某桥猫道稳定性计算.docx
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某桥猫道稳定性计算
某桥
猫道抗风稳定性及验算分析报告
目录
1.概述┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉1
2.基本参数┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉1
3.猫道风载参数的确定┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉9
4.抗风静力稳定性非线性分析┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉12
5.猫道结构验算分析┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉18
6.结论┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉21
参考文献┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉21
1.概述
某桥施工猫道采用三跨连续式结构，其跨度布置为250+680+250m，为了加快施工进度和降低费用，该桥的猫道施工单位拟采用不设抗风索的施工方案，施工期间，猫道的抗风稳定性及其强度是涉及施工安全的关键技术问题之一。
为保证该桥施工猫道的抗风安全，受某桥项目部的委托，西南交通大学风工程试验研究中心对该猫道进行了抗风稳定性及猫道结构设计进行了验算分析。
本报告介绍猫道在横桥向风作用下的抗风稳定性分析及猫道结构本身的强度验算分析研究的主要内容及结果。
2.基本参数
2.1猫道布置及结构参数
根据委托单位所提拱的猫道设计资料，某桥施工猫道总体布置图如图2-1所示，猫道线形取平行于主缆在空缆状态时的的中心线；架设钢梁之前，将猫道悬挂于主缆之下，并放松猫道承重钢丝绳两端的锚头。
由于猫道线型主缆空缆并行，而主缆矢高f=59.5m，因而可取猫道承重缆矢高与主缆空缆矢高相同。
某桥施工猫道结构采用三跨连续无抗风缆体系。
猫道主要由猫道索（承重索、扶手索和门架承重索）、锚固体系、猫道面层、横向通道、猫道门架、变位刚架、下压装置、附属设施、索股托架滚轮（索股架设用）等组成。
单侧猫道宽度为3.8m。
猫道立面示意见图2-1、断面示意见图2-2。
（1）猫道索
每条猫道对称于主缆轴线设置8根Ф40的镀锌猫道承重索，猫道两边各设一根Φ32扶手绳。
猫道门架承重索为2根Ф44的镀锌猫道承重索
（2）猫道面层
猫道面层由两层粗密网格的钢丝网片构成，在网片上每隔0.5m绑扎一对防滑方木，每隔3.0m绑扎一道硬木横梁，每隔25m设一道型钢横梁和扶手立柱形成猫道框架。
型钢横梁均通过U形卡与猫道承重索进行固定。
（3）横向通道
两条猫道之间每隔145m设置一道横向通道。
全桥共布置5道，中跨3道，两边跨各1道。
横向通道除满足人员在猫道间的通行外，同时能提高猫道自身的整体稳定性及抗风能力。
图2-1猫道布置图
图2-2猫道断面图
计算中猫道承重缆的弹性模量取为E=1.165×105MPa。
猫道的荷载参数如下所示。
一、均布荷载（kg/m）
1、猫道承重索和扶手索（8根和2根）61.4
2、门架索（2根）14.6
3、牵引索（2根）7.8
4、猫道面层（含猫道面网、踏木、中间面层单元）66.9
5、托架及滚轮5.00
6、电缆及照明灯具1.50
二、集中荷载（kg）
1、横向通道4239.00
2、猫道门架及导轮组1554.92
2.２风速的计算
根据委托单位所提拱的猫道设计资料，场地各高度的不同重现期最大风速见表1。
表1桥位所在地区各高度不同重现期最大风速（单位：
m/s）
高度（m）
10年一遇
20年一遇
30年一遇
50年一遇
100年一遇
10
35.07
37.92
39.53
41.58
44.35
20
38.64
41.78
43.56
45.82
48.87
30
40.90
44.22
46.10
48.49
51.72
40
42.58
46.04
48.00
50.49
53.85
50
43.93
47.50
49.52
52.09
55.56
60
45.07
48.73
50.80
53.43
56.99
70
46.05
49.79
51.91
54.60
58.24
80
46.92
50.73
52.89
55.63
59.34
90
47.70
51.58
53.77
56.56
60.32
100
48.41
52.34
54.57
57.40
61.22
110
49.06
53.05
55.30
58.17
62.04
120
49.66
53.70
55.98
58.88
62.80
桥位处10m高程20年一遇最大风速为37.92m/s，桥面高度处的20年一遇最大风速为46.04m/s，猫道设计考虑超过7级风停止作业，猫道上无荷载；猫道正常施工荷载为0.7KN/m。
为了保证猫道在施工过程中的静力抗风稳定性，根据文献[2]要求，桥梁结构的静力失稳临界风速应大于其设计风速的两倍。
对于猫道结构的静力抗风稳定性验算，参照此规定进行。
由于猫道高度变化较大，在实际计算时应考虑风速沿高度的变化。
3.猫道风载参数的确定
猫道的抗风稳定性，就其实质而论，是索结构在定常风作用下的静力稳定问题。
决定猫道结构是否失稳（倾覆）的主要因素是定常风作用在结构上的空气力构成的倾覆力矩能否被结构内力所平衡。
作用于猫道上的定常静力风荷载与猫道的静力三分力系数有关，因此，首先需获得猫道静力三分力系数。
根据猫道结构设计资料，某桥施工猫道结构与某桥施工猫道的结构型式相类似，猫道的面网（侧网）的透风率、栏杆及木踏步等布置也相同，因而，某桥施工猫道结构的静力三分力系数可借用某桥施工猫道的结果。
根据文献[4]可知，某桥施工猫道的体轴系下的静力三分力系数如图3-1所示，风轴系下的静力三分力系数如图3-2所示，相应的列表如表2所示。
静风作用下，采用有限元方法进行结构内力计算。
对于猫道结构，按下列公式计算出作用于猫道上单位长度上的静风荷载：
阻力
升力
力矩
式中：
为空气密度（1.225kg/m3），U为计算高度处的阵风风速，H为猫道高度（取1.1m），B为猫道宽（取4.0m），CH、CV、CM分别为猫道的阻力系数、升力系数、力矩系数，根据图3-1、图3-2、或表2，0o攻角时，CH=0.6340，CV=-0.0063，CM=-0.0051。
对于索塔、门架及上承重绳等，其静风荷载只考虑阻力，单位长度阻力为：
图3-1体轴坐标系静力三分力系数曲线
图3-2风轴坐标系静力三分力系数曲线
阻力
式中：
H分别为索塔、门架立柱宽及上承重绳直径，CH=2.0（索塔、门架）或0.7（上承重绳），U为计算高度处阵风风速。
在计算猫道承受的风荷载时，风速应按风剖面变化考虑不同高度的影响。
4.抗风静力稳定性非线性分析
利用猫道节段静力三分力试验结果和有限元分析软件BSSAP，对猫道进行了非线性抗风静力稳定性分析。
分析时作如下考虑：
猫道结构静力失稳主要是发生在横通道之间的小跨范围内，在风载作用下，猫道结构的变位过大及横通道之间的小跨跨中扭转角过大时会发生静力失稳。
由于在主缆施工完成后，猫道将与主缆相联，因而对猫道而言，最不利状态应为无主缆的状态。
猫道在受强风作用时，变位较大，该变位使得风攻角也发生变化，因而风载也随之改变，因此，猫道抗风静力稳定性应是几何非线性、非保守的。
采用有限元法对某桥施工猫道进行离散，建立有限元计算模型，建模时考虑整个结构，即中跨、边跨及索塔等。
对于索塔、横向通道等按梁单元进行离散，由于猫道结构主要为缆索结构，其受力变形形态具有很强的非线性特征，应力等效梁的模型应考虑几何非线性（此主要指大位移，杆件轴力）的影响。
用索单元模拟猫道承重缆和扶手绳，考虑索初始轴力对几何刚度的影响，但索单元不能承压。
用梁单元模拟横梁、扶手立柱、门架、桥塔等等。
分析时假定：
1）筛网的刚度很小，忽略筛网对刚度的影响;
2）桥塔的变位对猫道抗风稳定性影响很小，可忽略；
3）中跨猫道与边跨猫道可分别独立进行分析;.
4）风载沿横桥向作用于猫道（风向角为β=0°），不同高度处风速按前述风剖面计算。
猫道结构抗风非线性分析的平衡方程为：
式中
为刚度矩阵；
为广义风荷载，其与风速
、攻角
及猫道变位
均有关。
广义风荷载包括猫道上的阻力、升力和倾覆力矩，在猫道体轴系下，可表示为
式中
H为猫道高度，B为猫道宽度。
稳定性分析收俭准则为：
式中：
为给定的小量;
为施加风荷载的节点数。
.
经计算可得猫道各截面处在不同风速时的位移。
其中横向位移、竖向位移均以中跨跨中截面为最大，扭转角则以中跨跨中附近两横通道之间的小跨跨中截面扭转角为最大。
图4-1中跨跨中横向和竖向位移随风速的变化
图4-2中跨两横通道之间的小跨跨中截面扭转角随风速的变化
图4-3东岛侧边跨跨中横向和竖向位移随风速的变化
图4-4东岛侧边跨两横通道之间的小跨跨中截面扭转角随风速的变化
图4-5西侧边跨跨中横向和竖向位移随风速的变化关系
图4-6西侧边跨两横通道之间的小跨跨中截面扭转角随风速的变化
中跨跨中横向和竖向位移随风速的变化关系如图4-1所示，跨中附近两横通道之间的小跨跨中截面扭转角随风速的变化关系如图4-2所示。
由图4-2可见，当桥面高度风速达到88m/s时，小跨跨中截面扭转角急剧增大，表明猫道发生静力扭转失稳。
因而，该猫道的静力发散风速为88m/s。
该风速略低于2倍的施工阶段设计风速92m/s，因而，中跨猫道的静力稳定性是安全的。
东岛侧边跨跨中横向和竖向位移随风速的变化关系如图4-3所示，跨中附近两横通道之间的小跨跨中截面扭转角随风速的变化关系如图4-4所示。
由图4-4可见，当桥面高度风速达到99m/s时，小跨跨中截面扭转角急剧增大，表明猫道发生静力扭转失稳。
因而，该猫道的静力发散风速为99m/s。
该风速高于2倍的施工阶段设计风速92m/s，因而，东岛侧边跨猫道的静力稳定性是安全的。
西侧边跨跨中横向和竖向位移随风速的变化关系如图4-5所示，跨中附近两横通道之间的小跨跨中截面扭转角随风速的变化关系如图4-6所示。
由图4-6可见，当桥面高度风速达到106m/s时，小跨跨中截面扭转角急剧增大，表明猫道发生静力扭转失稳。
因而，该猫道的静力发散风速为106m/s。
该风速高于2倍的施工阶段设计风速92m/s，因而，西侧边跨猫道的静力稳定性是安全的。
5猫道结构强度验算
5.1风荷载计算
分析计算在设计风速下的风荷载，其计算方法同前。
5.2温度变化及人行荷载
根据当地气温情况温度变化按降温25℃考虑，人行荷载折算为均布荷载为5kg/m。
5.3强度验算
施工猫道强度较为不利的典型状态为：
猫道架设阶段和牵引索股阶段。
对于猫道架设阶段，猫道承重绳、底网、侧网等已架设完毕，但与猫道门架、门架承重绳未完成共同受力。
对于牵引索股阶段，猫道全部架设完毕，进行架设主缆施工，每条猫道的滚筒上各有一股索股。
在两种状态下较为不利的荷载组合应为：
组合一：
猫道自重+温度变化+人群荷载
组合二：
猫道自重+风荷载
根据上述两不同的荷载组合和不利状态，采用ANSYS程序对猫道进行建模及非线性分析计算，可得各状态的结构内力及位移。
5.3.1猫道架设阶段
对于该阶段，猫道自重包括猫道承重绳、扶手绳、底网、侧网、横梁、立柱、猫道门架、横通道等。
表3给出了猫道架设阶段两种工况下不同荷载组合下各典型截面最大单缆轴力及安全系数。
对于荷载组合一，其猫道自重、温度变化、人行荷载等对于各承重绳来说都是相同的，因而各承重绳的轴力相差很少；对于荷载组合二，风载沿横桥向作用于猫道上，各缆受力不同，但轴力最大的缆一般位于各截面处下风侧的承重绳处。
表3猫道架设阶段不同荷载组合下的计算结果（猫道索最大受力）
荷载状况
猫道索类别
直径
钢丝绳索力
北边跨
（KN）
中跨（KN）
南边跨
（KN）
组合一
猫道承重索
Φ40
162.9
197.0
194.8
猫道扶手索
Φ32
62.7
70.1
64.5
门架承重索
Φ44
128.4
142.3
140.2
组合二
猫道承重索
Φ40
267.7
295.5
273.1
猫道扶手索
Φ32
95.3
105.7
97.1
门架承重索
Φ44
187.9
194.6
188.5
5.3.2牵引索股阶段
对于该阶段，猫道自重包括猫道承重绳、门架承重绳、扶手绳、底网、侧网、横梁、立柱、横通道、门架、一股索股、滚筒等。
对计算模型进行加载，启动程序进行演算，利用ANSYS的后处理程序可得到猫道模型各单元的内力和各节点位移。
计算表明，在荷载组合二作用下猫道的最大横向位移位于中跨跨中截面，最大横向位移值为3.13m。
表4分别给出了牵引索股阶段两种工况下不同荷载组合下各典型截面最大单缆轴力及安全系数。
对于荷载组合一，其猫道自重、温度变化、人行荷载、架设荷载等对于各承重绳来说都是相同的，因而各承重绳的轴力相差很少；对于荷载组合二，风载沿横桥向作用于猫道、门架、上承重绳等，各缆受力不同，但轴力最大的缆一般位于各截面处下风侧的承重绳处。
表4猫道架设阶段不同荷载组合下的计算结果（猫道索最大受力）
荷载状况
猫道索类别
直径
钢丝绳索力
最小破断拉力（KN）
安全系数
北边跨
（KN）
中跨（KN）
南边跨
（KN）
组合一
猫道承重索
Φ40
209.8
231.1
220.3
1110
≧4.80
猫道扶手索
Φ32
69.5
74.8
72.7
714
≧9.54
门架承重索
Φ44
158.1
164.9
183.3
1344
≧7.33
组合二
猫道承重索
Φ40
296.3
341.9
314.5
1110
≧3.25
猫道扶手索
Φ32
109.1
122.0
104.0
714
≧5.85
门架承重索
Φ44
223.1
233.6
235.8
1344
≧5.70
升级会员 