猫道设计计算书

PAGEPAGE1xxxx工程大桥工程猫道设计计算书

计算基本资料1.1结构概况悬索桥施工猫道是架设在主缆之下、平行于主缆线形布置、让施工人员进行施工作业的高空脚手架，是主缆系统乃至悬索桥整个上部结构的施工平台，担负着索股牵引、调索、整形入鞍、紧缆、索夹及吊索安装、箱梁吊装及工地连接、主缆缠丝、防护涂装等重要任务。其结构构成主要由猫道承重索、猫道面层、栏杆及扶手索、抗风系统、门架系统、横向天桥及各锚固连接等系统构成。xx工程大桥主桥桥型采用双塔单跨钢箱梁悬索桥方案（176m+600m+140m），南北侧主塔高分别为112.667m、106.087m。矢跨比为11/100，主缆横向布置2根，主缆横桥向中心间距为26.7m，主缆施工猫道采用分段式猫道，边跨猫道面距主缆轴线约1.7m，中跨猫道面距主缆轴线约1.6m，猫道宽度为4.0m。每条猫道承重结构由6根φ48承重索、两根φ28门架支撑索及两根φ20扶手索组成，承重索与门架支撑索通过猫道门架连接形成空间结构，为减少猫道结构重量及方便施工，所设计的猫道无抗风索系统。猫道结构布置图见下图：1.2猫道计算荷载猫道荷载包括恒载、活载及风力、温度等附加荷载。猫道计算恒载包括承重索、面层荷载、索股滚轮支架、门架及横向通道等。其中横向通道与门架以集中荷载计，其余为均布荷载。猫道活载包括主缆索股、牵引绳及施工人员重，最终简化为均布荷载计算。1.2.1恒载Ⅰ：猫道承重索、门架索及扶手索自重查得：单根φ48钢丝绳自重为0.094KN/m（截面积），单根φ28钢丝绳自重为0.032KN/m（截面积），单根φ20钢丝绳自重为0.016KN/m（截面积）。弹性模量均取为Ⅱ：猫道面层荷载面层含猫道面钢丝网、横木、栏杆、导向轮支架、施工人员及电缆灯具等，其荷载分别计算如下（面层荷载按每米计，作用于承重索上）：承重网（4m宽）：；走行网（2.2m宽）：栏杆网（2.3m宽）：；横木()：栏杆及导向轮支架（间隔4m）：上述荷载共计：917N/mⅠ：猫道承重索、门架索及扶手索自重Ⅳ：猫道门架（含门架滑车）及横向天桥结构荷载单个门架自重19.07KN，单个横向天桥结构自重为38.79KN。竖向荷载均作用于承重索上面，模型中索单元长度均为1米左右，则索单元节点荷载(除索单元自重外),门架处节点荷载，横向天桥处节点荷载1.2.2活载I：主缆丝股重量牵引系统按小循环进行设计，每条猫道按放置一根丝股来计算荷载，荷载集度按146N/m计。II:主缆牵引索股,采用φ28钢丝绳：27.7N/mIII:施工人员及电缆灯具等：60N/m1.2.3附加荷载I：风荷载桥位处离地面10m高处百年一遇10min平均最大风速27.5m/s。桥位处的地面粗糙类别按照D类考虑。桥面基准高度=桥面标高-常水位=223.507-177.85=45.657m猫道基准平均高度=猫道平均标高=猫道基准高度处的设计基准风速为m/s施工阶段的设计风速为m/s猫道的设计基本风速为m/s静阵风风速为m/s猫道的阻力系数，取为0.7悬索桥猫道上单位长度上的静风荷载为:N/mII温度荷载按降温15℃考虑。钢丝绳的线膨胀系数设为1.2e-5。1.3猫道计算荷载组合猫道计算荷载组合见下表荷载组合安全系数静力结构强度验算恒载≥3.5恒载+活载≥3恒载+活载+温度荷载≥3降温15℃考虑风荷载组合结构强度验算恒载+活载+施工阶段风荷载组合≥3按6级风荷载考虑恒载+最大阵风荷载组合≥2.52.猫道计算由于悬索的柔性大变形特征及对温度的敏感性，因此悬索结构的分析计算需要较高的精度，主要对算索的无应力长度及空缆时的控制标高、加载后的标高变化进行计算。目前国内外应用普遍的悬索结构分析计算方法主要有非线性有限元和解析法两类。2.1非线性有限元求解猫道Ⅰ：计算假定为简化建模，不考虑钢丝网的作用，模型中仅建立承重索、扶手索、门架支撑索、门架结构、横向天桥结构及扶手栏杆结构。根据主缆施工组织设计，猫道结构采用分段式，模型中南侧边跨猫道跨度为176米，北侧边跨猫道跨度为140米，中跨猫道跨度600米，猫道索设计线形以空缆状态下的主缆线形为基准，取南侧边跨猫道跨中下挠5.501m，中跨下挠60.822m，北侧猫道跨下挠3.392m进行计算分析。模型采用ANSYS有限元程序进行建立，采用只受拉LINK10索单元模拟承重索、扶手索及门架支撑索，采用BEAM4(三维梁单元)模拟承重索横木、栏杆、门架及横向天桥结构，猫道计算无应力长度时忽略温度及风载的作用。模型建立如下：南边跨猫道模型图：北边跨猫道模型图：中跨猫道模型图：横向天桥结构与猫道索连接处细部图如下：II:猫道结构计算包括以下内容：(1)、猫道索的索力计算、承重索的线形、无应力长度（下料长度）及弹性伸长量计算；(2)计算中跨猫道结构的抗风稳定性。(3)计算中跨猫道结构的动力特性，即结构自振频率及部分阵型图；III:计算基本思路（1）根据大桥主缆的空缆线形，采用ansys软件创建猫道模型，并设置很大的初始应变，根据主缆的空缆线形来调整猫道的弹性模量，施加猫道的自重荷载得到猫道的初始线形。（2）找形分析后，恢复猫道实际弹性模量与很小的初始应变，施加猫道全部的竖向荷载，使得在自重作用下该初始线形平行位于主缆空缆线形下方的1.5m处。进行猫道承重索线形及弹性伸长量进行计算。（3）进行猫道静力结构强度验算，风荷载组合结构强度验算。2.1.1南边跨（176m）猫道结构计算（1）、承重索线形计算猫道索线形图如下：其中猫道承重索部分节点的坐标值提取结果如下：根据节点坐标值，承重索线形示意如下：注：上图中a、b、c点分别对应模型中的40#，90#，130#节点。承重索跨中点的挠度，设计挠度为5.501m，与设计值相差1mm。（2）、承重索无应力长度及弹性伸长量计算承重索的弹性伸长量及承重索总长度计算结果如下（单位m）：则承重索无应力长度（下料长度）。（3）猫道静力结构强度验算荷载组合一：恒载承重索支点反力值如下：单根φ48钢丝绳（承重索）水平反力为189.65KN，竖向反力为111.22KN,经计算其索力为219.86KN，承重索安全系数，满足要求。荷载组合二：恒载+活载承重索支点反力值如下：单根φ48钢丝绳（承重索）水平反力为205.40KN，竖向反力为121.47KN,经计算其索力为238.63KN，承重索安全系数，满足要求。荷载组合三：恒载+活载+温度荷载（降温15℃）猫道索支点反力值如下：单根φ48钢丝绳（承重索）水平反力为210.68KN，竖向反力为123.85KN,经计算其索力为244.39KN，承重索安全系数，满足要求。（4）猫道风荷载组合结构强度验算荷载组合一：恒载+活载+施工阶段风荷载（6级风荷载）承重索支点反力值如下：单根φ48钢丝绳（承重索）纵向水平反力为206.64KN，竖向反力为122.24KN,横向水平反力为1.39KN,经计算其索力为240.08KN，承重索安全系数，满足要求。荷载组合二：恒载+最大阵风荷载承重索支点反力值如下：单根φ48钢丝绳（承重索）纵向水平反力为221.10KN，竖向反力为128.04KN,横向水平反力为13.540KN,经计算其索力为255.86KN，承重索安全系数，满足要求2.1.2北边跨（140m）猫道结构计算（1）、承重索线形计算猫道索线形图如下：其中猫道承重索部分节点的坐标值提取结果如下：根据节点坐标值，承重索线形示意如下：注：上图中a点、b点和c点分别对应模型中20#、72#和122#节点。承重索跨中点的挠度设计挠度值为3.392m，差0.037m。（2）、承重索无应力长度及弹性伸长量计算承重索的弹性伸长量及承重索总长度计算结果如下（单位m）：则承重索无应力长度（下料长度）（3）猫道静力结构强度验算荷载组合一：恒载承重索支点反力值如下：单根φ48钢丝绳（承重索）水平反力为191.18KN，竖向反力为119.66KN,经计算其索力为225.54KN，承重索安全系数，满足要求。荷载组合二：恒载+活载各猫道索支点反力值如下：单根φ48钢丝绳（承重索）水平反力为178.45KN，竖向反力为110.80KN,经计算其索力为210.05KN，承重索安全系数，满足要求。荷载组合三：恒载+活载+温度荷载（降温15℃）承重索支点反力值如下：单根φ48钢丝绳（承重索）水平反力为197.60KN，竖向反力为122.91KN,经计算其索力为232.71KN，承重索安全系数，满足要求。（4）猫道风荷载组合结构强度验算荷载组合一：恒载+活载+施工阶段风荷载（6级风荷载）承重索支点反力值如下：单根φ48钢丝绳（承重索）纵向水平反力为192.15KN，竖向反力为120.30KN,横向水平反力为1.11KN.经计算其索力为251.90KN，承重索安全系数，满足要求。荷载组合二：恒载+最大阵风荷载承重索支点反力值如下：单根φ48钢丝绳（承重索）纵向水平反力为203.20KN，竖向反力为125.12KN,横向水平反力为10.70KN.经计算其索力为238.87KN，承重索安全系数，满足要求。2.1.3中跨猫道计算（1）、承重索线形计算猫道索线形图如下：其中猫道承重索部分节点的坐标值提取结果如下：根据节点坐标值，承重索线形示意如下：注：上图中a点、b点及c点分别对应模型中177#节点、302#节点及425#节点此时承重索跨中点的挠度f=58.684+2.138=60.822m，与设计挠度值相等。（2）、承重索无应力长度及弹性伸长量计算承重索的弹性伸长量及承重索总长度计算结果如下（单位m）：则承重索无应力长度（下料长度）（3）猫道静力结构强度验算荷载组合一：恒载承重索支点反力值如下：单根φ48钢丝绳（承重索）水平反力为208.49KN，竖向反力为83.48KN,经计算其索力为224.58KN，承重索安全系数，满足要求。荷载组合二：恒载+活载承重索支点反力值如下：单根φ48钢丝绳（承重索）水平反力为232.39KN，竖向反力为93.59KN,经计算其索力为250.53KN，承重索安全系数，满足要求。荷载组合三：恒载+活载+温度荷载（降温15℃）承重索支点反力值如下：单根φ48钢丝绳（承重索）水平反力为233.96KN，竖向反力为93.95KN,经计算其索力为252.12KN，承重索安全系数，满足要求。（4）猫道风荷载组合结构强度验算荷载组合一：恒载+活载+施工阶段风荷载（6级风荷载）承重索支点反力值如下：单根φ48钢丝绳（承重索）纵向水平反力为232.73N，竖向反力为93.68KN,横向水平反力为16.64KN,经计算其索力为251.43KN，承重索安全系数，满足要求。荷载组合二：恒载+最大阵风荷载承重索支点反力值如下单根φ48钢丝绳（承重索）纵向水平反力为265.55KN，竖向反力为96.53KN,横向水平反力为48.35KN,经计算其索力为286.66KN，承重索安全系数，满足要求。2.1.4中跨猫道抗风稳定性计算荷载考虑猫道竖向荷载及横向风荷载的共同作用，其中横向风荷载施加在猫道承重索上面，荷载加载示意图如下：参考阳逻长江大桥风洞试验数据,取00风攻角时的三分力值进行计算。竖向荷载包括索自重、猫道面层荷载、门架自重及横向天桥结构自重。模型中横向静阵风风速按逐步递增，直至风速加载为90m/s为止，对猫道结构进行几何非线性计算分析及抗风稳定性分析，此处仅列出计算结果：当阵风风速时，猫道结构横桥向位移等值线如下图:猫道横桥向最大位移发生在跨中位置，横向位移为36.28m。从上图可以看出，猫道横截面扭转变形比较小，约为6度左右。当阵风风速Vg=90m/s时，猫道结构横桥向位移等值线图如下:猫道横桥向最大位移发生在跨中位置，横向位移为61.30m。A处截面B处截面A处截面B处截面从上图可以看出，猫道横截面扭转变形增加，最大约为13度左右。5.1.2荷载～位移曲线为进一步反映出猫道结构的变形随风荷载的变化关系，此处选取上述A、B两处截面，并绘制其荷载～位移曲线。A处截面（跨中截面）横桥向位移值随风荷载的变化关系图：图中横坐标“TIME”表示静阵风风速大小，单位m/s；纵坐标“VALU”表示横桥向位移值，单位m。A、B处截面扭转变形随风荷载的变化关系图：2.1.5中跨猫道结构动力特性计算对中跨猫道结构进行模态分析时考虑大变形及预应力的影响，即考虑索初始轴力对猫道结构应力刚度的贡献（应力刚化效应），钢丝网、扶手绳、防滑木条、索股滚筒等仅考虑其对猫道重力刚度的影响，将其质量附加在承重绳上，用梁单元模拟门架及横向通道结构，在保证对猫道整体质量和刚度的贡献与实际结构一致的前提下进行计算。模态计算时，由于考虑几何非线性的影响，故先对结构进行静力分析，然后再进行模态分析。这里仅列出模态分析的结果：猫道结构前十阶自振频率计算结果如下：（单位HZ）前5阶阵型图如下：第1阶阵型图（1阶对称侧向振动）第2阶阵型图（1阶反对称竖向动）第3阶阵型图（1阶侧向扭转振动）第4阶阵型图（1阶竖向扭转振动）第5阶阵型图（2阶对称竖向振动）2.2解析法计算猫道2.2.1基本假定为建立悬索桥猫道的计算方法，通常作以下假定：（1）悬索桥的主缆一般由钢丝集束而成，相对抗弯刚度很小，可作为完全柔性索来处理，既不能受弯也不能受压。索曲线有弯折的地方，只要转折的曲率半径足够大，局部弯曲也可不计；（2）悬索桥主缆横截面积在外荷载作用下变化量十分微小，忽略这种变化的影响；（3）索的材料符合胡克定律。在正常适用范围内，应力与应变呈线性关系。1.2悬链线理论悬索桥在成桥状态，主缆和加劲梁构成组合体系，共同受力。主缆所受荷载为沿弧长均匀分布的主缆自重（包括缠丝和防护）及通过吊索传递的集中荷载（加劲梁、索夹、吊索及锚头自重和二期恒载），因此悬索桥的受力图示通常简化为承受沿弧长均布荷载加吊索处作用有集中力的柔性索。图1悬链线性计算示意悬索在自重作用下实际是受沿索长度分布的均布荷载，见图一，据图有得将上式带入，得积分求解并根据边界条件可知此为悬链线方程式中，猫道索长为主缆自重下的弹性变形令无应力索长图二为索的受力图，直接求解比较困难，可以吊点间的某一微段为研究对象。在每个集中力作用点（即横向天桥位置）处建立局部坐标系，每两个集中力作用点间的索段满足悬链线方程。解析计算法的优点是由于采用了解析表达式，用数值