Nghiên cứu mô hình tính toán kết cấu dẫn nước dạng giàn ống bằng thép (Luận văn thạc sĩ)

LỜI CAM ĐOAN

Họ tên học viên:

ĐỖ VĂN CHIẾN

Lớp cao học:

23C11

Chuyên ngành:

Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Thủy

Tên đề tài luận văn:
“Nghiên cứu mơ hình tính tốn kết cấu dẫn nước dạng giàn ống bằng thép”
Tác giả xin cam đoan đề tài luận văn hoàn toàn do tác giả làm, những kết quả nghiên
cứu tính tốn trung thực. Trong q trình làm luận văn tác giả có tham khảo các tài
liệu liên quan nhằm khẳng định thêm sự tin cậy và tính chính xác của đề tài. Tác giả
khơng sao chép từ bất kỳ nguồn nào khác, nếu vi phạm tác giả xin chịu trách nhiệm
trước Khoa và Nhà trường.
Hà Nội, ngày 29 tháng 09 năm 2017
Tác giả luận văn

Đỗ Văn Chiến

i


LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu mơ hình tính tốn kết cấu dẫn nước dạng giàn ống

bằng thép” đã được tác giả hoàn thành đúng thời hạn quy định và đảm bảo đầy đủ các
yêu cầu trong đề cương được phê duyệt.
Trong quá trình thực hiện, nhờ sự giúp đỡ tận tình của các thầy giáo Trường Đại học
Thuỷ Lợi, các công ty tư vấn và đồng nghiệp, tác giả đã hoàn thành luận văn này.
Tác giả chân thành biết ơn PGS. TS. Vũ Hoàng Hưng - Trưởng bộ mơn Kết Cấu Cơng
Trình - Trường Đại học Thuỷ Lợi đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ để tác giả hoàn thành
luận văn.
Tác giả chân thành cảm ơn các thầy giáo cô giáo đã tận tụy giảng dạy tác giả trong
suốt quá trình học Đại học và Cao học tại Trường Đại học Thuỷ Lợi.
Tuy đã có những cố gắng song do thời gian có hạn, trình độ bản thân cịn hạn chế, luận
văn này khơng thể tránh khỏi những tồn tại, tác giả mong nhận được những ý kiến
đóng góp và trao đổi chân thành của các thầy cô giáo, các anh chị em và bạn bè đồng
nghiệp. Tác giả rất mong muốn những vấn đề còn tồn tại sẽ được tác giả phát triển ở
mức độ nghiên cứu sâu hơn góp phần ứng dụng những kiến thức khoa học vào phục vụ
đời sống sản xuất.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 29 tháng 09 năm 2017
Tác giả luận văn

Đỗ Văn Chiến

ii


MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH .................................................................................. v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................... ix
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU DẪN NƯỚC DẠNG ỐNG ..................... 2

1.1.

Khái quát về kết cấu dẫn nước........................................................................... 2

1.1.1. Khái quát chung ................................................................................................ 2
1.1.2. Hình dạng thân máng ........................................................................................ 2
1.1.3. Kết cấu trụ đỡ.................................................................................................... 3
1.1.4. Kết cấu dẫn nước dạng ống thép........................................................................ 6
1.2. Kết luận Chương 1 .............................................................................................. 10
CHƯƠNG 2: TỐI ƯU KẾT CẤU THÉP BẰNG PHẦN MỀM SAP2000 ................. 11
2.1.

Phần mềm SAP2000 ....................................................................................... 11

2.1.1. Khái quát về phần mềm SAP2000 ................................................................... 11
2.1.2. Một số điểm cần chú ý khi sử dụng phần mềm SAP2000 phân tích trạng thái
ứng suất và biến dạng kết cấu dẫn nước. .................................................................... 11
2.1.3. Các bước tính tốn bằng SAP2000 .................................................................. 15
2.2.

Tính tốn tối ưu ............................................................................................... 16

2.2.1. Định nghĩa tối ưu ............................................................................................ 16
2.2.2. Các tiêu chí tối ưu ........................................................................................... 17
2.2.3. Quy trình để đạt tối ưu .................................................................................... 17
2.3.

Nghiên cứu kết cấu dẫn nước dạng giàn ống thép ............................................ 24

2.3.1. Tải trọng tác dụng lên kết cấu dẫn nước dạng giàn ống thép............................ 24

2.3.2. Phương pháp tính tốn kết cấu dẫn nước dạng ống thép .................................. 25
2.3.3. Những vấn đề cần nghiên cứu ......................................................................... 25
2.4.

Tính tốn tối ưu kết cấu thép bằng SAP2000 ................................................... 26

2.4.1. Phương pháp thiết kế tối ưu kết cấu trong SAP2000........................................ 26
2.4.2. Các bước tính tốn tối ưu các kết cấu cơ bản dầm, khung................................ 28
2.5.

Kết luận Chương 2 .......................................................................................... 56

CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH TÍNH TỐN KẾT CẤU DẪN NƯỚC DẠNG GIÀN ỐNG
THÉP QUA SÔNG KỲ CÙNG – LẠNG SƠN .......................................................... 57
3.1.

Giới thiệu cơng trình ....................................................................................... 57

iii


3.2.

Lựa chọn các hình thức kết cấu dẫn nước ....................................................... 57

3.2.1. Phương án ống thép liên tục............................................................................ 57
3.2.2. Phương án kết cấu dẫn nước bê tông cốt thép thường ..................................... 58
3.2.3. Phương án ống thép được đỡ bằng giàn thép................................................... 58
3.2.4. Đề xuất phương án nghiên cứu ....................................................................... 59
3.3. Tính tốn tối ưu và phân tích kết cấu vận chuyển nước dạng giàn ống bằng thép

ống tròn bằng phần mềm SAP2000 ........................................................................... 60
3.3.1. Phương án 1: Dùng 2 ống thép - Kết cấu dẫn nước bằng thép ống tròn kết hợp
làm giàn thép............................................................................................................. 60
3.3.2. Phương án 2: Dùng 1 ống thép - Kết cấu dẫn nước bằng thép ống tròn kết hợp
làm giàn thép............................................................................................................. 75
3.4.

So sánh và nhận xét 2 phương án trên ............................................................. 87

3.5.

Kết luận Chương 3.......................................................................................... 87

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 89

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Sơ đồ mặt cắt dọc kết cấu dẫn nước thơng thường ......................................... 2
Hình 1.2 Các mặt cắt ngang thân máng ........................................................................ 2
Hình 1.3 Kết cấu kết cấu dẫn nước bằng thép ống tròn kết hợp làm giàn thép .............. 3
Hình 1.4 Sơ đồ bố trí trụ đỡ kiểu cơng xơn kép ............................................................ 3
Hình 1.5 Kết cấu dẫn nước bê tông cốt thép sử dụng sơ đồ dầm đỡ kiểu cơng xơn kép 4
Hình 1.6 Gối đỡ kết cấu dẫn nước kiểu vòm (a) và kiểm vịm treo (b) ......................... 4
Hình 1.7 Hình ảnh kết cấu dẫn nước dạng vịm ............................................................ 4
Hình 1.8 Kết cấu gối đỡ ............................................................................................... 5
Hình 1.9 Các kiểu trụ đỡ .............................................................................................. 5
Hình 1.10 Ống thép đặt trực tiếp lên trụ ....................................................................... 6

Hình 1.11 Ống thép được gia cường bằng các sườn dọc và ngang................................ 7
Hình 1.12 Ống thép là một bộ phận của giàn chịu lực .................................................. 7
Hình 1.13 Ống thép được đặt trên mố trụ cầu giao thơng ............................................. 8
Hình 1.14 Ống thép được đặt trên bản mặt cầu bê tơng cốt thép................................... 8
Hình 1.15 Ống thép được đặt trên giàn bê tơng cốt thép............................................... 8
Hình 1.16 Kết cấu giàn đỡ ống .................................................................................... 9
Hình 1.17 Đường ống dẫn nước số 2 sông Đà sử dụng kết cấu giàn thép đỡ ống.......... 9
Hình 2.1 Tuyến tính hóa hàm A(I) ............................................................................. 20
Hình 2.2 Sơ đồ tính tốn giàn phẳng .......................................................................... 21
Hình 2.3 Đường quan hệ giữa trọng lượng và mômen dẻo ......................................... 22
Hình 2.4 Sơ đồ cơ cấu phá hủy dẻo ............................................................................ 23
Hình 2.5 Xác định nghiệm tối ưu bằng đồ thị............................................................. 24
Hình 2.6 Sơ đồ tính tốn dầm .................................................................................... 31
Hình 2.7 Mơ hình hóa dầm ........................................................................................ 31
Hình 2.8 AUTO1 là nhóm các số hiệu tiết diện để tự động chọn cho dầm.................. 32
Hình 2.9 Gán các tiết diện cho ̣n tự động cho dầm ...................................................... 32
Hình 2.10 Lệnh hiển thị kết quả thiết kế dầm ............................................................. 33
Hình 2.11 Hiển thị tiết diện thiết kế cho dầm ............................................................. 33
Hình 2.12 Hệ số ứng suất của dầm ứng với tiết diện phân tích ................................... 33
Hình 2.13 Gán tiết diện thiết kế vào dầm ................................................................... 34
Hình 2.14 Hệ số ứng suất của dầm ứng với tiết diện thiết kế ...................................... 34

v


Hình 2.15 Sơ đồ tính tốn khung ............................................................................... 35
Hình 2.16 Sơ đồ tính tốn khung với các tiết diện dầm, cột chọn sơ bộ ..................... 36
Hình 2.17 Lệnh hiển thị hệ số ứng suất ..................................................................... 36
Hình 2.18 Hệ số ứng suất ứng với các tiết diện chọn sơ bộ ........................................ 37
Hình 2.19 Xuất hệ số ứng suất................................................................................... 37

Hình 2.20 Hiển thị các phần tử có hệ số sử dụng vật liệu k >1................................... 38
Hình 2.21 Hiển thị các phần tử có hệ số sử dụng vật liệu k >1................................... 39
Hình 2.22 Chọn nhóm các tiết diện tự động chọn cho dầm AUTO1-D và AUTO2-D 41
Hình 2.23 Chọn nhóm các tiết diện tự động chọn cho cột AUTO1-C và AUTO2-C .. 41
Hình 2.24 Hệ số ứng suất ứng với tiết diện phân tích ................................................ 42
Hình 2.25 Lệnh hiển thị tiết diện thiết kế................................................................... 43
Hình 2.26 Hiển thị tiết diện phân tích và tiết diện thiết kế ......................................... 43
Hình 2.27 Gán tiết diện thiết kế vào khung................................................................ 44
Hình 2.28 Hệ số ứng suất ứng với tiết diện thiết kế ................................................... 44
Hình 2.29 Hiển thị tiết diện chọn cuối cùng .............................................................. 45
Hình 2.30 Hệ số ứng suấ t ứng với các tiết diện thiế t kế ............................................. 46
Hình 2.31 Sơ đồ tính tốn giàn phẳng........................................................................ 47
Hình 2.32 Mơ hình tính tốn giàn .............................................................................. 49
Hình 2.33 Hệ số sử dụng vật liệu của các thanh giàn ................................................. 49
Hình 2.34 Danh sách thép ống vng AUTO-CT chọn tự động cho cánh thượng và
thép ống tròn AUTO-CH chọn tự động cho cánh hạ .................................................. 51
Hình 2.35 Danh sách thép ống chọn tự động cho thanh bụng giữa AUTO-BG và thanh
bụng ở đầu AUTO-BD .............................................................................................. 51
Hình 2.36 Sơ đồ tiết diện phân tích của các thanh giàn .............................................. 52
Hình 2.37 Hệ số sử dụng vật liệu trên cơ sở tiết diện phân tích.................................. 52
Hình 2.38 Sơ đồ tiết diện thiết kế của các thanh giàn................................................. 52
Hình 2.39 Hệ số sử dụng vật liệu ứng với tiết diện thiết kế........................................ 53
Hình 2.40 Gán liên kết khớp vào hai đầu các phần tử thanh ...................................... 54
Hình 2.41 Mơ hình giàn có các phần tử thanh nối khớp ............................................. 54
Hình 2.42 Hệ số ứng suất ứng với tiết diện phân tích ................................................ 55
Hình 2.43 Hệ số ứng suất ứng với tiết diện thiết kế ................................................... 55
Hình 3.1 Kết cấu dẫn nước kiểu giàn liên tục 3 nhịp ................................................. 58
Hình 3.2 Mặt cắt ngang thân kết cấu dẫn nước .......................................................... 58
Hình 3.3 Kết cấu dẫn nước bê tông cốt thép nhịp đơn dài 18 [m] .............................. 58
vi

Hình 3.4 Mặt bằng cánh hạ giàn và ống dẫn nước ...................................................... 59
Hình 3.5 Giàn đỡ ống thép ......................................................................................... 59
Hình 3.6 Phương án 1 ống thép (nhịp giàn thứ 1)....................................................... 60
Hình 3.7 Phương án 2 ống thép (nhịp giàn thứ 1)....................................................... 60
Hình 3.8. Kết cấu dẫn nước kiểu giàn liên tục 3 nhịp ................................................. 61
Hình 3.9 Kết cấu nhịp thứ 1 ....................................................................................... 61
Hình 3.10 Mặt cắt ngang thân kết cấu dẫn nước ......................................................... 61
Hình 3.11 Sơ đồ ALN tác dụng lên kết cấu dẫn nước nhịp thứ 1 ................................ 62
Hình 3.12 Mặt cắt A-A và sơ đồ áp lực gió ngang ..................................................... 62
Hình 3.13 Biểu đổ lực dọc P tồn nhịp....................................................................... 65
Hình 3.14 Biểu đồ mơ men uốn M3 tồn nhịp ........................................................... 66
Hình 3.15 Hệ số sử dụng vật liệu nhịp thứ 1 .............................................................. 66
Hình 3.16 Hệ số sử dụng vật liệu thanh cánh hạ D1000x10 [mm] tại nhịp thứ 1 ........ 69
Hình 3.17 Hệ số sử dụng vật liệu thanh cánh thượng tại nhịp thứ 1............................ 70
Hình 3.18 Tiết diện tối ưu cho thanh cánh thượng ..................................................... 70
Hình 3.19 Hệ số sử dụng vật liệu thanh bụng giàn và các thanh nối giữa 2 thanh cánh
hạ tại nhịp thứ 1 ......................................................................................................... 71
Hình 3.20 Tiết diện tối ưu cho thanh bụng giàn và các thanh nối giữa 2 thanh cánh hạ
tại nhịp số 1 ............................................................................................................... 72
Hình 3.21 Tiết diện tối ưu cho các thanh giàn cho nhịp thứ 1..................................... 73
Hình 3.22 Tiết diện tối ưu cho các thanh giàn cho nhịp thứ 2..................................... 73
Hình 3.23 Tiết diện tối ưu cho các thanh giàn cho nhịp thứ 3..................................... 73
Hình 3.24 Biểu đồ chuyển vị do TH1......................................................................... 74
Hình 3.25 Kết cấu dẫn nước kiểu giàn liên tục 3 nhịp ................................................ 75
Hình 3.26 Kết cấu nhịp thứ nhất ................................................................................ 75
Hình 3.27 Mặt bằng giàn nối 2 thanh cánh thượng nhịp thứ nhất ............................... 75
Hình 3.28 Sơ đồ ALN tác dụng lên kết cấu dẫn nước nhịp thứ 1 ................................ 76
Hình 3.29 Mặt cắt ngang thân kết cấu dẫn nước ......................................................... 76

Hình 3.30 Kết cấu giàn gối và sơ đồ áp lực gió ngang ............................................... 77
Hình 3.31 Biểu đồ lực dọc P nhịp số 1 ....................................................................... 80
Hình 3.32 Biểu đồ giá trị lực dọc P lớn nhất nhịp số 1 ............................................... 80
Hình 3.33 Biểu đổ mơ men uốn M3 nhịp số 1 ............................................................ 81
Hình 3.34 Biểu đổ giá trị mô men uốn M3 lớn nhất nhịp số 1 .................................... 81
Hình 3.35 Hệ số sử dụng vật liệu thanh cánh thượng D1400x10 [mm] nhịp số 1 ....... 82
vii


Hình 3.36 Hệ số sử dụng vật liệu thanh cánh thượng D300x8 [mm] nhịp số 1........... 82
Hình 3.37 Hệ số sử dụng vật liệu thanh D200x8 [mm] nhịp số 1 ............................... 83
Hình 3.38 Biểu đồ chuyển vị nhịp giàn thứ 1............................................................. 85
Hình 3.39 Biểu đồ chuyển vị nhịp giàn thứ 2............................................................. 85
Hình 3.40 Biểu đồ chuyển vị nhịp giàn thứ 3............................................................. 86

viii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Hệ số ứng suấ t ứng với tiết diện phân tích .................................................. 38
Bảng 2.2 Hệ số sử dụng vật liệu ứng với các tiết diện thiết kế.................................... 45
Bảng 2.3 Phản lực khung ứng với phương án thiết kế tối ưu ...................................... 46
Bảng 2.4 Phản lực khung ứng với phương án tiết diện chọn....................................... 46
Bảng 2.5 Trọng lượng của khung ứng với 2 phương án chọn tiết diện khung ............. 46
Bảng 2.6 Hệ số sử dụng vật liệu ứng với tiết diện chọn sơ bộ .................................... 49
Bảng 2.7. Hệ số ứng suất ứng với tiết diện thiết kế .................................................... 53
Bảng 2.8 Hệ số ứng suất ứng với tiết diện thiế t kế ..................................................... 56
Bảng 3.1 Trọng lượng bản thân kết cấu dẫn nước ...................................................... 63
Bảng 3.2 Tổng áp lực nước tác dụng lên máng .......................................................... 63
Bảng 3.3 Tổng áp lực gió ngang tác dụng lên máng ................................................... 64

Bảng 3.4 Hệ số sử dụng vật liệu thanh cánh hạ D1000x10 [mm] tại nhịp thứ 1.......... 67
Bảng 3.5 Hệ số sử dụng vật liệu thanh cánh thượng D300x8 [mm] tại nhịp số 1 ........ 67
Bảng 3.6 Hệ số sử dụng vật liệu thanh bụng giàn và các thanh nối giữa 2 thanh cánh hạ
D200x8 [mm] tại nhịp số 1 ........................................................................................ 68
Bảng 3.7 Hệ số sử dụng vật liệu thanh cánh hạ D1000x10 [mm] tại nhịp thứ 1.......... 69
Bảng 3.8 Hệ số sử dụng vật liệu thanh cánh thượng tại nhịp thứ 1 ............................. 70
Bảng 3.9 Hệ số sử dụng vật liệu thanh bụng giàn và các thanh nối giữa 2 thanh cánh hạ
tại nhịp thứ 1.............................................................................................................. 71
Bảng 3.10 Chuyển vị tại giữa nhịp 1 và nhịp 2........................................................... 74
Bảng 3.11 Trọng lượng bản thân máng ...................................................................... 77
Bảng 3.12 Tổng áp lực nước tác dụng lên kết cấu dẫn nước....................................... 78
Bảng 3.13 Tổng áp lực gió ngang tác dụng lên máng ................................................. 79
Bảng 3.14 Hệ số sử dụng vật liệu thanh cánh hạ D1400x10 [mm] nhịp số 1 .............. 82
Bảng 3.15 Hệ số sử dụng vật liệu thanh cánh thượng D300x8 [mm] nhịp số 1........... 83
Bảng 3.16 Hệ số sử dụng vật liệu thanh D200x8 [mm] nhịp số 1 ............................... 84
Bảng 3.17 Chuyển vị lớn nhất tại giữa nhịp 1 và nhịp 2 ............................................. 86

ix



MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của Đề tài
Kết cấu dẫn nước là cơng trình thường gặp trong cơng trình thủy lợi, thủy điện dùng để
dẫn nước khi vượt qua các địa hình như thung lũng, sơng, suối… Khi cần vượt qua các
nhịp quá lớn, kết cấu dẫn nước bê tông cốt thép hoặc xi măng lưới thép ứng suất trước
không đáp ứng được hoặc xem xét thay thế xi phông, nhất là khi khơng có u cầu kết
hợp giao thơng, thì kết cấu dẫn nước dạng giàn ống bằng thép nhịp lớn là kết cấu cần
được xem xét và có ý nghĩa lớn trong thực tiễn.
Trong luận văn này tác giả chọn kết cấu dẫn nước dạng giàn ống bằng thép dùng để

chuyển nước, các thanh còn lại cũng bằng thép ống tạo thành kết cấu dạng giàn ống có
thể vượt qua được các nhịp lớn. Đường kính thanh cánh hạ được chọn theo yêu cầu
vận chuyển nước, các thanh cịn lại được thiết kế theo lý thuyết tính tốn tối ưu.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu mơ hình tính toán kết cấu dẫn nước dạng giàn ống bằng thép ống trong đó
sử dụng chức năng thiết kế tối ưu kết cấu thép trong phần mềm SAP2000 để chọn kích
thước các thanh giàn thỏa mãn về yêu cầu trọng lượng nhỏ nhất; cường độ và độ cứng
được tối ưu nhất.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết tính tốn thiết kế tối ưu kết cấu thép dạng giàn ống nhịp lớn
trong phần mềm SAP2000 trên cơ sở mơ hình tính tốn bằng phương pháp phần tử
hữu hạn.
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Xây dựng được mơ hình tính tốn kết cấu dẫn nước dạng giàn ống bằng thép nhịp lớn
theo lý thuyết tính tốn tối ưu có thể giảm được mố trụ, giảm được vốn đầu tư xây
dựng cơng trình và áp dụng tính tốn cho một cơng trình cụ thể.

1


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU DẪN NƯỚC DẠNG ỐNG
1.1.

Khái quát về kết cấu dẫn nước

1.1.1. Khái quát chung
Kết cấu dẫn nước là kết cấu thường gặp trong công trình thủy lợi, thủy điện. Trong
những trường hợp kênh dẫn phải vượt qua thung lũng, sơng suối... có thể dùng phương
án kết cấu dẫn nước để đảm bảo việc dẫn nước trong kênh [4]. Với cầ u máng bê tông
cố t thép thông thường nhip̣ cầ u máng da ̣ng dầ m đơn chı̉ vào khoảng từ 10 [m] đến 15

[m], khi sử dụng thêm kết cấu ứng suất trước thì nhịp kết cấu dẫn nước có thể tăng lên
nói chung không quá 30 [m]. Để giảm đươ ̣c số lươ ̣ng các gố i đỡ, đă ̣c biê ̣t có hiê ̣u quả
khi cầ u máng cầ n vươ ̣t qua các khe vách núi sâu, hiểm trở không bố trı́ đươc̣ các mố
giữa, cần nghiên cứu sử dụng kết cấu cầ u máng dạng giàn ống bằng thép nhịp lớn.

Hình 1.1 Sơ đồ mặt cắt dọc kết cấu dẫn nước thông thường
1. Cửa vào; 2. Mố bên; 3. Thân kết cấu; 4. Gối đỡ; 5. Khe co giãn; 6. Cửa ra; 7. Kênh
1.1.2. Hình dạng thân máng
Thân máng làm nhiệm vụ chuyển nước, mặt cắt ngang dạng chữ nhật, bán nguyệt,
parabol, chữ U hoặc hình trịn... Vật liệu được dùng để xây dựng máng có thể là gỗ,
gạch đá xây, bê tông cốt thép, xi măng lưới thép hoặc thép. Tiết diện máng phải đủ để
chuyển nước, độ nhám nhỏ tránh tổn thất cột nước, vật liệu thân máng phải bền và ít
thấm nước.
Chọn hình thức mặt cắt ngang thân máng phải dựa vào tính tốn thủy lực, vật liệu làm
thân máng, hình thức kết cấu trụ đỡ, đoạn nối tiếp cửa vào và cửa ra.

a)

b)
c)
d)
Hình 1.2 Các mặt cắt ngang thân máng
a. Hình chữ nhật; b. Hình thang; c. Hình chữ U; d. Hình trịn
2


Kết cấu dẫn nước bằng thép ống tròn kết hợp làm giàn thép có khả năng chịu lực tốt,
thỏa mãn yêu cầu đồng thời về chịu lực và cấu tạo cũng như tối ưu về mặt trọng lượng.

Hình 1.3 Kết cấu kết cấu dẫn nước bằng thép ống tròn kết hợp làm giàn thép

1.1.3. Kết cấu trụ đỡ
Nếu kết cấu dẫn nước dài có thể đặt trên gối đỡ theo hình thức dầm liên tục hoặc dầm
cơng xơn kép. Loại có dầm cơng xơn kép (Hình 1.4) khi chọn chiều dài của nhịp L và
chiều dài của đầu thừa a theo quan hệ L = 2,7a thì giá trị mơmen âm và dương lớn nhất
xảy ra trong dầm sẽ bằng nhau, tiện cho bố trí cốt thép.

a

l

a

Hình 1.4 Sơ đồ bố trí trụ đỡ kiểu cơng xơn kép

Kết cấu dẫn nước dựa vào gối đỡ theo nhiều hình thức, tuỳ theo tình hình cụ thể mà
lựa chọn. Có thể chỉ kê hai đầu vào bờ theo hình thức gối tự do. Máng có thể đặt
trực tiếp trên gối đỡ (Hình 1.6a) hoặc trên hệ thống dầm dọc (Hình 1.6b). Trường hợp
kết cấu dẫn nước vượt qua lịng sơng sâu và không rộng, nước chảy lại khá xiết, nếu
hai bờ tốt, vẫn có thể dùng hình thức dầm liên tục và các gối đỡ tựa trên một vịng vịm
(Hình 1.6a). Trường hợp địa chất hai bên bờ yếu, dùng hình thức vịm treo (Hình 1.6b)
để giảm lực truyền cho hai bờ. Lúc đó thành máng chịu kéo theo phương đứng.

3


Hình 1.5 Kết cấu dẫn nước bê tơng cốt thép sử dụng sơ đồ dầm đỡ kiểu cơng xơn kép

(a)
(b)
Hình 1.6 Gối đỡ kết cấu dẫn nước kiểu vòm (a) và kiểm vịm treo (b)

Hình 1.7 Hình ảnh kết cấu dẫn nước dạng vòm

4


Gối đỡ thân máng gồm có gối đỡ ở bên (mố bên) và gối đỡ ở giữa (trụ giữa). Mố bên
thường dùng kiểu trọng lực (Hình 1.8), cịn trụ giữa khi chiều cao trụ không lớn cũng
hay dùng kiểu trọng lực, khi chiều cao của trụ lớn thường dùng kiểu khung hoặc kiểu
hỗn hợp.

Hình 1.8 Kết cấu gối đỡ
1. Mố biên kiểu trọng lực; 2. Cửa vào; 3. Thân máng; 4. Phần đất đắp;
5. Thiết bị thoát nước; 6. Mặt đất tự nhiên; 7. Trụ giữa
Trụ giữa kiểu trọng lực có thể bằng gạch xây, bằng đá xây hoặc bê tơng, thường dùng
có các trụ có chiều cao dưới 10 [m], trọng lượng bản thân của trụ kiểu trọng lực
thường rất lớn, do đó địi hỏi nền phải có sức chịu tải lớn (Hình 1.9a). Trụ đỡ kiểu
khung có hai loại: khung đơn và khung kép, khung đơn thường dùng cho các trụ cao
dưới 15 [m] (Hình 1.9b), cịn trụ kép thường dùng khi các trụ có chiều cao từ 15 [m]
đến 20 [m] (Hình 1.9c). Móng của mố và trụ có thể đặt trực tiếp lên nền tự nhiên, khi
nền yếu có thể đặt trên nền cọc.

a)

b)
c)
Hình 1.9 Các kiểu trụ đỡ
a. Trụ kiểu trọng lực; b. Trụ kiểu khung đơn; c. Trụ kiểu khung kép

5

1.1.4. Kết cấu dẫn nước dạng ống thép
1.1.4.1. Khái quát chung
Kết cấu dẫn nước bằng thép ống thường dùng để dẫn chất khí hay chất lỏng có áp,
trong trường hợp dẫn nước có áp này dùng giàn liên tục có chiều dài nhịp bằng khoảng
cách trung tâm giữa hai trụ cầu. Mặt cắt ngang kết cấu dẫn nước chọn 2 ống dẫn nước
hoặc 1 ống dẫn nước thỏa mãn điều kiện lưu lượng. Thanh cánh hạ của giàn, cánh
thượng và các thanh bụng giàn cũng dùng thép ống có đường kính chọn sao cho trọng
lượng của giàn là nhỏ nhất, đồng thời thỏa mãn yêu cầu về chịu lực và cấu tạo.
Kết cấu dẫn nước dạng ống thép trịn có ưu điểm là bảo đảm tốt các yêu cầu thủy lực
nên tổn thất cột nước qua cơng trình khá nhỏ. Việc xây dựng, quản lý tương đối dễ
dàng, thuận lợi hơn nữa khi thi công kết cấu dẫn nước ống thép tương đối nhanh và
thẩm mỹ. Ngoài ra kết cấu dẫn nước ống thép có thể gác trên các mố hoặc trụ cầu giao
thông hoặc đặt trực tiếp trên mặt cầu giao thông mà không ảnh hưởng đến kết cấu
chung hoặc làm mố và trụ kích thước khơng lớn khi vượt địa hình hiểm trở.
1.1.4.2. Các hình thức kết cấu dẫn nước dạng ống thép
Khi nhịp ống thép không lớn có thể đặt trực tiếp ống thép lên mố trụ (Hình 1.10), bản
thân ống thép làm việc như kết cầu dầm liên tục tiết diện trịn.

Hình 1.10 Ống thép đặt trực tiếp lên trụ

6


Để tăng cường khả năng chịu lực của ống thép, bên ngồi ống thép có thể hàn thêm
các sườn gia cường dọc và ngang (Hình 1.11). Ngồi ra có thể coi ống thép là một bộ
phận của giàn để kéo dài nhịp của ống thép (Hình 1.12).

Hình 1.11 Ống thép được gia cường bằng các sườn dọc và ngang

Hình 1.12 Ống thép là một bộ phận của giàn chịu lực
Khi có u cầu về giao thơng nên kết hợp trên mố trụ cầu để giảm chi phí đầu tư xây
dựng cơng trình (Hình 1.13). Ngồi ra có thể đặt trực tiếp lên bản mặt cầu bê tơng cốt
thép (Hình 1.14) hoặc giàn bê tơng cốt thép (Hình 1.15).

7


Hình 1.13 Ống thép được đặt trên mố trụ cầu giao thơng

Hình 1.14 Ống thép được đặt trên bản mặt cầu bê tơng cốt thép

Hình 1.15 Ống thép được đặt trên giàn bê tông cốt thép
Khi ống thép vượt qua nhịp đặc biệt lớn và đường kính ống thép lớn không nên cho
ống thép tham gia chịu lực, nên tách riêng kết cấu giàn để đỡ ống thép (Hình 1.16 và
Hình 1.17).

8


Hình 1.16 Kết cấu giàn đỡ ống

Hình 1.17 Đường ống dẫn nước số 2 sông Đà sử dụng kết cấu giàn thép đỡ ống
9


1.2. Kết luận Chương 1
1. Vấn đề tổng hợp, lợi dụng nguồn nước là một bài toán tổng hợp cho các nhà quản
lý, thiết kế, xây dựng thủy lợi - thủy điện. Trong đó hệ thống kênh và cơng trình trên

kênh đóng vai trị quan trọng như huyết mạch trong các hệ thống thủy lợi. Việc tính
tốn thiết kế, xây dựng kênh và cơng trình trên kênh phụ thuộc vào điều kiện địa hình,
địa chất.
2. Với các vùng có điều kiện địa hình phức tạp như các tỉnh miền núi phía Bắc, các
tỉnh Tây Nguyên... hệ thống kênh thường đi qua các vùng có địa hình phức tạp như:
sơng, suối, thung lũng sâu và hẹp thì việc sử dụng kết cấu dẫn nước luôn là lựa chọn
số một của các nhà thiết kế vì các tính năng ưu việt của nó.
3. Các cơng trình thủy lợi lớn nhỏ ở nước ta hầu hết đều có sử dụng kết cấu dẫn nước,
việc sử dụng kết cấu dẫn nước đem lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật.
4. Có nhiều loại kết cấu dẫn nước đã được nghiên cứu và sử dụng trong thực tế: theo
vật liệu sử dụng có kết cấu dẫn nước bằng gỗ; kết cấu dẫn nước bằng gạch; kết cấu dẫn
nước bằng đá xây; kết cấu dẫn nước bê tông cốt thép; kết cấu dẫn nước xi măng lưới
thép vỏ mỏng; kết cấu dẫn nước giàn ống bằng thép. Theo hình thức kết cấu có sơ đồ
kết cấu giàn thép, kết cấu dẫn nước có mặt cắt hình trịn, kết cấu dẫn nước có thanh
cánh thượng, thanh cánh hạ và thanh bụng tạo thành giàn thép.
5. Tùy theo điều kiện và u cầu của từng cơng trình cụ thể, chúng ta sử dụng loại kết
cấu dẫn nước cho phù hợp để đảm bảo điều kiện kinh tế và kỹ thuật.

10


CHƯƠNG 2: TỐI ƯU KẾT CẤU THÉP BẰNG PHẦN MỀM SAP2000
2.1.

Phần mềm SAP2000

2.1.1. Khái quát về phần mềm SAP2000
Phần mềm tính tốn kết cấu SAP2000 (Structural Analysis Program) được phát triển
bởi công ty CSI (Computer and Structures, Inc) của Hoa Kỳ và nổi tiếng trên phạm vi
toàn cầu. Đây là phần mềm mạnh phân tích và thiết kế kết cấu trên cơ sở phương pháp

phần tử hữu hạn theo mô hình chuyển vị. Trải qua hơn 30 năm kiểm nghiệm phân tích
kết cấu thực tế và khơng ngừng đổi mới cho phù hợp với sự phát triển của phương
pháp phần tử hữu hạn, hiện nay đã phát triển đến phiên bản SAP2000 v19.
2.1.2. Một số điểm cần chú ý khi sử dụng phần mềm SAP2000 phân tích trạng thái
ứng suất và biến dạng kết cấu dẫn nước
2.1.2.1.

Phương pháp phần tử hữu hạn

Phần tử hữu hạn là phương pháp đang được áp dụng phổ biến hiện nay, vì phương
pháp này rất thuận tiện cho áp dụng máy tính điện tử, cho phép tính tốn kết cấu với
những sơ đồ tính tốn phức tạp, phản ánh tương đối đầy đủ tình hình làm việc của kết
cấu thực; cho phép tự động hóa tính chất kết cấu, tiết kiệm được nhiều lao động và
thời gian [3].
Các mơ hình trong phương pháp phần tử hữu hạn:
- Mơ hình tương thích: Ứng với mơ hình này người ta biểu diễn gần đúng dạng phân
bố của chuyển vị trong phần tử. Hệ phương trình cơ bản của bài tốn sử dụng mơ hình
này được thiết lập trên cơ sở ngun lý biến phân Lagrange.
- Mơ hình cân bằng: Ứng với mơ hình này người ta biểu diễn gần đúng dạng phân bố
của ứng suất hay nội lực trong phần tử. Hệ phương trình cơ bản của bài tốn sử dụng
mơ hình này được thiết lập trên cơ sở ngun lý biến phân Castiglino.
- Mơ hình hỗn hợp: Ứng với mơ hình này người ta biểu diễn gần đúng dạng phân bố
của cả chuyển vị và ứng suất trong phần tử. Hệ phương trình cơ bản của bài tốn sử
dụng mơ hình được thiết lập trên cơ sở nguyên lý biến phân Reisner-Hellinger.

11


2.1.2.2.

Phương trình cơ bản của phần tử hữu hạn

Phương trình cơ bản của phương pháp phân tử hữu hạn với mơ hình tương thích được
thiết lập trên cơ sở ngun lý biến phân Lagrange khi có chuyển vị khả dĩ cho phép
(phù hợp với liên kết của hệ), nếu vật thể ở trạng thái cân bằng và thỏa mãn các điều
kiện biên thì thế năng tồn phần của hệ đạt giá trị dừng:
(2-1)

    (U  W )  0
Trong bài tốn tĩnh, biểu thức thế năng tồn phần của phần tử có dạng:
e 

1

2



Ve

 Te  e dv 



Ve

u Te (p b ) e dv 



Se

u Te ( p s ) e ds 


(2-2)

Trong đó:
e, e - vectơ ứng suất và vectơ biến dạng;
Ve, Se - thể tích của phần tử và diê ̣n tích đặt tải trọng bề mặt;
(pb)e, (ps)e - vectơ lực khối và vectơ tải trọng bề mặt.
Với vật liệu đàn hồi tuyến tính, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng như sau:
e = D * e

(2-3)

Trong đó:
D là ma trận các hằng số vật liệu và là ma trận đối xứng.
Thay (2.3) vào (2.2), ta có:
e 

1

2



Ve

 Te D e dv 



Ve

u Te ( p b ) e dv 



Se

u Te ( p s ) e ds 


(2-4)

Từ nguyên lý thế năng toàn phần ta viết được:
e  Te 


 B DB  dv  
Ve

T
e

e

e

Ve

NTe (pb ) e dv 

 N
Se


T
e (ps ) e ds  0


(2-5)

Do biến phân  là tuỳ ý, nên từ (2. 5) có phương trình cân bằng của phần tử như sau:

12


 

Ve



BeT DBe  e dv   N eT ( pb ) e dv   N eT ( ps ) e ds  0
Ve

Se

(2-6)

hoặc viết dưới dạng:
Kee= Fe = (Fb)e + (Fs)e

(2-7)

Trong đó:
e - vectơ chuyển vị nút của phần tử;
Ke, Fe - ma trận độ cứng và vectơ tải trọng nút của phần tử trong hệ tọa độ địa
phương, được xác định theo công thức sau:

K e  V BeT DBe dv

(2-8)

e

Fe  V N eT ( pb )e dv  S N eT ( ps )e ds
e

e

(2-9)

Viết cơng thức (2.7) cho tồn kết cấu ta được:
K * = F

(2-10)

Trong đó:
 - vectơ chuyển vị nút của kết cấu;
K, F - ma trận độ cứng và vectơ tải trọng nút của kết cấu trong hệ to ̣a độ tổng
thể, được xác định theo công thức sau:
ne

ne

e

e 1

K   K eL   LTe K e Le
ne

ne

e

e1

(2-11)

F   FeL   LTe Fe

(2-12)

Trong đó:
Ma trận độ cứng K và vectơ tải trọng nút F của kết cấu bằng tổng ma trận độ
cứng Ke và vectơ tải trọng nút Fe của phần tử trong hệ to ̣a độ tổng thể được định

13


vị trong ma trân độ cứng và vectơ tải trọng nút của kết cấu nhờ ma trận định vị
Le và được ký hiệu lần lượt là K eL và FeL .
Ma trận độ cứng Ke và vectơ tải trọng nút Fe của phần tử trong hệ to ̣a độ tổng
thể được xác định từ ma trận độ cứng K e và vectơ tải trọng nút F e của phần tử
trong hệ to ̣a độ địa phương nhờ ma trận biến đổi to ̣a độ Te như sau:
(2-13)

K e  TeT K e Te
Fe  TeT F e

Trong đó:

0
0
 cos sin  0
  sin  cos 0
0
0

 0
0
1
0
0
Te = 
0

0 cos  sin 
 0
 0
0
0  sin  cos 

0
0
0
0
 0
2.1.2.3.

0
0

0

0
0

1

(2-14)

Trình tự giải bài tốn kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Để tính tốn một kết cấu đàn hồi tuyến tính theo phương pháp phần tử hữu hạn tương
ứng với mơ hình chuyển vị, ta thực hiện theo trình tự sau:
1. Chọn loại và dạng hình học của phần tử hữu hạn;

2. Rời rạc hóa kết cấu thành một lưới các phần tử hữu hạn, mức độ thưa mau phụ
thuộc vào yêu cầu quy định về độ chính xác của kết quả tính tốn. Lập véc tơ chuyển
vị nút của tồn kết cấu rời rạc hóa {} (véc tơ chuyển vị);
3. Giả thiết hàm chuyển vị cho phần tử đã chọn để tính tốn;
4. Lập ma trận độ cứng của các phần tử dưới dạng các công thức để có thể tính ma trận
độ cứng của từng phần tử;
5. Tập hợp các ma trận độ cứng thành ma trận độ cứng của toàn kết cấu rời rạc hóa
phù hợp chặt chẽ với véc tơ chuyển vị nút về thứ tự, thành phần và kích thước;
14


6. Xác định véc tơ tải tương đương (lực nút) của kết cấu rời rạc hóa bằng các tập hợp
các véc tơ tải của từng phần tử. Véc tơ tải này tương ứng với véc tơ chuyển vị nút về
thứ tự và thành phần;
7. Dùng điều kiện biên của kết cấu để khử tính suy biến của ma trận độ cứng của kết
cấu đã lập ở bước 5;
8. Giải hệ phương trình: [K] * {} = {F} để tìm véc tơ chuyển vị nút của kết cấu rời
rạc hóa;
9. Xác định nội lực, ứng suất của từng phần tử;
10. Vẽ các biểu đồ biểu diễn kết quả.
Việc giải bài toán kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn có thể thực hiện trên máy
tính thơng qua các phần mềm thơng dụng như SAP2000, ANSYS, ABAQUS,
MIDAS…
2.1.3. Các bước tính tốn bằng SAP2000
a. Chọn hệ đơn vị.
b. Mơ hình hóa kết cấu từ thư viện kết cấu hay tự vẽ.
c. Định nghĩa vật liệu.
d. Định nghĩa đặc trưng hình học của phần tử kết cấu.
e. Định nghĩa tải trọng và tổ hợp tải trọng.
f. Gán đặc trưng hình học vào các phần tử kết cấu đã mơ hình hóa.

g. Gán các trường hợp tải trọng vào kết cấu đã mơ hình hóa.
h. Đặt tên file bài tốn.
i. Chạy chương trình và hiển thị kết quả tính tốn.

15