Nghiên cứu, tính toán tháp truyền tải điện theo phương pháp nguyên lý cực trị gauss (luận văn thạc sĩ)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (9.59 MB, 227 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
TRẦN THANH TÙNG
NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THÁP TRUYỀN TẢI ĐIỆN THEO
PHƯƠNG PHÁP NGUYÊN LÝ CỰC TRỊ GAUSS
LUẬN VĂN THẠC SỸ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP
Hà Nội - 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
TRẦN THANH TÙNG
KHÓA: 2017-2019
NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THÁP TRUYỀN TẢI ĐIỆN THEO
PHƯƠNG PHÁP NGUYÊN LÝ CỰC TRỊ GAUSS
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Công trình dân dụng và Công nghiệp
Mã số: 60.58.02.08
LUẬN VĂN THẠC SỸ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DD&CN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. PHẠM VĂN TRUNG
XÁC NHẬN
CỦA CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN
Hà Nội - 2019
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Hà Nội, tháng
năm 2019
Tác giả luận văn
Trần Thanh Tùng
LỜI CÁM ƠN
Tác giả luận văn xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với TS Phạm Văn
Trung đã tận tình giúp đỡ và cho nhiều chỉ dẫn Khoa học có giá trị cũng như thường
xuyên động viên, tạo mọi điều kiện, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này và
nâng cao năng lực Khoa học của tác giả.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn các Thầy cô và các nhà Khoa học trong và ngoài
trường đã quan tâm góp ý làm cho bản luận văn được hoàn thiện hơn.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn các Thầy, Cô Giáo, Bộ môn Sức bền và Cơ học
kết cấu, Khoa Xây dựng, Khoa Sau Đại học, Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội và
các đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi và hợp tác trong quá trình nghiên cứu.
Tác giả luận văn
Trần Thanh Tùng
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG BİỂU TRONG LUẬN VĂN
DANH MỤC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN
MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài ................................................................................................... 1
Mục đích nghiên cứu của đề tài. ........................................................................... 2
Đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu. ........................................................ 3
Phương pháp nghiên cứu. ..................................................................................... 3
Kết cấu của luận văn: ............................................................................................ 3
NỘI DUNG
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ THÁP TRUYỀN TẢI ĐIỆN .................................... 5
1.1. Khái niệm về hệ kết cấu tháp truyền tải điện. ............................................. 5
1.1.1.
Khái niệm............................................................................................... 5
1.1.3.
Phạm vi áp dụng ở Việt Nam ................................................................ 12
1.1.2.
Phân loại kết cấu tháp. .......................................................................... 10
1.2. Cấu tạo kết cấu tháp. .................................................................................. 13
1.2.1.
Các hình dạng chính của tháp thép. ...................................................... 13
1.2.3.
Giải pháp cấu tạo .................................................................................. 18
1.2.2.
1.2.4.
Cấu tạo hệ thanh bụng. ......................................................................... 15
Tải trọng tác dụng lên tháp tải điện....................................................... 20
1.3. Tổng quan về tính toán hệ kết cấu tháp truyền tải điện. .......................... 22
1.3.1.
1.3.2.
Các phương pháp và giả thiết tính toán ................................................. 22
Các phương pháp số (phương pháp phần tử hữu hạn). .......................... 27
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG VÀ GIẢI BÀI TOÁN THÁP TRUYỀN TẢI ĐIỆN
THEO PHƯƠNG PHÁP NGUYÊN LÝ CỰC TRỊ GAUSS....................................... 30
2.1. Phương pháp nguyên lý cực trị Gauss ....................................................... 30
2.1.1.
2.1.2.
Phương pháp NLCT Gauss của GS TSKH Hà Huy Cương. .................. 30
Phương pháp NLCT Gauss trong các bài toán cơ học. .......................... 30
2.2. Xây dựng bài toán theo phương pháp nguyên lý cực trị Gauss. ............... 32
2.2.1.
Thiết lập phiếm hàm theo phương pháp NLCT Gauss. ......................... 34
2.2.3.
Giải bài toán ......................................................................................... 37
2.2.2.
Điều kiện biên của bài toán .................................................................. 36
2.3. Lập trình tính toán bằng ngôn ngữ lập trình Matlab ............................... 37
2.3.1.
Thuật toán tính toán.............................................................................. 37
2.3.3.
Giới thiệu chung về Matlab .................................................................. 39
2.3.2.
2.3.4.
Thiết kế sơ đồ khối ............................................................................... 38
Một số lệnh cơ bản sử dụng trong lập trình ........................................... 41
CHƯƠNG 3: VÍ DỤ TÍNH TOÁN THÁP TRUYỀN TẢI ĐIỆN .............................. 43
3.1. Tháp truyền tải điện và các phương án tải. ............................................... 43
3.2. Tính toán Tháp truyền tải điện chịu tải trọng bản thân ........................... 48
3.2.1.
3.2.2.
Tải trọng bản thân tháp ......................................................................... 48
Kết quả tính toán bằng chương trình tính trong Matlab ......................... 49
3.3. Tính toán Tháp truyền tải điện chịu tải trọng bản thân và tải trọng gió
vuông góc với đường dây......................................................................................... 55
3.3.1.
Tải trọng gió tác dụng lên tháp truyền tải điện. ..................................... 55
3.3.3.
Sơ đồ chuyển vị của tháp truyền tại điện chịu tải bản thân và áp lực
3.3.2.
Kết quả tính toán bằng chương trình tính trong Matlab ......................... 56
gió vuông góc với đường dây. ................................................................................ 61
3.4. Tính toán Tháp truyền tải điện chịu tải trọng bản thân khi đứt dây
chống sét................................................................................................................... 62
3.4.1.
Tải trọng đứt dây chống sét tác dụng lên tháp truyền tải điện. .............. 62
3.4.3.
Sơ đồ chuyển vị của tháp truyền tại điện chịu tải bản thân và tải trọng
3.4.2.
Kết quả tính toán bằng chương trình tính trong Matlab ......................... 62
do đứt dây chống sét tác dụng. ............................................................................... 68
3.5. Tính toán tháp truyền tải điện chịu tải trọng bản thân và đứt tải điện. .. 69
3.5.1.
Tải trọng đứt dây tải tác dụng lên tháp truyền tải điện. ......................... 69
3.5.3.
Sơ đồ chuyển vị của tháp truyền tại điện chịu tải bản thân và tải trọng
3.5.2.
Kết quả tính toán bằng chương trình tính trong Matlab ......................... 69
do đứt dây tải điện tầng 3. ...................................................................................... 75
PHẦN KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ......................................................................76
* Kết
luận ......................................................................................................... 76
* Khuyến
* Hướng
nghị .................................................................................................. 76
nghiên cứu tiếp theo ......................................................................... 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN
Ký hiệu
A
E
F
f
G
I
L
M
N
NLCT
P
PP
PPPTHH
PTVPTP
Q
Đại lượng
Diện tích tiết diện
Mô dun đàn hồi kháng kéo nén
Phiếm hàm
Độ vồng của vòm
Mô đun đàn hồi kháng cắt
Mô men quán tính tiết diện
Nhịp vòm
Mô men trong vòm
Đơn vị
m2
t/m2
m
t/m2
m4
m
t.m
Lực dọc
t
Lực tập trung
t
Nguyên lý cực trị
Phương pháp
Phương pháp phần tử hữu hạn
Phương trình vi phân toàn phần
Lực cắt
t
DANH MỤC BẢNG BİỂU TRONG LUẬN VĂN
Bảng số
Nội dung
Bảng 3.2
Quy cách dây cáp tải điện sử dụng tính toán.
Bảng 3.1
Bảng 3.3
Bảng 3.4
Bảng 3.5
Bảng 3.6
Quy cách thép hình sử dụng trong tháp.
Quy cách cáp chống sét sử dụng tính toán.
Tải trọng bản thân tác dụng lên tháp truyền tải điện.
Nội lực các thanh trong tháp truyền tải điện chịu tải bản
Bảng 3.13
48
52
Nội lực các thanh do chịu tải bản thân và tải trọng gió
56
Chuyển vị các nút do tải bản thân và tải trọng gió.
Bảng 3.12
45
thân.
Chuyển vị các nút trong tháp truyền tải điện chịu tải bản
Bảng 3.9
Bảng 3.11
45
49
Tải trọng gió tác dụng lên tháp truyền tải điện.
Bảng 3.10
44
thân.
Bảng 3.7
Bảng 3.8
Trang
Nội lực các thanh trong tháp truyền tải điện chịu tải bản
55
59
thân và tải do đứt dây chống sét.
62
thân và do đứt dây chống sét.
65
thân và tải do dứt dây tải diện rầng 3 một bên.
69
thân và do dứt dây tải diện rầng 3 một bên.
72
Chuyển vị các nút trong tháp truyền tải điện chịu tải bản
Nội lực các thanh trong tháp truyền tải điện chịu tải bản
Chuyển vị các nút trong tháp truyền tải điện chịu tải bản
DANH MỤC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN
Hình số
Nội dung
Trang
Hình 1.2.
Một số công trình tháp thép trên Thế giới
8
Hình 1.1.
Hình 1.3.
Hình 1.4.
Hình 1.5.
Hình 1.6.
Hình 1.7.
Hình 1.8.
Hình 1.9.
Hình 1.10.
Hình 1.11.
Hình 1.12.
Hình 1.13.
Hình 2.1.
Hình 2.2.
Hình 2.3.
Hình 3.1
Kết cấu tháp và trụ
Một số công trình tháp thép Ở Việt Nam
Một số dạng tiết diện thanh của tháp thép
Các hình dạng chính của tháp thép
Hệ thanh bụng của tháp thép
Các loại vách ngang cứng của tháp thép
Các loại nối hàn
Các loại nối bu lông
Các loại cấu tạo đầu thanh
Cấu tạo chân cột
Cấu tạo nút
Tải trọng đường dây truyền vào tháp
Sơ đồ tính tháp truyền tải điện
Sơ đồ chuyển vị cấu kiện dạng thanh
Sơ đồ khối chương trình
Bản vẽ tháp trong AutoCad
Hình 3.2
Mô hình hóa trong matlab
Hình 3.4
Sơ đồ chuyển vị do tải trọng bản thân và gió.
Hình 3.3
Hình 3.5
Hình 3.6
Sơ đồ chuyển vị do tải trọng bản thân.
Sơ đồ chuyển vị do tải trọng bản thân và do đứt dây
6
9
11
14
15
17
18
18
19
19
20
21
33
34
38
46
47
54
61
chống sét.
68
điện.
75
Sơ đồ chuyển vị do tải trọng bản thân và do đứt dây tải
1
MỞ ĐẦU
* Lý do chọn đề tài
Cột truyền tải điện được thiết kế và xây dựng trong công trình hạ tầng cấp
và truyền tải điện trong hệ thống lưới điện quốc gia. Cột có chức năng đỡ hệ thống
dây hoặc cáp điện. Các loại vật liệu được dùng để chế tạo cột điện như bê tông, thép
hoặc bê tông cốt thép. Do các điều kiện địa hình nên cột truyền tải điện được chế
tạo đảm bảo yêu cầu đơn giản, dễ vận chuyển và lắp dựng.
Đối với các trường hợp khi đường dây (cáp) điện cần vượt qua các chướng
ngại cao hoặc rộng như đường dây điện khác, đường dây thông tin liên lạc, sông
rộng hoặc qua các địa hình đồi núi... khi đó cột thường được thay thế bằng các tháp
truyền tải điện. Tháp truyền tải điện thường được cấu tạo là các hệ giàn không gian
với các thanh giằng chéo, được đặt trên hệ móng (bè, đơn hoặc cọc) bê tông cốt
thép. Tháp được chế tạo từ các thanh thép hình cán nóng hoặc nguội và sử dụng cho
hệ lưới điện cao thế [9].
Với nhu cầu sử dụng điện trong quá trình phát triển kinh tế ở Việt Nam,
việc cung cấp và truyền tải điện từ các nhà máy tới các đô thị, khu công nghiệp,
giữa các vùng miền đất nước ngày càng là nhu cầu cấp thiết. Vậy nên hiện nay, các
mạng truyền tải điện được đầu tư xây dựng mạnh mẽ. Do điều kiện địa hình của
Việt Nam tương đối phức tạp, trong nhiều trường hợp hệ thống truyền tải điện này
được xây dựng để vượt qua các địa hình hiểm trở của đồi núi hay bắc qua các dòng
sông có chiều rộng lớn. Để vượt qua các địa hình này thì hầu hết các mạng lưới
truyền tải điện cao thế ở nước ta bắt buộc phải sử dụng tháp truyền tải điện chế tạo
bằng thép.
Trong thực tế phân tích và thiết kế hiện nay, các tháp truyền tải điện được
tính toán ở Việt Nam cũng như trên thế giới, tháp được xem là kết cấu giàn không
gian 3D, các thanh giàn đồng quy tại nút (thanh chịu kéo hoặc nén) và phân tích
tính toán như hệ giàn. Tháp được phân tích kết cấu dựa vào các phần mềm tính toán
kết cấu như SAP2000, Staad Pro hay Tower – là phần mềm phát triển trong nước.
2
Việc phân tính kết cấu tháp truyền tải điện ở nước ta hiện nay mới chỉ xem
xét tới trạng thái làm việc tuyến tính và hệ có biên dạng nhỏ. Nhưng thực tế, tháp
truyền tải điện có thể và được chấp nhận có các biến dạng lớn khi chịu tải trọng đứt
dây, gió bão,...Do vậy, với việc phân tích kết cấu tháp truyền tải điện trong giai
đoạn đàn hồi và biến dạng nhỏ là chưa khai thác hết khả năng chịu lực và làm việc
tối đa của tháp.
Trong tính toán, kết cấu tháp thép đã được đưa vào giảng dạy từ rất sớm
trong các trường đại học ở nước ta. Kết cấu tháp (trụ) thép cũng như tính toán các
cấu cơ bản của tháp (trụ) đã được giới thiệu. Tuy nhiên, hiện nay do sự phát triển
của máy tính, các phương pháp tính cũng như yêu cầu về truyền tải điện, kết cấu
tháp truyền tải điện cần được tính toán tối ưu hơn, thiết kế cao hơn, thi công nhanh
chóng hơn, thẩm mỹ hơn và ngày càng cao hơn trong chiều cao thiết kế.
Do vậy, việc nghiên cứu hoàn thiện các phương pháp tính cũng như đề xuất
quy trình các bước thực hiện trong tính toán nội lực tháp truyền tải điện là thiết thực
và cần thiết trong bài toán thiết kế tháp truyền tải điện hiện nay.
Từ những lý do trên tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu, tính toán tháp truyền
tải điện theo phương pháp nguyên lý cực trị Gauss”.
* Mục đích nghiên cứu của đề tài.
Nghiên cứu phương pháp mới tính toán tháp truyền tải điện bằng phương
pháp nguyên lý cực trị Gauss.
Với việc “nghiên cứu tính toán tháp truyền tải điện theo phương pháp
nguyên lý cực trị Gauss” đề tài nhằm thực hiện một số mục tiêu sau:
Đánh giá, so sánh phương pháp tính toán tháp truyền tải điện bằng nguyên
lý cực trị Gauss với các phương pháp tính toán hiện nay. Từ đó có những lựa chọn
hợp lý về kết cấu, phương pháp tính cũng như hiệu quả về kinh tế cho công trình.
Kết quả nghiên cứu đạt được sẽ phục vụ cho công việc hiện tại của học
viên, ngoài ra cũng có thể ứng dụng trong công việc thiết kế các kết cấu bằng thép
khác tương tự.
3
* Đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu.
- Đối tượng nghiên cứu: Tháp truyền tải điện được chế tạo từ hệ thanh
thẳng làm việc trong miền đàn hồi.
- Phạm vi nghiên cứu:
+ Vật liệu làm việc trong giai đoạn đàn hồi.
+ Tải trọng tác dụng là tải trọng tĩnh.
* Phương pháp nghiên cứu.
Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với xây dựng
thuật toán, lập sơ đồ khối và lập trình tính toán bài toán bằng Matlab. Trong đó:
+ Xây dựng lý thuyết tính toán tháp truyền tải điện theo phương pháp
nguyên lý cực trị Gauss.
+ Khảo sát bằng số, lập trình bài toán bằng Matlab.
+ Từ kết quả trên so sánh với các phần mềm tính toán kết cấu và rút ra các
kết luận, kiến nghị cho đề tài áp dụng vào thực tiễn.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
+ Ý nghĩa khoa học: là xây dựng một phương pháp tính toán mới đối với
kết cấu tháp truyền tải điện cũng như các kết cấu tương tự khi thiết kế kết cấu tháp
trong hệ thống truyền tải điện
+ Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: Đóng góp thêm một lý thuyết tính toán tính
toán tháp truyền tải điện bằng phương pháp nguyên lý cực trị Gauss trong các công
trình xây dựng ở nước ta.
* Kết cấu của luận văn:
Đề tài được cấu trúc chia thành các chương chính sau:
- Chương mở đầu: Trình bày lý do lựa chọn, sự cần thiết và phạm vi nghiên
cứu của đề tài cũng như ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài.
- Chương 1: Tổng quan về tháp truyền tải điện (đặc điểm, cấu tạo, phạm vi
áp dụng...), các phương pháp tính toán tháp truyền tải điện dạng thanh.
4
- Chương 2: Xây dựng và giải bài toán tháp truyền tải điện dạng thanh chịu
tải trọng tĩnh: Tính toán nội lực, chuyển vị của kết cấu tháp truyền tải điện theo
phương pháp nguyên lý cực trị Gauss. Xây dựng thuật toán, lập sơ đồ khối và lập
trình tính toán bài toán trên bằng Matlab.
- Chương 3: Khảo sát bằng số và so sánh kết quả: Dùng chương trình đã lập
tính toán cho một công trình cụ thể. Tính toán công trình đó bằng phần mềm hiện
hành và so sánh kết quả.
- Kết luận và kiến nghị: Từ kết quả của đề tài, tác giả đề xuất các kết luận
và kiến nghị rút ra được từ nghiên cứu của luận văn.
5
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ THÁP TRUYỀN TẢI ĐIỆN
1.1.
Khái niệm về hệ kết cấu tháp truyền tải điện.
1.1.1. Khái niệm
Tháp truyền tải điện là dạng công trình tháp trụ, do đó đặc điểm cấu tạo và
tính toán theo dạng chung của công trình tháp trụ [2].
Tháp và trụ là những công trình cao. Tháp thép hệ thanh không gian là dạng
công trình đặc biệt, thường được sử dụng trong các ngành vô tuyến, viễn thông,
điện năng, du lịch, dầu khí... Đồng thời là dạng công trình xây dựng có yêu cầu kiến
trúc có tính thẩm mỹ cao.
Tháp là công trình đứng tự do, ngàm với móng. Trụ là công trình đứng
vững được dựa vào các dây neo [3].
Hình 1.1. Kết cấu tháp và trụ
6
Tháp và trụ là những công trình làm bằng thép, chúng có trọng lượng nhẹ
hơn nhiều so với dùng bê tông cốt thép bởi thép có cường độ cao hơn. Mặt khác
việc xây dựng công trinh dễ dàng hơn.
Kết cấu của công trình tháp trụ bằng thép thường là một hệ thanh không
gian từ ba mặt trở lên.
Công trình tháp trụ bằng thép thường có hình dáng đơn điệu, khó tạo dáng
kiến trúc. Các nút, chi tiết của công trình tháp trụ bằng thép có cấu tạo phức tạp,
việc chế tạo đòi hỏi độ chính xác cao.
Một đặc điểm nổi bật đối với công trình tháp trụ là: Tải trọng chính đối với
công trình tháp trụ là gió, cũng có nghĩa gió bão là mối nguy hiểm cho công trình
tháp trụ. Do vậy việc tính toán tháp trụ không thể thiếu tải trọng gió.
Cùng với sự phát triển của vật liệu và khoa học kỹ thuật, kết cấu thép với
những ưu điểm của mình như kết cấu nhẹ, cường độ chịu lực cao, vượt được không
gian lớn, giá thành thấp, thi công lắp dựng nhanh… ngày càng được ứng dụng rộng
rãi trong tất cả các lĩnh vực của đời sống.
Do những ưu điểm của hệ kết cấu thép nên kết cấu thép được ứng dụng
rộng rãi và đa dạng ở nhiều loại công trình khác nhau, từ các công trình dân dụng,
công nghiệp, điện năng vô tuyến, viễn thông...
Có rất nhiều lựa chọn khác nhau khi nói đến kết cấu tháp thép. Các quá
trình sử dụng để thiết kế kết cấu tháp thép có thể thay đổi chi phí. Thép là một vật
liệu tuyệt vời, nguyên liệu có cường độ cao bền vững, nhưng nó là hiệu quả hơn
trong tay của các kỹ sư có kinh nghiệm, những người hiểu tính chất của nó và lợi
ích tiềm năng. Nhìn chung, thép nắm giữ một số lượng lớn các lợi thế cho các nhà
xây dựng và những người có ý định sử dụng nó cho các công trình. Hãy tưởng
tượng những lợi ích của việc sử dụng thành thạo kết cấu tháp thép từ khi bắt đầu dự
án xây dựng của bạn [5].
Kết cấu thép là một loại vật liệu có lợi cho một loạt các ứng dụng. Các vật
liệu nặng ít khi so sánh với kết cấu kim loại khác, và nó là kinh tế hơn nhiều so với
các loại vật liệu nặng. Bằng cách sử dụng kết cấu thép có thể cho các sản phẩm rất
7
nhiều sức mạnh của nó. Vì lý do này, kết cấu thép rất phổ biến cho xây dựng quy
mô lớn. Điều này làm cho nó hữu ích cho một mảng to lớn của dự án. Lịch sử của
kết cấu thép đã để lại nhưng công trình ấn tượng nổi tiếng.
Cần lưu ý rằng với đặc thù có độ cao đáng kể, tháp cao còn được dùng
trong mục đích tạo công trình tham quan, thưởng ngoạn của con người ở các điểm
du lịch thích hợp như:
Eiffel – Pari (325m);
Tháp Eiffel (tiếng Pháp: Tour Eiffel) là một công trình kiến trúc bằng thép
nằm trên công viên Champ-de-Mars, cạnh sông Seine, thành phố Paris. Vốn có tên
nguyên thủy là Tháp 300 mét (Tour de 300 mètres), công trình này do Gustave
Eiffel và các đồng nghiệp của mình xây dựng nên nhân dịp Triển lãm thế
giới năm 1889, và cũng là dịp kỷ niệm 100 năm Cách mạng Pháp.
Chiều cao nguyên bản của công trình là 300 mét nếu theo đúng thiết kế,
nhưng cột ăng ten trên dỉnh đã giúp tháp Eiffel đạt tới độ cao 325 mét. Từ khi khánh
thành vào năm 1889, tháp Eiffel là công trình cao nhất thế giới và giữ vững vị trí
này trong suốt hơn 40 năm qua. Ngay từ đầu, ngoài chức năng để du lịch, tháp
Eiffel còn được sử dụng cho các mục đích của ngành khoa học. Ngày nay, tháp tiếp
tục là một trạm phát sóng truyền thanh và truyền hình cho vùng đô thị Paris [5].
Tokyo – Japan (333m)
Tháp Tokyo là một tháp truyền thông và quan sát tọa lạc tại khu vực Shiba-
koen thuộc quận Minato, Tokyo, Nhật Bản. Với độ cao 332,9 mét (1.092 ft), đây là
cấu trúc cao thứ nhì tại Nhật Bản. Cấu trúc là một tháp khung thép lấy cảm hứng
từ tháp Eiffel, được sơn màu trắng và cam quốc tế để tuân thủ các quy định an toàn
hàng không.
Tháp được xây vào năm 1958, nguồn thu chính của tháp là du lịch và cho
thuê đặt ăngten. Trên 150 triệu người đến thăm tháp kể từ khi nó được khánh thành.
8
Tháp đóng vai trò là một cấu trúc hỗ trợ cho ăngten. Theo dự định ban đầu,
các ăngten phát sóng truyền hình-phát thanh được lắp đặt vào năm 1961. Tuy nhiên,
số hóa truyền hình theo kế hoạch có vấn đề do chiều cao của tháp là 332,9 m
(1.092 ft) không đủ cao để hỗ trợ thỏa đáng hoàn toàn cho phát sóng kỹ thuật số
trong khu vực. Một tháp phát sóng kỹ thuật số cao hơn mang tên Tokyo
Skytree được hoàn thành vào năm 2012 [5].
Cột điện vượt sông Trường Giang (380m)...
Hai cột vượt sông Trường Giang thuộc địa phận tỉnh Chiết Giang, miền
Đông Trung Quốc hiện được coi là những cột truyền tải điện cao nhất thế giới. Hai
công trình kiến trúc bằng thép cao 380m dùng làm hai trụ đỡ cho đường dây truyền
tải điện vượt sông với khoảng vượt là 2.303 m đã cùng lúc lập nên hai kỷ lục thế
giới: Kỷ lục về chiều cao cột điện và kỷ lục về khoảng vượt lớn. Khoảng vượt này
được thực hiện với mục đích duy nhất là tải điện 500 kV qua sông Trường Giang
đến cho đơn vị vận hành là Công ty Điện lực tỉnh Giang Tô.
Hình 1.2. Một số công trình tháp thép trên Thế giới
Eiffel – Pari; Tokyo – Japan; Cột điện vượt sông Trường Giang
9
Liên doanh giữa Balfour Beatty Power Networks và Cleveland Bridge UK
đã chế tạo và lắp dựng các cột vượt sông Trường Giang nổi tiếng này. Mỗi cột được
cấu thành từ 4.300 tấn thép, có chân đế hình vuông mỗi cạnh là 68 m, cánh tay xà
rộng 72 m. Các đỉnh mắc dây chống sét có độ cao 380m, cao hơn tháp Eiffel ở Paris
của Pháp (321 m). Vì sông Trường Giang là đường giao thông thủy quan trọng nên
tĩnh không thông thuyền đòi hỏi phải có độ cao thỏa đáng (56 m).
Những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành thông
tin viễn thông, điện lực…hàng loạt công trình cao dạng tháp, đặc biệt là tháp thép
hệ thanh có chiều cao trên 100mét đã được xây dựng trên khắp mọi miền đất nước.
Hình 1.3. Một số công trình tháp thép Ở Việt Nam
Cột điện đường dây 500 KV; Cột điện Chèm; Trạm anten VTV&RTB Mễ trì
Tháp truyền tải điện là một bộ phận trong hệ thống truyền tải điện. Là kết
cấu thép được lắp dựng hoặc bán lắp dựng gồm tổ hợp các thanh được lắp ghép với
nhau theo phương đứng tạo thành một kết cấu hoàn chỉnh dạng giàn không gian.
Cũng giống như cột truyền tải điện, tháp truyền tải điện có chức năng cố định, đỡ và
định hướng đường dây dẫn điện và các thiết bị liên quan. Với các công trình đường
10
dây có hiệu điện thế lớn hoặc/và có yêu cầu có khoảng không lưu lớn giữa đường
dây và mặt đất, khi đấy bắt buộc phải sử dụng kết cấu tháp.
Chiều cao của tháp truyền tải điện phụ thuộc vào các yếu tố ngoại quan và
tuân thủ quy chuẩn riêng của ngành điện để đảm bảo khả năng chịu lực, cũng như
đảm bảo khoảng cách hành lang an toàn điện cho người và xe cộ lưu thông bên dưới
và hai bên đường dây dẫn điện. Chiều rộng của chân tháp được lựa chọn phù hợp
vào chiều cao, tải trọng tác dụng, diện tích xây dựng tháp, điều kiện đất nền và ổn
định của công trình. Bề rộng chân tháp lớn có ưu điểm giảm nội lực các thanh cánh,
dễ chế tạo và lắp dựng tuy nhiên trong một số trường hợp giải pháp này có thể làm
tăng chi phí xây dựng.
Tháp truyền tải điện thường có chiều cao từ 15m đến 55m, có một số
trường hợp chiều cao tháp có thể cao đến vài trăm mét (ví dụ như tháp truyền tải
điện 500kV từ Trung Quốc đại lục ra đảo Chu San thuộc tỉnh Chiết Giang với chiều
cao là 380m, đây được xem là tháp truyền tải điện cao nhất thế giới đến thời điểm
hiện tại). Thực tế, tùy thuộc vào chức năng, địa hình trong một số trường hợp như
vượt các chướng ngại vật như đồi núi, sông, hồ…khi đó tháp truyền tải điện được
sử dụng. Căn cứ theo các quy định của quy chuẩn, tiêu chuẩn mà trong tính toán cần
cân nhắc lựa chọn chiều cao kết cấu tháp hay cột truyền tải điện.
1.1.2. Phân loại kết cấu tháp.
Tháp thép thường dùng là một hệ thanh không gian và được phân loại dựa
vào các cơ sở sau:
Phân loại theo chức năng sử dụng.
Phân loại theo chức năng sử dụng: bao gồm những tháp thép làm mốc
chuẩn về độ cao; Tháp ăng ten vô tuyến điện; tháp truyền hình; tháp du lịch; tháp tải
điện; tháp đỡ đài quan sát; tháp đỡ băng tải; tháp trụ cầu... Mặc dù rất nhiều loại
nhưng đều thuộc bốn nhóm chính [2]:
Loại không dây.
Loại có dây.
11
Loại tải đứng bé;
Loại chịu tải đứng lớn.
Tháp truyền tải điện thuộc loại tháp có dây và chịu tải trọng đứng bé.
Phân loại theo số lượng mặt bên.
Phân loại theo số lượng mặt bên: bao gồm tháp ba mặt bên; tháp bốn mặt;
tháp nhiều mặt. Việc lựa chọn loại nào để xây dựng phụ thuộc vào yêu cầu chịu lực,
yêu cầu công nghệ, khả năng thi công, yêu cầu kiến trúc... Số lượng các mặt càng
lớn càng có tính thẩm mỹ nhưng chi phí xây dựng cao.
Các tháp tải điện thường dùng loại bốn mặt bên để liên kết hệ thống xà sứ
và các thiết bị đường dây.
Phân loại theo hình thức tiết diện thanh
Phân loại theo hình thức tiết diện thanh bao gồm tháp thép ống và tháp thép
góc. Tháp thép ống có khả năng chịu tải lớn hơn, chống gỉ tốt hơn nhưng chế tạo
khó khăn hơn.
Các tháp tải điện thường dùng loại tháp chế tạo bằng thép góc.
Hình 1.4. Một số dạng tiết diện thanh của tháp thép
12
Một số phân loại khác.
Ngoài cách phân loại trên, tháp còn có thể có một số phân loại khác như:
phân loại theo vật liệu; phân loại theo độ che kín của mặt tháp (đặc, rỗng); phân loại
theo tự đứng hoặc dây neo…
Phân loại tháp truyền tải điện.
+ Phân loại theo vật liệu chế tạo: tháp gỗ, tháp bê tông, tháp thép ống, tháp
dạng giàn không gian.
+ Theo bố trí dây dẫn: Tháp 1 tầng, tháp 2 tầng, tháp 3 tầng.
+ Theo chức năng cột điện gồm có:
Cột néo và néo góc: cột néo để giữ chắc đầu dây nối vào cột qua chuỗi sứ
neo; cột néo góc dùng khu đường dây đổi hướng;
Cột đỡ và đỡ góc: làm nhiệm vụ đỡ dây dẫn nối vào cột qua chuỗi sữ đỡ;
Cột đỡ cũng chưa ra cột đỡ thẳng và cột đỡ góc. Khi đường dây đổi hướng, nếu góc
đổi hướng từ 10 đến 20 độ thì dùng cột đỡ góc, nếu góc lớn hơn thi dùng cột néo
góc;
Cột cuối dùng ở đầu và cuối đường dây;
Cột vượt là cột cao hoặc rất cao sử dụng khi đường dây qua chướng ngại
cao hoặc rộng.
1.1.3. Phạm vi áp dụng ở Việt Nam
Tại Việt Nam, tháp truyền tải điện được sử dụng hầu hết là dạng kết cấu
giàn. Theo đó, tháp thông thường được cấu tạo bởi 4 thanh cánh chính và các thanh
giằng xung quanh (gồm cả thanh xiên và thanh ngang). Thanh cánh chính có tác
dụng chuyền tải trọng tác dụng lên tháp xuống kết cấu móng, do vậy các thanh cánh
có tiết diện và bề dày lớn hơn các thanh giằng. Các thanh giằng chịu cắt và xoắn khi
tháp chịu nén uốn được bố trí đang xen cho phù hợp với thẩm mỹ và khả năng chịu
lực. Đồng thời việc các thanh giằng đồng quy tại các thanh cánh có tác dụng làm
giảm chiều dài tính toán của thanh chính.
13
1.2. Cấu tạo kết cấu tháp. [2,3,6]
1.2.1. Các hình dạng chính của tháp thép.
Hình dạng của tháp thép liên quan đến khá nhiều yếu tố, có các quan hệ,
ràng buộc khá chặt chẽ với nhau:
Thông thường việc quyết định chiều cao cụ thể cho một tháp thép phụ thuộc
vào công năng mà nó phải đảm trách, quy cách của thiết bị mà tháp phải mang trên
mình. Chiều cao xây dựng của tháp có thể được hạ thấp nếu đế của nó được đặt ở
một cao độ lớn.
Việc định dạng cho phần đỉnh của tháp phụ thuộc phần lớn vào yêu cầu
chống xoắn cục bộ, vào quy cách và biện pháp treo buộc thiết bị.
Chiều rộng của tháp liên quan đến khá nhiều yếu tố: chiều cao tháp, tải
trọng lên tháp, diện tích đất xây dựng, đặc điểm của nền đất, cấu tạo và khả năng
chế tạo thanh cánh chân tháp.
Với chiều cao và tải trọng xác định, khi bề rộng chân đế lớn sẽ cho nội lực
thanh cánh bé, phản lực tại nút chân bé. Giải pháp này tạo cho tháp có hình dáng
kiến trúc đẹp, thuận lợi cho việc khai thác tiết diện thanh cánh (đặc biệt là lại chế
tạo trong nước, loại thép ống hoặc thép góc có tiết diện lớn là khá hiếm). Đồng thời
do phản lực lên móng bé sẽ làm hệ móng nhẹ nhàng hơn và khá tiện lợi khi xây
dựng trong vùng đất yếu, đất có độ xốp lớn. Tuy nhiên, nếu chọn bề rộng chân quá
lớn sẽ làm mặt bằng xây dựng rộng, tốn đất xây dựng (trong khá nhiều trường hợp
là không thể), mặt khác nó cũng làm lãng phí hệ thanh bụng vốn chịu lực ít lại bị
quá dài. Vì vậy, kết hợp hài hoà các yếu tố trên thì với tháp thép hệ thanh, bề rộng
chân tháp chỉ nên nằm trong khoảng (1/5÷1/8) chiều cao. Các tháp hệ thanh điển
hình trên thế giới (Eiffel, Tokyo) và khá nhiều tháp trong nước cũng đã áp dụng tỷ
lệ này. Một số công trình khác có thể có chiều rộng chân đế bé hơn (Tôronto –
Canada, 553m; Đồng Phương Minh Châu – Thượng Hải, 486m…) nhưng kèm theo
đó thì các thanh cánh được ứng lực trước; điều kiện này chưa thể khả thi ở nước ta.
Dạng đứng: Trục của thanh cánh tháp đều song song và vuông góc với mặt
móng. Số lượng thanh cánh có thể là ba, bốn hoặc nhiều hơn. Loại tháp này chế tạo
14
và lắp ghép đơn giản, chịu tải trọng đứng khá tốt. Khi chịu tải trọng ngang hình
dạng này không hợp lý vì không phù hợp với biểu đồ mô men của sơ đồ thanh con
son. Để hạn chế bớt dạng không hợp lý này có thẻ thay đổi tiết diện thanh cánh
nhưng cũng không hiệu quả cao. Do đó chỉ sử dụng dạng này cho các thấp thấp và
chịu tải trọng đứng lớn.
Dạng thon: Đây là dạng mà trục các thanh cánh (ba, bốn hoặc nhiều hơn) có
cùng độ dốc trên suốt chiều cao của tháp. Do đặt nghiêng nên khi chịu tải trọng
đứng các thanh bị uốn xiên, nếu độ dốc nhỏ thì ảnh hưởng của uốn xiên không đáng
kể. Khi chịu tải trọng ngang (so với dạng đứng) thì hợp lý hơn, các phân bố độ cứng
và phân bố khối lượng cũng phù hợp hơn. Việc chế tạo cũng tương đối đơn giản. Vì
vậy, hình dạng này thường được áp dụng để xây dựng khá nhiều các công trình có
chiều cao trung bình.
Hình 1.5. Các hình dạng chính của tháp thép
Dạng thon đổi độ dốc một số lần: Dọc theo chiều cao của tháp, độ dốc
thanh cánh thay đổ một số lần. Số lần thay đổi càng nhiều thì việc chế tạo, lắp dựng
càng khó khăn nhung có hiệu quả ao về mặt chịu lự, kinh thế và thẩm mỹ càng lớn
hơn. Các tháp có chiều cao lớn thường áp dụng dạng này.
15
1.2.2. Cấu tạo hệ thanh bụng.
Việc chọn dạng hệ thanh bụng cho mặt bên của tháp cũng là công việc cần
được cân nhắc từ ban đầu. Thanh bụng chủ yếu dùng để chịu lực cắt khi tháp chịu
nén uốn, cùng với thanh cánh chịu xoắn. Về mặt cấu tạo thì thanh bụng làm giảm
chiều dài tính toán cho thanh cánh và giữ cho khoảng cách các thanh cánh không
đổi khi chịu tải. Thông thường, nội lực thanh bụng khá bé, vì vậy nên chọn dạng
thanh bụng có số thanh ít nhất, số mắt và cấu tạo mắt đơn giản nhất. Hệ thanh bụng
hình thoi và hệ thanh bụng tam giác thích ứng được với tiêu chí này; tuy nhiên do
có tính đối xứng nên hệ hình thoi thường được sử dụng nhiều hơn. Mặt khác việc
chọn phương án hệ thanh bụng không chỉ ảnh hưởng đến tính chất chịu lực của toàn
tháp mà còn bị chi phối bới khả năng thi công, yêu cầu sử dụng không gian và
phương án bố trí vách cứng ngang [7].
Các phương án hệ thanh bụng thường được bố trí như sau:
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
Hình 1.6. Hệ thanh bụng của tháp thép
Hệ thanh bụng dạng xiên (hình.1.6a) và hệ tam giác (hình 1.6b)
Hệ thanh bụng dạng xiên và hệ thanh bụng tam giác có cấu tạo đơn giản. Hệ
thanh bụng tam giác có tổng chiều dài thanh bụng bé nhất. Nhược điểm chính của
hai loại này là chiều dài mỗi thanh tương đối lớn, điều kiện ổn định khi thanh chịu
nén khá bé. Vì vậy chỉ nên áp dụng ở những tháp nhỏ có chiều dài thanh bụng
không lớn.
