纜索吊塔架設計計算書(A3)

1、寧波市東外環(huán)甬江大橋工程纜索吊設計說明書18一、工程概況甬江大橋主拱擬采取纜索吊裝方案。由于橋址處航空限高為107m，為減小纜索吊跨中垂度、保證主跨拱肋安裝，在主拱中部加設一座臨時索塔，根據(jù)本橋鋼箱拱肋的結構形式和最大節(jié)段重量，甬江大橋吊裝系統(tǒng)采取150m+217m+217m+150m跨徑組合的連續(xù)四索跨吊裝系統(tǒng)。整個纜索吊系統(tǒng)共設三個索塔。索塔采用門形全鋼結構，塔柱橫橋向中心距28m，頂寬42m（邊索塔為41.8m）。邊索塔為雙柱式門形結構，分別設在P3、P4主墩承臺頂面，采用纜索、扣索合二為一的方式，索塔底部與主墩承臺固結；中索塔為四柱式門形結構，設在主跨跨中位置，僅布置有纜索系統(tǒng)，索塔底

2、部與臨時承臺固結。主索長度820多米，采用兩組主索。單組主索由8根70mm、公稱抗拉強度為1470MPa的密封鋼絲繩組成，每根鋼絲繩最小破斷拉力為4976kN（密封鋼絲繩GB/T 352-2002）。單組主索設計吊重1800kN，兩組主纜索總設計吊重能力為3600kN，主索安全系數(shù)3.5。兩組索道均采用獨立的起重、牽引、跑車及上、下掛系統(tǒng)，全橋共四套。每組主索起重系統(tǒng)由4臺16t卷揚機、12線32mm起重鋼絲繩和4臺1000kN主索跑車系統(tǒng)組成。跑車牽引系統(tǒng)由32mm鋼絲繩，4臺16t卷揚機組成。主索道內側設2套工作索系統(tǒng)，全橋共4套。工作索主要用于臨時風撐、吊桿等吊裝起重作業(yè)。工作索道分別用

3、256mm普通鋼絲繩組成，最大設計吊重20t。纜索系統(tǒng)總體布置見圖1-1二、纜索系統(tǒng)設計1主纜系統(tǒng)設計計算模型：主纜跨度實際布置為：150m217m16m217m150m，中間16m跨對主纜受力影響很小，可忽略不計，即簡化為雙跨纜索系統(tǒng)：150m217m217m150m。(1) 主索荷載：單組主索擬采用870mm-1470MPa密封鋼絲繩，作用于主索上均布荷載總重：G521kN跑車、吊具及起重牽引索分配重量等空載集中力：Q0280kN最大節(jié)段ZN1重1800kN，采取與中索塔抬吊安裝，因此取第二大節(jié)段ZN9作為設計吊裝荷載，跨中設計吊重：Q吊1620kN則：QmQ0+ Q吊1900kN(2)

4、設計吊重下主索張力設計吊重下跨中垂度取fm12.5m（矢跨比：1/17.36）則主索水平分力：此時，主索張力：一組主索（870mm-1470MPa密封鋼絲繩）破斷拉力：主纜安全系數(shù)：.5，滿足設計要求。(3) 空纜初始張力和垂度兩等跨主纜張力方程為：式中：分別為初始狀態(tài)和終末狀態(tài)主纜水平張力；主纜剛度，?。号c代梁剪力內積有關的函數(shù)，當時，其表達式為：該函數(shù)的參數(shù)的意義如下：Q集中荷載總量，共有4個總量Q，分別為本跨和另一跨，初始狀態(tài)和終末狀態(tài)。下標為m時表示初始狀態(tài)，為x時表示終末狀態(tài)，上標表示另一跨，不帶上標表示本跨。其它參數(shù)的上下標也具有類似意義；G均布荷載總量，GgL；x集中荷載Q的位置

5、；a集中荷載的間距。跑車間距12m，本跨和鄰跨跑車位于跨中時：則張力方程的二次項系數(shù)為：常數(shù)項為：代入張力方程有：解得：空載垂度：(4) 塔前15m時的主索張力及垂度（吊裝ZN1拱肋節(jié)段）此時，跑車與中塔上起重設備協(xié)同提升安裝重1800kN、長25m的ZN1拱節(jié)段，根據(jù)該段安裝工藝，可設跑車分擔的提升節(jié)段重量為1000kN，距塔15m，間距取a0，則：此時張力方程常數(shù)項為：其它參數(shù)同空纜，即此時張力方程為：解得：吊點垂度：此時的跨中垂度為：吊點處主索升角為：中索塔吊裝側的支座反力：主索張力：<8921kN，比跨中起吊ZN9節(jié)段（1620kN）時的張力小。中索塔空載跨側的支座反力忽略支座摩

6、擦，即兩跨的主索張力相等，則中索塔另一跨的水平分力：此工況下，纜索吊裝對中塔產生的荷載：豎向力：N水平力：H50214840181kN，方向指向空載跨。2 起重索跑頭拉力計算公式為：上式中：P跑頭拉力，Q計算荷載，取Q1800/2=900kN，S省力系數(shù)，式中：K阻力系數(shù)，按滾珠軸承，取1.02n繩數(shù)，為了與100t滑車組匹配，起重鋼絲繩按走12線布置，取n12t導向滑車個數(shù)，跑頭由導向滑車引出，取t=6+17，則省力系數(shù)：跑頭拉力：起重索32mm-6×37SIWR-1770MPa，鋼絲繩最小破斷拉力：Tn645kN起重索安全系數(shù)：，滿足設計要求3 牽引索(

7、1) 牽引索牽引阻力計算1) 跑車運行阻力W12) 起重索運行阻力W23) 后牽引索的松弛張力W3（gL為牽引索的線重量，x1，f為后牽引索的跨度、垂度）4) 牽引索總牽引阻力W(2) 牽引索安全系數(shù)計算牽引索的最大拉力：牽引索走“2”布置，轉向輪布置3個，則省力系數(shù)：牽引索32mm6×37SIWR1770MPa，鋼絲繩最小破斷拉力Tn645kN牽引索安全系數(shù)： 滿足設計要求4 工作索計算模型同主索。(1) 工作索荷載工作索擬采用256mm-6×37SIWR-1770MPa普通鋼絲繩，作用于工作索上均布荷載總重：G52kN，跑車、吊具及起重牽引索分配重量等空載集中力：Q05

8、0kN跨中設計吊重：Q吊200kN則QmQ0+ Q吊250kN(2) 設計吊重下工作索張力設計吊重下跨中垂度取：fm12.5m（矢跨比：1/17.36）則工作索水平分力：此時，工作索張力：工作索（256mm-6×37SIWR-1770MPa）最小破斷拉力：工作索安全系數(shù)： 滿足設計要求(3) 工作索起重繩跑頭拉力：式中：P跑頭拉力，Q計算荷載，取Q200kN，S省力系數(shù)，其中：K阻力系數(shù)，按滾珠軸承，取1.02n繩數(shù)，起重鋼絲繩按走“4”布置，取n4t導向滑車個數(shù)，跑頭由導向滑車引出，取t=2+13，則省力系數(shù)：跑頭拉力：起重繩22mm6×37SIWR1770MPa，最小破

9、斷拉力Tn305kN起重繩安全系數(shù) 滿足設計要求(4) 工作索牽引繩1) 牽引阻力A）跑車運行阻力W1B）起重索運行阻力W2C）后牽引索的松弛張力W3總牽引阻力W：2) 牽引繩索安全系數(shù)牽引繩走單線，轉向輪布置2個，則牽引力：牽引繩18mm6×37SFC1770MPa，鋼絲繩最小破斷拉力Tn189kN牽引繩安全系數(shù)： 滿足設計要求5 壓塔索塔頂主跨側主纜水平夾角：塔頂邊跨側主纜水平夾角：。主纜鋼絲繩與索鞍摩擦系數(shù)取0.15，則背索可提供的張力為：需要壓塔索提供的水平力為：設壓塔索傾角與背索相同，則其張力為：每組主纜壓塔索（256mm6×37SIWR1770MPa）最小破斷拉

10、力：壓塔索安全系數(shù)： 滿足設計要求6 背索及塔柱1) 背索主跨纜索張力：壓塔索受力不計，塔柱自身分擔的水平力也不計，則邊纜（背索）張力為：背索安全系數(shù)：三、塔架結構荷載計算1主纜系統(tǒng)對塔頂?shù)淖饔昧Γ?）中塔見前面計算，控制工況為靠中塔起吊，主纜系統(tǒng)對中塔的作用力為：豎向力：V1752kN水平力：H181kN（2）邊塔主纜系統(tǒng)對邊塔的豎向力為： 2抬吊ZN1時作用在中塔塔頂單根挑梁的豎向荷載3. 抬吊合攏段時作用在中塔塔頂單根挑梁的豎向荷載4塔架結構自重5風荷載 正常施工條件6級風速 臺風情況下12級風速 （1）塔架立柱風荷載標準值：（見建筑結構荷載規(guī)范GB50009-2001）式中 風荷載標準

11、值()高度z處的風振系數(shù)風荷載體型系數(shù)風壓高度變化系數(shù)基本風壓()1）基本風壓：根據(jù)港口工程荷載規(guī)范JTJ 215-98中11.0.2條規(guī)定6級風：12級風：2）風壓高度變化系數(shù)：將塔架立柱沿高度方向每20m劃分為一個計算節(jié)段，荷載作用于節(jié)段中間位置處，查規(guī)范表7.2.1知0m20m 取10m高度處為荷載作用點 20m40m 取30m高度處為荷載作用點 40m60m 取50m高度處為荷載作用點 60m80m 取70m高度處為荷載作用點 80m100m 取90m高度處為荷載作用點 3）體型系數(shù)：經計算得知桁架的擋風系數(shù)桁架桿件和節(jié)點擋風凈投影面積桁架的輪廓面積由建筑結構荷載規(guī)范表7.3.1中34

12、項計算6級風：12級風：查得：4）高度z處的風振系數(shù)：建筑結構荷載規(guī)范7.4.2條規(guī)定脈動增大系數(shù)脈動影響系數(shù)振型系數(shù)風壓高度變化系數(shù)根據(jù)附錄E中E.1.1取得（塔架高度）對6級風：查表7.4.3得 對12級風：查表7.4.3得 查表7.7.41取得 根據(jù)附錄F中F.1.1規(guī)定，對塔架結構的振型系數(shù)取值分別如下0m20m 取10m高度處 20m40m 取30m高度處 40m60m 取50m高度處 60m80m 取70m高度處 80m100m取90m高度處 對于6級風速由以上參數(shù)可得：0m20m 取10m高度處 20m40m 取30m高度處 40m60m 取50m高度處 60m80m 取70m高

13、度處 80m100m取90m高度處 對于12級風速由以上參數(shù)可得：0m20m 取10m高度處 20m40m 取30m高度處 40m60m 取50m高度處 60m80m 取70m高度處 80m100m取90m高度處 綜上各參數(shù)，塔架立柱風荷載標準值計算如下：1）對于6級風速0m20m 取10m高度處 20m40m 取30m高度處 40m60m 取50m高度處 60m80m 取70m高度處 80m100m取90m高度處 2）對于12級風速0m20m 取10m高度處 20m40m 取30m高度處 40m60m 取50m高度處 60m80m 取70m高度處 80m100m取90m高度處 （2）塔架聯(lián)系

14、桁架風荷載標準值：（見建筑結構荷載規(guī)范GB50009-2001）式中 風荷載標準值()高度z處的陣風系數(shù)風荷載體型系數(shù)風壓高度變化系數(shù)基本風壓()1）基本風壓：根據(jù)港口工程荷載規(guī)范JTJ 215-98中11.0.2條規(guī)定6級風：12級風：2）風壓高度變化系數(shù)：取各桁架片沿高度方向的中心位置處為荷載計算作用點，查規(guī)范表7.2.1知自塔架底部向上各桁架高度變化系數(shù)分別為第一層桁架 第二層桁架 第三層桁架 第四層桁架 3）體型系數(shù)（此處為桁架整體體型系數(shù)）：經計算得知桁架的擋風系數(shù)桁架桿件和節(jié)點擋風凈投影面積桁架的輪廓面積由建筑結構荷載規(guī)范表7.3.1中32項計算單榀桁架的體型系數(shù)桁架構件的體型系數(shù)

15、（按角鋼取用，查表7.3.1中31項得）可知由建筑結構荷載規(guī)范表7.3.1中32項n榀桁架的整體體型系數(shù)單榀桁架的體型系數(shù)影響系數(shù)數(shù)桁架榀數(shù)因，（b為迎風桁架前后間距，h桁架迎風高度）查表得：對2榀桁架對3榀桁架4）高度z處的陣風系數(shù)：取各桁架片沿高度方向的中心位置處為荷載計算作用點，查規(guī)范表7.5.1知自塔架底部向上各桁架陣風系數(shù)分別為第一層桁架 第二層桁架 第三層桁架 第四層桁架 綜上各參數(shù)，塔架聯(lián)系桁架風荷載標準值計算如下：自塔架底部向上各桁架風荷載標準值分別為1）對于6級風速下的2榀桁架第一層桁架 第二層桁架 第三層桁架 第四層桁架 2）對于6級風速下的3榀桁架第一層桁架 第二層桁架

16、第三層桁架 第四層桁架 3）對于12級風速下的2榀桁架第一層桁架 第二層桁架 第三層桁架 第四層桁架 4）對于12級風速下的3榀桁架第一層桁架 第二層桁架 第三層桁架 第四層桁架 （3）塔架頂部結構風荷載標準值：（見建筑結構荷載規(guī)范GB50009-2001）式中 風荷載標準值()高度z處的陣風系數(shù)風荷載體型系數(shù)風壓高度變化系數(shù)基本風壓()1）基本風壓：根據(jù)港口工程荷載規(guī)范JTJ 215-98中11.0.2條規(guī)定6級風：12級風：2）風壓高度變化系數(shù)：查規(guī)范表7.2.1知 3）體型系數(shù)查表7.3.1中31項知 04）高度z處的陣風系數(shù)：查規(guī)范表7.5.1知 綜上各參數(shù)，塔架頂部結構風荷載標準值計

17、算如下：6級風：12級風：6邊塔扣索對塔架的豎向作用力計算結果詳見下表：吊裝節(jié)段單個主塔下壓力（單位：t）第1段127.00第2段290.85橫撐1315.82第3段481.42第4段671.35橫撐2721.61第5段893.06拱上托塔912.76第6段1059.93橫撐31083.43第7段1242.79第8段1452.74第9段1667.56第10段1873.61合龍段1877.677中塔抬吊ZN1對塔架頂部單根挑梁的豎向作用力 8中塔抬吊合攏段時對塔架頂部單根挑梁的豎向作用力 四、塔架結構計算工況（1）邊塔結構計算工況1）工況一：扣索掛裝完畢后6級風橫橋向作用于塔架荷載：合攏段時扣索

18、下壓力主纜系統(tǒng)對塔頂?shù)淖饔昧?橫橋向6級風載結構自重2）工況二：扣索掛裝完畢后6級風縱橋向作用于塔架荷載：合攏段時扣索下壓力主纜系統(tǒng)對塔頂?shù)淖饔昧?縱橋向6級風載結構自重3）工況三：扣索掛裝完畢后12級風橫橋向作用于塔架（加設風纜）荷載：合攏段時扣索下壓力主纜系統(tǒng)對塔頂?shù)淖饔昧?橫橋向12級風載結構自重4）工況四：扣索掛裝完畢后12級風縱橋向作用于塔架（加設風纜）荷載：合攏段時扣索下壓力主纜系統(tǒng)對塔頂?shù)淖饔昧?縱橋向12級風載結構自重（2）中塔結構計算工況1）工況一：雙塔起吊最大節(jié)段時6級風橫橋向作用于塔架荷載：主纜系統(tǒng)對塔頂?shù)淖饔昧?橫橋向6級風載結構自重2）工況二：雙塔起吊最大節(jié)段時6級風

19、縱橋向作用于塔架荷載：主纜系統(tǒng)對塔頂?shù)淖饔昧?縱橋向6級風載結構自重3）工況三：單塔起吊最大節(jié)段時6級風橫橋向作用于塔架荷載：主纜系統(tǒng)對塔頂?shù)淖饔昧?橫橋向6級風載結構自重4）工況四：單塔起吊最大節(jié)段時6級風縱橋向作用于塔架荷載：主纜系統(tǒng)對塔頂?shù)淖饔昧?縱橋向6級風載結構自重5）工況五：空載時12級風橫橋向作用于塔架荷載：主纜系統(tǒng)對塔頂?shù)淖饔昧?橫橋向12級風載結構自重6）工況六：空載時12級風縱橋向作用于塔架荷載：主纜系統(tǒng)對塔頂?shù)淖饔昧?縱橋向12級風載結構自重7）工況七：單邊懸挑3米抬吊ZN1節(jié)段時6級風橫橋向作用于塔架荷載：ZN1抬吊作用力+橫橋向6級風載結構自重8）工況八：單邊懸挑3米

20、抬吊ZN1節(jié)段時6級風縱橋向作用于塔架荷載：ZN1抬吊作用力+縱橋向6級風載結構自重9）工況九：塔中抬吊合攏段時6級風橫橋向作用于塔架荷載：合攏段抬吊作用力+塔架兩邊ZN1節(jié)段作用力橫橋向6級風載結構自重10）工況十：塔中抬吊合攏段時6級風縱橋向作用于塔架荷載：合攏段抬吊作用力+塔架兩邊ZN1節(jié)段作用力縱橋向6級風載結構自重五、塔架結構有限元程序分析（1）建模參數(shù)選取1）單元選?。嚎臻g梁單元beam188模擬鋼管立柱和中塔頂部挑梁空間桿單元link8模擬塔架聯(lián)系桁架組成桿件索單元link10模擬邊塔抗臺時風纜系統(tǒng)2）參數(shù)設定鋼管立柱、桁架角鋼及中塔頂部挑梁彈性模量 泊桑比 材料密度 風纜彈性模

21、量 泊桑比 材料密度 3）邊界條件鋼管立柱底部約束節(jié)點，鋼管立柱與桁架桿系連接由單元特性自動按鉸連接處理中塔塔架頂部挑梁與頂層桁架連接在頂層桁架上將與挑梁投影重疊處的節(jié)點選為主節(jié)點，對應的挑梁節(jié)點為子節(jié)點采用對，進行耦合處理4）荷載施加塔架外部作用荷載采用集中力形式對作用點處節(jié)點進行施加塔架自重在模型中輸入重力加速度由有限元程序自動施加（2）采用有限元程序對結構進行空間建模分析，有限元模型如下：圖5-1邊塔6級風速下模型圖5-2邊塔12級風速下模型圖5-3中塔無抬吊時模型圖5-4中塔抬吊時模型六、塔架結構有限元程序分析結果匯總（1）邊塔塔架結構計算結果匯總（應力單位：MPa 位移單位：mm）類

22、別項目工況一工況二工況三工況四立柱800x20軸應力101131108141彎應力15.119.024.325.7聯(lián)桿2L200x20軸應力112112117124聯(lián)桿2L100x10軸應力86.9111106119塔頂位移順橋向1.018530196橫橋向8.93.0413.1垂向37414041（2）中塔塔架結構計算結果匯總（應力單位：MPa 位移單位：mm）類別項目工況一工況二工況三工況四工況五工況六工況七工況八工況九工況十立柱800x20軸應力54.560.547.452.974.070.262.469.269.669.3彎應力14.69.711.710.627.728.8161721

23、.721.2聯(lián)桿2L200x20軸應力20.921.918.520.832.333.7142141104106聯(lián)桿2L100x10軸應力30.232.824.428.855.659.238.236.447.345.3塔頂位移順橋向455934481.09258734660橫橋向141.0142.0701.0184.7184.5垂向1818141691336363535.4（3）各構件最大應力云圖圖61邊塔立柱800x20最大軸向應力圖62邊塔立柱800x20最大彎應力圖63邊塔角鋼2L200x20最大軸向應力圖64邊塔角鋼2L100x10最大軸向應力圖65邊塔順橋向最大位移圖66邊塔垂向最大位

24、移圖67邊塔橫橋向最大位移圖68中塔立柱800x20最大軸向應力圖69中塔立柱800x20最大彎應力圖610中塔角鋼2L200x20最大軸向應力圖611中塔角鋼2L100x10最大軸向應力圖612中塔順橋向最大位移圖613中塔垂向最大位移圖614中塔橫橋向最大位七、塔架結構各構件強度、剛度及穩(wěn)定性驗算（1）邊塔塔架1）鋼管立柱800x20(材料Q345)已知 ，則，查表得由計算匯總表得：，故2）聯(lián)系桁架角鋼2L200x20(材料Q235)已知 ，則，查表得由計算匯總表得： 故3）聯(lián)系桁架角鋼2L100x10(材料Q235)已知 ，則，查表得由計算匯總表得： 故4）塔頂最大水平位移綜上可知邊塔塔

25、架結構各構件強度、剛度及穩(wěn)定性均滿足設計要求（2）中塔塔架1）鋼管立柱800x20(材料Q235)已知 ，則，查表得由計算匯總表得：，故2）聯(lián)系桁架角鋼2L200x20(材料Q235)已知 ，則，查表得由計算匯總表得： 故3）聯(lián)系桁架角鋼2L100x10(材料Q235)已知 ，則，查表得由計算匯總表得： 故4）塔頂最大水平位移綜上可知中塔塔架結構各構件強度、剛度及穩(wěn)定性均滿足設計要求八、后錨承臺驗算后錨主要作用在P1、P6號墩承臺上。按照設計圖，該承臺為7根120cm鉆孔灌注樁，同時根據(jù)一號招標文件補遺第16條規(guī)定，引橋標準斷面橋墩樁基采用6根鉆孔灌注樁，因此P1、P6號墩按6根鉆孔灌注樁進行驗算。經過初步驗算，原設計6根鉆孔灌注樁無法滿足后錨系統(tǒng)的荷載要求，因此必須進行結構加強處理，擬采取在原設計的外側補鉆3根120cm鉆孔灌注樁、承臺作相應的放大處理，見下圖：說明：1) 因尚未得到按照一號招標文件補遺第16條規(guī)定修改樁數(shù)后的設計圖紙，上圖中，原設計承臺仍按照原設計圖表示。2) 錨柱鋼管內填充混凝土。圖81后錨承臺結構加固示意圖(1) 單樁水平力P1墩承臺樁基布置3×3