(Luận án tiến sĩ) nghiên cứu cải tiến hình thức kết cấu hệ dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn cho công trình kiểm soát nước vùng triều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI TRẦN XUÂN HẢI NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN HÌNH THỨC KẾT CẤU HỆ DÀN CỬA VAN PHẲNG KÉO ĐỨNG NHỊP LỚN CHO CƠNG TRÌNH KIỂM SOÁT NƯỚC VÙNG TRIỀU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI TRẦN XUÂN HẢI NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN HÌNH THỨC KẾT CẤU HỆ DÀN CỬA VAN PHẲNG KÉO ĐỨNG NHỊP LỚN CHO CƠNG TRÌNH KIỂM SỐT NƯỚC VÙNG TRIỀU Ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy Mã số: 9580202 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC1.PGS.TS Vũ Hoàng Hưng 2.GS TS Hà Văn Khối HÀ NỘI, NĂM 2023 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận án Trần Xuân Hải i LỜI CÁM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Thủy lợi, Viện Khoa học Đổi Công nghệ, Công ty TNHH MTV Nước Môi trường Bình Minh tạo điều kiện thuận lợi suốt thời gian học tập nghiên cứu để hoàn thành luận án Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn PGS.TS Vũ Hoàng Hưng, cố GS.TS Hà Văn Khối PGS.TS Trần Mạnh Tuân, người theo dõi giúp đỡ tận tình suốt thời gian làm luận án tiến sĩ Xin bày tỏ lòng biết ơn đến PGS.TS Vũ Văn Nghị (Trường Đại học KHTN – Đại học Quốc Gia TP HCM) giúp đỡ chuyên môn động viên tinh thần trình tác giả thực hiện, giáo sư, tiến sĩ Khoa công trình trường Đại học Thủy lợi đóng góp nhiều ý kiến quý báu giúp đỡ tác giả tìm kiếm tài liệu phục vụ nghiên cứu luận án Cám ơn Trung tâm Quản lý Khai thác Cơng trình Thủy lợi Cà Mau, Trung tâm Quản lý Khai thác Cơng trình Thủy lợi Bạc Liêu, Trung tâm Quản lý Khai thác Cơng trình Thủy lợi Kiên Giang, Công ty TNHH MTV Khai thác Thuỷ lợi Miền Nam, Viện Quy hoạch Thủy lợi Miền Nam, Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam, Viện Thủy công… chia sẻ công việc tài liệu để tác giả có đủ điều kiện thực luận án Xin cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp động viên tác giả nhiều năm qua để tơi vượt qua giai đoạn khó khăn ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vii DANH MỤC BẢNG BIỂU xi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xiii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU xiv ĐỊNH NGHĨA CÁC CỤM TỪ DÙNG TRONG LUẬN ÁN xvi MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu 3 Đối tượng, phạm vi nội dung nghiên cứu .4 3.1 Đối tượng nghiên cứu 3.2 Phạm vi nghiên cứu 3.3 Nội dung nghiên cứu .4 Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu 4.1 Cách tiếp cận 4.2 Phương pháp nghiên cứu 5 Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án 5.1 Ý nghĩa khoa học .6 5.2 Ý nghĩa thực tiễn .6 Cấu trúc luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CỬA VAN NHỊP LỚN VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU ĐẶT RA VỚI LUẬN ÁN 1.1 Tổng quan cửa van nhịp lớn 1.1.1 Khái niệm cửa van nhịp lớn 1.1.2 Các hình thức cửa van nhịp lớn .8 1.1.3 Cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn 12 1.2 Tổng quan nghiên cứu có liên quan đến tính tốn thiết kế kết cấu cửa van nhịp lớn 18 1.2.1 Tối ưu hóa kết cấu cửa van 18 1.2.2 Dao động kết cấu cửa van 26 1.2.3 Phá hoại mỏi kết cấu thép cửa van 31 1.3 Những vấn đề đặt hướng nghiên cứu 35 iii 1.4 Kết luận chương 36 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN KẾT CẤU CỬA VAN BẰNG MÔ PHỎNG SỐ 37 2.1 Đặt vấn đề 37 2.2 Tối ưu hóa kết cấu 37 2.2.1 Khái quát tối ưu hóa kết cấu .37 2.2.2 Cơng thức tốn tối ưu hóa kết cấu 39 2.2.3 Vấn đề tính tốn tối ưu dàn thép cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn 41 2.3 Động lực học kết cấu 42 2.3.1 Khái quát động lực học kết cấu 42 2.3.2 Phương pháp tích phân trực tiếp giải tốn động lực học kết cấu 43 2.3.3 Vấn đề tính tốn động lực học kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn 47 2.4 Tương tác khối nước – kết cấu .48 2.4.1 Khái quát tương tác khối nước – kết cấu 48 2.4.2 Vấn đề tính tốn tương tác động lực học khối nước – kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn 50 2.5 Phá hoại mỏi kết cấu 51 2.5.1 Khái quát phá hoại mỏi kết cấu 51 2.5.2 Tập trung ứng suất 51 2.5.3 Lan truyền vết nứt .53 2.5.4 Vấn đề tính tốn phá hoại mỏi kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn 56 2.6 Công cụ sử dụng nghiên cứu .56 2.6.1 Giới thiệu phần mềm ANSYS 56 2.6.2 Phần tử sử dụng mô hình .57 2.6.3 Kỹ thuật tính tốn tối ưu 60 2.6.4 Kỹ thuật tính tốn động lực học kết cấu 64 2.6.5 Kỹ thuật tính tốn tương tác khối nước - kết cấu 67 2.6.6 Kỹ thuật tính tốn phá hoại mỏi kết cấu thép 70 2.7 Kết luận Chương 73 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THAY ĐỔI HÌNH THỨC VÀ TÍNH TỐN TỐI ƯU KẾT CẤU DÀN CỬA VAN PHẲNG KÉO ĐỨNG NHỊP LỚN 75 3.1 Đặt vấn đề 75 iv 3.2 Nghiên cứu thay đổi hình thức kết cấu dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn 76 3.2.1 Đề xuất thay đổi hình thức kết cấu dàn 76 3.2.2 Xây dựng chương trình tính tốn kết cấu cửa van 81 3.2.3 Kết tính tốn kết cấu cửa van 86 3.2.4 Tổng hợp kết tính tốn nhận xét 91 3.3 Nghiên cứu lựa chọn kích thước dàn hợp lý 92 3.3.1 Ảnh hưởng chiều cao dàn đến nội lực chuyển vị dàn 93 3.3.2 vị dàn Ảnh hưởng khoảng cách hai cánh hạ dàn đến nội lực chuyển 98 3.3.3 dàn Ảnh hưởng độ cong cánh thượng dàn đến nội lực chuyển vị 102 3.3.4 Lựa chọn góc nghiêng hai dàn 3.4 106 Nghiên cứu lựa chọn kích thước mặt cắt ngang dàn 108 3.4.1 Phương án tính tốn tối ưu 108 3.4.2 Kết tính tốn tối ưu kích thước mặt cắt phương án 109 3.4.3 Kiểm tra độ bền độ cứng cửa van với kích thước đề xuất 112 3.4.4 Nhận xét 117 3.5 Kết luận Chương 117 CHƯƠNG ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN CHO CƠNG TRÌNH THỰC TẾ 118 4.1 Giới thiệu cơng trình 118 4.2 Thông số dùng thiết kế 119 4.3 Lựa chọn kết cấu cửa van 120 4.4 Xây dựng mơ hình tính tốn 122 4.5 Tính tốn độ bền độ cứng kết cấu thép cửa van 123 4.5.1 Cửa van chịu tác dụng tổ hợp tải trọng 123 4.5.2 Cửa van chịu tác dụng tổ hợp tải trọng đặc biệt có động đất 127 4.5.3 So sánh kết tính tốn tĩnh động theo mơ hình FSI 129 4.6 Kiểm tra khả phá hoại mỏi kết cấu thép cửa van 130 4.6.1 Khả phá hoại mỏi kết cấu thép cửa van 130 4.6.2 Vị trí kiểm tra phá hoại mỏi 132 v 4.6.3 Kết tính tốn kiểm tra phá hoại mỏi 134 4.6.4 Nhận xét 136 4.7 Kết luận Chương 136 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 138 Những kết đạt 138 Những đóng góp luận án 139 Những tồn hướng phát triển 140 Kiến nghị 141 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 142 TÀI LIỆU THAM KHẢO 143 PHỤ LỤC PL1 vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Các hình thức cửa van nhịp lớn Hình 1.2 Cơng trình có cửa van kéo đứng nhịp lớn giới (Nguồn: Internet) 13 Hình 1.3 Một vài cơng trình có cửa van phẳng kéo đứng Việt Nam .16 Hình 1.4 Kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn 16 Hình 1.5 Sơ đồ áp lực nước tĩnh lên cửa van phẳng 17 Hình 1.6 Tối ưu hình học dàn phẳng với điều kiện ràng buộc chuyển vị 24 Hình 1.7 Tối ưu hóa hình học cấu trúc dàn thép khơng gian 25 Hình 1.8 Tối ưu hóa hình học cấu trúc cầu dàn thép 26 Hình 1.9 Cửa van phẳng kéo đứng Krimpen – Hà Lan 27 Hình 1.10 Dạng dao động cửa van 95 m thực mơ hình PTHH .28 Hình 1.11 Nghiên cứu tương tác động lực học 3D kết cấu cửa van phẳng nhịp lớn 29 Hình 1.12 Hình thức mối nối chân dàn 31 Hình 1.13 Phá hoại mối nối chân dàn loại (a) 32 Hình 1.14 Mơ hình PTHH mối nối hàn ống thép với hộp thép 32 Hình 1.15 Mơ hình PTHH nút dàn ống thép có mã kết tính tốn hệ số tập trung ứng suất khơng có có mã 33 Hình 1.16 Các loại mơ hình phần tử hữu hạn nút dàn 34 Hình 2.1 Tối ưu hình dạng kích thước dàn 38 Hình 2.2 Ví dụ kết cấu chịu tải trọng động 42 Hình 2.3 Phương pháp giải phương trình chuyển động hệ kết cấu 43 Hình 2.4 Các dạng phá hoại mỏi 51 Hình 2.5 Tập trung ứng suất 52 Hình 2.6 Hệ số tập trung ứng suất cho lỗ kht hình trịn 53 Hình 2.7 Các giai đoạn lan truyển vết nứt mỏi 54 Hình 2.8 Tuổi nứt ban đầu tương đối hàm số phân bố ứng suất khởi tạo vết nứt 55 Hình 2.9 Phần tử dầm 3-D BEAM188 58 Hình 2.10 Phần tử mặt 3-D SHELL63 59 Hình 2.11 Phần tử khối 3-D FLUID30 59 Hình 2.12 Sơ đồ khối trình tính tốn tối ưu phần mềm ANSYS 61 Hình 2.13 Sơ đồ khối q trình tính tốn tối ưu theo phương pháp MOGA 62 Hình 2.14 Sơ đồ tính tốn dàn vịm phẳng 63 Hình 2.15 Mã phần tử dàn 63 Hình 2.16 Sơ đồ tính toán kết cấu dàn đứng 66 Hình 2.17 Chuyển vị gia tốc theo thời gian vị trí đỉnh dàn đứng (điểm D) 66 Hình 2.18 Q trình phân tích FSI 67 Hình 2.19 Mơ hình phần tử hữu hạn tương tác khối nước – kết cấu 2D 68 Hình 2.20 Chuyển vị gia tốc theo thời gian vị trí đỉnh dàn đứng (điểm D) xét đến tương tác khối nước trước sau cửa van 69 vii Hình 2.21 Chuyển vị kết cấu thời điểm 10 s 20 s 69 Hình 2.22 Sơ đồ khối phân tích mỏi theo tuổi ứng suất phần mềm ANSYS .71 Hình 2.23 Sơ đồ nút liên kết dàn 72 Hình 2.24 Đường cong phá hoại mỏi S – N vật liệu thép S355 72 Hình 2.25 Trạng thái chuyển vị ứng suất vị trí liên kết 72 Hình 2.26 Kết tính tốn mỏi vị trí nút 50 73 Hình 3.1 Cửa van dạng dàn vịm với mặt phẳng dàn đặt song song 77 Hình 3.2 Kết cấu dàn có cánh thượng hạ lưu cong chiều 77 Hình 3.3 Cửa van dạng vịm với mặt phẳng dàn đặt nghiêng góc .78 Hình 3.4 Hình thức dàn cửa van phẳng kéo đứng đề xuất thay đổi 80 Hình 3.5 Nguyên tắc chịu lực mặt phẳng dàn làm việc hai chiều 80 Hình 3.6 Chương trình tính tốn tích hợp phần mềm ANSYS 82 Hình 3.7 Cấu trúc Chương trình LIFTGATE.MAC 82 Hình 3.8 Điều kiện biên mơ hình 83 Hình 3.9 Cấu trúc Chương trình LGATE_OP.MAC 84 Hình 3.10 Cửa sổ nhập liệu đầu vào tham số thiết kế 85 Hình 3.11 Mơ hình phần tử hữu hạn kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn 85 Hình 3.12 Trọng lượng cửa van theo mơ hình truyền thống 86 Hình 3.13 Phổ chuyển vị tổng 87 Hình 3.14 Phổ chuyển vị theo phương Z (phương dòng chảy) 87 Hình 3.15 Lực dọc cánh hạ dàn 87 Hình 3.16 Sơ đồ tính tốn nội lực khung dàn 88 Hình 3.17 Trọng lượng cửa van theo mơ hình đề xuất 90 Hình 3.18 Phổ chuyển vị tổng 90 Hình 3.19 Phổ chuyển vị theo phương Z (phương dòng chảy) 91 Hình 3.20 Lực dọc dàn 91 Hình 3.21 Các tham số kích thước dàn 93 Hình 3.22 Cửa sổ giao diện nhập kích thước dàn 94 Hình 3.23 Mơ hình PTHH kết cấu cửa van thay đổi chiều cao dàn 95 Hình 3.24 Biểu đồ quan hệ chuyển vị dàn theo phương Z với chiều cao dàn nhịp hai tổ hợp mực nước 96 Hình 3.25 Biểu đồ quan hệ lực dọc cánh hạ với chiều cao dàn nhịp hai tổ hợp mực nước 97 Hình 3.26 Biểu đồ quan hệ lực dọc cánh thượng dàn với chiều cao dàn nhịp hai tổ hợp mực nước 97 Hình 3.27 Biểu đồ quan hệ lực dọc cánh thượng dàn với chiều cao dàn nhịp hai tổ hợp mực nước 97 Hình 3.28 Mơ hình PTHH kết cấu cửa van thay đổi khoảng cách hai cánh hạ dàn 99 viii