Nghiên cứu ảnh hưởng dao động mực nước đến trạng thái ứng suất trong dao động mực nước điều áp

LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, thực hiện, tác giả hoàn thành luận văn thạc sĩ kỹ thuật chun ngành xây dựng cơng trình thủy với đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng dao động mực nước đến trạng thái ứng suất tháp điều áp” Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Nguyễn Văn Sơn TS Trịnh Quốc Công, Bộ môn Thủy điện NLTT Trường Đại học Thủy Lợi trực tiếp tận tình hướng dẫn cung cấp tài liệu thông tin khoa học cần thiết cho luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn phòng Đào tạo Đại học Sau Đại học, khoa Cơng trình khoa Năng Lượng Trường Đại học Thủy Lợi thầy giáo, cô giáo tham gia giảng dạy tận tình giúp đỡ, truyền đạt kiến thức suốt thời gian tác giả học tập chương trình Cao học trường Đại học Thủy Lợi, trình thực luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo, Cán bộ, công nhân viên Công ty tư vấn 13, Tổng công ty tư vấn xây dựng Thủy Lợi Việt Nam, bạn bè đồng nghiệp gia đình tận tình giúp đỡ suốt thời gian học tập thực luận văn Do cịn hạn chế trình độ chun mơn, thời gian có hạn, nên q trình thực luận văn, tác giả khơng tránh khỏi số sai sót Tác giả mong muốn tiếp tục nhận bảo thầy, cô giáo góp ý bạn bè đồng nghiệp Mọi chi tiết xin liên hệ nguyenhuongk46@gmail.com Số điện thoại: 0977038727 Tác giả chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 05 năm 2012 Tác giả Nguyễn Thị Thanh Hương LỜI CAM KẾT Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu trích dẫn trung thực Các kết nghiên cứu luận văn chưa người công bố cơng trình khác./ Nguyễn Thị Thanh Hương MỤC LỤC MỞ ĐẦU T T Tính cấp thiết đề tài T T Mục đích đề tài .2 T T Đối tượng phạm vi nghiên cứu T T 4 Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu T T CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ THÁP ĐIỀU ÁP T T 1.1 Các loại tháp điều áp thường dùng T T 1.1.1 Tháp điều áp kiểu viên trụ T T 1.1.2 Tháp điều áp kiểu viên trụ có màng ngăn T T 1.1.3 Tháp điều áp kiểu hai ngăn (có ngăn ngăn dưới) T T 1.1.4 Tháp điều áp kiểu có máng tràn .5 T T 1.1.5 Tháp điều áp kiểu có lõi (kiểu kép hay kiểu sai phân) T T 1.1.6 Tháp điều áp kiểu nén khí kiểu nửa nén khí T T 1.2 Các nghiên cứu tính tốn thủy lực, phân tích kết cấu tháp điều áp trạm T thủy điện Việt nam giới .7 T 1.2.1 Các nghiên cứu tính tốn thủy lực .7 T T 1.2.2 Các nghiên cứu tính tốn kết cấu T T 1.3 Tóm tắt nội dung chương 10 T T CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN .11 T T 2.1 Tính tốn dao động mực nước tháp điều áp 11 T T 2.1.1 Phương trình vi phân tháp điều áp .11 T T 2.1.1.1 Phương trình động lực học .11 T T 2.1.1.2 Phương trình liên tục 13 T T 2.1.2 Tính tốn thủy lực tháp điều áp giải tích .14 T T 2.1.2.1 u cầu tính tốn 14 T T 2.1.2.2 Tháp điều áp hình trụ khơng xét tới sức cản thủy lực .15 T T 2.1.2.3 Tháp điều áp hình trụ xét tới sức cản thủy lực 17 T T 2.1.2.4 Tháp điều áp có màng cản 20 T T 2.1.3 Phương pháp sai phân hữu hạn ứng dụng tin học giải toán thủy T lực tháp điều áp 22 T 2.1.3.1 Các phương trình 22 T T 2.1.3.2 Phương pháp sai phân hữu hạn Ơle .24 T T 2.1.3.3 Phương pháp sai phân hữu hạn Ơle – Côsi 25 T T 2.1.3.4 Phương pháp sai phân hữu hạn lập trình giải máy tính26 T T 2.2 Cơ sở lý thuyết phân tích kết cấu tháp điều áp chịu trọng động .27 T T 2.2.1 Phương trình động lực học toán động phương T pháp giải 27 T 2.2.2 Xác định lực quán tính 28 T T 2.2.3 Xác định lực đàn hồi 29 T T 2.2.4 Xác định lực cản .29 T T 2.2.5 Lời giải phân tích kết cấu chịu tải trọng động phương pháp lịch sử T thời gian 31 T 2.2.5.1 Các phương pháp tính tốn 31 T T 2.1.5.2 Tính tốn động đất phương pháp “Lịch sử thời gian” 31 T T 2.3 Kết luận chương .35 T T CHƯƠNG III: LẬP BÀI TỐN PHÂN TÍCH KẾT CẤU THÁP ĐIỀU ÁP T KHI XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA DAO ĐỘNG MỰC NƯỚC – ÁP DỤNG CHO THÁP ĐIỀU ÁP CỦA TRẠM THỦY ĐIỆN SUỐI CHĂN 36 T 3.1 Tổng quan cơng trình .36 T T 3.1.1 Vị trí cơng trình 36 T T 3.1.2 Nhiệm vụ cơng trình .36 T T 3.1.3 Cấp cơng trình 36 T T 3.1.4 Điều kiện tự nhiên 40 T T 3.1.4.1 Điều kiện khí tượng thủy văn 40 T T 3.1.4.2 Điều kiện địa hình 41 T T 3.1.4.3 Đặc điểm địa hình - địa mạo 41 T T 3.2 Xác định dao động mực nước TĐA .42 T T 3.2.1 Tổ hợp tính tốn .42 T T 3.2.2 Kết tính tốn 42 T T 3.3 Xây dựng mơ hình tính tốn kết cấu tháp điều áp mực nước dao động 48 T T 3.3.1 Các thông số mô hình 48 T T 3.3.2 Các lực tác dụng tổ hợp lực 52 T T 3.3.3 Xây dựng mơ hình tính 53 T T 3.4 Kết tính tốn trường hợp không kể đến biến thiên dao động mực T nước tháp .54 T 3.5 Kết tính tốn trường hợp có kể đến biến thiên dao động mực nước T tháp 58 T T KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65 Kết đạt .65 T T Vấn đề tồn 65 T T Kiến nghị phương hướng nghiên cứu .66 T T TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 T T Tiếng Việt .67 T T Tiếng Anh .67 T T DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: TĐA kiểu viên trụ T T Hình 1.2 TĐA kiểu viên trụ có màng ngăn T T Hình 1.3 TĐA kiểu hai ngăn T T Hình 1.4 TĐA kiểu có máng tràn .5 T T Hình 1.5 TĐA kiểu có lõi T T Hình 1.7 TĐA kiểu nửa nén khí T T Hình 1.8 Buồng TĐA Thủy điện A Vương – Quảng Nam .9 T T Hình 1.9 Buồng TĐA thủy điện A Vương – Quảng Nam T T Hình 2.1 Sơ đồ tính tốn để lập phương trình 11 T T Hình 2.2 Dao động mực nước tháp điều áp 15 T T Hình 2.3 Nguyên tắc làm việc màng cản 21 T T Hình 2.4 Sơ đồ khối tính toán dao động mực nước TĐA 27 T T Hình 2.5(a, b, c) Mơ hình tính tốn hệ kết cấu có nhiều bậc tự 30 T T Hình 3.1 Sơ đồ tính tốn ứng với MNC 44 T T Hình 3.2 Biểu đồ tính tốn mực nước thấp tháp (MNmin) 45 T T Hình 3.3 Sơ đồ tính tốn ứng với MNLTK 46 T T Hình 3.4 Biểu đồ tính tốn mực nước cao tháp (MNmax) .47 T T Hình 3.5: Mặt cắt ngang 1-1 TĐA Suối Chăn 48 T T Hình 3.6: Mặt cắt ngang 2-2 TDA Suối Chăn 49 T T Hình 3.7: Mặt cắt ngang 3-3, 4-4, 5-5 TDA Suối Chăn 50 T T Hình 3.8 Mơ hình kết cấu tháp điều áp trạm thủy điện Suối Chăn .54 T T Hình 3.9 Phương chiều hệ trục tọa độ địa phương phần tử shell quy định T toán 55 T Hình 3.10 Quy định, phương chiều nội lực phần tử shell quy định T tốn khơng gian 55 T Hình 3.11 Phổ ứng suất F11 ứng với trường hợp 56 T T Hình 3.12 Phổ ứng suất F22 ứng với trường hợp1 56 T T Hình 3.13 Phổ M11 ứng với trường hợp 57 T T Hình 3.14 Phổ M22 ứng với trường hợp 57 T T Hình 3.15 Phổ F11 lớn trình mực nước tháp dao động 59 T T Hình 3.16 Phổ F22 lớn trình mực nước tháp dao động 59 T T Hình 3.17 Phổ M11 lớn trình mực nước tháp dao động 60 T T Hình 3.18 Phổ M22 lớn trình mực nước tháp dao động 60 T T Hình 3.19 Đồ thị F11 phần tử đáy ngăn tháp theo thời gian .61 T T Hình 3.20 Đồ thị F22 phần tử đáy ngăn tháp theo thời gian 61 T T Hình 3.21 Đồ thị M11 phần tử đáy ngăn tháp theo thời gian 62 T T Hình 3.22 Đồ thị M22 phần tử đáy ngăn tháp theo thời gian 62 T T DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Thông số chủ yếu cơng trình 37 T T Bảng 3.2 Lưu lượng lũ thi công .41 T T Bảng 3.3 Kết tính tốn dao động mực nước tháp 42 T T Bảng 3.4 Giá trị tính tốn tiêu lý khối đá 51 T T Bảng 3.5: Các đặc trưng lý bê tông .52 T T Bảng 3.6 Đặc trưng vật liệu làm tháp 54 T T Bảng 3.7 Tần số dao động riêng tháp điều áp 58 T T Bảng 3.8 so sánh kết trường hợp với trường hợp 63 T T MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Với điều kiện địa hình có nhiều đồi núi, nhiều sơng suối nên đất nước ta có tiềm lớn phát triển thủy điện Hiện có nhiều trạm thủy điện xây dựng đất nước ta Trong số đó, có nhiều trạm thủy điện khai thác kiểu kết hợp đường dẫn với đường dẫn dài có áp nên qn tính đường hầm lớn Để đảm bảo ổn định tổ máy giảm áp lực nước va trình vần hành, trạm thủy điện loại cần xây dựng tháp điều áp Việc xây dựng tháp điều áp chiếm tỷ trọng giá thành tương đối lớn xây dựng cơng trình thủy điện, việc chọn hình thức kết cấu, kích thước tháp hợp lý có ý nghĩa quan trọng, ảnh hưởng đến giá thành làm việc an tồn cơng trình Để chọn kích thước, kết cấu tháp hợp lý ngồi việc tính tốn thủy lực, xác định mực nước tháp phải thơng qua tính tốn kết cấu xác định trạng thái ứng suất biến dạng tháp Hiện phân tích kết cấu tổ hợp tải trọng có áp lực nước tháp, toán chọn toán tĩnh với mức nước tháp thường chọn mực nước lớn Kết phương pháp tính tốn phản ánh trạng thái làm việc tháp mực nước tháp biến thiên Do đó, Việc nghiên cứu ảnh hưởng dao động mực nước đến trạng thái ứng suất tháp điều áp có ý nghĩa lớn, góp phần vào việc lựa chọn hợp lý kết cấu, tiêt diện ổn định, kiểu tháp, kích thước tháp điều áp cho trạm thủy điện Chính yếu tố phân tích nên việc nghiên cứu ảnh hưởng dao động mực nước đến tháp điều áp cần thiết Tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng dao động mực nước đến trạng thái ứng suất tháp điều áp” 53 + Áp lực nước tĩnh: Áp lực nước tĩnh tháp ứng với cột nước H xác định thông qua cơng thức: P = 0,5.γn.H2 (3-2) Trong đó: γ n – trọng lượng riêng nước (T/m3) R R P P H – cột nước tính tốn (m) + Áp lực nước dao động theo thời gian: xác định theo hàm tải trọng thay đổi theo thời gian vị trí phần tử tháp tách thành hai phần phụ thuộc theo không gian thời gian: P(t)=Σf i g(t) j R R R R (3-3) Trong đó: g(t) – hàm theo thời gian f(x,y,z) – hàm khơng gian phụ thuộc vào vị trí tải trọng b Các trường hợp tính tốn Trong luận văn này, học viện tính tốn kết cấu cho hai trường hợp + Trường hợp 1: Tính tốn kết cấu tháp điều áp trường hợp tháp chịu áp lực nước tĩnh, mực nước tháp đạt max nhà máy làm việc với công suất lắp máy đột ngột cắt tải, mực nước thượng lưu mực nước lũ thiết kế Khi tổ hợp tải trọng tác dụng vào tháp bao gồm áp lực thủy tĩnh trọng lượng thân + Trường hợp 2: Tính tốn kết cấu tháp điều áp trường hợp tháp chịu áp lực nước dao động theo thời gian nhà máy làm việc với công suất lắp máy cắt tải toàn bộ, mực nước thượng lưu mưc nước lũ thiết kế Tổ hợp tải trọng trương hợp bao gồm tải trọng thân áp lực nước thay đổi theo thời gian 3.3.3 Xây dựng mơ hình tính Nghiên cứu trạng thái ứng suất-biến dạng TĐA tiến hành phương pháp phần tử hữu hạn (bằng phần mềm Sap2000) Mơ hình mơ phần tử shell (hình 3.7) 54 Hình 3.8 Mơ hình kết cấu tháp điều áp trạm thủy điện Suối Chăn Đặc trưng vật liệu cho bảng sau: Bảng 3.6 Đặc trưng vật liệu làm tháp Thông số Trọng lượng riêng Mô đun đàn hồi Giá trị Đơn vị 2.5 T/m3 P 2,1x106 P Hệ số Poisson 0,2 Hê số cản 5% T/m2 P 3.4 Kết tính tốn trường hợp không kể đến biến thiên dao động mực nước tháp Để thấy kết tử biều đồ cho đồ thị, tháp quy định thành phần nội lực sau: 55 Hình 3.9 Phương chiều hệ trục tọa độ địa phương phần tử shell quy định tốn Hình 3.10 Quy định, phương chiều nội lực phần tử shell quy định tốn khơng gian 56 Hình 3.11 Phổ ứng suất F11 ứng với trường hợp Hình 3.12 Phổ ứng suất F22 ứng với trường hợp1 57 Hình 3.13 Phổ M11 ứng với trường hợp Hình 3.14 Phổ M22 ứng với trường hợp 58 3.5 Kết tính tốn trường hợp có kể đến biến thiên dao động mực nước tháp Bảng 3.7 Tần số dao động riêng tháp điều áp OutputCase StepType StepNum Period Frequency CircFreq Eigenvalue Text Text Unitless Sec Cyc/sec rad/sec rad2/sec2 MODAL Mode 0.663527 1.5071 9.4694 89.669 MODAL Mode 0.663527 1.5071 9.4694 89.669 MODAL Mode 0.262187 3.8141 23.965 574.3 MODAL Mode 0.234642 4.2618 26.778 717.05 MODAL Mode 0.234642 4.2618 26.778 717.05 MODAL Mode 0.21061 4.7481 29.833 890.02 MODAL Mode 0.20518 4.8738 30.623 937.76 MODAL Mode 0.20518 4.8738 30.623 937.76 MODAL Mode 0.090698 11.026 69.276 4799.2 MODAL Mode 10 0.090698 11.026 69.276 4799.2 MODAL Mode 11 0.062893 15.9 99.902 9980.5 MODAL Mode 12 0.062893 15.9 99.902 9980.5 59 Bảng 3.7 cho ta kết tần số, chu kỳ dao động riêng tháp điều áp Từ bảng ta thấy, số dao động riêng tháp điều áp lớn nhiều so với tần số hàm lực áp lực nước biến đổi theo thời gian Hình 3.15 Phổ F11 lớn trình mực nước tháp dao động Hình 3.16 Phổ F22 lớn trình mực nước tháp dao động 60 Hình 3.17 Phổ M11 lớn trình mực nước tháp dao động Hình 3.18 Phổ M22 lớn trình mực nước tháp dao động 61 Hình 3.19 Đồ thị F11 phần tử đáy ngăn tháp theo thời gian Hình 3.20 Đồ thị F22 phần tử đáy ngăn tháp theo thời gian 62 Hình 3.21 Đồ thị M11 phần tử đáy ngăn tháp theo thời gian Hình 3.22 Đồ thị M22 phần tử đáy ngăn tháp theo thời gian Để thấy ảnh hưởng dao động mực nước đến ứng suất, biến dạng tháp điều áp Tác giả lập bảng so sánh kết trường hợp không kể đến dao 63 động trường hợp có kể đến dao động mực nước tháp kết cho bảng 3.8 Bảng 3.8 so sánh kết trường hợp với trường hợp Tải trọng động max Tải trọng G.trị F11 F22 F12 V.trí Tonf/m Tonf/m Tonf/m G.trị 235.73 -42.3 0.03 9.34 44.6 Area/Joint 132/186 132/186 132/186 132/186 132/186 G.trị 229.5 -15.18 0.03 8.95 41.5 Area/Joint 132/186 132/186 132/186 132/186 132/186 M11 M22 Tonf-m/m Tonf-m/m tĩnh MN max Qua tính tốn kết cấu tháp điều áp nhận thấy phản ứng hệ kết cấu với trường hợp mực nước tháp tĩnh mực nước tháp dao động không khác nhiều Về nội lực nhìn chung trường hợp tính tốn tĩnh với mực nước tháp mực nước lớn trình dao động mực nước tháp MN=213,2(m) có lực F11, F22, M11, M22 nhỏ so với trường hợp tính tốn động với q trình mực nước dao động tháp Tuy nhiên tỷ số khác nhau, nhìn chung mặt an tồn kết cấu cơng trình, trường hợp tính tốn động có ảnh hưởng khơng tốt với kết cấu Giá trị nội lực trường hợp có xét đến dao động lớn trường hợp mực nước tính khoảng 5% Điều hợp lý tần số dao động áp lực nước nhỏ nhiều số dao động riêng kết cấu nên ảnh hưởng đặc tính động áp lực nước lên kết cấu không nhiều 64 Từ bảng kết quả, tác giả nhận thấy xu hướng đáp ứng hệ kết cấu trường hợp áp lực nước tĩnh áp lực nước động tức trường nội lực có xu hướng lớn vị trí gần phía chân tháp nội lực lớn giảm dần xa vị trí chân tháp, trường chuyển vị theo phương thẳng đứng ngược lại Điều hoàn toàn hợp lý, với quy luật áp lực thủy tĩnh chứng minh Biều đồ phân bố nội lực theo thời gian co hình dáng gần trùng với biểu đồ dao động mực nước, điều chứng tỏ đặc ảnh hưởng đặc tính động áp lực nước đến kết cấu khơng lớn Với hệ số cản 5% nhận thấy dao động gần tắt sau lực tác dụng tắt 65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết đạt Qua trình thực luận văn tác giả đạt kết sau : - Xác định biến thiên mực nước, lưu lượng tháp điều áp trình chuyển tiếp trạm thủy điện; - Xây dựng tốn phân tích kết cấu tháp điều áp chịu tải trọng động áp lực nước dao động theo thời gian sử dụng phương pháp lịch sử thời gian với thuật toán Newmark; - Kết phân tích kết cấu tháp điều áp bỏ qua biến thiên mực nước tháp; - Kết phân tích kết cấu tháp điều áp kể đến biến thiên mực nước, lưu lượng tháp; - Kết phân tích ảnh hưởng dao động mực nước đến trạng thái ứng suất, biến dạng tháp điều áp trạm thủy điện Suối Chăn Từ kết nghiên cứu cho thấy: Do tần số dao động áp lực nước nhỏ nhiều tần số dao động riêng kết cấu nên ảnh hưởng dao động mực nước lên tháp tương đối nhỏ Trong tính tốn thiết kế, bố trí thép dùng kết phương pháp tĩnh với tổ hợp mực nước tháp max chấp nhận Vấn đề tồn - Đề tài chưa thể khả làm việc TĐA với xảy động đất Đồng thời chưa xét đến tác nhân nhiệt độ - Đề tài tính tốn chủ yếu tuyến tính (elastic analysis) nên khơng để ý đến giai đoạn phi tuyến vật liệu - Chưa xét đến áp lực thủy động mực nước tháp thay đổi, chưa xét đến ma sát nước tác dụng lên thành tháp điều áp dao động 66 Kiến nghị phương hướng nghiên cứu - Các vấn đề tồn trình bày mục phương hướng nghiên cứu tác giả Phương hướng nghiên cứu bao gồm nội dung sau: + Phân tích kết cấu tháp điều áp có lực động đất có xét đến khả làm việc phi tuyến vật liệu + Nghiên cứu ảnh hưởng áp lực thủy tĩnh, lực ma sát nước với thành tháp điều áp mực nước tháp dao động đến ứng suất, biến dạng tháp cách nghiên cứu bai toán tác dụng tương hỗ chất rắn chất lỏng 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Giáo trình cơng trình trạm thủy điện – Trường Đại Học Thuỷ Lợi Giáo trình thủy lực cơng trình – Trường Đại Học Thủy Lợi Giáo trình Tuabin thủy lực – Trường Đại Học Thuỷ Lợi Sổ tay kỹ thuật thuỷ lợi - NXB nông nghiệp – 1982 Sức bền vật liệu - Trường đại học xây dựng, đại học thủy lợi Tiêu chuẩn lực tải trọng động – TCVN 2737:1995 Tiêu chuẩn thiết kế KCBT BTCT thủy công – TCVN 4116:1985 Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXDVN 285:2002 Tiếng Anh ADINA R ＆ D, Inc.ADINA 2005 ADINA verification manual 10 Alart P., Curnier A., A mixed formulation for frictional contact problems prone to Newton like methods, Comp Meth Appli Mech Engng., 1992 11 Bendhia H., Durville D., Two-dimensional modeling of contact-friction phenomena in the blankholder arearrea for the drawing process, Euromech 273, Unilateral contact and dry friction, Montpellier, France, 1990 ... pháp coi mực nước tháp tĩnh để thấy ảnh hưởng dao động mức nước đến trạng thái ứng suất biến dạng tháp điều áp Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Xác định biến thiên mực nước, lưu lượng tháp điều áp; ... tháp điều áp bỏ qua biến thiên mực nước tháp; - Kết phân tích kết cấu tháp điều áp kể đến biến thiên mực nước, lưu lượng tháp; - Kết phân tích ảnh hưởng dao động mưc nước đến trạng thái ứng suất, ... điều áp; - Nghiên cứu toán quan hệ tương hỗ dao động mực nước tháp điều áp với trạng thái ứng suất, biến dạng tháp; - Xây dựng mộ hình tốn mơ làm việc tháp điều áp mực nước tháp biến thiên, điều