Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình thủy: Ảnh hưởng của vị trí cối quay cửa van cung đến sự làm việc thực tế của cửa van

So sánh kết quả tính toán momen uốn khung chính cảng van trong 2 THphân tích kết cầu cửa van theo bai toán phẳng và bai toán không gian 99 101 TÀI LIỆU THAM KHAO 104 Ani hưởng của vị trí

Trang 1

DƯƠNG ANH QUẦN

ANH HUONG CUA VI TRÍ COI QUAY CUA VAN CUNG DEN SU LAM VIEC

THUC TE CUA CUA VAN

LUAN VAN THAC SI

Trang 2

ANH HUONG CUA VỊ TRÍ COI QUAY CUA VAN CUNG DEN SỰ LAM VIỆC

THUC TE CUA CUA VAN

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy

Mã số: 60-58-40

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS BO VĂN HUA

Hà Nội ~ 2012

Trang 3

Tác giá “hâm wi xi, làuy ih om tái 0415.218 /0ã Vin Tie

— Tường Dai học Thiiy Lot, mgười đã dink niệu thời giam huiing dẫn wir ding góp

hưng ý bi

ty kink trọng cài

trong suối qui tink tage Hiện Laci nấm thạc si

“ác giá xin cảm on Ding ty, Ban giám hitu, phe đo tạo Dai lọc mà Sau dai

“học, các phông fan ee “mảng 8 tạe mại điều liệu thuận lợi cho the giá trong suit

Trình học tập nà vần luyện tai trường,

“ác giá xin trim (mg cine sự tôi cơ quan, ban bi, ding nghiệp nơi tác gi dang

đã mph đâu kiệm về tnks Unde giáp tác giá hos thành luận năm nity

Tie giả xin bày tế làng bial on site sắc nhái tái ưng người than trong gia dink

I8 động sử i (hành, luận sâmhile ệ nà giáp đồ tác giá lu

Fay nhiễu trong kd bled mt luận tân tục, do iin kien thid giam cà tink đcảm lạm chế nêu KHông thể tre KHai sưng ti vất, kiiẩẩm Kuyt, cối mony abnare siting gp chi bảo clin tink cáa các ty sở giáo wie các bug wufdjp để để tài các

ae giá hoàn chink hon

Ain thâm tink cảm dat

Hii Noi, sgày thing name 2012

Fie giá

“ung Aah Quin

Trang 4

MỤC LỤC

MỠ ĐẦU

Chương 1: Tổng quan về cửa van cung

1.1 Khái niệm va phân loại cửa van cung

1.1.1 Khái niệm

1.1.2 Phân loại cửa van cung

1.1.3 Một số nguyên tắc và bổ tri cầu tạo

1.1.4 Các bộ phận chính

1.2 Tính toán kết cát an cung theo hệ phẳng

1.2.1 Phương pháp tinh toán cửa van cũng theo hệ phẳng,

1.2.2 Phân tích khung chính theo phương pháp tính toán truyền thống.

1.3, Một số hình ảnh vỀ của van cung.

"hương pháp phần tir hữu hạn và phần mềm SAP2000

Chương

2.1 Khải niệm về phân tử hữu hạn

3.1.1 Khái niệm

2.1.2 Các nguyên lý về công và năng lượng.

2.1.3 Nội dung cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn.

2.1.4 Tỉnh hệ thanh phẳng bằng phương pháp phần tử hữu han

2.1.5 Tính tắm mong chịu uốn bằng phương pháp phân tử hữu hạn.

2.2 Khai quát về phần mém SAP2000

2.2.1 Các hệ tọa độ

2.2.2 Dau và nội lực của ứng suất

3.2.3 Đường trục của phần tir

Chương 3: Tính toán cửa van cung công trình hồ Bản Đà, thị trấn Trùng Khánh, tinh Cao Bằng

3.1 Mục tiêu, nhiệm vụ và quy mô của dự án

3.11 Mặc tiêu của dự ấn

3.1.2 Nhiệm vụ của dự án

3.13 Quy mồ công tình đầu mỗi

3.14 Mô t kết cầu cửa van

%

Trang 5

3.1.6 Trường hợp tính toán kiểm tra 533.17 Tai trong tỉnh toán 373.1.8 Kết quả tinh toán 7

3.2 Phân tích kết cfu cửa van cung theo bai toàn phẳng bằng phương pháp truyễn

3.4.1 Trưởng hợp A: Khi cửa van nằm trên ngưởng 68

3.4.2 Trường hợp B: Khi cửa van bất đầu rời khỏi ngưỡng 153:5 Tổng hợp kết quả tính toán 823.5.1 Chuyển vị bản mat 2

3.52 Ung suất bản mặt _

3.5.3 Nội lực, ứng suất khung chính càng van 853.5.4 Nội lực, ứng suất dim chỉnh cửa van 883.5.5 Nội lực, ứng suit dim phụ ngang cửa van 9

3.5.6 Nội lực, ứng suất dim phụ ding cửa van %

3.57 Phan lục cối quay 963.5.8 Lực kếo của van 983.5.9 So sánh kết quả tính toán momen uốn khung chính cảng van trong 2 THphân tích kết cầu cửa van theo bai toán phẳng và bai toán không gian 99

101

TÀI LIỆU THAM KHAO 104

Ani hưởng của vị trí cỗi quay của van cung đến sự làm việc thực 18 cia cửa van

Trang 6

MỞ DAU

1 TINH CAP THIET CUA ĐÈ T.

Trong các công trình đầu mối thủy lợi, thủy điện cửa van là một hang mục công trình lớn cả về md và tim quan trọng Cửa van được xây dựng, chế nhằm mục đích giữ, điều tiết nước và hướng dòng chảy từ thượng lưu xuống hạ lưu,

‘dam bảo cho công trình đầu mồi như đập, cổng làm việc bình thường và én định.

“Cửa van thường ding trong các công trình thủy lợi, thủy điện là cửa van phẳng,

và cửa van hình cung Cửa van hình cung có độ cứng lớn và lực dong mở nhỏ hon cửa van phẳng nên thường được dùng làm cứa van có nhịp Kin và cột nước cao ởiđập trin xả lũ của các hỗ chứa nước lớn

Quang cảnh đập tràn hỗ chứa nước dùng cửa van cung ở một công trình thủyđiện xem hình 1

Hình 1 ~ Toàn cảnh đập tran

“Ảnh hưởng của vị trí cỗi quay của van cung đến sự làm việc thực 18 của cửa van

Trang 7

Cửa van cung là một dang khá phổ biến, tại các công trình thủy lợi, thủy điện

lớn ở nước ta như: Hỏa Bình, Đại Ninh, Na Hang, Ba Hạ, Định Bình, Cửa Đạt,

dùng cứa van hình cung trên

Sông Hinh, Hương Điển, Bình Điển, Sơn La,

các đập tràn, có nhịp van B = 9 + 15m, có chi

kính bản mặt R = 10 + 21m,

Công trình thủy điện An Khê, Bản Ve

cao cửa van H = 10 + 18m, bán

.¿ các cửa van cũng có vai trò để vậninh xã nước, điều chỉnh mực nước trong hồ chứa của nhà máy thủy điện Kết cấu

cửa van cung được chế tạo bằng thép cổ mặt chin nước hình cong, chuyển động

xung quanh trực dé ning hạ theo yêu cầu Việc ning, ha cửa van cung được thực

hiện bằng máy nâng đặt ở trụ pin hay trên cầu công tác cổ hệ thống dây cấp hoặc thanh truyền lục, Piston thủy lục gin với cửa Ngày nay hiw hết các cửa van cung urge đông mở bằng các Piston thủy lực, vận hành các Piston này được điều khiển tại phòng đi khiến trung tâm nhà mấy

Núi Các

Hình 2 ~ Toàn cảnh hạ lưu đập trin

“Ảnh hưởng của vị tr cỗi quay cửa van cung đến sự lầm việc thực tẺ của cửa van.

Trang 8

Trong quá trình làm việc thực tế, cửa van cung thưởng được nâng lên, hạ

xuống quanh trục đi qua tâm quay Một vẫn dé đặt ra khi thiết kế và thi công lắp đặt

Khi vị trí bản

cửa van là vị trí tâm quay hay vị trí tâm cối quay ở đâu là hợp lý nl

1 (lâm quay cửa van) trùng với trục đi qua tâm bản mặt thì tổng hợp áp lực nước.

vuông góc với bản mặt tác dụng lên cửa van sẽ đi qua tâm quay Khi bản lễ (tâm.

nh

quay cửa van) dich chuyển lên hoặc xuống tâm bin mặt cửa van im cho lực nâng

hạ cửa van có sự thay đổi vì

hạ

ê ảnh hưởng n chọn quy mô của thiết bị nâng

Tuy nhiên khi chuyển dịch vị trí bản lỄ của của van cung rit có thể sẽ làm thay đổi trang thấi ứng suất và chuyển vị trong các cấu kiện của kết cầu cia van, ảnh hưởng đến khả năng chị lực va sự vận hành của cửa van

Chính vi vậy việc đầu tư nghiên cứu một cách cụ thể vin đỀ_“Ính hưởng cia

ví tr cỗi quay cửu van cung đến sự làm việc thực tễ của cửa van ka ắt cần thiệt, có

ý nghĩa đối với khoa học và thực tiễn

1 MYC TIỂU CUA ĐÈ TÀI

+ Nghiên cứu ảnh hưởng của v tri oi quay đến sự làm việc của cửa van cung.

- Diễn biến trạng thi ứng suất, chuyên vị và lực đóng mở của kết cầu cửa vancung trong quá trình làm việc ứng với các vị trí bản lề

quay đến sự làm việc, trang thải ứng suất, chuyển vị dối với loại cửa van cũng trên

mặt (đặt trên đập tràn) và chỉ chịu áp lực nước

IV, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Phương pháp điều tra khảo sit thu thập tổng hợp ti liệu

- Phương pháp mô hình mô phỏng.

= Phương pháp phân tích tổng hợp.

Trang 9

V DỰ KIÊN KET QUA ĐẠT ĐƯỢC

Ảnh hưởng của vị cối quay đến kết cfu của cửa van cung.

~ Diễn biến trạng thái ứng suất, chuyển vị và lực đóng mở của kết cấu cửa van.

‘cung trong quá trình lim việc ứng với các vị tri edi quay.

= Lựa chọn mô hình thích hợp cho mô hình bài toán vị trí cối quay cửa van

cùng

~ Rútra kết luận và kiến nghị.

Trang 10

CHƯƠNG L TONG QUAN VỀ CỬA VAN CUNG

1.1 KHÁI NIỆM VA PHAN LOẠI CUA VAN CUNG:

1.1.1 Khải niệm

Cia van hình cung li cửa van có mặt chịu áp lực nước dang cung trồn và được

nối với hai càng, khi đóng mở cửa van quay xung quanh một trục quay cổ định nim

ngang, Cửa van hình cung lớn hơn thường được ding làm cửa xả lũ ở đập tran, Hình

dạng không gian của kết cầu cửa van cung cảng xiên và cảng thẳng xem hình 1.1 và

Hình 1.2 ~ Kết cấu của van hình cung hai khung chỉnh, càng thẳng.

“Ảnh hưởng của vị tr cỗi quay cửa van cung đến sự lầm việc thực tẺ của cửa van

Trang 11

Cửa van là một bộ phận của công trình thủy lợi, bổ tí tại các lỗ tháo nước của đập, cổng, để không chế mực nước và điều tiết lưu lượng theo yêu cẩu tháo nước.

ở các thời kỳ khai thác khác nhau Cita van có thé di động được nhờ sức kéo từ các,

thiết bị đóng mở hoặc nhờ sức nước Khi cửa van chuyển động, nó tựa lên các bộ phận cổ định gắn chặt vào mé trụ hoặc ngưỡng của công nh thảo

Các yêu cầu cơ bản khi thiết kế cửa van là cấu tạo đơn giản, lắp rip, sửa chữalàng; đông mở nhẹ và nhanh: đủ khả năng chịu he, kim việc an toàn và bn; đảm,

bảo mỹ quan: tiết kiệm vật liệu, giá thành hợp lý, Trong quế trình sử dụng, cia văn phải đảm bảo khống chế được mọi lưu lượng khác nhau theo yêu cầu kha thác Chỗ

Ấp xúc giữa cửa van với trụ, ngưỡng đây, trồng ngực phải có hit bị chắn mước tt

để chống rô rỉ Trường hợp phía thượng lưu có nhiều bin cit hay vật nỗi thi cửa van hải có khả năng thio bùn cat hay vật nỗi dB ding.

Us điểm của van hình cúng là lực mỡ nhỏ, mở nhanh và dễ ding, đều it ưu

lượng khát, trụ pin có thé làm mong so với van phẳng vì khe van nông Tuy nhiên

trụ pin phải lim đài để có đã kích thước đặt cảng van Ap lực nước tác dụng tập

trung lên trụ pin (qua cảng van) làm cho ứng suất tập trung sinh ra trong trụ pin nên

việc bố tí cốt thép chịu lực phức tạp hơn, nhất là những nơi làm việc trong điều kiện chịu lực ha chiều Về cfu igo và lắp rip van cung cũng khó khăn, phức tạp hơn

van phẳng

Cửa van cung là loại được áp dụng khá rộng rãi, nhất là khi cửa tháo có nhịp

lớn hay những noi edn tháo nước nhanh Vật liệu làm cửa van cùng thường bằng thép Khi cửa van không lớn có thé làm bằng gỗ,

1.1.2 Phân loại cửa van cung

Cita van cung được phân loại như sau:

= Theo mực nước thượng lưu, cửa van cung được chỉa thành hai loại là của vantrên mặt và cửa van dưới sầu

~ Theo hình thức chảy qua van, có thé chia thành 3 nhóm là cửa van cho nước chảy dưới, cửa van cho nước chảy tràn qua đình van, cửa van vừa cho nước chảy,

Trang 12

‘qua định van vừa cho nước chảy dưới van,

- Theo kết edu cửa van được chia thành 3 loại là cửa van đơn (hình 1.3a, đ, ).

cửa van có cửa phụ (hình 1,36) và cửa van kép (hình L.äc, ).

Trong các đập tràn thường dùng cửa van cho nước chảy ở dưới (hình L.3a)hoặc vừa cho nước chảy ở dưới vừa cho nước trin qua van (hình 1.3b, c, đ) (loại cửa

van được kéo lên) Trong các âu thuyền, tiu chỉ dùng loại cho nước tràn qua đỉnh van (hình 1.34) (loại cửa van hạ xuống) Cửa van có cửa phụ hoặc cửa van hai ting được dùng khí cần tháo vật nỗi hoặc cần tháo một lượng nước nhỏ, vì nếu đùng cửa van đơn sẽ mắt một khối lượng nước lớn

Cửa van hình cung có hai loại chính là cửa van trên mặt và cửa van dưới sâu,e6 cửa phụ hoặc không có cửa phụ trên đỉnh van Cửa van trên mặt là cửa van cóinh cao hơn cao trình mực nước thượng lưu (hình 1.4), cửa van đưới sâu là cửa van

có định thấp hon cao trình mực nước thượng lưu (hình L5).

Trang 13

\ =

wer

tr mre Narr

Hình 1.4 ~ Cửa van trên mặt “Hình 1.5 ~ Của van dưới sâu:

Cửa van hình cung bao gồm bản chin nước, hệ thống dim, cảng đỡ và sỗi quay (hình 1,6) Hệ thông dim cũng bổ tri sao cho các 6 bản mặt các dim chịu lực ương đối đều nhau, các dim chỉnh chịu lực như nhau để tiện thi công và tân dung

khả năng chịu lực của vật liệu

1 Bản chắn nước; 2 Dằm chính; 3 Dằm phụ ngang; 4 Dằm đứng;

5 Bánh xe cit; 6 Càng đỡ; 7 Khép quay: 8 Giàn gối.

Trang 14

1.14 Các bộ phận chính

Cita van hình cung có hai bộ phận chính là bộ phận động và bộ phận cổ định

Bộ phận động của cửa van hình cung gồm có các cấu kiện sau:

- Bản mặt có dang mật trụ tồn làm bằng thép tắm, tâm bản mặt thường chọn

trùng với tâm quay

= Bản mặt trực tiếp đỡ áp lực nước và truyén tai trong lên ô dim,

~ Ô dim được tạo bởi các dim phụ đứng thường làm bằng thé chữ định hình

và dẫm phụ ngang bing thép chữ C định hình đặt úp xuống để trình đọng nước và

bùn cát, cổ tắc dụng đỡ bản mặt và truyỄn ải trong lên đầm đứng

- Dằm đứng có thể đăng kiểu dim (hình 1.1) hoặc kiểu dân (hình 12), đỡ ti trọng từ 8 dim và truyền tải trong lên dim chính

- Dim chính cỏ thể ding kiểu dim hoặc kigu din, đ tải trọng tờ dim đứng và truyền ải trọng này lê khung chính

+ Khung chính hợp bởi dim chính và chân van, đ toàn bộ Ap lực nước tác

ng vào cửa van, rồi ruyễn lên bộ phận cổ định của công trình thông qu cối quay.+ Các chân khung chính thường được lin kế lại với nhau thành hệ dân để tăng

4 in định của chân khung chính, cầu kiện này gọi li cảng van Thông thường cảngvan dùng loại mảnh, với cửa van nhỏ thường ding loại càng thẳng (Hình 1.7a), vớicửa van lớn dùng kiểu cảng xiên (Hình 1.7b)

a) »)Hinh 1.7 ~ Khung chính chân thẳng và chân xiên

Trang 15

= Dân chịu trọng lượng đặt ở phía sau dim chính (hình 1.2), chịu trong lượng.

bản thân van và các tải trong thẳng đứng khác, truyền lên dàn ngang và cảng van rồi

chuyển lên

- Kế

quay

ấu cối quay gỗ 2 bộ phận, bộ phận động được nối với càng van, còn.

bộ phận cổ định được gắn với trụ pin của công tình Cối quay thường ding 2 loại là

gối nón cụt và có | trục quay hoặc 2 true quay vuông góc với nhau, Dốivới cửa van cỏ kích thước nhỏ thường dùng gỗi bản lỄ có 1 trục quay như đã dũng

trong cửa van ở các công trình cống Lân, cổng Trà Linh, cửa trăn hỗ Núi Cốc, hồ Trúc Kinh cổng Cổ Tiêu, cổng Nghỉ Quang Đi với cửa van lớn thường dùng

cdi quay kiểu nón cụt như đã đùng trong của van đập trăn thủy điện Hòa Bình, thủyđiện Buôn Kướp, thủy điện Srếpôk 3 và 4 hoặc loại cổ 2 trục quay như đã đồngtrong cia van đập trần hồ chứa nước Cửa Đạt

Kết cấu gỗicỗi quay bản lễ 2 trục quay vuông góc với nhau cho ở hs

Cửa van hình cung căng thẳng: dim đứng và dim chính đạc (loại dim), có haiKhung chính, thường ding trong của van dưới siu, nhịp van nhỏ va cột nước cao,xem hình 1.9, Cửa van hình cung cảng xiên: dim đứng và dim chính đặc, hai khungchính, thường ding trong của van trên mit, nhịp van lớn và cột nước không cao

hình 1.10, Cửa van bình cung cảng xiên: dầm đứng và dim chính đặc, ba khung chính, thường được dùng trong cửa van trên mặt, nhịp trung bình và chiều cao lớn,

xem hình LII

Trang 17

Hình 1.11 ~ Cita van hình cung căng xiên có ba khung chỉnh

1.2 TÍNH TOÁN KET CAU VAN CUNG THEO HỆ PHANG

1.3.1 Phương pháp tính toán cửa van cung theo hệ phẳng

Kết cấu của van hình cung là một kết cầu không gian và chịu lực khả phức tạp,

khi phân ích nội lực để đơn giản có thể đưa về hệ phẳng Nội lục của các phân nằm trên giao tuyển của hai hệ phẳng lấy bằng tổng nội lực trong hai hệ phẳng đỏ

Cách tính nảy tuy không phan ánh được hoàn toàn trang thái chịu lực thực tế củacửa van nhưng thườ ig dùng vi khá đơn giản, có thé dùng để tính toán cửa van cókích thước trung bình và nhỏ Khi cửa van có kích thước lớn và chịu cột nước cao.cần tinh theo hệ không gian

Khang chính và cảng van à bộ phận chị lực chủ yếu của ia văn hình cung, chịu toàn bộ áp lực và trọng lượng bản thân của cửa van thông qua gối bản lễ truyền lên bộ phận cổ định của công trình, nên trong mục này chỉ tình bày chỉ tế tính toán kiểm tra về cường độ, én định và độ cứng của khung chính và cảng van theo hệ

phẳng

Trang 18

1.22 Phân tích khung chính theo phương pháp tính toán truyền thống 1.2.2.1 Nội dụng của phương pháp tinh toén truyén thẳng (PPTT)

Theo phương pháp tính toán truyền t g, kết cấu van được phân chia thành

các hệ phẳng riêng biệt để tính dưới tác dụng của áp lực nước và trọng lượng bản.

thân cửa van Nội lực trong các hệ phẳng được xác định bằng các công thức giải

tích, nội lực trong các thanh thuộc ở cả hai hệ phẳng được tính bằng tổng nội lựccủa hai hệ phẳng đó,

Trinh tự tính toán khung chính theo PPTT được tiền hành như sau:

+ Xác định tổng áp lực nước tác dụng lên Im dai cửa van và phương của tổng

h

áp lự này so với đường nằm ngang được xác định theo công thức giải

- Phân tổng áp lực này lên các dim chính theo phương pháp đỗ giải, trường hợp cửa van có hai khung chính, để hai dim chính chịu áp lực nước bằng nhan thi phương của hai khung chính phải đều cách đều phương của tổng dp lực nước.

= Sơ đồ tính toán khung là đường trục các thanh Sơ đỗ tinh là khung chữ nhật

dim ngang có công xôn khi cảng van thuộc loại mảnh va thẳng hoặc là khung hình.thang dầm ngang có công xôn khi cảng van thuộc loại mảnh và xiên Chân khung

soi là liên kết ngim khi cối quay là gối bản lễ có một trục quay Chân khung coi là

liên kết khớp khi cối quay là gỗi bản lề có hai trục quay hoặc cối quay là gối nón

cụt, Chiều cao tính toán h của khung lấy bằng khoảng cách từ tâm cối quay đến đường trọng tâm tiết diện tinh toán của dim chính Tiết điện tính toán của dim

chính có xét tới một phần bản mặt cùng tham gia chịu lực

- Nội lực của khung chính được xác định theo các công thức, được thiết lập từ

phương pháp chuyển vị Chuyển vị thẳng đứng tại giữa nhịp dằm bằng tổng chuyển

vị của dim do mômen uốn và chuyển vị do lực dọc trong chân Khung.

- Kiểm tra về cường độ và độ cứng của dim theo cấu kiện chịu uốn với nội lực

chi do áp lực nước sinh ra và 6n định của chân khung theo cấu kiện chịu nén lệch.

tâm với nội lực bằng tổng nội lực do áp lực nước và trọng lượng bản thân cửa van.

sinh rà

Trang 19

Chiểu dai tính toán của chân khung trong mặt phẳng của khung bing:

Lạ = nh a

Trong đó: h ~ Chiều cao của chân khung; Hệ số chiều dài tinh toán.

Đồi với khung chữ nhật, dim và cột có mặt cắt đều, dầm được liên kết cứng với cột, chân cột iên kết ngàm hoặc khớp, hệ số chiều dài tính toán yt được xác định theo bang 1.1, phụ thuộc vào tỷ số giữa độ cứng đơn vị tương đổi của dim

và của cột i,=El,/h

Bang 1.1 — Hệ số chiêu dài tính toán ,í

Keivic |0, 02 [03] 05 i 2 3 | I0Nam |2 15 |1 | 13 | 12 [oi 1Khớp | - 34 | 3 | 26 | 23 | 22 | 21 2

Đi với khung hình thang chân liên kết Khớp lấy Ly=1Ah, còn chân liên kết ngàm lấy Lụ=I.2h.

Chiều dài tính toán của chân khung trong mặt phẳng của càng lấy bằng khoảng cách d giữa hai nút thanh giằng của cảng.

1.2.2.2 Áp lực nước tắc dung lên Im dài van

~ Tổng áp lực nước tác dụng lên cửa van cung:

p= Pia a2

~ Phương của hợp lực P đi qua tâm BM và hợp với đường nằm ngang một góc:

Py

d3)

Hình 1.12, Sơ đồ tình dp lực nước ên của van trên mặt và cứu van dưới sâu

Trang 20

~ Thành phin ngang của áp lực nước P,y của cửa van trên mặt:

d4)

- Thành phn đứng của áp lực nước Pạ của cũa van trên mặt:

= 1ê L(TZ— + 2sing, cose, = Gần 2ø, +sin

® 20 | ân® 2snØ,cosp, =2 Gin20, 2ø2) as)

- Thành phần ngang của áp lực nước Py của cửa van dưới si

- Thành phần đứng của áp lực nước Py của cửa van dưới sâu:

1 1„R “ấn 2sing, cos, 29, +sin2ø,)+ 25% (cose, — cose, de ) ÊL| TẾ ø+2sing, cose, ~5 in 2ø, +sin29,) +2 x H ` (cose, ~cosp,) (1.7)

Trong đó:

+ 7+ Trọng lượng riêng của nước,

+H, — Chiều cao cột nước thượng lưu

+ Hạ — Chiều cao cột nước tường ngực.

+L, — Nhịp tải trọng của cửa van,

+h

+R - Bán kính bản mặt

+9, — Góc hợp bởi đường nằm ngang đi qua tâm bản mặt và bán kính bản mặt

lều cao tải trong của cửa van dưới sâu

đi qua mép mực nước thượng lưu.

+2 Góc hợp bởi đường nằm ngang đi qua tâm bản mặt và bán kính bản mặtđđi qua mép cửa van

+@ =0; 0i (Độ)

Trường hợp tâm bản mặt nằm ở dưới mực nước thượng lưu (hình 1.12b), khi

đồ góc ạ, nằm trên đường nằm ngang đi qua tâm bản mặt, thì góc @; trong các công thức trên mang dầu âm £)

1.2.2.3 Áp lực nước tắc dụng lên Im dài khung chính:

4a) Trường hop cửa van có hai khung chính:

Trang 21

Khi phương của hai phương khung chính không cách đều phương của tổng

ip lực nước tác dụng lên khung chính trên q, và khung

hợp lực áp lực nước

chính đưới qs của cửa van cung được xác định theo công thức (1.8) được thiết lập từ

sơ đồ tam giấc lực cho ở hình 1.13.

Hinh 1.13 ~ Sơ đồ xác định áp lực nước lên dâm chính trên và dưới

Khi phương của hai khung chính cách đều phương của tổng hợp áp lực nước,

có = thì áp lực nước tác dụng lên khung chính trên q, bằng khung chính dưới gs:

b) Trường hop cửa van có ba khung chỉnh

Hình I.14— Sơ đỗ tính lực tác đụng lên các khung chỉnh

Trang 22

- Trường hợp cửa van có 3 khung chính trước hết vẻ biểu đồ đa giác ấp lực ước khép kin, chia véc tơ hợp lực thành 3 phần bằng nhau, về đường thẳng vuông sóc với phương của lực P tại các điểm chia

= Giao điểm của các đường thẳng này với đường đa giác lực là điểm gốc và

điểm mút của các véc tơ 4, 4;, q, từ đồ ta có các góc dị, œạ, 5 giữa phương của

hợp lực B và các lực 9 d+ a và các góc 0, 0;, 0; của các véc tơ này với đường thẳng nằm ngang, hình 1.14

~ Ap lực nước tác dụng lên Im dài khung chính trên, giữa và dưới:

Foose, Beosa, ——¬ o

“

CChọn khung chịu tải trong lớn nhất để tinh toán nội lực và chuyển vị,

1.2.24 Tĩnh toán nội lực trong khung chính do áp lực nước

a) Trường hop 1: Khung hình thang chân liên kết khóp

= Khung chính hình thang cho ở hình 1.15 là khung đối xing chịu tải trọng đối xứng nên ta có th tính toán cho một nữa khung Trong trường hợp này nếu xác định

nội lực của khung theo phương pháp chuyển vị thì phương trình chính tắc chỉ có

một Ấn Z; là góc Xoay:

TZ, + Ry =.

HH

mu‡

Hình 1.15 ~ Sơ đồ nh toàn và biẫu đỗ momen uén khung chân khớp

Trang 23

= Nghiệm của phương trình chính tắc này là:

(b? —6c°)126723,

b) Trường hop 2: Khung hình thang chân liên két ngàm.

Khung chính hình thang cho ở hình 1.16 là khung đối xứng chịu tải trọng đối xứng nên có thể tính toán cho một nữa khung, trong trường hợp nảy, nếu giải theo

phương pháp chuyển vị thì phương trình chính tắc chỉ có một ẩn Z; là góc xoay:

se te Ma

Hình 1.16 ~ Sơ đồ tinh toán và biẫu đồ mômen uốn khung chân ngằm

Trang 24

Trongds: =P Aiea (mm katt

L — Khoảng cách giữa hai gối bản

b= Nhịp dim

hh Chiều cao của khung

s — Chiều dai chân khung

= Chiều đi công xôn dim,

~ Khoảng cách theo phương ngang của đầu cột và chân cột

L,=b#2c — Nhịp ải trọng

c Trưởng hợp khung chữ nhật: Khung chữ nhật là trường hợp đặc biệt của

Trang 25

khung hình thang với „nên nội lực trong khung chữ nhật chân liên kết

khớp cũng được tính toán theo các công thức tương ứng (1.10), (1.11), (1-12), (1.13) hoặc liên kết ngàm cũng được tinh toán theo các công thức (1.14), (1.15), (1.16),

(1.17) bằng cách thay L=b.

2.2.2.5 Tinh toán nội lục trong khung chính do trọng lượng ban van

4) Sơ dé tính toán cằng van

Càng van được tạo bởi hai chân khung chính và được nối với nhau để cũng

chịu lực nhờ dim (đản) đúng hai đầu van và đưa thêm vio một số thanh bụng để giảm chiều dài tinh toán chân khung chính trong mặt phẳng của cảng van, vậy cảng

van ngoài chịu ấp lực nước khi nó li một bộ phận của khung chính, còn chịu tronglượng bản thân van do dân chịu trong lượng truyền tối

Nội lực trong các phân tổ của cảng van do áp lực nước đã tính toán ở trên, đểtính nội lực trong cảng van do trong lượng bản thân G sinh ra, phương pháp tính

toán truyén thống đã đưa vào giả thiết don giản hóa là trọng lượng bản thin van tác

dụng lên một cảng van do dàn chịu trọng lượng truyền tới dưới dang hai lực tậptrung G/4 có điểm đặt tại cánh dưới của hai dim chính, Khi không có đàn chịu trọnglượng thì bai lực tập trung G/4 đặt trên hai thanh cánh cảng van và cánh gối bản lềmột khoảng bằng 0.8R Nội lực trong cảng van được tính với thời điểm khi cửa van

bắt đầu rời khỏi ngưỡng, ứng với vị trí cửa van chịu áp lực nước lớn nhất.

Sơ đồ tính toán cảng van chân thẳng được trình bay ở hình 1.17, với cửa van

“chân xiên càng van được duỗi phẳng để tính.

b) Xác định nội lực trong cùng van

Hình 1.17 ~ Sơ đỗ tinh toán nội lực eng van

Trang 26

'G~ Trọng lượng phần động của cửa van.

a~ Khoảng cách từ cánh hạ dim chính tới tâm quay O.

‘T, — Lực kéo một phía cing van,

3, — Góc hợp bởi thanh cảnh trên của cảng van và đường thing nằm ngang

83, - Góc hợp bởi thanh cảnh dưới của cảng van và đường thẳng nằm ngang, Xa; Za — Toa độ điểm đặt lực kéo ở cửa van,

Xa; Zp — Tọa độ điểm treo lực kéo ở trụ pin.

Trang 27

ø=ØÄsin8, Đ- liệt

A= Veet

ng v.

0 Góc giữa phương T, và đường thẳng đứng

6, — Góc kẹp giữa AB và đường thẳng nằm ngang,

0; - Góc kẹp giữa AO và đường thing nằm ngang,

0; - Góc BAO ; 0; = 0) - 0;

©) Xác định trọng lượng bản thân van

Trọng lượng bản thin van có thể lấy theo của van cỏ kí

tương tự, cũng có thể xác định sơ bộ theo các công thức kinh nghiệm sau:

G=l 5F5/4 (kN) (1.21)

Trong dé: là diện tích lỗ cổng tinh bằng m?

"Với cửa van hình cung ở trên mặt được tinh theo công thức kinh nghiệm sau:

js wh)"

- Khi cing thing: 6 =1o{ 23)" 8A) 2)

~ Khi càng xiên: ở =0 5 Ý ” ay 123xn: G1 HE) 9) (123)

Trong 46:

.Œ— Trọng lượng ban thân của cửa van cung.

`WS— Tổng áp lực nước tác dụng lên cửa van tính bằng kN.

Lạ — B rộng lỗ cổng.

2.2.2.6 Tink toán kiểm tra về cường độ và độ cứng của khung chỉnh

a) Kiểm tra về cường độ và độ cứng của dam chỉnh

‘Ung suất pháp tại mặt cắt giữa dam:

M,

Ứng suất tiếp ti mặt cất gối dầm

Trang 28

Kiểm tra độ ổn định của chân khung trong mặt phẳng của khung:

Trong đó

Ting lực đạc trong chân khung do áp lực nước và do trong lượng bản thânsinh ra

øP = fms.) - Hệ số giảm khả năng chịu lực của cột chịu nén lệch tâm, phy

thuộc vào độ ch tâm tỉnh đối với m, và độ mảnh „của chân khung:

(128)

Trong đó:

Hệ số ảnh hưởng của mômen uốn

Ấ(2,) = Hệ số uốn đọc của chân khung trong mặt phẳng của cing.

- Phương pháp tinh toán truyền thống có ưu điểm là đơn giản, các công thứctính toán ở dạng tường minh, nên có thé dũng các công cụ toán học thông thường détính toán

~ Phương pháp tinh toán truyền thing có một số tổn tại sau đây

+ Phân phối áp lực nước lên các khung chính theo cách phân lực lên vật rắn

tuyệt đối, chưa phản ánh đúng các lục mỗi khung chính phải chịu, đặc biệt là trong

cửa van có ba khung chính.

+ Các bộ phận của khung tính toán theo các hệ phẳng độc lập, chưa xét được

Trang 29

sự làm việc đồng thời giữa các bộ phận.

- Để khắc phục các tổn tại nêu trên của phương pháp tinh toán truyền thống, tác giả của luận văn đã sử dụng phần mềm SAP2000 phân tích kết Âu văn cũng

theo bài toán không gian được mo "hóa bằng phần tử Frames và phần tử Shells

13 MỘT SỐ HÌNH ANH VE CUA VAN CUNG

Trang 30

Hình 1.20 ~ Vận hành ba cửa tràn xả lĩ hồ chứa.

An hưởng của vị trí cỗi quay của van cung đẫn sự làm việc thực 18 của cửa van

Trang 31

Trang 32

CHƯƠNG2 PHƯƠNG PHAP PHAN TỬ HỮU HAN VÀ PHAN MEM SAP2000 3.1, KHÁI NIỆM VE PHAN TU HỮU HAN

2.1.1 Khái niệm

Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là phương pháp số để giải các bài toán.duge mô tả bởi các vi phân riêng phần cing với các điều kiện biên cụ thể

Cơ sở của phương pháp này là làm rời rae hóa các miễn liên tục phức tạp của

bài toán Các miễn liên tục được chia thành nhiều miỄn con (phần tử) Các miễn này được liên kết với nhau tại các điểm nút, Trên miễn con này, dang biến phân tương đương với bài toán được giải xắp xi dựa trên các him xp xi trên từng phần tử, thỏa mãn điều kiện biên, cùng với sự cân bằng và liên tục của các phần tử.

Phuong pháp phần tir hữu hạn không tim dang xắp xi của hàm trên toàn miền xác định V của nó ma chỉ trong những miễn con V„ (phn tử) thuộc miỄn xác định của him Trong phương pháp phin từ hữu hạn miễn V được chia thành một số hữ hạn các miễn con, gọi là phần tử Các miền nảy liên kết với nhau tại các điểm cố.

diễn qua

định tước trên biên của phần tử gọi là nit, Các hàm xp xi này được

phần tứ Các

ce giá tì của hàm (hoặc các iá trị cia đạo him) tại các điểm nút

giá trì này được gọi là các bộc tự do của phn tử và được xem là n số cin tim của

bài toán

Để mô tả mỗi quan hệ giữa chuyển vi (hay ứng suit) trong một phin từ với chuyển vi (hay ứng suit) tại các điểm nit người ta phải chọn một him xắp xi hay

hàm chuyển vị phải thỏa min điều kiện liên tục trên các điểm nút hoặc các đường

biên của các phần tử liễn kề nhau.

Mặt khác, trên mỗi phần từ khi chịu tác dung tai trong sẽ phát sinh nội lực, phương pháp phần tử hữu han coi các thành phin nội lục của từng phần tử đều được truyền qua nút Như vậy các thành phin nội lực trong phương pháp phần từ hữu hạn

du được biéu diễn đưới dang lực nút hay còn gọi là ngoại lực nút Phương trình cân

bằng của nút i trong phần tử:

Trang 33

=SIPi) ey

“Trong đó Fi va Pi là các thành phần nội lực và ngoại lực tại mati

Khi chịu tác dụng tai trọng thì các phần tử có chuyển vị ở các nút, phương.

trình quan hệ nội lực ~ chuyển vị trong một phần tử như sau:

(Fi) = [Kip (ci) 02)

Trong đó [Ki] là ma trận độ cứng của phần tứ;

di) Các thành phần chuyển vị của cả hệ

2.1.2 Các nguyên lý vỀ công và năng lượng

Không làm nhiễu các điều kiện ring buộc trên biên S,, nghĩa là trên biên nay

có: ðU = 0 ta có nguyên lý công khả di:

Trang 34

Ø=[Ø, Oy Oy ty Tye tạ] là véc tơ ứng suất

Bén cạnh nguyên lý cơng khả di cịn cĩ nguyên lý cơng bù khả di, xét một vật

thể nằm trong trạng thái cân bằng cĩ thể tích V, chịu tác dụng của tải trọng gồm lực thể tích và lực bé mặt trên biên Sp với các điều kiện rằng buộc về chuyển vị trên

biên S, như đã mơ ta ở trên

Giá sử cĩ một trường ứng suất khả di 86,, ðơ,, 8¢,, ca khơng làm nhiễu

tà

điều kiện cân bằng ở trong vật và ở trên bị Sp nghĩ

ơ8g, 060, | nấm,

a &

Và OX, =ưØ,l+ ðty,m + Bran = 0,

Tương ứng ở trong V và ở trên Sp cĩ thể chứng minh được nguyên lý bù cơng khả di:

Iffee.d0, +680, 8 reba a ff ion, xi0 +87, as =0

Cie nguyên lý cơng khả di và cơng bù khả dĩ cĩ giá trị đối với mọi vật rắn biển dạng

Và cơng thứ Casino: 5,28.cơng thức Castigl tan Âu âm.

Nếu như quan hệ ứng suất ~ biển dạng tuân tho định luật Hooke suy ra:

we (G8, +0y8y + # Tan)

Trang 35

A(e,te,te Pte +e + 2) + (y3 +73

vết

2 eu Hy „(ôn

Tá MG GG

3 -0,0,-0,0,-0.0,))Brot)

Trong đó: E là mddun Young

2 và G là các hằng số Lame.

2.12.3 Các nguyên lý cực tu thé năng

Xét vật thể có th ích V căn bằng dưới tác đụng của ti wong và ác điều kiệnbiên như đã được mỗ tả ở bên Giả sử có chuyển vị khả dĩ vô cũng bổ Ou, Ov, dwVới sắc chuyén vị này và các công thức Green, biểu thức công thức khả df tửthành

ai=0

“rong đốt J = [[[sứa.y.19dV 5 [[UV, +, 32,04 = [fa oer Za Tà tổng thể năng của hệ (thé năng biển dạng và thé năng của tải trọng).

‘Vin xét vật thé cân bằng như trên, giả sử có trường ứng suit khả di vô cùng bế

oy, Ao Ota Với trường ứng suất khả đĩ này và công thức Casigliano, biểu

thức công thức công khả dĩ trở thành:

2U=0

“rong 46: = [[[B(2, r,\V ~[[d7X, +, + Z, 1 là tổng thể năng bà của hệ

nguyen lý cực tiêu thé năng "hâm J của các him chuyển vị ứng suấtn

kiện biên Sự Ở nguyên lý cực tiêu thé năng bù có phiểm him

Trang 36

biên Sp, như sau:

) BOO yoy.) (Xu + ¥v + Zod

ffs yr zsnds ff =80X, 0-94, + r= 99z, las

Các nguyên lý Lagranger, Castigliano va Reisner ~ Hellinger là cơ sở của cách

"u phương pháp số nói chung và của phương pháp phần tử hữu hạn nói

Nội dung cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn

"Một trong những tu điểm nỗ bật của phương pháp phần từ hữu bạn là đễ ding

lập chương trình để giải trên máy tính tạo điều kiện thuận lợi cho vige tự động hỏa

bằng hàng loạt kết cấu với những kích thước, hình dang, mô hình vật liệu và điều

kiện khác nhau

Phương pháp phần từ hữu hạn cũng thuộc loại bài toán biến phân, song nó khác với các biển phân cổ điển như phương pháp Ritz, phương pháp Galerkin ở chỗ

nó không tìm dạng hàm xắp xỉ của hàm cần tim trong toàn miỄn nghiên cứu, mà chỉ

trong từng miễn con thuộc miễn nghiên cứu đó Điều này đặc biệt thuận li đối với

những bài toán mà miễn nghiên cứu gồm nhiều miễn con có những đặc tỉnh cơ lý

khác nhau

Trinh tự giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Chia miễn tính toán thành nhiều miền con gọi tt là các phần tử Các phần từ này được nói với nhau bởi một số hữu hạn các điểm nút Các điểm nút này có thẻ là đình các phân tử, cũng có thé là một số điểm được quy ước trên mặt (cạnh) của phần.tt

‘Cac phần tử thường được sử dụng là các phần tử dạng thanh, dạng phẳng, dang

khối

Trong phạm vi của mỗi phần tử, giá thiết một số dạng phân bổ xác định nào đồ

của him cần tìm, có là him chuyén vi, hàm ứng su, cũng có t là cá hàm.chuyển vị và cả him ứng suất

Trang 37

Thong thường giả thiết các him này là những đa thức nguyên mã các bệ số của

da thức này gọi là các thông số Trong phương pháp phần tử hữu hạn, các thông số này được biểu diễn qua các tị số của các đạo hàm của nó tại các điểm nút của phầntứ

Tuy theo nghĩa của him xp xi mà trong các bài toàn kết edu ta thường chia

thành 3 loại mồ hình:

~ Mô hình tương thích: Ứng với mô hình này ta biểu diễn gin đúng dạng phân

bổ của chuyển vị trong phần tử Hệ phương tình cơ bản của bãi toán sử dụng môhình này được thiễt lập dựa trên nguyên lý biển phân Lagrange

= Mô hình cân bằng: Ứng với mô hình này ta biểu diễn gin đúng dạng phân bổ của ứng suất hay nội lực trong phần tử, Hệ phương trình cơ bản của bài toần sit

dạng mô hình này được thiết lập dua trên nguyên lý biển phân Castigliano

+ Mô hình hỗn hợp: Ứng với mô hình này ta bigu diễn gin đúng dạng phân bổ

của cả chuyển vị lẫn ứng suất trong phần tử Ta coi chuyển vị và ứng suất là 2 yêu tổ

độc lập riêng biệt, Hệ phương trình co bản của bài toán sử dụng mô hình này đượcthiết lập dya trên nguyên lý biến phân Reisner ~ Hellinger

“Trong ba mô hình trên thi mô hình tương thích được sử dụng rộng rãi hon cả,sòn hai mô hình sau chỉ sử dụng cổ hiệu qua trong một số bài toán nhất định

2.1.3.1 Thids lp hệ phương trinh cơ bản của bài toán

Để thiết lập phương tri cơ bản của bài toán giải bằng phương pháp phần từ

hữu han ta đựa vào các nguyên lý biến phân Từ các nguyễn lý biển phân ta rất ra được hệ phương tinh cơ bản của bài toán dựa trên thuật toán của phương pháp phần

tử hữu hạn có dạng hệ phương trình đại số tuyến tính.

AX=B3.1.3.2 Giải hệ phương trình cơ bản

Giải hệ AX = B sẽ tim được các dn số tại các điểm nút của toàn miễn nghiêncứu,

“Xác định các đại lượng cơ học cần tìm khác; Để xác định các đại lượng cơ học

Trang 38

cẩn tim khác ta dựa vào phương trình cơ ban của lý thuyết đản hồi.

2.1.4, Tinh hệ thanh phẳng bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Ứng dụng phương pháp PTHH để tính toán hệ thanh phẳng (cột, dần, dẫn

khung, vòm ) theo mô hình tương thích

Khi tính toán hệ thanh ta dùng phẩn tử dang thanh mà các nút của phân tử đó.

có thé là 2 đầu thanh, cũng có thé là 2 đầu của một đoạn thanh, miễn sao ta phải rời rae hóa hệ thanh một cách thích hợp đẻ các phin tử có đặc trưng hình học như mặt cắt, mômen quán tính cũng như các đặc trưng cơ học như E, v không đổi hoặc có thé thay bằng trị số trong đương Các nút của phần tử có thé lấy tại các điểm tác

dụng của tải trong tập trung

Khi tính toán hệ thanh phẳng ta chọn một hệ tọa độ xy chung cho toàn kết cầu,

song để thuận tiện cho vige thiết lập ma trận cứng và vectø ải cho phần tử thông thường ta chọn một hệ tọa độ + y cho từng phần tử có trục x trùng với trục của

thanh (phần tit) gọi là hệ tọa độ địa phương Sau khi đã thiết lập được ma trận cứng.

của vectơ tải của phần tử trong hệ tọa độ địa phương, ta sẽ thực hiện phép biển đổi

toa độ dé đưa về hệ tọa độ chung

2.1.4.1 Thanh chịu win

“Xết một phan tử thanh j chịu uốn xem trên hình 2.1

Hình 2.1

Phần từ có chiều di I, diện tích mặt ngang F Mỗi nút của phần từ có 2 chuyển

ví là độ võng và góc xoay, các chuyển vị big diễn trên hình vẽ đều mang dẫu dương, Hệ trục xy trên hình vẽ là trục tọa độ địa phương, ta sẽ thiết lập K, và Fe của

phần tử trong hệ tọa độ này

Trang 39

Chuyển vị nút của phần từ:

+ là chuyển v thing đứng của đầu iva đầuj của phn từ.

ty a là chuyển vị góc xoay của đầu i và j của phần tử.

Nhu vậy, tuy mỗi nút có 2 ẩn nhưng chúng lại lệ thuộc nhau nên chỉ còn 1 én

độc lập Chon him ân là độ võng hàm bậc 3:

Yea taxtax’ tax!

Trang 40

to ity [2 2 22 Các thành phần (phần từ) của vée to tải trong nút của phần tử trong hệ tọa độ địa phương cỏ giá trị bằng phân lực của dim có chiều dai và ác liền kết giếng như

phần từ và cũng chịu tải trọng cũng như phần từ nhưng cô chiều ngược lại Do đó

với các loại phần từ có liên kết khác, chịu tải rong khác với dạng ở trường hợp tiên

(cỏ thể cả trường hợp chịu tác dung của các nguyên nhân như nhiệt độ, chuyển vị

cưỡng bức ) có thé sử dụng phương pháp chuyển vị của cơ học kết cấu để xác

đình

Ta đưa ra một số K đối với một số phần ừ liên kết khác:

Định dạng
Số trang	121
Dung lượng	4,93 MB