1、S342 惠山段直湖港大桥主桥结构计算书第 1 页 共 36 页设计计算书(主跨 100 米柔性系杆钢管砼拱桥)二六年五月S342 惠山段直湖港大桥主桥结构计算书第 2 页 共 36 页目 录一、设计说明 .3二、拱轴系数的确定 .52.1 悬链线拱轴线: .62.2 抛物线拱轴线: .72.3 结论: .7三、施工计算 .73.1、结构整体模型 .73.2、系杆、不同加载过程中桥墩计算 .93.3:成拱阶段主拱计算 .10四、全桥稳定性验算 .164.1 未设横撑模态 .164.2 设三道横撑模态 .17五、附计算过程应力、内力、位移图： .195.1 空钢管成拱 .195.2 浇筑下管砼
2、.215.3 张拉系杆 1 和 2.235.4 浇筑上管及缀板内砼 .265.5 成桥后变形情况 .285.5 成桥后墩身应力 .295.6 温度降低 35 度 .30六、整体计算(按梁单元布置了三个车道荷载 ).326.1：反力 .326.2：吊杆拉力(自重+汽车+ 温升 未加组合系数) .356.3：验算系杆截面(自重+汽车+温升 未加组合系数) .36S342 惠山段直湖港大桥主桥结构计算书第 3 页 共 36 页一、设计说明计算理论：弹性阶段未考虑非线性影响；采用应力叠加与内力叠加原理计算；计算模型：按实际材料类型采用空间实体单元模型模拟钢与砼的材料性质；运用砼弹性模量的变化模拟钢管砼
3、的加载过程以及组合截面形成过程；计算按不同工况分别进行内力、应力组合；横向采用杠杆法分配活载；恒载平均分配给双肋；计算软件：Midas/Civil6.7.1，计算单位：t.m结构形式：钢管混凝土哑铃形断面，截面总高度 2.5 米，钢管 1100*14Q345 钢板卷制形成；内充 C40 号混凝土；横向双肋，以 1100*14 空钢管形成五道横撑；桥面总宽度 15.75 米，拱肋双肋布置在桥面外，单片拱肋水平对称布置，桥面范围竖曲线线由吊杆调节形成；结构跨径：计算跨径 100 米，采用拱轴系数为 m=1.12 的悬链线拱轴线；设计荷载：公路-I 级；地震动峰值加速度：0.5g/m2，按 0.1g
4、/m2 设防；本主桥拱肋采用吊装，扣挂施工。系杆采用 R=1860MPa 成品钢绞线，每幅桥共 12 束(单根拱肋下 6 束)，为 OVMXG 15-22 可换索式钢绞线系杆锚。在吊装过程中不设临时系杆。加载顺序：（1） 上下管在工地制作成三段，用缀板焊接好，要求采用自动焊，分三段合拢，合拢段长度以控制吊装重量为主，边段长度采用 40 米，合拢段长度 20 米；此时为二铰拱，钢管重量由钢管自身承受，计算合拢时的稳定性及钢管应力；（2） 封拱，形成无铰拱，浇筑下管内混凝土，此时混凝土重量亦由钢管承受，待下管内混凝土达到强度达到 28 天再浇缀板内及上管内混凝土，此时混凝土重量由钢管及下管混凝土共
5、同承受；按应力叠加法求出钢管的叠加应力；（钢管一开始就参与受力，而管内混凝土则随着浇筑次序依次参与受力；后期桥面系恒载、活载等由钢管混凝土组合截面共同受力）（3） 计算合拢温度与钢管合拢温度是不相同的，本桥钢管可选在 15 度时合拢，但计算合拢温度可能要达到 28 度左右；设计计算温度降低由合拢计算温度与当地的日平均温度对比，设计采用温降 20 度，温升 10 度控制；拱肋混凝土收缩徐变按温度降低 15 度计算；非线性应力（日照引起的内外温差）对钢管混凝土极限承载力没有影响，拟不计入；一般为说,超静定拱温降受力不利,所以一般要降低合拢温度,最好在 15 度左右合拢.资料 1P177 表明: 钢
6、管砼温度应力值与拱肋自重产生的应力值相当 ,应当引起设计者的注意.（4） 加载桥面系；由于此时拱肋刚度已经较大，桥面只要按对称由边及中的过程对称加载就可以了；（5） 运营，加载车辆荷载；（拱脚附近未采用微膨混凝土工艺，主要是考虑到拱脚的环向应力作用下对钢管的拉应力S342 惠山段直湖港大桥主桥结构计算书第 4 页 共 36 页过大，在拱脚段不宜采用，其余段采用微膨混凝土）（6）验算在拱肋混凝土浇筑时拱顶是否需要配重平衡的问题：主要考虑拱肋的上拱变形值不宜太大；（7）计算中可按 2 米左右一节的直线形钢管代替，不影响计算精度，预制时按 1.5 米一节工厂预制；（天津彩虹桥除在吊杆两侧各设一道角钢
7、加劲箍外，其余每隔 2.5 米设置一道角钢加劲箍，以增加钢管壁的刚度）S342 惠山段直湖港大桥主桥结构计算书第 5 页 共 36 页二、拱轴系数的确定截面性质计算(采用 AutoCAD 面域的方法)及其它: 空钢管面积: 0.0911周长: 13.0415边界框: X: -0.5500 - 0.5500Y: -1.2500 - 1.2500质心: X: 0.0000Y: 0.0000惯性矩: X: 0.0605Y: 0.0149惯性积: XY: 0.0000旋转半径: X: 0.8150Y: 0.4040主力矩与质心的 X-Y 方向:I: 0.0149 沿 0.0000 -1.0000J:
8、0.0605 沿 1.0000 0.0000 核心混凝土:面积: 2.0469周长: 6.4658边界框: X: -0.5360 - 0.5360Y: -1.2360 - 1.2360质心: X: 0.0000Y: 0.0000惯性矩: X: 1.0175Y: 0.1384惯性积: XY: 0.0000旋转半径: X: 0.7050Y: 0.2600主力矩与质心的 X-Y 方向:I: 0.1384 沿 0.0000 1.0000J: 1.0175 沿 -1.0000 0.0000 全组合截面由CECS28：90钢管混凝土在变形计算时的刚度计算公式为：EA=EcAc+EgAg=3.3141*10
9、6*2.0469+2.1006*107*0.0911=8.69727*106(ton)EI=EcIc+EgIg=3.3141*106*1.0175+2.1006*107*0.0605=4.64295975*106 (ton) 桥面系重量计算（桥面全宽） （吨）：A B C1 中纵梁重：(5 米长) 5*15.75*0.25*2.5 49.218752 边纵梁重：(7.25 米长) 7.25*15.75*0.25*2.5 71.36719S342 惠山段直湖港大桥主桥结构计算书第 6 页 共 36 页3 横梁重：(每条） 1.6*0.8*19*2.5 60.84 桥面水泥混凝土 10cm 铺装重
10、：(每米长) 0.1*15.75*1*2.45 3.858755 桥面沥青混凝土 6cm 铺装重：(每米长) 0.06*15.75*1*2.3 2.17356 防撞栏重（每侧每米）： 0.2527*1.1*2.5 0.694925（吊杆自重忽略不计） 每根中吊杆所作用的恒载重量：(承上表)= (C3+C5+C6*5+C7*5)/2+C8*5= 73.56463(吨） 每根边吊杆所作用的恒载重量：=(C4/2+C3/2+C5+(C6+C7)*12.25/2)/2+C8*12.25/2= 83.27667(吨）2.1 悬链线拱轴线:根据已建桥梁资料，结合本桥梁结构形式和跨径情况，采用悬链线和抛物线
11、分别试算拱轴线，悬链线计算中为合理地确定拱轴系数，采用 m=1.1、1.15、1.12、1.2、1.3 进行试算(编制了专门的电子表格计算程序可直接输出拱轴坐标和 Midas/Civil 的实体单元结构计算模型)，观察拱轴恒载下压力线偏心分布情况拱肋平面杆系有限元弹性分析时，单元弹性模量可按组合弹性模量计算，根据钢-混凝土组合结构设计规程 （DL/T5085-1999 ）表 2-2 可得组合弹性模量 E，或由公式计算弹性变形模量JCJ01-89 ：E=0.85*(1- )*Ec+ *Es其中：-含钢率=0.0911/(2.0469+0.0911)= 0.04261E=0.85*(1-)*Ec+
12、*Es= 3457757.814t/m2由 EA、EI 已知，换算矩形截面的面积为：A=8.69727/3.45=2.5209478I=4.64295975/3.45=1.3457854由截面 A=a*b I=a*b3/12，可以推出 b=(12*I/A).5，b= 2.531025998,a=A/b=0.996018则组合截面由 E=3457757.814t/m2 截面尺寸由 b(高)=2.531025998 ,a(宽)= 0.996018 的截面模拟组合截面即可；组合截面容重折算()：每米钢管混凝土重量：0.0911*7.85+2.0469*2.5=5.832385=5.832385/2.
13、5209478=2.3135683 (t/m 3)经反复度算拱轴系数，选用 m=1.12 拱轴系数（按无铰拱计算） ，计算列表如下：m e(拱脚) e(拱顶)1.100 0.1360 0.13051.120 0.1328 0.1328S342 惠山段直湖港大桥主桥结构计算书第 7 页 共 36 页1.150 0.1270 0.14851.180 0.1208 0.14901.190 0.1189 0.15252.2 抛物线拱轴线:按拱轴方程: y=4Fx(L-x)/(L 2)，其中 L=100m，F=20m如果将拱轴原点位于抛物线顶点，则拱轴移轴方程变为：y=4*F*x 2/L2计算出拱顶拱脚
14、偏心分别为： 0.096m/0.1635m2.3 结论:由两种线型比较后知，抛物线拱轴在拱脚处偏心距较大，拱顶略有改善，但似没有悬链线优。故采用 m=1.12 的悬链线作为设计拱轴线。三、施工计算3.1、结构整体模型 3.1.1 拱肋有限元结构模型离散图模拟说明：由于拱脚段钢管包裹在混凝土内，截面增大较多，且其结构受力复杂，按最不利情况下局部应力计算，整体计算时按拱脚段为钢筋混凝截面梁单元模拟，与钢管接头开始按模拟成刚性连接，结构图示如下：(吊杆作为节点外荷载计入)S342 惠山段直湖港大桥主桥结构计算书第 8 页 共 36 页3.1.1 图一：混合模型结构离散图3.1.1 图二：实体模型与换
15、算等刚度截面连接示意 3.1.2 模型精度检验系杆采用虚拟梁单元施加预应力，虚拟单元的弹性模量取为：E=1000t/m 2，截面容重为0，经与外力模式下没有虚拟单元的结构同节点位移值对比，二者相差 3%左右，基本不影响结构计算精度，在结构计算结果整理中计入 3%左右的提高系数即可。结构由实体单元与梁单元及虚拟梁单元混合而成，经计算两拱脚处节点位移值完全相等，S342 惠山段直湖港大桥主桥结构计算书第 9 页 共 36 页即认为其结构刚度混合后与实际结构吻合良好。3.2、系杆、不同加载过程中桥墩计算活载横向分布:按杠杆法进行计算 (横向分布系数在荷载组合时考虑进去 )4 车道效应: =(83+6
16、6+49+31)*0.67/100=1.53433 车道效应=(.83+.66+.49)*0.78=1.54442 车道效应=. 83+.66=1.49按三车道考虑冲击系数暂按 0.2 考虑,则考虑以上系数后结构活载组合系数为:未计荷载变异系数:1.2*1.5444=1.85328活载作用下吊杆力:中吊杆均布荷载:=1.05*5=5.25 吨边吊杆均布荷载:=1.05*6.2=6.51 吨集中荷载:36 吨系杆计算的组合系数:由于系杆按容许应力法计算,无需加荷载变异系数:即:恒载+活载+温度+其它，则系杆计算的拉力为：1781 吨sin(38.59)= 1111 吨钢绞线面积计算(Ry=186
17、0Mpa) ：系杆安全系数取 2.5，则：1860*0.4=744Mpa需要的系杆总面积为：A=1111t/744Mpa=106 股-15.24 钢绞线实际选用 6 根 22-15.24 钢绞线单根系杆锚下张拉控制应力为：692Mpa主桥墩横梁重量：S*A*r=7.8425*11.96*2.5=234.49075 t主墩各阶段应力验算：(1) 外侧应力（即靠引桥段墩身）(2) 内侧应力( 靠近河床处应力)墩身应力值(t/m2)墩底 靠近墩底的相邻单元墩身工况 外侧(桥墩一侧)内侧(河床一侧)外侧(桥墩一侧)内侧(河床一侧)第一二根系杆与拱肋重 -14 -140 -16 -127横梁安装了一半
18、-68 -111 -53 -115拉第三根系杆 167 -343 138 -303横梁安装完成 -225 20.4 -193 -23S342 惠山段直湖港大桥主桥结构计算书第 10 页 共 36 页拉第四根系杆 9.6 -214 -13.2 -192桥面板安装 -359 109 -305 66拉第五根系杆 -123 -125 -114 -124桥面铺装 -397 114 -339 68拉第六根系杆（成桥） -161 -123 -148 -126运营（活载） -411 105 -356 61负为压应力，正为拉应力温度影响:基础变位影响:3.3:成拱阶段主拱计算3.3.1 空钢管成拱计算模型如图(仅示出部分模型 ):拱脚水平位移:0.64mm主墩内侧拉应力如图:内侧最大拉应力 0.1Mpa本阶段无需张拉系杆; 钢管应力主拱钢管应力值(t/m2)墩身工况 拱脚附近 1/4L 拱顶附近
