無塔人行懸索橋設計研究

1、無塔人行懸索橋設計研究公路交通技術2006年4月第2期technologyofhighwayandtransportapt.2006no.2無塔人行懸索橋設計研究蔣陳,趙滿喜(1.重慶交通科研設計院,重慶400067;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)公路局,呼和浩特01(1020)摘要:基于有限位移法,對某無塔非對稱人行懸索橋進行了設計研究,根據(jù)工程的實際特點,對該橋的總體布置,主纜,吊桿以及加勁梁等進行了合理選擇,對受力進行了相應分析,同時也對纜風索進行了設計研究.結(jié)果表明,設置纜風索能大幅提升結(jié)構(gòu)整體剛度,從而使結(jié)梅自振基頻得到提高,且效果明顯.研究的結(jié)論可為今后人行懸索橋的設計提供有益的參考,也為該類型

2、橋梁的抗風設計等奠定基礎.關鍵詞:橋梁工程;有限位移法;懸索橋;主纜;頻率文章編號:10096477(2oo61o2一oo5604中圖分類號:u448.25文獻標識碼:aresearchontowerfreepedestriansuspensionbridgedesign愕chen,zhaomanxiabstract:researchondesignofcertaintowerfreepedestriansuspensionbridgebasedonfinitedisplacementmethod,rationalselectionsoflayout,maincable,suspenderan

3、dreinforcementbeamofthebridgearegivenandrelevantanalysistostrainofthisbridgeisconductedasperactualcharacteristicsoftheproject,alsoresearchofcablewindproofwiredesign.resultsshowthecablewindproofwiremaygreatlymeliorateintegralstructuralrigidityandimprovestheselfvibrationfundamentalfrequencyandtheeffec

4、tisquiteobvious.conclusionoftheresearchmayofferg0odreferencetofuturepedestriancablesuspensionbridgedesign,alsoitmaybeusedasthefoundationforantiwinddesignofthistypeofbridg.keyw_0ds:bridgeproject;finitedisplacementmethod;suspensionbri;maincable;frequency通常懸索橋?qū)τ诖罂鐝綐蛄憾跃哂泻軓姷母偁幜?但對于中小跨徑的公路橋梁,若采用懸索橋方案,造價顯

5、得過高,近于奢侈.對于中小跨徑,特別是跨越深谷,或為適應城市美觀要求而建的人行橋,小跨徑人行懸索橋具有顯著的優(yōu)越性.本文設計研究的背景橋橋址地形復雜,山高溝深,如何結(jié)合實際地形及當?shù)貙嶋H情況對該橋進行合理優(yōu)化設計,以節(jié)省投資,保證安全,是設計者關注的焦點.因無塔非對稱人行懸索橋具有結(jié)構(gòu)受力明確,無需設置索塔,錨固方便,材料來源廣及便于施工等優(yōu)點,故最終選定無塔非對稱人行懸索橋為該橋設計方案.1工程概況隨著三峽工程不斷順利推進,庫區(qū)水位已達到135m高程,致使峽口鎮(zhèn)利方巖村往高陽鎮(zhèn)方向的道路被淹沒.另一方面,由于靈老爺大橋為危橋,且在第三期水位將被淹沒,屆時將使利方巖村所有出口道路被阻隔,嚴重影

6、響當?shù)鼐用裆a(chǎn),生活秩序.因此,為保證該地居民的穩(wěn)定,在第三期水位蓄水之收稿日期.20051212前一定要將該村的出口道路打通.1.1地形,地質(zhì)及水文1.1.1自然狀況橋址區(qū)屬于亞熱帶季風濕潤氣候區(qū),四季分明,春季冷暖交變,雨水多夏季雨量集中,炎熱多伏旱;秋季多陰雨,冬季多雨雪.常年平均氣溫為18.1,極端高溫41.1,極端低溫一9.3.該處位于暴雨中心區(qū)北部邊緣地帶,多年平均降雨量為982.6mln,年最大降雨量為l357mln,多集中在4月一10月.豐沛的降雨和較強的暴雨,易引起山坡崩塌滑坡等.1.1.2工程地質(zhì)狀況該地區(qū)內(nèi)地貌上屬鄂西構(gòu)造侵蝕,剝蝕中低山區(qū),山頂高程5001400m,多系

7、單面山,山脊尖棱.橋下有高嵐河通過,河底高程約為142m,未來河水會因為庫區(qū)蓄水而上抬至175m(最高水位).兩岸山勢陡峭,均為石灰?guī)r,表面有部分微風化,整體性較好.2006年第2期蔣陳,趙滿喜:無塔人行懸索橋設計研究57圖1人行懸索橋立面及斷面1.2設計要求設計荷載:同時通行100人(含板車),計70kn;橋面凈寬:2m;橋面縱坡:0%;設計烈度:6度.2橋型選擇及總體布置該橋橋址起點側(cè)為陡峻山坡,終點側(cè)為公路,跨越溝深60余m,溝低水深流急,常有泥石流發(fā)生.若修建其它橋型,施工難度大,造價高,施工周期較長.由于工期較緊,未必能在庫區(qū)蓄水前竣工,因此首選橋型為懸索橋.結(jié)合實際情況,按照安全,

8、經(jīng)濟,美觀等原則,選擇如圖1所示主跨為33.088m+128.00m+20.317m非對稱人行懸索橋.橋面所在的曲線半徑r=3000m,加勁梁采用鋼桁架,人行道板為鋼一混疊合結(jié)構(gòu),基礎采用擴大基礎.3構(gòu)造特征3.1主纜主纜線型為二次拋物線,共設2根,截面如圖2所示.主纜采用pes7109成品拉索(j1y一94)配套錨具,主纜鋼絲采用7innl高強鍍鋅鋼絲.鋼絲性能必須滿足gb5223的要求,設計強度厶=1670mpa.主纜的設計安全系數(shù)大于4.0(未計彎圖2主纜截面位以nl計,其余均以cm計.曲二次應力).3.2錨碇錨碇設置如圖3所示.在山體上開挖錨碇基礎,澆筑錨碇混凝土于微風化巖石上,通過在

9、巖石上打人錨桿將錨碇與巖石體緊密結(jié)合.錨桿抗拔安全系數(shù)為4.0,錨碇碇身由2部分組成:上部采用c40混凝土澆筑,下部采用c25混凝土澆筑.圖3錨碇3.3吊桿及索夾吊桿采用級鋼筋,在兩端頭加工出螺紋,通過螺母連接.索夾鑄件需經(jīng)退火處理,噴砂后表面涂以紅丹底漆,鑄件不得有氣孔,縮孔,裂紋和疏松等缺陷.所有鋼結(jié)構(gòu)(除摩擦面外)均應按鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范)(eb502052001)及油漆制造廠的施工導則進行表面處理.吊桿及索夾連接方式如圖4所示.圖4吊桿及索夾公路交通技術2006生3.4橋面系橋面系主要由型鋼焊接鋼桁架加勁梁,鋼一混凝土疊合人行道板及瀝青混凝土鋪裝層組成.加勁梁和人行道板主要通過

10、螺栓連接和焊接而成,再于人行道板上鋪裝瀝青混凝土面層.3.5風纜風纜采用直徑為24.0laln(繩637股1+6+l2+18)的鋼絲繩,通過u型拉緊器,鋼絲繩套環(huán)及騎馬式鋼絲繩卡子與加勁梁及風纜錨碇連接在一起.風纜錨的位置可隨地形作適當調(diào)整,但必須保正風纜與橋軸線的夾角大于35.4受力分析4.1靜力分析懸索橋的靜力分析理論,按發(fā)展先后有彈性理論,撓度理論及有限位移理論.由于有限位移法在計算過程中,能綜合考慮由荷載引起的大位移,纜索自重產(chǎn)生的垂度及主纜初始內(nèi)力引起的抗力所產(chǎn)生的非線性效應,使其計算精度高,計算結(jié)果可靠.該橋也采用有限位移法計算.4.2動力分析3加勁梁采用空間梁單元,用于有2個節(jié)點

11、,6個自由度,其單元節(jié)點位移量為:=iif(1)平面桿單元,用于大纜及吊索,有2個節(jié)點,4個自由度,其單元節(jié)點位移量為:=1l,(2)吊索與加勁梁,纜索與橋塔間為鉸接,加勁梁單元間為剛接;離散模吊索與加勁梁,纜索與錨碇間為鉸接.離散模型基本反應懸索橋的真實受力情況,且便于分析計算.所謂自由振動,就是在所作用的力等于零的情況下產(chǎn)生的運動.對于懸索橋自由振動過程來說,不考慮阻尼的影響,推得單元體的動力平衡方程為:+=0(3)按有限元集合方法,得到整體動力平衡方程為:+=0(4)式中:,k,分別為桿,梁單元的質(zhì)量矩陣,剛度矩陣,位移列陣和加速度列陣;不帶上標e的相應矩陣為單索結(jié)構(gòu)整體對應矩陣.由子空

12、間迭代法可得出懸索橋相應的頻率與振型.4.3建模計算根據(jù)上述計算理論建立如圖5所示模型.全橋共分513個節(jié)點,630個單元,其中主纜及吊桿采用拉桿單元,加勁梁采用梁單元.圖5三維有限元模型4.4計算結(jié)果分析4.4.1靜力計算結(jié)果靜力計算主要內(nèi)容有:主纜空纜線型,主纜及吊桿無應力下料長度及索夾安裝位置.因篇幅有限其計算結(jié)果在此不予舉出.經(jīng)計算結(jié)構(gòu)主纜及吊桿等均滿足安全使用要求,且都具備4.0以上的安全系數(shù).4.4.2動力計算結(jié)果本文僅對結(jié)構(gòu)的自振頻率及振型進行了相應分析,分析的模型主要有2種:一個是原結(jié)構(gòu)實際計算模型,如圖5所示;另一個是在原結(jié)構(gòu)的計算模型的基礎上拆除抗風索單元.2種模型計算結(jié)果

13、比較如表1所示.對該結(jié)構(gòu)動力特性進行分析,其主要目的是為該類橋型的后續(xù)抗風設計研究打下基礎.表1自振頻率及振型描述從表1及圖6,圖7可知,該橋自振頻率較低(基頻為0.347hz),說明結(jié)構(gòu)整體剛度不大,抗扭剛度相對較弱.同時還發(fā)現(xiàn)通過增設纜風索,結(jié)構(gòu)自振基頻提高60%.一階豎彎,一階扭振對應的頻率分別提高40%,30%,使結(jié)構(gòu)整體剛度有較大提高.5結(jié)語通過對該無塔人行懸索橋進行的設計研究,得到如下結(jié)論:(下轉(zhuǎn)第62頁)公路交通技術2006牟表3祥云岸錨碇配重完畢階段應力mpa表4祥云岸錨碇水化熱應力mpa傳感器位置j莖篁二量蔫篁由表13可知,很多計算彈性應力為壓應力位置處,實測應力卻為拉應力,

14、說明在預應力錨碇的應力成分中,水化熱應力占有較大比例.因此在施工控制中,混凝土澆注產(chǎn)生的水化熱控制尤其重要.在設計配筋時也應特殊考慮這一點.表4中水化熱應力估算值最大為2.49mpa.小于混凝土的極限拉應力,說明監(jiān)控中未發(fā)現(xiàn)混凝土因水化熱開裂形成的缺陷.在錨塊張拉后各施工階段計算應力基本保持不變,實測值也保持了這一特性,計算和實測值均在結(jié)構(gòu)材料的彈性工作范圍內(nèi),說明錨碇處于穩(wěn)定工作狀態(tài).3結(jié)語預應力錨碇的應力成分中,在混凝土澆注過程中產(chǎn)生的水化熱應力占有較大比例,因此在設計和施工控制中應特殊考慮.參考文獻1jtcd60200i4,公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范s.<,<,<:<,<,<,<,<,<,<,?:,<,?:,<,<,<,?:,<,<,<,<,<,?:,<,<,(上接第58頁)圖6一階橫彎(有纜風索)圖7一階橫彎(無纜風索)?:,?:,o<,?:,<,?o?o?<,?(1)該橋型結(jié)構(gòu)獨特,造型美觀,施工簡單.對于修建跨越溝谷等障礙物的人行橋,該類橋型具有較強的競爭力,因而具有較大的推廣應用價