Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí gối bản lề tới lực kéo và trạng thái ứng suất – biến dạng của cửa van cung 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 ảnh hưởng của vị trí gối bản lề tới lực kéo và trạng thái ứng suất – biến
dạng của cửa van cung 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 8 năm 2014
Tác giả luận văn




NGUYỄN TẤT THỌ


BẢN CAM KẾT

Tên tôi là: Nguyễn Tất Thọ
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 8 năm 2014
Tác giả luận văn




NGUYỄN TẤT THỌ



MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
BẢN CAM KẾT
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
MỞ ĐẦU 1
1. Tính cấp thiết của Đề tài 1
2. Mục đích của Đề tài 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 1
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CỬA VAN HÌNH CUNG 2
1.1. Khái quát về cửa van hình cung 2
1.1.1. Khái niệm và phân loại 2
1.1.2. Một số nguyên tắc và bố trí cấu tạo 4

1.1.3. Hình thức cửa van thường dùng hiện nay 7
1.1.4. Phạm vi ứng dụng 9
1.2. Bố trí kết cấu và xác định kích thước chủ yếu của cửa van 10
1.2.1. Cấu tạo chung của kết cấu cửa van 10
1.2.2. Chọn sơ bộ hình thức, vị trí và kích thước các bộ phận chính của
cửa van cung 11

1.3. Tính toán kết cấu cửa van cung 18
1.3.1. Tính toán cửa van cung theo hệ phẳng 18
1.3.2. Phân tích cửa van theo bài toán không gian 27


KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 35
CHƯƠNG 2 – PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ PHẦN
MỀM SAP2000 36
2.1. Khái quát về phương pháp phần tử hữu hạn 36
2.1.1. Các mô hình của phương pháp phần tử hữu hạn 36
2.1.2. Trình tự giải bài toán kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn
37

2.2. Phần mềm SAP2000 37
2.2.1. Khái quát về phần mềm SAP2000 37
2.2.2. Một số điểm cần chú ý khi sử dụng phần mềm SAP2000 phân tích
trạng thái ứng suất và biến dạng cửa van cung 38

2.2.3. Các bước tính toán kết cấu cửa van cung bằng SAP2000 44
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 45
CHƯƠNG 3 - PHÂN TÍCH KẾT CẤU VAN CUNG TRONG
CÔNG TRÌNH CHỐNG NGẬP LỤT TP. HỒ CHÍ MÌNH 46
3.1. Giới thiệu công trình 46

3.1.1. Quy mô công trình 46
3.1.2. Các trường hợp nghiên cứu: 46
3.2. Trường hợp 1: ∆Z = 7.0m 47
3.2.1. Mô tả kết cấu cửa van 47
3.2.2. Mô hình hóa kết cấu cửa van cung bằng phần mềm SAP2000 51
3.2.3. Phân tích kết cấu van cung theo bài toán không gian 54
3.3. Trường hợp 2: ∆Z = 7.5m 62
3.3.1. Mô hình hóa kết cấu cửa van 62


3.3.2. Phân tích kết cấu van cung theo bài toán không gian 62

3.4. Trường hợp 3: ∆Z = 8.0m 71
3.4.1. Mô hình hóa kết cấu cửa van 71
3.4.2. Phân tích kết cấu van cung theo bài toán không gian 71
3.5. Tổng hợp kết quả tính toán và vẽ đường quan hệ giữa vị trí gối bản lề
và lực kéo van, cũng như nội lực và chuyển vị của một số bộ phận chính
của cửa van tương ứng với mỗi vị trí gối bản lề. 77

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 80
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO 83




DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 - Kết cấu cửa van hình cung hai khung chính, càng xiên 2
Hình 1.2 - Cửa van trên mặt 3
Hình 1.3 - Cửa van dưới sâu 3

Hình 1.4 - Sơ đồ cấu tạo cửa van hình cung 5
Hình 1.5 - Gối quay của cửa van cung; a) Gối nón cụt; b) Gối bản lề 5
Hình 1.6 - Gối đỡ bên kiểu bánh xe và kiểu trượt 6
Hình 1.7 - Cấu tạo kết cấu vật chắn nước bên và đáy van cung 7
Hình 1.8 - Sơ đồ một số hình thức bố trí tâm quay cửa van cung 8
Hình 1.9 - Các loại hình thức khung chính 8
Hình 1.10 - Các hình thức khe van 10
Hình 1.11 - Sơ đồ vị trí khung chính 12
Hình 1.12 - Kết cấu cửa van hình cung dùng dầm đứng đặt sít 16
Hình 1.13 - Sơ đồ xác định áp lực nước lên dầm chính trên và dưới 20
Hình 1.14 - Sơ đồ áp lực nước lên cửa van trên mặt và cửa van dưới sâu 21
Hình 1.15 - Sơ đồ tính toán và biểu đồ mômen uốn khung chân khớp 23
Hình 1.16 - Sơ đồ tính toán và biểu đồ mômen uốn khung chính chân ngàm
24

Hình 1.17 - Sơ đồ tính toán nội lực càng van 26
Hình 1.18 - Sơ đồ xác định cánh tay đòn lực kéo van 26
Hình 1.19 - Điều kiện biên trường hợp cửa van nằm trên ngưỡng 28
Hình 1.20 - Điều kiện biên trường hợp 2 máy nâng bằng xi lanh thủy lực 29
Hình 1.21 - Điều kiện biên khi nâng bằng tời dây kéo tiếp tuyến với bản mặt
29



Hình 1.22 - Điều kiện biên khi nâng bằng tời phương dây kéo không tiếp
tuyến với bản mặt 30

Hình 1.23 - Sơ đồ kết cấu van cung ứng với trường hợp cửa van mở 31
Hình 2.1 - Hệ tọa độ cục bộ của phần tử thanh 41
Hình 2.2 - Trục tọa độ cục bộ 2 và 3 của phần tử thanh 41

Hình 2.3 - Hệ toạ độ cục bộ của phần tử vỏ 42
Hình 2.4 - Quy ước dấu của lực dọc và mômen xoắn 43
Hình 2.5 - Quy ước dấu của lực cắt và mômen uốn 43
Hình 2.6 - Quy ước dấu nội lực của vỏ 44
Hình 3.1 – Bố trí tổng thể van cung 47
Hình 3.2 – Kết cấu giàn đứng van cung 48
Hình 3.3 - Vị trí dầm phụ dọc 49
Hình 3.4 - Định vị dầm phụ dọc 49
Hình 3.5 - Kết cấu bản mặt và dầm phụ dọc 51
Hình 3.6 - Kết cấu dầm đứng, giàn ngang và càng van 52
Hình 3.7 - Kết cấu dầm đứng, giàn ngang và càng van 53
Hình 3.8 - Mô hình hóa kết cấu van cung 54
Hình 3.9 - Gán lực ma sát vào mô hình kết cấu van cung 57
Hình 3.10. Mô hình cửa van trường hợp ∆Z = 7.5m 62
Hình 3.11 – Biểu đồ áp lực nước thượng lưu 63
Hình 3.12 – Phổ màu chuyển vị bản mặt van 63
Hình 3.13 – Biểu đồ lực dọc càng van 64
Hình 3.14 – Biểu đồ lực dọc giàn chính 65


Hình 3.15 – Cánh tay đòn trọng lượng bản thân van 66

Hình 3.16 – Sơ đồ xác định cánh tay đòn lực kéo van 69
Hình 3.17. Kết cấu van trường hợp ∆Z = 8.0m 71
Hình 3.18 – Đường quan hệ ∆Z và lực kéo van khi bắt đầu rời khỏi ngưỡng
78

Hình 3.19 – Đường quan hệ ∆Z và lực kéo van khi mở hoàn toàn 78
Hình 3.20 – Đường quan hệ ∆Z và chuyển vị ngang lớn nhất ở bản mặt 79
Hình 3.21 – Đường quan hệ ∆Z và lực dọc lớn nhất của càng van 79

Hình 3.22 – Đường quan hệ ∆Z và momen uốn lớn nhất của càng van 79



DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 - Giá trị góc α và góc θ 50
Bảng 3.2 - Chuyển vị tại một số nút ở bản mặt van 54
Bảng 3.3 - Lực dọc và mô men uốn trong càng van 55
Bảng 3.4 - Nội lực trong một số phần tử giàn chính trên và dưới 55
Bảng 3.5 - Phản lực liên kết tại các gối tựa 56
Bảng 3.6 – Lực ma sát vật chắn nước bên F
S
57
Bảng 3.7 - Phản lực gối bản lề (bước lặp 1) 59
Bảng 3.8 - Phản lực gối bản lề (bước lặp 2) 59
Bảng 3.9 - Phản lực liên kết tại nút C 60
Bảng 3.10 - Xác định hành trình của xy lanh thủy lực 60
Bảng 3.10 - Chuyển vị tại một số nút ở bản mặt van 64
Bảng 3.11 - Ứng suất của bản mặt cửa van 64
Bảng 3.12 - Lực dọc và mô men uốn trong càng van 65
Bảng 3.13 - Nội lực trong một số phần tử giàn chính trên và dưới 66
Bảng 3.14 - Phản lực liên kết tại các gối tựa 67
Bảng 3.8 - Phản lực gối bản lề (bước lặp 1) 67
Bảng 3.9 - Phản lực gối bản lề (bước lặp 2) 68
Bảng 3.10 - Phản lực gối bản lề (bước lặp 3) 68
Bảng 3.11 - Phản lực liên kết tại nút C 68
Bảng 3.12 – Xác định hành trình của xy lanh thủy lực 69
Bảng 3.21 - Chuyển vị tại một số nút ở bản mặt van 72
Bảng 3.22 - Lực dọc và mô men uốn trong càng van 72

Bảng 3.23 - Nội lực trong một số phần tử giàn chính trên và dưới 73

Bảng 3.24 - Phản lực liên kết tại các gối tựa 73
Bảng 3.25 - Phản lực gối bản lề (bước lặp 1) 74
Bảng 3.26 - Phản lực gối bản lề (bước lặp 2) 74
Bảng 3.27 - Phản lực liên kết tại nút C 75
Bảng 3.28 - Xác định hành trình của xy lanh thủy lực 75
Bảng 3.29 – Tổng hợp kết quả tính toán 77


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của Đề tài
Đối với cống ngăn triều chống ngập lụt thành phố Hồ Chí Minh cần sử
dụng cửa van nhịp lớn để ngăn triều, thoát lũ nhanh và giao thông thủy, một
trong các phương án được chọn là sử dụng cửa van cung đóng mở bằng xy
lanh thủy lực. Khoang thông thuyền của van cung có bán kính bản mặt lớn
hơn bảo đảm tĩnh không giao thông thủy. Vị trí gối bản lề có ảnh hưởng tới
lực kéo van, cũng như trạng thái ứng suất-biến dạng của cửa van, nên việc
chọn vị trí hợp lý của gối bản lề là một yêu cầu cần quan tâm nhằm giải
quyết hài hòa giữa lực kéo và khả năng chịu lực của cửa van. Xy lanh thủy
lực cũng có tỷ trọng không nhỏ trong tổng số vốn đầu tư thiết bị cơ khí của
công trình, nên việc nghiên cứu vị trí hợp lý của gối bản lề có ý nghĩa thực tế
và cần thiết.
2. Mục đích của Đề tài
Xác định vị trí hợp lý của gối bản lề với ràng buộc và yêu cầu về mặt
công trình thủy công, nhằm giảm lực kéo van, cũng như hành trình của xy
lanh thủy lực, thỏa mãn điều kiện cường độ và biến dạng cửa van cung,
nhằm giảm chi phí đầu tư cho công trình.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Một cửa van hình cung nhịp lớn trong công trình cống ngăn triều
chống ngập lụt thành phố Hồ Chí Minh.
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phần mềm SAP2000 phân tích trạng thái ứng suất-biến dạng
cửa van cung nhịp lớn, xác định trọng lượng bản thân van và lực kéo của xy
lanh thủy lực khi vị trí gối bản lề thay đổi, tìm vị trí hợp lý của gối bản lề để
giảm lực kéo van cũng như ứng suất trong quá trình khai thác.


2
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CỬA VAN HÌNH CUNG
1.1. Khái quát về cửa van hình cung [3] [4]
1.1.1. Khái niệm và phân loại
Cửa van là một bộ phận của công trình thuỷ lợi, dùng để khống chế
mực nước và điều tiết lưu lượng theo yêu cầu tháo nước ở các thời kỳ khai
thác khác nhau. Cửa van thường được đóng mở bằng tời hoặc xy lanh thủy
lực.
Cửa van hình cung là cửa van có mặt chịu áp lực nước dạng mặt cong,
thường là một phần của mặt trụ tròn và được nối với hai càng, khi đóng mở
cửa van quay xung quanh một trục quay cố định nằm ngang. Cửa van hình
cung thường được dùng làm cửa xả lũ ở đập tràn. Hình dạng không gian và
các bộ phận chính của kết cấu cửa van cung càng xiên cho ở hình 1.1.

Hình 1.1 - Kết cấu cửa van hình cung hai khung chính, càng xiên
Cửa van hình cung có hai loại chính là cửa van trên mặt và cửa van
dưới sâu, có cửa phụ hoặc không có cửa phụ trên đỉnh van. Cửa van trên mặt

3
là cửa van có đỉnh cao hơn cao trình mực nước thượng lưu (hình 1.2), cửa

van dưới sâu là cửa van có đỉnh thấp hơn cao trình mực nước thượng lưu
(hình 1.3).
Của van hình cung có ưu điểm là đóng mở nhanh và dễ dàng điều tiết
lưu lượng tháo, trụ pin có thể làm mỏng so với van phẳng vì khe van nông.

Hình 1.2 - Cửa van trên mặt

Hình 1.3 - Cửa van dưới sâu
Tuy nhiên trụ pin phải làm dài để có đủ kích thước đặt càng van. Áp
lực nước tác dụng tập trung lên trụ pin (qua càng van) làm cho ứng suất tập
trung phát sinh trong trụ pin và việc bố trí cốt thép chịu lực phức tạp hơn,
nhất là những nơi van làm việc trong điều kiện chịu lực hai chiều. Về cấu tạo
và lắp ráp van cung cũng khó khăn, phức tạp hơn van phẳng.

4
Cửa van cung là loại được áp dụng khá rộng rãi, nhất là khi cửa có
nhịp lớn hay những nơi cần tháo nước nhanh. Vật liệu làm cửa van thường
bằng thép.
Cửa van cung được phân loại như sau: Theo mực nước thượng lưu,
được chia thành hai loại: Cửa van trên mặt và cửa van dưới sâu. Theo hình
thức chảy qua van, có thể chia thành 3 nhóm: Cửa van cho nước chảy ở dưới,
cho nước tràn qua đỉnh van, cho nước chảy qua đỉnh van và chảy dưới đáy
van. Theo kết cấu cửa van được chia thành 3 loại: Cửa van đơn, cửa van có
cửa phụ và cửa van kép.
Trong các đập tràn thường dùng của van cho nước chảy ở dưới hoặc
vừa cho chảy ở dưới vừa cho nước tràn qua van. Trong các âu tầu, thuyền chỉ
dùng loại tràn qua đỉnh van loại cửa van hạ xuống.
Cửa van có cửa phụ hoặc cửa van hai tầng, được dùng khi cần tháo vật
nổi hoặc tháo một lượng nước nhỏ, vì nếu dùng cửa van đơn thì sẽ mất một
khối lượng nước khá lớn.

1.1.2. Một số nguyên tắc và bố trí cấu tạo
- Kết cấu phần động cửa van cung - Cửa van hình cung bao gồm bản
chắn nước (bản mặt), hệ thống dầm (dầm phụ dọc, dầm đứng, dầm chính),
càng đỡ và gối quay (hình 1.4). Hệ thống dầm cũng bố trí theo nguyên tắc ở
mọi chỗ bản mặt chịu lực như nhau, các dầm chính chịu lực như nhau để tiện
thi công và tận dụng khả năng chịu lực của vật liệu.

5

Hình 1.4 - Sơ đồ cấu tạo cửa van hình cung
- Gối quay - Đối với kết cấu càng van, chịu áp lực nước từ dầm chính
và dầm đứng truyền tới, tính toán theo hệ giàn. Gối quay là nơi càng tựa lên
và quay khi đóng mở cửa. Hình 1.5 biểu thị một số hình thức gối quay.
Trường hợp bán kính van cung R = (1,2÷1,5)H
1
; (trong đó H
1
là chiều sâu
nước thượng lưu) thì gối đặt thấp hơn mực nước thượng lưu. Gối quay
thường đặt cao hơn mực nước lớn nhất ở hạ lưu để tránh bị ngập nước dẫn
tới hư hỏng và han rỉ.

Hình 1.5 - Gối quay của cửa van cung; a) Gối nón cụt; b) Gối bản lề

6
Gối quay của cửa van cung thường dùng là gối kiểu nón cụt (hình
1.5a) và gối bản lề có một trục quay hoặc hai trục quay vuông góc với nhau
(hình 1.5b). Gối có hai trục quay cấu tạo tương đối phức tạp nhưng có thể
chuyển động được theo hai phương khác nhau. Do đó khi các trụ lún không
đều trong chừng mực nhất định vẫn không ảnh hưởng tới việc đóng mở cửa.

Gối bản lề một trục quay cấu tạo đơn giản hơn, thường dùng trong các cửa
van có nhịp không lớn.
- Gối đỡ bên - Để đảm bảo cho cửa van ở vị trí bình thường trong khe
van khi đóng và khi mở, để đảm bảo cho cửa van không bị xô lệch và không
bị kẹt trong khe van. Thiết bị định hướng bên có thể dùng kiểu bánh xe như
ở hình 1.6a hoặc kiểu trượt như ở hình 1.6b, được bố trí ở hai đầu van.


Hình 1.6 - Gối đỡ bên kiểu bánh xe và kiểu trượt
b)

7
- Vật chắn nước - Vật chắn nước có thể làm bằng gỗ, cao su, kim loại
v.v., nhưng thường dùng nhất là bằng cao su. Các dạng mặt cắt ngang của
vật chắn nước bằng cao su thường dùng được biểu thị ở hình 1.7a. Cao su
tấm dùng làm vật chắn nước đáy, cao su chữ P thường dùng làm vật chắn
nước bên và ở đỉnh, cao su chữ L chủ yếu dùng làm vật chắn nước ở bên cửa
van hình cung. Cấu tạo vật chắn nước bên cho ở hình 1.7b và vật chắn nước
đáy cho ở hình 1.7c.

Hình 1.7 - Cấu tạo kết cấu vật chắn nước bên và đáy van cung
1.1.3. Hình thức cửa van thường dùng hiện nay
Phần lớn cửa van cung dùng bản mặt hình cung tròn có tâm trùng với
tâm quay, trong các sông có lượng phù sa lớn lắng đọng ở trước cửa van, thì
tâm quay có thể đặt thấp hơn tâm bản mặt.
c)

8

Hình 1.8 - Sơ đồ một số hình thức bố trí tâm quay cửa van cung

Trong trường hợp này sẽ giảm được ảnh hưởng của lực ma sát do phù
sa tác dụng lên bản mặt, giảm được lực kéo của máy đóng mở khi nâng van.
Cửa van thường dùng nhất hiện nay là cửa van hai dầm chính chịu tải trọng
bằng nhau, bản mặt là một mặt cung tròn có tâm cong trùng với tâm quay
của cửa van.
Khung chính được chia thành các loại sau:
- Chân thẳng và cứng (hình 1.9a).
- Chân thẳng và mảnh (hình 1.9b)
- Chân xiên và mảnh (hình 1.9c).

Hình 1.9 - Các loại hình thức khung chính
Cửa van chân cứng có lực xô ngang lớn. làm giảm được mômen uốn
trong dầm, nhưng mômen uốn trong càng lại lớn, đồng thời khi cửa van
chuyển động có lực ma sát ở mặt bên của gối bản lề. Cửa van chân mảnh

9
được dùng phổ biến nhất, trong trường hợp này độ cứng của chân nhỏ hơn
độ cứng của dầm vì vậy ảnh hưởng của lực xô ngang nhỏ, có thể bỏ qua.
Cửa van chân xiên có một số ưu điểm sau: Giảm được mômen uốn
trong dầm chính, do đó dầm chính sẽ nhỏ, khi nhịp van dưới 12m và cột
nước dưới 5m có thể dùng thép định hình làm dầm chính. Chiều cao dầm
chính giảm, nên kết cấu giàn đứng có thể nhỏ, trọng lượng van giảm, do đó
lực kéo cần thiết của máy đóng mở cũng giảm.
Cửa van chân xiên cũng có một số nhược điểm sau: Cấu tạo gối bản lề
và mối nối giữa dầm chính với chân van khá phức tạp. Tăng nội lực trong
chân van và tăng chiều dài của chân van. Khi có nước tràn qua đỉnh van
không nên sử dụng.
1.1.4. Phạm vi ứng dụng
Van hình cung được dùng phổ biến trong các công trình tưới và tiêu,
nhịp có thể tới 40m với chiều cao dưới 14m. Khi nhịp van từ 10 đến 12m,

thường dùng loại van cung hai dầm chính, chân mảnh, thẳng hay xiên. Với
nhịp từ 6 đến 12m, cột nước từ 2,5 đến 4m thường dùng loại chân xiên và ô
dầm ngang. Ở những đầu âu thuyền để tăng thêm chiều dài âu, giảm năng
lượng dòng chảy dưới van khi đưa nước vào buồng âu, dùng van hình cung
tốt hơn van phẳng.
Không dùng cửa van hình cung làm cửa van sửa chữa, cửa van bảo
hiểm và cửa van thi công vì gối tựa của cửa van cung là cố định. Cửa van
cung có thể bố trí trong khe van hoặc ở mặt ngoài của trụ pin như ở hình
1.10a và hình 1.10b.
Cửa van hình cung được dùng rộng rãi trong công trình thủy lợi vì nó
có nhiều ưu điểm: Có thể dùng trên đập tràn với mặt cắt bất kỳ mà không cần
mở rộng đỉnh đập. Điều kiện thủy lực của dòng chảy ở mép dưới van cũng

10
tốt hơn van phẳng. Cửa van được liên kết với gối bản lề cố định nên chuyển
động của cửa van được xác định và hầu như tránh được khả năng bị mắc kẹt
do vênh.
Trọng lượng van cung nhỏ hơn các loại khác. Lực kéo của máy đóng
mở nhỏ, có thể lợi dụng phương hợp lực của áp lực nước không đi qua trục
quay để giảm lực đóng mở.
Van cung cũng có một số nhược điểm sau: Phải có mố và đường biên
dài. Khi cống có chiều cao lớn và có ngưỡng ngang, nếu yêu cầu gối bản lề
không ngâm trong nước thì càng van phải rất dài.Thời gian đóng mở lâu hơn
cửa van phẳng.

Hình 1.10 - Các hình thức khe van
1.2. Bố trí kết cấu và xác định kích thước chủ yếu của cửa van [2]
1.2.1. Cấu tạo chung của kết cấu cửa van
Cấu tạo cửa van cung phải bảo đảm các yêu cầu khai thác, giá thành
hạ và phải dễ chế tạo, lắp ghép, kiểm tra, sửa chữa.

Phần lớn cửa van cung dùng loại hai khung chính. Khi nhịp từ 12 đến
16m dầm của khung chính dùng loại tiết diện đặc, còn khi nhịp lớn dùng loại
giàn có thanh bụng xiên hoặc tam giác.Chân khung thường dùng tiết diện

11
đặc. Dầm đứng ở giữa thường dùng loại rỗng, còn dầm đứng hai đầu dùng
loại đặc.
Hình dạng mặt cắt ngang của cửa van phải bảo đảm dòng cháy dưới
đáy van không va vào dầm chính dưới. Nếu vì một nguyên nhân nào đó
không thể đưa dầm chính dưới lên phía trên, thì kết của dầm dầm chính tốt
nhất là dùng loại rỗng (giàn). Khi dùng dầm đặc thì bản bụng của dầm cần
phải khoét lỗ, diện tích của lỗ không được nhỏ hơn 20% tổng diện tích bản
bụng dầm chính. Loại cửa van có dầm chính bố trí thấp thường gặp trong
cống có khẩu độ lớn và chịu cột nước nhỏ.
Khi thiết kế cửa van dùng càng ít phân tố ghép càng tốt, cố gắng dùng
thép định hình. Không nên dùng loại tiết diện có khe hẹp, vì khó kiểm tra,
khó vệ sinh và quét sơn. Tất cả các phân tố chính chịu uốn hoặc chịu nén dọc
trục, phải chọn loại có độ cứng lớn nhất với kích thước cần thiết của mặt cắt
ngang theo tính toán.
1.2.2. Chọn sơ bộ hình thức, vị trí và kích thước các bộ phận chính của
cửa van cung
1.2.2.1. Chọn sơ bộ hình thức, vị trí và kích thước của khung chính.
Khung chính là bộ phận quan trọng trong cửa van hình cung, có tác
dụng chuyền toàn bộ áp lực nước, trọng lượng bản thân và trọng lượng lớp
nước tran qua van (nếu có) lên gối bản lề. Khung chính gồm có dầm chính và
chân khung.
Khung chính được đặt theo phương bán kính của bản mặt, số lượng
khung chính thường chọn từ một đến ba chiếc (hình 1.11). Tuyệt đại đa số
các cửa van thường dùng hiện nay là loại có hai khung chính chịu tai trọng
bằng nhau.

12
Chiều cao của khung chính lấy bằng bán kính của bản mặt, bán kính R
của bản mặt phụ thuộc vào chiều cao ho và bề rộng Lo của cống, thường
chọn R = (1,2
÷
1,5)ho. Ngoài ra cần phải chọn tỷ số R/Lo càng lớn khi nhịp
càng nhỏ.
Vị trí tâm quay của cửa van thường đặt ở trên mực nước hạ lưu lớn
nhất và mực nước tràn qua đỉnh đập không va vào trục quay
Các khung chính thường được bố trí theo nguyên tắc chịu tải trọng
bằng nhau, nếu cửa van có hai khung chính thì chúng phải cách đều hợp lực
của áp lực thủy tĩnh như ở hình 1.11.

Hình 1.11 - Sơ đồ vị trí khung chính
Khi xác định vị trí của khung chính cần xét tới yêu cầu về thủy lực
(dòng chảy không va vào dầm chính dưới), về cấu tạo (bảo đảm cửa van có
đủ độ cứng) và về thi công (tiện cho việc phân đoạn).
Khung chính thường dùng chân thẳng và mảnh, có dầm chính đặc
hoặc rỗng (giàn). Dùng khung chân mảnh có thể bỏ qua ảnh hưởng của lực
xô ngang khi xác định kích thước tường biên hay trụ pin của công trình, bỏ
qua lực ma sát trong gối bản lề do lực xô ngang sinh ra.
Cấu tạo dầm khung chính phụ thuộc vào kính thước của cửa van
(chiều cao và chiều rộng), loại van (trên mặt hoặc dưới sâu), chế độ khai
thác, điều kiện lắp ghép, chuyên chở và vật liệu dùng để chế tạo.

13
Đối với cửa van dưới sâu, khi tải trọng trên một mét dài lớn, mà nhịp
lại nhỏ thì dùng dầm bụng đặc vì lực cắt lớn hơn rất nhiều so với mômen
uốn. Đối với cửa van trên mặt, tải trọng tác dụng lên một mét dài không lớn,

do đó lực cắt nhỏ. Khi nhịp van lớn (20~30m) thường dùng dầm chính rỗng
(giàn) kinh tế hơn, vì nếu dùng dầm đặc thì không thể lợi dụng hết khả năng
làm việc của bản bụng dầm.
Hình dạng mặt cắt ngang của cửa van đôi khi có ảnh hưởng quyết định
đến việc chọn hình thức dầm chính. Khi cửa van có dầm chính dưới thấp, để
tránh hiện tượng chân không dưới dầm chính, dầm chính thường chọn loại
giàn.
Nhịp tính toán của khung chính bằng khoảng cách giữa hai mặt phẳng
đối xứng của chân van, được xác định như sau :
- Khi van đặt trong rãnh van:
L = Lo +2d = Lo + 2 (0.3 ÷ 0.5) m
- Khi van đặt trên công xôn của trụ pin (hình 4.6b):
L = Lo - 2d’= Lo - 2(0.4 ÷ 0.6) m
trong đó:
L - nhịp tính toán của khung chính.
Lo - bề rộng của lỗ cống bằng khoảng cách trong giữa hai trụ pin.
d, d’ - khoảng cách từ mép lỗ cống tới tâm gối bản lề, chọn càng lớn
khi tải trọng tác dụng lên van càng lớn.
Chiều cao dầm của khung chính có thể chọn sơ bộ như sau:
- Đối với dầm chính đặc: h=
L
15
1
~
10
1








- Đối với dầm chính rỗng h=
L
9
1
~
7
1






khi thanh bụng xiên

14
h=
L
8
1
~
6
1







khi thanh bụng tam giác
1.2.2.1. Sơ bộ chọn hình thức, vị trí của giàn đứng (giàn ngang)
Cũng tương tự như trong cửa van phẳng, giàn đứng hay còn gọi là
giàn ngang là một bộ phận rất quan trọng của kết cấu cửa van hình cung.
Giàn đứng có tác dụng đỡ áp lực nước từ ô dầm và chuyền lên dầm của
khung chính, phân đều tải trọng lên khung chính và chịu các lực ngẫu nhiên
không nằm trong mặt phẳng của khung chính.
Giàn đứng được tạo bởi thanh đứng của ô dầm, thanh đứng của giàn
chính và thanh đứng của giàn chịu trọng lượng.
Tuỳ theo kích thước của cửa van và hình dáng mặt cắt ngang mà chọn
giàn đứng cho thích hợp.
Đối với cửa van chân xiên có nhịp Lo
≤
12m, chiều cao cột nước H
≤

4.5m và cửa van chân thẳng có Lo
≤
7m, H
≤
3.5m, dùng giàn đứng đặc là
hợp lí hơn cả.
Kính thước hình học của giàn đứng phụ thuộc vào chiều cao của van,
bán kính và vị trí của tâm bản mặt, phụ thuộc vào chiều cao của dầm chính.
Khi dầm của khung chính là loại rỗng (giàn) thì vị trí của giàn đứng
phụ thuộc vào hệ thanh bụng (thanh bụng xiên hoặc tam giác). Giàn đứng có
thể bố trí trong mặt phẳng của các thanh đứng của giàn chính có thanh bụng
xiên hay nằm trong mặt phẳng đi qua các mắt giàn của giàn chính có thanh

bụng hình tam giác. Trong cửa van có chân xiên nhất thiết phải bố trí giàn
đứng trong mặt phẳng liên kết của chân van. Giàn đứng thường bố trí một
giàn ở giữa, hai giàn ở vị trí liên kết của càng van và hai giàn nữa ở hai đầu
van.
1.2.2.3. Bố trí ô dầm

15
Ô dầm có thể bố trí trước dầm chính hoặc đặt bằng mặt với dầm chính
hoặc bố trí thấp hơn dầm chính. Tuỳ theo khoảng cách giữa các dầm chính
mà ô dầm được bố trí dọc, ngang hay hỗn hợp.
Khi khoảng cách giữa hai dầm chính lớn, bố trí dọc là hợp lí nhất.
Dầm phụ được đặt liên tục trên cánh thượng của giàn đứng dọc theo toàn
chiều dài van và làm giảm chiều cao giàn đứng. Cho phép dùng hàn tự động
và bán tự động. Nếu dầm phụ được đặt bằng mặt với giàn đứng, tức là dầm
phụ bị cắt đứt bởi giàn đứng, thì đầu các thanh cần được nối chắc với giàn
đứng.
Khi van có cột nước nhỏ, thì ô dầm bố trí đứng là hợp lí vì khoảng
cách giữa các dầm chính nhỏ. Cách bố trí hỗn hợp do cấu tạo phức tạp nên ít
dùng. Dầm phụ đứng và dầm phụ ngang cần chọn cùng chiều cao để có thể
đặt bản nối ở phía dưới.
Các phân tố ô dầm thường dùng thép định hình.
Để tiện cho chế tạo và bảo dưỡng hiện nay nhiều cửa van cung có xu
hướng không dùng dầm phụ dọc, chỉ dùng dầm phụ đứng đặt dầy và hàn vào
bản mặt tạo thành mảng ô bản mặt. Sau đó liên kết cánh hạ dầm phụ đứng
của mảng ô bản mặt này với cánh thượng dầm chính (dùng nhiều dầm chính
và không bố trí cùng chiều cao với bản mặt). Kết cấu cửa van cung theo
phương án này được thể hiện ở hình 1.12.