Nghiên cứu phương pháp thiết kế cầu máng loại lớn theo sơ đồ không gian bằng phương pháp phần tử hữu hạn

LỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật “Nghiên cứu phương pháp thiết kế cầu máng
loại lớn theo sơ đồ khơng gian bằng phương pháp PTHH ” được hồn thành nhờ
sự hướng dẫn tận tình của TS. Nguyễn Trí Trinh cùng với các thầy cô ở Trường Đại
học Thủy lợi cũng như sự tạo điều kiện và giúp đỡ của gia đình và người thân.
Tác giả xin cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của TS. Nguyễn Trí Trinh, đồng
cảm ơn các thầy cô ở Trường Đại học Thủy lợi, Khoa Cơng trình, Bộ mơn Sức Bền
Kết Cấu đã tạo điều kiện và giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này.
Tác giả cũng xin cảm ơn sự động viên giúp đỡ, chia sẻ, cổ vũ tinh thần của
người thân, gia đình và bạn bè để tác giả có thể hồn thành luận văn.
Do thời gian và trình độ có hạn nên luận văn khơng thể tránh được những
thiếu sót nên tác giả rất mong nhận được ý kiến chia sẻ, đóng góp của các thầy cơ,
bạn bè đồng nghiệp để luận văn đáp ứng được những mục tiêu đề ra.
Hà Nội, ngày

tháng 08 năm 2013

Tác giả luận văn

Trần Văn Tuỳnh


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là Trần Văn Tuỳnh, tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu
của riêng tơi. Những nội dung và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và
chưa được ai công bố trong bất kì cơng trình khoa học nào.
Hà Nội, ngày

tháng 08 năm 2013

Tác giả luận văn

Trần Văn Tuỳnh


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
T
5
2

T
5
2

I.
T
5
2

II.
T
5
2

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI. ...................................................................1

T

5
2

T
5
2

MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI. ...........................................................................2

T
5
2

T
5
2

III.
T
5
2

IV.

T
5
2

CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. ..........................2

T
5
2

T
5
2

T
5
2

T
5
2

T
5
2

T
5
2

KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC. .............................................................3

T
5
2

T
5
2

T
5
2

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ CẦU MÁNG.......................................................4
TỔNG QUAN VỀ CẦU MÁNG TRONG HỆ THỐNG THUỶ LỢI.[14]. ..4

1.1
T
5
2

T
5
2

T
5
2

GIỚI THIỆU MỘT SỐ CẦU MÁNG THỰC TẾ ĐÃ THIẾT KẾ Ở NƯỚC

1.2
T
5
2

T
5
2

T
5
2

T
5
2

TA............... .............................................................................................................8
T
5
2

GIỚI THIỆU MỘT SỐ CẦU MÁNG THỰC TẾ ĐÃ THIẾT KẾ Ở NƯỚC

1.3
T
5
2

T
5
2

T

5
2

NGOÀI. .................................................................................................................10
T
5
2

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1. ...........................................................................18

1.4
T
5
2

T
5
2

T
5
2

T
5
2

CHƯƠNG 2:TIÊU CHUẨN VÀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾCẦU MÁNG ..19
T
5

2

2.1.GIỚI THIỆU TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ CẦU MÁNG TRONG NƯỚC. ....19
T
5
2

T
5
2

T
5
2

T
5
2

2.1.1 Về phạm vi áp dụng.[10] ......................................................................19
T
5
2

T
5
2

T
5

2

T
5
2

2.1.2 Về yêu cầu kỹ thuật chung. [10] ...........................................................19
T
5
2

T
5
2

T
5
2

T
5
2

2.1.3 Về cấu tạo cầu máng . [10] ...................................................................19
T
5
2

T
5

2

T
5
2

T
5
2

2.1.4 Về tính tốn kết cấu xi măng lưới thép. [10] .......................................20
T
5
2

T
5
2

T
5
2

T
5
2

2.1.5 Một số nhận xét về tiêu chuẩn. .............................................................25
T
5

2

T
5
2

T
5
2

T
5
2

2.2.TÍNH TỐN THIẾT KẾ CẦU MÁNG THEO TIÊU CHUẨN NƯỚC
T
5
2

T
5
2

T
5
2

NGOÀI. .................................................................................................................26
T
5

2

2.2.1 Về yêu cầu kỹ thuật chung: [17] ...........................................................26
T
5
2

T
5
2

T
5
2

T
5
2

2.2.2 Về hình thức và cấu tạo.[17] .................................................................27
T
5
2

T
5
2

T
5

2

T
5
2


2.2.3 Về tính tốn thủy lực.[17] .....................................................................31
T
5
2

T
5
2

T
5
2

T
5
2

2.2.4 Về tính tốn thiết kế kết cấu cầu máng. [17] ........................................32
T
5
2

T

5
2

T
5
2

T
5
2

2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN KẾT CẤU CẦU MÁNG. ..................35
T
5
2

T
5
2

T
5
2

T
5
2

2.3.1 Phương pháp giải tích.[7],[10]. .............................................................35
T

5
2

T
5
2

T
5
2

T
5
2

2.3.2 Phương pháp số.[5] ...............................................................................38
T
5
2

T
5
2

T
5
2

T
5

2

2.3.3 Chọn phương pháp tính tốn.................................................................39
T
5
2

T
5
2

T
5
2

T
5
2

2.4 .PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRONG TÍNH TOÁN KẾT
T
5
2

T
5
2

T
5

2

CẤU........... ............................................................................................................39
T
5
2

2.4.1 Nội dung của phương pháp phần tử hữu hạn . [5], [11], [15]...............39
T
5
2

T
5
2

T
5
2

T
5
2

2.4.2 Tính kết cấu theo mơ hình tương thích. [5], [11], [15] .........................41
T
5
2

T

5
2

T
5
2

T
5
2

2.4.3 Giải hệ phương trình cơ bản. [5], [11], [15]. ........................................46
T
5
2

T
5
2

T
5
2

T
5
2

2.5.PHẦN MỀM TÍNH TỐN . ...........................................................................46
T

5
2

T
5
2

T
5
2

T
5
2

2.5.1 Chọn phần mềm tính tốn kết cấu cầu máng.[4]. .................................46
T
5
2

T
5
2

T
5
2

T
5

2

2.5.2 Bài toán tấm và vỏ. [3],[4],[16]. ...........................................................47
T
5
2

2.6
T
5
2

T
5
2

T
5
2

T
5
2

T
5
2

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2. ...........................................................................50
T

5
2

T
5
2

CHƯƠNG 3:ỨNG DỤNG CHO CẦU MÁNG NGÀN TRƯƠI-HÀ TĨNH .......51
T
5
2

3.1
T
5
2

T
5
2

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CƠNG TRÌNH.................................................51
T
5
2

T
5
2

3.1.1 Giới thiệu chung về hệ thống thủy lợi Ngàn Trươi - Cẩm Trang. [1] ..51
T
5
2

T
5
2

T
5
2

T
5
2

3.1.2 Giới thiệu về cầu máng Ngàn Trươi [1]. ..............................................55
T
5
2

3.2
T
5
2

T
5
2

T
5
2

T
5
2

T
5
2

CÁC PHƯƠNG ÁN TÍNH TỐN KẾT CẤU CẦU MÁNG NGÀN
T
5
2

TRƯƠI. ..................................................................................................................56
T
5
2

3.2.1 Mục đích tính tốn. ...............................................................................56
T
5
2

T
5

2

T
5
2

T
5
2

3.2.2 Tiêu chuẩn và phần mềm dùng trong tính tốn. ...................................57
T
5
2

T
5
2

T
5
2

T
5
2

3.2.3 Các chỉ tiêu, thơng số dùng trong tính tốn.[1],[6], [8], [9]. ................57
T
5

2

T
5
2

T
5
2

T
5
2

3.2.4 Sơ đồ kêt cấu, trường hợp tính tốn, các lực tác dụng lên cầu máng. ..58
T
5
2

T
5
2

T
5
2

T
5
2

3.2.5 Tính tốn kết cấu thân máng theo phương pháp Sức bền vật
T
5
2

T
5
2

T
5
2

liệu[2],[12],[13] ................................................................................................60
T
5
2

3.2.6 Tính tốn kết cấu thân cầu máng theo phương pháp PTHH (phần mềm
T
5
2

T
5
2

T
5

2

Sap 2000).[4] ....................................................................................................65
T
5
2


3.2.7 Nhận xét kết quả tính tốn kết cấu cầu máng theo các phương pháp. ..77
T
5
2

T
5
2

T
5
2

TÍNH TỐN KẾT CẤU CẦU MÁNG NGÀN TRƯƠI THEO PHƯƠNG

3.3
T
5
2

T
5

2

T
5
2

T
5
2

PHÁP PTHH CHO CÁC TRƯỜNG HỢP TÍNH TỐN. ....................................78
T
5
2

3.3.1 Sơ đồ kết cấu dùng để tính tốn. ...........................................................78
T
5
2

T
5
2

T
5
2

T
5

2

3.3.2 Các trường hợp tính tốn . ....................................................................88
T
5
2

T
5
2

T
5
2

T
5
2

3.3.3 Các lực tác dụng lên cầu máng. ............................................................88
T
5
2

T
5
2

T
5

2

T
5
2

3.3.4 Kết quả tính toán. ..................................................................................90
T
5
2

T
5
2

T
5
2

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3. ...........................................................................94

3.4
T
5
2

T
5
2

T
5
2

T
5
2

T
5
2

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. ...............................................................................96
T
5
2

T
5
2

I.
T
5
2

II.
T
5
2

NHỮNG KẾT QUẢ ĐÃ ĐẠT ĐƯỢC ...........................................................96

T
5
2

T
5
2

NHỮNG TỒN TẠI TRONG QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN LUẬN VĂN. ..97

T
5
2

III.
T
5
2

T
5
2

T
5
2

T
5
2

T
5
2

NHỮNG KIẾN NGHỊ VỀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO. ...........97
T
5
2

T
5
2

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................98
T
5
2

T
5
2

PHỤ LỤC.


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Kết cấu dẫn nước thời La Mã (hình trên) và hiện nay (hình dưới) ................. 4
Hình 1.2: Di tích kết cấu cầu máng La Mã cịn tồn tại................................................... 4
Hình 1.3: Sơ đồ mặt cắt dọc cầu máng ........................................................................... 5
Hình 1.4– Các dạng mặt cắt ngang thân máng .............................................................. 6
Hình 1.5- Các loại cầu máng theo vật liệu xây dựng. .................................................... 7
Hình 1.6: Cầu máng Đaklo- Lâm Đồng .......................................................................... 8
Hình 1.7: Cầu máng Củ chi – TP.Hồ Chí Minh ............................................................ 9
Hình 1.8: Cầu máng Tân Quang – Thừa Thiên Huế. .................................................... 9
Hình 1.9: Vị trí cầu máng Magdeburg và sông Elbe trên bản đồ Đức ........................ 10
Hình 1.10. Một số hình ảnh về cầu máng Magdeburg. ................................................. 13
Hình 1.11. Các tuyến chuyển nước của dự án "Nam thuỷ Bắc điều" ........................... 14
Hình 1.12. Một số hình ảnh về cầu máng Tào Hà ........................................................ 15
Hình 1.13. Mặt cắt ngang của cầu máng Tào Hà ......................................................... 15
Hình 1.14. Cầu máng Minh Hà đang thi cơng .............................................................. 17
Hình 1.15. Cấu tạo bản đáy ở dạng bản sườn và cấu tạo sườn tăng cứng .................. 17
Hình 2.1: Sơ đồ tính tốn của tiết diện chữ nhật .......................................................... 21
Hình 2.2– Sơ đồ ứng suất xác định vị trí trục trung hịa của tiết diện chữ I ................ 22
Hình 2.3– Sơ đồ ứng suất của tiết diện chữ I................................................................ 23
Hình 2.4:Tiêu chuẩn thiết kế các cơng trình trên hệ thống kênh của TQ ..................... 26
Hình 2.5 – Sơ đồ phân phối lực cắt khơng cân bằng .................................................... 36
Hình 2.6 – Sơ đồ giải bài tốn bằng phương pháp PTHH. .......................................... 45
Hình 3.1: Cắt dọc và cắt ngang cầu máng ................................................................... 58
Hình 3.2– Sơ đồ tính tốn vách máng. .......................................................................... 60
Hình 3.3– Biểu đồ nội lực vách máng. ......................................................................... 61
Hình 3.4– Sơ đồ tính tốn đáy máng............................................................................. 61
Hình 3.5– Biểu đồ Mơ men M tại đáy máng ( T.m) ..................................................... 62
Hình 3.6– Biểu đồ lực cắt Q tại đáy máng (T) .............................................................. 62
Hình 3.7– Sơ đồ tính tốn dầm chính. .......................................................................... 63
Hình 3.8– Biểu đồ Mơ men M tại dầm chính ( T.m) .................................................... 63
Hình 3.9– Biểu đồ lực cắt Q tại dầm chính (T)............................................................ 64

Hình 3.10– Mơ men tại vách máng theo phương vng góc với dịng chảy (T.m) ....... 66
Hình 3.11– Lực cắt tại vách máng theo phương vng góc với dịng chảy (T)........... 66
Hình 3.12–Ứng suất lớn nhất tại vách máng (T/m2) .................................................... 67
Hình 3.13– Mơ men tại đáy máng theo phương vng góc với dịng chảy (T.m)......... 67
Hình 3.14– Mơ men tại đáy máng theo phương vng góc với dịng chảy (T.m)......... 68
Hình 3.15– Lực cắt tại đáy máng theo phương vng góc với dịng chảy (T). ........... 68
Hình 3.16–Ứng suất lớn nhất tại đáy máng (T/m2) ...................................................... 69
Hình 3.17– Mơ men tại các dầm đỡ. ............................................................................. 69
Hình 3.18– Lực cắt tại các dầm đỡ. ............................................................................. 70
Hình 3.19– Độ võng tại các dầm đỡ. ........................................................................... 70
Hình 3.20– Mơ men tại vách máng theo phương vng góc với dịng chảy (T.m) ....... 71
TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU

5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2

U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU

5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2

U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU

5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2

U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU

5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2

U

TU
5
2

TU
5
2

T
5
2
U

T
5
2
U


Hình 3.21– Lực cắt tại vách máng theo phương vng góc với dịng chảy (T)........... 72
Hình 3.22–Ứng suất lớn nhất tại vách máng (T/m2) .................................................... 72
Hình 3.23– Mơ men tại đáy máng theo phương vng góc với dịng chảy (T.m)......... 73
Hình 3.24– Mơ men tại đáy máng theo phương vng góc với dịng chảy (T.m)......... 73
Hình 3.25– Lực cắt tại đáy máng theo phương vng góc với dịng chảy (T) ............ 74
Hình 3.26–Ứng suất lớn nhất tại đáy máng (T/m2) ...................................................... 74
Hình 3.27– Mơ men tại các dầm đỡ. ............................................................................. 75
Hình 3.28– Lực cắt tại các dầm đỡ. ............................................................................. 75
Hình 3.29–Ứng suất lớn nhất tại dầm đỡ (T/m2) ......................................................... 76

Hình 3.30– Độ võng tại các dầm đỡ. ........................................................................... 76
Hình 3.31: Cắt dọc và cắt ngang cầu máng đề xuất. .................................................... 79
Hình 3.32– Mơ men tại vách máng theo phương vng góc với dịng chảy (T.m) ....... 81
Hình 3.33– Lực cắt tại vách máng theo phương vng góc với dịng chảy (T)........... 81
Hình 3.34:Ứng suất lớn nhất tại vách máng (T/m2) ..................................................... 82
Hình 3.35– Mơ men tại đáy máng theo phương vng góc với dịng chảy (T.m)......... 82
Hình 3.36– Mơ men tại đáy máng theo phương vng góc với dịng chảy (T.m)......... 83
Hình 3.37– Lực cắt tại đáy máng theo phương vng góc với dịng chảy (T) ............ 83
Hình 3.38: Ứng suất lớn nhất tại đáy máng (T/m2)...................................................... 84
Hình 3.39– Mơ men tại các dầm đỡ. ............................................................................. 84
Hình 3.40– Lực cắt tại các dầm đỡ. ............................................................................. 85
Hình 3.41– Độ võng tại các dầm đỡ. ........................................................................... 85
Hình 3.42– Mơ men tại các dầm chính. ........................................................................ 85
Hình 3.43–Lực cắt tại các dầm chính. .......................................................................... 86
Hình 3.44– Mơ men tại các dầm phụ và thanh sườn. ................................................... 86
Hình 3.45– Lực cắt tại các dầm phụ và thanh sườn. .................................................... 86
Hình 3.46– Sơ đồ các lực tác dụng lên cầu máng ....................................................... 88
Hình 3.47- Ứng suất trước theo phương dọc cầu máng ............................................... 94
Hình 3.48. Cấu tạo bản đáy và cấu tạo sườn tăng cứng trong cầu máng nhịp lớn. ..... 95
TU
5
2

T
5
2
U

TU
5

2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T

5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5

2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T

5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5

2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T

5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật chủ yếu của kênh chính Ngàn Trươi đoạn từ K0 đến
K2+280 . ...................................................................................................................53
Bảng 3.2: Các thơng số kỹ thuật chủ yếu của kênh chính Ngàn Trươi đoạn từ
K2+280 đến K6+900 . .............................................................................................54
Bảng 3.3 :Bảng thông số kỹ thuật các cầu máng ......................................................56
Bảng 3.4 Bảng so sánh các kết quả tính tốn theo các phương án. .........................77
Bảng 3.5 Bảng so sánh các kết quả tính toán theo các phương án. .........................87
Bảng 3.6 .Bảng tổng hợp các lực tác dụng lên cầu máng cho các trường hợp tính
tốn. ...........................................................................................................................89
Bảng 3.7 Bảng tổng hợp các kết quả tính tốn theo các trường hợp. .....................90
Bảng 3.8 Bảng tính tốn bố trí thép trên cầu máng. ................................................92
TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5
2

T
5
2
U

TU
5

2

T
5
2
U

TU
5
2

TU
5
2

T
5
2
U

T
5
2
U


1

MỞ ĐẦU
I.

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI.
Theo Tổng cục Thủy lợi- Bộ Nơng Nghiệp & Phát triển Nơng Thơn

(NN&PTNT) thì hiện nay cả nước có hàng chục nghìn cơng trình thủy lợi các loại,
trong đó có 904 hệ thống thủy lợi lớn và vừa với quy mơ diện tích từ 200ha trở lên,
có hơn 5.000 hồ chứa các loại với tổng dung tích trữ nước hơn 35,34 tỷ mét khối,
có hơn 10.000 trạm bơm lớn, có gần 5.000 cống tưới tiêu lớn, có 5.700km đê sơng,
có 3.000km đê biển, có 23.000km bờ bao ngăn lũ đầu vụ hè thu ở đồng bằng sơng
Cửu Long và hàng trăm kilơmét kè, có hơn 126.000 km kênh mương. Theo thiết kế,
tổng năng lực của các cơng trình thủy lợi hiện nay có khả năng tưới cho khoảng
3,45 triệu héc ta đất canh tác, tiêu thốt nước cho 1,72 triệu héc ta đất nơng nghiệp.
Đồng thời, mỗi năm các cơng trình thủy lợi cung cấp gần 6 tỷ mét khối nước cho
các ngành sản xuất cơng nghiệp và sinh hoạt.
Bên cạnh các cơng trình đầu mối thì hệ thống tưới chiếm một vai trị khơng thể
thiếu để đảm bảo tưới, tiêu với diện tích trên. Hệ thống tuới ở nước ta chủ yếu được
thiết kế dựa trên tiêu chuẩn TCVN-4118-1985 (Hệ thống kênh tưới – Tiêu chuẩn
thiết kế). Tiêu chuẩn này đã góp phần quan trọng trong việc đảm bảo các mục tiêu
tuới tiêu ở nước ta.
Hiện nay Bộ NN&PTNT đang chuẩn bị kỹ thuật để xây dựng nhiều hệ thống
tưới có quy mơ rất lớn: Hệ thống tưới Cửa Đạt (84.000ha), Ngàn Trươi Cẩm Trang
( 32.000ha)…có lưu lượng thiết kế lên đến hàng vài chục m3/s trong điều kiện địa
hình, địa chất và dân sinh khá phức tạp, khi áp dụng TCVN-4118-1985 trong thiết
kế gặp một số khó khăn nhất định do tiêu chuẩn này chưa trình bày cụ thể chi tiết
yêu cầu thiết kế cho các cơng trình trên kênh, đặc biệt là công nghệ thiết kế hạng
mục cầu máng loại lớn nhằm tạo cơ sở khoa học cho việc chọn hình thức cầu máng
loại lớn, chiều dài nhịp, mặt cắt tính cầu máng và các vấn đề tính tốn kết cấu hợp
lý và an toàn.

2

Do vậy “Nghiên cứu phương pháp thiết kế cầu máng loại lớn theo sơ đồ
không gian bằng phương pháp PTHH ” là rất cần thiết.
II.

MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI.
Trên cơ sở tổng hợp và tham khảo các tài liệu liên quan đến cầu máng trong

ngoài nước, các tài liệu nghiên cứu về các cơng trình cầu máng, đặc biệt là các cầu
máng loại lớn đã được thiết kế trên thế giới , từ đó nghiên cứu đề xuất được phương
pháp thiết kế cầu máng loại lớn để có thể ứng dụng cho việc thiết kế các cầu máng
loại lớn của nước ta hiện nay.
Trong đề tài này sẽ ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) để tính
tốn cho một số trường hợp để từ đó nói lên được tính ưu việt và tính chất khác biệt
của phương pháp này với các phương pháp tính tốn khác. Đưa ra được các ý kiến
về phạm vi ứng dụng các phương pháp tính tốn trong các điều kiện cụ thể khác
nhau cho phù hợp.
III. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.
Điều tra, thống kê và tổng hợp tài liệu nghiên cứu đã có ở trong và ngồi nước
có liên quan đến đề tài đặc biệt là các cơng trình nước ngồi đã được thiết kế và ứng
dụng thành cơng.
Thu thập các tài liệu liên quan và tìm hiểu cơng trình được sử dụng để nghiên
cứu, ứng dụng phương pháp thiết kế.
Nghiên cứu tiêu chuẩn thiết kế cầu máng đã có tại Việt Nam.
Nghiên cứu tiêu chuẩn thiết kế cầu máng loại lớn ở nước ngoài .
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết có liên quan đến đề tài, tiếp thu và thừa kế các kết
quả nghiên cứu đã có.
Đưa ra phương pháp, mơ hình tính tốn và phần mềm chun dụng để tính
tốn phân tích nội lực, ứng suất, biến dạng để chọn kết cấu hợp lý.

Phân tích, đánh giá kết quả so với các cơng trình đã thiết kế và các đề tài
nghiên cứu đã có.


3

IV.

KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC.

Luận văn bước đầu đã giải quyết được bài toán xác định kết cấu hợp lý
cho cầu máng loại lớn. Sự đóng góp của luận văn về khoa học và thực tiễn thể
hiện ở một số điểm sau:
* Về khoa học:
Đề tài này đã làm rõ được phương pháp thiết kế cầu máng loại lớn.
Trong đề tài đã ứng dụng được phương pháp PTHH để phân tích kết cấu cho
cầu máng loại lớn.
* Về thực tiễn:
Việc sử dụng phương pháp cầu máng loại lớn do đề tài đề xuất có thể áp dụng
cho một số cầu máng loại lớn đang được nghiên cứu và thiết kế ở nước ta: Ngàn
Trươi, Cửa Đạt.


4

CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ CẦU MÁNG
1.1 TỔNG QUAN VỀ CẦU MÁNG TRONG HỆ THỐNG THUỶ LỢI.[14].
Trong quá trình phát triển của nhân loại, từ thời cổ đại con người đã sử dụng
nhiều cơng trình để dẫn nuớc từ các nguồn nước về cung cấp cho các thành phố đô

thị trong đó có một hình loại kết cấu dẫn nước được sử dụng từ thời cổ đại và vẫn
còn tồn tại đến ngày nay đó là cầu máng, đại diện tiêu biểu cho cầu máng thời cổ
đại đó là các cầu máng thời La Mã (hình.1.1) nổi tiếng được xây dựng từ 537 năm
trước cơng ngun, vẫn cịn tồn tại cho tới ngày nay (hình.1.2).

Hình 1.1 Kết cấu dẫn nước thời La Mã (hình trên) và hiện nay (hình dưới)

Hình 1.2: Di tích kết cấu cầu máng La Mã cịn tồn tại


5

Ngày nay, trong hệ thống thuỷ lợi và giao thông vận tải đường thuỷ hay cụ thể
hơn là trong các cơng trình dẫn nước, thì cầu máng là cơng trình rất quan trọng
trong việc dẫn nước. Cầu máng được sử dụng trong các truờng hợp khi tuyến dẫn
nước đi qua các cản trở cần phải vượt qua như sông, suối, thung lũng, đường giao
thơng, kênh rạch,……Nó cịn được dùng để thay thế đoạn kênh đi qua vùng thấm
nước nhiều hoặc để thay thế đoạn kênh đi theo sườn dốc.
Cầu máng có ưu điểm là bảo đảm tốt các yêu cầu thuỷ lực do đó tổn thất cột
nuớc qua cơng trình khá nhỏ nên được ưu tiên sử dụng trong các trường hợp yêu
cầu tổn thất cột nước ít.
Kết cấu cầu máng gồm các bộ phận sau đây : cửa vào cửa ra , thân máng và
trụ đỡ (như hình 1.3)

7

5

6

3

1

7
2

4

1 Cửa vào;

2 Mố bên;

3 Thân máng;

5 Khe co giãn;

6 Cửa ra;

7 Kênh.

4 Trụ đỡ;

Hình 1.3: Sơ đồ mặt cắt dọc cầu máng
Cửa vào và cửa ra của cầu máng là đoạn nối tiếp thân máng với kênh dẫn nước
thượng, hạ lưu, có tác dụng làm cho dịng chảy vào máng thuận, giảm bớt tổn thất
do thu hẹp gây ra và dịng nước ở máng chảy ra khơng làm xói lở bờ và đáy kênh.
Thân máng làm nhiệm vụ chuyển nước, mặt cắt ngang có thể có các hình dạng
sau: hình chữ nhật, hình thang hoặc hình chữ U. Cầu máng có thể có loại cầu máng
1 khoang hoặc cầu máng nhiều khoang. Trong khi xây dựng cầu máng tùy theo từng

điều kiện sử dụng trên cầu máng còn kết hợp làm đường giao thơng (hình 1.4).


6

a)

d)

b)

c)

e)

Chú thích:
a) Máng có dạng mặt cắt hình chữ nhật.
b) Máng có dạng mặt cắt hình thang.
c) Máng có dạng mặt cắt hình chữ U.
d) Máng có dạng mặt cắt hình chữ nhật gồm nhiều khoang.
e) Cầu máng kết hợp cầu giao thơng bên trên cầu máng.
Hình 1.4– Các dạng mặt cắt ngang thân máng
Cầu máng dựa vào giá đỡ theo nhiều hình thức, tùy theo tình hình cụ thể mà
lựa chọn , có thể chỉ kê hai đầu vào bờ theo hình thức gối tự do. Nếu cầu máng dài
có thể đặt trên giá đỡ theo hình thức dầm liên tục hoặc dầm công sôn kép (dầm mút
thừa). Máng có thể đặt trực tiếp trên giá đỡ hoặc hệ thống dầm dọc.
Vật liệu được dùng để xây dựng cầu máng có thể là gỗ, gạch đá xây, bê tơng
cốt thép hoặc xi măng lưới thép. Tuỳ theo vật liệu được dùng thì cầu máng được
phân loại thành các loại như sau: cầu máng gỗ, cầu máng bằng gạch đá xây, cầu
máng bằng bê tông cốt thép hoặc cầu máng bằng vật liệu xi măng lưới thép (hình

1.5) .


7

a) Cầu máng bằng gạch xây

b) Cầu máng bằng gỗ

c) Cầu máng bằng xi măng lưới thép.
Hình 1.5- Các loại cầu máng theo vật liệu xây dựng.


8

1.2 .GIỚI THIỆU MỘT SỐ CẦU MÁNG THỰC TẾ ĐÃ THIẾT KẾ Ở NƯỚC TA.
Ở nước ta hiện nay, hệ thống thủy lợi và hệ thống giao thông vận tải đường
thủy đã có những bước phát triển rất quan trọng để góp phần đóng góp cho sự phát
triển của đất nước. Cùng với sự phát triển của các hệ thống thủy lợi đó thì nhiều cầu
máng cũng được xây dựng như cầu máng Đaklo, cầu máng Tân Quang,….
Dưới đây là một số hình ảnh cầu máng được xây dựng ở nước ta.

Hình 1.6: Cầu máng Đaklo- Lâm Đồng


9

Hình 1.7: Cầu máng Củ chi – TP.Hồ Chí Minh

Hình 1.8: Cầu máng Tân Quang – Thừa Thiên Huế.

10

Các cầu máng đã được xây dựng ở nước ta chủ yếu là các cầu máng loại nhỏ,
hiện nay ở nước ta có một số dự án có thể coi như cầu máng loại lớn đang và sẽ xây
dựng như cầu máng Cửa Đạt, Ngàn Trươi.
1.3 GIỚI THIỆU MỘT SỐ CẦU MÁNG THỰC TẾ ĐÃ THIẾT KẾ Ở NƯỚC
NGOÀI.
Hiện nay, trên thế giới cầu máng đã và đang phát triển mạnh mẽ và đã đạt
được nhiều kết quả to lớn. Không những xây dựng các cầu máng loại nhỏ mà cịn có
những cầu máng loại lớn đã được xây dựng và trở thành các cơng trình vĩ đại trở
thành biểu tượng cho đất nước xây dựng nó.
Ở các nước phương Tây và các nước phát triển có khá nhiều cầu máng loại lớn
được xây dựng, tiêu biểu trong số đó là cầu máng Magdeburg- Đức qua sông Elbe
tại miền Trung nước Đức nối các kênh 'Mittelland' ở phía Đơng và 'Elbe-Havel' ở
phía Tây, tạo nên tuyến giao thơng thủy quan trọng từ thủ đô Berlin và miền Đông
tới các trung tâm công nghiệp lớn bên bờ sông Rhein (Rhine) ở miền Tây.Tàu bè
khơng phải đi vịng (rút ngắn 12km) và tránh được nhiều khó khăn khác. Dự án
khởi đầu từ những năm 30 của thế kỉ trước, nhưng do chiến tranh thế giới thứ 2, rồi
tiếp đó nước Đức bị chia cắt, nên phải tạm ngừng cho đến năm 1997. Dự án hoàn
thành năm 2003 được coi như một trong những biểu tượng của nước Đức thống
nhất.

Hình 1.9: Vị trí cầu máng Magdeburg và sông Elbe trên bản đồ Đức


11

Cầu máng Magdeburg dài 918 m, dài nhất châu Âu, trong đó phần cầu máng

chính 228 m bằng thép gồm 3 nhịp với nhịp giữa 106,2 m. Máng rộng 34 m và sâu
4,25 m. Sử dụng 24 nghìn tấn thép, 68 nghìn m3 bê tơng cốt thép. Chi phí dự án là
P

P

500 triệu Euro. Hai bên cầu máng có hành lang rộng rãi cho người đi bộ.
Dưới đây là một số hình ảnh của cầu máng.


12


13

Hình 1.10. Một số hình ảnh về cầu máng Magdeburg.
Ngày nay, cầu máng loại lớn không chỉ được xây dựng ở các nước phát triển
mà nó cịn được các nước đang phát triển (tiêu biểu là Trung Quốc) nghiên cứu thiết
kế và xây dựng để phục vụ cho việc phát triển hệ thống thủy lợi và hệ thống giao
thông vận tải thủy của các đất nước đó.
Trong những năm gần đây tại Trung Quốc, để giải quyết tình trạng thiếu nước
của các tỉnh phía Bắc ở lưu vực sơng Hồng Hà và Hải Hà cùng với đó là giảm bớt
tình trạng lũ lụt vào mùa lũ của các tỉnh trong lưu vực sông Trường Giang, Trung
Quốc đã thực hiện đại dự án chuyển nước từ miền Nam lên miền Bắc (Nam thuỷ
Bắc điều ). Để thực hiện đại dự án đó, họ đã và đang xây dựng một số tuyến kênh
với các cơng trình trên kênh như cầu máng, xi phơng hoặc đường hầm có chiều dài
và khẩu độ lớn với lưu lượng thiết kế lên tới hàng trăm m3/s .
P

P

14

Hình 1.11. Các tuyến chuyển nước của dự án "Nam thuỷ Bắc điều"
của Trung Quốc.
Trong số các cơng trình của đại dự án đó có các cầu máng loại lớn có thể kể
đến là cầu máng Tào Hà và cầu máng Minh Hà .
Cầu máng Tào Hà, nằm ở tỉnh Hà Bắc, dài 2300m, chia làm 76 nhịp, dạng
dầm đơn gối lên trụ, mỗi nhịp dài 30m, bề rộng thông thuỷ 18m chia thành 3
khoang, thành cao 8m, đáy cách mặt đất chỗ lớn nhất 27m, lưu lượng thiết kế
125m3/s, lưu lượng lớn nhất 150m3/s. Cầu máng được xây xong và đưa vào sử dụng
P

P

P

P

từ năm 2007. Dưới đây là một số hình ảnh của cầu máng Tào Hà (hình 1.12 và hình
1.13).


15

Hình 1.12. Một số hình ảnh về cầu máng Tào Hà

Hình 1.13. Mặt cắt ngang của cầu máng Tào Hà

16

Ngoài cầu máng Tào Hà, trong đại dự án này cũng đang thi công một cầu
máng dẫn được một lưu lượng lớn hơn cầu máng Tào Hà đó cầu máng Minh Hà,
tỉnh Hà Bắc. Cầu máng dài 829m, chia làm 16 nhịp, dạng dầm đơn, mỗi nhịp dài
40m, mặt cắt thông thuỷ chia làm 3 khoang, mỗi khoang rộng 8,3m cao 6,8m, lưu
lượng thiết kế 230m3/s, lưu lượng lớn nhất 250m3/s (hình 1.14).
P

P

P

P

Đối với hai cơng trình này, để vượt được nhịp và làm mặt cắt có khẩu độ lớn
cả hai cầu máng đã áp dụng công nghệ bê tông ứng suất trước đồng thời có một giải
pháp kết cấu nhằm tăng khả năng chịu uốn theo phương dọc và phương ngang của
cầu máng , và cấu tạo bản đáy ở dạng bản sườn ( hình 1.15).


17

Hình 1.14. Cầu máng Minh Hà đang thi cơng

Hình 1.15. Cấu tạo bản đáy ở dạng bản sườn và cấu tạo sườn tăng cứng
ở thành bên.

18

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1.
Từ các phân tích số liệu, hình ảnh được thu thập, thống kê và trình bày ở trên,
nhận thấy rằng cầu máng có vai trị, vị trí rất quan trọng trong hệ thống thủy lợi và
mạng lưới giao thông vận tải đường thủy, đặc biệt việc xây dựng các cầu máng loại
lớn là rất cần thiết để phục vụ cho sự phát triển của hệ thống thủy lợi và giao thơng
vận tải thủy nói riêng và cho sự phát triển của đất nước.
Việc nghiên cứu và thiết kế xây dựng cầu máng trên thế giới (các nước phát
triển và các nước đang phát triển) đã và đang đạt được những thành tựu lớn khi xây
dựng được cầu máng lớn có thể dẫn được lưu lượng 250 m3/s. Ở nước ta hiện nay,
P

P

các cầu máng đã xây dựng hầu hết là các cầu máng loại vừa và nhỏ. Hiện nay, có
một số hệ thống thủy lợi có quy mô rất lớn: Hệ thống tưới Cửa Đạt (84 000ha),
Ngàn Trươi Cẩm Trang ( 32000ha)…có lưu lượng thiết kế lên đến hàng vài chục
m3/s trong điều kiện địa hình, địa chất và dân sinh khá phức tạp. Vì vậy chúng ta
P

P

phải nghiên cứu để thiết kế xây dựng các cầu máng loại lớn để có thể đáp ứng được
nhu cầu dẫn nước tưới của các hệ thống thủy lợi đó, đồng thời giải quyết được các
vấn đề địa hình, địa chất và dân sinh khác.