LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian học tập và nghiên cứu, luận văn Thạc sĩ chuyên ngành xây
dựng công trình thủy với đề tài “Tính toán dao động của trạm bơm Long Biên
bằng phương pháp phần tử hữu hạn” tác giả đã hoàn thành luận văn với sự giúp
đỡ nhiệt tình của các thầy cô giáo trường Đại học Thủy Lợi, đặc biệt là các thầy cô
giáo trong khoa Công trình, bộ môn Sức bền - Kết cấu.
Tác giả
đặc biệt xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với thầy giáo TS. Nguyễn
Ngọc Thắng Bộ môn Sức bền - Kết cấu đã tận tình hướng dẫn, cung cấp nhiều tài
liệu cũng như chỉ bảo tận tình cho tác giả nhiều vấn đề quý báu trong quá trình thực
hiện luận văn này. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp và gia đình
đã giúp đỡ, động viên khích lệ để
luận văn này được hoàn thành.
Quá trình làm luận văn là một thời gian tốt để tác giả hệ thống lại các kiến
thức mà mình đã học tập được tại trường và áp dụng những kiến thức mà mình đã
học tập được vào thực tế sản xuất. Thông qua luận văn tác giả cũng biết được nhiều
hơn về việc nghiên cứu và trình bày một đề tài khoa học.
Tuy nhiên do thờ
i gian nghiên cứu làm luận văn cũng như trình độ còn hạn
chế nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót và tồn tại, tác giả rất mong nhận
được sự đóng góp quý báu của các thầy, các cô và các nhà khoa học cũng như bạn
bè đồng nghiệp. Tác giả rất mong những vấn đề còn tồn tại sẽ được tác giả phát
triển ở mức độ nghiên cứu sâu hơn để góp phần đưa kiế
n thức khoa học vào phục
vụ đời sống sản xuất.
Tác giả xin chân thành cảm ơn.
Hà Nội, tháng 11 năm 2012
Tác giả Trần Quang Công
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ TRẠM BƠM TẠI VIỆT NAM 3
1.1. GIỚI THIỆU TRẠM BƠM [3] 3
1.1.1. Vị trí quan trọng của các trạm bơm 3
1.1.2. Hiện trạng quy hoạch của các trạm bơm 5
1.1.3. Hiện trạng công trình trạm 7
1.2. CÁC HẠNG MỤC CỦA TRẠM BƠM 8
1.2.1. Nhà trạm bơm 8
1.2.2. Bể hút, bể xả 8
1.2.3. Hệ thống kênh dẫn, kênh xả 8
1.2.4. Nhà quản lý 8
1.2.5. Đường dây điện cao thế và hạ thế 9
1.2.6. Các hạng mục điều tiết và hỗ trợ 9
1.3. MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ TRẠM BƠM 9
Chương 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT -
BIẾN DẠNG VÀ DAO ĐỘNG 13
2.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT - BIẾN
DẠNG [5], [7] 13
2.1.1. Các phương pháp giải tích 13
động 53
3.3.5. TH4: Trọng lượng bản thân tấm + máy bơm số 1 và máy bơm số 3 cùng hoạt
động 56
3.3.6. TH5: Trọng lượng bản thân tấm + máy bơm số 1 và máy bơm số 4 cùng hoạt
động 58
3.3.7. TH6: Trọng lượng bản thân tấm + máy bơm số 2 và máy bơm số 3 cùng hoạt
động 61
3.3.8. TH7: Trọng lượng bản thân tấm + máy bơm số 1, máy bơm số 2 và máy bơm
số 3 cùng hoạt động 63
3.3.9. TH8: Trọng lượng bản thân tấm + máy bơm số 1, máy bơm số 2 và máy bơm
số 4 cùng hoạt động 66
3.3.10. TH9: Trọng lượng bản thân tấm + cả bốn máy bơm cùng hoạt động 68
3.4. PHÂN TÍCH VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 76
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO 82
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Trạm bơm tiêu Bảo Khê –TP. Hưng Yên: nhìn từ phía bể hút 9
Hình 1-2: Trạm bơm tiêu Bảo Khê –TP. Hưng Yên: nhìn từ phía bể xả 10
Hình 1-3: Trạm bơm tiêu Bảo Khê –TP. Hưng Yên: phía bên trong nhà máy 10
Hình 1-4: Trạm bơm tiêu Bảo Khê –TP. Hưng Yên: nhà trạm bơm 11
Hình 1-5: Trạm bơm Triều Dương – Tiên Lữ –Tỉnh Hưng Yên: nhìn từ phía bể xả 11
Hình 1-6: Trạm bơm Liên Nghĩa – Văn Giang –Tỉnh Hưng Yên: phối cảnh nhà trạm12
Hình 1-7: Trạm bơm Kênh Vàng – Lương Tài –Tỉnh Bắc Ninh: nhìn từ phía bể xả 12
Hình 3-20: Biểu đồ lực cắt V23 – TH3 55
Hình 3-21: Biểu đồ chuyển vị U
z
– TH3 55
Hình 3-22: Biểu đồ môn men M11 – TH4 56
Hình 3-23: Biểu đồ môn men M22 – TH4 56
Hình 3-24: Biểu đồ lực cắt V13 – TH4 57
Hình 3-25: Biểu đồ lực cắt V23 – TH4 57
Hình 3-26: Biểu đồ chuyển vị U
z
– TH4 58
Hình 3-27: Biểu đồ môn men M11 – TH5 58
Hình 3-28: Biểu đồ môn men M22 – TH5 59
Hình 3-29: Biểu đồ lực cắt V13 – TH5 59
Hình 3-30: Biểu đồ lực cắt V23 – TH5 60
Hình 3-31: Biểu đồ chuyển vị U
z
– TH5 60
Hình 3-32: Biểu đồ môn men M11 – TH6 61
Hình 3-33: Biểu đồ môn men M22 – TH6 61
Hình 3-34: Biểu đồ lực cắt V13 – TH6 62
Hình 3-35: Biểu đồ lực cắt V23 – TH6 62
Hình 3-36: Biểu đồ chuyển vị U
z
– TH6 63
Hình 3-37: Biểu đồ môn men M11 – TH7 63
Hình 3-38: Biểu đồ môn men M22 – TH7 64
Hình 3-39: Biểu đồ lực cắt V13 – TH7 64
Hình 3-40: Biểu đồ lực cắt V23 – TH7 65
Hình 3-41: Biểu đồ chuyển vị U
o
C) 42
Bảng 3-2: Đặc trưng độ ẩm tương đối trên khu vực theo số liệu thống kê của 42
trạm khí tượng đại biểu trên khu vực (%) 42
Bảng 3-3: Lượng mưa tại trạm Láng (mm) 43
Bảng 3-4: Tốc độ gió ở Láng (m/s) 43
Bảng 3-5: Bảng tổng hợp kết quả mô men 71
Bảng 3-6: Bảng tổng hợp kết quả lực cắt, ứng suất và chuyển vị 72
Bảng 3-7: Bảng tổng hợp kết quả chuyển vị của các điểm đặt máy bơm 73
Bảng 3-8: Bảng tổng hợp kết quả dạng dao động riêng của sàn đặt máy bơm 74
Bảng 3-9: Bảng tổng hợp kết quả nội lực của điểm đặt máy bơm số 1 74
Bảng 3-10: Bảng tổng hợp kết quả nội lực của điểm đặt máy bơm số 2 75
Bảng 3-11: Bảng tổng hợp kết quả nội lực của điểm đặt máy bơm số 3 75
Bảng 3-12: Bảng tổng hợp kết quả nội lực của điểm đặt máy bơm số 4 76
Bảng 3-13: Bảng tổng hợp kết quả phân tích hiện tượng cộng hưởng 77
1
MỞ ĐẦU
1. Sự cần thiết của việc nghiên cứu
Việt Nam là một nước nông nghiệp mà thuỷ lợi đóng vai trò quan trọng hàng
đầu. Bốn mươi năm qua kể từ năm 1960, ngành thuỷ lợi đã xây dựng được rất nhiều
trạm bơm, cơ bản khép kín khu vực tưới đồng bằng Bắc bộ giải quyết tiêu úng ở
một số vùng trọng điểm.
Trạm b
ơm được sử dụng với mục đích chính là cung cấp nước và tiêu thoát
nước nói chung; đối với ngành nông nghiệp và hệ thống thủy nông thì trạm bơm có
vai trò là công trình đầu mối cung cấp nước cho hệ thông thủy lợi để phục vụ công
tác tưới tiêu của những diện tích trong lưu vực. Chỉ tính riêng 17 tỉnh, thành phố
hành nếu không tính toán sự vận hành hợp lý của các máy có thể xảy ra trường hợp
tần số dao động kích thích của các máy bơm vận hành trùng với tần số dao động
riêng của nhà trạm. Nếu hai tần số dao động này trùng nhau thì hiện tượng cộng
hưởng sẽ xảy ra và gây hư hỏng nghiêm trọng đến máy bơm và nhà trạm.
Đối với trạm bơm căn cứ vào kết cấu móng nhà trạm có thể chia thành hai
loại: nhà trạm móng rời (là loại có móng tách rời khung) và nhà trạm móng liền (là
loại có móng máy và khung nhà liền một kh
ối). Trong khuôn khổ luận văn, trạm
bơm tác giả áp dụng tính toán thuộc dạng nhà trạm móng rời và tác giả chỉ thực
hiện tính toán phần móng rời này; coi phần móng đặt máy bơm như một tấm chịu
uốn chữ nhật đẳng hướng.
Do vậy đề tài: “Tính toán dao động của trạm bơm Long Biên bằng
phương pháp phần tử hữu hạn” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao nhằm giúp
các nhà tư vấn thiết kế, quản lý vận hành sử dụng lựa chọn giải pháp phù hợp khi
đầu tư xây dựng cũng như quản lý vận hành trạm bơm sao cho trạm bơm vừa đảm
bảo vận hành ổn định vừa đem lại hiệu quả kinh tế cao là việc làm hết sức quan
trọng và cấp thiết.
2. Những yêu cầu đặt ra
Tính toán trạm bơm chịu tác d
ụng của tải trọng động từ đó đề xuất cách bố
trí, vận hành máy bơm hợp lý và tối ưu hơn.
3. Những vấn đề cần giải quyết
- Tính toán, phân tích trạng thái ứng suất biến dạng và dao động của trạm
bơm khi chịu tác dụng của tải trọng động.
- Lựa chọn được phương án tối ưu nhất khi vận hành trạm bơm.
3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TRẠM BƠM TẠI VIỆT NAM
1.1. GIỚI THIỆU TRẠM BƠM [3]
1.1.1. Vị trí quan trọng của các trạm bơm
Các máy bơm hiện đang sử dụng rất đa dạng về chủng loại, về hình thức kết
cấu (trục đứng, trục ngang, trục xiên …) và về công suất thiết kế; hầu hết những
bơm lớn có cấu tạo phức tạp và có trang bị kỹ thuật tương đối hoàn chỉnh nhập của
nước ngoài và sản xuất trong nước đều tập trung ở đây.
Hiệu quả của các công trình thuỷ lợi và của các trạm bơm điện nói riêng đối
với sản xuất nông nghiệp ở Đồng bằng bắc bộ và Bắc khu 4 cũ là vô cùng to lớn.
Vùng bắc Nam Hà (nay thuộc hai tỉnh Hà Nam và Nam Định) trước kia do
thường xuyên bị úng hạn nên diện tích gieo cấy vụ chiêm xuân chỉ có khoảng
38.000 ha và năng xuất bình quân chỉ đạt 18 tạ/ha. Vụ mùa gieo cấy 21.000 ha,
năng xuất đạt 16 tạ/ha; tổ
ng sản lượng cả năm bình quân là 104.000 tấn.
Sau khi xây dựng và đưa vào hoạt động 6 trạm bơm điện lớn: Cổ Đam, Cốc
Thành, Vĩnh Trị, Hữu Bị, Nhâm Tràm, Như Trác đã đưa diện tích gieo trồng vụ
chiêm xuân lên 45.000 ha, năng xuất đạt 35 tạ/ha và diện tích gieo trồng vụ mùa lên
44.000 ha, năng xuất là 23 tạ/ha; đưa tổng sản lượng từ 104.000 tấn lên 250.000
tấn, chưa kể trên 10.000 ha cây vụ đ
ông hàng năm.
Hệ thống thuỷ nông sông Nhuệ thuộc địa phận của các tỉnh: Hà Nội, Hà
Nam, có trên 300 trạm bơm điện, bao gồm khoảng 1.600 máy bơm các loại, cùng
với các công trình tự chảy đảm bảo tưới, ổn định cho 81.000 ha đất canh tác trong
hệ thống và tiêu (bằng động lực) là 67.273 ha, trên tổng số diện tích phải tiêu là
107.530 ha.
Hệ thống trạm bơm tiêu úng ở Đồng bằng sông Hồng cùng với các biện pháp
công trình khác đã làm cho sản xuất vụ mùa ở đây tương đối ổn định trong điều
kiện thời tiết bình thường.
Qua thực tế vận hành các công trình thuỷ lợi phục vụ sản xuất nông nghiệp
cho thấy các trạm bơm điện là loại hình công trình thích hợp cho Đồng bằng sông
Hồng và các tỉnh thuộc Bắc khu 4 cũ. Trạm bơm điện còn có vị trí đặc biệt quan
trọ
ng trong việc chuyển cơ bản vụ mùa sang vụ hè-thu ở những vùng trũng và thấp.
60% gây ra lãng phí rất lớn về năng lượng.
Các trạm bơm lại được xây dựng qua nhiều giai đoạn như trong chiến tranh,
trong thời kỳ còn khó khăn về kinh tế … cũng làm tăng thêm yếu tố chắp vá, thiếu
đồng bộ đối với việc xây dự
ng các trạm bơm.
6
Đến nay, 16 tỉnh và thành phố thuộc Đồng bằng sông Hồng và Bắc khu 4 cũ
đã có 4.964 trạm bơm điện, bao gồm 13.305 máy bơm các loại.
Qua quá trình điều tra cho thấy quá trình phát triển mạnh về sản xuất nông
nghiệp cùng với sự xuống cấp của hầu hết các trạm bơm sử dụng từ những năm
1985 trở về trước làm cho năng lực hiện tại của các tr
ạm bơm không đáp ứng đầy
đủ lượng nước tưới, tiêu theo yêu cầu.
Một số vùng bơm chống úng còn chưa cân đối được giữa khả năng của trạm
bơm với lượng nước trong lưu vực cần tiêu dẫn đến chi phí nhiều mà hiệu quả bơm
bị hạn chế.
Một số trạm bơm tiêu ven sông có nhiều lý do khác nhau đã để cao trình đặt
máy, cao trình bể xả th
ấp làm ảnh hưởng đến khả năng tiêu trong giai đoạn nước
sông cao (báo động III).
Về việc phát triển nhiều trạm bơm nội đồng không theo quy hoạch chung
cũng là vấn đề cần quan tâm.
Trong những năm gần đây nhất là từ khi thực hiện cơ chế sản xuất theo hộ
gia đình, bơm nội đồng phát triển quá nhiều cả về hình thức cố định lẫn hình th
ức
tạm thời trong các hệ thống thuỷ nông chủ yếu là ở cuối kênh và ở những vùng cao
cục bộ.
Ví dụ: ở khu vực thuộc hai tỉnh Hà Nam và Nam Định trong tổng số 1.124
máy bơm loại 1000 m³/h có tới 782 máy bơm của hợp tác xã, trong đó số lớn là do
m cũ
và mới xây dựng, bê tông bị bong, rỗ, hở cốt thép, có hiện tượng cốt thép bị ăn mòn,
tường nứt, trần dập gây thấm và dột ngay trong khu vực nhà máy như các trạm bơm
Hiền Lương, Quy Độ, Bạch Tuyết, Ngoại Độ, Quế, Văn Giang
Trạm bơm Hồng Vân và một số trạm khác phần công trình nhà trạm khô,
sạch và còn khá tốt.
Phần do thấm, phần do bạc chắn nước không
được kín, nên hầu hết các trạm
bơm lắp máy 8000m³/h đều có tầng hầm bị ngập nước, điều này rất trở ngại cho
việc kiểm tra, theo dõi máy trong vận hành.
Một số trạm bơm cũ nhà trạm kết cấu kiểu hình hộp kích thước gian máy quá
chật hẹp, mái lợp ngói hoặc tấm lợp không có thông gió Mùa hè, nhiệt độ trong
nhà trạm lên đến 40°÷42°C như hầu hết các trạm bơm quy mô nhỏ loạ
i 1000m³/h
và các trạm bơm lắp máy trục đứng nhập của Liên xô (cũ) nhãn hiệu 20ΠpB-60 có
ở hệ thống Nam-Hưng-Nghi (Nghệ An).
8
Có thể do việc tính toán thuỷ lực chưa phù hợp, nên kết cấu bể hút kiểu hình
chữ “V” của một số trạm bơm có quy mô lớn ở tỉnh Hải Dương đã gây ra thiếu
nước bơm ở hai đầu nhà máy, các máy ở đây khi bơm bị rung mạnh do có nhiều bọt
khí trong bánh xe công tác.
Các trạm bơm: Gia Viễn, Như Trác do tính toán hệ thống chắn rác chưa
phù hợp thực tế (rác rất nhiều), nên th
ường rác lấp đầy cửa hút, mức nước chênh
giữa trước và sau lưới chắn rác lên tới trên dưới 1m, các máy bơm làm việc bị rung
mạnh do hiện tượng xâm thực cục bộ, làm giảm đáng kể tuổi thọ của máy.
Một số trạm bơm trục đứng, khi làm việc máy bị rung còn có thể do nguyên
nhân: khi thi công buồng hút đã vô tình đặt chóp hướng dòng không đúng tâm của
tổ máy.
10
Hình 1-2: Trạm bơm tiêu Bảo Khê –TP. Hưng Yên: nhìn từ phía bể xả Hình 1-3: Trạm bơm tiêu Bảo Khê –TP. Hưng Yên: phía bên trong nhà máy
11
Hình 1-4: Trạm bơm tiêu Bảo Khê –TP. Hưng Yên: nhà trạm bơm
Hình 1-5: Trạm bơm Triều Dương – Tiên Lữ –Tỉnh Hưng Yên: nhìn từ phía bể xả 12Hình 1-6: Trạm bơm Liên Nghĩa – Văn Giang –Tỉnh Hưng Yên: phối cảnh nhà trạm
Hình 1-7: Trạm bơm Kênh Vàng – Lương Tài –Tỉnh Bắc Ninh: nhìn từ phía bể xả
13
- Nhược điểm: Kết quả tính toán có sai số khá lớn, không phản ánh đúng
trạng thái ứng suất biến dạng công trình. Nguyên nhân là do khi tính theo Sức bền
vật liệu ta coi công trình nh
ư một thanh được ngàm chặt vào nền, chịu uốn và kéo
nén đồng thời; giả thiết sự phân bố ứng suất pháp σ
y
trên mặt phẳng nằm ngang là
14
đường thẳng, trị số tại biên được xác định theo công thức nén lệch tâm. Mặt khác,
không thể giải quyết được các bài toán phức tạp như có biến dạng nền, ứng suất tập
trung, ứng suất tại lỗ khoét, ứng suất nhiệt, tính dị hướng, không xét được trong giai
đoạn thi công.
2.1.1.2. Phương pháp tính theo lý thuyết đàn hồi
- Ưu điểm: Giải quyết được những vấn đề nh
ư ứng suất tập trung, ứng suất
tại lỗ khoét, ứng suất nhiệt mà phương pháp Sức bền vật liệu không giải quyết
được. Tính toán tương đối đơn giản, áp dụng dễ dàng, độ chính xác cao. Có thể nói
giải theo lý thuyết đàn hồi chính là lời giải trực tiếp từ các phương trình vi phân,
chúng vừa thoả mãn điều kiện liên tục của biến dạng vừa thỏa mãn đi
ều kiện biên.
- Nhược điểm: Phương pháp lý thuyết đàn hồi rất khó thực hiện được với
những trường hợp tải trọng phức tạp như áp lực thấm và đẩy nổi, áp lực bùn cát,
động đất, ảnh hưởng của nền, nền dị hướng Kết quả tính toán chưa sát với thực tế
làm việc của vật liệu là không đồng chất, dị h
ướng. Không xét được ảnh hưởng biến
dạng của nền, các lớp xen kẹp, đứt gẫy, nền có tính dị hướng, không tính được trong
giai đoạn thi công, ảnh hưởng động đất,
Do trong khuôn khổ luận văn coi phần móng đặt máy bơm như một tấm
chịu uốn chữ nhật đẳng hướng nên tác giả tập trung đi sâu hơn vào các phương
.
Từ những giả thiết trên, ta có những nhận xét sau:
+ Tấm được coi như gồm những lớp mỏng làm việc trong các trạng thái ứng
suất phẳng, trên mặt phẳng tấm chỉ tồn tại các ứng suất σ
x
, σ
y
, τ
xy
còn σ
z
= τ
xz
= τ
yz
= 0.
+ Biến dạng trong mặt phẳng tấm tỷ lệ bậc nhất với tọa độ z.
+ Chuyển vị theo phương z tại những điểm trên đoạn thẳng vuông góc với
mặt trung bình là không đổi theo chiều dày của tấm và bằng độ võng của mặt trung
bình.
Thay cho ứng suất phân bố trên toàn bộ bề dày h, ta dùng hợp của nó đặt tại
mặt trung bình là nội lực. Nội lực củ
a tấm gồm : lực cắt (Q
x
và Q
y
), mô men uốn
(M
x
μσσε
−= (2.1)
xy
xy
xy
EG
τ
μ
τ
γ
)1(2 +
==
hoặc:
)(
)1(
2
yxx
E
μεε
μ
σ
+
−
=
)(
)1(
2
xyy
2
2
w
y
z
y
∂
∂
−=
ε
(2.3)
Copyright: Tài liệu đại học ©