Phân tích động lực học cầu đường sắt cao tốc bằng phương pháp phần tử hữu hạn và chồng chất dạng dao động

Tác giả: TS. NGUYỄN VĂN ĐĂNG
              ThS. LÊ NGUYÊN KHƯƠNG
              Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải

Tàu Thalys trên thực tế và ½ mặt cắt dọc các trục bánh xe

Trong tính toán thiết kế cầu đường bộ hoặc cầu đường sắt, khi phương tiện di chuyển với vận tốc thấp (dưới 100 km/h) và có khối lượng nhỏ so với tải trọng bản thân của cầu thì các ảnh hưởng động học của đoàn tải trọng di chuyển là không lớn và có thể bỏ qua. Trái lại, bài toán động học cầu đường sắt tốc độ cao, hoặc cao tốc, cần xem xét kỹ càng các trường hợp đoàn tải trọng di chuyển với vận tốc nhất định có thể gây ra hiện tượng cộng hưởng lên các kết cấu chịu lực. Các mô hình tải trọng, mô hình tương tác giữa tàu-cầu và các phương pháp phân tích động học, vì thế rất được quan tâm nghiên cứu phát triển trong thời gian vừa qua [1].

Trong những nghiên cứu ban đầu [2-4], tải trọng toa xe được coi như một tải trọng tập trung chuyển động. Các tác giả đã đề xuất nhiều phương pháp tính giải tích nhằm tính toán ứng xử động của cầu dầm giản đơn. Từ những năm 1960, với sự phát triển nhanh chóng của phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) và công nghệ máy tính hiệu năng cao, mô hình tương tác động Train Bridge Dynamic Interaction Model (TBDIM) thu hút sự chú ý của các học giả trên toàn thế giới nhằm nâng cao tính chính xác cho bài toán phân tích động học của cầu đường sắt [1,5,6]. Trong nghiên cứu này, mô hình đoàn tải trọng tập trung di chuyển được lựa chọn nhằm đơn giản hóa quá trình mô phỏng khi sử dụng phần mềm chuyên dụng cho thiết kế cầu như Midas hay Lucas. Đây cũng là mô hình thường được sử dụng cho bài toán thiết kế và kiểm tra sơ bộ ứng xử động của cầu dưới tác dụng của tải trọng di động [1,7].

Về công cụ và phương pháp tính, hiện nay, các phần mềm mô phỏng kết cấu theo phương pháp PTHH như Midas, SAP2000, Robot Structural Analysis... đều cho phép mô phỏng và phân tích ứng xử động học của cầu đường sắt tốc độ cao. Tuy nhiên, việc định nghĩa và áp dụng các hàm tải trọng di động theo thời gian trên các phần mềm này còn thủ công do người dùng phải thao tác trực tiếp trên giao diện của chương trình (User Interface). Cách làm trên gây mất thời gian và dễ mắc những sai sót không đáng có. Để khắc phục hạn chế này, dựa trên cấu trúc mã lệnh của phần mềm Midas, nhóm nghiên cứu đã phát triển một ứng dụng tạo tệp đầu vào dạng văn bản Midas Command Text (MCT) cho phép tự động hóa quá trình định nghĩa và áp dụng các hàm tải trọng di động. Ứng dụng còn cho phép phân tích động học của cầu đường sắt tốc độ cao thông qua các biểu đồ bao chuyển vị và gia tốc thẳng đứng tương ứng với các mô hình tải trọng và các dải vận tốc khác nhau.

Để kiểm chứng độ tin cậy của phương pháp mô phỏng trên phần mềm Midas, nhóm nghiên cứu lựa chọn kết quả đo thực tế do H. Xia và cộng sự thực hiện [9] làm kết quả kiểm chứng. Phương pháp tính và một số kỹ thuật mô hình trình bày trong bài báo này có thể được áp dụng để phân tích động lực học của các cây cầu có giải pháp kết cấu tương tự.

Mời độc giả xem nội dung đầy đủ bài khoa học tại đây