Quy trình thiết kế cống lắp ghép

ĐỀ TÀI CẤP BỘ QUY TRÌNH TÍNH TỐN THIẾT KẾ CỐNG LẮP GHÉP Tác giả: Ths Phan Thanh Hùng Cơ quan chủ trì: Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam MỤC LỤC I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CỐNG LẮP GHÉP 1.1 Đặc điểm chung kết cấu cớng lắp ghép 1.2 Cấu tạo cớng lắp ghép 1.3 Ngun lý chớng xói hạ lưu cơng trình 1.4 Cơng nghệ thi cơng II TRÌNH TỰ THIẾT KẾ CỐNG LẮP GHÉP 2.1 Xác định thơng sớ kỹ tḥt 2.2 Chọn tuyến vị trí xây dựng cớng .7 2.3 Tính tốn thuỷ lực cớng 2.4 Tính tốn diện cớng 2.5 Tính tốn tiêu phòng xói 2.6 Tính tốn ổn định kết cấu cớng 10 2.7 Tính tốn kiểm tra ổn định tổng thể cơng trình 13 2.8 Thiết kế chi tiết kết cấu phận cơng trình 19 2.9 Tính tốn kết cấu cầu giao thơng 20 2.10 Tính tốn kết cấu cửa van 22 2.11 Tính tốn hiệu đầu tư so sánh kinh tế .39 DỰ ÁN SXTN CẤP BỘ “HỒN THIỆN CƠNG NGHỆ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THI CƠNG CỐNG LẮP GHÉP BẰNG BTCT VÀ BTCT DỰ ỨNG LỰC Ở ĐBSCL” (2012 - 2014) B¸O C¸O: Quy tr×nh TÝNH TO¸N thiÕt kÕ cèng l¾p ghÐp Nội dung quy trình tính tốn thiết kế cớng lắp ghép là: Nghiên cứu xây dựng dẫn thiết kế kết cấu cớng lắp ghép cừ bêtơng cớt thép hoặc cừ BTCT dự ứng lực xây dựng cơng trình thuỷ lợi nhằm phục vụ u cầu thực tiễn sản xuất ĐBSCL I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CỐNG LẮP GHÉP 1.1 Đặc điểm chung của kết cấu cớng lắp ghép + Kết cấu cớng lắp ghép BTCT BTCT dự ứng lực thiết kế theo ngun lý “lắp ghép” cấu kiện chế tạo sẵn (cừ BTCT, BTCT dự ứng lực, dầm van, cửa van, cầu giao thơng, ) “liên kết” chịu lực tại trường + Kết cấu cớng lắp ghép sử dụng loại vật liệu có khả chịu lực độ bền cao mơi trường tự nhiên ĐBSCL như: BTCT mác cao có phụ gia chớng ăn mòn, thép khơng rỉ, vật liệu cao su tổng hợp, composite, Ngồi ra, hạng mục khác xây đúc tại chỡ sử dụng loại vật liệu thơng thường + Kết cấu cớng lắp ghép BTCT BTCT dự ứng lực phục vụ xây dựng cơng trình đầu hệ thớng kênh cấp 2, độ khoang cửa cớng Bc = 3÷15m Tuỳ thuộc u cầu vận hành quy mơ cơng trình để chọn loại cửa van phù hợp Nếu thường xun đóng mở điều tiết ng̀n nước tưới tiêu, chọn kết cấu cửa van cánh cửa tự động thủy lực hoặc cửa van phẳng để điều tiết nước qua cơng trình Nếu độ khoang cửa lớn, sớ lần vận hành chọn loại cửa clape trục dưới kinh tế 1.2 Cấu tạo cớng lắp ghép Kết cấu cớng lắp ghép cơng trình ngăn sơng ổn định nhờ hệ cọc cừ BTCT hoặc BTCT dự ứng lực đóng sâu vào theo hình thức liên kết “cọc ngàm đất” khác với cớng xây dựng theo cơng nghệ cũ chịu lực dàn trải tồn đáy rộng  Tường ngăn mang cớng: Có cấu tạo bao gờm 01÷02 hàng cừ BTCT hoặc cừ BTCT dự ứng lực ghép nới liên tục với qua khớp nới âm - dương tạo thành tường chắn nước thay kết cấu thân cớng BTCT đúc liền khới hệ cọc chịu lực kết cấu cớng kiểu truyền thớng Bằng việc sử dụng tường cừ BTCT thay cho kết cấu đập đất đắp nước đã khắc phục hạn chế kết cấu cớng xà lan, tường cừ vừa làm nhiệm vụ ngăn nước đờng thời tham gia chịu lực làm tăng ổn định trụ pin cớng mỹ quan cơng trình Hình 1.1 - Mặt bằng thân cống BTCT lắp ghép  Trụ pin cớng: kết cấu chịu lực cớng kiểu trụ đài cao gờm cừ cọc BTCT đóng sâu vào đất theo phương dòng chảy, đầu cọc cừ liên kết với dầm BTCT đổ liền khới với tường ngăn mang cớng Trụ pin cớng kết hợp làm trụ nâng cầu cớng Trên trụ pin có bớ trí thiết bị vận hành cửa van (tời kéo, xilanh thủy lực,…) Hình 1.2 - Mặt bên trụ pin cống  Kết cấu dầm khe van: Dầm khe van để lắp đặt cửa van có mặt cắt ngang hình chữ U BTCT, chụp lên đầu hàng tường cừ chớng thấm dưới đáy cớng, liên kết kín nước với hàng cừ cao su neopren dày 10÷15cm dạng ớng, bề mặt theo chiều dài dầm thiết kế khe đáy thép khơng gỉ chơn sẵn bêtơng để thả dầm đáy cửa van vào dầm van bêtơng Dầm có thể đúc sẵn nhà máy hoặc thực trường Hình Mặt cắt dầm van  Kết cấu chớng thấm: Kết cấu cớng BTCT lắp ghép chớng thấm dưới đáy cơng trình theo ngun lý “đường viền đứng”, dòng thấm theo hệ tường cừ có tác dụng chớng xói ngầm hiệu 1,5÷2,0 lần so với ngun lý chớng thấm “đường viền ngang” kết cấu cớng truyền thớng Việc bớ trí hàng cừ vừa làm nhiệm vụ chớng thấm, vừa làm tường ngăn cớng làm giảm chi phí tiết kiệm thời gian thi cơng cơng trình Hình 1.4 - Sơ đờ ngun lý chống thấm 1.3 Ngun lý chớng xói hạ lưu cơng trình Kết cấu cớng BTCT lắp ghép hạn chế thu hẹp dòng chảy sơng tự nhiên, mở rộng độ cớng Bc/Bs ≥ 0,70÷0,80 để giảm lưu tớc dòng chảy qua cơng trình, hạn chế xói lở hạ lưu cớng, giảm diện tích chiếm đất xây dựng cơng trình ảnh hưởng mơi trường tự nhiên trước mắt lâu dài Kết cấu chớng xói cần gia cớ thảm đá hoặc thảm BTCT Hình 1.5 - Sơ đờ ngun lý chống xói hạ lưu 1.4 Cơng nghệ thi cơng - Thi cơng xây dựng cớng lòng sơng tự nhiên (khơng đắp đê qy đào kênh dẫn dòng thi cơng xây dựng cớng truyền thớng) - Sử dụng thiết bị đóng cừ chun dùng mang tính phổ thơng (búa rung, búa đóng cọc, sàn đạo nhiều tầng dẫn hướng,…) để tăng độ xác chất lượng thi cơng cơng trình Kết cấu tổng thể cớng BTCT lắp ghép hình sau: 9 8 1 1- Trụ pin 3- Dầm van 5- Cửa van 7- Rọ đá 2- Thân cớng 4- Cừ chớng thấm 6- Thiết bị đóng mở 8- Dầm liên kết 9- Cầu giao thơng Hình 1.6 - Chính diện kết cấu cống lắp ghép II TRÌNH TỰ THIẾT KẾ CỐNG LẮP GHÉP Quy trình cơng nghệ tính tốn thiết kế kết cấu cớng lắp ghép tiến hành theo bước sau: 2.1 Xác định các thơng sớ kỹ tḥt bản Để nghiên cứu tính tốn thiết kế cớng, trước hết từ nhiệm vụ cơng trình cần phải xác định tiêu thiết kế bao gờm: - Chiều rộng khoang cớng tính tốn : Btt, m - Cao trình đáy cửa van : ∇đ, m - Cao trình đỉnh cửa van : ∇đc, m - Tải trọng quy mơ cầu giao thơng cớng - Chiều cao thơng thuyền - Thơng sớ mực nước: + Tổ hợp 1: Tổ hợp giữ ngọt: Mực nước đờng lớn : Zđmax, m Mực nước ngồi sơng nhỏ Chênh lệch mực nước + Tổ hợp 2: Tổ hợp ngăn mặn: Mực nước đờng nhỏ Mực nước sơng lớn Chênh lệch mực nước : Zsmin, m : ∆H1, m : Zđmin, m : Zsmax, m : ∆H2, m Tổ hợp mực nước tác dụng lên cửa van đưa vào tính tốn kiểm tra kết cấu cửa tổ hợp bất lợi tổ hợp đưa xem xét 2.2 Chọn tuyến vị trí xây dựng cớng o o Vị trí xây dựng cớng: Vị trí xây dựng cơng trình thường lựa chọn đầu kênh hoặc kênh cấp hệ thớng kênh rạch đã quy hoạch ĐBSCL Tuyến xây dựng cớng: Việc lựa chọn tuyến xây dựng cớng tn thủ theo quy định quy phạm thiết kế cớng hành nhằm đảm bảo mục tiêu kinh tế kỹ tḥt hợp lý nhất: tiết kiệm kinh phí đầu tư xây dựng, hạn chế ảnh hưởng đến mơi trường đời sớng ổn định nhân dân, đảm bảo kết hợp tḥn lợi giao thơng thuỷ giao thơng qua cơng trình 2.3 Tính toán thuỷ lực cớng + Mục đích: Với bề rộng cớng đã chọn, tính tốn thủy lực qua cớng nhằm kiểm tra xem cớng có đảm bảo tiêu lưu lượng thiết kế Q tk khơng với u cầu dòng chảy sau cớng có vận tớc khơng gây xói lòng dẫn + Chế độ thuỷ lực qua cống: Dòng chảy qua cửa cớng tính đập tràn đỉnh rộng Tính tốn thuỷ lực dòng chảy qua cớng bao gờm việc xác định khả tháo nước cớng hoặc xác định kích thước khoang cửa cớng để tháo lưu lượng định trước Đập tràn đỉnh rộng chảy ngập thoả mãn điều kiện sau: hn  hn   > H o  H o  pg h h  n n hoặc h >  h  k  k  pg  hn  Trị sớ  H  có thể lấy gần đúng khoảng 0,70÷0,80 hoặc tra đờ thị theo  o  pg   hn hệ sớ lưu lượng m ;  h  lấy gần đúng 1,2÷1,4  k  pg Trong đó: Ho = H + αvo2 cột nước tồn phần đỉnh đập, 2g vo: Lưu tớc dòng chảy thượng lưu trước đập, hn = hh - P độ sâu nước hạ lưu so với đỉnh đập, P - chiều cao đập so với đáy hạ lưu, hh - độ sâu hạ lưu, hk - độ sâu phân giới, α - hệ sớ sửa chữa động 2.4 Tính toán diện cớng + Trường hợp tính tốn: Chọn chênh lệch mực nước thượng hạ lưu nhỏ, cần tháo lưu lượng Q lớn + Chọn cao trình ngưỡng cớng: Có thể chọn hoặc cao đáy kênh Để tăng khả tháo nước lực vận chủn phương tiện lưu thơng qua cơng trình nên chọn ngưỡng thấp Thơng thường, với kết cấu cớng này, cao trình ngưỡng cớng chọn cao cao trình đáy kênh khoảng 0,2÷0,30m để tḥn tiện cho việc vận hành cửa van + Hình thức ngưỡng cớng: Ngưỡng cớng kết cấu dầm van đầu hàng tường cừ chớng thấm tại khoang cửa cớng, ngưỡng cớng thấp chọn loại đập tràn đỉnh rộng + Chiều rộng nước (B c): Chiều rộng cớng đảm bảo tiêu nước vào mùa ngăn lũ, ngăn mặn kết hợp với giao thơng thuỷ mùa khơng cần ngăn mặn, cho phép phương tiện vận tải thuỷ qua lại an tồn, tḥn tiện q trình vận hành hạn chế chi phí xây dựng hạng mục cơng trình chớng xói lở hạ lưu cơng trình Từ cơng thức tính lưu lượng qua cớng (theo cơng thức đập tràn đỉnh rộng trạng thái chảy ngập): Q = ϕ nϕ g BC h g ( H − h) (m3/s) ϕn - Hệ sớ lưu tớc chảy ngập phụ thuộc vào hệ sớ lưu lượng (Cumin), ϕg - Hệ sớ co hẹp ngang, lấy theo QPTL C-8-76 (ϕg = 0,5.εo + 0,5), Bc - Chiều rộng cớng, Ho- Cột nước tồn phần tính từ ngưỡng tràn trở lên, h - Chiều cao cột nước ngưỡng cớng Zhp Ho hn Hình 2.1 - Sơ đờ tính tốn thuỷ lực Suy ra: Bc = Q ϕ n ϕ g h 2.g ( H o − h) Tra bảng hệ sớ : ϕn = 1, ϕg = ; Thay giá trị : Ho, h; g = 9,81m/s2 vào cơng thức xác định Bc Mặt khác, Chiều rộng nước Bc phải đảm bảo u cầu sau đây: - Hệ sớ thu hẹp dòng chảy (k=Bc/Bk) = (0,75÷0,80) để khơng làm thay đổi mơi trường sơng tự nhiên - Thốt nước tḥn lợi Qmax > Qyc đảm bảo u cầu nước - Lưu thơng thuỷ quản lý vận hành cơng trình tḥn lợi - Lưu tớc lớn kênh Vmax < [Vkx] đảm bảo kênh khơng bị xói 2.5 Tính toán tiêu phòng xói + Trường hợp tính tốn: Khi tháo lưu lượng qua cớng với chênh lệch mực nước thượng hạ lưu lớn - Với cớng lấy nước: Mực nước ngồi sơng lớn mực nước đờng phụ thuộc vào lưu lượng lấy vào Cửa van mở hồn tồn nằm ngang với đáy kênh - Với cớng tiêu kết hợp dâng nước: Trường hợp mực nước ngồi sơng nhỏ mực nước đờng lớn Khi tiêu nước, cửa van mở hồn tồn dâng nước (trường hợp ngăn lũ) đóng kín + Lưu lượng tính tốn tiêu năng: - Với cớng lấy nước: Mực nước hạ lưu phụ thuộc vào lưu lượng lấy vào, để xác định lưu lượng tính tốn tiêu cần tính với cấp lưu lượng từ Qmin đến Qmax, với mỡi cấp độ Q, cần xác định độ mở cớng a, độ sâu liên hiệp hc” độ sâu hạ lưu h h Lưu lượng tính tốn Q tt ứng với (hc”hh)max - Với cớng tiêu kết hợp dâng nước tưới: Trong trường hợp mực nước hạ lưu cớng khơng phụ thuộc lưu lượng tháo qua cớng Khi mực nước thượng lưu đã khớng chế, Qtt lưu lượng tháo thiết kế cớng + Tính tốn thiết kế tiêu phòng xói: Với kết cấu cớng lắp ghép xây dựng vùng dao động mực nước thấp (∆z ≤ 0,50÷1,20m), độ cửa cớng lớn, mức độ thu hẹp dòng chảy nhỏ nên trường hợp vận hành cớng dòng chảy qua cơng trình có lưu tớc khơng thay đổi nhiều nên hạn chế tới đa tượng xói lở bờ đáy kênh phía thượng hạ lưu cơng trình, đảm bảo lưu tớc qua cơng trình nhỏ lưu tớc xói cho phép đất Kết cấu cơng trình tiêu chọn dạng thi cơng lắp ghép nước, vật liệu phổ biến rọ thảm đá bọc PVC Chiều dài gia cớ thượng hạ lưu cớng L1 = (2÷3)Bc 2.6 Tính toán ổn định kết cấu cớng Kết cấu cớng lắp ghép cừ BTCT dạng cơng trình ổn định hệ cọc ngàm vào đất nền, phần mềm sử dụng tính tốn chương trình SAP2000, mơ phỏng lớp đất hệ sớ Spring Hệ sớ spring xác định theo phương pháp xấp xỉ phản lực (Reese-Matlock) Trong phương pháp xem đất quanh cọc mơi trường đàn hời biến dạng tuyến tính tác dụng vào cọc giớng dẫy lò xo đàn hời độc lập tuyến tính Theo mơ hình này, đất thay loạt lò xo đàn hời x độc lập có độ cứng xác định theo cơng thức: K x = K h   L Kh: Giá trị Kx tại x = L ; x: Độ sâu điểm dọc theo cọc Kh = Ks.B, B - Bề rộng cọc Việc xác định nội lực cừ chịu tác dụng tải trọng ngang chủ yếu phụ thuộc vào giá trị mơđun phản lực K h lò xo Với đất sét Kh tỷ lệ với độ sâu Ks = S1.As + S2.Bs.Zn Trong đó: đới với cọc tròn S1 = 1,3÷1,7 ; S2 =2÷4,4 n: Hệ sớ, n = 0,4 10 Nếu tính đến hệ sớ an tồn chung ta có tổng áp lực nước là: P = n.Ptt , T Tải trọng tác dụng lên cửa có thể đưa dạng tập trung sau: q A B P1 P2 R'A R'B Hình 2.11 - Tải trọng tác dụng lên cửa Ta có q = n..∆H , T/m + Tổng áp lực nước tác dụng lên cửa: P1 = a.q , T P2 = 1/2(b - a).q, T ' Vậy ta có phản lực tại gới B là: R B = Phản lực tại gới A là: (0,5a.P1 + ( a + 0,33c).P2 ) Hc R’A = (P1 + P2) - R’B, T Nếu gọi RA RB tổng áp lực nước tác dụng lên tồn dầm đáy cửa (Dầm tại A) dầm đỉnh cửa (Dầm tại B) Ta có: R A = B R ’A , T R B = B R ’B , T b Tính mặt: Bản mặt coi hàn bớn mặt vào dầm ngang dọc Nên ta tính tốn mặt tựa bớn cạnh Chọn mặt chịu lực lớn đờng thời có 26 diện tích lớn để tính tốn Chiều dày mặt xác định theo cơng thức Bakhơ: δ = a Trong : ϕ P (1 + n ).[ σ ] (cm) a, b - chiều ngắn chiều dài cạnh dầm : P - cường độ áp lực nước trọng tâm mặt P = γ.∆H, kg/cm2 n = a/b ϕ - hệ sớ phụ thuộc tính chất liên kết dầm ϕ = 0,75 Chọn bề dày mặt δ theo u cầu chịu lực, cấu tạo chớng ăn mòn c Tính tốn dầm chính ngang Trọng lượng thân cửa sau triệt tiêu phần đới với lực đẩy ácsimét, lại chủ yếu tác dụng lên tai kéo cửa, trục cửa phần nhỏ ảnh hưởng đến dầm ngang cửa, thành phần nhỏ nên ta có thể bỏ qua tính tốn dầm ngang cửa Ta có thể coi dầm ngang chịu tải trọng phân bớ với giá trị q t xác định từ RB sau: qt = RB , T/m B Tải trọng tác dụng lên dầm ngang thể qua (Hình 2.12) q Btt Mmax Hình 2.12 - Tải trọng tác dụng lên dầm chính ngang Mơ men Mmax xuất nhịp dầm có giá trị: M max qL = t t , T.m ; Wyc = M max , cm3 [σ ] Theo điều kiện độ võng cho phép đới với dầm chính: 27 f 5M max L2 t = ≤ Lt 48EJLt 600 Vậy ta có: J yc ≥ 5.600.M max Lt , cm4 48 E * Chọn dầm chính: b h t Căn vào kết tính tốn ta chọn dầm ngang dầm hàn ghép từ tơn (Hình 2.13) Các thơng sớ hình học dầm sau: Jx ≥ Jyc (cm4) t W ≥ Wyc (cm3) F ≥ Fyc (cm2) B Hình 2.13 - Dầm đỉnh d Tính tốn dầm đáy cửa: Đây loại cửa van có độ lớn nên để tḥn tiện cho việc thi cơng lắp đặt ta bớ trí nhiều cới cửa gắn với dầm đáy Ta có sơ đờ chịu lực dầm đáy (Hình 2.14) Sơ đờ tính tốn dầm đáy dầm siêu tĩnh, để an tồn đơn giản cho việc tính tốn ta xem dầm đáy dầm đơn có hai gới tựa (đúng nhịp sơ đờ Hình 2.15) chịu lực phân bớ đều, lúc dầm đáy có nhịp tính tốn khoảng cách gới đỡ trục quay cửa l t, m Ta có sơ đờ lực tính tốn tương tự (Hình 2.12) q Btt Hình 2.14 - Sơ đờ tính dầm đáy cửa Từ kết tính tốn ta có tải trọng phân bớ với giá trị q t xác định từ RA sau: qt = RA /B, T/m Mơ men Mmax xuất nhịp dầm có giá trị: 28 M max qL = t t , T.m Wyc = M max , cm3 [σ ] Theo điều kiện độ võng cho phép đới với dầm đáy: 5M max L2 t f = ≤ Lt 48 EJLt 600 Vậy ta có: J yc ≥ 5.600.M max Lt , cm4 48E Dựa vào sớ liệu kiểm tốn để chọn dầm đáy hợp lý e Tính tốn dầm đứng chính: Theo chiều dài cửa van, khoảng chịu lực dầm đứng l, m Tải trọng tác dụng lên dầm đứng có thể đưa dạng tập trung sau: q' A B P'1 P'2 RA RB Hình 2.15 - Sơ đờ tính dầm đứng chính Ta có q’ = n..∆H.l, T/m + Tổng áp lực nước tác dụng lên cửa: P’1 = a.q’, T P’2 = 1/2(b - a).q’, T - Mơ men lớn dầm: Mmax , T.m - Mơ men chớng ́n u cầu dầm: Wyc = M max , cm3 [σ ] - Mơ men qn tính u cầu dầm: 29 J yc ≥ 5.600.M max Lt , cm4 48 E * Chọn dầm đứng chính: Căn vào kết tính tốn ta chọn dầm đứng dầm hàn ghép từ tơn (Hình 2.16) Các thơng sớ hình học dầm sau: t Dầm đứng chính: h, cm h Jx (cm4) t W (cm ) F (cm2) b Hình 2.16 - Kết cấu dầm đứng chính f Tính dầm phụ đứng, ngang: Sơ đờ tính theo sơ đờ dầm đơn gới tựa hai đầu lên hai dầm ngang, tải trọng tác dụng lên dầm có thể xem tải trọng phân bớ đều: q tt = γ qtt Ltt a+b ∆H Mmax Hình 2.17 - Sơ đờ tính dầm phụ Trong đó: a,b : Khoảng cách từ dầm tính tốn đến hai dầm bên cạnh, m H : Cột nước tác dụng lên dầm, m M max = qtt L2tt , T.m Wy / c M = max , cm3 [σ ] J yc ≥ 5.600.M max Lt , cm4 48 E 2.10.5 Tính tốn cửa van cánh cửa tự động + Lực tác dụng lên cửa van phụ: - Áp lực nước thượng lưu, áp lực nước hạ lưu, lực gây mở cửa chênh lệch áp lực thượng hạ lưu ngược lại Trọng lượng cửa van 30 - Lực ma sát chênh lệch áp lực nước trọng lượng cửa gây - Lực lệch trục trọng lượng cửa gây vng góc với mặt cửa có tác dụng làm cho cửa tự động đóng lại áp lực nước hai bên + Tính lực tự động để đóng cửa: Để có lực lệch trục ta đặt cới cới dưới lệch góc θo mặt phẳng cửa van Lực lệch trục cửa van thẳng đứng, tức cửa van vị trí đóng Cửa van tự mở nhờ chênh lệch mực nước thượng hạ lưu Do lệch trục nên mở cửa van nghiêng góc θo lúc trọng lượng G sinh lực vng góc với mặt cửa van G.sinθ có xu hướng kéo cửa van vị trí ban đầu Đó lực lệch trục: Nlt = G.sinθ b Mơ men lực lệch trục với trục quay : M lt = G sin θ θ θ θ Hình 2.18 - Sơ đờ tạo lực lệch trục cửa van cánh cửa tự động Mơ men lực ma sát trọng lượng cửa gây hai ổ trục : b  1  M ms = f ( Pt − Ph ) + G.d cosθ  +  2  b h  Trong cơng thức thể lực ma sát chênh lệch áp lực trọng lượng cửa van gây Khi cửa van vị trí mở để tiêu nước, hoặc mở để lấy nước mà bắt đầu có cân mực nước thượng lưu hạ lưu, tức chênh lệch mực nước thượng hạ lưu ∆h = 0, Pt - Ph = mơ men lực ma sát trọng 31 lượng gây mơ men lực lệch trục có tác dụng tự động đưa cửa vị trí đóng trị sớ mơmen thắng mơ men lực ma sát Kết tính biểu thức sau: M lt − M ms = b G   1  tgθ − f d  +  cosθ   b h  Trong đó: f - Hệ sớ ma sát trục quay d - Đường kính trục quay Từ biểu thức ta rút điều kiện để cửa tự động đóng lại ht = hh tức : 1 1 tgθ > f d  +  b h Như vậy, với cửa van cánh cửa tự động đã xác định kích thước b, h, đường kính trục quay d hệ sớ ma sát ổ trục f từ điều kiện ta dễ dàng xác định trị sớ góc lệch trục θ để cửa tự động đóng lại ht = hh + Tính lực tự động mở cửa: Áp lực chênh lệch thượng hạ lưu hoặc ngược lại lực để mở cửa Lực cản lại mở lực ma sát ổ quay lực lệch trục Trường hợp mở để tiêu lũ: ht - hh = ∆h1, mơ men mở cửa tính theo biểu thức sau: M mo = b2 ( 2ht ∆h1 − ∆h1 ) − b G.tgθ + f d  +  cosθ   b h  Từ biểu thức ta xác định trị sớ ∆h1 cần thiết để cửa van tự động mở tiêu lũ Trường hợp tự mở để lấy phía sơng, hoặc lấy mặn h h - ht = ∆h2, mơ men mở cửa tính theo biểu thức sau: M mo = b2 ( 2hh ∆h2 − ∆h2 ) − b G.tgθ + f d  +  cosθ   b h  Từ biểu thức ta xác định trị sớ ∆h1 cần thiết để cửa van tự động mở lấy nước từ phía sơng hoặc lấy mặn + Chọn trị sớ góc lệch trục kích thước cửa van hợp lý: Trong thiết kế cửa van cánh cửa tự động, việc chọn góc lệch θ hợp lý quan trọng trọn θ lớn lợi cho lực đóng cửa tự động đóng nhanh nhạy, việc mở cửa chậm có khả khơng mở hết, đạt 80÷85o 32 lực lệch trục ln có xu hướng kéo cửa đóng Ngược lại chọn θ q nhỏ làm cho Mtl ≈ Mms khả tự động đóng Ḿn cửa mở nhạy phải giảm M lt, tức giảm góc lệch, giảm góc lệch mà ḿn cửa đóng nhanh nhạy phải giảm mơmen ma sát gây Mms Tóm lại, thiết kế cửa van cánh cửa tự động phải quan tâm đến kết cấu vật liệu làm cới trục cới trục dưới cho có lực ma sát nhỏ cửa van hoạt động tớt α Hình 2.19 - Độ mở cửa van cánh cửa tự động + Tính tốn trục quay cửa: Trục quay tính tốn theo điều kiện chịu cắt Các lực tác dụng lên trục cửa gờm có: RA : phản lực tại gới dưới dầm biên cửa tự động, T RB : phản lực tại gới dầm biên cửa tự động, T Các thành phần lực mơmen trọng lượng cửa gây ra: N1, N2, T Chọn hệ sớ an tồn tính tốn trục n at có xét đến lực xung, lực va đập (thường chọn nat=3) Vật liệu chế tạo trục thường chọn thép khơng rỉ Đới với trục dưới phải kể đến trọng lượng cửa G nên lực tác dụng lên trục dưới Trọng lượng cửa xác định sau: B N1 Qt H RB G = 0,15.F F , T G Vậy lực tác dụng nên trục dưới là: Qd = RB2 + G + N 22 Qt = RA2 + N12 N2 Qd G RA 33 Hình 2.20 - Sơ đờ tính trục quay cửa n Q tren at t Như vậy tiết diện trục phải đảm bảo: Ftr 〉 [τ ] , cm Ftrduoi 〉 nat Qd , cm [τ ] + Tính khả mở: Gọi mơmen áp lực nước tác dụng lên cửa để gây mở cửa là: Mmở Gọi mơmen cản trở việc tự động mở cửa là: Mcản Điều kiện để cửa tự động mở là: Mmở > Mcản Mơ men gây mở cửa: Mmở = ∆P.l Trong : ∆P : Tổng áp lực nước tăng thêm tác dụng lên cửa ∆P = γ.B.Hhạ lưu ∆H + γ.∆H2.B/2 l : Cánh tay đòn ∆P đới với trục quay để đơn giản có thể lấy l = B/2 B : Chiều rộng cửa van, m ∆H: Độ chênh mực nước thượng hạ lưu, m Hhạ lưu: chiều cao cột nước hạ lưu, m Ta có : Mmở = ∆PxB/2 = (γ.B.Hhạ lưu ∆H + γ.∆H2.B/2)x B/2 Mơ men cản chủn động cửa : MC = M1 + M2 + M3 M1 : Lực cản ma sát tại ổ trục dưới M2 : Lực qn tính cửa bắt đầu mở, M3 : Lực gây gió, lực nhỏ ta có thể bỏ qua * M1 = 0,5.f.(Qt.d1 + Qd.d2) Trong : f : Hệ sớ ma sát ổ trục = 0,3 Qt, Qd : Phản lực tại ổ trục dưới d1, d2 : Đường kính trục trục dưới 34 * M2 = 0,15 G.B t2 Trong : t : Thời gian mở cửa, s B : Chiều rộng cửa, m G: Trọng lượng cửa sau đã tính đến áp lực đẩy nổi, T * M3 = 0,47.Hk.B.q Trong : Hk : Chiều cao cửa mặt nước, m B : Chiều rộng cửa, m q: áp lực lớn gió, T/m2 Thay vào biểu thức điều kiện để mở cửa ta xác định ∆H Cửa tự động mở mực nước chênh lệch ≥ ∆H + Tính khả đóng Do kết cấu đặc biệt cửa, vị trí mở cửa van xuất mơ men có xu hướng làm cho cửa van kéo vị trí đóng, mơ men gọi mơ men lệch trục Nếu mơ men lớn mơ men sinh ma sát mơ men mở nói cửa van tự động đóng Khi ta có: Mlt > Mcản + Mmở Trong trường hợp ta tính cho trường hợp mực nước thượng hạ lưu ngang Mmở = Mơ men độ lệch trục: Mlt = Plt x l Để đơn giản ta lấy l = B/2 Plt = G.δ H G: Trọng lượng cửa sau đã tính đến áp lực đẩy nổi, T δ : Độ lệch trục, m H: mực nước cửa van đóng (bằng mực nước hạ lưu), m Khi Mlt > Mcản cửa tự động đóng mực nước hai bên cân nhau, đảm bảo nhiệm vụ ngăn nước cơng trình 2.10.6 Tính tốn lực đóng mở cửa clape để chọn thiết bị đóng mở a Trường hợp kéo cửa: Do đới với cơng trình cửa van thường đóng cửa mực nước hai bên cân 35 Lực nâng cửa cửa vị trí thấp (Cửa nghiêng góc 900 so với phương đứng) Lúc sơ đờ lực tác dụng lên cửa sau bớ trí đầy đủ kết cấu cửa thể (Hình 2.21) Hình 2.21 - Sơ đờ lực trường hợp kéo cửa van Trong đó: - T: lực kéo lớn thiết bị đóng mở trường hợp bất lợi nhất, T - G: trọng lượng thân cánh cửa, T - R: phản lực gới tựa, T - P: áp lực nước tác dụng lên cửa van, T - Q: trọng lượng bùn cát lắng đọng bề mặt cửa van cửa van trạng thái mở nằm dưới đáy kênh Để an tồn q trình vận hành kéo cửa lên, thời gian cửa nằm dưới lòng kênh giả thiết lớp bùn cát lơ lửng lắng đọng bề mặt cửa t=10÷20cm, ta xác định Q = t x Fc x γđn, T Ở đây: - Fc diện tích mặt cửa van, - γđn dụng trọng đẩy bùn cát nước) - g, r, ρ, d cánh tay đòn lực G, R, T, Q so với trục quay 36 Ta có lực kéo lớn cần để đóng cửa xác định theo cơng thức sau: T≥ 1,1.G.g + 1,1.Q.d + P.e + 1,2.R f r ρ Trong đó: 1,1: Là hệ sớ có xét đến độ khơng vật liệu 1,2: hệ sớ xét đến khả sai sót trị sớ ma sát thực tế R: Là bán kính trục quay cửa f = 0,5 hệ sớ ma sát trượt trục với bạc cới quay Sau tính tốn trị sớ G, g, a, ρ rời thay tất trị sớ vào cơng thức Tính lực kéo cửa van Lực kéo thiết bị đóng mở cần đảm nhiệm T (tấn) b Trường hợp mở cửa góc từ 060o so với phương ngang: Sơ đờ tính sau: ®inh trơ Zsmax Z®min §¸y cưa Hình 2.22 - Sơ đờ lực trường hợp mở cửa van Lực nâng cửa lớn cửa vị trí nghiêng góc 45o so với phương ngang Lúc sơ đờ lực tác dụng lên cửa sau bớ trí đầy đủ kết cấu cửa thể (Hình 2-22) Trong đó: - T: lực kéo lớn thiết bị đóng mở trường hợp bất lợi 37 - G: trọng lượng thân cánh cửa - R: phản lực gới tựa - P: áp lực nước tác dụng lên cửa van, - Q: trọng lượng bùn cát lắng đọng bề mặt cửa van cửa van trạng thái mở nằm dưới đáy kênh g, r, ρ, d cánh tay đòn lực G, R, T, Q so với - trục quay Ta có lực kéo lớn cần để đóng cửa xác định theo cơng thức sau: T≥ 1,1.G.g + 1,1.Q.d + P.e + 1,2.R f r ρ Trong đó: 1,1: Là hệ sớ có xét đến độ khơng vật liệu 1,2: Là hệ sớ xét đến khả sai sót trị sớ ma sát thực tế r = 50 mm Là bán kính trục quay cửa f = 0,5 hệ sớ ma sát trượt trục với bạc cới quay Sau tính tốn trị sớ G, g, a, ρ rời thay tất trị sớ vào cơng thức ta tính lực kéo thiết bị đóng mở cần đảm nhiệm Ttt Qua trường hợp tính tốn trên, ta thấy để cho cửa van làm việc tớt ta phải chọn lực nâng T ≥ Ttt Do ta chọn tời kéo có lực Pkéo ≥ T/2 Bớ trí thiết bị cơng trình: Để giảm cơng suất tời, bớ trí cụm puli tai kéo cửa để tăng gấp lần chiều dài cáp kéo cửa vận hành, việc cho phép giảm nửa u cầu lực kéo tời Têi Puly Puly Neo cưa Puly Puly g¾n trªn tai kÐo cưa 38 Hình 2.23 - Sơ đờ bố trí thiết bị đóng mở cửa van Với cách bớ trí trên, cơng trình cớng cần dùng loại tời kéo có lực Pkéo = T/4 2.11 Tính toán hiệu quả đầu tư so sánh kinh tế Từ kết tính tốn kết cấu cơng trình khới lượng tính tốn, biện pháp thi cơng hờ sơ thiết kế kỹ tḥt Trên sở định mức, đơn giá quy định quản lý đầu tư xây dựng cơng trình Nhà nước tính tốn kinh phí đầu tư phương án kết cấu cơng trình Trên sở phân tích tiêu kinh tế, kỹ tḥt, tính khả thi phương án để lựa chọn phương án hợp lý Quy trình cơng nghệ tính tốn thiết kế kết cấu cớng BTCT lắp ghép tiến hành theo bước: SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ THIẾT KẾ CỐNG LẮP GHÉP Tài liệu (Đòa chất, đòa hình, thuỷ văn, thuỷ lực) Chọn tuyến vò trí xây dựng cống Các phương án bố trí công trình Tính toán thuỷ lực cống Tính toán ổn đònh kết cấu Sơ chọn loại cừ thiết kế Kiểm tra ổn đònh công trình Kmin Kiểm tra biến dạng (ψ) Kiểm tra chuyển vò ∆n OK Thiết kế kết cấu phần thuỷ công Thiết kế kết cấu cửa van cống Thiết kế kỹ thuật thi công Lập dự toán đầu tư 39 40