“Nghiên cứu ảnh hưởng của liên kết nửa cứng đến trạng thái ứng suất và biến dạng của cửa van hình cung”

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 liên kết nửa cứng đến trạng thái ứng suất và biến dạng của cửa van
hình cung” 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 11 năm 2013
Tác giả luận văn

TRƯƠNG ĐỨC HẠNH


BẢN CAM KẾT
Tên tôi là: Trương Đức Hạnh
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 11 năm 2013
Tác giả luận văn

TRƯƠNG ĐỨC HẠNH


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN………………………………………………………………..
BẢN CAN KẾT………………………………………………………………
MỤC LỤC……………………………………………………………………
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ……………………………………………….
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU……………………………………………

CHƯƠNG 1 – MỞ ĐẦU ...................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................. 1
1.2. Nội dung nghiên cứu ............................................................................. 3
1.3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ........................................... 3
1.4. Kết quả nghiên cứu cần đạt được .......................................................... 3

CHƯƠNG 2 - TỔNG QUAN VỀ CỬA VAN HÌNH CUNG ............. 4
2.1. Khái quát và phân loại cửa van cung .................................................... 4
2.1.1. Khái niệm........................................................................................ 4
2.1.2. Phân loại cửa van cung ................................................................... 6
2.1.3. Các bộ phận chính của cửa van cung ............................................. 7
2.1.4. Hình thức cửa van thường dùng hiện nay .................................... 10
2.1.5. Phạm vi sử dụng ........................................................................... 12
2.2. Phân tích kết cấu van cung theo hệ phẳng .......................................... 13
2.2.1. Phương pháp tính toán cửa van cung theo hệ phẳng .................... 13
2.2.2. Phân tích khung chính theo bài toán phẳng .................................. 13
2.3. Phân tích kết cấu cửa van cung theo bài toán không gian .................. 21
2.3.1. Khái quát về bài toán không gian ................................................. 21
2.3.2. Điều kiện biên của bài toán .......................................................... 22

2.3.3. Xác định nội lực và lực kéo cửa van ............................................ 24
2.3.4. Tính toán kiểm tra khung chính và càng van ............................... 26


KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ............................................................................ 28

CHƯƠNG 3 – TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU CÓ LIÊN KẾT NỬA
CỨNG VÀ PHẦN MỀM SAP2000 ................................................... 29
3.1. Khái quát về liên kết nửa cứng ........................................................... 29
3.2. Các nghiên cứu về kết cấu có nút cứng và liên kết nửa cứng ............. 30
3.2.1. Tổng quan về kết cấu có nút cứng ................................................ 30
3.2.2. Tổng quan về kết cấu có liên kết nửa cứng .................................. 32
3.2.3. Phân tích kết cấu có liên kết nửa cứng ......................................... 36
3.3. Xác định độ cứng xoay của liên kết nửa cứng [6] .............................. 49
3.3.1. Liên kết dầm-cột trong kết cấu khung thép .................................. 49
3.3.2. Phương pháp tổ hợp áp dụng cho liên kết dầm-cột ...................... 50
3.4. Phân tích kết cấu hệ thanh có liên kết nửa cứng bằng SAP2000....... 54
3.4.1. Mô hình hóa kết cấu van cung ...................................................... 54
3.4.2. Phân tích nội lực kết cấu van cung ............................................... 57

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ................................................................... 61
CHƯƠNG 4 - PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ BIẾN
DẠNG CỦA CỬA VAN CÓ LIÊN KẾT NỬA CỨNG ................... 62
4.1. Nhiệm vụ và quy mô công trình ......................................................... 62
4.1.1. Nhiệm vụ công trình ..................................................................... 62
4.1.2. Quy mô công trình đầu mối .......................................................... 62
4.2. Kết cấu cửa van ngăn triều và giảm ngập ........................................... 63
4.2.1. Mô tả kết cấu cửa van ................................................................... 63
4.2.2. Số liệu tính toán ............................................................................ 64
4.2.3. Trường hợp tính toán .................................................................... 64

4.3. Phân tích kết cấu van cung nhịp lớn liên kết cứng bằng phần mềm
SAP2000 .................................................................................................... 66
4.3.1. Mô hình hoá kết cấu van cung nhịp lớn ....................................... 66
4.3.2. Kiểm tra độ tin cậy của mô hình .................................................. 71
4.3.3. Kết quả tính toán nội lực và chuyển vị cửa van cung trong trường
hợp cửa van trên ngưỡng. ....................................................................... 73
4.3.4. Kết quả tính toán nội lực và chuyển vị cửa van cung trong trường
hợp cửa van bắt đầu dời ngưỡng. ........................................................... 82
4.4. Phân tích kết cấu van cung nhịp lớn liên kết nửa cứng bằng phần mềm
SAP2000. ................................................................................................... 91
4.4.1. Kết quả tính toán nội lực và chuyển vị dầm chính và càng van
trong trường hợp cửa van trên ngưỡng. .................................................. 92
4.4.2. Kết quả tính toán nội lực và chuyển vị dầm chính và càng van
trong trường hợp cửa van dời ngưỡng. ................................................... 94

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ................................................................... 97
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................ 98
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................... 100


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 – Hồ sông Quao tỉnh Bình Thuận ..................................................... 2
Hình 1.2 – Cống Lân 2, Tiền Hải, Thái Bình .................................................. 2
Hình 1.3 – Cống Haringvliet – Hà Lan ........................................................... 2
Hình 1.4 – Cống Maeslant – Hà Lan ............................................................... 2
Hình 2.1 - Kết cấu cửa van hình cung hai khung chính, càng xiên................. 4
Hình 2.2 - Cửa van trên mặt ............................................................................ 5
Hình 2.3 - Cửa van dưới sâu ............................................................................ 5

Hình 2.4 - Bố trí tổng thể van cung và thiết bị đóng mở................................. 6
Hình 2.5 - Kết cấu giàn ngang và càng van cung ............................................ 7
Hình 2.6 - Sơ đồ cấu tạo cửa van hình cung ................................................... 7
Hình 2.7 - Gối quay của cửa van cung; a) Gối nón cụt; b) Gối bản lề ............ 8
Hình 2.8 - Gối đỡ bên kiểu bánh xe và kiểu trượt ........................................... 9
Hình 2.9 - Cấu tạo kết cấu vật chắn nước bên và đáy van cung ................... 10
Hình 2.10 - Sơ đồ một số hình thức bố trí tâm quay cửa van cung............... 10
Hình 2.11 - Các loại hình thức khung chính ................................................. 11
Hình 2.12 - Các hình thức khe van ............................................................... 13
Hình 2.13 - Sơ đồ xác định áp lực nước lên dầm chính trên và dưới............ 15
Hình 2.14 - Sơ đồ áp lực nước lên cửa van trên mặt và cửa van dưới sâu... 15
Hình 2.15 - Sơ đồ tính toán và biểu đồ mômen uốn khung chân khớp ........ 17
Hình 2.16 - Sơ đồ tính toán và biểu đồ mômen uốn khung chính chân ngàm
....................................................................................................................... 18
Hình 2.17 - Sơ đồ tính toán nội lực càng van ............................................... 20
Hình 2.18 - Sơ đồ xác định cánh tay đòn lực kéo van ................................. 20
Hình 2.19 - Điều kiện biên trường hợp cửa van nằm trên ngưỡng. .............. 22
Hình 2.20 - Điều kiện biên trường hợp 2 máy nâng bằng xi lanh thủy lực .. 23


Hình 2.21 - Điều kiện biên khi máy nâng bằng tời dây kéo tiếp tuyến với bản
mặt ................................................................................................................. 23
Hình 2.22 - Điều kiện biên khi máy nâng bằng tời phương dây kéo không
tiếp tuyến với bản mặt ................................................................................... 23
Hình 2.23 - Sơ đồ kết cấu van cung ứng với trường hợp cửa van mở .......... 24
Hình 3.1 - Mối nối dầm cột bằng bu lông và sơ đồ biến dạng ...................... 29
Hình 3.2 - Mô hình liên kết dầm cột ............................................................. 29
Hình 3.3 - Mô hình hóa khung có nút cứng .................................................. 30
Hình 3.4 - Mô hình phần tử dầm có hai đoạn cứng ở hai đầu ....................... 31
Hình 3.5- Mô hình chuyển vị góc của liên kết nửa cứng .............................. 33

Hình 3.6 - Mô hình lò xo cho chuyển vị góc và chuyển vị thẳng ................. 34
Hình 3.7 - Mô hình nút cứng và liên kết nửa cứng ....................................... 34
Hình 3.8 - Đường cong đặc tính liên kết nửa cứng của Colson .................... 35
Hình 3.9 - Đường đặc tính liên kết của Yee & Melchers .............................. 36
Hình 3.10 - Siêu phần tử dầm ........................................................................ 37
*

Hình 3.11 - Quan hệ giữa ∆ e và ∆ e .............................................................. 38
Hình 3.12 - Sơ đồ biến dạng dầm hai đầu có liên kết đàn hồi ...................... 40
Hình 3.13 - Siêu phần tử dầm trong hệ tọa độ tổng thể ................................ 44
Hình 3.14 - Dầm hai đầu liên kết đàn hồi chịu tải trọng phân bố ................. 46
Hình 3.15 - Kiểu liên kết dầm - cột ............................................................... 50
Hình 3.16 - Các tổ hợp của liên kết dầm - cột dùng bản bích và bu lông ..... 51
Hình 3.17 - Mô hình cơ học liên kết dầm-cột có bản bích mở rộng dùng bu
lông ................................................................................................................ 51
Hình 3.18 - Minh họa các ký hiệu ................................................................. 53
Hình 3.19 - Mô hình hóa bản mặt và dầm đứng............................................ 55
Hình 3.20 - Quy ước về các điểm Insertion Points ....................................... 55
Hình 3.21 - Trình tự mô hình hóa dầm phụ dọc ............................................ 56


Hình 3.22 - Nhập độ cứng xoay vào đầu j của thanh ................................... 56
Hình 3.23 - Mô hình hóa cửa van cung bằng phần mềm SAP2000 .............. 57
Hình 3.24 - Sơ đồ liên kết khi van nằm trên ngưỡng ................................... 57
Hình 3.25 - Sơ đồ liên kết và lực ma sát xuất hiện khi van rời khỏi ngưỡng
....................................................................................................................... 58
Hình 4.1 – Bản đồ vị trí cống Thủ Bộ ........................................................... 63
Hình 4.2 – Mặt bằng và cắt dọc cống Thủ Bộ ............................................... 64
Hình 4.3 - Sơ đồ tính toán ............................................................................. 65
Hình 4.4 - Sơ đồ tính toán ............................................................................. 65

Hình 4.5 – Kích thước dầm đứng và dầm chính ........................................... 67
Hình 4.6 – Mặt cắt ngang của bản mặt van cung .......................................... 67
Hình 4.7 – Mô hình hóa dầm chính và dầm phụ dọc. ................................... 69
Hình 4.8 - Kết cấu cửa van cung càng xiên nhìn từ thượng lưu ................... 70
Hình 4.9 - Kết cấu cửa van cung càng xiên nhìn từ hạ lưu ........................... 70
Hình 4.10 - Áp lực nước thượng lưu và hạ lưu bằng phổ mầu ..................... 71
Hình 4.11 - Biểu đồ chuyển vị bằng phổ mầu nửa trái bản mặt.................... 73
Hình 4.12 - Mã nút nửa trái bản mặt ............................................................. 74
Hình 4.13 - Biểu đồ ứng suất S11 và S22 bằng phổ mầu nửa trái bản mặt...... 74
Hình 4.14 - Biểu đồ nội lực của nửa trái dầm phụ dọc số 3 .......................... 75
Hình 4.15 - Biểu đồ chuyển vị của nửa trái dầm phụ dọc số 3 ..................... 76
Hình 4.16 - Kết cấu dầm đứng và càng van .................................................. 77
Hình 4.17 - Biểu đồ phổ màu chuyển vị của dầm đứng số 8 ........................ 77
Hình 4.18 - Biểu đồ ứng suất S11 và S22 bằng của dầm đứng số 8 ............. 78
Hình 4.19 – Biểu đồ phổ mầu chuyển vị của dầm chính .............................. 79
Hình 4.20 – Biểu đồ phổ mầu chuyển vị nửa bên phải của dầm chính giữa. 80
Hình 4.21 – Biểu đồ ứng suất S11 và S22 của nửa bên phải dầm chính trên 80
Hình 4.22 – Biểu đồ lực dọc P và mômen M3 của càng van ........................ 81


Hình 4.23 – Sơ đồ gán lực ma sát vào mô hình kết cấu van cung ................ 83
Hình 4.24 – Sơ đồ xác định trọng lượng bản thân cửa van ........................... 84
Hình 4.25 – Biểu đồ chuyển vị bằng phổ mầu của nửa trái bản mặt ............ 85
Hình 4.26 – Biểu đồ ứng suất S11 và S22 của nửa trái bản mặt ................... 86
Hình 4.27 – Biểu đồ nội lực của nửa trái dầm dọc phụ số 8 ......................... 87
Hình 4.28 – Biểu đồ ứng suất S11 và S22 của dầm đứng số 8 ..................... 88
Hình 4.29 – Biểu đồ chuyển vị của dầm chính ............................................. 89
Hình 4.30 – Biểu đồ phổ mầu ứng suất S11 và S22 nửa bên phải dầm chính
....................................................................................................................... 90
Hình 4.31 – Biểu đồ lực dọc P và mômen M3 của càng van ........................ 91

Hình 4.32– Biểu đồ phổ mầu ứng suất S11 và S22 nửa bên phải của dầm
chính trên ....................................................................................................... 92
Hình 4.33 – Biểu đồ lực dọc P và mômen M3 của càng van ........................ 93
Hình 4.34 – Biểu đồ phổ mầu chuyển vị nửa bên phải của dầm chính giữa. 95
Hình 4.34– Biểu đồ ứng suất S11 và S22 nửa bên phải của dầm chính trên 95
Hình 4.35 – Biểu đồ lực dọc P và mômen M3 của càng van ........................ 96


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 - Phản lực gối tựa của dầm đầu ngàm chịu tải trọng tập trung ...... 48
Bảng 4-1 - Giá trị góc α và góc θ .................................................................. 68
Bảng 4.2 – Bảng kết quả phản lực tại gối do ALN sinh ra ........................... 72
Bảng 4.3 – Bảng kết quả phản lực tại gối do trọng lượng bản thân sinh ra .. 73
Bảng 4.4 - Chuyển vị tại một số nút trên bản mặt ......................................... 74
Bảng 4.5 - Ứng suất S11 và S22 một số phần tử trong bản mặt cửa van ...... 75
Bảng 4.5- Kết quả nội lực của một số phần tử trên dầm phụ dọc số 3 ......... 76
Bảng 4.6 - Kết quả chuyển vị của một số phần tử trên dầm phụ dọc số 3 .... 76
Bảng 4.7 - Kết quả tính toán chuyển vị của một số nút trên dầm đứng số 8 78
Bảng 4.8 - Kết quả ứng suất tại một số phần tử của dầm đứng số 8 ............. 79
Bảng 4.9 - Kết quả tính toán chuyển vị tại một số nút của dầm chính giữa . 80
Bảng 4.10 - Kết quả tính toán ứng suất S11 và S22 tại một số phần tử và nút
của dầm chính trên ......................................................................................... 81
Bảng 4.11 - Kết quả tính toán nội lực một số phần tử của càng van trái ...... 82
Bảng 4.12 – Bảng kết quả lực kéo van và phản lực gối bản lề (lần lặp 3) .... 84
Bảng 4.13 – Chuyển vị ở một số nút bản mặt ............................................... 85
Bảng 4.14 – Ứng suất S11 và S22 một số phần tử và nút của bản mặt ........ 86
Bảng 4.15 – Kết quả nội lực của một số phần tử trên dầm phụ dọc số 8 ...... 87
Bảng 4.16 – Kết quả chuyển vị của một số nút trên dầm phụ dọc số 8 ........ 87
Bảng 4.17 – Kết quả chuyển vị của một số nút trên dầm đứng số 8 ............. 88
Bảng 4.18 – Kết quả ứng suất S11 và S22 của một số phần tử và nút trên

dầm đứng số 8................................................................................................ 89
Bảng 4.19 – Kết quả chuyển vị của một số nút trên dầm chính giữa ............ 90
Bảng 4.20 – Kết quả ứng suất S11 và S22 tại một số phần tử và nút dầm
chính .............................................................................................................. 90
Bảng 4.21 – Kết quả tính toán nội lực của càng van trái .............................. 91


Bảng 4.22 – Kết quả chuyển vị của một số nút trên dầm chính giữa ............ 92
Bảng 4.23 – Kết quả ứng suất S11 và S22 tại một số phần tử và nút dầm
chính trên ....................................................................................................... 93
Bảng 4.24 – Kết quả tính toán nội lực của càng van trái .............................. 94
Bảng 4.25 – Kết quả chuyển vị của một số nút trên dầm chính giữa ............ 94
Bảng 4.26 – Kết quả ứng suất S11 và S22 tại một số phần tử và nút dầm
chính trên ....................................................................................................... 95
Bảng 4.27 – Kết quả tính toán nội lực của càng van trái .............................. 96


1

CHƯƠNG 1 – MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Trong những năm gần đây sự biến đổi khí hậu có những diễn biến
phức tạp, gây ảnh hưởng lớn đến sản xuất nông nghiệp và sinh hoạt của
người dân. Nước biển dâng đã và đang đe dọa nghiêm trọng đến các công
trình thủy lợi, đặc biệt là tình hình ngập úng ở vùng ven biển đồng bằng sông
Cửu Long. Tình hình ngập úng ở đây đã được phản ánh nhiều trên các
phương tiện thông tin đại chúng và nó mang tính thời sự nóng bỏng. Đỉnh
triều cường tại nơi đây ngày càng lập mức kỷ lục, tần suất xuất hiện ngày
càng nhiều. Sự ngập úng do triều cường gây ra hậu quả nghiêm trọng, ảnh
hưởng đến đời sống và sự phát triển kinh tế khu vực.

Trước tình hình ngập úng đang diễn ra, biện pháp giải quyết là phải
xây dựng các tuyến đê bao và làm các công trình ngăn các cửa sông. Việc
xây dựng phần thủy công các công trình này tuy khó khăn nhưng chúng ta đã
có kinh nghiệm. Bộ phận quan trọng nhất quyết định kết cấu công trình và
khả năng ngăn triều là cửa van.
Chính vì vậy “Nghiên cứu ảnh hưởng của liên kết nửa cứng đến trạng
thái ứng suất và biến dạng của cửa van hình cùng” để đảm bảo được cường
độ và ổn định cũng như biến dạng của các thành phần kết cấu và của toàn
cửa van khi đưa vào vận hành là rất thiết thực, mang lại hiệu quả kinh tế
đáng kể như giảm nhẹ trọng lượng bản thân cửa van, tăng cứng chống biến
dạng hoặc chuyển vị cho cửa van, tạo điều kiện thuận lợi cũng như giảm chi
phí cho công tác vận hành và tăng tuổi thọ cửa van.
Hình ảnh một số cửa van cung ở Việt Nam và trên thế giới:


2

Hình 1.1 – Hồ sông Quao tỉnh Bình
Thuận

Hình 1.2 – Cống Lân 2, Tiền Hải,
Thái Bình

Hình 1.3 – Cống Haringvliet – Hà Lan

Hình 1.4 – Cống Maeslant – Hà Lan


3

1.2. Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hưởng của liên kết nửa cứng đến trạng thái ứng suất
và biến dạng của cửa van hình cung trên đập tràn có kích thước 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, dầm chính và dầm đứng được mô hình hóa bằng phần tử
Shells, các bộ phận khác bằng phần từ Frames. Với liên kết giữa dầm chính
và càng van dùng liên kết bu lông và được coi là liên kết nửa cứng.
- Tính toán trạng thái ứng suất và biến dạng của cửa van trong hai
trường hợp liên kết nửa cứng và liên kết cứng. Đưa ra nhận xét về kết quả
tính toán.
1.4. Kết quả nghiên cứu cần đạt được
- Xác định được cửa van hình cung có liên kết cứng và liên kết nửa
cứng và có nhận xét về ảnh hưởng của liên kết nửa cứng tới độ bền của công
trình.
- Phân tích sự phân bố lại nội lực khi dùng liên kết nửa cứng so với
khi giả thiết là liên kết cứng.


4

CHƯƠNG 2 - TỔNG QUAN VỀ CỬA VAN HÌNH CUNG
2.1. Khái quát và phân loại cửa van cung
2.1.1. Khái niệm
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 tiếp xúc với nước có dạng cung

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 lớn 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 2.1.

Hình 2.1 - 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


5

là cửa van có đỉnh cao hơn cao trình mực nước thượng lưu (hình 2.2), cửa
van dưới sâu là cửa van có đỉnh thấp hơn cao trình mực nước thượng lưu
(hình 2.3).
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 2.2 - Cửa van trên mặt

Hình 2.3 - 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.


6

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.
2.1.2. Phân loại cửa van cung
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.
Một dạng cửa van hình cung nhịp lớn trong cống vùng triều cho ở
hình 2.4 và hình 2.5.

+7.20

Hình 2.4 - Bố trí tổng thể van cung và thiết bị đóng mở


7

Hình 2.5 - Kết cấu giàn ngang và càng van cung
2.1.3. Các bộ phận chính của cửa van cung
- 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 2.6). 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.

Hình 2.6 - Sơ đồ cấu tạo cửa van hình cung


8

- 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 2.7 biểu thị một số hình thức gối quay.
Trường hợp bán kính van cung R = (1,2÷1,5)H1; (trong đó H1 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 2.7 - Gối quay của cửa van cung; a) Gối nón cụt; b) Gối bản lề
Gối quay của cửa van cung thường dùng là gối kiểu nón cụt (hình
2.7a) và gối bản lề có một trục quay hoặc hai trục quay vuông góc với nhau
(hình 2.7b). 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


9

bị kẹt trong khe van. Thiết bị định hướng bên có thể dùng kiểu bánh xe như
ở hình 2.8a hoặc kiểu trượt như ở hình 2.8b, được bố trí ở hai đầu van.

b)

Hình 2.8 - Gối đỡ bên kiểu bánh xe và kiểu trượt
- 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 2.9a. 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 2.9b và vật chắn nước
đáy cho ở hình 2.9c.


10

c)

Hình 2.9 - Cấu tạo kết cấu vật chắn nước bên và đáy van cung
2.1.4. 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.

Hình 2.10 - 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.


11

Khung chính được chia thành các loại sau:
- Chân thẳng và cứng (hình 2.11a).
- Chân thẳng và mảnh (hình 2.11b)
- Chân xiên và mảnh (hình 2.11c).

Hình 2.11 - 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
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.


12

2.1.5. Phạm vi sử 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
2.12a và hình 2.12b.
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
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.


13

Hình 2.12 - Các hình thức khe van

2.2. Phân tích kết cấu van cung theo hệ phẳng
2.2.1. Phương pháp tính toán cửa van cung theo hệ phẳng
Kết cấu cửa van hình cung là một kết cấu không gian và chịu lực khá
phức tạp, khi phân tích nội lực 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.
Khung chính và càng van là bộ phận chịu lực chủ yếu của cửa van
hình cung, chịu toàn bộ áp lực nước và trọng lượng bản thân cửa van thông
qua gối bản lề chuyền lên bộ phận cố định của công trình, nên trong mục này
chỉ trình bày chi tiết tính toán kiểm tra về cường độ, về ổn định và về độ
cứng của khung chính và càng van theo hệ phẳng.
2.2.2. Phân tích khung chính theo bài toán phẳng
Trình tự tính toán khung chính theo hệ phẳng được tiến hành như sau:
Xác định tổng áp lực nước tác dụng lên 1m dài cửa van và phương của
tổng áp lực này so với đường nằm ngang theo công thức giải tích.


14

Phân tổng áp lực này lên các dầm chính theo phưng pháp đồ giải,
trường hợp cửa van có hai khung chính, để hai dầm chính chịu áp lực nước
bằng nhau thì phương của hai khung chính phải cách đều phương của tổng
áp lực nước.
Sơ đồ tính toán khung là đường trục các thanh, sơ đồ tính là khung
chữ nhật dầm ngang có công xôn khi càng van thuộc loại mảnh và thẳng
hoặc là khung hình thang dầm ngang có công xôn khi càng van thuộc loại
mảnh và xiên. Chân khung gán liên kết ngàm khi gối quay là gối bản lề có

một trục quay hoặc gối quay là gối nón cụt. Chân khung gán liên kết khớp
khi gối quay là gối bản lề có hai trục quay . Chiều cao tính toán h của khung
lấy bằng khoảng cách thẳng đứng từ tâm gối quay tới đường trọng tâm tiết
diện tính toán của dầm chính. Tiết diện tính toán của dầm chính có xét tới
một phần bản mặt cùng tham gia chịu lực.
Nội lực của khung chính được xác định theo các công thức, được thiết
lập từ phương pháp chyển vị. Chuyển vị thẳng đứng tại giữa nhịp dầm bằng
tổng chuyển vị của dầm do mômen uốn và chuyển vị do lực dọc trong chân
khung.
Xác định trọng lượng bản thân van theo các công thức kinh nghiệm,
nội lực do trọng lượng bản thân chỉ được xét tới khi tính toán càng van.
Kiểm tra cường độ và độ cứng của dầm theo cấu kiện chịu uốn với nội
lực chỉ do áp lực nước sinh ra và ổn định của chân khung theo cấu kiện chịu
nén lệch tâm với nội lực bằng tổng nội lực do áp lực nước và trong lượng
bản thân van sinh ra.
Xác định lực tác dụng lên khung chính van cung theo hệ phẳng
Áp lực nước tác dụng lên khung chính trên qt và khung chính dưới qd của cửa van cung có hai khung chính được xác định theo công thức (2.1),
được thiết lập từ sơ đồ tam giác lực cho ở hình 2.13.