白龙江跨越工程计算报告.docx
- 文档编号:9312669
- 上传时间:2023-05-18
- 格式:DOCX
- 页数:43
- 大小:374.18KB
白龙江跨越工程计算报告.docx
《白龙江跨越工程计算报告.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《白龙江跨越工程计算报告.docx(43页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
白龙江跨越工程计算报告
编号:
SCKH-DD100767
设计计算书
工程名称:
三堆白龙江悬索跨越(结构部分)
项目号:
SCKH-DD100767
档案号:
计算内容:
审核:
廖辉
校对:
寇子鹏
计算:
袁崇伟
2011年8月9日
1.概述
三堆白龙江跨越工程位于四川省广元市三堆镇飞龙村附近,采用悬索方式跨越白龙江。
跨越两侧岸坡较陡,设立两个钢塔,加劲梁采用悬索一跨跨过白龙江和江边省道,无边跨。
主缆主跨跨度为270m,矢高22.5m,矢跨比为1/12,钢塔架高29.1m。
两岸各设置1个塔基墩、1个主索锚碇和2个风索锚碇,塔基、主锚为桩基础,风锚为扩大基础。
(如图1)
主索、风索及吊索均采用塑料护套半平行钢丝拉索,主索直径为103mm,风索主索直径为65mm,主吊索直径为30mm,风索拉索直径22mm。
主索及风索锚具采用热铸墩头锚具,主索吊索及风拉索锚具采用双耳内旋套筒调节型热铸锚具。
桥面结构由桥架和两片桁架组成,按吊索间距每5m为一个标准单元,两端设桥架,与吊索、风索相连,两片轻型桁架通过螺栓与桥架拼装,增加了管桥的刚度的同时方便管桥的架设与检修。
上层检修桥面铺篦子板,下层设有滚动支座,管道搁置在滚动支座上,便于管道发送、安装。
塔架底部与塔架基础铰接,A型钢管塔架。
侧面设爬梯,塔顶设检修平台及避雷装置。
本文仅包括结构部分计算,管道相关验算见《三堆白龙江悬索跨越--工艺部分》。
图1主桥总体布置图
2.规范及依据
2.1基本规范
●《输油管道工程设计规范》GB50253-2003(2006年版)
●《油气输送管道跨越工程设计规范》(GB50459-2009)
●《建筑结构荷载规范》(GB5009-2001)
●《公路桥涵通用设计规范》(JTGD60-2004)
●《钢结构设计规范》(GB50017-2003)
●《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTGD63-2007)
●其他相关国家、行业规范及技术标准
2.2计算依据
●《白龙江悬索跨越计算书(初步设计0版)》
●《兰州―成都原油管道工程四川广元市段白龙江跨越岩土工程勘察报告(详勘)》
●《三堆白龙江悬索跨越工程(施工图设计1版)》
3.结构分析参数
3.1材料参数
锚碇(主锚碇锚体C40)、塔墩及桩基采用C30混凝土,桥面结构及塔架主体结构采用Q345钢材。
主缆采用PES7-121平行钢丝束,主吊索采用PES5-13平行钢丝束,风索主索采用PES7-37平行钢丝束,风索拉索采用PES5-7平行钢丝束。
3.2计算荷载
根据《油气输送管道跨越工程设计规范》,跨越工程结构部分计算需要考虑永久荷载、可变荷载及偶然荷载等四种类型荷载,按照基准周期50年考虑荷载。
管道验算见《三堆白龙江悬索跨越--工艺部分》。
3.2.1永久荷载
(1)结构自重:
由程序计入
(2)附属构造:
管道保温层0.2kN/m
光缆管0.122kN/m
管道支座1.4kN/个
主缆索夹0.53kN/个
风缆索夹0.183kN/个
栏杆及人行走道0.7kN/m
(3)原油自重:
原油自重2.26kN/m
(4)试压水重:
试压水自重2.685kN/m
3.2.2可变荷载
(5)检修道荷载:
检修荷载0.8kN/m
(6)温度效应:
取整体升降温30度计算
(7)雪荷载:
基本雪压为0.3kN/m2,雪荷载=0.3x1.5=0.45kN/m
(8)覆冰荷载:
覆冰厚取0.015m,覆冰荷载(换算后加在主梁)=0.7kN/m
(9)风荷载:
基本风压取为0.3kN/m2计算,加在主桁架节点按1.95kN/节点
3.2.3偶然荷载
(10)偶然荷载:
本桥偶然荷载仅包括地震作用。
场地地震动峰值加速度为0.15g,设计地震分组位于第二组,地震动反应谱特征周期0.40s,无液化土层。
采用振型分解反应谱法及时程法进行分析。
4.计算工况及荷载组合
4.1计算工况
(一)施工工况
空缆状态:
考虑结构自重
合拢状态:
考虑结构自重和风缆索力
试压状态:
考虑结构自重、附属构造及试压水自重
(二)成桥平衡工况
考虑结构自重、附属构造及原油自重
(三)运营工况
考虑结构自重、附属构造、原油自重及可变荷载
(四)地震计算
考虑结构自重、附属构造、原油自重及地震组合分析
4.2荷载组合
(一)施工工况
施工阶段荷载,系数均取为1.0。
(二)成桥平衡工况
成桥组合=
(1)+
(2)+(3),系数均取为1.0。
(三)运营状况
1、运营组合1(检修道为主力活载)=1.2x[
(1)+
(2)+(3)]+1.4x(5)+0.5x{1.4x[(6)+(7)+(8)]+1.1x(9)}
2、运营组合2(雪、冰为主力活载)=1.2x[
(1)+
(2)+(3)]+1.4x[(7)+(8)]+0.7x[1.4x(6)+1.1x(9)]
3、运营组合3(风荷载为主力活载)=1.2x[
(1)+
(2)+(3)]+1.1x(9)+0.8x1.4x(6)
4、运营组合4(系数1组合)=
(1)+
(2)+(3)+(5)+(6)+(7)+(8)+(9)
(四)偶然状况(地震验算)
偶然状况组合=
(1)+
(2)+(3)+(10)
5.总体分析
5.1模型简介
模型取加劲梁跨中顶面为坐标原点,根据相对位置坐标,建立各关键点的位置。
平衡荷载见4.1.节的第二条,风主索考虑为主动力,成桥状态端部约为450kN。
主缆为被动索力,其位置根据实际外荷载情况,通过控制跨中点垂度满足L/12(L为主跨跨度)迭代其余点坐标。
结构计算采用奥地利桥梁结构专用分析软件:
TDVRM2006(图2)。
模型约束情况如下:
(1)主索锚固处,抗风索锚固处,约束六个方向自由度;
(2)塔架底部简化为固定铰支座,仅可顺桥向转动;
(3)塔顶与主索连接处为全自由度耦合;
(4)吊索与主索,抗风索与风拉索,吊索与管桥,风拉索与管桥全为铰接;
(5)输气管仅约束竖向及横向,中间支点采用全约束自由度。
图2计算模型简图
5.2施工状态工况
(1)空缆状态
根据施工流程,在空缆状态下,施工控制因素是要求塔架直立(与常规悬索桥会有主缆预偏不同),此时主缆跨中的上抬量为1407mm。
此状态下塔架临时固结,同时设置抗风拉索锚固塔架。
此后各工序通过调整背索力保持塔架平衡,使其处于直立状态。
此状态下西岸背索最大索力212kN,中跨最大索力195kN,东岸最大索力217kN。
(2)合拢状态
在桥面结构合拢(此时尚未发送管道),风缆索力张拉到596kN,并通过施工措施调整塔架处于直立状态后,跨中桥面的上抬量为515mm。
从空缆到合拢的中间工况,可据此对主缆矢高进行线性控制。
此状态下西岸背索最大索力1431kN,中跨最大索力1320kN,东岸最大索力1473kN。
桥面支座最大上拔力5kN,固定支座水平力5kN,桁架最大应力30MPa,结构安全。
但施工中注意风缆拉索的同步安装,确保施工期结构的抗风安全性。
计算发现,在桥面支座合拢前,如果塔架处于直立状态,支座销孔错位顺桥向10mm,竖向20mm,无法对准。
考虑通过调整背索力,让支座恢复到理论状态,背索要向前调约20cm,塔顶想河中偏223mm。
塔底支座处产生的顺桥向反力为7kN,结构处于安全状态。
(3)试压状态
发送完桥面管道、试压水前,将主缆背索调整至成桥设计位置(锚杯距离后端400毫米处)。
在此状态下,跨中桥面上抬量为347mm,西岸桥塔向岸侧18mm,东岸向岸侧28mm。
西岸背索、中跨缆索及东岸背索最大索力为1653kN。
在试压水的15MPa稳压状态,塔架基本处于直立状态,跨中桥面上抬量为68mm,比未试压水状态下降415mm。
此状态下缆索的最大索力为2066kN,桁架最大应力为60MPa(竖杆),结构处于安全状态。
5.3成桥平衡工况
(1)成桥平衡工况
平衡条件考虑,风缆含有450kN主动力进行位置迭代,风缆拉索产生6kN。
然后以此为依据,通过确定外荷载进行主缆平衡位置迭代,要求在原油通过的平衡状态下达到设计的1/12的矢跨比。
通过计算可知,成桥平衡状态下,主缆跨中位移为3mm,满足计算精度要求。
此状态下西岸背索最大索力2275kN,中跨最大索力2103kN,东岸最大索力2341kN。
桥面支座受压力7kN,桁架最大应力20MPa(位于竖杆及主平面斜腹杆)。
塔架支座受压力:
西岸1866kN,东岸1998kN。
主管的最大压应力45MPa,横杆最大应力2MPa。
5.4运营工况
本结构属于大型乙类跨越,根据GB50459-2009知,强度设计系数0.58,故抗力如下:
塔架及桁架应力抗力=345x0.58=200.1MPa。
(1)运营验算组合1(检修道为主力活载)
以检修道为主力活载的运营工况,荷载效应如下:
索塔支座反力:
-2296kN(受压)。
塔架主管应力:
-62MPa(受压)。
塔架横撑应力:
-22MPa(受压)。
桥面支座反力:
15kN(受拉),200kN(水平)。
桥面桁架应力:
137MPa(受拉),-30MPa(受压)。
(2)运营验算组合2(雪、覆冰为主力活载)
以雪、覆冰为主力活载的运营工况,荷载效应如下:
索塔支座反力:
-2245kN(受压)。
塔架主管应力:
-65MPa(受压)。
塔架横撑应力:
-27MPa(受压)。
桥面支座反力:
25kN(受拉),270kN(水平)。
桥面桁架应力:
166MPa(受拉),-42MPa(受压)。
(3)运营验算组合3(风荷载为主力活载)
以风荷载为主力活载的运营工况,荷载效应如下:
索塔支座反力:
-2200kN(受压)。
塔架主管应力:
-66MPa(受压)。
塔架横撑应力:
-35MPa(受拉)。
桥面支座反力:
40kN(受拉),380kN(水平),200kN(横桥向)。
桥面桁架应力:
208MPa(受拉),-60MPa(受压)。
通过运营状态1-3的计算结果与抗力容许应力比较,仅运营状态3的桥面桁架应力208MPa略大于抗力200MPa,系数1.04,可以认为满足规范要求。
(4)运营验算组合4(系数均为1)
本组合工况验算主要用于缆索选型及整体稳定性计算。
其中缆索选型设计有:
主缆背索的最大索力(PES7-121):
西岸2708kN,东岸2793kN,跨中段2515kN。
主缆最大设计索力(2.5安全系数)为:
3111kN,满足规范要求。
风缆最大索力(PES7-37):
780kN。
风缆最大设计索力(2.5安全系数)为:
950kN,满足规范要求。
主吊索最大索力(PES5-13):
28kN。
主吊索最大设计索力(3.0安全系数)为:
147kN,满足规范要求。
风缆拉索最大索力(PES5-7):
11kN。
风拉索最大设计索力(3.0安全系数)为:
79kN,满足规范要求。
整体稳定系数有:
采用考虑初设缺陷的FAILURE分析,得出稳定系数为3.2>高耸结构规范要求的2.0,可行。
6.下部验算
(1)塔座验算
塔座最大反力=2296x2=4592kN,塔座最大应力=(6x2x7x25+4592)/(2x7)=0.48MPa,塔座应力满足要求。
西岸塔座的最大水平反力=380x2=760kN,最大的倾覆力=760x10=7600kN。
最大抗倾覆力=(228+117)x23x3.4=27041kN,故抗倾覆满足规范要求。
东岸塔座单桩的最大竖向力=(2296x2+(77.4+84)x25)/2=4313kN。
单桩计算抗力(仅考虑桩端)=0.6x2x2xπ/4x46000=75225kN,满足规范要求。
(2)主缆锚碇验算
根据计算,主缆锚碇的单桩最大设计荷载为4883.9kN,小于单桩承载抗力=1.7e5kN;单桩最小设计荷载为1726.6kN,为受压无拉力存在,故单桩承载力满足规范要求。
同时最大弯矩满足规范要求,具体见附表A。
桩基截面最大裂缝为4.59e-2mm,小于0.2mm满足规范要求,具体见附表A。
由于主缆为预应力结构(预应力大于主缆拉力),故局部应力及承载力显然满足要求。
(3)风缆锚碇验算
根据5.4章,风缆索力=780kN,水平力=740kN,上拔力=130kN。
锚碇重力=168x24=4032kN。
下伏基岩按照较硬岩石考虑,取摩擦系数μ=0.6,抗滑力=0.6x4032=2419kN,系数=1613/740=3.1,满足规范的要求。
风缆锚碇的倾覆力=130x1.4+740x3.75=2975kN.m,锚碇抗滑力=4032x3.5=14112kN.m,抗倾覆安全系数=14112/2975=4.8,满足规范要求。
风缆总拉力=780/8=98kN,局部锚固抗力=0.9x1.15x8220x11.73/1000=100kN,满足规范要求。
7.局部构件验算
(1)主缆索夹验算
由于跨越结构以前没有研究钢结构与PE的摩擦系数,本次结构设置了抗滑摩擦试验,具体结果根据试验进行确定安全系数。
结构验算暂按照摩擦系数0.1,8.8级M20高强螺栓夹持力为125kN。
故抗滑力=125x10x0.1=125kN,远大于吊索最大索力=28kN,系数=4.5,满足规范要求。
但索夹力不宜过大,以免夹坏PE,影响耐久性,故实际施工索夹力根据抗滑摩擦试验指导。
(2)塔(桁架)支座验算
根据5.4章可知,塔架支座最大反力为:
2296kN。
铸钢整体受压最大面积A1=97x2x60x4=46560mm2,选用ZG270-500抗力=210xA1x0.58=5671kN;
铸钢端面承压最大面积A1=124x60x4=29760mm2,选用ZG270-500抗力=325xA1x0.58=5610kN;
销轴的最大受剪面及A2=πx122x122/4x6=70140mm2,选用40Cr抗力=230xA2x0.58=9356kN;
故塔架支座局部应力,满足规范要求。
(3)主(风)缆锚固座验算
根据5.4章可知,主缆锚固座最大拉力按最大索力:
2800kN设计。
铸钢整体受压最大面积A1=212x2x90x2=76320mm2,选用ZG270-500抗力=210xA1x0.58=9295kN;
铸钢端面承压最大面积A1=150x90x2=13500mm2,选用ZG270-500抗力=325xA1x0.58=5090kN;
销轴的最大受剪面积A2=πx150x150/4x2=35343mm2,选用40Cr抗力=230xA2x0.58=4715kN;
预应力产生的预压应力=1000x3x16x139=6672kN>3111kN,安全系数=2.15;
故主缆锚固座及锚碇砼局部应力,满足规范要求。
根据5.4章可知,风缆锚固座最大拉力按设计索力:
780kN设计。
铸钢整体受压最大面积A1=191x2x70=26740mm2,选用ZG270-500抗力=210xA1x0.58=3257kN;
铸钢端面承压最大面积A1=70x84x2=11760mm2,选用ZG270-500抗力=325xA1x0.58=2216kN;
销轴的最大受剪面积A2=πx68x68/4x2=7263mm2,选用40Cr抗力=230xA2x0.58=970kN;
锚固拉杆最大抗力=πx68x68/4x8x335=1534kN>950kN,安全系数=1.6;
故风缆锚固座及锚固拉杆砼抗力大于应力,满足规范要求。
(4)主索鞍验算
根据5.4章可知,主索鞍最大拉力按索力:
2800kN,竖向分力750kN。
索鞍板按45度角冲切,受拉面积A1=400x50=20000mm2,Q345抗力=265xA1x0.58=3074kN;根据计算要求保证索鞍板销孔加劲板的焊接质量,采用坡口焊及角焊缝加强焊。
竖向受剪面积A2=790x50=39500mm2,Q345抗力=155xA1x0.58=3551kN;
销轴最大受剪面积A3=πx150x150/4x2=35343mm2,选用40Cr抗力=230xA2x0.58=4715kN;
故主索鞍的局部应力,满足规范要求。
8.抗震验算(偶然工况)
8.1概述
本桥动力计算采用midas/civil桥梁结构计算软件,计算模型如下:
全桥共3284个单元,其中只受拉索单元424个,梁单元2860个。
锚固处及塔底均约束位移自由度,桁架左端约束位移自由度,右端仅约束Y,Z向自由度。
8.2动力特性
自振特性计算前400阶,计算结果如下:
模态
号
频率
频率
周期
(rad/sec)
(cycle/sec)
(sec)
1
1.537496
0.2447
4.086636
2
1.755501
0.279397
3.579141
3
1.897539
0.302003
3.311228
4
2.456162
0.39091
2.558131
5
2.582788
0.411064
2.432714
6
3.407824
0.542372
1.843753
7
3.414518
0.543437
1.840138
8
3.759731
0.59838
1.67118
9
4.021964
0.640115
1.562218
10
4.154831
0.661262
1.51226
…
…
…
…
396
121.546
19.344653
0.051694
397
122.3785
19.477137
0.051342
398
122.9861
19.573853
0.051089
399
123.6314
19.67655
0.050822
400
125.4078
19.95927
0.050102
振型参与质量表
模态号
TRAN-X
TRAN-Y
TRAN-Z
ROTN-X
ROTN-Y
ROTN-Z
质量(%)
合计(%)
质量(%)
合计(%)
质量(%)
合计(%)
质量(%)
合计(%)
质量(%)
合计(%)
质量(%)
合计(%)
1
0
0
0.05
0.05
0
0
0.02
0.02
0
0
27.55
27.55
2
0
0
42.37
42.42
0
0
7.6
7.63
0
0
0
27.55
3
0
0
0.01
42.42
0
0
0
7.63
27.26
27.26
0
27.55
4
0
0
24.05
66.47
0
0
8.38
16.01
0
27.26
0
27.55
5
0
0
0
66.47
13.47
13.47
0
16.01
0
27.26
0
27.55
6
0.05
0.05
0.01
66.48
38.45
51.92
0
16.01
0.01
27.27
0.67
28.23
7
0
0.06
0.02
66.51
3.15
55.07
0.01
16.03
0
27.27
7.99
36.22
8
0
0.06
1.8
68.31
0.1
55.17
0.07
16.09
0
27.27
0.01
36.23
9
0.01
0.07
0.01
68.32
13.89
69.06
0
16.09
0.06
27.33
0
36.23
10
0.05
0.12
0
68.32
0.22
69.27
0
16.09
6.82
34.15
0
36.23
11
0
0.12
0
68.32
0.05
69.32
0
16.09
0.14
34.29
0.06
36.29
12
0
0.12
0
68.32
0.07
69.39
0
16.09
0.34
34.63
0.01
36.3
13
0
0.12
0
68.32
0
69.39
0
16.09
0
34.63
0
36.3
14
0
0.12
2.57
70.89
0
69.39
1.49
17.58
0
34.63
0
36.3
15
0
0.12
2.44
73.33
0
69.39
2.89
20.47
0
34.63
0.01
36.32
16
0
0.12
0
73.33
0
69.39
0
20.47
0
34.63
0.01
36.32
17
0
0.12
0
73.33
0
69.39
0
20.47
0
34.63
0
36.32
18
0.18
0.3
0
73.33
4.63
74.02
0
20.47
0
34.64
0
36.32
19
0.01
0.3
0.07
73.41
0.32
74.34
0.03
20.5
0
34.64
0
36.32
20
0.01
0.31
0.05
73.46
0.33
74.67
0.02
20.52
0
34.64
0
36.32
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
396
0
95.27
0
97.87
0
81.04
0
96.69
0.01
50.15
0
93.48
397
0
95.27
0
97.87
0
81.04
0
96.69
0.02
50.17
0
93.48
398
0
95.27
0
97.87
0
81.04
0
96.69
0
50.17
0
93.48
399
0
95.27
0
97.87
0
81.04
0
96.69
0
50.17
0.01
93.5
400
0
95.28
0
97.87
0
81.04
0
96.69
0.02
50.2
0
93.5
8.3前6阶振型如下图
8.4反映谱分析
(1)谱曲线如下
多遇地震
罕遇地震
(2)计算结论
仅考虑地震作用,其中,三个地震方向中,竖向地震效应组合系数取0.5。
(3)支点反力结果:
节点
荷载
FX(kN)
FY(kN)
FZ(kN)
位置
1
多遇地震
40.457
0.568
21.895
主缆锚固点
65
多遇地震
40.237
0.762
24.235
119
多遇地震
40.568
0.568
21.954
183
多遇地震
40.334
0.762
24.291
237
多遇地震
5.002
8.715
91.854
塔底
238
多遇地震
6.013
8.560
95.781
239
多遇地震
5.004
8.704
91.6
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 龙江 跨越 工程 计算 报告