Ảnh hưởng của vị trí cối quay cửa van cung đến sự làm việc thực tế của cửa van

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

DƯƠNG ANH QUÂN

ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ CỐI QUAY
CỬA VAN CUNG ĐẾN SỰ LÀM VIỆC
THỰC TẾ CỦA CỬA VAN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội – 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

DƯƠNG ANH QUÂN

ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ CỐI QUAY
CỬA VAN CUNG ĐẾN SỰ LÀM VIỆC
THỰC TẾ CỦA CỬA VAN
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy
Mã số:

60-58-40

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. ĐỖ VĂN HỨA

Hà Nội – 2012


LờI CảM ƠN
Tác giả Luận văn xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn tới PGS.TS Đỗ Văn Hứa
Trường Đại học Thủy Lợi, người đà dành nhiều thời gian hướng dẫn và đóng góp
những ý kiến trong suốt quá trình thực hiện Luận văn thạc sĩ.
Tác giả xin cảm ơn Đảng ủy, Ban giám hiệu, phòng đào tạo Đại học và Sau đại
học, các phòng ban chức năng đà tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá
trình học tập và rèn luyện tại trường.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn tới cơ quan, bạn bè, đồng nghiệp nơi tác giả đang
công tác đà tạo mọi điều kiện về tinh thần giúp tác giả hoàn thành luận văn này.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới những người thân trong gia đình
đà động viên, khích lệ và giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này.
Tuy nhiên trong khuôn khổ một luận văn thạc sĩ, do điều kiện thời gian và trình độ
còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, khiếm khuyết, rất mong nhận
được sự đóng góp chỉ bảo chân tình của các thầy cô giáo và các đồng nghiệp để đề tài của
tác giả hoàn chỉnh hơn.
Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày

tháng năm 2012

Tác giả

Dương Anh Qu©n


Luận văn thạc sĩ

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1
Chương 1: Tổng quan về cửa van cung .................................................................. 5
1.1. Khái niệm và phân loại cửa van cung .................................................................. 5
1.1.1. Khái niệm ................................................................................................ 5
1.1.2. Phân loại cửa van cung ............................................................................. 6
1.1.3. Một số nguyên tắc và bố trí cấu tạo .......................................................... 7
1.1.4. Các bộ phận chính ................................................................................... 9
1.2. Tính tốn kết cấu van cung theo hệ phẳng ......................................................... 12
1.2.1. Phương pháp tính tốn cửa van cung theo hệ phẳng .............................. 12
1.2.2. Phân tích khung chính theo phương pháp tính tốn truyền thống .......... 13
1.3. Một số hình ảnh về cửa van cung ....................................................................... 24
Chương 2: Phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm SAP2000 .................. 27
2.1. Khái niệm về phân tử hữu hạn ........................................................................... 27
2.1.1. Khái niệm .............................................................................................. 27
2.1.2. Các nguyên lý về công và năng lượng.................................................... 28
2.1.3. Nội dung cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn .............................. 31
2.1.4. Tính hệ thanh phẳng bằng phương pháp phần tử hữu hạn ..................... 33
2.1.5. Tính tấm mỏng chịu uốn bằng phương pháp phần tử hữu hạn ............... 38
2.2. Khái quát về phần mềm SAP2000 ..................................................................... 44
2.2.1. Các hệ tọa độ .......................................................................................... 44
2.2.2. Dấu và nội lực của ứng suất .................................................................. 46
2.2.3. Đường trục của phần tử ......................................................................... 47

Chương 3: Tính tốn cửa van cung cơng trình hồ Bản Đà, thị trấn Trùng
Khánh, tỉnh Cao Bằng ........................................................................................... 49
3.1. Mục tiêu, nhiệm vụ và quy mô của dự án ......................................................... 49
3.1.1. Mục tiêu của dự án ................................................................................. 49
3.1.2. Nhiệm vụ của dự án ............................................................................... 49
3.1.3. Quy mơ cơng trình đầu mối ................................................................... 50
3.1.4. Mơ tả kết cấu cửa van ............................................................................ 50
3.1.5. Số liệu tính tốn ..................................................................................... 53
Ảnh hưởng của vị trí cối quay cửa van cung đến sự làm việc thực tế của cửa van.


Luận văn thạc sĩ

3.1.6. Trường hợp tính tốn kiểm tra ............................................................... 53
3.1.7. Tải trọng tính tốn ................................................................................. 57
3.1.8. Kết quả tính tốn ................................................................................... 57
3.2. Phân tích kết cấu cửa van cung theo bài toán phẳng bằng phương pháp truyền
thống ......................................................................................................................... 62
3.2.1. Sơ đồ tính tốn ....................................................................................... 62
3.2.2. Tải trọng tính tốn ................................................................................. 62
3.2.3. Kết quả tính tốn ................................................................................... 63
3.3. Phân tích kết cấu cửa van cung theo bài tốn khơng gian bằng phần mềm
SAP2000 ................................................................................................................... 64
3.3.1. Mơ hình hóa kết cấu cửa van cung ........................................................ 64
3.3.2. Các trường hợp tính tốn ....................................................................... 66
3.4. Kết quả tính tốn phân tích kết cấu cửa van cung theo bài tốn khơng gian bằng
phần mềm SAP2000 ................................................................................................. 68
3.4.1. Trường hợp A: Khi cửa van nằm trên ngưỡng ...................................... 68
3.4.2. Trường hợp B: Khi cửa van bắt đầu rời khỏi ngưỡng ........................... 75
3.5. Tổng hợp kết quả tính tốn ................................................................................ 82

3.5.1. Chuyển vị bản mặt ................................................................................. 82
3.5.2. Ứng suất bản mặt ................................................................................... 83
3.5.3. Nội lực, ứng suất khung chính càng van ............................................... 85
3.5.4. Nội lực, ứng suất dầm chính cửa van .................................................... 88
3.5.5. Nội lực, ứng suất dầm phụ ngang cửa van ............................................ 92
3.5.6. Nội lực, ứng suất dầm phụ đứng cửa van .............................................. 94
3.5.7. Phản lực cối quay ................................................................................... 96
3.5.8. Lực kéo cửa van .................................................................................... 98
3.5.9. So sánh kết quả tính tốn mơmen uốn khung chính càng van trong 2 TH
phân tích kết cấu cửa van theo bài tốn phẳng và bài tốn khơng gian ................... 99
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 101
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 104

Ảnh hưởng của vị trí cối quay cửa van cung đến sự làm việc thực tế của cửa van.


Luận văn thạc sĩ

1

MỞ ĐẦU
I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Trong các cơng trình đầu mối thủy lợi, thủy điện cửa van là một hạng mục
cơng trình lớn cả về quy mô và tầm quan trọng. Cửa van được xây dựng, chế tạo
nhằm mục đích giữ, điều tiết nước và hướng dòng chảy từ thượng lưu xuống hạ lưu,
đảm bảo cho cơng trình đầu mối như đập, cống làm việc bình thường và ổn định.
Cửa van thường dùng trong các cơng trình thủy lợi, thủy điện là cửa van phẳng
và cửa van hình cung. Cửa van hình cung có độ cứng lớn và lực đóng mở nhỏ hơn
cửa van phẳng nên thường được dùng làm cửa van có nhịp lớn và cột nước cao ở
đập tràn xả lũ của các hồ chứa nước lớn.

Quang cảnh đập tràn hồ chứa nước dùng cửa van cung ở một cơng trình thủy
điện xem hình 1.

Hình 1 - Tồn cảnh đập tràn

Ảnh hưởng của vị trí cối quay cửa van cung đến sự làm việc thực tế của cửa van.


Luận văn thạc sĩ

2

Cửa van cung là một dạng khá phổ biến, tại các cơng trình thủy lợi, thủy điện
lớn ở nước ta như: Hịa Bình, Đại Ninh, Na Hang, Ba Hạ, Định Bình, Cửa Đạt,
Sơng Hinh, Hương Điền, Bình Điền, Sơn La, … đều dùng cửa van hình cung trên
các đập tràn, có nhịp van B = 9 ÷ 15m, có chiều cao cửa van H = 10 ÷ 18m, bán
kính bản mặt R = 10 ÷ 21m.
Cơng trình thủy điện An Khê, Bản Vẽ, ... các cửa van cung có vai trị để vận
hành xả nước, điều chỉnh mực nước trong hồ chứa của nhà máy thủy điện. Kết cấu
cửa van cung được chế tạo bằng thép có mặt chắn nước hình cong, chuyển động
xung quanh trục để nâng hạ theo yêu cầu. Việc nâng, hạ cửa van cung được thực
hiện bằng máy nâng đặt ở trụ pin hay trên cầu cơng tác có hệ thống dây cáp hoặc
thanh truyền lực, Piston thủy lực gắn với cửa. Ngày nay hầu hết các cửa van cung
được đóng mở bằng các Piston thủy lực, vận hành các Piston này được điều khiển
tại phịng điều khiển trung tâm nhà máy.

Hình 2 - Toàn cảnh hạ lưu đập tràn hồ Núi Cốc
Ảnh hưởng của vị trí cối quay cửa van cung đến sự làm việc thực tế của cửa van.

Luận văn thạc sĩ

3

Trong quá trình làm việc thực tế, cửa van cung thường được nâng lên, hạ
xuống quanh trục đi qua tâm quay. Một vấn đề đặt ra khi thiết kế và thi công lắp đặt
cửa van là vị trí tâm quay hay vị trí tâm cối quay ở đâu là hợp lý nhất. Khi vị trí bản
lề (tâm quay cửa van) trùng với trục đi qua tâm bản mặt thì tổng hợp áp lực nước
vng góc với bản mặt tác dụng lên cửa van sẽ đi qua tâm quay. Khi bản lề (tâm
quay cửa van) dịch chuyển lên hoặc xuống tâm bản mặt cửa van sẽ làm cho lực nâng
hạ cửa van có sự thay đổi vì thế có thể ảnh hưởng đến chọn quy mơ của thiết bị nâng
hạ .
Tuy nhiên khi chuyển dịch vị trí bản lề của cửa van cung rất có thể sẽ làm thay
đổi trạng thái ứng suất và chuyển vị trong các cấu kiện của kết cấu cửa van, ảnh
hưởng đến khả năng chịu lực và sự vận hành của cửa van.
Chính vì vậy việc đầu tư nghiên cứu một cách cụ thể vấn đề “Ảnh hưởng của
vị trí cối quay cửa van cung đến sự làm việc thực tế của cửa van” là rất cần thiết, có
ý nghĩa đối với khoa học và thực tiễn.
II. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
- Nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí cối quay đến sự làm việc của cửa van cung.
- Diễn biến trạng thái ứng suất, chuyển vị và lực đóng mở của kết cấu cửa van
cung trong quá trình làm việc ứng với các vị trí bản lề.
- Đưa ra khuyến nghị vị trí hợp lý của cối quay của cửa van cung.
III. PHẠM VỊ NGHIÊN CỨU
Do thời gian có hạn nên trong luận văn chỉ nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí cối
quay đến sự làm việc, trạng thái ứng suất, chuyển vị đối với loại cửa van cung trên
mặt (đặt trên đập tràn) và chỉ chịu áp lực nước.
IV. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Phương pháp điều tra khảo sát thu thập tổng hợp tài liệu.
- Phương pháp mơ hình mơ phỏng.

- Phương pháp phân tích tổng hợp.

Ảnh hưởng của vị trí cối quay cửa van cung đến sự làm việc thực tế của cửa van.


Luận văn thạc sĩ

4

V. DỰ KIẾN KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
- Ảnh hưởng của vị trí cối quay đến kết cấu của cửa van cung.
- Diễn biến trạng thái ứng suất, chuyển vị và lực đóng mở của kết cấu cửa van
cung trong quá trình làm việc ứng với các vị trí cối quay.
- Lựa chọn mơ hình thích hợp cho mơ hình bài tốn vị trí cối quay cửa van
cung.
- Rút ra kết luận và kiến nghị.

Ảnh hưởng của vị trí cối quay cửa van cung đến sự làm việc thực tế của cửa van.


Luận văn thạc sĩ

5

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CỬA VAN CUNG
1.1. KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI CỬA VAN CUNG
1.1.1. Khái niệm
Cửa van hình cung là cửa van có mặt chịu áp lực nước dạng cung 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 hơn thường được dùng làm cửa xả lũ ở đập tràn. Hình
dạng khơng gian của kết cấu cửa van cung càng xiên và càng thẳng xem hình 1.1 và
hình 1.2.

Hình 1.1 – Kết cấu cửa van hình cung hai khung chính, càng xiên.

Hình 1.2 – Kết cấu cửa van hình cung hai khung chính, càng thẳng.
Ảnh hưởng của vị trí cối quay cửa van cung đến sự làm việc thực tế của cửa van.


Luận văn thạc sĩ

6

Cửa van là một bộ phận của cơng trình thủy lợi, bố trí tại các lỗ tháo nước của
đập, cống,… 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 có thể di động được nhờ sức kéo từ các
thiết bị đóng mở hoặc nhờ sức nước. Khi cửa van chuyển động, nó tựa lên các bộ
phận cố định gắn chặt vào mố trụ hoặc ngưỡng của cơng trình tháo.
Các u cầu cơ bản khi thiết kế cửa van là cấu tạo đơn giản, lắp ráp, sửa chữa
dễ dàng; đóng mở nhẹ và nhanh; đủ khả năng chịu lực, làm việc an toàn và bền; đảm
bảo mỹ quan; tiết kiệm vật liệu, giá thành hợp lý. Trong quá trình sử dụng, cửa van
phải đảm bảo khống chế được mọi lưu lượng khác nhau theo yêu cầu khai thác. Chỗ
tiếp xúc giữa cửa van với trụ, ngưỡng đáy, tường ngực phải có thiết bị chắn nước tốt
để chống rị rỉ. Trường hợp phía thượng lưu có nhiều bùn cát hay vật nổi thì cửa van
phải có khả năng tháo bùn cát hay vật nổi dễ dàng.
Ưu điểm của van hình cung là lực mở nhỏ, mở nhanh và dễ dàng, điều tiết lưu
lượng khá tốt, trụ pin có thể làm mỏng so với van phẳng vì khe van nơng. 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 sinh ra trong trụ pin nên

việc bố trí cốt thép chịu lực phức tạp hơn, nhất là những nơi 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.
Cửa van cung là loại được áp dụng khá rộng rãi, nhất là khi cửa tháo có nhịp
lớn hay những nơi cần tháo nước nhanh. Vật liệu làm cửa van cung thường bằng
thép. Khi cửa van khơng lớn có thể làm bằng gỗ.
1.1.2. Phân loại cửa van cung
Cửa van cung được phân loại như sau:
- Theo mực nước thượng lưu, cửa van cung được chia thành hai loại là cửa van
trên mặt và cửa van dưới sâu.
- Theo hình thức chảy qua van, có thể chia thành 3 nhóm là cửa van cho nước
chảy dưới, cửa van cho nước chảy tràn qua đỉnh van, cửa van vừa cho nước chảy

Ảnh hưởng của vị trí cối quay cửa van cung đến sự làm việc thực tế của cửa van.


Luận văn thạc sĩ

7

qua đỉnh van vừa cho nước chảy dưới van.
- Theo kết cấu cửa van được chia thành 3 loại là cửa van đơn (hình 1.3a, đ, c),
cửa van có cửa phụ (hình 1.3b) và cửa van kép (hình 1.3c, d).
Trong các đập tràn thường dùng cửa van cho nước chảy ở dưới (hình 1.3a)
hoặc vừa cho nước chảy ở dưới vừa cho nước tràn qua van (hình 1.3b, c, d) (loại cửa
van được kéo lên). Trong các âu thuyền, tàu chỉ dùng loại cho nước tràn qua đỉnh
van (hình 1.3đ) (loại cửa van hạ xuống). Cửa van có cửa phụ hoặc cửa van hai tầng
được dùng khi cần tháo vật nổi hoặc cần tháo một lượng nước nhỏ, vì nếu dùng cửa
van đơn sẽ mất một khối lượng nước lớn.

a)

b)

c)

d)

đ)

e)

Hình 1.3 – Hình dạng các loại cửa van
1.1.3. Một số nguyên tắc và bố trí cấu tạo
Cửa van hình cung có hai loại chính là cửa van trên mặt và cửa van dưới sâu,
có cửa phụ hoặc khơng có cửa phụ trên đỉnh van. Cửa van trên mặt là cửa van có
đỉnh cao hơn cao trình mực nước thượng lưu (hình 1.4), cửa van dưới sâu là cửa van
có đỉnh thấp hơn cao trình mực nước thượng lưu (hình 1.5).

Ảnh hưởng của vị trí cối quay cửa van cung đến sự làm việc thực tế của cửa van.


Luận văn thạc sĩ

8

Hình 1.4 – Cửa van trên mặt

Hình 1.5 – Cửa van dưới sâu

Cửa van hình cung bao gồm bản chắn nước, hệ thống dầm, càng đỡ và cối
quay (hình 1.6). Hệ thống dầm cũng bố trí sao cho các ô bản mặt các dầm chịu lực
tương đối đều nhau, các dầm chính chịu lực như nhau để tiện thi công và tận dụng
khả năng chịu lực của vật liệu.

Hình 1.6 – Sơ đồ cấu tạo cửa van hình cung.
1. Bản chắn nước; 2. Dầm chính; 3. Dầm phụ ngang; 4. Dầm đứng;
5. Bánh xe cữ; 6. Càng đỡ; 7. Khớp quay; 8. Giàn gối.
Ảnh hưởng của vị trí cối quay cửa van cung đến sự làm việc thực tế của cửa van.


Luận văn thạc sĩ

9

1.1.4. Các bộ phận chính
Cửa van hình cung có hai bộ phận chính là bộ phận động và bộ phận cố định.
Bộ phận động của cửa van hình cung gồm có các cấu kiện sau:
- Bản mặt có dạng mặt trụ trịn làm bằng thép tấm, tâm bản mặt thường chọn
trùng với tâm quay.
- Bản mặt trực tiếp đỡ áp lực nước và truyền tải trọng lên ô dầm.
- Ô dầm được tạo bởi các dầm phụ đứng thường làm bằng thép chữ I định hình
và dầm phụ ngang bằng thép chữ C định hình đặt úp xuống để tránh đọng nước và
bùn cát, có tác dụng đỡ bản mặt và truyền tải trọng lên dầm đứng.
- Dầm đứng có thể dùng kiểu dầm (hình 1.1) hoặc kiểu dàn (hình 1.2), đỡ tải
trọng từ ơ dầm và truyền tải trọng lên dầm chính.
- Dầm chính có thể dùng kiểu dầm hoặc kiểu dàn, đỡ tải trọng từ dầm đứng và
truyền tải trọng này lên khung chính.
- Khung chính hợp bởi dầm chính và chân van, đỡ tồn bộ áp lực nước tác
dụng vào cửa van, rồi truyền lên bộ phận cố định của cơng trình thơng qua cối quay.

- Các chân khung chính thường được liên kết lại với nhau thành hệ dàn để tăng
độ ổn định của chân khung chính, cấu kiện này gọi là càng van. Thông thường càng
van dùng loại mảnh, với cửa van nhỏ thường dùng loại càng thẳng (Hình 1.7a), với
cửa van lớn dùng kiểu càng xiên (Hình 1.7b).

a)

b)
Hình 1.7 – Khung chính chân thẳng và chân xiên.

Ảnh hưởng của vị trí cối quay cửa van cung đến sự làm việc thực tế của cửa van.


Luận văn thạc sĩ

10

- Dàn chịu trọng lượng đặt ở phía sau dầm chính (hình 1.2), chịu trọng lượng
bản thân van và các tải trọng thẳng đứng khác, truyền lên dàn ngang và càng van rồi
chuyển lên cối quay.
- Kết cấu cối quay gồm 2 bộ phận, bộ phận động được nối với càng van, còn
bộ phận cố định được gắn với trụ pin của cơng trình. Cối quay thường dùng 2 loại là
gối nón cụt và gối bản lề có 1 trục quay hoặc 2 trục quay vng góc với nhau. Đối
với cửa van có kích thước nhỏ thường dùng gối bản lề có 1 trục quay như đã dùng
trong cửa van ở các cơng trình cống Lân, cống Trà Linh, cửa tràn hồ Núi Cốc, hồ
Trúc Kinh, cống Cổ Tiểu, cống Nghi Quang,… Đối với cửa van lớn thường dùng
cối quay kiểu nón cụt như đã dùng trong cửa van đập tràn thủy điện Hịa Bình, thủy
điện Bn Kướp, thủy điện Srêpơk 3 và 4 hoặc loại có 2 trục quay như đã dùng
trong cửa van đập tràn hồ chứa nước Cửa Đạt.
Kết cấu gối cối quay bản lề 2 trục quay vng góc với nhau cho ở hình 1.8.

Hình 1.8 – Kết cấu gối bản lề hai trục quay.
Cửa van hình cung càng thẳng: dầm đứng và dầm chính đặc (loại dầm), có hai
khung chính, thường dùng trong cửa van dưới sâu, nhịp van nhỏ và cột nước cao,
xem hình 1.9. Cửa van hình cung càng xiên: dầm đứng và dầm chính đặc, hai khung
chính, thường dùng trong cửa van trên mặt, nhịp van lớn và cột nước khơng cao
hình 1.10. Cửa van hình cung càng xiên: dầm đứng và dầm chính đặc, ba khung
chính, thường được dùng trong cửa van trên mặt, nhịp trung bình và chiều cao lớn,
xem hình 1.11.
Ảnh hưởng của vị trí cối quay cửa van cung đến sự làm việc thực tế của cửa van.


Luận văn thạc sĩ

11

Hình 1.9 – Cửa van hình cung càng thẳng có hai khung chính.

Hình 1.10 – Cửa van hình cung càng xiên có hai khung chính.

Ảnh hưởng của vị trí cối quay cửa van cung đến sự làm việc thực tế của cửa van.


Luận văn thạc sĩ

12

Hình 1.11 – Cửa van hình cung càng xiên có ba khung chính.
1.2. TÍNH TỐN KẾT CẤU VAN CUNG THEO HỆ PHẲNG
1.2.1. Phương pháp tính tốn 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 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 khơng phản ánh được hồn tồn trạng thái chịu lực thực tế của
cửa van nhưng thường dùng vì khá đơn giản, có thể dùng để tính tốn 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 khơng gian.
Khung chính và càng van là bộ phận chịu lực chủ yếu của cửa van hình cung,
chịu tồn bộ áp lực và trọng lượng bản thân của cửa van thông qua gối bản lề truyền
lên bộ phận cố định của cơng trình, nên trong mục này chỉ trình bày chi tiết tính tốn
kiểm tra về cường độ, ổn định và độ cứng của khung chính và càng van theo hệ
phẳng.
Ảnh hưởng của vị trí cối quay cửa van cung đến sự làm việc thực tế của cửa van.


Luận văn thạc sĩ

13

1.2.2. Phân tích khung chính theo phương pháp tính tốn truyền thống
1.2.2.1. Nội dung của phương pháp tính tốn truyền thống (PPTT)
Theo phương pháp tính tốn truyền thống, kết cấu van được phân chia thành
các hệ phẳng riêng biệt để tính dưới tác dụng của áp lực nước và trọng lượng bản
thân cửa van. Nội lực trong các hệ phẳng được xác định bằng các công thức giải
tích, nội lực trong các thanh thuộc ở cả hai hệ phẳng được tính bằng tổng nội lực
của hai hệ phẳng đó.
Trình tự tính tốn khung chính theo PPTT 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 được xác định theo cơng thức giải tích.
- Phân tổng áp lực này lên các dầm chính theo phương 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 đều cách đều phương của tổng áp lực nước.
- Sơ đồ tính tốn khung là đường trục các thanh. Sơ đồ tính là khung chữ nhật
dầm ngang có cơng xơn khi càng van thuộc loại mảnh và thẳng hoặc là khung hình
thang dầm ngang có cơng xơn khi càng van thuộc loại mảnh và xiên. Chân khung
coi là liên kết ngàm khi cối quay là gối bản lề có một trục quay. Chân khung coi là
liên kết khớp khi cối quay là gối bản lề có hai trục quay hoặc cối quay là gối nón
cụt. Chiều cao tính tốn h của khung lấy bằng khoảng cách từ tâm cối quay đến
đường trọng tâm tiết diện tính tốn của dầm chính. Tiết diện tính tốn 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 chuyển 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.
- Kiểm tra về 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 trọng lượng bản thân cửa van
sinh ra.

Ảnh hưởng của vị trí cối quay cửa van cung đến sự làm việc thực tế của cửa van.


Luận văn thạc sĩ

14

Chiều dài tính tốn của chân khung trong mặt phẳng của khung bằng:
L 0 = µh
R

(1.1)

R

Trong đó: h – Chiều cao của chân khung; µ - Hệ số chiều dài tính tốn.
Đối với khung chữ nhật, dầm và cột có mặt cắt đều, dầm được liên kết cứng
với cột, chân cột liên kết ngàm hoặc khớp, hệ số chiều dài tính tốn µ được xác định
theo bảng 1.1, phụ thuộc vào tỷ số giữa độ cứng đơn vị tương đối của dầm i d =EJ d /L
R

R

R

R

và của cột i c =EJ c /h.
R

R

R

R

Bảng 1.1 – Hệ số chiều dài tính tốn µ
0
0.2
0.3
k=i d /i c
Ngàm

2
1.5
1
Khớp
3.4
3
Đối với khung hình thang chân
R

R

R

0.5
1
2
3
≥10
1.3
1.2
1.1
1.1
1
2.6
2.3
2.2
2.1
2
liên kết khớp lấy L 0 =1.4h, cịn chân liên kết
R

R

ngàm lấy L 0 =1.2h.
R

R

Chiều dài tính toán của chân khung trong mặt phẳng của càng lấy bằng khoảng
cách d giữa hai nút thanh giằng của càng. L 0 = d.
R

R

1.2.2.2. Áp lực nước tác dụng lên 1m dài van
- Tổng áp lực nước tác dụng lên cửa van cung:
P = Png2 + Pd2

(1.2)

- Phương của hợp lực P đi qua tâm BM và hợp với đường nằm ngang một góc:
ψ = a rctg

a)

Pd
Png

(1.3)

b)

Hình 1.12. Sơ đồ tính áp lực nước lên cửa van trên mặt và cửa van dưới sâu
Ảnh hưởng của vị trí cối quay cửa van cung đến sự làm việc thực tế của cửa van.


Luận văn thạc sĩ

15

- Thành phần ngang của áp lực nước P ng của cửa van trên mặt:
R

R

1
Png = γH t2 Lt
2

(1.4)

- Thành phần đứng của áp lực nước P d của cửa van trên mặt:
R

R

1
1
 π


Pd = γR 2 Lt 
ϕ + 2 sin ϕ1 cos ϕ 2 − (sin 2ϕ1 + sin 2ϕ 2 ) 
2
2
 180


(1.5)

- Thành phần ngang của áp lực nước P ng của cửa van dưới sâu:
R

Png =

R

1
γ ( H t + H n )ht Lt
2

(1.6)

- Thành phần đứng của áp lực nước P d của cửa van dưới sâu:
R

R

H
1
1

 π

Pd = γR 2 Lt 
ϕ + 2 sin ϕ1 cos ϕ 2 − (sin 2ϕ1 + sin 2ϕ 2 ) + 2 n (cos ϕ1 − cos ϕ 2 )  (1.7)
2
2
R
 180


Trong đó:
+ γ - Trọng lượng riêng của nước.
+ H t – Chiều cao cột nước thượng lưu.
R

R

+ H n – Chiều cao cột nước tường ngực.
R

R

+ L t – Nhịp tải trọng của cửa van.
R

R

+ h t – Chiều cao tải trọng của cửa van dưới sâu.
R

R

+ R – Bán kính bản mặt.
+ ϕ 1 – Góc hợp bởi đường nằm ngang đi qua tâm bản mặt và bán kính bản mặt
R

R

đi qua mép mực nước thượng lưu.
+ ϕ 2 - Góc hợp bởi đường nằm ngang đi qua tâm bản mặt và bán kính bản mặt
R

R

đi qua mép cửa van.
+ ϕ = ϕ 2 - ϕ 1 (Độ).
R

R

R

R

Trường hợp tâm bản mặt nằm ở dưới mực nước thượng lưu (hình 1.12b), khi
đó góc ϕ 1 nằm trên đường nằm ngang đi qua tâm bản mặt, thì góc ϕ 1 trong các công
R

R

R

R

thức trên mang dấu âm (-).
1.2.2.3. Áp lực nước tác dụng lên 1m dài khung chính
a) Trường hợp cửa van có hai khung chính:
Ảnh hưởng của vị trí cối quay cửa van cung đến sự làm việc thực tế của cửa van.


Luận văn thạc sĩ

16

Khi phương của hai phương khung chính không cách đều phương của tổng
hợp lực áp lực nước thì áp lực nước tác dụng lên khung chính trên q t và khung
R

R

chính dưới q d của cửa van cung được xác định theo công thức (1.8) được thiết lập từ
R

R

sơ đồ tam giác lực cho ở hình 1.13.

Hình 1.13 – Sơ đồ xác định áp lực nước lên dầm chính trên và dưới
qt =

P
cos α + sin α cot gβ

qd =

qt sin α
sin β

(1.8)

Trong đó:
+ P - Hợp lực của áp lực thủy tĩnh.
+ α - Góc hợp bởi phương của hợp lực P và phương của khung chính trên.
+ β - Góc hợp bởi phương của hợp lực P và phương của khung chính dưới.
Khi phương của hai khung chính cách đều phương của tổng hợp áp lực nước,
có α = β thì áp lực nước tác dụng lên khung chính trên q t bằng khung chính dưới q d :
R

qt = q d =

R

P
2 cos α

b) Trường hợp cửa van có ba khung chính

Hình 1.14 – Sơ đồ tính lực tác dụng lên các khung chính
Ảnh hưởng của vị trí cối quay cửa van cung đến sự làm việc thực tế của cửa van.

R

R


Luận văn thạc sĩ

17

- Trường hợp cửa van có 3 khung chính trước hết vẽ biểu đồ đa giác áp lực
nước khép kín, chia véc tơ hợp lực thành 3 phần bằng nhau, vẽ đường thẳng vng
góc với phương của lực P tại các điểm chia.
- Giao điểm của các đường thẳng này với đường đa giác lực là điểm gốc và
điểm mút của các véc tơ q1 , q 2 , q3 từ đó ta có các góc α 1 , α 2 , α 3 giữa phương của
R

R

R

R

R

R

hợp lực P và các lực q1 , q2 , q3 và các góc θ 1 , θ 2 , θ 3 của các véc tơ này với đường
R

R

R

R

R

R

thẳng nằm ngang, hình 1.14.
- Áp lực nước tác dụng lên 1m dài khung chính trên, giữa và dưới:
q1 =

P
3 cos α 1

q2 =

P
3 cos α 2

q3 =

P
3 cos α 3

(1.9)

Chọn khung chịu tải trọng lớn nhất để tính tốn nội lực và chuyển vị.
1.2.2.4. Tính tốn nội lực trong khung chính do áp lực nước

a) Trường hợp 1: Khung hình thang chân liên kết khớp
- Khung chính hình thang cho ở hình 1.15 là khung đối xứng chịu tải trọng đối
xứng nên ta có thể tính tốn cho một nửa khung. Trong trường hợp này nếu xác định
nội lực của khung theo phương pháp chuyển vị thì phương trình chính tắc chỉ có
một ẩn Z 1 là góc xoay:
R

R

r11 Z 1 + R1P = (3 + 2k )ic Z t −

qb 2 qc 2
+
=0
12
2

Hình 1.15 – Sơ đồ tính tốn và biểu đồ mơmen uốn khung chân khớp
Ảnh hưởng của vị trí cối quay cửa van cung đến sự làm việc thực tế của cửa van.


Luận văn thạc sĩ

18

- Nghiệm của phương trình chính tắc này là:
Zt =

Trong đó: id =

q(b 2 − 6c 2 )
12(3 + 2k )ic
EJ d
b

ic =

EJ c
s

k=

id
ic

- Từ đó ta có cơng thức tính nội lực:
M BA = M CD
Md =

q (b 2 − 6c 2 )
=−
6(2 + k )

(1.10)

qb 2
+ M BC
8

(1.11)

- Phản lực liên kết được xác định theo cơng thức:
H=

− M BA + Na
h

(1.12)

N=

q(b + 2c)
2

(1.13)

Trong đó: s = h 2 + a 2 (m)

k=

id J d s
x
=
b Jc
ic

b) Trường hợp 2: Khung hình thang chân liên kết ngàm.
Khung chính hình thang cho ở hình 1.16 là khung đối xứng chịu tải trọng đối
xứng nên có thể tính tốn cho một nửa khung, trong trường hợp này, nếu giải theo
phương pháp chuyển vị thì phương trình chính tắc chỉ có một ẩn Z 1 là góc xoay:

R

R

Hình 1.16 – Sơ đồ tính tốn và biểu đồ mơmen uốn khung chân ngàm
Ảnh hưởng của vị trí cối quay cửa van cung đến sự làm việc thực tế của cửa van.


Luận văn thạc sĩ

19

r11 Z 1 + R1P

qb 2 qc 2
= 2(2 + k )ic Z t −
+
=0
12
2

Nghiệm của phương trình chính tắc này là:
q (b 2 − 6c 2 )
Zt =
24(2 + k )ic

Trong đó: a =
k=

( L − b)

2

id =

EJ d
b

ic =

EJ c
s

id J d s
=
x
ic
b Jc

- Từ đó ta có cơng thức tính nội lực:
M AB = M DC =

q (b 2 − 6c 2 )
12(2 + k )

M BA = M CD = −

(1.14)

q (b 2 − 6c 2 )
6(2 + k )

M BC = M CB = M BA − q

c2
2

(1.15)
Md =

qb 2
+ M BC
8

(1.16)

- Phản lực liên kết được xác định theo công thức:
H=

Trong đó:

M AB− M BA+ Na
h
a=

( L − b)
2

N=

q(b + 2c)

2

s = h 2 + a 2 (m)

k=

(1.17)
id J d s
=
x
ic
b Jc

Ký hiệu:
L – Khoảng cách giữa hai gối bản lề.
b – Nhịp dầm.
h – Chiều cao của khung.
s – Chiều dài chân khung.
c – Chiều dài công xôn dầm.
a – Khoảng cách theo phương ngang của đầu cột và chân cột.
L t = b+2c – Nhịp tải trọng.
R

R

c) Trường hợp khung chữ nhật: Khung chữ nhật là trường hợp đặc biệt của
Ảnh hưởng của vị trí cối quay cửa van cung đến sự làm việc thực tế của cửa van.


Luận văn thạc sĩ

20

khung hình thang với L=b, a=0, s=h, nên nội lực trong khung chữ nhật chân liên kết
khớp cũng được tính tốn theo các cơng thức tương ứng (1.10), (1.11), (1.12), (1.13)
hoặc liên kết ngàm cũng được tính tốn theo các cơng thức (1.14), (1.15), (1.16),
(1.17) bằng cách thay L=b.
2.2.2.5. Tính tốn nội lực trong khung chính do trọng lượng bản van
a) Sơ đồ tính tốn càng van
Càng van được tạo bởi hai chân khung chính và được nối với nhau để cùng
chịu lực nhờ dầm (dàn) đứng hai đầu van và đưa thêm vào một số thanh bụng để
giảm chiều dài tính tốn chân khung chính trong mặt phẳng của càng van, vậy càng
van ngoài chịu áp lực nước khi nó là một bộ phận của khung chính, cịn chịu trọng
lượng bản thân van do dàn chịu trọng lượng truyền tới.
Nội lực trong các phân tố của càng van do áp lực nước đã tính tốn ở trên, để
tính nội lực trong càng van do trọng lượng bản thân G sinh ra, phương pháp tính
tốn truyền thống đã đưa vào giả thiết đơn giản hóa là trọng lượng bản thân van tác
dụng lên một càng van do dàn chịu trọng lượng truyền tới dưới dạng hai lực tập
trung G/4 có điểm dặt tại cánh dưới của hai dầm chính. Khi khơng có dàn chịu trọng
lượng thì hai lực tập trung G/4 đặt trên hai thanh cánh càng van và cánh gối bản lề
một khoảng bằng 0.8R. Nội lực trong càng van được tính với thời điểm khi cửa van
bắt đầu rời khỏi ngưỡng, ứng với vị trí cửa van chịu áp lực nước lớn nhất.
Sơ đồ tính tốn càng van chân thẳng được trình bày ở hình 1.17, với cửa van
chân xiên càng van được duỗi phẳng để tính.
b) Xác định nội lực trong càng van

Hình 1.17 – Sơ đồ tính tốn nội lực càng van
Ảnh hưởng của vị trí cối quay cửa van cung đến sự làm việc thực tế của cửa van.