Nghiên cứu đánh giá mỏi cầu Đường Sắt La Thọ KM811+012
Đường sắt là một trong những ngành công nghiệp lâu đời của Việt Nam. Ngành Đường sắt Việt Nam ra đời năm 1881. Mạng lưới đường sắt hiện tại của Việt Nam có rất nhiều cây cầu cũ có tuổi khá cao, có cầu tuổi khai thác cả trăm năm vẫn còn đang được sử dụng. Một trong những loại hư hỏng điển hình của cầu thép đường sắt là do mỏi dưới tác dụng của tải trọng trùng phục là các đoàn tàu đi qua. Do thiếu kinh phí nên một số cầu cũ, đã bị xuống cấp, hư hỏng mà vẫn còn khai thác do chưa có điều kiện sửa chữa hay thay mới nên có nguy cơ mất an toàn cho kết cấu và phương tiện qua lại.
Đánh giá tuổi thọ mỏi còn lại của cầu thép trên đường sắt là một nội dung quan trọng khi kiểm định đánh giá cầu cũ đường sắt, nhằm dự đoán tuổi thọ còn lại của cầu làm cơ sở cho tổ chức khai thác cầu để đảm bảo an toàn kết cấu và phương tiện lưu thông qua cầu.
Bản thân đang công tác tại ngành Đường Sắt, học viên cũng đã từng chứng kiến nhiều cầu xuất hiện nhiều hư hỏng do mỏi trên cầu Đường Sắt cũ nên lựa chọn đề tài : “Nghiên cứu đánh giá mỏi cầu Đường Sắt La Thọ KM811+012”.
Do đó luận văn này mang tính ứng dụng và thực tiễn cao, phù hợp với luận văn thạc sỹ theo định hướng ứng dụng.
2. Mục tiêu nghiên cứu
– Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán tuổi thọ mỏi cầu thép.
– Thực nghiệm đo phổ ứng suất động 01 cầu thép thực tế làm cơ sở đánh giá tuổi thọ mỏi cầu thép đường sắt.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là đánh giá mỏi cầu Đường Sắt La Thọ KM811+012.
– Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài nghiên cứu
Luận văn nghiên cứu hệ thống hóa phương pháp đánh giá tuổi thọ mỏi cầu đường sắt cũ, kết quả luận văn có thể tham khảo cho các kỹ sư đánh giá cầu.
TỔNG QUAN ĐỘ BỀN MỎI KẾT CẤU CẦU
1.1. Tổng quan về mạng lưới Đường sắt Việt Nam
Đường sắt Việt Nam là một trong những ngành công nghiệp lâu đời của Việt Nam. Ngành Đường sắt Việt Nam ra đời năm 1881 bằng việc khởi công xây dựng tuyến đường sắt đầu tiên đi từ Sài Gòn đến Mỹ Tho dài khoảng 70 km. Chuyến tàu đầu tiên khởi hành ở Việt Nam là vào ngày 20 tháng 7 năm 1885. Những năm sau đó, mạng lưới đường sắt tiếp tục được triển khai xây dựng trên khắp lãnh thổ Việt Nam theo công nghệ đường sắt của Pháp với khổ đường ray 1 mét. Thời kỳ chiến tranh, hệ thống đường sắt bị hư hại nặng nề. Kể từ năm 1986, Chính phủ Việt Nam tiến hành khôi phục lại các tuyến đường sắt chính và các ga lớn, đặc biệt là tuyến Đường sắt Bắc Nam.
Kết cấu hạ tầng đường sắt
- Đường sắt Quốc gia: Là đường sắt phục vụ vận tải hành khách và hàng hóa chung của cả nước, từng vùng kinh tế và đường sắt liên vận Quốc gia.
- Đường sắt đô thị: Là đường sắt phục vụ việc đi lại hàng ngày của hành khách của từng tỉnh, thành phố và các vùng phụ cận.
- Đường sắt chuyên dùng: Là đường sắt phục vụ nhu cầu vận tải riêng của một tổ chức, cá nhân.
Công trình tín hiệu
Tín hiệu cố định
Tín hiệu cố định gồm: tín hiệu đèn màu, tín hiệu cánh
Tín hiệu di động
- Tín hiệu phòng vệ:để cảnh báo cho đoàn tàu biết khi có trở ngại trên đường
- Tín hiệu của tàu:gồm các tín hiệu như tín hiệu biển đỏ đuôi tàu, tín hiệu đèn đầu máy
Biển báo
Cung cấp những thông tin cần thiết cho lái tàu.
Biển hiệu, mốc hiệu
Yêu cầu những công việc lái tàu bắt buộc phải chấp hành.
Ga đường sắt
Chức năng chính của ga đường sắt
Ga đường sắt là khu vực có phạm vi định giới rõ rệt theo quy định của ngành đường sắt, có các công trình kiến trúc và các thiết bị cần thiết khác để tàu hỏa dừng, tránh, vượt nhau, xếp dỡ hàng hóa, nơi hành khách lên xuống tàu hay chờ tàu… Ga có thể thực hiện một hay nhiều hoạt động khác nhau, như: nhận chuyển chở hàng, xếp dỡ hàng, bảo quản hàng, trao trả hàng, trung chuyển hàng lẻ, tổ chức liên vận, đón gửi tàu, lập và giải toả các đoàn tàu, kiểm tra kĩ thuật toa xe, bán vé cho hành khách… Ga đường sắt có các công trình: kho bãi hàng hóa, kho chứa hành lý, quảng trường, nhà ga, công trình cho người tàn tật, phòng chờ tàu, nơi xếp dỡ hàng hóa…
Các cấp nhà ga
Căn cứ vào khối lượng và tính chất của công việc, nhà ga được phân cấp:ga cấp I, ga cấp II, ga cấp III, ga cấp IV.
Khổ đường sắt
- Đường sắt Quốc gia có tiêu chuẩn là 1000mm (3 ft 3 3⁄8 in) và 1435mm (4 ft 8 1⁄2 in).
Hiện tuyến đường sắt Việt Nam có 5.869 cầu. Trong số này thì có 861 cầu có cắm biển hạn chế tải trọng, 1.920 cầu được xây dựng từ năm thế kỷ 19 nên việc tiếp tục đánh giá hiện trạng cầu đường sắt làm cơ sở sửa chữa hay thay mới là vấn đề cần thiết và cấp bách.
1.2. Hư hỏng do mỏi kết cấu thép và cầu thép
1.2.1. Khái niệm về mỏi kết cấu thép
Đó là quá trình tích lũy dần dần sự phá hỏng trong bản thân vật liệu dưới tác động của ứng suất thay đổi theo thời gian. Ứng suất thay đổi này làm xuất hiện các vết nứt mỏi, sau đó các vết nứt mỏi đó phát triển và dẫn tới sự phá hủy của vật liệu. Sự phá hủy như vậy được gọi là sự phá hủy vì mỏi.
– Vật thể có thể bị phá hủy khi trị số ứng suất lớn nhất σmax không những thấp hơn nhiều so với giới hạn bền mà thậm chí có thể thấp hơn giới hạn chảy của vật liệu.
– Đối với một số loại vật liệu, có tồn tại một trị số ứng suất giới hạn tác dụng vào vật liệu với số chu kỳ rất lớn mà không phá hỏng vật liệu.
– Sự phá hủy mỏi bao giờ cũng bắt đầu từ những vết nứt rất nhỏ (vết nứt tế vi), không nhìn thấy được bằng mắt thường.
Khi dầm giàn thép chịu ứng suất tĩnh bị phá hỏng, gọi là bị phá hỏng do ứng suất tĩnh.
Khi dầm thép bị phá hỏng bởi ứng suất thay đổi, gọi là bị phá hỏng do mỏi hay dầm thép không đủ sức bền mỏi.
1.2.3. Đặc điểm của bề mặt gãy mỏi
Quá trình hỏng vì mỏi xảy ra từ từ và theo trình tự như sau:
– Sau một số chu kỳ ứng suất nhất định, tại những chỗ có tập trung ứng suất trên chi tiết sẽ xuất hiện những vết nứt nhỏ.
– Vết nứt này phát triển lớn dần lên, làm giảm dần diện tích tiết diện chịu tải của chi tiết, do đó làm tăng giá trị ứng suất.
– Cho đến khi dầm giàn thép không còn đủ sức bền mỏi thì nó bị phá hỏng.
1.2.4.1. Đường cong mỏi Vôler
Trên cơ sở kết quả thí nghiệm mỏi,người ta lập được đồ thị có dạng đường cong biểu diễn quan hệ giữa ứng suất σ (ứng suất biên độ hoặc ứng suất lớn nhất) với số chu kỳ thay đổi ứng suất N mà chi tiết (hoặc mẫu thử nghiệm) chịu được cho đến khi hỏng
Đường cong này được gọi là đường cong mỏi (hay đường cong Voler, mang tên nhà khoa học đầu tiên làm các thí nghiệm xác lập đường cong này) . Số chu kỳ N được gọi là tuổi thọ ứng với mức ứng suất σ. Đồ thị đường cong mỏi có dạng như hình 1.4.
1.2.4.2. Đồ thị các ứng suất giới hạn
Mặc dù phương pháp lập đồ thị đường cong mỏi Voler là phương pháp dùng phổ biến khi tiến hành các thí nghiệm mỏi của vật liệu, nhưng đường cong này không cho phép xác định giá trị ứng suất giới hạn nhỏ nhất và lớn nhất khi chu trình ứng suất thay đổi không đối xứng. Do đó hiện nay người ta còn sử dụng rộng rãi đồ thị các ứng suất giới hạn, biểu thị quan hệ giữa ứng suất lớn nhất σmax và ứng suất nhỏ nhất σmin của chu trình với ứng suất trung bình σm
1.2.4.3. Đường cong thực nghiệm của các biên độ giới hạn trên hệ toạ độ σa – σm
Ngoài ra, quan hệ giữa biên độ ứng suất với ứng suất trung bình còn được trình bày bằng đồ thị hình 1.6. Tuy nhiên, đồ thị này không được rõ bằng đồ thị trên vì muốn có giá trị σmax, σmin ta phải tính các hệ thức:
σmax = σm + σa
σmax = σm – σa
Cũng cần nói thêm là do có sự phân tán tuổi thọ, nghĩa là trong cùng một điều kiện chịu tải của các mẫu thử giống nhau, kết quả thu được về tuổi thọ là khác nhau. Có nhiều nguyên nhân phức tạp gây nên phân tán tuổi thọ, song cũng có những nguyên nhân do các yếu tố ngẫu nhiên về luyện kim, về phương pháp gia công để lại các khuyết tật không giống nhau trong các mẫu thử…
Do đó những trường hợp cần thiết người ta dùng toán học thống kê để phân tích kết quả thử nghiệm và biểu thị chúng bằng những đồ thị quan hệ giữa tuổi thọ, ứng suất và xác suất phá hủy.
1.2.5. Những tiêu chí phá hoại mỏi
1.2.5.1. Chỉ tiêu về ứng suất và biến dạng
1.2.5.2. Chỉ tiêu về năng lượng
1.2.5.3. Chỉ tiêu về vết nứt mỏi
1.2.6. Những yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi cầu giàn thép.
1.2.6.1. Bản chất vật liệu và quá trình xử lý nhiệt:
1.2.6.2. Trạng thái ứng suất
1.2.6.3. Kích thước tuyệt đối
1.2.6.4. Hình dạng kết cấu:
1.2.6.5. Công nghệ gia công cơ khí
1.3. Qui định thiết kế kháng mỏi cầu thép
Các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép và cầu thép hiện hành của các nước đều có qui định kiểm toán kết cấu cho trạng thái giới hạn mỏi. Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD hiện tại và tiêu chuẩn thiết kế cầu mới của Việt Nam .
CHƯƠNG 2
PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ TUỔI THỌ MỎI CẦU THÉP
2.1. Thiết kế mỏi kết cấu thép theo TCVN 11823:2017
Tác dụng lực để thiết kế chịu mỏi của chi tiết cầu thép phải là biên độ ứng suất của hoạt tải. Các ứng suất dư không được xét đến trong thiết kế chịu mỏi.
2.2. Tính toán tích lũy hư hại do mỏi
2.2.1. Tích lũy hư hại theo Miner
Hầu hết tải trọng tác dụng lên những cấu trúc kỹ thuật đều có dạng dao động và thay đổi một cách bất kỳ, tải trọng có những biên độ giá trị trung bình không đứng nguyên một chỗ. Trong khi đó đa số các dữ liệu về độ bền mỏi của vật liệu đều được xác định qua thí nghiệm trên những mẫu thử cùng với 1 tải trọng có biên độ không đổi. Những giá trị của vật liệu không dùng được trực tiếp trong qua trình tính toán mỏi của kết cấu.
Vì lý do này, một lý thuyết hợp lý và tương xứng với những điều kiện thực tế phải được lập ra để tính toán tích lũy những sự hư hại xẩy ra trong cấu trúc.
Lý thuyết đơn giản nhất hiện nay được dùng trong thực tế là một lý thuyết do Palmgren và Miner lập ra. Lý thuyết tích lũy này đặt ra giả thiết là sự hư hại trong cấu trúc tuân theo một quy luật tuyến tính và không bị ảnh hưởng phi tuyến bởi độ cao cũng như một chu kỳ tải trọng.
Hình 2.1. Đường cong tuổi thọ S-N
Palmgren và Miner định nghĩa sư hư hại bị gây ra bởi một chu kỳ tải trọng có giá trị là 1/N.
Cấu trúc của ni chu kỳ tải trọng và biên đọ ứng suất δai, một thành phần hư hại St được tính là:
St= ni/Nt (2.5)
Tổng số các hư hỏng được gây ra bởi một tập hợp tải trọng với ni chu kỳ cho mỗi cấp tải trọng i khác nhau là tổng tất cả các thành phần hư hại:
S = ∑St =∑ nt/Nt (2.6)
Theo định nghĩa trên, sự gãy vỡ xảy ra khi tổng số các hư hại đạt đến giá trị S=1,0.
Hình 2.2 diễn tả những lý thuyết mỡ rộng được dùng hiện nay để tính toán tuổi thọ của cấu trúc.
Hình 2.2. Lý thuyết Palmgren – Miner mở rộng
2.3.2. Xác suất hư hỏng của cấu trúc
Xác suất hư hỏng được đòi hỏi cho một cấu trúc, thông thường tùy thuộc vào tính chất và nhiệm vụ của cấu trúc, cũng như sự dễ đạt tới trong khi cấu trúc đang được sử dụng. Ví dụ như trong kỹ thuật máy bay, ví dụ như an toàn cao nên xác suất hư hỏng được đòi hỏi cho các cấu trúc phải nhỏ hơn rất nhiều so với những cấu trúc trong kỹ nghệ chế tạo máy nặng.
Hình 2.3 Trình bày biểu đồ, dùng cho việc tính chuyển đổi từ xác suất 50% đến xác suất hư hỏng cần thiết như 1 cấu trúc.
Khi phải dùng những đường công tuổi thọ S-N không có sự quan sát thống kê chắc chắn, người ta đặt giả thiết là những đường công này vẫn có một xác suất hư hỏng là Pa = 50%. Và sau đó người ta sửa lại những sai số có thể xảy ra qua một hằng số an toàn được gọi là hệ số rủi ro j, hình 2.4.
2.3.3. Tải trọng dao động bất kỳ
Tải trọng dao động một biên độ Tải trọng dao động nhiều biên độ
Tải trọng dao động thay đổi bất kỳ
Hình 2.5. Các dạng tải trọng theo thời gian
Trong công việc tìm hiểu và tính toán mỏi cho các cấu trúc, tuổi thọ được tính ra chỉ được phép xem là một con số dự đoán chứ không phải là một con số chắc chắn hoàn toàn.
Các lý do chính của sự không chắc cách này là:
+ Các giá trị độ bên mỏi của cấu trúc nằm rất rải rác.
+ Việc mô tả và dự đoán các tải trọng xảy ra trong cấu trúc thường không được chắc chắn.
+ Sự hiểu biết và chuẩn đoán hình ảnh của những sự hư hại trong vật liệu do các tải trọng thay đổi bất kỳ gây ra trong thời gian cấu trúc làm việc chưa được chắc chắn và rất khó khăn.
Vì các lý do này, những kết quả từ việc tính toán mỏi không thể được dùng để xác định một tuổi thọ chắc chắn của cấu trúc. Chúng chỉ được dùng để so sánh tuổi thọ của các thiết kế khác nhau. Ví dụ như hình dáng hoặc vật liệu cấu trúc hay những chương trình làm việc khác nhau của một hệ thống.
Ngày nay tính toán mỏi thường được dùng trong các lĩnh vực sau:
+ Chế tạo máy, vi dụ như các bộ phận chuyển động.
+ Công nghệ xư hơi.
+ Chế tạo máy bay.
+ Thiết kế, kiểm tra kết cấu cầu thép, ví dụ như cầu, giàn khoan…..
2.4. Dự báo tuổi thọ mỏi còn lại cầu thép (Cơ sở đánh giá mỏi)
2.4.1. Đánh giá cầu thép theo TTGH mỏi (ở Mỹ)
Có hai phương pháp phổ biến để đánh giá hư hỏng mỏi và dự báo tuổi thọ kết cấu cầu. Phương pháp thứ nhất là phương đường cong S-N truyền thống, trong đó quan hệ giữa khoảng biên độ ứng suất hằng số S và số vòng lặp tải trọng gây phá hủy N được xác định bằng các thí nghiệm mỏi phù hợp. Lý thuyết hư hỏng tuyến tính Palmgren-Miner cũng được gọi là nguyên tắc Miner (1945) được mở rộng cho các tải có biên độ thay đổi. Phương pháp thứ hai là phương pháp cơ học phá hũy. Phương pháp này diễn tả mối liên hệ giữa chiều dài của vết nứt kỹ thuật và một ứng suất ngưỡn mà dưới tác dụng của ứng suất này có sự phá hũy xảy ra.
Phương pháp đường cong S-N sử dụng cho giai đoạn thiết kế và đánh giá sơ bộ tuổi thọ mỏi và phương pháp cơ học rạn nứt dùng đánh giá chi tiết tuổi thọ mỏi còn lại căn cứ trên vết nứt hoặc để quyết định đưa ra các chiến lượt kiểm định/bảo trì cầu hiệu quả (JSC, 2008 )
Đã có nhiều khảo sát và áp dụng đánh giá hư hỏng và dự báo tuổi thọ mỏi của cầu theo phương pháp đường cong S-N truyền thống (Moes và đồng nghiệp -1987; Peil và đồng nghiệp-2001,…) và bằng phương pháp cơ học rạn nứt (Fisher 1984; Zhao và Haldar 1996; Luckic và Cremona 2001). Một số tiêu chuẩn (BSI 1980; AASHTO 1990; CEN 1992) chấp nhận phương pháp truyền thống S-N cho thiết kế và đánh giá mỏi cầu thép.
Theo các tiêu chuẩn này dự báo tuổi thọ mỏi của kết cấu chịu tải ngẫu nghiên là xác định liên quan giữa tuổi thọ mỏi, phổ ứng suất và sức kháng của vật liệu. Sức kháng của vật liệu cho trên đường cong S-N ứng với cường độ tải hằng số. Nói chung phổ ứng suất là chưa biết và cần xác định bằng tính toán mô phỏng hoặc đo đạc thực nghiệm.
Trong quá trình dự báo tuổi thọ mỏi phổ ứng suất thu được bằng việc tách các vòng ứng suất từ lịch sử ứng suất theo thời gian bằng một phương pháp đếm thích hợp. Phương pháp đếm các vòng ứng suất kiểu dòng mưa (rainflow) hay được sử dụng cho mục đích này.
Tiếp theo chọn qui luật hư hỏng tích lũy do mỏi phù hợp để tính toán hư hỏng mỏi do các cấp ứng suất riêng. Tổng hư hỏng mỏi bằng tổng hư hỏng do các cấp ứng suất riêng. Một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất là nguyên lý hư hỏng tích lũy tuyến tính do mỏi của Miner và phương pháp đếm vòng ứng suất theo dòng mưa (rainflow) để tách các vòng ứng suất từ phổ ứng suất theo thời gian.
2.4.2. Đánh giá cầu ở Anh Quốc và châu Âu
Hướng dẫn BD 21/01 về đánh giá kết cấu và cầu thông qua một định dạng TTGH với các hệ số an toàn riêng phần cho đánh giá hầu hết các cầu ô tô trừ cầu gang đúc và cầu vòm đá. Nó qui định đánh giá theo TTGH sử dụng và cường độ cho các cầu xây dựng sau năm 1965 và các cầu xây dựng trước năm 1965 thì không cần đánh giá TTGH sử dụng. Tuy nhiên yêu cầu về đánh giá mỏi không có trong tiêu chuẩn vì lý do lịch sử ứng suất trong quá khứ của kết cấu không ảnh hưởng nhiều đến kiểm tra TTGH mỏi và không thể xác định yêu cầu độ chính xác cho mức đánh giá. Hệ số an toàn mục tiêu không giảm so với thiết kế xác định trong BD21/01, tuy nhiên có nhiều điều chỉnh giảm mô hình hoạt tải khi đánh giá cầu củ. Ở Anh mô hình hoạt tải thiết kế cầu bao gồm tải phân bố (UDL) và tải vệt (KEL) với cường độ giảm theo chiều dài nhịp. Tải thiết kế được ước tính bất lợi nhất từ các số liệu thống kê đáng tin cậy. Các điều chỉnh đề nghị giảm mô hình tải thiết kế cho các cầu có tải trọng nhỏ hơn trường hợp bất lợi của tải thiết kế trong khi vẩn duy trì mức độ tin cậy cho toàn mạng lưới. Chi tiết đường cong các hệ số điều chỉnh hệ số tải trọng cho trong tài liệu hướng dẫn. Hơn nữa thiếu thông tin về các tính chất vật liệu cho ước tính sức kháng kết cấu thì cho phép lấy các tính chất vật liệu trong lần đánh giá đầu tiên và hầu hết tùy thuộc vào khoảng thời gian xây dựng cầu. Các kết cấu không đánh giá được hoạt tải sau khi tính toán kiểm tra và không có lịch thay thế ngay hoặc gia cường thì sẽ đánh giá lại với 3 cấp hoạt tải cắm biển thấp hơn. Các qui định về cắm biển cho trong tài liệu hướng dẫn.
Tài liệu BA 54/94 về thử tải cho đánh giá cầu giới thiệu các chỉ dẫn chung về thực hành thử tải. Hướng dẫn cho rằng vai trò chính của thử tải là tìm ra cường độ chịu tải dự trữ. Thử tải chỉ làm hai loại là thử tải kiểm chứng và thử tải chẩn đoán. Bởi vì có rủi ro sụp đổ cầu khi thử tải kiểm chứng hoặc gây hư hỏng các phân tố kết cấu nên thử tải này có giới hạn và chỉ thực hiện khi đánh giá lý thuyết cho kết quả phải đóng cầu . Cầu trước khi thử tải kiểm chứng phải được kiểm định kỹ càng và đánh giá thường xuyên hơn.Tài liệu cũng cho phép ngoại suy kết quả thử tải với mức tải thấp hơn tới mức tải có thể đạt TTGH cực hạn.
Chỉ dẫn trong BA 54/94 chỉ là tổng quát, chưa có chỉ dẫn chi tiết về các thế tải thử và cường độ tải, trình tự thử tải và diễn dịch kết quả.
THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ TUỔI THỌ MỎI CẦU THÉP ĐƯỜNG SẮT
3.1. Lựa chọn Công trình thực nghiệm
Cầu La Thọ KM811+012 nằm trên tuyến Đường Sắt thống nhất Hà Nội – TP. Hồ Chí Minh. Cầu gồm 1 nhịp khẩu độ 42m, được khôi phục và thông xe năm 1976. Do thiết kế hoặc thay đổi dầm cầu nên hiện tại dầm đặt vào vị trí gối không đúng tiêu chuẩn kỹ thuật cả 2 mố Bắc và Nam. (Mố cầu sát mép ngoài mũ mố).
3.2. Thiết kế chương trình thực nghiệm
3.2.1. Sơ đồ khối hệ thống đo đạc và chẩn đoán tuổi thọ mỏi
Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống thu thập số liệu biến dạng động và chẩn đoán tuổi thọ mỏi
3.2.2. Giao diện và các tính năng chương trình FAPRE
- Các tính năng cơ bản
- Thu nhận tín hiệu trực tiếp từ cảm biến biến dạng, ứng suất. Hiển thị dữ liệu theo thời gian thực.
- Phân tích, tính toán tuổi thọ mỏi từ chuỗi dữ liệu vừa thu được hoặc dữ liệu sẵn có.
- Sử dụng chương trình
Sau khi kết nối máy tính với hệ thống đo, tiến hành thiết lập thiết bị đo đạt, khai báo thông số vật liệu.
Khai báo thông số lưới chia tính toán, chọn kênh đo đạt, sau đó nhấn Bắt đầu để thu số liệu. Chương trình sẽ hiển thị phổ ứng suất theo thời gian và tổng hư hỏng tích đến thời điểm hiện tại.
Khai báo tuổi hiện tại của cầu, tổng thời gian quan trắc, chương trình tính toán và đưa ra dự báo tuổi thọ mỏi, tuổi thọ còn lại của công trình.
Chương trình cũng có thể tính toán tuổi thọ mỏi từ số liệu có sẵn.
Card NI9237 + STRAIN GAGES:
Thông số kĩ thuật cơ bản:
- Công năng: Thiết bị đo biến dạng, bridge V/V
- Số kênh đo: 4 kênh (1/2 cầu)
- Độ phân giải: 24 bit
- Tần số lấy mẫu tối đa: 50 kS/s
- Khoảng thu tín hiệu: ±25 mV/V
- Điện áp hoạt động: nguồn USB
Hình 3.3. Bảng tra giá trị Ni lấy từ đường cong sức kháng mỏi S-N
3.2.4. Bố trí của giàn thép và sơ họa các vị trí đo của giàn thép
Hình 3.4. Sơ đồ bố trí hệ giằng thượng và mặt đứng dầm giàn
Hình 3.5. Sơ đồ bố trí hệ giằng hạ – mã hạ và hệ đà sàn
Hình 3.5. Hình ảnh cầu La Thọ KM811+012
Hình 3.6. Sơ đồ bố trí các vị trí đặt điểm đo tại mã hạ đo tàu số 1 và số 2
Ghi chú : Các vị trí đo ( chuyến tàu số 1 và số 2):
+ 1- aio – thanh dọc mã hạ – hạ lưu
+ 2- ai1 – thanh dọc mã hạ – thượng lưu
+ 3- ai2 – thanh dọc ở giữa
+ 4- ai3 – thanh ngang – hạ lưu
Hình 3.7. Sơ đồ bố trí các vị trí đặt điểm đo tại mã thượng đo tàu số 3 và số 4
Ghi chú: Các vị trí đo ( chuyến tàu số 3 và số 4):
+ 1- aio – thanh dọc mã thượng
+ 2- ai1 – thanh đứng
+ 3- ai2 – thanh xiên
+ 4- ai3 – thanh ngang mã thượng
3.3. Kết quả đo đạc thực nghiệm tại hiện trường
Bố trí các vị trí đo
Tiến hành thực nghiệm tại các đoàn tàu vị trí bất lợi nhất ½ nhịp
Biểu phổ ứng suất các chuyến tàu đo thực nghiệm.
Hình 3.10. Chuyến tàu 1: Lúc 15:19 phút ngày 19/8/2019
Hình 3.11. Chuyến tàu 2: Lúc 16:34 phút ngày 19/8/2019
+ aio (xanh lá cây – thanh dọc mã hạ – hạ lưu)
+ ai1 (trắng – thanh dọc mã hạ – thượng lưu)
+ ai2 (xanh biển – thanh dọc ở giữa)
+ Cột y: Biến dạng, đơn vị (Strain)
+ Cột x: Hiển thị giá trị thời gian, đơn vị (s)
Hình 3.12. Chuyến tàu 3: Lúc 18:04 phút ngày 19 tháng 8 năm 2019
Hình 3.13. Chuyến tàu 4: Lúc 06:27 phút ngày 20 tháng 8 năm 2019
+ aio màu (xanh lá cây – thanh dọc mã thượng)
+ ai2 (xanh biển – thanh xiên)
+ ai3 (đỏ – thanh ngang mã thượng)
+ Cột y: Biến dạng, đơn vị (Strain)
+ Cột x: Hiển thị giá trị thời gian, đơn vị (s)
3.4. Phân tích kết quả thực nghiệm và so sánh với phân tích lý thuyết.
Tính toán giá trị ứng suất thu được sau khi đo đạc thực nghiệm nhờ phần mền DIADADEM cho ra kết quả:
Hình 3.14. Tàu 1 aio (xanh lá cây – thanh dọc mã hạ – hạ lưu)
+ Tàu số 1:
Bảng 3.1. Giá trị Ứng suất và chu kỳ thu được tàu 1
| RangePairCountRainflowMatrixX0 | RangePairCountRainflowMatrixY0 | RangePairCountRainflowMatrixX1 | RangePairCountRainflowMatrixY1 | RangePairCountRainflowMatrixX2 | RangePairCountRainflowMatrixY2 | RangePairCountRainflowMatrixX3 | RangePairCountRainflowMatrixY3 |
| 6821 | 2,97 | 172 | 37,21 | 53 | 58,15 | 3554 | 6,03 |
| 83 | 5,93 | 18 | 74,41 | 8 | 66,36 | 182 | 12,06 |
| 3 | 8,9 | 0 | 111,62 | 0 | 204,54 | 123 | 18,08 |
| 0 | 11,87 | 0 | 148,83 | 0 | 272,72 | 81 | 24,11 |
| 0 | 14,84 | 0 | 186,03 | 0 | 340,9 | 25 | 30,14 |
| 0 | 17,8 | 0 | 223,24 | 0 | 409,08 | 25 | 36,17 |
| 0 | 20,77 | 0 | 260,45 | 0 | 477,27 | 20 | 54,25 |
| 0 | 23,74 | 0 | 297,65 | 0 | 545,45 | 1 | 60,28 |
| 0 | 26,7 | 0 | 334,86 | 0 | 613,63 | 0 | 74,17 |
| 0 | 29,67 | 0 | 372,07 | 0 | 681,81 | 0 | 80,91 |
Tính toán tuổi thọ hư hỏng tích lũy của các cấu kiện theo lượt đo.
Chọn giá trị bị ảnh hưởng lớn nhất
Trong đó:
ni: Số chu kỳ vòng lặp tại vị trí đo.
Ni: Giá trị lấy từ đường cong sức kháng mỏi S-N ( theo TC AASHTO 2011)
Bảng 3.5. Các giá trị thu được gây ảnh hưởng đến đến các chi tiết đo.
+ Đo 4 đoàn tàu tại 8 vị trí ( đoàn tàu 1 và 2 đo cùng 4 vị trí giống nhau, đoàn tàu 3 và 4 đo cùng 4 vị trí giống nhau)
Kết quả cho ra: các vị trí ảnh hưởng bất lới nhất được chọn, còn lại thì loại. Dựa trên biểu đồ ứng suất và chu kỳ của vật liệu thép theo tiêu chuẩn AASHTO – 2011.
+ Giá trị được chọn đưa vào vào tính toán hư hại tích lũy cho cầu.
Tính hư hại tích lũy cho 1 ngày, cho 1 năm, và cho hữu hạn để đưa ra hư hỏng tích lũy còn lại.
+ D ngày = Hư hại tích lũy của chuyến x Lưu lượng tàu trong ngày.
+ Hư hại tích lũy cho 1 năm : D năm = Dngày x 365 ngày.
+ Hư hại tích lũy hữu hạn: Y năm = 1/D 1năm.
+ Hư hỏng tích lũy còn lại: Ycòn lại = Y năm – Y năm đã có.
| S T T | Đoàn tàu | Vị trí đo | Hư hỏng tích lũy cho 1 đoàn tàu (max) | Hư hỏng tích lũy cho 1 ngày (21 đoàn tàu) | Hư hỏng tích lũy cho 1 năm khai thác (365 đoàn tàu) | Hư hại trong Số năm khai thác ( 63 năm) | T.Số năm hư hỏng (năm) | T.Số năm khai thác còn lại (năm) | Kết quả (thời gian sử dụng) (năm) | Ghi chú |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| (1) | (2) | (3) | (9) | (11)=(9)* 21 Đ.tàu | (12)=(11)*365 ngày | (13)=(12)*63 | (14)=1/ (12) | (15)=(14)-63năm | ||
| 1 | ĐOÀN TÀU 1 | aio (xanh lá cây – thanh dọc mã hạ – hạ lưu) | – | – | – | – | – | – | – | |
| 2 | ai1 (trắng – thanh dọc mã hạ – thượng lưu) | 1,8E-06 | 3,8E-05 | 0,014 | 0,869 | 72,480 | 9,48 | 9 | ||
| 3 | ai2 (xanh biển – thanh dọc ở giữa – HL) | 1,9E-06 | 4,0E-05 | 0,015 | 0,914 | 68,924 | 5,92 | 6 | ||
| 4 | ai3 (đỏ – thanh ngang – HL) | 8,70E-07 | 1,8E-05 | 0,007 | 0,420 | 150,033 | 87,03 | 87 | ||
| 1 | ĐOÀN TÀU 2 | aio (xanh lá cây – thanh dọc mã hạ – hạ lưu) | – | – | – | – | – | – | – | |
| 2 | ai1 (trắng – thanh dọc mã hạ – thượng lưu) | 9,09E-07 | 1,9E-05 | 0,007 | 0,439 | 143,509 | 80,51 | 81 | ||
| 3 | ai2 (xanh biển – thanh dọc ở giữa) | 1,73E-06 | 3,6E-05 | 0,013 | 0,834 | 75,531 | 12,53 | 13 | ||
| 4 | ai3 (đỏ – thanh ngang – HL) | 1,67E-07 | 3,5E-06 | 0,001 | 0,080 | 782,779 | 719,78 | 720 | ||
| 1 | ĐOÀN TÀU 3 | aio (xanh lá cây – thanh dọc mã hạ – hạ lưu) | – | – | – | – | – | – | – | |
| 2 | ai1 (trắng – thanh đứng) | – | – | – | – | – | – | – | ||
| 3 | ai2 (xanh biển – thanh xiên) | – | – | – | – | – | – | – | ||
| 4 | ai3 (đỏ – thanh ngang mã thượng) | 1,30E-07 | 2,7E-06 | 0,001 | 0,063 | 1000,217 | 937,22 | 937 | ||
| 1 | ĐOÀN TÀU 4 | aio (xanh lá cây – thanh dọc mã thượng) | – | – | – | – | – | – | – | |
| 2 | ai1 (trắng – thanh đứng) | – | – | – | – | – | – | – | ||
| 3 | ai2 (xanh biển – thanh xiên) | – | – | – | – | – | – | – | ||
| 4 | ai3 (đỏ – thanh ngang mã thượng) | – | – | – | – | – | – | – |
Sau quá trình phân tích và tính toán ta nhận thấy qua trình sử dụng lâu dài làm cầu bị mỏi và tuổi thọ cầu còn lại rất khiêm tốn 6 năm sử dụng (giá trị thấp nhất trong phạm vi nghiên cứu của đề tài). Công trình cần có biện pháp xử lý tăng cường hoặc sửa chửa thay thế để đảm bảo an toàn trong khai thác công trình cầu Đường Sắt La Thọ KM811+012.
- Kết luận
Luận văn đã hệ thống hóa các nội dung về đánh giá mỏi cầu thép và đánh giá tuổi thọ mỏi còn lại của cầu thép. Phương pháp đánh giá mỏi cầu thép theo lý thuyết hư hỏng tích lũy của Palm-Miner được áp dụng dựa trên phổ ứng suất đo thực nghiệm tại các chi tiết cầu đường sắt do tải trọng tàu lửa đang gây ra. Kết qủa đo thực nghiệm vá tính toán tuổi thọ mỏi còn lại cầu đường sắt La thọ chỉ là …. năm, nên cần có biện pháp gia cường sữa chữa cầu này ngay để đảm bảo an toàn khai thác.
2. Kiến nghị
Lý thuyết đánh giá mõi gần đây đã chuyển sang sử dụng phương pháp cơ học rạn nứt để tính toán. Sử dụng cơ học rạn nứt cho phép xác định được sự lan truyền và phát triễn các vết nứt mỏi nên kiến nghị sử dụng phương pháp mới này để đánh giá tuổi thọ mỏi còn lại cầu thép thì phù hợp hơn.
Hiện nay, Các công trình cầu Đường sắt đã sử dụng lâu năm, củ kỹ nên xuống cấp trầm trọng và ảnh hưởng đến an toàn gia thông Đường Sắt. Nên việc đánh giá tuổi thọ cầu Đường Sắt là rất quan trọng và khẩn cấp. Nên việc áp dụng nhiều phương pháp đo và tính toán để có kết luận gần đúng nhất để đảm bảo an toàn giao thông Đường Sắt.
E:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\CONG TRINH GIAO THONG\DO DUC VUONG\SAU BAO VE VUONG\TOM TAT
