管线悬索吊桥工程设计与计算
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管线悬索吊桥工程设计与计算
【摘要】本文结合一座管线桥的设计实例来说明该类型桥梁的设计与计算，提供了一些较为可行的思路和方法，对该型桥梁结构受力特点及结构分析中应注意一些事项，供今后类似桥梁设计参考。
根据地形级业主要求，桥梁采用悬索吊桥，桥梁主跨148m，矢跨比F/L=1/15，桥梁全长201m。
【关键词】管线桥悬索吊桥设计计算
1、概述
本项目为磷矿采选项目尾矿库尾矿管线桥工程，地形属于中低山峡谷地貌，切割深度一般多在1000～1500m，冲沟发育，多呈“V”字形。
桥址区微地貌位于河谷谷坡及斜坡交汇处，桥位跨越高卓营河。
桥位区最低标高689.89m，最高标高773.32m，相对高差约83.43m。
桥梁采用悬索吊桥结构形式，索桥主跨为148m，矢跨比为1/15，桥梁全长201m，索道桥面设计净宽2.5m。
索桥立面及平面图形如图1所示。
2.主要设计技术标准
设计荷载：人群荷载3.5KN/m2；管道荷载为3 KN /m；桥面宽度：总宽3.1m；净宽2.5m；环境类别：I类环境。
图1.桥梁立面图及平面图
3、设计材料
3.1、索
主索:采用《重要用途钢丝绳》（GB 8918-2006）钢芯钢丝绳6×36W＋IWR 镀锌钢丝绳（Φ56mm），抗拉强度为1870MPa，主索采用（6+1）根钢丝绳，A 类镀锌。
抗风索：抗风主索共2根,规格均为6×36SW+IWR型，抗拉强度为1870MPa，直径为44mm，A类镀锌。
吊杆：吊杆采用∅40 A3钢,直径42mm，A类镀锌。
3.2、钢板及型钢
横梁采用采用20b普通工字钢，纵梁采用14b普通工字钢。
桥跨栏杆采用钢制栏杆。
3.3、桥面板
规格为5mm厚防滑钢板。
3.4、混凝土
C40混凝土：桥主塔等；C30混凝土：承台、桩基、引桥主梁等；C25混凝土：引桥桥台基础、限高架基座等。
4、主索受力计算
4.1主索张力计算及型号的选择
桥梁自重：包括主钢索、吊架、横梁、桥板、缘材及栏杆等自重。
该桥主索跨度为148米，桥面自重为q1=2.8KN/m；人行荷载为q2=3.5x1.5=5.25KN/m；管道自重q3=3.0KN/m。
4.1.1、主索张力计算；
由于此桥为尾矿管道索桥，此时的矢跨比1/15时，桥面坡度比较适宜，由于桥梁的矢跨比较小，钢索的张力与水平比较接近，故以索的水平力代替钢索的张力。
钢索的张力由下式计算；
式中：
M—相应荷载作用跨中，简支梁跨中的弯矩由求得。
f—只一个荷载P作用跨中时的矢度。
即，将M、f代入式中得；
4.1.2 钢索型号断面的选择及根数的确定；
本桥采用《重要用途钢丝绳》（GB 8918-2006）钢芯钢丝绳6×36W＋IWR 镀锌钢丝绳（Φ56mm），抗拉强度为1870MPa，主索采用（6+1）根钢丝绳，A 类镀锌。
每根钢丝绳的破断拉力［N］=14630KN，钢丝绳的安全系数采用K≥4.42。
得一根钢丝索的容许拉力。
钢丝绳根数的确定；
钢丝绳根数根，采用1根Φ56mm钢丝绳满足要求。
考虑到钢丝受力不均匀及人行桥稳定性，在桥面下设2根直径d=44㎜辅助钢丝绳，公称抗拉强度为 1.87×103MPa，每根钢丝绳的破断拉力［N］=1290KN/4.42=292KN，
所需钢丝索破断力为
N=KN2=（3310+292×2）=3894＜［N］
经计算采用1根56㎜+2根44㎜钢丝绳，完全满足设计要求。
5、吊杆的计算
吊杆直径的确定；吊杆直径由所承受的拉力确定，直径d0由下式求得；
式中；P—吊杆承的最大拉力，其值为两根钢吊杆之间的总拉力之和，即
式中；L—为钢吊杆之间的距离；
q1—为桥面自重；
q2—为管道荷载；
q3—为桥面人行荷载；
为允许拉应力，（采用Q235园钢），
将以上数值代入得；
为考虑永久用使用，人行桥主吊杆选用d0=40㎜。
调节杆采用Q235园钢，根据以上计算表明的结果，（计算从简）选用d=40㎜螺纹杆完全满足调节杆拉应力。
6、横梁计算
横梁中部的最大弯矩；
.m
横梁采用Q235热扎成型工字钢，所需断面计算如下；
式中；.m
采用热扎工字钢，梁的最小高度可由下式求得；
式中；K取1.35；
；
d腹假定为0.9cm；
取工字钢，满足要求。
7、桥面板设计；
桥面板承受行人的压力，按均布荷载考虑。
设计参数：
桥的横断面；
桥面为钢单层桁架，由工字钢和角钢组成。
人行荷载；
设计荷载；q=3.5KN/m2。
钢桥板计算；
结构与截面尺寸，本桥两侧均有人行通道，按最不利人行道宽1.0m进行计算。
钢桥板采用厚度5㎜Q235钢板，其几何尺寸；长2.0M；两次纵梁宽0.4m；厚0.005m，Q235钢板=125MPa。
钢板的最大弯矩在行人时作用的桥面中心点；
式中;q—为桥面行人荷载,q=3.5KN/m2
根据计算采用厚5㎜Q235钢板满足要求。
8、主塔计算
8.1、主塔
左、右岸主塔均采用C40钢筋混凝土，两主塔高度均为21米，而最不利为左岸，P=1985KN,索塔竖向采用50:1的斜坡形式，顶宽 1.8mX1.5m，底宽2.64mX1.5m，墩高21m。
主筋采用54根Φ28钢筋
墩顶处主索拉力为3066.4KN，主索拉力对主塔对应的压力为：
=624KN
墩柱自重：70.6x26=1836KN
墩底最大反力：624+1836=2460KN
根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)受压构件正截面抗压承载力规定（5.3.1）
ΥO=1.1
Nd=2460KN
ψ=0.56
fcd=18.4MPa
A=2.64x1.5=3.96m2
fsd’=280MPa
As’=0.038m2
左侧计算如下：
ΥONd=1.1x2460=2706KN
右侧计算如下：
=0.90x0.56x(18.4x103x3.96+280x103x0.038)
=42100KN
因为2706 KN = Nj = 319 KN(满足)
最小轴力强度验算
截面受力性质: 下拉偏压
内力描述: Nj = 266 KN, Qj = 0.0 KN, Mj = 1.2e+03 KN-m
截面抗力: NR = 703 KN >= Nj = 266 KN(满足)
最大弯矩强度验算
截面受力性质: 下拉偏压
内力描述: Nj = 319 KN, Qj = 0.0 KN, Mj = 1.44e+03 KN-m 截面抗力: NR = 703 KN >= Nj = 319 KN(满足)
最小弯矩强度验算
截面受力性质: 下拉偏压
内力描述: Nj = 266 KN, Qj = 0.0 KN, Mj = 1.2e+03 KN-m 截面抗力: NR = 703 KN >= Nj = 266 KN(满足)
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抗裂验算：
荷载类型:轴力(KN)剪力(KN)弯矩(KN-m)
结构重力266 0.01.2e+03
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计算结果:
正常使用极限状态荷载抗裂性验算:
上缘:
长期荷载弯矩: M = 1.2e+03 KN-m
全部使用荷载弯矩: Mo = 1.2e+03 KN-m
长期荷载裂缝宽度: d_f = 0.0 mm
容许裂缝宽度: d_fo = 0.2 mm
上缘抗裂性验算满足
下缘:
长期荷载弯矩: M = 1.2e+03 KN-m
全部使用荷载弯矩: Mo = 1.2e+03 KN-m
长期荷载裂缝宽度: d_f = 0.102 mm
容许裂缝宽度: d_fo = 0.2 mm
下缘抗裂性验算满足
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11、结语
该桥为悬索吊桥结构形式，桥梁主跨148m，矢跨比F/L=1/15，为磷矿采选项目尾矿库尾矿管线桥工程，不同于以往公路桥梁的设计，本文对该型桥梁结构受力特点及结构分析中应注意一些事项，供今后类似桥梁设计参考和指导作用。
【参考文献】
[1] 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）
[1] 《重要用途钢丝绳》（GB 8918-2006）
[1] 《钢结构设计规范》（GB50017-2003）
[1]绍旭东.《桥梁设与计算》. 人民交通出版社.。
