Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình thủy: Nghiên cứu quy trình tính toán kết cấu trụ pin đập tràn có cửa van cung áp dụng cho thủy điện Xêkaman 1

LỜI NÓI ĐẦU

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật chuyên ngành xây dựng công trình thuỷ với đề tàiNghiên cứu quy trình tính toán kết cấu trụ pin của đập tràn có cửa van cung

- Áp dụng cho thủy điện Xêkaman 1” được hoàn thành với sự giúp đỡ nhiệt tình,

hiệu qua của phòng Đào tạo DH&SDH, khoa công trình cùng các thầy, cô giáo, các

bộ môn của trường Đại học thuỷ lợi, bạn bẻ đồng nghiệp, cơ quan và gia đình.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo:

GS.TS Nguyễn Chiến đã trực tiếp tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tàiliệu thông tin khoa học cần thiết cho luận văn này.

Tác giả xin chân thành cảm ơn tới:

Phong Đào tạo DH va SDH, khoa công trình, các thầy cô giáo đã tham giagiảng dạy trực tiếp Cao học của trường Đại học Thuỷ lợi Hà Nội đã tận tình giúp đỡvà truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian học tập chương trình Cao học cũng nhưtrong quá trình thực hiện luận văn.

Tác giả xin chân thành cảm ơn Đảng uỷ, Lãnh đạo, Cán bộ công nhân viênCông ty Cổ phần Tư vẫn Xây dựng Sông Đà đã tận tình giúp đỡ trong suốt thời gian

thực hiện luận văn này.

Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến những người thân tronggia đình đã động khích lệ tinh thần và vật chat dé tác giả đạt được kết quả như ngày

hôm nay.

Hà Nội, tháng 12 năm 2011Tác giả

Lê Thiếu Lương

CÁC NỘI DUNG TINH TOÁN KET CAU TRỤ VAN CUNG 23

3.1 Tỉnh toán kết fu trụ van cung theo phương phi truyền thống, 2

2.1.1 Phân tích ứng suất tụ giữa 2

2.1.2 Phân tích ứng suất trụ biên 31

2.1.3 Quy trình tính toán 4

2.2 Tính toán kết cầu trụ van cung theo phương pháp phan tir hữu hạn 4

2.2.1 Nguyên lý tính toán phân tích ứng suất trụ 432.2.2 Lựa chọn phần mém tinh toán ứng suất 50

2.2.3 Tính toán cốt thép các bộ phận2.2.4 Để xuất quy trình tính toán.

3.4 Tính toán kết edu theo phương pháp truyền thống.3.4.1 Tính toán trụ giữa

3.4.2 Tinh toán trụ biên.

3.5 Tính toán kết cầu theo phương pháp phần tử hữu hạn.

3.5.1 Các thông số đầu vào.3.5.2 Mô hình tính toán.3⁄53 ết quả tính toán.

3.6 Phân tch kết qua tỉnh toán

3.7 Kết luận chương 3

CHUONG 4: KET LUẬN VA KIEN NGHỊ

4.1 Các kết quả nghiên cứu của luận văn

19

DANH MỤC HÌNH VE.

Hình 1-1: Một số dip hỗ chứa được xây dựng đầu tiên trên thể giới

Hình 1-2: Mô hình cửa van cung

Hình 1-3a: Cửa van trên mặt có tâm bản mặt tring vớ tâm quay

Hình 1-3b: Của van trên mặt có tâm bản mặt không tring với tim quay.Hình I-3e: Cửa van cung dưới sâu

Hình 1-4: Hình dang cửa van cungHình 1-5; Thủy Điện Sơn La.Hình 1-6: Thy điện Hỏa Bình.

Hình 1-7: Bồ trí thép chịu lực ở trụ van cũng

Hình 1-8: Hình ảnh một công trình bổ t cốt thép theo quan điểm thứ 2

Hình 2-1: Sơ đồ bổ trí van cụng và trụ

Hình 2-2: Sơ đồ thay thể lực ác dụng lên trụ

Hình 2-3: Sơ đồ bản hình nêm vuông

Hình 2-4: Trường hợp lực tập trung P tại đỉnh hình nêm.

Hình 2-5: Trường hợp lực tập trưng Q tại nh hình nêmHình 2-6: Trường hợp mômen tập trung M tại đỉnh hình nêmHình 2-7: Sơ đổ lực

Hình 2.8: Biểu thị chibu đương của ứng suất

n phân tổ của nêm,

Hinh 2-9: Sơ đổ ngoại lực cân bằng trén biển.

Hình 2-10: Sơ đồ sai phân hữu bạn để tính vỉ phân của hàm

Hình 2-11: Momen theo hướng vuông góc với mặt bản

Hình 2-12: Sơ đồ sai phân hữu hạn khi gốc A trồng với OHình 2-13: Sơ đồ sai phân hữu bạn tại điểm góc C và D.Hình 2-14: Sơ đồ mặt trung bình của ban

Hình 2-15: Sơ đỗ dan cung

Hình 2-16: Biểu thị chiều dương của nội lực.

Hình 2-17: Biểu thị chigu dương của ứng suấtHình 2-18: Phin tử lục diện 20 điểm nit

4046

Hình 2-19: Phần từ chuẩn khổi lap phương.

Hình 3-1: Công trình thủy điện Xekaman 1

Hình 3-2: Mặt bằng dip trần XéKaman |Hình 3-3: Sơ dé tính toán trụ giữa

Hình 3-4: Quỹ đạo ứng suất chính mỗ giữa

Hình 3-5: Sơ đồ tính toán trụ giữa

Hình 3-6: Quỹ đạo ứng suất chính mé biên.Hình 3-7: Mô hình tinh toán.

Hình 3-8: So chia lưới phần tử.

Hình 3-9: Chuyển vị Uy (3D)Hình 3-10: Chuyển vi Uy (SD)

Hình 3-11: Ứng suất Sự (3D)Hình 3-12: Ứng suất Sy (3D).Hình 3-13: Ứng suất S, (GD)Hình 3-14: Ứng suất S; (3D)Hình 3-15: Ứng suất S, (try gia)Hình 3-16: Ứng suất S (trụ gia)

Hình 3-17: Ứng suất (vồng ai van trụ giữa)

Hình 3-18:Uing sud

Hình 3-19: Ứng suất S, (tu biên)Hình 3-20: Ứng suất S; (trụ biên).

Hình 3-21:Ung suắtS; (vùng tai van trụ biển)

Ss (vũng tai van trụ giữa),

Hình 3.22: Ứng suất Ss (vùng tai van trụ in)Hình 3.23:Phương c

Hình 3-24: Phương chiều ứng suất chính trụ biển

ứng sut chính tr giữa

69

DANH MUC BANG BIEU

Bảng 3.1: Tổng hop ứng suắt chính ving tai van trụ giữa

Bảng 3.7: So sánh kết quả tính toán giữa 2 phương pháp,

it kéo tại một số điểm đặc biệt khác.

Bảng 3.8: So sánh kết qua ứng s

70nn

MỞ ĐÀU

1 Tính cấp thiết của ĐỀ tài

“Trong công trình thủy lợi, thủy điện, đập tran là một hạng mục công trình lớn cá

về quy mô và tằm quan trọng Đập trần được xây dựng nhằm mục dich điề tết và

tháo lũ cho hồ chứa Đập tran cần phải được bỗ trí trụ pin để phân đập tran thành

nhiều khoang tràn và thuận lợi cho việc bổ trí cửa van Trụ pin không những cần

thiết cho bổ trí cửa van mà còn để bổ tí cầu công tác, máy đóng md, cầu giao thông

và chịu áp lực nước do cửa van truyền tới.

\Véi đập trần bổ tr cửa van cung, ảnh hưởng cia quả trình vận hành van cungđối với trụ pin trăn là rất lớn, Trong nhiều năm gắn đây, việc tính toán ứng suất và

biển dạng trong trụ pin trăn vẫn dừng lại ở bii toán phẳng Trong khi dd, thực tẾ sự

làm việc của trụ pin la ở trang thái không gian 3 chiều

vi ip dụng so đồ tinh toán khác với trang thi im việc thực tẾ

những kết quả bắt lợi, bố trí thép không di để chịu lực hoặc bé tri thép quá thửa,gây lăng phí Vì vậy edn thiết phải đánh giá mức độ chính xác của ác phương pháp.

trước đây, lựa chọn phương pháp tính toán hợp lý và đề xuất quy trình tính toán phủ.hợp Để tài luận văn hướng đến giải quyết các vin để này nên có tính cấp thtinh thực tiễn cao

II Mục đích của Đề tài.

+ Nghĩ cứu phương pháp tính toán ứng suất và biển dạng trong trụ van cung &

trạng thái không gian 3 chiều theo phương pháp phần từ hữu hạn.

+ Phân tích và so sánh với việc tính toán ứng suất và biến dạng trong trụ van.

ung theo phương pháp truyền thống

+ Bố tr cốt thép cho các bộ phận của trụ van cung:

i chiếu, phân tích kết quả tính toán của công trình thực tế, đưa ra nhận xétvà kiến nghị cho công trình tương tự.

II Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.

~ Đổi tượng: tính toán kết cầu trụ van cung trên đập tràn có van trên mặt Phân.tích ứng suất và bố cốt thép trụ

- Tinh toán cụ thé công trình thủy điện Xekaman 1 - Cộng Hoà Dan Chủ Nhânlào.

IV Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu.

+ Cách tiếp cận

- Nghiên cứu thông qua các tả liệu: Giáo trinh thủy công, giáo trinh thủyIye, các giáo trình chuyên ngành, các tải liệu chuyên ngành dịch tử tiếng Anh,Trang Quốc.

~ Nghiên cứu qua hd sơ thiết kế kỹ thuật công trình thủy điện Xekaman I~

“Công Hoà Dân Chủ Nhân Dân Lio và các kết quả đã tinh toán một số công trình

tương tự

+ Phương pháp nghiên cứu:

- Tổng hop tả liga từ các công tình thực t

~ Sử dụng phường pháp phần tử hữu hạn

- Nghiên cứu lý luận để sử dung mô hình ứng suất và biển dạng.

~ Sử dụng phần mễn ANSYS để tính toán.

~ Ứng dung tinh toán cụ thé cho trụ in trần công trình thủy điện Xekaman 1

Công Hoà Dan Chủ Nhân Dân Lio.

~ Khái quất hóa và để xuất quy trình tính toán.

CHƯƠNG 1

TONG QUAN VE CONG TRINH THAO LU

VA SỰ LAM VIỆC CUA KET CÁU CUA VAN CUNG

1.1 Tẳng quan về xây dựng bồ chứa và công trình thio Ki

“Cách diy 4000 nam ở Trung Quốc và Ai Cập đã bắt đầu xuất hiện công trình,‘Thuy lợi Đập được xây dựng đầu tiên là đập trên sông Nile cao 15m, dài 450m có

100m thi 30% là đập đất đá, 38% là đập bê tông, 21.5% là dap vòm.

đập vòm là 4% Nếu xế các đập có chiều cao trên

G Việt Nam đã xây dung được trên 460 hồ chứa nước có dung tích trên |triệu m’ và đập cao tir 10m trở lên và khoảng 3000 hỗ tiểu thuỷ nông khác, hàng

c, sản xuất 17 tỷ kWh điện Một loạt hệ

thống hồ chứa nước phục vụ nông nghiệp ra đời như Subi Hai, Đại Lai, Cắm Sơn,

“Thác Bà, Kẻ Gỗ, Quất Đông, Yên Lập, sông Mực, Xa Hương, sông Rác, subi Nia,Gò Miếu, Bảo Linh, Nam Thạch Han, Vue Trin, Phú Ninh, Ya Yun hạ, Tuyểnnăm dim bảo tưới 40 vạn hà đất canh t

Lam, Diu Tiếng.

VỀ thuỷ điện, nguồn thuỷ năng ở nước tart lớn, trữ năng kỹ thuật khoảng90 ti kWh với khoảng 21 triệu kW công suit lắp mấy Đến nay chúng ta đã xây

ống lũ,

dựng công trình Hoa Bình trên sông Đà là công trình lợi dụng tổng hợp ct

phit điện công suit 1920 MW, cung cắp nước và giao thông thuỷ Hiện nay nhà

nước ta dang cho khan trương triển khai các dự án bậc thang trên sông Da và sông.

Lõ - Gm trong đỏ phải kể đến đập Sơn La có dung tích và công suất lắp máy lớn

ông Nai cổ thuỷ diện Trị An với công suất 400 MW; trên sông

sông Bé có thuỷ điện Thá

phục vụ tưới cho 5000 ha ruộng đắt

“Thuỷ lợi nước ta đã gap phần dic lực phát triển nén nông nghiệp đa dang,

trọng tâm là bảo đảm lương thực cho toàn xã hội, có xuất khẩu; đồng thời góp phần.to lớn vio việc ph tiễn thuỷ điện, khi thắc nguồn năng lượng quan trọng, cắp

thoát nước cho công nghiệp và đô thị Ngoài ra thuỷ lợi tạo điều kiện phát triển giaothông thuỷ, góp phần phân bổ lại lao động trong cả nước, làm biển đổi nhiễu mặt về

xã hội qua tác dụng chống lũ, chống ứng, giải phóng sức lao động ở nông thôn, cải

thiện môi trường làm cho nông thôn trở nên văn minh, sich đẹp

“Công trình thio nước (CTTN) là một hạng mục không thể thiểu được của

một đầu mỗi thủy lợi Nó dũng để tháo nước thừa rong mùa lũ, đảm bảo an toàn

cho cả đầu mỗi ở một số đầu mỗi thủy lợi, CTTN côn được kết hợp để tháo nước

thường xuyên xuống hạ lưu, xả bùn cát, tháo cạn hỗ chứa, hay kết hợp để tháo nước.thi công,

Do vai trò đặc biệt quan trọng của CTTN, đối với một số đầu mỗi Thủy lợi,

ngoài CTTN chính, người ta còn bố tí thêm đường tran phụ, trăn sự cổ (TSC) để hỗtrợ tháo những con lũ vượt quả mức thiết kế

tinea Das

Hình 1-1: Mớt số đập ~ lỗ chứa được xây đựng đầu tên trên thé giới

1.2 Bố trí cửa van hình cung ở đập tràn

1.2.1 Khải0m cửu van cứng+ Khải niệm về cửa van

Cửa van là một bộ phân của công trình thủy lợi, thủy điện bổ trí tại các 18

tháo nước của đập, cổng để không chế mực nước và điều tiết lưu lượng theo yêu.

clu thio nước ở các thời kỳ khác nhau Cửa van có thé di động được nhờ sức kéo từcác thiết bị đóng mở hoặc nhờ sức nước Khi cửa van chuyển động, nó tựa lên các

bộ phận cố định gin chặt vio mỗ hoặc ngưỡng của công tinh ho

+ Khái niệm về cửa van hình cung

‘Cia van hình cũng là loại cửa van có bản chấn nước cong mặt trụ, Sau timchắn nước là hệ thông dim tựa vào cảng, chân cảng tựa vào trục quay gắn vào trụ.

Chuyển động khi nâng hoặc hạ cửa van là chuy én động quay.

Hình 1-7‘M6 hình cia van cung

Khi trục quay của cửa van trùng với tâm vòng trồn của tâm chắn, áp lực

nước sẽ truyỄn qua cảng đến trục quay Nếu tâm quay nằm thắp hơn tôm cung mặt

chắn thì lực mở sẽ giảm; khi tâm quay nằm phía trên tim cung mặt chắn thi áp lựcnước có tác dụng ép cửa van xuống ngưỡng kim cho day khít hơn, ít rò rỉ Songnhược điểm của các trường hợp này là dễ gây hiện tượng rung động khi mở cửa Vi

vậy thường bé trí trục quay trùng với tâm vòng tròn của mặt chắn.

Ưu điểm của van hình cung là lực mở nhỏ, mở nhanh và dễ ding, điều it

lưu lượng khá tốt, trụ có thể làm mỏng so với van phẳng vì khe van nông Tuy

nhiền trụ phải âm đãi để có đã kích thước đặt công van Ấp lực nước tc dụng tậptrung lên try (qua cảng van) lâm cho ứng suất phát sinh trong trụ và việc bố tr cốt

thép chịu lực phúc tạp, nhất là những nơi van lim việc trong điều kiện chịu lực hai

chiều Vị cấu tạo và lắp rp van cung cũng khó khăn, phức tạp hơn van phẳng.nhấ

Cita van cung là loại được áp dung khá rộng là khi cửa tháo có nhịplớn hay những nơi cin tháo nước nhanh Vật liệu làm cửa van thường bằng tp,Khi của van không lớn cũng có thé lim bằng gỗ

“Cửa van cung lớn thường được dùng đóng mở cửa xã lũ ở đập tran, Cửa vanhình cùng có hai loại chính là cửa van trên mặt và cửa van đưới sâu, có cửa phụhoặc không cỏ cia phụ trên đình van Cửa van trên mặt là cửa van có đỉnh cao hơn

cao trình mực nước thượng lưu, cửa van dưới sâu là cửa van có đỉnh thấp hơn mye

nước thượng lưu,

Hình 1-3a: Của van trên mặt có tâm bản mặt trùng với tâm quay

Tâmlinbing Tam quay elo

Hình 1-3b: Của van trên mặt có tâm bản mặt Không trừng với tâm quay

inh 1-3¢: Cửa van cung dưới sâu

Các yêu cầu khi thiết kế cửa van là: Cấu tạo đơn giản, lắp ráp, sửa chữa dễdàng, đóng mỡ nhẹ và nhanh; đủ khả năng chịu lực, lam việc an toàn và bản; dim

bảo mỹ quan, giá thành hợp lý Trong quá trình sử dụng, cửa van phải dim bảo

khống chế được mọi lưu lượng khác nhau theo yêu cẳu khai thác Chỗ tiếp xúc giữa.

cửa van với trụ, ngưỡng đáy, tưởng ngực phải có thiết bị chin nước tốt để chống rò

ri Trường hợp phía thượng lưu có nhiều bùn cát hay vật nổi thì cửa van phải có khả

năng tháo bùn cát hay vật nỗi dB đảng1.2.2 Phân loại cứu van cung

Cửa van hình cung được phân loại như sau:

+ Theo mực nước thượng lưu, được chia thành hai loại: Cửa van trên mặt vàcửa van dưới sâu

+ Theo hình thức nước chảy qua van, có thể chia thành ba nhóm: Cửa van

cho nước chảy ở dưới, cho nước trần qua cửa van, nước chảy qua định van và chảy

dưới van,

+ Theo kết cấu, cửa van được chia thành 3 loại: Cửa van đơn, cửa van có cửaphụ và cửa van kép.

“Trong các đập trần thường dùng cửa van cho nước chảy ở dưới hoặc vừa cho

nước chảy ở đưới vừa cho nước trần qua van Trong các âu tàu thuyền chỉ ding loại

‘cho nước tran qua đỉnh van loại cửa van hạ xuống.

Cửa van cổ cửa phụ hoặc cửa van hai ting được dàng khi cin tháo vật nỗi

hoje cẩn tháo một lượng nước nhỏ, vì nếu dùng cửa van đơn thì phải mắt một lượng.

nước khả lớn

1.2.3 Hình thức của van thường đàng hiện nay

Phin lớn của van cung ding bản mặt hình cung rồn cổ tâm trắng với tâm

quay, trong các sông có lượng phủ sa lớn lắng đọng ở trước cửa van, tì tim quaycó thể đặt thấp hơn tâm của bản mặt.

“Trong trường hợp này sẽ giảm được ảnh hưởng của lực ma sat do phù sa tác

cdụng lên bản mặt, và giảm được lực kéo của máy đông mở khi nắng van

Cửa van được ding phổ biển nhất hiện này là cửa van hai dằm chính chịu ti

trọng bằng nhau, bản mặt là một mặt cung tròn có tim cong tring với tim quay củacửa van,

lực ma sắt ở mặt bên của gỗi bin lễ Cửa van chân mảnh được dùng phổ in n

trong trường hợp này độ cứng của chân nhỏ hơn độ cứng của dầm vi vậy ảnh hưởngsửa lự ngang có thể bd qua

Cita van chin xiên có một số ru điễm sau

~ Giảm được mômen uốn trong dam chính, do đó dim chính sẽ nhỏ Khi nhịp.

văn dưới 12m và cột nước dưới Sm có thé đồng thp định hình làm thép dầm chính.- Chiều cao dim chính giảm nên kết cấu giản ngang có thé nhỏ, trọng lượnggiảm, do dé lực kéo cần thiết củaáy đông mở cũng giảm.

Cửa van chân xiên cũng có nhược điểm như sau:

~ Cấu tạo gối bản lễ và cấu tạo mối nối giữa dầm chính với chân van khá

Van hình cung được dùng phổ biến trong các công trình tiêu và tưới, nhịp có

thể đạt tới 40m với chiều cao dưới 14m.

Khi nhịp từ 1012m, thường dồng loại van cung hai khung chỉnh, chân mảnhthẳng hay xiên, Với nhịp 6+12m cột nước từ 2.5:-4m thường dùng loại chân xiên và

lầm ngang Ở những đầu âu thuyé tăng thêm chiều dai, giảm năng lượng.

dng chấy dưới van khi đưa nước vào buông , dùng van hình cung tốt hơn vanphẳng.

Không dùng cửa van hình cung làm cửa van sửa chữa, cửa van bảo hiểm và

cửa van thi công vì gối tựa cỗ định Cửa van hình cung có thể bỗ trí trong khe van

hoặc ở mặt ngoài của trụ pin.

Cita van hình cung được ding rộng rãi trong công trình thủy lợi vì nó có

nhiều ưu điểm:

- Cổ thể ding trên đập trên với mặt cất bit kỳ mà không cần mỡ rộng đình

~ Lực kéo của máy đóng mở nhỏ, có thé lợi dụng phương hợp lực của áp lực.

nước không di qua trục quay van để giảm áp lực đông mờ

= Có thể nhắc van ở một phía, do đó kích thước kết edu của cần trục có thểnhỏ đi

Van cung cũng có một số nhược điểm sau:

~ Phải có mé và tường biên đài

- Độ cứng của van cung nhỏ hơn van phẳng,

~ Khi cống có chiều cao lớn và có ngường ngang, nêu yêu cầu gối bản lẻkhông ngâm nước thi chân van phải rất đài

1.3 Điều kiện làm việc của kết cấu trụ van cung.

Sản 3A,ng Hinh, đều dùng cửa van hình cung trên các đập.

2=18m, bán kính bản mặt

“Các công trình thủy lợi, thủy điện lớn ở nước ta như Định Bình,“Cửa Đạt, Hòa Bình, Sơn L:

trần, có nhịp van B=R=12:21m.

}-15m, có chiều cao van H=

“Mình 1-5: Thúy Điện Sơn La

Thúy điện Hỏa Bink

“Trụ van cung là một kết cầu không gian chịu lực phức tạp Dưới tác dụng của.

ngoại lực, các trạng thái chịu lực chính của trụ như sau:

~ Chịu nén: do trọng lượng bản than trụ và các thiết bị đặt trên trụ.

- Chịu kéo: do lực day của cảng van vào tai trụ, trong khi day trụ bị ngâmchặt vào than đập trân nên phần thân trụ sẽ bị kéo.

~ Chị uốn: đồi với tụ in, hoặc tụ giữa nhưng một bên van mử và mộtbên van đóng thì có áp lực nước xô ngang làm cho trụ bị uốn theo phương trục đập.

(từ trái qua phải hoặc ngược lại),

hịu cất: do tác dụng của áp lực nước khi van đóng có thẻ làm cho mặt tiếp

giáp trụ với thân tran bị cất rồi, Ngoài ra lực tập trung tại ti trụ cũng có tác dungcất rời tai trụ khỏi mặt bên của trụ.

VE hình dang trụ, do đặc điểm kết cu, đáy trụ không phải là mặt nằm ngangmà thường uốn cong theo dang đập tràn Dinh trụ cũng thường không bằng phẳng

mà có cao trình thay đôi theo các vị trí đặt cầu giao thông, cầu công tác, cầu thả.

phai Trong tinh toán nói chung thường đơn giản hóa hình dang trụ và có thé dẫnđến sai số lớn, nhất là ở các biên.

Như vậy, do đặc điễm kí

thấi chịu lự rất phức tạp và thay đổi giữa các trường hợp tinh toán ĐiỀu này đôi

cấu và ngoại lực t c dung, trụ van cung có trạng

hỏi trong tính toán kết cấu trụ phải áp dụng các phương pháp phù hợp nhằm giảm.

thiểu các mô tả đơn giản hóa và tính toán cho các trường hợp khác nhau.

141ing quan về phương pháp tinh toán kết cfu trụ van

Như tên đã nêu, trụ van cung là một kết cấu có hình dạng và tính chit chịu

lực phức tạp Trong tính toán thường phân thành 2 bước lớn: Phân ích ứng suit và

của một nêm phẳng có tải trong (mômen và lực tập trung) tác dung ở đỉnh của nêm.

Kết qua tính toán cho ta hình ảnh về phân bổ ứng suất (ị số và phương chiều) trên

toàn trụ Còn phần tai van được tách ra tinh riêng như một dim công xôn ngắn được

ngim vào trụ Độ bên của phần tai van tru được kiểm ta theo diễu kiện chịu uốn,chịu cắt (tại mặt tiếp giáp với trụ) và chịu ép mặt (tại vị trí trục quay tỳ vào tai van),

Do việc đơn gián hóa kích thước hình học nên kết quả ứng suit ở các biên

thường không chính xác, đặc biệt là ở mặt tiếp giáp giữa chân trụ và thân đập tràn.

được đơn giản hóa thành mặt nằm ngang Tuy nhiên, kinh nghiệm tỉnh toán chothấy ứng suất ở các biên thường không lớn và t số ứng suất chủ đạo quyết định

hàm lượng cốt thép trong trụ vẫn là ứng suắt ở phạm vỉ lân cận tai trụ Do đó tínhtoán theo phương pháp truyền thing về cơ bản vẫn đảm bio được điều kiện bên của

trụ khi chịu lực.

2) Phương pháp phần từ hữu hạn (PTHH)

Phương pháp này xét try như một kết cầu không gian và chịu lực cùng với

thân trản, do đó mô tả được sự kim việc của trụ sát thực tế hơn Kết cấu toàn khốicủa trụ và phần thân trần liền kể được chia thành cúc phần tử dạng khối bắt kỷ: Các

phần tữ khối được liền kết với nhau thông qua các điểm nút Ứng suất của cúc điểm

nút được suy diễn từ các phương tỉnh mô ti chuyển vị của các nút gắn với các phầntử liền kề, Để đảm bảo sự chính xác cho phép thi số phần tử được chia phải đủ lớn,

thương trình mô tả nhiều, do đó phương pháp này cần được hi trợ bởi các côngcụ tinh toán mạnh là máy tính điện tử.

Mo tả cụ thể nội dung của 2 phương pháp phân tích ứng suất trụ được trinh

bày ở chương 2.

~ Quan điểm thứ nhất: bố trí thép hình rẻ quạt (himh 1-7a), cốt thép được bdtrí dựa theo sự phân bổ ứng suất trong trụ pin Trường phái này được sử dụng rộng

rãi trên thé giới bởi các nước Đông Au, Du nhập vào Việt Nam do Liên Xô, đã trợgiúp lớn về mặt kỹ thuật cho các công trình lớn của nước ta trước đây Các công tytư vẫn của ta phan lớn sử dụng phương pháp bổ tr thép này để thiết kể try pin van

cung Đây là phương pháp bé trí thép quen thuộc với chúng ta, tuy nhiên nhược.

điển là lượng thép bổ trí quả nhiều

- Quan điểm thứ hai: bổ tí thép song song theo hướng chịu lực chính trong

trụ pin, cổ ứng lực trước hoặc không ứng lực trước (inh 1-75) Quan điểm nàyphổ biến ở các nước Tây Âu, đặc biệt là Mỹ, đặc điểm của phương án bổ trí này là

các thanh thép đã chịu một phần ứng suất trước, do vậy khi trụ pin làm việc, phầnứng suit này được giải phóng và bù phần ứng suất trụ pin phải chịu do tải trọng

sm cốt thép, cách bổ trí cũng donQuan điểm này (6 ra hữu hiệu trong việc

giản hơn Điễu đồ làm tăng hiệu quả về kinh té và đồng thời giúp cho kích thước

cấu kiện bê tông không quá lớn và nặng né, tăng tính thẩm mỹ cho công trình

1§Gihạn nội dung nghiên cứu.

Việc nghiên cứu phương pháp tinh toán ứng suất và biến dang trụ van cungtrong luận văn này được giới hạn trong phạm vi saw

'Nghiên cứu bài toán không gian 3 chiều theo phương pháp phần tử hữu hạn cho

1 khối bao gồm trụ pin gắn với 1 phần trần cắt la Liên kết dưới day của khối này“được coi làiên kết nga,

Trong nội dung nghiên cứu không xét đến các lục the dụng do cầu giao thông,cầu trục chân đề, các phương tiện trên trần,

Cơ sở nghiên cứu tính toán theo tiêu chuẩn thiết kế công trình thuỷ hiện hànhcủa Nhà nước và ngành Thuỷ Lợi Việt Nam.

CHƯƠNG 2

CAC NOI DUNG TÍNH TOÁN KET CÁU TRỤ VAN CUNG

2.1 Tính toán kết cầu try van cung theo phương pháp truyền thống

Trong nhiều năm gần đây, việc tính toán kết cấu của trụ van cung vẫn thường.

sử dụng phương pháp truyén thống với việc đưa bài toán ứng suất biển dạng của trụ

van cung về bài toán phẳng,

2.L1 Phân tích ứng suất trụ gitta

2.1.1.1 Nguyên lý chung

inh dang của trụ pin thường phức tạp (hình 2.1) Để cho đơn giản, sử dụng

một bản hình chữ nhật có chiéu dày không thay đổi để thay thé Phía dưới bản cổ

cđịnh chặt với nền, côn ba cạnh bên coi như tự do.

thuyết din hồi

“Thường thường, kích thước giá đỡ cửa van nhỏ hơn kích thước của trụ giữa.

ất nhiều và gối đỡ này thường đặt ở góc của trụ Do đó lực đẩy của van R có thể

inh 2.2),

dùng 2 phân lực P, Q và mô men M thay thể

"Để tim img suất do P, Q và M gây na, có thể coi tr pin labo phận của bản

hình nêm vuông lớn, ở góc A chịu các ngoại lực P, Q, M tác dụng (hình 2.3).

Vì cạnh BC thực tế à tự do, để im tiệt tiêu ứng suất của biên có thể chothêm ứng suất có tị số bằng với ứng suất do hình nêm sinh ra nhưng có phươngngược lại tác dụng lên mép biên Bem ứng suất do 2 loại lực trên sinh ra cộng lại sẽ

cđược kết quả của bai toán trong trường hợp BC là tự do (phương pháp giải này chưaxét đến ảnh hưởng của cạnh cổ định CD).

Khi phân ích ứng suất bên rong hình nêm do các lực P,Q, M sinh ra, có thesử dụng các kết quả nghiên cứu hiện có Khi nghiên cứu ứng s do các tải trọng

ngược lại gây ra, có thể coi mồ như I dầm conson ngắn dé tính toán.

Hình 2- 2 Sơ để bận hình nên vuông

2.1.1.2 Các phương trình cơ bảm

“Trong các công thức đưới đây giả thiết chiều day trụ pin bằng 1 m và các lực.P,Q, mồ men M là các ti trọng tác dụng trên 1 chiều đây đơn vị,

1 Trường hợp góc đỉnh hình nêm chịu lực tập trung P tác dụng: Theo lý

thuyết din hồi, ứng suất ong bản sinh ra trong trường hợp ny

"` 1 ow

+ sin2z

2

“Hình 2-4: Trường hop lực tập trung P tai dink hình ném

2 Trường hợp góc đình hình nêm chịu lực tập trung Q tắc dụng, trường hop

này, ứng suất tinh theo công thức:

“Hình 2-5: Trường hop lực tập trưng Q tại dink hình nêm3 Trưởng hợp góc đỉnh hình nêm có mô men M tác dụng:

“Hình 2-6: Trười ing hợp mômen tập trung M tai đình hình nêm

4 Quan hệ giữa các thành phần ứng suất theo tọa độ cực và tọa độ vuông góc.

Sau khi phân biệt tim ra ứng suất do P, Q, M gây ra dem cộng lại sẽ được

tổng ứng suất sinh ra do các tal trọng P, M, Q tác dụng lên hình nêm Sau đó ứng.

dung phương pháp tim ứng suit trên mặt cắt nghiêng để tim ứng suit ơ và v ở cácidm trên mặt x,y

Nghiên cứu khối vi phân hình 27, căn cứ vào điều kiện cân bing có th tìmđược

Sing + tụ sin20' 29)

fay = 5 Or SIN2G + tụ COs 2-10)or sind@ 9 (2-10)

Va có thé tim được: Øy =ơ, c08"9 - tụ sin’ ean

Do sing=— ¡ cos=

Ky ery

~ h 2

"Hình 2-7 Sư 43 lực lên phân tổ của ném

“Thay vào các công thức trên ta được:

Khi ứng suất tinh ra theo các công thức trên có trị số (+), thì phương của nó

sẽ biểu thị như trên hình 2-8,

Hình 2-8: Biểu thị chiéu dương củasơ đồ ngoại lực cân bằng trên

ứng suất biển

5 Sự tiệt tiêu ứng suất ở trên cạnh bên tự do: Dựa vào kết quả trên, có thé

tim được tỉ số 7.0, 1, ở 1 điểm bit kỹ trong hình nêm dưới tác dụng của P,Q,

M, do dé cũng có thé tìm được ứng suất ở trên cạnh bên BC tự do ĐỂ tật tiêu ứngsuất rên cạnh biển này chúng ta giả thiết cổ tải trọng q cổ t số bằng ứng suất ở

cạnh bên BC nhưng có chiều ngược Iai xem hin 2-9) Dem ứng suất do q và t gâyra cộng với ứng suất của hình nêm sẽ là ứng suất thật của các điểm.

“Từ lý thuyết din hồi ta biết: Dưới tác dụng của các tải trong phân bổ g, tingsuất tạ các điểm trên tr pin là

(2-19)Trong đó:

MY: Mémen gây ra trên mặt ct ngang chứa điểm tinh toán do q gây nên

N : Là lực hướng trục trên mặt cắt ngang chứatính toán do tgây ra,

Q : Lục cắt rên mặt cắt ngang chứa điểm tính toán dog gây a6 Ứng suất do trong lượng bản thân mồ trục gây ra

“Trong đó: yy ~ Trọng lượng riêng của bê tông

1 số và phương của ứng suất chỉnh

Để kiếm ta cường độ m6 try một cách chính xác, phải biết được t số và

phương ứng suất chỉnh ở các điểm trên mỗ Trị số và phương của ứng suất chính.

được tinh theo phương pháp sức bén vật liệu

Trị số của ứng suất chính có thể tinh theo công thức:

2.1.1.3 Các bước tính toán ứng suất mồ trụ giữa

Việc phân tích ứng suất mổ trụ giữa có th tiễn hành theo các bước sau đây

1 Bem lực diy của cửa van chia cho chiều dây mé sẽ được lực diy trên một

đơn vị chiều diy của mé

2 Theo yêu cầu của tính toán, đem mặt phẳng mô chia thành những ô lướiố mắt lưới

chữ nhật theo chiều tọa độ x, y và đánh.

3 Ung dung các công thức (2-2), (2-4), (2-7), (2 ) tim ø,, tụ ở các điểm.

Sau đồ dùng các công thức (2-12), (2-13, (2-14), tim ứng st ơ,, ø, và ty ở các

4, Cho tải trong , Lcó trì số bằng với ứng suất én cạnh BC nhưng có chiều

ngược với chiều của ứng suất trên BC Ứng dụng các công thức 2-17), 18), 19) tìm ứng suất ơ,, 0, toy ở các điểm, sau đó đem cộng với ơ, ơy, ty và ứng suất

Ung dụng phương pháp đã giới thiệu ở trên có thể giải được vấn đề phân tíchmồ giữa Ở phần này sẽ được giải quyết bằng lý luận uốn của một bản phẳng (timphẳng) - Do vin dé mã chúng ta đang nghiên cứu tương đối phức tạp, khó có đượcmột giải đáp chính xác, nên trong phin này chỉ giới thiệu phương pháp giải ra tị số

của bài toán uén của bản phẳng.

2.1.2.2 Phương pháp giải bài toán uỗn của bản phẳng

1 Phương trình cơ bản của bản phẳng bi uỗn Vấn để tốn của bản phẳng có

thể quy thành việc tim độ võng ở mặt phẳng giữa o(x.y) Ở các điểm bên trong bản,

độ võng này cin phải thỏa mãn phương trình cơ bản, còn ở mép bién phải thỏa mãn

điều kiện biên đã định trước

oo, Mo oo 4

ar aD

Trong đó: q — Cường độ ti trong phân bổ vuông góc với mật bản Trong bài

toán chúng ta đang nghi cứu = 0.

p= vit chiều đây bản.

20=zˆ) °

Vi phân của him số ở 1 điểm bat kỳ có thé dùng ham ssai phân hữu hạn ở

điểm đó thay thể Chúng ta dùng các ô lưới hình vuông có cạnh bên dai li 8 (xem“hình 2-10) như vậy công thức (2-24) sẽ có thể viết thành:

2 Điều kiện biên

“Trong bài toán chúng ta dang nghiên cứu AB, BC, DA là 3 cạnh biên tự do.CD coi là biên cổ định, chỉ có điểm A là góc phải chịu mô men tập trung theohướng vuông góc với mặt bản m và m, (xem hink 2-11) Do vậy điều kiện biên ởcác cạnh bên và các góc là

+ Trên cạnh DA:

DK (2-26)lạm tên

Sau khi đem điều kiện này viết thành dang sai phân có thé tim được quan hệ

của độ võng của 2 hing nút ở bên ngoài va độ võng các nút bên trong (tức dùng đội"võng của các nút bên trong biên thay cho độ võng của các nút bên ngoài biên),

Xu các nit 11,0, 1, ở trên biên, côn các út 7,4 , I2 ở bên ngoài biện từ

điều kiện biên của điểm 0 là M, = Oth tà số

`" 2m)au

Dùng điều kiện biển thứ 2: Ø, += 0, ding thoi xế ến độ võng của cácđiểm nút 7, 4, 8 đã biết, ta được:

0, = Wy —2(3— We, — 04) +2— NO, - 0, —0, +04) (2-276)+ Trên cạnh AB:

Điều kiện biên: M, = -De2P + 22,

Âu kiện biên là ao, aeĐiều kiện biên as: +uŠ =0

4, =, +3G=00, ~e)=(2=/00, =m; =m +0) —— G201)“rên cạnh CD:

Do độ võng của các điểm nút trên trên cạnh biên cổ định này bằng 0, ta chỉkiện biên của cạnh cổìm tị số độ võng của hàng nút ở bên ngoài biên

định là:

@=0, và

Khi các nút 5, 1, 8 ở trên cạnh cố định, còn nút ở ngoài biên:

tị =0 (2-32a)Và =o (2-32b)

+ Trên điểm góc A

Khi điểm góc A trùđiểm 0 (xem hình 2-12), ti số võng của các điểm

nút 8, 6 có thé căn cứ vào điều kiện biên của nút là M, = 0 và điều kiện biên của

nút 2 làmà tim ra

Để tìm độ võng của S điểm nút khác là 3, 4, 11,7, 12 có thé ding 5 điều kiệnbiên của điểm A là

Từ

Từ 3 điều kiện biên khác, có thể tim được công thứ của: tị, 3, 0y

Điểm góc C và Dị

Độ võng của 2 điểm này đều bằng 0,'húng ta thường cần có trị số độ von,

chúng ta thường cần có tị số độ võng của els ?

một điểm ở bên ngoài biên, khi tìđộ vn

s 102 O 4 12của các điểm này có thể ding 2 điều kiện

biên sau ste

" 8

20 va M, =0 (xem hinh 2-13)

ar Hinh 2-13: So đồ sai phan hữu hantai điểm góc C và D

Chúng ta đã tim được các điều kiện biên ở các biên và các điểm góc viết

dưới dạng công thức sai phân, những công thức đó sẽ được ứng dụng khi tim độivõng.

3 Trị số dự.

Mục đích tinh toán của chúng ta lã tim được độ võng ở các điểm nút sao chobiên Sau khinó vita thỏa man các phương trình cơ bản vừa thỏa man các

biết được độ võng của các điểm bên trong bản sẽ có thể tìm được nội lực và ứng

xuất ở các điểm 46, Nhưng đối với độ võng của 1 giá thiết nào đó, phương trình saiphân (b) rõ rằng không thể thỏa man được, do đó sẽ tạo ra một số dư Trị số dự của

các điểm nút ở bên trong sẽ tính theo công thức:

độ võng của các điểm nút bên ngoài, như vậy sẽ được phương trình tim trị số dư.

biểu thị hoàn toàn bằng độ võng của các điểm nút bên trong

‘Sau khi tìm được trị số dư của các nút, sẽ dùng phương pháp dan cung dé tim

độ võng thực ở các điểm nút

4, Phuong pháp dan cung (trucmg cung)

Chúng ta dùng phương pháp din cung để đi

“Trước khi điều chỉnh, cả

sinh trị số dư của các nút

cư tính độ võng của các điểm nit ở trên bản Trong khỉ

tính toán, dùng phương pháp của sức bản vật liệu đưới đây và đã thu được két quả

khả quan

Giả thiết mg, m, là mô men uốn và mô men xoắn phân bổ đều trên cạnh AB,

theo lý thuyết về uốn và xoắn của site bn vật liệu, cổ thé tim được độ võng cia mặt

giữa của ban theo hệ tọa độ đã chọn (xem hinh 2-14)

của các điểm nút sẽ bing 0, néu không sẽ phải tiền hành điều chỉnh, cho đến khi nàocác điểm nút cân bằng tức tr số dư bằng 0 mới thôi

Nguyên lý của phương pháp giãn cung để tính tị số dự như sau

Khi ứng dung hình thúc din cung đem điểm 0 đặt vào điểm nút cần điều

chỉnh Sau khi độ võng của điểm đó đem cộng thêm với ích số của hệ số phân phối

và tr số dư thì tị số dư của điểm đồ bằng 0 Đẳng thời tị số dư của các điểm gin

446 phải cộng thêm với ở điểm đó và trị số dư của điểm

TÌ (38) 1) (28) (TA"“¬.¬".Ền n-

2\ (38) /2

Ấb lân) cử4

Hinh 2-18: Sơ đồ dan cung

Khi dùng phương pháp din cung để điều chỉnh có thé bit đầu từ đi m nút có

trì số dư lớn nhất không cần phải inh theo thứ tự.

Cân lưu ÿ là khi chúng ta tiến hành dan để điều chinh chưa xét đến điều kiện.biên, do đồ khi điễu chỉnh, độ võng của các điểm nút tìm được chưa chắc đã là đápsố chính xác; do đó cần phải tìm lại trị số dư của điểm nút và tiền hành điều chỉnh.

Tin nữa Cứ điều chính như vậy (Khoảng từ 5~6 lần) từ độ võng của điểm nút saukhi điều chỉnh tìm ra trị số dư gần bằng 0 hoặc giảm nhỏ đến phạm vi cho phép, lú

đó độ võng này mith i độ võng mà ta phải tim,

số dư có thể dùng phép dan 1 lượt Lúc này hình thức dân có

Điều chính tr

thể dựa vào phương trình của trị s dư tìm được rồi dựa theo phương pháp vừa trìnhbảy ở phin trên mà tìm ra Nhưng do hình thức dan cung của các điểm nút trên biênvà hàng nút bên rong biên khác với bình thức dần của các điểm nút ở bên rong do4 cảng làm cho việc điều chỉnh thêm phức tạp Chúng ta không thio luận về vẫn

để này nữa

2.1.2.3 Từ độ võng của bản tim nội lực và ứng suất của bản.

Biết được độ võng của mặt giữa của bản, có thể tìm được nội lực, Từ lýthuyết uén của bản phẳng ta có:

(11a) Ø

“Hình 2-16: Biểu thị chiẫu dương của nội lực

t (+) có phương biểu thị trên hình 2-17, rõ rằng là ứng suất lớn nhấthít sinh tại mặt ngoài của bản và cổ tị số là:

-28! any \

"Mình 2-17: Biu tị chiều dương của ứng suất

Cuối cùng lưu ý, khi tìm mô men xoắn trên biên tự do, thường thấy trị

không bằng 0 Điều này không phit hợp với điều kiện biên Nhưng chúng ta có thểchứng minh loại mô men xoắn phân bố này với loại lự cắt phân bổ trên biên hợp

thành 1 hệ lực cân bằng với nhau.

Theo nguyên lý của Saint-Venanthé lực cân bằng này không có ảnh hưởngrõ rệt đối với sự phân bỏ của nội lực của bản, do đó có thé coi mô men xoắn và lực.

ft ở biên tự do đều ing 0,