人行天桥——自锚式悬索桥设计(30页).docx

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1、-人行天桥自锚式悬索桥设计1.桥型布置1.1 结构尺寸全桥计算长度取132米，桥面宽取4米。跨中计算跨径取75米计算，边跨计算跨径取28.5米，吊杆间距为3米，跨中布置24对吊杆，边跨布置7对吊杆。塔顶距桥面11米，桥面距桥塔底部7.5米。1.2主要构件尺寸各种结构的截面选取都通过本人运用midas软件多次建模计算后选取，具体如下：主梁：采用钢箱梁，梁高1.1米，顶板、底板厚16毫米，腹板厚12毫米，箱内设置有横隔板。主缆：采用热挤聚乙烯高强钢丝，标准强度为1670MPa，规格2417，其等效截面直径取,110毫米。吊杆：采用195钢丝，其等效截面直径取30毫米。桥塔：采用1000mm*600

2、mm的箱型截面，板厚30毫米。1.3结构类型及其特点 该桥采用了自锚式悬索桥结构体系，这种结构体系具有以下特点：（1）自锚式悬索桥省去了锚碇，主缆锚固于加劲梁两端，悬索受拉，加劲梁受压，形成内部自身平衡体系，结构工作效率高，像连续梁一样工作，跨中和塔架支承处的正、负弯矩最大，与斜张桥有异曲同工之理。（2）桥面共同承受主缆传来的巨大水平压力，提高了加劲梁的抗弯刚度，能减小活载挠度，整体和稳定性都好。施工安全和方便，造价经济合理，大大降低了悬索桥的造价。（3）加劲梁是主缆通过吊杆弹性的平衡稳定支承着，桥面的轴向压力对预拱度和挠度不产生附加偏心弯矩，因为附加偏心弯矩被加劲梁和桥面的巨大重量所平衡，这

3、和一般无平衡稳定支承的自由状态情况不同。1.4结构模型的建立自锚式悬索桥结构的内力计算复杂，应采用非线性有限单元法来计算。对于几何可变的缆索单元，需作加大弹性模量的应力刚化处理。悬索作为几何可变体系，活载作用的变形影响很大，是非线性变形影响的主要因素。本设计采用midas软件建立了该桥三维空间有限元计算模型，可以充分考虑结构的几何非线性，精度较高。主缆和吊杆采用只受拉单元模拟，桥面和桥塔采用梁单元模拟。表1-1:主要材料力学参数弹性模量（N/mm）抗拉强度（N/mm）屈服强度（N/mm）容重截面积(mm)主缆2.1E1116707861等效直径110吊杆2.1E1116707861等效直径30

4、主梁2.1E1147034578611100*4000主塔2.1E1147034578611000*6002、桥面系设计及主梁计算2.1桥面系形式桥面板采用两块钢筋混凝土形板，间距1.5m，桥面板高0.28m，当吊装就位后，用30号水泥砂浆填缝。按铰接板进行计算，计算过程从略。桥面铺装采用1.5cm人行道沥青砂垫层，上铺有4cm的人行道地板砖。2.2主梁形式主梁纵梁为钢梁，单箱双室箱型断面，其标准截面尺寸：高1100mm，宽4000mm，底宽1500mm，顶、底板厚16mm，中腹板厚12mm，边腹板厚12mm，斜腹板厚12mm，图样如下图2-1。图2-1 主梁截面尺寸主梁截面性质如下表2-1。

5、项目单位数值面积mm2152230.796450Ixmm434994880742.660362Iymm4262550224967.686770Cx(+)mm2000Cx(-)mm2000Cy(+)mm457.172213Cy(-)mm642.827787表2-1主梁截面性质主梁由11段预制钢箱梁组成，其中整桥的箱梁构造以跨中对称，半桥的箱梁构造如图2-2和图2-3所示图2-2 图2-3截面构造如图2-3图2-4主梁所用材料及各个部件的数量、重量统计如下（表2-2表2-8）名称编号规格单件重(kg)数量总重(kg)顶板N14000166508.43269.8213269.82N1a4000165

6、000251212512纵向加劲肋N6100106508.451.09110510.91N6a10010500039.2510392.5名称编号规格单件重(kg)数量总重(kg)底板N22500166508.42043.63812043.638N2a39401650001633.05111633.051N2b100163300989.7281989.728纵向加劲肋N7100106508.451.0916306.546N7a10010330025.9056155.43N7b10010304823.927247.854N7c100101443.811.334222.668N7d100102000

7、15.710157边腹板N3520206508.4531.34621062.692N3a22043030001557.12623114.252N3b22043020001038.08422076.168纵向加劲肋N10a10010200015.7694.2N10b10010341026.769253.537N10c100102792.421.92243.84N10d100108006.28212.56N10e1001012009.42437.68中腹板N41068126508.4654.7811654.781N4a21681250001021.12811021.128纵向加劲肋N9100106

8、508.451.0914204.364N9a10010500039.256235.5N9b10010408132.036264.027N9c100103126.424.542249.085斜腹板N5951.1126508.4583.11121166.222N5a864.6163300350.8992701.798纵向加劲肋N8100106508.451.0914204.364N8a100102411.518.93237.86N8b100101197.19.397218.794横隔板N11a1974101068165.49681323.97N11c1964102168334.2492668.49

9、8端封板N132200104000690.81690.8支座垫板N14a4002040025.12250.24Q345D =10mm5253.532Q345D =12mm2842.131Q345D =16mm11150.035Q345D =20mm1112.932Q345D =30mm5090.42总计25449.05全桥两套 总计50898.1表2-2 A节段材料工程数量表名称编号规格单件重(kg)数量总重(kg)顶板N140001612006.46032.01516032.015纵向加劲肋N61001012006.494.2510942.5底板N225001612006.43770.011

10、3770.01纵向加劲肋N71001012006.494.2506565.50边腹板N35201212006.4588.12221176.244中腹板N410681212006.41207.91111207.911纵向加劲肋N91001012006.494.254377斜腹板N5951.11212006.41075.69722151.394纵向加劲肋N81001012006.494.254377横隔板N111982121068199.481595.2耳板N123003065045.9238367.38Q345D =10mm2262.006Q345D =12mm6130.75Q345D =16m

11、m9802.025Q345D =30mm367.38总计18562.16全桥两套 总计37124.32表2-3 B节段材料工程数量表名称编号规格单件重(kg)数量总重(kg)顶板N14000168500.54270.65114270651纵向加劲肋N6100108500.566.72910667.29底板N22500168500.52669.15712669.157纵向加劲肋N7100108500.566.7296400.374边腹板N3520128500.5416.3882832.777中腹板N41068128500.5855.1981855.198纵向加劲肋N9100108500.566.

12、7294266.916斜腹板N5951.1128500.5761.59121523.181纵向加劲肋N8100108500.566.7294266.916横隔板N111982121068199.4004797.601N11b1982201068332.3342664.668耳板N123003065045.9234183.690支座垫板N14a4002040025.120250.240支座加劲板N15190102403.580828.637Q345D =10mm1630.131Q345D =12mm4008.757Q345D =16mm6939.808Q345D =20mm714.908Q345

13、D =30mm183.690总计13477.294全桥两套 总计26954.588表2-4 C节段材料工程数量表名称编号规格单件重(kg)数量总重(kg)顶板N140001611507.75781.46815781.468纵向加劲肋N61001011507.790.33510903.354底板N225001611507.73613.41813613.418纵向加劲肋N71001011507.790.3356542.013边腹板N35201211507.7563.69321127.386中腹板N410681211507.71157.73911157.739纵向加劲肋N91001011507.79

14、0.3354361.342斜腹板N5951.11211507.71031.01722062.033纵向加劲肋N81001011507.790.3354361.342横隔板N111982121068199.40081595.202耳板N123003065045.9238367.380Q345D =10mm2168.051Q345D =12mm5942.361Q345D =16mm9394.886Q345D =30mm367.380总计17872.678全桥两套 总计35745.356表2-5 D节段材料工程数量表名称编号规格单件重(kg)数量总重(kg)顶板N140001615012.87542

15、.43117542.431纵向加劲肋N61001015012.8117.850101178.500底板N225001615012.84714.01914714.019纵向加劲肋N71001015012.8117.8506707.103边腹板N35201215012.8735.38721470.774中腹板N410681215012.81510.37211510.372纵向加劲肋N91001015012.8117.8504471.402斜腹板N5951.11215012.81345.05122690.102纵向加劲肋N81001015012.8117.8504471.402横隔板N1119821

16、21068199.400101994.003耳板N123003065045.92310459.225Q345D =10mm2828.412Q345D =12mm7665.251Q345D =16mm12256.450Q345D =30mm459.225总计23209.337全桥两套 总计46418.675表2-6 E节段材料工程数量表名称编号规格单件重(kg)数量总重(kg)顶板N140001615002.37537.15617537.156纵向加劲肋N61001015002.3117.768101177.681底板N225001615002.34710.72214710.722纵向加劲肋N7

17、1001015002.3117.7686706.608边腹板N35201215002.3734.87321469.745中腹板N410681215002.31509.31511509.315纵向加劲肋N91001015002.3117.7684471.072斜腹板N5951.11215002.31344.11022688.221纵向加劲肋N81001015002.3117.7684471.072横隔板N111982121068199.400101994.003耳板N123003065045.92310459.225Q345D =10mm2826.433Q345D =12mm7661.284Q3

18、45D =16mm12247.878Q345D =30mm459.225总计23194.820全桥一套 总计23194.820表2-7 F节段材料工程数量表规格总重Q345D =10mm31110.7Q345D =12mm60839.78Q345D =16mm111334.3Q345D =30mm3655.68总计13395.42全桥一套 总计220335.9表2-8 全桥材料工程数量表3、主缆及钢箱梁计算3.1基本数据主跨l75m，取nf/l1/9，矢高f75/98.33m取8.5m加劲梁计算跨径l1132m以塔顶作为坐标原点建立坐标系，得主索抛物线方程为：主索在塔顶的倾角0边索倾角为1ta

19、n1-9.83-30=0.328，118.16边索跨度：l28.5m边索长度：S030cos18.1629.994m主索长度S1183n2325n425657n6l1.0320157577.401m悬索全长：SS12S077.401229.994137.389m3.2恒载计算在计算内力以前，必须先假定各部件的尺寸，按以下近似公式计算：悬索水平拉力 式中：f矢跨比；g沿桥每米恒重(参考已成桥的资料估算)悬索按近似公式计算出水平拉力，确定采用12根42钢丝绳。按GB36264标准，其规格如下：钢丝直径2.8mm，钢丝根数7股19丝，组成钢丝绳直径为42。各部分恒载计算见下表3-1项目计算式每米恒重

20、(KN/m)人行道形板 (40.0620.080.17)256.681.5cm人行道沥青砂0.0154201.2人行道地板砖0.044233.68箱梁2203/13216.69悬索2273.140.072140.539/1320.55吊杆(包括连接件)根据已成桥估计1.40人群荷载4.625418.5合计48.7表3-1 各部分恒载计算3.3主缆验算主缆验算采用人群荷载满布以及运用midas进行局部布载验算3.3.1主缆满布荷载验算1.主缆水平拉力2.主缆在索鞍处最大内力计算3边缆内力计算边索倾角：4主缆强度验算全桥主缆共两根，采用12根42钢丝绳。按GB36264标准，其规格为钢丝直径2.8

21、mm，钢丝根数7股19丝，组成钢丝绳直径为42。钢丝强度1670MPa，主缆孔隙率指标：索夹处18，索夹外20。主缆截面积计算主缆强度验算安全系数取3.0所以主缆截面受力是安全的。5.挠度验算（1）主索因温度及荷载作用下的挠度计算建桥地区最高温度 建桥地区最低温度 安装完毕时的温度 主索长度 温度上升温度下降荷载作用下主索弹性伸长 (2-2) (2-3)代入(2-3)式，主缆截面积恒载作用时弹性伸长同样采用上面的公式主索伸长引起跨中矢高的变化由E.E.吉勃施曼所著公路钢桥公式可得得 升温时 降温时恒载作用时 最不利情况恒载作用和升温时（2）边索因温度及荷载作用下引起主索跨中挠度的计算同主索一样

22、的公式进行计算温度变化和荷载作用下的边索伸长左岸边索伸长度 升温时 降温时 恒载作用时右边计算同左边略温度和荷载作用下边索伸长组合左岸 右岸边索温度及弹性伸长引起主索跨中矢高的变化计算公式按公路钢桥式 (2-4)将代入(2-4)式 式简化（3）最不利情况下跨中矢高变化值计算安全3.3.2 midas下局部布人群荷载主缆验算本计算采用四种布载方式，具体如下：（1） 左边跨满布人群荷载，全桥左右对称，右边跨与左边跨同；（简称半边跨）（2） 左半边中跨满布人群荷载，全桥左右对称，右半边中跨与左半边中跨同；（简称半中跨）（3） 左边跨和右边跨同时满布人群荷载；（简称边跨）（4） 中跨满布人群荷载；（简

23、称中跨）主缆在自重、全桥人群荷载、半边跨人群荷载、半中跨人群荷载、边跨人群荷载、中跨人群荷载、温度人群荷载下的应力图如下：图3-1 自重荷载下受拉单元应力图图3-2 全桥满布人群荷载下受拉单元应力图图3-3 升温下受拉单元应力图图3-4 降温下受拉单元应力图图3-5 半边跨布人群荷载受拉单元应力图图3-6 半中跨布人群荷载受拉单元应力图图3-7 边跨布人群荷载受拉单元应力图图3-8 中跨布人群荷载受拉单元应力图锚端MPa主塔边跨MPa主塔中跨MPa中跨跨中MPa自重荷载z311.757353.583330.732297.400满布人群荷载90.327101.72094.76586.198升温荷

24、载t8.9129.6109.0058.193降温荷载t8.9129.6109.0058.193半边跨布载38.30723.85620.034260523半中跨布载43.01248.84545.78741.278边跨布载20.58323.27820.66818.811中跨布载76.58985.84581.12873.969表3-2 各种工况下的主缆应力各种工况下的主缆应力组合计算如下：式中r为人群荷载下的主梁应力。由于升降温荷载相同，计算取任意一种进行锚端MPa主塔边跨MPa主塔中跨MPa中跨跨中MPa自重荷载311.757353.583330.732297.400升温荷载8.9129.6109

25、.0058.193总计320.669363.193339.737305.593表3-3 主缆自重和升温荷载组合锚端MPa主塔边跨MPa主塔中跨MPa中跨跨中MPa自重、温度320.669363.193339.737305.593满布人群荷载410.996464.913434.502391.791半边跨布载358.976387.049359.771332.116半中跨布载363.681412.038385.524346.871边跨布载341.252386.471360.405324.404中跨布载397.258449.038420.865379.562表3-4 各种工况组合下的主缆应力由表3-4

26、可以看出，当全桥满布时的主塔边跨应力最大满足设计要求由此主缆设计满足要求3.4 吊杆验算由midas得出下表的数据锚端MPa主塔边跨MPa主塔中跨MPa中跨跨中MPa自重荷载z172.904282.856276.778135.215满布人群荷载49.34260.01360.56735.456升温荷载t1.9571.1601.5000.527降温荷载t1.9571.1601.5000.527半边跨布载0.2830.7700.7550.573半中跨布载23.89638.33637.79316.839边跨布载9.74411.38310.9665.736中跨布载45.70946.55749.42733

27、.081表3-5 各种工况下的吊杆应力锚端MPa主塔边跨MPa主塔中跨MPa中跨跨中MPa自重、温度174.861284.016278.278135.742满布人群荷载224.203344.029338.845171.198半边跨布载175.144284.786279.033136.315半中跨布载198.757322.352316.071152.581边跨布载184.605295.399289.244141.478中跨布载220.57330.573327.705168.823表3-6 各种工况组合下的吊杆应力吊杆拉力(吊杆间距3m)采用一根42钢丝绳安全系数 (安全)由表3-6可以得出全桥吊

28、杆受力最大应力为344.029，验算（安全）由此吊杆的设计满足要求。3.5 主梁承载能力计算主梁为132米的等截面单箱双室的预制箱梁，截面形式以及尺寸如图2-1，截面性质如表2-1： 截面面积：对x轴的惯性矩：对y轴的惯性矩：型心距底板的高度：主梁采用Q345钢材，设计强度为345MPa，安全系数。Midas梁单元在各种工况下的应力图如下：图3-9 自重荷载下的梁单元应力图图3-10 升温荷载下的梁单元应力图图3-11 降温荷载下的梁单元应力图图3-12 全桥布人群荷载下的梁单元应力图图3-13 半边跨布人群荷载下的梁单元应力图图3-14 半中跨布人群荷载下的梁单元应力图图3-15 边跨布人群

29、荷载下的梁单元应力图图3-16 中跨布人群荷载下的梁单元应力图在各种工况下的主梁在端部、边跨跨中、主塔靠边跨方、主塔靠中跨方以及中跨跨中的应力及应力组合如下表所示：端部MPa边跨跨中MPa主塔边跨MPa主塔中跨MPa中跨跨中MPa自重荷载z-76.738116.679118.091101.132150.581满布人群荷载-29.23230.62224.26820.42630.848升温荷载t6.162-2.147-1.216-1.440-1.440降温荷载t6.162-2.147-1.216-1.440-1.440半边跨布载-17.05020.20420.36922.109-81.792半中跨

30、布载21.75023.98011.21518.23921.557边跨布载-28.01616.36118.68415.829-13.528中跨布载-45.38030.67728.49623.17028.549表3-7 各种工况下的主梁应力各种工况下的主梁应力组合运用Excel计算如下：式中r为人群荷载下的主梁应力。端部MPa边跨跨中MPa主塔边跨MPa主塔中跨MPa中跨跨中MPa自重荷载-76.738116.679118.091101.132150.581升温荷载6.162-2.147-1.216-1.440-1.440满布人群荷载-99.808145.154141.143120.118179.

31、989半边跨布载-87.626134.736137.244121.80167.349半中跨布载-48.826138.512128.09117.931170.698边跨布载-98.592130.893135.559115.521135.613中跨布载-115.956145.209145.371122.862177.69表3-8 各种工况下的主梁应力组合由表3-8可以得出当全桥满布人群荷载时，在跨中的应力值最大，为179.989MPa。所以主梁设计满足要求。3.6索夹的计算材料采用ZG45，索夹结构如图1） 索夹螺栓拉应力验算吊杆拉力螺栓拉力：按六角形索夹，在吊杆拉力作用下，索夹一般承受To/2力

32、。作用于六角边的切向拉力可近似按To/2*tg30o，此力就是螺栓承受的拉力螺栓有效面积A35.59=137/（55.187）=35.59(1) 抵抗索夹滑动的验算抵抗索夹滑动的力取索夹螺栓允许拉力的50% =90MPa索夹的夹紧力 F=0.5nA =0.555.18790=116.71kN靠近索塔处的索夹sin=0.224吊杆拉力所产生的向跨中的滑动力为F=Tosin=4770.224=106.85kN116.71kN （安全）所以索夹设计满足要求。4.主塔计算 4.1设计资料主塔采用Q345D钢材，使用1000mm*600mm截面的箱型钢柱，壁厚3mm。塔高17.275m，其中桥面标高7.

33、275m，桥面到塔顶10m。图4-1 主塔截面尺寸4.2 设计计算 4.2.1 截面性质面积 截面惯性矩截面模量回转半径板件宽厚比：翼缘：腹板：4.2.2强度计算Midas计算内力图及弯矩图如下，图4-1 自重荷载下梁单元轴力图4-2 升温荷载下梁单元轴力图4-3 降温荷载下梁单元轴力图4-4 全桥满布人群荷载下梁单元轴力图4-5 半边跨布人群荷载下梁单元轴力图4-6 半中跨布人群荷载下梁单元轴力图4-7 边跨布人群荷载下梁单元轴力图4-8 中跨布人群荷载下梁单元轴力根据midas软件计算五种人群荷载工况下的主塔上部和下部的内力组合如下：上部kN下部kN自重荷载6260.6766707.592

34、满布人群荷载1569.6591615.252升温荷载-139.443-139.443降温荷载-139.443-139.443半边跨布载152.896490.736半中跨布载445.544445.546边跨布载203.589203.589中跨布载760.963760.950表4-1 各种工况下的主塔轴力上部kN下部kN自重、温度6121.2336568.149满布人群荷载7690.8928183.401半边跨布载6274.1297058.885半中跨布载6566.7777013.695边跨布载6324.8226771.738中跨布载6882.1967329.099表4-2 各种工况下的主塔轴力组

35、合图4-9 自重荷载下梁单元弯矩图图4-10 升温荷载下梁单元弯矩图图4-11 降温荷载下梁单元弯矩图图4-12 全桥满布人群荷载下梁单元弯矩图图4-13 半边跨布人群荷载下梁单元弯矩图图4-14 半中跨布人群荷载下梁单元弯矩图图4-15 边跨布人群荷载下梁单元弯矩图图4-16 中跨布人群荷载下梁单元弯矩图上部kN.m下部kN.m自重荷载1060.9731502.022满布人群荷载244.023363.340升温荷载-23.092-34.941降温荷载-23.092-34.941半边跨布载136.336196.233半中跨布载104.189157.151边跨布载68.584103.757中跨布

36、载234.621352.510表4-3 各种工况下的主塔弯矩上部kN.m下部kN.m自重、温度1037.8811467.081满布人群荷载1281.9041830.421半边跨布载1174.2171663.314半中跨布载1142.071624.232边跨布载1106.4651570.838中跨布载1272.5021819.591表4-4 各种工况下的主塔弯矩组合由此最不利的荷载为：轴力：弯矩：因为腹板高厚比比较大，没有塑性发展能力，所以塑性发展系数=1.0。强度计算公式为满足要求4.3稳定性计算平面外计算长度取侧向支撑点之间的距离，这里考虑柱脚在平面外的嵌固作用，去计算长度系数为0.85。查

37、钢结构设计规范GB 50017-2003 压杆稳定系数表C-2，得到。平面外稳定验算公式为:4.4 柱脚设计柱脚最大剪力为89.3kN，对应的轴压力为6121.233kN,因此柱底摩擦力能够满足柱底剪力。底板计算：因为是钢结构，柱脚内力小，因此一般都是布置锚栓的要求决定底板的尺寸，底板取1400700。底板厚度：混凝土最大反力为柱底板的厚度按照两边支承板计算：记a1为对角线长度，b1是顶点到对角线的距离。取底板弯矩系数为所以底板的弯矩是柱底板的厚度为所以取底板厚度为40mm。5.桩基础设计5.1 承台设计由参考资料，本设计承台厚度取2m，考虑到下部布桩的需要，承台顺桥向宽度取5.5m.5.2

38、桩基础设计根据设计任务书的要求，本设计中的桩基础为摩擦桩。由于上部结构自重、活载及桥塔自重及加劲梁自重都已知，根据参考文献设计桩长及桩径。本设计，桩径统一取1.0m，在此基础上设计桩长。公式如下： (5-1)P单桩轴向受压容许承载力(kN)，在局部冲刷线以下，桩身自重的一半作为外力考虑；U桩身周长，按成孔直径计算；l桩在局部冲刷线以下的有效长度；A桩底横截面积；桩壁土的平均极限摩阻力(MPa). (5-2)n土层的层数；承台底面或冲刷线以下各土层厚度；与相对应的各土层与桩壁的计算摩阻力；桩尖处土的极限承载力(kPa)，本设计按砂土层计算； (5-3)桩尖处土的容许承载力；h桩尖埋置深度，对有冲刷的基础没，埋置深度由一般冲刷线起算；地面土容许承载力随深度的修正系数；桩尖以上土的容重(kN/m3)；修正系数。根据以上公式计算桩长如下：首先计算单桩受到的竖向反力如表。墩位1，4#2, 3#上部荷载(kN)3214.23214.2桥塔自重(kN)2859.2