Design of steel composite composite beam ground anchor suspension bridge of Xiaolongwan bridge on the Qinhuai river in Nanjing

Abstract

With the development of modern science and technology and the continuous progress of civil engineering, suspension bridge is more and more widely used in civil engineering. In the form of ground anchor suspension bridge, the tension of the main cable is transferred to the foundation by the gravity laying solid (anchorage) or cave anchorage solid (rock anchor) at the end of the bridge. Therefore, it is generally required that the foundation has a large bearing capacity at the anchorage, and it is better to have a good rock layer for supporting the foundation. Suspension Bridges are one of the main forms of extra-large span Bridges. Apart from the two cable-stayed Bridges, sutong bridge and stonecutters island bridge, all suspension Bridges with a span of more than 1000m are suspension Bridges. If the main cable is made of light and strong carbon fiber, its ultimate span can exceed 8000m in theory. The history of suspension Bridges is ancient. Early tropical hominids used vines, bamboo, and tree stems from forests to make hanging Bridges to cross streams. They used hanging cables that were vertical, cable-stayed, or a mixture of the two. This subject is based on the real project of Nanjing Qinhuai river Xiaolongwan bridge is designed. The suspension bridge is designed with 44m 100m 44m three-span steel composite composite beam. This paper mainly carries on the calculation analysis to this design and the construction scheme determination. The suspension bridge is a complex flexible statically indeterminate structure. Therefore, Midas software is used for finite element calculation. Finite element will give up as grounds of suspension Bridges under axial tension of main cable and bear the combination of the vertical bending moment of the stiffening girder structural system, but by the suspension bridge will be considered a more root of straight bar space frame structure system composed of main cable dogan rods (mansard), through the cross bar (nodes) the deformation coordination of keep the structure as a whole. Deformation coordination is based on the position of the structure after deformation. Therefore, various geometric nonlinear problems are taken into account and carried out by iterative method.

Key Words:ground - anchored suspension bridge three - span steel composite beam

目录

摘要 .....................................................................................................................................................................Ⅰ

Abstract...............................................................................................................................................................Ⅱ

第一章 绪论............................................................................................................................1

1.1 地锚式悬索桥的优点...........................................................................................................1

1.2 地锚式悬索桥的孔跨布置形式.......................................................................................1

第二章 方案设计....................................................................................................................2

2.1 跨径布置................................................................................................................................2

2.2 顺桥向设计 ..........................................................................................................................2

2.3 横桥向设计 ..........................................................................................................................5

2.4 主塔设计................................................................................................................................6

第三章 计算模型....................................................................................................................8

3.1 计算模型及考虑因素...........................................................................................................8

3.2 节段划分及截面几何特性计算..........................................................................................9

3.3 静力分析说明.......................................................................................................................9

3.4 结构整体刚度......................................................................................................................11

3.5 反力计算结果......................................................................................................................12

第四章 缆吊系统计算..........................................................................................................14

4.1 缆索计算 ......................................................................................................................14

4.2 吊索计算..............................................................................................................................17

第五章 恒载计算..................................................................................................................21

5.1 一期恒载计算......................................................................................................................21

5.2 二期恒载计算......................................................................................................................23

5.3 总恒载效应 ........................................................................................................................23

第六章 活载计算..................................................................................................................24

6.1 汽车荷载..............................................................................................................................24

第七章 其他荷载计算..........................................................................................................34

7.1 温度次内力计算.................................................................................................................34

7.2 支座沉降次内力计算.........................................................................................................40

7.3 抗风计算..............................................................................................................................43

第八章 荷载组合计算..........................................................................................................47

8.1 荷载组合..............................................................................................................................47

8.2 基本组合计算......................................................................................................................48

8.3 频遇组合计算......................................................................................................................49

8.4 准永久组合计算..................................................................................................................50

8.5 其他组合计算......................................................................................................................51

8.6 主梁应力计算.....................................................................................................................53

第九章 主塔及塔横梁计算..................................................................................................57

9.1 主塔内力计算结果.............................................................................................................57

9.2 主塔应力计算结果.............................................................................................................62

9.3 主梁桥面板验算.................................................................................................................64

9.4 塔横梁计算与配筋.............................................................................................................65

第十章 墩及桩基础设计与计算..........................................................................................68

10.1 支座....................................................................................................................................68

10.2 墩身设计与验算...............................................................................................................68

10.3 承台设计 ..........................................................................................................................70

10.4 桩基础设计 ......................................................................................................................71

第十一章 施工方案设计......................................................................................................74

11.1 塔柱及锚碇施工................................................................................................................74

11.2 缆索系统的架设................................................................................................................74

11.3 主梁的制造与吊装...........................................................................................................75

第十二章 工程造价预算......................................................................................................77

12.1 工程量估算 .....................................................................................................................77

12.2 工程造价预算...............................................................................................................77

第一章绪论

1.1地锚式悬索桥的优点

1、要建设桥梁，跨度大的话，悬索桥的大跨越能力是最好的；

2、桥梁两侧具备良好的地质与地形条件，适合巩固锚位，锚固主缆，从而

进一步体现悬索桥方案整体用料节约的优势；

3、采用大跨度斜拉桥时，当塔的高度被限制，可以用同等跨度的悬索桥降

低建筑的高度，满足使用要求；

4、建筑景观的特殊要求，如果采用悬索桥的话，景观的优势性可能会更高。

5、因为施工条件受到限制，所以使用悬索桥施工可能更方便更合理。

6、作为主要承重构件的主缆主要受拉力，悬索桥具有非常合理的受力方式。

1.2地锚式悬索桥的孔跨布置形式

三跨悬索桥是地锚悬索桥最常见的形式，其结构特点是合理的。到目前为止，世界上大多数大跨度悬索桥都采用这种形式。在三跨式中，跨径比一般受具体桥位地形地质条件的制约，其值的自由度不大。悬索桥边跨比一般为0.3～0.5，超长跨度结构整体刚度为0.2～0.4。

当主跨长度和边跨中跨比固定时，主缆的拉力（代表主缆所需的横截面积）随着垂跨比的减小而增大，即垂度越大，主缆的拉力越小，但垂度的增大，主缆的长度就会越长。同时增加了塔高，因此存在着最佳垂度的问题。从力学性能来看，垂度越大，整体垂向刚度越小。同时，垂度还会影响悬索桥的垂向和扭转自振频率，对构造的抗风性能产生影响。考虑到以上因素，大跨度悬索桥的垂跨比一般为1/12-1/10，公路与铁路悬索桥的垂跨比一般为1/11，公路悬索桥的垂跨比一般为1/10。在恒载作用下，悬索桥加劲梁只承受局部弯曲，而在活载作用下，主梁的刚度对结构整体垂向刚度影响较大。从世界大跨度悬索桥来看，桁架加劲梁的高跨比在1/180-1/70之间，钢箱梁的高跨比在1/400-1/300之间。除结构的垂直刚度外，梁高还与整个桥梁的风稳定性有关。当梁高过低时，截面扭转刚度大幅度降低，易产生涡流振动和抖振，导致结构疲劳。箱梁高宽比一般控制在1/7-1/11之间。

第二章方案设计

2.1跨径布置

为了在桥梁的总体上保证协调性、平衡性以及美观度，初步设计桥梁：主

图2-1桥梁纵向布置图

本设计中主跨悬索线形为二次抛物线，边跨的线形根据模型计算确定。主缆 中心距为 31m。矢高为 29m，中跨矢跨比为 1/5.5。主跨共 19 根缆索，间距为 5m；边跨共18根缆索，两边对称布置，间距为4.4m；主塔两侧的缆索离主塔的中心为4m。

主缆在主要荷载作用下安全系数不小于2.5。主缆采用PWS法施工的平行钢丝束股钢缆，全截面共37根束股，每股由91根

主缆垂跨比为1/10，主缆索夹内直径为375.9mm索夹外直径为380.7mm。钢丝标准抗拉强度不小于1770MPa。

全桥共两根主缆，两主缆横桥向中心距离 31m。

2.2.3 吊索及索夹

外层为彩色。钢丝采用91根Ф5.0mm镀锌高强钢丝，索夹内直径为357.7mm索夹外直径为362.5mm，钢丝标准抗拉强度不小于1670MPa。其弹性模量Ep=2.0×105MPa，抗拉强度 fpk=1670MPa，热膨胀系数为0.000012/℃，容重78.5KN/m3。

索吊索在主要荷载（恒载 汽车 温度）作用下，安全系数≥3.0；索夹强度安全系数≥3.0；索夹抗滑移安全系数≥3.0，螺杆安全系数≥2.0。

2.2.4 加劲梁

加劲梁采用钢－混凝土组合梁，由钢主梁、剪力键和混凝土桥面板组成。其中钢主梁梁高2.5ｍ（中心线处），横梁梁高2.76ｍ（跨中），混凝土桥面板厚为0.2ｍ，桥面铺装厚为0.075ｍ。

加劲梁节段按水平投影长度划分，标准节段长9m，边跨两侧端部节段分别长7.92m和8.7m，主跨端部节段长8.85m.钢梁横向设两片主梁，中心距为25m。吊索横向间距为30m,吊索锚点设在主梁外侧的加紧肋上。纵向每隔3m设置一道横梁，端部特殊节段横梁间距2.15~3m，横梁为工形断面。在横梁中心线处沿纵桥向布置-道钢小纵梁，钢小纵梁顶面与钢横梁项面平齐。钢梁节段采用栓焊组合连接。桥面设2%双向横坡，桥面横坡通过变横梁梁高实现。检修道设2%反向横坡，变坡点在汇水槽中心位置。

纵.梁采用工字形截面，材料选用Q420qD，中横梁采用工字形截面、端横梁采用工字形截面、塔处横梁采用工字形截面，横梁材料均选用Q370qD，具体截面尺寸详见表格及断面图。

梁段类型

A

B

A1

B1

C

D

E

翼缘厚度

30

40

30

40

40

40

40

腹板厚度

24

24

24

28

30

30

30

底板宽度

1000

1000

1000

1000

1000

1000

1000

梁段长度

10000

10000

4400

4400

4320

4060

9580

全桥数量

6

2

12

4

2

2

2

主跨端支点各设置一道横梁（B1），横梁材料为 Q345qD，共两个，工字形截面，翼缘厚度24mm，翼缘宽度为1000mm，腹板厚度取20mm，横梁长度为26m横梁的间距取索距的等分数，索距为 5m，横梁间距则取2.5m。横梁跨中高度2750mm，横向设2%横坡。另每隔5m设置一道钢横梁BS，截面形式为箱型截面，具体截面形式同主塔设计中的横梁一致。

横类型

B1

B2

B3

B4

位置

标准吊索

端吊索

主跨端支点

节间

翼缘厚度

24

40

24

20

翼缘宽度

700

24

1000

600

腹板厚度

16

20

20

12

梁段长度

28500

26000

全桥数量（道）

39

4

2

同时桥面板施工时也应严格控制钢筋间距施工误差。除临时连接件范围外，剪力钉要求在工厂与钢梁一起焊接。剪力钉的机械性能、焊接性能及质量应满足《电弧螺柱焊用圆柱头焊钉》（GB10433-2002）要求。

5）检修道

检修道顶板采用10mm板，通过设置倒T型钢进行加劲，倒T型加劲基本间距380mm，检修道面板与钢主梁面板焊接，端部设440x12mm镶边。由于吊点位置检修道板参与吊点横梁受力，纵向在吊点附近左右各1.5m范围内检修道顶板与主梁顶板等厚，为24mm。检修道顶板不等厚板对接均采用1:8坡度过渡。检修道纵向间隔1500mm设置一道横隔板，吊点处板厚40mm（端吊点46mm），相邻500mm设一道20mm厚吊点加劲隔板，并设置检修孔及竖向加劲肋，非吊点处板厚20mm。

2.3 横桥向设计

2.3.1 桥面设计

桥面净宽 26m。主梁采用钢筋混凝土组合梁。组合梁中钢梁截面采用工字形截面形式，混凝土板采用预制桥面板（C60混凝土），抗剪连接件采用焊钉连接件剪力钉（ML15）。

中间设置4m宽的中央分隔带，外侧设置0.5m宽的防撞护栏。路幅布置为：

0.5m（防撞护栏） 3m（紧急停车带） 2×3.75m（车行道） 4m（中央分隔带） 2×3.75m(车行道) 3m（紧急停车带） 0.5m（防撞护栏）。桥面全宽31m，路幅布置为：2.5m（检修道 索区）0.5m（防撞护栏） 3m（紧急停车带） 2×3.75m（车行道） 2m（中央分隔带） 2×3.75m(车行道) 3m（紧急停车带） 0.5m（防撞护栏） 2.5m（检修道 索区）=31m。桥面铺装拟采用三层设计：第一层是厚度为 6.5cm 的高粘改性沥青混凝土沥青铺装层，第二层为厚度为 1cm 的高粘应力吸收粘结层，第三层是防水层(厚度忽略不计)。桥面横坡按照设计任务书的要求设置为 2%。桥平面布置见图2-2。

图2.2桥平面布置(单位：cm)

2.4 主塔设计

主塔采用钢筋混凝土门式框架结构。塔柱全高（从承台顶面算鞍座底）54.1m，分别由塔顶鞍罩、上、下塔柱及主塔横梁几部份构成。主塔的横桥向设计为门式框架结构，两塔柱垂直，塔柱为箱型截面，主塔高 51m，下方的承台截面为11×11m 的正方形，高为 4m。主塔截面为正方形，尺寸为4m×4m，中间为变截面。主塔之间由钢横梁联系，塔横梁顶距离塔底为 15m,横梁截面为 4m×3m 的矩形，具体截面形式参见第九部分。采用钢筋混凝土结构，采用C50混凝土，其主要力学性能为：轴向抗压设计强度22.4MPa ，抗拉设计强度1.83MPa ，剪切模，弹性模量，热膨胀系数为0.00001/℃，泊松比γ=0.2 ，容重26kN/。钢容重 78.5kN/。见图 2-3、2-4。

第三章 计算模型

3.1 计算模型及考虑因素

为了更准确地计算数值，所建立的计算模型必须与设计实体更为一致。本设计采用大型有限元分析软件Midas进行建模计算，模拟整个结构的三维空型。

因此，为了准确计算主缆的成桥线形和内力，需要考虑吊杆和加劲梁对整个结构的影响。吊杆张拉力的确定应考虑优化后加劲梁的受力情况。由于桥面系采用单主梁形式，所以没有模拟横梁，横梁的自重采用节点荷载设置。在成桥阶段的模型中，没有考虑桩基础与边墩。

全桥几何模型见图 3-1，计算模型见图 3-2。

3.2.1节段划分原则

由于悬索桥受力较为复杂，且本设计为对称结构，施工时考虑因素较多，在建模分段时，本项目基本上是根据横梁进行的，方便施工阶段的划分，且支点处划分考虑支座位置。

使用迈达斯悬索桥建模助手建立模型，修改边界条件后，使用悬索桥分析功能初步确定成桥状态的主缆线形、吊杆力及主梁内力。

一次成桥下全桥位移、主缆内力、吊杆内力、主梁内力如下图所示，吊杆力及主梁内力示出全部桥跨，位移图中单位为m，其他图中单位均为KN，m。

项目

荷载

部位

位移值（m）

竖向

活载

主跨最大

0.105/-0.422

纵向

纵风

主梁

0.002/-0.002

纵风

南主塔塔顶

0.001/-0.001

标准组合（纵风）

0.006/-0.006

纵风

北主塔塔顶

0.001/-0.001

标准组合（纵风）

0.006/-0.006

横向

横风

主梁

0.017/-0.017

横风

南主塔塔顶

0.018/-0.014

标准组合（横风）

0.221/-0.109

横风

北主塔塔顶

0.019/-0.013

标准组合（横风）

0.221/-0.109

位移移计算方法应为正负挠度之和。

根据上述计算内容，本桥中，主梁在活载作用下正负位移之和为527mm，为 桥梁跨径的1/357。由上述可以看出，本桥刚度满足规范要求。

主塔标准组合下，顺桥向位移最大值为6mm，最小值为6mm，正负位移值之 和为 12mm，主塔高54m，水平位移为塔高的1/4500，主塔结构纵向刚度很大。

横风荷载作用下，横桥向正负位移之和为340mm以内，主塔刚度均满足规范要求。

本桥中，在风荷载作用下主梁横向位移正负位移之和为34mm，本设计的横桥向主梁刚度满足。

3.5 反力计算结果

在活载、温度荷载及沉降荷载的作用下，主塔单个塔柱底及边墩反力分别见表3-2及表3-3。表中，FX为顺桥向反力；FX为横桥向反力；FZ为竖向反力； MX为横桥向弯矩；MY为顺桥向弯矩。具体数值如下所示。

计算工况

主塔单个柱底反力（单位：KN）

FX（单位：KN）

FY（单位：KN）

FZ（单位：KN）

MX（单位：KN*M）

MY（单位：KN*M）

恒载

-323.7

2513.6

37362

12435.1

-34.5

活载

最大

87.4

1142.6

7546.4

3425.1

9446.4

最小

-442.8

-614.2

-122.4

-5612.1

-24952.5

横风

最大

2.58

66.8

241.6

2242.6

23

最小

-2.58

-66.8

-241.6

-2242.6

-23

沉降

最大

4.5

2.9

5.5

1.1

247.8

最小

-11.2

-0.3

-13.4

-14.4

-859.4

温度

（所有）

最大

88.4

221

1.8

1351.1

6435.5

最小

-122.5

-105.5

-153.2

-422.7

-9548.4

合计

最大

-140.82

3946.9

45157.3

19455

16118.2

最小

-902.78

1726.8

36831.4

4143.3

-35417.8

由上述可以得出，主塔竖向反力最大值为45157.3 KN，竖向反力最小值

为36831.4KN。

第四章 缆吊系统计算

4.1缆索计算

4.1.1空缆线型

应用有限元程序(Midas)确定主缆的成桥线形并对主缆成桥线形和空缆线形进行了比较，结果见下图。

4.1.2 内力计算

下面给出恒载、活载以及六种荷载组合工况下主缆内力图，见下图：

组合一：恒载 活载；

组合二：恒载 活载 温度；

组合三：恒载 活载 温度 沉降；

组合四：恒载 活载 温度 沉降 横风；

其它组合。

主缆截面积分别为 A1＝205803.2mm2，相应的应力值：

主缆应力验算安全系数：

＞2.5

根据上述，主缆的安全系数符合规范要求。

活载作用下应力幅大小为 67.5Mpa,满足规范要求。

下面给出恒载、活载以及六种荷载组合工况下吊索内力图，见图 4.9～图4.16。

组合一：恒载 活载；

组合二：恒载 活载 温度；

组合三：恒载 活载 温度 沉降；

组合四：恒载 活载 温度 沉降 横风；

根据以上吊索应力图可以看出，基本组合作用下，桥塔附近第一根吊杆应力最大,大小为457.2Mpa，中间跨跨中吊杆应力最小，大小为102.6Mpa，吊索的抗拉强度为=1670MPa。

桥塔附近第一根吊索应力验算安全系数：

标准吊索应力验算安全系数：

边吊索应力验算安全系数：

可见，桥塔附近第一根吊杆满足要求，此处吊杆力最大。其他地方吊索安全系数均大于3.6，安全系数较高。

重力密度取值根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60－2015）（以下简称《规范JTG D60》）的相关规定。钢容重78.5kN/m3，C60混凝土容重26kN/m3。

每隔5m设置一道钢横梁BS，每个重18.736kN。一期恒载还包括索夹重量。一期荷载作用内力图见图5-1、图5-2、图5-3、图5-4。梁单元内力汇总表见表。

5-1。