Đồ án môn học Kết cấu thép thuỷ công - Đại học Thuỷ lợi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
Bộ MƠN KẾT CẤU CƠNG TRÌNH
PGS. TS. VŨ HỒNG HƯNG

ĐỒ ÁN MƠN HỌC

KẾT CẤU THÉP THỦY CÔNG

NHÀ XUẤT BẢN BÁCH KHOA HÀ NỘI


Biên mục trên xuất bản phẩm của Thư viện Quốc gia Việt Nam

Vũ Hồng Hưng

Đồ án mơn học kết cấu thép thuỷ cơng / Vũ Hồng Hưng. - H. : Bách khoa
Hà Nội, 2021. - 120tr. : minh họa ; 27cm

1. Cơng trình thuỷ cơng 2. Thép thuỷ cơng 3. Đoán

627.702 - dc23

BKF0198p-CIP

2


LỜI NĨI ĐÀU
Đồ án mơn học Kết cấu thép là một trong những học phần trong chương trình đào tạo
kỹ sư ngành Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy. Đồ án môn học giúp sinh viên vận dụng
các kiến thức cơ bản của môn học Ket cấu thép để thực hành thiết kế một hạng mục cơng

trình quan trọng trong cơng trình thủy lợi, thủy điện - Cửa van thép.
Cửa van thép có nhiều loại, tuy nhiên trong cuốn sách này chỉ hướng dẫn thiết kế cho
cửa van phăng.

Cuốn sách được dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên khi làm Đồ án môn học Kết
cấu thép thủy công và có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các kỹ sư thiết kế, chế tạo
kết cấu thép công trình thủy lợi, thủy điện.
Sách do PGS. TS. Vũ Hồng Hưng biên soạn trên cơ sở kế thừa các tài liệu đã dùng
trong q trình giảng dạy các mơn học của Bộ mơn Kết cấu cơng trình.

Tác giả xin chân thành cảm ơn các giảng viên của Bộ môn Ket cấu cơng trình cùng
các chun gia trong và ngồi Trường Đại học Thủy lợi đã đóng góp những ý kiến quý báu
trong quá trình biên soạn cuốn sách này.
Mặc dù đã cố gắng trong q trình biên soạn nhưng khơng thể tránh khơi những thiếu
sót, tác giả mong nhận được những ý kiến đóng góp của các bạn đồng nghiệp, sinh viên và
bạn đọc để lần xuất bản sau được hồn thiện hơn.

Bộ mơn Ket cấu cơng trình chân thành cảm ơn các bộ phận chức năng của Trường
Đại học Thủy lợi và Nhà xuất bản Bách khoa Hà Nội đã hỗ trợ và tạo điều kiện thuận lợi
để cuốn sách này được xuất bản kịp thời, góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy và học
tập của sinh viên.
Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về:

Bộ mơn Ket cấu cơng trình - Khoa Cơng trình - Trường Đại học Thủy lợi.

175 Tây Sơn, Đống Đa, Hà Nội.
Điện thoại: 0243 5636456; Email:

Tác giả

3


4


MỤC LỤC
LỜI NĨI ĐẦU............................................................................................................................... 3

DANH MỤC HÌNH VẼ............................................................................................................... 8
DANH MỤC BẢNG BIỂU....................................................................................................... 12
Chương 1. HƯỚNG DẪN THIẾT KỂ CỬA VAN PHẢNG............................................. 13
1.1. Giói thiệu chung về cửa van........................................................................................ 13
1.2. Cửa van phẳng kéo đúng..............................................................................................14

1.2.1. Hình thức cấu tạo................................................................................................... 14
1.2.2. Ket cấu cánh van.................................................................................................... 15
1.2.3. Bộ phận cố định...................................................................................................... 17
1.2.4. Bộ phận đóng mờ................................................................................................... 17
1.3. Bố trí tổng thể kết cấu cửa van phẳng....................................................................... 17

1.3.1. Bố trí dầm chính..................................................................................................... 17
1.3.2. Bố trí hệ dầm phụ................................................................................................... 20
1.3.3. Hình thức liên kết hệ dầm..................................................................................... 20
1.3.4. Hệ liên kết hướng ngang....................................................................................... 21
1.3.5. Hệ liên kết hướng dọc........................................................................................... 23

1.3.6. Dầm biên................................................................................................................. 24
1.3.7. Gối tựa động........................................................................................................... 25
1.3.8. Vật chắn nước......................................................................................................... 25

1.4. Tính tốn kết cấu cánh van......................................................................................... 25

1.4.1. Nội dung và yêu cầu thiết kế................................................................................ 25
1.4.2. Phương pháp tính tốn........................................................................................... 25
1.4.3. Ngun tắc truyền lực........................................................................................... 26

5


1.5. Thiết kế các bộ phận cánh van theo hệ phắng....................................................... 26

1.5.1. Thiết kế bản mặt..................................................................................................... 26
1.5.2. Thiết kế dầm phụ.................................................................................................... 28
1.5.3. Thiết kế dầm chính................................................................................................. 32
1.5.4. Thiết kế hệ liên kết hướng ngang......................................................................... 39
1.5.5. Thiết kế hệ liên kết hướng dọc............................................................................. 41

1.5.6. Thiết kế dầm biên................................................................................................... 43
1.5.7. Thiết kế bộ phận gối đỡ......................................................................................... 43
1.5.8. Thiết kế bộ phận cố định....................................................................................... 50
1.5.9. Thiết kế vật chắn nước và móc treo..................................................................... 53

1.5.10. Tính lực mở cửa van........................................................................................... 55
Chương 2. ví DỤ THIẾT KẾ CỬA VAN PHẮNG TRÊN MẶT................................... 57
2.1. Số liệu thiết kế................................................................................................................. 57

2.1.1. Thông số cơ bản..................................................................................................... 57

2.1.2. Vật liệu chế tạo cửa van........................................................................................ 57
2.1.3. Giá trị tiêu chuẩn.................................................................................................... 58

2.2. Hình thức và bố trí tổng thể kết cấu cửa van.......................................................... 58

2.2.1. Hình thức cánh cửa van......................................................................................... 58
2.2.2. Bố trí tổng thể kết cấu cánh van.......................................................................... 58
2.3. Tính tốn các bộ phận kết cấu cửa van....................................................................60

2.3.1. Tính tốn bản mật................................................................................................... 60
2.3.2. Tính tốn dầm phụ dọc.......................................................................................... 61
2.3.3. Tính tốn dầm chính...............................................................................................65
2.3.4. Tính tốn dầm ngang............................................................................................. 73
2.3.5. Tính tốn giàn chịu trọng lượng........................................................................... 75
2.3.6. Tính dầm biên....................................................................................................... 78
2.3.7. Bộ phận gối đỡ...................................................................................................... 80
2.3.8. Vật chắn nước và bộ phận cố định....................................................................... 82
6


Chương 3. TÍNH TỐN KÉT CẤU VAN VỚI sự HỎ TRỢ

CỦA PHÀN MÈM PHÂN TÍCH KẾT CẤU SAP2000............................... 83
3.1. Tính toán nội lực một số bộ phận van bằng SAP2000........................................... 83

3.1.1. Tính nội lực giàn ngang......................................................................................... 83
3.1.2. Tính nội lực giàn chịu trọng lượng....................................................................... 85
3.1.3. Tính nội lực dầm biên........................................................................................... 86
3.2. Tính tốn kết cấu cửa van theo bài tốn khơng gian............................................. 88

3.2.1. Khái qt về bài tốn khơng gian......................................................................... 88
3.2.2. Thiết lập mơ hình tính........................................................................................... 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................... 100

PHỤ LỤC................................................................................................................................... 101

Phụ lục 1: Phân nhóm vật liệu thép theo kích thước........................................................ 101

Phụ lục 2: Cường độ tính tốn của vật liệu thép kết cấu (GB 50017-2003)................. 101
Phụ lục 3: ứng suất cho phép của vật liệu thép................................................................. 102
Phụ lục 4: ứng suất cho phép của chi tiết cơ khí.............................................................. 102
Phụ lục 5: ứng suất cho phép của gang xám đúc.............................................................. 103
Phụ lục 6: ứng suất cho phép của ống bọc trục (bạc lót)..................................................103
Phụ lục 7: ứng suất cho phép của bê tơng......................................................................... 103
Phụ lục 8: Kích thước, diện tích mặt cắt ngang, khối lượng 1 m dài và các đặc tính
mặt cắt của thép hình chữ I [3].......................................................................... 104
Phụ lục 9: Kích thước và đặc tính mặt cất của thép chữ c cán nóng [4]........................ 106

Phụ lục 10: Kích thước và đặc tính mặt cắt của thép góc cạnh đều cán nóng [5].......... 107

Phụ lục 11: Kích thước và mặt cắt của thép góc cạnh khơng đều [6]............................. 112

7


DANH MỤC HINH VE
Hình 1.1. Cửa van phẳng............................................................................................................. 13
Hình 1.2. Hình vẽ phối cảnh cánh van của cửa van phang..................................................... 14
Hình 1.3. Cửa van phang được sử dụng trong thực tế............................................................ 15
Hình 1.4. Kết cấu tong thế cánh van phang .............................................................................. 15
Hình 1.5. Hệ tọa độ cửa van phẳng............................................................................................. 16

Hình 1.6. Vị trí dầm chính trong cửa van nhiềudầm chính..................................................... 18

Hình 1.7. Vị trí dầm chính trong cửa van haidầm chính........................................................ 19
Hình 1.8. Bố trí hệ dầm................................................................................................................ 20
Hình 1.9. Hình thức liên kết hệ dầm.......................................................................................... 21
Hình 1.10. Hình thức liên kết hướng ngang.............................................................................. 22

Hình 1.11. Sơ đồ tính tốn giàn ngang...................................................................................... 22
Hình 1.12. Sơ đồ tính tốn hệ liên kết hướng dọc....................................................................23
Hình 1.13. Hình thức hệ liên kết hướng dọc............................................................................. 24

Hình 1.14. Hình thức mặt cắt dầm biên..................................................................................... 24
Hình 1.15. Ô bản mặt ngàm bốn cạnh chịu tác dụng của tải trọng phân bố đều ................. 26
Hình 1.16. Sơ đồ tính tốn và tải trọng lên dầm phụ khi hệ dầm liên kết chồng.................. 28
Hình 1.17. Sơ đồ tính tốn và tải trọng lên dầm phụ khi hệ dầm liên kết đồng phang....... 29
Hình 1.18. Hình thức mặt cắt dầm phụ và bề rộng bản mặt tham gia chịu lực.................... 31

Hình 1.19. Be rộng hữu hiệu của bản mặt tham gia chịu lực cùng dầm phụ........................ 32
Hình 1.20. Sơ đồ tính tốn dầm chính khi vật chắn nước bố trí ở mặt thượng lưu..............33
Hình 1.21. Hình thức và sơ đồ tính tốn giàn chính cửa van phang...................................... 33
Hình 1.22. Sơ đồ tính tốn dầm chính....................................................................................... 33
8


Hình 1.23. Sơ đồ tính tốn dầm chính khi bố trí vật chắn nước ờ hạ lưu............................. 34

Hình 1.24. Gia cường cánh thượng lưu của giàn chính........................................................... 35
Hình 1.25. Tiết diện tính tốn dầm chính................................................................................. 36
Hình 1.26. Dầm chính thay đổi tiết diện theo nhịp ................................................................. 37
Hình 1.27. Sơ đồ tính tốn giàn ngang....................................................................................... 39

Hình 1.28. Mật cắt ngang dầm ngang........................................................................................ 41

Hình 1.29. Sơ đồ tính tốn giàn chịu trọng lượng.................................................................. 42
Hình 1.30. Sơ đồ tính tốn dầm biên cửa van phang............................................................... 43
Hình 1.31. Hình thức gối đỡ cửa van......................................................................................... 44

Hình 1.32. Cấu tạo gối đỡ kiểu ray trượt.................................................................................. 44
Hình 1.33. Hình thức bánh xe lăn............................................................................................ 45

Hình 1.34. Bánh xe hình thức cơng xơn (đơn vị: mm).......................................................... 46

Hình 1.35. Bánh xe hình thức trục đơn giản (đơn vị: mm).................................................... 47
Hình 1.36. Bánh xe hình thức trục đơn giản đật ngồi(đơn vị: mm).................................... 47
Hình 1.37. Sơ đồ tính trục bánh xe............................................................................................. 48
Hình 1.38. Bánh xe bên và bánh xe ngược hướng cùa cửa van phang ................................. 49

Hình 1.39. Bánh xe bên và ngược hướng...................................................................................50
Hình 1.40. Hình thức đường ray.................................................................................................50
Hình 1.41. Mặt cắt ngang đường ray 128...................................................................................51

Hình 1.42. Cấu tạo đầu trên đường ray...................................................................................... 51
Hình 1.43. Hình thức gối chắn nước.......................................................................................... 52
Hình 1.44. Bản thép bọc tường ngực cửa van dướisâu............................................................. 52

Hình 1.45. Bố trí khe cửa khi hình thànhcột nướcáplực đỉnh cửa........................................52
Hình 1.46. Hình thức vật chắn nước đáy.................................................................................53
Hình 1.47. Hình thức vật chắn nước bên.................................................................................53

9


Hình 1.48. Hình thức chắn nước đỉnh........................................................................................ 54

Hình 1.49. Cấu tạo móc treo ...................................................................................................... 54
Hình 2.1. Kích thước chính của cửa van (đơn vị: m)............................................................... 59
Hình 2.2. Bố trí hệ dầm (đơn vị: mm)....................................................................................... 60
Hình 2.3. Sơ đồ tính chiều dày các ơ bản mặt......................................................................... 61
Hình 2.4. Sơ đồ xác định tải trọng tác dụng lên dầm phụ dọc............................................... 62
Hình 2.5. Sơ đồ tính tốn và biểu đồ mơmen uốn dầm phụ dọc........................................... 63
Hình 2.6. Tiết diện tính tốn dầm phụ dọc............................................................................... 63
Hình 2.7. Sơ đồ tính tốn dầm chính......................................................................................... 66

Hình 2.8. Tiết diện tính tốn ở giữa nhịp và ở đầu của dầm chính.........................................68
Hình 2.9. Dầm chính thay đổi tiết diện theo chiều dài nhịp................................................... 69
Hình 2.10. Vị trí sườn đứng gia cố bản bụng dầm chính......................................................... 70
Hình 2.11. Mômen và lực cắt trong các ô bản bụng dầm chính (đơn vị: mm, N)................ 71
Hình 2.12. Sơ đồ tính tốn dầm ngang...................................................................................... 74

Hình 2.13. Mặt cắt dầm ngang.................................................................................................... 74
Hình 2.14. Sơ đồ tính tốn nội lực giàn chịu trọng lượng.......................................................76
Hình 2.15. Sơ đồ tính tốn dầm biên......................................................................................... 78
Hình 2.16. Tiết diện dầm biên.................................................................................................... 80

Hình 2.17. Bánh xe chịu lực....................................................................................................... 81
Hình 2.18. Sơ đồ tính tốn trục bánh xe.................................................................................... 81
Hình 3.1. Sơ đồ tính tốn lực tập trung tại nút giàn ngang.................................................... 84
Hình 3.2. Sơ đồ tính tốn, biểu đồ lực dọc và mơmen uốn cục bộ tronggiàn ngang.......... 84
Hình 3.3. Sơ đồ tính tốn và biểu đồ lực dọc giàn chịu trọng lượng.................................... 85

Hình 3.4. Sơ đồ tính tốn dầm biên khi bánh xe chịu lực đặt ngay sau dầm chính............ 86
Hình 3.5. Mơ hình hóa bản bụng dầm chính............................................................................. 89

10

Hình 3.6. Mơ hình hóa dầm phụ dọc.......................................................................................... 90

Hình 3.7. Mơ hình hóa van phang theo mơ hình khơng gian.................................................. 91
Hình 3.8. Biểu đồ áp lực thủy tĩnh (kN/m2).............................................................................. 91
Hình 3.9. Phổ màu chuyển vị của bản mặt do tổ hợp lực THI (m)....................................... 93

Hình 3.10. Phổ ứng suất S22 của bản mặt do tổ hợp tải trọng TH2 (kN/m2)....................... 94
Hình 3.11. Phổ màu chuyển vị (m) và ứng suất S22 (kN/m2) của bản bụng dầm chính.... 95
Hình 3.12. Phổ màu ứng suất s 11 của bản cánh dầm chính (TH2) (kN/m2)........................ 96

Hình 3.13. Biểu đồ chuyển vị do THI và nội lực giàn ngang (G2) do TH2......................... 97

Hình 3.14. Phổ màu ứng suất S22 của dầm biên do TH3 (kN/m2)........................................ 99

11


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Giá trị hệ so a..............................................................................................................27
Bảng 1.2. Tính tốn chiều dày bản mặt..................................................................................... 27

Bảng 1.3. Xác định tải trọng tác dụng lên dầm đỉnh, dầm phụ dọc và dầm đáy.................. 30
Bảng 1.4. Hệ số bề rộng hữu hiệu của bản mặt........................................................................ 32
Bảng 1.5. Bề rộng bề mặt làm việc và bán kính cong của ray trượt...................................... 45
Bảng 2.1. Cơ lý tính của thép tấm chế tạo cửa van.................................................................. 57
Bảng 2.2. Tính tốn chiều dày bản mặt..................................................................................... 61
Bảng 2.3. Xác định tải trọng tác dụng lên dầm phụ dọc.......................................................... 62

Bảng 2.4. Kiếm tra on định cục bộ của bản bụng dầm chính................................................. 73
Bảng 2.5. Nội lực trong các thanh giàn chịu trọng lượng........................................................ 76
Bảng 2.6. Lực truyền từ dầm phụ ngang lên dầm biên............................................................ 79
Bảng 3.1. Tải trọng tập trung tại nút giàn ngang...................................................................... 84

Bảng 3.2. Mômen uốn cục bộ trong dầm biên.......................................................................... 87
Bảng 3.3. Lực tác dụng lên bánh xe chịu lực............................................................................ 87
Bảng 3.4. Phản lực bánh xe chịu lực do áp lực nước............................................................... 92

Bảng 3.5. Phản lực gối tựa đứng dưới đáy van do trọng lượng bản thân.............................. 93
Bảng 3.6. Chuyến vị tại một số nút trên mặt cắt A-A của bản mặt........................................94
Bảng 3.7. ứng suất trong một số phần tử cùa bản mặt (TH2)................................................ 95

Bảng 3.8. Chuyến vị ờ giữa nhịp dầm chính trên (nút 112) và dưới (nút 272)..................... 96
Bảng 3.9. ứng suất cánh hạ dầm chính trên và dưới............................................................... 96
Bảng 3.10. Chuyển vị nút của giàn ngang G2.......................................................................... 97
Bảng 3.11. Nội lực một số thanh giàn ngang G2...................................................................... 98
Bảng 3.12. Lực kéo van............................................................................................................... 99
Bảng 3.13. Nội lực trong dầm biên tại mặt cắt MCI và MC2................................................ 99

12


Chương 1

HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ CỬA VAN PHẲNG
1.1. Giới thiệu chung về cửa van
Cửa van là một bộ phận cơ khí quan trọng dùng để đóng mở các lỗ thốt nước trong
cơng trình thủy, tác dụng chính của nó là khống chế mực nước và điều tiết lưu lượng.

Cửa van có thể phân thành các loại chính:
(1) Theo cơng dụng'. Cửa van công tác; Cửa van kiểm tra; Cửa van sự cố; Cửa van thi
cơng...

(2) Theo hình thức kết cắư. Cửa van phẳng kéo đứng (hình 1.1); Cửa van hình cung;
Cửa van chữ nhân; Cửa van cống...
(3) Theo vị tri'.

- Cửa van trên mặt (hình 1 .la): đỉnh cửa van cao hơn mực nước thượng lưu;
- Cửa van dưới sâu (hình 1.lb): đỉnh cửa van thấp hơn mực nước thượng lưu. Khi

cửa van dưới sâu có cột nước H > 50 m gọi là cửa van cột nước siêu cao.
(4) Theo vật liệu chế tạo: Cửa van thép; Cửa van bê tơng; Cửa van composite; Cửa
van gỗ...

Hình 1.1. Cửa van phẳng.
(a) Cửa van phẳng trên mặt; (b) Cửa van phẳng dưới sâu.

Việc lựa chọn hình thức và kích thước của cửa van phụ thuộc chủ yếu vào yêu cầu
vận hành của cơng trình, điều kiện thủy lực; điều kiện thiết kế, chế tạo, lắp đặt, đóng mờ;
điều kiện kinh tế và cung ứng vật liệu...

13


Cửa van là một hệ kết cấu không gian khá phức tạp, chọn hình thức cửa van và thiết
kế kết cấu có thể sử dụng máy tính và lý thuyết tối uu kết cấu.
Khi thiết kế cửa van, tùy từng trường họp cụ thế đế thu thập các tài liệu có liên quan:
chức năng của cửa van và vị trí trong cơng trình thủy cơng; kích thước lỗ và số lượng lỗ
thoát nước; mực nước thiết kế và mực nước kiểm tra trước và sau cửa van; tải trọng gió và

áp lực sóng; tình trạng bùn cát; thay đổi nhiệt độ và cấp động đất; cung ứng vật liệu và
phương thức đóng mờ; điều kiện chế tạo, vận chuyến và lắp đặt...
Khi tính tốn kết cấu cửa van, ngồi các tài liệu cần thiết ờ trên, vẫn cần phải nắm rõ
cấu tạo các bộ phận kết cấu cửa van và phương thức truyền tải trọng trên kết cấu. Thiết kế
cửa van cần phải đảm bảo yêu cầu dễ sử dụng, áp dụng kỹ thuật mới, giá thành họp lý. cần
lưu ý rằng việc lựa chọn hình thức và bố trí họp lý các bộ phận kết cấu là rất quan trọng.

1.2. Cửa van phẳng kéo đứng
1.2.1. Hình thức cấu tạo

Cửa van có bản mặt phẳng trục tiếp chịu áp lực nước, khi đóng mở, cửa van được
chuyến động thắng trong mặt phang rãnh van được gọi là cửa van phang. Cửa van phang
có ba bộ phận cơ bản là bộ phận động (cánh van), bộ phận cố định lắp trên cơng trình và
bộ phận đóng mở cánh van. Hình 1.2 thể hiện bộ phận cánh van của cửa van phẳng và hình
1.3 giới thiệu một số cửa van phẳng kéo đứng được sử dụng trong thực tế.

Bản mặt

Dầm Dầm phụ
đình dọc

Dầm
ngang

Giàn chịu trọng lượng Dầm chính
Hình 1.2. Hình vẽ phối cảnh cánh van của cửa van phẳng.

14

Hình 1.3. Cửa van phẳng được sử dụng trong thực tế.

1.2.2. Kết cấu cánh van
Kết cấu tổng thể cánh van của cửa van phẳng được cho ở hình 1.4.

Hình 1.4. Kết cấu tổng thể cánh van phẳng.
(a) Dạng dầm ngang; (b) Dạng giàn ngang.

(1) Bản mặt (T): Là tấm thép phẳng trực tiếp chắn nước và truyền áp lực nước lên hệ
dầm. Bản mặt thường được bố trí ờ phía thượng lưu cửa van để giảm thiểu hệ kết cấu
chống đỡ khi chịu áp lực nước và đọng rác, ngoài ra cũng có thế giảm rung động cửa van

15


khi mờ cửa. Đơi khi cửa van đóng mở trong nước tĩnh hoặc vận tốc dòng chảy khá nhỏ tại
đáy khi mở, để thuận tiện cho việc bố trí vật chắn nước đáy cũng có thể bố trí bản mặt ở
phía hạ lưu của cửa van.

(2) Hệ dầm: Dùng để đỡ bản mặt, giảm kích thước ơ bản mặt nhằm giảm chiều dày
bản mặt. Hệ dầm bao gồm dầm chính @, dầm phụ dọc d)a, dầm đỉnh @b, dầm đáy @c
và dầm phụ đứng @d. Tất cả hệ dầm cùng chống đỡ bản mặt, áp lực nước từ bản mặt
thông qua hệ dầm truyền đến dầm biên của cửa van.
(3) Hệ liên kết cửa van: Do kết cấu cửa van là kết cấu bản dầm trực giao, trọng lượng
bản thân hệ dầm theo phương đứng trong khi hệ dầm chịu áp lực nước theo phương nằm
ngang (phương dòng chảy), vi vậy cần phải dùng hệ liên kết để đảm bảo độ cứng kết cấu
khơng gian cửa van như hình 1.5.

Hình 1.5. Hệ tọa độ cửa van phẳng.

Hệ liên kết hướng ngang ở vị trí trong mặt đứng hướng ngang cửa van (hình 1.4),
hình thức của nó thường có dạng bản như hình 1.4a (hay cịn gọi là dầm ngang @) hoặc
dạng giàn như hình 1.4b (hay cịn gọi là giàn ngang @). Hệ liên kết hướng ngang dùng để
chống dầm đỉnh, dầm đáy và dầm phụ dọc, sau đó được tựa vào dầm chính. Đồng thời, hệ
liên kết hướng ngang còn phải đảm bảo độ cứng trong mặt phang đứng hướng ngang của
kết cấu cánh van, hay đáy cửa và đỉnh cửa khơng phát sinh biến hình q lớn.
Hệ liên kết hướng dọc ở vị trí trong mặt đứng hướng dọc cửa van (hình 1.4) thường
sử dụng hình thức giàn (hay còn gọi là giàn chịu trọng lượng @). Bộ phận của kết cấu
giàn được tạo thành từ thanh cánh hạ của hệ liên kết hướng ngang, bản cánh hạ của dầm
chính và các thanh nối xiên. Hệ giàn được tựa lên dầm biên @ (hay còn gọi là dầm biên) ở
hai đầu, tác dụng chính của nó là chịu trọng lượng bản thân của cánh van và các tải trọng
đứng nếu có, đồng thời phối họp với hệ liên kết hướng ngang để đảm bảo độ cứng tổng thể
của kết cấu cánh van.

16


(4) Gối tựa động: Đỡ và truyền toàn bộ áp lực nước từ dầm biên lên cơng trình gồm
hai loại: bánh xe và tấm trượt. Bánh xe trên dầm biên gồm có ba loại: bánh xe chịu lực
chính d)a đặt phía hạ lưu của dầm biên; bánh xe ngược hướng @b đặt phía thượng lưu
và bánh xe cữ @c như hình 1.4. Tấm trượt thường dùng cho cửa van dưới sâu chịu lực
nén lớn.
(5) Vật chắn nước: Dùng để ngăn nước rò rỉ qua mép cửa van. Vật chắn nước thường
được làm bằng vật liệu cao su và gắn cố định lên cánh cửa. Vật chắn nước bên đặt dọc theo
chiều dài của dầm biên ©a và vật chắn nước đáy đặt dọc theo chiều dài đáy cửa ®b. Đối
với cửa van dưới sâu cịn có vật chắn nước ở đỉnh.

(6) Móc treo (10): Dùng đế nối với thiết bị đóng mở.
Ngồi ra, đế tránh đọng nước trên dầm chính gây han rỉ, bản bụng dầm chính tạo các
lỗ thốt nước

dầm phụ ngang được khoét lỗ để tiết kiệm thép

1.2.3. Bộ phận cố định
Bộ phận cố định được chôn trong khe van gồm có: đường ray bánh xe và thép hình
tựa gioăng cao su chắn nước. Ngồi ra, để bảo vệ bê tơng, tại góc khe van thường gia cố
thêm thép góc tại vị trí này.

1.2.4. Bộ phận đóng mở

Bộ phận đóng mở cánh van thường đặt cố định trên cầu công tác hoặc cấu trục di

động.
Đối với các cửa van phẳng nhỏ, thường dùng đóng mở bằng vít me. Đối với cửa van
trung bình và lớn, có thể sử dụng tang cuốn hoặc xy lanh thủy lực.

Trong phạm vi đồ án chỉ hướng dẫn tính tốn kết cấu cánh van, cịn vấn đề lựa chọn
thiết bị đóng mở cánh van có thể tham khảo tài liệu có liên quan.

1.3. Bố trí tổng thể kết cấu cửa van phẳng
Trong phần bố trí tổng thể kết cấu cánh van, cần xác định sơ bộ số lượng, các kích
thước và vị trí các bộ phận sau khi đã xem xét kết cấu cánh van một cách tồn diện. Bố trí
kết cấu khơng họp lý ảnh hường trực tiếp đến khả năng chịu lực và điều kiện vận hành, tiết
kiệm vật liệu, giảm chi tiết cấu tạo và dễ chế tạo... Sau đây sẽ trình bày cụ thể nguyên tắc
và phương pháp bố trí kết cấu cánh van.

1.3.1. Bố trí dầm chính
1.3.1.1. So lượng dầm chính
Dầm chính là cấu kiện chịu lực chính của cửa van, số lượng dầm chính phụ thuộc
vào kích thước cửa van. Khi chiều dài của cửa van L không lớn hơn chiều cao H (L < H),

17


số lượng dầm chính nên lấy nhiều hơn hai dầm, gọi là cửa van nhiều dầm chính. Ngược lại,
khi chiềư dài cửa van lớn mà chiều cao cửa lại nhỏ (L > 1,5 X H), số lượng dầm chính nên
chọn hai dầm, gọi là cửa van hai dầm chính. Đối với cửa van trên mặt nhịp lớn, thường sử
dụng loại hai dầm chính.
1.3.1.2. Vị trí của dầm chính
Vị trí của dầm chính được đặt theo chiều cao của cừa van, thông thường được xác
định dựa trên nguyên tắc các dầm chính chịu tải trọng áp lực nước bằng nhau đế kích thước
mặt cắt ngang các dầm chính như nhau, giảm cơng chế tạo.

* Đoi với cửa van nhiều dầm chính’. Phương pháp xác định vị trí dầm chính của cửa
van nhiều dầm chính theo nguyên tắc các dầm chính chịu tải trọng áp lực nước bằng nhau,
nghĩa là có bao nhiêu dầm chính thì phân hình biểu đồ áp lực nước thành bấy nhiêu phần
có diện tích bằng nhau theo chiều cao cửa van, vị trí trọng tâm của các hình chính là vị trí
cần đặt dầm chính, tính tốn cụ thể như dưới đây:

Giả thiết khoảng cách từ mặt nước đến đáy cửa van là H (m), số dầm chính là n,
khoảng cách từ dầm chính thứ k đến mặt nước là yk:

- Đối với cửa van trên mặt (hình 1.6a):

3xVn

L

(m)

(1.1)

(m)

(1.2)

J

- Đối với cửa van dưới sâu (hình 1.6b):
yk = a. 2/lH . X[(k + M,s -(k + /7-1)151
3xẠ/n + P L
J
„

nxa2

a - khoảng cách từ vật chắn nước đỉnh cửa van đến mặt nước, m.

Hình 1.6. Vị trí dầm chính trong cửa van nhiều dầm chính.

(a) Cửa van trên mặt;(b) Cửa van dưới sâu.

18


Đối với cửa van dưới sâu cột nước cao, thường kích thước cửa van khơng lớn, chênh
lệch cường độ áp lực nước ở đỉnh cửa và đáy cửa không lớn, vị trí dầm chính có thể bố trí
đều theo chiều cao cửa. Khi thiết kế, để an toàn, chọn dầm chính dưới cùng (dầm chịu lực
lớn nhất) để đưa vào tính tốn.

Trình tự bố tri'. Chọn số lượng dầm chính

dựa vào cơng thức (1.1) hoặc (1.2) để

xác định vị trí từng dầm so với mật nước
chọn vị trí dầm chính theo chiều cao cửa van.
Có thể điều chỉnh để khoảng cách giữa các dầm chính là chẵn nhưng khơng nên chênh

nhau quá 5%.
* Đoi với cửa van hai dầm chính'. Bố trí dầm chính theo nguyên tắc hai dầm chính
chịu tải trọng bàng nhau, nghĩa là vị trí của dầm chính trên và dầm chính dưới phải cách
đều vị trí của họp lực áp lực thủy tĩnh w như ờ hình 1.7, đồng thời phải thỏa mãn hai điều
kiện sau:

(1) Đe đảm bảo độ cứng phần đỉnh cửa van, khoảng cách từ dầm chính trên tới mực

nước thượng lưu ai không nên quá lớn, thông thường ai < 0,45 X H và ai < 3,6 m, trong đó
H (m) là cột nước trước cửa van.

(2) Đe dầm chính dưới khơng quá thấp ảnh hường đến dòng chảy dưới đáy, khoảng
cách từ dầm chính dưới tới đáy cửa van a2 > 0,12 X H và a2 > 0,4 m.

Hình 1.7. Vị trí dầm chính trong cửa van hai dầm chính.

Neu khơng thỏa mãn hai điều kiện trên thì có thể điều chỉnh, nhưng sau khi điều
chỉnh, tải trọng tác dụng lên mỗi dầm chính khơng được chênh nhau q lớn.
Trình tự bố tri'. Từ điều kiện (2) chọn khoảng cách a2
xác định khoảng cách giữa
hai dầm chính a = (Z - a2) X 2 để đảm bảo cách đều họp lực áp lực nước (at = ad) —> xác

định khoảng cách ai = H - a - a2

kiểm tra điều kiện (1)
nếu khơng thỏa mãn có thể
điều chỉnh vị trí hai dầm chính nhưng khoảng cách từ hai dầm chính đến vị trí họp lực áp
lực nước khơng nên chênh nhau quá 5%.

19


1.3.2. Bố trí hệ dầm phụ

Dầm phụ dùng để đỡ bản mặt. Trong cửa van thép, lượng thép làm bản mặt chiếm tỷ
lệ khá lớn, đế giảm chiều dày bản mặt nhưng khơng tăng nhiều lượng thép làm dầm thì cần
phải lựa chọn số lượng và vị trí dầm phụ hợp lý. Dựa vào chiều dài cửa van, có thể bố trí
hệ dầm theo ba cách sau đây:

(1) Loại đơn giản (hình 1.8a): Dùng cho cửa van có chiều dài nhỏ nhưng chiều cao
lớn, khơng bố trí dầm phụ, bản mặt đặt trực tiếp lên hệ dầm chính.
(2) Loại phổ thơng (hình 1.8b): Thích hợp với cửa van có nhịp trung bình, chỉ bố trí
dầm phụ đứng.
(3) Loại phức tạp (hình 1.8c): Thích họp với cửa van trên mặt có nhịp lớn, bố trí cả
dầm phụ đứng và dầm phụ dọc.

(a) Loại đơn giản

(b) Loại phơ thơng

(c) Loại phức tạp

Hình 1.8. Bố trí hệ dầm.

Khi bố trí hệ dầm phụ, khoảng cách giữa các dầm phụ đứng khoảng 1 4- 2 m và bố trí
đều. Khi dầm chính dạng giàn, khoáng cách giữa các dầm phụ đứng lên theo các nút của
giàn và phù họp với hệ liên kết ngang. Dầm phụ dọc được bố trí song song với dầm chính,
càng xuống sâu bố trí càng dày vì áp lực nước càng tăng. Khoảng cách giữa các dầm phụ

dọc thường từ 0,4 -7 1,5 m. Tùy theo khoảng cách giữa hai dầm chính, khoảng cách giữa
dầm chính trên và dầm đỉnh, giữa dầm chính dưới và dầm đáy mà bố trí một hay nhiều
dầm phụ dọc.

Dầm phụ thường dùng tiết diện chữ I, T, thép bẳn hay chữ c đặt úp xuống để tránh
đọng nước và bùn cát.
1.3.3. Hình thức liên kết hệ dầm
Các hình thức liên kết hệ dầm cho ở hình 1.9. Có hai hình thức liên kết là liên kết
đồng phang và liên kết chồng.
20


- Hình thức liên kết đồng phẳng được cho ở hình 1.9a, tức là dầm phụ dọc, dầm phụ
đứng (hoặc thanh cánh thượng của giàn ngang) và bản cánh dầm chính nằm trong cùng
một mặt phang, hàn trực tiếp vào bản mặt. Ưu điểm của hình thức liên kết này là hệ dầm
và bản mặt làm việc đồng thời; có thể xem bộ phận bản mặt là một phần của mặt cắt dầm,
giảm được tiết diện dầm; bản mặt được liên kết bốn cạnh, điều kiện chịu lực tốt. Tuy
nhiên, có nhược điểm khi dầm phụ dọc đi qua dầm phụ đứng, dầm phụ dọc cần phải cắt,
sau đó mới nối với dầm phụ đứng, do đó cần nhiều mối nối hàn đối đầu, gây mất nhiều
công chế tạo. Đẻ khắc phục nhược điểm này, có thể dùng dầm ngang để thay thế dầm phụ
đứng và hệ giàn ngang như hình 1.9c.

- Hình thức liên kết chồng được cho ở hình 1.9b, tức là dầm chính và dầm phụ dọc
được hàn trực tiếp vào bản mặt còn dầm phụ đứng được đặt sau dầm phụ dọc, do đó tạo
khe hở giữa dầm phụ đứng và bản mặt. Lúc này, bản mật được xem là liên kết hai cạnh,

bản mặt và dầm phụ dọc được xem là một phần của mặt cắt dầm chính, tham gia chống
uốn cùng dầm chính.

(a)

(b)

(c)

Hình 1.9. Hình thức liên kết hệ dầm.

1.3.4. Hệ liên kết hướng ngang
Tác dụng của hệ liên kết hướng ngang là chống đỡ áp lực nước truyền từ dầm phụ
(bao gồm cả dầm đỉnh và dầm đáy cửa) và truyền vào dầm chính. Khi mực nước trước cửa
van thay đồi dẫn đến các dầm chính chịu lực khơng đều, hệ liên kết hướng ngang khơng
những có thể làm cân bằng chịu lực của dầm chính mà cịn bảo đảm độ cứng mặt cắt ngang
cửa van.

21


Để đảm bảo độ cứng hướng ngang của cửa van, khoảng cách giữa các mặt phẳng liên
kết B không nên chọn lớn hon 4 m. Khi bố trí cần phải tuân theo ba điều kiện sau đây:

- Bố trí cùng khoảng cách (cách đều nhau);
- Hệ liên kết hướng ngang nằm trong đoạn dầm chính khơng thay đổi tiết diện;
- Đặt một liên kết hướng ngang ờ chính giữa cửa van để giàn chịu trọng lượng có
dạng đối xứng.
Hình thức của hệ liên kết hướng ngang có hai loại: hình thức giàn (hình 1.9a, b) và
hình thức dầm (hình 1.9c). Chiều cao hệ liên kết hướng ngang lấy bằng chiều cao của dầm

chính.
Đối với hinh thức dầm (hay cịn gọi là dầm ngang), độ dày bản dầm thông thường
không lớn hơn 8 4-10 mm. Do đã có bản mặt nên khơng cần bố trí bản cánh thượng lưu, bề

rộng bản cánh hạ lưu lấy trong khoảng từ 100 4- 200 mm, độ dày 10 4- 12 mm. Do kích
thước bản dầm lấy theo yêu cầu về cấu tạo, nên ứng suất trong bản dầm rất nhị, có thể
khơng cần phải kiểm tra cường độ. Đe giảm trọng lượng cửa van, nên khoét lỗ trong bản
dầm, mép xung quanh lỗ hàn thêm gân gia cường để táng độ cứng (hình 1.10a).

(a)
Hình 1.10. Hình thức liên kết hướng ngang.
(a) Dạng dầm; (b), (c), (d) Dạng giàn.

Hình 1.11. Sơ đồ tính
tốn giàn ngang.

Trong cửa van loại hai dầm chính, chiều cao mặt cắt dầm chính và khoảng cách giữa
chúng khá lớn, để tiết kiệm vật liệu thép, thường sử dụng hệ liên kết hướng ngang dạng
giàn (hay còn gọi là giàn ngang), xem hình 1.10b, c, d. Giàn ngang có thế xem là giàn
phang gối lên dầm chính có cơng xơn ờ hai đầu (hình 1.11). Thanh cánh thượng của giàn là
dầm phụ đứng, điểm nút trên cánh thượng chịu lực tập trung từ dầm đỉnh, dầm đáy và dầm
phụ dọc. Khi thanh cánh thượng trực tiếp tiếp xúc với bản mặt, thanh cánh thượng vẫn chịu

22


thêm lực phân bố truyền từ bản mặt, khi tính tốn có thể phân tải trọng này về điểm nút
cùng với lực tập trung từ các dầm dọc, sơ đồ tính tốn như hình 1.11.
1.3.5. Hệ liên kết hướng dọc

Hệ liên kết hướng dọc đặt trong mặt phang đứng phía hạ lưu dầm chính theo chiều
dọc cửa van. Tác dụng chủ yếu của nó là: chịu một phần trọng lượng của cửa van và tải
trọng đứng khác; đảm bảo độ cứng trong mặt phang đứng của cửa van.

Hình 1.12. Sơ đồ tính tốn hệ liên kết hướng dọc.

Hệ liên kết hướng dọc có hình thức giàn như hình 1.12. Neu thanh cánh của giàn
được tạo thành từ bản cánh hạ của dầm chính trên và dưới hoặc thanh cánh hạ của giàn
chính, các thanh đứng của giàn là thanh cánh hạ của giàn ngang hoặc bản cánh hạ của dầm
ngang thì chỉ cần bố trí thêm các thanh bụng xiên. Gối đỡ của giàn chịu trọng lượng ở trên
dầm biên hai đầu cửa van. Khi tính tốn hệ liên kết hướng dọc, đầu tiên dựa vào công thức
kinh nghiệm để xác định trọng lượng của cửa van G và vị trí trọng tâm G so với

mặt thượng lưu cửa van (ci » 0,4 X h). Khi cửa van được kéo lên, bản mặt sẽ đảm nhiệm
0,6 X G, còn hệ liên kết hướng dọc đảm nhiệm 0,4 X G. Vì vậy, hệ liên kết hướng dọc còn
được gọi là giàn chịu trọng lượng.
Khi nhịp cửa van nhỏ, cửa van có số lượng dầm chính nhiều, hệ liên kết hướng dọc
có thể sử dụng thanh xiên dạng chữ nhân (hình 1.13a), thanh chéo (hình 1.13b) hoặc khung
cứng (hình 1.13c).

23


H ra
(a)
Hình 1.13. Hình thức hệ liên kết hướng dọc.

1.3.6. Dầm biên
Hình thức mặt cắt ngang của dầm biên thường sử dụng tiết diện chữ I một bản bụng
hoặc I ghép hai bản bụng như hình 1.14a và 1.14b.

Hình 1.14. Hình thức mặt cắt dầm biên.

24


Dầm biên hình thức một bản bụng có cấu tạo đơn giản, dễ nối với dầm chính
nhưng độ cứng chống xoắn kém. Dầm biên hình thức này thích hợp với cửa van có gối đỡ
kiểu trượt.
Dầm biên hình thức ghép hai bản bụng có độ cứng chống xoắn lớn, dễ bố trí bánh xe
và móc treo, do cấu tạo phức tạp nên chỉ dùng cho cửa van có bánh xe cố định.
1.3.7. Gối tựa động

Gối tựa động sử dụng hình thức bánh xe bao gồm: bánh xe chịu lực được bố trí ở mặt
sau dầm biên, bánh xe bên và bánh xe ngược hướng dùng bánh xe thép bọc cao su để giảm
chấn động. Khi cửa van chịu áp lực lớn, gối tựa động có thế dùng loại gối trượt.

1.3.8. Vật chắn nước
Vật chắn nước hai bên bằng cao su bố trí trong khẩu độ cống để tiện cho việc kiểm
tra, cịn vật chắn nước đáy có thể làm bằng cao su, nhựa tổng hợp hoặc gỗ.

1.4. Tính tốn kết cấu cánh van
1.4.1. Nội dung và yêu cầu thiết kế
Thiết kế đi sâu về mặt kỹ thuật. Yêu cầu thiết kế như sau:

Một bản thuyết minh về phương án bố trí chung kết cấu cánh van, các bộ phận chủ
yếu như bản mật, dầm phụ (dọc, đứng), liên kết hướng ngang (giàn ngang hoặc dầm
ngang), dầm chính, liên kết hướng dọc (giàn chịu trọng lượng), dầm biên, gối đỡ và vật
chắn nước.

Một bản vẽ thể hiện các bộ phận kết cấu chủ yếu và các chi tiết kết cấu.

1.4.2. Phương pháp tính tốn
Tính tốn theo phương pháp phân tích kết cấu van thành các bộ phận phẳng riêng
biệt, những phân tố thuộc hai bộ phận (phân tố nằm ở giao tuyến giữa hai hệ phẳng) có ứng
suất bằng tống ứng suất trong hai hệ phang đó.
Các phân tố của phần động được tính theo phương pháp trạng thái giới hạn, cịn bộ
phận cố định và các chi tiết cơ khí được tính theo phương pháp ứng suất cho phép.

Cường độ tính tốn của thép dùng để chế tạo các kết cấu của bộ phận động cửa van
cho ở Phụ lục 2. ứng suất cho phép của thép để chế tạo các chi tiết cơ khí của cửa van cho
ở Phụ lục 3 và Phụ lục 4. ứng suất cho phép của gang xám để chế tạo đường ray cho ờ
Phụ lục 5. ứng suất cho phép của vật liệu chế tạo bạc lót cho ờ Phụ lục 6. ứng suất cho
phép của bê tông chịu nén cho ở Phụ lục 7.

25