Nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng kết cấu tháp van cống

i LỜI CÁM ƠN Luận văn thạc sĩ:“ Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng kết cấu tháp van cống bê tông cốt thép lắp ghép dự ứng lực” tác giả hoàn thành đảm bảo đầy đủ yêu cầu đề cương phê duyệt Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Cảnh Thái, TS Hồ Sỹ Tâm, Trường Đại học Thuỷ Lợi Hà Nội tận tình hướng dẫn, giúp đỡ để tác giả hồn thành luận văn, thầy trường Đại học Thuỷ Lợi Hà Nội, thầy cô khoa Cơng trình tận tụy giảng dạy tác giả suốt trình học trường Tác giả xin gửi cám ơn chân thành đến lãnh đạo đồng nghiệp môn Thủy công tạo điều kiện giúp đỡ tận tình suốt thời gian học hoàn thành luận văn Tuy có cố gắng song thời gian có hạn, trình độ thân cịn hạn chế, luận văn tránh khỏi tồn tại, tác giả mong nhận ý kiến đóng góp trao đổi chân thành thầy cô giáo, anh chị em bạn bè đồng nghiệp Tác giả mong muốn vấn đề tồn tác giả phát triển mức độ nghiên cứu sâu góp phần ứng dụng kiến thức khoa học vào phục vụ đời sống sản xuất Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Học viên Trần Duy Quân ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài luận văn tơi hồn tồn tơi làm, kết nghiên cứu tính tốn trung thực Trong q trình làm luận văn tơi có tham khảo tài liệu liên quan nhằm khẳng định thêm tin cậy tính cấp thiết đề tài Tôi không chép từ nguồn khác, vi phạm xin chịu trách nhiệm trước Khoa Nhà trường Hà Nội, Ngày tháng năm 2015 Tác giả luận văn Trần Duy Quân iii MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN .i LỜI CAM ĐOAN .ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH .vi DANH MỤC BẢNG BIỂU x MỞ ĐẦU I Tính cấp thiết đề tài: .1 II Mục đích đề tài: III Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu: IV Kết dự kiến đạt được: CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH SỬA CHỮA, NÂNG CẤP CỐNG DƯỚI ĐẬP 1.1 Khái quát trạng hồ chứa cố thường gặp cống 1.1.1 Hiện trạng an toàn hồ chứa Việt Nam 1.1.2 Các cố thường gặp cống 1.2 Tình hình sửa chữa nâng cấp cống lấy nước Việt Nam 1.3 Những khó khăn việc thi cơng sửa chữa, xây tháp van cống 1.4 Đề xuất giải pháp kết cấu bê tông cốt thép lắp ghép ứng suất trước thiết kế, thi công tháp van cống 11 1.5 Kết luận chương 12 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN KẾT CẤU BÊ TƠNG CỐT THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC .13 2.1 Khái quát kết cấu bê tơng cốt thép ứng suất trước tình hình nghiên cứu, ứng dụng kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước Việt Nam .13 2.1.1 Khái quát kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước .13 2.1.2 Lịch sử nghiên cứu ứng dụng kết cấu bê tông ứng suất trước giới 15 2.1.3 Lịch sử nghiên cứu ứng dụng kết cấu bê tông ứng suất trước Việt Nam 18 2.2 Vật liệu thiết bị dùng cho bê tông cốt thép ứng suất trước 20 iv 2.2.1 Bê tông 20 2.2.2 Cốt thép 21 2.3 Phương pháp tính tốn kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước 23 2.3.1 Sự hình thành phát triển vết nứt tiết diện thẳng góc cấu kiện chịu uốn 23 2.3.2 Sự tổn hao ứng suất trước 26 2.3.3 Các phương pháp tính tốn kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước 28 2.4 Phương pháp phần tử hữu hạn phân tích ứng suất biến dạng kết cấu bê tông cốt thép 31 2.5 Lựa chọn phần mềm tính toán 33 2.6 Các bước mơ hình giải tốn ứng suất biến dạng phần mềm ANSYS 35 2.7 Các dạng phần tử sử dụng để mô kết cấu tháp van ANSYS 36 2.7.1 Phần tử LINK8 .36 2.7.2 Phần tử SOLID45 38 2.7.3 Phần tử SHELL63 41 2.7.4 Cặp phần tử CONTA173-TARGE170 .42 2.8 Kết luận chương 42 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KẾT CẤU THÁP VAN LẮP GHÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC 43 3.1 Tổng quan .43 3.2 Vị trí bố trí tháp van cống .43 3.3 Các giả thiết nghiên cứu .44 3.4 Xây dựng trường hợp tính tốn 46 3.5 Phân tích hình thức kết cấu tháp van ứng suất trước 47 3.6 Xác định mối quan hệ chiều dày tháp cống lực kéo cáp yêu cầu 50 3.6.1 Lý luận chung 50 3.6.2 Các ẩn toán 53 3.6.3 Các đặc trưng hình học tiết diện ngang tháp van .55 3.6.4 Các lực tác dụng lên tháp van cống 55 3.6.5 Kiểm tra độ bền ổn định tháp cống .57 3.6.6 Kết tính tốn .58 3.7 Kết luận chương 62 v CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG KẾT CẤU THÁP VAN CỐNG LẮP GHÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC CHO CỐNG VĨNH TRINH – QUẢNG NAM 63 4.1 Giới thiệu cụm cơng trình đầu mối hồ chứa nước Vĩnh Trinh .63 4.1.1 Vị trí địa lý .63 4.1.2 Hiện trạng cống lấy nước thời điểm sửa chữa, nâng cấp 64 4.1.3 Giải pháp sửa chữa, nâng cấp cống .65 4.2 Lựa chọn thông số, hình thức kết cấu tháp cống 71 4.2.1 Lựa chọn vị trí chiều cao tháp van cống 72 4.2.2 Lựa chọn kích thước tháp van 72 4.2.3 Lựa chọn chiều dày chiều cao đoạn tháp van 72 4.3 Xác định lực kéo cáp yêu cầu 73 4.3.1 Trường hợp tính tốn .73 4.3.2 Tính tốn xác định lực kéo cáp yêu cầu 74 4.4 Lựa chọn thông số kỹ thuật cáp ứng suất trước 74 4.5 Kiểm tra độ bền ổn định kết cấu tháp van lắp ghép ứng suất trước 76 4.5.1 Trường hợp tính tốn .76 4.5.2 Nội dung kiểm tra 76 4.5.3 Các thông số đầu vào .77 4.5.4 Kết kiểm tra 78 4.6 Mơ hình tính tốn phần mềm ANSYS phân tích kết tính tốn 78 4.6.1 Mơ hình tính tốn phần mềm ANSYS .78 4.6.2 Kết tính tốn .86 4.6.3 Phân tích kết 101 4.7 Kết luận chương 102 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 104 Những kết đạt 104 Tồn kiến nghị 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 PHỤ LỤC TÍNH TỐN 108 vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Tháp van hồ Triệu Thượng - Quảng Trị .4 Hình 1.2: Tháp van hồ Khe Làng - Nghệ An Hình 1.3: Tháp van hồ Chấn Sơn – Quảng Nam Hình 1.4: Khớp nối 2, sau tháp van cống hồ chứa nước Bản Muông – Sơn La bị hỏng Hình 1.5: Cống dẫn dịng hồ Ia Krel bị gãy .5 Hình 1.6: Hiện tượng xâm thực bêtơng bên cống La Ngà vị trí tháp van Hình 1.7: Hiện tượng rị nước qua khe van cống La Ngà Hình 1.8: Thân cống hồ Suối Hai bị xâm thực, dột .6 Hình 1.9: Hiện tượng thấm dọc theo mang cống gây vỡ đập Z20-Hà Tĩnh Hình 1.10: Thi cơng cống hồ Đồng Sương – Hà Tây Hình 1.11: Biểu đồ biến thiên mực nước hồ lưu lượng nước yêu cầu đầu mối hồ chứa nước La Ngà – Quảng Trị, năm 2014 10 Hình 1.12: Biểu đồ biến thiên mực nước hồ lưu lượng nước yêu cầu đầu mối hồ chứa nước La Ngà – Quảng Trị, tháng 8-9, năm 2014 11 Hình 2.1: Đập trọng lực ứng suất trước 17 Hình 2.2: Một số cấu kiện bê tông cốt thép ứng suất trước .19 Hình 2.3: Sơ đồ ứng suất tiết diện thẳng góc giai đoạn I .24 Hình 2.4: Sơ đồ ứng suất tiết diện thẳng góc giai đoạn II 25 Hình 2.5: Sơ đồ ứng suất tiết diện thẳng góc giai đoạn III 26 Hình 2.6: Sơ đồ ứng suất dùng để tính tốn theo phương pháp ứng suất cho phép .28 Hình 2.7: Sơ đồ ứng suất dùng để tính tốn theo phương pháp giai đoạn phá hoại .29 Hình 2.8: Giao diện hiển thị phần mềm ANSYS 35 Hình 2.9: Phần tử LINK8 37 Hình 2.10: Phần tử SOLID45 38 Hình 2.11: Sơ đồ thành phần ứng suất phần tử SOLID45 39 Hình 2.12: Sơ đồ hình dạng hình học, hệ tọa độ phần tử SHELL63 41 Hình 2.13: Ứng suất đầu phần tử SHELL63 41 Hình 3.1: Sơ đồ bố trí tháp van cống ngầm thân đập 44 Hình 3.2: Sơ đồ hình học tháp van lắp ghép ứng suất trước 46 vii Hình 3.3: Mặt tháp van lắp ghép ứng suất trước 46 Hình 3.4: Sơ đồ nối tiếp đoạn tháp van cống dạng phẳng 48 Hình 3.5: Sơ đồ bố trí nối tiếp đoạn tháp van dạng khớp âm dương mố vuông 48 Hình 3.6: Sơ đồ bố trí nối tiếp đoạn tháp van dạng khớp âm dương mố vát 49 Hình 3.7: Sơ đồ bố trí nối tiếp đoạn tháp van dạng khớp âm dương toàn cạnh 50 Hình 3.8: Sơ đồ bố trí tháp van cống vị trí II 51 Hình 3.9: Sơ đồ tính tốn tháp van cống vị trí II, TH1, 2, .51 Hình 3.10: Sơ đồ bố trí tháp van cống vị trí III 51 Hình 3.11: Sơ đồ tính tốn tháp van cống vị trí III, TH1, 2, 52 Hình 3.12: Sơ đồ tính tốn tháp van cống, TH4 52 Hình 3.13: Các kích thước tháp van cống 53 Hình 3.14: Biểu đồ quan hệ Tyc – t, trường hợp B=2,0m x L=2,0m, tháp van bố trí vị trí II 59 Hình 3.15: Biểu đồ quan hệ Tyc – t, trường hợp B=2,0m x L=2,0m, tháp van bố trí vị trí III 60 Hình 3.16: Biểu đồ quan hệ Tyc – t, B=3,8m x L=4,0m, H = 25m, TH4 61 Hình 4.1: Vị trí địa lý hồ chứa nước Vĩnh Trinh 63 Hình 4.2: Bong tróc trần cống, thấm qua thân cống 64 Hình 4.3: Thấm qua thân cống 65 Hình 4.4: Biểu đồ biến thiên mực nước hồ lưu lượng nước yêu cầu đầu mối hồ chứa nước Vĩnh Trinh – Quảng Nam, năm 2014 70 Hình 4.5: Biểu đồ biến thiên mực nước hồ lưu lượng nước yêu cầu đầu mối hồ chứa nước Vĩnh Trinh – Quảng Nam, tháng 8,9 - năm 2014 71 Hình 4.6: Các phần tử mặt PLANE42 để tạo khối đoạn tháp van 79 Hình 4.7: Mơ hình phần tử đoạn tháp van TH1 79 Hình 4.8: Mơ hình hình học tháp van TH1 .80 Hình 4.9: Mơ hình phần tử tháp van TH1 80 Hình 4.10: Gán phần tử tiếp xúc bó cáp ứng suất trước TH1 81 Hình 4.11: Gán liên kết tai đáy tháp van gia tốc trường TH1 81 Hình 4.12: Gán điều kiện biên tải trọng TH1 .82 Hình 4.13: Mơ hình hình học tháp van TH2 .82 viii Hình 4.14: Mơ hình phần tử tháp van TH2 83 Hình 4.15: Mơ hình điều kiện biên TH2 83 Hình 4.16: Mơ hình hình học tháp van TH3 .84 Hình 4.17: Mơ hình phần tử tháp van TH3 84 Hình 4.18: Mơ hình điều kiện biên TH3 85 Hình 4.19: Mơ hình phần tử mô tả vật liệu thép TH3 85 Hình 4.20: Sơ đồ bố trí mặt cắt xuất kết 86 Hình 4.21: Phổ chuyển vị theo phương y (UY) tháp van cống, TH1 87 Hình 4.22: Phổ chuyển vị theo phương y (UY) tháp van cống, TH2 87 Hình 4.23: Phổ chuyển vị theo phương y (UY) tháp van cống, TH3 88 Hình 4.24: Phổ ứng suất SY tháp van cống, TH1 88 Hình 4.25: Phổ ứng suất SY tháp van cống, TH2 89 Hình 4.26: Phổ ứng suất SY tháp van cống, TH3 89 Hình 4.27: Biểu đồ chuyển vị theo phương Y (UY) mặt cắt 1-1, TH1 .90 Hình 4.28: Biểu đồ chuyển vị theo phương Y (UY) mặt cắt 1-1, TH2 .90 Hình 4.29: Biểu đồ chuyển vị theo phương Y (UY) mặt cắt 1-1, TH3 .91 Hình 4.30: Biểu đồ ứng suất theo phương Y (SY) mặt cắt 1-1, TH1 91 Hình 4.31: Biểu đồ ứng suất theo phương Y (SY) mặt cắt 1-1, TH2 92 Hình 4.32: Biểu đồ ứng suất theo phương Y (SY) mặt cắt 1-1, TH3 92 Hình 4.33: Biểu đồ chuyển vị theo phương Y (UY) mặt cắt 2-2, TH1 .93 Hình 4.34: Biểu đồ chuyển vị theo phương Y (UY) mặt cắt 2-2, TH2 .93 Hình 4.35: Biểu đồ chuyển vị theo phương Y (UY) mặt cắt 2-2, TH3 .94 Hình 4.36: Biểu đồ ứng suất theo phương Y (SY) mặt cắt 2-2, TH1 94 Hình 4.37: Biểu đồ ứng suất theo phương Y (SY) mặt cắt 2-2, TH2 95 Hình 4.38: Biểu đồ ứng suất theo phương Y (SY) mặt cắt 2-2, TH3 95 Hình 4.39: Biểu đồ chuyển vị theo phương Y (UY) mặt cắt 3-3, TH1 .96 Hình 4.40: Biểu đồ chuyển vị theo phương Y (UY) mặt cắt 3-3, TH2 .96 Hình 4.41: Biểu đồ chuyển vị theo phương Y (UY) mặt cắt 3-3, TH3 .97 Hình 4.42: Biểu đồ ứng suất theo phương Y (SY) mặt cắt 3-3, TH1 97 Hình 4.43: Biểu đồ ứng suất theo phương Y (SY) mặt cắt 3-3, TH2 98 Hình 4.44: Biểu đồ ứng suất theo phương Y (SY) mặt cắt 3-3, TH3 98 Hình 4.45: Biểu đồ chuyển vị theo phương Y (UY) mặt cắt 4-4, TH1 .99 ix Hình 4.46: Biểu đồ chuyển vị theo phương Y (UY) mặt cắt 4-4, TH3 .99 Hình 4.47: Biểu đồ ứng suất theo phương Y (SY) mặt cắt 4-4, TH1 100 Hình 4.48: Biểu đồ ứng suất theo phương Y (SY) mặt cắt 4-4, TH3 100 x DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Bảng quy định sử dụng cấp độ bền với bê tông kết cấu 21 ứng suất trước 21 Bảng 2.2: Đặc tính tao thép xoắn sợi không vỏ bọc theo ASTM A416 .22 Bảng 2.3: Bảng tổng hợp loại tổn hao ứng suất 27 Bảng 2.4: Bảng độ lớn tổn hao ứng suất trước ước tính (%) .27 Bảng 2.5: Số liệu đầu vào phần tử LINK8 37 Bảng 2.6: Số liệu đầu phần tử LINK8 37 Bảng 2.7: Số liệu đầu vào phần tử SOLID45 .38 Bảng 2.8: Số liệu đầu phần tử SOLID45 40 Bảng 3.1: Bảng tổng hợp trường hợp tính tốn 47 Bảng 3.2: Bảng hệ số động đất 55 Bảng 3.3: Bảng quan hệ Tyc – t, trường hợp B=2,0m x L=2,0m, tháp van bố trí vị trí II .58 Bảng 3.4: Bảng quan hệ Tyc – t, trường hợp B=2,0m x L=2,0m, tháp van bố trí vị trí III 59 Bảng 3.5: Bảng quan hệ Tyc – t, B=3,8m x L=4,0m, H = 25m, TH4 60 Bảng 4.1: Bảng thông số hồ chứa nước Vĩnh Trinh 66 Bảng 4.2: Bảng tổng hợp thông số để chọn cáp thép 75 Bảng 4.3: Kết kiểm tra ổn định độ bền tháp van cống TH1 .78 168 Hình PL 6.19: Phổ chuyển vị theo phương x (UX) tháp van cống, TH2 Hình PL 6.20: Phổ chuyển vị theo phương y (UY) tháp van cống, TH2 169 Hình PL 6.21: Phổ ứng suất SX, tháp van cống, TH2 Hình PL 6.22: Phổ ứng suất SY, tháp van cống, TH2 170 Hình PL 6.23: Biểu đồ chuyển vị UX, mặt cắt 1-1, TH2 Hình PL 6.24: Biểu đồ chuyển vị UY, mặt cắt 1-1, TH2 171 Hình PL 6.25: Biểu đồ ứng suất SY, mặt cắt 1-1, TH2 Hình PL 6.26: Biểu đồ chuyển vị UX, mặt cắt 2-2, TH2 172 Hình PL 6.27: Biểu đồ chuyển vị UY, mặt cắt 2-2, TH2 Hình PL 6.28: Biểu đồ ứng suất SY, mặt cắt 2-2, TH2 173 Hình PL 6.29: Biểu đồ chuyển vị UX, mặt cắt 3-3, TH2 Hình PL 6.30: Biểu đồ chuyển vị UY, mặt cắt 3-3, TH2 174 Hình PL 6.31: Biểu đồ ứng suất SY, mặt cắt 3-3, TH2 PL 6.3 Kết tính tốn cho TH3 Hình PL 6.32: Biến dạng tổng thể tháp van cống, TH3 175 Hình PL 6.33: Phổ chuyển vị theo phương x (UX) tháp van cống, TH3 Hình PL 6.34: Phổ chuyển vị theo phương y (UY) tháp van cống, TH3 176 Hình PL 6.35: Phổ ứng suất SX, tháp van cống, TH3 Hình PL 6.36: Phổ ứng suất SY, tháp van cống, TH3 177 Hình PL 6.37: Biểu đồ chuyển vị UX, mặt cắt 1-1, TH3 Hình PL 6.38: Biểu đồ chuyển vị UY, mặt cắt 1-1, TH3 178 Hình PL 6.39: Biểu đồ ứng suất SY, mặt cắt 1-1, TH3 Hình PL 6.40: Biểu đồ chuyển vị UX, mặt cắt 2-2, TH3 179 Hình PL 6.41: Biểu đồ chuyển vị UY, mặt cắt 2-2, TH3 Hình PL 6.42: Biểu đồ ứng suất SY, mặt cắt 2-2, TH3 180 Hình PL 6.43: Biểu đồ chuyển vị UX, mặt cắt 3-3, TH3 Hình PL 6.44: Biểu đồ chuyển vị UY, mặt cắt 3-3, TH3 181 Hình PL 6.45: Biểu đồ ứng suất SY, mặt cắt 3-3, TH3 Hình PL 6.46: Biểu đồ chuyển vị UX, mặt cắt 4-4, TH3 182 Hình PL 6.47: Biểu đồ chuyển vị UY, mặt cắt 4-4, TH3 Hình PL 6.48: Biểu đồ ứng suất SY, mặt cắt 4-4, TH3 ... đề tài nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng tháp cống dạng lắp nghép dự ứng lực để giải nội dung luận văn II Mục đích đề tài: Trên sở phân tích ứng suất biến dạng kết cấu tháp van cống bê... phương y (UY) tháp van cống, TH3 88 Hình 4.24: Phổ ứng suất SY tháp van cống, TH1 88 Hình 4.25: Phổ ứng suất SY tháp van cống, TH2 89 Hình 4.26: Phổ ứng suất SY tháp van cống, TH3... đoạn làm việc kết cấu mà kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước chia thành hai loại kết cấu ứng suất trước toàn phần kết cấu ứng suất trước phần Trong kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước phần,