Xem mẫu
- TÍNH TOÁN TÀ VẸT SẮT VÀ ỨNG DỤNG TÀ VẸT SẮT TRONG
HẦM ĐANG KHAI THÁC ĐỂ ĐẢM BẢO AN TOÀN KẾT CẤU HẦM
CALCULATION OF STEEL SLEEPERS AND APPLICATION OF STEEL
SLEEPERS IN TUNNELS BEING EXPLOITED TO ENSURE THE SAFETY OF
TUNNEL STRUCTURES
ThS. Nguyễn Đức Tâm
Trường Đại học Giao thông vận tải - Phân hiệu tại TP. Hồ Chí Minh
TÓM TẮT:
Ở Việt Nam, chưa có tính toán phù hợp cho tà vẹt sắt dẫn đến việc lựa chọn tà vẹt sắt
chưa phù hợp với điều kiện khai thác. Đồng thời trong các hầm đường sắt hiện nay có
nhiều hầm sử dụng tà vẹt gỗ và tà vẹt bê tông, tuy nhiên chiều dày lớp đá ba lát không đảm
bảo theo yêu cầu. Việc bổ sung đá ba lát trong quá trình duy tu, bảo dưỡng sẽ làm thay đổi
chiều cao kiến trúc của đường ray và có thể vi phạm khổ giới hạn tiếp giáp kiến trúc trong
hầm, dẫn đến ảnh hưởng an toàn chạy tàu. Vì vậy cần phải có giải pháp phù hợp để trong
quá trình duy tu, bảo dưỡng mà vẫn đảm bảo khổ giới hạn tiếp giáp kiến trúc trong hầm
mà không cần phải cải tạo kết cấu hầm. Trong bài báo này tác giả xin đưa ra phương pháp
thực nghiệm để tính toán tà vẹt sắt và làm cơ sở lựa chọn loại tà vẹt sắt phù hợp với điều
kiện khai thác, đồng thời ứng dụng tà vẹt sắt trong hầm đường sắt đang khai thác để đảm
bảo an toàn kết cấu hầm.
Từ khóa: Tà vẹt sắt, hầm đường sắt, khổ giới hạn.
ABSTRACT:
In Vietnam, there is no suitable calculation method for steel sleepers, leading to the
selection of steel sleepers that have been not suitable for exploitation conditions. At the
same time, in the current railway tunnels, there are many tunnels using wooden sleepers and
concrete sleepers, but the thickness of the ballast layer is not as required. The addition of
ballast during maintenance will change the construction height of the track and may violate
the structure clearance gauge in the tunnel, leading to affecting train safety. Therefore, it is
necessary to have a suitable solution so that in the process of maintenance and repair, it still
ensures the structure clearance gauge without having to renovate the tunnel structure. The
author would like to propose an empirical method to calculate steel sleepers and serve as a
basis for selecting iron sleepers suitable for exploitation conditions; at the same time, apply
steel sleepers in railway tunnels being exploited to ensure the safety of the tunnel structure.
Keywords: Steel sleepers, railway tunnels, track gauge.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay trên đường sắt Việt Nam sử dụng 3 loại tà vẹt chính: tà vẹt gỗ, tà vẹt sắt và tà
vẹt bê tông. Tà vẹt sắt có một số ưu điểm sau:
- Tuổi thọ lớn hơn tà vẹt gỗ (tuổi thọ của tà vẹt sắt khoảng 35 năm).
377
- - Vận chuyển, xếp dỡ dễ dàng hơn tà vẹt bê tông (nhẹ hơn, tà vẹt bê tông có nguy cơ bị
nứt trong quá trình vận chuyển và xếp dỡ).
- Đối với hầm đường sắt khi sử dụng tà vẹt sắt sẽ cho kích thước hầm nhỏ hơn khi dùng
tà vẹt bê tông hay tà vẹt gỗ vì giảm được chiều cao kiến trúc.
- Có khả năng tái chế.
Ở Việt Nam, chưa có tính toán phù hợp cho tà vẹt sắt dẫn đến việc lựa chọn tà vẹt sắt
chưa phù hợp với điều kiện khai thác. Đổng thời trong các hầm đường sắt hiện nay có
nhiều hầm sử dụng tà vẹt gỗ và tà vẹt bê tông, tuy nhiên chiều dày lớp đá ba lát không đảm
bảo theo yêu cầu. Việc bổ sung đá ba lát trong quá trình duy tu, bảo dưỡng sẽ làm thay đổi
chiều cao kiến trúc của đường ray và có thể vi phạm khổ giới hạn tiếp giáp kiến trúc trong
hầm, dẫn đến ảnh hưởng an toàn chạy tàu. Vì vậy cần phải có giải pháp phù hợp để trong
quá trình duy tu, bảo dưỡng mà vẫn đảm bảo khổ giới hạn tiếp giáp kiến trúc trong hầm mà
không cần phải cải tạo kết cấu hầm.
Trong bài báo này tác giả xin đưa ra phương pháp thực nghiệm để tính toán tà vẹt sắt
và làm cơ sở lựa chọn loại tà vẹt sắt phù hợp với điều kiện khai thác, đồng thời ứng dụng
tà vẹt sắt trong hầm đường sắt đang khai thác để đảm bảo an toàn kết cấu hầm.
Có nhiều phương pháp phân tích xác định mômen uốn tà vẹt (Md), ứng suất uốn và áp
lực tiếp xúc giữa đáy tà vẹt và đỉnh lớp đá ba lát. Trong phạm vi bài báo này tác giả xin giới
thiệu phương pháp thực nghiệm của đường sắt Australia.
2. TÍNH TOÁN TÀ VẸT SẮT BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.1. Tải trọng bánh xe thẳng đứng tương đương
Tải trọng bánh xe thẳng đứng tương đương được tính theo công thức sau:
PdV = ϕ.Q (1)
Trong đó:
PdV - tải trọng bánh xe thẳng đứng tương đương, kN
ϕ - hệ số tác động
Q - tải trọng tĩnh lớn nhất của bánh xe, kN
2.2. Hệ số tác động
Hệ số tác động lý thuyết (ϕ) đối với thiết kế tà vẹt thép có thể được tính bằng phân bố
tải trọng Eisenmann như sau:
ϕ = 1 + (δ.η.tc) (2)
Trong đó:
δ - hệ số điều kiện tuyến đường, δ = 0,1 ÷ 0,4
η - hệ số phụ thuộc và vận tốc.
378
- + Đối với vận tốc dưới 60 km/h: η = l,0
+ Đối với vận tốc trên 60 km/h: η = l,0 + (v-60)/l40
v - vận tốc tính toán, km/h
tc - giới hạn tin cậy, tc = 3.
2.3. Tải trọng thẳng đứng tương đương tại vị trí đặt ray
Tải trọng thiết kế dưới đế ray có thể được tính theo công thức sau:
RV = s.U.ymax (3)
Trong đó:
ymax = ∑yi (4)
RV - tải trọng thẳng đứng tương đương tại vị trí đặt ray, kN
s - khoảng cách tà vẹt, m
U - mô đun nền dưới ray, MPa
ymax - độ võng lớn nhất do nhiều bánh xe gây ra, m
yi - độ võng thẳng đứng do tải trọng bánh xe ở khoảng cách “xi” so với điểm
đang xét, m
PdV β −β.x
=yi .e .(cos βx + sin βx ) (5)
2U
xi - khoảng cách từ vị trí đặt tải đến điểm đang xét, m
β - thông số độ cứng đường ray, m-1, β = (U/(4EIxx))0,25×103
E - mô đun đàn hồi Young của thép ray, MPa
Ixx - mô men quán tính của mặt cắt ray đối với trục trung hòa x nằm ngang, mm4
Nếu không tính được tương tác giữa các bánh xe, thì tải trọng thiết kế dưới đế ray có
thể được tính theo công thức sau:
RV = 0,5.F1.PdV.s.β
Trong đó:
F1 - nhân tố xét đến sự tương tác của bánh xe, F1 = 1,25
Ứng suất uốn thiết kế
Ứng suất lớn nhất trong tà vẹt do uốn thường xuất hiện ở chân tà vẹt. Độ lớn của ứng
suất này được tính theo công thức sau:
σd = Md/Ztoe (6)
379
- Trong đó:
σd - ứng suất uốn lớn nhất của tà vẹt thiết kế, MPa
Md - mô men uốn của tà vẹt thiết kế, kN.m
Ztoe - mô men chống uốn của chân tà vẹt, mm3
Áp lực tiếp xúc giữa đáy tà vẹt và đỉnh lớp đá ba lát
Áp lực tiếp xúc giữa đáy tà vẹt và đỉnh lớp đá ba lát tính bằng kPa, được tính theo công
thức sau:
Đối với khổ tiêu chuẩn:
R
pab = −3
.F2 (7)
w.10 (l − g)
Đối với khổ hẹp:
R
pab = −3
.F2 (8)
w.10 (l − g).0,8
Trong đó:
pab - áp lực tiếp xúc trung bình trên mặt lớp đá ba lát, kPa
R - tải trọng thiết kế dưới đế ray, kN
w - chiều rộng lớn nhất của tà vẹt, mm
l - chiều dài tà vẹt, m
g - khoảng cách tim hai ray, m
F2 - yếu tố phụ thuộc vào tiêu chuẩn bảo trì đường ray, thường lấy F2 = 1
Tính toán mô men uốn Md
Mômen uốn thiết kế (Md) được lấy giá trị lớn hơn của MR, MC + và MC- như sau:
Mô men uốn tại vị trí đặt ray:
Đối với khổ tiêu chuẩn:
a=l-g (9)
MR = R.(l-g)/8 (10)
Trong đó:
a - chiều dài đỡ của lớp đá ba lát, m
l - chiều dài tà vẹt, m
g - khoảng cách tim hai ray, m
380
- Đối với khổ hẹp:
a = 0,8.(l-g) (11)
MR = R.(l - g)/6,4 (12)
Mô men uốn dương tại tâm tà vẹt MC+: Mômen uốn dương lớn nhất tại tâm tà vẹt
(MC +) có thể dựa trên sự phân bố áp lực bên dưới vị trí đặt ray (Hình 1a) và có thể được
tính như sau:
Đối với khổ tiêu chuẩn:
a = 0.9 (l-g) (13)
MC+ = 0,05R (l-g) (14)
Đối với khổ hẹp:
a = 0.8 (l- g) (15)
MC+ = 0,1R(l-g) (16)
a) Phân bố áp lực đối với mô men uốn dương lớn nhất tại vị trí đặt ray
và mô men ở giữa tà vẹt
b) Phân bố áp lực đối với mô men uốn âm lớn nhất giữa tà vẹt
Hình 1. Sơ đồ phân bố áp lực
Mô men âm tại tâm tà vẹt MC-: Mômen uốn âm lớn nhất tại tâm tà vẹt (MC-) có thể dựa
trên sự phân bố áp suất bên dưới tà vẹt như trong Hình 1.b và có thể được tính như sau:
381
- + Đối với khổ tiêu chuẩn:
MC- = R.(2g-l)/4 (17)
+ Đối với khổ hẹp:
MC- = MR (18)
3. ỨNG DỤNG TÀ VẸT SẮT TRONG HẦM ĐỂ ĐẢM BẢO KHỔ GIỚI HẠN KIẾN
TRÚC
Việc tính toán tà vẹt sắt theo phương pháp thực nghiệm đảm bảo được các yêu cầu về
khả năng chịu lực (ứng suất lớn nhất, áp lực tiếp xúc giữa đáy tà vẹt và đỉnh lớp đá ba lát),
đồng thời tà vẹt sắt có thể thay thế tà vẹt gỗ và tà vẹt bê tông trong hầm đang khai thác để
giảm chiều cao kiến trúc, đáp ứng kỹ thuật theo tiêu chuẩn hiện hành.
Hiện nay ở Việt Nam, có nhiều hầm đường sắt sử dụng tà vẹt gỗ và tà vẹt bê tông, tuy
nhiên chiều dày lớp đá ba lát không đảm bảo theo yêu cầu (chiều dày lớp đá hiện hữu từ
15 ÷ 20cm). Nhằm đảm bảo duy trì kết cấu đường sắt đảm bảo theo quy định hiện hành thì
trong quá trình duy tu, bảo dưỡng cần phải bổ sung đá ba lát. Việc bổ sung đá ba lát sẽ làm
thay đổi chiều cao kiến trúc của đường ray và có thể vi phạm khổ giới hạn tiếp giáp kiến
trúc trong hầm, dẫn đến ảnh hưởng an toàn chạy tàu. Vì vậy cần phải có giải pháp đảm bảo
khổ giới hạn tiếp giáp kiến trúc trong hầm mà không cần phải cải tạo kết cấu hầm trong quá
trình duy tu, bảo dưỡng đường ray.
1/2 Mặt cắt ngang hầm 1/2 Mặt cắt ngang hầm
hiện trạng sau khi bổ sung đá ba lát
Hình 2. Mặt cắt ngang hầm sử dụng tà vẹt bê tông trước và sau khi bổ sung đá ba lát
382
- Hình 2 thể hiện mặt cắt ngang hầm sử dụng tà vẹt bê tông trước và sau khi bổ sung đá
ba lát, từ hình trên ta thấy rằng sau khi bổ sung đá ba lát thì chiều cao kiến trúc trong hầm
sẽ tăng lên, khi đó để đảm bảo khổ giới hạn kiến trúc và tĩnh không trong hầm lúc này cần
phải cải tạo kết cấu hầm.
Tà vẹt sắt có chiều cao nhỏ hơn đối với tà vẹt gỗ và tà vẹt bê tông, khi sử dụng tà vẹt
sắt có thể giảm được chiều cao kiến trúc một lượng Δh so với sử dụng tà vẹt gỗ và tà vẹt
bê tông.
Hình 3. Chênh lệch chiều cao kiến trúc khi sử dụng tà vẹt sắt và tà vẹt bê tông
Lượng chênh lệch chiều cao kiến trúc Δh được xác định theo công thức:
Δh = ĐR2 - ĐR1 = (htv2 + hr2) - (htv1 + hr1)
Trong đó:
ĐR1 - cao độ đỉnh ray khi sử dụng tà vẹt sắt, m
ĐR2 - cao độ đỉnh ray khi sử dụng tà vẹt gỗ hoặc tà vẹt bê tông, m
htv1 - chiều dày tà vẹt sắt tại vị trí đặt ray, m
htv2 - chiều cao tà vẹt gỗ hoặc tà vẹt bê tông tại vị trí đặt ray, m
hr1 - chiều cao ray bao gồm cả tấm đếm khi dung tà vẹt sắt, m
hr2 - chiều cao ray bao gồm cả tấm đếm khi dung tà vẹt gỗ hoặc tà vẹt bê tông, m
Trong hầm đường sắt khi sử dụng tà vẹt sắt thì chiều cao kiến trúc thấp hơn khi dùng
tà vẹt gỗ là 12÷13cm, với tà vẹt bê tông là 15÷16cm.
Nếu lượng bổ sung đá Δhđá ≤ Δh thì giải pháp thay tà vẹt gỗ hoặc tà vẹt bê tông bằng tà
vẹt sắt là giải pháp tốt nhất đảm bảo các yêu cầu về mặt kỹ thuật.
4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Tính toán tà vẹt sắt theo phương pháp thực nghiệm tương đối đơn giản, cho kết quả
nhanh và độ tin cậy tương đối cao. Phương pháp thực nghiệm tính toán tà vẹt sắt sẽ làm cơ
sở lựa chọn loại tà vẹt sắt phù hợp với điều kiện khai thác.
383
- Qua phân tích ở trên, việc sử dụng tà vẹt sắt trong hầm sẽ giảm được chiều cao kiến
trúc so với sử dụng tà vẹt gỗ và tà vẹt bê tông. Tác giả kiến nghị trong quá trình duy tu, bảo
dưỡng, để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật trong hầm đường sắt đang khai thác (chiều dày lớp đá
ba lát, khổ giới hạn tiếp giáp kiến trúc, ...) và tránh phải cải tạo kết cấu hầm có thể sử dụng
tà vẹt sắt thay thế tà vẹt gỗ và tà vẹt bê tông. Đảm bảo các yêu cầu về mặt kỹ thuật theo tiêu
chuẩn hiện hành, và nhằm đảm bảo an toàn trong hầm đường sắt đang khai thác.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Coenraad Esveld, Model Railway Track.
[2]. AREMA (2000), Manual for Railway Engineering.
[3]. AS 1085.17-2003, Australian Standard, Railway track material, Part 17: Steel
sleepers.
[4]. AS 1085.17-2003, Australian Standard, Railway track material, Part 19: Resilient
fastening assemblies.
[5]. BS 500:2000, British standard, Steel sleepers.
[6]. PGS.TS. Nguyễn Thanh Tùng, ThS. Bùi Thị Trí, KS. Lê Văn Cử, Kết cấu tầng trên
đường sắt (2009).
[7]. TCVN 11793:2017, Tiêu chuẩn quốc gia, Đường sắt khổ 1000mm - Yêu cầu thiết
kế tuyến.
[8]. TCCS 04:2014/VNRA, Tiêu chuẩn cơ sở, Tiêu chuẩn vật tư, vật liệu, phụ kiện sử
dụng trong công tác bảo trì công trình đường sắt.
384
nguon tai.lieu . vn
