貓道設(shè)計計算書

PAGEPAGE1xxxx工程大橋工程貓道設(shè)計計算書

計算基本資料1.1結(jié)構(gòu)概況懸索橋施工貓道是架設(shè)在主纜之下、平行于主纜線形布置、讓施工人員進行施工作業(yè)的高空腳手架，是主纜系統(tǒng)乃至懸索橋整個上部結(jié)構(gòu)的施工平臺，擔負著索股牽引、調(diào)索、整形入鞍、緊纜、索夾及吊索安裝、箱梁吊裝及工地連接、主纜纏絲、防護涂裝等重要任務。其結(jié)構(gòu)構(gòu)成主要由貓道承重索、貓道面層、欄桿及扶手索、抗風系統(tǒng)、門架系統(tǒng)、橫向天橋及各錨固連接等系統(tǒng)構(gòu)成。xx工程大橋主橋橋型采用雙塔單跨鋼箱梁懸索橋方案（176m+600m+140m），南北側(cè)主塔高分別為112.667m、106.087m。矢跨比為11/100，主纜橫向布置2根，主纜橫橋向中心間距為26.7m，主纜施工貓道采用分段式貓道，邊跨貓道面距主纜軸線約1.7m，中跨貓道面距主纜軸線約1.6m，貓道寬度為4.0m。每條貓道承重結(jié)構(gòu)由6根φ48承重索、兩根φ28門架支撐索及兩根φ20扶手索組成，承重索與門架支撐索通過貓道門架連接形成空間結(jié)構(gòu)，為減少貓道結(jié)構(gòu)重量及方便施工，所設(shè)計的貓道無抗風索系統(tǒng)。貓道結(jié)構(gòu)布置圖見下圖：1.2貓道計算荷載貓道荷載包括恒載、活載及風力、溫度等附加荷載。貓道計算恒載包括承重索、面層荷載、索股滾輪支架、門架及橫向通道等。其中橫向通道與門架以集中荷載計，其余為均布荷載。貓道活載包括主纜索股、牽引繩及施工人員重，最終簡化為均布荷載計算。1.2.1恒載Ⅰ：貓道承重索、門架索及扶手索自重查得：單根φ48鋼絲繩自重為0.094KN/m（截面積），單根φ28鋼絲繩自重為0.032KN/m（截面積），單根φ20鋼絲繩自重為0.016KN/m（截面積）。彈性模量均取為Ⅱ：貓道面層荷載面層含貓道面鋼絲網(wǎng)、橫木、欄桿、導向輪支架、施工人員及電纜燈具等，其荷載分別計算如下（面層荷載按每米計，作用于承重索上）：承重網(wǎng)（4m寬）：；走行網(wǎng)（2.2m寬）：欄桿網(wǎng)（2.3m寬）：；橫木()：欄桿及導向輪支架（間隔4m）：上述荷載共計：917N/mⅠ：貓道承重索、門架索及扶手索自重Ⅳ：貓道門架（含門架滑車）及橫向天橋結(jié)構(gòu)荷載單個門架自重19.07KN，單個橫向天橋結(jié)構(gòu)自重為38.79KN。豎向荷載均作用于承重索上面，模型中索單元長度均為1米左右，則索單元節(jié)點荷載(除索單元自重外),門架處節(jié)點荷載，橫向天橋處節(jié)點荷載1.2.2活載I：主纜絲股重量牽引系統(tǒng)按小循環(huán)進行設(shè)計，每條貓道按放置一根絲股來計算荷載，荷載集度按146N/m計。II:主纜牽引索股,采用φ28鋼絲繩：27.7N/mIII:施工人員及電纜燈具等：60N/m1.2.3附加荷載I：風荷載橋位處離地面10m高處百年一遇10min平均最大風速27.5m/s。橋位處的地面粗糙類別按照D類考慮。橋面基準高度=橋面標高-常水位=223.507-177.85=45.657m貓道基準平均高度=貓道平均標高=貓道基準高度處的設(shè)計基準風速為m/s施工階段的設(shè)計風速為m/s貓道的設(shè)計基本風速為m/s靜陣風風速為m/s貓道的阻力系數(shù)，取為0.7懸索橋貓道上單位長度上的靜風荷載為:N/mII溫度荷載按降溫15℃考慮。鋼絲繩的線膨脹系數(shù)設(shè)為1.2e-5。1.3貓道計算荷載組合貓道計算荷載組合見下表荷載組合安全系數(shù)靜力結(jié)構(gòu)強度驗算恒載≥3.5恒載+活載≥3恒載+活載+溫度荷載≥3降溫15℃考慮風荷載組合結(jié)構(gòu)強度驗算恒載+活載+施工階段風荷載組合≥3按6級風荷載考慮恒載+最大陣風荷載組合≥2.52.貓道計算由于懸索的柔性大變形特征及對溫度的敏感性，因此懸索結(jié)構(gòu)的分析計算需要較高的精度，主要對算索的無應力長度及空纜時的控制標高、加載后的標高變化進行計算。目前國內(nèi)外應用普遍的懸索結(jié)構(gòu)分析計算方法主要有非線性有限元和解析法兩類。2.1非線性有限元求解貓道Ⅰ：計算假定為簡化建模，不考慮鋼絲網(wǎng)的作用，模型中僅建立承重索、扶手索、門架支撐索、門架結(jié)構(gòu)、橫向天橋結(jié)構(gòu)及扶手欄桿結(jié)構(gòu)。根據(jù)主纜施工組織設(shè)計，貓道結(jié)構(gòu)采用分段式，模型中南側(cè)邊跨貓道跨度為176米，北側(cè)邊跨貓道跨度為140米，中跨貓道跨度600米，貓道索設(shè)計線形以空纜狀態(tài)下的主纜線形為基準，取南側(cè)邊跨貓道跨中下?lián)?.501m，中跨下?lián)?0.822m，北側(cè)貓道跨下?lián)?.392m進行計算分析。模型采用ANSYS有限元程序進行建立，采用只受拉LINK10索單元模擬承重索、扶手索及門架支撐索，采用BEAM4(三維梁單元)模擬承重索橫木、欄桿、門架及橫向天橋結(jié)構(gòu)，貓道計算無應力長度時忽略溫度及風載的作用。模型建立如下：南邊跨貓道模型圖：北邊跨貓道模型圖：中跨貓道模型圖：橫向天橋結(jié)構(gòu)與貓道索連接處細部圖如下：II:貓道結(jié)構(gòu)計算包括以下內(nèi)容：(1)、貓道索的索力計算、承重索的線形、無應力長度（下料長度）及彈性伸長量計算；(2)計算中跨貓道結(jié)構(gòu)的抗風穩(wěn)定性。(3)計算中跨貓道結(jié)構(gòu)的動力特性，即結(jié)構(gòu)自振頻率及部分陣型圖；III:計算基本思路（1）根據(jù)大橋主纜的空纜線形，采用ansys軟件創(chuàng)建貓道模型，并設(shè)置很大的初始應變，根據(jù)主纜的空纜線形來調(diào)整貓道的彈性模量，施加貓道的自重荷載得到貓道的初始線形。（2）找形分析后，恢復貓道實際彈性模量與很小的初始應變，施加貓道全部的豎向荷載，使得在自重作用下該初始線形平行位于主纜空纜線形下方的1.5m處。進行貓道承重索線形及彈性伸長量進行計算。（3）進行貓道靜力結(jié)構(gòu)強度驗算，風荷載組合結(jié)構(gòu)強度驗算。2.1.1南邊跨（176m）貓道結(jié)構(gòu)計算（1）、承重索線形計算貓道索線形圖如下：其中貓道承重索部分節(jié)點的坐標值提取結(jié)果如下：根據(jù)節(jié)點坐標值，承重索線形示意如下：注：上圖中a、b、c點分別對應模型中的40#，90#，130#節(jié)點。承重索跨中點的撓度，設(shè)計撓度為5.501m，與設(shè)計值相差1mm。（2）、承重索無應力長度及彈性伸長量計算承重索的彈性伸長量及承重索總長度計算結(jié)果如下（單位m）：則承重索無應力長度（下料長度）。（3）貓道靜力結(jié)構(gòu)強度驗算荷載組合一：恒載承重索支點反力值如下：單根φ48鋼絲繩（承重索）水平反力為189.65KN，豎向反力為111.22KN,經(jīng)計算其索力為219.86KN，承重索安全系數(shù)，滿足要求。荷載組合二：恒載+活載承重索支點反力值如下：單根φ48鋼絲繩（承重索）水平反力為205.40KN，豎向反力為121.47KN,經(jīng)計算其索力為238.63KN，承重索安全系數(shù)，滿足要求。荷載組合三：恒載+活載+溫度荷載（降溫15℃）貓道索支點反力值如下：單根φ48鋼絲繩（承重索）水平反力為210.68KN，豎向反力為123.85KN,經(jīng)計算其索力為244.39KN，承重索安全系數(shù)，滿足要求。（4）貓道風荷載組合結(jié)構(gòu)強度驗算荷載組合一：恒載+活載+施工階段風荷載（6級風荷載）承重索支點反力值如下：單根φ48鋼絲繩（承重索）縱向水平反力為206.64KN，豎向反力為122.24KN,橫向水平反力為1.39KN,經(jīng)計算其索力為240.08KN，承重索安全系數(shù)，滿足要求。荷載組合二：恒載+最大陣風荷載承重索支點反力值如下：單根φ48鋼絲繩（承重索）縱向水平反力為221.10KN，豎向反力為128.04KN,橫向水平反力為13.540KN,經(jīng)計算其索力為255.86KN，承重索安全系數(shù)，滿足要求2.1.2北邊跨（140m）貓道結(jié)構(gòu)計算（1）、承重索線形計算貓道索線形圖如下：其中貓道承重索部分節(jié)點的坐標值提取結(jié)果如下：根據(jù)節(jié)點坐標值，承重索線形示意如下：注：上圖中a點、b點和c點分別對應模型中20#、72#和122#節(jié)點。承重索跨中點的撓度設(shè)計撓度值為3.392m，差0.037m。（2）、承重索無應力長度及彈性伸長量計算承重索的彈性伸長量及承重索總長度計算結(jié)果如下（單位m）：則承重索無應力長度（下料長度）（3）貓道靜力結(jié)構(gòu)強度驗算荷載組合一：恒載承重索支點反力值如下：單根φ48鋼絲繩（承重索）水平反力為191.18KN，豎向反力為119.66KN,經(jīng)計算其索力為225.54KN，承重索安全系數(shù)，滿足要求。荷載組合二：恒載+活載各貓道索支點反力值如下：單根φ48鋼絲繩（承重索）水平反力為178.45KN，豎向反力為110.80KN,經(jīng)計算其索力為210.05KN，承重索安全系數(shù)，滿足要求。荷載組合三：恒載+活載+溫度荷載（降溫15℃）承重索支點反力值如下：單根φ48鋼絲繩（承重索）水平反力為197.60KN，豎向反力為122.91KN,經(jīng)計算其索力為232.71KN，承重索安全系數(shù)，滿足要求。（4）貓道風荷載組合結(jié)構(gòu)強度驗算荷載組合一：恒載+活載+施工階段風荷載（6級風荷載）承重索支點反力值如下：單根φ48鋼絲繩（承重索）縱向水平反力為192.15KN，豎向反力為120.30KN,橫向水平反力為1.11KN.經(jīng)計算其索力為251.90KN，承重索安全系數(shù)，滿足要求。荷載組合二：恒載+最大陣風荷載承重索支點反力值如下：單根φ48鋼絲繩（承重索）縱向水平反力為203.20KN，豎向反力為125.12KN,橫向水平反力為10.70KN.經(jīng)計算其索力為238.87KN，承重索安全系數(shù)，滿足要求。2.1.3中跨貓道計算（1）、承重索線形計算貓道索線形圖如下：其中貓道承重索部分節(jié)點的坐標值提取結(jié)果如下：根據(jù)節(jié)點坐標值，承重索線形示意如下：注：上圖中a點、b點及c點分別對應模型中177#節(jié)點、302#節(jié)點及425#節(jié)點此時承重索跨中點的撓度f=58.684+2.138=60.822m，與設(shè)計撓度值相等。（2）、承重索無應力長度及彈性伸長量計算承重索的彈性伸長量及承重索總長度計算結(jié)果如下（單位m）：則承重索無應力長度（下料長度）（3）貓道靜力結(jié)構(gòu)強度驗算荷載組合一：恒載承重索支點反力值如下：單根φ48鋼絲繩（承重索）水平反力為208.49KN，豎向反力為83.48KN,經(jīng)計算其索力為224.58KN，承重索安全系數(shù)，滿足要求。荷載組合二：恒載+活載承重索支點反力值如下：單根φ48鋼絲繩（承重索）水平反力為232.39KN，豎向反力為93.59KN,經(jīng)計算其索力為250.53KN，承重索安全系數(shù)，滿足要求。荷載組合三：恒載+活載+溫度荷載（降溫15℃）承重索支點反力值如下：單根φ48鋼絲繩（承重索）水平反力為233.96KN，豎向反力為93.95KN,經(jīng)計算其索力為252.12KN，承重索安全系數(shù)，滿足要求。（4）貓道風荷載組合結(jié)構(gòu)強度驗算荷載組合一：恒載+活載+施工階段風荷載（6級風荷載）承重索支點反力值如下：單根φ48鋼絲繩（承重索）縱向水平反力為232.73N，豎向反力為93.68KN,橫向水平反力為16.64KN,經(jīng)計算其索力為251.43KN，承重索安全系數(shù)，滿足要求。荷載組合二：恒載+最大陣風荷載承重索支點反力值如下單根φ48鋼絲繩（承重索）縱向水平反力為265.55KN，豎向反力為96.53KN,橫向水平反力為48.35KN,經(jīng)計算其索力為286.66KN，承重索安全系數(shù)，滿足要求。2.1.4中跨貓道抗風穩(wěn)定性計算荷載考慮貓道豎向荷載及橫向風荷載的共同作用，其中橫向風荷載施加在貓道承重索上面，荷載加載示意圖如下：參考陽邏長江大橋風洞試驗數(shù)據(jù),取00風攻角時的三分力值進行計算。豎向荷載包括索自重、貓道面層荷載、門架自重及橫向天橋結(jié)構(gòu)自重。模型中橫向靜陣風風速按逐步遞增，直至風速加載為90m/s為止，對貓道結(jié)構(gòu)進行幾何非線性計算分析及抗風穩(wěn)定性分析，此處僅列出計算結(jié)果：當陣風風速時，貓道結(jié)構(gòu)橫橋向位移等值線如下圖:貓道橫橋向最大位移發(fā)生在跨中位置，橫向位移為36.28m。從上圖可以看出，貓道橫截面扭轉(zhuǎn)變形比較小，約為6度左右。當陣風風速Vg=90m/s時，貓道結(jié)構(gòu)橫橋向位移等值線圖如下:貓道橫橋向最大位移發(fā)生在跨中位置，橫向位移為61.30m。A處截面B處截面A處截面B處截面從上圖可以看出，貓道橫截面扭轉(zhuǎn)變形增加，最大約為13度左右。5.1.2荷載～位移曲線為進一步反映出貓道結(jié)構(gòu)的變形隨風荷載的變化關(guān)系，此處選取上述A、B兩處截面，并繪制其荷載～位移曲線。A處截面（跨中截面）橫橋向位移值隨風荷載的變化關(guān)系圖：圖中橫坐標“TIME”表示靜陣風風速大小，單位m/s；縱坐標“VALU”表示橫橋向位移值，單位m。A、B處截面扭轉(zhuǎn)變形隨風荷載的變化關(guān)系圖：2.1.5中跨貓道結(jié)構(gòu)動力特性計算對中跨貓道結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析時考慮大變形及預應力的影響，即考慮索初始軸力對貓道結(jié)構(gòu)應力剛度的貢獻（應力剛化效應），鋼絲網(wǎng)、扶手繩、防滑木條、索股滾筒等僅考慮其對貓道重力剛度的影響，將其質(zhì)量附加在承重繩上，用梁單元模擬門架及橫向通道結(jié)構(gòu)，在保證對貓道整體質(zhì)量和剛度的貢獻與實際結(jié)構(gòu)一致的前提下進行計算。模態(tài)計算時，由于考慮幾何非線性的影響，故先對結(jié)構(gòu)進行靜力分析，然后再進行模態(tài)分析。這里僅列出模態(tài)分析的結(jié)果：貓道結(jié)構(gòu)前十階自振頻率計算結(jié)果如下：（單位HZ）前5階陣型圖如下：第1階陣型圖（1階對稱側(cè)向振動）第2階陣型圖（1階反對稱豎向動）第3階陣型圖（1階側(cè)向扭轉(zhuǎn)振動）第4階陣型圖（1階豎向扭轉(zhuǎn)振動）第5階陣型圖（2階對稱豎向振動）2.2解析法計算貓道2.2.1基本假定為建立懸索橋貓道的計算方法，通常作以下假定：（1）懸索橋的主纜一般由鋼絲集束而成，相對抗彎剛度很小，可作為完全柔性索來處理，既不能受彎也不能受壓。索曲線有彎折的地方，只要轉(zhuǎn)折的曲率半徑足夠大，局部彎曲也可不計；（2）懸索橋主纜橫截面積在外荷載作用下變化量十分微小，忽略這種變化的影響；（3）索的材料符合胡克定律。在正常適用范圍內(nèi)，應力與應變呈線性關(guān)系。1.2懸鏈線理論懸索橋在成橋狀態(tài)，主纜和加勁梁構(gòu)成組合體系，共同受力。主纜所受荷載為沿弧長均勻分布的主纜自重（包括纏絲和防護）及通過吊索傳遞的集中荷載（加勁梁、索夾、吊索及錨頭自重和二期恒載），因此懸索橋的受力圖示通常簡化為承受沿弧長均布荷載加吊索處作用有集中力的柔性索。圖1懸鏈線性計算示意懸索在自重作用下實際是受沿索長度分布的均布荷載，見圖一，據(jù)圖有得將上式帶入，得積分求解并根據(jù)邊界條件可知此為懸鏈線方程式中，貓道索長為主纜自重下的彈性變形令無應力索長圖二為索的受力圖，直接求解比較困難，可以吊點間的某一微段為研究對象。在每個集中力作用點（即橫向天橋位置）處建立局部坐標系，每兩個集中力作用點間的索段滿足懸鏈線方程。解析計算法的優(yōu)點是由于采用了解析表達式，用數(shù)值