羊毛坪大桥缆索吊装计算书.doc

2 羊毛坪缆索吊装计算书2.1 主索系统计算（单组主索639钢丝绳，索跨157.8m,吊重25t）羊毛坪大桥安装上、下游两套缆索吊装系统，其结构形式和受力特征基本一致，本文以下游主索系统为例进行单个缆索吊结构分析计算。2.1.1 主索计算1、结构参数表2-1 主索系统材料参数表 备注：钢绳理论破断拉力=公称抗拉强度钢丝总断面积，钢绳破断拉力=钢绳理论破断拉力换算系数，型号637+1和661+1的钢丝绳换算系数为0.82。2、主索荷载（1）均布荷载G（钢丝绳组自重）表2-2 钢丝绳自重计算表 （2）集中荷载Q 跑车重 Q1=20.5=1t 吊点重 Q2=21.5=3t 起重索自重(走“6”线布置) Q3=26501.327/1000=0.796t 考虑计算吊重Q4=25t（试吊时按1.2倍吊重30t进行）作用于一组主索上的集中荷载： 最大荷载Qmax=Q1+Q2+Q3+1.2P4=1+3+0.796+30=34.796t =341KN架空荷载Q0=Q1+Q2+Q3=1+3+0.796=4.796t =47KN3、最大吊装重量时主索的最大垂度和最大张力（1）最大垂度 在缆索吊装过程中，主索的线形和张力是相互影响的，它们需要采用循环迭代方法来求解。但本次缆索吊装系统的验算，由于塔架顶高程和拱肋的最高高程已基本确定，因此主索的最大容许垂度即可确定： 主索的最大容许垂度f24.72-2-2-1.5-2.5-115.72m，因此缆索吊装方案中将主索最大垂度设计为15mf15.72m，能满足吊装高程的要求。（2）主索最大张力和强度验算设跨中产生最大垂度fmax=15m。 图2-1 主索计算简图Hmax=894KN式中 s两吊点之间的间距，s13m。主索的最大拉力位于左岸塔顶，对应主索垂直分力。左岸：V=+Htg=235KN右岸：V左=160KN主索的最大拉力：Tmax=924KN对应右岸最大拉力：T=908KN主索极限拉断力：Tn =7876=4722 KN不考虑冲击系数，主索的安全系数：，K3.5满足规范要求。4、索接触应力和主索拉应力的验算（1）主索接触应力验算主索最大接触应力：式中 Dmin平滚最小直径，其值为0.4m F主索（639）钢丝绳总截面积，F=6564.63=3388mm2 d主索39钢丝绳钢丝直径 Ek主索弹性模量。主索接触应力安全系数：，满足规范要求。（2）主索拉应力验算主索最大主拉应力：主索主拉应力安全系数：，满足规范要求。5、架设空缆时的初始张力和垂度根据上述最大吊装重量下的主索的线形和张力，可以逆向求出架空缆时的初始张力和空载（安装）垂度。（1）空缆架设时的主索初始张力空缆架设时的主索初始张力的水平分力H0的计算公式为： 将此式简化为式中 钢丝绳的换算弹性模量，考虑到主索两端锚固端长度较长，为钢丝绳的弹性模量，因此；F所有钢丝绳的面积F=6564.63=3388mm2；Q吊装时总荷载Q341KN；Q0跑车空载时的重量P047KN；G主索（包括起重绳和牵引绳）自重G50.548KN；Hm主索最大水平分力Hm=924KN。因此，A1622KNB84743913KN3由此可以求得H0215KN（2）初始安装时的跨中垂度由H0215KN进而可以求得主缆初始安装时的跨中垂度:6、两岸近塔点起吊计算（1）右岸第一段与主塔太近，距右岸主塔架15m处为系统最近吊点，同时也是跑车最大升角位置。计算在右岸塔架前15m起吊最大拱肋时的主索张力及升角。计算方法上述一样，计算公式为： 上式简化为Qx=Q=341KN ；x=15m带入式中，求得A=1622 KN； B701419795KN3 ,由此可以求得Hx=566KN。对应主索的垂直分力右岸：V右=312KN左岸：V左=83KN主索的最大拉力：Tmax=646KN相应的主索升角计算公式为： （2）左岸距塔架22位置为拱肋起吊点，依照上述方法计算结果如下：左岸：Hx=654KN；V左=348KN；f=10.7m；T=741KN。右岸：Hx=654KN；V右=47KN。2.1.2 起重索计算1、起重索绕过卷扬机端的张力由于对于单个缆索是采用两点吊装，其卷扬机端张力的计算公式为：=37.4KN式中 Q起最大起吊荷载=（3+0.796+30）9.8=331.2KN；跑车中起重索采用钢丝绳走“6”布置，即有效绳数为n=6，滑轮组轮数m=5，转向滑轮数=2；滑轮组效率，取0.98；转向滑轮效率，取0.96。2、起重索安全系数（1）主拉应力安全系数：，满足规范要求。（2）起重索的接触应力 式中 D滑轮最小直径，取大于12倍钢丝绳直径，250mm； F起起重索截面积； 起重索钢丝直径。接触应力的安全系数：，满足规范要求。2.1.3 牵引索计算1、牵引索牵引阻力计算（1）跑车运行阻力W1式中 1钢丝绳与跑车德运动阻力系数，滑车为球轴承时1=0.008。（2）起重索运行阻力W2式中 起重索穿过滑车的效率，滑车为球轴承时=0.98；m起重索穿过跑车和滑车的数量,m=3+4=7（3）后牵引索的自然张力W3式中 g牵为牵引索单位长重量； f后牵引索的自然垂度，控制在15m左右。（4）牵引索总牵引阻力W2、牵引索安全系数计算（1）牵引索的最大拉力式中 牵引索穿过滑车的效率，滑车为球轴承时=0.98； n牵引索穿过滑车的数量。拉应力安全系数：，满足规范要求。（2）牵引索的接触应力式中 D滑轮最小直径，取大于12倍钢丝绳直径，250mm； F牵牵引索截面积； 牵引索钢丝直径。牵引索接触应力的安全系数：，满足规范要求。2.1.4 主索对主塔作用力主索在主塔产生的水平力公式（向跨中为正）：H=主索在主塔产生的下压力公式（向下为正）：V=式中 V主主索靠跨中竖向作用力； H主主索靠跨中水平作用力； 边跨主索与主塔的夹角。计算结果如下：表2-3 主索对主塔作用力计算表2.2 扣索系统计算单肋分5段吊装悬拼，由于节段不多，扣索张力可采用静力平衡法计算。节段架设期间的联结视为铰接，考虑施工人员和其他小型机具等，在个节段骨架自重基础上再加20KN施工荷载，第3段（和龙段）吊装时，按自重的25%作用在第2段端头上。2.2.1 结构参数 图2-2 扣索计算简图表2-4 节段参数表 备注：3#横撑在拱肋和龙后吊装，不计入计算荷载内。2.2.2 扣索索力计算1、吊装左一段计算左1扣索V2=0,H2=0 2、吊装第二段（1）计算左二扣索V3=0,H3=0（2）计算左1扣索式中 T1、T2左1、左2扣索索力 W1、W2、Wh1左一节段、左二节段、横撑的重量； H2、V22号节点的水平反力和竖直反力，H3、V3等以此类推； L11、l12左一节段的水平长度，l21、l22等以此类推； H11、H12左一节段的水平长度，H21、H22等以此类推。3、其余扣索索力根据上述方法依次计算所得，各扣索安全系数均2，满足规范要求。表2-5 扣索索力计算表表2-6 扣索安全系数计算表 4、扣索对扣塔的作用力扣索在扣塔产生的水平力公式（向跨中为正）：H=Tsin- Tsin扣索在扣塔产生的下压力公式（向下为正）：V=Tcos+ Tcos式中 T扣索索力； ，扣索与扣塔的夹角。计算结果如下：表2-7 扣索对扣塔作用力计算表2.3 主、扣塔计算2.2.1 主塔1、荷载全桥共设4个主塔，单个主塔由6片贝雷片组成，荷载主要由5部分组成。（1）主索作用力主索作用力分为纵向作用力和横向作用力，横向作用力是因为主索地锚与主缆索吊中心线存在夹角而产生纵向作用力：；式中 构件吊装动力系数，取1.2； ，表2-3计算结果。横向作用力：H横=式中 T主索最大张力；，地锚和主索中心线夹角，=3.722。（2）起重索和牵引索作用力起重索和牵引索的最大张力T起=37.4KN，T起=92.8KN。起重索和牵引索的夹角与主索基本保持一致。T=T起+T起=37.4+92.8=130KNH2=Tsin- Tsin（向跨中为正）V2=Tcos+ Tcos（向下为正）：式中 边跨缆索与主塔夹角，左岸=28.055, 右岸=28.843 中跨缆索与主塔夹角，左岸=63.199, 右岸=60.1（3）风缆作用力风缆张力分为初张力和平衡张力，平衡张力是风缆平衡塔架水平力产生的张力，合力为竖向力，见表2-10。（4）风载（计算过程参照公路桥涵设计规范）横向风载：左岸：=11.31.30.478=53KN右岸：=49KN式中 K0设计风速频率换算系数，取1；K1风载阻力系数，取1.3；K3地形、地理条件系数，取1.3；Wd基准风压，取0.4KN/m2A横向迎风面积，左岸：A=40%541.5+50%61750.039+125=78m2；右岸：A=72m2。纵向风载：左岸：0.71.31.30.4（40%542.35）=24KN右岸：20KN式中 纵向折减系数，取0.7（5）自重塔架：塔顶按40KN，塔身按7KN/m计算。边跨主索：左岸686.375.308/100=27KN 右岸696.65.308/100=30.77KN表2-8 主塔荷载表2、承载力计算 （1）抗压强度验算右岸塔架受竖向压力最大，P=1797.11KN截面强度=200Mpa式中 F16贝雷片净截面积，F=625.482=305.76cm2； 16锰钢容许压应力。 塔架抗压强度满足使用要求。（2）塔架竖向稳定性左岸塔架高度大，稳定性比右岸塔架查。单片贝雷架竖向力P1=320.13KN（受力不均匀系数0.9）单片贝雷架惯性矩I0=250500cm4 回旋半经cm 长细比=89.87 =200Mpa式中 轴向受压构件纵向绕曲折减系数，查得=0.62；F0单个贝雷片立杆截面积，F0=225.48=50.96cm2。塔架稳定性满足使用要求。2.2.2 扣塔1、荷载全桥共设4个扣塔，单个扣塔2个1m1m钢构塔组成,所受荷载由4部分组成。（1）扣索作用力见表2-7。（2）扣塔风缆作用力单个扣塔设4组风缆索，平均初张力为10KN，其张力竖向合力=78KN（3）风载横向风载：=11.31.30.412.75=8.62KN式中 K0设计风速频率换算系数，取1；K1风载阻力系数，取1.3；K3地形、地理条件系数，取1.3；Wd基准风压，取0.4KN/m2A横向迎风面积，左岸：A=40%271+50%1000.039=12.75m2。纵向风载：0.71.31.30.4（40%272）=10KN式中 纵向折减系数，取0.7（4）自重塔架自重G=(2(31.329+0.6)+1) 9.8=99.7KN扣索自重G=16KN表2-9 扣塔荷载表2、承载力计算 （1）抗压强度验算左岸塔架受竖向压力最大，P=619.14KN截面强度=200Mpa式中 F立杆（L10010010）净截面积，F=819.3=154.4cm2； 16锰钢容许压应力。 塔架抗压强度满足使用要求。（2）塔架竖向整体稳定性左岸塔架高度大，稳定性比右岸塔架查。单个1m1m标准塔竖向力P1=344KN（受力不均匀系数0.9）图2-7 扣塔截面I=4(179+47.21219.3)=172778cm4式中 a1立杆形心到截面形心的距离； A1立杆（L10010010）截面积； I1立杆（L10010010）形心惯性积。截面回旋半径r=47.3cm截面长细比=57换算长细比=59式中 F立立杆毛截面积取1010=100cm2； F斜斜杠截面积，L70708取10.7cm2。 =200Mpa式中 轴向受压构件纵向绕曲折减系数，查得=0.766；塔架整体稳定性满足使用要求。（2）塔架立杆稳定性单个立杆（L10010010）竖向力P1=96.74KN（受力不均匀系数0.8）查的截面形心惯性矩I=179cm4，回旋半径r=3.05cm截面长细比=29.5 =200Mpa式中 轴向受压构件纵向绕曲折减系数，查得=0.9；塔架立杆稳定性满足使用要求。2.4 风缆计算1、主塔架风缆每一主塔架设6束风缆，其中1、2、3、4号缆索控制纵向位移，5、6号缆索控制横向位移。（1）塔架最小位移系数K=式中 Ek风缆索弹性模量； F单束风缆索截面积； L风缆索水平跨度； 风缆索与地面竖直角。塔架最小位移式中 QH塔架转换水平力,见表2-8； 风缆索与塔架移动方向的夹角。计算得左岸纵向=0.3231；横向=0.3507，均=3.6 右岸纵向=0.2991；横向=0.3， 均=3（2）安装张力参数A= 式中 G风缆索自重；缆索平衡方程式中 H0风缆索初始张力； Hx塔架位移后风缆索的张力。通过架设H0反复迭代计算Hx。 表2-10 主塔风缆计算表2.5 地锚计算左岸主索和扣索分别采用卧式地龙地锚、右岸主索和扣索地锚采用一个桩式地锚。2.5.1 荷载（以下游为例）地锚分力H= ；V=表2-11 地锚荷载表2.5.2 右岸主、扣索地锚采用桩式地锚，截面尺寸为1.3m1.5m，下部入土深8m，上部出土长1.5m，且背向塔架弯曲，桩底部做适量扩容。桩基前部设置抗推力前墙，尺寸为5m2.5 m1 m。1、抗拔承载力K1=(G+T)/V=(514+2553.6)/1186.3=2.592式中 G桩自重，G=9.51.31.5+(21.5+21.7) 0.550.2+0.50.720.81.3+0.920.81.3=514KN T桩身摩擦力，土层为卵石土，查的极限摩阻力=160KPa ，T=0.3（21.3+21.5）9.5160=2553.6KN 桩基抗拔承载力满足使用要求。2、水平承载力K2=（h1L1+h2L2）/H=0.3(2.55+81.3) 600/2404.53=1.711.5式中 h1，L1前墙计算宽度和高度，取2.5m和5m； H2，L2桩基计算宽度和高度，H2取8m，L2取1.3m； 压力不均匀系数，取0.3； 土体容许承载力，按中密卵石土，查得=600KPa。3、抗倾覆稳定性根据中长桩水平荷载内力特点，对桩前距桩底4m处求矩。K3=1.841.5式中 M1桩身土抗力弯矩，M1=0.5441.3600=6240KN.mM2前墙抵抗弯矩，M2=0.52.556004.5=16875KN.mM3自重弯矩，M3=5141.5/2=385.5.mM4水平荷载弯矩，M4=2404.534.4=10579.9KN.mM5竖向荷载弯矩，M5=1186.311.86=2206.5 KN.m抗倾覆稳定性满足使用要求。4、桩基内力验算为便于捆绑钢丝绳，桩出土部分截面设计成椭圆形。桩基混凝土设计为C30，设计抗压强度fcd=13.8MPa, 设计抗拉强度ftd=1.39MPa，弹性模量Ec=3.0104MPa，受压高度界限系数b=0.56，主筋采用HRB335国标，设计强度fsd=280 MPa，箍筋采用R235，fsd=195 MPa。1、桩身最大弯矩和位置采用m法计算桩身最大弯矩和位置。桩顶荷载N0=1186.3KN，H0=2404.53-1000=1404.53KN，M0=2404.530.4+1186.31.11=2278.6KN.m计算宽度b0=1.3+1=2.3m查得m=100MN/m4桩的水