$ là hệ số tải trọng động ($\Phi > 1$).

  • Các công thức xác định hệ số động trên thế giới:

    • Công thức Talbot (1953): Phụ thuộc vào tốc độ đoàn tàu $V$ (km/h) và đường kính bánh xe $D$ (mm).
    • Đường sắt Ấn Độ (1969): $\Phi$ phụ thuộc vào tốc độ đoàn tàu và mô đun đàn hồi đường $U$ (MPa).
    • Eisenmann (1972): Tính toán dựa trên độ lệch chuẩn thống kê phụ thuộc trạng thái chất lượng đường ray và dải tốc độ.
    • ORE và Birmann (1965): $\Phi = 1 + \alpha + \beta + \gamma$, xét đến hệ thống treo toa xe, bán kính đường cong, siêu cao và tình trạng bảo dưỡng đường ray.
    • Đường sắt Đức (1943): Công thức tính hệ số động cho dải vận tốc $V \le 100$ km/h và $V > 100$ km/h.
    • WMATA (Prause và cộng sự, 1974), Sadeghi (2010), Đường sắt Trung Quốc (1988): Các mô hình thực nghiệm xác định hệ số động cho đường sắt đô thị và đường sắt cao tốc.

  • Lý thuyết phá hoại mỏi và tích lũy tổn thất:

    • Đường cong mỏi Wöhler và quan hệ ứng suất – số chu kỳ phá hoại ($S-N$).
    • Quy tắc tích lũy hư hại tuyến tính Palmgren-Miner: $$\sum \frac{n_i}{N_i} \le D_{lim}$$ Trong đó $n_i$ là số chu kỳ ứng suất ở mức biên độ $\Delta \sigma_i$, $N_i$ là số chu kỳ tới hạn gây phá hoại ở mức ứng suất đó.
    • Trạng thái ứng suất – biến dạng của tiết diện tà vẹt bê tông dự ứng lực trước và sau khi xuất hiện vết nứt uốn dưới tác dụng của tải trọng lặp.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp chặt chẽ giữa phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng số và thực nghiệm hiện trường, phòng thí nghiệm:

  1. Phương pháp mô phỏng số:
    • Xây dựng mô hình động lực học không gian 3D tương tác giữa đoàn tàu và kết cấu tầng trên đường sắt bằng phần mềm chuyên dụng.
    • Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) mô hình hóa kết cấu ray 60 kg/m trên các điểm tựa đàn hồi, rời rạc hóa kết cấu thành các phần tử dầm để tính toán nội lực, độ võng và biến dạng tương đối của ray khi đoàn tàu di chuyển qua.
  2. Phương pháp thực nghiệm hiện trường:
    • Sử dụng các cảm biến lá điện trở dán trực tiếp lên ray tại hiện trường tuyến Cát Linh – Hà Đông để đo biến dạng động và tĩnh dưới tác dụng của đoàn tàu chạy qua ở các dải vận tốc 30 km/h, 50 km/h và 80 km/h.
  3. Phương pháp thực nghiệm phòng thí nghiệm:
    • Bố trí thí nghiệm trên hệ thống máy thí nghiệm mỏi LFV 500 kN-HH và máy kéo nén thủy lực vạn năng SANS SHT4306-W theo tiêu chuẩn EN 13230-2:2016 nhằm xác định tải trọng nứt tĩnh, độ mở rộng vết nứt theo số chu kỳ tải trọng lặp và tải trọng phá hoại mỏi trên các mẫu tà vẹt thực tế.
  4. Phương pháp lập trình tính toán:
    • Xây dựng phần mềm tích hợp bằng ngôn ngữ Visual Basic for Applications (VBA) tự động hóa quá trình xác định trạng thái ứng suất và dự báo tuổi thọ mỏi tà vẹt.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về mỏi đối với tà vẹt bê tông dự ứng lực

Chương này tổng kết tình hình sử dụng tà vẹt bê tông dự ứng lực và kết cấu tầng trên đường sắt không đá ba lát trên thế giới và tại Việt Nam, đồng thời tổng thuật các công trình nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm về mỏi vật liệu.

Tình hình sử dụng tà vẹt và kết cấu đường sắt:

  • Trên thế giới phân loại phổ biến thành 3 dạng tà vẹt: tà vẹt hai khối liên kết bằng ống thép nhồi bê tông, tà vẹt dọc và tà vẹt liền khối dạng dầm đơn.
  • Tại Việt Nam, tà vẹt bê tông dự ứng lực xuất hiện từ những năm 1970 nhưng sử dụng hạn chế. Từ năm 2005 đến năm 2018, số lượng tà vẹt bê tông dự ứng lực sản xuất và lắp đặt đạt khoảng 1.000 thanh, gồm các chủng loại: khổ 1435 mm dùng phụ kiện Vossloh (Dự án Yên Viên – Phả Lại – Hạ Long – Cái Lân), tà vẹt S2, L (khổ lồng 1435/1000 mm), TN1 (khổ 1000 mm tuyến Bắc – Nam), TN1-P (dùng phụ kiện Pandrol cho tuyến Hà Nội – Lào Cai và cầu đường sắt), TN1-C (đường cong bán kính nhỏ), TN1-B (trên cầu) và S2.PM-CTB (đặt ray phòng mòn, chống trật bánh).
Tuyến đường sắt đô thị Loại tà vẹt / Bệ đỡ ray Kết cấu bản đỡ Loại phụ kiện / Giảm chấn
Cát Linh – Hà Đông Tà vẹt ngắn đúc sẵn ($0,56 \times 0,25$ m, bê tông C50, cấu kiện DTVII2) Bản BTCT đổ tại chỗ rộng $0,8$ m, dài $6,0 \div 6,25$ m, khe ngang $0,15$ m Thép neo tăng cường chìm trong bản
Nhổn – Ga Hà Nội Bản bê tông cốt thép dọc đúc tại chỗ dài xấp xỉ $5,25$ m Bản bê tông bệ đỡ liên kết bản mặt cầu qua neo dầm; khe hở giữa 2 bản là $0,15$ m Bản đệm đàn hồi đỡ ray đặt cách nhau $0,6$ m
Bến Thành – Suối Tiên Tà vẹt dài BTCT dự ứng lực liền khối đúc sẵn (dài $2,3$ m, cự ly $0,625$ m) Bản BTCT đổ tại chỗ dài $5,9$ m, rộng $2,78$ m, dày $0,326$ m, khe hở $0,1$ m Hộp chống rung AVT Box (Anti-Vibration Track Box)

Tổng quan kết cấu đường không đá ba lát quốc tế:

  • Anh: Thử nghiệm tại tuyến Grantham – Nottingham (đoạn Bingham – Radcliffe-on-Trent) sử dụng bản bê tông cơ sở dày 150 mm và bản chính đặt trực tiếp hoặc hệ thống bản rãnh dọc Radcliffe chèn đệm cao su 4,5 mm cùng vật liệu Polysulphide.
  • Đức: Ứng dụng từ năm 1967 với 3 giải pháp: bản bê tông dự ứng lực dọc đặt trên lớp bê tông nhẹ Styropor cách nhiệt chịu được nhiệt độ $-23^\circ\text{C}$; bản dự ứng lực hai phương liên kết hàn nhiệt nhôm; hệ dầm dọc dự ứng lực dài 6,48 m kết hợp dầm ngang (độ lún đạt 5 mm sau 12 triệu tấn tải trọng, độ lún động đạt 0,6 mm).
  • Nhật Bản: Đường bản bê tông hầm và mở rộng Tokaido-Shinkansen với kiểu JRM (bản đúc sẵn kết hợp dầm dọc) và kiểu JRA (bản đúc sẵn dày 16 cm đặt trên lớp bê tông nhựa dày 5 cm, cường độ $6 \div 10\text{ kg/cm}^2$).
  • Mỹ: Đường thử Kansas (tuyến Santa Fe tại Aikman và Chelsea) sử dụng bản bê tông cốt thép đúc tại chỗ kết hợp phụ kiện liên kết Fastex.

Chương 2: Nghiên cứu xác định hệ số tải trọng động đối với đường sắt đô thị ở Việt Nam

Chương này tập trung xác định hệ số tải trọng động $\Phi$ cho đoàn tàu đường sắt đô thị tuyến Cát Linh – Hà Đông thông qua 3 phương pháp: mô phỏng động lực học 3D, đo đạc thực nghiệm hiện trường và phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH).

Thông số kỹ thuật đoàn tàu tuyến Cát Linh – Hà Đông:

  • Cấu hình đoàn tàu: Gồm 4 toa cấu trúc $+Tc - M + M - Tc+$ (2 đơn nguyên động lực; $Tc$: toa kéo có cabin lái, $M$: toa động lực có động cơ; $+:$ móc nối bán tự động, $-:$ móc nối bán vĩnh cửu).
  • Khổ đường: 1435 mm; Vận tốc thiết kế tối đa: 80 km/h; Tải trọng trục: $\le 14$ tấn.
  • Khung giá chuyển hướng bằng thép hàn; khoảng cách trục cố định: 2200 mm; khoảng cách mặt trong hai bánh xe: $1353 \pm 2$ mm.
  • Đường kính bánh xe: $\varnothing 840$ mm (bánh mới), $\varnothing 770$ mm (khi mòn tối đa).
  • Hệ thống treo: Lò xo cao su đàn hồi tại bầu dầu (cấp 1); lò xo không khí tại hệ thống treo trung ương (cấp 2) có đường kính hiệu dụng $\varnothing 540$ mm, khoảng cách ngang giữa 2 lò xo khí là 1850 mm; van điều chỉnh độ cao tự động, van sai áp và giảm chấn thủy lực phương ngang.
  • Khối lượng giá chuyển hướng: Toa động lực $M < 7,0$ tấn; Toa kéo $Tc < 4,8$ tấn.
Trọng lượng vận tải hành khách Trọng lượng toa Tc (tấn) Trọng lượng toa M (tấn) Số lượng hành khách (người) Tổng trọng lượng đoàn tàu (tấn)
Tàu rỗng (AW0) 32,00 34,50 0 133,00
Chỗ ngồi (AW1) 34,16 37,52 156 142,36
Định viên 6 người/$\text{m}^2$ (AW2) 45,80 49,20 960 190,00
Quá tải 9 người/$\text{m}^2$ (AW3) 52,70 55,74 1362 216,88

(Ghi chú: Trọng lượng trung bình mỗi hành khách tính toán là 60 kg/người).

Quy trình tính toán và so sánh:

  1. Mô phỏng động lực học 3D: Xây dựng mô hình tương tác đầy đủ các bậc tự do của thân toa xe, giá chuyển hướng, trục bánh xe và kết cấu đường; xuất biểu đồ lực động bánh xe tác dụng lên ray ở các tốc độ $V = 30$ km/h, $V = 50$ km/h, $V = 80$ km/h.
  2. Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường: Sử dụng cảm biến lá điện trở đo biến dạng động và tĩnh của ray dưới tải trọng đoàn tàu Cát Linh – Hà Đông thực tế chạy qua ở các dải tốc độ 30, 50, 80 km/h.
  3. Phân tích phần tử hữu hạn (PTHH): Mô hình hóa kết cấu ray 60 kg/m thành $m$ phần tử dầm trên các gối đàn hồi; mô phỏng đoàn tàu di chuyển chậm qua nhịp để xác định độ võng lớn nhất, mô men uốn và biến dạng dọc trục đáy ray tại mặt cắt tính toán.
  4. Kết quả so sánh: Đối chiếu kết quả hệ số động giữa 3 phương pháp trong dải vận tốc $0 \div 80$ km/h, xây dựng đường tương quan làm cơ sở đề xuất công thức tính hệ số động cho tuyến Cát Linh – Hà Đông.

Chương 3: Nghiên cứu xây dựng mô hình tính toán tuổi thọ mỏi của tà vẹt bê tông dự ứng lực cho đường sắt đô thị ở Việt Nam

Chương 3 tập trung xây dựng cơ sở lý thuyết và công cụ phần mềm tính toán tuổi thọ mỏi cho tà vẹt bê tông dự ứng lực (PCS) áp dụng cho tuyến đường sắt đô thị Bến Thành – Suối Tiên.

Đặc điểm kết cấu tuyến Bến Thành – Suối Tiên áp dụng tính toán:

  • Đoàn tàu: Giai đoạn đầu vận hành cấu hình 3 toa ($Mc - T - Mc$), giai đoạn sau mở rộng cấu hình 6 toa ($Mc - T - M - M - T - Mc$).
  • Kết cấu tầng trên: Tà vẹt bê tông dự ứng lực đúc sẵn đặt trong khối bê tông chèn kết hợp hộp chống rung AVT Box, lắp đặt trên bản bê tông cốt thép đổ tại chỗ.
  • Cáp thép dự ứng lực: Xác định đường cong $S-N$, giới hạn mỏi và ứng suất truyền vào bê tông.

Nội dung mô hình hóa và lập trình:

  • Mô hình giải tích: Xác định tải trọng nứt, mô men kháng nứt của tiết diện tà vẹt tại vị trí đế ray; thiết lập trạng thái ứng suất – biến dạng của bê tông và cốt thép dự ứng lực sau khi vết nứt hình thành.
  • Thuật toán tính toán mỏi: Áp dụng quy tắc tích lũy tổn thất mỏi Palmgren-Miner kết hợp đường cong $S-N$ của cáp thép dự ứng lực chịu kéo trong khối bê tông.
  • Chương trình tính toán bằng VBA:
    • Giao diện nhập dữ liệu: Thông số hình học tà vẹt, đặc tính vật liệu bê tông và thép dự ứng lực, thông số đoàn tàu, độ cứng liên kết của gối đỡ ray và hộp AVT Box, hệ số động và mật độ chạy tàu.
    • Mô đun phân tích: Tự động rời rạc hóa chu kỳ ứng suất, tính toán mô men uốn lớn nhất tại mặt cắt ray, kiểm tra khả năng hình thành vết nứt, tính toán biên độ ứng suất $\Delta \sigma$ trong cốt thép và tính toán số chu kỳ chịu tải tới hạn $N$.
    • Xuất kết quả: Dự báo tuổi thọ mỏi (tính theo số năm khai thác) cho các mẫu tà vẹt (mẫu tính toán PCS1, PCS2).

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

Chương 4 trình bày toàn bộ quy trình và kết quả thí nghiệm kiểm chứng trong phòng thí nghiệm đối với các mẫu tà vẹt bê tông dự ứng lực của tuyến đường sắt đô thị Bến Thành – Suối Tiên.

Hệ thống thiết bị thí nghiệm:

  • Máy thí nghiệm mỏi động lực học thủy lực servo LFV 500 kN-HH, tủ điều khiển số NS19-PA 09/9, bộ nguồn thủy lực áp suất cao PAR-160, hệ thống làm mát tuần hoàn bằng nước.
  • Máy kéo nén thủy lực vạn năng SANS SHT4306-W phục vụ thí nghiệm tải trọng tĩnh và xác định tải trọng phá hoại.
  • Cảm biến đo chuyển vị tuyến tính (LVDT) và thiết bị đo độ mở rộng vết nứt quang học.
  • Hệ thống khung giá đỡ và gối tựa tà vẹt tiêu chuẩn theo EN 13230-2:2016.
Mẫu thí nghiệm Mục đích thí nghiệm Chế độ tải trọng và tiêu chuẩn áp dụng
Mẫu PCS1 Xác định tải trọng nứt và tuổi thọ mỏi Thí nghiệm uốn tại vị trí đế ray theo EN 13230-2:2016; gia tải mỏi chu kỳ hình sin, theo dõi độ mở rộng vết nứt theo số chu kỳ tải
Mẫu PCS2 Xác định tải trọng nứt và tuổi thọ mỏi Thí nghiệm kiểm chứng độ lặp lại; gia tải mỏi chu kỳ hình sin, đo biến dạng và chuyển vị qua LVDT
Mẫu PCS3 Xác định tải trọng phá hoại tĩnh/mỏi Thí nghiệm gia tải tăng dần đến khi phá hủy hoàn toàn trên máy SANS SHT4306-W
Mẫu PCS4 Xác định tải trọng phá hoại tĩnh/mỏi Thí nghiệm phá hoại kiểm chứng đối chứng với mẫu PCS3

Phân tích kết quả thí nghiệm:

  • Đo đạc chính xác giá trị tải trọng xuất hiện vết nứt đầu tiên tại đáy tà vẹt dưới vị trí ray đối với mẫu PCS1 và PCS2.
  • Ghi nhận đường cong biểu diễn quy luật mở rộng của bề rộng khe nứt theo hàm số chu kỳ gia tải lặp.
  • Xác định cơ chế phá hoại giới hạn mỏi: phân tích hiện tượng suy giảm lực dính bám và trượt cốt thép dự ứng lực trong bê tông khi số chu kỳ tải lặp tăng cao.
  • Đánh giá độ chụm của số liệu thực nghiệm (độ chụm tải trọng nứt, độ chụm chu kỳ mỏi, độ chụm tải trọng phá hoại).
  • So sánh, đối chiếu kết quả nghiên cứu mỏi của luận án với các nghiên cứu của Thun và cộng sự (2008) cùng các tác giả quốc tế khác.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học

  1. Xác lập mô hình động lực học không gian 3D tương tác tương hỗ giữa đoàn tàu và kết cấu đường phù hợp với các điều kiện kỹ thuật của tuyến đường sắt đô thị Cát Linh – Hà Đông và Bến Thành – Suối Tiên.
  2. Đề xuất công thức và cơ sở khoa học xác định hệ số tải trọng động của đoàn tàu đường sắt đô thị chạy trên cầu cạn kết cấu bản không đá ba lát tại Việt Nam thông qua sự phối hợp đồng bộ giữa mô phỏng số, phân tích phần tử hữu hạn và đo đạc thực nghiệm hiện trường.
  3. Thiết lập phương pháp luận giải tích và thuật toán tính toán đánh giá tuổi thọ mỏi của tà vẹt bê tông dự ứng lực đặt trên kết cấu đường sắt đô thị không đá ba lát, xét đến sự suy giảm độ dính bám và ứng xử sau nứt của vật liệu.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Xây dựng hoàn chỉnh chương trình phần mềm trên nền tảng VBA phục vụ tính toán, dự báo tuổi thọ mỏi tà vẹt bê tông dự ứng lực đường sắt đô thị một cách nhanh chóng, trực quan.
  2. Cung cấp bộ số liệu thực nghiệm đầy đủ về tải trọng nứt, quy luật phát triển vết nứt mỏi và tải trọng phá hoại của tà vẹt bê tông dự ứng lực tuyến Bến Thành – Suối Tiên thử nghiệm trên hệ thống thiết bị LFV 500 kN-HH theo tiêu chuẩn EN 13230-2:2016.
  3. Cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu đầu vào phục vụ công tác biên soạn, ban hành các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu tầng trên đường sắt đô thị tại Việt Nam.
  4. Đóng góp công cụ hỗ trợ các đơn vị quản lý, tư vấn thiết kế và khai thác tối ưu hóa kích thước hình học, hàm lượng cốt thép dự ứng lực trong tà vẹt, đồng thời lập kế hoạch duy tu, bảo dưỡng định kỳ kết cấu đường sắt đô thị an toàn, kinh tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Nghiên cứu chỉ tập trung vào trạng thái mỏi uốn thuần túy tại vị trí dưới đế ray của tà vẹt bê tông dự ứng lực, chưa xét đến trạng thái ứng suất phức tạp do mỏi cắt hoặc tác động xoắn kết hợp.
  • Chưa khảo sát ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố suy giảm chất lượng vật liệu dài hạn theo thời gian như hiện tượng co ngót, từ biến của bê tông, biến động nhiệt độ môi trường và hiện tượng ăn mòn hóa học trong điều kiện khí hậu nóng ẩm tại Việt Nam.
  • Dữ liệu thực nghiệm hiện trường về hệ số động mới được thực hiện trên tuyến đường sắt đô thị Cát Linh – Hà Đông với cấu hình đoàn tàu và kết cấu bản đệm cụ thể.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng mô hình tính toán mỏi kết hợp tác động đồng thời của tải trọng lặp, biến thiên nhiệt độ và từ biến bê tông trong thời gian khai thác dài hạn (30 – 50 năm).
  • Nghiên cứu ứng xử mỏi tại các vị trí mặt cắt khác trên tà vẹt (mặt cắt giữa tà vẹt) và ảnh hưởng của sự mất ổn định đàn hồi của các lớp đệm cao su, hộp chống rung AVT Box theo thời gian.
  • Mở rộng đo đạc thực nghiệm tải trọng động và mỏi cho các loại hình kết cấu tầng trên khác như đường sắt đô thị đi ngầm trong hầm khi tuyến Bến Thành – Suối Tiên và Nhổn – Ga Hà Nội vận hành chính thức toàn tuyến.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị cao đối với:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Xây dựng đường sắt, Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông, Công trình ngầm và Động lực học công trình tham khảo về phương pháp mô hình hóa 3D tương tác tàu – đường và cơ học mỏi bê tông dự ứng lực.
  • Các kỹ sư thiết kế tại các viện nghiên cứu, công ty tư vấn giao thông: Ứng dụng quy trình tính toán hệ số tải trọng động và sử dụng thuật toán, chương trình VBA để kiểm toán mỏi, tối ưu hóa thiết kế tà vẹt bê tông dự ứng lực cho các dự án đường sắt đô thị mới.
  • Cơ quan quản lý nhà nước và ban quản lý dự án đường sắt: Sử dụng các kết quả nghiên cứu làm căn cứ kỹ thuật xây dựng và hoàn thiện hệ thống tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về thiết kế, thi công và nghiệm thu kết cấu tầng trên đường sắt đô thị tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đối với đường sắt đô thị cần phải kiểm toán tuổi thọ mỏi của tà vẹt bê tông dự ứng lực thay vì chỉ kiểm toán cường độ?

Đường sắt đô thị có đặc thù vận hành liên tục 18 – 20 giờ/ngày với mật độ chạy tàu dày đặc (giãn cách 2 – 5 phút/chuyến), chịu khoảng 12.000 chu kỳ tải trọng lặp trong một ngày đêm. Mặc dù kết cấu có độ dự trữ cường độ tĩnh lớn, hiện tượng mỏi uốn do ứng suất lặp tuần hoàn sẽ gây tích lũy vi nứt, làm suy giảm dính bám giữa cáp thép dự ứng lực và bê tông, dẫn đến nguy cơ phá hoại ở mức ứng suất thấp hơn nhiều so với giới hạn bền tĩnh nếu không được kiểm toán mỏi.

2. Sự khác biệt cơ bản về kết cấu tầng trên của ba tuyến đường sắt đô thị tại Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh được nêu trong luận án là gì?

  • Tuyến Cát Linh – Hà Đông: Sử dụng tà vẹt ngắn đúc sẵn (kích thước $0,56 \times 0,25$ m, bê tông C50, cấu kiện DTVII2) đặt trên bản bê tông cốt thép đổ tại chỗ rộng 0,8 m, dài 6,0 hoặc 6,25 m, khe hở ngang 0,15 m.
  • Tuyến Nhổn – Ga Hà Nội: Sử dụng kết cấu bản bê tông cốt thép dọc đúc tại chỗ dài xấp xỉ 5,25 m, ray được đỡ bởi các bản đệm đàn hồi đặt cách nhau 0,6 m.
  • Tuyến Bến Thành – Suối Tiên: Sử dụng tà vẹt dài bê tông cốt thép dự ứng lực liền khối đúc sẵn (dài 2,3 m, khoảng cách 0,625 m) kết hợp hộp chống rung AVT Box đặt trên bản bê tông cốt thép đổ tại chỗ dài 5,9 m, rộng 2,78 m, dày 0,326 m.

3. Đoàn tàu tuyến Cát Linh – Hà Đông có cấu hình và các trạng thái tải trọng tính toán như thế nào?

Đoàn tàu gồm 4 toa với cấu hình $+Tc - M + M - Tc+$ (gồm 2 toa kéo có buồng lái $Tc$ và 2 toa động lực $M$). Các trạng thái tải trọng gồm:

  • Tàu rỗng (AW0): Khối lượng 133,00 tấn (toa $Tc$: 32,00 tấn; toa $M$: 34,50 tấn).
  • Có chỗ ngồi (AW1): 156 người, tổng khối lượng 142,36 tấn.
  • Định viên 6 người/$\text{m}^2$ (AW2): 960 người, tổng khối lượng 190,00 tấn.
  • Quá tải 9 người/$\text{m}^2$ (AW3): 1362 người, tổng khối lượng 216,88 tấn (toa $Tc$: 52,70 tấn; toa $M$: 55,74 tấn).

4. Hệ thống thiết bị và tiêu chuẩn nào được tác giả sử dụng để thực nghiệm xác định tuổi thọ mỏi tà vẹt trong phòng thí nghiệm?

Tác giả thực hiện thí nghiệm uốn tại vị trí đế ray theo tiêu chuẩn châu Âu EN 13230-2:2016. Hệ thống thiết bị sử dụng gồm:

  • Máy thí nghiệm mỏi thủy lực servo LFV 500 kN-HH đi kèm tủ điện điều khiển số NS19-PA 09/9, bộ nguồn thủy lực PAR-160 và hệ thống làm mát tuần hoàn.
  • Máy kéo nén thủy lực vạn năng SANS SHT4306-W để xác định tải trọng tĩnh và tải trọng phá hoại.
  • Cảm biến đo chuyển vị LVDT và thiết bị đo quang học theo dõi độ mở rộng vết nứt qua các chu kỳ tải.

Kết luận

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Trần Anh Dũng đã giải quyết một cách có hệ thống bài toán xác định hệ số tải trọng động và đánh giá tuổi thọ mỏi của tà vẹt bê tông dự ứng lực trên đường sắt đô thị tại Việt Nam. Bằng việc kết hợp giữa mô hình hóa số 3D, phương pháp phần tử hữu hạn, đo đạc thực tế trên tuyến Cát Linh – Hà Đông và thực nghiệm mỏi chu kỳ theo tiêu chuẩn EN 13230-2:2016 trên tà vẹt tuyến Bến Thành – Suối Tiên, công trình đã đề xuất công thức tính hệ số động và phần mềm VBA dự báo tuổi thọ mỏi có độ tin cậy cao. Các kết quả đạt được đóng góp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm quan trọng cho công tác thiết kế, tối ưu hóa kết cấu tầng trên và hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật đường sắt đô thị tại Việt Nam.