Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình thủy: Nghiên cứu ảnh hưởng của liên kết nửa cứng đến trạng thái ứng suất và biến dạng của cửa van hình cung

Phương pháp tính toán cửa van cung 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 thé đưa về các hi 1g..

LỜI CẢM ƠN

Với sự giúp đỡ của phòng Đảo tạo Đại học và Sau Đại học, Khoa Công

trình trường Đại học thuỷ lợi, cùng các thay 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 liên kết nửa cứng đến trạng thái ứng suất và biến dạng của cửa van hình cung” 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 bố.

Đặc biệt tac gia 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 này.

Với thời gian và trình độ còn hạn chế, luận văn không thê 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 bè đồng nghiệp.

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

Hà Nội, tháng 11 năm 2013

Tác giả luận văn

TRƯƠNG ĐỨC HẠNH

BAN CAM KET

Tên tôi là: Trương Đức Hạnh

DANH MỤC CÁC HÌNH VE

DANH MỤC CAC BANG BIEU

CHUONG 1 - MỞ ĐÀU

1.1 Đặt vấn dB - — ¬ 1.2 Nội dung nghiên cứu.

1.3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

1.4 Kết quả nghiên cứu cần đạt được

'CHƯƠNG 2 - TONG QUAN VE CUA VAN HÌNH CUNG,

2.1 Khái quát và phân loại cửa van cung

2.1.1 Khái niệm.

2.1.2 Phân loại cửa van cung

2.1.3 Các bộ phận chính của cửa van cũng.

2.1.4, Hình thức cửa van thường ding hiện nay ae) 2.1.5 Phạm vi sử dụng 12 2.2 Phân tích kết cấu van cung theo hệ phẳng l3 2.3.1 Phương pháp tính toán cửa van cung theo hệ phẳng, l3 2.2.2 Phân tích khung chính theo bai toán phẳng 13 2.3 Phân tích kết cầu cửa van cung theo bài toán không gian 21 2.3.1 Khai quát về bài toán không gian 21

2.3.2, Điều kiện biên của bai toán 22

2.3.3 Xác định nội lực và lực kéo cửa van 24

2.3.4 Tinh toán kiểm tra khung chính và cảng van seo 26,

KET LUẬN CHƯƠNG 2 28

CHUONG 3 - TONG QUAN VE KET CAU CÓ LIEN KET NỬA

CỨNG VA PHAN MEM SAP2000

3.1, Khái quát về liên kết nửa cứng 293.2 Các nghiên cứu vé kết cầu có nút cứng và liên kết nữa cứng 303.2.1, Tổng quan về kết cầu có nút cứng - so 3Ú)

3.2.2 Tổng quan về kết cấu có liên kết nửa cứng "— 323.2.3 Phân tích kết cấu có liên kết nửa cứng 36

3.3 Xác định độ cứng xoay của liên kết nữa cứng [6| 49

3.3.1, Liên kết dằm-cột trong kết cầu khung thép ened

3.3.2 Phương pháp tổ hop áp dung cho liên kết dằm-cột s03.4 Phân tích kết cấu hệ thanh có liên kết nửa cứng bằng SAP2000 543.4.1 Mô hình hóa kết cau van cung 54

3.4.2 Phan tích nội lực kết cau van cung

KET LUẬN CHƯƠNG 3

CHƯƠNG 4 - PHAN TÍCH TRẠNG THÁI UNG SUÁT VÀ BIEN DANG CUA CUA VAN CÓ LIÊN KET NỬA CỨNG 62

4,1 Nhiệm vụ và quy mô công trình :

_-4.1.1 Nhiệm vụ công trình = soe 62

4.1.2 Quy mô công trình đầu mối 624.2 Kết cấu cửa van ngăn triều va giảm ngập 634.2.1 Mô tả kết cấu cửa van save ese _-

4.2.2 Số liệu tính toán 64 4.2.3 Trường hợp tính toán 64

4.3.1, Mô hình hoá kết cầu van cung nhịp lớn 664.3.2 Kiểm tra độ tin cậy của mô hình a4.3.3 Kết quả tính toán nội lực và chuyển vị cửa van cùng trong trường

hợp cửa van trên ngưỡng T3

4.3.4, Kết quả tính toán nội lực và chuyển vị cửa van cùng trong trường

hợp cửa van bắt đầu dời ngưỡng s24.4, Phân tích kết cầu van cung nhịp lớn liên kết nửa cứng bằng phần mềm.SAP2000 s2 scssseesee "1 OL

4.4.1, Kết quả tính toán nội lực và chuyển vị dim chính và cảng van

trong trường hợp cửa van trên ngưỡng -92

4.4.2 Kết quả tính toán nội lực và chuyển vị dim chính và cảng van

trong trường hợp cửa van đời ngưỡng 9

KET LUẬN CHƯƠNG 4

KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGỊ

TÀI LIEU THAM KHẢO:

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼHình 1.1 - Hỗ sông Quao tỉnh Bình Thuận.

Hình 1.2 - Công Lân 2, Tién Hải, Thái Bình

Hình 1.3 ~ Cống Haringvliet ~ Hà Lan

Hình I.4~ Cống Maeslant — Hà Lan

Hình 2.1 - Kế ấu cửa van hình cung hai khung chính, cảng xiên

Hình 2.2 - Cửa van trên mat

Hình 2.3 - Cửa van dưới sâu,

Hình 2.4 - Bố trí tổng thé van cung và thiết bị đóng mở

Hình 2.5 - iu giản ngang va cảng van cung.

Hình 2.6 - Sơ đồ cầu tạo cửa van hình cung

Hình 2.7 - Gồi quay của cửa van cung; a) Gối nón cụt; b) Gối bản lễ

Hình 2.8 - Gối đỡ bên kiểu bánh xe va kiểu trượt.

Mình 2.9 - Cấu tạo kết cầu vật chắn nước bên và đáy van cung

Hình 2.10 - Sơ đồ một số hình thức bố trí tâm quay cửa van cung

Hình 2.11 - Các loại hình thức khung chính

Hình 2.12 - Các hình thức khe van.

Hình 2.13 Sơ đồ xác định áp lực nước lên dam chính trên và dưới

Hình 2.14 - Sơ đồ áp lực nước lên cửa van trên mặt và cửa van dưới sâu

oS 15

Hình 2.16 - So dé tính toán và biểu đồ momen uốn khung chính chân ngàm.

Hình 2.17 - Sơ đồ tính toán nội lực càng van

Hình 2.18 - Sơ đồ xác định cánh tay đòn lực kéo van

Hình 2.19 - Điều kiện biên trường hợp cửa van nằm trên ngưỡng

Hình 2.20 - Điều kiện biên trường hợp 2 máy nâng bằng xi lanh thủy lực

18

Hình 2.22 - Điều kiện biên khi máy nâng bang tời phương day kéo khôngtiếp tuyến với bản mặt 2Hình 2.23 - Sơ đồ kết cấu van cung ứng với trường hợp cửa van mở 24Mình 3.1 - Mối nối dm cột bằng bu lông và sơ dé biến dang 29Hình 3.2 - Mô hình liên kết dầm cột 29

Hình 3.3 - Mô hình hóa khung có nút cứng 30Hình 3.4 - Mô hình phan tử dim có hai đoạn cứng ở hai đầu —

Mình 3.5- Mô hình chuyển vị góc của liên kết nữa cứng 33Hình 3.6 - Mô hình lò xo cho chuyển vị góc và chuyển vị thẳng 34

Tình 3.7 - Mô hình nút cúng và liên kết nữa cứng „34

Hình 3.8 - Đường cong đặc tính liên kết nửa cứng của Colson -.35

Hình 3.9 - Đường đặc tính liên kết của Yee & Melchers 36 Hình 3.10 - Siêu phần tir dim 37

Hình 3.16 - tổ hợp của liên kết dim - cột dùng bản bích và bu lông SI

Hình 3.17 - Mô hình cơ học liên kết dằm-cột có bản bích mở rộng dùng bu

lông 31 Hình 3.18 - Minh họa các ký hiệu 53

Hình 3.19 - Mô hình hóa bản mặt va dim đứng, 5s

Hình 3.20 - Quy ước về các điểm Insertion Points 5SHình 3.21 - Trình tự mô hình hóa dằm phụ đọc %6

Hình 3.22 - Nhập độ cứng xoay vào đầu j của thanh

Hình 3.23 - Mô hình hóa cửa van cung bằng phần mềm SAP2000

Hình 3.24 ~ Sơ đồ liên kết khỉ van nằm trên ngưỡng

56

37 57

Hình 3.25 - Sơ đồ liên kết va lực ma sát xuất hiện khi van rời khỏi ngưỡng

Hình 4.6 — Mat cắt ngang của bản mặt van cung

Hình 4.7 — Mô hình hóa dầm chính và dim phụ đọc

Hình 4.8 - Kết cấu cửa van cung cảng xiên nhìn từ thượng lưu

Hình 4.9 - Kết cấu cửa van cung cảng xiên nhìn từ hạ lưu

Hình 4.10 - Ap lực nước thượng lưu và hạ lưu bằng phỏ mẫu

Hình 4.11 - Biểu đỗ chuyền vị bằng phô mau nữa trái bản mặt

Hình 4.12 - Mã nút nữa trái bản mặt

Hình 4.13 - Biểu đồ ứng suất S;¡ và S;; bằng phô mẫu nửa trái bản mặt

Mình 4.14 - Biểu đồ nội lực của nửa trái dầm phụ dọc số 3

Hình 4.15 - Biểu đồ chuyển vị của nửa trái dim phụ đọc số 3

Hình 4.16 - Kết cầu dim đứng và cảng van

Hinh 4.17 - Biểu đồ phố màu chuyển vị của dầm đứng số 8

Hình 4.18 - Biểu đỗ ứng suất $11 và $22 bằng của dim đứng số 8

Hình 4.19 ~ Biểu dé phổ mầu chuyển vị của dầm chính

s8 63

64 65

65

67

61 69

„70

70 T7

T8

.79

Hình 4.20 - Biểu đồ phé mẫu chuyển vị nửa bên phải của dim chính giữa 80Hình 4.21 — Biểu đỗ ứng suất S11 và S22 của nửa bên phải dim chính trén80Hình 4.22 ~ Biểu dé lực dọc P và mômen M3 của cảng van 81

Hình 4.25 - Biểu đồ chuyển vị bằng phd mẫu của nữa trai bản mặt 85

Mình 4.26 ~ Biểu đồ ứng suất S11 và S22 của nữa trái bản mat 86

Hình 4.27 — Biểu đồ nội lực của nửa trái dim doc phụ số 8 87Mình 4.28 ~ Biểu đồ ứng suất S11 và S22 của dim đứng số 8 88Hình 4.29 ~ Biểu đồ chuyển vị của dim chính 89

Hình 4.30 - Biểu đồ phổ mẫu ứng suất S11 và $22 nứa bên phải dim chính

90 Mình 4.31 — Biểu đồ lực doc P vả mômen M3 của cảng van 91

Hình 4.32- Biểu đồ phổ mẫu ứng suất $11 và S22 nửa bên phải của dam

chính trên se %

Hình 4.33 — Biểu dd lực dọc P và mômen M3 của cảng van 93

Hình 4.34 ~ Biéu đồ phổ mẫu chuyển vị nữa bên phải của dim chính giữa 95,Hình 4.34- Biểu đồ ứng suất S11 và S22 nữa bên phải của dim chính trên 95

Hình 4.35 ~ Biểu đồ lực dọc P và mômen M3 của cảng van 96

DANH MỤC CÁC BANG BIEUBang 3.1 - Phan lực gối tựa của dầm đâu ngảm chịu tải trọng tập trung 48

Bang 4-1 - Giá trị góc a và góc Ô =—ð 11

Bảng 4.2 ~ Bảng kết quả phản lực tại gối do ALN sinh ra T2Bang 4.3 ~ Bang kết quả phan lực tại gối do trọng lượng ban thân sinh ra 73

Bing 4.4 - Chuyển vị tại một số nút trên bản mat,

Bảng 4.5 - Ứng suất $11 và S22 một số phần tử trong bản mặt cửa van 75Bảng 4.5- Kết quả nội lực của một số phần tử trên dầm phụ dọc số 3 76.Bảng 4.6 - Kết quả chuyển vị của một số phần tử trên dim phụ dọc số 3 76

Bảng 4.7 - Kết quả tính toán chuyển vj của một số nút trên dm đứng số 8 78Bảng 4.8 - Kết qua ứng suất tại một số phần tử cũa dầm đứng số 8 79Bang 4.9 - Kết quả tính toán chuyển vị tại một số nút của dam chính giữa 80

Bảng 4.10 - Kết quả tính toán ứng suất $11 và S22 tại một số phan tử và nút

81 Bang 4.11 - Kết quả tinh toán nội lực một số phần tử của càng van trái 82

của dâm chính trên

Bảng 4.12 ~ Bảng kết quả lực kéo van và phản lực gối bản lề (Lin lặp 3) 84

Bảng 4.13 ~ Chuyển vị ở một số nút bản mặt 85Bảng 4.14 ~ Ứng suất $11 và S22 một số phần tir và nút của bản mặt 86

Bang 4.15 — Kết quả nội lực của một số phan tử trên dam phụ đọc số 8 87Bảng 4.16 ~ Kết quả chuyển vị của một số nút trên dầm phụ đọc số 8 87Bảng 4.17 ~ Kết quả chuyển vị của một số nút trên dầm đứng số 8 „88Bảng 4.18 — Kết quả ứng suất $11 và S22 của một số phần từ và nút trêndim đứng số 8 89

Bảng 4.19 ~ Kết quả chuyển vi của một số nút trên dim chính gi 90Bảng 4.20 ~ Kết quả ứng suất S11 và S22 tại một số phần từ và nút dim

90 OL

Bang 4.21 — Kết quả tính toán nội lực của cảng van trái

chính trên : : _ 9

Bang 4.24 — Kết quả tính toán nội lực của cảng van trái 4Bang 4.25 — Kết quả chuyển vị của một số nút trên dầm chính giữa 94Bảng 4.26 — Kết quả ứng suất S11 và S22 tại một số phan tử và nút dim

chính trên 95Bảng 4.27 ~ Kết quả tính toán nội lực của cảng van tri 96

CHƯƠNG 1- MO DAU

vấn đề

ến đổi kh

Trong những năm gần đây sự hậu có những diễn biến

phức tạp, gây ảnh hưởng lớn đến sản xuất nông nghiệp và sinh hoạt của

người dân Nước biển ding đã và đang de dọa nghiêm trọng đến các công

trình thủy lợi, đặc biệt là tinh hình ngập ang ở vùng ven biển đồng bing sôngCửu Long Tình hình ngập úng ở đây đã được phản ánh nhiều trên cácphương tiện thông tin đại chúng và nó mang tinh thời sự nóng bóng Đinh

triều cường tại nơi đây ngày càng lập mức ky lục, tin suất xuất hiện ngàycảng nhiều Sự ngập úng do triều cường gây ra hậu quả nghiêm trong, anhhưởng đến đời sống và sự phát triển kinh tế khu vực

‘Trude tình hình ngập ting đang diễn ra, biện pháp giải quyết là phảixây dựng các tuyển dé bao và làm các công trình ngăn các cửa sông Việc xây dựng phần thủy công các công trình này tuy khó khăn nhưng chúng ta đã

có kinh nghiệm Bộ phận quan trọng nhất quyết định kết cấu công trình vàkha năng ngăn triều là cửa van

Chính vì vậy “Nghién cứu ảnh hưởng của liên kết mita cứng đến trangthái ứng suất và biển dạng của cửa van hình cùng” dé đảm bao được cường,

độ và ôn định cũng như biển dạng của các thành phần kết cấu và của toàncửa van khi đưa vào vận hành là rất thiết thực, mang lại hiệu quả kinh tế

đáng kế như giảm nhẹ trong lượng bản thân cửa van, tăng cứng chống biểndạng hoặc chuyển vị cho cửa van, tạo điều kiện thuận lợi cũng như giảm chỉphi cho công tác vận hành và tăng tuổi thọ cửa van

Hình ảnh một số cửa van cung ở Việt Nam và trên th

Hình 1.3~ Cổng Haringvliet ~ Hà Lan

1.2 Nội dung nghiên cứu

Nghĩ

và biến dang của cửa van hình cung trên đập trin có kích thước lớn chịu tắc.

cứu ảnh hưởng của liên kết nửa cứng đến trạng thái ứng suất

dung của trọng lượng bản thân va áp lực nước.

1.3 Cách tiếp cận va phương pháp nghiên cứu

- Cửa van được mô hình hóa theo bài toán không gian, bản mặt bằng

phần tir Shells, dim chính và dim đứng được mô hình hóa bằng phần tửShells, các bộ phận khác bằng phần từ Frames Với liên kết giữa dằm chính

‘va càng van dùng liên kết bu lông và được coi là liên kết nửa cứng

~ Tính toán trạng thái ứng suất và biến dạng của cửa van trong haitrường hợp liên kết nửa cứng và liên kết cứng Đưa ra nhận xét về kết quả

tính toán.

1.4 Kết quả nghiên cứu cần đạt được

~ Xác định được cửa van hình cung có liên kết cứng và liên kết nửa

cứng và có nhận xét về ảnh hưởng của liên kết nửa cứng tới độ bền của công,trình

- Phân tích sự phân bố lại nội lục khi dùng liên kết nửa cứng so với

khi giả thiết là liên kết cứng

2.11, Khi

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

lực.

Cửa van hình cung là cửa van có mặt tiếp xúc với nước có dạng cung,

trụ tròn và được nối với hai cảng, khi đóng mở cửa van quay xung quanh một trục quay cổ định năm ngang Cita van hình cung lớn thường được dùng

lâm cửa xã lũ ở đập tran, hình dạng không gian va các bộ phận chính của kếtcấu cửa van cung càng xiên cho ở hình 2.1

Daim chinh

Đầm phụ doe

Hink 2.1 - Kết edu cửa van hình cung hai khung chính, cảng 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 đình van Cửa van trên mặt

là cửa van có đính cao hơn cao trình mực nước thượng lưu (hình 2.2), cửavan dưới sâu là cửa van có đính thấp hơn cao trình mực nước thượng lưu

(hình 2.3)

Của van hình cung có wu điểm là đóng mở nhanh và dé dang điều tiết

lưu lượng tháo, trụ pin có thể làm mỏng so với van phẳng vì khe van nông.

Gti quay Bin mặt

S vie dân chị trọng lượng

‘Tuy nhiên trụ pin phải làm dai dé có đủ kích thước đặt cảng van Ap

lực nước tác dụng tập trung lên trụ pin (qua cảng van) Lim cho ứng suất tập

thép chịu lực phức tạp hơn,trung phát sinh trong trụ pin và việc bổ trí c

nhất là những nơi van lam việc trong điều kiện chịu lực hai chiều Vẻ cấu tạo

và lắp ráp van cung cũng khó khăn, phức tạp hơn van phẳng

bang thép,

2.1.2 Phân loại cửa van cung

Cửa 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 hình thức chảy qua van, có thể 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 day

van, Theo kết cầu cửa van được chia thành 3 loại: Cửa van đơn, cửa van có

cửa phụ và cửa van kép.

“Trong các đập tran 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 chỉ

dùng loại tràn qua đỉnh van loại cửa van hạ xuống

Cửa van 6 cửa phụ hoặc cửa van hai te, được dùng khi cần thái

nỗi hoặc tháo một lượng nước nhỏ, vì nếu dùng cửa van đơn thi sẽ mắt một

khối lượng nước khá lớn.

Một dạng cửa van hình cung nhịp lớn trong cống vùng triều cho ở

hình 2.4 và hình 2.5

#

Hinh 2.4 - Bồ trí tổng thé van cung và thiết bị đồng mở

Hình 2.5 - Kết edu giàn ngang và càng van cung

2.1.3 Các bộ phận chính của cửa van cung

- Két cấu phần động cửa van cung - Cửa van hình cung bao gồm ban

chắn nước (bản mặU, hệ thống dim (dim phụ dọc, dim đứng, lầm chính),

cảng đỡ và quay (hình 2.6) Hệ thống dam cũng bé trí theo nguyên tắc ở

mọi chỗ bản mặt chịu lực như nhau, các dm chính chịu lực như nhau để tiện

thi công và tận dụng khả năng chịu lực của vật liệu.

và quay khí đồng mở cửa Hình 27 biểu thị một số hình thức gối quay.

“Trường hợp bản kính van cung R = (1,2z1,5)HI; (trong đó H, là chiều sâu nước thượng lưu) thì gối đặt thấp hơn mực nước thượng lưu Gối quay

thường đặt cao hơn mực nước lớn nhất ở hạ lưu để tránh bị ngập nước dẫn

tới hư hỏng và han rỉ

a

Hình 2.7 - Gối quay của cửa van cung; a) Gỗi nón cut; b) Goi bản lẻ

Gối quay của cửa van cung thường ding là gỗi kiểu nón cut (hình

2.7a) và gối bản lề có một trục quay hoặc hai trục quay vuông góc với nhau

(hình 2.7b) G có hai trục quay cấu tạo tương đối phúc tạp nhưng có thể chuyển động được theo hai phương khác nhau Do đó khi các trụ lún không

đều trong chừng mực nhất định vẫn không ảnh hưởng tới việc đóng mở cửa.Gối bản lề một trục quay cau tạo đơn giản hơn, thường dùng trong các cửa

van có nhịp không lớn.

- Géi đỡ bên - Để đảm bảo cho cửa van ở vị trí bình thường trong khe

van khi đóng và khi mở, để đảm bảo cho cửa van không bị xô và không

bị kẹt trong khe van Thiết bị định hướng bên có thé dùng kiểu bánh xe như.

ở hình 2.8a hoặc kiều trượt như ở hình 2.8b, được bồ trí ở hai đầu van

- Vật chin nước - Vật chin nước có thé làm bằng gỗ, cao su, kim loại

va nhưng thường ding nhất là bằng cao su Các dang mặt cắt ngang của

vật chin nước bằng cao su thường ding được biểu thị ở hình 2.9a Cao sutắm ding làm vật chin nước đáy, cao su chữ P thường ding làm vật chinnước bên và ở đỉnh, cao su chữ L chủ yếu dùng làm vật chắn nước ở bên cửavan hình cung Cấu tao vat chắn nước bên cho ở hình 2.9b và vật chắn nước

day cho ở hình 2.9¢.

»

Hình 2.9 - Cấu tao kết cấu vật chắn nước bên và đáy van cung

2.1.4 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 phù sa lớn lắng đọng ở trước cửa van, thì

tâm quay có thể đặt thấp hơn tâm bản mặt

ambi mit 4H

ZZZZ7 También at

Hinh 2.10 - Sơ dé một sé hình thức bổ 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 đóng mở khi nâng van.

Cita van thường ding nhất hiện nay là cửa van hai dim chính chịu tải trong

n quay

bing nhau, bin mặt là một mặt cung tròn có tâm cong trùng với t

của cửa van.

Khung chính được chia thành các loại sau:

độ cứng của đầm vì vậy anh hưởng của lực xô ngang nhỏ, có thể bỏ qua

Cửa van chân xiên có một số ưu điểm sau: Giảm được mômen uốn

trong dim chính, do đó dim chính sẽ nhỏ, khi nhịp van đưới 12m và cột

nước dưới Sm có thé dùng thép định hình làm dim chính Chiều cao dimchính giảm, nên kết cấu giản đứng có thể 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 nối giữa dim chính với chân van khá phức tạp Tăng nội lực trongchân van và tăng chiều dài của chân van Khi có nước trần qua đỉnh van

không nên sử dụng.

2.1.5 Phạm vi sử dung

‘Van hình cung được dùng phổ biến trong các công trình 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 dầm chính, chân mảnh, thẳng hay xiên Vớinhịp từ 6 đến 12m, cột nước từ 2,5 đến 4m thường diing loại chân xiên và ôdim ngang Ở những đầu âu thuyền để tăng thêm chiều dài âu, giảm nănglượng dòng chảy dưới van khi đưa nước vào buồng âu, dùng van hình cùng,

tốt hơn van phẳng

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

hiểm và cửa van thi công vì gối tựa của cửa van cung là cố định Cửa van

cung có thể bố trí trong khe van hoặc ở mat ngoài của trụ pin như ở hình 2.12a và hình 2.12b.

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

có nhiều ưu điểm: Có thé dùng trên đập tran với mat cắt bất kỳ ma không cần

mở rộng đỉnh đập Điều kiện thủy lực của dòng chảy ở mép dưới van cũngtốt hơn van phẳng Cửa van được liên kết với gối bản lề cố 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 thể lợi dụng phương hợp lực của áp lực nước không đi qua trụcquay để giảm lực đồng mở.

‘Van cung cũng có một số nhược điểm sau: Phải có mé và đường biênđài Khi cổng có chiều cao lớn và có ngưỡng ngang, nêu yêu cầu gỗi bản lễkhông ngâm trong nước thi càng van phải rit dài.Thời gian đóng mở lâu hơn cửa van phẳng

2.2, Phân tích kết cấu van cung theo hệ phẳng.

2.2.1 Phương pháp tính toán cửa van cung 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 thé đưa về các hi 1g Nộilực của các phân tổ nằm trên giao tuyển của hai hệ phẳng lấy bằng tổng nộilực trong hai hệ phẳng đó Cách tính này tuy không phản ánh được hoàn toàn

trạng thái chịu lực thực té 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 cửa van có kích thước lớn và chịu cột nước cao cần tính theo hệ không gian.

Khung chính và cảng van là bộ phận chịu lực chủ yếu của cửa van

hình cung, chịu toàn bộ áp lực nước và trọng lượng bản thân cửa van thôngqua gỗi bản 18 chuyền lên bộ phận cổ định của công trình, nên trong mục này

bn định và về đội

chỉ trình bày chỉ tiết tính toán kiểm tra về cường độ,

cứng của khung chính và cảng van theo hệ phẳng.

2.2.2 Phân tích khung chính theo bài toán phẳng,

‘Trinh tự tính toán khung chính theo hệ phẳng được tién hành như sau:

"Xác định tổng áp lực nước tác dung lên 1m dài cửa van và phương củatổng 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 dé gi

trường hợp cửa van có hai khung chính, đẻ hai dầm chính chịu áp lực nướcbang nhau thì phương của hai khung chính phải cách đều phương của tổng

áp lực nước.

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

chữ nhật dầm ngang có công xôn khi cảng van thuộc loại mảnh và thẳnghoặc là khung hình thang dim ngang có công xôn khi cảng van thuộc loạimảnh và xiên Chân khung gan liên kết ngim khi gối quay là gối bản lễ có

một trục quay hoặc gồi quay là gối nón cụt Chân khung gan liên kết khớpkhi gối quay là gối bản lề có hai trục quay Chiều cao tính toán h của khunglấy bằng khoảng cách thẳng đứng từ tâm gối quay tới đường trọng tâm tiếtdiện tính toán của dim chính Tiết điện tính toán của dim chính có xét tớimột phần bản mặt cùng tham gia chịu lực

Oi lực của khung chính được xác định theo các công thức, được thiếtlập từ phương pháp chyén vị Chuyển vị thẳng đứng tại giữa nhịp dim bing

tổng chuyển vị của dầm do mômen uốn và chuyển vị do lực đọc trong chân

“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 qu của cửa van cung có hai khung chính được xác định theo công thức (2.1),được thiết lập tử sơ đồ tam giác lực cho ở hình 2.13

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

- góc hợp bởi phương của hợp lực P và phương của khung chỉnh dưới.

“Tổng áp lực nước tác dụng lên cửa van cung;

‘Thanh phần ngang của áp lực nước Py, của cửa van trên mặt:

- trọng lượng riêng của nước.

HH, - chiều cao cột nước tường ngực.

L, nhịp tải trong của cửa van.

‘hy - chiều cao tải trọng của cửa van dưới sâu

R- bán kính bản mặt

1 - góc hợp bởi đường nằm ngang di qua tim bản mặt và bán kính bản

mặt di qua mép mực nước thượng lưu.

tọ; - góc hợp bởi đường nằm ngang di qua tâm bản mặt và bán kính bản.mặt di qua mép đáy cửa van.

=0; — 0; (radian)

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

2.14b), khi đó góc ọ; nằm trên đường nằm ngang đi qua tâm bản mặt, thì góc

‘91 trong các công thức trên mang du âm (-).

Tính toán nội lực của khung chính theo hệ phẳng,

Khung chính van cung kích thước lớn thường ding là khung hình

thang có công xôn chịu tải trọng phân bố đều, khung chữ nhật có hoặc không

có công xôn chịu tải trọng phân bổ đều là trường hợp đặc biệt của khung

hình thang này.

Trường hợp 1: Khung,

Khung chính hình thang cho ở hình 2.15 là khung để

thang chân liên kết khớp

xứng chịu tải

trọng đối xứng, nên có thé tính toán cho một nữa khung, trong trường hop

này phương trình chính tắc theo phương pháp chuyển vị chí có một an Zy là

Trường hop 2: Khung hình thang chân liên kết ngàm

Khung chính hình thang cho ở hình 2.16 là khung đối xứng chịu tai

trọng đối xứng, nên có thể tính toán cho một nữa khung, trong trường hopnày phương trình chính tắc theo phương pháp chuyển vị chỉ có một an Zy là

Hình 2.16 - Sơ dé tinh toán và biểu do mémen uốn khung chính chân ngam

Nội lực trong khung được xác định theo công thức:

10)

trong dé

1L - khoảng cách

b- nhịp dim

chiều dai chân khung.

© - chiều dai công xôn của dim

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

L, = b#2c - nhịp tải trọng.

h - chiều cao của khung bằng khoảng cách theo phương đứng từ chân cột

tới đường trọng tâm tiết điện dằm: h — R - y;

hai gối bản lễ

R - bán kính bản mặt

yo khoảng cách từ trọng tâm tới mép ngoài của bản mặt

Jy, Je - mômen quán tính của tiết diện dam, tiết diện chân khung đối vớitrục đi qua trọng tâm tiết điện và thẳng góc với mặt phẳng của khung

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

Xác định nội lực càng van cung theo hệ phẳng.

“Cảng van được tạo bởi hai chân khung chính và được néi với nhau để

diện

cùng chịu lực nhờ dầm (giản) đứng hai đầu van và đưa thêm vào một số

thanh 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 trọng

lượng chuyển tới

Nội lực trong các phân tổ của càng van do áp lực nước đã tính toán ở

trên, để tính nội lực trong cảng van do trọng lượng bản thân van G sinh ra, ta

đưa vào giả thiết đơn giản hoá là trọng lượng bản thân van tác dụng lên một

càng van do giản chịu trọng lượng chuyển tới dưới dạng hai lực tập trung

G/4 có điểm đặt tại cánh dưới của hai dầm chính Khi không có dàn chịu

trọng lượng thì hai lực tập trung G/4 đặt trên hai thanh cánh càng van vàcách g6i bản lề một khoảng bằng 0.8R Nội lực trong càng van được tính với

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

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

- Lực kéo van Ty:

R, cos,

R,sin8, —R, cos8, Nee as

Sind, cos8, —sinỗ, cosỗ, 2.13)

trong dé

G - trong lượng phần động của cửa van

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

Ty - lực kéo một phía cảng van,

4 - góc hợp bởi thanh cánh trên của càng và đường thẳng nằm ngang Š; - góc hợp bởi thanh cánh dưới của cảng và đường thẳng nằm ngang, Xai Za toa độ điểm đặt lực kéo ở cửa van.

Xn; Zn - toa độ điểm treo lực kéo ở trụ pin.

ø - cánh tay đòn của lực đối với tim quay O.

OAsind, 6A = (

¬——

6 - góc giữa phương T, và đường thing đứng.

0)- góc kẹp giữa AB và đường thẳng nằm ngang

6; - góc kẹp giữa AO vả đường thing nằm ngang.

0;=0,~0;- góc BAO (hình 2.18),

2.3 Phân tích kết cấu cửa van cung theo bài toán không gian

2.3.1 Khái quát về bai toán không gian

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

và biến dang cửa van hình cung theo hệ phẳng không phản ảnh được tác

dung qua lại giữa các bộ phận với nhau, nên kết quả tính toán không phản ánh 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 nhiễu loại tải

trọng cùng một lúc, ngay cả khi cửa van chỉ chịu áp lực nước và trọng lượng,

bản thân Như trên đã inh bày khi phan tích nội lực cảng van do trọng lượng bản thân van, cũng như khi tinh lực kéo của van, cần tính trọng lượng,

bản thân cũng như điểm đặt của nĩ theo cơng thức kinh nghiệm, nên kết quatinh tốn cĩ thể khác với giá trị thực Nếu phân tích van cung theo bai tốn

khơng gian những vấn để nêu trên sẽ được giải qu

2.3.2 Điều kiện biên của bài tốn

khơng cĩ khĩ khăn gi.

Trường hợp của van đồng (nim trên ngưỡng) - Đơi với cửa van dùngthiết bị đĩng mở bằng tời cũng như dùng xy lanh thủy lực ta cĩ điều kiện

biên của bai tốn cho ở hình 2.19.

"Hình 2.19 - Điều kiện biên trường hợp của van nằm trên ngưỡng

Với gỗi bản lễ cĩ một trục quay, gối bản lề kiểu nĩn cụt thì tại gối bản

lề các chuyển vị thẳng và chuyển vị gĩc bị rằng buộc, chỉ cho chuyển vị

xoay tự do đối với trục quay nằm ngang Với gối bản lễ cĩ hai trục quayvuơng gĩc với nhau cũng tương tự, gối bản lễ chi 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 don thẳng đứng, ngồi ra với máy đĩng mở bằng

xi lanh thủy lực cịn cĩ lực nén Q; hộc Q; như ở hình 2.19,

Trường hop cửa van rời khỏi ngưỡng: Khi hai thiết bị đồng mở hoạt

i bản lề cĩ một trục quay hoặc hai trục quay gin

mn

động bình thường Với

n ngưỡng Đối với của

rang buộc n kết như trường hợp cửa van

van đồng mở bằng xy lanh thủy lực thì gin 2 liên kết đơn theo phương của

xy lanh thủy lực tại điểm nối xi lanh với cửa van, đồng thời gán lực ma sit

ván lễ và lực ma sát Fs tại vật chắn nước bên như ở hình 2.20

Hinh 2.20 - Diéu kiện biên trường hợp 2 máy nâng bằng xi lanh thủy lựcĐối với cửa van đóng mở bằng tời, phần đây cáp hoặc dây xích tiếpxúc với bản mặt, sinh lực ép cục bộ vào bản mặt với giả thiết tải trọng phân

bố đều hướng vào tâm bản mặt và có cường độ w=T/R, gin liên kết don theophương day cáp kéo van, ngoài ra còn có lực ma sát Fy và Fs giống nhưtrường hợp ding xi lanh thủy lực, vậy điều kiện biên của bài toán được thểhiện ở hình 2.21e đối với trường hợp phương dây kéo tiếp tuyến với bản mặt

và ở hình 2.22c khi day kéo không tiếp tuyến với bản mặt

Hình 2.21 - Điều kiện biên khi máy nâng bằng tai đây kéo tiếp tuyển với bảnmặt

Hình 2.22 - Điều kiện biên

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

ma sat gối bản lễ, lực ma sát gối bản lễ phụ thuộc vào phản lực gối bản lề,

phản lực gối bản lề lại phụ thuộc vào áp lực đây w, nên trong trường hợp này

cần tiến hành giải lặp cho đến khi phản lực gối bản lề xắp xi bằng nhau sauhai lần lặp liên tiếp

2.3.3 Xác định nội lực và lực kéo cửa van

XXác định nội lực và lực kéo van trong trường hợp cửa van vận hànhvới hai thiết bị dong mé.va được tính toán với tổ hợp tải trọng sau

14H, + L2D + 14Est LOEr (theo EM 1110-2-2702-1997) Trình tự tính toán như sau: Mô hình hóa cửa van theo bài toán không gian, gin các tdi trong nói trên gồm áp lực nước (HỊ), trọng lượng bản thân

van (D), lực ma sát do vật chắn nước bên Fs, lực ma sát gối bản 1é Fy vào mô

hình và gin điều kiện biên vio gối bản lề khống chế chuyển vị thing và

chuyền vị góc của gồi đỡ, chỉ cho chuyên vị quay quanh trục nằm ngang, còntheo phương của xi lanh gán liên kết đơn, ta có sơ đồ tính như ở hình 2.23,

Hình 2.23 - Sơ đồ két cdu van cung ứng với trường hợp cửa van moGiải bai toán trên ta có nội lực, ứng suất của các bộ phận kế

cũng như phản lực liên kết tại g6i bản lễ và lực kéo van T Sau khi có phan

lực gối bản lề tinh lực ma sát Fy (có thé gan Fy vào kết cấu van thông qua

mômen uốn do Fy sinh ra đối với tâm O) và tiễn hành giải lại, do ảnh hướngcủa Fr không lớn, nên không cần thiết phải giải lặp nhiều lần

Do hiện nay có nhiều phần mềm rất mạnh tính toán kết cấu, nên việc

xác định trọng lượng bản thân cửa van cũng như vị trí trọng tâm của nókhông gặp khó khăn gi, do đó tính toán lực kéo van TỶ theo công thức (2.14)không thích hợp nữa, vì trong công thức này mémen cin do trọng lượng banthân van đối với tim quay O phải dùng các công thức tính toán gần đúng để tính trọng lượng bản thân van, cũng như vị trí trọng tâm van, nên hiện nay

tính toán lực kéo van theo công thức (2.14) được coi là phương pháp tínhtoán truyền thống, không sử dụng để tính toán lực kéo van trong các cửa van

lớn, mà chỉ được dùng đẻ xác định sơ bộ lực kéo trong các cửa van lớn hoặc trong các cửa van nhỏ được tính toán theo sơ đồ phẳng.

TM G19

ñ

trong đó:

p - cánh tay đòn của lực kéo TỶ đối với tâm quay của cửa van

EM, - tổng mômen của các lực cản đối với tâm quay của cửa van

- trọng lượng riêng của nước.

lỗi với tâm quay.

1H, - chiều cao cột nước tính đến tâm vật chắn nước.

b - bề rộng chịu áp lực nước của vật chắn, với vật chắn chữ P lấy bằng

đường kính đầu tròn, với vật chắn chữ L lấy bằng bề rộng cánh của nó

L, - chiều dai vật chắn nước,

, - hệ số ma sit giữa vat chắn nước và bộ phận cổ định.

T, , M, - lực ma sắt và mémen cn do ma sát trọng gối bản lễ

RY M.=T,R, (2.17) 'R Iue tác dụng thẳng góc với true gối bản lề.

f, - hệ số ma sát giữa trục và ống lót trục (bạc) của gối bản lẻ

b - bề rộng vật chắn nước tiếp xúc với ngưỡng

L, - chiều dai chịu tai của vật chắn nước tiếp xúc với ngưỡng

Khi vật chin nước mỏng thi có thể bỏ qua lực hút

2.3.4 Tinh toán kiểm tra khung chính và càng van

Kiém tra cường độ và lộ võng cña dim chính

Ung suất pháp tại mặt cắt giữa dim:

Kiểm tra về cường độ và én định của chân khung chính

~ Kiểm tra ôn định trong mặt phẳng uốn (đối với trục x):

(222)

i +N’, - tổng lực nén trong chân khung do áp lực nước khi nó

lên của chân khung.

of = fm.) hệ số giảm khả năng chịu lực của chân khung khi chịu

nén lệch tâm đối với trục x.

m=nm,- độ lệch tâm tinh đổi đổi với trục x, trong đó

n=1.45~0/003À.,

= độ lệch tâm tương đối đối với trục x

ON

71, - độ mảnh của chân khung đối với trục x

L.„ = H„s - chiều dài tính toán của chân khung đối với trục x

k) - hệ

M- mômen uốn của chân khung đối với trục x

W2 - médun chống uốn đối với trục x của tiết điện chân cột ở thé chịu

nén lớn nhất

khung đối với trục x

- Kiểm tra én định ngoài mat phẳng uốn (đồi với trực y)

trong đó:

9% (0,)- hệ số uốn dọc của chân khung đối với trục y.

4, =L„, /1,- độ mảnh của chân khung đối với trục y

Ly - chiều dai tính toán

mit giản của cằng van

II + œm,) - hệ số ảnh hưởng của mômen uốn.

với trục y lấy bằng khoảng cách giữa hai

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

1, Cửa van hình cung là một kết cấu không gian có hình dang khá phúctạp, là một kết cấu hỗn hợp của các phần tử thanh và phần tử vỏ, đồng thờichịu nhiễu tải trọng cùng một lúc, nên phân tích kết cấu van theo hệ phẳngkhông thể phản ánh trạng thái ứng suất và biến dạng thực của cửa van, mà

cần phân tích kết cấu van theo bai toán không gian

2 Tải trong cơ bản tác dung lên cửa van là áp lực nước và trọng lượng, bản thân van, khi tính theo hệ phẳng thường phải xác định trọng lượng bản

và điểm đặt của nó theo công thức kinh nghiệm, nên kết quả tính toán nội

lức, chuyển vị van, cũng như lực kéo cần thiết của mỗi xy lanh thủy lực chỉ

cho giá trị gần đúng, can được tính toán theo bai toán không gian.

3 Do yêu cầu phân đoạn để thi công và lắp rip, càng van thường đượcnối với dầm chính bằng liên kết bu lông, trong tính toán cần xét tới tính dễ

bé

dạng của liên kết này, đó là liên kết nửa cứng

wh

CHƯƠNG 3 - TONG QUAN VE KET CAU CÓ LIEN KET NỬA.

CỨNG VA PHAN MEM SAP2000

3.1 Khái quát về liên kết nữa cứng

“Trong kết cấu thép truyền thống, liên kết dầm - cột bằng bu lông hoặc.hàn được coi là liên kết cứng, thực ra các liên kết này đều có độ mềm nhất

định, do biến dang của các phần tử của liên kết (tắm nồi, bu lông ), do bid

dang cục bộ (bản bụng, bản cánh của dam va cột) của các phân tố được nỗi(dim, c61), xem hình 3.1 Do đó các kết cấu này là kết cấu có liên kết nữa

Hình 3.1 - Mối nối dằm it bằng bu lông và sơ đỏ biển dang

Độ mềm của liên kết có ảnh hưởng rất lớn tới độ bền, độ ôn định và độ

cứng của kết cấu, đã có nhiều tác giả quan tâm và có nhiều nghiên cứu vềvấn dé nay

“Trong thực tế tại chỗ liên kết giữa dim và cột, bản bung cột được gia

cường bằng các sườn ngang tại vị tí cánh dim và cả sườn theo phươngđường chéo như ở hình 3.2.

Hình 3.2 - Mo hình liên kết dam cột