Nghiên cứu tính toán kết cấu và thiết bị đóng mở cửa van cổng khẩu độ lớn

LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ: “NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN KẾT CẤU VÀ THIẾT BỊ ĐĨNG MỞ CỬA VAN CỔNG KHẨU ĐỘ LỚN” tác giả hoàn thành Khoa Cơ Khí trường Đại học Thuỷ Lợi tháng năm 2015 Trong trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn, tác giả nhận nhiều giúp đỡ thầy cô, bạn bè gia đình Trước hết, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Đăng Cường người trực tiếp hướng dẫn giúp đỡ tác giả trình nghiên cứu hoàn thành luận văn Xin gửi lời cảm ơn đến phòng đào tạo đại học sau đại học, thầy cô trường Đại học Thuỷ Lợi Hà Nội, thầy c khoa K thuật Cơ Khí tận tụy giảng dạy tác giả suốt trình học đại học cao học trường Trong khuôn khổ luận văn, thời gian điều kiện hạn chế nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót, tác giả mong nhận ý kiến đóng góp quý báu thầy cô, đồng nghiệp Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 19 tháng 08 năm 2015 Tác giả Hoàng Thị Thanh Tâm BẢN CAM KẾT T i xin cam đoan: luận văn c ng trình nghiên cứu thực cá nhân t i, thực hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Đăng Cƣờng Kết nghiên cứu luận văn hoàn toàn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tơi xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Tác giả Hoàng Thị Thanh Tâm MỤC LỤC CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ CỬA VAN VÀTHIẾT BỊ ĐÓNG MỞ 1.1 Tổng quan loại cửa van áp dụng cho c ng trình ngăn s ng 1.1.1 Đặc điểm, chức cửa van độ lớn 1.1.2 Phân loại cửa van 1.2 Các nghiên cứu sử dụng cửa van có độ lớn giới 1.3 Cửa van c ng trình ngăn s ng Việt Nam 16 1.4 Thiết bị đóng mở cửa van [1] 18 1.4.1 Thiết bị đóng mở cửa vít me 19 1.4.2 Thiết bị đóng mở kiểu bánh .20 1.4.3 Thiết bị đóng mở cửa van kiểu dây mềm (cáp, xích) 20 1.4.4 Thiết bị đóng mở kiểu xi lanh thuỷ lực 22 CHƢƠNG II LỰA CHỌN GIẢI PHÁP KẾT CẤU VÀ PHƢƠNG PHÁP TÍNH TỐN CỬA VAN CỔNG 24 2.1 Lưạ chọn giải pháp kết cấu cửa van 24 2.1.1 Kết cấu cửa van 24 2.1.2 Sơ đồ cửa van .26 2.1.3.Tải trọng tổ hợp tải trọng tác dụng lên cửa .30 2.2 Xây dựng phương pháp tính 30 2.2.1 Phương pháp phân tích kết cấu hệ phẳng 31 2.2.2 Phương pháp phân tích hệ kết cấu không gian [3] 43 CHƢƠNG III GIẢI PHÁP ĐÓNG MỞ CỬA VAN CỔNG 56 3.1 Lựa chọn giải pháp thiết bị đóng mở cửa van .56 3.2 Yêu cầu chung cấu đóng mở cửa van .60 3.3 Bố trí cấu đóng mở cửa van cổng 60 3.4 Giải pháp tính tốn thơng số thiết bị đóng mở cửa van 61 CHƢƠNG IV NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ CỬA VAN CỔNG ỨNG DỤNG CHO CƠNG TRÌNH CỤ THỂ 66 4.1 Đặc điểm cơng trình lựa chọn kết cấu cửa van hợp lý 66 4.1.1.Giới thiệu chung cơng trình ngăn sơng Trà Lý 66 4.1.2 Nhiệm vụ cơng trình 66 4.1.3 Các thông số cơng trình liên quan đến lựa chọn cửa van .67 4.1.4 Lựa chọn thông số thiết kế 68 4.1.5 Lựa chọn kết cấu cửa van cơng trình thiết kế 69 4.2 Tính tốn cửa van cổng theo phương pháp phân tích hệ ph ng 69 4.2.1 Vật liệu chế tạo .69 4.2.2 Tính tốn kết cấu cửa van 70 4.3 Phương pháp phân tích hệ kết cấu không gian 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1.Cửa van cung đập tràn Hình 1.2 Cửa van ngăn s ng Hình 1.3 Cơng trình Maeslandt kering mở đóng hồn tồn Hình 1.4 Cơng trình Lower- Hà Lan .6 Hình 1.5 Cơng trình Hartel Canal – Hà Lan .7 Hình 1.6 Cửa van ph ng cơng trình EMS-Đức .8 Hình 1.7 Cống Haringvliet – Hà Lan Hình 1.8 Đập Upper Meuse – Bỉ 10 Hình 1.9 Đập sông Thames – Anh 11 Hình 1.10 Cơng trình EMS – Đức 12 Hình 1.12 Mặt cắt ngang khoang cửa thơng thuyền 13 Hình 1.11 Khoang cửa ph ng trạng thái đóng mở 13 Hình 1.13 Dự án ngăn cửa sơng Venice – Italia 14 Hình 1.14 Dự án sông Olm, M 15 Hình 1.15 Đập Thảo Long xây dựng theo cơng nghệ đập trụ đỡ .16 Hình 1.16 Cống đập Phước Long kiểu xà lan lúc đóng mở cửa cống .17 Hình 1.17 Thiết bị đóng mở vít chạy điện- quay tay 19 Hình 1.18 Thiết bị đóng mở kiểu bánh .20 Hình 1.19 Thiết bị kiểu dây mềm di động- cố định 21 Hình 1.20 Máy đóng mở kiểu xilanh thuỷ lực 22 Hình 2.1 Cửa van cổng mở (hình trên); đóng (hình dưới) 24 Hình 2.2 Sơ đồ kết cấu cửa 26 Hình 2.3 Cửa van có th p bưng phía (phải) cửa ốp phía (trái) 27 Hình 2.4 Gối quay cửa van cổng 28 Hình 2.5 Cơ cấu nâng cửa van cổng .29 Hình 2.6 Sơ đồ áp lực thủy tĩnh tác dụng lên cửa van 31 Hình 2.7 Phân tích áp lực lên cửa van 33 Hình 2.8 Áp dụng nước tĩnh tác dụng lên cửa van theo đường trọng tâm 35 Hình 2.9 Phản lực gối tựa 36 Hình 2.10 Sơ đồ xác định lực N,Q 37 Hình 2.11 Xác định m men tĩnh nửa đường tròn 40 Hình 2.12 Lực tác dụng lên gối cửa van đóng 41 Hình 2.13 Lực tác dụng lên gối cửa van mở 42 Hình 2.14 Vị trí đặt gối quay cửa van cổng 42 Hình 2.15 Kết cấu tổ hợp với dầm 46 Hình 2.16 Hệ toạ độ cục phần tử 52 Hình 2.17 Trục toạ độ cục phần tử .52 Hình 2.18 Hệ toạ độ cục 123 phần tử .53 Hình 2.19 Hệ toạ độ cục phần tử vỏ 53 Hình 2.20 Quy ước dấu lực dọc mômen xoắn 54 Hình 2.21 Quy ước dấu lực cắt mômen uốn 54 Hình 2.22 Quy ước dấu nội lực vỏ 54 Hình 3.1 Thiết bị nâng cửa van cổng xi lanh thuỷ lực 56 Hình 3.2 Thiết bị nâng cửa van cổng tời cáp .57 Hình 3.3 So sánh góc nâng lực kéo cáp xi lanh .57 Hình 3.4 Dây cáp ln tiếp tuyến với đường trịn chuyển động cửa .58 Hình 3.5 Hệ thống cáp rịng rọc đóng mở cửa- vị trí đóng 59 Hình 3.6 Hệ thống đóng mở cáp- vị trí mở hết để thong 59 Hình 3.7 Tời kéo cửa van 61 Hình 3.8 Xác định lực k o m i nhánh dây cáp .62 Hình 4.1 Biểu đồ áp lực nước tác dụng lên cửa van 71 Hình 4.2 Bố trí khung dầm cửa van 72 Hình 4.3 Mặt cắt đứng kết cấu cửa van cổng 74 Hình 4.4 Mặt cắt ngang dầm cửa van 74 Hình 4.5 Lực đóng mở cửa van 76 Hình 4.6 Định nghĩa tiết diện dầm 78 Hình 4.7 Xây dựng sơ đồ lưới cửa van cổng 79 Hình 4.8 M hình cửa van cổng SAP 80 Hình 4.9 Mơ hình thép mặt cửa van .80 Hình 4.10 Phổ màu áp lực nước thượng lưu lên bề mặt .80 Hình 4.11 Phổ màu áp lực nước hạ lưu lên bề mặt .81 Hình 4.12 Tổ hợp tải trọng 81 Hình 4.13 Chuyển vị dầm .82 Hình 4.14 Phổ màu lực dọc dầm 83 Hình 4.15 Lực tác dụng vào gối quay cửa van .83 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 4.1.Thông số cửa van tính tốn: .69 Bảng 4.2 Ứng suất cho phép kết cấu thép 70 Bảng 4.3 Áp lực nước tác dụng lên cửa van .71 Bảng 4.4 Ứng suất ô dầm th p bưng 73 Bảng 4.5 Bảng thông số dầm cửa van 74 Bảng 4.6 Lực tác dụng lên gối quay cửa van cổng .75 Bảng 4.7 Tính tốn đường kính trục gối quay 76 Bảng 4.8 Lực tác dụng vào gối quay 84 Bảng 4.9 Bảng so sánh với kết phân tích theo hệ ph ng 84 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Biến đổi khí hậu, cụm từ khơng nhắc đến nhiều truyền thông, mà thực tế ảnh hưởng tiêu cực tồn cầu diễn nhanh so với dự báo nhà khoa học Thiên tai hạn hán bất thường, mưa lớn, lũ lụt, bão với tốc độ gió cực lớn, lốc xốy có sức tàn phá mạnh khốc liệt xẩy thường xuyên trước Nhiệt độ trái đất ngày tăng cao, làm tan băng bắc cực nam cực, dẫn đến nước biển dâng cao, làm úng ngập nhiều vùng ven biển rộng lớn, làm xâm nhập mặn phá hoại mùa màng, ảnh hưởng lớn đến đời sống người dân Trong đó, Việt Nam có đường bờ biển dài 3200km, dân cư tập trung đ ng vùng đồng ven biển, hoạt động kinh tế phụ thuộc nhiều vào nông nghiệp, tài nguyên thiên nhiên Theo khuyến cáo Liên hợp Quốc, Việt Nam năm nước ảnh hưởng lớn nước biển dâng Nếu nhiệt độ trái đất nóng lên thêm 20C đồng sơng Cửu Long đến 45% đất canh tác có đến 20 triệu người nhà cửa Đặc biệt thành phố Hồ Chí Minh, Cần Thơ …là thành phố bị đe dọa ảnh hưởng triều cường giới Trong năm gần đây, triều cường gây úng ngập thành phố ngày nhiều, năm sau cao năm trước, thời gian úng ngập kéo dài nhiều ngày năm Kéo theo hệ lụy gây khó khăn cho phát triển kinh tế xã hội Những n lực để ứng phó với biến đổi khí hậu nước biển dâng thời gian qua giới dẫn tới thơng điệp mang tính chiến lược: ưu tiên cho giải pháp thích ứng thích hợp cách khoa học, nhằm giảm thiểu tác động xây dựng cơng trình cứng đê kè ven biển, đập ngăn sông giải pháp cơng trình khác Khi nghiên cứu biện pháp ngăn sông để chống triều cường, phận phải nghĩ tới cửa van Do đặc điểm dịng chảy liên tục sông, yêu cầu giao thông thủy, bảo vệ môi trường sinh thái, cảnh quan mà cửa van sông phải sử dụng với độ lớn (thường có chiều rộng 30 m) Cửa van độ lớn nghiên cứu nước ta khoảng 10 năm trở lại Như vậy, việc xây dựng c ng trình s ng rạch để kiểm sốt triều cịn mẻ Việt Nam Nước ta nghiên cứu xây dựng vài c ng trình ngăn s ng c ng trình Thảo Long với dạng cửa van clape trục dưới, có độ 31,5m, chiều cao cột nước đến 4,2m Với loại cửa van có độ 40m, chiều cao cột nước 10m nghiên cứu chưa có kinh nghiệm thiết kế thi c ng Để đáp ứng yêu cầu quy m c ng trình s ng lớn, đáp ứng yêu cầu thủy lực c ng trình cấp độ giao th ng thủy, phải nghiên cứu loại cửa van có độ 50m, chiều cao cột nước cao 15m, với giải pháp đóng mở khác Do lựa chọn hình thức cống với cửa van truyền thống kh ng cịn phù hợp với điều kiện thực tế Chính em chọn đề tài nghiên cứu luận văn: “ Nghiên cứu tính tốn kết cấu thiết bị đóng mở cửa van cổng độ lớn” cấp bách cần thiết, góp phần vào nghiên cứu cửa van độ lớn Việt Nam Mục đích nghiên cứu đề tài Luận văn thực nhằm đạt mục đính sau: - Đánh giá tổng quan trạng loại cửa van độ lớn sử dụng giới Việt Nam; - Phân tích cấu tạo, nguyên lý làm việc, lựa chọn kết cấu cửa van cổng; - Nghiên cứu tính tốn thiết bị đóng mở cửa van cổng; - Xây dựng phương pháp tính cửa van cổng áp dụng vào cơng trình Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu đề tài a Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu đề tài cửa van cổng có độ lớn đồng với thiết bị đóng mở lắp đặt cho cơng trình sông b Phạm vi nghiên cứu: ... ĐÓNG MỞ CỬA VAN CỔNG 56 3.1 Lựa chọn giải pháp thiết bị đóng mở cửa van .56 3.2 Yêu cầu chung cấu đóng mở cửa van .60 3.3 Bố trí cấu đóng mở cửa van cổng 60 3.4 Giải pháp tính. .. loại cửa van 1.2 Các nghiên cứu sử dụng cửa van có độ lớn giới 1.3 Cửa van c ng trình ngăn s ng Việt Nam 16 1.4 Thiết bị đóng mở cửa van [1] 18 1.4.1 Thiết bị đóng mở cửa. .. độ lớn sử dụng giới Việt Nam; - Phân tích cấu tạo, nguyên lý làm việc, lựa chọn kết cấu cửa van cổng; - Nghiên cứu tính tốn thiết bị đóng mở cửa van cổng; - Xây dựng phương pháp tính cửa van cổng