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 BẢN CAM KẾT Tôi xin cam kết đây là công trình khoa học nghiên cứu của riêng cá nhân Tôi. Kết quả nêu trong luận văn này là trung thực, có nguồn gốc rõ ràng, không sao chép từ công trình nghiên cứu khoa học nào khác. Nếu nội dung luận văn không đúng với cam kết này, Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. 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 2.1.2. Các phương pháp thực nghiệm 20 2.1.3. Phương pháp số 20 2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG [8], [9], [10] 22 2.2.1. Khái niệm và phân loại dao động 22 2.2.2. Các phương pháp tính toán dao động 25 2.3. GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN (PTHH) 32 2.3.1. Khái niệm cơ bản [5], [10] 32 2.3.2. Nội dung cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn 33 2.4. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM TÍNH TOÁN KẾT CẤU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN [4] 36  2.4.1. Giới thiệu phần mềm sử dụng 36 2.4.2. Mô hình hóa kết cấu sử dụng trong phần mềm 37 Chương 3. ÁP DỤNG TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG CHO TRẠM BƠM LONG BIÊN – HÀ NỘI 41  3.1. GIỚI THIỆU TRẠM BƠM LONG BIÊN – HÀ NỘI 41 3.1.1. Đặc điểm khí hậu 41 3.1.2. Đặc điểm địa chất 43 3.2. SƠ ĐỒ TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG TRẠM BƠM LONG BIÊN – HÀ NỘI44 3.2.1. Sơ đồ tính toán 44 3.2.2. Các thông số đầu vào của mô hình tính toán 44 3.2.3. Các trường hợp tính toán 45 3.3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG TRẠM BƠM LONG BIÊN – HÀ NỘI 46  3.3.1. TH tĩnh: Tải trọng bản thân tấm + bốn máy bơm đặt tĩnh tải 46 3.3.2. TH1: Trọng lượng bản thân tấm + máy bơm số 1 hoạt động. 48 3.3.3. TH2: Trọng lượng bản thân tấm + máy bơm số 2 hoạt động. 51 3.3.4. TH3: Trọng lượng bản thân tấm + máy bơm số 1 và máy bơm số 2 cùng hoạt 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 2-1: Các thành phần nội lực của tấm 15 Hình 2-2: Mô hình phần tử tấm tứ giác 4 nút 38 Hình 2-3: Hệ tọa độ địa phương của phần tử tấm tứ giác 38 Hình 2-4: Quy ước nội lực, lực dọc trục và lực cắt 40 Hình 2-5: Quy ước nội lực mô men 40 Hình 3-1: Sơ đồ tính toán dao động sàn trạm bơm Long Biên 44 Hình 3-2: Biểu đồ mô men M11 – TH tĩnh 46 Hình 3-3: Biểu đồ mô men M22 – TH tĩnh 46 Hình 3-4: Biểu đồ lực cắt V13 – TH tĩnh 47 Hình 3-5: Biểu đồ lực cắt V23 – TH tĩnh 47 Hình 3-6: Biểu đồ chuyển vị U z – TH tĩnh 48 Hình 3-7: Biểu đồ mô men M11 – TH1 48 Hình 3-8: Biểu đồ mô men M22 – TH1 49 Hình 3-9: Biểu đồ lực cắt V13 – TH1 49 Hình 3-10: Biểu đồ lực cắt V23 – TH1 50 Hình 3-11: Biểu đồ chuyển vị U z – TH1 50 Hình 3-12: Biểu đồ mô men M11 – TH2 51 Hình 3-13: Biểu đồ mô men M22 – TH2 51 Hình 3-14: Biểu đồ lực cắt V13 – TH2 52 Hình 3-15: Biểu đồ lực cắt V23 – TH2 52 Hình 3-16: Biểu đồ chuyển vị U z – TH2 53 Hình 3-17: Biểu đồ môn men M11 – TH3 53 Hình 3-18: Biểu đồ môn men M22 – TH3 54 Hình 3-19: Biểu đồ lực cắt V13 – TH3 54 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 z – TH7 65 Hình 3-42: Biểu đồ môn men M11 – TH8 66 Hình 3-43: Biểu đồ môn men M22 – TH8 66 Hình 3-44: Biểu đồ lực cắt V13 – TH8 67 Hình 3-45: Biểu đồ lực cắt V23 – TH8 67 Hình 3-46: Biểu đồ chuyển vị U z – TH8 68 Hình 3-47: Biểu đồ môn men M11 – TH9 68 Hình 3-48: Biểu đồ môn men M22 – TH9 69 Hình 3-49: Biểu đồ lực cắt V13 – TH9 69 Hình 3-50: Biểu đồ lực cắt V23 – TH9 70 Hình 3-51: Biểu đồ chuyển vị U z – TH9 70 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3-1: Nhiệt độ không khí trạm Láng ( 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 khu vực đồng bằng Bắc Bộ và Bắc khu bốn cũ xây dựng được 39 hệ thống công trình thuỷ lợi lớn; 120 hệ thống vừa và nhỏ; 3677 trạm bơm với 10322 máy bơm các loại từ 540m 3 /h đến 32000m 3 /h sản xuất từ nhiều nước: Liên Xô (cũ); Hunggari; Rumany; Triều Tiên; Pháp và một khối lượng khá lớn bơm Việt Nam tự sản xuất. Ngoài ra, còn có hàng nghìn máy bơm nhỏ hoạt động ở khắp nơi trong nước trong đó công suất thiết kế cho tưới là 230.000 KW, cho tiêu 300.000KW (báo cáo công tác thuỷ lợi 6/99 của Cục quản lý nước và công trình thuỷ lợi). Hiện nay trong quá trình sử dụng máy bơm và trạm bơm nhiều đề tài nghiên cứu đã đượ c thực hiện, cải tiến hoàn thiện chế tạo bơm, thiết kế xây dựng trạm bơm. Nhiều công nghệ mới đã được áp dụng, ngày càng tạo cho ngành những loại máy bơm thích hợp hơn, hiệu suất cao hơn, kết cấu công trình và hệ thống hợp lý hơn. Do sự phát triển hết sức nhanh chóng làm nảy sinh hàng loạt vấn đề về chế tạo bơm, quản lý, vận hành, b ảo dưỡng máy bơm, kỹ thuật điều hành trạm bơm. Mặt khác khi đầu tư xây dựng trạm bơm thì chủ đầu tư cần phải đầu tư một khoản kinh phí khá lớn do vậy ngoài việc xem xét vị trí đặt trạm bơm, nghiên cứu địa chất thủy văn lưu vực tưới tiêu thì các yêu cầu về tính toán kết cấu, ổn định công trình, trạng thái ứng suất biến dạng và dao động của trạm bơm trong quá trình vận hành sử dụng dưới tác dụng của các loại tải trọng (tải trọng động, tải trọng tĩnh ) phải thỏa mãn [...]... dao động được gọi là dao động có thông số Bài toán ổn định của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng cũng thuộc loại bài toán dao động có thông số 2.2.1.3 Khái niệm về các phương pháp tính dao động công trình Trong dao động công trình có hai phương pháp tính cơ bản là phương pháp tĩnh và phương pháp năng lượng a Phương pháp tĩnh Phương pháp này dựa trên cơ sở những nguyên tắc cân bằng của tĩnh lực học trong... trong và trên biên của vật thể xét, như phương pháp Phần tử hữu hạn, phương pháp sai phân hữu hạn Ngoài ra còn có các phương pháp thực nghiệm cũng giúp ta tìm được ứng suất biến dạng, dựa vào mô hình tương thích Mỗi phương pháp đều có tính ưu nhược điểm Việc lựa chọn phương pháp nào là dựa vào yêu cầu, tính chất, mức độ của bài toán đặt ra 2.1.1 Các phương pháp giải tích 2.1.1.1 Phương pháp sức bền... đồ tính toán ta phải đơn giản hóa một số điều kiện trong mức độ gần đúng cho phép Dao động của trạm bơm có thể chia làm 2 loại là dao động tự do và dao động cưỡng bức - Dao động tự do là dao động không chịu tác dụng của ngoại lực biến đổi theo thời gian Lực này gọi là lực kích thích - Dao động cưỡng bức là dao động dưới tác dụng của lực kích thích 2.2.1.2 Phân loại dao động Do tải trọng tác dụng có tính. .. đặt ra Tính toán trạm bơm chịu tác dụng 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]... bảo tính hiệu quả kinh tế cao là rất cần thiết Tuy nhiên hiện nay việc thiết kế trạm bơm của các đơn vị tư vấn thiết kế hầu như không xét đến bài toán dao động của trạm bơm Mặt khác trong quá trình vận 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. .. tạo của kết cấu cũng có nhiều hình thức khác nhau nên dao động của công trình cũng có thể có nhiều dạng khác nhau 23 Tùy theo cách quan niệm ta có thể phân loại dao động theo nhiều cách khác nhau như sau: a Theo dạng biểu đồ dao động gồm: - Dao động hình sin - Dao động phức tạp có chu kỳ - Dao động có lực cản - Dao động tăng dần - Dao động rối loạn b Theo tính chất của nguyên nhân gây ra dao động. .. Do đó kết quả tính toán không phản ánh hết tính chất của nền đá, không giải quyết được bài toán dị hướng 2.1.3 Phương pháp số 2.1.3.1 Phương pháp sai phân hữu hạn Phương pháp này tương đối đơn giản nhưng không thuận lợi trong việc lập trình Khối lượng tính toán lớn, chưa phản ánh được sự làm việc của nền và vật liệu Phương pháp sai phân hữu hạn không giải được các bài toán có điều kiện biên phức 21... tự do của hệ gồm: Theo cách phân loại này người ta chia các hệ thành ba loại: hệ có một bậc tự do, hệ có một số bậc tự do, hệ có vô số bậc tự do e Theo loại biến dạng khi dao động gồm: Dao động ngang khi dao động này gây chuyển vị dọc theo trục của kết cấu f Theo dạng của phương trình vi phân mô tả dao động gồm: 24 Dao động tuyến tính khi phương trình vi phân mô tả dao động là tuyến tính, dao động phi... 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... là dao động tự kích thích là loại dao động xuất hiện bởi các lực do bản thân chuyển động gây ra và tắt đi khi ngừng chuyển động - Dao động ngẫu nhiên là loại dao động xuất hiện do các nguyên nhân bên ngoài tác động có tính chất ngẫu nhiên c Theo sự tồn tại hay không tồn tại các lực cản gồm: Dao động có lực cản là dao động bị mất một số năng lượng do ảnh hưởng cản của môi trường dao động, do ma sát của . 22 2.2.2. Các phương pháp tính toán dao động 25 2.3. GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN (PTHH) 32 2.3.1. Khái niệm cơ bản [5], [10] 32 2.3.2. Nội dung cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn 33 2.4 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. 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