Nghiên cứu hoàn thiện chất lượng thiết kế tà vẹt bê tông cốt thép cho đường sắt Việt Nam

TS. Lê Công Thành  Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông vận tải Người phản biện: TS. Trương trọng Vương ThS. Nguyễn Văn Chinh

TÓM TẮT: Hiện nay, Việt Nam đang thực hiện đầu tư nhiều dự án đường sắt với quá trình du nhập công nghệ từ nhiều nước khác nhau. Sự đa dạng trong quá trình du nhập công nghệ đòi hỏi phải có sự nghiên cứu và hoàn thiện công nghệ sản xuất, tăng tỉ lệ nội địa hóa cấu kiện phục vụ phát triển đường sắt. Các cán bộ kỹ thuật của Trung tâm Khoa học công nghệ Giao thông đô thị và Đường sắt thuộc Viện Khoa học và Công nghệ GTVT đã và đang tích cực tham gia vào nghiên cứu, hoàn thiện phương pháp thiết kế, sản xuất thử nghiệm tà vẹt và các bộ phận kết cấu tầng trên đường sắt.

Bài báo giới thiệu kết quả nghiên cứu hoàn thiện phương pháp tính toán thiết kế tà vẹt bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCT DƯL) cho đường sắt Việt Nam (ĐSVN) với việc sử dụng các phần mềm ứng dụng để thực hiện phân tích trạng thái ứng suất biến dạng và đưa ra các khuyến nghị nhằm đảm bảo chất lượng, hạ giá thành sản phẩm.

TỪ KHÓA: Tà vẹt, kết cấu tầng trên, ứng suất biến dạng đường.

Abstract: Currently in Vietnam is implementing investment projects with the rail technology imported from various countries. The diversity in the process of introducing technology requires research and perfect the production technology, increasing the localization rate structures serving railway development. The technical staff of the Science and Technology Center for Urban Transport and Railways has been actively engaged in research, design approaches completion, production testing sleepers and floor structural parts on railways.

This paper presents the research results finishing design calculation methods of reinforced concrete sleepers for railway Dul Vietnam with the use of the application software to perform analysis of stress-strain states and make recommendations recommendations to ensure quality and reduce product cost.

KEYWORDS: Sleepers, texture upstairs, stress contour lines.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Việc sử dụng tà vẹt BTCT ở Việt Nam đã có lịch sử lâu đời. Từ những năm 80 của thế kỷ trước khi ĐSVN bắt   đầu thực hiện thay thế tà vẹt gỗ đắt đỏ và khan hiếm bằng tà vẹt BTCT. Năm 1984, các cán bộ kỹ thuật thuộc Viện nghiên cứu Đường sắt (tên gọi của TRCC thời đó) gồm KS. Đào Quốc Đao, KS. Võ Tá Vinh, TS. Mai Lệ Dung và các cộng sự đã thiết kế thanh tà vẹt BTCT hai khối đầu tiên - thanh K1, những năm về sau tiếp tục cho ra đời các phiên bản cải tiến K2, K3, K92.

Đầu những năm 2000, ThS. Nguyễn Đức Chính thực hiện thiết kế, GS. TS. Nguyễn Viết Trung thẩm tra và ngành Đường sắt đưa vào sản xuất đại trà thanh tà vẹt BTCT DƯL liền khối - thanh TN1. Tính đến thời điểm hiện tại, TN1 là thanh tà vẹt được sử dụng rộng rãi nhất trên ĐSVN. Thiết kế thanh TN1 dựa trên phiên bản tà vẹt BTCT DƯL đường sắt khổ hẹp của Nhật Bản. Cho đến nay, có nhiều cán bộ kỹ thuật ngành Đường sắt như ThS. Nguyễn Đức Chính, KS. Đào Quốc Đao, TS. Lê Công Thành, TS. Lê Hải Hà, TS. Nguyễn Huy Tuấn, ThS. Nguyễn Văn Chinh, ThS. Thân Thế Vũ và nhiều cán bộ kỹ thuật khác đã triển khai thiết kế, sản xuất và lắp đặt nhiều loại tà vẹt nhằm giải quyết các mục tiêu kỹ thuật khác nhau: Thanh TN1, TN1-P, TN1P-50N cho đường khổ 1.000mm, thanh S2, S2-PM-CTB, TL23-15W cho đường sắt khổ lồng, thanh LW cho đường khổ 1.435mm.

Năm 2009, nhóm nghiên cứu gồm TS. Lê Công Thành, ThS. Nguyễn Tuấn Khanh cùng với Công ty Công trình Đường sắt đã đề xuất phương án thiết kế tà BTCT cho ghi đường sắt thanh TVG1, nhưng sau đó Tổng công ty ĐSVN đã ra quyết định nhập nguyên cả bộ ghi trên tà vẹt BTCT (từ Đài Loan và Pháp năm 2010) nên chưa có điều kiện đưa thiết kế của TVG1 vào sản xuất thử nghiệm. Phải đến năm 2011, nhóm nghiên cứu phối hợp của Công ty Cổ phần Cơ khí Cầu đường gồm KS. Đào Quốc Đao, TS. Lê Công Thành đã hoàn thiện bản thiết kế của Công ty Sampio (Hàn Quốc) nghiên cứu sản xuất thành công bộ tà vẹt BTCT DƯL cho ghi tang 1/10 áp dụng cho đường sắt khổ 1000mm, lắp đặt và đưa vào khai thác 110 bộ trên tuyến Vinh - Nha Trang.

Liên quan đến lĩnh vực Đường sắt, ở Việt Nam đã thực hiện một số nghiên cứu về tà vẹt BTCT kiểu tấm bản (đề tài DT 124008 của TS. Lương Xuân Bính, luận văn của ThS. Vương Hồng Thắng). Tuy nhiên, các nghiên cứu này phần lớn dừng lại ở dạng đề tài, luận văn, chưa có điều kiện sản xuất thử nghiệm, áp dụng vào thực tế.

Hiện nay, đường sắt đang trong thời kỳ phát triển với rất nhiều dự án đang được triển khai. Các dự án đường sắt đô thị và đường sắt tốc độ cao đòi hỏi phải áp dụng rất nhiều tiêu chuẩn mới, kết cấu mới. Vấn đề hoàn thiện và làm chủ công nghệ sản xuất tà vẹt BTCT vẫn là định hướng nghiên cứu khoa học vô cùng thiết thực.

2. ÁP DỤNG NGUYÊN LÝ CƠ BẢN VÀ TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ TÀ VẸT

Tà vẹt BTCT có ưu điểm là tuổi thọ cao, bảo đảm tốt việc giữ ổn định vị trí hình học của hệ khung ray và tà vẹt tuyến, đảm bảo an toàn chạy tàu và phân bố đều áp lực từ đoàn tàu truyền xuống ray, tà vẹt, đá ba lát.

Về cơ bản, mô hình tính toán tà vẹt dựa trên lý thuyết của Timosenko (GS. TS. Vũ Đình Lai đã biên dịch trong cuốn sức bền vật liệu [3]) coi tà vẹt như một dầm hữu hạn đặt trên nền đàn hồi. Thời gian đầu, các tính toán dựa trên các hướng dẫn của các nhà khoa học Nga, trong đó nội lực, ứng suất và biến dạng được xác định theo phương trình:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Do giá trị của hệ số nền  C(x) dọc theo tà vẹt thực tế là đại lượng không xác định, nó được giả định rằng là hằng số C(x) = const. Bỏ qua lực kháng lật xoay quanh trục dọc của tà vẹt. Tuy nhiên, trong thực tế lực này khá lớn và trong nhiều trường hợp có thể là nguyên nhân dẫn đến nứt vỡ bê tông trên các cạnh dọc theo đế của tà vẹt.

Phương trình không tính đến ảnh hưởng của các lực ngang đến biến dạng W(x,t), ảnh hưởng của sự không đồng nhất biến đổi nhiệt độ đến biến dạng W(x,t).

Hình 2.1: Sơ đồ thực hiện tính nội lực trong tà vẹt

Hạn chế trong các sơ đồ tính toán lực thẳng đứng, lực ngang, lực dọc tác dụng lên tà vẹt không liên hệ trực tiếp với các tham số của đường, của phương tiện và tốc độ tàu chạy tàu.

Trong tính toán tà vẹt TN1 sử dụng tổ hợp lực gồm lực thẳng đứng và lực ngang. Sau này do yêu cầu áp dụng tiêu chuẩn châu Âu trong tính toán tà vẹt [1] nên tất cả các lực được quy đổi về lực tác dụng thẳng đứng tương đương tải trọng động với các thành phần lực gồm tĩnh tải và gia tăng tải trọng trung bình từ thành phần lực động.

Tính toán tà vẹt có tính đến tổ hợp có thể tất cả các lực tác dụng lên tà vẹt là bài toán rất khó khăn. Để đơn giản hóa tính toán trong Tiêu chuẩn châu Âu cho phép sử dụng giả thiết phản lực lực của nền đá ba lát tác dụng lên đáy tà vẹt có dạng hàm phân bố tuyến tính. Giả thiết này là cần thiết trong những năm trước đây khi việc sử dạng máy tính còn chưa phổ biến. Ngày nay, việc sử dụng rộng rãi máy tính cá nhân cũng như các phần mềm ứng dụng cho phép giải bài toán với các mô hình tính toán gần sát với thực tế làm việc của tà vẹt.  

3. SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP SỐ, PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRONG TÍNH TOÁN TÀ VẸT

Hiện nay đã xuất hiện hàng loạt phương pháp số cho phép xem xét quá trình làm việc của tà vẹt như một hệ thống cơ học phức tạp gồm đường ray và phương tiện và cho phép xác định các lực động tác dụng lên tà vẹt, tính toán các tham số tương tác giữa tà vẹt với lớp đá ba lát, nhận được số liệu về trạng thái ứng suất biến dạng trong tà vẹt cũng như tại vị trí tiếp xúc giữa tà vẹt với lớp đá ba lát. 

Trong nghiên cứu lực động tác dụng lên các phần tử đường sắt [10], phân tích kết cấu tầng trên bằng phần mềm Matlab cho thấy, nếu như biết trước các lực tác dụng lên đường sắt và loại trừ được hiện tượng cộng hưởng thì tính toán ứng suất biến dạng ở trạng thái tĩnh và động là tương đương và hoàn toàn có thể tính toán thiết kế các bộ phận của kết cấu tầng trên theo các lực tĩnh.

Các thử nghiệm kỹ càng đối với kết cấu đường sắt khác nhau ở nhiều nước trên thế giới đã cho thấy rằng, các điều kiện cần thiết để đảm bảo hoạt động tin cậy của kết cấu đường là đảm bảo biến dạng tuyến tính của các phần tử kết cấu tầng trên đường sắt dưới tác dụng của tải trọng đoàn tàu, loại bỏ ứng suất tập trung tại kết cấu dưới ray phi đoàn tàu đi qua.

Các phần tử của kết cấu đường được thể hiện như hệ cơ học với các phần tử, các phần tử này được liên kết với nhau ở các nút. Nội lực lớn xuất hiện trong kết cấu của đường xuất hiện không chỉ do tải trọng động của đoàn tàu mà còn do biến dạng kết cấu nền đường và biến đổi nhiệt độ trong ray. Trong kết cấu của đường sử dụng các loại vật liệu khác nhau: Kim loại, cao su, bê tông cốt thép, đá dăm, đệm cát, đất đá. Đặc thù này của hệ kết cấu làm phức tạp tính toán. Sự phức tạp về mặt kết cấu của đường sắt và tính chất phi tuyến của các đặc tính cơ học gây khó khăn cho việc giải hệ các phương trình vi phân mô tả trạng thái ứng suất biến dạng của đường dưới tác dụng của tải trọng đoàn tàu. Tính toán đạt độ chính xác cao hơn có thể đạt được nhờ áp dụng các phương pháp số. Để giải bài toán đó cần phải đưa ra mô hình tính toán phù hợp với đối tượng và tất cả các thông số liên quan.

Khác với việc thiết lập và giải các phương trình vi phân, tức là chia các phần tử kết cấu ra thành các mảnh với số lượng không giới hạn, trong phương pháp phần tử hữu hạn vật thể được chia nhỏ bằng các lát cắt phân ra làm nhiều mảnh (nhưng hữu hạn số mảnh) có kích thước nhỏ hơn đáng kể so với kích thước của vật thể. Khi đó, bài toán được đưa về bài toán phân tích hệ thống bằng các phần mềm chuyên dùng hoặc giải hệ phương trình đại số. Hiện nay, ở Việt Nam thường hay ứng dụng các phầm mềm Midas Civil, Plaxis, Sap trong phân tích kết cấu, còn việc giải các hệ phương trình có thể sử dụng phần mềm hỗ trợ COSMOS/M, do hãng Structural Research and Analysis Corporation, Hoa Kỳ thiết kế.

Việc mô hình hóa bằng phương pháp số các biến dạng của đường sắt được thực hiện trên cơ sở các nguyên tắc vật lý. Các quy luật này chia ra làm hai nhóm. Trong nhóm thứ nhất là các quan hệ ràng buộc mang tính tổng quát (các định luật bảo toàn). Nhóm thứ hai xác định tính chất cơ hoặc của đường (chẳng hạn như biến dạng đàn hồi theo định luật Húc. Các phương trình, mô tả các nhóm tính chất nêu trên gọi là các phương trình cơ bản.

Các phương trình cơ bản có nhiều dạng khác nhau, có thể ở dạng bảo toàn khối lượng, động lượng, năng lượng, cân bằng lực:

 

                                            

 

 

 

 

 

              

 

Chấp nhận giả thiết về quan hệ tuyến tính giữa biến dạng của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng với các tham số tối thiểu. Mô-đun biến dạng và hệ số nở hông. Khi đó, phương trình cân bằng của tất cả các dạng kết cấu có thể viết về dạng:

 

 

 

Ma trận độ cứng đặc trưng cho độ cứng của cả hệ, ma trận chuyển vị và véc-tơ lực tại các nút thể hiện chuyển vị và lực tác dụng tại các nút. Từ các phương trình cân bằng ta có hệ phương trình.

Mô hình hóa ray, đệm dưới ray, căn nhựa tại đế ray, lớp đá ba lát, bê tông của tà vẹt có thế thực hiện nhờ mục SOLID, có trong các phần mềm chuyên dụng. Đối với cốt thép kéo trước có thể sử dụng phần tử khối (BEEM 3D).

Sau khi xây dựng mô hình dạng khối của tà vẹt BTCT trong các phần mềm ứng dụng (COSMOS/M hoặc Midas) khối tà vẹt có thể được chia ra làm các phần tử tương đối nhỏ để đạt độ chính xác cần thiết. Khi lựa chọn kích thước các phần tử cần tính đến việc bảo đảm độ chính xác của các tính toán. Sai số trong tính toán không được phép vượt quá 1 - 3% (mức độ chính xác của kích thước hình học và các tham số vật lý).

Phân chia cạnh của mặt cắt ngang của thanh tà vẹt ra làm E_N phần tử (Hình 3.1):

Hình 3.1: Chia đều cạnh trên mặt cắt ngang của tà vẹt

Số lượng các phần tử trong mặt cắt ngang của tà vẹt là 2E²_N phần tử. Để thiết lập quan hệ giữa đại lượng ứng suất và chuyển vị tính toán vào kích thước thẳng của các phần tử trong các nghiên cứu do cán bộ của Trung tâm Khoa học công nghệ Giao thông đô thị và Đường sắt thực hiện đã chia cạnh bên của tà vẹt ra làm E_N phần tử và thực hiện tính toán ứng suất, chuyển vị bằng mô hình Для установления зависимости величин расчетных напряжений и перемещений от линейных раз PTHH với ngoại lực thẳng đứng tác dụng lên tà vẹt như trong Hình 3.2. Kết quả cho phép nhận được sự phụ thuộc của các đại lượng tính toán vào số lượng các phần tử E_N chia các cạnh của mặt cắt.

Phân tích các kết quả tính toán ứng suất và biến dạng trong các nút của mô hình phần tử hữu hạn phụ thuộc vào kích thước thẳng của các phần tử cho thấy, khi E_N = 6-10 phần tử khác biệt kết quả ở con số phần nghìn. Khi E_N >6 sai số sẽ không vượt quá 1 - 3%.

Trong các nghiên cứu được thực hiện bới cán bộ của Trung tâm Khoa học công nghệ Giao thông đô thị và đường sắt với sự trợ giúp của các phần mềm phân tích theo phương pháp phần tử hữu hạn chuyên dùng đã thực hiện phân tích phân bố ứng suất trong bê tông tà vẹt với liên kết Pandrol Fast Clip (thiết kế tà vẹt ghi TVG1 cho Công ty Cổ phần Công trình Đường sắt) [6,7].

Hình 3.2:  Mô hình phần tử hữu hạn trong thiết kế tà vẹt ghi thanh tiêu chuẩn TVG1 với lỗ bắt bu-lông được coi là phần tử rỗng

Kết quả tính toán trạng thái ứng suất biến dạng của tà vẹt bê tông cốt thép theo giả thiết ứng với trạng thái đầm lèn đá ba lát tốt và không tốt được thể hiện trên Hình 3.3. Mô hình tính với tính chất phản lực của đá ba lát tác dụng lên đáy tà vẹt nhỏ hơn 5 - 15% so với binh thường và tốc độ tích lũy biến dạng thẳng đứng nhanh hơn thực tế khoảng 30%.

Hình 3.3: Phân tích trạng thái ứng suất biến dạng trong tà vẹt và lớp đá ba lát dưới đế tà vẹt bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Việc thử nghiệm tà vẹt BTCT hiện nay ở Việt Nam được thực hiện tại Phòng Thí nghiệm Trọng điểm 1 - Viện Khoa học và Công nghệ GTVT. Các thử nghiệm về kháng mỏi, kháng nứt và các thử nghiệm khác theo tiêu chuẩn [2] cho thấy tà vẹt đủ bền. Khi tăng tải trọng vượt tải trọng cho phép, tà vẹt bị phá hủy; phá hủy diễn ra tại vật liệu bê tông, cố thép chưa bị phá hủy. Để có thể tiết kiệm vật liệu có thể thực hiện căng thép với ứng suất cao hơn.

4. KẾT LUẬN

Hiện nay, ngành Đường sắt có văn bản yêu cầu mọi tính toán thiết kế kết cấu tầng trên đường sắt phải được thực hiện theo tiêu chuẩn châu Âu. Việc tuân thủ tiêu chuẩn châu Âu cho phép đơn giản hóa các tính toán, đảm bảo an toàn và độ bền cho kết cấu. Tuy nhiên, nghiên cứu chỉ ra rằng có thể áp dụng các công cụ tiên tiến hơn để thực hiện thiết kế, tính toán kiểm toán thiết kế tà vẹt BTCT DƯL và các bộ phận kết cấu tầng trên khác. Việc áp dụng hợp lý các công cụ mới cho phép tiết kiệm vật liệu, giảm giá thành mà vẫn đạt được độ bền như mong muốn.

Tài liệu tham khảo

[1]. Tiêu chuẩn châu Âu 13230, Đường ray - tà vẹt bê tông.

[2]. TCCS 02: 2010/VNRA, Quy trình thử nghiệm tà vẹt bê tông dự ứng lực.

[3]. Timosenko S.P (1965), Sức bền vật liệu I, II, Moscow, Nauka  (bản tiếng Nga).

[4]. ThS. Nguyễn Đức Chính thiết kế (2005), Tài liệu thiết kế tà vẹt BTCT DƯL TN1, Tổng công ty ĐSVN.

[5]. TS. Lê Công Thành chủ trì thiết kế (2009), Tài liệu thiết kế tà vẹt BTCT DƯL TVG1, Công ty Cổ phần Công trình Đường sắt.

[6]. TS. Lê Công Thành chủ trì thiết kế (2010), Tài liệu thiết kế tà vẹt BTCT DƯL TN1P, Công ty Cổ phần Công trình Đường sắt.

[7]. TS. Lê Công Thành chủ trì thiết kế (2010), Tài liệu thiết kế tà vẹt BTCT DƯL TN1P-50N, Công ty Cổ phần Công trình Đường sắt.

[8]. TS. Lê Công Thành chủ trì thẩm trả thiết kế, Tài liệu thiết kế ghi tốc độ cao Tang 1/10 cho tuyến Vinh - Nha Trang, Công ty Cổ phần Cơ khí cầu đường.

[9]. TS. Lê Công Thành chủ trì thẩm trả thiết kế (2014), Tài liệu thiết kế tà vẹt BTCT DƯL S2PM-CTB, Công ty TNHH MTV QLĐS Hà Lạng.

[10]. Lê Công Thành, Nguyễn Bình (8/2015), Sử dụng nguyên lý D’alembert để thành lập phương trình dao động của đường ray đường sắt, Tạp chí GTVT.