悬索桥—北塘人行悬索桥计算书03.docx

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1、设计计算书工程名称三河岛连接北塘古镇人行景观桥梁工程工程编号 1164设计阶段施工图设计部 位主桥整体计算审核人校核人计算人谢雪峰编制日期20 .1天津城建设计院XX公司1图3-3模型细部3.2静力工况计算成桥及空缆状态成桥状态下加劲梁的挠度如图3-4成桥状态下加劲梁挠度悬索桥的成桥状态是内力（初应变或初始内力）与外荷载（一期、二期恒载）保 持平衡而结构位于成桥线形的状态。本桥的有限元模型按照设计成桥状态的线 形建立，结构位移应基本为。由图3-4可知，加劲梁在吊索所在位置位移小于 2mm,满足计算精度。40恒载弯矩图3-5成桥状态下加劲梁弯矩成桥状态加劲梁的弯矩除桥塔及抗风索位置外，接近于刚性

2、支承连续梁的 弯矩，吊索力设计合理。 成桥状态加劲梁上缘应力成桥状态加劲梁下缘应力图3-6成桥状态下加劲梁应力成桥状态加劲梁的应力反映了抗风索索力的影响，并且抗风索的张力使得 加劲梁应力呈台阶状并在锚固位置发生突变。跨中为20MPa,长、短抗风索间 为 lOMPao成桥状态吊索力(NX) KMoe0 8 6 4 2 0112,7 Q 11 14 1, 17 1Q ” 722s 77 2 -C 47 NQ 41 42 4, 47 4QSNSQ 61 6N 6,成桥状态吊索应力图3-7成桥状态吊索力及应力(edlAI)成桥状态的设计吊索力如图3-7所示，除抗风索锚固位置外，吊索力为 6kN0在塔的

3、两侧吊索采用较小的张力，使得塔上牛腿有一定的反力储备，降 低塔上牛腿负反力出现的概率。考虑到活载下靠近塔侧的吊索索力较大，采用 直径为30mm的钢丝绳，其余吊索采用直径为13mm的钢丝绳，其应力如图3-7 所示。1040主缆成桥缆力o o o o o O0 8 6 4 2 0O 9 9 9 9 91(N*) S130 ,主缆成桥应力图3-8成桥状态主缆缆力及应力1020成桥状态主缆的缆力最大值为1020kN,对应的应力为128MPa,位于塔顶 主缆边跨侧切点。(NX) K据(NX) K据图3-9空缆缆力及应力(edw)在崂空缆状态主缆的缆力最大值为271kN,对应的应力为34MPa,位于塔顶主

4、 缆边跨侧切点。图3-10成桥与空缆线形空缆主缆跨中抬升0.727m,塔顶鞍座向边跨侧偏移0.041 mo图3-11主缆编号表3.1主缆无应力长度编号设计院(m)监控单位(m)差值(m)1270.201270.224-0.0232270.182270.204-0.0213270.201270.224-0.0234268.761268.779-0.0185268.733268.747-0.0146268.733268.747-0.0147268.761268.779-0.0188267.682267.704-0.0229267.649267.665-0.01710267.637267.652-0

5、.01511267.649267.665-0.01712267.682267.704-0.02213266.813266.836-0.02314266.795266.815-0.02015266.795266.815-0.02016266.813266.836-0.02317266.157266.167-0.01018266.150266.158-0.00919266.157266.167-0.0103. 2.2人群荷载活载最小挠度活载最大挠度(E)辖图3-12人群荷载作用下加劲梁挠度包络图人群荷载作用下加劲梁的最大挠度为-1.03m,发生在距离主跨跨中土 50.75m处，最小挠度为0.73m

6、,发生在距离主跨跨中41m处。话载最大弯矩 活我最小弯矩ooooooooo 4321 1234 -(eyn*) &r院布片图3-13人群荷载作用下加劲梁弯矩包络图人群荷载作用下加劲梁最大弯矩为40kN-m,最小弯矩为-27kNm。加劲梁上缘活载最大应力加劲梁上缘活载最小应力图3一14人群荷载作用下加劲梁上缘应力包络图人群荷载作用下加劲梁上缘最大拉应力为31.3MPa,最大压应力为-47MPao(edlAI) S加劲梁下缘活载最大应力 加劲梁下缘活载最小应力图3-15人群荷载作用下加劲梁下缘应力包络图人群荷载作用下加劲梁下缘最大拉应力为48Mpa,最大压应力为-34MPa。活载最大缆力-活载最小

7、缆力活载最大主缆应力活载最小主缆应力-20 4*57 5 7041 445474051 SSSS7SO61 665676071 7图3-16人群荷载作用下主缆缆力及应力包络图人群荷载作用下主缆的最大缆力为903kN,对应的应力为113Mpa,位于主 跨塔顶切点位置。20(NX) S活载最大吊索力 活载最小吊索力5 0 5 01 1(BdlAI) S活载最大吊索应力 活载最小吊索应力图3-17人群荷载作用下吊索索力及应力包络图人群荷载作用下最大吊索力为19kN,位于边跨靠近桥塔第一对吊索；人群荷 载作用下最大吊索应力为178MPa,位于边跨靠近锚碇端第一对吊索。表3.2人群荷载作用下鞍座最大位移

8、表3.3主缆抗滑移安全系数空缆鞍座位移（m,向主跨为正）-0.041人群荷载作用下鞍座位移（m,向主跨为正）0.055-0.039摩擦系数u0.20主缆包角a0.64rad(36.7 )最不利缆力比值T2/T11.0607恒载下缆力比值T2/T11.0461抗滑移安全系数K2.17国内还没有正式规范规定摩擦系数的取值，国内有已建悬索桥采用0.2的摩 擦系数，国内外试验表明摩擦系数跟表面有关，一般大于0.25,欧洲规范 Eurocode 3, partl-11中规定可以采用径向螺栓压紧来提高摩擦系数。北塘人行悬索桥通过填充增大摩擦系数的锌块及设置径向螺栓压紧的方式 保证摩擦系数不小于0.2,主缆

9、抗滑移安全系数大于2。表3.4人群荷载作用下加劲梁塔端转角边跨加劲梁梁端转角（。，下挠为正，塔侧）2.64-1.50主跨加劲梁梁端转角（。，下挠为正）3.94-2.48人群荷载作用下，主跨加劲梁在桥塔位置处最大有4的折角，通过设置 合页保证人行的舒适性。3. 2. 3风荷载图3-18有无风缆情况下横桥向风载位移(E)有风缆情况下加劲梁最大横向风载位移为-0.17m,无风缆情况下加劲梁横 向最大风载位移为-3.3m。-有风缆横桥向弯矩无风缆横桥向弯矩图3-19有无风缆情况下加劲梁横桥向风载弯矩(E*N)爆勖区举有风缆情况下加劲梁风载弯矩最大为181kN-m,无风缆情况下加劲梁风载 弯矩最大为-1

10、455kNm。有风缆横向应力有风缆横向应力无风缆横向应力 无风缆横向应力图3-20有无风缆情况下加劲梁横桥向风载应力有风缆时加劲梁风载最大应力为20Mpa、无风缆时加劲梁风载最大应力为188Mpa。-有风缆风荷载缆力单项无风缆缆力风荷载单项0-10000-2000013579 5355575961G36567697173图3-21有无风缆情况下主缆风载缆力有风缆时主缆缆力在风载作用下会略微增大，中间跨增大4.6kN,无风缆时 主缆缆力在风载作用下比恒载有所减小，中间跨减小22kNo通过上述比较，可见设置风缆能减小风载横向位移及加劲梁风载应力，设 置风缆是必要的。恒载下抗风缆初张力设计为70kN

11、,风荷载作用下，一侧风缆被拉紧，另一 侧风缆则略放松。迎风侧长缆缆力增加46.4kN,短缆增加49.8kN；背风侧长缆 减小43.lkN、短缆减小49.7kN。3. 2.4温度作用曰 POStCS I H,.MroAS/GvllPOST-PROCESSORTRUSS STRESSPOfitCSCSall:整=爻MAX : 4MIN : 2S8工件；与吉WN袋廿堇MS： N/mm2 m 期：01Q8/201?一万工X: 0.000 JZ: 0.000图3-22整体温度效应主缆最大应力考虑整体升温40C,降温40,主缆最大拉应力为4MPa,加劲梁整体温度应力小于IMPa,可忽略不计。曰 PostC

12、SMIOAS/CivilPOST”。TRUSS STRESSPostCSCBalh与/区度MAX s 64MtN ! 2S8M件：汗23=与左张MG： N/rnm 2 日第：01/0B/2013 力学X: 0a000/Zi 0XM0图3-23不均匀温度效应主缆最大应力考虑主缆与桥塔温差15,主缆最大拉应力为IMPa,加劲梁梁高较矮(16cm),不均匀温度效应可忽略不计。1桥梁概况及复核依据11.1工程概况11 , 2木，J 11.3计算依据22计算参数和基本假定32.1 材料计算参数32.2 计算荷载32.3 计算工况42.4 计算方法63主桥上部结构整体分析73.1 计算模型说明73.2 静

13、力工况计算83.3 应力验算193.4 反力计算234计算结论24H* POitCS I HiMXOAl/OvilPO1T -PROCISSORDEFORMED SHAPEz方x-om-0.00M *cooNODE-1YOIR-0X)00*X)0NODE-1Z-Om*)j04M002NODE* 102COMB.- 3Q46CPO2NOO- 102 原就4.136e*lPo.tCS cbi，ai 0X)006*000NCOS-1V *o m - 0 QOCNK eooNODE-Xz-0m*1.2tui002NOOE- 102COMB. 1.251-OO2NOO- 102Me-lXX)7EO02P

14、otCS CBalli WCCfi*MAX 0 IMtN i 103文件iMQi mm日蜩，01/08/2083MXDAS/Ovd图3-25不均匀温度效应下加劲梁挠度(-0.125m)3. 2. 5不均匀沉降作用THPostCSSMall:二筹MAX i 9MIN : 18工与；尹亍与逮各吃董炉NMm人2 三期：01/06/2013表笊一左Z: 0.000图3-26不均匀沉降下主缆最大应力(IMPa)H PostcsPOST-PROCESSORDEFORMED SHAPEx-oiR-o.oooe*8466 *001 NODE=3SCOMB.= 8.741 *001 NODE-3S系O1.457

15、E-HW2PostCSSMall:泛 AMAX t 1MIN ; 35又斗：雪与逑Mt：最MO： mm三 4： 01/03/2013表在方*X: 0X)00 AZ: 0X)00图3-27不均匀沉降下加劲梁最大挠度（-0.086m）3.3 应力验算从3.2节分析可知，对结构受力起主要影响的为恒载、人群荷载、风荷载, 三种荷载进行标准组合，验算主缆、吊索、加劲梁受力。3.3.1 主缆验算主缆应力(edw)-R冏图3-28荷载标准组合下主缆最大应力荷载标准组合下主缆最大拉应力为239Mpa,位于主跨塔顶切点，对应缆力 为1900kN。主缆为19根直径30mm、破断力为535kN的钢丝绳，求得安全系数

16、 为5.35（公路悬索桥设计细则（征求意见稿）要求不小于1.85,公路桥涵钢结 构与木结构设计规范要求为3.33）。3.3.2 吊索验算吊索最大应力 吊索最小应力003(edlAI)及归11111图3-29荷载标准组合下吊索的最大、最小应力7CJ荷载标准组合下吊索最大拉应力为277MPa,位于边跨靠近锚碇第一对吊 索，对应吊索力为21.8kNo该吊索为直径13mm,破断力为lOOkN,求得安全 系数为4.6（公路悬索桥设计细则（征求意见稿）要求不小于2.2,公路桥涵钢 结构与木结构设计规范要求为3.33）。3.3.3 加劲梁验算加劲梁最大拉应力加劲梁最大拉应力加劲梁最大压应力OOOOOOOOO

17、O 0 8 6 4 2 2460c 1 - - - -图3-30荷载标准组合下加劲梁上缘应力包络图3-31荷载标准组合下加劲梁下缘应力包络图3-31荷载标准组合下加劲梁下缘应力包络Qdw)我囹加劲梁的最大拉应力为76MPa,最大压应力为-76MPa,小于210MPa,满 足规范要求。Midas模型中，活载按照线性计算，加劲梁应力最不利工况，吊杆出现压 力。实际吊杆不能受压，故活载需按照非线性加载，以得出更真实的加劲梁应 力。表3.5给出恒载+人群荷载标准组合作用下，加劲梁在主跨第一根吊杆截 面、抗风缆锚固截面的上下缘应力最值，活载计算时，先计算出该截面应力影 响线，再按照影响线的符号进行活载的

18、布置，在真实荷载作用下再计算出加劲 梁应力，该过程由APDL命令流完成。表3.5加劲梁关心截面的上下缘应力最值位置主跨第一根吊索下 加劲梁应力(MPa)短抗风索下加劲梁应力(MPa)长抗风索下 加劲梁应力(MPa)最值最大最小最大最小最大最小上缘77.1-26.137.5-15.742.4-4.4下缘49.0-71.418.3-39.419.3-33.7主跨近塔侧第一根吊杆松弛工况，其他吊杆并发受力情况及该工况加劲梁 应力分布是需要关心的内容，采用活载非线性加载进行计算分析。恒载+人群荷载标准组合作用下，右塔左侧第一根吊杆松弛时，并发吊杆力 如图3-32所示：2520151050-300加劲梁

19、序号吊杆力影响线图3-34活载布置位置图3-33右塔左侧第一根吊杆轴力影响线（IkN集中力加载）上缘应力 下缘应力GdlAI)-80-100加劲梁顺桥向坐标（m）图3-32右塔左侧第一根吊杆松弛时的并发吊杆力图3-32可见该吊杆松弛时，其他吊杆不松弛，左塔右侧第一根吊杆的并发 轴力达23kN,从图3-33的影响线来看是合理的。图3-35加劲梁并发应力从图3-35可见，吊杆松弛时，加劲梁在恒、活载作用下的应力满足规范要 求，最大拉应力为78.5MPa,最大压应力为-76.9MPa。3.3.4 风缆验算表3.6荷载组合下抗风缆缆力(1.0恒载+1.0风载+0.3人群荷载)怛载人群风载荷载组合最大最

20、小最大最小最大最小长抗风索索力(kN)701.1-4.346.4-43.0117.522.7短抗风索索力(kN)7011.3-9.949.8-49.7131.110.4抗风缆为直径30mm的钢丝绳，破断力535kN,安全系数为4。3.4 反力计算表3.7标准组合下锚碇及桥塔牛腿反力位置项目单位(kN)恒载二阶法合计非线性合计最大最小最大最小主缆锚固位置(一根)X-801-705-1374-808-1512主缆锚固位置(一根)Y-584-514-1002-589-1103散索鞍面X-145-137-247-148-274散索鞍面Y287491271541292边跨加劲梁塔处牛腿Y446-3437

21、-24中跨加劲梁塔处牛腿Y486-5842-45锚碇合计X-946-852-1611-970-1771锚碇合计Y-296-224-531-268-5924计算结论通过对全桥的分析，本桥整体的强度满足规范要求。计算所得结论主要包括 以下几部分：1 .主缆、吊索、抗风索的强度安全系数满足规范要求。2 .抗风索对加劲梁横向受力有重要影响。3 .加劲梁的应力满足规范要求。4 .主缆与鞍座间满足抗滑移安全要求。1桥梁概况及复核依据1.1 工程概况本桥跨越永定新河，连接北塘古镇与三河岛。在桥位下游约200m处是建于 1998年的彩虹大桥，为3孔168m下承式钢管碎拱桥。桥位处三河岛距南堤约 280m,桥梁

22、正交跨越永定新河。图1-1桥位图1.2 桥型结构北塘人行桥为双塔三跨地锚式悬索桥。桥塔为钢筋混凝土结构，边、主跨加 劲梁为简支结构，加劲梁采用纵横布置的工字梁上铺桥面木板形式。下部结构采 用钻孔灌注桩。主缆跨径布置为36m+180m+36m,全长252 m；加劲梁结构全宽3.3m,净 宽2m；主缆垂跨比为F/L=l/15,主缆中心距为3m,主缆采用平面双缆；全桥采 用65对吊索，吊索标准间距为3.5m；纵梁采用6道16cm高工字钢，横梁采用 32cm高工字钢。南侧引桥为16m+7.5m的两跨简支钢梁桥，主桥北侧通过斜置 的简支梁桥连接主桥及三河岛。1.3 计算依据1 .主要规范标准(1)公路工

23、程技术标准(JTGB01-2003)(2)公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004)(3)公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTGD62-2004)(4)公路桥涵钢结构及木结构设计规范(JTJ 025-86)(5)公路悬索桥设计规范(报批稿)(6)公路桥涵地基与基础设计规范(JTG D63-2007)(7)公路桥涵施工技术规范(JTG/TF50-20U)(8) XX市桥梁设计规范(CJJ 11-2011)(9) XX市桥梁抗震设计规范(CJJ 166-2011)(10) XX市人行天桥与人行地道技术规范(CJJ 69-95)(11)桥梁用结构钢(GB/T 714-2008)(12

24、)钢结构设计规范(GB 50017-2003)(13)钢结构工程施工及验收规范(GB 50205-2001)(14)重要用途钢丝绳(GB 8918-2006)(15)钢丝绳夹(GB/T 5976-2006)(16)钢丝绳用重型套环(GB/T 5974.2-2006)(17)公路悬索桥吊索QT/T 449-2011)(18)一般工程用铸造碳钢件(GB/T 11352-2009)(19)公路桥梁抗风设计规范(JTG/T D60-01-2004)(20)公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件(JT/T 722-2008)(21)公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范(JTG/TB07-01-2006)(22)XX

25、市钢筋混凝土桥梁耐久性设计规程(J 10862-2006)2 .设计技术标准(1)桥梁设计基准期：100年；(2)桥梁结构设计安全等级:一级； 主桥桥面总宽3.3m,净宽2m。横断面布置为0.43m(索区)+0.22m(栏杆)+2m(人行道)+0.22m(栏杆)+0.43m(索区)；(4)桥面纵坡06%；(5)人群荷载:按照XX市人行天桥与人行地道技术规范(CJJ 69-95)取用， 其中人群荷载：2.85kN/m2；(6)风荷载:按照公路桥涵设计通用规范OTG D60-2004)取用，百年一遇 基本风速31.3m/s,风压0.60kN/m2；2计算参数和基本假定2.1 材料计算参数1 .混凝

26、土主塔及锚碇:C40；2 .钢材加劲梁的纵横梁结构采用Q235qD,符合桥梁用结构钢(GB/T714-2008) 的规定。3 .钢丝绳按照国家标准重要用途钢丝绳标准(GB/T8918-2006),选取的主缆、吊 索、抗风缆型号为6X19S+IWR。主缆为19根直径30mm的钢丝绳，吊索直径 分13mm和30mm两种，抗风缆直径为30mmo4 .木材木材暂定落叶松，最终由业主确定。木材性能应按照公路桥涵钢结构及木 结构设计规范(JTJ 025-86)取用。2.2 计算荷载1 .恒载结构自重：钢筋混凝土容重26kN/m3 木板7000kN/m3、钢结构容重 77000kN/m3；人行道板及栏杆:按

27、照图纸中所列人行道板及栏杆的材料用量值考 虑。桥面系等效荷载为4kN/m(含纵横梁、木板、护栏及上、下索夹构造)。2 .活载人群荷载：2.85kN/m2；3 .温度荷载结构设计合拢温度15,按公路桥涵设计通用规范(JTGD60-2004)4.3.10 条，最高有效温度46、最低有效温度-21 ；温度梯度按公路桥涵设计通用 规范(JTG D60-2004)4310条规定取用；主缆、钢加劲梁与混凝土桥塔间的温 差采用15,塔身左右侧及内外温差采用5；4 .不均匀沉降锚碇及主塔墩均为3cm；5 .风荷载离地面10m高，重现期为100年lOmin平均最大风速为31.3m/s；2.3 计算工况模型计算工

28、况见下表。表2.1计算工况表格序号项目工况1施工过程空缆2成桥3人群荷载加劲梁挠度最大4加劲梁挠度最小5加劲梁弯矩最大6加劲梁弯矩最小7加劲梁上缘应力最大8加劲梁上缘应力最小9加劲梁下缘应力最大10加劲梁下缘应力最小11主缆缆力最大12主缆缆力最小13吊索索力最大14吊索索力最小15塔顶水平位移最大16塔顶水平位移最小17两侧缆力相除最大18两侧缆力相除最小19加劲梁转角20加劲梁转角21加劲梁转角22加劲梁转角23风荷载长抗风索索力最大24长抗风索索力最小25短抗风索索力最大26短抗风索索力最小27温度整体温度/局部温差28沉降沉降29反力锚碇水平反力最大30锚碇水平反力最小31锚碇竖向反力

29、最大32锚碇竖向反力最小33鞍滑动面水平反力最大34鞍滑动面水平反力最小35鞍滑动面竖向反力最大36鞍滑动面竖向反力最小37边跨加劲梁竖向支反力最大38边跨加劲梁竖向支反力最小39主跨加劲梁竖向支反力最大40主跨加劲梁竖向支反力最小41锚碇水平合力最大42锚碇水平合力最小43锚碇竖向合力最大44锚碇竖向合力最小图2-1成桥有限元模型图2-2空缆有限元模型2.4 计算方法悬索桥有限元法活载计算一般有二阶法、非线性法和精确非线性法。考虑 到精确非线性法耗时长，效率低故不采用；由于本桥恒、活载比例相当，采用 二阶法精度不够；故以下内容均采用非线性法计算:即考虑恒载和活载的几何非 线性效应。3主桥上部

30、结构整体分析3.1计算模型说明该桥为双塔地锚式三跨简支悬索桥，主缆跨径组合为36m+180m+36m。采 用ANSYS(V12)及MidasCivil2012(V8.0.5)软件进行计算分析，并对成桥、空缆 状态及恒载、人群荷载、风荷载、温度、不均匀沉降等作用进行计算。计算模 型如下图所示。内力及位移采用kN、m为单位，应力计算结果以MPa为单位， 应力结果中正值表示拉应力，负值表示压应力。ANSYS模型中纵横梁采用鱼骨模型。考虑到六根纵梁焊接在密布的横梁 上，且纵梁之间布置有斜撑，六根纵梁整体符合平截面假定，模型中等效为的 一根纵梁，按照纵梁的布置计算其等效截面性质。横梁按照图纸尺寸考虑其截 面性质。纵横梁采用beam4单元，主缆及吊索采用linklO单元，刚臂采用 mpc 184 单元。主桥翻翻图3-1主桥横断面图3-2主桥计算模型