Thiết kế tối ưu cửa van cung bằng phần mềm SAP2000 (Luận văn thạc sĩ file word)

LỜI CẢM ƠN

Với sự giúp đỡ của phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, Khoa Cơng trình
trường Đại học thuỷlợi, cùng các thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp và giađình,
đến nay Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật với đề tài: “Thiết kế tối ưu cửa van cung bằng
phần mềm SAP2000” đã được hoàn thành.
Tác giả xin tỏ lòng biết ơn chân thành đến các cơ quan đơn vị và các cá nhân
đã truyền đạt kiến thức, cho phép sử dụng tài liệu đã công bố.
Đặc biệt tác giả xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Vũ Thành Hải
người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tận tình cho tác giả trong quá trình thực hiện
luận văn này.
Với thời gian và trình độ cịn hạn chế, luận văn khơng thể tránh khỏi những
thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến của các thầy
cơ giáo, của các Q vị quan tâm và bạn bè đồng nghiệp.
Luận văn được hồn thành tại Khoa Cơng trình, Trường Đại học Thủy lợi.
Hà Nội, 12 tháng 03 năm 2015
Tác giả luận văn

VŨ HẢI AN


LỜI CAM ĐOAN

Tên tác giả: Vũ Hải An
Học viên cao học CH19C12
Người hướng dẫn: PGS.TS.Vũ Thành Hải
Tên đề tài Luận văn:“Thiết kế tối ưu cửa van cung bằng phần mềm SAP2000"
Tôi xin cam đoan rằng, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là
trung thực và chưa hề được sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Các thơng tin
trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc.

Hà Nội, ngày 12 tháng 03 năm 2015
TÁC GIẢ

VŨ HẢI AN


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.................................................................................................................. 1
1. Tính cấp thiết của đề tài:..................................................................................1
2. Mục đích của đè tài:.........................................................................................1
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu......................................................1
4. Kết quả nghiên cứu dự kiến đạt được..............................................................1
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CỬA VAN HÌNH CUNG................................2
1.1. Khái quát về cửa van hình cung..................................................................2
1.1.1. Khái niệm và phân loại............................................................................2
1.1.2. Một số nguyên tắc và bố trí cấu tạo.........................................................4
1.1.3. Hình thức cửa van thường dùng hiện nay................................................7
1.1.4. Phạm vi ứng dụng....................................................................................8
1.2. Bố trí kết cấu và xác định kích thước chủ yếu của cửa van....................10
1.2.1. Cấu tạo chung của kết cấu cửa van.......................................................10
1.2.2. Chọn sơ bộ hình thức, vị trí và kích thước các bộ phận chính của cửa van
cung.................................................................................................................10
1.3. Tính tốn kết cấu cửa van cung.................................................................16
1.3.1. Tính tốn cửa van cung theo hệ phẳng..................................................16
1.3.2. Phân tích cửa van theo bài tốn khơng gian..........................................24
CHƯƠNG 2 – THIẾT KẾ TỐI ƯU KẾT CẤU THÉP HỆ THANH BẰNG
PHẦN MỀM SAP2000..........................................................................................32
2.1. Khái quát về phương pháp phần tử hữu hạn...........................................31
2.1.1. Khái niệm về thiết kế tối ưu kết cấu.......................................................32
2.1.2. Hàm mục tiêu và các ràng buộc.............................................................32

2.1.3. Phương pháp giải:.................................................................................35
2.1.4. Bài toán tối ưu kết cấu hệ thanh trong giai đoạn đàn hồi......................35
2.1.5. Bài toán tối ưu kết cấu hệ thanh trong giai đoạn chảy dẻo....................38
2.2.Khái quát về phần mềm SAP2000
2.2.1. Khái quát về phần mềm SAP2000..........................................................41
2.2.2. Một vài điểm cần chú ý khi sử dụng phần mềm SAP2000 phân tích trạng
thái ứng suất và biến dạng cửa van
42
2.2.3. Các bước tính toán kết cấu cửa van bằng SAP2000..............................47


2.3. Thiết kế tối ưu kết cấu bằng SAP2000......................................................48
2.3.1. Phương pháp thiết kế tối ưu kết cấu trong SAP2000.............................48
2.3.2. Các bước tính tốn tối ưu các kết cấu cơ bản dầm khung.....................48
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ TỐI ƯU CỬA VAN CUNG TRONG CƠNG TRÌNH
HỒ CHỨA NƯỚC CỬA TIỂU TP.HỒ CHÍ MINH..........................................58
3.1. Giới thiệu cơng trình..................................................................................58
3.1.1. Quy mơ cơng trình.................................................................................58
3.1.2. Cửa van cung.........................................................................................58
3.1.3. Số liệu tính tốn và các trường hợp nghiên cứu....................................59
3.2. Phân tích kết cấu van cung theo bài tốn không gian bằng phần mềm
SAP2000.............................................................................................................59
3.2.1. Mô tả kết cấu cửa van............................................................................59
3.2.2. Mơ hình hóa kết cấu cửa van cung bằng phần mềm SAP2000...............62
3.2.3. Định nghĩa tiết diện tự động trong thiết kế tối ưu..................................66
3.2.4. Phân tích kết cấu van cung theo bài tốn khơng gian............................69
KẾT LUẬN............................................................................................................ 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................86

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3. 1 – Giá trị góc α và góc θ...........................................................................64
Bảng 3. 2 - Hệ số ứng suất của dầm phụ dọc...........................................................70
Bảng 3. 3 -Hệ số ứng suất của giàn đứng thứ hai....................................................71
Bảng 3. 4- Hệ số ứng suất của giàn biên và càng van..............................................72
Bảng 3. 5- Hệ số ứng suất của giàn chính trên........................................................72
Bảng 3. 6- Hệ số ứng suất của giàn chính dưới.......................................................73
Bảng 3. 7– Chuyển vị giữa nhịp của giàn chính trên và dưới..................................73
Bảng 3. 8– Chuyển vị ở giữa nhịp giàn chính dưới và trên.....................................75
Bảng 3. 9– Chuyển vị ở giữa nhịp giàn chính trên và dưới (A)...............................76
Bảng 3. 10- Hệ số ứng suất của dầm phụ dọc (A)...................................................76
Bảng 3. 11- Hệ số ứng suất của giàn đứng thứ 2 (A)...............................................76
Bảng 3. 12- Hệ số ứng suất của giàn biên và càng van (A).....................................77
Bảng 3. 13- Hệ số ứng suất của giàn chính dưới (A)...............................................77
Bảng 3. 14– Chuyển vị ở giữa nhịp giàn chính trên và dưới (B).............................77
Bảng 3. 15- Hệ số ứng suất của dầm phụ dọc (B)...................................................77
Bảng 3. 16- Hệ số ứng suất của giàn đứng thứ 2 (B)...............................................78
Bảng 3. 17- Hệ số ứng suất của giàn biên và càng van (B).....................................78
Bảng 3. 18- Hệ số ứng suất của giàn chính dưới (B)...............................................78
Bảng 3. 19– Trọng lượng bản thân van....................................................................80
Bảng 3.20– Lực kéo van..........................................................................................80
Bảng 3.21– Trọng lượng bản thân cửa van khi chưa thiết kế tối ưu........................80
Bảng 3.22– Nội lực thanh cánh hạ giàn chính trên..................................................82
Bảng 3.23– Nội lực thanh cánh hạ giàn chính dưới.................................................83


DANH MỤC HÌNH

Hình 1. 1 - Kết cấu cửa van hình cung hai khung chính, càng xiên...........................2

Hình 1. 2- Cửa van trên mặt...................................................................................... 3
Hình 1. 3- Cửa van dưới sâu...................................................................................... 3
Hình 1. 4- Sơ đồ cấu tạo cửa van hình cung.............................................................. 4
Hình 1. 5- Gối quay của cửa van cung; a) Gối nón cụt; b) Gối bản lề.......................5
Hình 1. 6- Gối đỡ bên kiểu bánh xe và kiểu trượt..................................................... 6
Hình 1. 7- Cấu tạo kết cấu vật chắn nước bên và đáy van cung................................7
Hình 1. 8- Sơ đồ một số hình thức bố trí tâm quay cửa van cung.............................. 7
Hình 1. 9- Các loại hình thức khung chính................................................................ 8
Hình 1. 10- Các hình thức khe van........................................................................... 9
Hình 1. 11- Sơ đồ vị trí khung chính....................................................................... 11
Hình 1. 12- Kết cấu cửa van hình cung dùng dầm đứng đặt sít............................... 14
Hình 1. 13- Sơ đồ xác định áp lực nước lên dầm chính trên và dưới.......................17
Hình 1. 14- Sơ đồ áp lực nước lên cửa van trên mặt và cửa van dưới sâu..............18
Hình 1. 15- Sơ đồ tính tốn và biểu đồ mơmen uốn khung chân khớp...................20
Hình 1. 16- Sơ đồ tính tốn và biểu đồ mơmen uốn khung chính chân ngàm..........21
Hình 1. 17- Sơ đồ tính tốn nội lực càng van......................................................... 23
Hình 1. 18- Sơ đồ xác định cánh tay địn lực kéo van............................................ 23
Hình 1. 19- Điều kiện biên trường hợp cửa van nằm trên ngưỡng..........................25
Hình 1. 20- Điều kiện biên trường hợp 2 máy nâng bằng xi lanh thủy lực..............26
Hình 1. 21- Điều kiện biên khi nâng bằng tời dây kéo tiếp tuyến với bản mặt........26
Hình 1. 22- Điều kiện biên khi nâng bằng tời phương dây kéo khơng tiếp tuyến với
bản mặt............................................................................................................. 26
Hình 1. 23- Sơ đồ kết cấu van cung ứng với trường hợp cửa van mở.....................27
Hình 2. 1:Biểu đồ quan hệ giữa diện tích tiết diện và mơmen qn tính.................34
Hình 2. 2 Sơ đồ tính tốn......................................................................................... 35
Hình 2. 3 Biểu đồ quan hệ xác định giá trị tối ưu của bài toán................................ 38


DANH MỤC HÌNH
Hình 2. 4 Biểu đồ quan hệ giữa trọng lượng một đơn vị chiều dài thanh và mômen

dẻo.................................................................................................................... 38
Hình 2. 5: Mơ hình dầm.......................................................................................... 39
Hình 2. 6 Biểu đồ xác định nghiệm tối ưu............................................................... 41
Hình 2. 7- Hệ tọa độ cục bộ của phần tử thanh........................................................ 43
Hình 2. 8- Trục tọa độ cục bộ 2 và 3 của phần tử thanh.......................................... 43
Hình 2. 9- Hệ toạ độ cục bộ của phần tử vỏ............................................................ 44
Hình 2. 10- Quy ước dấu của lực dọc và mơmen xoắn............................................ 44
Hình 2. 11- Quy ước dấu của lực cắt và mơmen uốn...............................................45
Hình 2. 12- Quy ước dấu nội lực của vỏ.................................................................. 45
Hình 2. 13 - Mơ hình hóa bản mặt và dầm đứng..................................................... 46
Hình 2. 14- Quy ước về các điểm Insertion Points.................................................. 46
Hình 2. 15- Trình tự mơ hình hóa dầm phụ dọc....................................................... 47
Hình 2. 16- Mơ hình hóa cửa van cung bằng phần mềm SAP2000.........................47
Hình 3. 1– Mặt bằng và cắt dọc cống ngăn triều..................................................... 58
Hình 3. 2- Bố trí tổng thể van cung và thiết bị đóng mở.........................................60
Hình 3. 3- Kết cấu giàn đứng và càng van cung...................................................... 60
Hình 3. 4- Kết cấu giàn chính.................................................................................. 61
Hình 3. 5- Kết cấu giàn chịu trọng lượng bản thân van........................................... 61
Hình 3. 6 – Vị trí và mặt cắt ngang dầm phụ dọc.................................................... 62
Hình 3. 7– Vị trí mặt cắt ngang dầm phụ dọc.......................................................... 63
Hình 3. 8– Giàn đứng và càng van.......................................................................... 65
Hình 3. 9- Mơ hình hóa kết cấu van cung................................................................ 66
Hình 3. 10– Tiết diện chon tự động AUTO-FD của dầm phụ dọc...........................68
Hình 3. 11– Tiết diện chon tự động AUTO1-CH và AUTO1-TB của giàn chính....68
Hình 3. 12– Tiết diện chon tự động AUTO2-TB và AUTO2-CH của giàn đứng....69
Hình 3. 13– Tiết diện chon tự động AUTO3-CV của càng van...............................69
Hình 3. 14– Sơ đồ liên kết trong trường hợp cửa van nằm trên ngướng..................70
Hình 3. 15- Hệ số sử dụng vật liệu của giàn biên và gian đứng thứ hai...................71

DANH MỤC HÌNH
Hình 3. 16- Mã phần tử thanh của ½ giàn chính trên phía trái................................72
Hình 3. 17- Mã phần tử thanh của ½ giàn chính dưới phía trái...............................73
Hình 3. 18– Sơ đồ liên kết van rời khỏi ngưỡng và chuyển vị giữa nhịp van..........74
Hình 3. 19– Auto Section Name của dầm phụ đứng và giàn chính.........................76
Hình 3. 20– Lực kéo van của một xylanh thủy lực................................................. 80


9

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Cửa van là một bộ phận quan trọng của cơng trình thuỷ lợi - thủy điện, để
khống chế mực nước và điều tiết lưu lượng theo yêu cầu tháo nước ở các thời kỳ
khai thác khác nhau. Các cơng trình thủy lợi thủy điện đều phải sử dụng kết cấu
này. Của van thường dùng nhất là cửa van phẳng và cửa van cung.
Cửa van thường được chế tạo bằng thép cường độ cao và phải sử dụng một
khối lượng thép lớn, để tiết kiệm thép và giảm chi phí đầu tư, cần chọn kích thước
các bộ phận của cửa van đảm bảo khả năng chịu lực đồng thời có khối lượng là nhỏ
nhất. Đây là bài toán tối ưu về mặt trọng lượng, đó là đối tượng và nội dung nghiên
cứu của luận văn này.
2. Mục đích của đè tài:
Chọn kích thước của các bộ phận chính của cửa van để trọng lượng cửa van
là nhỏ nhất, nhưng vẫn thỏa mãn điều kiện cường độ và độ cứng, nhằm giảm chi
phí cho cơng trình.
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết và kết hợp sử dụng phần mềm phân tích tối ưu hóa kết
cấu bằng phần mềm SAP2000.
4. Kết quả nghiên cứu dự kiến đạt được
Sử dụng tốt phần mềm tính tốn tơi ưu hóa kết cấu.

Áp dụng tính tốn cho cửa van cung một cơng trình cụ thể.


CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CỬA VAN HÌNH CUNG
1.1. Khái quát về cửa van hình cung
1.1.1. Khái niệm và phân loại
Cửa van là một bộ phận của cơng trình thuỷlợi, dùng để khống chế mực
nước và điều tiết lưu lượng theo yêu cầu tháo nước ở các thời kỳ khai thác khác
nhau. Cửa van thường được đóng mở bằng tời hoặc xy lanh thủy lực.
Theo SAP2000 phân tích kết cấu cơng trình thủy lợi thủy điện, “Cửa van
hình cung là cửa van có mặt chịu áp lực nước dạng mặt cong, thường là một phần
của mặt trụ tròn và được nối với hai càng, khi đóng mở cửa van quay xung quanh
một trục quay cố định nằm ngang. Cửa van hình cung thường được dùng làm cửa
xả lũ ở đập tràn”. Hình dạng khơng gian và các bộ phận chính của kết cấu cửa van
cung càng xiên cho ở hình 1.1.

Hình 1. 1 - Kết cấu cửa van hình cung hai khung chính, càng xiên
Cửa van hình cung có hai loại chính là cửa van trên mặt và cửa van dưới sâu,
có cửa phụ hoặc 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 1.2), cửa van dưới sâu là cửa
van có đỉnh thấp hơn cao trình mực nước thượng lưu (hình 1.3).


Của van hình cung có ưu điểm là đóng mở nhanh và dễ dàng điều tiết lưu
lượng tháo, trụ pin có thể làm mỏng so với van phẳng vì khe van nơng.

Hình 1. 2- Cửa van trên mặt

Hình 1. 3- Cửa van dưới sâu
Tuy nhiên trụ pin phải làm dài để có đủ kích thước đặt càng van. Áp lực

nước tác dụng tập trung lên trụ pin (qua càng van) làm cho ứng suất tập trung phát
sinh trong trụ pin và việc bố trí cốt thép chịu lực phức tạp hơn, nhất là những nơi
van làm việc trong điều kiện chịu lực hai chiều. Về cấu tạo và lắp ráp van cung
cũng khó khăn, phức tạp hơn van phẳng.
Cửa van cung là loại được áp dụng khá rộng rãi, nhất là khi cửa có nhịp lớn
hay những nơi cần tháo nước nhanh. Vật liệu làm cửa van thường bằng thép.
Cửa van cung được phân loại như sau: Theo mực nước thượng lưu, được
chia thành hai loại: Cửa van trên mặt và cửa van dưới sâu. Theo hình thức chảy qua
van, có thể chia thành 3 nhóm: Cửa van cho nước chảy ở dưới, cho nước tràn qua


đỉnh van, cho nước chảy qua đỉnh van và chảy dưới đáy van. Theo kết cấu cửa van
được chia thành 3 loại: Cửa van đơn, cửa van có cửa phụ và cửa van kép.
Trong các đập tràn thường dùng của van cho nước chảy ở dưới hoặc vừa cho
chảy ởdưới vừa cho nước tràn qua van. Trong các âu tầu, thuyền chỉ dùng loại tràn
qua đỉnh van loại cửa van hạ xuống.
Cửa van có cửa phụ hoặc cửa van hai tầng, được dùng khi cần tháo vật nổi
hoặc tháo một lượng nước nhỏ, vì nếu dùng cửa van đơn thì sẽ mất một khối lượng
nước khá lớn.
1.1.2. Một số nguyên tắc và bố trí cấu tạo
- Kết cấu phần động cửa van cung - Cửa van hình cung bao gồm bản chắn
nước (bản mặt), hệ thống dầm (dầm phụ dọc, dầm đứng, dầm chính), càng đỡ và
gối quay (hình 1.4). Hệ thống dầm cũng bố trí theo nguyên tắc ở mọi chỗ bản mặt
chịu lực như nhau, các dầm chính chịu lực như nhau để tiện thi công và tận dụng
khả năng chịu lực của vật liệu.

Hình 1. 4- Sơ đồ cấu tạo cửa van hình cung
- Gối quay - Đối với kết cấu càng van, chịu áp lực nước từ dầm chính và dầm đứng
truyền tới, tính tốn theo hệ giàn. Gối quay là nơi càng tựa lên và quay khi đóng mở
cửa. Hình 1.5 biểu thị một số hình thức gối quay. Trường hợp bán kính van cung R

= (1,2÷1,5)H1; (trong đó H

1

là chiều sâu nước thượng lưu) thì gối đặt thấp hơn

mực nước thượng lưu. Gối quay thường đặt cao hơn mực nước lớn nhất ở hạ lưu để
tránh bị ngập nước dẫn tới hư hỏng và han rỉ.


Hình 1. 5- Gối quay của cửa van cung; a) Gối nón cụt; b) Gối bản lề
Gối quay của cửa van cung thường dùng là gối kiểu nón cụt (hình 1.5a) và
gối bản lề có một trục quay hoặc hai trục quay vng góc với nhau (hình 1.5b). Gối
có hai trục quay cấu tạo tương đối phức tạp nhưng có thể chuyển động được theo
hai phương khác nhau. Do đó khi các trụ lún không đều trong chừng mực nhất định
vẫn khơng ảnh hưởng tới việc đóng mở cửa. Gối bản lề một trục quay cấu tạo đơn
giản hơn, thường dùng trong các cửa van có nhịp khơng lớn.
- Gối đỡ bên - Để đảm bảo cho cửa van ở vị trí bình thường trong khe van khi đóng
và khi mở, để đảm bảo cho cửa van không bị xô lệch và không bị kẹt trong khe van.
Thiết bị định hướng bên có thể dùng kiểu bánh xe như ở hình 1.6a hoặc kiểu
trượt như ở hình 1.6b, được bố trí ở hai đầu van.


b)

Hình 1. 6- Gối đỡ bên kiểu bánh xe và kiểu trượt
- Vật chắn nước - Vật chắn nước có thể làm bằng gỗ, cao su, kim loại v.v., nhưng
thường dùng nhất là bằng cao su. Các dạng mặt cắt ngang của vật chắn nước bằng
cao su thường dùng được biểu thị ở hình 1.7a. Cao su tấm dùng làm vật chắn nước
đáy, cao su chữ P thường dùng làm vật chắn nước bên và ở đỉnh, cao su chữ L chủ

yếu dùng làm vật chắn nước ở bên cửa van hình cung. Cấu tạo vật chắn nước bên
cho ở hình 1.7b và vật chắn nước đáy cho ở hình 1.7c.


c)

Hình 1. 7- Cấu tạo kết cấu vật chắn nước bên và đáy van cung
1.1.3. Hình thức cửa van thường dùng hiện nay
Phần lớn cửa van cung dùng bản mặt hình cung trịn có tâm trùng với tâm
quay, trong các sơng có lượng phù sa lớn lắng đọng ở trước cửa van, thì tâm quay
có thể đặt thấp hơn tâm bản mặt.

Hình 1. 8- Sơ đồ một số hình thức bố trí tâm quay cửa van cung
Trong trường hợp này sẽ giảm được ảnh hưởng của lực ma sát do phù sa tác
dụng lên bản mặt, giảm được lực kéo của máy đóng mở khi nâng van. Cửa van
thường dùng nhất hiện nay là cửa van hai dầm chính chịu tải trọng bằng nhau, bản
mặt là một mặt cung tròn có tâm cong trùng với tâm quay của cửa van.
Khung chính được chia thành các loại sau:


- Chân thẳng và cứng (hình 1.9a).
- Chân thẳng và mảnh (hình 1.9b)
- Chân xiên và mảnh (hình 1.9c).

Hình 1. 9- Các loại hình thức khung chính
Cửa van chân cứng có lực xơ ngang lớn. làm giảm được mơmen uốn trong
dầm, nhưng mômen uốn trong càng lại lớn, đồng thời khi cửa van chuyển động có
lực ma sát ở mặt bên của gối bản lề. Cửa van chân mảnh được dùng phổ biến nhất,
trong trường hợp này độ cứng của chân nhỏ hơn độ cứng của dầm vì vậy ảnh
hưởng của lực xơ ngang nhỏ, có thể bỏ qua.

Cửa van chân xiên có một số ưu điểm sau: Giảm được mơmen uốn trong
dầm chính, do đó dầm chính sẽ nhỏ, khi nhịp van dưới 12m và cột nước dưới 5m có
thể dùng thép định hình làm dầm chính. Chiều cao dầm chính giảm, nên kết cấu
giàn đứng có thể nhỏ, trọng lượng van giảm, do đó lực kéo cần thiết của máy đóng
mở cũng giảm.
Cửa van chân xiên cũng có một số nhược điểm sau: Cấu tạo gối bản lề và
mối nối giữa dầm chính với chân van khá phức tạp. Tăng nội lực trong chân van và
tăng chiều dài của chân van. Khi có nước tràn qua đỉnh van khơng nên sử dụng.
1.1.4. Phạm vi ứng dụng
Van hình cung được dùng phổ biến trong các cơng trình tưới và tiêu, nhịp có
thể tới 40m với chiều cao dưới 14m. Khi nhịp van từ 10 đến 12m, thường dùng loại
van cung hai dầm chính, chân mảnh, thẳng hay xiên. Với nhịp từ 6 đến 12m, cột


nước từ 2,5 đến 4m thường dùng loại chân xiên và ô dầm ngang. Ở những đầu âu
thuyền để tăng thêm chiều dài âu, giảm năng lượng dòng chảy dưới van khi đưa
nước vào buồng âu, dùng van hình cung tốt hơn van phẳng.
Khơng dùng cửa van hình cung làm cửa van sửa chữa, cửa van bảo hiểm và
cửa van thi cơng vì gối tựa của cửa van cung là cố định. Cửa van cung có thể bố trí
trong khe van hoặc ở mặt ngoài của trụ pin như ở hình 1.10a và hình 1.10b.
Cửa van hình cung được dùng rộng rãi trong cơng trình thủy lợi vì nó có
nhiều ưu điểm: Có thể dùng trên đập tràn với mặt cắt bất kỳ mà không cần mở rộng
đỉnh đập. Điều kiện thủy lực của dòng chảy ở mép dưới van cũng tốt hơn van
phẳng. Cửa van được liên kết với gối bản lề cố định nên chuyển động của cửa van
được xác định và hầu như tránh được khả năng bị mắc kẹt do vênh.
Trọng lượng van cung nhỏ hơn các loại khác. Lực kéo của máy đóng mở
nhỏ, có thể lợi dụng phương hợp lực của áp lực nước khơng đi qua trục quay để
giảm lực đóng mở.
Van cung cũng có một số nhược điểm sau: Phải có mố và đường biên dài.
Khi cống có chiều cao lớn và có ngưỡng ngang, nếu u cầu gối bản lề khơng ngâm

trong nước thì càng van phải rất dài.Thời gian đóng mở lâu hơn cửa van phẳng.

Hình 1. 10- Các hình thức khe van


1.2. Bố trí kết cấu và xác định kích thước chủ yếu của cửa van
1.2.1. Cấu tạo chung của kết cấu cửa van
Cấu tạo cửa van cung phải bảo đảm các yêu cầu khai thác, giá thành hạ và
phải dễ chế tạo, lắp ghép, kiểm tra, sửa chữa.
Phần lớn cửa van cung dùng loại hai khung chính. Khi nhịp từ 12 đến 16m
dầm của khung chính dùng loại tiết diện đặc, cịn khi nhịp lớn dùng loại giàn có
thanh bụng xiên hoặc tam giác.Chân khung thường dùng tiết diện đặc. Dầm đứng ở
giữa thường dùng loại rỗng, còn dầm đứng hai đầu dùng loại đặc.
Hình dạng mặt cắt ngang của cửa van phải bảo đảm dịng cháy dưới đáy van
khơng va vào dầm chính dưới. Nếu vì một ngun nhân nào đó khơng thể đưa dầm
chính dưới lên phía trên, thì kết của dầm dầm chính tốt nhất là dùng loại rỗng
(giàn). Khi dùng dầm đặc thì bản bụng của dầm cần phải kht lỗ, diện tích của lỗ
khơng được nhỏ hơn 20% tổng diện tích bản bụng dầm chính. Loại cửa van có dầm
chính bố trí thấp thường gặp trong cống có khẩu độ lớn và chịu cột nước nhỏ.
Khi thiết kế cửa van dùng càng ít phân tố ghép càng tốt, cố gắng dùng thép
định hình. Khơng nên dùng loại tiết diện có khe hẹp, vì khó kiểm tra, khó vệ sinh và
quét sơn. Tất cả các phân tố chính chịu uốn hoặc chịu nén dọc trục, phải chọn loại
có độ cứng lớn nhất với kích thước cần thiết của mặt cắt ngang theo tính tốn.
1.2.2. Chọn sơ bộ hình thức, vị trí và kích thước các bộ phận chính của cửa van
cung
1.2.2.1. Chọn sơ bộ hình thức, vị trí và kích thước của khung chính.
Khung chính là bộ phận quan trọng trong cửa van hình cung, có tác dụng
chuyền toàn bộ áp lực nước, trọng lượng bản thân và trọng lượng lớp nước tran qua
van (nếu có) lên gối bản lề. Khung chính gồm có dầm chính và chân khung.
Khung chính được đặt theo phương bán kính của bản mặt, số lượng khung

chính thường chọn từ một đến ba chiếc (hình 1.11). Tuyệt đại đa số các cửa van
thường dùng hiện nay là loại có hai khung chính chịu tai trọng bằng nhau.


Chiều cao của khung chính lấy bằng bán kính của bản mặt, bán kính R của
bản mặt phụ thuộc vào chiều cao ho và bề rộng Lo của cống, thường chọn R =
(1,2 ÷ 1,5)ho. Ngồi ra cần phải chọn tỷ số R/Lo càng lớn khi nhịp càng nhỏ.
Vị trí tâm quay của cửa van thường đặt ở trên mực nước hạ lưu lớn nhất và
mực nước tràn qua đỉnh đập khơng va vào trục quay..
Các khung chính thường được bố trí theo nguyên tắc chịu tải trọng bằng
nhau, nếu cửa van có hai khung chính thì chúng phải cách đều hợp lực của áp lực
thủy tĩnh như ở hình 1.11.

Hình 1. 11- Sơ đồ vị trí khung chính
Khi xác định vị trí của khung chính cần xét tới yêu cầu về thủy lực (dịng
chảy khơng va vào dầm chính dưới), về cấu tạo (bảo đảm cửa van có đủ độ cứng)
và về thi công (tiện cho việc phân đoạn).
Khung chính thường dùng chân thẳng và mảnh, có dầm chính đặc hoặc rỗng
(giàn). Dùng khung chân mảnh có thể bỏ qua ảnh hưởng của lực xơ ngang khi xác
định kích thước tường biên hay trụ pin của cơng trình, bỏ qua lực ma sát trong gối
bản lề do lực xô ngang sinh ra.
Cấu tạo dầm khung chính phụ thuộc vào kính thước của cửa van (chiều cao
và chiều rộng), loại van (trên mặt hoặc dưới sâu), chế độ khai thác, điều kiện lắp
ghép, chuyên chở và vật liệu dùng để chế tạo.
Đối với cửa van dưới sâu, khi tải trọng trên một mét dài lớn, mà nhịp lại nhỏ
thì dùng dầm bụng đặc vì lực cắt lớn hơn rất nhiều so với mômen uốn. Đối với cửa
van trên mặt, tải trọng tác dụng lên một mét dài không lớn, do đó lực cắt nhỏ. Khi
nhịp van lớn (20~30m) thường dùng dầm chính rỗng (giàn) kinh tế hơn, vì nếu
dùng dầm đặc thì khơng thể lợi dụng hết khả năng làm việc của bản bụng dầm.

Hình dạng mặt cắt ngang của cửa van đơi khi có ảnh hưởng quyết định đến
việc chọn hình thức dầm chính. Khi cửa van có dầm chính dưới thấp, để tránh hiện
tượng chân khơng dưới dầm chính, dầm chính thường chọn loại giàn.
Nhịp tính tốn của khung chính bằng khoảng cách giữa hai mặt phẳng đối
xứng của chân van, được xác định như sau :
- Khi van đặt trong rãnh van:
L = Lo +2d = Lo + 2 (0.3 ÷ 0.5) m
- Khi van đặt trên công xôn của trụ pin (hình 4.6b):
L = Lo - 2d’= Lo - 2(0.4 ÷ 0.6) m
trong đó:
L - nhịp tính tốn của khung chính.
Lo - bề rộng của lỗ cống bằng khoảng cách trong giữa hai trụ pin.
d, d’ - khoảng cách từ mép lỗ cống tới tâm gối bản lề, chọn càng lớn khi tải
trọng tác dụng lên van càng lớn.
Chiều cao dầm của khung chính có thể chọn sơ bộ như sau:
- Đối với dầm chính đặc:

1

1 
h= 
~ 15 L
1


0

khi thanh bụng xiên

- Đối với dầm chính rỗng



h= 1 ~ 1 L
9


7
1  khi thanh bụng tam giác
1
h=
~
L


6 8 

1.2.2.2. Sơ bộ chọn hình thức, vị trí của giàn đứng (giàn ngang)
Cũng tương tự như trong cửa van phẳng, giàn đứng hay còn gọi là giàn
ngang là một bộ phận rất quan trọng của kết cấu cửa van hình cung. Giàn đứng có
tác dụng đỡ áp lực nước từ ơ dầm và chuyền lên dầm của khung chính, phân đều tải
trọng lên khung chính và chịu các lực ngẫu nhiên khơng nằm trong mặt phẳng của
khung chính.
Giàn đứng được tạo bởi thanh đứng của ô dầm, thanh đứng của giàn chính
và thanh đứng của giàn chịu trọng lượng.
Tuỳ theo kích thước của cửa van và hình dáng mặt cắt ngang mà chọn giàn
đứng cho thích hợp.

Đối với cửa van chân xiên có nhịp Lo ≤ 12m, chiều cao cột nước H ≤ 4.5m
và cửa van chân thẳng có Lo ≤ 7m, H ≤ 3.5m, dùng giàn đứng đặc là hợp lí hơn cả.
Kính thước hình học của giàn đứng phụ thuộc vào chiều cao của van, bán
kính và vị trí của tâm bản mặt, phụ thuộc vào chiều cao của dầm chính.
Khi dầm của khung chính là loại rỗng (giàn) thì vị trí của giàn đứng phụ
thuộc vào hệ thanh bụng (thanh bụng xiên hoặc tam giác). Giàn đứng có thể bố trí
trong mặt phẳng của các thanh đứng của giàn chính có thanh bụng xiên hay nằm
trong mặt phẳng đi qua các mắt giàn của giàn chính có thanh bụng hình tam giác.
Trong cửa van có chân xiên nhất thiết phải bố trí giàn đứng trong mặt phẳng liên
kết của chân van. Giàn đứng thường bố trí một giàn ở giữa, hai giàn ở vị trí liên kết
của càng van và hai giàn nữa ở hai đầu van.
1.2.2.3. Bố trí ơ dầm
Ơ dầm có thể bố trí trước dầm chính hoặc đặt bằng mặt với dầm chính hoặc
bố trí thấp hơn dầm chính. Tuỳ theo khoảng cách giữa các dầm chính mà ơ dầm
được bố trí dọc, ngang hay hỗn hợp.
Khi khoảng cách giữa hai dầm chính lớn, bố trí dọc là hợp lí nhất. Dầm phụ
được đặt liên tục trên cánh thượng của giàn đứng dọc theo toàn chiều dài van và
làm giảm chiều cao giàn đứng. Cho phép dùng hàn tự động và bán tự động. Nếu
dầm phụ được đặt bằng mặt với giàn đứng, tức là dầm phụ bị cắt đứt bởi giàn đứng,
thì đầu các thanh cần được nối chắc với giàn đứng.
Khi van có cột nước nhỏ, thì ơ dầm bố trí đứng là hợp lí vì khoảng cách giữa
các dầm chính nhỏ. Cách bố trí hỗn hợp do cấu tạo phức tạp nên ít dùng. Dầm phụ
đứng và dầm phụ ngang cần chọn cùng chiều cao để có thể đặt bản nối ở phía dưới.
Các phân tố ơ dầm thường dùng thép định hình.
Để tiện cho chế tạo và bảo dưỡng hiện nay nhiều cửa van cung có xu hướng
không dùng dầm phụ dọc, chỉ dùng dầm phụ đứng đặt dầy và hàn vào bản mặt tạo
thành mảng ô bản mặt. Sau đó liên kết cánh hạ dầm phụ đứng của mảng ô bản mặt
này với cánh thượng dầm chính (dùng nhiều dầm chính và khơng bố trí cùng chiều
cao với bản mặt). Kết cấu cửa van cung theo phương án này được thể hiện ở hình
1.12.

CÀNG VAN

MẢNG Ơ BẢN MẶT

Hình 1. 12- Kết cấu cửa van hình cung dùng dầm đứng đặt sít
1.2.2.4. Chọn hình thức và cấu tạo giàn chịu trọng lượng
Giàn chịu trọng lượng được bố trí ở thượng lưu và hạ lưu của dầm chính.
Nếu dầm chính được hàn chặt vào bản mặt thì khơng cần đặt giàn chịu trọng lượng
ở thượng lưu vì chính bản mặt và cánh của dầm chính trên và dưới tạo thành một
dầm có tác dụng như giàn chịu trọng lượng.
Với cửa van có dầm chính khơng lớn thì khơng cần đặt giàn chịu trọng
lượng, lúc này trọng lượng cửa van do bản mặt chịu và truyền tải trọng lên giàn gối
(càng) hay trụ biên. Khi chiều cao của dầm chính lớn (khoảng ≥ 1m) thì cần thiết
phải đặt giàn chịu trọng lượng.
Tuỳ theo kích thước của cửa van mà dùng loại có thanh bụng hoặc loại
khơng có thanh bụng. Với cửa van có nhịp lớn hay cột nước lớn phải dùng loại có
thanh bụng. Tuỳ theo chiều dài của các khoảng mắt của giàn chính mà dụng thanh
bụng xiên hoặc nửa xiên. Trong những cửa van nhịp nhỏ, chịu cột nước lớn, dầm
chính chịu tải trọng khá lớn, nên làm dầm có bản cánh rộng, trong trường hợp này


có thể dùng giàn chịu trọng lượng khơng thanh xiên, ở vị trí giao giữa các thanh
đứng và thanh cánh của giàn này cần đặt bản mắt rộng.
1.2.2.5. Hình thức, cấu tạo của trụ biên và giàn gối
Trụ biên được bố trí ở hai đầu cửa van, dùng để gắn bánh xe bên, vật chán
nước, cũng như các chi tiết khác. Trụ biên được đặt theo toàn bộ chiều cao của tiết
diện ngang của cửa van. Mặt cắt ngang của trụ biên thường dùng tiết diện chữ I
hoặc hình hộp.

Giàn gối (càng van) được tạo bởi các nhánh của chân khung chính, nó có tác
dụng liên kết các chân khung chính, chuyển áp lực nước tác dụng lên cửa van vào
bộ phận cố định.
Nếu dùng khung chính kiểu cơng xơn, thì trụ biên và giàn gối là hai bộ phận
đặt tách rời nhau. Đối với cửa van có giàn gối đặt sát đầu van, trụ biên và giàn gối
cùng nằm trong một mặt phẳng thì có thế kết hợp thành một cấu kiện.
Với cửa van nhỏ, giàn gối có thể dùng loại khơng thanh xiên, cịn đối với
cửa van có nhịp trung bình và lớn thì cần phải có thanh xiên
Thanh cánh giàn gối được làm bằng thép chữ I hay hai thép chữ C khi cửa
van có nhịp nhỏ và trung bình, dùng tiết diện chữ I hoặc chữ C ghép bằng thép góc
và thép bản khi van có nhịp lớn, hoặc nhịp trung bình nhưng có cột nước cao. Trong
những cửa van nhỏ hệ thanh bụng của giàn gối có thể hàn trực tiếp vào cánh cửa
của giàn gối, cịn đối với cửa van trung bình và lớn thì nhất thiết phải đặt bản mắt.
Giàn gối được liên kết với kết cấu nhịp van bằng cách nối thanh cánh của
giàn gối với bản mắt ở đầu giàn chính, bản mắt này phải có độ cứng lớn và nằm
trong mặt phẳng của giàn chính. Nếu giàn gối nghiêng, thì cuối thanh cánh của giàn
gối đặt một bản thép và hàn chặt vào cánh của dầm chính. Chỉ trong trường hợp cửa
van nhỏ mới liên kết giữa giàn gối và kết cấu nhịp van bằng bulông.
Một đầu của giàn gối được liên kết với bộ phần động của gối bản lề bằng
bulông, thông qua bản đế. Để tăng độ cứng của bản đế và tăng chiều dài đường hàn
kiên kết giữa giàn gối vào bản đế, cần đặt thêm các sườn gia cố. Chiều dày bản đế
chọn từ 12 đến 40 mm.


Sơ đồ hình học của giàn gối có dạng tam giác (giao điểm của đường trục
thanh cánh giàn trùng với tâm cung của bản mặt) hoặc hình thang, (giao điểm của
đường trục thanh cánh không trùng với tâm bản mặt). Trong sơ đồ thứ nhất, toàn
giàn là một tam giác bất biến hình, các thanh bụng chỉ có tác dụng làm giảm chiều
dài tự do và làm tăng ổn định của thanh cánh, nên cố gắng sử dụng sơ đồ này.
Nhưng trong cửa van lớn và chịu tải trọng lớn, kích thước của gối bản lề lớn, đường

trục của thanh cánh giàn gối không thể hướng vào tâm bản mặt được, do đó phải
dùng giàn hình thang, trong trường hợp này các thanh bụng chịu lực dọc.
1.3. Tính tốn kết cấu cửa van cung
1.3.1. Tính tốn cửa van cung theo hệ phẳng
1.3.1.1 Phương pháp tính tốn theo hệ phẳng
Kết cấu cửa van hình cung là một kết cấu khơng gian và chịu lực khá phức
tạp, khi phân tích nội lực để đơn giản có thể đưa về các hệ phẳng. Nội lực của các
phân tố nằm trên giao tuyến của hai hệ phẳng lấy bằng tổng nội lực trong hai hệ
phẳng đó. Cách tính này tuy khơng phản ánh được hoàn toàn trạng thái chịu lực
thực tế của cửa van, nhưng thường dùng vì khá đơn giản, có thể dùng để tính 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 nước và trọng lượng bản thân cửa van thông qua gối bản
lề chuyền lên bộ phận cố định của cơng trình, nên trong mục này chỉ trình bày chi
tiết tính tốn kiểm tra về cường độ, về ổn định và về độ cứng của khung chính và
càng van theo hệ phẳng.
1.3.1.2. Phân tích khung chính theo bài tốn phẳng
- Trình tự tính tốn khung chính theo hệ phẳng được tiến hành như sau:
Xác định tổng áp lực nước tác dụng lên 1m dài cửa van và phương của tổng
áp lực này so với đường nằm ngang theo cơng thức giải tích.


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

nón cụt. Chân khung gán liên kết khớp khi gối quay là gối bản lề có hai trục quay .
Chiều cao tính tốn h của khung lấy bằng khoảng cách thẳng đứng từ tâm gối quay
tới 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 chyển vị. Chuyển vị thẳng đứng tại giữa nhịp dầm bằng tổng chuyển
vị của dầm do mômen uốn và chuyển vị do lực dọc trong chân khung.
Xác định trọng lượng bản thân van theo các công thức kinh nghiệm, nội lực
do trọng lượng bản thân chỉ được xét tới khi tính tốn càng van.
Kiểm tra cường độ và độ cứng của dầm theo cấu kiện chịu uốn với nội lực
chỉ do áp lực nước sinh ra và ổn định của chân khung theo cấu kiện chịu nén lệch
tâm với nội lực bằng tổng nội lực do áp lực nước và trong lượng bản thân van sinh
ra.
- Xác định lực tác dụng lên khung chính van cung theo hệ phẳng
Áp lực nước tác dụng lên khung chính trên q t và khung chính dưới q d của
cửa van cung có hai khung chính được xác định theo cơng thức (1.1), được thiết lập
từ 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