NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG GIẾNG MÁY PHÁT VÀ GIẾNG TUỐC BIN DỰ ÁN THUỶ ĐIỆN HUỘI QUẢNG CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (8.84 MB, 103 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI
NGUYỄN XUÂN QUANG
NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG GIẾNG
MÁY PHÁT VÀ GIẾNG TUỐC BIN DỰ ÁN THUỶ ĐIỆN HUỘI
QUẢNG CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP
PHẦN TỬ HỮU HẠN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Hà Nội – 2010
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI
NGUYỄN XUÂN QUANG
NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG GIẾNG
MÁY PHÁT VÀ GIẾNG TUỐC BIN DỰ ÁN THUỶ ĐIỆN HUỘI
QUẢNG CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP
PHẦN TỬ HỮU HẠN
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thuỷ
Mã số:
60-58-40
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Người hướng dẫn khoa học:
GS.TS.Phạm Ngọc Khánh
Hà Nội – 2010
-1-
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
5
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
1.1.TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
8
1.2.CÁC QUAN ĐIỂM TÍNH TOÁN KẾT CẤU
15
NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN HIỆN HÀNH
2.1.CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG
18
2.1.1. Phương pháp giải tích
2.1.1.1 Phương pháp Sức bền vật liệu
18
2.1.1.2. Phương pháp Lý thuyết đàn hồi
19
2.1.2. Các phương pháp số
20
2.1.2.1. Phương pháp sai phân hữu hạn
20
2.1.2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn
21
2.2. PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRONG
23
TÍNH TOÁN KẾT CẤU.
2.2.1. Nội dung của phương pháp phần tử hữu hạn
23
2.2.2. Tính kết cấu theo mô hinh tương thích
26
2.2.3.Giải hệ phương trình cơ bản
34
2.2.3.1. Cách giải hệ phương trình cơ bản của phương pháp PTHH
34
2.2.3.2. Xử lý điều kiện biên
34
2.3.PHẦN TỬ BẬC CAO TRONG PHƯƠNG PHÁP
B
0
35
PHẦN TỬ HỮU HẠN
B
1
2.3.1. Khái niệm về phần tử bậc cao
35
2.3.2 Hệ tọa độ tự nhiên
35
2.3.2.1 Khái niệm về hệ tọa độ tự nhiên
35
2.3.2.2. Toạ độ tự nhiên của phần tử ba chiều
36
2.3.3.Phần tử lục diện bậc cao 20 điểm nút
37
2.3.4. Một số nét cơ bản về thuật toán và chương trình tính ma trận độ
40
-2-
cứng phần tử
2.4.PHẦN MỀM TÍNH TOÁN
42
CHƯƠNG 3 ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH
THUỶ ĐIỆN HUỘI QUẢNG
3.1.GIỚI THIỆU VỀ CÔNG TRÌNH
45
3.1.1.Cấp công trình và tiêu chuẩn thiết kế
45
3.1.2.Các thông số kỹ thuật chính
46
3.1.3.Cụm công trình đầu mối và tuyến năng lượng
46
3.2. TÍNH TOÁN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG GIẾNG
B
2
48
MÁY PHÁT VÀ GIẾNG TURBIN KHI CÓ KỂ TỚI ĐỘNG ĐẤT
3.2.1.Mục đích tính toán
48
3.2.2.Thông số ban đầu
48
B
4
B
5
3.2.2.1.Tiêu chuẩn tính toán
48
3.2.2.2.Hệ số an toàn
48
3.2.2.3.Lực tác dụng
48
3.2.3.Mô hình tính toán
51
3.2.4.Kết quả tính toán
51
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
98
TÀI LIỆU THAM KHẢO
99
B
6
B
7
B
8
B
9
-3-
DANH MỤC CÁC HÌNH, BẢNG BIỂU
Danh mục các hình vẽ:
Hình 1.1. Mặt cắt ngang nhà máy thuỷ điện lòng sông.
Hình 1.2. Nhà máy thuỷ điện lòng sông không kết hợp xả lũ qua đoạn tổ máy.
Hình 1.4. Nhà máy thuỷ điện trong thân đập tràn.
Hình 1.2. Nhà máy TĐ sau đập bê tông trọng lực.
Hình 1.6. Sơ đồ bố trí nhà máy đường dẫn.
Hình 1.7. Giếng máy phát và turbin
Hình 3.0 Sơ đồ lực máy phát tác động vào giếng máy phát
Hình 3.1a. Sơ đồ hình học phần tử Solid 186
Hình 3.1b. Sơ đồ ứng suất phần tử Solid 186
Hình 3.2 Sơ đồ hình học của kết cấu tính toán nhìn chếch từ phía hạ lưu.
Hình 3.3 Sơ đồ phần tử nhìn chếch từ phía hạ lưu.
Hình 3.4(TH1) Chuyển vị U x , m
R
R
Hình 3.5(TH1) Chuyển vị U y , m
R
R
Hình 3.6(TH1) Chuyển vị U z , m
R
R
Hình 3.7(TH1) Chuyển vị tổng U sum , m
R
R
Hình 3.8(TH1) Ứng suất σ x , T/m2, (chiều thượng hạ lưu) nhìn từ phía hạ lưu
R
R
P
P
Hình 3.9(TH1) Ứng suất σ y , T/m2, (phương vuông góc dòng chảy) nhìn từ phía
thượng lưu
R
R
P
P
Hình 3.10(TH1) Ứng suất σ z , T/m2, (phương đứng) nhìn từ phía thượng lưu
R
R
P
P
Hình 3.11(TH1) Ứng suất σ 1 , T/m2
R
R
P
Hình 3.12(TH1) Ứng suất σ 2 , T/m2
R
R
P
Hình 3.13(TH1) Ứng suất σ 3 , T/m2
R
R
P
Hình 3.14(TH2) Chuyển vị U x , m
R
R
Hình 3.15(TH2) Chuyển vị U y , m
R
R
Hình 3.16(TH2) Chuyển vị U z , m
R
R
Hình 3.17(TH2) Chuyển vị tổng U sum , m
R
R
Hình 3.18(TH2) Ứng suất σ x , T/m2, (chiều thượng hạ lưu) nhìn từ phía hạ lưu
R
R
P
P
Hình 3.19(TH2) Ứng suất σ y , T/m2, (phương vuông góc dòng chảy) nhìn từ phía
thượng lưu
R
R
P
P
-4-
Hình 3.20(TH2) Ứng suất σ z , T/m2, (phương đứng) nhìn từ phía thượng lưu
R
R
P
P
Hình 3.21(TH2) Ứng suất σ 1 , T/m2
R
R
P
Hình 3.22(TH2) Ứng suất σ 2 , T/m2
R
R
P
Hình 3.23(TH2) Ứng suất σ 3 , T/m2
R
R
P
Hình 3.24Vị trí các mặt cắt thể hiện đồ thị ứng suất trên sàn lắp ráp
Hình 3.25Đồ thị ứng suất SY_Mặt cắt A-A
Hình 3.26Đồ thị ứng suất SY_Mặt cắt B-B
Hình 3.27Đồ thị ứng suất SY_Mặt cắt C-C
Hình 3.28Đồ thị ứng suất SY_Mặt cắt D-D
Hình 3.29Đồ thị ứng suất SX_Mặt cắt E-E
Hình 3.30Đồ thị ứng suất SX_Mặt cắt F-F
Hình 3.31Đồ thị ứng suất SX_Mặt cắt G-G
Hình 3.32Đồ thị ứng suất SX_Mặt cắt H-H
Danh mục các bảng:
Bảng 3.1 Các thông số và chỉ tiêu chính của công trình Huội Quảng
Bảng 3.2 So sánh kết quả ứng suất và biến dạng 2 trường hợp
-5-
MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của Đề tài:
Dự án công trình trạm thủy điện ngầm Huội Quảng (tại huyện Than Uyên,
tỉnh Lai Châu) là dựa án có qui mô lớn và ý nghĩa quan trọng đối với sự phát triển
kinh tế - xã hội của các tỉnh phía tây bắc nước ta. Công trình có công suất 520MW,
nằm giữa trạm thủy điện Bản Chát và Sơn La, tạo thành hệ thống bậc thang quan
trọng trên tuyến sông Nậm Mu – sông Đà.
Công trình thủy điện Huội Quảng bao gồm: cụm công trình đầu mối (đập
bêtông trọng lực cao 80m + cửa lấy nước); 2 đường hầm dẫn nước dài hơn 5km (với
đường kính 6,5m); 2 tháp điều áp thượng lưu (đặt ngầm); nhà máy thủy điện ngầm
trong núi và tuyến hầm xả hạ lưu dài hơn 300m.
Trạm thủy điện ngầm Huội Quảng là một công trình có nhiều hạng mục đặc
biệt, có nhiều vấn đề rất đáng lưu tâm trong quá trình tính toán thiết kế và thi công
xây dựng. Đặc biệt, công trình nằm trong vùng chịu ảnh hưởng của động đất cấp
VIII nên tác động của nó đến ứng suất và biết dạng công trình là đáng kể
Hiện này, trong quá trình tính toán thiết kế các trạm thủy điện đường dẫn
hoặc trạm thủy điện kết hợp, vì lý do điều kiện địa hình - địa chất ở phía cửa ra hạ
lưu không thuận lợi nên các nhà thiết kế có xu hướng lùi tuyến nhà máy về phía
thượng lưu và đặt ngầm. Điều này tương đối phổ biến, đặc biệt công trình nằm
trong vùng động đất lớn cấp VIII, như công trình Huội Quảng thì lực động đất có
ảnh hưởng lớn đến công trình.
Một vấn đề được đặt ra là: trong quá trình vận hành, lực động đất lớn ảnh
hưởng đến sự làm việc bình thường của nhà máy. Cần phải tính toán xem khi nhà
máy chịu tác dụng của tải trọng dặc biệt này thì ứng suất và biết dạng của nhà máy
như thế nào. Đặc biệt ở bộ phận giếng máy phát và giếng turbin chịu ảnh hưởng lớn
nhất do hai bộ phận này còn chịu tác động của lực li tâm do máy phát và turbin tạo
ra.
-6-
Mặt khác ngày xưa chưa có máy tính nên việc tính toán được tính bằng tay
vừa lâu lại vừa không mô phỏng được trạng thái ứng suất và biến dạng của kết cấu;
ngày nay với sự hỗ trợ của máy tính và phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) nên
việc tính toán nhanh , chính xác hơn và mô phỏng được trạng thái ứng suất và biến
dạng của kết cấu rõ ràng . Có nhiều phần mềm tính toán bằng phương pháp phần tử
hữu hạn như Sap 2000, Ansys V10…nhưng phần mềm Ansys V10 là công cụ mạnh
về kết kấu 3D nên việc lập mô hình tính toán cho giếng máy phát và giếng turbin là
thích hợp nhất. Công tác tính toán này đồng thời có thể sử dụng để tham khảo áp
dụng tính toán cho các công trình tương tự.
II. Mục đích của Đề tài:
Trên cơ sở nghiên cứu về phương pháp PTHH, áp dụng để tính toán trạng
thái ứng suất và biến dạng giếng máy phát và giếng turbin trạm thủy điện có xét tới
ảnh hưởng của động đất. Áp dụng cho công trình Huội Quảng.
III.Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu :
Nghiên cứu tính toán trạng thái ứng suất - biến dạng của giếng máy phát và
giếng turbin trạm thủy điện Huội Quảng chịu tác dụng của động đất
Cách tiếp cận và Phương pháp nghiên cứu :
-Trên cơ sở thu thập tài liệu, tìm hiểu về công trình nghiên cứu.
- Tìm hiểu ảnh hưởng của lực động đất trong quá trình vận hành nhà máy
thủy điện.
- Tìm hiểu về công dụng, nguyên lý làm việc của máy phát.
- Kết hợp lý thuyết với phương pháp tính toán hiện đại – phương pháp
PTHH với chọn phần mềm phù hợp để áp dụng cho luận văn.
-7-
IV.Kết quả dự kiến đạt được
- Lập mô hình tính toán theo thuật toán của phương pháp PTHH.
- Xác định trạng thái ứng suất - biến dạng của giếng máy phát và giếng
turbin khi có kể tới tác dụng của động đất.
-8-
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
1.1.TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN. [3]
Nhà máy thủy điện là công trình thủy công trong đó bố trí các thiết bị động
lực (turbin, máy phát điện..) và các hệ thống thiết bị phụ phục vụ cho sự làm việc
bình thường của các thiết bị chính nhằm sản xuất điện năng cung cấp cho các hộ
dùng điện. Có thể nói đây là một xưởng sản xuất điện năng của công trình thủy
điện. Loại và kết cấu nhà máy phải đảm bảo làm việc an toàn của các thiết bị và
thuận lợi trong vận hành.
Nhà máy thủy điện được chia thành 3 loại cơ bản:
Nhà máy thủy điện lòng sông: được xây dựng trong các sơ đồ khai thác
thủy năng kiểu đập có cột nước không quá 35 – 40m. Bản thân nhà máy là một phần
công trình dâng nước, nó thay thế cho một phần đập dâng. Cửa lấy nước cũng là
thành phần trong cấu tạo của bản thân nhà máy. Vị trí nhà máy nằm trong lòng
sông.
-9-
Hình 1.1. Mặt cắt ngang nhà máy thuỷ điện lòng sông
Hình 1.2 Nhà máy thuỷ điện lòng sông không kết hợp xả lũ qua đoạn tổ máy
- 10 -
Hình 1.4. Nhà máy thuỷ điện trong thân đập tràn
- Nhà máy thủy điện sau đập: được bố trí ngay sau đập dâng. Khi cột nước cao
hơn 30 – 45m bản thân nhà máy vì lý do ổn định công trình không thể là một thành
phần của công trình dâng nước ngay cả trong các trường hợp tổ máy công suất lớn.
Nếu đập dâng nước là đập bê tông trọng lực thì CLN và đường ống dẫn nước turbin
được bố trí trong thân đập bê tông, đôi khi đường ống dẫn nước turbin được bố trí
trên phía hạ lưu của đập.
- 11 -
Hình 1.2. Nhà máy TĐ sau đập bê tông trọng lực.
1-lưới chắn rác, 2- Van sửa chữa, 3- Thiết bị đóng mở van công tac, 4- Đường ống
turbin, 2- Máy biến thế, 6- Thanh dẫn máy phát.
- 12 -
- Nhà máy thủy điện đường dẫn: trong sơ đồ thủy năng kiểu đường dẫn hoặc kết
hợp, nhà máy thủy điện đứng riêng biệt tách khỏi công trình đầu mối. CLN đặt cách
xa nhà máy. Trong trường hợp công trình dẫn nước là không áp thì CLN nằm trong
thành phần của bể áp lực; trong trường hợp công trình dẫn nước là có áp thì CLN bố
trí ở đầu công trình dẫn nước và là một công trình độc lập. Đường dẫn nước vào nhà
máy thủy điện thường là đường ống áp lực…
Hình 1.6. Sơ đồ bố trí nhà máy đường dẫn.
Bên cạnh đó có thể phân ra nhà máy thủy điện trên mặt đất (nhà máy thông
thường), nhà máy thủy điện ngầm được bố trí toàn bộ trong lòng đất, nhà máy thủy
điện nửa ngầm với phần chủ yếu của nhà máy bố trí ngầm trong lòng đất, phần mái
che có thể bố trí hở trên mặt đất.
Các thiết bị bố trí trong nhà máy thủy điện được chia thành các loại: Thiết bị
động lực, thiết bị cơ khí, thiết bị phụ, thiết bị điện.
+ Thiết bị động lực bao gồm turbin thủy lực và máy phát điện.
- Turbin thuỷ lực
+ Thiết bị cơ khí bao gồm các loại cửa van và các thiết bị nâng chuyển phục vụ cho
việc đóng mở và lắp ráp sửa chữa chúng.
+ Thiết bị điện bao gồm: dây dẫn điện từ máy phát, máy biến áp chính trạm phân
phối điện, hệ thống điện tự dùng, hệ thống đo lường kiểm tra và điều khiển, thiết bị
điều khiển trung tâm.
- 13 -
+ Các hệ thống thiết bị phụ bao gồm: Hệ thống dầu, cấp nước kỹ thuật, khí nén,
phòng hỏa, tháo nước sửa chữa và rò rỉ.
Kết cấu nhà máy thủy điện thường bao gồm 2 phần chính là: Kết cấu phần
trên nước và kết cấu phần dưới nước của nhà máy thủy điện.
Kết cấu phần dưới nước của nhà máy thủy điện:
Phần dưới nước gồm các công trình dẫn nước (buồng xoắn, ống hút, đường
ống turbin) hoặc kênh xả đối với turbin xung kích. Tuỳ thuộc vào loại nhà máy và
loại turbin phần dưới nước có khác nhau. Đối với trạm thuỷ điện ngang đập phần
dưới nước của nhà máy ngoài buồng xoắn, ống hút còn có cửa lấy nước liên kết với
nhà máy, dẫn nước trực tiếp vào buồng xoắn. Trạm thuỷ điện sau đập và đường dẫn
phần dưới nước chủ yếu là buồng xoắn và ống hút, nước vào buồng xoắn qua đường
ống áp lực đặt trong thân đập hoặc đường ống áp lực đặt lộ thiên (nhà máy thủy
điện đường dẫn). Khi nhà máy thủy điện lắp turbin xung kích gáo thì phần dưới
nước của nhà máy đơn giản vì không có buồng xoắn turbin và hình dạng phức tạp
của ống hút, nó chỉ là kênh xả dẫn nước ra.
Phần dưới nước của nhà máy thủy điện, do đặc thù làm việc của nhà máy
cũng như kết cấu phần dưới nước được chia thành các bộ phận như sau:
+ Vỏ nhà máy thủy điện:
Bao gồm các tường thượng, hạ lưu, các sàn, dầm và
các tường ngăn phòng trong nhà máy thuỷ điện .
+ Móng nhà máy thủy điện: Bao gồm các phần tiếp xúc trực tiếp với nền địa
chất như bản đáy ống hút hoặc cửa ra ống hút .
+ Giếng máy phát và giếng turbin (xem hình vẽ 1.7).
- 14 -
Z
X
Y
Hình 1.7 Giếng máy phát và turbin
- 15 -
1.2.CÁC QUAN ĐIỂM TÍNH TOÁN KẾT CẤU
NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
Nhà máy thuỷ điện là một kết cấu không gian gồm nhiều cấu kiện có hình
dạng phức tạp, độ cứng khác nhau nối liền thành một khối chịu các tổ hợp tải trọng
phức tạp và phải đảm bảo tuyệt đối an toàn. Với kết cấu nặng và hình dáng phức
tạp, thêm vào đó sơ đồ tải trọng tác động lên nhà máy cũng rất phức tạp nên hiện
nay người ta chưa thể tính độ bền nhà máy như một kết cấu thống nhất.
Cho đến nay, có nhiều phương pháp và sơ đồ tính toán kết cấu nhà máy khác
nhau phản ánh tính đa dạng của nhà máy thuỷ điện.
Quá trình thiết kế các công trình thuỷ điện của Việt Nam là không lâu so với
thế giới, nhất là việc tính toán kết cấu nhà máy thuỷ điện. Thời gian đầu thực hiện
xây dựng các công trình thuỷ điện tại Việt Nam, phần nhà máy với trang thiết bị
mua của nước ngoài thì ngoài việc cung cấp thiết bị, phần thiết kế và tính toán kết
cấu toàn bộ nhà máy thuỷ điện đều do chuyên gia nước ngoài tính toán cung cấp. Ví
dụ: những nhà máy thủy điện đầu tiên được xây dựng tại Việt Nam là Suối Vàng,
Ancroet, tiếp đến nhà máy thủy điện Thác Bà, Hòa Bình, IALY và hiện tại là nhà
máy lớn nhất Việt Nam nhà máy thuy điện Sơn La đều do chuyên gia nước ngoài
cung cấp, thiết kế và tính toán kết cấu phần nhà máy thủy điện.
Tiếp theo đó là phương pháp tính toán kết cấu nhà máy một cách đơn giản
hóa sơ đồ tính toán bởi trong tính toán đã chia khối nhà máy thành các hệ cấu kiện
đơn giản và xem tương tự như là các kết cấu có sẵn với các tải trọng đã được đơn
gian hoá. Với phương pháp này cho kết quả là sai khác rất nhiều, không đảm bảo
được yêu cầu về kinh tế - kỹ thuật.
Gần đây, việc xây dựng các công trình thuỷ điện phát triển mạnh, rất nhiều
đơn vị tư vấn tham gia vào công tác thiết kế. Công việc tính toán kết cấu nhà máy
vẫn là một vấn đề chưa thể giải quyết triệt để.
Quan điểm tính toán tại thời điểm này theo TCVN và Liên bang Nga, các
đơn vị tư vấn trong nước tính toán thiết kế kết cấu nhà máy thuỷ điện truyền thống
dựa trên giải pháp tất định. Để thuận tiện cho việc mô hình hóa và tính toán số, thủ
- 16 -
tục phân tích phần tử hữu hạn được sử dụng, theo đó mô hình khối nhà máy thiết kế
được chia thành các cấu kiện đơn giản để tính toán, các điều kiện biên là giả định
gần đúng với các tổ hợp tải trọng tương ứng và việc tính toán đã áp dụng các ứng
dụng của khoa học công nghệ. Với cách tính toán này đã có sự phát triển rõ rệt có
rất nhiều ưu điểm là có thể sử dụng rộng rãi không cần đòi hỏi trình độ tính toán cao
và có thể nhiều đơn vị hay nhiều người tính cùng tính một lúc, song còn nhiều tồn
tại, các bộ phận của khối nhà máy là không thống nhất, các kết quả chưa đủ chính
xác, không đúng với bản chất làm việc của cấu kiện là kết cấu nhà máy thủy điện,
đặc biệt là không đúng với thực tế tại các điểm cân bằng nút là khác nhau về nội
lực, không tối ưu kinh tế cho công trình. Theo quan điểm này việc tính toán là còn
rất đơn giản, dẫn đến nhiều sai sót không kiểm soát được, có rất nhiều phần kết cấu
quá an toàn và ngược lại.
Ngày nay, dưới sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, do khả
năng ứng dụng mạnh mẽ của các phần mềm phân tích kết cấu, về cơ bản, sơ đồ tính
toán kết cấu nhà máy thuỷ điện có thể được người thiết kế lập giống công trình thực
cả về hình dáng kích thước và vật liệu sử dụng cho kết cấu. Các tổ hợp tải trọng và
điều kiện biên được thực hiện tương tự thực tế thi công và vận hành của nhà máy.
Để phản ánh đúng tác động của các yếu tố ngẫu nhiên và phản ánh đúng bản chất
làm việc phức tạp của kết cấu nhà máy thủy điện, xu thế tiến bộ trong tính toán kết
cấu công trình hiện nay là mô hình hóa không gian. Theo quan điểm tính toán này,
trước hết đòi hỏi người kỹ sư thiết kế phải hiểu rất rõ về nhà máy cũng như thiết bị
bố trí trong nhà máy, đồng thời phải có tư duy và kiến thức rộng thì mới đạt được
kết quả như ý muốn, kết quả tính toán mới sát với thực tế nhất, phản ánh đúng khả
năng làm việc của kết cấu nhà máy và cho kết quả tính toán đạt độ tin cậy về chỉ
tiêu kinh tế - kỹ thuật của công trình.
Từ các kết quả tính toán so sánh giữa các quan điểm tính toán trên cho thấy,
việc tính toán kết cấu nhà máy thủy điện theo sơ đồ mô hình không gian cho kết quả
là thực tế nhất, tính toán được các sơ đồ phức tạp, phản ánh đúng bản chất làm việc
toàn khối của kết cấu nhà máy trong cả quá trình thi công và vận hành, dưới sự trợ
- 17 -
giúp của các công cụ phần mềm trên cơ sở thuật toán của phần tử hữu hạn có thể
tính toán rất nhanh, rất an toàn và tiết kiệm đa mục tiêu.
Nhằm đảm bảo an toàn cho nhà máy thuỷ điện dưới tác dụng của mọi tổ hợp
tải trọng tĩnh và tải trọng động trong các giai đoạn xây dựng, vận hành, sửa chữa,
đồng thời đảm bảo về kinh tế - kỹ thuật của công trình, việc tính toán kết cấu nhà
máy thủy điện theo mô hình không gian là cần thiết.
- 18 -
CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
HIỆN HÀNH
2.1.CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG
Hiện nay có rất nhiều phương pháp để xác định ứng suất và biến dạng trong công
trình. Có thể kể ra một số phương pháp sau:
- Phương pháp giải tích.
- Phương pháp số.
- Ngoài ra còn có các phương pháp thực nghiệm cũng giúp ta tìm được ứng
suất và biến dạng khi dựa vào mô hình tương thích.
Mỗi phương pháp đều có tính ưu-nhược điểm. Việc áp dụng là dựa vào yêu
cầu, tính chất, mức độ của bài toán đặt ra.
2.1.1.Phương pháp giải tích:
Nội dung của phương pháp: tìm nghiệm giải tích thỏa mãn các phương
trình vi phân tại mọi điểm trên công trình và thỏa mãn các điều kiện biên trên bề
mặt (như phương pháp Sức bền vật liệu, phương pháp Lý thuyết đàn hồi).
2.1.1.1. Phương pháp Sức bền vật liệu
Nội dung của phương pháp: coi công trình như một thanh được ngàm chặt
vào nền, chịu uốn và kéo nén đồng thời; giả thiết về sự phân bố ứng suất pháp σ y
R
R
trên mặt phẳng nằm ngang là đường thẳng, trị số tại biên được xác định theo công
thức nén lệch tâm.
Ưu điểm: Phương pháp Sức bền vật liệu được coi là phương pháp tính toán
cơ bản, giúp ta tính toán ứng suất biến dạng đơn giản, dễ dàng. Tính được các giá trị
σ x , σ y , τ xy tại các điểm đang xét, từ đó xác định được ứng suất chính và phương
R
R
R
R
R
R
chính tại mọi điểm khác nhau. Thường được sử dụng để tính toán trong giai đoạn
thiết kế sơ bộ đối với công trình cấp III, IV.
- 19 -
Nhược điểm: Kết quả tính toán có sai số khá lớn, không phản ánh đúng
trạng thái ứng suất biến dạng của công trình. Nguyên nhân là do khi tính toán theo
phương pháp Sức bền vật liệu, ta coi công trình như một thanh được ngàm chặt vào
nền, chịu uốn và kéo nén đồng thời; giả thiết về sự phân bố ứng suất pháp σ y trên
R
R
mặt phẳng nằm ngang là đường thẳng, trị số tại biên được xác định theo công thức
nén lệch tâm. Mặt khác, không thể giải quyết được các bài toán phức tạp như có
biến dạng nền, ứng suất tập trung, ứng suất tại lỗ khoét, ứng suất nhiệt, tính dị
hướng, không xét được trong giai đoạn thi công.
Kết luận: Do sai số lớn nên lời giải của phương pháp Sức bền vật liệu hầu
như không dùng được để phân tích ứng suất biến dạng cho công trình cấp cao.
Thương dùng để tính toán trong giai đoạn thiết kế sơ bộ.
2.1.1.2 Phương pháp Lý thuyết đàn hồi
Nội dung của phương pháp: phương pháp Lý thuết đàn hồi chính là lời giải
trực tiếp từ các phương trình vi phân, các phương trình này vừa thỏa mãn điều kiện
liên tục của biến dạng vừa thỏa mãn điều kiện biên.
Ưu điểm: Phương pháp này giải quyết được những vấn đề như ứng suất tập
trung, ứng suất tại lỗ khoét, ứng suất nhiệt mà phương pháp Sức bền vật liệu không
giải quyết được. Tính toán tương đối đơn giản, áp dụng dễ dàng, độ chính xác cao.
Nhược điểm: Phương pháp Lý thuyết đàn hồi rất khó thực hiện được với
những trường hợp tải trọng phức tạp, như áp lực thấm và đẩy nổi, áp lực bùn cát,
động đất, ảnh hưởng của nền, nền dị hướng… Kết quả tính toán chưa sát với thực tế
làm việc của vật liệu là không đồng chất, dị hướng. Không xét được ảnh hưởng biến
dạng của nền, các lớp xen kẹp, đứt gãy, nền có tính dị hướng, không tính được trong
giai đoạn thi công, ảnh hưởng động đất…
Kết luận: Tính ứng suất biến dạng theo phương pháp Lý thuyết đàn hồi cho
kết quả chính xác cao hơn so với phương pháp Sức bền vật liệu. Cách tính toán đơn
giản, kết quả chấp nhận được. Thường được sử dụng trong tính toán thiết kế các
công trình cấp III trở xuống.
- 20 -
2.1.2. Các phương pháp số
Nội dung của phương pháp: Các phương pháp số hay phương pháp rời rạc
hóa có thể phân thành 2 nhóm chính: Các phương pháp rời rạc kiểu toán học
mà đại diện là phương pháp sai phân hữu hạn và phương pháp rời rạc kiểu vật
lý mà đại diện là phương pháp phần tử hữu hạn. Các phương pháp số là bài
toán biến phân, nếu như trong phương pháp sai phân hữu hạn ta chỉ thay các
vi phân bằng các sai phân thì trong phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) ta
thay thế hệ thực (hệ liên tục) bằng một mô hình vật lý gần đúng (bằng một số
hữu hạn các phần tử) mà lời giải của nó được xác định bằng số hữu hạn số.
2.1.2.1. Phương pháp sai phân hữu hạn
Nội dung của phương pháp: Phương pháp sai phân hữu hạn là một phương
pháp số cổ điển ra đời từ rất lâu, nhưng chỉ từ khi máy tính điện tử phát triển thì
phương pháp này mới được áp dụng rộng rãi. Phương pháp này cũng là một phương
pháp rời rạc hoá, song khác với phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp này là
phương pháp rời rạc kiểu toán học, nó không thay đổi gì miền tính toán mà chỉ phủ
lên miền tính toán một lưới (có thể là lưới hình vuông, chữ nhật, tam giác, tứ giác
cong…) và nó thay thế một hàm xác định trong một miền liên tục bằng một hàm
lưới gồm tập hợp rời rạc hữu hạn các điểm, ở đó đạo hàm này được thay thế bằng
các tỷ sai phân, do đó bài toán biên của phương trình vi phân được thay thế bởi một
hệ phương trình đại số tuyến tính.
Ưu điểm: Phương pháp này vẫn thuận lợi đối với một số bài toán như bài toán
tính toán thuỷ lực hay khi kết hợp với phương pháp phần tử hữu hạn trong việc giải
các bài toán không dừng (bài toán phụ thuộc thời gian).
Nhược điểm: Phương pháp này tương đối đơn giản nhưng không thuận lợi trong
việc lập trình do khi giải trên máy tính thì việc đưa số liệu vào khá cồng kềnh (so
với phương pháp phần tử hữu hạn), và đặc biệt rất khó khăn khi tính toán những bài
toán mà miền tính toán không thuần nhất có nhiều miền con với những tính chất cơ
- 21 -
lý khác nhau, nên đến nay nó ít được dùng hơn so với phương pháp phần tử hữu
hạn.
Phương pháp này chưa phản ánh được sự làm việc của nền và vật liệu. Phương
pháp sai phân hữu hạn không giải được các bài toán có điều kiện biên phức tạp. Độ
chính xác của phương pháp còn phụ thuộc vào hình dạng và kích thước mắt lưới,
mắt lưới càng dày thì độ chính xác càng cao. Không phân tích được bài toán dị
hướng và trong giai đoạn thi công công trình.
2.1.2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn
Nội dung của phương pháp: Phương pháp phần tử hữu hạn cũng thuộc loại
bài toán biến phân, song nó khác với phương pháp biến phân cổ điển ở chỗ nó
không tìm dạng hàm xấp xỉ của các hàm cần tìm trong toàn miền xác định mà chỉ
trong từng miền con trong miền xác định của nó. Điều này rất thuận lợi khi giải bài
toán mà miền xác định gồm nhiều miền con có những đặc tính khác nhau.
Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp rời rạc kiểu vật lý, chia miền
tính toán thành các miền con gọi là phần tử. Từ các phương trình vi phân chuyển
thành phương trình đại số mà ẩn là chuyển vị nút. Giải hệ phương trình vi phân tính
được chuyển vị nút, từ đó tính được các đại lượng khác. Hàm ẩn xác định cho miền
con nên giải được nhiều loại vật liệu khác nhau.
Ưu điểm:
Phương pháp Phần tử hữu hạn là một phương pháp tổng quát và hữu hiệu cho lời
giải số nhiều lớp bài toán kỹ thuật khác nhau, đặc biệt có hiệu quả để tìm dạng gần
đúng của một hàm chưa biết trong miền xác định của nó. Từ việc phân tích trạng
thái ứng suất biến dạng trong các kết cấu công trình thủy lợi, xây dựng dân dụng,
giao thông… cho đến các bài toán của lý thuyết trường như: lý thuết truyền nhiệt,
cơ học chất lỏng, thủy đàn hồi, khí đàn hồi, điện từ trường. Phương pháp này đã giải
được bài toán có xét đến ảnh hưởng biến dạng, tính dị hướng của nền, xét đến nền
có lớp xen kẹp, đứt gẫy và giải được bài toán có điều kiện biên phức tạp. Phản ánh
đúng thực tế sự làm việc của vật liệu là không đồng nhất, không đẳng hướng. Phân
- 22 -
tích được trạng thái ứng suất biến dạng quanh vị trí lỗ khoét, ứng suất tập trung, ứng
suất nhiệt… mà các phương pháp Sức bền vật liệu, sai phân hữu hạn… không giải
quyết được. Cơ sở của phương pháp này là thay kết cấu, môi trường liên tục bằng
một mô hình bao gồm một số hữu hạn phần tử riêng lẻ liên kết với nhau chỉ ở một
số hữu hạn điểm nút, tại các điểm nút tồn tại các lực hoặc các đại lượng đặc trưng
khác tùy theo bài toán. Các đại lượng tính toán bên trong phần tử được biểu diễn
thông qua các trị số tại các điểm nút của phần tử.
Hiện nay, cùng với sự phát triển khoa học công nghệ, việc giải quyết bài toán
có khối lượng lớn, kết cấu phức tạp được giải quyết và cho kết quả có độ chính xác
cao.
Nhược điểm: Khối lượng tính toán lớn, phức tạp không thể thực hiện bằng
thủ công, mặt khác phải phân tích kết cấu thực tế đưa về kết cấu có tính toán sao
cho hợp lý và cho kết quả đúng, sát với thực tế nhất.
Lựa chọn phương pháp tính cho luận văn:
Nhà máy thuỷ điện là một kết cấu không gian gồm nhiều cấu kiện có hình
dạng phức tạp, độ cứng khác nhau nối liền thành một khối. Với kết cấu nặng và
hình dạng phức tạp, thêm vào đó sơ đồ tải trọng tác động lên nhà máy cũng rất phức
tạp nên hiện nay người ta chưa thể tính kết cấu nhà máy thuỷ điện như một kết cấu
thống nhất bằng lí thuyết cơ kết cấu hoặc lí thuyết đàn hồi. Bởi vì phải xét đến trình
tự gia tải, cường độ tăng dần độ cứng của nhà máy, quá trình lún đang tiếp diễn,
tính đàn hồi của bê tông cũng như nền không đồng nhất.
Qua phân tích ưu nhược điêm trên cho thấy PPPTHH là một phương pháp
thích hợp để phân tích các bài toán về kết cấu (giải các bài toán về biến dạng và ứng
suất của vật thể dạng khối hoặc động lực học kết cấu) để áp dụng vào việc tính toán
kết cấu nhà máy thuỷ điện.Do đó trong luận văn đã chọn phương pháp PTHH để
tính toán.
- 23 -
2.2. PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
TRONG TÍNH TOÁN KẾT CẤU
2.2.1 Nội dung của phương pháp phần tử hữu hạn .[6], [12], [17], [22], [27],
[28]
Chia miền tính toán thành nhiều các miền nhỏ gọi là các phần tử. Các phần tử
này dược nối với nhau bởi một số hữu hạn các điểm nút. Các nút này có thể là đỉnh
các phần tử, cũng có thể là một số điểm được quy ước trên cạnh của phần tử. Tùy
thuộc bài toán cần giải có thể sử dụng các loại phần tử dạng thanh, dạng phẳng hoặc
phần tử khối.
Trong phạm vi của mỗi phần tử giả thiết một dạng phân bố xác định nào đó
của hàm cần tìm. Đối với bài toán kết cấu thì hàm xấp xỉ có thể là hàm chuyển vị
hoặc hàm ứng suất hoặc cả hàm chuyển vị và ứng suất.
Thường giả thiết hàm xấp xỉ là những đa thức nguyên mà hệ số của nó được
gọi là các thông số. Trong phương pháp phần tử hữu hạn, các thông số này được
biểu diễn qua các trị số của hàm và có thể là trị số của đạo hàm của nó tại các điểm
nút của phần tử. Dạng đa thức nguyên của hàm xấp xỉ phải được chọn đảm bảo để
bài toán hội tụ. Nghĩa là khi tăng số phần tử lên khá lớn thì kết quả tính toán sẽ tiệm
cận đến kết quả chính xác.
Ngoài ra hàm xấp xỉ còn phải chọn sao cho đảm bảo một số yêu cầu nhất
định, trước tiên là phải thỏa mãn các phương trình của lý thuyết đàn hồi (bài toán
kết cấu) hoặc định luật Darcy (bài toán thấm). Song để thỏa mãn chặt chẽ tất cả cá
yêu cầu thì sẽ gặp nhiều khó khăn trong việc lựa chọn mô hình và lập thuật toàn
giải. Do đó trong thực tế người ta phải giảm bớt một số yêu cầu nào đó nhưng vẫn
đảm bảo được nghiệm đạt độ chính xác yêu cầu.
Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) ra đời vào cuối những năm 50 nhưng
rất ít được sử dụng vì công cụ toán còn chưa phát triển. Vào cuối những năm 60,
phương pháp PTHH đặc biệt phát triển nhờ vào sự phát triển nhanh chóng và sử
dụng rộng rãi của máy tính điện tử. Đến nay có thể nói rằng phương pháp PTHH
