自锚式悬索桥计算报告完整版

唐山市曹妃甸工业区跨那潮河特大桥工程自锚式悬索桥方案计算报告--1目录4.2.4.1.结构总体静力计算分析.............................1（1）主要构件材料及性能.........................................1①混凝土.................................................................1②结构钢材..............................................................1③主缆用钢材............................................................1④吊索用钢材............................................................1（2）全桥成桥状态计算............................................2①计算方法及模型......................................................2②计算荷载及组合......................................................3③刚度计算结果.........................................................3④强度计算结果.........................................................44.2.4.2.结构稳定计算分析..................................6（1）计算模型及方法..............................................6（2）荷载及组合...................................................6（3）计算结果......................................................64.2.4.3.结构动力特性计算分析.............................7（1）计算模型及方法..............................................7（2）计算结果......................................................74.2.4.4.结构抗震计算分析..................................8（1）结构抗震设防标准............................................8（2）计算参数选取.................................................8①下水平向地震动参数.................................................8②竖向地震动参数......................................................8③结构阻尼比的取值....................................................9（3）地震组合......................................................9（4）计算模型......................................................9（5）计算结果......................................................94.2.4.5.结构抗风计算分析..................................9（1）设计风速确定.................................................9（2）颤振稳定性计算分析........................................10①颤振临界风速确定...................................................10②颤振稳定性分析.....................................................11（3）静风稳定性计算分析........................................11①二维静风扭转发散分析.............................................11②二维横向屈曲发散分析.............................................12唐山市曹妃甸工业区跨那潮河特大桥工程自锚式悬索桥方案计算报告--2（4）静风荷载计算分析...........................................13唐山市曹妃甸工业区跨那潮河特大桥工程自锚式悬索桥方案计算报告--14.2.4自锚式悬索桥结构计算分析4.2.4.1.结构总体静力计算分析（1）主要构件材料及性能①混凝土索塔采用C50混凝土，边墩采用C40混凝土，承台及桩基采用C30混凝土，各种标号混凝土主要力学性能见下表。表4.2.4.1-1混凝土材料性能表混凝土标号C50C40C30应用结构索塔及塔上横梁过渡墩承台力学性能弹性模量E(MPa)345003250030000剪切模量G(MPa)138001300012000泊松比γ0.20.20.2轴心抗压设计强度(MPa)22.418.413.8抗拉设计强度(MPa)1.831.651.39热膨胀系数(℃)0.0000100.0000100.000010②结构钢材主梁及桥塔横梁采用Q345qD钢材。其主要力学性能见下表。表4.2.4.1-2结构钢材性能表钢种Q345qD应用结构加劲梁力学性能弹性模量E(MPa)210000剪切模量G(MPa)81000泊松比γ0.3轴向容许应力[σ](MPa)200弯曲容许应力[σw](MPa)210容许剪应力[τ](MPa)120屈服应力[σs](MPa)345热膨胀系数(℃)0.000012③主缆用钢材主缆材料采用φ5.2mm高强平行钢丝，其主要力学性能见下表。表4.2.4.1-3主缆材料性能表材料高强钢丝应用结构主缆力学性能弹性模量E(MPa)200000标准强度σy(MPa)1670热膨胀系数0.000012④吊索用钢材吊索材料采用φ7.0mm高强平行钢丝，其主要力学性能见下表。唐山市曹妃甸工业区跨那潮河特大桥工程自锚式悬索桥方案计算报告--2表4.2.4.1-4吊索材料性能表材料高强钢丝应用结构吊索力学性能弹性模量E(MPa)200000标准强度σy(MPa)1670热膨胀系数0.000012（2）全桥成桥状态计算①计算方法及模型自锚式悬索桥为多次超静定柔性结构体系，施工方法为先梁后缆，因此吊索的成桥索力有多组选择方案，而在不同的吊索成桥索力下将有不同主缆成桥线形。本方案的成桥状态计算内容包括：吊索成桥索力优化、主缆成桥线形计算和全桥结构成桥状态计算三部分内容。吊索索力优化采取刚性支撑连续梁方法；成桥线形采用悬链线悬索单元的有限元迭代法进行计算；成桥状态计算采用等效线性化方法（线形有限位移理论）。计算采用大型有限元分析软件Midas，全桥结构的几何模型及有限元分析模型分别见下图。为了与后续的动力分析共用计算模型，计算中模拟了桥墩和桩基。桥面系采用空间梁格结构模拟。主缆和吊杆采用弹性悬索单元模拟，加劲梁、横梁、刚臂、索塔、桥墩和桩基采用梁单元模拟。主缆与索塔顶端、主缆锚固点与主梁末端、索塔及边墩与加劲梁之间均采用主从约束，桩基底部采用固结约束。图4.2.4.1-1全桥结构几何模型透视图图4.2.4.1-2全桥结构有限元模型透视图唐山市曹妃甸工业区跨那潮河特大桥工程自锚式悬索桥方案计算报告--3②计算荷载及组合计算荷载包括自重恒载、不均匀沉降、活载、汽车冲击力及制动力、温度荷载、风荷载和地震荷载。活载、温度荷载及风荷载的计算方法说明如下，地震荷载选用详见“结构抗震计算分析”，其余内容不再赘述。活载包括非机动车荷载和汽车活载；汽车活载为城A级车道荷载，横向按六车道进行计算；考虑非机动车及汽车活载横向位置，采用空间结构进行加载计算。温度荷载包括三部分，整体升降温：钢结构±35℃，混凝土结构±25℃；吊索与主梁、主缆温差±10℃，吊杆与索塔温差±15℃；主梁的日照及骤然降温温差取自《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）的4.3.10条，桥塔左右侧线形温差±5℃。风荷载考虑桥面高度处为25m/s的运营风和百年一遇的设计基本风速两种情况，按照风的方向与桥梁轴线的相对关系，又分为顺桥向风荷载和横桥向风荷载。风荷载的参数取值详见“结构抗风计算分析”。荷载组合如下：组合一：自重恒载+沉降+汽车活载+汽车冲击力；组合二：自重恒载+沉降+汽车活载+汽车冲击力+温度荷载；组合三：自重恒载+汽车活载+汽车冲击力+汽车制动力+温度荷载+桥面风速25m/s的运营风；组合四：自重恒载+百年一遇的静阵风荷载；组合五：自重恒载+地震荷载；其中组合五的计算结果详见“结构抗震计算分析”章节。③刚度计算结果活载、风荷载、温度荷载作用下的位移值计算结果见下表。表4.2.4.1-1分项荷载作用下结构变形表项目部位分项荷载位移值（m）竖向主跨跨中汽车活载0.231/-0.635边跨跨中汽车活载0.296/-0.363纵向边跨侧梁端汽车制动力0.073/-0.073整体升降温0.123/-0.123整体升降温+体系温差+日照温差0.147/-0.157顺桥向风荷载（25m/s）0.021/-0.021顺桥向风荷载（百年一遇）0.079/-0.079塔顶汽车制动力0.072/-0.072整体升降温0.004/-0.004整体升降温+体系温差+日照温差0.034/-0.038唐山市曹妃甸工业区跨那潮河特大桥工程自锚式悬索桥方案计算报告--4顺桥向风荷载（25m/s）0.023/-0.023顺桥向风荷载（百年一遇）0.084/-0.084横向主跨跨中横桥向风荷载（25m/s）0.010/-0.010横桥向风荷载（百年一遇）0.042/-0.042边跨跨中横桥向风荷载（25m/s）0.009/-0.009横桥向风荷载（百年一遇）0.038/-0.038塔顶横桥向风荷载（25m/s）0.102/-0.102横桥向风荷载（百年一遇）0.043/-0.043根据《公路悬索桥设计规范（报批稿）》，悬索桥加劲梁由汽车荷载（不计冲击力）引起的最大竖向挠度值不宜大于跨径的1/250～1/300，在强风（桥面无车）作用下，最大横向位移不宜大于跨径的1/150。由上表可以看出，本桥刚度较好，能满足设计规范要求。④强度计算结果（a）主梁计算结果半边扁平钢箱梁第一体系纵向正应力最大点计算结果如下图。图4.2.4.1-3扁平钢箱梁组合一下纵向正应力（MPa）图4.2.4.1-4扁平钢箱梁组合三纵向正应力（MPa）从上图可以看出，扁平钢箱梁纵向第一体系正应力在主要组合下最大应力小于115MPa，在附加组合下最大应力小于150Mpa。根据以往工程经验，主梁的第二体系和第三体系的正应力约为20～30MPa，故主梁正应力可满足规范要求。（b）索塔计算结果唐山市曹妃甸工业区跨那潮河特大桥工程自锚式悬索桥方案计算报告--5索塔在组合一、组合三、组合四下的最大压应力和拉应力，见下图。图4.2.4.1-5索塔组合一下应力包络（MPa）图4.2.4.1-6索塔组合三下应力包络（MPa）从上图可以看出，在主要组合下，索塔最大压应力小于