Đường sắt là động mạch của giao thông vận tải của mỗi quốc gia. Sự phát triển của ngành đường sắt có ảnh hưởng lớn đối với sự phát triển nền kinh tế quốc dân. Trên thế giới công nghệ đoàn tàu tốc độ cao đã được nghiên cứu đưa vào áp dụng tại nhiều quốc gia, trong khi đó Việt Nam hiện mới đang lập nghiên cứu đề xuất báo cáo tiền khả thi cho tuyến đường sắt tốc độ cao và cân nhắc để chọn lựa công nghệ đoàn tàu cho phù hợp bởi ảnh hưởng của công nghệ đoàn tàu đến các giải pháp hạ tầng kết cấu và kiến trúc thượng tầng.

Mô hình 3D nghiên cứu an toàn thông qua đường cong của đoàn tàu EMU trên phần mềm mô phỏng động lực học Simpack

Trong khi lập dự án tuyến đường sắt tốc độ cao, với điều kiện địa hình phức tạp, không tránh khỏi phải bố trí giải pháp tuyến cong. Việc nghiên cứu các giải pháp công nghệ đoàn tàu, so sánh giữa đoàn tàu kiểu động lực phân tán (EMU) và đoàn tàu kiểu động lực tập trung (PCS) chạy trên ray, cũng như các giải pháp kết cấu của công trình Cầu đường sắt với các phân tích ứng xử động lực của kết cấu nhịp cầu đường sắt tốc độ cao tại các vị trí đường cong nói chung và đặc biệt tại các vị trí phải sử dụng đường cong bán kính nhỏ cho hệ thống đường sắt tốc độ cao là hết sức cần thiết.

Trước nhu cầu cấp thiết nêu trên, nhóm nghiên cứu đến từ Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông Vận tải, do TS. Nguyễn Đức Thị Thu Định dẫn đầu, đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu các giải pháp công nghệ đối với cầu đường sắt tại các vị trí đường cong có bán kính nhỏ cho hệ thống đường sắt tốc độ cao”. Mục tiêu của đề tài bao gồm:

- Tổng hợp các kiến thức liên quan đến công nghệ đoàn tàu và các tác động mang tính chất động lực của các kiểu đoàn tàu chạy trên ray khi qua các đoạn tuyến cong với dải vận tốc tốc độ cao V>200km/h lên kết cấu đường sắt nói chung (lực động do đoàn tàu tác động lên ray)

- Phân tích được ứng xử của kết cấu nhịp cầu đường sắt tốc độ cao dưới tác động của đoàn tàu kiểu động lực phân tán và đoàn tàu kiểu động lực tập trung với các tốc độ cao và bán kính cong khác nhau

- Trên cơ sở các phân tích, tính toán để kiến nghị về sự phù hợp giữa đoàn tàu với loại kết cấu cho cầu đường sắt được xây dựng trên đoạn tuyến có bán kính cong nhỏ của hệ thống đường sắt tốc độ cao áp dụng tại Việt Nam

Sau một năm tập trung nghiên cứu, Đề tài đã tổng hợp các công nghệ đoàn tàu tốc độ cao trên thế giới và chủ yếu tập trung phân tích đặc điểm đặc trưng của đoàn tàu chạy trên ray với 2 kiểu đoàn tàu: động lực tập trung (PCS) và động lực phân tán (EMU). Các đặc điểm phân tích gồm: đặc điểm cấu tạo, các thông số kỹ thuật cho mô hình phân tích động lực học đoàn tàu, các mô hình đoàn tàu cũng như mô hình tải trọng áp dụng cho tính toán thiết kế công trình cầu đường sắt tốc độ cao trên các đoạn tuyến nói chung. Tổng hợp, so sánh các tiêu chuẩn thiết kế đường sắt tốc độ cao trên các đoạn tuyến nói chung. Tổng hợp, so sánh các tiêu chuẩn thiết kế đường sắt tốc độ cao trên thế giới, từ đó đưa ra cơ sở cho việc lựa chọn giá trị bán kính cong nhỏ cho phân tích gồm cả ứng xử của đoàn tàu chỉ chạy qua đoạn cong và ứng xử của kết cấu chịu tác động của đoàn tàu trên các đoạn cong. Đặc biệt, tổng hợp các giải pháp bố trí kết cấu cầu trên các đoạn cong của tuyến đường sắt tốc độ cao.

Phân tích động lực học của mô hình đoàn tàu tốc độ cao trên phần mềm SIMpack gồm cả đoàn tàu kiểu động lực tập trung (PCS) và đoàn tàu kiểu động lực phân tán (EMU) bằng phần mềm SIMpack chạy trên các đoạn tuyến cong có các dải bán kính cong nhỏ khác nhau kiến nghị khi so sánh các tiêu chuẩn thiết kế ĐSTĐC khác nhau. Các trường hợp phân tích khi cho đoàn tàu chạy với dải các vận tốc thiết kế tốc độ cao từ 200 km/h đến 350 km/h được thực hiện. Kết quả cũng chỉ ra rằng giá trị lựa tại đinh ray do đoàn tàu chuyển động gây ra là tỉ lệ nghịch với độ lớn của bán kính cong và lực ngang nhạy cảm với sự thay đổi bán kính hơn là lực đứng. Lực ngang tác động lên ray tăng, từ đó tác động lên kết cấu cầu tăng theo, do vậy mà bán kính nhỏ làm tăng khả năng mất ổn định, xác suất trật bánh, lật đoàn tàu cao. Lực tác động từ đoàn tàu lên ray ở phía lưng đường cong là lớn hơn ở phía bụng đường cong. Khi tốc độ khai thác đoàn tàu tăng, hệ số an toàn chống trật ray và hệ số an toàn chống lật đoàn tàu cũng tăng lên, đặc biệt với vận tốc V = 300 và 350 km/h. Khi so sánh tác động của 2 kiểu đoàn tàu cho thấy về diễn biến lực theo vận tốc và thời gian thì đoàn tàu động lực tập trung xảy ra nhanh hơn ngay khi bắt đầu đoạn cong trong khi đó đoàn tàu động lực phân tán biến đổi lực chỉ xảy ra khi vào đoạn cong tròn (giữa đoạn tuyến cong), còn về giá trị lực thì PCS lớn gấp 2 lần so với giá trị lực do EMU gây ra.

Kết quả của phân tích động lực học đoàn tàu (các lực đúng và ngang đặt tại đỉnh ray thay đổi theo thời gian sinh ra khi đoàn tàu chạy vào đường cong) được sử dụng làm cơ sở dữ liệu đầu vào cho việc nghiên cứu ứng xử của các kết cấu nhịp cầu giản đơn dạng dầm hộp bằng thép và BTCT cho tuyến đường sắt tốc độ cao. Kết quả phân tích ứng xử của 2 loại kết cấu nhịp cầu dầm hộp gồm: chuyển vị động (chuyển vị đứng và ngang), ứng suất động, mô men đọng của kết cấu nhịp cầu. Kết quả cũng chỉ ra rằng trên cùng một đoạn tuyến cong bán kính R, đoàn tàu kiểu động lực tập trung gây ra các lực ngang biến đổi theo thời gian có giá trị lớn gấp từ 2 – 3 lần so với giá trị tương tự do đoàn tàu động lực phân tán gây ra. Đoàn tàu kiểu động lực phân tán sẽ có khả năng áp dụng tốt hơn do các kết cấu chịu tải trọng nhỏ hơn, do vậy mà tiết kiệm vật liệu cho kết cấu nhịp cầu hơn. Như vậy, kết cấu nhịp cầu bằng BTCT do có độ võng nhỏ hơn, cứng hơn nên sẽ là giải pháp hợp lý khi áp dụng cho tuyến đường sắt tốc độ cao tại Việt Nam. Nghiên cứu cũng chỉ ra khả năng giảm giá trị bán kính cong từ 10 – 20 % mà không phải giảm vận tốc chạy tàu khi áp dụng đoàn tàu kiểu động lực phân tán và kết cấu cầu bằng BTCT, tuy nhiên cần có thêm các tính toán ảnh hưởng đồng thời của các tác động trước khi quyết định.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 17189/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

N.M.H (NASATI)