缆索吊塔架设计计算书(A3)

1、宁波市东外环甬江大桥工程缆索吊设计说明书18一、工程概况甬江大桥主拱拟采取缆索吊装方案。由于桥址处航空限高为107m，为减小缆索吊跨中垂度、保证主跨拱肋安装，在主拱中部加设一座临时索塔，根据本桥钢箱拱肋的结构形式和最大节段重量，甬江大桥吊装系统采取150m+217m+217m+150m跨径组合的连续四索跨吊装系统。整个缆索吊系统共设三个索塔。索塔采用门形全钢结构，塔柱横桥向中心距28m，顶宽42m（边索塔为41.8m）。边索塔为双柱式门形结构，分别设在P3、P4主墩承台顶面，采用缆索、扣索合二为一的方式，索塔底部与主墩承台固结；中索塔为四柱式门形结构，设在主跨跨中位置，仅布置有缆索系统，索塔底

2、部与临时承台固结。主索长度820多米，采用两组主索。单组主索由8根70mm、公称抗拉强度为1470MPa的密封钢丝绳组成，每根钢丝绳最小破断拉力为4976kN（密封钢丝绳GB/T 352-2002）。单组主索设计吊重1800kN，两组主缆索总设计吊重能力为3600kN，主索安全系数3.5。两组索道均采用独立的起重、牵引、跑车及上、下挂系统，全桥共四套。每组主索起重系统由4台16t卷扬机、12线32mm起重钢丝绳和4台1000kN主索跑车系统组成。跑车牵引系统由32mm钢丝绳，4台16t卷扬机组成。主索道内侧设2套工作索系统，全桥共4套。工作索主要用于临时风撑、吊杆等吊装起重作业。工作索道分别用

3、256mm普通钢丝绳组成，最大设计吊重20t。缆索系统总体布置见图1-1二、缆索系统设计1主缆系统设计计算模型：主缆跨度实际布置为：150m217m16m217m150m，中间16m跨对主缆受力影响很小，可忽略不计，即简化为双跨缆索系统：150m217m217m150m。(1) 主索荷载：单组主索拟采用870mm-1470MPa密封钢丝绳，作用于主索上均布荷载总重：G521kN跑车、吊具及起重牵引索分配重量等空载集中力：Q0280kN最大节段ZN1重1800kN，采取与中索塔抬吊安装，因此取第二大节段ZN9作为设计吊装荷载，跨中设计吊重：Q吊1620kN则：QmQ0+ Q吊1900kN(2)

4、设计吊重下主索张力设计吊重下跨中垂度取fm12.5m（矢跨比：1/17.36）则主索水平分力：此时，主索张力：一组主索（870mm-1470MPa密封钢丝绳）破断拉力：主缆安全系数：.5，满足设计要求。(3) 空缆初始张力和垂度两等跨主缆张力方程为：式中：分别为初始状态和终末状态主缆水平张力；主缆刚度，取：与代梁剪力内积有关的函数，当时，其表达式为：该函数的参数的意义如下：Q集中荷载总量，共有4个总量Q，分别为本跨和另一跨，初始状态和终末状态。下标为m时表示初始状态，为x时表示终末状态，上标表示另一跨，不带上标表示本跨。其它参数的上下标也具有类似意义；G均布荷载总量，GgL；x集中荷载Q的位置

5、；a集中荷载的间距。跑车间距12m，本跨和邻跨跑车位于跨中时：则张力方程的二次项系数为：常数项为：代入张力方程有：解得：空载垂度：(4) 塔前15m时的主索张力及垂度（吊装ZN1拱肋节段）此时，跑车与中塔上起重设备协同提升安装重1800kN、长25m的ZN1拱节段，根据该段安装工艺，可设跑车分担的提升节段重量为1000kN，距塔15m，间距取a0，则：此时张力方程常数项为：其它参数同空缆，即此时张力方程为：解得：吊点垂度：此时的跨中垂度为：吊点处主索升角为：中索塔吊装侧的支座反力：主索张力：<8921kN，比跨中起吊ZN9节段（1620kN）时的张力小。中索塔空载跨侧的支座反力忽略支座摩

6、擦，即两跨的主索张力相等，则中索塔另一跨的水平分力：此工况下，缆索吊装对中塔产生的荷载：竖向力：N水平力：H50214840181kN，方向指向空载跨。2 起重索跑头拉力计算公式为：上式中：P跑头拉力，Q计算荷载，取Q1800/2=900kN，S省力系数，式中：K阻力系数，按滚珠轴承，取1.02n绳数，为了与100t滑车组匹配，起重钢丝绳按走12线布置，取n12t导向滑车个数，跑头由导向滑车引出，取t=6+17，则省力系数：跑头拉力：起重索32mm-6×37SIWR-1770MPa，钢丝绳最小破断拉力：Tn645kN起重索安全系数：，满足设计要求3 牵引索(

7、1) 牵引索牵引阻力计算1) 跑车运行阻力W12) 起重索运行阻力W23) 后牵引索的松弛张力W3（gL为牵引索的线重量，x1，f为后牵引索的跨度、垂度）4) 牵引索总牵引阻力W(2) 牵引索安全系数计算牵引索的最大拉力：牵引索走“2”布置，转向轮布置3个，则省力系数：牵引索32mm6×37SIWR1770MPa，钢丝绳最小破断拉力Tn645kN牵引索安全系数： 满足设计要求4 工作索计算模型同主索。(1) 工作索荷载工作索拟采用256mm-6×37SIWR-1770MPa普通钢丝绳，作用于工作索上均布荷载总重：G52kN，跑车、吊具及起重牵引索分配重量等空载集中力：Q05

8、0kN跨中设计吊重：Q吊200kN则QmQ0+ Q吊250kN(2) 设计吊重下工作索张力设计吊重下跨中垂度取：fm12.5m（矢跨比：1/17.36）则工作索水平分力：此时，工作索张力：工作索（256mm-6×37SIWR-1770MPa）最小破断拉力：工作索安全系数： 满足设计要求(3) 工作索起重绳跑头拉力：式中：P跑头拉力，Q计算荷载，取Q200kN，S省力系数，其中：K阻力系数，按滚珠轴承，取1.02n绳数，起重钢丝绳按走“4”布置，取n4t导向滑车个数，跑头由导向滑车引出，取t=2+13，则省力系数：跑头拉力：起重绳22mm6×37SIWR1770MPa，最小破

9、断拉力Tn305kN起重绳安全系数 满足设计要求(4) 工作索牵引绳1) 牵引阻力A）跑车运行阻力W1B）起重索运行阻力W2C）后牵引索的松弛张力W3总牵引阻力W：2) 牵引绳索安全系数牵引绳走单线，转向轮布置2个，则牵引力：牵引绳18mm6×37SFC1770MPa，钢丝绳最小破断拉力Tn189kN牵引绳安全系数： 满足设计要求5 压塔索塔顶主跨侧主缆水平夹角：塔顶边跨侧主缆水平夹角：。主缆钢丝绳与索鞍摩擦系数取0.15，则背索可提供的张力为：需要压塔索提供的水平力为：设压塔索倾角与背索相同，则其张力为：每组主缆压塔索（256mm6×37SIWR1770MPa）最小破断拉

10、力：压塔索安全系数： 满足设计要求6 背索及塔柱1) 背索主跨缆索张力：压塔索受力不计，塔柱自身分担的水平力也不计，则边缆（背索）张力为：背索安全系数：三、塔架结构荷载计算1主缆系统对塔顶的作用力（1）中塔见前面计算，控制工况为靠中塔起吊，主缆系统对中塔的作用力为：竖向力：V1752kN水平力：H181kN（2）边塔主缆系统对边塔的竖向力为： 2抬吊ZN1时作用在中塔塔顶单根挑梁的竖向荷载3. 抬吊合拢段时作用在中塔塔顶单根挑梁的竖向荷载4塔架结构自重5风荷载 正常施工条件6级风速 台风情况下12级风速 （1）塔架立柱风荷载标准值：（见建筑结构荷载规范GB50009-2001）式中 风荷载标准

11、值()高度z处的风振系数风荷载体型系数风压高度变化系数基本风压()1）基本风压：根据港口工程荷载规范JTJ 215-98中11.0.2条规定6级风：12级风：2）风压高度变化系数：将塔架立柱沿高度方向每20m划分为一个计算节段，荷载作用于节段中间位置处，查规范表7.2.1知0m20m 取10m高度处为荷载作用点 20m40m 取30m高度处为荷载作用点 40m60m 取50m高度处为荷载作用点 60m80m 取70m高度处为荷载作用点 80m100m 取90m高度处为荷载作用点 3）体型系数：经计算得知桁架的挡风系数桁架杆件和节点挡风净投影面积桁架的轮廓面积由建筑结构荷载规范表7.3.1中34

12、项计算6级风：12级风：查得：4）高度z处的风振系数：建筑结构荷载规范7.4.2条规定脉动增大系数脉动影响系数振型系数风压高度变化系数根据附录E中E.1.1取得（塔架高度）对6级风：查表7.4.3得 对12级风：查表7.4.3得 查表7.7.41取得 根据附录F中F.1.1规定，对塔架结构的振型系数取值分别如下0m20m 取10m高度处 20m40m 取30m高度处 40m60m 取50m高度处 60m80m 取70m高度处 80m100m取90m高度处 对于6级风速由以上参数可得：0m20m 取10m高度处 20m40m 取30m高度处 40m60m 取50m高度处 60m80m 取70m高

13、度处 80m100m取90m高度处 对于12级风速由以上参数可得：0m20m 取10m高度处 20m40m 取30m高度处 40m60m 取50m高度处 60m80m 取70m高度处 80m100m取90m高度处 综上各参数，塔架立柱风荷载标准值计算如下：1）对于6级风速0m20m 取10m高度处 20m40m 取30m高度处 40m60m 取50m高度处 60m80m 取70m高度处 80m100m取90m高度处 2）对于12级风速0m20m 取10m高度处 20m40m 取30m高度处 40m60m 取50m高度处 60m80m 取70m高度处 80m100m取90m高度处 （2）塔架联系

14、桁架风荷载标准值：（见建筑结构荷载规范GB50009-2001）式中 风荷载标准值()高度z处的阵风系数风荷载体型系数风压高度变化系数基本风压()1）基本风压：根据港口工程荷载规范JTJ 215-98中11.0.2条规定6级风：12级风：2）风压高度变化系数：取各桁架片沿高度方向的中心位置处为荷载计算作用点，查规范表7.2.1知自塔架底部向上各桁架高度变化系数分别为第一层桁架 第二层桁架 第三层桁架 第四层桁架 3）体型系数（此处为桁架整体体型系数）：经计算得知桁架的挡风系数桁架杆件和节点挡风净投影面积桁架的轮廓面积由建筑结构荷载规范表7.3.1中32项计算单榀桁架的体型系数桁架构件的体型系数

15、（按角钢取用，查表7.3.1中31项得）可知由建筑结构荷载规范表7.3.1中32项n榀桁架的整体体型系数单榀桁架的体型系数影响系数数桁架榀数因，（b为迎风桁架前后间距，h桁架迎风高度）查表得：对2榀桁架对3榀桁架4）高度z处的阵风系数：取各桁架片沿高度方向的中心位置处为荷载计算作用点，查规范表7.5.1知自塔架底部向上各桁架阵风系数分别为第一层桁架 第二层桁架 第三层桁架 第四层桁架 综上各参数，塔架联系桁架风荷载标准值计算如下：自塔架底部向上各桁架风荷载标准值分别为1）对于6级风速下的2榀桁架第一层桁架 第二层桁架 第三层桁架 第四层桁架 2）对于6级风速下的3榀桁架第一层桁架 第二层桁架

16、第三层桁架 第四层桁架 3）对于12级风速下的2榀桁架第一层桁架 第二层桁架 第三层桁架 第四层桁架 4）对于12级风速下的3榀桁架第一层桁架 第二层桁架 第三层桁架 第四层桁架 （3）塔架顶部结构风荷载标准值：（见建筑结构荷载规范GB50009-2001）式中 风荷载标准值()高度z处的阵风系数风荷载体型系数风压高度变化系数基本风压()1）基本风压：根据港口工程荷载规范JTJ 215-98中11.0.2条规定6级风：12级风：2）风压高度变化系数：查规范表7.2.1知 3）体型系数查表7.3.1中31项知 04）高度z处的阵风系数：查规范表7.5.1知 综上各参数，塔架顶部结构风荷载标准值计

17、算如下：6级风：12级风：6边塔扣索对塔架的竖向作用力计算结果详见下表：吊装节段单个主塔下压力（单位：t）第1段127.00第2段290.85横撑1315.82第3段481.42第4段671.35横撑2721.61第5段893.06拱上托塔912.76第6段1059.93横撑31083.43第7段1242.79第8段1452.74第9段1667.56第10段1873.61合龙段1877.677中塔抬吊ZN1对塔架顶部单根挑梁的竖向作用力 8中塔抬吊合拢段时对塔架顶部单根挑梁的竖向作用力 四、塔架结构计算工况（1）边塔结构计算工况1）工况一：扣索挂装完毕后6级风横桥向作用于塔架荷载：合拢段时扣索

18、下压力主缆系统对塔顶的作用力+横桥向6级风载结构自重2）工况二：扣索挂装完毕后6级风纵桥向作用于塔架荷载：合拢段时扣索下压力主缆系统对塔顶的作用力+纵桥向6级风载结构自重3）工况三：扣索挂装完毕后12级风横桥向作用于塔架（加设风缆）荷载：合拢段时扣索下压力主缆系统对塔顶的作用力+横桥向12级风载结构自重4）工况四：扣索挂装完毕后12级风纵桥向作用于塔架（加设风缆）荷载：合拢段时扣索下压力主缆系统对塔顶的作用力+纵桥向12级风载结构自重（2）中塔结构计算工况1）工况一：双塔起吊最大节段时6级风横桥向作用于塔架荷载：主缆系统对塔顶的作用力+横桥向6级风载结构自重2）工况二：双塔起吊最大节段时6级风

19、纵桥向作用于塔架荷载：主缆系统对塔顶的作用力+纵桥向6级风载结构自重3）工况三：单塔起吊最大节段时6级风横桥向作用于塔架荷载：主缆系统对塔顶的作用力+横桥向6级风载结构自重4）工况四：单塔起吊最大节段时6级风纵桥向作用于塔架荷载：主缆系统对塔顶的作用力+纵桥向6级风载结构自重5）工况五：空载时12级风横桥向作用于塔架荷载：主缆系统对塔顶的作用力+横桥向12级风载结构自重6）工况六：空载时12级风纵桥向作用于塔架荷载：主缆系统对塔顶的作用力+纵桥向12级风载结构自重7）工况七：单边悬挑3米抬吊ZN1节段时6级风横桥向作用于塔架荷载：ZN1抬吊作用力+横桥向6级风载结构自重8）工况八：单边悬挑3米

20、抬吊ZN1节段时6级风纵桥向作用于塔架荷载：ZN1抬吊作用力+纵桥向6级风载结构自重9）工况九：塔中抬吊合拢段时6级风横桥向作用于塔架荷载：合拢段抬吊作用力+塔架两边ZN1节段作用力横桥向6级风载结构自重10）工况十：塔中抬吊合拢段时6级风纵桥向作用于塔架荷载：合拢段抬吊作用力+塔架两边ZN1节段作用力纵桥向6级风载结构自重五、塔架结构有限元程序分析（1）建模参数选取1）单元选取：空间梁单元beam188模拟钢管立柱和中塔顶部挑梁空间杆单元link8模拟塔架联系桁架组成杆件索单元link10模拟边塔抗台时风缆系统2）参数设定钢管立柱、桁架角钢及中塔顶部挑梁弹性模量 泊桑比 材料密度 风缆弹性模

21、量 泊桑比 材料密度 3）边界条件钢管立柱底部约束节点，钢管立柱与桁架杆系连接由单元特性自动按铰连接处理中塔塔架顶部挑梁与顶层桁架连接在顶层桁架上将与挑梁投影重叠处的节点选为主节点，对应的挑梁节点为子节点采用对，进行耦合处理4）荷载施加塔架外部作用荷载采用集中力形式对作用点处节点进行施加塔架自重在模型中输入重力加速度由有限元程序自动施加（2）采用有限元程序对结构进行空间建模分析，有限元模型如下：图5-1边塔6级风速下模型图5-2边塔12级风速下模型图5-3中塔无抬吊时模型图5-4中塔抬吊时模型六、塔架结构有限元程序分析结果汇总（1）边塔塔架结构计算结果汇总（应力单位：MPa 位移单位：mm）类

22、别项目工况一工况二工况三工况四立柱800x20轴应力101131108141弯应力15.119.024.325.7联杆2L200x20轴应力112112117124联杆2L100x10轴应力86.9111106119塔顶位移顺桥向1.018530196横桥向8.93.0413.1垂向37414041（2）中塔塔架结构计算结果汇总（应力单位：MPa 位移单位：mm）类别项目工况一工况二工况三工况四工况五工况六工况七工况八工况九工况十立柱800x20轴应力54.560.547.452.974.070.262.469.269.669.3弯应力14.69.711.710.627.728.8161721

23、.721.2联杆2L200x20轴应力20.921.918.520.832.333.7142141104106联杆2L100x10轴应力30.232.824.428.855.659.238.236.447.345.3塔顶位移顺桥向455934481.09258734660横桥向141.0142.0701.0184.7184.5垂向1818141691336363535.4（3）各构件最大应力云图图61边塔立柱800x20最大轴向应力图62边塔立柱800x20最大弯应力图63边塔角钢2L200x20最大轴向应力图64边塔角钢2L100x10最大轴向应力图65边塔顺桥向最大位移图66边塔垂向最大位

24、移图67边塔横桥向最大位移图68中塔立柱800x20最大轴向应力图69中塔立柱800x20最大弯应力图610中塔角钢2L200x20最大轴向应力图611中塔角钢2L100x10最大轴向应力图612中塔顺桥向最大位移图613中塔垂向最大位移图614中塔横桥向最大位七、塔架结构各构件强度、刚度及稳定性验算（1）边塔塔架1）钢管立柱800x20(材料Q345)已知 ，则，查表得由计算汇总表得：，故2）联系桁架角钢2L200x20(材料Q235)已知 ，则，查表得由计算汇总表得： 故3）联系桁架角钢2L100x10(材料Q235)已知 ，则，查表得由计算汇总表得： 故4）塔顶最大水平位移综上可知边塔塔

25、架结构各构件强度、刚度及稳定性均满足设计要求（2）中塔塔架1）钢管立柱800x20(材料Q235)已知 ，则，查表得由计算汇总表得：，故2）联系桁架角钢2L200x20(材料Q235)已知 ，则，查表得由计算汇总表得： 故3）联系桁架角钢2L100x10(材料Q235)已知 ，则，查表得由计算汇总表得： 故4）塔顶最大水平位移综上可知中塔塔架结构各构件强度、刚度及稳定性均满足设计要求八、后锚承台验算后锚主要作用在P1、P6号墩承台上。按照设计图，该承台为7根120cm钻孔灌注桩，同时根据一号招标文件补遗第16条规定，引桥标准断面桥墩桩基采用6根钻孔灌注桩，因此P1、P6号墩按6根钻孔灌注桩进行验算。经过初步验算，原设计6根钻孔灌注桩无法满足后锚系统的荷载要求，因此必须进行结构加强处理，拟采取在原设计的外侧补钻3根120cm钻孔灌注桩、承台作相应的放大处理，见下图：说明：1) 因尚未得到按照一号招标文件补遗第16条规定修改桩数后的设计图纸，上图中，原设计承台仍按照原设计图表示。2) 锚柱钢管内填充混凝土。图81后锚承台结构加固示意图(1) 单桩水平力P1墩承台桩基布置3×3