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

Diễn đàn khoa học 20/07/2021 16:25

Trong tính toán, thiết kế cầu đường sắt cao tốc, việc phân tích dao động của kết cấu dưới tác dụng của đoàn tải trọng tiêu chuẩn đóng vai trò quan trọng nhằm đánh giá mức độ an toàn về khả năng chịu lực và sự thoải mái của hành khách trong quá trình tàu di chuyển qua cầu. Tính chính xác của kết quả phân tích phụ thuộc vào các tham số đầu vào, trong đó đặc biệt quan trọng phải kể tới các hàm tải trọng di động, hệ số cản nhớt và phương pháp phân tích. Bài báo tổng hợp một số kỹ thuật mô phỏng, tính toán động lực học cầu đường sắt cao tốc bằng phần mềm Midas. Phương pháp đề xuất được áp dụng, tính toán động lực học cho cầu dầm chữ U bằng bê tông dự ứng lực - cây cầu Antoing nằm trên hệ thống đường sắt cao tốc nối Paris của Pháp và Brussels của Bỉ - chịu tải trọng đoàn tàu Thalys đơn và Thalys đôi di chuyển với vận tốc lên tới 350 km/h. Các kỹ thuật mô hình trong bài báo là tài liệu tham khảo hữu ích khi phân tích động lực học của các cây cầu có giải pháp kết cấu tương tự.

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

Image736263
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

Ý kiến của bạn

Bình luận