悬索桥.docx
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悬索桥
南宁市英华大桥
上部悬索结构安装
猫道
计算书
编制:
复核：
审核：
批准：
中铁四局集团有限公司
南宁英华大桥项目经理部
2013年11月
1、编制说明
1.1编制说明
猫道是索股架设、测量、调索、紧缆、安装吊索、防护及施工人员的工作通道，系自锚式悬索桥上部结构施工中最重要的结构之一，从施工重要性和安全性考虑，将其进行受力分析计算。
1.2编制依据
1、《南宁英华桥施工组织设计》（2013.09）；
2、《公路桥涵施工技术规范》（JTG/TF50-2011）；
3、《钢结构设计规范》（GB50017-2003）。
1.3编制原则
1、合理组织施工，优选方案，降低造价，确保工期。
2、精心组织，科学管理，便于操作，雕塑精品。
3、坚持专业化作业与综合管理相结合的原则。
4、安全生产的原则，采取先进可靠的安全预防措施，确保施工生产和人身安全。
5、保护环境、文明施工的原则，树立环保意识，保护好周围生态环境，做到文明施工。
2、猫道设计原则
2.1、猫道面的线型应平行于主缆钢丝束在自由悬挂状态下的线形；
2.2、应尽量减轻自重，减少挡风面积；
2.3、防火又能满足机械作业所需工作面和净空要求；同时要求安装和拆除方便；
2.4、对塔顶要测量监控、严格控制索塔偏移量；
2.5、考虑猫道承重索受载后非弹性伸长值，根据主缆设计空缆线形进行承重垂度调整，因此要求设置有调节装置；
3、猫道承重索受力计算
3.1、根据猫道线形应与空载线型相匹配一致的原则，猫道承重索拟位于空缆下方约1.35m处设置。
图1英华桥缆索系统立面图
3.2、猫道荷载估算：
猫道荷载包括：
猫道自重、主缆索股重量、施工活载等。
宽度为3.6m的猫道沿纵桥向1m长度的重量计算表：
序号
项目
规格
单位重量（KN/m）
1.
铁丝网（宽3.5m，长1.5m）
φ5×60mm×60mm
0.172
2.
铁丝网（高1.2m,长3m）
φ5×60mm×60mm
0.09
3.
铁丝网（宽3.4m，长1.5m）
φ1×20mm×20mm
0.021
4.
φ32钢丝绳（8根）
承重
0.328
5.
φ16钢丝绳（6根）
扶手绳
0.065
6.
横梁（每6米1根）
10#槽钢（3.5m）
0.056
7.
横梁（每6米1根）
8#槽钢（3.5m）
0.045
8.
立柱（每6米2根）
8#槽钢（1.5m）
0.036
9
方木踏步（每3米8根）
60*40*1200
0.039
10.
猫道滚轮（6米/个）
0.041
合计
0.893
每根主缆单位重量为22.0kg/m，即0.216kN/m，主缆按最多有2股同时压在猫道上计算，取主缆索股荷载为0.432kN/m。
施工活载包括施工人员重量和小型机具重量，按经验取0.2kN/m。
猫道自重＋主缆索股重量＋施工活载=1.525kN/m。
3.3、猫道承重索索力计算：
1）主跨：
已知猫道承重索条件：
中跨理论跨径为：
L0=410m，塔顶顺桥向宽度B=7.249m，
经修正后之中跨理论跨径为：
L=410-7.249-0.3=402.451m
q=1.525KN/m；L=402.451m；f=37.276m（垂度）；
主跨水平力
=828.28kn=82.8t
=0.37
=arctg（（（exp（α）-exp（-α））/2）=0.362
又依公式:
主跨最大索力为Tmax=H/Cosr
=828.28/Cosr（0.362）=885.68kn
中跨索长计算:
依公式
施工中考虑每端须预留5m工作长度,故中跨猫道索长为:
411.66+5×2=421.66m
2）边跨:
依公式:
边跨水平索力
其中：
q=1.525kn/m，L=142.476m，f=4.681m，C=149.899-81.556-2.728-0.5=65.115m
=0.429
边跨水平力
=909.03KN
依公式:
边跨猫道承重索索长为:
s=
157.77m
施工中考虑每端须预留5m工作长度,故中跨猫道索长为:
157.77m+2*5m=167.77m。
边跨索力TO=
=1054.74KN
TA=
=1005.4KN
TO为塔端支点处索力，TA为梁端支点处索力。
3.4、猫道承重索截面验算：
1）中跨：
选用8根Φ32钢芯钢丝绳，其抗拉强度为1670MPa，钢丝绳最小破断拉力为8×545KN＝4360KN
安全系数K=4360/828.28=5.26＞3（安全）
2）边跨：
选用8根Φ32钢芯钢丝绳，其抗拉强度为1670MPa，钢丝绳最小破断拉力为8×545KN＝4360KN
安全系数K=4360/1054.74=4.13＞3（安全）
3.5、主缆牵引钢丝绳的选取
单根主缆重17402kg，取滑动摩擦系数为0.7。
Φ221470mpa等级纤维芯钢丝绳破断力为558.5Kn≈55.85t。
则：
55.85t/（17.4Tx0.7）≈4.58倍（安全！
）
4、猫道抗风缆设计计算
4.1、风荷载：
指考虑风与猫道正交方向作用时的力并乘以放大系数和响应系数。
按以下公式计算单位面积的风荷载：
W=K1K2K3K4W0
K1——设计风速频率换算系数，取1.0；
K2——风荷载提醒系数，取1.3；
K3——风压高差变化系数，取1.3；
K4——地形地理条件系数，取1.2；
W0=V2/1.6
该桥按设计设计基本风速为10级风速25.6m/s。
按极限风速进行验算：
W=1.0*1.3*1.3*1.2*25.6*25.6/1.6=639Pa，即每平方米受力为0.639KN。
假设风载完全作用在猫道侧面网上，侧面钢丝网充实率取0.25，按猫道侧网高1.2米计算，猫道侧面线荷载为：
0.639*0.25*1.3*1.2=0.249KN/m
猫道侧面总荷载：
中跨：
0.249*411.66=102.5Kn
边跨：
0.249*157.77=39.3Kn
由于风力作用，极限状态下猫道侧面受风吹线密度为猫道侧面线荷载为0.249KN/m，中跨猫道侧面总荷载为102.5KN，边跨猫道侧面总荷载为39.3KN。
侧风引起的猫道倾覆力矩由猫道自重以及结构性设置的缆风绳拉力平衡，中跨设8道，边跨各设1道缆风绳，每道由2根Ф16钢丝绳组成，下端交叉锚固于桥面。
整体水平推力则由锚固点位置的连接装置承担。
4.2、抗侧翻计算
缆风绳示意图
如图示简化模型，A侧受水平风力，对B点计算力矩：
M风=0.249*0.6=0.149KN·m
M自重=0.893*1.75=1.56Kn·m
M自重＞M风
即猫道在自重作用下，不会发生倾覆，增加抗风缆增加其稳定性。
5、边跨梁端猫道承重索预埋件验算
猫道承重索预埋件及连接装置示意图
边跨梁端猫道承重索在边跨梁端通过4个连接件与4个预埋件连接，预埋件按拉弯剪预埋件结构来进行设计及验算，即预埋件同时承受法向拉力、剪力和弯矩，其直锚筋截面积取下列两公式计算结果较大值：
（见预埋件手册P19）
AS1≥
AS2≥
式中，As－锚筋总截面面积；
－钢筋抗拉强度设计值；
－混凝土轴心抗压强度设计值；
t－锚板厚度；
d－锚筋直径；
z－外层锚筋中心线之间的距离
αr－顺剪力作用方向锚筋层数的影响系数，当等间距配置时，二层取1.0，三层取0.9，四层取0.85
αv－锚筋受剪的承载力系数，当αv>0.7时，取0.7；
V－剪力设计值
N－法向拉力设计值
M－弯矩设计值
已知：
=23.1MPa，
=300MPa（锚筋材料为HPB300），z=200mm，锚筋直径d=25mm，锚板厚度t=30mm，锚筋总根数9根。
t/d=30/25=1.2>0.6，符合设计要求。
中跨猫道最大荷载为885.68KN,所以，分配到每个猫道预埋件的拉力为885.68/4=221.42KN，因此
N=221.42×COS（18.499°）=209.98KN
V=221.42×SIN（18.499°）=70.25KN
M=221420×55=12178100N·mm
锚筋取3层，αr=0.9，z=200mm，对锚筋总截面面积进行验算。
=0.9
αv=（4-0.08d）
=0.555
所以
=
=1633.6mm2
=
=1598.5mm2
锚筋总面积
AS=9×（252×π/4）=4443>AS1>AS2
安全系数K=4443/1633.6=2.7，因此预埋件是安全的。
6、猫道连接装置验算
猫道连接装置上图所示。
中跨塔顶设有4套连接装置，连接装置同索塔预埋件焊接。
对中跨连接装置进行验算。
每个连接装置焊缝总长L=2*250+2*280=1040mm，焊缝高10mm,焊缝面积为A=10400mm2。
中跨猫道最大荷载为885.68KN,所以每个连接装置最大拉力为T=221.42kN，水平仰角θ=23.526°则有：
正应力：
σ=T*cosθ/A=221.42*1000*cos23.526°/10400=19.5Mpa<215Mpa（查《钢结构设计手册》）
剪应力：
τ=T*sinθ/A=221.42*1000*sin23.526°/10400=8.50Mpa<125Mpa（查《钢结构设计手册》）
因此连接装置是安全的。
边跨塔顶各设有两套连接装置，连接装置同索塔预埋件焊接。
对边跨连接装置进行验算。
每个连接装置焊缝总长L=2*250+2*280=1040mm，焊缝高10mm,焊缝面积为A=10400mm2。
中跨猫道最大荷载为1054.74KN,所以每个连接装置最大拉力为T=263.685kN，水平仰角θ=25.02°则有：
正应力：
σ=T*cosθ/A=263.685*1000*cos25.02°/10400=22.98Mpa<215Mpa（查《钢结构设计手册》）
剪应力：
τ=T*sinθ/A=263.685*1000*sin25.02°/10400=10.7Mpa<125Mpa（查《钢结构设计手册》）
因此连接装置是安全的。
7、锚梁计算
7.1、中跨塔端锚梁采用双拼][32a槽钢，双支撑设计。
锚梁设计如下图
从槽钢支撑点至荷载处的悬臂长L=0.175m，单根承重索力为F=885.68kN/4=221.42kN，材质为Q235钢。
危险截面弯矩：
M=F*L=221.42*0.175=38.75KN·m
剪力：
Q=221.42KN
查表得32a#槽钢抗弯模量：
Wx=475cm3截面积A=48.513cm2
弯曲正应力：
σ=M/Wx=38.75*1000/475/2=40.8Mpa<215Mpa，安全系数K=215/40.8=5.26
剪切应力：
τ=Q/A=221.42*1000/48.513/100/2=22.8Mpa<125Mpa，安全系数K=125/22.8=5.48
满足设计要求，安全可行。
7.2、边跨塔端锚梁采用双拼][32a槽钢，双支撑设计。
如上图所示：
从槽钢支撑点至荷载处的悬臂长L=0.175m，材质为Q235钢，单根承重索力为F=1054.7kN/4=263.675kN。
危险截面弯矩：
M=F*L=263.675*0.175=46.1KN·m
剪力：
Q=263.675kN
查表得32a#槽钢抗弯模量：
Wx=475cm3截面积A=48.513cm2
弯曲正应力：
σ=M/Wx=46.1*1000/475/2=48.5Mpa<215Mpa，安全系数K=215/48.5=4.43
剪切应力：
τ=Q/A=263.675*1000/48.513/100/2=27.2Mpa<125Mpa，安全系数K=125/27.2=4.6
插销用45号钢车制，直径d=60mm，查材料手册得σs=355MPa，
τ=σs/2=177.5Mpa，，插销承受最大载荷为F=1054.7/8=131.84kN。
验算插销的剪切强度。
τ1=P/A=131.84*1000/（π*30*30）=46.65mpa﹤τ=177.5mpa
满足强度要求。
满足设计要求，安全可行。
7.3、梁端锚梁采用圆钢与连接钢板支撑设计。
梁端锚梁结构如图所示。
圆钢采用40Cr材料，直径为80mm，圆钢所受剪切破断力为2根承重索力之和，单根承重索力为F=1005.4/8=125.675KN，圆钢所承受最大荷载为2F=251.35KN，
查表可得，σs=540MPa，τ=σs/2=270Mpa，
τ1=P/A=251.35*1000/（π*40*40）=50mpa﹤τ=270mpa
安全系数为270/50=5.4
满足强度要求，安全
7.4、调节拉杆计算
边跨和中跨调节拉杆均采用8根785MPa级Ф40精轧螺纹钢，屈服强度为785MPa,公称截面积1256.6mm2：
中跨承重索钢丝绳最大拉力为：
Fm=885.68kN，边跨梁端承重索钢丝绳最大拉力为Fb=1054.7KN。
以边跨承重索计算为例。
8根Ф40精轧螺纹钢抗屈服力为：
N=8*785*1256.6/1000=7891.4kN
安全系数：
k=7891.4/1054.7=7.48,满足要求。
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