Phân tích ứng xử của vật chuyển động trên vùng chuyển tiếp đất nền và ảnh hưởng của lớp đệm giảm chấn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHẠM HỒNG DŨNG

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA VẬT CHUYỂN ĐỘNG TRÊN
VÙNG CHUYỂN TIẾP ĐẤT NỀN VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA
LỚP ĐỆM GIẢM CHẤN

Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng & công nghiệp
Mã số ngành: 60 58 02 08

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Tp.HCM - tháng 6 năm 2015


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. Lương Văn Hải

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM,
ngày…. tháng…. năm 2015.

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm:
1. .......................................................................................
2. .......................................................................................
3. .......................................................................................
4. .......................................................................................
5. .......................................................................................

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DỰNG


i
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: PHẠM HOÀNG DŨNG

MSHV: 13210133

Ngày, tháng, năm sinh: 13/04/1988

Nơi sinh: Phú n

Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Dân dụng và Cơng nghiệp
I. TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích ứng xử của vật chuyển động trên vùng chuyển
tiếp đất nền và ảnh hưởng của lớp đệm giảm chấn.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
1. Sử dụng các mơ hình tính tốn để phân tích ứng xử của vật chuyển động trên
vùng chuyển tiếp đất nền trong hai trường hợp có và khơng có lớp đệm giảm
chấn.
2. Sử dụng ngơn ngữ lập trình Matlab thiết lập cơng thức tính tốn các ví dụ số.
3. Kết quả của các ví dụ số sẽ đưa ra các kết luận quan trọng về ứng xử của vật.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

: 19/01/2015

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 15/06/2015
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

: PGS. TS. Lương Văn Hải

Tp. HCM, ngày... tháng... năm 2015
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

PGS. TS. Lương Văn Hải

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG


ii

LỜI CÁM ƠN
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Dân dụng và
Cơng nghiệp nhằm trang bị cho học viên khả năng tự nghiên cứu, biết cách giải
quyết những bài toán cụ thể đặt ra trong thực tế. Để hoàn thành Luận văn,
ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiều từ
tập thể và các cá nhân. Tôi xin ghi nhận và bày tỏ lòng biết ơn tới tập thể và
các cá nhân đã dành cho tôi sự giúp đỡ q báu đó.
Đầu tiên tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS. TS. Lương
Văn Hải. Thầy đã đưa ra gợi ý đầu tiên để hình thành nên ý tưởng của đề tài,
góp ý cho tôi rất nhiều về cách nhận định đúng đắn trong những bài toán
nghiên cứu, cách tiếp cận nghiên cứu hiệu quả. Thầy đã ân cần, tận tụy chỉ dạy
cho tôi, truyền lửa nghiên cứu cho tôi những lúc tôi gặp khó khăn.
Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy ThS. Trần Minh Thi đã
có nhiều ý kiến trao đổi quý báu và nhiệt tình chỉ dẫn giúp tôi hiểu rõ hơn về
bản chất đề tài.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường
Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã truyền dạy những kiến thức q giá cho tơi, đó
là những kiến thức phục vụ thiết thực cho quá trình thực hiện luận văn.
Đồng thời, tôi xin gửi lời cảm ơn đến mẹ của tôi, người đã luôn ủng hộ tôi
về tinh thần cũng như đã hỗ trợ tôi về vật chất trong suốt thời gian tơi đi học.
Luận văn này đã hồn thành trong thời gian quy định với sự nỗ lực của
bản thân, tuy nhiên khơng thể khơng có những thiếu sót. Kính mong q Thầy
Cơ góp ý và chỉ dẫn để tơi bổ sung thêm kiến thức và hồn thiện mình hơn.
Xin trân trọng cảm ơn.
Tp. HCM, ngày tháng 06 năm 2015

Phạm Hoàng Dũng

iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ
Cùng với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, hệ thống giao
thông vận tải ngày càng hiện đại hơn, đặc biệt sự xuất hiện của đường ô tô cao
tốc, đường sắt cao tốc, tàu cao tốc di chuyển với tốc độ cao và đã rút ngắn thời
gian đi lại. Tuy nhiên, một bài tốn được đặt ra là sự an tồn và thoải mái của
phương tiện vận chuyển, đặc biệt khi phương tiện đi qua các vùng có sự thay
đổi về độ cứng đất nền. Đó cũng là vấn đề đã và đang được các nhà khoa học
quan tâm và nghiên cứu.
Vì vậy, bài tốn phân tích ứng xử của vật khi đi qua vùng chuyển tiếp đột
ngột đất nền có ý nghĩa thực tế, Luận văn sẽ sử dụng phương pháp phần tử
chuyển động MEM (Moving Elemnet Method) để phân tích phản ứng của
phương tiện chuyển động qua khu vực đất nền có độ cứng khác nhau, chẳng
hạn: xem xét ảnh hưởng của các thông số quan trọng như tỷ số thay đổi độ
cứng đất nền, thay đổi vận tốc phương tiện chuyển động, độ nhám mặt đường
đến ứng xử động của xe…
Sau đó, Luận văn sẽ đưa ra lớp đệm giảm chấn để hạn chế các hiện tượng
tiêu cực có thể xảy ra trong quá trình chuyển động của xe đồng thời tối ưu hóa
chiều dài, độ cứng của lớp giảm chấn này.
Kết quả thu được sẽ rất hữu ích cho công việc thiết kế các hệ thống giao
thông và có thể làm giảm chi phí bảo hành, bảo dưỡng, cũng như tăng sự thoải
mái và an toàn cho người tham gia giao thơng, đặc biệt là những phương tiện
có tốc độ di chuyển cao.


iv

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tơi thực hiện dưới sự hướng

dẫn của Thầy PGS. TS. Lương Văn Hải.
Các kết quả trong luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các
nghiên cứu khác.
Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình.

Tp. HCM, ngày tháng 06 năm 2015

Phạm Hoàng Dũng


v

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ .................................................................... i
LỜI CÁM ƠN..................................................................................................... ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ ................................................................... iii
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. iv
MỤC LỤC ........................................................................................................ v
DANH MỤC CÁC BẢN VẼ ........................................................................... viii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU....................................................................... xi
MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT ........................................................................ xii
CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN ................................................................................ 1
1.1

Giới thiệu ............................................................................................... 1

1.2

Sự phát triển hệ thống giao thông vận tải của Việt Nam và thế giới ........ 3

1.3

Những rủi ro gặp phải khi tham gia giao thơng ....................................... 5

1.4

Tính cấp thiết của nghiên cứu ................................................................. 6

1.5

Tình hình nghiên cứu ............................................................................. 7
1.5.1 Các cơng trình nghiên cứu nước ngồi .......................................... 7
1.5.2 Các cơng trình nghiên cứu trong nước .......................................... 9

1.6

Mục tiêu và hướng nghiên cứu ............................................................. 10

1.7

Cấu trúc luận văn ................................................................................. 11

CHƯƠNG 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................... 12
2.1

Mơ hình vật bằng hệ thống khối lượng treo di chuyển .......................... 12

2.2

Mơ hình tiếp xúc bánh xe – mặt đường................................................. 14

2.2.1 Mơ hình tiếp xúc phi tuyến tính Hertz ......................................... 14
2.2.2 Độ nhám của mặt đường ............................................................. 15


vi

2.3

Mơ hình tiếp xúc mặt đường - nền ........................................................ 16

2.4

Mục đích và cách xác định các thơng số của lớp đệm giảm chấn .......... 17

2.5

Phương pháp phần tử chuyển động....................................................... 18
2.5.1 Chuyển đổi trục tọa độ ................................................................ 19
2.5.2 Rời rạc hóa phần tử dầm ............................................................. 19
2.5.3 Phương pháp dư trọng................................................................. 20

2.6

Tổng lực tác động và hệ số động .......................................................... 23

2.7

Phương pháp Newmark ........................................................................ 23

2.8

Lưu đồ tính tốn ................................................................................... 26

CHƯƠNG 3.VÍ DỤ SỐ .................................................................................... 27
3.1

Bài tốn 1: kiểm chứng chương trình Matlab ........................................ 29

3.2

Bài toán 2: khảo sát sự hội tụ của bài toán ............................................ 32

3.3

Bài toán 3: khảo sát ứng xử động của vật khi thay đổi khối lượng của

vật và tỉ lệ độ cứng của hai lớp nền ................................................................ 34
3.4

Bài toán 4: khảo sát ứng xử động của vật khi thay đổi vận tốc của vật

và tỉ lệ độ cứng của hai lớp nền...................................................................... 38
3.5

Bài toán 5: khảo sát ứng xử động của vật khi thay đổi biên độ của độ

nhám mặt đường và tỉ lệ độ cứng đất nền....................................................... 41
3.6

Bài toán 6: khảo sát ứng xử động của vật khi thay đổi khối lượng m1

trong trường hợp có lớp đệm giảm chấn và so sánh với bài toán này khi
khơng có lớp đệm giảm chấn. ........................................................................ 45
3.7

Bài tốn 7: khảo sát ứng xử động của vật khi thay đổi biên độ của độ

nhám mặt đường trong trường hợp có lớp đệm giảm chấn và so sánh với bài
tốn này khi khơng có lớp đệm giảm chấn. .................................................... 49
3.8

Bài tốn 8: hợp lý hóa lớp đệm giảm chấn theo chiều dài, độ cản và độ

cứng. ............................................................................................................ 53


vii

CHƯƠNG 4.KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................... 60
4.1

Kết luận................................................................................................ 60

4.2

Kiến nghị ............................................................................................. 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 62
PHỤ LỤC ...................................................................................................... 66
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ............................................................................... 98

viii

DANH MỤC CÁC BẢN VẼ
Hình 1.1.

Chiếc xe đầu tiên chạy động cơ đốt trong ...................................... 1

Hình 1.2.

Đường cơng viên The Bronx River................................................ 2

Hình 1.3.

Đường cao tốc Tp.HCM - Trung Lương ........................................ 4

Hình 1.4.

Tàu cao tốc JR-Maglav-MLX01 .................................................... 4

Hình 1.5.

Tàu Red Arrow của Italia .............................................................. 5

Hình 1.6.

Tàu ICE của Đức .......................................................................... 5

Hình 1.7.

Tai nạn đường sắt ở Hoa Kỳ.......................................................... 6

Hình 1.8.

Tai nạn đường sắt ở Việt Nam ....................................................... 6

Hình 1.9.

Khu vực chuyển tiếp trong vùng lân cận của mố cầu ..................... 7

Hình 2.1.

Mơ hình khối lượng treo di chuyển ............................................. 12

Hình 2.2.

Liên kết bánh xe và mặt đường trong thực tế............................... 14

Hình 2.3.

Mơ hình vật chuyển động thơng qua hằng số lị xo Hertz. ........... 15

Hình 2.4.

Mơ hình mặt đường - nền ............................................................ 16

Hình 2.5.

Sự thay đổi độ cứng nền tại vùng chuyển tiếp ............................. 17

Hình 2.6.

Mơ hình lớp giảm chấn ............................................................... 17

Hình 2.7.

Chuyển đổi trục tọa độ ................................................................ 19

Hình 2.8.

Dầm được rời rạc hóa thành các phần tử 2 nút............................. 20

Hình 2.9.

Đoạn dầm bị cắt ngắn tại vùng chuyển tiếp ................................. 21

Hình 2.10. Điểm chuyển tiếp tại vị trí trung gian của 1 phần tử .................... 22
Hình 3.1.

Mơ hình vật chuyển động trên nền khi khơng có lớp đệm giảm

chấn

.................................................................................................... 28

Hình 3.2.

Mơ hình vật chuyển động trên nền có lớp đệm giảm chấn ........... 28

Hình 3.3.

So sánh lực tiếp xúc Qt giữa Luận văn và kết quả của Ang và Dai...
.................................................................................................... 30


ix

Hình 3.4.

So sánh kết quả hệ số DAF giữa luận văn và Ang và Dai ............ 31

Hình 3.5.

Chuyển vị của bánh xe theo bước thời gian lặp và số lượng phần tử
.................................................................................................... 33

Hình 3.6.

Chuyển vị của điểm tiếp xúc ur khi khối lượng thân xe m1 thay đổi .
.................................................................................................... 35

Hình 3.7.

Chuyển vị của bánh xe u3 khi khối lượng thân xe m1 thay đổi ..... 35

Hình 3.8.

Hệ số khuếch đại động DAF khi khối lượng thân xe m1 thay đổi . 36

Hình 3.9.

Lực tiếp xúc Qt khi khối lượng thân xe m1 thay đổi .................... 36

Hình 3.10. Chuyển vị điểm tiếp xúc khi thay đổi vận tốc vật ........................ 38
Hình 3.11. Chuyển vị của bánh xe khi thay đổi vận tốc của vật .................... 39
Hình 3.12. Hệ số khuếch đại động DAF khi thay đổi vận tốc của vật ............ 39
Hình 3.13. Lực tiếp xúc Qt khi thay đổi vận tốc của vật ................................ 40
Hình 3.14. Chuyển vị điểm tiếp xúc khi thay đổi độ nhám mặt đường .......... 42
Hình 3.15. Chuyển vị bánh xe khi thay đổi độ nhám mặt đường ................... 42
Hình 3.16. Hệ số khuếch đại động khi thay đổi độ nhám mặt đường............. 43
Hình 3.17. Lực tiếp xúc khi thay đổi độ nhám mặt đường............................. 43
Hình 3.18. Chuyển vị điểm tiếp xúc khi thay đổi khối lượng m1 ................... 46
Hình 3.19. Chuyển vị bánh xe khi thay đổi khối lượng m1 ............................ 46
Hình 3.20. Hệ số khuếch đại động khi thay đổi khối lượng m1 ...................... 47
Hình 3.21. Lực tiếp xúc khi thay đổi khối lượng m1 ...................................... 47
Hình 3.22. Hệ số khuếch đại động tại lân cận vùng chuyển tiếp .................... 49
Hình 3.23. Chuyển vị điểm tiếp xúc khi thay đổi độ nhám mặt đường .......... 50
Hình 3.24. Chuyển vị bánh xe khi thay đổi biên độ của độ nhám .................. 50
Hình 3.25. Hệ số khuếch đại động khi thay đổi biên độ của độ nhám ........... 51
Hình 3.26. Lực tiếp xúc khi thay đổi biên độ của độ nhám ........................... 51


x

Hình 3.27. Hệ số khuếch đại động khi vật di chuyển trên hai lớp nền ........... 54
Hình 3.28. Hệ số khuếch đại động khi có lớp đệm ........................................ 55
Hình 3.29. Chuyển vị điểm tiếp xúc tại 2 vị trí chuyển tiếp khi có lớp đệm .. 55
Hình 3.30. Chuyển vị bánh xe tại 2 vị trí chuyển tiếp khi có lớp đệm ........... 56
Hình 3.31. Biểu đồ lực tiếp xúc theo chiều dài lớp đệm ................................ 58

Hình 3.32. Biểu đồ hệ số khuếch đại động theo chiều dài lớp đệm................ 58


xi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Thông số đường và nền .................................................................. 27
Bảng 3.2. Thông số vật .................................................................................. 27
Bảng 3.3. Thơng số tính tốn liên kết phi tuyến Hertzian ............................... 28
Bảng 3.4. Tóm tắt các thơng số bài tốn 1 ...................................................... 29
Bảng 3.5. So sánh kết quả tính tốn lực tiếp xúc ............................................ 30
Bảng 3.6. So sánh kết quả tính toán hệ số khuếch đại động khi n  8 ............. 31
Bảng 3.7. Tóm tắt các thơng số bài tốn 2 ...................................................... 32
Bảng 3.8. So sánh chênh lệch kết quả chuyển vị bánh xe khi tăng bước thời
gian lặp t và số lượng phần tử ...................................................................... 33
Bảng 3.9. So sánh ứng xử động của vật khi có và khơng có lớp đệm.............. 59


xii

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
MEM

Phương pháp phần tử chuyển động (Moving Element Method)

FEM

Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method)

MWR

Phương pháp dư trọng (Method of Weighted Residuals)

DAF

Hệ số khuếch đại động (Dynamic Amplification Factor)

Ma trận và vec tơ
U

Vec tơ chuyển vị tại một điểm bất kỳ của hệ thống tàu cao tốc

M

Ma trận khối lượng tổng thể

K

Ma trận độ cứng tổng thể

C

Ma trận cản tổng thể

Me

Ma trận khối lượng phần tử dầm

Ce

Ma trận cản phần tử dầm

Ke

Ma trận độ cứng phần tử dầm

Meff

Ma trận khối lượng hiệu dụng

Feff

Ma trận lực hiệu dụng

Keff

Ma trận độ cứng hiệu dụng

Ký hiệu
m

Khối lượng dầm trên mét dài

kt 1

Độ cứng nền 1

kt 2

Độ cứng nền 2

kct

Độ cứng lớp đệm giảm chấn

ct1

Độ cản nền 1

ct 2

Độ cản nền 2

cct

Độ cản lớp đệm giảm chấn

k1

Độ cứng lò xo thân xe

k2

Độ cứng lò xo giá chuyển hướng

k3

Độ cứng lò xo bánh xe

xiii

c1

Độ cản thân xe

c2

Độ cản giá chuyển hướng

cct

Độ cản bánh xe

E

Mô đun đàn hồi Young của vật liệu làm đường

I

Mô men quán tính của vật liệu làm đường



Hệ số poisson của vật liệu

Fc

Lực tiếp xúc giữa bánh xe và đường

kH

Độ cứng lị xo của bánh xe theo mơ hình Hertzian

u1

Chuyển vị của thân xe

u2

Chuyển vị của giá chuyển hướng

u3

Chuyển vị của bộ bánh xe

V

Vận tốc chuyển động của vật

m1

Khối lượng thân xe

m2

Khối lượng giá chuyển hướng

m3

Khối lượng bộ bánh

Rwheel

Bán kính bánh xe

Rroadproof

Bán kính đỉnh mặt đường

ur

Chuyển vị của điểm tiếp xúc mặt đường-bánh xe

uc

Chuyển vị do độ nhám mặt đường gây ra

t

Bước thời gian


Tổng quan

1

CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu
Hệ thống giao thông vận tải bao gồm đường bộ, đường thủy, đường hàng
không, đường ống, nó là một phần quan trọng trong hệ thống cơ sở hạ tầng,
đảm bảo vận chuyển con người và hàng hóa một cách nhanh chóng, đảm bảo
các quan hệ liên lạc thơng suốt kịp thời… Chính vì tầm quan trọng như vậy,
nên hầu hết các quốc gia trên thế giới đều chú trọng đầu tư xây dựng hệ thống
giao thơng vận tải hiện đại nhất có thể, để tạo tiền đề cho sự phát triển nền kinh
tế xã hội.
Trong bốn loại hình giao thơng vận tải kể trên thì đường bộ (gồm đường ơ
tơ và đường sắt) đóng vai trị chủ chốt nhất. Hệ thống giao thơng đường bộ hiện
đại bắt đầu hình thành vào khoảng thế kỷ 18, khi mà chiếc xe đầu tiên có động
cơ hơi nước được phát minh vào năm 1796 bởi Nicolas-Jóeph cugnot, sau đó
năm 1895 thì Karl Benz đã thiết kế chiếc xe tải đầu tiên dùng động cơ đốt trong
(Hình 1.1) [1].

Hình 1.1. Chiếc xe đầu tiên chạy động cơ đốt trong
Cuối thế kỷ 18, đường ray bằng sắt bắt đầu xuất hiện. Năm 1802, William
Jessop - kỹ sư xây dựng người Anh khai trương tuyến vận chuyển đường sắt
công cộng Surrey ở nam Luân Đôn. Mặc dù vẫn sử dụng ngựa kéo nhưng đây
được coi là tuyến đường sắt công cộng đầu tiên trên thế giới [2].


Tổng quan

2

Xuất phát từ sự phát triển của kinh tế xã hội, nhu cầu vận chuyển ngày
càng cao nên các hệ thống đường cao tốc đã và đang được các quốc gia chú
trọng đầu tư xây dựng. Sau đây là khái niệm cho hệ thống này. Đường cao
tốc hay đường có kiểm sốt lối ra vào (controlled-access highway) là một

loại xa lộ được thiết kế đặc biệt cho xe cộ lưu thông ở tốc độ cao với tất cả các
chiều lưu thơng, lối ra vào có điều khiển, cho phép dịng lưu thơng khơng bị
cản trở vì khơng có đường giao cắt đồng mức như các hệ thống đường bộ thông
thường khác [3].
Xa lộ đôi đầu tiên trên thế giới được khánh thành vào năm 1924 giữa
thành phố Milan và Varese, hiện nay là một phần của các đường cao tốc A8 và
A9 tại Italia. Xa lộ này mặc dù được phân cách nhưng mỗi chiều chỉ có một làn
xe và khơng có nút giao thơng. Cũng năm này, Đường cơng viên Bronx River
(Hình 1.2) được khánh thành thơng xe là con đường đầu tiên tại Bắc Mỹ có sử
dụng một dải phân cách cho các làn xe ngược chiều [3].

Hình 1.2. Đường cơng viên The Bronx River
Đường sắt cao tốc là một kiểu vận tải hành khách hoạt động nhanh hơn
rất nhiều so với tốc độ đường sắt thông thường. Liên minh châu Âu đã định
nghĩa chi tiết tốc độ của đường sắt cao tốc là 245 km/h đối với đường nâng cấp
và 295 km/h trở lên với đường mới. Tại Nhật Bản các tuyến đường sắt
Shinkansen hoạt động với tốc độ hơn 260 km/h và được xây dựng bằng đường


Tổng quan

3

sắt khổ tiêu chuẩn và khơng có giao cắt đồng mức. Tại Trung Quốc có hai cấp
đường sắt cao tốc. Thứ nhất là các tuyến có tốc độ trong khoảng 200 km/h và
250 km/h để chở hàng và chở khách. Thứ hai là các tuyến đường cao tốc hoạt
động với tốc độ tối đa lên tới 350 km/h chỉ để chở khách [4].
Tàu cao tốc đương đại đầu tiên của thế giới với lượng chuyên chở lớn
(ban đầu tối đa 12 toa) là tuyến đường sắt Tōkaidō Shinkansen của Nhật Bản,
được xây dựng từ tháng 4 năm 1959 và chính thức khai trương tháng 10 năm

1964. Tại châu Âu, tàu cao tốc bắt đầu được khởi động từ Hội chợ Vận tải Thế
giới ở Munich vào tháng 6 năm 1965, khi tàu DB Class 103 thực hiện tổng
cộng 347 chuyến đi với tốc độ 200 km/h giữa Munich và Augsburg [4].
1.2 Sự phát triển hệ thống giao thông vận tải của Việt Nam và thế giới
Cùng với sự hội nhập quốc tế, để đáp ứng cho nhu cầu của sự phát đất
nước đòi hỏi cơ sở hạ tầng cũng phải được phát triển đồng bộ, trong đó hệ
thống giao thông đang được nhà nước ta đầu tư phát triển về cả chất lẫn lượng.
Cụ thể Bộ Giao thông vận tải đã đưa ra lộ trình nâng cấp tuyến đường sắt Bắc Nam giai đoạn đến 2020 như sau: hoàn thành việc nâng cấp các tuyến đường
sắt hiện có để đạt cấp kỹ thuật quốc gia và khu vực, điện khí hóa các tuyến Hà
Nơi - Vinh, Sài Gịn - Nha Trang, tiếp tục xây dựng các tuyến đường sắt mới để
tạo thành mạng lưới đường sắt đồng bộ. Trên trục Bắc - Nam, ngồi tuyến
đường sắt hiện có cần xây dựng thêm một tuyến đường đôi riêng biệt chạy tàu
khách cao tốc Bắc - Nam khổ đường 1.435 mm và có khả năng kết nối với
đường sắt liên vận quốc tế [5]. Tiếp tục xây dựng đường sắt đô thị ở các thành
phố Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh và một số thành phố lớn khác để tạo thành
mạng lưới giao thơng đơ thị hồn chỉnh và đồng bộ.
Dự án đường ôtô cao tốc Bắc-Nam nằm rất gần với quốc lộ 1A, thông
suốt từ Hà Nội tới Cần Thơ, có tổng chiều dài 1.811 km, với điểm đầu là nút
giao Pháp Vân (Hà Nội) điểm cuối là nút giao Chà Và (Cần Thơ). Được xây
dựng bao gồm 16 đoạn tuyến [8], trong đó có các tuyến đã đưa vào sử dụng
(Hình 1.3). Bên cạnh đó, dự án mở rộng quốc lộ 1A đang được thi công với 4
làn đường. Quốc lộ 1A bắt đầu tại tỉnh Lạng Sơn và kết thúc tại điểm cuối tại


Tổng quan

4

tỉnh Cà Mau. Ngoài ra, những tuyến đường vành đai của các thành phố lớn
cũng đang được xây dựng để đảm bảo phát triển kinh tế, xã hội, quốc phịng

cho đất nước.

Hình 1.3. Đường cao tốc Tp.HCM - Trung Lương
Trên thế giới, phần lớn các hệ thống tàu cao tốc hiện nay có tốc độ tàu
chạy từ 250 km/h đến 300 km/h và gần đây đã có một số tuyến đường sắt với
tốc độ tàu di chuyển lớn hơn 300 km/h. Nhật Bản là nước dẫn đầu thế giới về
công nghệ tàu cao tốc, nước này đã thử nghiệm tàu cao tốc JR-MaglevMLXO1 được coi là tàu chạy nhanh nhất thế giới, với tốc độ thử nghiệm năm
2003 đạt tới 581 km/h [4] (Hình 1.4).

Hình 1.4. Tàu cao tốc JR-Maglav-MLX01


Tổng quan

5

Ngoài ra, các nước khác như Italia, Đức, Pháp, Hoa Kỳ… cũng có hệ
thống đường sắt cao tốc hiện đại. Ở Đức, hệ thống đường sắt cao tốc được phát
triển vào những năm 1980, tàu cao tốc ICE 3 (Hình 1.6) được vận hành tại Đức
với tốc độ 320,4 km/h và tốc độ kỷ lục lên đến 367,8 km/h [4]. Tàu ICE 3 hiện
nối giữa Frankfurt và Cologne, giữa Munich và Nuremberg. Ở Italy, có hai
đồn tàu cao tốc là tàu cơng cộng Red Arrow (Hình 1.5) và tàu tư nhân AGV
hoạt động trên cùng các tuyến đường đã rút ngắn thời gian di chuyển giữa các
thành phố xuống còn một nửa. Với tốc độ vận hành khoảng 299,5 km/h và tốc
độ kỷ lục khoảng 399,7 km/h đối với Red Arrow và 360,6 km/h đối với AGV
[4].

Hình 1.5. Tàu Red Arrow của Italia

Hình 1.6. Tàu ICE của Đức

1.3 Những rủi ro gặp phải khi tham gia giao thông
Những rủi ro khi tham gia giao thông xuất hiện dưới nhiều hình thức khác
nhau và một khi khoa học kỹ thuật càng phát triển, tốc độ di chuyển càng
nhanh, sức chứa hàng hóa và con người càng lớn thì thiệt hại do rủi ro khi tham
gia giao thông cũng tăng theo.
Tai nạn giao thông đường bộ là loại tai nạn giao thông phổ biến và gây
nhiều người thương vong nhất, đặc biệt ở các quốc gia đang phát triển, khi mà
hạ tầng cơ sở cũng như ý thức tuân thủ pháp luật về giao thơng của người dân
cịn kém. Theo Bộ Cơng an Trung Quốc trong năm 2006, đã có 89.455 người
chết vì tai nạn giao thơng đường bộ [12], con số này tại Việt Nam năm 2013 là
9.805 người [12].


Tổng quan

6

Theo thống kê trung bình mỗi năm trên thế giới có khoảng 10 triệu người
tử vong vì tai nạn giao thông đường bộ và hàng chục triệu người khác bị
thương gây những thiệt hại khổng lồ về kinh tế [11]. Về tai nạn đường sắt,
nhiều vụ lật tàu xảy ra trên thế giới nguyên nhân chủ yếu là vì trật đường ray
(Hình 1.7), (Hình 1.8).

Hình 1.7. Tai nạn đường sắt ở Hoa Kỳ

Hình 1.8. Tai nạn đường sắt ở Việt Nam

1.4 Tính cấp thiết của nghiên cứu
Qua những phân tích và dẫn chứng ở trên, chúng ta có thể thấy hệ thống

giao thơng vận tải đóng vai trị rất quan trọng cho sự phát triển kinh tế xã hội
của các quốc gia trên thế giới. Tuy nhiên, những rủi ro gặp phải do tai nạn giao
thông xảy ra ngày càng phức tạp và càng có nhiều tai nạn thảm khốc, gây ảnh
hưởng đến xã hội. Dễ nhận thấy rằng có nhiều ngun nhân dẫn đến tai nạn
giao thơng như: chủ quan, cơ sở vật chất của hệ thống giao thông hay do
phương tiện…làm mất lái, trật đường ray và gây nên tai nạn. Trong số những
nguyên nhân gây ra tai nạn khi xe di chuyển ở vận tốc cao đó là sự thay đổi đột
ngột về độ cứng của nền tại vùng chuyển tiếp, ví dụ vị trí tiếp giáp giữa mố cầu
và đường (Hình 1.9), hầm và đường hay là những nơi tiếp giáp của hai lớp đất
có độ cứng khác nhau, những nguyên nhân này sẽ làm tăng nguy cơ dẫn tới rủi
ro.
Qua đó, có thể thấy được tính cấp thiết của bài tốn phân tích ứng xử của
vật chuyển động trên vùng chuyển tiếp đất nền, nhằm dự đoán phản ứng của
phương tiện di chuyển trên các nền có độ cứng thay đổi đột ngột và giảm thiểu


Tổng quan

7

nguy cơ tai nạn giao thơng. Sau đó, một lớp đệm giảm chấn được đưa ra để
giảm bớt ảnh hưởng của sự thay đổi độ cứng nền.

Hình 1.9. Khu vực chuyển tiếp trong vùng lân cận của mố cầu
1.5 Tình hình nghiên cứu
1.5.1 Các cơng trình nghiên cứu nước ngoài
Nghiên cứu tác dụng của lực chuyển động lên kết cấu là một trong những
bài toán động lực học thực tế đầu tiên. Cole và Huth (1958) [13] đã nghiên cứu
sự phân bố ứng suất của một lực chuyển động trên một bán khơng gian thơng
qua phương pháp phân tích. Mathews (1958) [14] đã xem xét một dầm vô hạn

tựa trên một nền đàn hồi chịu lực xoay chiều bằng cách sử dụng phương pháp
biến đổi Fourier. Metrikine và cộng sự (1998) [15] nghiên cứu sự hình thành và
bức xạ của sóng do một lực chuyển động liên tục dọc theo một dầm vô hạn tựa
trên một nền đàn hồi không đồng nhất bằng cách tận dụng các phương pháp
biến đổi Fourier (FTM). Vì q đơn giản hóa các mơ hình tốn học, một số đặc
điểm của hệ thống đường sắt chẳng hạn như phản ứng động của bánh xe và sự
tương tác với đường sắt đã không được nắm bắt nhưng đó là một khởi đầu tốt
cho sự phân tích và mơ hình hệ thống xe lửa - đường ray và là một cơng cụ hữu
ích cho việc kiểm tra so sánh các mơ hình số.
Lei và Mao (2004) [16] phân tích phản ứng của một tàu cao tốc di chuyển
qua một vùng chuyển tiếp bằng cách sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn
(FEM). Mơ hình này kể đến tính khơng đồng nhất của đường ray với độ dốc kết
nối giữa hai nền theo chiều ngang một cách trơn tru. Lei (2004) [16] nghiên


Tổng quan

8

cứu bài toán tương tự với sự quan tâm đặc biệt về ảnh hưởng của tỷ lệ độ cứng
khác nhau đến phản ứng của đường sắt.
Trong các nghiên cứu FEM, một tọa độ tổng thể cố định trong không gian
được định nghĩa để thiết lập các ma trận kết cấu. Với cách tiếp cận như vậy, kết
hợp với phương tiện di chuyển từ một phần tử này vào phần tử tiếp theo nên
các vector tải đã được cập nhật tại mỗi bước thời gian của quy trình tính tốn.
Hơn nữa, các phương tiện di chuyển sẽ sớm đến gần biên nên một số điều kiện
biên nhân tạo phải được đưa vào để cắt ngắn dầm dài vô hạn ở cả hai đầu. Đối
với bài toán về lực di động, phương pháp FEM gặp khó khăn khi lực di động
tiến đến gần biên của miền hữu hạn phần tử và di chuyển vượt ra ngoài biên.
Theo một hướng khác, Hall (2003) [18], Galvin và cộng sự (2010) [19]

đã thực hiện mơ hình ba chiều để mơ phỏng các hệ thống xe lửa - đường ray
trong các tình huống thực tế hơn. Phần mềm phần tử hữu hạn được sử dụng
trong việc giải quyết bài toán động lực học xe lửa - đường ray. Để giải quyết
các vấn đề gặp phải của FEM, Krenk và cộng sự (1999) [20] đề nghị sử dụng
FEM trong tọa độ qui ước để có được những phản ứng của bán không gian đàn
hồi chịu lực chuyển động. Ưu điểm chính của phương pháp này là khả năng
khắc phục những vấn đề do lực chuyển động trên một miền hữu hạn. Andersen
và cộng sự (2001) [21] đã đưa ra một công thức FEM cho các bài toán của một
dầm đặt trên nền Kelvin chịu lực chuyển động điều hịa.
Vì sự xuất hiện của đường sắt tốc độ cao thời gian gần đây, hiệu quả của
phương pháp này đã được thử thách. Để giải thích cho thách thức này, một
phương pháp phần tử chuyển động (MEM) đã được đề xuất trong đó phần tử
hữu hạn di chuyển với tốc độ bằng với các tải trọng động. Điều này là đặc biệt
hữu ích trong q trình tính tốn khi di chuyển với vận tốc không đổi. Khái
niệm này lần đầu tiên được đưa ra bởi Krenk và cộng sự (1999) [20]sau đó
phương pháp này được đặt tên bởi Koh và cộng sự (2003) [22] trong đó các tác
giả đã nghiên cứu một mơ hình khối lượng treo di chuyển của tàu lửa trên một
dầm Euler-Bemoulli tựa trên một nền đàn hồi. Bằng cách so sánh với những
giải pháp phân tích và kết quả số thu được từ FEM, tác giả đã không chỉ chứng


Tổng quan

9

minh tính khả thi của MEM trong việc giải quyết ở tốc độ cao, quy mơ lớn mà
nó cịn có hiệu quả và độ chính xác cao hơn so với FEM. Phương pháp này sau
đó đã được Koh và cộng sự (2006) [24] áp dụng đối với các phân tích trong
mặt phẳng phản ứng động lực của đĩa hình vành khuyên và lực chuyển động
trên bán không gian đàn nhớt (2003) [23].

Mới đây, Ang và Dai (2013) [36] đã sử dụng phương pháp phần tử
chuyển động MEM để nghiên cứu ứng xử động của hệ thống tàu cao tốc khi di
chuyển qua khu vực có sự thay đổi độ cứng đất nền. Cũng năm này, Ang et al.
(2013) 64[27] đã tiến hành phân tích dao động thanh ray trong giai đoạn tăng
tốc và giảm tốc của đường sắt cao tốc. Sử dụng phương pháp MEM, nhóm tác
giả đã phân tích ảnh hưởng của độ khơng đồng đều thanh ray và tải trọng bánh
xe đến ứng xử động thanh ray của đường sắt cao tốc trong quá trình vận hành.
Dimitrovova (2009) [25] đề xuất kết quả của mình trong việc phân tích
phản ứng động lực của lực chuyển động trên từng mẫu nền đồng nhất. Ông
nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổi độ cứng nền và đưa ra ý tưởng giới thiệu
một lớp trung gian tại vị trí chuyển tiếp độ cứng để giảm thiểu ảnh hưởng.
Nhưng công việc của Dimitrovova chỉ dừng lại ở việc xem xét một lực chuyển
động mà không xem xét khối lượng và quán tính của thân xe lửa và khơng mơ
hình xe lửa - đường ray.
1.5.2 Các cơng trình nghiên cứu trong nước
Với sự ra đời và phát triển ngày càng cao của các phương pháp số, các
nghiên cứu phân tích ứng xử động của các kết cấu chuyển động ngày càng
được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm. Tuy nhiên trong nước
nghiên cứu về lĩnh vực phân tích tải trọng động của kết cấu bằng phương pháp
phần tử chuyển động MEM còn rất hạn chế.
Hải và cộng sự (2013) [26] đã trình bày các nghiên cứu về ứng xử động
của hệ thống ray tàu cao tốc khi thay đổi độ nhám thanh ray và tải trọng bánh
xe của tàu cao tốc.
Tiếp theo, Hải và cộng sự (2013) [27] đã trình bày nghiên cứu dao động
của đường ray trong giai đoạn tăng và giảm tốc độ của tàu cao tốc.


Tổng quan

10

Tùng (2001) [28] đã phân tích động lực học bài toán đường ray xe lửa
chịu tải trọng chuyển động, Duy (2013) [29] đã sử dụng MEM để phân tích
ứng xử động tàu cao tốc có xét đến độ cong thanh ray và tương tác với đất nền,
Anh (2014) [30] đã phân tích động lực học tàu cao tốc có xét đến độ nảy bánh
xe và tương tác với đất nền.
1.6 Mục tiêu và hướng nghiên cứu
Mục tiêu của luận văn là nhằm phân tích ứng xử của vật chuyển động trên
vùng chuyển tiếp đất nền và ảnh hưởng của lớp đệm giảm chấn bằng cách sử
dụng phương pháp phần tử chuyển động MEM (Moving Element Method).
Để đạt được mục tiêu trên, các bài toán sẽ nghiên cứu cụ thể trong Luận
văn sẽ bao gồm:
 Mơ hình hai nền và lớp đệm giảm chấn với các thông số khác nhau về
độ cứng k , độ cản c . Thiết lập các đặc trưng như ma trận khối lượng, ma trận
độ cứng và ma trận cản.
 Thiếp lập mơ hình vật tiếp xúc với mặt đường gần với thực tế, nhằm
thể hiện chính xác hơn ứng xử của hệ kết cấu khi chịu tải trọng động.
 Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số như khối lượng vật, vận tốc
chuyển động, độ nhám của thanh mặt đường, lực tương tác giữa bánh xe và mặt
đường, thông số cản của kết cấu, hệ số động DAF… đến ứng xử của kết cấu vật
và nền.
 Nghiên cứu ứng xử của vật trong hai trường hợp: khơng có lớp đệm
giảm chấn và có lớp đệm giảm chấn.
 Phát triển thuật tốn, sử dụng ngơn ngữ lập trình Matlab để xây dựng
chương trình tính tốn, giải hệ phương trình động tổng thể và phân tích kết quả.
 Các kết quả thu được của luận án được phân tích, kiểm tra và so sánh
độ tin cậy của chương trình tính với các kết quả đã được cơng bố từ các tạp chí
uy tín trên thế giới.