Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình thủy: Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí gối bản lề tới lực kéo và trạng thái ứng suất - biến dạng của cửa van cung nhịp lớn

Khung chính gồm có dầm chính vàchân khung Khung chính được đặt theo phương bán kính của bản mặt, số lượng khung chính thường chọn từ một đến ba chiếc hình 1.11, Tuyệt đại đa số các cửa v

LOI CẢM ON

Với sự giúp đỡ của phòng Dao tao Dai hoc va Sau Đại học, Khoa

Công trình trường Đại học thuỷ lợi, cùng các thầy cô giáo, bạn bè, đồng

nghiệp và gia đình, đến nay Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật với đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí gối bản lề tới lực kéo và trạng thái ứng suất — biến dạng của cửa van cung nhịp lớn” đã được hoàn thành.

Tác giả xin tỏ lòng biết ơn chân thành đến các cơ quan đơn vị và các

cá nhân đã truyền đạt kiến thức, cho phép sử dụng tài liệu đã công bó.

Đặc biệt tác giả xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Vũ Thành

Hải người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tận tình cho tác giả trong quá trình

thực hiện luận văn nay.

Với thời gian và trình độ còn hạn chế, luận văn không thể tránh khỏi

những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, của các Quý vị quan tâm và bạn bé đồng nghiệp.

Luận văn được hoàn thành tại Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy lợi.

Hà Nội, tháng 8 năm 2014

Tác giả luận văn

NGUYÊN TÁT THỌ

BAN CAM KET

Tên tôi là: Nguyễn Tắt Tho

Học viên lớp: 19C12

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Những,nội dung và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được aicông bố trong bit kỳ công trình khoa học nao

Hà Nội, tháng 8 năm 2014

“Tác giả luận van

NGUYEN TAT THỌ

BAN CAM KET.

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - —

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

CHƯƠNG 1 - TONG QUAN VE CUA VAN HÌNH CUNG 2

1.1 Khai quát về cửa van hình cũng,

1.1.1 Khái niệm và phân loại.

1.1.2 Một số nguyên tắc và bố trí cấu tạo

1.1.3 Hình thức cửa van thường dùng hiện nay

1.1.4 Phạm vi ứng dung. 8 6h mẽ nw

1.2 Bồ trí kết cấu và xác định kích thước chủ yếu của cửa van 1

1.2.1, Cấu tạo chung của kết cầu cửa van oe —1.2.2 Chọn sơ bộ hình thức, vị trí và kích thước các bộ phận chính của cửa van cùng aT1.3 Tính toán kết cấu cửa van cung : "`1.3.1 Tính toán cửa van cung theo hệ phẳng 18 1.3.2, Phân tích cửa van theo bai toán không gian oa]

35KET LUAN CHUONG

CHƯƠNG 2 - PHƯƠNG PHAP PHAN TU HỮU HAN VA PHAN MEM SAP2000 sense 36

36 36

2.1 Khái quát về phương pháp phan tử hữu han

2.1.1 Các mô hình của phương pháp phan tử hữu han

2.1.2 Trình tự giải bài toán kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu han

41

2.2 Phần mém SAP2000 372.2.1, Khai quát về phần mềm SAP2000 en 37

2.2.2 Một số điểm cần chú ÿ khi sử dụng phan mém SAP2000 phân tích.trạng thái ứng suất và biến dạng cửa van cung 382.2.3 Các bước tính toán kết cấu cửa van cung bằng SAP2000 44.KET LUẬN CHƯƠNG

CHUONG 3 - PHAN TÍCH KET CÁU VAN CUNG TRONG CÔNG TRÌNH CHONG NGAP LUT TP HO CHÍ MÌNH 46

3.1 Giới thiệu công trình 46

3.1.1 Quy mô công trình 46 3.1.2 Các trường hợp nghiên cin _—- s46,

3.2 Trường hợp 1: AZ — 7.0m 47

3.2.1, Mô tả kết cấu cửa van 47

3.2.2 Mô hình hóa kết cầu cửa van cung bằng phần mem SAP2000 51

54 62

3.4.1 Mô hình hóa kết cấu cửa van oo 71

3.42, Phân ích kết cầu van cung theo bai oán không gian vn3.5 Tổng hợp kết qu inh toán và vẽ đường quan hệ giữa vị trí gối bản lễ

và lực kéo van, cũng như nội lực và chuyển vị của một si bộ phận chínhcủa cửa van tương ứng với mỗi vị trí gối bản lề TTKET LUAN CHUONG 3

KET LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ

TÀI LIEU THAM KHẢO.

DANH MỤC CÁC HÌNH VEMình 1.1 - Kết cấu cửa van hình cung hai khung chính, cảng xiên 2

Hình 1.2 - Cửa van trên mặt : oo 3

Mình 1.3 - Cửa van dưới sâu oe : sdHình 1.4 - Sơ đồ cầu tạo cửa van hinh cung — oeHình 1.5 - Gối quay của cửa van cung; a) Géi nón cụt; b) Gối bản BS

Hình 1.6 - Gối đỡ bên kiểu bảnh xe và kiểu trượt

Hình 1.7 - Cấu tạo kết cấu vật chắn nước bên va đáy van cung HHình 1.8 - Sơ đồ một số hình thức bổ tri tâm quay cửa van cung ¬-Hình 1.9 - Các loại hình thức khung chính : —

Hình 1.10 ~ Các hình thức khe van " 2⁄10

Hình 1.11 - Sơ đồ vị trí khung chính : sonHình 1.12 - Kết cấu cửa van hình cung dùng dầm đứng đặt sit «eo 16Hình 1.13 - Sơ đổ xác định áp lực nước lên dim chính trên và dưới 20Mình 1.14 - Sơ đồ áp lực nước lên cửa van trên mặt và cửa van dưới sâu 21Hình 1.15 - Sơ đồ tính toán và biểu đồ mômen uốn khung chân khớp, 23Hình 1.16 - Sơ đồ tinh toán và biểu đồ momen uốn khung chính chân ngâm

24

Hình 1.17 - So đồ tính toán nội lực cảng van 26Hình 1.18 - Sơ đồ xác định cánh tay đòn lực kéo van 26Hình 1.19 - Điễu kiện biên trường hop cửa van nằm trên ngưỡng 28

Hình 1.20 - Điều kiện biên trường hợp 2 máy nâng bằng xi lanh thủy lực 29

Hình 1.21 - Điều kiện biên khi nâng bằng tai dây kéo tiếp tuyến với bản mat

29

Hình 1.23 - Sơ dé kết cấu van cung ứng với trường hợp cửa van mở 31Hình 2.1 - Hệ tọa độ cục bộ của phần tử thanh 41Hình 2.2 - Truc tọa độ cục bộ 2 và 3 của phan tử thanh 41Hình 2.3 - Hệ toa độ cục bộ của phan tử vỏ 42Hình 2.4 - Quy ước đấu của lực đọc và mômen xoắn 43Hinh 2.5 - Quy ước dấu của lực cắt va mômen uốn 43

Hình 2.6 - Quy ude dấu nội lực của vỏ 44

Mình 3.1 ~ Bồ tri tổng thé van cung 47

Hình 3.2 ~ Kết cầu giản đứng van cùng 48Hinh 3.3 - Vj tri dam phy đọc 49

Hình 3.4 - Định vị dằm phụ dọc 49

Hình 3.5 - Kết cấu bản mặt và dim phụ đọc s1

Hình 3.6 - Kết cấu dầm đứng, giản ngang và cảng van s2

Hình 3.7 - ầm đứng, giàn ngang và càng van 5Hình 3.8 - Mô hình hóa kết cấu van cung s4

Hình 3.9 - Gan lực ma sát vào mô hình kết cấu van cung, 31

Hình 3.10 Mô hình cửa van trường hợp AZ = 7.5m 6

Hình 3.11 — Biểu đồ áp lực nước thượng lưu 6

Hình 3.12 ~ Phổ miu chuyển vị bản mặt van 6

Mình 3.13 ~ Biểu đồ lực doc cảng van 64

Hình 3.14 ~ Biểu đồ lực doc giàn chính 65

Hình 3.15 ~ Cánh tay din trong lượng bản thân van ~ -66,Hình 3.16 ~ Sơ đồ xác định cánh tay đòn lực kéo van 69Hình 3.17 Kết cấu van trường hợp AZ = 8.0m : see TAHình 3.18 — Đường quan hệ AZ và lực kéo van khi bat đầu rời khỏi ngưỡng

78

Mình 3.19 ~ Đường quan hệ AZ và lực kéo van khi mở hoàn toàn 78

Hình 3.20 - Đường quan hệ AZ và chuyển vị ngang lớn nhất ở bản mặt 79Hình 3.21 ~ Đường quan hệ AZ va lực dọc lớn nhất của cảng van 79

Hình 3.22 ~ Đường quan hệ AZ và momen tốn lớn nhất của càng van 19

Bang 3.2 - Chuyển vị tại một số nút ở bản mặt van

Bảng 3.3 - Lực đọc và mô men uốn trong cảng van

Bang 3.4 - Nội lực trong một số phan tử giàn chính trên và dưới

Bảng 3.5 - Phản lực liên kết tại các gối tựa

Bang 3.6 — Lực ma sit vật chắn nước bên Fs

Bảng 3.7 - Phản lực gối bản lề (bước lặp 1)

Bang 3.8 - Phản lực gối bản lễ (bước lặp 2)

Bảng 3.9 - Phản lực liên kết tại nút C

Bảng 3.10 - Xác định hành trình của xy lanh thủy lực.

Bảng 3.10 - Chuyển vị tai một số nút ở bản mặt van

Bảng 3.11 - Ứng suất của bản mặt cửa van

Bảng 3.12 - Lực đọc và mô men uồn trong càng van

Bang 3.13 - Nội lực trong một số phần tử giản chính trên và dưới

Bảng 3.14 - Phản lực

Bang 3.8 - Phản lực gối bản 1é (bước lặp 1)

Bảng 3.9 - Phan lực gối bản lề (bước lặp 2)

Bảng 3.10 - Phan lực gối bản lề (bước lặp 3)

Bang 3.11 - Phan lực liên kết tại nút C

Bang 3.12 — Xác định hành trình của xy lanh thủy lực.

Bảng 3.21 - Chuyển vị tại một số nút ở bản mặt van

Bảng 3.22 - Lực doc và mô men uốn trong cảng van

Bang 3.23 - Nội lực trong một số phần tử giản chính trên và dưới.

Bảng 3.24 - Phản lực liên kết tai các gối tựa

Đối với cổng ngăn triéu chống ngập lụt thành phổ Hồ Chí Minh cần sitđụng cửa van nhịp lớn để ngăn triéu, thoát lũ nhanh và giao thông thủy, một trong các phương án được chọn là sử dụng cửa van cung đóng mở bằng xylanh thủy lực Khoang thông thuyén của van cung có bán kính bản mặt lớnhon bảo đảm tinh không giao thông thủy Vị trí gồi bản lễ có ảnh hưởng tớilực kéo van, cũng như trạng thái ứng suắt-biến dang của cửa van, nên việcchọn vị trí hợp lý của gối bản lề là một yêu cầu cần quan tâm nhằm giảiquyết hài hòa giữa lực kéo và khả năng chịu lực của cửa van Xy lanh thủy

ầu tư thiết bị cơ khí củalực cũng có ty trọng không nhỏ trong tổng số

công trình, nên việc nghiên cứu vị trí hợp lý của gối ban lề có ý nghĩa thực tế

và cần thí

2 Mục đích của Đề tài

Xác định vị trí hợp lý của gối bản lễ với rang buộc vả yêu cầu về matcông trình thủy công, nhằm giảm lực kéo van, cũng như hành trình của xy lanh thủy lực, thỏa mãn điều kiện cường độ và biến dang cửa van cung,

nhằm giảm chỉ phí đầu tư cho công trình

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Một cửa van hình cung nhịp lớn trong công trình

Chí Minh,

ig ngăn triểu

chống ngập lụt thành phe

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phần mềm SAP2000 phân tích trang thái ứng sudt-bién dangcửa van cung nhịp lớn, xác định trọng lượng bản thân van và lực kéo của xy lanh thủy lực khi vị trí g6i bản lễ thay đổi, tim vị trí hợp lý của gối bản 18 để

giảm lực kéo van cũng như ứng suất trong quá trình khai thc

CHƯƠNG 1 - TONG QUAN VE CỬA VAN HÌNH CUNG1.1 Khái quát về cửa van hình cung [3] [4]

1.1.1 Khái niệm và phân loại

Cửa van là một bộ phận của công trình thuỷ lợi, dùng để khống chế

mực nước và điều tiết lưu lượng theo yêu cầu tháo nước ở các thời kỳ khaithác khác nhau Cửa van thường được đóng mở bằng tời hoặc xy lanh thủylực.

Cita van hình cung là cửa van có mặt chịu áp lực nước dạng mặt cong,thường là một phần của mặt trụ tròn và được nối với hai cảng, khi đóng mở.cửa van quay xung quanh một trục quay cố định nằm ngang Cửa van hìnhcùng thường được diing làm cửa xa lũ ở đập tràn Hình dạng không gian vàcác bộ phận chính của kết cấu cửa van cung cảng xiên cho ở hình 1.1

Dâm chính

Dầm phụ đọc

Hình 1.1 - ấu cửa van hình cung hai khung chính, càng xiên

Cửa van hình cung có hai loại chính là cửa van trên mặt và cửa van đưới sâu, có cửa phụ hoặc không có cửa phụ trên đỉnh van Cửa van trên mặt

Hình 1.3 - Cửa van dưới sâu.

Tuy nhiên trụ pin phải làm dai để có đủ kích thước đặt cảng van Aplực nước tác dụng tập trung lên trụ pin (qua cảng van) làm cho ứng suất tập

trung phát sinh trong trụ pin và việc bố tri cốt thép chịu lực phức tạp hơn,nhất là những nơi van làm việc trong điều kiện chịu lực hai chiều Về cấu tạo

và lip rép van cung cũng khổ khan, phúc tạp hơn van phẳng

Cita van cung là loại được áp dụng khá rộng rải, nhất là khi cửa cónhịp lớn hay những nơi cần tháo nước nhanh Vật liệt làm cửa van thường

bằng thép

Cia van cung được phân loại như sau: Theo mực nước thượng lưu, được chia thành hai loại: Cửa van trên mặt và cửa van dưới sâu Theo hìnhthức chảy qua van, có thé chia thành 3 nhóm: Cửa van cho nước chảy ở dưới,cho nước tràn qua đỉnh van, cho nước chảy qua đỉnh van và chảy dưới đáyvan Theo kết cầu cửa van được chia thành 3 loại: Cửa van đơn, cửa van cócửa phụ và cửa van kép.

“Trong các đập tràn thường dùng của van cho nước chảy ở dưới hoặc vừa cho chảy ở dưới vừa cho nước tràn qua van Trong các âu tau, thuyền chỉding loại tran qua đỉnh van loại cửa van hạ xuống

“Cửa van có cửa phụ hoặc cửa van hai t tháo vật 2, được dùng khi nỗi hoặc tháo một lượng nước nhỏ, vì nếu dùng cửa van đơn thi sẽ mắt mộtkhối lượng nước khá lớn

1.1.2 Một số nguyên tắc và bố trí cấu tạo

+ Kết cầu phân động cửa van cung - Cửa van hình cung bao gồm bảnchan nước (bản mặt), hệ thống dam (dam phụ dọc, dam đứng, dam chính),cảng đỡ và gối quay (hình 1.4) Hệ thong dam cũng bố trí theo nguyên tắc ở.mọi chỗ bản mặt chịu lực như nhau, các dim chính chịu lực như nhau dé tiệnthi công và tận dụng khả năng chịu lực của vật liệu.

Cảng để

Gỗi quay

Tình 1.4 - Sơ dé cấu tạo cửa van hình cung

~ Gối quay - Đỗi với kết cấu càng van, chịu áp lực nước từ dim chính

và dim đứng truyền tới, tính toán theo hệ giàn Gối quay là nơi ảng tựa lên

và quay khi đóng mở cửa Hình 1.5 biểu thị một số hình thức gối quay

Trường hợp bán kinh van cung R= (1.2z1,5)H,: (trong đó Hy là chiều sâunước thượng lưu) thì gỗi đặt thấp hơn mực nước thượng lưu Goi quaythường đặt cao hơn mực nước lớn nhất ở hạ lưu để tránh bị ngập nước dẫntới hư hỏng và han rỉ.

Hình 1.5 - Géi quay của cửa van cũng; a) Gối nón cụ b) Gối bản lễ

Gối quay của cửa van cung thường dùng là gối kiểu nón cụt (hình1.5a) và gối bản lề có một trục quay hoặc hai trục quay vuông góc với nhau(hình 1.5b), Gối có hai trục quay cấu tạo tương đối phức tạp nhưng có thẻchuyên động được theo hai phương khác nhau Do đó khi các trụ lún khôngđều trong chừng mực nhất định vẫn không ảnh hưởng tới việc đóng mở cửa.Gối bản lề một trục quay cấu tạo đơn giản hon, thường dùng trong các cửavan có nhịp không lớn.

- Gái đỡ bên - Dé đảm bảo cho cửa van ở vị trí bình thường trong khevan khi đóng và khi mở, để đảm bảo cho cửa van không bị xô lệch và không

bị kẹt trong khe van Thiết hướng bên có thể dùng kiểu bánh xe như:

{hin Lén hose iễo trượt như inh 1.6, được bồ tí ở bai đầu van

ahg

» „ Bin cinh dém ngnie

Hình 1.6 - Géi đỡ bên kiểu bánh xe và kiểu trượt

vật chắn nước bằng cao su thường dùng được biéu thị ở hình I.7a Cao sutấm ding làm vật chắn nước đáy, cao su chữ P thường ding lam vật chatnước bên và ở đỉnh, cao su chữ L chủ yếu dùng làm vật chắn nước ở bên cửavan hình cung Cau tạo vật chin nước bên cho ở hình 1.7b và vật chắn nướcđáy cho ở hình 1.7c.

a

»

k9)

Hình 1.7 - Cấu tạo kết cấu vật chắn nước bên và đáy van cung

1.1.3 Hình thức cửa van thường dùng hiện nay

Phin lớn cửa van cung dùng bản mặt hình cung tròn có tâm trùng với tâm quay, trong các sông có lượng phủ sa lớn lắng đọng ở trước cửa van, thi

tâm quay có thé đặt thấp hơn tâm bản mặt

Hình 1.8 - So đồ một số hình thức bé trí tâm quay cửa van cung,

Trong trường hợp này sẽ giảm được ảnh hưởng của lực ma sát do phù,

sa tác dụng lên bản mặt, giảm được lực kéo của máy đồng mở khi nâng van.

“Cửa van thường dùng nhất hiện nay là cửa van hai dim chính chịu tải trọngbằng nhau, bản mặt là một mặt cung tròn có tâm cong trùng với tâm quaycủa cửa van

Khung chính được chia thành các loại sau:

Cửa van chân xiên có một số uu điềm sau: Giảm được mômen uốntrong dầm chính, do đó dầm chính sẽ nhỏ, khi nhịp van dưới 12m và cộtnước đưới 5m có thé dùng thép định hình làm dam chính Chiều cao dimchính giảm, nên kết cấu giản đứng có thé nhỏ, trọng lượng van giảm, do đólực kéo cần thiết của máy đóng mở cũng giảm.

Cita van chân xiên cũng có một số nhược điểm sau: Cấu tạo gối bản lễ

và mỗi ni giữa dim chính với chân van khá phức tạp Tăng nội lực trong

chân van và tăng chiều đài của chân van Khi có nước tran qua đỉnh van

không nên sử dụng.

1.1.4 Phạm vi ứng dụng.

‘Van hình cũng được dùng phổ biến trong các công trinh tưới và tiêu,nhịp có thể tới 40m với chiều cao dưới 14m Khi nhịp van từ 10 đến 12m,thường dùng loại van cung hai dằm chính, chân mảnh, thắng hay xiên Với

nhịp từ 6 đến 12m, cột nước từ 2,5 đến 4m thường dùng loại chân xiên và 6

dâm ngang Ở những đầu âu thuyền dé tăng thêm chiều dai âu, giảm nănglượng dòng chảy dưới van khi đưa nước vào buồng âu, dùng van hình cung.tốt hơn van phẳng

Không dùng cửa van hình cung lâm cửa van sửa chữa, cửa van bảohiểm và cửa van thi công vì gối tựa của cửa van cung là cố định Cửa vancùng có thể bố trí trong khe van hoặc ở mặt ngoài của trụ pin như ở hình

1.10a và hình 1.10.

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

có nhiều wu dié 'ó thể dùng trên đập tràn với mat cắt bat kỳ mà không cai

mở rộng đỉnh đập Điều kiện thủy lực của dòng chảy ở mép dưới van cũng

tốt hơn van phẳng, Cửa van được liên kết với gối bản lề có định nên chuyểnđộng của cửa van được xác định và hầu như tránh được khả năng bị mắc kẹt

do ven.

“Trọng lượng van cung nhỏ hơn các loại khác Lực kéo của may đồng,

mở nhỏ, có thé lợi dụng phương hợp lực của áp lực nước không di qua trụcquay để giảm lực đóng mở

‘Van cung cũng có một số nhược điểm sau: Phải có mồ và đường biênđài Khi cống có chiều cao lớn và có ngưỡng ngang, nếu yêu cầu gối bản lễkhông ngâm trong nước thì càng van phải rit dài Thời gian đóng mở lâu hon

cửa van phẳng,

Hình 1.10 - Các hình thức khe van

1.2 Bố trí kết cầu và xác định kích thước chủ yếu của cửa van [2]

cấu cửa van1.2.1 Cấu tạo chung của

Cấu tạo cửa van cung phải bảo đảm các yêu cầu khai thác, giá thành

ha và phải dé chế tạo, lắp ghép, kiểm tra, sửa chữa

Phần lớn cửa van cung dùng loại hai khung chính Khi nhịp từ 12 đến16m dim của khung chính dùng loại tiết diện đặc, còn khi nhịp lớn dùng loại

di

giàn có thanh bụng xiên hoặc tam gide.Chan khung thường dùng.

đặc Dam đứng ở giữa thường dùng loại rỗng, còn dim đứng hai đầu dùngloại đặc,

Hình dang mặt cắt ngang của cửa van phải bảo đảm dòng cháy dưới

đây van không va vào dầm chính dưới Nếu vì một nguyên nhân nào đókhông thé đưa dam chính dưới lên phía trên, thì kết của dim dim chính tốtnhất là dùng loại rỗng (giàn) Khi dùng dam đặc thì bản bụng của dam can

phải khoét lỗ, điện tích của lỗ không được nhỏ hơn 20% tổng diện tích bản

bụng dim chính Loại cửa van có dim chính bé trí thắp thường gặp trong

cổng có khẩu độ lớn và chịu cột nước nhỏ

Khi thiết kế cửa van dùng cảng ít phân tổ ghép cảng tốt, cổ gắng dùng,

thép định hình Không nên dùng loại tiết diện có khe hẹp, vì khó kiểm tra,khó vệ sinh và quét sơn Tắt cả các phân tổ chính chịu uốn hoặc chịu nén dọctrục, phải chọn loại có độ cứng lớn nhất với kích thước cần thiết của mặt cắtngang theo tính toán.

1.2.2 Chọn sơ bộ hình thức, vị trí và kích thước các bộ phận chính của cửa van cũng

1.2.2.1 Chọn sơ bộ hình thức, vị trí và kích thước của khung chính.

Khung chính lä bộ phận quan trọng trong cửa van hình cung, có tác dụng chuyển toàn bộ áp lực nước, trọng lượng bản thân và trọng lượng lớpnước tran qua van (nếu có) lên gối bản lề Khung chính gồm có dầm chính vàchân khung

Khung chính được đặt theo phương bán kính của bản mặt, số lượng

khung chính thường chọn từ một đến ba chiếc (hình 1.11), Tuyệt đại đa số

các cửa van thường ding hiện nay là loại có hai khung chính chịu tai trọngbang nhau

Hình 1.11 - Sơ đồ vị trí khung chínhKhi xác định vị trí của khung chính cần xét tới yêu cầu về thủy lực(dòng chảy không va vào dim chính dưới), về cấu tao (bảo đảm cửa van có

đủ độ cứng) và về thi công (tiện cho việc phân đoạn)

hot 1g (giàn) Dùng khung chân mảnh có thé bỏ qua ảnh hưởng của lực

xô ngang khi xác định kích thước tường biên hay trụ pin của công trình, bỏcqua lực ma sắt trong gối bản lễ do lực xô ngang sinh ra

Cấu tạo dầm khung chính phụ thuộc vào kinh thước của cửa van(chiều cao và chiều rộng), loại van (trên mặt hoặc dưới sâu), chế độ khaithác, điều kiện lắp ghép, chuyên chở và vật liệu dùng dé ché tạo

Đối với cửa van dưới sâu, khi tải trong trên một mét dai lớn, mà nhịplại nhỏ thì ding dim bụng đặc vì lực cắt lớn hơn rất nhiều so với mômen.

tốn Đối với cửa van trên mặt, tải trong tác dụng lên một mét dài không lớn,

do đó lực cắt nhỏ Khi nhịp van lớn (20~30m) thường dùng dam chính rỗng(giàn) kinh tế hơn, vì nêu dùng dầm đặc thì không thé lợi dụng hết khả nănglàm việc của bản bụng dim

Hình dạng mặt cắt ngang của cửa van đôi khi có ảnh hưởng quyết địnhđến việc chọn hình thức dầm chính Khi cửa van có dim chính dưới thấp, để

tránh hiện tượng chân không dưới dim chính, dim chính thưởng chọn loại

tính toán của khung chính bằng khoảng cách giữa hai mặt phẳng

đối xứng của chân van, được xác định như sau

~ Khi van đặt trong rãnh van:

L=Lo +2d= Lo +2 (0.3 +0.5)m

- Khi van đặt trên công xôn của trụ pin (hình 4.6B);

Lo - 2(0.4 = 0.6) m

trong dé

L - nhịp tính toán của khung chính.

Lo - bề rộng của lỗ cống bằng khoảng cách trong giữa hai trụ pin

dd, d’ - khoảng cách từ mép lỗ cổng tới tâm gối bản lễ, chọn cảng lớn

khi tải trọng tác dụng lên van cảng lớn.

“Chiều cao dầm của khung chính có thé chọn sơ bộ như sau:

~_ Đối với dim chính rỗng [3 - Ag khi thanh bụng xiên

[2 ~ 2 ÌL, khi thanh bung tam giác

os ®

1.2.2.1 Sơ bộ chọn hình thức, vị tri của giản đứng (giàn ngang)

Cũng tương tự như trong cửa van phẳng, giàn đứng hay còn gọi làgiản ngang là một bộ phận rất quan trọng của kết cấu cửa van hình cung.Gian đứng có tác dụng đỡ áp lực nước từ ô dim và chuyển lên dim của

khung chính, phân đều tải trọng lên khung chính và chịu các lực ngẫu nhiên

không nằm trong mặt phẳng của khung chính

Giản đứng được tạo bởi thanh đứng của 6 dim, thanh đứng của giảnchính và thanh đứng của giản chịu trọng lượng.

Tuỳ theo kích thước của cửa van và hình dáng mặt cắt ngang mà chọn giản đứng cho thích hợp.

cao cột nước H <

với cửa van chân xiên có nhịp Lo € 12m, chỉ

4.5m và cửa van chân thẳng có Lo S 7m, HS 3.5m, dùng giàn đứng đặc là hợp li hơn cả.

Kính thước hình học của giàn đứng phụ thuộc vào chiều cao của van,bán kính và vị trí của tim bản mặt, phụ thuộc vào chiểu cao của dim chính

Khi dầm của khung chính là loại rổng (giản) thì vị tí của giàn đứng,

phụ thuộc vào hệ thanh bụng (thanh bụng xiên hoặc tam giác) Giàn đứng có

thể bố trí trong mặt phẳng của các thanh đứng của giản chính có thanh bụng

xiên hay nằm trong mặt phẳng đi qua các mắt giản của giản chính có thanhbung hình tam giác Trong cửa van có chân xiên nhất thiết phải bé trí giảnđứng trong mặt phẳng liên kết của chân van Giản đứng thưởng bổ trí mộtgiản ở giữa, hai giản ở vị trí liên kết của càng van và hai giàn nữa ở hai đầu

van,

1.2.2.3 Bố trí ô dầm

dim có thé bố trí trước dim chính hoặc đặt bằng mặt với dim chínhhoặc bé trí thấp hon dim chính Tuy theo khoảng cách giữa im chính.

mà 6 dim được bố trí đọc, ngang hay hỗn hợp

Khi khoảng cách giữa hai dầm chính lớn, bố trí đọc là hợp lí nhất.Dim phụ được đặt liên tục trên cánh thượng của giản đứng dọc theo toànchiều dai van và làm giảm chiều cao giản đứng Cho phép dùng han tự động

và bán tự động Nếu dim phụ được đặt bằng mặt với giản đứng, tức là dimphy bị cắt đứt bởi giàn đứng, thì đầu các thanh cần được nổi chắc với giản

“Các phân tố 6 dim thường dùng thép định hình.

Để tiện cho chế tạo va bảo dưỡng hiện nay nhiều cửa van cung có xu

hướng không dùng dim phụ dọc, chi dùng dim phụ đứng đặt day và hàn vào

bản mat tạo thành mảng 6 bản mặt Sau đó liên kết cánh hạ dim phụ đứng.của mang 6 bản mặt nay với cánh thượng dam chính (dùng nhiều dam chính

và không bổ trí cùng chiều cao với bản mat), Kết cấu cửa van cung theophương án này được thể hiện ở hình 1.12.

Hình 1.12 - Kết cấu cửa van hình cung dùng dầm đứng đặt sit

1.2.2.4 Chọn hình thức và cấu tạo giản chịu trọng lượng

Giàn chịu trọng lượng được bố trí ở thượng lưu và hạ lưu của dằm

th Nếu đầm chính được hàn chặt vào bản mặt thì không cần dat giản chịu trọng lượng ở thượng lưu vì chính bản mặt và cánh của đầm chính trên và đưới tạo thành một dim có tác dung như giản chịu trọng lượng.

Với cửa van có lầm chính không lớn thi không cẩn đặt giản chịu trọnglượng, lúc này trọng lượng cửa van do bản mặt chịu và truyền tải trọng lêngiàn gối (cảng) hay trụ biên Khi chiều cao của dim chính lớn (khoảng =1m) thì cần thiết phải đặt giàn chịu trọng lượng

Tuy theo kích thước của cửa van mà đùng loại có thanh bụng hoặc loại

không có thanh bụng Với cửa van có nhịp lớn hay cột nước lớn phải dùngloại có thanh bụng Tuy theo chiễu dai của các khoảng mắt của giản chính

mà dụng thanh bụng xiên hoặc nửa xiên Trong những cửa van nhịp nhỏ,chịu cột nước lớn, dim chính chịu tải trọng khá lớn, nên làm dim có bản

cánh rộng, trong trường hợp này có thể dùng giản chịu trọng lượng khôngthanh xiên, ở vị trí giao giữa các thanh đứng và thanh cánh của giàn này cầnđặt bản mắt rộng.

1.2.2.5 Hình thức, cau tạo của trụ biên và giản gối

‘Try biên được bé trí ở hai đầu cửa van, dùng dé gắn bánh xe bên, vậtchắn nước, cũng như các chỉ tiết khác Trụ biên được đặt theo toàn bộ chigucao của tiết diện ngang của cửa van Mặt cắt ngang của trụ biên thường dùngtiết diện chữ I hoặc hình hộp.

Giàn gối (cảng van) được tạo bởi các nhánh của chân khung chính, nó

6 tác dung liên kết các chân khung chính, chuyển áp lực nước tác dụng lên

cửa van vào bộ phận cổ định

‘Néu dùng khung chính kiểu công xôn, thi trụ biên và giản gối là hai bộphận đặt tách rời nhau Đối với cửa van có giản gối đặt sát đầu van, trụ biên

và giàn gối cùng nằm trong một mặt phẳng thì có thế kết hợp thành một cấukiện

Với cửa van nhỏ, giản gối có thể đùng loại không thanh xiên, còn đốivới cửa van có nhịp trung bình và lớn thì cần phải có thanh xiên

‘Thanh cánh giàn gối được làm bằng thép chữ I hay hai thép chữ C khicửa van có nhịp nhỏ và trung bình, dùng tiết diện chữ I hoặc chữ C ghépbằng thép góc và thép bản khi van có nhịp lớn, hoặc nhịp trung bình nhưng

hàn trực tiếp vào cánh cửa của giàn gối, còn đối với cửa van trung bình và

phải đặt bản mắtIon thi nhất thiế

Giàn gối được liên kết với kết cấu nhịp van bằng cách nỗi thanh cánh.của giàn gối với bản mắt ở đầu giản chính, bản mắt nay phải có độ cứng lớn

và nằm trong mặt phẳng của giàn chính Nếu giàn gối nghiêng, thì cuối thanh

cánh của giàn gối đặt một bản thép va han chặt vào cánh của dim chính Chitrong trường hợp cửa van nhỏ mới liên kết giữa giàn gối và kết cấu nhịp vanbằng bulông

Một đầu của giản gối được liên kết với bộ phần động của gối bản lễbằng bulông, thông qua bản dé Để tăng độ cứng của bản dé va tăng chiềudai đường hàn kiên kết giữa giàn gối vào ban dé, cần đặt thêm các sườn gia

cố Chiều dày bản dé chọn từ 12 đến 40 mm

Sơ đồ hình học của giản gối có dang tam giác (giao điểm của đường

h trục thanh cánh giản tring với tâm cung của bản r ic hình thang, (giao

mm của đường trục thanh cánh không trùng với tâm bản mặt) Trong sơ đồ

thứ nhất, toan giản là một tam giác bat biến hình, các thanh bụng chỉ có tác

dung làm giảm chiều dai tự do và lim tang én định của thanh cánh, nên cổgắng sử dung sơ đỗ này Nhưng trong cửa van lớn và chịu tải trọng lớn, kíchthước của gối ban lễ lớn, đường trục của thanh cánh giản gối không thể hướng vào tâm bản mặt được, do đó phải dùng giản hình thang, trong trường, hợp này các thanh bụng chịu lực doc.

13. inh toán kết cấu cửa van cung

1.3.1 Tính toán cửa van cung theo hệ phẳng

1.3.1.1 Phương pháp tinh toán theo hệ phẳng

Kết cấu cửa van hình cung là một kết cấu không gian và chịu lực kháphức tạp, khi phân tích nội lực để đơn giản có thể đưa về các hệ phẳng Nộilực của các phân tố nằm trên giao tuyến của hai hệ phẳng lấy bằng tổng nộilực trong hai hệ phẳng đó Cách tính này tuy không phản ảnh được hoàn toàn

trạng thái chịu lực thực tế của cửa van, nhưng thường dùng vì khá đơn giản,

có thể dùng để tính toán cửa van có kích thước trung bình và nhỏ Khi cửavan có kích thước lớn và chịu cột nước cao cần tính theo hệ không gian.

Khung chính và càng van là bộ phận chịu lực chủ yếu của cửa vanhình cung, chịu toàn bộ áp lực nước và trọng lượng bản thân cửa van thông,

«qua gối bản lễ chuyển lên bộ phận cổ định của công trình, nên trong mục nàychỉ trình bay chi tiết tính toán kiểm tra về cường độ, ồn định và

cứng của khung chính và cảng van theo hệ phẳng.

1.3.1.2 Phân tích khung chính theo bài toán phẳng,

- Trình tự tính toán khung chính theo hệ phẳng được tiến hành như

sau:

Xác định tổng áp lực nước tác dụng lên 1m dải cửa van và phương của

tổng áp lực này so với đường nằm ngang theo công thức giải tích

Phân tổng áp lực này lên các dim chính theo phưng pháp đồ gitrường hợp cửa van có hai khung chính, để hai dim chính chịu áp lực nướcbằng nhau thì phương của hai khung chính phải cách đều phương của tổng

ấp lực nude.

Sơ dé tính toán khung là đường trục các thanh, sơ đồ tính là khung

chữ nhật dầm ngang có công xôn khi càng van thuộc loại mảnh và thẳng

hoặc là khung hình thang dim ngang có công xôn khi cảng van (huộc loại

mảnh và xiên Chân khung gan liên kết ngảm khi gối quay là gối bản lễ cómột trục quay hoặc gối quay là gối nón cụt Chân khung gán liên kết khớp.khi gối quay là gối bản lề có hai trục quay Chiều cao tính toán h của khung,lấy bằng khoảng cách thing đứng từ tâm gối quay tới đường trọng tâm tiết

đi

tính toán của dim chính Tiết diện 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 chyén vị Chuyển vị thẳng đứng tại giữa nhịp dim bằng

~ Xác định lực tác dụng lên khung chính van cung theo hệ phẳng

Ap lực nước tác dụng lên khung chính trên q, và khung chính dưới qa

-của cửa van cung có hai khung chính được xác định theo công thức (1.1),được thiết lập từ sơ đồ tam giác lực cho ở hình 1.13

Hình 1.13 - Sơ đồ xác định áp lực nước lên dim chính trên và đưới

Ppcosa + sin aot gB a)

trong đó:

P - hợp lực của áp lực thuỷ tinh,

«- gốc hợp bởi phương của hợp lực P và phương của khung chính trên.

- gốc hop bởi phương của hợp lực P và phương của khung chính dưới.

Tổng áp lực nước tác dụng lên cửa van cung:

Lips (, 1 H,

P, =2 yRÊ Í 9+ 2sing, cose, ~ 2 Gin 3G, +sin29,) +24 (cose, —cosø,IRL, 9+ 2sing, cose, —2 (sin 2, +sin29,)+ 2-7 (cos, )

2)

trong dé:

† - trong lượng riêng của nước.

H, - chiều cao cột nước tường ngực.

1L - nhịp tai trọng của cửa van.

,- chiều cao tai trong của cửa van dưới sâu.

Trường hợp tâm bản mặt nằm ở dưới mực nước thượng lưu (Hình

1.16B), khi đó góc @, nằm trên đường nằm ngang đi qua tâm bản mặt, thì góc

‘1 trong các công thức trên mang dấu âm (-)

~ Tỉnh toán nội lực của khung chính theo hệ phẳng

Khung chính van cung kích thước lớn thường ding là khung hìnhthang có công xôn chịu tải trọng phần bổ đều, khung chữ nhật có hoặc không

có công xôn chịu tải trọng phản bố đều là trường hợp đặc biệt của khunghình thang này

Trường hop I: Khung hình thang chân liên kết khớp.

Khung chính hình thang cho ở hình 1.15 li khung đối xứng chịu tảitrọng đối xứng, nên có thé tính toán cho một nửa khung, trong trường hopnày phương trình chính tắc theo phương pháp chuyển vị chỉ có một dn Z; là

ỐC xoay:

Hình 1.15 - So dé tinh toán va biểu đồ mômen uốn khung chân khớp.Nội lực trong khung chính được xác định theo công thức sau:

_a(b! 6c”)63+2k) (8)

Trường hợp 2: Khung hình thang chân liên kết ngàm

Khung chính hình thang cho ở hình 1.16 là khung đối xứng chịu tảitrọng đối xứng, nên có thể tính toán cho một nữa khung, trong trường hopnày phương trình chính tắc theo phương pháp chuyển vị chí có một an Z, là

gốc xoay:

Hình 1.16 - Sơ đồ tinh toán và biểu đồ mômen uốn khung chính chân ngim

Nội lực trong khung được xác định theo công thức:

c - chiều dai công xôn của dim.

a - khoảng chênh theo phương ngang của đầu cột và chân cột

Khung chữ nhật là trường hợp đặc biệt có: L=b (a”0; sh).

~ Xác định nội lực cảng van cung theo hệ phẳng

Càng van được tạo bởi hai chân khung chính và được nỗi với nhau đểcùng chịu lực nhờ dim (giàn) đứng hai đầu van và đưa thêm vào một sốthanh bụng để giảm chiều dài tính toán chân khung chính trong mặt phẳng của cảng van, vậy cảng van ngoài chịu áp lực nước khi nó là một bộ phận của khung chính, còn chịu trọng lượng bản thân van do giản chịu trọnglượng chuyền tới

Noi lực trong các phân tổ của cảng van do áp lực nước đã tính toán ởtrên, dé tính nội lực trong cảng van do trọng lượng bản thân van G sinh ra, tađưa vào giả thiết đơn giản hoá là trọng lượng bản thân van tác dụng lên mộtcàng van do giản chịu trọng lượng chuyển tới dưới dạng hai lực tập trungGi4 có điểm đặt tại cánh dưới của hai dim chính Khi không có dàn chịutrọng lượng thi hai lực tập trung G/4 đặt trên hai thanh cánh cảng van và

cách gối bản 18 một khoảng bằng 0.8R, Nội lực trong cảng van được tinh với

thời điểm khi cửa van bắt đầu rời khỏi ngưỡng, ứng với vị trí cửa van chịu áp

lực nước lớn nhất Sơ đỏ ih toán cảng van chân thẳng được trình bảy ở

Hình 1.17 - Sơ đồ tính toán nội lực cảng van

Bw.)

Reece)

Hình 1.18 - So đồ xác định cánh tay đòn lực kéo van

“Xác định nội lực trong cảng van theo phương pháp giải tích

R,cosa, Sind, c0sd,

R, sind, R, cosỗ,

số, 088, sin nỗ, (13)

trong dé

G - trọng lượng phan động của cửa van

a - khoảng cách từ cánh hạ dim chính tới tâm quay O

T, - lực kéo một phía càng van.

ð, - góc hợp bởi thanh cánh trên của cảng và đường thẳng nằm ngang.Š; - góc hợp bởi thanh cánh dưới của cảng và đường thẳng nằm ngang,

dm đặt lực kéo ở cửa van.

Xa¡ZA = toa độ.

Xp; Zp - toa độ điểm treo lực kéo ở trụ pin

p - cánh tay đòn của lực đ

p=OAsind, Oa= eee

0 - góc giữa phương T, và đường thing đứng

Øị- góc kẹp giữa AB và đường thắng nằm ngang.

kẹp giữa AO vả đường thing nằm ngang.

gó

0:=6,-0,- góc BAO

1.3.2 Phân tích cửa van theo bài toán không gian

1.3.2.1 Khái quit về bài toán không gian

Kết cấu cửa van hình cung là một kết cấu không gian chịu áp lựcnước, trọng lượng bản thân van và nhiều tải trọng khác Khi phân tích nội lực

và biến dạng cửa van hình cung theo hệ phẳng không phan ảnh được tác

dụng qua lại giữa các bộ phận với nhau, nên kết quả tính toán không phảnánh đúng trạng thái làm việc thực của cửa van Mặt khác khi phân tích van

theo bài toán phẳng không xét được tác dụng đồng thời của nhiều loại tải

trọng cùng một lúc, ngay cả khi cửa van chỉ chịu áp lực nước và trọng lượng bản than, Như trên đã trình bảy khi phân tích nội lực cảng van do trọnglượng bản thân van, cũng như khi tính lực kéo của van, cần tính trọng lượng,ban thân cũng như điểm đặt của nó theo công thức kinh nghiệm, nên kết quảtính toán có thể khác với giá trị thực Nếu phân tích van cung theo bai toánkhông gian những vấn dé nêu trên sẽ được giải quyết không có khó khăn gì.

1.3.2.2, Điều kiện biên của bài toán

Trường hợp cửa van đóng (nằm trên ngưỡng) - Đôi với cửa van dùng

thiết bị đồng mở bằng tời cũng như ding xy lanh thủy lực ta có điều kiệnbiên của bai toán cho ở hình 1.19.

Hình 1.19 - Điều kiện biên trường hợp cửa van nằm trên ngưỡng

Với gối bản lề có một trục quay, gối bản lễ kiều nón cụt thì tại gối bản

18 các chuyển vị thing và chuyển vị góc bị rằng buộc, chi cho chuyển vị

xoay tự do đối với trục quay nằm ngang Với gối bản lẻ có hai trục quayvuông góc với nhau cũng tương tự, gồi bản lề chỉ cho chuyển vị xoay tự dođối với hai trục quay Tại các điểm tựa ở đáy cửa van vào ngưỡng hoặc vào

để trụ pin cần gan liên kết đơn thẳng đứng, ngoài ra với máy đóng mở bằng

xi lanh thủy lực còn có lực nén Q, hoặc Q; như ở hình 1.19.

Trường hop cửa van ri khỏi ngường: Khi hai thiết bi đồng mở hoạtđộng bình thường Với gối bản lề có một trục quay hoặc hai trục quay gắnrang buộc liên kết như trưởng hợp cửa van nằm trên ngưỡng Đồi với cửavan đóng mở bằng xy lanh thủy lực thì gán 2 liên kết đơn theo phương của.

xy lanh thủy lực tại điểm nồi xi lanh với cửa van, đồng thời gin lực ma sát

Fr tại gối bản lề va lực ma sat Fs tại vật chắn nước bên như ở hình 1.20

Hinh 1.20 - Điều kiện biên trường hợp 2 máy nâng bằng xi lanh thủy lựcĐối với cửa van đóng mở bằng tdi, phần dây cáp hoặc dây xích tiếpxúc với bản mặt, sinh lực ép cục bộ vào bản mat với giả thiết tải trong phân

bố đều hướng vào tâm ban mặt và có cường độ w=T/R, gan liên kết đơn theophương day cáp kéo van, ngoài ra còn có lự

trường hợp ding xi lanh thủy lực, vậy di

hiện ở hình 1.21c đối với trường hợp phương dây kéo tiếp tuyển với bản mặt

và ở hình 1.22c khi đây kéo không tiếp tuyến với bản mặt,

Hình 1.21 - Điều kiện biên khi nâng bằng tời dây kéo tiếp tuyến với bản mặt

Hình 1.22 - Điều kiện biên khi nâng bằng tai phương dây kéo không tiếp.

tuyển với bản mặt

Ap lực dây w phụ thuộc vào lực kéo van T, lực kéo T phụ thuộc vào

ma sát gối bản lễ, lực ma sát gối bản lễ phụ thuộc vào phản lực gối bản lễ,phan lực gối bản lễ lại phụ thuộc vào áp lực dây w, nên trong trường hợp này

cần tiến hành giải lặp cho đến khi phản lực gối bản lề xắp xi bằng nhau sau

hai lan lặp liên tiếp

1.3.2.3 Xác định nội lực và lực kéo cửa van

“Xác định nội lực và lực kéo van trong trường hợp cửa van vận hànhvới hai thiết bị đóng mở.và được tính toán với tổ hợp tải trọng sau:

14H; + L2D + 14Fs+ LO, (theo EM 1110-2-2702-1997)

‘Trinh tự tính toán như sau: Mô hình hóa cửa van theo bài toán không, gian, gắn các tải trọng nói trên gồm áp lực nước (HỊ), trọng lượng bản thanvan (D), lực ma sát do vật chắn nước bên Fs, lực ma sát gối bản lễ Fy vào mô.hình và gần điều kiện biên vào gối bản lề khống chế chuyển vị thẳng vàchuyển vị góc của gối đỡ, chỉ cho chuyển vị quay quanh trục nằm ngang, còntheo phương của xi lanh gan liên kết đơn, ta có sơ đồ tính như ở hình 1.23