移民居住环境改善工程-悬索桥计算

移民居住环境改善工程悬索桥计算书PAGE1/49目录TOC\o"1-3"\h\u9894一、工程概述 24988二、技术标准采用规范 3322822.1技术标准 355902.1.1桥梁等级 3181912.1.2荷载 432092.1.3设计指标 4105832.2规范 524872三、结构总体计算分析 6197693.1计算理论简介 6214853.2总体计算分析 737843.2.1结构受力分析中的荷载取值 787683.2.2设计参数 7186703.2.3计算模式 8271613.3结构几何特性与物理力学参数 8239733.4全桥总体计算结果 9311763.4.1成桥状态主缆线形坐标 933913.4.2主缆无应力长度 10303763.4.3主缆强度复核 12319183.4.4吊杆强度复核 14232433.4.5风缆强度复核 1428433.4.6加劲梁强度复核 1622083.4.7桥面玻璃强度复核 18228833.4.8主缆锚固套筒强度复核 19279303.4.9桥塔承载力复核 21148813.4.10挠度复核 26112523.4.11地锚桩基水平及竖向承载力复核 27141983.5人致振动分析 32283993.5.1纵、横向各阶频率振型以及模态质量 329473.5.2风缆对振型及频率的影响 34307973.5.3舒适度分析 3552493.5.4本章小结 41229933.6抗震分析 42256763.6.1计算模型建立 42320093.6.2反应谱函数 43296853.6.3E2地震作用下内力计算结果 44201513.6.4E2地震作用抗力验算结果 4514099四、总结 49工程概述万州区位于长江上游地区、重庆东北部，处三峡库区腹心，属长江上游区域中心城市。万州区东临云阳县，南接石柱土家族自治县和湖北利川市，西频忠县和梁平县、北界开县和四川开江县。万州区幅员面积3457平方公里。至2014年底，城市建成区面积62.5平方公里，城镇化率61.11%，城镇人口突破百万大关。人行悬索桥为双塔单跨悬索桥，加劲梁采用漂浮体系，主跨主缆跨度采用189.5m，（塔中心间距）加劲梁跨度采用160m。，主缆矢高17.7米，矢跨比为1/11，跨中主缆中心至桥面高1.87米，边跨长（索鞍至散索点）12.5米，全桥布置63对吊索，吊索间距2.5米。主缆锚碇均实体浇筑混凝土地锚，全桥共设置2根主缆，采用钢丝绳索股逐根架设的施工方法。每根主缆由7股6x36WS+IWR，直径φ56mm，公称抗拉强度为1770MPa的钢丝绳组成，单股主缆破断力为1980KN。吊索采用单股6x36WS+IWR，直径φ22mm，公称抗拉强度为1770MPa的钢丝绳组成，单根吊索的破断力为305KN，铅垂布置标准段索间距取为2.5m。悬索桥人行道净宽3.0m，加劲梁采用纵横梁结构纵梁、横梁采用HM400x300x10/16H型钢，桥面采用4cm厚夹心钢化承重玻璃。桥型布置图断面布置图桥梁效果图技术标准采用规范2.1技术标准2.1.1桥梁等级人行悬索桥2.1.2荷载根据《城市人行天桥与人行地道技术规范》（CJJ69-95）3.1.3条；计算得活载值为1.5Kpa，同时参考景区人行玻璃悬索桥与玻璃栈道技术标准》（DB13（J）/T264-2018）4.4.6条，计算整体结构承载能力极限状态采用荷载2.0Kpa，局部计算时荷载采用3.5Kpa。地震动峰值加速度：0.05g桥面净宽：3.0m桥面纵坡：双向1.5%，跨中设R=3000m竖曲线设计使用年限：主体结构：50年，可更换部件：吊索、抗风索20年 栏杆、伸缩缝、支座15年桥面玻璃：8年2.1.3设计指标1).跨径布置中跨：189.5m（桥塔之间跨径）边跨：12.5m2).主缆失跨比：1/11主缆中心距：3.9m根数：2根组成：7股6x36WS+IWR，直径φ56mm钢丝强度：1770MPa3).吊索型式：钢丝绳吊索间距：标准间距2.5m组成：单股6x36WS+IWR，直径φ22mm连接方式：吊索与加劲梁及索夹均采用销接钢丝强度：1770MPa4).加劲梁形式：HM400x300x10/16H型钢纵横梁高度：0.39m，高跨比为1/410宽度：3.2m（主桁弦杆中心处），宽跨比为1/50材质：Q355C5).桥塔形式：门式框架结构高度：P1塔14m；P2塔23.5m横梁数：1道基础形式：承台桩基础6).锚锭锚体形式：地锚2.2规范1.《城市桥梁设计规范》（2019年版）（CJJ11-2011）2.《城市人行天桥与人行地道技术规范》（CJJ69-95）3.《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ166-2011）4.《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2015）5.《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362-2018）6.《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG3363-2019）7.《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2018）8.《钢结构设计标准》（GB50017-2017）9.《重要用途钢丝绳》（GB8918-2006）10.《公路悬索桥设计规范》（JTG/TD65-05-2015）11.《景区人行玻璃悬索桥与玻璃栈道技术标准》（DB13（J）/T264-2018）12.《悬索桥主缆系统防腐涂装技术条件》（JT/T694-2007）13.《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》（JT/T722-2008）14.《城市桥梁工程施工与质量验收规范》（CJJ2-2008）15.《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64-2015）16.《公路桥梁抗震设计规范》（JTG/T2231-01-2020）17.《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T3650-2020）18.《碳素结构钢》（GB700－2006）19.《低合金高强度结构钢》（GB／T1591－2008）20.《一般工程用铸造碳钢件》（GB11352-2009）21.《焊缝符号表示方法》（GB324－2008）结构总体计算分析3.1计算理论简介人行悬索桥总体结构计算分析主要采用有限位移理论，采用有限元软件MIDASCIVIL2022版实现，通过软件将悬索桥离散为空间结构，建立空间有限位移分析理论及计算程序，将竖向、横向荷载及偏载作用于结构上求结构内力及变形的方法。恒载内力计算方法：悬索桥加劲梁的恒载内力与施工过程和施工方法有关。本桥是采用4cm钢化玻璃桥面的纵横梁型式加劲梁，因此设计为加劲梁在施工阶段采用分段吊装，待全部梁段吊装完毕铺好桥面后再将加劲梁段连接成整体的施工方法。成桥后可认为加劲梁内无恒载弯矩（实际上是恒载弯矩比较小，可不计其影响）。整体静动力计算使用《MIDASCIVIL空间分析软件》悬索桥分析控制功能，迭代计算，以确定吊杆力和主缆线形。活载作用下结构的内力及变形的分析方法：由于悬索桥是非线性结构，不能采用线性叠加原理以影响线的概念求得结构各截面的内力及变形的极值，所以对于成桥阶段进行大位移分析是很困难的。考虑到主缆承受的80%以上的轴力都是由恒载产生的，恒载以外其它荷载的影响很小，本桥做成桥阶段分析时，将初始平衡状态下主缆和吊杆的张力转换为几何刚度后做线性分析，即线性有限位移法。相关资料证明，线性有限位移法计算的结果与有限位移法计算结果误差在1%之内。悬索桥在施工时的结构体系比成桥阶段的稳定性差，在各施工阶段发生的位移也很大，使用线性有限位移法做悬索桥的施工阶段分析，其结果将产生很大的误差，为了能够获得精确的结果，需要使用几何非线性分析（大位移）理论来计算分析，并且在做当前施工阶段分析时应考虑前一阶段产生的内力和变形。本桥施工阶段验算采用倒拆法计算。3.2总体计算分析3.2.1结构受力分析中的荷载取值进行结构计算时，按以下所考虑的荷载及荷载组合。（1）恒载：加劲梁及桥面附属部分恒载为9.74KN/m。（2）活载：（折减）公路—Ⅱ级，同时根据规范考虑纵向折减系数、汽车冲击系数和汽车制动力。（3）风载：100年一遇最大风速为24m/s，风压：0.35Kpa。（4）温度影响力：整体升温按25℃考虑、降温按-25℃考虑。基础温度按20℃，主缆下料及架设时应根据当时温度与基础温度的差值校正无应力长度（5）基础变位：本桥地基基础为砂岩，未计基础沉降影响。标准组合：组合1：1.0恒载组合2：1.0恒载+1.0人群荷载组合3：1.0恒载+1.0人群荷载+1.0系统升温组合4：1.0恒载+1.0人群荷载+1.0系统降温组合5：1.0恒载+1.0人群荷载+1.0横桥向风荷载组合6：1.0恒载+1.0人群荷载+1.0系统升温+1.0横桥向风荷载组合7：1.0恒载+1.0人群荷载+1.0系统降温+1.0横桥向风荷载极限组合：组合1：1.2恒载组合2：1.2恒载+1.4人群荷载组合3：1.2恒载+1.4人群荷载+1.12（1.4*0.8）系统升温组合4：1.2恒载+1.4人群荷载+1.12（1.4*0.8）系统降温组合5：1.2恒载+1.4人群荷载+0.88（1.1*0.8）横桥向风荷载组合6：1.2恒载+1.4人群荷载+1.12（1.4*0.8）系统升温+0.88（1.1*0.8）横桥向风荷载组合7：1.2恒载+1.4人群荷载+1.12（1.4*0.8）系统降温+0.88（1.1*0.8）横桥向风荷载悬索桥主要承重结构为主缆，主缆安全系数采用标准组合计算，要求安全系数大于3。3.2.2设计参数⑴成桥主缆失跨比为1/11⑵主缆安全系数：≥3⑶吊杆安全系数取≥3（销接式）⑷吊杆标准间距2.5m⑸桥面铺装采用4cm厚钢化夹胶玻璃3.2.3计算模式人行悬索桥的结构总体计算分析使用《MIDAS/CIVIL空间分析软件》。结构计算模型3.3结构几何特性与物理力学参数结构几何特性与物理力学参数见下表：1）主缆主缆为镀锌钢丝绳，力学性能如下：弹性模量：E＝120000MPa公称抗拉强度：1770MPa线膨胀系数：0.000012/℃2）吊索吊索为钢丝绳，力学性能如下：弹性模量：E＝120000MPa公称抗拉强度：1770MPa线膨胀系数：0.000012/℃3）抗风索抗风索为钢丝绳，力学性能如下：弹性模量：E＝120000MPa公称抗拉强度：1770MPa线膨胀系数：0.000012/℃4）纵横梁钢加劲梁采用Q355c，力学性能如下：弹性模量：E＝210000MPa剪切模量：G＝81000MPa泊松比：0.3轴向容许应力：[σ]＝200MPa弯曲容许应力：[σw]＝210MPa剪切容许应力：[τ]＝120MPa屈服应力：[σy]＝340MPa线膨胀系数：0.000012/℃5）桥塔桥塔由C40钢筋混凝土现浇制造，其主要力学性能如下：弹性模量：E＝32500MPa泊松比：0.2轴心抗拉强度设计值：18.4MPa轴心抗压强度设计值：1.65MPa线膨胀系数：0.00001/℃3.4全桥总体计算结果3.4.1成桥状态主缆线形坐标成桥状态主缆坐标表3.4.2主缆无应力长度主缆单元号主缆单元无应力索长计算表单元号单元无应力长度

(m)节点水平距离

(m)114.401312.5218.094817.2532.61092.542.60392.552.59682.562.58982.572.58312.582.57662.592.57042.5102.56442.5112.55872.5122.55322.5132.54792.5142.54292.5152.53822.5162.53362.5172.52942.5182.52542.5192.52162.5202.51812.5212.51482.5222.51182.5232.5092.5242.50652.5252.50422.5262.50222.5272.50042.5282.49892.5292.49772.5302.49672.5312.49592.5322.49542.5332.49512.5342.49512.5352.49542.5362.49592.5372.49672.5382.49772.5392.49892.5402.50042.5412.50222.5422.50422.5432.50652.5442.5092.5452.51182.5462.51482.5472.51812.5482.52162.5492.52542.5502.52942.5512.53362.5522.53822.5532.54292.5542.54792.5552.55322.5562.55872.5572.56442.5582.57042.5592.57662.5602.58312.5612.58982.5622.59682.5632.60392.5642.61092.56518.094817.256614.401312.53.4.3主缆强度复核方法一：有限位移理论主缆采用规格为用（6x36WS+IWRφ56*7）2根共14股，公称抗拉强度为1770MPa的成品索，破断力合计为破断力1980*7=13860kN，在荷载组合作用下，主缆最大内力下图所示。主缆内力图由上图可知，在荷载组合作用下，主缆最大受力为3029.7kN，安全系数K=4.57>3，满足规范要求。方法二：弹性理论（抛物线法）根据基本公示计算主缆拉力如下：本项目主缆主跨189.5m，根据相关论著，也可采用弹性理论简化计算方法，专辑中计算得主缆得安全系数为4.37＞3，与有限位移理论相差不大。3.4.4吊杆强度复核吊索采用钢丝绳吊索φ22钢丝绳，6x36WS+IWR，公称抗拉强度为1770MPa，破断力为305kN，在荷载组合作用下，吊杆最大内力如下图所示。吊索内力图由上图可知，在荷载组合作用下，吊索最大受力为55kN，安全系数K=5.5>3，满足规范要求。3.4.5风缆强度复核风缆内力计算方法是让风缆产生水平向分力等于风荷载产生得侧向力，根据力的平行四边形法则，计算风缆再40度斜平面内得均布力为0.529KN/m，再根据弹性理论计算风缆主缆的最大拉力为182KN，破断力为817KN，安全系数为4.48。考虑到风缆成桥线形需求，风缆施工时，风缆主缆需要预拉100KN内力，占风荷载在风缆上产生内力的54%（需要大于30%参考《悬索桥》（大桥工程局）P221）。3.4.6加劲梁强度复核（1）纵梁：在各种荷载工况组合下纵梁应力如下图所示纵梁正应力包络图纵梁剪应力包络图由上图可知，在最不利荷载组合下，纵梁在运营过程最大正应力绝对值为75.6MPa<210MPa（按容许应力法，对应Q355（既Q345）容许应力为210Mpa，《铁路桥梁钢结构设计规范》J46）,最大剪应力绝对值为8.9MPa<210MPa（按容许应力法，对应Q355（既Q345）容许应力为120Mpa，《铁路桥梁钢结构设计规范》J46），均满足规范要求。（2）横梁：在各种荷载工况组合下横梁应力（主应力）如下图所示横梁应力图由上图可知，在最不利荷载组合下，横梁各杆件在运营过程最大主应力为123MPa<210MPa，满足规范要求。（3）加劲梁剪刀撑：在各种荷载工况组合下剪刀撑应力（主应力）如下图所示剪刀撑应力图由上图可知，在最不利荷载组合下，剪刀撑各杆件在运营过程最大主应力为42MPa<210MPa，满足规范要求。3.4.7桥面玻璃强度复核根据《建筑玻璃应用技术规程》（JGJ113-2015）9.2.4条进行计算。桥面玻璃采用4cm厚钢化夹层玻璃，型号采用12TP+1.52SGP+12TP+1.52SGP+12TP。玻璃与主体结构采用中性硅酮结构胶连接，玻璃面板的强度以及刚度通过检算，均满足规范要求。3.4.8主缆锚固套筒强度复核依据《公路悬索桥设计规范》（JTG/TD65-05-2015）9.4.4条计算锚固套筒承载力。经计算，主缆锚固套筒承载力满足要求。3.4.9桥塔承载力复核本项目索鞍为滚轴式索鞍，主缆得水平拉力不会传递到桥塔，但是桥塔以下两个方面要着重考虑。1桥塔得计算长度，纵桥向为悬臂柱，不同于索鞍与桥塔固结，计算长度应取2L，L为桥塔高度。恒载索塔轴力图2桥塔得弯矩主要来自于以下两种工况a塔顶索的得偏心压力，最大偏心按预偏量考虑为2.8cm=0.028m。b索鞍滚动阻力对桥墩产生的弯矩，滚动摩擦的摩阻力系数取0.05。3依据《通规》计算塔顶索鞍的滚动摩阻力由摩阻力产生的弯矩计算：W（恒载在索鞍处产生的竖向作用）=2093.4KN，墩顶摩阻力F=0.05*2093.4=104.67KN，由摩阻力产生的墩底弯矩为104.67*23.5m=2459.7KN*m。由索鞍偏心产生的弯矩计算：2093.4*0.028=58.6KN*m二者合计：2459.7+58.6=2158.3KN*m。轴力值为2093.4KN（顶）、3582.9KN（底）。索塔截面配筋图（主筋直径28mm）偏压承载力复核桥墩竖向承载力为9585KN，满足要求。桥墩偏压承载力满足要求。3.4.10挠度复核挠度计算依据《公路悬索桥设计规范》（JTG/TD65-05-2015）通过MidasCiVil建立有限元模型计算得，跨中最大挠度为72cm≤18950/250=75cm。3.4.11地锚桩基水平及竖向承载力复核锚碇的计算先是根据主缆的拉力，计算桩基所要承受的竖向荷载以及水平荷载，再根据岩土力学参数呢计算竖向及水平承载力，从而得到桩基的安全系数。1单桩竖向承载力复核《公路桥涵地基与基础设计规范》（(JTG3363—2019)）2单桩水平承载力复核《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）3单桩抗剪强度复核《混凝土结构设计规范》（GB50010-2020）3.5人致振动分析3.5.1纵、横向各阶频率振型以及模态质量竖向有风缆无风缆模态号频率(Hz)模态质量

(t)模态质量

合计(t)模态号频率模态质量

(t)模态质量

合计(t)10.3370.000010.3240.000020.4650.000020.4420.000030.4724.2804.2830.4613.9403.9440.6160.0004.2840.5940.0003.9450.64216.90021.1850.63116.98020.9260.7670.00021.1860.7500.00020.9270.8150.00021.1870.7960.00020.9280.9680.00021.1880.9430.00020.9291.0471.50022.6891.0291.54022.46101.2470.00022.68101.2570.00022.46111.2480.02022.7111.3390.00022.46121.2830.00022.7121.5930.00022.46131.3580.00022.7131.7070.49022.95141.3950.00022.7141.9840.00022.95151.3960.00022.7152.1200.00022.95161.6190.00022.7162.4160.00022.95171.7260.48023.18172.5870.27023.22181.9720.00023.18182.8980.00023.22191.9720.00023.18193.1020.00023.22202.0120.00023.18203.4260.00023.22212.1390.00023.18213.6680.19023.4222.4290.00023.18224.0000.00023.4232.4450.00023.18234.2800.00023.4242.4600.00023.18244.6150.00023.4252.6050.26023.44254.9350.15023.55横向有风缆无风缆模态号频率(Hz)模态质量

(t)模态质量

合计(t)模态号频率模态质量

(t)模态质量合计(t)10.2480.000010.2320.000020.31019.97019.9720.28419.77019.7730.7720.00019.9730.7500.00019.7740.8110.21020.1840.7870.2302050.8670.01020.1950.8500.01020.0160.8920.00020.1960.8720.00020.0171.0370.00020.1971.0320.00020.0181.2310.00020.1981.2230.00020.0191.2330.10020.2991.2250.65020.66101.2520.00020.29101.5140.10020.76111.2560.60020.89111.5150.00020.76121.4700.00020.89121.6920.00020.76131.4900.00020.89131.8442.95023.71141.5480.12021.02141.8560.00023.71151.5480.00021.02151.92723.59047.3161.6920.00021.02162.1351.75049.04171.8756.12027.14172.2080.00049.04181.8970.00027.14182.2090.18049.23191.92612.10039.24192.5800.00049.23201.9408.71047.95202.5800.00049.23211.9720.00047.95212.6520.00049.23222.2031.35049.3222.9400.00049.23232.2560.00049.3232.9640.01049.24242.2570.15049.45242.9640.00049.24252.4810.00049.45253.3570.00049.243.5.2风缆对振型及频率的影响1对竖向的影响根据著作，竖向敏感频率范围为1.6-2.4Hz，我国成年人平均步频2hz，风缆的第21阶振型与无风缆的第15阶振型与2Hz最接近，而这两节振型恰巧都是4阶竖弯振型，振型图如下：1）有风缆（有风缆2.139Hz）第21阶模态振型（4阶竖弯振型）2）无风缆（无风缆2.120Hz）第15阶模态振型（4阶竖弯振型）二者频率非常接近相差只有后0.8%，故，从分析误差来讲可简化模型，既可不考虑风缆对主桥竖向振动的影响。2.2对横向的影响根据著作，横向敏感频率范围为0.5-1.2Hz，1有风缆第2阶模态一阶横弯0.309Hz（有风缆）有风缆除第2阶模态为一阶横弯，其余模态均未出现横弯振型。2无风缆第1阶模态一阶横弯0.284Hz（无风缆）第7阶模态二阶横弯1.032Hz（无风缆）第16阶模态三阶横弯2.13Hz（无风缆）以上分析可知，风缆对控制横弯振动作用明显，设置风缆后，仅在第2阶模态出现了横弯变形，且频率为0.309Hz，不在0.5-1.2Hz敏感范围内，故可以不验算横向舒适度。3.5.3舒适度分析通过以上分析，选定4阶竖弯振型，频率为2.12Hz（最接近成年人步频平均值）的振型验算结构竖向舒适度。1计算标准参考德国EN03规范确定行人承载密度行人密度目标值TC3级：行走依然不受限制，快步行走有时可能受到限制，（0.5人/m2）。，2动载加载位置及动力响应计算位置根据第四阶竖向振动振型确定加载位置示意图如下：结构振型以及步行荷载加载图示根据振型，加速度应计算如下振型位移最大处的加速度，图示如下：考虑到靠近跨中的节点更为不利，故以下过程均为计算箭头标记的节点(455号节点)的动力响应。3采用TC3级交通级别计算均布谐波荷载（人群等效余弦动载）动力响应根据专著P270页，（德国EN03标准）计算等效人群荷载。桥面面积S=160*3=480m2，总人数n=0.5*480=240人，为便于计算，取250人，钢结构的阻尼比取0.4%，n’=10.8*（0.004*250）^0.5/480=0.0225人/m2（N/m2）P--步频为fs时，单个行人产生的荷载幅值，竖向分析时P取280Nfs--所要分析的天桥的固有频率2.12Ψ--折减系数，按照下表取值。本项目取值0.9均布谐波荷载计算结果如下：p(t)=280*cos(2π*2.12*t)*0.9*0.0225（迈达斯中余弦荷载振幅=5.67）加速度结果如下：最大竖向加速度为0.63m/s2根据德国EN03标准(如下表)当采用TC3等级人群荷载时，满足CL2级舒适度级别（中等舒适度级别）。4采用TC4级交通级别计算均布谐波荷载（人群等效余弦动载）动力响应（N/m2）P--步频为fs时，单个行人产生的荷载幅值，竖向分析时P取280Nfs--所要分析的天桥的固有频率2.12Ψ--折减系数，按照下表取值。本项目取值0.9均布谐波荷载计算结果如下：p(t)=280*cos(2π*2.12*t)*0.9*0.0225n’==1.85*（160*3*1.0）^0.5/480=0.0844p(t)=280*cos(2π*2.12*t)*0.9*0.0844（迈达斯中余弦荷载振幅=21.27）根据