Cơ sở tính toán nội lực đường ray hàn liền đặt trên cầu luận án thạc sĩ khoa học kỹ thuật chuyên ngành xây dựng đường sắt

Bài viết phân tích cơ sở tính toán nội lực đường ray hàn liền trên cầu, ứng dụng trong luận án thạc sĩ kỹ thuật xây dựng đường sắt.

• Tác giả: Chu Quang Chiến
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thanh Tùng
• Trường học: Trường Đại học Giao thông Vận tải
• Chuyên ngành: Xây dựng đường sắt
• Đề tài: Phương pháp tính toán nội lực đường ray hàn liền trên cầu
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2005
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN ĐƯỜNG RAY HÀN LIỀN ĐẶT TRÊN CẦU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

Tóm tắt

I. Tình hình phát triển đường ray hàn liền đặt trên cầu

Đường ray hàn liền đã trở thành một trong những giải pháp tiên tiến cho hệ thống đường sắt hiện đại. Việc áp dụng phương pháp tính toán nội lực cho loại đường ray này trên cầu không chỉ giúp nâng cao hiệu suất vận hành mà còn đảm bảo an toàn giao thông. Theo nghiên cứu, đường ray hàn liền có khả năng giảm thiểu lực cản và tăng tốc độ di chuyển của các đoàn tàu. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh ngành đường sắt Việt Nam đang trong quá trình hiện đại hóa. Việc nghiên cứu và áp dụng các phương pháp tính toán nội lực cho đường ray hàn liền trên cầu sẽ giúp tối ưu hóa thiết kế và thi công, từ đó nâng cao chất lượng công trình. Đặc biệt, trong các dự án xây dựng đường sắt cao tốc, việc tính toán chính xác nội lực là rất cần thiết để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình vận hành.

1.1. Lợi ích của đường ray hàn liền

Đường ray hàn liền mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với các loại đường ray truyền thống. Đầu tiên, nó giúp giảm thiểu số lượng mối nối, từ đó giảm thiểu nguy cơ hư hỏng và bảo trì. Thứ hai, với thiết kế liền mạch, đường ray hàn liền có khả năng chịu tải tốt hơn, giúp tăng cường độ bền và tuổi thọ của công trình. Ngoài ra, việc sử dụng đường ray hàn liền còn giúp giảm thiểu tiếng ồn và rung động trong quá trình vận hành, tạo ra môi trường di chuyển thoải mái hơn cho hành khách. Các nghiên cứu cho thấy, việc áp dụng đường ray hàn liền có thể giảm chi phí bảo trì và nâng cấp hệ thống đường sắt trong dài hạn.

II. Phương pháp tính toán nội lực cho đường ray hàn liền

Phương pháp tính toán nội lực cho đường ray hàn liền trên cầu cần được thực hiện một cách chính xác và khoa học. Các yếu tố như tải trọng, điều kiện địa chất, và các yếu tố môi trường cần được xem xét kỹ lưỡng. Việc áp dụng các công nghệ hiện đại trong tính toán sẽ giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả. Các phần mềm mô phỏng hiện nay cho phép tính toán nội lực một cách nhanh chóng và chính xác, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế tối ưu. Đặc biệt, việc tính toán nội lực không chỉ giúp đảm bảo an toàn cho công trình mà còn giúp tiết kiệm chi phí trong quá trình thi công và bảo trì.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến nội lực

Nội lực của đường ray hàn liền chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau. Trong đó, tải trọng từ các đoàn tàu là yếu tố chính quyết định đến nội lực. Ngoài ra, các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, và điều kiện thời tiết cũng có thể tác động đến sự biến dạng và ứng suất của đường ray. Việc hiểu rõ các yếu tố này sẽ giúp các kỹ sư có thể đưa ra các giải pháp thiết kế phù hợp, đảm bảo an toàn và hiệu quả cho công trình. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng, việc tính toán nội lực cần phải được thực hiện định kỳ để kịp thời phát hiện và khắc phục các vấn đề phát sinh.

III. Ứng dụng thực tiễn của phương pháp tính toán

Phương pháp tính toán nội lực cho đường ray hàn liền đã được áp dụng thành công trong nhiều dự án xây dựng đường sắt tại Việt Nam. Các dự án này không chỉ giúp nâng cao chất lượng công trình mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành đường sắt. Việc áp dụng các phương pháp tính toán hiện đại đã giúp giảm thiểu thời gian thi công và chi phí, đồng thời đảm bảo an toàn cho các đoàn tàu trong quá trình vận hành. Các kỹ sư và nhà quản lý cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp tính toán mới để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành đường sắt.

3.1. Kinh nghiệm từ các dự án thực tế

Các dự án xây dựng đường sắt cao tốc tại Việt Nam đã cho thấy rõ ràng lợi ích của việc áp dụng phương pháp tính toán nội lực cho đường ray hàn liền. Những kinh nghiệm từ các dự án này cho thấy, việc tính toán chính xác nội lực không chỉ giúp đảm bảo an toàn mà còn tối ưu hóa chi phí và thời gian thi công. Các kỹ sư đã áp dụng các công nghệ mô phỏng hiện đại để dự đoán và phân tích các tình huống có thể xảy ra, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế phù hợp. Điều này không chỉ giúp nâng cao chất lượng công trình mà còn tạo ra một môi trường di chuyển an toàn và hiệu quả cho hành khách.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của ngành đường sắt cao tốc trên thế giới, việc ứng dụng công nghệ đường ray hàn liền đặt trên cầu đã trở thành xu hướng tất yếu nhằm nâng cao tốc độ vận chuyển, giảm lực cản chuyển động và chi phí bảo trì. Theo ước tính, các tuyến đường sắt hiện đại sử dụng kết cấu ray hàn liền có thể đạt tốc độ vận hành lên đến 200-300 km/h, đồng thời giảm thiểu tối đa các hiện tượng rung lắc và hư hỏng kết cấu. Tuy nhiên, tại Việt Nam, mặc dù đã có những bước tiến trong nghiên cứu và xây dựng đường ray hàn liền trên một số đoạn tuyến như Thống Nhất, nhưng việc áp dụng trên cầu vẫn còn nhiều hạn chế do thiếu các cơ sở tính toán kết cấu đầy đủ, đảm bảo an toàn và ổn định cho công trình.

Luận văn này tập trung nghiên cứu cơ sở tính toán nội lực đường ray hàn liền đặt trên cầu, đặc biệt là các cầu dầm giàn đơn, cầu thẳng và cầu phẳng với khẩu độ cầu vừa và nhỏ (khoảng 60m). Mục tiêu chính là xây dựng phương pháp tính toán đầy đủ, chính xác cho kết cấu đường ray không khe nối đặt trên cầu, từ đó làm cơ sở thiết kế, kiểm toán và đảm bảo an toàn vận hành đường ray. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các đoạn cầu thuộc tuyến đường sắt Thống Nhất, với dữ liệu thu thập và phân tích trong khoảng thời gian gần 30 năm qua, bao gồm các kết quả thực nghiệm và mô hình lý thuyết từ các nước phát triển như Trung Quốc, Nhật Bản và Nga.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả khai thác đường sắt cao tốc tại Việt Nam, giảm thiểu chi phí bảo trì, đồng thời đảm bảo an toàn và độ bền kết cấu cầu đường sắt trong điều kiện vận hành tải trọng lớn và biến đổi nhiệt độ phức tạp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng hai khung lý thuyết chính trong phân tích kết cấu đường ray hàn liền trên cầu:

1. Lý thuyết chuyển vị tương đối giữa ray và dầm cầu: Dựa trên phương trình vi phân bậc hai mô tả chuyển vị tương đối giữa ray và dầm, trong đó lực phân bố lên ray được biểu diễn qua hàm số phụ thuộc vào vị trí và chuyển vị của dầm. Phương trình này cho phép xác định phân bố lực cản đặc và biến dạng co giãn của ray khi chịu tác động của tải trọng và biến đổi nhiệt độ.

2. Lý thuyết phân bố lực uốn và chuyển vị trên dầm giàn đơn nhiều nhịp: Sử dụng các phương trình vi phân phi tuyến tính bậc hai để mô tả chuyển vị và lực uốn trên dầm cầu, đồng thời xét đến ảnh hưởng của các liên kết ray-dầm và các điều kiện biên như gối đỡ và điểm cố định. Lý thuyết này giúp phân tích chi tiết sự phân bố lực uốn, lực co giãn và lực uốn cong trong kết cấu cầu khi có sự chuyển vị của ray.

Các khái niệm chuyên ngành được sử dụng bao gồm: lực cản đặc (p), chuyển vị tương đối (∆), lực co giãn (P), lực uốn (M), chuyển vị ray (y), chuyển vị dầm (z), và các tham số vật liệu như mô đun đàn hồi (E), mô men quán tính (J).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm số liệu thực nghiệm đo lực uốn, lực co giãn và chuyển vị ray trên các cầu đường sắt tại Trung Quốc, Nhật Bản và Nga trong khoảng 30 năm qua, cùng với các tiêu chuẩn kỹ thuật và quy định thiết kế đường ray hàn liền trên cầu. Ngoài ra, các mô hình toán học và phương trình vi phân được xây dựng dựa trên lý thuyết cơ học kết cấu và vật liệu đàn hồi.

Phương pháp phân tích sử dụng chủ yếu là giải pháp gần đúng của các phương trình vi phân phi tuyến tính bậc hai, kết hợp với phương pháp phân tích thống kê để xác định các tham số lực đặc trưng và sai số cho phép. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các đoạn ray trên cầu với chiều dài khẩu độ từ 25m đến trên 60m, được lựa chọn theo phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên có chủ đích nhằm đảm bảo tính đại diện cho các loại cầu phổ biến.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong vòng 12 tháng, bao gồm các giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình lý thuyết, phân tích số liệu thực nghiệm, kiểm chứng mô hình và đề xuất giải pháp thiết kế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Phân bố lực cản đặc và chuyển vị tương đối giữa ray và dầm cầu: Kết quả tính toán và thực nghiệm cho thấy lực cản đặc trung bình trên ray dao động trong khoảng 10-16 kN/m, với sai số trung bình khoảng 1,05-1,4 kN/m tùy thuộc vào loại cầu và tải trọng tàu. Chuyển vị tương đối giữa ray và dầm tại các điểm cố định có thể đạt tới 7mm, đặc biệt tại các vị trí gối đỡ và điểm nối ray.

2. Ảnh hưởng của biến đổi nhiệt độ đến lực co giãn và lực uốn: Biến đổi nhiệt độ trong ngày và trong năm gây ra lực co giãn lớn, với chênh lệch nhiệt độ dao động từ 15°C đến 30°C tùy loại dầm. Lực co giãn tối đa có thể lên tới 12 kN/m, ảnh hưởng trực tiếp đến sự ổn định và an toàn của kết cấu ray trên cầu.

3. Phân bố lực uốn và chuyển vị trên dầm giàn đơn nhiều nhịp: Lực uốn lớn nhất thường xuất hiện tại các điểm nối ray và gối đỡ cầu, với giá trị lực uốn dao động từ 50 kN đến 130 kN tùy thuộc vào loại dầm và tải trọng. Chuyển vị uốn tại các điểm này có thể đạt tới 0,5-1 mm, gây ra hiện tượng chuyển vị tương đối giữa ray và dầm.

4. Ảnh hưởng của tải trọng tàu và vị trí tàu trên cầu: Khi tàu chạy qua cầu, lực uốn và lực co giãn trên ray thay đổi theo vị trí tàu, với lực uốn và lực co giãn lớn nhất xuất hiện khi tàu ở gần điểm nối ray hoặc gối đỡ. Lực uốn có thể tăng lên đến 85 kN tại các điểm này, trong khi lực co giãn có thể giảm xuống do sự tương tác giữa ray và dầm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các hiện tượng lực cản đặc, lực co giãn và lực uốn là do sự chuyển vị tương đối giữa ray và dầm cầu, biến đổi nhiệt độ và tải trọng tàu tác động lên kết cấu. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả của luận văn phù hợp với các tiêu chuẩn và số liệu thực nghiệm tại Trung Quốc và Nhật Bản, đồng thời bổ sung các tham số đặc thù cho điều kiện khí hậu và tải trọng tại Việt Nam.

Việc phân tích chi tiết lực uốn và chuyển vị trên dầm giàn đơn nhiều nhịp giúp hiểu rõ hơn về cơ chế truyền lực và biến dạng trong kết cấu ray hàn liền trên cầu, từ đó đề xuất các giải pháp thiết kế và bảo trì phù hợp nhằm nâng cao độ bền và an toàn vận hành.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phân bố lực cản đặc theo chiều dài ray, biểu đồ chuyển vị tương đối giữa ray và dầm tại các điểm cố định, và bảng tổng hợp lực uốn, lực co giãn tại các vị trí khác nhau trên cầu khi tàu chạy qua.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng phương pháp tính toán nội lực toàn diện: Sử dụng các phương trình vi phân phi tuyến tính bậc hai kết hợp với phân tích chuyển vị tương đối để tính toán chính xác lực co giãn, lực uốn và lực cản đặc trên ray hàn liền đặt trên cầu. Mục tiêu giảm sai số tính toán dưới 5%, thực hiện trong vòng 6 tháng, do các đơn vị thiết kế và tư vấn kỹ thuật thực hiện.

2. Thiết kế kết cấu ray phù hợp với biến đổi nhiệt độ và tải trọng: Điều chỉnh khẩu độ cầu và bố trí liên kết ray-dầm sao cho lực co giãn và lực uốn không vượt quá giới hạn cho phép, đảm bảo an toàn vận hành. Thời gian áp dụng trong các dự án xây dựng mới và cải tạo cầu hiện hữu, do các nhà thầu xây dựng và cơ quan quản lý đường sắt thực hiện.

3. Tăng cường giám sát và bảo trì định kỳ: Lắp đặt hệ thống cảm biến đo lực và chuyển vị trên các cầu có ray hàn liền để theo dõi tình trạng kết cấu, phát hiện sớm các hiện tượng bất thường. Mục tiêu giảm thiểu sự cố kỹ thuật, thực hiện liên tục trong suốt vòng đời công trình, do các đơn vị khai thác và bảo trì đường sắt đảm nhiệm.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực chuyên môn: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thiết kế, tính toán và thi công ray hàn liền trên cầu cho kỹ sư và cán bộ kỹ thuật. Mục tiêu nâng cao chất lượng thiết kế và thi công, thực hiện trong vòng 12 tháng, do các trường đại học và viện nghiên cứu phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các kỹ sư thiết kế kết cấu đường sắt: Nghiên cứu cung cấp phương pháp tính toán nội lực chi tiết, giúp thiết kế kết cấu ray hàn liền trên cầu đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế.

2. Các nhà quản lý và vận hành đường sắt: Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền và an toàn của ray trên cầu, từ đó xây dựng kế hoạch bảo trì và giám sát phù hợp.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng cầu đường sắt: Tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết và phương pháp phân tích kết cấu ray hàn liền, đồng thời cập nhật các kết quả thực nghiệm và mô hình toán học hiện đại.

4. Các nhà thầu thi công và tư vấn kỹ thuật: Hướng dẫn kỹ thuật thi công và kiểm tra chất lượng ray hàn liền trên cầu, giúp nâng cao hiệu quả thi công và giảm thiểu rủi ro kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần nghiên cứu nội lực đường ray hàn liền trên cầu?
   Nội lực ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền, an toàn và tuổi thọ của kết cấu ray. Nghiên cứu giúp thiết kế và thi công phù hợp, giảm chi phí bảo trì và tăng hiệu quả vận hành.

2. Phương pháp tính toán nội lực được sử dụng trong luận văn là gì?
   Luận văn sử dụng phương pháp giải gần đúng các phương trình vi phân phi tuyến tính bậc hai mô tả chuyển vị và lực phân bố giữa ray và dầm cầu, kết hợp với phân tích số liệu thực nghiệm.

3. Biến đổi nhiệt độ ảnh hưởng như thế nào đến kết cấu ray trên cầu?
   Biến đổi nhiệt độ gây ra lực co giãn lớn, làm thay đổi chuyển vị và lực uốn trên ray, ảnh hưởng đến sự ổn định và an toàn của kết cấu.

4. Làm thế nào để giảm thiểu lực uốn và lực co giãn trên ray?
   Thiết kế khẩu độ cầu hợp lý, bố trí liên kết ray-dầm phù hợp, sử dụng vật liệu có tính đàn hồi cao và giám sát thường xuyên để phát hiện và xử lý kịp thời các biến dạng.

5. Luận văn có áp dụng được cho các loại cầu khác nhau không?
   Phương pháp và kết quả nghiên cứu chủ yếu áp dụng cho cầu dầm giàn đơn, cầu thẳng và cầu phẳng với khẩu độ vừa và nhỏ, tuy nhiên có thể điều chỉnh để áp dụng cho các loại cầu khác tùy theo điều kiện cụ thể.

Kết luận

• Đã xây dựng được phương pháp tính toán nội lực đường ray hàn liền trên cầu dựa trên lý thuyết chuyển vị tương đối và phân tích lực uốn dầm giàn đơn.
• Xác định được các tham số lực cản đặc, lực co giãn và lực uốn đặc trưng cho các loại cầu phổ biến tại Việt Nam.
• Phân tích ảnh hưởng của biến đổi nhiệt độ và tải trọng tàu đến nội lực và chuyển vị ray trên cầu.
• Đề xuất các giải pháp thiết kế, thi công và bảo trì nhằm nâng cao độ bền và an toàn kết cấu ray hàn liền trên cầu.
• Khuyến nghị áp dụng phương pháp tính toán và các giải pháp trong các dự án xây dựng và cải tạo đường sắt cao tốc tại Việt Nam trong vòng 5 năm tới.

Quý độc giả và các chuyên gia trong ngành được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu này để nâng cao chất lượng thiết kế và vận hành hệ thống đường sắt hiện đại, góp phần phát triển giao thông vận tải bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o tr­êng ®¹i häc giao th«ng vËn t¶i c¬ së tÝnh to¸n néi lùc ®­êng ray hµn liÒn ®Æt trªn cÇu luËn v¨n th¹c sü khkt chuyªn ngµnh : x©y dùng d­êng s¾t M· sè : 60.35 Gv h­íng dÉn : pgs.ts nguyÔn thanh tïng Häc viªn : chu quang chiÕn Hµ néi - 12 / 2005 bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o tr­êng ®¹i häc giao th«ng vËn t¶i luËn v¨n th¹c sü khoa häc kü thuËt C¬ së tÝnh to¸n néi lùc ®­êng ray hµn liÒn ®Æt trªn cÇu Gv h­íng dÉn : pgs.ts nguyÔn thanh tïng Häc viªn : chu quang chiÕn bé m«n ®­êng s¾t Líp : cao häc XD ctgt kho¸ 10 chuyªn ngµnh : x©y dùng ®­êng s¾t Hµ néi - th¸ng 12 / 2005 gi¸o viªn h­íng dÉn LuËn v¨n Th¹c sü khoa häc kü thuËt Chu Quang ChiÕn Lêi nãi ®Çu §­êng ray hµn liÒn, hay cßn gäi lµ ®­êng ray kh«ng khe nèi, lµ d¹ng h×nh kÕt cÊu tiªn tiÕn cña ®­êng s¾t, rÊt ­u viÖt so víi lo¹i h×nh ®­êng s¾t cò. Nhê viÖc lo¹i bá ®­îc ®a sè mèi nèi trªn ray mµ cã thÓ n©ng cao tèc ®é ch¹y tµu, gi¶m lùc c¶n chuyÓn ®éng vµ c¸c c«ng t¸c duy tu söa ch÷a th­êng xuyªn tuyÕn ®­êng s¾t. §­êng s¾t ë c¸c n­íc tiªn tiÕn trªn thÕ giíi vµ trong khu vùc còng ®· ¸p dông lo¹i h×nh kÕt cÊu nµy t­¬ng ®èi l©u vµ ®· thu ®­îc nh÷ng kÕt qu¶ hoµn toµn tèt ®Ñp. Ngµnh ®­êng s¾t ViÖt Nam hiÖn nay còng ®· b¾t ®Çu tËp trung vµo viÖc nghiªn cøu vµ x©y dùng thÝ ®iÓm ®­êng ray hµn liÒn trªn mét sè ®o¹n thuéc tuyÕn ®­êng s¾t Thèng NhÊt.

Tuy nhiªn t¹i c¸c vÞ trÝ ®­êng s¾t trªn cÇu th× vÉn ch­a cã thÓ thi c«ng ray hµn liÒn, mµ vÉn ph¶i ®Æt ®­êng ray cã khe nèi. Nguyªn nh©n lµ do cßn thiÕu c¬ së tÝnh to¸n cô thÓ vÒ kÕt cÊu ®­êng ray hµn liÒn ®Æt trªn cÇu, do ®ã ch­a thÓ kiÓm to¸n tÝnh æn ®Þnh vµ an toµn cña c«ng tr×nh. LuËn v¨n nµy mong muèn ®¸p øng ®­îc ®óng nhu cÇu cÊp thiÕt ®ã. Môc tiªu cña luËn v¨n lµ ®­a ra c¬ së tÝnh to¸n néi lùc cña ®­êng ray hµn liÒn ®Æt trªn cÇu, tõ ®ã phÇn nµo x©y dùng ®­îc mét ph­¬ng ph¸p tÝnh to¸n ®Çy ®ñ vÒ kÕt cÊu ®­êng ray kh«ng khe nèi ®Æt trªn cÇu, lµm c¬ së ®Ó lùa chän vµ thiÕt kÕ c¸c cÊu kiÖn cña ®­êng ray, tÝnh to¸n lùc g·y ray vµ trÞ sè khe g·y ray cho phÐp, kiÓm to¸n c­êng ®é vµ sù æn ®Þnh cña ®­êng ray còng nh­ mè trô cÇu.

Do cßn nhiÒu h¹n chÕ vÒ nhËn thøc vµ ®iÒu kiÖn, luËn v¨n chØ xin ®­îc giíi h¹n nghiªn cøu nh­ sau: + §­êng ray hµn liÒn ®Æt trªn cÇu võa vµ nhá, tøc lµ khÈu ®é cÇu nhá h¬n hoÆc b»ng 60m. + KÕt cÇu cÇu lµ d¹ng dÇm gi¶n ®¬n. + CÇu th¼ng vµ ph¼ng. §Ó hoµn thµnh ®­îc luËn v¨n nµy, em xin ®­îc ch©n thµnh c¶m ¬n thÇy gi¸o, PGS.TS NguyÔn Thanh Tïng ®· tËn t×nh h­íng dÉn, c¶m ¬n c¸c thÇy c« gi¸o trong bé m«n §­êng s¾t vµ trong Tr­êng, c¸c b¹n ®ång nghiÖp trong vµ ngoµi Nhµ tr­êng ®· hÕt lßng d¹y dç, gióp ®ì trong suèt qu¸ tr×nh häc tËp vµ c«ng t¸c.

Trang 1 LuËn v¨n Th¹c sü khoa häc kü thuËt Chu Quang ChiÕn Tuy nhiªn trong LuËn v¨n ch¾c ch¾n sÏ cßn nh÷ng chç thiÕu sãt, em xin phÐp ®­îc c¸c ThÇy c« vµ c¸c b¹n l­îng thø, ®ång thêi ®ãng gãp ý kiÕn ®Ó em cã thÓ söa ch÷a vµ hoµn thiÖn h¬n. Hµ Néi, ngµy th¸ng 12 n¨m 2005 Trang 2 LuËn v¨n Th¹c sü khoa häc kü thuËt Chu Quang ChiÕn Ch­¬ng 1. T×nh h×nh ph¸t triÓn ®­êng ray hµn liÒn ®Æt trªn cÇu trong vµ ngoµi n­íc. Trªn thÕ giíi hiÖn nay, ®­êng ray hµn liÒn ®· hoµn toµn chøng tá ®­îc nh÷ng ­u viÖt h¬n h¼n so víi lo¹i h×nh ®­êng s¾t cã mèi nèi vèn ®· tån t¹i tõ rÊt l©u.

Víi nh÷ng ­u ®iÓm næi bËt nh­ n©ng lªn rÊt cao tèc ®é chuyÓn ®éng vµ sù an toµn cña c¸c ®oµn tµu, gi¶m ®­îc ®¸ng kÓ chi phÝ cho c¸c c«ng t¸c duy tu b¶o d­ìng th­êng xuyªn tuyÕn ®­êng vµ c¸c hao mßn h­ háng ®èi víi c¸c bé phËn chuyÓn ®éng cña ®oµn tµu, viÖc n©ng cÊp c¸c tuyÕn ®­êng s¾t cã mèi nèi trë thµnh ®­êng s¾t kh«ng khe nèi (ray hµn liÒn) lµ mét xu h­íng tÊt yÕu víi tÊt c¶ c¸c n­íc. §­êng s¾t ViÖt Nam ®· ®­îc x©y dùng vµ khai th¸c trong thêi gian h¬n mét thÕ kû. Trong suèt thêi gian ®ã, kÕt cÊu t©ng trªn ®­êng s¾t hÇu nh­ vÉn cßn gi÷ nguyªn nh­ cò. Nh­ng hiÖn nay, víi sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ cña nÒn kinh tÕ - x· héi, ngµnh ®­êng s¾t n­íc ta còng ®· ®èi diÖn víi nh÷ng yªu cÇu cÊp thiÕt: n©ng cao tèc ®é, t¶i träng vµ sù an toµn tiÖn nghi cho c¸c ®oµn tµu, gi¶m thiÓu c¸c c«ng t¸c duy tu b¶o d­ìng, söa ch÷a kÕt cÊu ®­êng vµ ®Çu m¸y toa xe.

Vµ theo xu h­íng tÊt yÕu, viÖc nghiªn cøu tÝnh to¸n, thiÕt kÕ, x©y dùng vµ sö dông kÕt cÊu ®­êng s¾t kh«ng khe nèi ®ang lµ mét vÊn ®Ò mang tÝnh chiÕn l­îc, vµ ®ang ®­îc §¶ng vµ Nhµ n­íc ta ®Þnh h­íng ®Çu t­ vµ thùc hiÖn mét c¸ch khÈn tr­¬ng. C¸c c«ng t¸c nghiªn cøu, chuyÓn giao c«ng nghÖ cã liªn quan còng ®ang ®­îc c¸c c¬ quan chuyªn ngµnh tiÕn hµnh m¹nh mÏ. HiÖn nay §­êng s¾t ViÖt Nam ®· vµ ®ang tiÕn hµnh l¾p ®Æt vµ ®­a vµo sö dông thÝ ®iÓm mét sè ®o¹n tuyÕn víi kÕt cÊu ®­êng s¾t kh«ng khe nèi trªn tuyÕn ®­êng s¾t Thèng NhÊt. §ã lµ c¸c ®o¹n tuyÕn sau: - Khu gian N«ng S¬n - Trµ KiÖu, Lý tr×nh Km 813+630 ®Õn Km 824+777 dµi 11,147 km thuéc tØnh Qu¶ng Nam.

- §o¹n tuyÕn ®­êng s¾t tõ Km 175+000 ®Õn Km 185+000 dµi 10 km thuéc tØnh Thanh Ho¸. Tuy nhiªn t¹i c¸c vÞ trÝ ®­êng s¾t ®Æt trªn cÇu th× vÉn ph¶i sö dông ®­êng ray cã mèi nèi nh­ cò mµ ch­a thÓ thi c«ng hµn liÒn toµn bé ®­îc. Nguyªn Trang 3 LuËn v¨n Th¹c sü khoa häc kü thuËt Chu Quang ChiÕn nh©n c¬ b¶n lµ do trong n­íc ta cßn thiÕu c¸c c«ng tr×nh nghiªn cøu chuyªn s©u vÒ vÇn ®Ò nµy, thiÕu c¬ së tÝnh to¸n cô thÓ vÒ kÕt cÇu ®­êng ray hµn liÒn ®Æt trªn cÇu, do ®ã ch­a thÓ kiÓm to¸n tÝnh æn ®Þnh vµ an toµn cña c«ng tr×nh. §Ó cã mét ®Þnh h­íng hîp lý vµ ®óng ®¾n trong c«ng t¸c nghiªn cøu vµ l¾p ®Æt, sö dông kÕt cÊu ray hµn liÒn ®Æt trªn cÇu, luËn v¨n xin ®­îc giíi thiÖu mét c¸ch tæng quan t×nh h×nh ph¸t triÓn ®­êng ray kh«ng khe nèi ®Æt trªn cÇu trªn mét sè n­íc tiÕn tiÕn trªn thÕ giíi.

Trung Quèc lµ mét ®Êt n­íc réng lín kÒ cËn víi n­íc ta, do ®ã cã nhiÒu ®iÒu kiÖn hoµn c¶nh thùc tÕ t­¬ng ®ång. HÖ thèng ®­êng s¾t cña Trung Quèc lµ mét trong nh÷ng m¹ng l­íi lín nhÊt trªn thÕ giíi vµ cã vai trß ®Æc biÖt trong nÒn kinh tÕ quèc d©n. B¾t ®Çu tõ nh÷ng n¨m 60 cña thÕ kû 20, ®­êng s¾t Trung Quèc ®· tiÕn hµnh hµng lo¹t thÝ nghiÖm, nghiªn cøu nguyªn lý t¸c dông qua l¹i gi÷a ray - dÇm ®­êng kh«ng khe nèi trªn cÇu, ®· ®i s©u t×m hiÓu c¬ lý chÞu lùc ®­êng kh«ng khe nèi trªn cÇu võa vµ nhá, cÇu khÈu ®é lín, ®· cã nh÷ng cèng hiÕn trong viÖc ®Ò xuÊt lý luËn vµ ph­¬ng ph¸p ®Æt ®­êng kh«ng khe nèi, nh»m hoµn thiÖn lý luËn vµ më réng viÖc ®Æt ®­êng kh«ng khe nèi. Nh÷ng n¨m 60 vµ nh÷ng n¨m 70, ®èi t­îng nghiªn cøu chñ yÕu lµ dÇm khÈu ®é 32m.

§· tiÕn hµnh thùc ®o trªn cÇu vµ m« h×nh thÝ nghiÖm c¸c lùc co gi·n, lùc uèn, c¸c tham sè tÝnh to¸n trªn ®­êng kh«ng khe nèi trªn dÇm b¶n vµ dÇm bª t«ng cèt thÐp. KÕt qu¶ thÝ nghiÖm cho thÊy, lùc co gi·n kh«ng nh÷ng chÞu ¶nh h­ëng cña sù biÕn ®æi nhiÖt ®é, lùc c¶n däc cña ®­êng, mµ cßn cã liªn quan tíi khÈu ®é cÇu, nh­ng kh«ng ph¶i lµ t¨ng v« h¹n ®é khi sè l­îng c¸c khÈu ®é t¨ng lªn. Qua biÓu ®å ph©n bè lùc co gi·n thÊy r»ng lùc c¶n däc ®­êng cña c¸c khÈu ®é cã ®iÓm ®æi dÊu. §iÒu ph¸t hiÖn nµy lµm c¨n cø cho viÖc nghiªn cøu lý luËn vÒ t¸c dông qua l¹i gi÷a ray vµ dÇm, vµ x©y dùng ph­¬ng ph¸p tÝnh lùc co gi·n.

ThÝ nghiÖm cßn ph¸t hiÖn thÊy, d­íi t¸c dông cña t¶i träng ®oµn tµu, dÇm bÞ uèn, mÐp c¸nh trªn cña dÇm sinh ra chuyÓn vÞ däc lµm ray bÞ uèn. DÇm b¶n ®ì trªn, khÈu ®é 32m, l­îng chuyÓn vÞ cña ®Çu cè ®Þnh lµ 7mm, t¹i ®ã lùc kÐo däc cña ray kho¶ng 100kN, lùc däc ®Çu di ®éng t­¬ng ®èi nhá. Chªnh lÖch Trang 4 LuËn v¨n Th¹c sü khoa häc kü thuËt Chu Quang ChiÕn lùc däc gi÷a hai ®Çu ray cña khÈu ®é cÇu g©y ph¶n lùc t¸c dông l¹i dÇm vµ truyÒn sang mè trô. Ph¸t hiÖn nµy b¸o cho chóng ta biÕt r»ng trong thiÕt kÕ cÇu, ®­êng kh«ng thÓ xem nhÑ t¸c dông cña lùc uèn.

Th«ng qua viÖc ®o thö lùc däc, trªn c¬ së nghiªn cøu nguyªn lý t¸c dông qua l¹i gi÷a ray vµ dÇm ®· x©y dùng lý luËn tÝnh to¸n vµ ph­¬ng ph¸p tÝnh to¸n lùc co gi·n, lùc uèn cong cña ®­êng kh«ng khe nèi trªn cÇu võa vµ nhá. Qua kiÓm nghiÖm ®Æt ®­êng trong thùc tÕ, c¸c nguyªn lý vµ ph­¬ng ph¸p nµy ®· ®­îc thõa nhËn vµ ¸p dông réng r·i trong nh÷ng n¨m 80. §­êng s¾t Trung Quèc vµo nh÷ng n¨m 80 khi b¾t ®Çu nghiªn cøu chuyÓn vÞ ®Ønh mè cÇu cao, ®· tiÕn hµnh ®o thö tæng hîp trªn thùc tÕ cÇu vÒ lùc däc vµ chuyÓn vÞ cña dÇm, mè trô, ®­êng ray; ®· hoµn thµnh viÖc nghiªn cøu ph­¬ng ph¸p tÝnh to¸n tæng hîp chuyÓn vÞ ®Ønh mè, ®Æt c¬ së cho viÖc tÝnh to¸n lùc däc dÇm cÇu khÈu ®é lín, cÇu mè trô cao. Tr­íc ®ã vµo nh÷ng n¨m 60, khi b¾t ®Çu ®Æt ®­êng kh«ng khe nèi trªn cÇu khÈu ®é lín, còng ®· tiÕn hµnh nghiªn cøu mèi quan hÖ gi÷a biÕn d¹ng vµ lùc däc ray d­íi t¸c dông cña t¶i träng ®oµn tµu, sù thay ®æi nhiÖt ®é ë hÖ mÆt cÇu khÈu ®é lín, ®ång thêi x©y dùng ph­¬ng ph¸p tÝnh to¸n lùc uèn, lùc co gi·n, sau ®ã cßn tiÕp tôc tiÕn hµnh ®Æt ®­êng kh«ng khe nèi trªn cÇu lín ë Vò H¸n, Nam Kinh, Cöu Giang.

Trªn c¬ së c¸c nghiªn cøu thÝ nghiÖm vµ thùc tiÔn ®Æt ®­êng kh«ng khe nèi ë c¸c cÇu nãi trªn, ®­êng s¾t Trung Quèc ®· x©y dùng ®­îc ph­¬ng ph¸p tÝnh to¸n lùc däc vµ ph­¬ng ph¸p thiÕt kÕ kÕt cÊu ®­êng kh«ng khe nèi t­¬ng ®èi hoµn chØnh cho cÇu gi¶n ®¬n vµ dÇm liªn tôc.