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1、xx互通A、B斜拉橋 全 橋 結 構 計 算 一、概 況1.1、設計概況本工程為xx互通匝A、匝B上跨京珠高速公路的匝道橋（以下簡稱A橋和B橋），與京珠路的交角分別為26.7和34.9。A、B橋均采用140m獨塔無背索彎坡斜拉橋（A橋平面半徑550m，B橋平面半徑800m），拉索采用平行鍍鋅鋼絲，冷鑄錨，在垂直面內的投影布置為豎琴形；索塔為預應力鋼筋混凝土塔；主梁采用正交異形板全焊鋼箱梁；塔梁固結。1.2、設計標準公路等級：高速公路單向雙車道匝道計算行車速度： 80Km/h；設計荷載：汽車-超20級，掛車-120；地震基本烈度：按度設防設計溫度：根據(jù)當?shù)氐臍庀髼l件取，基準溫度為15 ；鋼結構：2、取最高溫度40 ，最低溫度-15 ，砼結構：取平均最高溫度30 ；最低溫度0 ；設計風速：查規(guī)范基本風壓分布圖為500MPa平面彎曲半徑：A號橋為550m、B號橋為800m設計縱坡：3%；橋面超高橫坡：A號橋為5%；B號橋為4%主橋橋下凈空： 5m主橋橋面寬度：1.5m（布索區(qū)及檢修區(qū)）+0.5m（防撞護欄）+12.0m（行車道）0.5m（防撞護欄）+1.5m（布索區(qū)及檢修區(qū)）16.0m；斜拉橋計算跨徑：140m引橋橋面寬度： 0.5m（防撞護欄）+12.0m（行車道）+0.5m（防撞護欄）13.0m；1.3、全橋總體布置（僅示B橋）詳見圖133圖1 全橋總體布置圖二、計算依據(jù)2.1、計算方法3、本橋為彎坡斜拉橋需計算三個方向的受力，但現(xiàn)有的橋梁專用的非線性分析程序只能計算平面兩個方向；而通用的空間有限元結構分析程序雖能計算空間三個方向，但不能進行影響線加載。鑒于以上的特殊性和難度，而本橋具有較大平面半徑，本計算采用了平面和空間相結合的計算方法。平面計算分縱橋向和橫橋向并對兩者計算結果進行疊加；利用平面計算結果的活載影響范圍進行空間加載，得塔、梁的空間活載包絡圖；利用空間計算的拉索橫向水平分力，計算索塔和主梁橫向受力。最后進行荷載組合。比較兩種計算結果，誤差均在10%以內。本次計算僅整理出平面計算成果。另外，還利用空間模型進行了全橋動力分析及地震響應分析。2.2、計算程序平面計算程序采4、用橋梁博士V2.8，驗算程序采用GQJS7.5；空間程序采用ANSYS6.0，驗算程序采用SAP2000；2.3、計算模型2.3.1、平面計算模型全橋縱向模型共劃分42個節(jié)點組成51個單元。128為加勁梁單元，2941為橋塔和加勁梁單元，4251為斜拉索單元，結構的約束條件是：索塔塔底為固結；鋼箱梁梁端（即結點1和29）縱向位移、轉角均為自由，但約束其豎向位移。計算過程中索塔橫梁和斜拉索錨固塊按集中荷載考慮作用于塔柱單元上，各荷載組合中計入了由于各塔柱砼齡期不同而產生的收縮、徐變的影響。見圖2。索塔橫向模型共劃分28個節(jié)點組成29個單元，塔柱底部為固結。見圖3。圖2 全橋縱向離散圖圖3 索塔橫5、向離散圖2.3.2、空間計算模型空間計算模型將全橋離散為如下圖4所示的“脊梁式模型”，其中加勁梁、橋塔、橫梁用三維梁單元beam4來模擬；斜拉索采用纜索單元link10來模擬；加勁梁與斜拉索之間采用剛臂單元連接，剛臂單元采用三維梁單元beam4來模擬；全橋共劃分105個節(jié)點組成125個單元。157為橋塔單元，58、59為橫梁單元，6081為剛臂單元，82105為加勁梁單元，106125為斜拉索單元。結構的約束條件是：索塔塔底為固結；鋼箱梁梁端縱向位移、轉角均為自由，但約束其豎向位移。圖4 全橋空間離散圖2.4、各構件幾何物理特性參數(shù)主梁參數(shù)表（各類型參照圖2）項目單位數(shù)量備注形式扁平鋼箱梁彈性6、模量MPa2.10E+05剪切彈模MPa8.10E+04泊松比0.2963二期恒載KN/m23.8橋面鋪裝及橋面系的重量類型一截面特性Izm40.6743豎直面Iym414.744水平面Ixm42.059扭轉截面積m20.606典型斷面一期恒載KN/m57.552類型二截面特性Izm40.7013豎直面Iym416.676水平面Ixm42.141扭轉截面積m20.646典型斷面一期恒載KN/m60.535類型三截面特性Izm40.7807豎直面Iym417.265水平面Ixm42.383扭轉截面積m20.6949典型斷面一期恒載KN/m64.395類型四截面特性Izm40.8586豎直面Iym7、417.8547水平面Ixm42.6211扭轉截面積m20.7433典型斷面一期恒載KN/m74.445類型五截面特性Izm40.6145豎直面Iym49.1635水平面Ixm42.058扭轉截面積m20.5122典型斷面一期恒載KN/m49.477索塔參數(shù)表（參照圖2）項目幾何特性項目物理特性形式門式墩容重26KN/m3混凝土標號C50彈性模量3.5104 MPa斷面形式箱形斷面剪切彈模1.505104 MPa橫梁數(shù)1泊松比0.167單塔柱斷面特性編號適用單元斷面積抗彎Iz抗彎Ix抗扭Iy(m2)(m4)(m4)(m4)1293910.7454.137.9526.68240左截面19.6498、3.011.132.07右截面26.38191.617.5355.8341左截面26.38191.617.5355.8右截面48.0819.571.0115.0備注豎直面垂直面扭轉斜拉索參數(shù)表（單根）項目單位類型1類型2形式PES5-139PES5-109彈性模量MPa2.0E+052.0E+05截面積m20.0027290.002142.5、荷載計算2.5.1、恒載鋼箱梁一期恒載見“主梁參數(shù)表”；索塔一期恒載，按照“索塔參數(shù)表”中各塔柱塔柱截面積計算。主梁橋面鋪裝、橋面系等二期恒載平均值：23.8KN/m。2.5.2、汽-超20級活載由于本橋跨徑較長，故在本橋的空間計算分析中，將規(guī)范中的車隊9、換算成均布荷載。并將荷載與橫向分布系數(shù)等相乘，分配到每個索面：普通車每車道每輛重200KN，作用長度按19 m考慮，得到換算集度： q11=200/19=10.53KN/m每車道中有重車一輛，重550KN，作用長度按22.8 m考慮，得到換算集度： q22=550/22.8=24.12KN/m同時考慮以下系數(shù)：多車道橫向折減系數(shù)： 0.78（橫向按三個車道加載時）橫向分布系數(shù)： 1.785（橫向按三個車道加載時），1.388（橫向按兩個車道加載時）沖擊系數(shù)： 1.10綜合系數(shù)： 0.781.7851.10 =1.532（橫向按三個車道加載時）1.3881.10=1.527（橫向按兩個車道加載時10、）取1.532普通車換算集度：1.53210.53 =16.132KN/m重車換算集度：1.53224.12 =36.952KN/m圖5 汽車超20換算荷載2.5.3、溫度荷載本設計計算均以15為標準溫度考慮，順橋向結構體系升溫25，體系降溫-30；混凝土索塔橫向計算升溫15，降溫按-15考慮；梁、塔溫差15；塔身上、下緣溫差5,梁上下緣溫差10。2.5.4、風荷載橫向風力橫向風力為橫向風壓乘以迎風面積。橫向風壓按下式計算：WK1 K2 K3 K4 W0 Pa式中W0500Pa；對索塔：K11.0；K21.8；K31.35（平均）；K41.0；對主梁：K11.0；K21.3；K31.0；K4111、.0；對斜拉索：K11.0；K20.7；K31.35（平均）；K41.0；故：W塔1.01.81.351.05001215 Pa W梁1.01.31.01.0500650 Pa W索1.00.71.01.35500472.5 Pa作用在每根塔柱上的每延米橫向風力q塔171215 8.505 KN/mq塔2141215 17.01 KN/m作用在主梁上的每延米橫向風力q梁2.6650 1.69 KN/m作用在每根拉索上的每延米橫向風力q索0.08472.5 0.038 KN/m縱向風力作用在根塔柱上的每延米縱向風力，可按橫向風壓乘以索塔的迎風面積：Q塔2.71215 3.281 KN/m2.5.12、5、地震荷載計算橋梁地震荷載時，分別考慮了順橋和橫橋兩個方向的水平地震荷載，計算方法采用反應譜法。計算中依據(jù)公路工程抗震設計規(guī)范采用類場地反應譜，重要性修正系數(shù)依據(jù)路線等級取為1.7，水平地震系數(shù)依據(jù)地震烈度取為0.1。為了保證計算精度，參考日本規(guī)范取前100階振型進行疊加，包括了橋塔、主梁的主要振型。計算中順橋向和橫橋向不同時輸入地震動，分別按順橋（橫橋）向輸入進行計算。2.6、荷載組合對于全橋各構件，主要進行以下5種組合，這些組合均是在運營階段下的。至于施工階段的各種組合，則另行計算。組合一： 恒載（結構重力、預應力）汽-超20級組合二： 恒載（結構重力、預應力）汽-超20級溫變+縱橋向風13、力組合三：恒載（結構重力、預應力）掛車120組合四：恒載（結構重力、預應力）汽-超20級溫變+橫橋向風力組合五： 恒載（結構重力、預應力）地震力其中組合五計算結果見第三節(jié)“動力分析及抗震計算”三、結構靜力計算3.1、平面順橋向主要內力計算結果3.1.1、坐標系坐標系符合右手螺旋法則，方向采用順橋向為X軸，豎橋向為Y軸，橫橋向為Z軸。3.1.2、符號規(guī)定：結構位移、外力及支座反力結構位移、外力及支座反力亦符合右手螺旋法則，與坐標系方向一致為正。內力將單元的I端至J端視為基線，規(guī)定單元內力正向，軸力N壓為正，拉為負；剪力Q：與I端局部坐標方向一致為正，反之為負；彎矩M：以使桿件上緣受壓為正，反之為14、負。3.1.3、索塔預應力筋估算及布置本設計順橋向索塔豎向預應力筋主要采用22-15.20mm預應力鋼絞線及32mm預應力精軋螺紋鋼筋。其中預應力鋼絞線主要平衡運營狀態(tài)各活載效應，預應力精軋螺紋鋼筋主要平衡施工過程的重力效應。然后利用橋梁博士估算出索塔順橋向預應力筋面積，根據(jù)估算結果，計算出各塔柱截面的所需預應力筋束數(shù)。 索塔預應力筋布置如下：圖6 塔柱豎向預應筋布置預應力鋼束明細表（單根塔柱）鋼束號類 型束 數(shù)計算長度備 注N122-15.20mm預應力鋼絞線285.3永久束N222-15.20mm預應力鋼絞線232.61永久束N432mm預應力精軋螺紋鋼筋512.13永久束N532mm預應15、力精軋螺紋鋼筋1512.13臨時束3.1.4、內力計算結果 成橋狀態(tài)（各預應力筋施加完畢）成橋狀態(tài)主梁軸力圖成橋狀態(tài)主梁彎矩圖成橋狀態(tài)索塔軸力圖成橋狀態(tài)索塔彎矩圖圖7 成橋狀態(tài)順橋向內力圖索塔最大彎矩圖索塔最小彎矩圖主梁最大彎矩圖主梁最小彎矩圖 荷載組合一 圖8 組合一順橋向彎矩包絡圖索塔最大軸力圖索塔最小軸力圖主梁最大軸力圖主梁最小軸力圖圖9 組合一順橋向軸力包絡圖索塔最大彎矩圖索塔最小彎矩圖主梁最大彎矩圖主梁最小彎矩圖 荷載組合二圖10 組合二順橋向彎矩包絡圖索塔最大軸力圖索塔最小軸力圖主梁最大軸力圖主梁最小軸力圖圖11 組合二順橋向軸力包絡圖索塔最大彎矩圖索塔最小彎矩圖主梁最大彎矩圖主梁16、最小彎矩圖 荷載組合三圖12 組合三順橋向彎矩包絡圖索塔最大軸力圖索塔最小軸力圖主梁最大軸力圖主梁最小軸力圖圖圖13 組合三順橋向軸力包絡圖3.2、平面順橋向主要應力計算結果（正為壓應力，負為拉應力） 成橋狀態(tài)（各預應力筋施加完畢）索塔上緣正應力圖索塔下緣正應力圖主梁上緣正應力圖主梁下緣正應力圖 荷載組合一索塔上緣最大與最小正應力圖索塔下緣最大與最小正應力圖主梁上緣最大與最小正應力圖主梁下緣最大與最小正應力圖 荷載組合二索塔上緣最大與最小正應力圖索塔下緣最大與最小正應力圖主梁上緣最大與最小正應力圖主梁下緣最大與最小正應力圖 荷載組合三索塔上緣最大與最小正應力圖索塔下緣最大與最小正應力圖主梁上緣17、最大與最小正應力圖主梁下緣最大與最小正應力圖3.3、平面橫橋向主要內力計算結果3.3.1、坐標系及符號規(guī)定：與順橋向計算相同3.3.2、索塔橫橋向預應力筋估算及布置本設計順橋向索塔豎向預應力筋主要采用32mm預應力精軋螺紋鋼筋，索塔橫梁預應力筋主要采用22-15.20mm預應力鋼絞線。根據(jù)各種狀態(tài)下的荷載效應，利用橋梁博士估算出索塔橫橋向預應力筋面積，根據(jù)估算結果，計算出各塔柱截面的所需預應力筋束數(shù)。索塔預應力筋布置如下：圖14 索塔橫橋向預應筋布置圖橫橋向預應力鋼束明細表鋼束號類 型束 數(shù)計算長度（m）備 注N132mm預應力精軋螺紋鋼筋1040.7塔柱永久束N232mm預應力精軋螺紋鋼筋118、042.5塔柱永久束N332mm預應力精軋螺紋鋼筋1025.9塔柱永久束N432mm預應力精軋螺紋鋼筋1027.3塔柱永久束N532mm預應力精軋螺紋鋼筋1014.9塔柱永久束N632mm預應力精軋螺紋鋼筋1016.2塔柱永久束N722-15.20mm預應力鋼絞線618.4橫梁永久束N822-15.20mm預應力鋼絞線618.4橫梁永久束3.3.3、橫橋向內力計算結果（不計結構重力，但計入橫橋向預應力）成橋狀態(tài)（各預應力筋施加完畢） 彎矩圖 軸力圖圖15 成橋狀態(tài)索塔橫橋向內力圖（不計重力效應） 組合四（未計結構重力）最大彎矩圖 最小彎矩圖圖15 組合四索塔橫橋向彎矩包絡圖（不計重力效應） 最大軸力圖 最小軸力圖圖15 組合四索塔橫橋向軸力包絡圖（不計重力效應）3.4、平面橫橋向主要應力計算結果（正為壓應力，負為拉應力）27號單元為鋼構件。成橋狀態(tài)（各預應力筋施加完畢）上緣正應力圖 下緣正應力圖 組合四（未計結構重力）上緣最大應力圖 上緣最小應力圖下緣最大應力圖 下緣最小應力圖