NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG GIẾNG MÁY PHÁT VÀ GIẾNG TUỐC BIN HUỘI QUẢNG CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

B GIÁO D C VÀ ÀO T O
TR

B NÔNG NGHI P VÀ PTNT
NG

I H C THU L I

NGUY N XUÂN QUANG

NGHIÊN C U TR NG THÁI

NG SU T VÀ BI N D NG GI NG

MÁY PHÁT VÀ GI NG TU C BIN D
QU NG CH U TÁC

NG C A
PH N T

NG

ÁN THU

T B NG PH

H UH N

LU N V N TH C S K THU T

Hà N i – 2010

I N HU I
NG PHÁP


B GIÁO D C VÀ ÀO T O

B NÔNG NGHI P VÀ PTNT

TR

NG

I H C THU L I

NGUY N XUÂN QUANG

NGHIÊN C U TR NG THÁI

NG SU T VÀ BI N D NG GI NG

MÁY PHÁT VÀ GI NG TU C BIN D
QU NG CH U TÁC

NG C A
PH N T

NG

ÁN THU

T B NG PH

H UH N

Chuyên ngành: Xây d ng công trình thu
Mã s :

60-58-40

LU N V N TH C S K THU T

Ng

ih

ng d n khoa h c:

GS.TS.Ph m Ng c Khánh

Hà N i – 2010

I N HU I
NG PHÁP


-1-

M CL C
M

U

5

CH

NG I T NG QUAN V NHÀ MÁY TH Y I N
1.1.T NG QUAN V NHÀ MÁY TH Y I N

8

1.2.CÁC QUAN I M TÍNH TOÁN K T C U

15

NHÀ MÁY TH Y I N
CH

NG II PH

2.1.CÁC PH
2.1.1. Ph

NG PHÁP TÍNH TOÁN HI N HÀNH

NG PHÁP TÍNH TOÁN

NG SU T BI N D NG

18

ng pháp gi i tích

2.1.1.1 Ph

ng pháp S c b n v t li u

18

2.1.1.2. Ph

ng pháp Lý thuy t đàn h i

19

2.1.2. Các ph

ng pháp s

20

2.1.2.1. Ph

ng pháp sai phân h u h n

20

2.1.2.2. Ph

ng pháp ph n t h u h n

21

2.2. PH

NG PHÁP PH N T

H U H N TRONG

23

TÍNH TOÁN K T C U.
2.2.1. N i dung c a ph

ng pháp ph n t h u h n

2.2.2. Tính k t c u theo mô hinh t
2.2.3.Gi i h ph

23

ng thích

26

ng trình c b n

2.2.3.1. Cách gi i h ph

34

ng trình c b n c a ph

ng pháp PTHH

2.2.3.2. X lý đi u ki n biên
2.3.PH N T
B
0

34

B C CAO TRONG PH
PH N T
B
1

34

NG PHÁP

35

H UH N

2.3.1. Khái ni m v ph n t b c cao

35

2.3.2 H t a đ t nhiên

35

2.3.2.1 Khái ni m v h t a đ t nhiên

35

2.3.2.2. To đ t nhiên c a ph n t ba chi u

36

2.3.3.Ph n t l c di n b c cao 20 đi m nút

37

2.3.4. M t s nét c b n v thu t toán và ch

ng trình tính ma tr n đ

40


-2-

c ng ph n t
2.4.PH N M M TÍNH TOÁN
CH

42

NG 3 ÁP D NG TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH
THU

I N HU I QU NG

3.1.GI I THI U V CÔNG TRÌNH

45

3.1.1.C p công trình và tiêu chu n thi t k

45

3.1.2.Các thông s k thu t chính

46

3.1.3.C m công trình đ u m i và tuy n n ng l
3.2. TÍNH TOÁN TR NG THÁI
B
2

ng

46

NG SU T - BI N D NG GI NG

MÁY PHÁT VÀ GI NG TURBIN KHI CÓ K T I

NG

48

T

3.2.1.M c đích tính toán

48

3.2.2.Thông s ban đ u

48

B
4

B
5

3.2.2.1.Tiêu chu n tính toán

48

3.2.2.2.H s an toàn

48

3.2.2.3.L c tác d ng

48

3.2.3.Mô hình tính toán

51

3.2.4.K t qu tính toán

51

K T LU N VÀ KI N NGH

98

TÀI LI U THAM KH O

99

B
6

B
7

B
8

B
9

-3-

DANH M C CÁC HÌNH, B NG BI U
Danh m c các hình v :
Hình 1.1. M t c t ngang nhà máy thu đi n lòng sông.
Hình 1.2. Nhà máy thu đi n lòng sông không k t h p x l qua đo n t máy.
Hình 1.4. Nhà máy thu đi n trong thân đ p tràn.
Hình 1.2. Nhà máy T sau đ p bê tông tr ng l c.
Hình 1.6. S đ b trí nhà máy đ

ng d n.

Hình 1.7. Gi ng máy phát và turbin
Hình 3.0 S đ l c máy phát tác đ ng vào gi ng máy phát
Hình 3.1a. S đ hình h c ph n t Solid 186
Hình 3.1b. S đ

ng su t ph n t Solid 186

Hình 3.2 S đ hình h c c a k t c u tính toán nhìn ch ch t phía h l u.
Hình 3.3 S đ ph n t nhìn ch ch t phía h l u.
Hình 3.4(TH1) Chuy n v U x , m
R

R

Hình 3.5(TH1) Chuy n v U y , m
R

R

Hình 3.6(TH1) Chuy n v U z , m
R

R

Hình 3.7(TH1) Chuy n v t ng U sum , m
R

R

Hình 3.8(TH1)

ng su t σ x , T/m2, (chi u th

Hình 3.9(TH1)
th ng l u

ng su t σ y , T/m2, (ph

R

R

R

P

R

P

P

P

Hình 3.10(TH1)

ng su t σ z , T/m2, (ph

Hình 3.11(TH1)

ng su t σ 1 , T/m2

Hình 3.12(TH1)

ng su t σ 2 , T/m2

Hình 3.13(TH1)

ng su t σ 3 , T/m2

R

R

R

R

R

P

R

P

ng h l u) nhìn t phía h l u

ng vuông góc dòng ch y) nhìn t phía
ng đ ng) nhìn t phía th

ng l u

P

R

P

R

P

Hình 3.14(TH2) Chuy n v U x , m
R

R

Hình 3.15(TH2) Chuy n v U y , m
R

R

Hình 3.16(TH2) Chuy n v U z , m
R

R

Hình 3.17(TH2) Chuy n v t ng U sum , m
R

R

Hình 3.18(TH2)

ng su t σ x , T/m2, (chi u th

Hình 3.19(TH2)
th ng l u

ng su t σ y , T/m2, (ph

R

R

R

R

P

P

P

P

ng h l u) nhìn t phía h l u

ng vuông góc dòng ch y) nhìn t phía


-4-

Hình 3.20(TH2)

ng su t σ z , T/m2, (ph

Hình 3.21(TH2)

ng su t σ 1 , T/m2

Hình 3.22(TH2)

ng su t σ 2 , T/m2

Hình 3.23(TH2)

ng su t σ 3 , T/m2

R

R

R

R

R

R

R

R

P

P

ng đ ng) nhìn t phía th

P

P

P

Hình 3.24V trí các m t c t th hi n đ th
Hình 3.25

th

ng su t SY_M t c t A-A

Hình 3.26

th

ng su t SY_M t c t B-B

Hình 3.27

th

ng su t SY_M t c t C-C

Hình 3.28

th

ng su t SY_M t c t D-D

Hình 3.29

th

ng su t SX_M t c t E-E

Hình 3.30

th

ng su t SX_M t c t F-F

Hình 3.31

th

ng su t SX_M t c t G-G

Hình 3.32

th

ng su t SX_M t c t H-H

ng su t trên sàn l p ráp

Danh m c các b ng:
B ng 3.1 Các thông s và ch tiêu chính c a công trình Hu i Qu ng
B ng 3.2 So sánh k t qu ng su t và bi n d ng 2 tr ng h p

ng l u

-5-

M
I. Tính c p thi t c a

U

tài:

D án công trình tr m th y đi n ng m Hu i Qu ng (t i huy n Than Uyên,
t nh Lai Châu) là d a án có qui mô l n và ý ngh a quan tr ng đ i v i s phát tri n
kinh t - xã h i c a các t nh phía tây b c n

c ta. Công trình có công su t 520MW,

n m gi a tr m th y đi n B n Chát và S n La, t o thành h th ng b c thang quan
tr ng trên tuy n sông N m Mu – sông à.
Công trình th y đi n Hu i Qu ng bao g m: c m công trình đ u m i (đ p
bêtông tr ng l c cao 80m + c a l y n

c); 2 đ

đ

ng l u (đ t ng m); nhà máy th y đi n ng m

ng kính 6,5m); 2 tháp đi u áp th

ng h m d n n

c dài h n 5km (v i

trong núi và tuy n h m x h l u dài h n 300m.
Tr m th y đi n ng m Hu i Qu ng là m t công trình có nhi u h ng m c đ c
bi t, có nhi u v n đ r t đáng l u tâm trong quá trình tính toán thi t k và thi công
xây d ng.

c bi t, công trình n m trong vùng ch u nh h

ng c a đ ng đ t c p

VIII nên tác đ ng c a nó đ n ng su t và bi t d ng công trình là đáng k
Hi n này, trong quá trình tính toán thi t k các tr m th y đi n đ
ho c tr m th y đi n k t h p, vì lý do đi u ki n đ a hình - đ a ch t
l u không thu n l i nên các nhà thi t k có xu h
th

ng l u và đ t ng m.

i u này t

ng d n

phía c a ra h

ng lùi tuy n nhà máy v phía

ng đ i ph bi n, đ c bi t công trình n m

trong vùng đ ng đ t l n c p VIII, nh công trình Hu i Qu ng thì l c đ ng đ t có
nh h

ng l n đ n công trình.
M tv nđ đ

h

c đ t ra là: trong quá trình v n hành, l c đ ng đ t l n

ng đ n s làm vi c bình th

nh

ng c a nhà máy. C n ph i tính toán xem khi nhà

máy ch u tác d ng c a t i tr ng d c bi t này thì ng su t và bi t d ng c a nhà máy
nh th nào.

c bi t

b ph n gi ng máy phát và gi ng turbin ch u nh h

ng l n

nh t do hai b ph n này còn ch u tác đ ng c a l c li tâm do máy phát và turbin t o
ra.


-6-

M t khác ngày x a ch a có máy tính nên vi c tính toán đ
v a lâu l i v a không mô ph ng đ

c tính b ng tay

c tr ng thái ng su t và bi n d ng c a k t c u;

ngày nay v i s h tr c a máy tính và ph

ng pháp ph n t h u h n (PTHH) nên

vi c tính toán nhanh , chính xác h n và mô ph ng đ

c tr ng thái ng su t và bi n

d ng c a k t c u rõ ràng . Có nhi u ph n m m tính toán b ng ph

ng pháp ph n t

h u h n nh Sap 2000, Ansys V10…nh ng ph n m m Ansys V10 là công c m nh
v k t k u 3D nên vi c l p mô hình tính toán cho gi ng máy phát và gi ng turbin là
thích h p nh t. Công tác tính toán này đ ng th i có th s d ng đ tham kh o áp
d ng tính toán cho các công trình t
II. M c đích c a

ng t .

tài:

Trên c s nghiên c u v ph

ng pháp PTHH, áp d ng đ tính toán tr ng

thái ng su t và bi n d ng gi ng máy phát và gi ng turbin tr m th y đi n có xét t i
nh h

ng c a đ ng đ t. Áp d ng cho công trình Hu i Qu ng.
III.Cách ti p c n và ph

ng pháp nghiên c u

Ph m vi nghiên c u :
Nghiên c u tính toán tr ng thái ng su t - bi n d ng c a gi ng máy phát và
gi ng turbin tr m th y đi n Hu i Qu ng ch u tác d ng c a đ ng đ t
Cách ti p c n và Ph

ng pháp nghiên c u :

-Trên c s thu th p tài li u, tìm hi u v công trình nghiên c u.
- Tìm hi u nh h

ng c a l c đ ng đ t trong quá trình v n hành nhà máy

th y đi n.
- Tìm hi u v công d ng, nguyên lý làm vi c c a máy phát.
- K t h p lý thuy t v i ph

ng pháp tính toán hi n đ i – ph

PTHH v i ch n ph n m m phù h p đ áp d ng cho lu n v n.

ng pháp


-7-

IV.K t qu d ki n đ t đ

c

- L p mô hình tính toán theo thu t toán c a ph

ng pháp PTHH.

- Xác đ nh tr ng thái ng su t - bi n d ng c a gi ng máy phát và gi ng
turbin khi có k t i tác d ng c a đ ng đ t.


-8-

CH

NG I T NG QUAN V NHÀ MÁY TH Y I N

1.1.T NG QUAN V NHÀ MÁY TH Y I N. [3]
Nhà máy th y đi n là công trình th y công trong đó b trí các thi t b đ ng
l c (turbin, máy phát đi n..) và các h th ng thi t b ph ph c v cho s làm vi c
bình th

ng c a các thi t b chính nh m s n xu t đi n n ng cung c p cho các h

dùng đi n. Có th nói đây là m t x

ng s n xu t đi n n ng c a công trình th y

đi n. Lo i và k t c u nhà máy ph i đ m b o làm vi c an toàn c a các thi t b và
thu n l i trong v n hành.
Nhà máy th y đi n đ

c chia thành 3 lo i c b n:

Nhà máy th y đi n lòng sông: đ
th y n ng ki u đ p có c t n
công trình dâng n

c xây d ng trong các s đ khai thác

c không quá 35 – 40m. B n thân nhà máy là m t ph n

c, nó thay th cho m t ph n đ p dâng. C a l y n

c c ng là

thành ph n trong c u t o c a b n thân nhà máy. V trí nhà máy n m trong lòng
sông.


-9-

Hình 1.1. M t c t ngang nhà máy thu đi n lòng sông

Hình 1.2 Nhà máy thu đi n lòng sông không k t h p x l qua đo n t máy


- 10 -

Hình 1.4. Nhà máy thu đi n trong thân đ p tràn
- Nhà máy th y đi n sau đ p: đ

c b trí ngay sau đ p dâng. Khi c t n

c cao

h n 30 – 45m b n thân nhà máy vì lý do n đ nh công trình không th là m t thành
ph n c a công trình dâng n
N u đ p dâng n
đ

c ngay c trong các tr

ng h p t máy công su t l n.

c là đ p bê tông tr ng l c thì CLN và đ

c b trí trong thân đ p bê tông, đôi khi đ

trên phía h l u c a đ p.

ng ng d n n

ng ng d n n

c turbin đ

c turbin
c b trí


- 11 -

Hình 1.2. Nhà máy T sau đ p bê tông tr ng l c.
1-l

i ch n rác, 2- Van s a ch a, 3- Thi t b đóng m van công tac, 4-

turbin, 2- Máy bi n th , 6- Thanh d n máy phát.

ng ng


- 12 -

- Nhà máy th y đi n đ

ng d n: trong s đ th y n ng ki u đ

ng d n ho c k t

h p, nhà máy th y đi n đ ng riêng bi t tách kh i công trình đ u m i. CLN đ t cách

xa nhà máy. Trong tr

ng h p công trình d n n

thành ph n c a b áp l c; trong tr
trí

đ u công trình d n n

máy th y đi n th

ng là đ

c là không áp thì CLN n m trong

ng h p công trình d n n

c và là m t công trình đ c l p.

c là có áp thì CLN b
ng d n n

c vào nhà

ng ng áp l c…

Hình 1.6. S đ b trí nhà máy đ

ng d n.

Bên c nh đó có th phân ra nhà máy th y đi n trên m t đ t (nhà máy thông
th

ng), nhà máy th y đi n ng m đ

c b trí toàn b trong lòng đ t, nhà máy th y

đi n n a ng m v i ph n ch y u c a nhà máy b trí ng m trong lòng đ t, ph n mái
che có th b trí h trên m t đ t.
Các thi t b b trí trong nhà máy th y đi n đ

c chia thành các lo i: Thi t b

đ ng l c, thi t b c khí, thi t b ph , thi t b đi n.
+ Thi t b đ ng l c bao g m turbin th y l c và máy phát đi n.
- Turbin thu l c
+ Thi t b c khí bao g m các lo i c a van và các thi t b nâng chuy n ph c v cho
vi c đóng m và l p ráp s a ch a chúng.
+ Thi t b đi n bao g m: dây d n đi n t máy phát, máy bi n áp chính tr m phân
ph i đi n, h th ng đi n t dùng, h th ng đo l
đi u khi n trung tâm.

ng ki m tra và đi u khi n, thi t b


- 13 -

+ Các h th ng thi t b ph bao g m: H th ng d u, c p n
phòng h a, tháo n

c s a ch a và rò r .

K t c u nhà máy th y đi n th
trên n

c và k t c u ph n d
K t c u ph n d
Ph n d

c k thu t, khí nén,

in

in

in

ng bao g m 2 ph n chính là: K t c u ph n

c c a nhà máy th y đi n.

c c a nhà máy th y đi n:

c g m các công trình d n n

c (bu ng xo n, ng hút, đ

ng

ng turbin) ho c kênh x đ i v i turbin xung kích. Tu thu c vào lo i nhà máy và

lo i turbin ph n d
d

in

c có khác nhau.

in

n

c liên k t v i

c tr c ti p vào bu ng xo n. Tr m thu đi n sau đ p và đ

c ch y u là bu ng xo n và ng hút, n

ng áp l c đ t trong thân đ p ho c đ
đi n đ

i v i tr m thu đi n ngang đ p ph n

c c a nhà máy ngoài bu ng xo n, ng hút còn có c a l y n

nhà máy, d n n
ph n d

in

ng d n

c vào bu ng xo n qua đ

ng

ng ng áp l c đ t l thiên (nhà máy th y

ng d n). Khi nhà máy th y đi n l p turbin xung kích gáo thì ph n d

i

c c a nhà máy đ n gi n vì không có bu ng xo n turbin và hình d ng ph c t p

c a ng hút, nó ch là kênh x d n n
Ph n d

in

c c a nhà máy th y đi n, do đ c thù làm vi c c a nhà máy

c ng nh k t c u ph n d

in

+ V nhà máy th y đi n:
các t

c ra.

cđ

c chia thành các b ph n nh sau:

Bao g m các t

ng th

ng, h l u, các sàn, d m và

ng ng n phòng trong nhà máy thu đi n .

+ Móng nhà máy th y đi n: Bao g m các ph n ti p xúc tr c ti p v i n n đ a
ch t nh b n đáy ng hút ho c c a ra ng hút .
+ Gi ng máy phát và gi ng turbin (xem hình v 1.7).


- 14 -

Z
X
Y

Hình 1.7 Gi ng máy phát và turbin


- 15 -

1.2.CÁC QUAN I M TÍNH TOÁN K T C U
NHÀ MÁY TH Y I N
Nhà máy thu đi n là m t k t c u không gian g m nhi u c u ki n có hình

d ng ph c t p, đ c ng khác nhau n i li n thành m t kh i ch u các t h p t i tr ng
ph c t p và ph i đ m b o tuy t đ i an toàn. V i k t c u n ng và hình dáng ph c
t p, thêm vào đó s đ t i tr ng tác đ ng lên nhà máy c ng r t ph c t p nên hi n
nay ng

i ta ch a th tính đ b n nhà máy nh m t k t c u th ng nh t.
Cho đ n nay, có nhi u ph

ng pháp và s đ tính toán k t c u nhà máy khác

nhau ph n ánh tính đa d ng c a nhà máy thu đi n.
Quá trình thi t k các công trình thu đi n c a Vi t Nam là không lâu so v i
th gi i, nh t là vi c tính toán k t c u nhà máy thu đi n. Th i gian đ u th c hi n
xây d ng các công trình thu đi n t i Vi t Nam, ph n nhà máy v i trang thi t b
mua c a n

c ngoài thì ngoài vi c cung c p thi t b , ph n thi t k và tính toán k t

c u toàn b nhà máy thu đi n đ u do chuyên gia n
d : nh ng nhà máy th y đi n đ u tiên đ

c ngoài tính toán cung c p. Ví

c xây d ng t i Vi t Nam là Su i Vàng,

Ancroet, ti p đ n nhà máy th y đi n Thác Bà, Hòa Bình, IALY và hi n t i là nhà
máy l n nh t Vi t Nam nhà máy thuy đi n S n La đ u do chuyên gia n

c ngoài

cung c p, thi t k và tính toán k t c u ph n nhà máy th y đi n.
Ti p theo đó là ph

ng pháp tính toán k t c u nhà máy m t cách đ n gi n

hóa s đ tính toán b i trong tính toán đã chia kh i nhà máy thành các h c u ki n
đ n gi n và xem t
gian hoá. V i ph
đ

ng t nh là các k t c u có s n v i các t i tr ng đã đ

cđ n

ng pháp này cho k t qu là sai khác r t nhi u, không đ m b o

c yêu c u v kinh t - k thu t.
G n đây, vi c xây d ng các công trình thu đi n phát tri n m nh, r t nhi u

đ n v t v n tham gia vào công tác thi t k . Công vi c tính toán k t c u nhà máy
v n là m t v n đ ch a th gi i quy t tri t đ .
Quan đi m tính toán t i th i đi m này theo TCVN và Liên bang Nga, các
đ n v t v n trong n

c tính toán thi t k k t c u nhà máy thu đi n truy n th ng

d a trên gi i pháp t t đ nh.

thu n ti n cho vi c mô hình hóa và tính toán s , th

- 16 -

t c phân tích ph n t h u h n đ
đ

c s d ng, theo đó mô hình kh i nhà máy thi t k

c chia thành các c u ki n đ n gi n đ tính toán, các đi u ki n biên là gi đ nh

g n đúng v i các t h p t i tr ng t

ng ng và vi c tính toán đã áp d ng các ng

d ng c a khoa h c công ngh . V i cách tính toán này đã có s phát tri n rõ r t có
r t nhi u u đi m là có th s d ng r ng rãi không c n đòi h i trình đ tính toán cao
và có th nhi u đ n v hay nhi u ng

i tính cùng tính m t lúc, song còn nhi u t n

t i, các b ph n c a kh i nhà máy là không th ng nh t, các k t qu ch a đ chính
xác, không đúng v i b n ch t làm vi c c a c u ki n là k t c u nhà máy th y đi n,
đ c bi t là không đúng v i th c t t i các đi m cân b ng nút là khác nhau v n i
l c, không t i u kinh t cho công trình. Theo quan đi m này vi c tính toán là còn
r t đ n gi n, d n đ n nhi u sai sót không ki m soát đ
quá an toàn và ng

c, có r t nhi u ph n k t c u

c l i.

Ngày nay, d

i s phát tri n không ng ng c a khoa h c công ngh , do kh

n ng ng d ng m nh m c a các ph n m m phân tích k t c u, v c b n, s đ tính
toán k t c u nhà máy thu đi n có th đ
c v hình dáng kích th
đi u ki n biên đ

c ng

i thi t k l p gi ng công trình th c

c và v t li u s d ng cho k t c u. Các t h p t i tr ng và

c th c hi n t

ng t th c t thi công và v n hành c a nhà máy.

ph n ánh đúng tác đ ng c a các y u t ng u nhiên và ph n ánh đúng b n ch t
làm vi c ph c t p c a k t c u nhà máy th y đi n, xu th ti n b trong tính toán k t
c u công trình hi n nay là mô hình hóa không gian. Theo quan đi m tính toán này,
tr

c h t đòi h i ng

i k s thi t k ph i hi u r t rõ v nhà máy c ng nh thi t b

b trí trong nhà máy, đ ng th i ph i có t duy và ki n th c r ng thì m i đ t đ

c

k t qu nh ý mu n, k t qu tính toán m i sát v i th c t nh t, ph n ánh đúng kh
n ng làm vi c c a k t c u nhà máy và cho k t qu tính toán đ t đ tin c y v ch
tiêu kinh t - k thu t c a công trình.
T các k t qu tính toán so sánh gi a các quan đi m tính toán trên cho th y,
vi c tính toán k t c u nhà máy th y đi n theo s đ mô hình không gian cho k t qu
là th c t nh t, tính toán đ

c các s đ ph c t p, ph n ánh đúng b n ch t làm vi c

toàn kh i c a k t c u nhà máy trong c quá trình thi công và v n hành, d

i s tr


- 17 -

giúp c a các công c ph n m m trên c s thu t toán c a ph n t h u h n có th
tính toán r t nhanh, r t an toàn và ti t ki m đa m c tiêu.
Nh m đ m b o an toàn cho nhà máy thu đi n d

i tác d ng c a m i t h p

t i tr ng t nh và t i tr ng đ ng trong các giai đo n xây d ng, v n hành, s a ch a,
đ ng th i đ m b o v kinh t - k thu t c a công trình, vi c tính toán k t c u nhà
máy th y đi n theo mô hình không gian là c n thi t.

- 18 -

CH

NG II PH

NG PHÁP TÍNH TOÁN

HI N HÀNH
2.1.CÁC PH

NG PHÁP TÍNH TOÁN

Hi n nay có r t nhi u ph

ng pháp đ xác đ nh ng su t và bi n d ng trong công

trình. Có th k ra m t s ph
- Ph

ng pháp gi i tích.

- Ph

ng pháp s .

ng pháp sau:

- Ngoài ra còn có các ph

ng pháp th c nghi m c ng giúp ta tìm đ

su t và bi n d ng khi d a vào mô hình t
M i ph

NG SU T BI N D NG

c ng

ng thích.

ng pháp đ u có tính u-nh

c đi m. Vi c áp d ng là d a vào yêu

c u, tính ch t, m c đ c a bài toán đ t ra.
2.1.1.Ph

ng pháp gi i tích:

N i dung c a ph

ng pháp: tìm nghi m gi i tích th a mãn các ph

ng

trình vi phân t i m i đi m trên công trình và th a mãn các đi u ki n biên trên b
m t (nh ph
2.1.1.1. Ph

ng pháp S c b n v t li u, ph

ng pháp Lý thuy t đàn h i).

ng pháp S c b n v t li u

N i dung c a ph

ng pháp: coi công trình nh m t thanh đ

vào n n, ch u u n và kéo nén đ ng th i; gi thi t v s phân b
trên m t ph ng n m ngang là đ

ng th ng, tr s t i biên đ

c ngàm ch t

ng su t pháp

R

y

R

c xác đ nh theo công

th c nén l ch tâm.
u đi m: Ph

ng pháp S c b n v t li u đ

c coi là ph

ng pháp tính toán

c b n, giúp ta tính toán ng su t bi n d ng đ n gi n, d dàng. Tính đ
R

x,
R

R

y,
R

R

xy

R

t i các đi m đang xét, t đó xác đ nh đ

chính t i m i đi m khác nhau. Th

ng đ

thi t k s b đ i v i công trình c p III, IV.

c các giá tr

c ng su t chính và ph

ng

c s d ng đ tính toán trong giai đo n


- 19 -

Nh

c đi m: K t qu tính toán có sai s khá l n, không ph n ánh đúng

tr ng thái ng su t bi n d ng c a công trình. Nguyên nhân là do khi tính toán theo
ph

ng pháp S c b n v t li u, ta coi công trình nh m t thanh đ

n n, ch u u n và kéo nén đ ng th i; gi thi t v s phân b
m t ph ng n m ngang là đ

ng th ng, tr s t i biên đ

nén l ch tâm. M t khác, không th gi i quy t đ

c ngàm ch t vào

ng su t pháp

R

y

R

trên

c xác đ nh theo công th c

c các bài toán ph c t p nh có

bi n d ng n n, ng su t t p trung, ng su t t i l khoét, ng su t nhi t, tính d
h

ng, không xét đ

c trong giai đo n thi công.

K t lu n: Do sai s l n nên l i gi i c a ph
nh không dùng đ
Th

ng pháp S c b n v t li u h u

c đ phân tích ng su t bi n d ng cho công trình c p cao.

ng dùng đ tính toán trong giai đo n thi t k s b .

2.1.1.2 Ph

ng pháp Lý thuy t đàn h i

N i dung c a ph
tr c ti p t các ph

ng pháp: ph

ng pháp Lý thu t đàn h i chính là l i gi i

ng trình vi phân, các ph

ng trình này v a th a mãn đi u ki n

liên t c c a bi n d ng v a th a mãn đi u ki n biên.
u đi m: Ph

ng pháp này gi i quy t đ

trung, ng su t t i l khoét, ng su t nhi t mà ph
gi i quy t đ
Nh
nh ng tr

c. Tính toán t
c đi m: Ph

c nh ng v n đ nh

ng su t t p

ng pháp S c b n v t li u không

ng đ i đ n gi n, áp d ng d dàng, đ chính xác cao.

ng pháp Lý thuy t đàn h i r t khó th c hi n đ

cv i

ng h p t i tr ng ph c t p, nh áp l c th m và đ y n i, áp l c bùn cát,

đ ng đ t, nh h

ng c a n n, n n d h

ng… K t qu tính toán ch a sát v i th c t

làm vi c c a v t li u là không đ ng ch t, d h

ng. Không xét đ

d ng c a n n, các l p xen k p, đ t gãy, n n có tính d h
giai đo n thi công, nh h

c nh h

ng bi n

ng, không tính đ

c trong

ng đ ng đ t…

K t lu n: Tính ng su t bi n d ng theo ph
k t qu chính xác cao h n so v i ph
gi n, k t qu ch p nh n đ
công trình c p III tr xu ng.

c. Th

ng pháp Lý thuy t đàn h i cho

ng pháp S c b n v t li u. Cách tính toán đ n
ng đ

c s d ng trong tính toán thi t k các


- 20 -

2.1.2. Các ph

ng pháp s

N i dung c a ph

ng pháp: Các ph

ng pháp s hay ph

hóa có th phân thành 2 nhóm chính: Các ph
mà đ i di n là ph

ng pháp r i r c ki u toán h c

ng pháp sai phân h u h n và ph

lý mà đ i di n là ph

ng pháp r i r c ki u v t

ng pháp ph n t h u h n. Các ph

toán bi n phân, n u nh trong ph

ng pháp r i r c

ng pháp s

là bài

ng pháp sai phân h u h n ta ch thay các

vi phân b ng các sai phân thì trong ph

ng pháp ph n t h u h n (PTHH) ta

thay th h th c (h liên t c) b ng m t mô hình v t lý g n đúng (b ng m t s
h u h n các ph n t ) mà l i gi i c a nó đ
2.1.2.1. Ph

c xác đ nh b ng s h u h n s .

ng pháp sai phân h u h n

N i dung c a ph

ng pháp: Ph

ng pháp sai phân h u h n là m t ph

ng

pháp s c đi n ra đ i t r t lâu, nh ng ch t khi máy tính đi n t phát tri n thì
ph

ng pháp này m i đ

c áp d ng r ng rãi. Ph

pháp r i r c hoá, song khác v i ph
ph

ng pháp này c ng là m t ph

ng pháp ph n t h u h n, ph

ng

ng pháp này là

ng pháp r i r c ki u toán h c, nó không thay đ i gì mi n tính toán mà ch ph

lên mi n tính toán m t l

i (có th là l

i hình vuông, ch nh t, tam giác, t giác

cong…) và nó thay th m t hàm xác đ nh trong m t mi n liên t c b ng m t hàm
l

i g m t p h p r i r c h u h n các đi m,

các t sai phân, do đó bài toán biên c a ph
h ph

đó đ o hàm này đ
ng trình vi phân đ

c thay th b ng
c thay th b i m t

ng trình đ i s tuy n tính.
u đi m: Ph

ng pháp này v n thu n l i đ i v i m t s bài toán nh bài toán

tính toán thu l c hay khi k t h p v i ph

ng pháp ph n t h u h n trong vi c gi i

các bài toán không d ng (bài toán ph thu c th i gian).
Nh

c đi m: Ph

ng pháp này t

ng đ i đ n gi n nh ng không thu n l i trong

vi c l p trình do khi gi i trên máy tính thì vi c đ a s li u vào khá c ng k nh (so
v i ph

ng pháp ph n t h u h n), và đ c bi t r t khó kh n khi tính toán nh ng bài

toán mà mi n tính toán không thu n nh t có nhi u mi n con v i nh ng tính ch t c


- 21 -

lý khác nhau, nên đ n nay nó ít đ

c dùng h n so v i ph

ng pháp ph n t h u

h n.
Ph

ng pháp này ch a ph n ánh đ

pháp sai phân h u h n không gi i đ
chính xác c a ph
m tl
h

c s làm vi c c a n n và v t li u. Ph

ng

c các bài toán có đi u ki n biên ph c t p.

ng pháp còn ph thu c vào hình d ng và kích th

i càng dày thì đ chính xác càng cao. Không phân tích đ

cm tl

i,

c bài toán d

ng và trong giai đo n thi công công trình.
2.1.2.2. Ph

ng pháp ph n t h u h n

N i dung c a ph

ng pháp: Ph

ng pháp ph n t h u h n c ng thu c lo i

bài toán bi n phân, song nó khác v i ph

ng pháp bi n phân c đi n

ch nó

không tìm d ng hàm x p x c a các hàm c n tìm trong toàn mi n xác đ nh mà ch
trong t ng mi n con trong mi n xác đ nh c a nó.

i u này r t thu n l i khi gi i bài

toán mà mi n xác đ nh g m nhi u mi n con có nh ng đ c tính khác nhau.
Ph

ng pháp ph n t h u h n là ph

ng pháp r i r c ki u v t lý, chia mi n

tính toán thành các mi n con g i là ph n t . T các ph
thành ph
đ

ng trình vi phân chuy n

ng trình đ i s mà n là chuy n v nút. Gi i h ph

c chuy n v nút, t đó tính đ

con nên gi i đ

c các đ i l

ng trình vi phân tính

ng khác. Hàm n xác đ nh cho mi n

c nhi u lo i v t li u khác nhau.

u đi m:
Ph

ng pháp Ph n t h u h n là m t ph

ng pháp t ng quát và h u hi u cho l i

gi i s nhi u l p bài toán k thu t khác nhau, đ c bi t có hi u qu đ tìm d ng g n
đúng c a m t hàm ch a bi t trong mi n xác đ nh c a nó. T vi c phân tích tr ng
thái ng su t bi n d ng trong các k t c u công trình th y l i, xây d ng dân d ng,
giao thông… cho đ n các bài toán c a lý thuy t tr
c h c ch t l ng, th y đàn h i, khí đàn h i, đi n t tr
đ

c bài toán có xét đ n nh h

có l p xen k p, đ t g y và gi i đ

ng nh : lý thu t truy n nhi t,
ng. Ph

ng bi n d ng, tính d h

ng pháp này đã gi i

ng c a n n, xét đ n n n

c bài toán có đi u ki n biên ph c t p. Ph n ánh

đúng th c t s làm vi c c a v t li u là không đ ng nh t, không đ ng h

ng. Phân


- 22 -

tích đ

c tr ng thái ng su t bi n d ng quanh v trí l khoét, ng su t t p trung, ng

su t nhi t… mà các ph
quy t đ

ng pháp S c b n v t li u, sai phân h u h n… không gi i

c. C s c a ph

ng pháp này là thay k t c u, môi tr

ng liên t c b ng

m t mô hình bao g m m t s h u h n ph n t riêng l liên k t v i nhau ch
s h u h n đi m nút, t i các đi m nút t n t i các l c ho c các đ i l
khác tùy theo bài toán. Các đ i l

ng tính toán bên trong ph n t đ

m t

ng đ c tr ng
c bi u di n

thông qua các tr s t i các đi m nút c a ph n t .
Hi n nay, cùng v i s phát tri n khoa h c công ngh , vi c gi i quy t bài toán
có kh i l

ng l n, k t c u ph c t p đ

c gi i quy t và cho k t qu có đ chính xác

cao.
Nh

c đi m: Kh i l

ng tính toán l n, ph c t p không th th c hi n b ng

th công, m t khác ph i phân tích k t c u th c t đ a v k t c u có tính toán sao
cho h p lý và cho k t qu đúng, sát v i th c t nh t.
L a ch n ph

ng pháp tính cho lu n v n:

Nhà máy thu đi n là m t k t c u không gian g m nhi u c u ki n có hình
d ng ph c t p, đ c ng khác nhau n i li n thành m t kh i. V i k t c u n ng và
hình d ng ph c t p, thêm vào đó s đ t i tr ng tác đ ng lên nhà máy c ng r t ph c
t p nên hi n nay ng

i ta ch a th tính k t c u nhà máy thu đi n nh m t k t c u

th ng nh t b ng lí thuy t c k t c u ho c lí thuy t đàn h i. B i vì ph i xét đ n trình
t gia t i, c

ng đ t ng d n đ c ng c a nhà máy, quá trình lún đang ti p di n,

tính đàn h i c a bê tông c ng nh n n không đ ng nh t.
Qua phân tích u nh

c điêm trên cho th y PPPTHH là m t ph

ng pháp

thích h p đ phân tích các bài toán v k t c u (gi i các bài toán v bi n d ng và ng
su t c a v t th d ng kh i ho c đ ng l c h c k t c u) đ áp d ng vào vi c tính toán
k t c u nhà máy thu đi n.Do đó trong lu n v n đã ch n ph

tính toán.

ng pháp PTHH đ


- 23 -

2.2. PH

NG PHÁP PH N T

H UH N

TRONG TÍNH TOÁN K T C U
2.2.1 N i dung c a ph

ng pháp ph n t h u h n .[6], [12], [17], [22], [27],

[28]
Chia mi n tính toán thành nhi u các mi n nh g i là các ph n t . Các ph n t
này d

c n i v i nhau b i m t s h u h n các đi m nút. Các nút này có th là đ nh

các ph n t , c ng có th là m t s đi m đ

c quy

c trên c nh c a ph n t . Tùy

thu c bài toán c n gi i có th s d ng các lo i ph n t d ng thanh, d ng ph ng ho c
ph n t kh i.
Trong ph m vi c a m i ph n t gi thi t m t d ng phân b xác đ nh nào đó
c a hàm c n tìm.

i v i bài toán k t c u thì hàm x p x có th là hàm chuy n v

ho c hàm ng su t ho c c hàm chuy n v và ng su t.
Th

ng gi thi t hàm x p x là nh ng đa th c nguyên mà h s c a nó đ

g i là các thông s . Trong ph

ng pháp ph n t h u h n, các thông s này đ

c
c

bi u di n qua các tr s c a hàm và có th là tr s c a đ o hàm c a nó t i các đi m
nút c a ph n t . D ng đa th c nguyên c a hàm x p x ph i đ

c ch n đ m b o đ

bài toán h i t . Ngh a là khi t ng s ph n t lên khá l n thì k t qu tính toán s ti m
c n đ n k t qu chính xác.
Ngoài ra hàm x p x còn ph i ch n sao cho đ m b o m t s yêu c u nh t
đ nh, tr

c tiên là ph i th a mãn các ph

ng trình c a lý thuy t đàn h i (bài toán

k t c u) ho c đ nh lu t Darcy (bài toán th m). Song đ th a mãn ch t ch t t c cá
yêu c u thì s g p nhi u khó kh n trong vi c l a ch n mô hình và l p thu t toàn
gi i. Do đó trong th c t ng
đ mb ođ
Ph
r t ít đ
ph

i ta ph i gi m b t m t s yêu c u nào đó nh ng v n

c nghi m đ t đ chính xác yêu c u.
ng pháp ph n t h u h n (PTHH) ra đ i vào cu i nh ng n m 50 nh ng

c s d ng vì công c toán còn ch a phát tri n. Vào cu i nh ng n m 60,

ng pháp PTHH đ c bi t phát tri n nh vào s phát tri n nhanh chóng và s

d ng r ng rãi c a máy tính đi n t .

n nay có th nói r ng ph

ng pháp PTHH