张家口工业南桥计算书110m下承式系杆钢拱.docx
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张家口工业南桥计算书110m下承式系杆钢拱
河北省张家口市清水河工业南桥计算书
一.工程概况：
张家口市清水河为永定河水系洋河支流，由北向南纵贯张家口市主城区。
清水河属北方季节性河流，河流流量丰枯变化大，洪水泥沙含量高。
主城区段河道宽度约100m～160m，河道平均纵坡0.8％。
河道北段两侧建筑密集，南段两侧建筑较少。
新建工业南桥位于清水河水环境治理三期工程新河道桩号9+800处，由两侧引桥，及主跨径111米主桥构成，桥梁全长147米。
主桥为钢结构下承式系杆拱，拱肋外翻约18.4度。
主桥为双向4车道，双侧非机动车道及双侧人行道；全桥宽39.5~51米，桥梁面积为4869㎡。
桥位与规划河道中线交角为93.1°。
二.主要材料：
（一）钢材：
拱肋：
Q390D箱型截面
系杆：
Q345D箱型截面
端横梁：
Q345D箱型截面
主横梁：
Q345D箱型截面
车行道纵梁：
Q345D工字钢
车行道次横梁：
Q345D工字钢
人行道纵向钢管：
Q345D方钢管
人行道桥面板：
Q235C钢板
（二）混凝土
主桥桥面板：
CF45钢纤维混凝土
引桥现浇主梁：
C45混凝土
三.技术标准：
1.设计荷载:
车辆荷载：
城市-A级
人群荷载：
按《城市桥梁设计荷载标准》4.1.9.1条计算
风荷载：
百年一遇风速：
32.5m/s
地震荷载：
地震烈度为7度，地震动峰值加速度0.1g。
漂流物撞击力：
按《公路桥涵设计通用规范》4.4.2-4取用。
2.设计洪水频率：
满足50年一遇防洪标准，且在100年一遇标准时洪水不漫桥。
3.水位和流量：
50年一遇洪水位731.16米，设计洪峰流量为2417立米/秒；
100年一遇洪水位731.87米，设计洪峰流量为3170立米/秒。
4.桥下净空：
满足50年一遇防洪标准，并考虑澭高0.5米。
5.通航标准：
桥下无通航要求。
6.结构安全等级：
一级，
；
7.设计基准期：
桥梁结构的设计基准期为100年；
8.环境类别：
II级;
9.护栏防撞等级为SB
四.模型建立
1.主桥跨径布置：
图：
跨径布置图
全桥跨径布置为：
18+111+18=147米
2.计算模型：
计算采用midascivil2006版空间程序进行计算。
计算模型如下图：
3.截面布置：
（1）拱肋截面：
距拱脚13米范围内截面为变截面，截面由2.2x2.2m变化为2.2x1.7m；中间段拱肋为等截面，截面尺寸为2.2x1.7m。
程序中按梁单元模拟，其截面尺寸如下图：
图：
拱肋变截面
图：
拱肋标准段截面
（2）吊索采用250拉索体系，程序中用桁架单元模拟，车行道采用1860MPa15-19型索体；人行道采用1860MPa15-6型索体；
（3）端横梁截面：
端横梁为单箱双室，程序中采用梁单元模拟，截面如下图：
图：
端横梁截面
（4）主横梁截面：
主横梁为箱型截面，程序中采用梁单元模拟，截面如下图：
图：
主横梁截面
（5）车行道纵梁：
车行道纵梁为工字形截面，程序中采用梁单元模拟，截面如下图：
图：
车行道纵梁截面
（6）车行道横梁：
车行道横梁为工字形截面，程序中采用梁单元模拟，截面如下图：
图：
车行道横梁截面
（7）人行道纵梁：
人行道纵梁为箱型截面,截面尺寸为33x20x1cm方钢管
（8）车行道桥面板为25cm厚C45混凝土，采用板单元模拟。
（9）人行道桥面板为1.2cm厚钢板，采用板单元模拟。
（10）引桥采用梁单元模拟。
4.荷载组合
CB1组合：
施工阶段累计恒荷载
CB2组合：
施工阶段累计恒荷载+活载+静风荷载+系统温升+日照温升+索梁升温+收缩二次+徐变二次
CB3组合：
施工阶段累计恒荷载+活载+静风荷载+系统温升+日照温降+索梁升温+收缩二次+徐变二次
CB4组合：
施工阶段累计恒荷载+活载+静风荷载+系统温降+日照温升+索梁降温+收缩二次+徐变二次
CB5组合：
施工阶段累计恒荷载+活载+静风荷载+系统温降+日照温降+索梁降温+收缩二次+徐变二次
CB6组合：
施工阶段累计恒荷载+活载-静风荷载+系统温升+日照温升+索梁升温+收缩二次+徐变二次
CB7组合：
施工阶段累计恒荷载+活载-静风荷载+系统温升+日照温降+索梁升温+收缩二次+徐变二次
CB8组合：
施工阶段累计恒荷载+活载-静风荷载+系统温降+日照温升+索梁降温+收缩二次+徐变二次
CB9组合：
施工阶段累计恒荷载+活载-静风荷载+系统温降+日照温降+索梁降温+收缩二次+徐变二次
5.边界条件
（1）主桥支座模拟：
主桥支座布置为西北侧支座为固定盆式支座，西南侧支座为横桥向单向滑动盆式支座，东北侧为纵桥向单向滑动支座，东南侧为双向滑动支座。
程序中采用刚性连接模拟，分别为：
西北侧111001，西南侧101001，东北侧011001，东南侧001001。
图：
主桥支座模拟
（2）引桥支座模拟：
引桥支座采用刚性连接模拟，桥台一侧模拟为101001，主桥牛腿一侧模拟为001001。
图：
引桥支座模拟
（3）拱肋临时支架模拟：
拱肋临时支架采用只受压弹性连接模拟，竖向刚度为100000KN/m。
图：
拱肋临时支架
（4）主梁临时支架模拟：
主梁采用满堂支架，临时支架采用只受压弹性连接模拟，竖向刚度为100000KN/m。
图：
主梁临时支架
6.外荷载：
（1）铺装荷载：
主桥车行道铺装按10cm沥青混凝土计算=0.1x25=2.5KM/㎡；
人行道铺装按2cm铺装计算=0.02x25=0.5KN/㎡；
车行道栏杆按3.5KN/m计算；
人行道栏杆按3.5KN/m计算；
（2）系统温升：
30℃；
（3）系统温降：
-45℃；
（4）主桥车行道混凝土板日照升温：
10℃；
（5）主桥车行道混凝土板日照降温：
-5℃；
（6）吊杆与主梁升温差：
10℃；
（7）吊杆与主梁降温差：
-10℃；
（8）风载计算
A.风环境：
根据地堪报告，本工程所在位置百年一遇基本风速为：
32.5m/s，风压：
0.6KN/㎡；桥位所在地区地表状况按快阔水面考虑，地表类别按A类取用。
B.基准高度：
主梁：
取桥面距水面平均高度=3.9m；
吊杆：
取跨中主梁底面到拱顶的平均高度=17.7m；
拱肋：
水面以上拱肋65%高度处=14.6m；
C.基准风速:
按《公路桥梁抗风设计规范》3.2.4-1条公式：
进行计算。
主梁：
吊杆：
拱肋：
主梁：
吊杆：
主梁：
D.施工阶段设计风速:
按规范3.3.1公式计算：
，其中
为风速重现期系数取1。
E.静阵风风速：
主梁：
1.25x34.06=41.575m/s
吊杆：
1.29x40.85=52.7m/s
拱肋：
1.26x39.91=50.3m/s
F.静阵风荷载：
主梁：
0.5x1.25x（41.575）2x1.3x2=2.8KN/m
吊杆：
0.5x1.25x（52.7）2x1.0x0.032=0.062KN/m
拱肋：
0.5x1.25x（50.3）2x1.2x2.2=4.2KN/m
7.初拉索力：
索力采用刚性横梁法求解,在每个吊点处模拟一个竖向只受压刚性约束，在全横载状态下求出每个吊点下反力,计算模型如下图：
图：
刚性横梁法求索力结构模型
表：
初拉索力（最外侧吊索编号为1，最内侧为6）
吊索力
车行道1
车行道2
车行道3
车行道4
车行道5
车行道6
计算索力
1036
735
724
691
679
673
采用索力
1100
900
950
1100
1150
1000
吊索力
人行道1
人行道2
人行道3
人行道4
人行道5
人行道6
计算索力
209
192
236
251
262
267
采用索力
250
300
300
250
200
150
说明：
由于施工时吊索为分批张拉，每张拉后一根吊索时对先前吊索索力影响较大。
因此实际采用的初拉索力比计算索力大。
8.拱肋临时索：
每侧拱肋设置四道临时索，一侧锚固在拱肋上，另一侧锚固在异侧系杆上，位置见下图：
图：
拱肋临时索位置图
临时索采用桁架单元模拟，采用15-6索体。
临时索初拉力为：
最外侧临时索初拉力350KN
跨中侧临时索初拉力300KN
9.施工阶段：
计算划分施工阶段如下：
（1）搭设临时支架，安装端横梁（含牛腿）、主横梁、系杆；
（2）安装车行道纵、横梁，人行道纵梁，人行道桥面板，车行道桥面板；
（3）搭设拱肋临时支架，安装拱肋，张拉拱肋临时索；
（4）拆除拱肋临时支架；
（5）安装并张拉车行道吊索1；
（6）安装并张拉车行道吊索2；
（7）安装并张拉车行道吊索3；
（8）安装并张拉车行道吊索4；
（9）安装并张拉车行道吊索5；
（10）安装并张拉车行道吊索6；
（11）拆除拱肋临时索；
（12）安装并张拉人行道吊索1；
（13）安装并张拉人行道吊索2；
（14）安装并张拉人行道吊索3；
（15）安装并张拉人行道吊索4；
（16）安装并张拉人行道吊索5；
（17）安装并张拉人行到吊索6；
（18）拆除主桥临时支架；
（19）现浇引桥；
（20）上二期恒载；
（21）计算10年收缩徐变；
五.计算分析内容：
2.反力:
表：
主桥中墩反力
西北侧固定支座
西南侧横向滑动支座
恒载
恒+活
组合
恒载
恒+活
组合
中墩反力
13439
15820
16039
13439
15819
15600
横桥向水平力
0
-155
-683
0
0
0
纵桥向水平力
0
1100
1430
0
-1100
-1430
东北侧纵向滑动支座
东南侧双向滑动支座
恒载
恒+活
组合
恒载
恒+活
组合
中墩反力
13439
15800
16009
13439
15799
15591
横桥向水平力
0
155
-617
0
0
0
纵桥向水平力
0
0
0
0
0
0
表：
引桥反力
施工阶段
引桥反力
1
2
3
4
5
现浇引桥
820
526
486
497
501
二期恒载
1071
499
561
570
573
十年收缩徐变
1056
506
566
572
576
活载max
82
49
134
427
387
组合max
1136
555
703
999
963
组合min
1052
483
560
563
566
说明：
引桥悬臂一侧支座为编号为1，跨中侧支座编号为5，引桥支座对称布置，表中仅列出一侧支座。
结论：
主桥支座最大竖向反力为16039KN，考虑到计算模型中端横梁未考虑灌注混凝土，因此支座取用竖向承载力为20000KN盆式支座。
引桥支座最大反力为1136KN，支座选用承载能力为1200KN的40x30x6.7cm板式橡胶支座。
3.索力：
表：
阶段索力单位：
KN
施工阶段
车行道1
车行道2
车行道3
车行道4
车行道5
车行道6
人行道1
人行道2
人行道3
人行道4
人行道5
人行道6
初拉索力
1100
900
950
1100
1150
1000
250
300
300
250
200
150
张拉吊杆1
692
张拉吊杆2
483
612
张拉吊杆3
424
466
720
张拉吊杆4
501
475
601
854
张拉吊杆5
655
588
619
709
816
张拉吊杆6
771
689
671
664
621
623
拆除临时索
794
748
740
730
689
689
张拉人1
739
728
742
740
703
704
190
张拉人2
714
677
729
751
720
722
140
201
张拉人3
729
669
693
742
731
739
114
143
189
张拉人4
749
690
695
720
724
744
98
115
137
154
张拉人5
766
711
714
724
707
731
89
99
109
112
126
张拉人6
778
726
729
734
702
706
84
90
94
89
94
99
主梁脱架
978
891
866
865
839
848
116
115
118
109
109
110
现浇引桥
981
884
851
847
820
829
120
120
123
115
116
117
二期恒载
1177
1101
1070
1066
1039
1047
170
169
171
161
162
163
收缩徐变
1194
1120
1088
1081
1052
1060
147
149
155
149
152
154
活载单项
297
308
311
311
308
304
111
113
113
109
103
98
组合max
1509
1450
1426
1421
1391
1395
254
253
255
244
240
236
组合min
1177
1104
1076
1072
1049
1061
110
100
100
95
104
110
表：
阶段临时索索力单位：
KN
施工阶段
外侧临时索
内侧临时索
架设拱肋（初拉力）
350
300
拆除拱肋支架
309
246
张拉车吊索1
286
265
张拉车吊索2
252
277
张拉车吊索3
217
271
张拉车吊索4
195
230
张拉车吊索5
193
159
张拉车吊索6
199
102
结论：
（1）运营阶段车行道最大吊索力为1509KN，吊索采用15-19索体，破断力为4948KN，吊索安全系数为3.279>3。
施工阶段车行道最大吊索力为1194KN，吊索采用15-19索体，破断力为4948KN，吊索安全系数为4.14>2。
（2）运营阶段人行道最大吊索力：
255KN，吊索为用15-6索体，破断力为1520KN，吊索安全系数为5.96>3。
施工阶段人行道最大吊索力：
300KN，吊索为用15-6索体，破断力为1520KN，吊索安全系数为5>2。
注：
考虑换索，车行道吊索更换时，人行道吊索所力会增加较大，因此人行道吊索安全系数取用较大。
（具体见换索计算）
4.吊索应力：
表：
吊索应力单位：
MPa
施工阶段
车行道1
车行道2
车行道3
车行道4
车行道5
车行道6
人行道1
人行道2
人行道3
人行道4
人行道5
人行道6
张拉吊杆1
260
张拉吊杆2
181
230
张拉吊杆3
159
175
270
张拉吊杆4
188
179
226
321
张拉吊杆5
246
221
233
267
307
张拉吊杆6
290
259
252
250
233
234
拆除临时索
299
281
278
275
259
259
张拉人1
278
274
279
278
264
264
227
张拉人2
269
254
274
282
271
272
167
239
张拉人3
274
251
261
279
275
278
135
170
225
张拉人4
281
259
261
271
272
280
116
137
163
183
张拉人5
288
267
268
272
266
275
106
117
130
134
150
张拉人6
292
273
274
276
264
265
100
107
112
106
113
118
主梁脱架
368
335
326
325
315
319
138
137
141
130
130
131
现浇引桥
369
332
320
318
308
312
143
143
147
137
139
140
二期恒载
442
414
402
401
390
394
203
201
203
192
193
194
收缩徐变
449
421
409
406
396
398
175
177
185
178
181
183
活载单项
112
116
117
117
116
114
132
134
134
129
122
116
组合max
567
545
536
534
523
525
303
301
304
290
286
281
组合min
443
415
405
403
394
399
131
119
119
113
123
131
应力幅
125
131
134
133
133
131
100
100
101
98
93
87
应力幅
124
130
131
131
129
126
172
182
185
177
163
150
表：
临时索应力单位：
MPa
施工阶段
外侧临时索
内侧临时索
架设拱肋（初拉力）
353
270
拆除拱肋支架
368
293
张拉车吊索1
340
316
张拉车吊索2
301
330
张拉车吊索3
258
323
张拉车吊索4
233
274
张拉车吊索5
230
189
张拉车吊索6
237
121
结论：
（1）车行道吊索最大应力为567MPa，安全系数为3.28>3，应力幅为134MPa<250MPa。
（2）人行道吊索最大应力为304MPa，安全系数为6.11>3，应力幅为185MPa<250MPa。
5.拱肋位移、内力及应力：
表：
拱肋数据
施工阶段
拱脚（单元424）
1/4拱肋（单元410）
拱顶（单元397）
位移（mm）
轴力（KN）
弯矩（KN.m）
应力（Mpa）
位移（mm）
轴力（KN）
弯矩（KN.m）
应力（Mpa）
位移（mm）
轴力（KN）
弯矩（KN.m）
应力（Mpa）
Dy
Dz
Fx
My
Mx
Dy
Dz
Fx
My
Mx
Dy
Dz
Fx
My
Mx
架设拱肋拉临时索
0
0
-1939
-877
-66
-16
-21
-2
-1487
192
140
-9
-32
-1
-1371
36
8
-10
拆除拱肋支架
0
0
-2564
-1558
-25
-14
-7
-9
-2027
242
-3
-12
-10
-14
-1887
513
0
-13
横纵梁
0
0
-2613
-654
-46
-10
-7
-8
-2084
268
2
-12
-11
-11
-1946
286
1
-11
张拉车吊杆1
-1
-1
-3292
-2284
-122
-26
-9
-9
-2371
667
19
-16
-10
-3
-2249
-811
3
-15
张拉车吊杆2
-1
-2
-3869
-2966
-164
-34
-13
-12
-2765
1627
42
-26
-11
4
-2670
-2067
4
-27
张拉车吊杆3
-1
-2
-4733
-3066
-176
-38
-19
-16
-3428
4255
76
-54
-15
9
-3389
-3516
5
-43
张拉车吊杆4
-1
-1
-6140
-2566
-162
-40
-26
-18
-4838
4045
117
-58
-24
7
-4575
-4495
5
-57
张拉车吊杆5
-1
-1
-7765
-1801
-129
-42
-30
-17
-6336
2491
125
-51
-35
-5
-5940
-3401
4
-53
张拉车吊杆6
-1
-1
-8867
-1467
-100
-43
-31
-15
-7322
1148
115
-44
-43
-19
-6866
318
5
-34
拆除临时索
0
-1
-9070
-2696
3
-36
-8
-28
-7527
1163
-235
-43
18
-40
-7045
884
-14
-40
张拉人吊杆1
0
-1
-9242
-3156
11
-43
-13
-30
-7641
1170
-257
-43
25
-41
-7154
851
-14
-41
张拉人吊杆2
0
-1
-9422
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