Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu cải tiến hình thức kết cấu hệ dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn cho công trình kiểm soát nước vùng triều

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:202

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của luận án "Nghiên cứu cải tiến hình thức kết cấu hệ dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn cho công trình kiểm soát nước vùng triều" là nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng của kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn trong điều kiện làm việc hai chiều; nghiên cứu ảnh hưởng của thay đổi hình thức kết cấu thanh bụng xiên của dàn chính đến độ bền và độ cứng của cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn khi cửa van làm việc ở trạng thái đóng;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu cải tiến hình thức kết cấu hệ dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn cho công trình kiểm soát nước vùng triều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI TRẦN XUÂN HẢI NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN HÌNH THỨC KẾT CẤU HỆ DÀN CỬA VAN PHẲNG KÉO ĐỨNG NHỊP LỚN CHO CÔNG TRÌNH KIỂM SOÁT NƯỚC VÙNG TRIỀU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI TRẦN XUÂN HẢI NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN HÌNH THỨC KẾT CẤU HỆ DÀN CỬA VAN PHẲNG KÉO ĐỨNG NHỊP LỚN CHO CÔNG TRÌNH KIỂM SOÁT NƯỚC VÙNG TRIỀU Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Mã số: 9580202 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS Vũ Hoàng Hưng 2. GS. TS Hà Văn Khối HÀ NỘI, NĂM 2023
LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Trần Xuân Hải i
LỜI CÁM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Thủy lợi, Viện Khoa học và Đổi mới Công nghệ, Công ty TNHH MTV Nước và Môi trường Bình Minh đã tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận án này. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy hướng dẫn PGS.TS. Vũ Hoàng Hưng, cố GS.TS. Hà Văn Khối và PGS.TS Trần Mạnh Tuân, những người đã theo dõi và giúp đỡ tận tình trong suốt thời gian làm luận án tiến sĩ. Xin bày tỏ lòng biết ơn đến PGS.TS Vũ Văn Nghị (Trường Đại học KHTN – Đại học Quốc Gia TP. HCM) về sự giúp đỡ chuyên môn và động viên tinh thần trong quá trình tác giả thực hiện, và các giáo sư, tiến sĩ của Khoa công trình trường Đại học Thủy lợi đã đóng góp rất nhiều ý kiến quý báu cũng như giúp đỡ tác giả tìm kiếm tài liệu phục vụ nghiên cứu luận án. Cám ơn Trung tâm Quản lý và Khai thác Công trình Thủy lợi Cà Mau, Trung tâm Quản lý và Khai thác Công trình Thủy lợi Bạc Liêu, Trung tâm Quản lý và Khai thác Công trình Thủy lợi Kiên Giang, Công ty TNHH MTV Khai thác Thuỷ lợi Miền Nam, Viện Quy hoạch Thủy lợi Miền Nam, Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam, Viện Thủy công… đã chia sẻ công việc và tài liệu cơ bản để tác giả có đủ điều kiện thực hiện luận án. Xin cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã động viên tác giả rất nhiều trong những năm qua để tôi có thể vượt qua những giai đoạn khó khăn. ii
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH..........................................................................................vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................................xi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................. xiii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ............................................................................................xiv ĐỊNH NGHĨA CÁC CỤM TỪ DÙNG TRONG LUẬN ÁN ........................................xvi MỞ ĐẦU................................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................................. 1 2. Mục tiêu nghiên cứu........................................................................................................... 3 3. Đối tượng, phạm vi và nội dung nghiên cứu ................................................................. 4 3.1. Đối tượng nghiên cứu................................................................................................. 4 3.2. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................................... 4 3.3. Nội dung nghiên cứu .................................................................................................. 4 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu................................................................... 4 4.1. Cách tiếp cận ............................................................................................................... 4 4.2. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................... 5 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án.................................................................... 6 5.1. Ý nghĩa khoa học ........................................................................................................ 6 5.2. Ý nghĩa thực tiễn ......................................................................................................... 6 6. Cấu trúc luận án ................................................................................................................. 7 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CỬA VAN NHỊP LỚN VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU ĐẶT RA VỚI LUẬN ÁN ................................................................ 8 1.1 Tổng quan về cửa van nhịp lớn ....................................................................................... 8 1.1.1 Khái niệm cửa van nhịp lớn....................................................................................... 8 1.1.2 Các hình thức cửa van nhịp lớn ................................................................................. 8 1.1.3 Cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn .......................................................................... 12 1.2 Tổng quan về các nghiên cứu có liên quan đến tính toán thiết kế kết cấu cửa van nhịp lớn........................................................................................................................................... 18 1.2.1 Tối ưu hóa kết cấu cửa van ...................................................................................... 18 1.2.2 Dao động kết cấu cửa van ........................................................................................ 26 1.2.3 Phá hoại mỏi kết cấu thép cửa van .......................................................................... 31 1.3 Những vấn đề đặt ra và hướng nghiên cứu................................................................. 35 iii
1.4 Kết luận chương 1............................................................................................................. 36 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN KẾT CẤU CỬA VAN BẰNG MÔ PHỎNG SỐ ...................................................................................................................37 2.1 Đặt vấn đề........................................................................................................................... 37 2.2 Tối ưu hóa kết cấu ............................................................................................................ 37 2.2.1 Khái quát về tối ưu hóa kết cấu ............................................................................... 37 2.2.2 Công thức cơ bản của bài toán tối ưu hóa kết cấu ................................................. 39 2.2.3 Vấn đề tính toán tối ưu dàn thép cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn ................... 41 2.3 Động lực học kết cấu ........................................................................................................ 42 2.3.1 Khái quát về động lực học kết cấu .......................................................................... 42 2.3.2 Phương pháp tích phân trực tiếp giải bài toán động lực học kết cấu ................... 43 2.3.3 Vấn đề tính toán động lực học kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn ......... 47 2.4 Tương tác khối nước – kết cấu....................................................................................... 48 2.4.1 Khái quát về tương tác khối nước – kết cấu........................................................... 48 2.4.2 Vấn đề tính toán tương tác động lực học khối nước – kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn ............................................................................................................................. 50 2.5 Phá hoại mỏi kết cấu ........................................................................................................ 51 2.5.1 Khái quát về phá hoại mỏi kết cấu .......................................................................... 51 2.5.2 Tập trung ứng suất .................................................................................................... 51 2.5.3 Lan truyền vết nứt ..................................................................................................... 53 2.5.4 Vấn đề tính toán phá hoại mỏi của kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn .. 56 2.6 Công cụ sử dụng trong nghiên cứu ............................................................................... 56 2.6.1 Giới thiệu phần mềm ANSYS ................................................................................ 56 2.6.2 Phần tử sử dụng trong mô hình ............................................................................... 57 2.6.3 Kỹ thuật tính toán tối ưu........................................................................................... 60 2.6.4 Kỹ thuật tính toán động lực học kết cấu ................................................................. 64 2.6.5 Kỹ thuật tính toán tương tác khối nước - kết cấu................................................... 67 2.6.6 Kỹ thuật tính toán phá hoại mỏi kết cấu thép......................................................... 70 2.7 Kết luận Chương 2 ........................................................................................................... 73 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THAY ĐỔI HÌNH THỨC VÀ TÍNH TOÁN TỐI ƯU KẾT CẤU DÀN CỬA VAN PHẲNG KÉO ĐỨNG NHỊP LỚN..................................75 3.1 Đặt vấn đề........................................................................................................................... 75 iv
3.2 Nghiên cứu thay đổi hình thức kết cấu dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn ............................................................................................................................................... 76 3.2.1 Đề xuất thay đổi hình thức kết cấu dàn................................................................... 76 3.2.2 Xây dựng chương trình tính toán kết cấu cửa van................................................. 81 3.2.3 Kết quả tính toán kết cấu cửa van ........................................................................... 86 3.2.4 Tổng hợp kết quả tính toán và nhận xét.................................................................. 91 3.3 Nghiên cứu lựa chọn kích thước dàn hợp lý ............................................................... 92 3.3.1 Ảnh hưởng của chiều cao dàn chính đến nội lực và chuyển vị dàn .................... 93 3.3.2 Ảnh hưởng của khoảng cách hai thanh cánh hạ dàn chính đến nội lực và chuyển vị dàn ..................................................................................................................................... 98 3.3.3 Ảnh hưởng của độ cong thanh cánh thượng dàn chính đến nội lực và chuyển vị dàn ................................................................................................................................... 102 3.3.4 Lựa chọn góc nghiêng hai dàn chính .................................................................... 106 3.4 Nghiên cứu lựa chọn kích thước mặt cắt ngang thanh dàn................................... 108 3.4.1 Phương án tính toán tối ưu ..................................................................................... 108 3.4.2 Kết quả tính toán tối ưu kích thước mặt cắt đối với các phương án .................. 109 3.4.3 Kiểm tra độ bền và độ cứng cửa van với kích thước đề xuất ............................. 112 3.4.4 Nhận xét ................................................................................................................... 117 3.5 Kết luận Chương 3......................................................................................................... 117 CHƯƠNG 4 ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN CHO CÔNG TRÌNH THỰC TẾ ..............................................................................................................118 4.1 Giới thiệu công trình ...................................................................................................... 118 4.2 Thông số cơ bản dùng trong thiết kế .......................................................................... 119 4.3 Lựa chọn kết cấu cửa van ............................................................................................. 120 4.4 Xây dựng mô hình tính toán......................................................................................... 122 4.5 Tính toán độ bền và độ cứng kết cấu thép cửa van ................................................. 123 4.5.1 Cửa van chịu tác dụng của tổ hợp tải trọng cơ bản ............................................. 123 4.5.2 Cửa van chịu tác dụng của tổ hợp tải trọng đặc biệt có động đất....................... 127 4.5.3 So sánh kết quả tính toán tĩnh và động theo mô hình FSI .................................. 129 4.6 Kiểm tra khả năng phá hoại mỏi của kết cấu thép cửa van .................................. 130 4.6.1 Khả năng phá hoại mỏi kết cấu thép cửa van ...................................................... 130 4.6.2 Vị trí kiểm tra phá hoại mỏi ................................................................................... 132 v
4.6.3 Kết quả tính toán kiểm tra phá hoại mỏi............................................................... 134 4.6.4 Nhận xét ................................................................................................................... 136 4.7 Kết luận Chương 4 ......................................................................................................... 136 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...........................................................................................138 1. Những kết quả đạt được................................................................................................ 138 2. Những đóng góp mới của luận án ............................................................................... 139 3. Những tồn tại và hướng phát triển ............................................................................. 140 4. Kiến nghị........................................................................................................................... 141 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ................................................................142 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................143 PHỤ LỤC ........................................................................................................................... PL1 vi
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Các hình thức cửa van nhịp lớn ........................................................................9 Hình 1.2 Công trình có cửa van kéo đứng nhịp lớn nhất trên thế giới (Nguồn: Internet) ..13 Hình 1.3 Một vài công trình có cửa van phẳng kéo đứng tại Việt Nam ........................16 Hình 1.4 Kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn .....................................................16 Hình 1.5 Sơ đồ áp lực nước tĩnh lên cửa van phẳng .....................................................17 Hình 1.6 Tối ưu hình học dàn phẳng với điều kiện ràng buộc chuyển vị .....................24 Hình 1.7 Tối ưu hóa hình học và cấu trúc dàn thép không gian ...................................25 Hình 1.8 Tối ưu hóa hình học và cấu trúc cầu dàn thép ................................................26 Hình 1.9 Cửa van phẳng kéo đứng Krimpen – Hà Lan .................................................27 Hình 1.10 Dạng dao động của cửa van 95 m thực hiện trên mô hình PTHH ...............28 Hình 1.11 Nghiên cứu tương tác động lực học 3D kết cấu cửa van phẳng nhịp lớn ....29 Hình 1.12 Hình thức mối nối chân dàn chính ............................................................... 31 Hình 1.13 Phá hoại tại mối nối chân dàn loại (a) ..........................................................32 Hình 1.14 Mô hình PTHH mối nối hàn ống thép với hộp thép .....................................32 Hình 1.15 Mô hình PTHH nút dàn ống thép có bản mã và kết quả tính toán hệ số tập trung ứng suất khi không có và có bản mã ....................................................................33 Hình 1.16 Các loại mô hình phần tử hữu hạn nút dàn ...................................................34 Hình 2.1 Tối ưu hình dạng và kích thước dàn ............................................................... 38 Hình 2.2 Ví dụ về kết cấu chịu tải trọng động .............................................................. 42 Hình 2.3 Phương pháp giải phương trình chuyển động của hệ kết cấu ........................43 Hình 2.4 Các dạng phá hoại mỏi ...................................................................................51 Hình 2.5 Tập trung ứng suất ..........................................................................................52 Hình 2.6 Hệ số tập trung ứng suất cho lỗ khoét hình tròn ............................................53 Hình 2.7 Các giai đoạn lan truyển vết nứt mỏi.............................................................. 54 Hình 2.8 Tuổi nứt ban đầu tương đối là hàm số của phân bố ứng suất tại khởi tạo vết nứt ....55 Hình 2.9 Phần tử dầm 3-D BEAM188 ..........................................................................58 Hình 2.10 Phần tử mặt 3-D SHELL63 ..........................................................................59 Hình 2.11 Phần tử khối 3-D FLUID30 ..........................................................................59 Hình 2.12 Sơ đồ khối quá trình tính toán tối ưu trong phần mềm ANSYS ..................61 Hình 2.13 Sơ đồ khối quá trình tính toán tối ưu theo phương pháp MOGA ................62 Hình 2.14 Sơ đồ tính toán dàn vòm phẳng ....................................................................63 Hình 2.15 Mã phần tử các thanh dàn .............................................................................63 Hình 2.16 Sơ đồ tính toán kết cấu dàn đứng .................................................................66 Hình 2.17 Chuyển vị và gia tốc theo thời gian tại vị trí đỉnh dàn đứng (điểm D) ........66 Hình 2.18 Quá trình phân tích FSI ................................................................................67 Hình 2.19 Mô hình phần tử hữu hạn tương tác khối nước – kết cấu 2D .......................68 Hình 2.20 Chuyển vị và gia tốc theo thời gian tại vị trí đỉnh dàn đứng (điểm D) khi xét đến tương tác khối nước trước và sau cửa van .............................................................. 69 vii
Hình 2.21 Chuyển vị của kết cấu tại thời điểm 10 s và 20 s .........................................69 Hình 2.22 Sơ đồ khối phân tích mỏi theo tuổi ứng suất bằng phần mềm ANSYS .......71 Hình 2.23 Sơ đồ nút liên kết thanh dàn .........................................................................72 Hình 2.24 Đường cong phá hoại mỏi S – N của vật liệu thép S355 ....................................72 Hình 2.25 Trạng thái chuyển vị và ứng suất tại vị trí liên kết .............................................72 Hình 2.26 Kết quả tính toán mỏi tại vị trí nút 50 ............................................................... 73 Hình 3.1 Cửa van dạng dàn một vòm với mặt phẳng dàn chính đặt song song ............77 Hình 3.2 Kết cấu dàn chính có thanh cánh thượng và hạ lưu cong một chiều ..............77 Hình 3.3 Cửa van dạng một vòm với mặt phẳng dàn chính đặt nghiêng góc ...............78 Hình 3.4 Hình thức dàn chính cửa van phẳng kéo đứng được đề xuất thay đổi ...........80 Hình 3.5 Nguyên tắc chịu lực của mặt phẳng dàn làm việc hai chiều ..........................80 Hình 3.6 Chương trình tính toán tích hợp trong phần mềm ANSYS ............................ 82 Hình 3.7 Cấu trúc của Chương trình LIFTGATE.MAC ...............................................82 Hình 3.8 Điều kiện biên của mô hình ............................................................................83 Hình 3.9 Cấu trúc của Chương trình LGATE_OP.MAC ..............................................84 Hình 3.10 Cửa sổ nhập dữ liệu đầu vào là các tham số thiết kế ....................................85 Hình 3.11 Mô hình phần tử hữu hạn kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn ..........85 Hình 3.12 Trọng lượng cửa van theo mô hình truyền thống .........................................86 Hình 3.13 Phổ chuyển vị tổng .......................................................................................87 Hình 3.14 Phổ chuyển vị theo phương Z (phương dòng chảy) .....................................87 Hình 3.15 Lực dọc trong thanh cánh hạ dàn chính........................................................87 Hình 3.16 Sơ đồ tính toán nội lực khung dàn chính ......................................................88 Hình 3.17 Trọng lượng cửa van theo mô hình đề xuất..................................................90 Hình 3.18 Phổ chuyển vị tổng .......................................................................................90 Hình 3.19 Phổ chuyển vị theo phương Z (phương dòng chảy) .....................................91 Hình 3.20 Lực dọc trong thanh dàn chính .....................................................................91 Hình 3.21 Các tham số kích thước dàn .........................................................................93 Hình 3.22 Cửa sổ giao diện nhập kích thước dàn .........................................................94 Hình 3.23 Mô hình PTHH kết cấu cửa van khi thay đổi chiều cao dàn chính ..............95 Hình 3.24 Biểu đồ quan hệ giữa chuyển vị dàn theo phương Z với chiều cao dàn tại giữa nhịp trong hai tổ hợp mực nước ............................................................................96 Hình 3.25 Biểu đồ quan hệ giữa lực dọc thanh cánh hạ với chiều cao dàn tại giữa nhịp trong hai tổ hợp mực nước ............................................................................................ 97 Hình 3.26 Biểu đồ quan hệ giữa lực dọc thanh cánh thượng dàn trên với chiều cao dàn tại giữa nhịp trong hai tổ hợp mực nước .......................................................................97 Hình 3.27 Biểu đồ quan hệ giữa lực dọc thanh cánh thượng dàn dưới với chiều cao dàn tại giữa nhịp trong hai tổ hợp mực nước .......................................................................97 Hình 3.28 Mô hình PTHH kết cấu cửa van khi thay đổi khoảng cách hai thanh cánh hạ dàn chính........................................................................................................................99 viii
Hình 3.29 Biểu đồ quan hệ giữa chuyển vị dàn theo phương Z với khoảng cách hai thanh cánh hạ dàn chính tại giữa nhịp trong hai tổ hợp mực nước .............................100 Hình 3.30 Biểu đồ quan hệ giữa lực dọc thanh cánh hạ với khoảng cách hai thanh cánh hạ dàn chính tại giữa nhịp trong hai tổ hợp mực nước ................................................101 Hình 3.31 Biểu đồ quan hệ giữa lực dọc thanh cánh thượng dàn trên với khoảng cách hai thanh cánh hạ dàn chính tại giữa nhịp trong hai tổ hợp mực nước .......................101 Hình 3.32 Biểu đồ quan hệ giữa lực dọc thanh cánh thượng dàn dưới với khoảng cách hai thanh cánh hạ dàn chính tại giữa nhịp trong hai tổ hợp mực nước .......................101 Hình 3.33 Cửa sổ giao diện nhập vị trí giao tương đối thanh cánh thượng trên thanh đứng.103 Hình 3.34 Mô hình PTHH kết cấu cửa van khi thay đổi độ cong thanh cánh thượng 103 Hình 3.35 Biểu đồ quan hệ giữa chuyển vị dàn theo phương Z với thay đổi vị trí tương đối đỉnh thanh cánh thượng trong hai tổ hợp mực nước .............................................105 Hình 3.36 Biểu đồ quan hệ giữa lực dọc thanh cánh hạ với thay đổi vị trí tương đối đỉnh thanh cánh thượng trong hai tổ hợp mực nước ...................................................105 Hình 3.37 Biểu đồ quan hệ giữa lực dọc thanh cánh thượng dàn trên với thay đổi vị trí tương đối đỉnh thanh cánh thượng trong hai tổ hợp mực nước ...................................105 Hình 3.38 Biểu đồ quan hệ giữa lực dọc thanh cánh thượng dàn dưới với thay đổi vị trí tương đối đỉnh thanh cánh thượng trong hai tổ hợp mực nước ...................................106 Hình 3.39 Biểu đồ quan hệ giữa chuyển vị theo phương Y tại đầu dàn với khoảng cách hai dàn tại giữa nhịp do trọng lượng bản thân cửa van ...............................................107 Hình 3.40 Biểu đồ quan hệ giữa lực dọc thanh cánh hạ dàn trên với khoảng cách hai dàn tại giữa nhịp do trọng lượng bản thân cửa van .....................................................107 Hình 3.41 Biểu đồ quan hệ giữa lực dọc thanh cánh hạ dàn dưới với khoảng cách hai dàn tại giữa nhịp do trọng lượng bản thân cửa van .....................................................107 Hình 3.42 Các nhóm thanh dàn ...................................................................................109 Hình 3.43 Các bước tối ưu trọng lượng dàn phương án 1 ...........................................110 Hình 3.44 Mô hình cửa van sau khi tối ưu phương án 1 .............................................110 Hình 3.45 Các bước tối ưu trọng lượng dàn phương án 1 ...........................................111 Hình 3.46 Mô hình cửa van sau khi tối ưu phương án 1 .............................................111 Hình 3.47 Phổ chuyển vị tổng và theo phương dòng chảy ứng với tổ hợp 1 ..............113 Hình 3.48 Phổ chuyển vị tổng và theo phương dòng chảy ứng với tổ hợp 2 ..............114 Hình 3.49 Phổ ứng suất chính lớn nhất và nhỏ nhất ứng với tổ hợp 1 ........................114 Hình 3.50 Phổ ứng suất chính lớn nhất và nhỏ nhất ứng với tổ hợp 2 ........................114 Hình 4.1 Bố trí tổng thể công trình Nguyễn Tấn Thành [74] ......................................119 Hình 4.2 Băng gia tốc động đất theo thời gian áp dụng cho vùng nghiên cứu ...........120 Hình 4.3 Kết cấu cửa van công trình Nguyễn Tấn Thành ...........................................121 Hình 4.4 Mô hình PTHH kết cấu cửa van làm việc đồng thời với khối nước thượng và hạ lưu ứng với hai tổ hợp mực nước tính toán ............................................................123 Hình 4.5 Mô hình PTHH kết cấu cửa van ...................................................................123 Hình 4.6 Phổ chuyển vị tổng của toàn bộ mô hình ứng với tổ hợp 1 ..........................124 ix
Hình 4.7 Phổ chuyển vị tổng của toàn bộ mô hình ứng với tổ hợp 2 ..........................124 Hình 4.8 Phổ chuyển vị tổng và theo phương dòng chảy cửa van ứng với tổ hợp 1 ..125 Hình 4.9 Phổ chuyển vị tổng và theo phương dòng chảy cửa van ứng với tổ hợp 2 ..125 Hình 4.10 Phổ ứng suất chính lớn nhất và nhỏ nhất ứng hệ dàn ứng với tổ hợp 1 .....125 Hình 4.11 Phổ ứng suất chính lớn nhất và nhỏ nhất hệ dàn ứng với tổ hợp 2 ............126 Hình 4.12 Chuyển vị theo phương Z tại giữa đỉnh cửa theo thời gian với tổ hợp 1 ........127 Hình 4.13 Gia tốc theo phương Z tại giữa đỉnh cửa theo thời gian với tổ hợp 1 .............127 Hình 4.14 Chuyển vị theo phương Z tại giữa đáy cửa theo thời gian với tổ hợp 1 .........128 Hình 4.15 Gia tốc theo phương Z tại giữa đáy cửa theo thời gian với tổ hợp 1 ..............128 Hình 4.16 Chuyển vị theo phương Z tại giữa đỉnh cửa theo thời gian với tổ hợp 2 ........128 Hình 4.17 Gia tốc theo phương Z tại giữa đỉnh cửa theo thời gian với tổ hợp 2 .............128 Hình 4.18 Chuyển vị theo phương Z tại giữa đáy cửa theo thời gian với tổ hợp 2 .........128 Hình 4.19 Gia tốc theo phương Z tại giữa đáy cửa theo thời gian với tổ hợp 2 ..............128 Hình 4.20 Các đặc trưng của chu trình ứng suất .........................................................131 Hình 4.21 Vùng phá hoại dẻo tại vị trí có tập trung ứng suất .....................................132 Hình 4.22 Vị trí xem xét đến sự phá hoại mỏi ............................................................133 Hình 4.23 Cấu tạo chi tiết mối nối chân dàn vị trí 2 ...................................................133 Hình 4.24 Mô hình con và điều kiện biên của mô hình ..............................................134 Hình 4.25 Kết quả tính toán ứng suất mỏi...................................................................135 Hình 4.26 Kết quả tính toán mỏi tại vị trí nút 3339...........................................................136 x
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Một vài công trình kiểm soát nước trên thế giới sử dụng cửa van nhịp lớn ..10 Bảng 1.2 Phạm vi làm việc của một số loại cửa van nhịp lớn .......................................12 Bảng 1.3 Cửa van kéo đứng có nhịp lớn nhất trên thế giới ...........................................14 Bảng 1.4 Công trình KSN tại Việt Nam có sử dụng cửa van phẳng kéo đứng .............15 Bảng 2.1 Các phương pháp dự báo tuổi mỏi ..................................................................55 Bảng 2.2 Kết quả tính toán ứng suất tại các phần tử với kích thước ban đầu và sau khi tính toán tối ưu ...............................................................................................................64 Bảng 2.3 So sánh chuyển vị và gia tốc ứng với các hệ số cản của kết cấu .....................67 Bảng 3.1 So sánh cấu tạo và đặc điểm làm việc của hai loại cửa van kéo đứng điển hình ..79 Bảng 3.2 Giả thiết mực nước trong hai tổ hợp tính toán.................................................85 Bảng 3.3 Thông số kích thước thanh dàn .......................................................................88 Bảng 3.4 Tải trọng áp lực nước tác dụng lên các mắt dàn ..............................................88 Bảng 3.5 Kết quả tính toán nội lực trong các thanh dàn .................................................89 Bảng 3.6 So sánh kết quả tính toán theo hai phương pháp .............................................89 Bảng 3.7 So sánh kết quả tính toán theo hai mô hình .....................................................92 Bảng 3.8 Bảng các tham số kích thước của dàn ............................................................. 94 Bảng 3.9 Bảng kết quả tính toán nội lực và chuyển vị ...................................................96 Bảng 3.10 Bảng các tham số kích thước của dàn ........................................................... 98 Bảng 3.11 Bảng kết quả tính toán nội lực và chuyển vị ...............................................100 Bảng 3.12 Bảng tham số kích thước bao ngoài của dàn ...............................................102 Bảng 3.13 Vị trí giao của thanh cánh thượng với thanh đứng ......................................102 Bảng 3.14 Bảng kết quả tính toán nội lực và chuyển vị ...............................................104 Bảng 3.15 Bảng kích thước dàn ...................................................................................108 Bảng 3.16 Tối ưu kích thước mặt cắt thanh dàn ứng với tổ hợp 1 phương án 1 .........110 Bảng 3.17 Tối ưu kích thước mặt cắt thanh dàn ứng với tổ hợp 2 phương án 1 .........111 Bảng 3.18 Kích thước mặt cắt thanh dàn đề xuất theo các phương án ........................113 Bảng 3.19 Độ võng tương đối của cửa van .................................................................114 Bảng 3.20 Ứng suất trong các phần tử thanh dàn ứng với tổ hợp 1 ............................115 Bảng 3.21 Ứng suất trong các phần tử thanh dàn ứng với tổ hợp 2 ............................116 Bảng 4.1 Bảng tham số vật liệu thép S355JR ..............................................................119 Bảng 4.2 Bảng tham số đường cong phá hoại S-N của vật liệu thép S355JR .............120 Bảng 4.3 Các tổ hợp cột nước tính toán đến đáy cửa van .............................................120 Bảng 4.4 Độ võng tương đối của cửa van ...................................................................126 Bảng 4.5 Ứng suất lớn nhất trong hệ thanh dàn ..........................................................126 Bảng 4.6 So sánh kết quả tính toán theo hai mô hình .................................................127 Bảng 4.7 Kết quả tính toán chuyển vị lớn nhất theo phương Z ...................................129 Bảng 4.8 Kết quả tính toán ứng suất lớn nhất trong thanh dàn ...................................129 Bảng 4.9 So sánh kết quả tính toán chuyển vị theo phương dòng chảy (mm) ............130 xi
Bảng 4.10 So sánh kết quả tính toán ứng suất thanh dàn ............................................130 Bảng 4.11 Kết quả tính toán ứng suất mỏi tại vị trí nút 3339......................................134 xii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ANDE A New Differential Evolution algorithm APDL ANSYS Parametric Design Language BĐKH-NBD Biến Đổi Khí Hậu – Nước Biển Dâng BTCT Bê Tông Cốt Thép CGO Chaos Game Optimization algorithm CI Crack Initial DVs Design Variables ĐBSCL Đồng Bằng Sông Cửu Long FSI Fluid – Structure Interaction GA Genetic Algorithm HHT The Hilbert, Hughes and Taylor Method KSN Kiểm Soát Nước MNBTB Mực Nước Biển Trung Bình MNDBT Mực Nước Dâng Bình Thường MNTL Mực Nước Thượng Lưu MNHL Mực Nước Hạ Lưu MOGA Multi-Objective Genetic Algorithm PSO Particle Swarm Optimization PTHH Phần Tử Hữu Hạn SCF Stress Concentration Factor SCG Stable Crack Growth SVs State Variables TK Thiết Kế TP.HCM Thành Phố Hồ Chí Minh UCG Unstable Crack Growth WSAR Weighted Superposition Attraction-Repulsion algorithm WT WeighT xiii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU a0 Chiều dài phát triển vết nứt ban đầu acr Chiều dài phát triển vết nứt giới hạn Ag Diện tích tiết diện của cấu kiện nhóm g B Chiều cao dàn C Hàm mục tiêu về giá thành Cg Giá vật liệu trên một đơn vị trọng lượng [C] Ma trận cản d Véc tơ chuyển vị nút di Chuyển vị nút tại bậc tự do thứ i di,max Chuyển vị lớn nhất cho phép tại bậc tự do thứ i E Mô đun đàn hồi f(x) Hàm mục tiêu F Véc tơ các lực tác dụng G Số nhóm được chia trong một kết cấu g Một nhóm bất kỳ trong một kết cấu H Khoảng cách dàn Ht Cột nước thượng lưu Hh Cột nước hạ lưu Ig Mômen quán tính của tiết diện [K] Ma trận độ cứng Le Chiều dài của phân tố e Lg Chiều dài của cấu kiện nhóm g m Số chuyển vị hoặc ràng buộc chuyển vị [M] Ma trận khối lượng NCI Tuổi ban đầu của vết nứt Nf Tuổi mỏi NSCG Tuổi phát triển nứt ổn định p Véc tơ ngoại lực xiv
T Hàm mục tiêu về trọng lượng t Thời gian U Thế năng của kết cấu ut Véc tơ chuyển vị 𝑢̇ (𝑡) Véc tơ vận tốc .. ut Véc tơ gia tốc v Vận tốc Vmax Thể tích cho phép tối đa x Biến thiết kế x, y, z Tọa độ điểm Wg Mômen chống uốn  Hệ số suy biến biên độ dao động  Hệ số đo lường  Trọng lượng riêng của nước g Trọng lượng riêng của vật liệu trong nhóm g  Véc tơ chuyển vị nút của kết cấu tổng thể ’ Véc tơ vận tốc nút của kết cấu tổng thể f Chuyển vị kết cấu tại mặt tiếp xúc khối nước và kết cấu  Hệ số Poisson  Véc tơ các biến thiết kế max Giới hạn trên của các biến thiết kế min Giới hạn dưới của các biến thiết kế le(x) Ứng suất đàn hồi tuyến tính cục bộ vuông góc với trục x res(x) Ứng suất dư tại tọa độ x vuông góc với vết nứt [σ] Ứng suất cho phép của vật liệu  Tỉ lệ cản của kết cấu t Bước giãn cách thời gian xv
ĐỊNH NGHĨA CÁC CỤM TỪ DÙNG TRONG LUẬN ÁN Cửa van kéo đứng Là loại cửa van khi đóng mở chuyển động thẳng đứng trong mặt phẳng khe van, nước chảy dưới đáy cửa van Cửa van phẳng Là loại cửa van có bản mặt chắn nước phẳng và khi đóng mở cửa van chuyển động tịnh tiến theo phương thẳng đứng Cửa van nhịp lớn Là loại cửa van có kích thước bề rộng chắn nước B lớn hơn nhiều lần chiều cao H (thường B/H  4) Cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn Là loại cửa van có bề rộng chắn nước lớn hơn 30 m, bản chắn nước dạng phẳng, kết cấu chịu lực chính dạng dàn ống thép, khi đóng mở chuyển động thẳng đứng trong mặt phẳng khe van, nước chảy dưới đáy cửa van Công trình kiểm soát nước vùng triều Là loại công trình có khả năng kiểm soát lưu lượng, mực nước để đảm bảo yêu cầu ngăn mặn, giữ ngọt hoặc tháo lũ trong vùng ảnh hưởng của thủy triều xvi
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Việt Nam là một quốc gia có nguồn tài nguyên nước phong phú và đa dạng. Từ xa xưa con người đã có những giải pháp công trình thủy lợi để kiểm soát, điều phối nguồn nước nhằm thỏa mãn cho những mục đích dân sinh và các hoạt động kinh tế xã hội khác nhau. Điều này ngày càng trở nên đáng quan tâm hơn khi mà nhu cầu sử dụng nước như cấp nước sinh hoạt, nông nghiệp, công nghiệp, nuôi trồng thủy sản, thủy điện và bảo vệ môi trường đang gia tăng nhanh chóng, cũng như trong bối cảnh các hoạt động khác của con người và Biến đổi khí hậu – Nước biển dâng đang ảnh hưởng mạnh mẽ đến hệ thống nguồn nước. Vùng đồng bằng ven biển Việt Nam, đều là các vùng đất trù phú và có tiềm lực kinh tế từ nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản. Tuy nhiên đây thường là các vùng đất có địa hình bằng phẳng, cao độ thấp lại chịu tác động của biên độ thủy triều lớn, mặt cắt lòng sông lớn, do đó hàng năm vào mùa kiệt khi dòng chảy thượng nguồn các con sông về hạn chế, xâm nhập mặn vào sâu trong nội đồng và lan truyền phần lớn diện tích đất đặc biệt là vùng đất phía Nam của Việt Nam. Những năm gần đây tính phức tạp của xâm nhập mặn càng lớn trước tác động của BĐKH-NBD và sự phát triển ồ ạt các đập thủy điện trên thượng nguồn sông Mê Công như ở Trung Quốc có khoảng 23.000 MW, Lào 13.000 MW, Campuchia 2.200 MW và Việt Nam 2.000 MW [1], [2], [3]. Hậu quả của xâm nhập mặn ảnh hưởng đến sản xuất và sinh hoạt của người dân địa phương cũng như các hoạt động khác. Việc kiểm soát nước ở khu vực ảnh hưởng của thủy triều luôn là bài toán có tính thời sự, đặc biệt hiện nay vùng ĐBSCL có tốc độ phát triển kinh tế xã hội cao và được coi là trọng điểm xuất khẩu nông thủy sản của cả nước. Trong những năm qua được sự quan tâm của Nhà nước, nhiều hệ thống công trình KSN được đầu tư xây dựng trong đó phải kể đến hệ thống công trình thủy lợi Cái Lớn – Cái Bé thuộc loại lớn ở khu vực Đông Nam Á gồm cống Cái Lớn (11 khoang cống B = 40 m và 1 khoang âu thuyền B = 15 m), cống Cái Bé (2 khoang cống B = 35 m và 1 khoang âu thuyền B = 15 m) và một số hạng mục công trình khác, hệ thống công trình vừa mới 1
hoàn thành giai đoạn 1 và đưa vào sử dụng trong năm 2021. Hệ thống công trình chống ngập khu vực thành phố Hồ Chí Minh gồm có cống Mương Chuối (4 khoang cống B = 40 m) và cống Phú Xuân, cống Cây Khô, cống Tân Thuận đều có bề rộng khoang cống B = 40 m. Theo quy hoạch thủy lợi đến năm 2030 sẽ đầu tư xây dựng nhiều công trình KSN khác như cụm công trình ven biển Tây, cụm công trình vùng Quản Lộ - Phụng Hiệp gồm hệ thống cống Nam kênh Chắc Băng (từ Láng Trâm đến Ngàn Dừa), hệ thống phân ranh mặn ngọt dọc bờ nam kênh Quản Lộ - Phụng Hiệp và cụm công trình cống ven sông Hậu bao gồm 7 cống kết hợp đê kiểm soát xâm nhập mặn từ cửa Trần Đề (Rạch Saintard, Rạch Mọp, Mỹ Hội, Rạch Vọp, Cái Trâm, Cái Cau, Cái Côn), dự án quản lý nước Bến Tre, dự án phát triển thành phố Cần Thơ, dự án công trình kiểm soát nguồn nước Nam Sông Hậu, dự án công trình kiểm soát nguồn nước kênh Nguyễn Tấn Thành và bờ hữu sông Vàm Cỏ Tây… [4]. Do điều kiện tự nhiên như đã trình bày ở trên, các công trình KSN vùng cửa sông ven biển đòi hỏi có nhịp lớn, đóng mở không thường xuyên, làm việc hai chiều, chịu tác động của dao động mực nước triều nên cần lựa chọn loại hình cửa van phù hợp. Thực tế đã chứng minh, một trong những loại hình cửa van đáp ứng tốt các yêu cầu trên là cửa van kéo đứng nhịp lớn. Về mặt nguyên lý làm việc đối với loại cửa van này giống như cửa van phẳng kéo đứng thông thường nhưng hình thức kết cấu rất đa dạng để đáp ứng yêu cầu nhịp lớn. Lúc này cửa van không chỉ làm việc như thiết bị cơ khí thủy công mà còn làm việc như một kết cấu thép không gian nhịp lớn. Vì vậy khi tính toán thiết kế cần phải có sự kết hợp hài hòa giữa các yêu cầu về cơ khí và kết cấu hoặc độ bền và độ cứng. Những năm gần đây cửa van kéo đứng nhịp lớn với bản mặt chắn nước dạng phẳng kết cấu chịu lực dạng dàn vòm ống thép không gian đã được áp dụng khá phổ biến tại Việt Nam trong các công trình đập dâng nước, đập ngăn mặn, cống ngăn triều và có thể coi là thành công bước đầu, đã làm chủ công nghệ từ thiết kế, chế tạo, lắp đặt và vận hành điển hình như công trình cống Cái Lớn, cống Cái Bé, cống Mương Chuối, đập dâng sông Trà Khúc.... Về cơ bản hình thức kết cấu chịu lực dạng dàn vòm ống thép như cửa van trong công trình sông Ems của Đức, chỉ thay đổi một chút về kết cấu dàn chịu trọng lượng phía hạ lưu, chỉ có thanh đứng hoặc kết hợp cả thanh đứng và thanh xiên. Việc áp dụng hình thức này trong các cửa van công trình KSN ở Việt Nam đã đem lại nhiều lợi ích cả kinh tế và kỹ thuật. Tuy nhiên với điều 2