Tính toán dao động tự do của cầu liên tục bằng phương pháp ma trận chuyển tiếp

TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG TỰ DO CỦA CẦU LIÊN TỤC BẰNG PHƯƠNG PHÁP
MA TRẬN CHUYỂN TIẾP
CALCULATION THE FREE VIBRATION OF CONTINUOUS BRIDGES
BY TRANSFER MATRIX METHOD
SV. NGÔ VIỆT ANH, ĐỖ ĐÌNH PHÚ
ThS. LÊ TÙNG ANH
Khoa Công trình, Trường ĐHHH Việt Nam
Tóm tắt
Dao động tự do đóng vai trò rất quan trọng trong việc tính toán ổn định động lực học
công trình cầu. Trong bài báo này, các tác giả trình bày phương pháp ma trận chuyển
tiếp (ma trận truyền) [2] để tính toán dao động tự do của cầu liên tục.
Abstract
The free vibration plays an important role in the calculation of bridges dynamic stability.
In this paper, the authors present the Transfer Matrix Method (TMM) [2] in order to
calculate the free vibration of continuous bridges.
1. Đặt vấn đề
Trong tính toán ổn định động lực học công trình cầu, một vấn đề quan trọng là tính toán dao
động tự do của dầm cầu. Trên cơ sở tính toán dao động tự do, chúng ta có thể tránh được hiện
tượng cộng hưởng do tác dụng của đoàn tải trọng di động cũng như có thể tính toán tiếp dao động
cưỡng bức của dầm cầu. Hiện nay, để tính toán tần số dao động tự do thường thực hiện theo các
phương pháp gần đúng (Ritz, Rayleigh, ...), đối với dự án lớn mới có điều kiện thí nghiệm trên mô
hình vật lý. Trong phạm vi bài báo này, các tác giả sẽ nghiên cứu sử dụng phương pháp ma trận
chuyển tiếp (ma trận truyền) để tính toán tần số dao động tự do cho cầu liên tục có tiết diện biến
đổi. Phần cuối của bài báo là một ví dụ tính toán mô phỏng số, áp dụng cho một công trình cầu
thực tế. Sau đó sẽ so sánh với kết quả tính toán bằng phần mềm Sap 2000, từ đó rút ra độ tin cậy
của chương trình tính.
2. Cơ sở lý thuyết
2.1. Ma trận chuyển tiếp của đoạn dầm có tiết diện không đổi chịu dao động uốn [2]
Xét một đoạn dầm chiều dài l, ký hiệu đoạn dầm bằng chữ j, đầu bên phải của đoạn dầm ký
hiệu (j+1) và bên trái ký hiệu (j). Lực cắt và mômen uốn ở đầu mút được biểu diễn theo hình 1:
(Q,

j

M)j

(Q,M
)j+1

l
Hình 1. Sơ đồ biểu diễn đoạn dầm thứ j

Phương trình vi phân dao động uốn của dầm khi dao động tự do:

EJ

4 z
2 z

m
0
x 4
t 2

(1)

Trong đó:
z - chuyển vị uốn của dầm khi dao động; (viết hoa chữ Chuyển)
EJ - độ cứng chống uốn của dầm;
m - khối lượng trên một đơn vị dài của dầm;
Chuyển vị uốn của dầm khi dao động tự do có thể được tính: z = y(x).sin t

(2)

Thay (2) vào (1) nhận được:
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải

Số 39 – 08/2014

97


y

IV

(x) - 4y(x) = 0 với 4 =

 2m
EJ

(3)

 - tần số góc dao động tự do của dầm.
Nghiệm của phương trình (3) có thể dưới dạng:
y(x) = a1(chx + cosx) + a2(shx + sinx) + a3(chx - cosx) + a4(shx - sinx)

(4)

Lần lượt lấy đạo hàm (4) theo x; thay x = l vào y(x), y'(x), y''(x), y'''(x) và tập hợp lại:



y(l )  a1  ( S  s )  a2  (C  c)  a3  ( S  s )  a4  (C  c)


2
2
2
2
y(l )  a1  (C  c)  a2  ( S  s )  a3  (C  c)  a4  ( S  s ) 
y(l )  a1  3 ( S  s )  a2  3 (C  c)  a3  3 ( S  s )  a4  3 (C  c) 

y (l )  a1 (C  c)  a2 ( S  s )  a3 (C  c)  a4 ( S  s )

C = chl;

Trong đó ký hiệu:

c = cosl;

S = shl;

(5)

s = sinl.

Ðưa hệ phương trình (5) về dạng ma trận sau:

Ss
C c

 y (l )  C  c

 y(l )   ( S  s )  (C  c)  ( S  s )

 

 2
2
2

y
(
l
)

   (C  c)  ( S  s )  (C  c)
 y(l )    3 ( S  s )  3 (C  c)  3 ( S  s )


S s
 a1 
 
 (C  c)  a2 
. 
 2 ( S  s )  a3 

 3 (C  c)  a4 

hoặc: yj+1 = A.a

(6)

Phương trình (6) là hệ thức biểu diễn dạng ma trận véc tơ yj+1 của đoạn thẳng ở mút bên
phải x = l. Ðể tìm hệ thức trên của đoạn thẳng ở đầu mút bên trái, thay x = 0 vào hệ phương trình
(4) và (5) và tập hợp dưới dạng ma trận:

 y (0)   2
 y(0)  0

 


 y(0)  0
 y(0)  0


0
2

0
0

0

2 2

0

0

 a1 
  
 . a2 
 
0  a3 

2  3  a4 

0
0

hoặc viết thu gọn: yj = B.a

(7)

Từ (7) rút ra: a = B-1.yj với B-1 là ma trận nghịch đảo của B
Thay a vào (6) đưa đến hệ thức liên hệ giữa yj+1 và yj : yj+1 = A.B-1 .yj

(8)

Trong thực tế tính toán thường gặp ma trận cột: r =  y

(9)

 M Q

T

Ðể tìm liên hệ giữa r và y cần chú ý quan hệ lực cắt và mômen uốn của dầm với y'' và y''':
M = EJ.y''(x) ;

Q = - EJ.y'''(x)

(10)

Lập hệ thức giữa y và r:

 y  1
  0
  
 
 M  0
Q  0

0
1
0
0

0
0
EJ
0

0  y 
0   y 
. 
0   y 

 EJ   y

hoặc viết gọn : r = R = T.y

(11)

Từ (11) rút ra: y = T-1 .r với T-1 là ma trận nghịch đảo của T.
Thay y vào (8): T-1.rj+1 = A.B-1.T-1.rj hoặc rj+1 = T.A.B-1.T-1.rj;
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải

Số 39 – 08/2014

rj+1 = C.rj

(12)
98


Viết ký hiệu dạng: C = T.A.B-1.T-1 là ma trận chuyển tiếp của đoạn thẳng từ mút (j+1)  (j)
Thay thế các ma trận T, A, B-1 từ (11), (7), (6) để tính C, kết quả nhận được như sau:

(C  c)

1 ( S  s) 
C 
2 (C  c) EJ  2

 ( S  s ) EJ  3

(S  s) / 
(C  c)

( S  s ) EJ 
 (C  c) EJ  2

(C  c) /  3 FJ  ( S  s ) /  3 EJ 

( S  s ) /  EJ  (C  c) /  2 EJ 

(C  c)
 ( S  s) / 


 ( S  s) 
(C  c)

(13)

Ma trận chuyển tiếp C được dùng để tính toán tần số riêng của hệ dầm, khung khi dao động
uốn, sẽ được áp dụng để tính toán ở phần tiếp theo.
2.2. Dầm tựa trên nhiều gối cứng [2]
Các ma trận chuyển tiếp đã lập được trong phần trên không thể dùng tính trực tiếp cho
trường hợp trục hoặc dầm tựa trên nhiều gối cứng. Trong phần này chúng ta sẽ tìm một dạng ma
trận để có thể giải quyết được bài toán này.
Cho dầm có tiết diện thay đổi, tựa trên n gối cứng được đánh số từ 1 đến n như hình 2:

1

2

M

Mj+1

n

n-1

j

Hình 2. Sơ đồ dầm tựa trên các gối cứng

Cắt dầm thành nhiều đoạn ở các điểm có gối tựa. Ta có thể lập ma trận chuyển tiếp của
đoạn thẳng ở 2 đầu có gối tựa cứng, với điều kiện biên:

y j 1  y j  0

(14)

Theo công thức (8) ta lập liên hệ chuyển tiếp của đoạn thẳng j, viết dưới dạng ký hiệu:
C11
C12
C13
C14   y 
y 

  
 
C
C
C
C


  
21
22
23
24
  

 . M 
M 
C
C
C
C

32
33
34  
 21
 




Q
Q
  j 1 C41
C42
C43
C44    j

(15)
Với điều kiện biên ở trên, từ hàng thứ 1 của (15) và từ các hàng 2 và 3 lần lượt rút ra:
0 = C
 12

C13

 
 
C14  .  M  ;
Q 
 j

 C22
 
M   
  j 1  C32

C23
C33

 
C24   
.
 M 
C34   
Q  j

(16)

Từ (16) có thể viết và biến đổi như sau:
0
C12

 
C13 
 .  M   C14 .Q j
 j

→

 C
C   
Q j    12  13  .  
C
C
M  j

14
14 

(17)

Với Qj tìm được ở (17), lập hệ thức:
 
M 
 
Q  j 1




1


0

  C12
 C

14


0 
 C22
  →  
1 . 



 Q  j  M  j 1  C32
C13 

C14 

Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải

C23
C33

Số 39 – 08/2014



1
C24  

.
0

C34  
  C12
 C
14




0 
 
1  
 M  j
C
 13 
C14 

99


Sau khi nhân 2 ma trận, hệ thức chuyển tiếp của đoạn dầm j với 2 đầu có gối tựa cứng:


C13 
C12
C22  C24 C C23  C24 C 
 
 
 
14
14   


hoặc:    C j .  


M   
C  M  j
C
 M  j 1
M  j
  j 1
C32  C34 12 C33  C34 13 
C14
C14 

C11*
C12* 
(cC  1) /  EJ 
1 cS  sC

C j    *

Trong đó:



*
C22  S  s  2sS  EJ cS  sC
C21


 

(18)

(19)

3. Tính toán thực tế
Cầu liên tục 3 nhịp có tiết diện biến đổi, chiều dài 233m với sơ đồ nhịp 65+103+65m như
hình 3. Các thông số EJ, m, l được trình bày chi tiết trong [4].
65m

103m

65m

Hình 3. Mô hình cầu liên tục 3 nhịp có tiết diện biến đổi

Trong ví dụ này, ta lập được hàm đa thức f(ω) bậc n. Sử dụng phương pháp tìm nghiệm
bằng phần mềm Maple thông qua việc tìm điểm giao cắt giữa đồ thị hàm f(ω) và trục hoành, tìm
được các nghiệm là các tần số dao động riêng ω như trên hình 4:

ω  rad / s 

f  ω

Hình 4. Kết quả tính toán tần số dao động riêng của cầu

Bảng 1. So sánh kết quả tính toán
Tần số riêng
(rad/s)

Phương pháp phần tử hữu hạn
(sử dụng phần mềm Sap 2000)

Phương pháp ma trận chuyển tiếp

Sai số
(%)

ω1

4,91

5,02

2,19

ω2

10,12

10,63

4,80

ω3

12,85

13,85

7,22

Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải

Số 39 – 08/2014

100