钢管混凝土系杆拱空间结构计算书

钢管混凝土系杆拱空间结构计算书 一 设计依据 1 交通部部颁 公路工程技术标准 JTG B01 2003 2 交通部部颁 公路桥涵设计通用规范 JTG D60 2004 3 交通部部颁 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTG D62 2004 4 交通部部颁 公路桥涵地基与基础设计规范 JTJ024 85 5 交通部部颁 公路工程抗震设计规范 JTJ004 89 6 交通部部颁 公路桥涵施工技术规范 JTJ041 2000 7 交通部部颁 公路圬工桥涵设计规范 JTG D61 2005 8 中国工程建设标准化协会标准 钢管混凝土结构设计与施工规程 CECS 28 90 9 建设部部颁 钢结构设计规范 GB50017 2003 10 Dr Bridge 系统 V3 1 版 11 Midas Civil 6 7 1 空间有限元分析软件 二 技术指标 1 路线等级 高速公路 按双向 6 车道计算 2 计算行车速度 100 公里 小时 3 半幅桥面宽度 0 5 米 护栏 11 5 米 行车道 0 5 米 护栏 12 50 米 5 设计荷载 公路 级 6 结构重要性系数 1 1 7 桥孔布置 跨径 60 米系杆拱桥 8 桥面采用单向横坡 2 由横梁倾斜形成 9 护栏类别 采用三横梁护栏 护栏底座宽 50 厘米 三 材料参数 1 混凝土 a 系梁采用 C50 混凝土 轴心抗压标准强度 fck 32 4Mpa 抗拉标准强度 ftk 2 65Mpa 弹性模量 Ec 3 45 104Mpa 容重 2 6t m3 b 沥青混凝土铺装 8 厘米 按 9 厘米计入受力 容重 2 3t m3 c 整体化混凝土采用 10 厘米 C50 混凝土 容重 2 6 t m3 2 钢材 a 预应力钢绞线 采用 15 20 级松弛钢绞线束 标准强度 fpk 1860 Mpa 弹性模量 Ep 1 95 105 Mpa 公称面积 140mm2 张拉控制应力 1330Mpa 塑料波纹管摩阻系数 0 17 孔道偏差摩阻系数 k 0 0015 一端锚 具变形 6mm 松弛系数 0 3 低松弛 b 锚具 预应力钢绞线采用 OVM 型锚具或其它成型锚具 c 拉索及锚具 中系梁吊杆采用 OVM PES FD 7 109 成品拉索 边系 梁吊杆采用 OVM PES FD 7 55 成品拉索 外包双层 HDPE 保护套 黑色 彩色 锚具采用与拉索配套的 OVM LZM 系列冷铸墩头锚 抗拉强度标准值 fpk 1670Mpa 抗拉强度设计值 fpd 1140Mpa 抗压强度设计值 fpd 410Mpa 弹性模量 Ep 2 05 105Mpa 钢丝束公称面积 38 48mm2 d 拱肋及主要结构钢材 Q345C 钢 其技术性能符合国家标准 低合金 高强度结构钢 GB T1591 规定 抗拉 压强度设计值 fa 310Mpa 弹性模量 Es 2 06 105Mpa 质量密度 78 5kN m3 线膨胀系数 s 1 2 10 5 3 普通钢筋 采用 HRB335 钢筋 4 伸缩装置 桥台两侧均采用 D80 型伸缩缝装置 缝宽 6cm 5 支座 待计算后确定 四 结构形式及结构尺寸 桥梁结构形式采用下承式钢管混凝土系杆拱桥 计算跨径 60 米 桥梁全长 62 6 米 拱轴线形式采用二次抛物线 矢跨比 f 1 5 设计时采用三拱肋整幅设 计 桥梁结构主要由钢管混凝土拱肋 预应力混凝土系梁 横梁 吊杆 桥面 板及桥面系组成 1 系梁 中系梁采用矩形断面 中系梁跨中尺寸 高 x 宽 1 62mx1 8m 梁端尺寸 高 x 宽 2 35mx2 0m 梁端变化段长度 2 719m 边系梁采用矩形断面 边系梁跨中尺寸 高 x 宽 1 75mx1 0m 梁端尺寸 高 x 宽 2 35mx1 2m 梁端变化段长度 2 533m 2 拱肋 采用钢管混凝土结构 断面采用圆端形 中拱肋 竖向高度 1 55m 横向宽度 1 2m 边拱肋 竖向高度 1 2m 横向宽度 0 9m 钢管由 14mm 厚的 Q345C 钢板卷制焊接管 内灌 C50 微膨 胀混凝土 抗压强度设计值 fcd 23 5Mpa 抗拉强度设计值 ft 2Mpa Ec 3 45 104Mpa 形成钢管混凝土结构 3 横梁 横梁为预应力混凝土结构 端横梁高 1 54m 宽 1 99m 其中悬臂 长 0 34m 悬臂端部高 0 3m 悬臂根部高 0 45m 中横梁为梁肋宽 0 6 米的 十 型梁 高为 1 37m 边 中横梁均设启口放置桥面 板 横梁采取现浇方式 钢束一次张拉成型 4 风撑 采用钢管结构 断面采用圆形 0 65m 钢管由 14mm 厚的 Q345C 钢板卷制焊接而成 5 桥面板 桥面板采用 25cm 的实体预制板 6 上部具体尺寸见一般构造图 7 钢束型号及布置见附页 五 单元离散 因 1 100 EI 拱 EI 系 100 本次计算按刚性系杆刚性拱考虑 系杆 与拱肋视为刚性连接 全桥共划分 583 个单元 518 个节点 梁单元 550 个 1to52 343to394 号单元为边系梁单元 157 238 号 单元为中 系梁单元 53to156 239to342 号单元为横梁单元 395to581 为拱 肋单元 506to509 582to583 为风撑单元 桁架单元 33 个 407to412 431to436 443to448 455to460 467to475 为吊杆单元 单元划分见附页 坐标系说明 x 坐标轴为桥的纵向 y 坐标轴为桥的横向 z 坐标轴为桥 的竖向 永久约束见下表 节点 DxDyDzRxRyRz 2 52 146 226 320 370 注 Dx Dy Dz 指 x y z 方向的平动自由度 Rx Ry Rz 指绕 x y z 方向的转动自由度 表中有 指限制该方向的自由度 临时约束 在安装吊杆阶段之前 将吊杆与系梁相交点限制它 Dz 方向的自由 度 吊杆安装之后去掉此约束 在分段吊装拱肋时 分段处设置限制 Dz 方向自由度的约束 拱圈 合拢后去掉此约束 计算模型说明 吊杆采用 桁架单元 模拟 拱肋钢管和混凝土采用 施工阶段联合截面 模拟 分别在第二 三施工阶段施工钢管 第四施工阶段施工钢管内混凝土 时间依存材料 收缩徐变 中 构件理论厚度 采用 修改单元依 存材料特性值 自动计算 钢管内混凝土未考虑收缩徐变 横梁重量 模型内横梁长度是边系梁中心和中系梁中心间的距离 多计了 采用 截面特征值调整系数 修正横梁重量 移动荷载计算采用 横向联系梁法 计算 移动荷载工况分边肋 2 列车 就是在距离边系梁中心线 2 65 米和 5 75 米布置两列车 边肋 3 列车 就是在距离边系梁中心线 2 65 米 5 75 米和 8 85 米布置三列车 中肋 6 列车 就是在距离中系梁中心 线两侧各 2 4 米 5 5 米和 8 6 米布置六列车 六 施工阶段划分 1 施工方案 本桥系杆拱采用 先梁后拱 的施工方法施工 即先在支架上现浇加 劲纵梁及横梁 而后架设钢管拱肋 泵送管内混凝土成拱 拆除临时支架 再施工吊杆 现浇桥面板 施工桥面铺装及护栏成桥 详细施工步骤见 施 工流程图 2 计算中按 8 个施工阶段和 1 个使用阶段划分 第一施工阶段 施工内容 a 浇注中系梁 边系梁 中横梁 端横梁 b 张拉中 边系梁预应力钢束 N1 N2 N5 N6 c 施加中系梁实心段荷载 均布载 d 张拉端横梁钢束 中横梁钢束 施工时间 28 天 中系梁实心 0 74 26 19 24 KN m 第二施工阶段 施工内容 a 架设拱圈临时支撑 分段吊装焊接钢拱圈 施工时间 10 天 第三施工阶段 施工内容 a 钢拱圈合拢 拆除拱圈临时支撑 安装风撑单元 施工时间 10 天 第四施工阶段 施工内容 a 浇注拱圈内混凝土 施工时间 10 天 第五施工阶段 施工内容 a 安装吊杆 拆除系梁临时支撑 施工时间 10 天 第六施工阶段 施工内容 a 安装桥面板 以均布力的形式施加在各横梁节点上 b 张拉中系梁剩余预应力钢束 N3 N4 N7 c 张拉边系梁剩余预应力钢束 N3 N4 施工时间 10 天 中横梁节点 0 25 4 5 26 29 25 KN m 端横梁节点 0 25 51 868 2 26 12 15 13 87 KN m 第七施工阶段 施工内容 a 施工铺装 整体化混凝土 施加在横梁上 及护栏 施加在系 梁上 施工时间 10 天 中横梁沥青铺装 整体化 5 0 09 23 5 0 1 26 12 35 11 5 21 7 KN m 中系梁护栏 7 2 14KN m 端横梁沥青铺装 整体化 76 0966 0 1 26 2 12 15 1 5 6 24 0 09 23 2 12 15 14 3 KN m 边系梁护栏 7 KN m 第八施工阶段 施工内容 空阶段 施工时间 1500 天 使用阶段 3 Midas 中结构组 荷载组 边界组的填加 施工 阶段 内容 时间 天 结构组荷载组边界组 号激活钝化激活钝化激活钝化 1 支架现 浇 系梁横 梁 28 边系梁 1to2 中系梁 横梁 1to2 自重 中系梁实 心 张拉钢束 1 SG1 SG3 截面调整 2 分段吊 装 拱圈 10 拱肋安装 1 SG2 3 拱圈合 拢 10 拱肋安装 2 风撑 SG2 4 浇注拱 圈 内混凝 土 10 5 安装吊 杆 10 边吊杆 1to2 中吊杆 吊杆初张 拉 SG3 6 安装桥 面板 10 桥面板 张拉钢束 2 7 施加整 体化 沥青铺 装 10 铺装护栏 8 收缩徐 变 1500 七 空间计算对桥梁博士平面计算的指导 恒载对边系梁 中系梁的分配比例 包括横梁 桥面板 铺装 采用在横梁上施加均布荷载 100KN 求算支点反力比值推求恒载分配比例 边系梁中系梁 类别 左反力右反力反力 边系梁 恒载比 例 中系梁 恒载比 例 端横梁 52652616790 1930 615 次中横梁 48848815300 1950 611 跨中 中横梁 2922927910 2120 575 注 次中横梁为距离端横梁最近的中横梁 次中横梁与跨中中横梁间的 中横梁恒载分配比例采用线性内插 移动荷载横向分布系数 采用在横梁上施加集中荷载 按照车道布置形式 求算支点反力比值推 求移动荷载横向分布系数 边系梁 分别按照 2 列车和 3 列车计算 横向分布系数见下表 表中活载比例 已计入车道数和车道折减系数 边系梁中系梁 2 列车 左反力右反力反力 边系梁 活载比例 端横梁 455 433031 272 次中横梁 416 492891 268 跨中中横 梁 224 261621 244 边系梁中系梁 3 列车 左反力右反力反力 边系梁 活载比例 端横梁 550 745961 200 次中横梁 508 755521 207 跨中中横梁 281 322911 217 最终边系梁横向分布系数采用 2 列车端横梁处求得反力比值 Mc 1 272 中系梁 按照 6 列车计算 横向分布系数见下表 表中活载比例已计入车道 数和车道折减系数 边系梁中系梁 6 列车 左反力右反力反力 中系梁 活载比 例 端横梁 26926916082 472 次中横梁 26126114462 426 跨中中横梁 1791797222 208 中系梁横向分布系数采用折线形输入 在端横梁处为 2 472 在次中横梁 处为 2 426 在跨中中横梁处为 2 208 其余处线性内插 移动荷载冲击系数采用 Midas 特征值分析结果 节 点 模态 UXUYUZRXRYRZ 特 征 值 分 析 频率周期 模态 号 rad sec cycle sec sec 容许误差 16 1083450 9721731 0286231 90E 16 27 2668021 1565480 8646426 73E 16 310 174241 6192810 6175581 78E 15 410 523681 6748951 6748950 5970527 96E 14 513 374122 1285570 4698022 79E 11 振型参与质量 TRAN XTRAN YTRAN ZROTN XROTN YROTN Z 模态 号 质量合计质量合计质量合计质量 合 计 质量合计质量合计 10065 7865 7800000000 2000 2866 0600000000 300066 0600000000 41 411 41066 060 010 01000000 566 6968 1066 063 533 54000000 特征值向量 采用模态 4 纵向反向弯曲 计算基频 f 1 67 0 075 取用 0 1 附模态 4 振型图 冲击系数 1 1 100 八 横梁施加钢束对系梁的影响 施工阶段末B1 或 Z1B2 或 Z2B3 或 Z3B4 或 Z4B5 或 Z5B6 或 Z6 边吊 杆 534713754744736735 施加横梁 钢束前中吊 杆 90613551427142814151415 边吊 杆 540722765755747747 施加横梁 钢束后 中吊 79813421410141013961395 杆 有上表可以看出 施加横梁钢束前后对纵向计算影响很小 九 Midas 与桥梁博士计算结果比较 使用阶段恒载支座反力比较 左边系梁中系梁右边系梁 支反力 252146226320370 midas55595559113661136655595559 桥博 57605760115001150057605760 分析 由于桥博边系梁计算时恒载分配比例按照 0 25 计算 活载按照端横 梁处横向分布计算 所以计算出的恒载支座反力偏大 吊杆拉力 边吊杆编号 B1B2B3B4B5B6 初始张拉力 KN 390440440430420420 桥博 施工阶段末 KN 525735781779769768 初始张拉力 KN 330460500490480480 Midas 施工阶段末 KN 534713754744736735 中吊杆编号 Z1Z2Z3Z4Z5Z6 初始张拉力 KN 580750680680675675 桥博 施工阶段末 KN 93414451488149814921488 初始张拉力 KN 400600620620610610 Midas 施工阶段末 KN 90613551427142814151415 活载弯距 中系梁跨中边系梁跨中 类别 最大最小最大最小 桥博 2774 9531789