Phân tích ứng xử động tàu cao tốc có xét đến độ cong thanh ray và tương tác với đất nền

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

ĐINH HÀ DUY

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ ĐỘNG TÀU CAO TỐC CÓ XÉT ĐẾN
ĐỘ CONG THANH RAY VÀ TƯƠNG TÁC VỚI
ĐẤT NỀN
Chun ngành: Xây dựng cơng trình dân dụng và công nghiệp
Mã số ngành: 60 58 20

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp.HCM, 09 - 2013


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

Cán bộ hướng dẫn khoa học:
Cán bộ hướng dẫn 1: TS. Lương Văn Hải

Cán bộ hướng dẫn 2: TS. Nguyễn Thời Trung

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Lê Văn Phước Nhân

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Nguyễn Trọng Phước

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM,

ngày 13 tháng 9 năm 2013.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS. TS Chu Quốc Thắng
2. TS. Nguyễn Trọng Phước
3. TS. Lương Văn Hải
4. TS. Lê Văn Phước Nhân
5. TS. Hồ Hữu Chỉnh

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DỰNG


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: ĐINH HÀ DUY

MSHV: 10210212

Ngày, tháng, năm sinh: 09/03/1987

Nơi sinh: Bến Tre

Chun ngành: Xây dựng cơng trình dân dụng và cơng nghiệp

Mã số: 605820

I. TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích ứng xử động tàu cao tốc có xét đến độ cong thanh
ray và tương tác với đất nền
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
1. Sử dụng các mơ hình tính tốn để phân tích ứng xử của tàu cao tốc
2. Sử dụng ngơn ngữ lập trình Matlab để 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 tàu cao
tốc
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

: 21/01/2013

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 21/06/2013
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1: TS. LƯƠNG VĂN HẢI
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2: TS. NGUYỄN THỜI TRUNG
Tp. HCM, ngày... tháng... năm 20…

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TS. Lương Văn Hải

TS. Nguyễn Thời Trung

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
(Họ tên và chữ ký)


i

LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ Xây dựng cơng trình dân dụng và công nghiệp nằm trong hệ
thống bài luận cuối khóa nhằm trang bị cho học viên cao học khả năng tự nghiên
cứu, biết cách giải quyết những vấn đề cụ thể đặt ra trong thực tế xây dựng… Đó là
trách nhiệm và niềm tự hào của mỗi học viên cao học.
Để hoàn thành luận văn này, 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. Tơi xin ghi nhận và tỏ lịng biết ơn
tới tập thể và các cá nhân đã dành cho tơi sự giúp đỡ q báu đó.
Đầu tiên tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy TS. Lương Văn Hải và thầy
TS. Nguyễn Thời Trung. Quý thầy đã đưa ra gợi ý đầu tiên để hình thành nên ý
tưởng của đề tài, góp ý cho tơi rất nhiều về cách nhận định đúng đắn trong những
vấn đề nghiên cứu, cách tiếp cận nghiên cứu hiệu quả.
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 cũng là
những kiến thức không thể thiếu trên con đường nghiên cứu khoa học và sự nghiệp
của tôi sau này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến ThS. Trần Minh Thi đã giúp đỡ tơi rất nhiều
trong q trình thực hiện luận văn này.
Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự nỗ lực của bản

thân, tuy nhiên khơng thể khơng có những thiếu sót. Kính mong quý Thầy Cô chỉ
dẫn thêm để tôi bổ sung những kiến thức và hồn thiện bản thân mình hơn.
Xin trân trọng cảm ơn.

Tp. HCM, ngày 20 tháng 6 năm 2013

ĐINH HÀ DUY


ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Với nhu cầu vận chuyển hành khách ngày càng tăng cao, hệ thống tàu cao tốc
được sự quan tâm và nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế giới. Hiện nay các
hệ thống tàu cao tốc đã và đang được các quốc gia trên thế giới xúc tiến xây dựng,
tiêu biểu như các nước Mỹ, Trung Quốc, Singapore, Đức, Anh… và kể cả tại Việt
Nam. Luận văn này tập trung phân tích ứng xử động của tàu cao tốc có xét đến độ
cong thanh ray và tương tác với đất nền thông qua việc sử dụng phương pháp phần
tử chuyển động MEM (Moving Element Mothod). Ý tưởng mới của phương pháp
MEM là các phần tử sẽ được xem như di chuyển và tải trọng có thể được xem là
đứng n, điều này hồn tồn ngược lại với phương pháp PTHH truyền thống. Cách
thiết lập các ma trận khối lượng, ma trận độ cứng và ma trận cản cho bài toán động
lực học của tàu cao tốc khi chạy trên ray cũng được trình bày. Ngồi ra, mơ hình
tương tác tuyến tính và phi tuyến giữa bánh xe và đường ray cũng được khảo sát để
xét đến ảnh hưởng của bài toán tương tác kết cấu. Các kết quả phân tích số được
triển khai nhằm tìm hiểu ảnh hưởng của những yếu tố quan trọng đến ứng xử của hệ
thống tàu và thanh ray, ví dụ như vận tốc tàu, độ cong thanh ray, bước sóng thanh
ray, bán kính bánh xe, độ cứng của đất nền… Các kết quả nghiên cứu trong luận
văn hy vọng có thể là một trong những tài liệu tham khảo hữu ích nhằm tạo điều
kiện thuận lợi cho cơng việc bảo dưỡng đường ray.

iii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tơi thực hiện dưới sự hướng dẫn của
thầy TS. Lương Văn Hải và thầy TS. Nguyễn Thời Trung.
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 cơng việc thực hiện của mình.

Tp. HCM, ngày 20 tháng 06 năm 2013

ĐINH HÀ DUY


iv

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .........................................................................................................i
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ..........................................................................ii
LỜI CAM ĐOAN...................................................................................................iii
MỤC LỤC ............................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................ vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................... ix
MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT .............................................................................. x
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................. 1
1.1 Giới thiệu.................................................................................................... 1
1.2 Những kỷ lục chạy thử của tàu cao tốc........................................................ 4
1.3 Những thuận lợi khi sử dụng hệ thống đường sắt cao tốc ............................ 5

1.4 Những sự cố xảy ra khi sử dụng hệ thống đường sắt cao tốc ....................... 6
1.5 Tình hình nghiên cứu .................................................................................. 9
1.5.1 Các cơng trình nghiên cứu ngồi nước .............................................9
1.5.2 Các cơng trình nghiên cứu trong nước............................................11
1.6 Mục tiêu và hướng nghiên cứu.................................................................. 12
1.7 Cấu trúc luận văn ...................................................................................... 13
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................... 14
2.1 Mơ hình tàu cao tốc .................................................................................. 14
2.2 Mơ hình chuyển động của hệ thống tàu cao tốc......................................... 15
2.3 Mơ hình ray-nền ....................................................................................... 18
2.4 Mơ hình liên kết giữa bánh xe và ray ........................................................ 19
2.5 Phương pháp phần tử chuyển động ........................................................... 21
2.6 Tổng lực tương tác động và hệ số động..................................................... 23
2.7 Giải pháp thực hiện................................................................................... 23
2.8 Phương pháp Newmark............................................................................. 25
2.9 Thuật toán................................................................................................. 27


v

2.9.1 Thơng số đầu vào ...........................................................................27
2.9.2 Giải bài tốn theo dạng gia tốc .......................................................28
2.9.3 Giải bài toán theo dạng chuyển vị...................................................28
2.10 Lưu đồ tính tốn ....................................................................................... 29
CHƯƠNG 3. VÍ DỤ SỐ ..................................................................................... 30
3.1 Ví dụ 1: Kiểm chứng chương trình Matlab................................................ 31
3.2 Ví dụ 2: Lựa chọn mơ hình tính tốn......................................................... 33
3.3 Ví dụ 3: Phân tích ứng xử động của tàu cao tốc khi thay đổi biên độ
của độ nhám thanh ray .............................................................................. 39
3.4 Ví dụ 4: Phân tích ứng xử động của tàu cao tốc khi thay đổi bước sóng

của độ nhám thanh ray .............................................................................. 44
3.5 Ví dụ 5: Phân tích ứng xử động của tàu cao tốc khi thay đổi biên độ và
bước sóng của độ nhám thanh ray............................................................. 49
3.6 Ví dụ 6: Phân tích ứng xử động của tàu cao tốc khi thay đổi khối
lượng thân xe............................................................................................ 54
3.7 Ví dụ 7: Phân tích ứng xử động của tàu cao tốc khi thay đổi bán kính
xe.............................................................................................................. 58
3.8 Ví dụ 8: Phân tích ứng xử động của tàu cao tốc khi thay đổi độ cứng
đất nền ...................................................................................................... 63
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................... 69
4.1 Kết luận .................................................................................................... 69
4.2 Kiến nghị.................................................................................................. 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 72
KẾT QUẢ CÔNG BỐ ĐẠT ĐƯỢC TỪ LUẬN VĂN .......................................... 76
PHỤ LỤC.............................................................................................................. 78
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ................................................................................... 86


vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1

Tàu cao tốc đầu tiên ETR200 ................................................................2

Hình 1.2

Tàu cao tốc đầu tiên Shinkansen của Nhật Bản năm 1964.....................2

Hình 1.3

Tàu siêu tốc thế hệ mới được thiết kế bởi Central Japan Railway..........3

Hình 1.4

Mơ hình tàu cao tốc nhanh ....................................................................4

Hình 1.5

Mơ hình tàu cao tốc di chuyển giữa Trung Quốc và Lào .......................4

Hình 1.6

Tai nạn ở Đức (1998)............................................................................8

Hình 1.7

Tai nạn ở Trung Quốc (2011)................................................................8

Hình 1.8

Tai nạn ở Nhật Bản (2013)....................................................................8

Hình 1.9

Tai nạn ở Khánh Hịa (2013).................................................................8

Hình 1.10 Tai nạn ở Hà Nội (2013) .......................................................................8
Hình 2.1

Mơ hình thực tế của tàu cao tốc...........................................................14

Hình 2.2

Mơ hình lý thuyết của tàu cao tốc........................................................15

Hình 2.3

Mơ hình khối lượng treo động............................................................. 16

Hình 2.4

Mơ hình khối lượng treo động liên kết Hertzian..................................17

Hình 2.5

Mơ hình ray-nền thực tế......................................................................19

Hình 2.6

Mơ hình ray-nền trong lý thuyết..........................................................19

Hình 2.7

Mơ hình liên kết bánh xe và ray trong thực tế .....................................20

Hình 2.8

Mơ hình liên kết bánh xe và ray trong lý thuyết ..................................20

Hình 2.9

Ray với các vùng liên kết....................................................................20

Hình 2.10 Mơ hình FEM truyền thống.................................................................21
Hình 2.11 Mơ hình MEM....................................................................................21
Hình 2.12 Hệ tọa độ của phương pháp MEM ......................................................22
Hình 2.13 Lưu đồ tính tốn..................................................................................29
Hình 3.1

Mơ hình khối lượng treo động............................................................. 31

Hình 3.2

Chuyển vị của bánh xe u3 ....................................................................32

Hình 3.3

Chuyển vị của điểm tương tác umid ......................................................33

Hình 3.4

Mơ hình khối lượng treo liên kết Hertzian...........................................34


vii

Hình 3.5

Chuyển vị của thân xe u1 trong trường hợp 1 ......................................35

Hình 3.6

Chuyển vị của giá chuyển hướng u2 trong trường hợp 1......................36

Hình 3.7

Chuyển vị của thân xe u1 trong trường hợp 2 ......................................36

Hình 3.8

Chuyển vị của giá chuyển hướng u2 trong trường hợp 2......................37

Hình 3.9

Chuyển vị của thân xe u1 trong trường hợp 3 ......................................37

Hình 3.10 Chuyển vị của giá chuyển hướng u2 trong trường hợp 3......................38
Hình 3.11 Chuyển vị của thân xe u1 khi biên độ của độ nhám thanh ray thay
đổi ......................................................................................................40
Hình 3.12 Chuyển vị của giá chuyển hướng u2 khi biên độ của độ nhám
thanh ray thay đổi ...............................................................................40
Hình 3.13 Chuyển vị của bánh xe u 3 khi biên độ của độ nhám thanh ray thay
đổi ......................................................................................................41
Hình 3.14 Chuyển vị của điểm tương tác umid khi biên độ của độ nhám thanh
ray thay đổi.........................................................................................41
Hình 3.15 Tổng lực tương tác động Qt khi biên độ của độ nhám thanh ray
thay đổi............................................................................................... 43
Hình 3.16 Hệ số động DAF khi biên độ của độ nhám thanh ray thay đổi .............43
Hình 3.17 Chuyển vị của thân xe u1 khi bước sóng của độ nhám thanh ray

thay đổi............................................................................................... 45
Hình 3.18 Chuyển vị của giá chuyển hướng u2 khi bước sóng của độ nhám
thanh ray thay đổi ...............................................................................45
Hình 3.19 Chuyển vị của bánh xe u 3 khi bước sóng của độ nhám thanh ray
thay đổi............................................................................................... 46
Hình 3.20 Chuyển vị của điểm tương tác umid khi bước sóng của độ nhám
thanh ray thay đổi ...............................................................................46
Hình 3.21 Tổng lực tương tác động Qt khi bước sóng của độ nhám thanh ray
thay đổi............................................................................................... 48
Hình 3.22 Hệ số động DAF khi bước sóng của độ nhám thanh ray thay đổi ........48
Hình 3.23 Chuyển vị của thân xe u1 khi biên độ và bước sóng của độ nhám
thanh ray thay đổi ...............................................................................50


viii

Hình 3.24 Chuyển vị của giá chuyển hướng u2 khi biên độ và bước sóng của
độ nhám thanh ray thay đổi.................................................................50
Hình 3.25 Chuyển vị của bánh xe u3 khi biên độ và bước sóng của độ nhám
thanh ray thay đổi ...............................................................................51
Hình 3.26 Chuyển vị của điểm tương tác umid khi biên độ và bước sóng của
độ nhám thanh ray thay đổi.................................................................51
Hình 3.27 Tổng lực tương tác động Qt khi biên độ và bước sóng của độ nhám
thanh ray thay đổi ...............................................................................53
Hình 3.28 Hệ số động DAF khi biên độ và bước sóng của độ nhám thanh ray
thay đổi............................................................................................... 53
Hình 3.29 Chuyển vị của thân xe u1 khi khối lượng thân xe m1 thay đổi ..............55
Hình 3.30 Chuyển vị của giá chuyển hướng u2 khi khối lượng thân xe m1
thay đổi............................................................................................... 55
Hình 3.31 Chuyển vị của bánh xe u3 khi khối lượng thân xe m1 thay đổi .............56

Hình 3.32 Chuyển vị của điểm tương tác umid khi khối lượng thân xe m1 thay
đổi ......................................................................................................56
Hình 3.33 Tổng lực tương tác động Qt khi khối lượng thân xe m1 thay đổi..........57
Hình 3.34 Hệ số động DAF khi khối lượng thân xe m1 thay đổi...........................58
Hình 3.35 Chuyển vị của thân xe u1 khi bán kính bánh xe thay đổi......................59
Hình 3.36 Chuyển vị của giá chuyển hướng u2 khi bán kính bánh xe thay đổi .....60
Hình 3.37 Chuyển vị của bánh xe u3 khi bán kính bánh xe thay đổi.....................60
Hình 3.38 Chuyển vị của điểm tương tác umid khi bán kính bánh xe thay đổi .....61
Hình 3.39 Tổng lực tương tác động Qt khi bán kính bánh xe thay đổi..................62
Hình 3.40 Hệ số động DAF khi bán kính bánh xe thay đổi ..................................62
Hình 3.41 Chuyển vị của thân xe u1 khi độ cứng đất nền thay đổi .......................64
Hình 3.42 Chuyển vị của giá chuyển hướng u2 khi độ cứng đất nền thay đổi.......64
Hình 3.43 Chuyển vị của bánh xe u3 khi độ cứng đất nền thay đổi.......................65
Hình 3.44 Chuyển vị của điểm tương tác umid khi độ cứng đất nền thay đổi.........65
Hình 3.45 Tổng lực tương tác động Qt khi độ cứng đất nền thay đổi ...................67
Hình 3.46 Hệ số động DAF khi độ cứng đất nền thay đổi ....................................67


ix

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Thông số xe............................................................................................ 31
Bảng 3.2 Thông số ray và nền ...............................................................................31
Bảng 3.3 Thông số xe trong mơ hình liên kết Hertzian ..........................................34
Bảng 3.4 Thơng số ray và nền trong mơ hình liên kết Hertzian.............................. 34


x

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT

Chữ viết tắt
MEM

Phương pháp phần tử chuyển động (Moving Element Method)

HSR

Đường ray cao tốc (High Speed Rail)

FEM

Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method)

DOF

Bậc tự do (Degree of Freedom)

HHT

Hilber, Hughes và Taylor

HH 

Hilber, Hughes

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 ray

Ce

Ma trận cản dầm ray

Ke

Ma trận độ cứng dầm ray

Meff

Ma trận khối lượng hiệu dụng

Peff

Ma trận tải trọng hiệu dụng

Keff

Ma trận độ cứng hiệu dụng

Ký hiệu
m

Khối lượng ray trên mét dài

k

Độ cứng nền

c

Độ giảm xốc nền

E

Mô đun đàn hồi Young của vật liệu làm đường ray

I

Mơ men qn tính của vật liệu làm đường ray



Hệ số poisson của vật liệu

xi

m1

Khối lượng thân xe

m2

Khối lượng giá chuyển hướng

m3

Khối lượng bánh xe

k1

Độ cứng lò xo của thân xe

k2

Độ cứng lò xo của giá chuyển hướng

k3

Độ cứng lò xo của bánh xe

c1

Bộ giảm xốc của thân xe

c2

Bộ giảm xốc của giá chuyển hướng

c3

Bộ giảm xốc của bánh xe

Fc

Lực liên kết giữa bánh xe và ray

kH

Độ cứng lò 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 bánh xe

umid

Chuyển vị của điểm tương tác

Qt

Tổng lực tương tác động

DAF

Hệ số động


Tổng quan

1

CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN
1.1

Giới thiệu

Vận tải đường sắt là một trong những phương thức giao thông quan trọng từ đầu thế
kỷ 20 đến nay. Từ năm 1933, các công ty tàu lửa ở châu Âu và Hoa Kỳ đã sử
dụng thiết kế khí động học vào tàu lửa cho các dịch vụ cao tốc với tốc độ trung bình
130 km/h và tốc độ tối đa hơn 160 km/h. Tại châu Âu, đường sắt cao tốc bắt đầu
được khởi động từ Hội chợ Vận tải Thế giới ở Munich tháng 6 năm 1965, khi
tàu DB Class 103 thực hiện tổng cộng 347 chuyến đi trình diễn ở tốc độ 200 km/h
giữa Munich và Augsburg. Dịch vụ phổ biến đầu tiên ở tốc độ này là dịch vụ TEE

"Le Capitole" đi từ Paris tới Toulouse sử dụng các đầu máy SNCF Class BB
9200 được chuyển đổi đặc biệt. Thời đó người ta đã sử dụng cả tàu khí động học lẫn
tàu điện nhiều toa trong các dịch vụ cao tốc.
Sự tiến bộ trong công nghệ tàu hỏa - làm cho tàu chạy ngày càng nhanh hơn - là
minh chứng cho sự phát triển tích cực, đồng thời tạo ra hệ thống đường sắt cao tốc
(High Speed Rail - HSR) ngày càng hấp dẫn hơn. Hệ thống đường sắt đầu tiên được
John Smeapon sáng lập năm 1756. Đến đầu năm 1978, các đoàn tàu điện được sản
xuất tại Pháp đạt vận tốc là 260 km/h (72,2 m/s). Vào tháng 10 năm 1981, một tàu
cao tốc khác được đặt tên là "TGV" cũng được chế tạo tại Pháp, đã lập kỷ lục với
vận tốc 380 km/h (105,6 m/s). Cùng với sự phát triển kỹ thuật, tàu cao tốc đang
ngày càng trở nên phổ biến hơn. Các tàu tiên phong đầu tiên trên thế giới được phát
triển ở Italia và Nhật Bản thể hiện ở Hình 1.1 và Hình 1.2, các thơng tin được trích
lược từ website [1].


Tổng quan

2

Hình 1.1 Tàu cao tốc đầu tiên ETR200

Hình 1.2 Tàu cao tốc đầu tiên

của Italia năm 1939

Shinkansen của Nhật Bản năm 1964

Nhật Bản là quốc gia đi đầu trong lĩnh vực tàu cao tốc khi từ năm 1964 đã cho ra
mắt tàu cao tốc đầu tiên với tên Shinkansen. Nhật nổi tiếng với hệ thống tàu tốc
hành hiện đại và cao cấp nhất thế giới, cực kỳ an toàn, chống động đất và khắc khe

về giờ tàu chạy. Một loại tàu cao tốc thế hệ mới có khả năng đạt vận tốc 311mph
(khoảng 500 km/h) đang được thử nghiệm tại Nhật Bản (Hình 1.3). Đây là loại tàu
cao tốc của tương lai, thuộc dịng L0, sử dụng cơng nghệ nâng từ trường (MagLev)
mới nhất, dự kiến đến năm 2027 sẽ đưa vào sử dụng. Một phiên bản thử nghiệm
gồm 5 toa tàu, với đầu tàu có hình dạng khí động học độc đáo, đang đỗ trên một
đường ray thử nghiệm tại quận Yamanashi, ở phía Tây Tokyo. Những toa tàu này
được kéo đi bởi một xe đặc biệt trong lần thử nghiệm đầu tiên. Một cuộc thử
nghiệm lớn hơn sẽ được tiến hành vào tháng 9 năm 2013. Tàu siêu tốc mới này
được thiết kế bởi Central Japan Railway Co. (JR Tokai), khi hồn chỉnh sẽ có 16
toa, chở tối đa 1.000 hành khách. Nhật Bản dự kiến phát triển loại tàu này thay thế
cho các thế hệ tàu cao tốc cũ và sẽ phải mở rộng khổ các tuyến đường sắt. Thơng tin
được trích lược từ website [2].


Tổng quan

3

Hình 1.3 Tàu siêu tốc thế hệ mới được thiết kế bởi Central Japan Railway

Trung Quốc cũng đang chứng tỏ là đối thủ cạnh tranh đáng gờm với tàu cao tốc
MagLev ở Thượng Hải đạt tốc độ tối đa 431 km/h, song chỉ có thể di chuyển với tốc
độ trung bình là 245 km/h do hạn chế về đường ray. Tuy nhiên họ cũng sản xuất
hàng loạt các tàu cao tốc tên là "CRH-3" (Hình 1.4) có thể đạt vận tốc trung bình
350 km/h (97,2 m/s), và đang được sử dụng rộng rãi. Đồng thời, lượng người
thường xuyên đi bằng tàu hỏa ngày càng nhiều và dự báo vẫn còn tăng. Đến năm
2020, sẽ chỉ mất khoảng 90 phút để đi lại giữa Kuala Lumpur và Singapore bằng hệ
thống cao tốc mới. Đường cao tốc này cũng sẽ thúc đẩy hoạt động kinh tế, du lịch
và có thể là một thành phần quan trọng của tuyến đường sắt Singapore-Kunming đã
được đề cập nhiều năm nay. Tuyến đường cao tốc 90 phút này sẽ cắt giảm thời gian

chờ đợi không cần thiết và liên kết với hệ thống tàu đến Ipoh.
Một dự án đường sắt cao tốc từ Ipoh đến Padang Besar trên biên giới với Thái
Lan cũng có thể xuất hiện. Vào năm 2022, Thái Lan muốn mở rộng các tuyến
đường sắt hiện đại ở các thành phố khác như Rayong, Chiang Mai, Nong Khai và
Hat Yai .... Lào và Việt Nam đã tuyên bố rằng họ sẽ xây dựng một tuyến đường tàu
cao tốc dài 220 km với tổng giá trị đầu tư 5 tỷ USD, hợp tác với một công ty của


Tổng quan

4

Malaysia. Ngân hàng xuất nhập khẩu của Trung Quốc đang tài trợ cho một tuyến
đường cao tốc với tổng giá trị đầu tư 7 tỷ USD từ Lào tới miền nam Trung Quốc
(Hình 1.5).

Hình 1.4 Mơ hình tàu cao tốc nhanh
nhất của Trung Quốc
1.2

Hình 1.5 Mơ hình tàu cao tốc di
chuyển giữa Trung Quốc và Lào

Những kỷ lục chạy thử của tàu cao tốc
 1963 - Nhật Bản - Shinkansen - 256 km/h (Quốc gia đầu tiên phát triển công
nghệ đường sắt cao tốc)
 1965 - Tây Đức - Các đầu máy Class 103 - 200 km/h (Quốc gia thứ hai phát
triển công nghệ đường sắt cao tốc)
 1967 - Pháp - TGV 001 - 318 km/h (Quốc gia thứ ba phát triển công nghệ
đường sắt cao tốc)

 1972 - Nhật Bản - Shinkansen - 286 km/h.1974 - Tây Đức - EET-01 –
230 km/h
 1974 - Pháp - Aérotrain - 430.2 km/h (tàu cao tốc một ray)
 1975 - Tây Đức - Comet - 401.3 km/h (dẫn động tên lửa hơi nước)
 1978 - Nhật Bản - HSST-01 - 307.8 km/h (dẫn động tên lửa phụ)
 1978 - Nhật Bản - HSST-02 – 110 km/h
 1979 - Nhật Bản - Shinkansen - 319 km/h
 1979 - Nhật Bản - ML-500R (khơng có người điều khiển) - 504 km/h
 1979 - Nhật Bản - ML-500R (khơng có người điều khiển) - 517 km/h
 1981 - Pháp - TGV - 380 km/h


Tổng quan

5

 1985 - Tây Đức - InterCityExperimental - 324 km/h
 1987 - Nhật Bản - MLU001 (có người điều khiển) - 400.8 km/h
 1988 - Tây Đức - Thực nghiệm liên thành phố - 406 km/h
 1988 - Italia - ETR 500-X - 319 km/h (Quốc gia thứ tư phát triển công nghệ
đường sắt cao tốc)
 1988 - Tây Đức - TR-06 - 412.6 km/h
 1989 - Tây Đức - TR-07 - 436 km/h
 1990 - Pháp - TGV - 515.3 km/h
 1992 - Nhật Bản - Shinkansen - 350 km/h
 1993 - Nhật Bản - Shinkansen - 425 km/h
 1993 - Đức - TR-07 - 450 km/h.1994 - Nhật Bản - MLU002N - 431 km/h
 1996 - Nhật Bản - Shinkansen - 446 km/h
 1997 - Nhật Bản - MLX01 - 550 km/h
 1999 - Nhật Bản - MLX01 - 552 km/h

 2002 - Tây Ban Nha - AVE Class 330 - 362 km/h (Quốc gia thứ năm phát
triển công nghệ đường sắt cao tốc)
 2002 - Trung Quốc - China Star - 321 km/h (Quốc gia thứ sáu phát triển
công nghệ đường sắt cao tốc)
 2003 - Trung Quốc - Siemens Transrapid 08 – 501 km/h
 2003 - Nhật Bản - MLX01 - 581 km/h (hiện giữ kỷ lục thế giới)
 2004 - Hàn Quốc - HSR-350x - 352.4 km/h (Quốc gia thứ bảy phát triển
công nghệ đường sắt cao tốc)
 2006 - Đức - Siemens Velaro - 404 km/h (đồn tàu thương mại khơng
chuyển đổi)
 2007 - Pháp - V150 - 574.8 km/h.
 2007 - Đài Loan - Tàu 700T series - 350 km/h
 2008 - Trung Quốc - CRH3 - 394.3 km/h
1.3

Những thuận lợi khi sử dụng hệ thống đường sắt cao tốc
 Thời tiết : đi lại bằng đường sắt cũng ít phụ thuộc hơn vào thời tiết so với

đường không. Nếu hệ thống đường sắt được thiết kế và điều hành tốt, các điều kiện


Tổng quan

6

thời tiết cực đoan như tuyết lớn, nhiều sương mù và bão không ảnh hưởng tới các
chuyến đi; trong khi đó những chuyến bay thường bị huỷ bỏ hay trì hỗn trong các
điều kiện đó. Tuy nhiên tuyết và cây đổ do gió thường làm chậm trễ các đồn tàu.
 Tiện nghi : tính tiện nghi so với việc đi lại bằng đường không thường được
cho là một ưu thế của đường sắt cao tốc. Ví dụ, các đồn tàu cao tốc, không phải là

đối tượng của việc bảo quản bắt buộc, có thể chở theo một số hành khách đứng.
Những chiếc máy bay không cho phép hành khách đứng, vì thế những hành khách
q khơng được phép lên máy bay. Các hành khách của tàu hỏa có thể có lựa chọn
giữa việc đứng hay đợi chuyến tàu tiếp.
 Số lượng lớn các vùng mục tiêu : từ quan điểm của nhà điều hành, một con
tàu duy nhất có thể dừng ở nhiều ga, thường có nhiều điểm dừng hơn nhiều so với
máy bay, và mỗi lần dừng mất ít thời gian hơn nhiều so với việc hạ cánh. Một
chuyến tàu thường có thể cho phép nhiều khả năng chuyến đi, tăng tiềm năng thị
trường. Sự gia tăng tiềm năng thị trường này cho phép nhà điều hành đặt lịch nhiều
chuyến xuất phát thường xuyên hơn máy bay, và vì thế tạo ra một lý do khác nữa
cho sự ưu tiên lựa chọn.
 An toàn : từ quan điểm u cầu về các hệ thống kiểm sốt giao thơng và cơ
sở hạ tầng, tàu cao tốc có ưu thế đơn giản hơn nhiều trong điều khiển bởi tuyến
đường dễ dự đốn trước, thậm chí khi đầy tải hành khách; vấn đề này trở nên rõ
ràng hơn khi vận tải hàng khơng đạt tới giới hạn an tồn tại các sân bay bận rộn ở
London, New York, và các trung tâm lớn khác. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng các hệ
thống đường sắt cao tốc loại bỏ khả năng xung đột giao thơng với ơ tơ (tăng chi phí,
đơn giản, và an toàn), trong khi các hệ thống đường sắt tốc độ thấp khác mà một tàu
cao tốc cần để tiếp cận tới đường cao tốc có thể có các giao cắt đồng mức.
1.4

Những sự cố xảy ra khi sử dụng hệ thống đường sắt cao tốc

Hiện nay, có rất nhiều tai nạn của hệ thống tàu cao tốc đã xảy ra trên toàn thế
giới. Thảm họa tàu Eschede xảy ra vào ngày 3 tháng 6 năm 1998 tại Đức là vụ tai
nạn tàu cao tốc chết người nhiều nhất trên toàn cầu. Thiệt hại bao gồm 101 người
chết và ước tính 88 người bị thương. Vụ tai nạn xảy ra bởi một vết nứt trong bánh
xe đã làm cho tàu trật khỏi đường ray tại vị trí chuyển đổi (Hình 1.6). Vào ngày 23

Tổng quan

7

tháng 7 năm 2011, hai đoàn tàu cao tốc ở Trung Quốc trật đường ray va với nhau và
bốn toa tàu rơi từ trên đường tàu chạy xuống đất. Vụ tai nạn này có hơn 40 người
thiệt mạng, ít nhất 192 người bị thương, 12 trong số đó là chấn thương nghiêm
trọng (Hình 1.7). Theo kênh truyền hình Nhật Bản, vụ tai nạn xảy ra vào ngày 2
tháng 3 năm 2013, tàu cao tốc Shinkansen chở 130 người bị lệch ra khỏi đường ray
khi đi qua tỉnh Akita. Theo như nhận định ban đầu của chính quyền tỉnh Akita,
nguyên nhân tàu này trật bánh có thể là do tuyết bám q dày trên đường ray (Hình
1.8). Thơng tin được trích lược từ website [3].
Tại Việt Nam vào ngày 19 tháng 2 năm 2013, một tai nạn tàu hỏa đã xảy ra do sự
cố trật bánh xe (Hình 1.9) ở Khánh Hịa. Ơng Nguyễn Đức Mạnh, Trưởng ga Nha
Trang (Khánh Hòa) cho biết, vào khoảng 18h40, tàu SE15 từ Hà Nội đến thành phố
Hồ Chí Minh đã trật bánh trong địa phận Cam Lâm, cách ga Nha Trang khoảng 10
km về phía Nam. Đồn tàu đã dừng lại kịp thời nên không gây ra thiệt hại về người.
Sau khi tàu rời ga Nha Trang, nhiều người đang ngủ thì đột nhiên nghe tiếng động
mạnh, tàu rung lắc, rồi nghe tiếng phanh két dài, mùi khét…", một hành khách đi
trên tàu SE15 cho biết. Ga Nha Trang đã điều động khẩn cấp hai đầu máy đến hiện
trường. Đến 21h, các toa hành khách được kéo ngược về ga Nha Trang. Thông tin
được trích lược từ website [4]
Mới đây nhất, khoảng 13h chiều ngày 5 tháng 6 năm 2013, một tai nạn tàu hỏa
tương tự như vậy cũng xảy ra thuộc địa phận Thị trấn Thường Tín (huyện Thường
Tín - Hà Nội) (Hình 1.10). Chiếc tàu hỏa chở hàng hóa hiệu D18E - 614 kéo theo
sau hàng chục toa từ ga Thường Tín đi được một đoạn thì đột nhiên 2 toa chở hàng
ở giữa trật bánh ra khỏi đường ray. Nhiều người dân chứng kiến vụ việc được một
phen hoảng hồn, 2 toa chở hàng trật ra khỏi đường ray, kéo lê dài 100 mét, những
thanh sắt, khối sắt chạm vào nhau tóe lửa. Hệ thống đường bê tơng, đất đá bị cày
xới tung lên, bụi mù mịt. Thông tin được trích lược từ website [5].

Tổng quan

8

Hình 1.6 Tai nạn ở Đức (1998)

Hình 1.8 Tai nạn ở Nhật Bản (2013)

Hình 1.7 Tai nạn ở Trung Quốc (2011)

Hình 1.9 Tai nạn ở Khánh Hịa (2013)

Hình 1.10 Tai nạn ở Hà Nội (2013)


Tổng quan

9

Vấn đề an tồn trong suốt hành trình của một chuyến tàu cao tốc liên quan đến
nhiều nguyên nhân như sự nảy lên của bánh xe, sự mềm hóa của lớp đệm dưới
đường ray, sự dao động của tà vẹt (sleeper) dưới thanh ray, tất cả điều này làm tăng
nguy cơ trật bánh và gây tiếng ồn. Tuy nhiên, những vấn đề này đã không được giải
quyết thỏa đáng trong nghiên cứu trước đây. Do vậy, việc tập trung nghiên cứu hệ
thống đường sắt cao tốc là việc làm cấp thiết và quan trọng cần giải quyết, đặc biệt
là việc mơ hình hóa một cách chính xác ứng xử động của hệ thống tàu - ray.
1.5

Tình hình nghiên cứu

1.5.1 Các cơng trình nghiên cứu ngồi nước
Trong nhiều năm, bằng phương pháp biến đổi Fourier (Fourier Transform
Method - FTM) và một hệ thống phối hợp di chuyển, Mathews (1958, 1959) [6, 7]
đã giải quyết vấn đề động lực của một tải tùy ý di chuyển dọc theo một dầm có
chiều dài vô hạn tựa trên một nền đàn hồi. FTM, thực chất là một phương pháp
miền tần số, đã được thông qua bởi các nhà nghiên cứu khác. Jezequel (1981) [8]
xét một dầm Euler-Bernoulli dài vô hạn tựa trên nền đàn hồi chịu một lực tập trung
di chuyển với vận tốc khơng đổi, có tính đến độ cứng xoay theo phương ngang. Hệ
thống phối hợp di chuyển đã được sử dụng bằng phương pháp chuyển đổi Ga-li-lê.
Phương pháp biến đổi Fourier cũng được sử dụng để giải quyết vấn đề. Công việc
tương tự bằng cách sử dụng FTM đã được thực hiện bởi Trochanis et al. (1987) [9],
Ono và Yamada (1989) [10].
Vào đầu những năm 1974, Timoshenko (1974) [11] đã phát triển phương trình
tổng qt cho phân tích động của một dầm đơn giản chịu các tải động bằng phương
pháp cộng tác dụng. Warburton (1976) [12] đã khảo sát cùng một vấn đề và thấy
rằng khuếch đại động lớn nhất trong độ võng xảy ra cho một vận tốc cụ thể của tải
di chuyển. Cai et al. (1988) [13] đã giải quyết vấn đề của tải di chuyển trên một dầm
đồng nhất vô hạn trên con lăn hỗ trợ tuần hoàn, cũng sử dụng phương pháp chồng
chất.
Mới đây, Chen và Huang (2000) [14] đã xét một tải không đổi di chuyển với vận
tốc không đổi dọc theo một dầm Timoshenko dài vô hạn trên nền đàn nhớt. Phương


Tổng quan

10

trình tổng qt cho một dầm vơ hạn được thiết lập trong lúc phối hợp di chuyển.

Các ma trận độ cứng động lực cho các dầm bán vô hạn thu được trong lúc số bước
sóng phức tạp và các hình dạng chuyển vị phức tạp.
Các cơng việc được đề cập bên trên dùng để khảo sát các dầm đường sắt liên tục
và sử dụng một số phương pháp phân tích để giải quyết các phương trình vi phân
tổng qt. Các phương pháp này có thể khơng phù hợp hoặc bế tắc khi một hệ thống
động di chuyển với nhiều bậc tự do (DOFs), thay vì lực di chuyển. Do đó, sử dụng
cho phân tích động tàu-ray khá hạn chế. Trong thực tế, phương pháp phần tử hữu
hạn (Finite Element Method - FEM) đã được sử dụng khá rộng rãi. Các ma trận
phần tử được tính tốn dựa trên một số các hàm dạng chuyển vị được giả định và
được kết hợp để tạo thành ma trận kết cấu. Các phương pháp bước thời gian như
phương pháp Newmark và phương pháp Wilson thường được sử dụng trong việc
giải quyết các phương trình chuyển động.
Filho (1978) [15] trình bày một đánh giá về việc sử dụng FEM trong việc giải
quyết các vấn đề của một dầm đồng nhất chịu một tải di chuyển. FEM tiếp tục là
một phương pháp phổ biến để giải quyết các vấn đề tàu-ray. Hino et al. (1984) [16]
khảo sát một cầu công xon đôi không đồng nhất với một nhịp nhỏ bị treo chịu một
hệ thống khối lượng trên các lò xo. Giải pháp này đã được mở rộng để phân tích phi
tuyến hình học của một dầm không đồng nhất (1985) [17].
Thông qua FEM, Olsson (1985) [18] đã giải quyết vấn đề của một cây cầu được
mơ hình hóa bằng các phần tử tấm và cột. Các mơ hình xe khác nhau, số lượng các
dạng rung động và bề mặt không đều đã được nghiên cứu. Katz et al. (1987) [19] đã
giải quyết vấn đề của một dầm tựa đơn giản chịu một tải phụ thuộc độ võng. Lin và
Trethewey (1990) [20] không chỉ khảo sát một lực tập trung chuyển động, mà còn
một hệ thống động 'one-foot' (tức là một điểm tiếp xúc) chuyển động và một hệ
thống động 'two-foot' di chuyển.
Frýba et al. (1993) [21] trình bày một phân tích phần tử hữu hạn ngẫu nhiên đối
với một dầm trên một nền đàn hồi, chịu một lực không đổi di chuyển với vận tốc
không đổi. Thambiratnam và Zhuge (1993, 1996) [22, 23] đề xuất một mơ hình
phần tử hữu hạn cho một dầm tựa giản đơn trên một nền đàn hồi. Nielsen và Igeland

Tổng quan

11

(1995) [24] đã giải quyết vấn đề của một dầm tựa trên các dầm gối xà ngang và
khảo sát một giá chuyển hướng như là một tải di chuyển. Một kỹ thuật chồng chất
phương thức phức tạp đã được sử dụng để nghiên cứu các ảnh hưởng của đường sắt
gợn sóng, bánh xe bằng phẳng và khơng tựa trên các dầm gối xà ngang.
Trong việc giải quyết vấn đề tải trọng di động, phương pháp PTHH (FEM) gặp khó
khăn khi tải di động tiến đến gần biên của miền hữu hạn phần tử và di chuyển vượt
ra ngoài biên. Do đó, Koh et al. (2003) [25] đã đề xuất sử dụng phương pháp phần
tử chuyển động (Moving Element Method - MEM) trong việc khảo sát ứng xử động
của tàu cao tốc với mơ hình Koh et al. (2003) [25] để giải quyết khó khăn trên do
phương pháp này có các thuận lợi sau: tàu sẽ không bao giờ đến biên vì phần tử đề
xuất ln di chuyển cùng với nó. Điểm thuận lợi thứ hai là tàu chuyển động sẽ
không phải chạy từ phần tử này đến phần tử khác, do đó tránh được việc cập nhật
vectơ tải trọng hoặc vectơ chuyển vị do sự thay đổi của điểm tương tác giữa các
phần tử. Điểm thuận lợi thứ ba là phương pháp đề xuất này cho phép phần tử hữu
hạn có độ dài khơng bằng nhau và điều này có thể hữu ích để thỏa mãn với khoảng
cách khác nhau giữa các điểm tương tác (bánh xe-ray). Nghiên cứu này đã cho thấy
MEM là phương pháp thích hợp nhất để phân tích các bài tốn động lực học tàu cao
tốc.
Mới đây, Hai et al. (2013) đã trình bày các nghiên cứu về ứng xử động tàu cao
tốc khi thay đổi độ nhám thanh ray và tải trọng bánh xe của tàu cao tốc [26] và khảo
sát độ ổn định của đường ray khi tàu tăng và giảm vận tốc [27]. Ngồi ra, nghiên
cứu cịn xét đến hiện tượng nhảy bánh xe trong hệ thống tàu cao tốc [28]. Tất cả các
nghiên cứu trên đều sử dụng phương pháp phần tử chuyển động (MEM).
1.5.2 Các cơng trình nghiên cứu trong nước
Với sự ra đời và phát triển của các phương pháp số, nhu cầu phân tích ứng xử

động lực học cho tàu hỏa, đường ray tàu… ngày càng phổ biến và được nhiều nhà
nghiên cứu trên thế giới quan tâm. Tuy nhiên lĩnh vực này ở nước ta vẫn còn mới
mẻ và chỉ mới được quan tâm trong những năm gần đây. Tại trường Đại học Bách
Khoa Tp. HCM, chỉ một số ít luận văn thạc sĩ ngành Xây dựng dân dụng và Công