Thạc Sĩ Nghiên cứu hình dạng, kết cấu chịu lực hợp lý của cửa van phẳng nhịp lớn

LUẬN VĂN THẠC SỸ
NĂM 2014

MỤC LỤC
14T LỜI CẢM ƠN 14T
14T BẢN CAM KẾT 14T .
14T MỤC LỤC 14T
14T DANH MỤC HÌNH VẼ 14T .
14T DANH MỤC BẢNG BIỂU 14T .
14T CHƯƠNG 1 - MỞ ĐẦU 14T 1
14T 1.1. Đặt vấn đề 14T . 1
14T 1.2. Nội dung nghiên cứu 14T . 4
14T 1.3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 14T . 4
14T 1.4. Kết quả nghiên cứu cần đạt được 14T 4
14T CHƯƠNG 2 - TỔNG QUAN VỀ CỬA VAN PHẲNG 14T 5
14T 2.1. Khái quát về cửa van phẳng 14T 5
14T 2.1.1. Định nghĩa và phân loại 14T 5
14T 2.1.2. Các bộ phận chính 14T 5
14T 2.1.2. Tải trọng tác dụng lên cửa van 14T . 7
14T 2.2. Phân tích nội lực và biến dạng kết cấu van phẳng 14T 9
14T 2.2.1. Phương pháp tính toán cửa van phẳng 14T . 9
14T 2.2.2. Tính toán dầm chính van theo hệ phẳng 14T . 9
14T 2.2.2.1. Xác định vị trí dầm chính 14T . 9
14T 2.2.2.2. Nhịp tính toán của dầm chính 14T 12
14T 2.2.2.3. Chọn sơ bộ kích thước dầm chính 14T 12
14T 2.2.2.4. Kiểm tra cường độ và độ võng của dầm chính 14T 14
14T 2.2.3. Tính toán giàn chính theo hệ phẳng 14T . 16
14T 2.2.3.1. Kết cấu giàn chính 14T . 16
14T 2.2.3.2. Tính toán giàn chính theo hệ phẳng 14T . 17
14T 2.2.3.3. Kiểm tra cường độ và độ võng của giàn chính 14T 18
14T 2.2.4. Tính toán dầm đứng theo hệ phẳng 14T 19
14T 2.2.4.1. Hình thức và vị trí dầm đứng 14T 19
14T 2.2.4.2. Tính toán dầm đứng 14T . 19
14T 2.2.5. Tính toán lực đóng mở van 14T . 21
14T 2.2.6. Tính toán dầm chính và dầm đứng bằng phần mềm SAP2000 14T 21
14T 2.3. Cửa van phẳng nhịp lớn 14T 23
14T 2.3.1. Kết cấu van phẳng nhịp lớn 14T 23
14T 2.3.2. Phân tích nội lực kết cấu van phẳng theo bài toán không gian bằng
phần mềm SAP2000 14T . 25
14T CHƯƠNG 3 – GIỚI THIỆU PHẦN MỀM SAP2000 – PHÂN TÍCH
KẾT CẤU CỬA VAN PHẲNG 14T 27
14T 3.1. Khái quát về phần mềm SAP2000 14T 27
14T 3.2. Một vài điểm cần lưu ý khi sử dụng phần mềm 14T . 28
14T 3.2.1. Đối tượng, phần tử và nhóm 14T . 28
14T 3.2.2. Hệ tọa độ 14T . 29
14T 3.2.2.1. Hệ tọa độ tổng th ể 14T 29
14T 3.2.2.2. Hệ tọa độ cục b ộ (địa phương) 14T 29
14T 3.2.3. Dấu của nội lực và ứng suất 14T . 32
14T 3.2.3.1. Phần tử thanh: 14T 32
14T 3.2.3.2. Phần tử vỏ: 14T . 33
14T 3.3. Phân tích kết cấu cửa van phẳng bằng phần mềm SAP2000 14T . 34
14T 3.3.1. Mô hình hóa kết cấu van phẳng 14T 34
14T 3.3.2. Phân tích nội lực kết cấu van phẳng 14T . 36
14T 3.3.2.1. Cửa van nằm trên ngưỡng 14T . 37
14T 3.3.2.2. Cửa van bắt đầu rời khỏi ngưỡng 14T 38
14T KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 14T 38
14T CHƯƠNG 4 - PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ BIẾN
DẠNG CỦA CỬA VAN PHẲNG CỐNG MƯƠNG CHUỐI 14T 39
14T 4.1. Nhiệm vụ và quy mô công trình 14T . 39
14T 4.1.1. Nhiệm vụ công trình 14T . 39
14T 4.1.2. Quy mô công trình đầu mối 14T 39
14T 4.2. Kết cấu cửa van ngăn triều và giảm ngập 14T . 42
14T 4.2.1. Mô tả kết cấu cửa van 14T . 42
14T 4.2.2. Số liệu tính toán 14T 44
14T 4.2.3. Trường hợp tính toán 14T 44
14T 4.3. Phân tích kết cấu van phẳng nhịp lớn bằng phần mềm SAP2000 14T 45
14T 4.3.1. Mô hình hoá kết cấu van phẳng nhịp lớn có cánh hạ giàn chính
dạng vòm 14T . 45
14T 4.3.1.1. Kết cấu van phẳng 14T 45
14T 4.3.1.2 . Mô hình hoá kết cấu van phẳng 14T 46
14T 4.3.2. Mô hình hoá kết cấu van phẳng nhịp lớn có cánh hạ giàn chính
dạng phẳng 14T 49
14T 4.3.2.1. Kết cấu van phẳng 14T 49
14T 4.3.2.2 . Mô hình hoá kết cấu van phẳng 14T 51
14T 4.3.3. Kết quả tính toán nội lực và chuyển vị cửa van phẳng trong trường
hợp cửa van trên ngưỡng với “cánh hạ giàn chính dạng vòm” và “cánh
hạ giàn chính dạng phẳng” 14T . 54
14T 4.3.3.1 . Bản mặt 14T . 54
14T 4.3.3.2 . Dầm phụ dọc 14T . 60
14T 4.3.3.3. Dầm đứng 14T . 66
14T 4.3.3.4. Cánh hạ giàn chính 14T 71
14T 4.3.3.5. Giàn đứng 14T . 79
14T 4.3.3.6. Phản lực tại 2 gối đáy cửa van 14T 84
14T 4.3.4. Nhận xét và kết luận 14T . 85
14T KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 14T . 86
14T TÀI LIỆU THAM KHẢO 14T . 88


DANH MỤC HÌNH VẼ
14TU Hình 1.1 - Cống Liên Mạc U14T 2
14TU Hình 1.2 - Cống ngăn mặn ở Sóc Trăng U14T . 2
14TU Hình 1.3- Công trình ngăn sông U14T 3
14TU Hình 1.4 – Đập chắn sóng U14T . 3
14TU Hình 1.5 - Cửa van nhịp lớn (50~64m) EMS- CHLB Đức ( 2002) U14T . 3
14TU Hình 2.1- Cửa van trên mặt và cửa van dưới sâu U14T . 5
14TU Hình 2.2 - Kết cấu cửa van phẳng U14T 6
14TU Hình 2.3 - Sơ đồ áp lực nước lên cửa van trên mặt và cửa van dưới sâu U14T . 7
14TU Hình 2.4 - Sơ đồ xác định áp lực nước lên dầm chính U14T . 11
14TU Hình 2.5 - Tiết diện tính toán và biểu đồ ứng suất pháp của dầm chính U14T 14
14TU Hình 2.6 - Dầm chính có chiều cao thay đổi U14T 14
14TU Hình 2.7 - Giàn chính có cánh hạ hình đa giác U14T . 16
14TU Hình 2.8 - Hình thức tiết diện thanh giàn chính U14T . 17
14TU Hình 2.9 - Sơ đồ tính toán giàn chính U14T . 17
14TU Hình 2.10 - Sơ đồ tính toán giàn đứng U14T 20
14TU Hình 2.11 - Kết cấu giàn chính có thanh cánh cong một chiều U14T 23
14TU Hình 2.12 - Kết cấu giàn chính có thanh cánh cong một chiều U14T 24
14TU Hình 2.13 - Kết cấu giàn chính có thanh cánh hạ cong hai chiều U14T 24
14TU Hình 2.14 - Gối đỡ kiểu trượt U14T . 25
14TU Hình 3.1 - Hệ tọa độ cục bộ của phần tử thanh U14T . 31
14TU Hình 3.2 - Trục tọa độ cục bộ 2 và 3 của phần tử thanh U14T . 31
14TU Hình 3.3 - Hệ toạ độ cục bộ của phần tử vỏ U14T . 32
14TU Hình 3.4 - Quy ước dấu của lực dọc và mômen xoắn U14T 33
14TU Hình 3.5 - Quy ước dấu của lực cắt và mômen uốn U14T . 33
14TU Hình 3.6 - Quy ước dấu nội lực của vỏ U14T . 34
14TU Hình 3.7 – Tiết diện dập hình thang Precast của dầm phụ dọc U14T 34
14TU Hình 3.8 - Mô hình hóa bản mặt và dầm đứng U14T . 35
14TU Hình 3.9 - Quy ước về các điểm Insertion Points U14T . 35
14TU Hình 3.10 - Trình tự mô hình hóa dầm phụ dọc U14T . 36
14TU Hình 3.11 - Mô hình hóa cửa van phẳng bằng phần mềm SAP2000 U14T . 36
14TU Hình 3.12 - Sơ đồ liên kết cửa van khi đóng và khi mở U14T 37
14TU Hình 4.1 – Bản đồ bố trí hệ thống thủy lợi chống ngập TP Hồ Chí Minh U14T . 40
14TU Hình 4.2 – Bản đồ vị trí cống Mương Chuối U14T 41
14TU Hình 4.3 – Mặt bằng cống Mương Chuối U14T . 42
14TU Hình 4.4 – Cắt dọc cống Mương Chuối U14T 14T 42
14TU Hình 4.5 – Mặt bằng và cắt dọc cửa van có cánh hạ giàn chính dạng vòm U14T . 43
14TU Hình 4.6 – Mặt bằng và cắt dọc cửa van có cánh hạ giàn chính dạng phẳng U14T
. 43
14TU Hình 4.7 - Sơ đồ tính toán U14T . 45
14TU Hình 4.8 - Kết cấu van phẳng (TH cánh hạ giàn chính dạng vòm) U14T 46
14TU Hình 4.9 - Kết cấu giàn đứng có cánh hạ giàn chính dạng vòm U14T . 47
14TU Hình 4.10 – Mô hình hóa kết cầu cửa van phẳng (TH cánh hạ giàn chính
dạng vòm) U14T 48
14TU Hình 4.11 - Áp lực nước thượng lưu và hạ lưu bằng phổ mầu U14T . 49
14TU Hình 4.12 – Kết cấu van phẳng (TH cánh hạ giàn chính dạng phẳng) U14T . 50
14TU Hình 4.13 - Kết cấu giàn đứng có cánh hạ giàn chính dạng phẳng U14T 52
14TU Hình 4.14a – Mô hình hóa kết cầu cửa van phẳng nhìn từ hạ lưu (TH cánh
hạ giàn chính dạng phẳng) U14T . 52
14TU Hình 4.14b – Mô hình hóa kết cầu cửa van phẳng nhìn từ thượng lưu (TH
cánh hạ giàn chính dạng phẳng) U14T 53
14TU Hình 4.15 - Mã nút nửa trái bản mặt U14T . 54
14TU Hình 4.16 - Biểu đồ chuyển vị bằng phổ mầu nửa trái bản mặt U14T . 55
14TU Hình 4.17 - Biểu đồ ứng suất S URU 11 URU và S URU 22 URU bằng phổ mầu nửa trái bản mặt (TH
cánh hạ giàn chính dạng vòm) U14T . 57
14TU Hình 4.18 - Biểu đồ ứng suất S URU 11 URU và S URU 22 URU bằng phổ mầu nửa trái bản mặt(TH
cánh hạ giàn chính dạng phẳng) U14T 58
14TU Hình 4.19 – Sơ họa mã các phần tử của dầm phụ dọc ở nửa trái của cửa van U14T
. 60
14TU Hình 4.20 – Mã nút và mã phần tử nửa trái dầm phụ dọc số 3 U14T 60
14TU Hình 4.21 - Biểu đồ nội lực của nửa trái dầm phụ dọc số 3 (TH cánh hạ giàn
chính dạng vòm) U14T 61
14TU Hình 4.22 - Biểu đồ nội lực của nửa trái dầm phụ dọc số 3 (TH cánh hạ giàn
chính dạng phẳng) U14T . 62
14TU Hình 4.23 - Biểu đồ chuyển vị của nửa trái dầm phụ dọc số 3 U14T . 64
14TU Hình 4.24 - Kết cấu dầm đứng và giàn chính U14T . 66
14TU Hình 4.25 – Mã phần tử và mã nút của dầm đứng số 1 và 4 U14T 66
14TU Hình 4.26 - Biểu đồ phổ màu chuyển vị của dầm đứng số 4 U14T 67
14TU Hình 4.27a - Biểu đồ ứng suất S11 bằng phổ mầu của dầm đứng số 1 U14T 68
14TU Hình 4.27b - Biểu đồ ứng suất S22 bằng phổ mầu của dầm đứng số 1 U14T . 69
14TU Hình 4.28 – Mã phần tử và mã nút cánh hạ giàn chính U14T 71
14TU Hình 4.29 - Biểu đồ lực dọc P của cánh hạ giàn chính do trọng lượng bản
thân (DEAD) U14T 72
14TU Hình 4.30 - Biểu đồ lực cắt V2 của cánh hạ giàn chính do tổ hợp tải trọng
(TH1) U14T . 73
14TU Hình 4.31 - Biểu đồ momen M3 của cánh hạ giàn chính do tổ hợp tải trọng
(TH1) U14T . 74
14TU Hình 4.32 - Biểu đồ chuyển vị của cánh hạ giàn chính do tổ hợp tải trọng
(TH1) U14T . 77
14TU Hình 4.33 - Biểu đồ chuyển vị của cánh hạ giàn chính do tổ hợp tải trọng
(TH1) U14T . 77
14TU Hình 4.34 – Sơ họa vị trí các giàn đứng U14T . 79
14TU Hình 4.35 – Mã phần tử và mã nút của giàn đứng số 2 U14T 79
14TU Hình 4.36 – Biểu đồ nội lực giàn đứng số 2 do tổ hợp tải trọng (TH1) (TH
cánh hạ giàn chính dạng vòm) U14T . 80
14TU Hình 4.37 – Biểu đồ nội lực giàn đứng số 2 do tổ hợp tải trọng (TH1) (TH
cánh hạ giàn chính dạng phẳng) U14T 81
14TU Hình 4.38 – Chuyển vị của giàn đứng số 2 U14T . 83

DANH MỤC BẢNG BIỂU
14TU Bảng 4.1 - Chuyển vị tại một số nút trên bản mặt (TH cánh hạ giàn chính
dạng vòm) U14T 56
14TU Bảng 4.2 - Chuyển vị tại một số nút trên bản mặt (TH cánh hạ giàn chính
dạng phẳng) U14T . 56
14TU Bảng 4.3 - Ứng suất S11 và S22 một số phần tử trong bản mặt cửa van (TH
cánh hạ giàn chính dạng vòm) U14T . 59
14TU Bảng 4.4 - Ứng suất S11 và S22 một số phần tử trong bản mặt cửa van (TH
cánh hạ giàn chính dạng phẳng) U14T 59



14TU Bảng 4.5- Kết quả tính toán nội lực của một số phần tử trên dầm phụ dọc số
3 (TH cánh hạ giàn chính dạng vòm) U14T 63
14TU Bảng 4.6 - Kết quả tính toán nội lực của một số phần tử trên dầm phụ dọc số
3 (TH cánh hạ giàn chính dạng phẳng) U14T . 63
14TU Bảng 4.7 - Kết quả tính toán chuyển vị của một số phần tử trên dầm phụ dọc
số 3 (TH cánh hạ giàn chính dạng vòm) U14T . 65
14TU Bảng 4.8 - Kết quả tính toán chuyển vị của một số phần tử trên dầm phụ dọc
số 3 (TH cánh hạ giàn chính dạng phẳng) U14T . 65
14TU Bảng 4.9 - Kết quả tính toán chuyển vị của một số nút trên dầm đứng số 4
(TH cánh hạ giàn chính dạng vòm) U14T . 67
14TU Bảng 4.10 - Kết quả tính toán chuyển vị của một số nút trên dầm đứng số 4
(TH cánh hạ giàn chính dạng phẳng) U14T 67
14TU Bảng 4.11 - Kết quả tính toán ứng suất tại một số phần tử của dầm đứng số 1
(TH cánh hạ giàn chính dạng vòm) U14T . 69
14TU Bảng 4.12 - Kết quả tính toán ứng suất tại một số phần tử của dầm đứng số 1
(TH cánh hạ giàn chính dạng phẳng) U14T 70
14TU Bảng 4.13a - Kết quả tính toán nội lực một số phần tử của cánh hạ giàn
chính do trọng lượng bản thân (DEAD) (TH cánh hạ giàn chính dạng vòm) U14T
. 75
14TU Bảng 4.13b - Kết quả tính toán nội lực một số phần tử của cánh hạ giàn
chính do tổ hợp tải trọng (TH1) (TH cánh hạ giàn chính dạng vòm) U14T . 75
14TU Bảng 4.14a - Kết quả tính toán nội lực một số phần tử của cánh hạ giàn
chính do trọng lượng bản thân (DEAD) (TH cánh hạ giàn chính dạng phẳng) U14T
. 76
14TU Bảng 4.14b - Kết quả tính toán nội lực một số phần tử của cánh hạ giàn
chính do tổ hợp tải trọng (TH1) (TH cánh hạ giàn chính dạng phẳng) U14T . 76
14TU Bảng 4.15 - Kết quả tính toán chuyển vị của một số nút trên cánh hạ giàn
chính (TH cánh hạ giàn chính dạng vòm) U14T . 78
14TU Bảng 4.16 - Kết quả tính toán chuyển vị của một số nút trên cánh hạ giàn
chính (TH cánh hạ giàn chính dạng phẳng) U14T 78
14TU Bảng 4.17 - Kết quả tính toán nội lực một số thanh của giàn đứng số 2 (TH
cánh hạ giàn chính dạng vòm) U14T . 82
14TU Bảng 4.18 - Kết quả tính toán nội lực một số thanh của giàn đứng số 2 (TH
cánh hạ giàn chính dạng phẳng) U14T 82
14TU Bảng 4.19 - Kết quả tính toán chuyển vị tại một số nút của giàn đứng số 2
(TH cánh hạ giàn chính dạng vòm) U14T . 83
14TU Bảng 4.20 - Kết quả tính toán chuyển vị tại một số nút của giàn đứng số 2
(TH cánh hạ giàn chính dạng phẳng) U14T . 83
14TU Bảng 4.21 - Kết quả tính toán phản lực tại 2 gối bản lề (TH cánh hạ giàn
chính dạng vòm) U14T 84
14TU Bảng 4.22 - Kết quả tính toán phản lực tại 2 gối bản lề (TH cánh hạ giàn
chính dạng phẳng) U14T . 841

CHƯƠNG 1 - MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Trên thế giới nói chung và ở nước ta nói riêng, hiện nay sự biến đổi
khí hậu và nước biển dâng đang đe dọa nghiêm trọng đến các công trình thủy
lợi đã và đang xây dựng, chúng làm thay đổi các yêu cầu thiết kế và tính
toán, thậm chí còn làm thay đổi nhiệm vụ của công trình thủy lợi hoặc đặt
thêm các yêu cầu phức tạp cho công trình thủy lợi.
Cửa van có nhiệm vụ điều tiết nước, giữ nước khi đóng và xả lũ khi
mở trong các hồ chứa, ngăn mặn và thoát lũ trong các cống vùng triều. Có
nhiều loại cửa van như: cửa van trên mặt, cửa van dưới sâu, cửa van phẳng,
cửa van cung, cửa van quạt, cửa van kiểu ống lăn, . trong đó cửa van phẳng
do có kết cấu đơn giản, dễ gia công chế tạo, vận hành thuận lợi có độ tin cậy
cao nên được áp dụng rộng rãi trong các công trình thủy lợi, thủy điện ở
nước ta cũng như các nước trên thế giới.
Cửa van là một bộ phận quan trọng trong công trình thủy lợi, thủy
điện. Công trình được khai thác tốt hay xấu, có đạt được mục tiêu thiết kế
hay không phụ thuộc vào sự vận hành của cửa van. Khi cửa van bị sự cố sẽ
không những gây tổn hại lớn cho công trình thủy lợi, thủy điện mà còn gây
tác hại cho sản xuất và đời sống ở vùng hạ du.
Ở nước ta cửa van phẳng chủ yếu được dùng với khẩu độ nhỏ hơn
20m như Cống Đồng Quan – Sông Nhuệ khẩu độ BxH = 10x6m gồm hai
thớt; Cống Tân Đệ ở Thái Bình có khẩu độ 5m; Cống Liên Mạc gồm 3
khoang cửa van phẳng khẩu độ nhỏ hơn 10m; một số cống ngăn mặn trong
miền Nam cũng có khẩu độ nhỏ hơn 10m, .
Chính vì vậy “Nghiên cứu hình dạng, kết cấu chịu lực hợp lý của
cửa van phẳng nhịp lớn” đảm bảo yêu cầu về cường độ và ổn định cũng 2

như độ võng hoặc biến dạng của từng bộ phận cửa van và của toàn cửa van
khi đưa vào vận hành khai thác là rất thiết thực, mang lại hiệu quả kinh tế và
tăng tuổi thọ của cửa van cũng như công trình thủy lợi, thủy điện.
Hình ảnh một số cửa van phẳng ở Việt Nam và trên thế giới: