某橋貓道穩(wěn)定性計算

1、某橋貓道抗風穩(wěn)定性及驗算分析報告目 錄1.概述12.基本參數(shù)13.貓道風載參數(shù)的確定94.抗風靜力穩(wěn)定性非線性分析125.貓道結構驗算分析186.結論21參考文獻211. 概述某橋施工貓道采用三跨連續(xù)式結構，其跨度布置為250+680+250m，為了加快施工進度和降低費用，該橋的貓道施工單位擬采用不設抗風索的施工方案，施工期間，貓道的抗風穩(wěn)定性及其強度是涉及施工安全的關鍵技術問題之一。為保證該橋施工貓道的抗風安全，受某橋項目部的委托，西南交通大學風工程試驗研究中心對該貓道進行了抗風穩(wěn)定性及貓道結構設計進行了驗算分析。本報告介紹貓道在橫橋向風作用下的抗風穩(wěn)定性分析及貓道結構本身的強度驗算分析研究

2、的主要內(nèi)容及結果。2. 基本參數(shù)2.1 貓道布置及結構參數(shù)根據(jù)委托單位所提拱的貓道設計資料，某橋施工貓道總體布置圖如圖2-1所示，貓道線形取平行于主纜在空纜狀態(tài)時的的中心線；架設鋼梁之前，將貓道懸掛于主纜之下，并放松貓道承重鋼絲繩兩端的錨頭。由于貓道線型主纜空纜并行，而主纜矢高f=59.5m，因而可取貓道承重纜矢高與主纜空纜矢高相同。某橋施工貓道結構采用三跨連續(xù)無抗風纜體系。貓道主要由貓道索（承重索、扶手索和門架承重索）、錨固體系、貓道面層、橫向通道、貓道門架、變位剛架、下壓裝置、附屬設施、索股托架滾輪（索股架設用）等組成。單側貓道寬度為3.8m。貓道立面示意見圖2-1、斷面示意見圖2-2。（

3、1）貓道索每條貓道對稱于主纜軸線設置8根40的鍍鋅貓道承重索，貓道兩邊各設一根32扶手繩。貓道門架承重索為2根44的鍍鋅貓道承重索（2）貓道面層貓道面層由兩層粗密網(wǎng)格的鋼絲網(wǎng)片構成，在網(wǎng)片上每隔0.5m綁扎一對防滑方木，每隔3.0m綁扎一道硬木橫梁，每隔25m設一道型鋼橫梁和扶手立柱形成貓道框架。型鋼橫梁均通過U形卡與貓道承重索進行固定。（3）橫向通道兩條貓道之間每隔145m設置一道橫向通道。全橋共布置5道，中跨3道，兩邊跨各1道。橫向通道除滿足人員在貓道間的通行外，同時能提高貓道自身的整體穩(wěn)定性及抗風能力。- 2 -圖2-1 貓道布置圖圖2-2 貓道斷面圖計算中貓道承重纜的彈性模量取為E=1

4、.165×105MPa。貓道的荷載參數(shù)如下所示。一、均布荷載（kg/m）1、貓道承重索和扶手索（8根和2根） 61.42、門架索（2根） 14.63、牽引索（2根） 7.84、貓道面層（含貓道面網(wǎng)、踏木、中間面層單元） 66.95、托架及滾輪 5.006、電纜及照明燈具 1.50二、集中荷載（kg）1、橫向通道 4239.002、貓道門架及導輪組 1554.922. 風速的計算根據(jù)委托單位所提拱的貓道設計資料，場地各高度的不同重現(xiàn)期最大風速見表1。表1 橋位所在地區(qū)各高度不同重現(xiàn)期最大風速(單位：m/s) 高度（m）10年一遇20年一遇30年一遇50年一遇100年一遇1035.073

5、7.9239.5341.5844.352038.6441.7843.5645.8248.873040.9044.2246.1048.4951.724042.5846.0448.0050.4953.855043.9347.5049.5252.0955.566045.0748.7350.8053.4356.997046.0549.7951.9154.6058.248046.9250.7352.8955.6359.349047.7051.5853.7756.5660.3210048.4152.3454.5757.4061.2211049.0653.0555.3058.1762.0412049.665

6、3.7055.9858.8862.80橋位處10m高程20年一遇最大風速為37.92m/s，橋面高度處的20年一遇最大風速為46.04m/s，貓道設計考慮超過7級風停止作業(yè)，貓道上無荷載；貓道正常施工荷載為0.7KN/m。 為了保證貓道在施工過程中的靜力抗風穩(wěn)定性，根據(jù)文獻2要求，橋梁結構的靜力失穩(wěn)臨界風速應大于其設計風速的兩倍。對于貓道結構的靜力抗風穩(wěn)定性驗算，參照此規(guī)定進行。由于貓道高度變化較大，在實際計算時應考慮風速沿高度的變化。3. 貓道風載參數(shù)的確定貓道的抗風穩(wěn)定性，就其實質(zhì)而論，是索結構在定常風作用下的靜力穩(wěn)定問題。決定貓道結構是否失穩(wěn)（傾覆）的主要因素是定常風作用在結構上的空氣力

7、構成的傾覆力矩能否被結構內(nèi)力所平衡。作用于貓道上的定常靜力風荷載與貓道的靜力三分力系數(shù)有關，因此，首先需獲得貓道靜力三分力系數(shù)。根據(jù)貓道結構設計資料，某橋施工貓道結構與某橋施工貓道的結構型式相類似，貓道的面網(wǎng)（側網(wǎng)）的透風率、欄桿及木踏步等布置也相同，因而，某橋施工貓道結構的靜力三分力系數(shù)可借用某橋施工貓道的結果。根據(jù)文獻4可知，某橋施工貓道的體軸系下的靜力三分力系數(shù)如圖3-1所示，風軸系下的靜力三分力系數(shù)如圖3-2所示，相應的列表如表2所示。靜風作用下，采用有限元方法進行結構內(nèi)力計算。對于貓道結構，按下列公式計算出作用于貓道上單位長度上的靜風荷載：阻力升力力矩式中：r為空氣密度（1.225k

8、g/m3），U為計算高度處的陣風風速，H為貓道高度（取1.1m），B為貓道寬（取4.0m），CH、CV、CM分別為貓道的阻力系數(shù)、升力系數(shù)、力矩系數(shù)，根據(jù)圖3-1、圖3-2、或表2，0o 攻角時，CH = 0.6340，CV = -0.0063，CM = -0.0051。對于索塔、門架及上承重繩等，其靜風荷載只考慮阻力，單位長度阻力為：圖3-1 體軸坐標系靜力三分力系數(shù)曲線圖3-2 風軸坐標系靜力三分力系數(shù)曲線 阻力式中：H分別為索塔、門架立柱寬及上承重繩直徑，CH = 2.0（索塔、門架）或0.7（上承重繩），U為計算高度處陣風風速。在計算貓道承受的風荷載時，風速應按風剖面變化考慮不同高度的

9、影響。4. 抗風靜力穩(wěn)定性非線性分析利用貓道節(jié)段靜力三分力試驗結果和有限元分析軟件BSSAP，對貓道進行了非線性抗風靜力穩(wěn)定性分析。分析時作如下考慮：貓道結構靜力失穩(wěn)主要是發(fā)生在橫通道之間的小跨范圍內(nèi)，在風載作用下，貓道結構的變位過大及橫通道之間的小跨跨中扭轉角過大時會發(fā)生靜力失穩(wěn)。由于在主纜施工完成后，貓道將與主纜相聯(lián)，因而對貓道而言，最不利狀態(tài)應為無主纜的狀態(tài)。貓道在受強風作用時，變位較大，該變位使得風攻角也發(fā)生變化，因而風載也隨之改變，因此，貓道抗風靜力穩(wěn)定性應是幾何非線性、非保守的。采用有限元法對某橋施工貓道進行離散，建立有限元計算模型，建模時考慮整個結構，即中跨、邊跨及索塔等。對于索

10、塔、橫向通道等按梁單元進行離散，由于貓道結構主要為纜索結構，其受力變形形態(tài)具有很強的非線性特征，應力等效梁的模型應考慮幾何非線性（此主要指大位移，桿件軸力）的影響。用索單元模擬貓道承重纜和扶手繩，考慮索初始軸力對幾何剛度的影響，但索單元不能承壓。用梁單元模擬橫梁、扶手立柱、門架、橋塔等等。分析時假定：1) 篩網(wǎng)的剛度很小，忽略篩網(wǎng)對剛度的影響; 2) 橋塔的變位對貓道抗風穩(wěn)定性影響很小，可忽略；3) 中跨貓道與邊跨貓道可分別獨立進行分析;.4）風載沿橫橋向作用于貓道（風向角為b=0°），不同高度處風速按前述風剖面計算。貓道結構抗風非線性分析的平衡方程為： 式中 為剛度矩陣； 為廣義風

11、荷載，其與風速、攻角及貓道變位均有關。廣義風荷載包括貓道上的阻力、升力和傾覆力矩，在貓道體軸系下，可表示為 式中 H為貓道高度，B為貓道寬度。穩(wěn)定性分析收儉準則為： 式中： 為給定的小量; 為施加風荷載的節(jié)點數(shù)。.經(jīng)計算可得貓道各截面處在不同風速時的位移。其中橫向位移、豎向位移均以中跨跨中截面為最大，扭轉角則以中跨跨中附近兩橫通道之間的小跨跨中截面扭轉角為最大。 圖4-1 中跨跨中橫向和豎向位移隨風速的變化圖4-2 中跨兩橫通道之間的小跨跨中截面扭轉角隨風速的變化圖4-3 東島側邊跨跨中橫向和豎向位移隨風速的變化圖4-4 東島側邊跨兩橫通道之間的小跨跨中截面扭轉角隨風速的變化圖4-5 西側邊跨

12、跨中橫向和豎向位移隨風速的變化關系圖4-6 西側邊跨兩橫通道之間的小跨跨中截面扭轉角隨風速的變化中跨跨中橫向和豎向位移隨風速的變化關系如圖4-1所示，跨中附近兩橫通道之間的小跨跨中截面扭轉角隨風速的變化關系如圖4-2所示。由圖4-2可見，當橋面高度風速達到88m/s時，小跨跨中截面扭轉角急劇增大，表明貓道發(fā)生靜力扭轉失穩(wěn)。因而，該貓道的靜力發(fā)散風速為88m/s。該風速略低于2倍的施工階段設計風速92m/s，因而，中跨貓道的靜力穩(wěn)定性是安全的。東島側邊跨跨中橫向和豎向位移隨風速的變化關系如圖4-3所示，跨中附近兩橫通道之間的小跨跨中截面扭轉角隨風速的變化關系如圖4-4所示。由圖4-4可見，當橋面

13、高度風速達到99m/s時，小跨跨中截面扭轉角急劇增大，表明貓道發(fā)生靜力扭轉失穩(wěn)。因而，該貓道的靜力發(fā)散風速為99m/s。該風速高于2倍的施工階段設計風速92m/s，因而，東島側邊跨貓道的靜力穩(wěn)定性是安全的。西側邊跨跨中橫向和豎向位移隨風速的變化關系如圖4-5所示，跨中附近兩橫通道之間的小跨跨中截面扭轉角隨風速的變化關系如圖4-6所示。由圖4-6可見，當橋面高度風速達到106m/s時，小跨跨中截面扭轉角急劇增大，表明貓道發(fā)生靜力扭轉失穩(wěn)。因而，該貓道的靜力發(fā)散風速為106m/s。該風速高于2倍的施工階段設計風速92m/s，因而，西側邊跨貓道的靜力穩(wěn)定性是安全的。5 貓道結構強度驗算5.1風荷載計

14、算分析計算在設計風速下的風荷載，其計算方法同前。5.2 溫度變化及人行荷載根據(jù)當?shù)貧鉁厍闆r溫度變化按降溫25考慮，人行荷載折算為均布荷載為5kg/m。5.3 強度驗算施工貓道強度較為不利的典型狀態(tài)為：貓道架設階段和牽引索股階段。對于貓道架設階段，貓道承重繩、底網(wǎng)、側網(wǎng)等已架設完畢，但與貓道門架、門架承重繩未完成共同受力。對于牽引索股階段，貓道全部架設完畢，進行架設主纜施工，每條貓道的滾筒上各有一股索股。在兩種狀態(tài)下較為不利的荷載組合應為：組合一：貓道自重+溫度變化+人群荷載組合二：貓道自重+風荷載根據(jù)上述兩不同的荷載組合和不利狀態(tài)，采用ANSYS程序對貓道進行建模及非線性分析計算，可得各狀態(tài)的

15、結構內(nèi)力及位移。 5.3.1貓道架設階段對于該階段，貓道自重包括貓道承重繩、扶手繩、底網(wǎng)、側網(wǎng)、橫梁、立柱、貓道門架、橫通道等。表3給出了貓道架設階段兩種工況下不同荷載組合下各典型截面最大單纜軸力及安全系數(shù)。對于荷載組合一，其貓道自重、溫度變化、人行荷載等對于各承重繩來說都是相同的，因而各承重繩的軸力相差很少；對于荷載組合二，風載沿橫橋向作用于貓道上，各纜受力不同，但軸力最大的纜一般位于各截面處下風側的承重繩處。表3 貓道架設階段不同荷載組合下的計算結果（貓道索最大受力）荷載狀況貓道索類別直徑鋼絲繩索力北邊跨(KN)中跨(KN)南邊跨(KN)組合一貓道承重索40162.9 197.0 194.

16、8 貓道扶手索3262.7 70.1 64.5 門架承重索44128.4 142.3 140.2 組合二貓道承重索40267.7 295.5 273.1 貓道扶手索3295.3 105.7 97.1 門架承重索44187.9 194.6 188.5 5.3.2牽引索股階段對于該階段，貓道自重包括貓道承重繩、門架承重繩、扶手繩、底網(wǎng)、側網(wǎng)、橫梁、立柱、橫通道、門架、一股索股、滾筒等。對計算模型進行加載，啟動程序進行演算，利用ANSYS的后處理程序可得到貓道模型各單元的內(nèi)力和各節(jié)點位移。計算表明，在荷載組合二作用下貓道的最大橫向位移位于中跨跨中截面，最大橫向位移值為3.13m。表4分別給出了牽引索股階段兩種工況下不同荷載組合下各典型截面最大單纜軸力及安全系數(shù)。對于荷載組合一，其貓道自重、溫度變化、人行荷載、架設荷載等對于各承重繩來說都是相同的，因而各承重繩的軸力相差很少；對于荷載組合二，風載沿橫橋向作用于貓道、門架、上承重繩等，各纜受力不同，但軸力最大的纜一般位于各截面處下風側的承重繩處。表4 貓道架設階段不同荷載組合下的計算結果（貓道