Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Phân tích dao động của kết cấu nhịp cầu dưới tác động của hoạt tải khai thác có xét đến độ mấp mô mặt cầu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
----------------------

VŨ VĂN TOẢN

PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG CỦA KẾT
CẤU NHỊP CẦU DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA
HOẠT TẢI KHAI THÁC CÓ XÉT ĐẾN
ĐỘ MẤP MÔ MẶT CẦU

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
----------------------

VŨ VĂN TOẢN

Tên luận án: PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG CỦA KẾT CẤU
NHỊP CẦU DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA HOẠT TẢI KHAI
THÁC CÓ XÉT ĐẾN ĐỘ MẤP MÔ MẶT CẦU

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cầu - Hầm
Mã số: 62.58.02.05
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. GS.TS. Nguyễn Viết Trung
2. PGS.TS. Trần Đức Nhiệm

HÀ NỘI - 2017

i

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy GS.TS Nguyễn Viết
Trung và PGS.TS Trần Đức Nhiệm đã tận tâm hướng dẫn khoa học và giúp đỡ tác
giả hoàn thanh luận án này.
Tác giả xin gửi lời cám ơn tới các Thầy, Cô trong Bộ môn Cầu Hầm, Khoa
công trình, Khoa Cơ khí Trường Đại học Giao thông Vận tải, các nhà khoa học
trong và ngoài trường đã có nhiều ý kiến đóng góp cho luận án.
Tác giả cũng xin gửi lời cám ơn tới các Thầy, Cô trong Bộ môn Cầu Hầm,
Khoa công trình Phân hiệu Trường Đại học Giao thông Vận tải tại thành phố Hồ
Chí Minh đã động viên và giúp đỡ tác giả trong quá trình thực hiện luận án.
Tác giả cũng xin bày tỏ sự biết ơn tới sự quan tâm của Trường Đại học Giao
thông Vận tải, Phân hiệu Trường Đại học Giao thông Vận tải tại thành phố Hồ Chí
Minh và sự ủng hộ của bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho
tác giả trong quá trình làm luận án.
Cuối cùng tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình đã động viên, ủng hộ tác giả trong
suốt thời gian làm luận án./.
Tác giả luận án

Vũ Văn Toản

ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào
khác.
Tác giả

Vũ Văn Toản

iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN

ii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

ix

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

x

MỞ ĐẦU

1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG CỦA KẾT CẤU
NHỊP CẦU DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA HOẠT TẢI XE
5
1.1. Các tác động của tải trọng di động đối với kết cấu nhịp cầu

5

1.2 Các hướng nghiên cứu ảnh hưởng của hoạt tải (tải trọng di động) đối với
công trình cầu

8

1.3 Các mô hình lý thuyết nghiên cứu dao động uốn của dầm dưới tác dụng
của tải trọng di động
10
1.3.1. Mô hình 1: không xét đến khối lượng của tải trọng và của dầm .............11
1.3.2 Mô hình 2: Tải trọng có khối lượng di chuyển trên hệ kết cấu không có
khối lượng ..........................................................................................................11
1.3.3 Mô hình 3: Mô hình bỏ qua khối lượng của tải trọng di động, chỉ xét đến
khối lượng của dầm ...........................................................................................12
1.3.4 Mô hình 4: Tải trọng có khối lượng chuyển động trên dầm có khối lượng
...........................................................................................................................16
1.3.5 Các mô hình xét đến tải trọng di động do ảnh hưởng mấp mô bề mặt .....18
1.4 Tổng quan về nghiên cứu dao động của xe và tương tác cầu - xe
20
1.4.1 Giới thiệu ..................................................................................................21
1.4.2 Đánh giá dao động của ô tô trên đường ....................................................23
1.4.3 Các mô hình dao động ô tô .......................................................................23
1.4.4 Hàm kích động ..........................................................................................24
1.5 Phân tích chọn mục tiêu, đối tượng, phương pháp nghiên cứu
25
1.5.1. Mục tiêu nghiên cứu của mô hình tương tác cầu - xe..............................25
1.5.2. Đối tượng nghiên cứu ..............................................................................25
1.5.3. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................26
CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TƯƠNG TÁC ĐỘNG LỰC HỌC GIỮA
XE VÀ CẦU CÓ XÉT ĐẾN ĐỘ MẤP MÔ MẶT CẦU
27
2.1 Cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn giải bài toán dao động dầm
28
2.1.1 Nguyên lý biến phân chuyển vị ................................................................29
2.1.2 Phương trình chuyển động ........................................................................30
2.1.3 Phương trình dao động của phần tử hữu hạn dầm chịu uốn thuần tuý .....32
2.1.4 Phần tử dầm ..............................................................................................37
2.2 Dao động của cầu dầm chịu tác dụng của tải trọng do xe chạy trên cầu

40