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

LỜI CẢM ƠN
Với sự giúp đỡ của phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, Khoa Công
trình trường Đại học thuỷ lợi, cùng các thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp và gia
đình đến nay Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật với đề tài: “
Nghiên cứu hình dạng,
kết cấu chịu lực hợp lý của cửa van phẳng nhịp lớn
” đã được hoàn thành.
Tác giả xin tỏ lòng biết ơn chân thành đến các cơ quan đơn vị và các cá
nhân đã truyền đạt kiến thức, cho phép sử dụng tài liệu đã công bố.
Đặc biệt tác giả xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Vũ Thành
Hải người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tận tình cho tác giả trong quá trình
thực hiện luận văn này.
Với thời gian và trình độ còn hạn chế, luận văn không thể tránh khỏi
những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến của
các thầy cô giáo, của các Quý vị quan tâm và bạn bè đồng nghiệp.
Luận văn được hoàn thành tại Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy
lợi.



Hà Nội, tháng 08 năm 2013
Tác giả luận văn



TRẦN ĐỨC TRUNG


BẢN CAM KẾT

Tên tôi là: Trần Đức Trung
Học viên lớp: 19C12
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những
nội dung và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai
công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào.
Hà Nội, tháng 08 năm 2013
Tác giả luận văn



TRẦN ĐỨC TRUNG

MỤC LỤC
14TLỜI CẢM ƠN14T
14TBẢN CAM KẾT14T
14TMỤC LỤC14T
14TDANH MỤC HÌNH VẼ14T
14TDANH MỤC BẢNG BIỂU14T
14TCHƯƠNG 1 - MỞ ĐẦU14T 1
14T1.1. Đặt vấn đề14T 1
14T1.2. Nội dung nghiên cứu14T 4
14T1.3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu14T 4
14T1.4. Kết quả nghiên cứu cần đạt được14T 4
14TCHƯƠNG 2 - TỔNG QUAN VỀ CỬA VAN PHẲNG14T 5
14T2.1. Khái quát về cửa van phẳng14T 5
14T2.1.1. Định nghĩa và phân loại14T 5
14T2.1.2. Các bộ phận chính14T 5
14T2.1.2. Tải trọng tác dụng lên cửa van14T 7
14T2.2. Phân tích nội lực và biến dạng kết cấu van phẳng14T 9
14T2.2.1. Phương pháp tính toán cửa van phẳng14T 9

14T2.2.2. Tính toán dầm chính van theo hệ phẳng14T 9
14T2.2.2.1. Xác định vị trí dầm chính14T 9
14T2.2.2.2. Nhịp tính toán của dầm chính14T 12
14T2.2.2.3. Chọn sơ bộ kích thước dầm chính14T 12
14T2.2.2.4. Kiểm tra cường độ và độ võng của dầm chính14T 14
14T2.2.3. Tính toán giàn chính theo hệ phẳng14T 16

14T2.2.3.1. Kết cấu giàn chính14T 16
14T2.2.3.2. Tính toán giàn chính theo hệ phẳng14T 17
14T2.2.3.3. Kiểm tra cường độ và độ võng của giàn chính14T 18
14T2.2.4. Tính toán dầm đứng theo hệ phẳng14T 19
14T2.2.4.1. Hình thức và vị trí dầm đứng14T 19
14T2.2.4.2. Tính toán dầm đứng14T 19
14T2.2.5. Tính toán lực đóng mở van14T 21
14T2.2.6. Tính toán dầm chính và dầm đứng bằng phần mềm SAP200014T 21
14T2.3. Cửa van phẳng nhịp lớn14T 23
14T2.3.1. Kết cấu van phẳng nhịp lớn14T 23
14T2.3.2. Phân tích nội lực kết cấu van phẳng theo bài toán không gian bằng
phần mềm SAP2000
14T 25
14TCHƯƠNG 3 – GIỚI THIỆU PHẦN MỀM SAP2000 – PHÂN TÍCH
KẾT CẤU CỬA VAN PHẲNG
14T 27
14T3.1. Khái quát về phần mềm SAP200014T 27
14T3.2. Một vài điểm cần lưu ý khi sử dụng phần mềm14T 28
14T3.2.1. Đối tượng, phần tử và nhóm14T 28
14T3.2.2. Hệ tọa độ14T 29
14T3.2.2.1. Hệ tọa độ tng thể14T 29
14T3.2.2.2. Hệ tọa độ cc bộ (địa phương)14T 29
14T3.2.3. Dấu của nội lực và ứng suất14T 32

14T3.2.3.1. Phần tử thanh:14T 32
14T3.2.3.2. Phần tử vỏ:14T 33
14T3.3. Phân tích kết cấu cửa van phẳng bằng phần mềm SAP200014T 34

14T3.3.1. Mô hình hóa kết cấu van phẳng14T 34
14T3.3.2. Phân tích nội lực kết cấu van phẳng14T 36
14T3.3.2.1. Cửa van nằm trên ngưỡng14T 37
14T3.3.2.2. Cửa van bắt đầu rời khỏi ngưỡng14T 38
14TKẾT LUẬN CHƯƠNG 314T 38
14TCHƯƠNG 4 - PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ BIẾN
DẠNG CỦA CỬA VAN PHẲNG CỐNG MƯƠNG CHUỐI
14T 39
14T4.1. Nhiệm vụ và quy mô công trình14T 39
14T4.1.1. Nhiệm vụ công trình14T 39
14T4.1.2. Quy mô công trình đầu mối14T 39
14T4.2. Kết cấu cửa van ngăn triều và giảm ngập14T 42
14T4.2.1. Mô tả kết cấu cửa van14T 42
14T4.2.2. Số liệu tính toán14T 44
14T4.2.3. Trường hợp tính toán14T 44
14T4.3. Phân tích kết cấu van phẳng nhịp lớn bằng phần mềm SAP200014T 45
14T4.3.1. Mô hình hoá kết cấu van phẳng nhịp lớn có cánh hạ giàn chính
dạng vòm
14T 45
14T4.3.1.1. Kết cấu van phẳng14T 45
14T4.3.1.2 . Mô hình hoá kết cấu van phẳng14T 46
14T4.3.2. Mô hình hoá kết cấu van phẳng nhịp lớn có cánh hạ giàn chính
dạng phẳng
14T 49
14T4.3.2.1. Kết cấu van phẳng14T 49
14T4.3.2.2 . Mô hình hoá kết cấu van phẳng14T 51

14T4.3.3. 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
14T4.3.3.1 . Bản mặt14T 54
14T4.3.3.2 . Dầm ph dọc14T 60
14T4.3.3.3. Dầm đứng14T 66
14T4.3.3.4. Cánh hạ giàn chính14T 71
14T4.3.3.5. Giàn đứng14T 79
14T4.3.3.6. Phản lực tại 2 gối đáy cửa van14T 84
14T4.3.4. Nhận xét và kết luận14T 85
14TKẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ14T 86
14TTÀI LIỆU THAM KHẢO14T 88



DANH MỤC HÌNH VẼ
14TUHình 1.1 - Cống Liên MạcU14T 2
14TUHình 1.2 - Cống ngăn mặn ở Sóc TrăngU14T 2
14TUHình 1.3- Công trình ngăn sôngU14T 3
14TUHình 1.4 – Đập chắn sóngU14T 3
14TUHình 1.5 - Cửa van nhịp lớn (50~64m) EMS- CHLB Đức ( 2002)U14T 3
14TUHình 2.1- Cửa van trên mặt và cửa van dưới sâuU14T 5
14TUHình 2.2 - Kết cấu cửa van phẳngU14T 6
14TUHình 2.3 - Sơ đồ áp lực nước lên cửa van trên mặt và cửa van dưới sâuU14T 7
14TUHình 2.4 - Sơ đồ xác định áp lực nước lên dầm chínhU14T 11
14TUHình 2.5 - Tiết diện tính toán và biểu đồ ứng suất pháp của dầm chínhU14T 14
14TUHình 2.6 - Dầm chính có chiều cao thay đổiU14T 14
14TUHình 2.7 - Giàn chính có cánh hạ hình đa giácU14T 16

14TUHình 2.8 - Hình thức tiết diện thanh giàn chínhU14T 17
14TUHình 2.9 - Sơ đồ tính toán giàn chínhU14T 17
14TUHình 2.10 - Sơ đồ tính toán giàn đứngU14T 20
14TUHình 2.11 - Kết cấu giàn chính có thanh cánh cong một chiềuU14T 23
14TUHình 2.12 - Kết cấu giàn chính có thanh cánh cong một chiềuU14T 24
14TUHình 2.13 - Kết cấu giàn chính có thanh cánh hạ cong hai chiềuU14T 24
14TUHình 2.14 - Gối đỡ kiểu trượtU14T 25
14TUHình 3.1 - Hệ tọa độ cục bộ của phần tử thanhU14T 31
14TUHình 3.2 - Trục tọa độ cục bộ 2 và 3 của phần tử thanhU14T 31
14TUHình 3.3 - Hệ toạ độ cục bộ của phần tử vỏU14T 32
14TUHình 3.4 - Quy ước dấu của lực dọc và mômen xoắnU14T 33

14TUHình 3.5 - Quy ước dấu của lực cắt và mômen uốnU14T 33
14TUHình 3.6 - Quy ước dấu nội lực của vỏU14T 34
14TUHình 3.7 – Tiết diện dập hình thang Precast của dầm phụ dọcU14T 34
14TUHình 3.8 - Mô hình hóa bản mặt và dầm đứngU14T 35
14TUHình 3.9 - Quy ước về các điểm Insertion PointsU14T 35
14TUHình 3.10 - Trình tự mô hình hóa dầm phụ dọcU14T 36
14TUHình 3.11 - Mô hình hóa cửa van phẳng bằng phần mềm SAP2000U14T 36
14TUHình 3.12 - Sơ đồ liên kết cửa van khi đóng và khi mởU14T 37
14TUHình 4.1 – Bản đồ bố trí hệ thống thủy lợi chống ngập TP Hồ Chí MinhU14T 40
14TUHình 4.2 – Bản đồ vị trí cống Mương ChuốiU14T 41
14TUHình 4.3 – Mặt bằng cống Mương ChuốiU14T 42
14TUHình 4.4 – Cắt dọc cống Mương ChuốiU14T 14T 42
14TUHình 4.5 – Mặt bằng và cắt dọc cửa van có cánh hạ giàn chính dạng vòmU14T . 43
14TUHình 4.6 – Mặt bằng và cắt dọc cửa van có cánh hạ giàn chính dạng phẳngU14T
43
14TUHình 4.7 - Sơ đồ tính toánU14T 45
14TUHình 4.8 - Kết cấu van phẳng (TH cánh hạ giàn chính dạng vòm)U14T 46
14TUHình 4.9 - Kết cấu giàn đứng có cánh hạ giàn chính dạng vòmU14T 47

14TUHình 4.10 – Mô hình hóa kết cầu cửa van phẳng (TH cánh hạ giàn chính
dạng vòm)
U14T 48
14TUHình 4.11 - Áp lực nước thượng lưu và hạ lưu bằng phổ mầuU14T 49
14TUHình 4.12 – Kết cấu van phẳng (TH cánh hạ giàn chính dạng phẳng)U14T 50
14TUHình 4.13 - Kết cấu giàn đứng có cánh hạ giàn chính dạng phẳngU14T 52

14TUHình 4.14a – Mô hình hóa kết cầu cửa van phẳng nhìn từ hạ lưu (TH cánh
hạ giàn chính dạng phẳng)
U14T 52
14TUHình 4.14b – Mô hình hóa kết cầu cửa van phẳng nhìn từ thượng lưu (TH
cánh hạ giàn chính dạng phẳng)
U14T 53
14TUHình 4.15 - Mã nút nửa trái bản mặtU14T 54
14TUHình 4.16 - Biểu đồ chuyển vị bằng phổ mầu nửa trái bản mặtU14T 55
14TUHình 4.17 - Biểu đồ ứng suất SURU
11
UR U và SURU
22
UR Ubằng phổ mầu nửa trái bản mặt (TH
cánh hạ giàn chính dạng vòm)
U14T 57
14TUHình 4.18 - Biểu đồ ứng suất SURU
11
UR U và SURU
22
UR Ubằng phổ mầu nửa trái bản mặt(TH
cánh hạ giàn chính dạng phẳng)
U14T 58
14TUHình 4.19 – Sơ họa mã các phần tử của dầm phụ dọc ở nửa trái của cửa vanU14T

60
14TUHình 4.20 – Mã nút và mã phần tử nửa trái dầm phụ dọc số 3U14T 60
14TUHình 4.21 - Biểu đồ nội lực của nửa trái dầm phụ dọc số 3 (TH cánh hạ giàn
chính dạng vòm)
U14T 61
14TUHình 4.22 - Biểu đồ nội lực của nửa trái dầm phụ dọc số 3 (TH cánh hạ giàn
chính dạng phẳng)
U14T 62
14TUHình 4.23 - Biểu đồ chuyển vị của nửa trái dầm phụ dọc số 3U14T 64
14TUHình 4.24 - Kết cấu dầm đứng và giàn chínhU14T 66
14TUHình 4.25 – Mã phần tử và mã nút của dầm đứng số 1 và 4U14T 66
14TUHình 4.26 - Biểu đồ phổ màu chuyển vị của dầm đứng số 4U14T 67
14TUHình 4.27a - Biểu đồ ứng suất S11 bằng phổ mầu của dầm đứng số 1U14T 68
14TUHình 4.27b - Biểu đồ ứng suất S22 bằng phổ mầu của dầm đứng số 1U14T 69
14TUHình 4.28 – Mã phần tử và mã nút cánh hạ giàn chínhU14T 71

14TUHình 4.29 - Biểu đồ lực dọc P của cánh hạ giàn chính do trọng lượng bản
thân (DEAD)
U14T 72
14TUHình 4.30 - Biểu đồ lực cắt V2 của cánh hạ giàn chính do tổ hợp tải trọng
(TH1)
U14T 73
14TUHình 4.31 - Biểu đồ momen M3 của cánh hạ giàn chính do tổ hợp tải trọng
(TH1)
U14T 74
14TUHình 4.32 - Biểu đồ chuyển vị của cánh hạ giàn chính do tổ hợp tải trọng
(TH1)
U14T 77
14TUHình 4.33 - Biểu đồ chuyển vị của cánh hạ giàn chính do tổ hợp tải trọng
(TH1)

U14T 77
14TUHình 4.34 – Sơ họa vị trí các giàn đứngU14T 79
14TUHình 4.35 – Mã phần tử và mã nút của giàn đứng số 2U14T 79
14TUHình 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
14TUHình 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
14TUHình 4.38 – Chuyển vị của giàn đứng số 2U14T 83


DANH MỤC BẢNG BIỂU
14TUBảng 4.1 - Chuyển vị tại một số nút trên bản mặt (TH cánh hạ giàn chính
dạng vòm)
U14T 56
14TUBảng 4.2 - Chuyển vị tại một số nút trên bản mặt (TH cánh hạ giàn chính
dạng phẳng)
U14T 56
14TUBảng 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
14TUBảng 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
14TUBảng 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
14TUBảng 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
14TUBảng 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
14TUBảng 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
14TUBảng 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
14TUBảng 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
14TUBảng 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
14TUBảng 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

14TUBảng 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
14TUBảng 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
14TUBảng 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
14TUBảng 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
14TUBảng 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
14TUBảng 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
14TUBảng 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
14TUBảng 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
14TUBảng 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
14TUBảng 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
14TUBảng 4.21 - Kết quả tính toán phản lực tại 2 gối bản lề (TH cánh hạ giàn
chính dạng vòm)
U14T 84
14TUBảng 4.22 - Kết quả tính toán phản lực tại 2 gối bản lề (TH cánh hạ giàn
chính dạng phẳng)
U14T 84
1

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:

Hình 1.1 - Cống Liên Mạc

Hình 1.2 - Cống ngăn mặn ở Sóc Trăng

3


Hình 1.3- Công trình ngăn sông
Hartel – Hà Lan

Hình 1.4 – Đập chắn sóng
Hollandse Ijsel




Hình 1.5 - Cửa van nhịp lớn (50~64m) EMS- CHLB Đức ( 2002)
4

1.2. Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu hình dạng, kết cấu chịu lực hợp lý của cửa van phẳng nhịp
lớn chịu tác dụng của trọng lượng bản thân và áp lực nước.
1.3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
- Cửa van được mô hình hóa theo bài toán không gian, bản mặt bằng
phần tử Shells, các phần tử giàn chính và giàn đứng được mô hình hóa bằng
phần tử Frames, dầm phụ ngang có tiết diện hình thang đặt úp vào bản mặt ở
phía thượng lưu.

- Tính toán trạng thái ứng suất và biến dạng của cửa van trong hai
trường hợp cửa van phẳng có giàn chính cánh hạ cong hai chiều và cửa van
phẳng có giàn chính cánh hạ cong một chiều. Đưa ra nhận xét về kết quả tính
toán.
1.4. Kết quả nghiên cứu cần đạt được
- So sánh kết quả tính toán trong hai trường hợp cửa van phẳng có
giàn chính cánh hạ cong hai chiều và cửa van phẳng có giàn chính cánh hạ
cong một chiều.
- Đưa ra kết luận về hình dạng hợp lý về mặt chịu lực của cửa van
phẳng nhịp lớn dầm chính và dầm đứng loại giàn, không có thanh cánh
thượng, thanh cánh hạ có dạng cong hai chiều và dạng cong một chiều.
5

CHƯƠNG 2 - TỔNG QUAN VỀ CỬA VAN PHẲNG
2.1. Khái quát về cửa van phẳng
2.1.1. Định nghĩa và phân loại
Cửa van có mặt chịu áp lực nước là mặt phẳng hoặc mặt cong, thường
là cong một chiều (mặt trụ đứng), khi đóng mở cửa van chuyển động thẳng
trong rãnh van, cửa van này được gọi là cửa van kéo thẳng (Lift gates), ở đây
ta vẫn dùng cái tên quen thuộc của nó là “cửa van phẳng”. Cửa van chuyển
động thẳng có mặt chịu áp lực nước thông thường là mặt phẳng được sử
dụng rộng rãi trong công trình thuỷ lợi, có thể dùng làm cửa xả lũ ở đập tràn,
có thể dùng làm cửa của các cống lấy nước trong công trình thuỷ lợi, thuỷ
điện.
Cửa van phẳng có hai loại chính là cửa van trên mặt và cửa van dưới
sâu, cửa van trên mặt là cửa van có đỉnh cao hơn cao trình mực nước thượng
lưu (hình 2.1a), cửa van dưới sâu là cửa van có đỉnh thấp hơn cao trình mực
nước thượng lưu (hình 2.1b).

Hình 2.1- Cửa van trên mặt và cửa van dưới sâu

2.1.2. Các bộ phận chính
- Cửa van hình phẳng có hai bộ phận chính là bộ phận động và bộ
phận cố định.
- Bộ phận động của cửa van phẳng gồm có các cấu kiện chủ yếu sau:
+ Bản mặt trực tiếp đỡ áp lực nước và truyền tải trọng lên ô dầm.
6

+ Ô dầm được tạo bởi các dầm phụ đứng và dầm phụ ngang, có tác
dụng đỡ bản mặt và truyền tải trọng lên dầm (giàn) đứng.
+ Dầm (giàn) đứng đỡ tải trọng từ ô dầm và truyền tải trọng lên dầm
(giàn) chính.
+ Dầm (giàn) chính chịu toàn bộ áp lực nước tác dụng vào cửa van
và truyền áp lực này lên trụ biên.
+ Giàn chịu trọng lượng được bố trí ở ở phía sau dầm (giàn) chính,
nó được cấu tạo bởi cánh hạ của dầm (giàn) chính, cánh hạ của dầm (giàn)
đứng và các thanh xiên. Giàn chịu trọng lượng chịu trọng lượng bản thân van
và các tải trọng thẳng đứng khác, truyền các tải trọng này lên trụ đứng ở hai
biên (trụ biên) của cửa van.

Hình 2.2 - Kết cấu cửa van phẳng
+ Trụ biên chịu tải trọng từ dầm (giàn) chính và giàn chịu trọng
lượng truyền tới và truyền các tải trọng này lên gối đỡ động của cửa van.
7

+ Bộ phận gối tựa động dùng để truyền toàn bộ tải trọng tác dụng
vào cửa van lên công trình và để dễ dàng di chuyển cửa van trong quá trình
khai thác. Để hạn chế xê dịch ngang và lệch, cũng như để tránh xảy ra hiện
tượng rung động khi cửa van đóng mở không hoàn toàn, cần phải đặt bánh
xe ngược hướng và bánh xe bên.
+ Vật chắn nước ngăn cản không cho nước chảy qua chu vi bản mặt,

đối với cửa van đơn ở trên mặt vật chắn nước được đặt ở ba cạnh (dọc theo
ngưỡng và hai bên), đối với cửa van dưới sâu đặt dọc theo cả bốn cạnh của
bản mặt.
- Bộ phận cố định của cửa van phẳng gồm có các thành phần sau:
đường ray chính (mặt lăn hoặc đường trượt), đường ray ngược hướng và
đường ray bên, các bộ phận cố định của vật chắn nước thẳng đứng và nằm
ngang, các thép góc gia cố khe van và dầm tường ngực.
2.1.2. Tải trọng tác dụng lên cửa van
Tải trọng chủ yếu tác dụng lên cửa van phẳng là áp lực nước và trọng
lượng bản thân cửa van.
- Áp lực thuỷ tĩnh:
+ Biểu đồ áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên cửa van phẳng trên mặt và
cửa van dưới sâu được biểu thị ở hình 2.3.

Hình 2.3 - Sơ đồ áp lực nước lên cửa van trên mặt và cửa van dưới sâu
8

+ Hợp lực của áp lực nước tác dụng lên 1m dài cửa van ở trên mặt
khi hạ lưu không có nước (hình 2.3a) được xác định theo công thức sau:

2
t
H
2
1
W γ=

t
H
3

1
z =
(2.1)
còn đối với cửa van dưới sâu (hình 2.3b) được xác định theo công thức sau:

ttt
h)hH2(
2
1
W −γ=
(2.2)

tt
ttt
hH2
h2H3
3
h
z
−
−
×=
(2.3)
trong đó:
γ - trọng lượng riêng của nước.
H
R
t
R - chiều cao cột nước thượng lưu.
H

R
n
R - chiều cao cột nước tường ngực.
h
R
t
R - chiều cao tải trọng của cửa van dưới sâu.
- Trọng lượng bản thân van:
+ Trọng lượng phần động của cửa van phẳng có bánh xe có thể xác
định theo công thức gần đúng sau đây:
Đối với cửa phẳng trên mặt:

)kN(
200
PL
10G
71.0
o






=
(2.4)
Đối với cửa phẳng dưới sâu:

)kN(
390

PL
10G
73.0
o






=
(2.5)
trong đó:
G - trọng lượng phần động của cửa van phẳng (kN)
9

P - tổng áp lực nước tác dụng lên cửa van (kN).
L
R
o
R - bề rộng lỗ cống.
+ Các công thức trên được dùng cho cửa van liên kết hàn có dầm
chính đặc bằng thép cacbon thông thường có cường độ tính toán nằm trong
khoảng từ 1400 đến 1600 daN/cm
P
2
P.
2.2. Phân tích nội lực và biến dạng kết cấu van phẳng
2.2.1. Phương pháp tính toán cửa van phẳng
- Kết cấu cửa van phẳng là một kết cấu không gian, khi phân tích nội

lực van để đơn giản có thể đưa về các hệ phẳng. Nội lực của các phân tố nằm
trên giao tuyến của hai hệ phẳng lấy bằng tổng nội lực trong hai hệ phẳng đó.
Cách tính này tuy không phản ánh được hoàn toàn trạng thái chịu lực thực tế
của cửa van, nhưng thường dùng vì khá đơn giản, có thể dùng để tính toán
cửa van có kích thước trung bình và nhỏ. Khi cửa van có kích thước lớn và
chịu cột nước cao cần tính theo hệ không gian.
- Dầm đứng và dầm chính là hai bộ phần chịu lực chủ yếu của cửa van
phẳng, chịu toàn bộ áp lực nước và trọng lượng bản thân cửa van thông qua
gối bản lề truyền lên bộ phận cố định của công trình, nên trong mục này sẽ
trình bày chi tiết tính toán, kiểm tra về cường độ và về độ cứng của dấm
chính và dầm đứng, chữ “dầm” dùng ở trong chương này cần hiểu với nghĩa
rộng có thể dầm, cũng có thể là giàn.
2.2.2. Tính toán dầm chính van theo hệ phẳng
2.2.2.1. Xác định vị trí dầm chính
Vị trí dầm chính thường được bố trí theo nguyên tắc chịu tải trọng
bằng nhau:
Trường hợp cửa van có nhiều dầm chính: Áp lực nước tác dụng lên
dầm chính thứ k là q
R
k
R có vị trí đượcR

Rxác định theo công thức sau đây, được
10

thiết lập từ điều kiện các dầm chính chịu các diện tích tải trọng bằng nhau,
hình 2.4a:
Đối với cửa van trên mặt:

[

]
2
/3
2
/3
t
k
)
1k
(
k
n3
H
2
y −
−
=
(2.6)
Đối với cửa van dưới sâu:

[ ]
2
/3
2/3
t
k
)B1k()Bk(
Bn
3
H2

y
+−−+
+
=
(2.7)
trong đó:
y
R
k
R - khoảng cách từ truc của dầm chính thứ k đến mực nước thượng
lưu.
n - số lượng dầm chính.
k - số thứ tự của dầm chính tính từ đỉnh van.
H
R
t
R - chiều cao cột nước thượng lưu.
H
R
n
R - chiều cao cột nước tường ngực.

2
n
2
t
2
n
HH
nH

B
−
=

Tải trọng tác dụng lên 1m dài dầm chính bằng:

n
W
q =

trong đó W là hợp lực của áp lực thuỷ tĩnh tác dụng trên 1m dài cửa van, còn
n là số lượng dầm chính.
11


Hình 2.4 - Sơ đồ xác định áp lực nước lên dầm chính
Trường hợp cửa van có hai dầm (giàn) chính: Đối với cửa van có hai
dầm (giàn) chính, để hai dầm chính chịu áp lực nước bằng nhau thì vị trí của
hai dầm chính phải đặt cách đều hợp lực của áp lực thuỷ tĩnh (d
R
1
R=dR
2
R) như ở
hình 2.4b, đồng thời phải thoả mãn các điều kiện sau:
- Khoảng cách từ dầm chính trên tới đỉnh van phải nhỏ hơn hoặc bằng
0.45H, trong đó H là chiều cao cửa van, để đảm bảo phần công xôn của cửa
van có đủ độ cứng.
- Khoảng cách từ dầm chính dưới tới đáy van phải thỏa mãn điều kiện
α ≥30

P
o
P, để khi mở van dòng nước không va vào cánh dầm chính dưới.
Nếu không thoả mãn các điều kiện trên thì có thể điều chỉnh vị trí các
dầm chính, hai dầm chính lúc này chịu tải trọng không bằng nhau, nhưng sau
khi điều chỉnh các tải trọng tác dụng lên mỗi dầm chình không được chênh
nhau quá lớn.
Áp lực nước tác dụng lên dầm chính trên q
R
t
R và dầm chính dưới qR
d
R
được xác định theo công thức sau:

21
2
t
d
d
d
Wq
+
=
(2.8)

21
1
d
dd

d
Wq
+
=
(2.9)
12

trong đó:
W - hợp lực của áp lực thuỷ tĩnh trên 1 mét dài van.
d
R
1
R - khoảng cách từ dầm chính trên tới phương của hợp lực W.
d
R
2
R - khoảng cách từ dầm chính dưới tới phương của hợp lực W.
2.2.2.2. Nhịp tính toán của dầm chính
Nhịp tính toán của dầm chính được xác định theo công thức sau:
L = L
R
o
R+ 2c (2.10)
trong đó:
L
R
o
R - bề rộng của cống (bề rộng thông thuỷ của cống).
c - khoảng cách từ mép cống tới trung tâm bánh xe (hình 2.1), thường
lấy bằng c=0.05L

R
o
R.
2.2.2.3. Chọn sơ bộ kích thước dầm chính
Dầm chính tiết diện chữ I có hai trục đối xứng, chọn chiều cao tiết
diện dầm dựa vào điều kiện độ cứng và điều kiện kinh tế, được xác định theo
công thức sau:

)h
,hmax(
h
minkt
=
(2.11)
trong đó:

3
ycbkt
W5.1h λ=


q
q
E24
RLn5
h
c
o
min
×=

với:

160120
h
b
b
b
−
=
δ
=λ

R8
qL
R
M
W
2
max
yc
==


26
cm/
daN101.2E ×=
nR
o
R=600 -1000

13

- Chiều cao bản bụng dầm: hR
b
R= 0,95h.
- Chiều dày bản bụng dầm: δ
R
b
R = hR
b
R/δR
b
R.
- Chiều dày bản cánh dầm: δ
R
c
R = 0.02h.
- Chiều rộng bản cánh dầm:

2
cc
c
c
h
J2
b
δ
=
(2.12)
trong đó

12
h
2
h
WJ
3
bb
ycc
δ
−=

h
R
c
R = hR
b
R+δR
c
R.

- Tiết diện tính toán của dầm chính
Khi dầm chính đặt sát bản mặt và được hàn chặt vào bản mặt thì cần
phải xét tới bản mặt cùng tham gia chịu lực với dầm chính. Bề rộng bản mặt
cùng tham gia chịu lực với dầm chính phải thoả mãn các điều kiện sau đây:
b ≤ 0.5(a
R
t
R+aR
d

R)
b ≤ b
R
c
R+50δ (2.13)
b ≤ 0.3L
trong đó:
a
R
t
R. aR
d
R - khoảng cách từ dầm chính đang xét tới hai dầm phụ ở trên và
dưới nó.
b
R
c
R - bề rộng của bản cánh dầm chính.
δ - chiều dày của bản mặt cửa van.
L - nhịp tính toán của dầm chính.