Thiết kế cửa van phẳng công trình thủy lợi

Bố trí dầm phụ dọc 3 Dầm phụ dọc hàn chặt vào bản mặt và tựa lên các giàn ngang có thể tính như dầm đơn, gối tựa là 2 giàn ngang và đỡ tải trọng của bản mặt truyền đến.. Dầm phụ được bố

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI HÀ NỘI

BỘ MÔN KẾT CẤU CÔNG TRÌNH

 Vật chắn nước đáy bằng gỗ, vật chắn nước bên bằng cao su hình chữ P

 Vật liệu chế tạo van:

- Ứng suất pháp khi kéo nén dọc trục: Rk,n= 1490 daN/cm2

- Ứng suất pháp khi uốn: Ru= 1565 daN/cm2

- Ứng suất cắt: Rc= 895 daN/cm2

- Ứng suất ép mặt đầu: Remđ=2230daN/cm2

 Hệ số điều kiện làm việc: Đối với cửa van chính thuộc nhóm 1-4 m=0.72m

B NỘI DUNG THIẾT KẾ:

I Bố trớ tổng thể cửa van:

Để bố trớ tổng thể cửa van cần sơ bộ xỏc định vị trớ và cỏc kớch thước cơ bản của dầm chớnh

H H A

Nhìn từ hạ lưu Nhìn từ thượng lưu

B

c c

G

Nhìn theo G

1 Thiết kế sơ bộ dầm chính:

Thiết kế cửa van phẳng trên mặt 2 dầm chính

* Xác định nhịp tính toán của cửa van:

- Chọn khoảng cách từ mép cống tới tâm bánh xe: c = 0.25 m

Nhịp tính toán cửa van là: L = Lo+ 2c = 11 + 20.25 = 11.5 m

* Chiều cao toàn bộ cửa van: H0 = 5.5 m

* Vị trí hợp lực của áp lực thủy tĩnh đặt cách đáy van một đoạn:

Z = 3

H

= 3

5 5

= 1.83 m

* Chọn đoạn công xôn phía trên a1

- Theo yêu cầu thiết kế: a1  0,45 hv = 0.45 5 5= 2.475 m, chọn a1= 2.4 m

- Để hai dầm chính chịu lực như nhau thì phải đặt cách đều tổng áp lực nước

→ Vậy khoảng cách hai dầm chính là: a = 2(H0 - a1 - Z) = 2(5.5 – 2.4 – 1.83) = 2.54

m

* Đoạn công xôn phía dưới a2

a2 = H0 – (a1 + a) = 5.5 – (2.4 + 2.54) = 0.56 m

* Khoảng cách từ dầm chính trên, dầm chính dưới đến tâm hợp lực: atr ; ad

- Sơ bộ chọn : atr = ad = a/2 = 2.54/2 = 1.27 m

 Lực tác dụng lên mỗi dầm chính

- Tải trọng phân bố đều tiêu chuẩn:

wn

2 H 3

3 H

L q

11 188 83

tc tc

q n p n

q p

1.10

1.2

60010

5.11156524

5

6

2 min

Do hkt > hmin → Chọn h = hkt = 124 cm → hb=0.95 x 124 = 118.37 cm

- Giàn ngang nằm trong phạm vi dầm chính không thay đổi tiết diện

- Số giàn ngang nên chọn lẻ để các kết cấu như dầm chính, giàn chịu trọng lượng có dạng đối xứng Ở đây bố trí 3 giàn ngang và 2 trụ biên

3 Bố trí dầm phụ dọc (3)

Dầm phụ dọc hàn chặt vào bản mặt và tựa lên các giàn ngang có thể tính như dầm đơn, gối tựa là 2 giàn ngang và đỡ tải trọng của bản mặt truyền đến Dầm phụ được

bố trí song song với dầm chính, càng xuống sâu dầm càng dầy vì áp lực nước

tăng.Khoảng cách giữa các dầm phụ 0.7÷0.9 m Dầm phụ chọn tiết diện chữ C đặt úp để tránh đọng nước Bố trí các dầm phụ dọc như hình 3

Hình 3 : Bố trí các dầm dọc phụ

4 Trụ biên (6)

Trụ biên ở hai đầu cửa van, chịu lực từ dầm chính, dầm phụ và lực đóng mở van Trụ biên gắn với gối tựa kiểu trượt hoặc bánh xe truyền lực lên trụ pin Các thiết bị treo, chốt giữ và móc treo cũng được nối với trụ biên

Tiết diện trụ biên của cửa van trên mặt thường có dạng chữ I Để đơn giản cấu tạo chiều cao trụ biên thường chọn bằng chiều cao dầm chính

5 Giàn chịu trọng lượng (5)

Giàn chịu trọng lượng bao gồm cánh hạ của dầm chính, cánh hạ của dàn ngang, được bổ sung thêm các thanh bụng xiên có tiết diện là các thép góc đơn hoặc ghép

6 Bánh xe chịu lực

Để đóng mở cửa van cần bố trí kết cấu di chuyển cửa van bằng thanh trượt hoặc bánh xe chịu lực Bánh xe được bố trí ở mặt sau trụ biên, bánh xe bên và bánh xe ngược hướng nên dùng bánh xe cao su để giảm chấn động.:

7 Bánh xe bên

Để khống chế cửa van không bị dao động theo phương ngang và đẩy về phía trước, người ta thường bố trí các bánh xe bên Đôi khi người ta kết hợp sử dụng bánh xe chịu lực đồng thời làm bánh xe bên

8 Vật chắn nước

Vật chắn nước hai bên và vật chắn nước được sử dụng vật liệu bằng cao su bố trí

ở hai bên và dưới đáy cống dạng củ tỏi

II Tính toán các bộ phận kết cấu van

Tính toán bản mặt: Bản mặt được bố trí thành 4 cột giống nhau nên chỉ cần tính cho

một dãy cột Các ô dầm được tính toán như tấm hình chữ nhật chịu tải trọng phân bố.Có hai trường hợp xảy ra:

* Khi ô có cạnh dài > 2 lần cạnh ngắn: Ô được tính như tấm tựa trên 2 cạnh Trường hợp này chiều dầy bản mặt được xác định theo công thức:

bm

 =

u

i R

p

a 

 61 0

Trong đó:

- a: Cạnh ngắn của ô bản mặt (cm)

- b: Cạnh dài của ô bản mặt (cm)

- pi : Cường độ áp lực thủy tĩnh tại tâm của ô bản mặt được xét (daN/cm2)

- Ru : Cường độ chịu uốn của thép làm bản mặt (daN/cm2)

* Khi ô có cạnh dài < 2 lần cạnh ngắn: Ô được tính như tấm tựa trên 4 cạnh Trường hợp này chiều dầy bản mặt được xác định theo công thức:

bm

 =

u

i R

p

a 

19 2

Trong đó:

- a: Cạnh ngắn của ô bản mặt (cm)

- pi : Cường độ áp lực thủy tĩnh tại tâm của ô bản mặt được xét (daN/cm2)

- Ru : Cường độ chịu uốn của thép làm bản mặt (daN/cm2)

-  : Hệ số phụ thuộc vào tỷ số b/a

 Để tính toán ta lập bảng tính như sau:

R

p

1

Từ bảng kết quả trên và xét đến điều kiện ăn mòn ta chọn chiều dày bản mặt:

bm

 = 10 mm

Hình 4

2 Tính toán dầm phụ dọc

Dầm phụ truyền lực lên dàn ngang Dầm phụ dọc được tính như dầm liên tục hoặc dầm đơn tùy thuộc cách bố trí dầm phụ Với cách bố trí dầm phụ dọc bằng mặt với cánh thượng của dàn ngang, dầm phụ dọc được tính như dầm đơn, nhịp là khoảng cách giữa hai giàn ngang và chịu tải trọng phân bố đều có cường độ là:

- at: Khoảng cách từ dầm đang xét đến dầm trên nó

- ad: Khoảng cách từ dầm đang xét đến dầm dưới nó

- pi: Áp lực thủy tĩnh tại trục dầm thứ i (daN/cm2)

Chiều dài dầm phụ: Lf = B = 2.875 m

→ Ta có bảng kết quả tính toán như sau:

5.28797.261.18

2 2

306520



u yc

R

M

Hình 5

Từ Wyc, tra thép định hình chữ [ (có xét đến bản mặt tham gia chịu lực), ta chọn thép chữ [ số hiệu N022 có các đặc trưng sau:

h = 22 cm bc = 82 mm zo = 2.21 cm

F = 26.7 cm2 Jx = 2110 cm4 Wx = 192 cm3

Vì dầm phụ hàn vào bản mặt nên phải xét đến bản mặt cùng tham gia chịu lực (hình 6),

bề rộng của bản mặt tham gia chịu lực với dầm phụ lấy bằng giá trị nhỏ nhất trong các giá trị sau đây:

) 1 22 ( 1 58 2

) (

122(15812

158

809.4532

306520max

1809.453210

1.2

5.28797.26384

5384

5

0 6

3 3

B q B

f

x tc

KL: Tiết diện dầm phụ [N022 đã chọn ở trên là hợp lý

.1

R h

Chiều dầy bản cánh lấy theo kinh nghiệm:

12402.002

c

→ Như vậy chọn c 2.6cm là hợp lý (Bội số của 2 mm)

→ Chiều cao của dầm chính: h = hb + 2c= 120 + 2× 2.6 = 125 cm

Khoảng cách trung tâm giữa hai bản cánh: hc = hb + c= 120 + 2.6 = 124.6 cm

25.4317562

12

3 3

b b c c

x

h b

h b

12

120)125(12

Vì dầm chính hàn vào bản mặt nên phải xét tới bản mặt cùng tham gia chịu uốn với dầm chính Bề rộng b của bản mặt cùng tham gia chịu lực với dầm chính phải thỏa mãn các điều kiện sau:

b≤ 0.5(at + ad) = 0.5× (59 + 56) = 57.5 cm

b≤ bc + 50bm= 25 +50×1 = 75 cm

b≤ 0.3L = 0.3×11.5 = 3.45 m = 345 cm Vậy chọn b = 57 cm

* Kiểm tra lại tiết diện đã chọn xét đến phần bản mặt

cùng tham gia chịu lực với dầm chính :

a/ Xác định các đặc trưng hình học của tiết diện ghép

Gọi yc là khoảng cách từ trục x (Trục quán tính

chính trung tâm của tiết diện tính toán) đến trục x0 (Trục

quán tính chính trung tâm của dầm I đối xứng)

yc=

bm

bm bm

xo

F F

h F F

1 57 250

5 0 ) 1 125 ( 1 57

1125(15712

157

10602

M

Ta thấy: max= 1277.50 daN/cm2 < 0.85Ru = 0.85×1565 = 1330.25 daN/cm2

Vậy tiết diện dầm chính vừa chọn thỏa mãn điều kiện về ứng suất pháp Trong thiết kế

ta để dư ra khoảng 15% ứng suất để xét tới bản cánh của dầm chính còn phải chịu trọng lượng bản thân của cửa van khi nó là thanh cánh trên và cánh dưới của giàn chịu trọng lượng

- Góc thoát nước:

25 1

25 0 5 0 5 0 5 0

Vậy bản bụng của dầm chính cần phải khoét lỗ Diện tích lỗ khoét ≥ 20% diện tích bề mặt bản bụng

b/ Thay đổi tiết diện dầm chính:

Để tiết kiệm thép và để giảm bớt bề rộng rãnh van nên dùng dầm chính có chiều cao thay đổi (Hình 8) Trong cửa van vì yêu cầu giàn ngang không thay đổi nên điểm đổi tiết diện phải bắt đầu từ vị trí giàn ngang ngoài cùng ở hai bên

Hình 8

Chiều cao tiết diện dầm chính tại gối dầm lấy bằng:

ho = 0.6h = 0.5×125 = 62.5 cm (Thường được lấy bằng (0,4 0,5)h, trong đó h là chiều cao dầm chính giữa

nhịp)

→ Chọn h0 = 62 cm

c/ Kiểm tra ứng suất tiếp:

Kiểm tra ứng suất tiếp tại tiết diện đầu dầm chính tính như sau:

b x

J

S Q

S : Mô men tĩnh của tiết diện đầu dầm

Tính toán các đặc trưng hình học của tiết diện tại gối dầm (hình 9)

124 cm

62 cm

Hình 9

Ta có:

06 8 5 2 25 2 1 62 1 57

5 0 ) 1 5 2 2 62 ( 1 57 0

2 3

62(12

6.225

2 3

62(12

6.225

2 3

3383 4 45753

→

8.042.61301010

1.2

105.11625.75384

5

6

6 3

1

<

600

110

c dh

R J

S Q h

h g x

c dh

R J

S Q

1 6

155561

25 2096 4

45753

1

2

1

) ( 42

0

cm h

cm h

b dh

h

 > 100→ bản bụng dầm chính cần được gia cố bằng các sườn chống đứng với khoảng cách a ≤ 2h b( hình 11)

- Vì khoảng cách giữa các dàn ngang là : 287.5 cm > 2h b= 2× 120 = 240 cm → Phải đặt thêm các sườn đứng vào giữa các dàn ngang Như vậy khoảng cách giữa các sườn đứng

y J M

Hình 11

62 cm1

2

43

M: Mô men lấy tại tâm của hình vuông có cạnh là hb lệch về phía mô men lớn

Đối với ô hình thang số 1,2 (Hình 11) ta coi như là hình chữ nhật có chiều cao bằng chiều cao trung bình ở giữa ô

Trường hợp tiết diện không đối xứng, h0lấy bằng 2 lần chiều cao vùng nén

+/ th: Ứng suất tiếp tới hạn

95.025

Ta cần kiểm tra ổn định cục bộ cho 4 ô dầm 1,2,3,4 Ở đây ô số 1 có mômen

nhỏ và thoả mãn điều kiện bền của ứng suất tiếp do đó không cần kiểm tra ổn

hb = 2 y(b)= - 11 70 ) 96 60cm

2

120 (

th = 746( ) 10

60 96

1

100 2

daN/cm2 = 7994.38daN/cm2+Tính th :

y

x

 

yb(-) yb

10 ) 100 (

95 + 125

(

b th

δ μ

120

1.100(1.198

95125

+Tính M:

2

120 - 2

1150 2

15.52

-11188.832

)-(-.2

2 2

4 4

1063.1357

cm daN

2

-1183.188C)

(q-

/84.491

120

10812.59

cm daN

84.49()38.7994

90.817

hb = 2 (  )

y b = - 11 70 ) 96 60cm

2

120 (

th = 746( ) 10

60 96

1

100 2

daN/cm2 = 7994.38daN/cm2+ Tính th:

10 ) 100 (

95 + 125

(

b th

δ μ

120

1.100(1.198

95125

120 - 2

1150 2

B - 2

713.32

-11188.832

)-(-.2

2 2

3 3

101200

cm daN

-B

2

287.5 - 4

5 287 - 2

2

-1183.188C)

(q-

/46.1491

120

10353.179

cm daN

19.725

x

Theo talet ta có:

cm x

x

14.2725

5.287

-2

5.287-25-

Từ hình vẽ ta có :

15718.1016.2

25

2

)5,02

107(157

3 2

2 3

2 3

00.5756291

57)5,066.102

107(12

157256.2)66.102

6.22

8.101(12

6.225218.10166

.1012

hb = 2 y(b)= - 10.66 ) 80 48cm

2

8 101 (

th = 746( ) 10

48 80

1

100  2

daN/cm2 = 11517.62 daN/cm2+ Tính th :

10 ) 100 (

95 + 125

(

d

b th

δ μ

8.101

1100(1.412

95125

+ Tính M :

Ta có : Z2M = h b 236 6cm

2

8 101 - 5 287 2

366.22

-11188.832

)-(-.2

2 2

2 2

1029.896

cm daN

tt

96.2980,25)-(2.15683.188

2

-1183.188C)

(q-

/67.2931

8.101

1096.298

cm daN

67.293()62.11517

56.626

a.Sơ đồ tính toán

Hình 12

- Giàn ngang truyền lực lên dầm chính nên dầm chính là gối tựa của giàn ngang

- Tải trọng: Giàn ngang chịu tác dụng của áp lực nước phân bố theo quy luật tam giác

- Gọi cácđiểm nút là 0,1,2,3,4,5, ứng với các Pi (i=0, 5)

- Xác định Pi theo nguyên tắc phân phối đòn bẩy, áp lực nước phân bố giữa hai mắt dàn được đưa về mắt giàn ( Ở đây áp lực nước phải nhân thêm bề rộng B- khoảng cách giữa hai dàn ngang)

- Nếu phân các biểu đồ áp lực nước hình tam giác có thể tiến hành như sau:

0

1

2

3 4

5

6

7

8

P1= 1  2  '2

3

1 2

1 3

2

W W

3

1 400 41 2

1 700 20 3

1 + 3

3 3

' ,

2 1

043 86 185 23 3

1 630 87 2

1 700

1 + ' 3

2 +

2

1

4 4

3

W

000 134 185 23 3

1 000 134 2

1 185 23 3

2 630

1 + ' 3

2 +

2

1

5 5

4

W

) ( 726 123 508 4 3

1 534 79 2

1 185 23 3

2 000

H 10 5 5 2 875 434 844

2

1

941 427 844

= 1.6 % < 5% → Chấp nhận được

 Xác định nội lực trong các thanh dàn bằng phương pháp đồ giải Cremona.(cơ kết cấu tập I), sau đó kiểm tra lại nội lực một thanh bằng phương pháp giải tích (mặt cắt, tách mắt )

+ Xác định phản lực ở 2 gối tựa 6 và 7

M7 = R6 x 2.54+ P0 x 2.4 + P1 x 1,2-P3 x 1.27 - P4 x 2.54 - P5 x 3.1 =0

R6 = 216.849 kN.()

R7 = 434.844 - 216.849 = 217.995 kN()

+/ Xác định nội lực trong các thanh dàn:

Tính chiều dài các thanh dàn và các góc

m m

m m

25 1 2

625.0

1 01

27.1

2 27

25.1

3 45

Nội lực (kN)

Trạng thái nội lực

 Chọn tiết diện thanh dàn và kiểm tra lại tiết diện chọn:

+/ Chọn tiết diện cho thanh cánh thượng:

Thanh cánh trên thường dùng tiết diện chữ I Thanh cánh thượng của dàn ngang ngoài lực chịu lực dọc (thường là chịu kéo) còn chịu uốn do tải trọng ngang trực tiếp của áp lực nước cho nên ta tính thanh cánh thượng như thanh chịu lực lệch tâm có kể cả phần bản mặt cùng tham gia chịu lưc

Chọn thanh 3-4 để tính toán vì thanh có lực dọc N= 291.548 kN lớn nhất thanh cánh thượng.vµ chiÒu dµi lín: l34 = 127 cm

)/(05.432

⇒

)/(4.49

.γ

)/7.36

.γ

4 3

2 4

1 3

m kN q

q q

m kN B

H q

m kN B

H q

M tt

MkN.mL=1,53

qtt=56,045

+ Xác định đặc trưng hình học của dầm

3 4

max

1565

10547.9

Kiểm tra tiết diện đã chọn khi có sự tham gia chịu lực của bản

mặt:

)/(1565

)/(1310

75.103

10547.98

.74

10.548.291σ

⇒

)(75.103

≈8.12

0.1328

)(0.132812

14.574.577.15724.178.5

)(8.5

≈8

.74

)5.07(4.57

)(8.7414.574.17

4.571.503.7δ.50

2 2

4 2

) (

3 max

max

4 3

2 2

2

cm daN R

cm daN W

M F N

cm y

J W

cm J

cm y

cm F

cm b

b

u x

x x

x

c

bm c

Thoả mãn điều kiện về cường độ

 Chọn thép IN014 cho tất cả các thanh cánh thượng

 Chọn tiết diện thanh cánh hạ: thanh 7-6 là thanh bất lợi nhất.vì thanh này

có nội lực lớn nhất trong các thanh cánh hạ

L7-6 = 2.54 m , N7-6 = 253.583(kN)

+ Xuất phát từ điều kiện ổn định ta có :



- Gi¶ thiÕt: gt 80 0,75 b¶ng 5-1

)(175.380

254λ

⇒

)(69.2275

,0.1490

10583.253

⇒

/ /

2 2

/

cm

l r

r

cm R

N F

gt

x c y y c y x

k c y

⇒7.9371.2

254λ

6.8015.3

254λ

x x

r l r l

Tra b¶ng 5-1 ta được min= 0,675

)/(1490)

/(12122

5.15675.0

10583.253

cm daN F

VËy ta chän thÐp gãc 2L 100x63x10 , cho tÊt c¶ c¸c thanh c¸nh h¹

 Chän tiÕt diÖn thanh bông:

- TÝnh cho thanh bông 7-3 thanh nµy cã lùc nÐn lín nhÊt

- Gi¶ thiÕt λgt 100⇒ 0,6

1490.6,0

10466.281

2 2

- ≈1.78( )

100

1078.1λ

2 /

/

cm

l r

r

gt

c y y c y x

⇒3.4311.4

178λ

45.5146.3

178λ

max 0

x x

r l r l

Tra b¶ng ⇒ min  0 886

⇒)/(1490)

/(1045

≈22.15886.0

10466.281σ

2

cm daN R

Tæng hîp c¸c thanh thÐp ®­îc dïng trong giµn nh­ b¶ng sau

B¶ng Tæng hîp thÐp

Ký hiÖu

Tr¹ng th¸i néi lùc

5 Tính toán giàn chịu trọng lượng

a Xác định trọng lượng cửa van:

Xác định trọng lượng cửa van theo công thức gần đúng sau:

G = 0.55× F F (kN)

Trong đó: F: Diện tích chịu áp lực nước của cửa van, tính bằng m2

F = L × H = 11× 5.5 = 60.5 m2

→ G = 0.55× 60.5 60.5= 258.819 kN

G: trọng lượng cửa van được phân bố lên mặt phẳng phía trước (bản mặt) và mặt

phẳng phía sau (dàn chịu trọng lượng) (KN)

Gọi G1 là trọng lượng bản thân cửa van phân cho phần dàn chịu trọng lượng

f

tr a a

a G G

819.2585.0

5,0

kN B

 Xác định nội lực trong thanh dàn:

Dùng phương pháp đồ giải sau đó kiểm tra lại một thanh bằng phương pháp giải tích

0,5.Pm

R=2.Pm

R=2.Pm L=11.5m

Ký hiệu thanh giàn

Chiều dài thanh (m)

Nội lực (kN)

Trạng thái nội lực

 Chọn tiết diện và kiểm tra lại tiết diện đã chọn :

Thực tế chỉ cần tính thanh bụng đứng và xiên vì hệ thanh cánh trên và dưới là bản

cánh của dầm chính (miềm kéo)

Tính thanh bụng đứng phải kể đến ứng suất khi thanh đồng thời nằm trong dàn ngang

đã tính ở phần trên sau đó tổng hợp lại để nằm trong dàn ngang đã tính ở phần trên, sau đó tổng hợp lại để xác định ứng suất trong thanh

- Chọn tiết diện cho thanh bụng xiên:

+ Chọn tiết diện thanh xiên :

+ Tính toán với thanh 1-8:

N18=101,53(kN)

L=4,374(m)