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公路
桥面
宽度
26
- 资源描述：
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公路—I级桥面宽度26,公路,桥面,宽度,26
- 内容简介：
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重庆交通大学毕业设计（论文） - 14 - 第 4 章 结构整体分析 算原则 斜拉桥的结构分析计算，根据跨度的大小采用两种不同的理论。对于特大跨径的斜拉桥，为消除斜拉索及大变位引起的非线性因素的影响，必须采用有限变形理论； 对于中小跨径的斜拉桥，采用小变形理论即可获得满意的结果。平面 杆系有限元法是计算斜拉桥内力的基础，其基础理论是小变形理论。 在计算斜拉桥的内力及变形时，一般把空间结构简化成平面结构， 但应计算 荷载横向分布 对结构的影响 ，以考虑结构的空间效应 。 而斜拉桥结构较柔，拉索的布置形式，主梁抗扭刚度都有影响，故在 计算荷载横向分布系数时应综合 考虑 。 本设计在计算斜拉索和索塔的内力时，采用刚性横梁法来 考虑 荷载的横向分布 系 数。 斜拉桥的内力及变形分析主要是斜拉索和索塔，所承受的荷载如 因主梁的内力计算涉及 施工阶段、横向扭转弯矩和剪力滞效应等问题，计算比较复杂，故未进行设计。 本斜拉桥内力计算的基本原则是： （ 1）采用小变形理论 按一般的平面杆系有限元法计算内力，不考虑非线性影响； （ 2） 为方便施工，拉索一次张拉至设计值 ； （ 3） 索塔在承台处固结，不考虑桩基础的影响 ； （ 4） 根据结构的对称性， 可 取一半结构进行计算 ； （ 5） 斜拉索的安全系数按不小于 虑 。 本设计采用 件进行结构分析。 本参数 面特性 毛截面几何特性 计算是结构内力 和 挠度计算的前提。毛截面计算 常用的方法有节线法 、分块面积法 和 能等 。 以下是通过 得的 各截面变化处的截面特性 ， 如表 4示 ： 表 4面几何特性 重庆交通大学毕业设计（论文） - 15 - 截面位置 截面积（）抗弯惯矩(形心至上缘距离(m)材料混凝土主梁（标准段） 50 混凝土混凝土主梁（底板厚30c m) 50 混凝土混凝土主梁（底板厚60c m) 50 混凝土混凝土主梁（塔下断面) 50 混凝土主塔（锚索区） 60 混凝土主塔（无索区） 60 混凝土主塔（塔根） 60 混凝土单片主墩 50 混凝土斜拉索 87 1670：混凝土结构计算 弹性模量 按 62范取用； 其 结构容重 凝土为 3m , 凝土为 3m 。 表 4， 主梁的截面几何特性是毛截面特性， 构件的截面性质应根据不同的计算阶段 决定采用换算截面特性还是采用净截面特性；拉索的面积为单根斜拉索的面积。 计荷载 重 （ 1） 一期 自重 主梁混凝土容重为 N/ 3m ，桥塔为 N/ 3m ，横梁自重按均布荷载作用在杆件元上。一期 自重 集度为： 1q =（ 2+2） 50/334 =N/m （ 2）二期 自重 二期 自重 是结构体系完成之后，即中跨合龙形成五跨斜拉桥体系后所作用上去的恒载，防水混凝土铺装和防撞护栏按均布荷载作用在杆件元上。其中： 桥面铺装 ：（ 23=N/m 防撞护栏： N/m 合计： 2q =N/m 车荷载 （ 1）设计荷载 重庆交通大学毕业设计（论文） - 16 - 公路 I 级车道荷载的均布荷载标准值为N/m；集中荷载标准值60 若 计 算剪力 效应时 ，集中 荷载 标准值6032 （ 2） 横向折减系数 本斜拉桥 横向布置设计车道数为 6，取横向折减系数 （ 3）纵向折减系数 本桥主跨的计算跨径 338m，取纵向折减系数 （ 4）冲击系数 双塔斜拉桥（有辅助墩）的竖向弯曲基频： 501 式中 1f 竖向弯曲基频（ ； l 斜拉桥主跨跨径（ m） 。 l =338m， 1f = 1f ， = （ 5）横向分布系数 公路斜拉桥设计规范对荷载横向分布系数的计算方法没有明确规定， 经作者反复考虑比较，认为 用简化的平面结构计算斜拉桥的内力时，采用考虑主梁抗扭刚度的刚性横梁法来求荷载的横向分布 系 数 是合理的 。 这种方法适用于有可靠横向联结且桥的宽跨比小于 窄桥。刚性横梁法的计算原理可参照有关资料。 考虑本桥是单索面斜拉桥， 横向刚度较大， 斜拉索锚固在主梁的扭转中心 上，在计算斜拉索的内力时，各偏心车辆荷载在扭转中心所产生的竖向挠度与荷载作用在扭转中心处是等效的，故不需计算横向分布系数。 度作用 均匀温度取 15，梁、塔与斜拉索的温差取 10，主梁的日照温差按桥面板升温 5计。 础变位 主墩沉降 、辅助墩沉降 模分析 构计算简图 图 4该 桥的结构计算离散图， 根据结构对称性，取一半结构进行重庆交通大学毕业设计（论文） - 17 - 分析，边界条件为：桥塔固定于承台顶，主梁与塔 间为固结，边墩与辅助墩处均 设纵向活动支座，结构体系属于刚构体系。 索塔 与拉索的 刚臂 连接简化为鱼骨刺形。 杆件之间的连接分为两种 ： 主梁和桥塔本身各杆件之间为固结，斜拉索与桥塔及主梁之间为铰结。一个标准梁段分为 1 个单元，每根斜拉索为一个单元， 半 桥共划分 107 个节点， 156 个单元，其中主梁单元 60个，索单元 50个，索塔单元 36 个，主墩单元 10个。 详见图纸。 图 4构计算离散图 注 : 图中数字带圆圈者为单元号，无圆圈者为节点号。 力优化前 内力及变形 （ 1）成桥状态结构自重作用下斜拉索的索力 见表 4 表 4拉索的恒载内力 索号 索力 索号 索力 索号 索力 索号 索力 索号 索力107 5674 117 4976 127 3296 137 3438 147 6295108 5732 118 5013 128 3068 138 3767 148 6252109 5789 119 5044 129 2739 139 4021 149 6178110 5842 120 4660 130 2282 140 4843 150 6069111 5892 121 4671 131 1677 141 5018 151 5924112 5175 122 4669 132 0 142 5151 152 6588113 5212 123 4649 133 836 143 5250 153 6333114 5247 124 4009 134 1600 144 5785 154 6029115 5285 125 3939 135 2223 145 5830 155 5672116 5327 126 3827 136 2716 146 5847 156 5256 （ 2） 结构自重作用下， 索塔塔顶 纵桥向 的水平位移为 重庆交通大学毕业设计（论文） - 18 - （ 3）在设计荷载作用下， 索力优化前 索塔控制截面的作用效应组合如表 4 表 4力优化前索塔的作用效应组合 N(相 应） V（相 应） M N(相 应） V（相 应） M N(相 应） V（相 应） 截面2（1 截面3（塔 根)注：表中截面高度从塔根算起，以弯矩作为控制内力。 重庆交通大学毕业设计（论文） - 19 - （ 4）结果分析 由上述结果可看出： 在 结构 自重作用下， 131、 132、 133 号拉索 单元的索力极不合理；索塔两侧拉索的索力 分布很不均衡 ，导致索塔塔顶产生过大的水平位移，并在塔内尤其是塔根产生过大的弯矩。因此，必须对结构自重 引起的 作用效应进行优化，即确定成桥状态的合理索力。 重庆交通大学毕业设计（论文） - 20 - 第 5 章 成桥状态的索力优化 力优化原理 一旦 斜拉桥结构体系被确定，总能找出一组斜拉索力，它能使结构体系在确定性荷载作用下，某种反映受力性能的目标达到最优。这组索力对应得成桥状态就 是该目标下的最优的成桥内力状态。求解这组索力，并在斜拉桥中加以实现，也就实现了斜拉桥的恒载受力优化。所以，在不改变结构参数的前提下，斜拉桥恒载状态的优化，则转化为斜拉索索力的优化问题。 斜拉桥合理成桥状态的确定方法有：刚性支承连续梁法、零位移法、最小弯曲能量法、最小弯矩法和影响矩阵法等。本设计采用影响矩阵法来实现成桥状态的索力优化。 影响矩阵法的原理如下：将结构中关心截面的内力、位移或应力等独立因素所组成的列向量作为受调向量 ，将结构物中可实施调整以改变受调向量的独立元素 斜拉索索力所组成的列向量作为施 调向量 ，通过影响矩阵 A建立受调向量与施调向量之间的关系 A = ，这是一个线性方程组，如受调向量的独立元素个数 m 与施调向量独立元素个数 相同，求解该线性方程组即可得施调向量的调整量。 响矩阵法优化索力 本设计以弯曲能量最小为目标函数进行成桥状态的索力优化。 结构的弯曲应变能可写成： Ss 2 )(2 （ 5 对于离散的杆系结构可写成： )(4 221 （ 5 式中， m 是结构单元总数 (取主梁单元， 故 m=60)，iL、 号单元的杆件长度、材料弹性模量和界面惯性矩（因 加劲梁尚未配筋，此处 的 截面 惯性矩为毛截面惯性矩 ） ；端弯矩。 重庆交通大学毕业设计（论文） - 21 - 将式 （ 5改写成： T （ 5 式中， 别是左、右端弯矩向量， B 为系数矩阵： 0000002211（ 5 式中，（ i 1,2, ,m） 令调索前左、右 端弯矩向量分别为 0 0调索力向量为T ，则调索后弯矩向量为： 5 式中， 别为索力对左、右端弯矩的影响矩阵。 T j= 1图 5构计算简图 注 ：上图为 算影响矩阵的结构 计算 简图。 i =1,2, ,60； j =1,2, ,50） 分别表示断开第 j 根斜拉索并施以单位力时， 分别 在第 i 单元左、右端产生的弯矩。 将式 （ 5代入 式（ 5得： 重庆交通大学毕业设计（论文） - 22 - 00 00 (5要使索力调整后结构应变能最小，令 : 0 i 1,2,3,4 ,60） (5将 式（ 5代入式 （ 5并写成矩阵形式： ( )T 0R 0L（ 5 至此索力优化问题就转化为式 （ 5的线性代数方程求解问题。 本设计用结构自重作用下主梁的弯曲能量作为目标函数进行索力优化。 表 5索前主梁单元左右端的初始弯矩 单元 单元 单元 1 0 1 1156 6173 41 54452 2410 2 5213 42 61513 4915 3 7428 43 62924 5874 4 3086 44 57505 5534 5 2936 45 5536 4164 6 8468 46 71647 2047 2605 27 15420 47 7164 2605 9507 28 45350 48 20654 9507 11833 29 40420 49 35608 11833 9298 30 109130 50 51657 9298 1634 31 109130 414920 51 69761 1634 2 51930 52 89404 813 3 96380 53 110020 285 4 37410 54 130970 2199 5 82600 55 151580 3998 6 41430 56 173410 3876 7 10610 57 195530 2285 8 7553 58 216950 689 9 0438 59 236610 553 0 6697 60 251730 文） - 23 - 注： 表中弯矩以顺时针为正；利用表中值可形成 调索前左、右端弯矩向量分别为 0 0 求解 方程 （ 5的 序如下： i,j,k c :60):L,E,I0 :60,1:50):r :50,1:60):rT :60,1:60):B :50,1:50):AA :60,1:1):R0 :50,1:1): ！ L,E,分 别 表示每 个单 元的杆 长 、 弹 性模量和 惯 性矩 ； ！ 索力 对 左端 弯 矩的影 响 矩 阵 ！ 索力 对 右端 弯 矩的影 响 矩 阵 ！ 分别为 转置矩阵； ！ T=其中 ， 0R 0L； ！ B 系数矩阵 B ； ！ 调索前左、右端弯矩向量分别为 0 0 ！ T 施调索力向量为 T 。 L=0;E=0;B=0; , ,*) (Cl(i,j),j=1,50),i=1,60) ,*) (Cr(i,j),j=1,50),i=1,60) do i=1,60 ,*) L(i),E(i),I0(i) B(i,i)=L(i)/(4*E(i)*I0(i) 庆交通大学毕业设计（论文） - 24 - l) r) AA=),),*) (i,j),j=1,1),i=1,60) ,*) (i,j),j=1,1),i=1,60) (),), , do k=1,49 do i=k+1,50 c=AA(k,i)/AA(k,k) do j=k+1,50 AA(i,j)=AA(i,j)A(k,j) B(i,1)=BB(i,1)B(k,1) B(50,1)=0,1)/0,50) do i=49,1,-1 do j=i+1,50 BB(i,1)=BB(i,1)i,j)*BB(j,1) B(i,1)=BB(i,1)/AA(i,i) =BB ,*) ,*) ,(1x,) (BB(i,j),j=1,1),i=1,50) 通过以上程序 求得 成桥在自重作用下， 使主梁的弯曲能量最小的斜拉索单元的 索力调整量 如下表 5 表 5力调整量 重庆交通大学毕业设计（论文） - 25 - 索号 索力 索号 索力 索号 索力 索号 索力 索号 索力107 603 117 372 127 477 137 413 147 85 118 28 566 138 48 19 168 129 39 49 52110 404 120 190 130 912 140 50 59 121 31 41 51 170112 22 32 2063 142 52 53 123 33 1642 143 53 24 34 1261 144 54 25 35 45 55 618116 26 36 747 146 56 828 优化后的斜拉索索力如下表 5 表 5化后的索力 索号 索力 索号 索力 索号 索力 索号 索力 索号 索力107 3440 117 2860 127 2125 137 3438 147 3054108 3451 118 2775 128 2100 138 3767 148 3125109 3461 119 2690 129 2060 139 4021 149 3141110 3325 120 2520 130 2053 140 4843 150 3071111 3205 121 2499 131 2050 141 5018 151 3132112 3135 122 2407 132 2063 142 5151 152 3198113 3059 123 2324 133 2060 143 5250 153 3314114 3121 124 2242 134 2061 144 5785 154 3450115 3125 125 2169 135 2090 145 5830 155 3454116 3035 126 2135 136 2105 146 5847 156 3456 注：表 5表 5 索力为单根索的索力 ，单位 重庆交通大学毕业设计（论文） - 26 - 索力 优化 后索塔控制截面的作用效应组合 见表 5 表 5力优化后索塔的作用效应组合 N（相应） V（相应） M N（相应） V（相应） M N（相应） V（相应） 截面2（截面3（塔根)注：表中截面高度从塔根算起，以弯矩作为控制内力 ；为方便内力组合，将作用短期、长期效应组合时温度梯度作用的 频遇值系数改为 样做也是偏于安全的。 重庆交通大学毕业设计（论文） - 27 - 由 表 5 内力组合可以看出，索塔是一种压弯构件，首先验算使用 阶段 索塔 控制 截面的应力。根据公路桥涵设计通用规范 （ 60 2004）第 规定：按弹性阶段计算结构 应力 时应采用标准值，即采用内力组合标准值。 应力验算： 截面 3（塔根） 混凝土上下边缘的法向应力 ： 截面 2（ 混凝土上下边缘的法向应力 ： 00 截面 1（ 混凝土上 下边缘的法向应力 ： 00 由以上结果可以看出， 在使用阶段索塔的截面不会出现拉应力，可将索塔作为受压构件进行承载能力极限状态的强度验算，经计算，也是满足强度要求的，为安全起见 和 根据 一般经验， 对索塔沿高度方向可按 普通 钢筋混凝土结构 设计 。 因时间有限，不做此设计。 重庆交通大学毕业设计（论文） - 28 - 第 6 章 拉索设计 载 索力 表 6拉索及恒载索力一览表 拉索编号 拉索型号 面积(径(索理论重量(kg/m)恒载索力(许索力(1 195 107 050 2802195 107 053 2802195 107 060 2802195 107 100 2802195 107 125 2802656 114 135 3111656 114 169 3111656 114 242 3111349 119 324 3573349 119 407 3573349 119 499 3573349 119 520 3573811 124 690 3882811 124 775 3882811 124 860 3882273 131 035 4190273 131 125 4190273 131 121 4190273 131 059 4190273 131 135 4190197 136 205 4807197 136 325 4807197 136 461 4807197 136 451 4807197 136 440 4807195 107 063 2802195 107 060 2802195 107 061 2802195 107 090 2802重庆交通大学毕业设计（论文） - 29 - 拉索编号 拉索型号 面积(径(索理论重量(kg/m)恒载索力(许索力(5 195 107 105 2802656 114 132 3111656 114 187 3111656 114 255 3111349 119 310 3573349 119 394 3573349 119 488 3573349 119 510 3573811 124 683 3882811 124 767 3882811 124 863 3882273 131 054 4190273 131 125 4190273 131 141 4190273 131 071 4190273 131 132 4190197 136 198 4807197 136 314 4807197 136 450 4807197 136 454 4807197 136 456 4807注： （ 1）表中的索力均指拉索中点的拉力数值，且为单根拉索索力值；每一编号的斜拉索全桥总计 4 根。 （ 2）拉索每延米重量未包含外层防护重。 （ 3） 斜拉索采用 7强平行钢丝，b=1670许索力为安全系数 K= 索构造 斜拉索体系 由稀索向密索演变，或采用镀锌高强钢丝平行索，或采用钢绞线斜拉索。本桥为双塔单索面斜拉桥，斜拉索采用扇形布置，在主梁上索距为 塔上的索距为 外侧斜拉索的倾角为 25。为减小斜拉索的风振、雨振，在每根斜拉索上可设减震器。在其下端 围内外重庆交通大学毕业设计（论文） - 30 - 包不锈钢管，以保护斜拉索免受撞击或破坏。 本桥斜拉索采用塑包平行钢丝束，钢丝采用 7锌高强钢丝。钢丝同心绞合，最外层钢丝绞合角为 3 左旋。扭绞后的裸索外加缠包带，带宽 3040层重叠宽度应不小于带宽的 1/2，双层缠包，缠包袋右旋。 斜拉索外面包双层护套，内层为黑色高密度聚乙烯护套，外层为彩色高密度聚乙烯护套。双层护套一 次成型，要求拉索表面光滑平整。成品索由冷铸锚具、斜拉索等组装而成，各部分均应满足相应的规范及技术要求。 斜拉索选用 109、 121、 139、 151、 63、 187 六种类型，相应的锚具分别为 类锚具均采用张拉端锚具，同一规格冷铸锚具的相同部件具有互换性。 斜拉索构造图见图纸， 拉索编号与拉索类型对应关系见表 6索编号见桥型布置图。 表 6斜拉索分类表 拉索类型 6 9 6 9 锚具 丝束）及其锚具 应经过计算得出索力并验算通过后确定 。 构成斜拉索的 7强镀锌钢丝的主要机械性能为： 抗拉强度： 1670服强度： 1410长率：大于 4% 弹性模量： 510 劳应力幅： 360限应力 200 万次脉冲加载 ) 斜拉索在主 梁的横隔板处通过锚固块与主梁联结，这样将锚具藏于主梁内，增加美感。 斜拉索在索塔内采用平面预应力钢束布置锚固形式，以预应力钢束产生的外力，来平衡拉索索力在塔壁内产生的内力。 索下料长度 重庆交通大学毕业设计（论文） - 31 - 根据公路斜拉桥设计规范第 规定：拉索的下料长度是指拉索在设计温度下无应力状态下的下料长度。下料长度的确定首先应计算每根拉索的长度基数0L，再对之进行若干项修正，如初拉力作用下的弹性伸长修正、初拉力作用下的拉索垂度修正、张拉端锚具位置修正、固定端锚具 位置修正。当下料时的温度与设计温度不一致时，还应考虑温度修正值。 拉索在设计温度时的无应力下料长度计算公式（适用于冷铸锚具）为： 20 式中 L 拉索下料长度； 0L 每根拉索的长度基数，是该拉索上下两个索孔出口处在拉索张拉 完成后锚固面的空间距离；可通过对标高和拉索两端点位置的计算求得； 初拉力作用下拉索弹性伸长 修正； 初拉力作用下的拉索垂度修正； 张拉端锚具位置修正；如图 6示。最终位置可设定螺母定位于锚杯的前 1/3 处
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