三堆白龙江悬索跨越工程 2011.08
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：TDV RM 2006（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。
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(2) 合拢状态
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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。
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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=345 x0.58=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）。
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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
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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=168 x24 =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=70140 mm2，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；
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