LỜI CẢM ƠN
Với sự giúp đỡ của phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, Khoa
Công trình trường Đại học thuỷ lợi, cùng các thầy cô giáo, bạn bè, đồng
nghiệp và gia đình, đến nay Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật với đề tài: “Nghiên
cứu ảnh hưởng của vị trí gối bản lề tới lực kéo và trạng thái ứng suất – biến
dạng của cửa van cung nhịp lớn” 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 còn hạn chế, luận văn không thể tránh khỏi
những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến
của các thầy cô giáo, của các Quý vị quan tâm và bạn bè đồng nghiệp.
Luận văn được hoàn thành tại Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy lợi.

Hà Nội, tháng 8 năm 2014
Tác giả luận văn

NGUYỄN TẤT THỌ BẢN CAM KẾT


1.1.3. Hình thức cửa van thường dùng hiện nay 7
1.1.4. Phạm vi ứng dụng 9
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 11

1.3. Tính toán kết cấu cửa van cung 18
1.3.1. Tính toán cửa van cung theo hệ phẳng 18
1.3.2. Phân tích cửa van theo bài toán không gian 27 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 35
CHƯƠNG 2 – PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ PHẦN
MỀM SAP2000 36
2.1. Khái quát về phương pháp phần tử hữu hạn 36
2.1.1. Các mô hình của phương pháp phần tử hữu hạn 36
2.1.2. Trình tự giải bài toán kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn
37

2.2. Phần mềm SAP2000 37
2.2.1. Khái quát về phần mềm SAP2000 37
2.2.2. Một số điểm cần chú ý khi sử dụng phần mềm SAP2000 phân tích
trạng thái ứng suất và biến dạng cửa van cung 38

2.2.3. Các bước tính toán kết cấu cửa van cung bằng SAP2000 44
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 45
CHƯƠNG 3 - PHÂN TÍCH KẾT CẤU VAN CUNG TRONG
CÔNG TRÌNH CHỐNG NGẬP LỤT TP. HỒ CHÍ MÌNH 46
3.1. Giới thiệu công trình 46

Hình 1.4 - Sơ đồ cấu tạo cửa van hình cung 5
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 8
Hình 1.9 - Các loại hình thức khung chính 8
Hình 1.10 - Các hình thức khe van 10
Hình 1.11 - Sơ đồ vị trí khung chính 12
Hình 1.12 - Kết cấu cửa van hình cung dùng dầm đứng đặt sít 16
Hình 1.13 - Sơ đồ xác định áp lực nước lên dầm chính trên và dưới 20
Hình 1.14 - Sơ đồ áp lực nước lên cửa van trên mặt và cửa van dưới sâu 21
Hình 1.15 - Sơ đồ tính toán và biểu đồ mômen uốn khung chân khớp 23
Hình 1.16 - Sơ đồ tính toán và biểu đồ mômen uốn khung chính chân ngàm
24

Hình 1.17 - Sơ đồ tính toán nội lực càng van 26
Hình 1.18 - Sơ đồ xác định cánh tay đòn lực kéo van 26
Hình 1.19 - Điều kiện biên trường hợp cửa van nằm trên ngưỡng 28
Hình 1.20 - Điều kiện biên trường hợp 2 máy nâng bằng xi lanh thủy lực 29
Hình 1.21 - Điều kiện biên khi nâng bằng tời dây kéo tiếp tuyến với bản mặt
29
Hình 1.22 - Điều kiện biên khi nâng bằng tời phương dây kéo không tiếp
tuyến với bản mặt 30

Hình 1.23 - Sơ đồ kết cấu van cung ứng với trường hợp cửa van mở 31
Hình 2.1 - Hệ tọa độ cục bộ của phần tử thanh 41
Hình 2.2 - Trục tọa độ cục bộ 2 và 3 của phần tử thanh 41

Hình 3.22 – Đường quan hệ ∆Z và momen uốn lớn nhất của càng van 79
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 - Giá trị góc α và góc θ 50
Bảng 3.2 - Chuyển vị tại một số nút ở bản mặt van 54
Bảng 3.3 - Lực dọc và mô men uốn trong càng van 55
Bảng 3.4 - Nội lực trong một số phần tử giàn chính trên và dưới 55
Bảng 3.5 - Phản lực liên kết tại các gối tựa 56
Bảng 3.6 – Lực ma sát vật chắn nước bên F
S
57
Bảng 3.7 - Phản lực gối bản lề (bước lặp 1) 59
Bảng 3.8 - Phản lực gối bản lề (bước lặp 2) 59
Bảng 3.9 - Phản lực liên kết tại nút C 60
Bảng 3.10 - Xác định hành trình của xy lanh thủy lực 60
Bảng 3.10 - Chuyển vị tại một số nút ở bản mặt van 64
Bảng 3.11 - Ứng suất của bản mặt cửa van 64
Bảng 3.12 - Lực dọc và mô men uốn trong càng van 65
Bảng 3.13 - Nội lực trong một số phần tử giàn chính trên và dưới 66
Bảng 3.14 - Phản lực liên kết tại các gối tựa 67
Bảng 3.8 - Phản lực gối bản lề (bước lặp 1) 67
Bảng 3.9 - Phản lực gối bản lề (bước lặp 2) 68
Bảng 3.10 - Phản lực gối bản lề (bước lặp 3) 68
Bảng 3.11 - Phản lực liên kết tại nút C 68
Bảng 3.12 – Xác định hành trình của xy lanh thủy lực 69
Bảng 3.21 - Chuyển vị tại một số nút ở bản mặt van 72
Bảng 3.22 - Lực dọc và mô men uốn trong càng van 72


3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Một cửa van hình cung nhịp lớn trong công trình cống ngăn triều
chống ngập lụt thành phố Hồ Chí Minh.
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phần mềm SAP2000 phân tích trạng thái ứng suất-biến dạng
cửa van cung nhịp lớn, xác định trọng lượng bản thân van và lực kéo của xy
lanh thủy lực khi vị trí gối bản lề thay đổi, tìm vị trí hợp lý của gối bản lề để
giảm lực kéo van cũng như ứng suất trong quá trình khai thác. 2
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CỬA VAN HÌNH CUNG
1.1. Khái quát về cửa van hình cung [3] [4]
1.1.1. Khái niệm và phân loại
Cửa van là một bộ phận của công trình thuỷ lợi, 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.
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 không 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 không có cửa phụ trên đỉnh van. Cửa van trên mặt

3
là cửa van có đỉnh cao hơn cao trình mực nước thượng lưu (hình 1.2), cửa

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.

5

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 toán 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)H
1
; (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

6
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 vuông 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 không ảnh hưởng tới việc đóng mở cửa.

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 xô ngang lớn. làm giảm được mômen 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

9
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 xô ngang nhỏ, có thể bỏ qua.
Cửa van chân xiên có một số ưu điểm sau: Giảm được mômen 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
không nên sử dụng.
1.1.4. Phạm vi ứng dụng
Van hình cung được dùng phổ biến trong các công trình tưới và tiêu,
nhịp có thể tới 40m với chiều cao dưới 14m. Khi nhịp van từ 10 đến 12m,

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, còn khi nhịp lớn dùng loại
giàn có thanh bụng xiên hoặc tam giác.Chân khung thường dùng tiết diện

11
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 dòng cháy dưới
đáy van không va vào dầm chính dưới. Nếu vì một nguyên nhân nào đó
không 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 khoét lỗ, diện tích của lỗ không 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. Không 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 toán.
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.

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 không thể lợi dụng hết khả năng
làm việc của bản bụng dầm.
Hình dạng mặt cắt ngang của cửa van đôi 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 không dưới dầm chính, dầm chính thường chọn loại
giàn.
Nhịp tính toán 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 toán 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: h=
L
15
1
~
10
1







khi thanh bụng tam giác
1.2.2.1. 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 ô dầm và chuyền lên dầm của
khung chính, phân đều tải trọng lên khung chính và chịu các lực ngẫu nhiên
không 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