黄河柔性索桥风荷载分配计算方法

万家寨水利枢纽工程

黄河柔性索桥风荷载分配计算方法

许 志 坚

摘 要 在山西省万家寨水利枢纽工程柔性索桥设计时,由于当地气候条件恶劣,风载作用在桥横向时,风缆与桥主索如何分配风载,是计算桥侧向稳定的关键。

关键词 柔性索桥 风载分配 侧向稳定计算 万家寨水利枢纽工程

中图分类号 U441+12 文献标识码 A 文章编号 1007-6980(2000)03-0008-02 万家寨水利枢纽工程已经基本建成,并已并网发电。万家寨水利枢纽工程1992初开始/三通一平0工程设计,根据施工组织设计要求,进行场区内、外交通道路及桥梁布置设计,以解决工程施工期、运行期两岸机械及人行交通问题。在主体建筑物下游,地质地形条件较好,可采用钢筋混凝土梁式桥。主体建筑物上游两岸与黄河河底落差在100m以上,架设多跨梁桥不经济不现实。为解决施工承包商两岸营地交通问题,加快施工进度,选定柔性索桥方案。利用现有的材料进行设计、施工,由于受主缆材料破断拉力限制,不能考虑机械交通通行荷载,只考虑设计荷载为人群荷载及风荷载等的柔性索桥。柔性索桥跨度为500m。

采用平接方式,以减少阻风面积。

2 风荷载分配及计算公式推导结构整体受力时主索与主风索如何分配(承担)风荷载是设计侧向稳定的关键。因为风荷载通过桥面梁系及主索最终传递到主塔架上,直接影响到主塔架受力及整体侧向稳定。

根据有关资料,对于风荷载计算均是在一些假设条件下进行。根据有关书籍论述,再根据本桥的具体设计情况对风荷载分配问题进行如下处理。详见图1及公式推导,其中:

1 桥址条件根据地质、地形等条件确定桥位在坝轴线上游约180m处。利用其他水电工地的旧缆机Z型封闭主缆索。由于受主缆索的根数及破断拉力的限制,梁系结构采用钢结构型式,以减轻结构自重,并考虑水电工地的人流量特殊情况,适当降低人群荷载。人群荷载全桥按015kN/m,验算荷载为3100kN/m,长度为77m。

当地气候条件十分恶劣,属山区丘陵地区。拦河坝坝址为U形河谷,风力大,持续时间长,有时阵风风力达10级以上。冬季日平均最低气温-1612e,夏季日平均最高气温3117e,所以在设计时,风荷载及温度应力都不可轻视。根据国内外有关资料论述,部分失事索桥多为桥面刚度较小,在风荷载作用下,桥面梁系扭曲变形过大导致桥梁失事。在气候条件恶劣的地区设计时,应对风荷载特别加以重视,桥面梁系及栏杆形式的选用以尽量减少阻风面积为原则,以减少主索、塔架及风索的侧向负担。本桥设计基本风压值W0=0160kN/m2(即风速9级以上),横向风压值W=11704kN/m2。在结构允许的情况下,适当加大桥面体系自重,来减少桥面梁系在风荷载作用下的上下振动,并将纵梁与横梁图1 索桥风荷载分配图

W1为作用在索桥桥面梁系上每米长度的风压;W2为作用在主缆索上每米长度的风压;P1为桥面梁系每米长度自重;P2为主缆索每米长度自重;h为由索桥桥面梁系至许志坚#万家寨水利枢纽工程黄河柔性索桥风荷载分配计算方法塔顶缆索悬挂点之间的高度;f为主缆索矢高。

在主体结构设计过程中,通过反复计算确定主缆索矢跨比及风缆索矢跨比,风缆平面与桥面水平面夹角。最终确定主桥矢跨比n=f/l=1/10,风缆矢跨比n风=f风/l风=1/12。由于地形等方面原因,主体结构及风缆结构是不对称结构,都会有$f、fc:

f=$f+fc构时的矢高增量。

根据柔性索桥的特性,做如下假设:

¹q1沿桥跨径方

向按抛物线形变化(q1为风荷载在桥体上时,吊杆内力的水平分力,它将分别传递给主缆索和桥面梁系)。º假设主缆与铅垂线的倾斜情况近似按正弦曲线变化,而且假设$2<$1,那么有:

P$2

tanA=

2f $ls=Rkls/EK

式中,EK为采用的风缆绳弹性模量,H16f2

且: Rk=(l+)

Flss3ls

将(4)式代入(3)式整理后得:

H16f2

(ls+)F3ls

$ls=

EK

f为缆索结构的矢高;ls为索桥跨度。

在考虑弹性变形的同时,还应考虑施工时段温度与风荷载可能出现最大值时段温度之差,对风缆温度之差产生一个$lst的变化,所以:

2$ls=$ls+$lst

由$ls计算出$fs:

152$ls

16n(5-24n2)

式中n=f/l,$fs为跨中挠度(矢高)增量。

$fs=

$fcsa,即得到风缆抛物线最低点处的位移量$1。

然后根据主索与桥面的变化关系得:

$1-$2

(8)

h-f4q1x

q(x)=(l-x)(9)

l2

公式(9)中q(x)为q1沿跨径方向变化函数式,根据角度近

q1=P1

似相等的条件得:

W2+q1P$2

=(10)

P1+P22f

根据(8)式与(10)式联立求得$2,将计算结果$1与$2

进行比较,如果$2<$1,说明计算值与初始假设相符;如果$2\\$1,那么应根据$2\\$1的条件进行公式推导,此(7)(6)(4)(2)(3)(1)

f为实际的矢高;fc为对称结构时的矢高;$f为不对称结

时公式(10)应为:

W2-q1P$2

=

P1+P22f#9#

根据上述计算公式(10)得出的q1,再采用函数q(x)=4q1x(1-x)

积分求得索桥结构受风荷载时,通过主缆索传

l2至索桥塔架顶端侧向水平力。即:

4q1x(l-x)

dx(11)

l22L24q1x(l-x) 2N1=QLdx(12)0q(x)dx=Q0

l2当索桥风缆布置与索桥跨中为对称结构时,N=N1,

L1L1

2N=Q0q(x)dx=Q0

L1=L2;如果索桥风缆布置与索桥跨中为不对称结构时,应分别计算N、N1,取最大值作为设计计算控制值。式(11)、(12)中L1、L2分别为索桥跨中至风缆锚固两端点的距离。从上述分析可知,当风荷载作用在索桥上时,风缆与主缆上的线强度均为曲线分布,为简化计算,近似取W1线强度进行风缆计算,此方法偏于安全。

根据公式(3)可以计算出风缆在受力时的弹性伸长量$ls,

3 结 语本桥采用此方法进行风荷载分配计算,然后进行风缆、主缆计算。通过主缆计算结果分析,传至索桥塔架顶端侧向水平力较大。为使主塔侧向稳定,在主塔架两侧增设抗风拉索。在风力较大的春季及秋季时段,对索桥运行情况现场观察,在桥上行走时感觉比较平稳,跨中水平位移小于计算值。现已正式运行7年,运行情况良好。作者简介

许志坚 男 工程师 水利部天津水利水电勘测设计研究院

天津 300222

(收稿日期 2000-04-17)

(5)

式中,F为缆索截面积;H为缆索承受水平力;H=ql/8f;

根据公式(7)计算出$fs后,将其换算成水平方向的

黄河沙坡头水利枢纽

可研报告通过审查

2000年2月25日,70多位专家、学者聚集银川,对黄河沙坡头水利枢纽工程及节水改造工程可行性研究报告进行最后审查,并提出审查意见。黄河沙坡头水利枢纽工程位于宁夏中卫县境内,是一座以灌溉、发电为主的综合利用水利工程。今年,该工程被确定为西部大开发宁夏基础设施建设重点项目,将于年内开工建设。工程建成后,可使宁夏卫宁灌区无坝引水变为有坝引水,并为其节水改造创造条件。经过40多年的研究论证,1990年,水利部原则同意建沙坡头水利枢纽工程。1997年5月,5黄河沙坡头水利枢纽工程可行性研究报告(重编)6完成。去年,国务院总理办公会议原则批准,要求宁夏抓紧开展工程可行性研究工作,同时要求充分考虑合理利用黄河水资源,加强节水灌溉措施。#54#

DesignofWaterResources&HydroelectricEngineering#Vol119No13August2000

ABSTRACT

DiscussionagainonthetasksandfunctionsoftheDaliushuWaterProjectontheYellowRiver

LinZhao

(TianjinDesignInstituteofMinistryofWaterResources,Tianjin,300222)

OntheupperreachoftheYellowRiver,theDaliushuProjectisnowtheonlyonethatcanbeconstructedasakeyprojectwithhighdamandhugereservoir,butuptonow,ithasnotbeenconstructed.Thisprojecthasobviousmult-purposebenefits,thedevelopmentconditionofwhichisverysuperior.AccordingtothenewsituationthattherunoffalwaysstoponthelowerreachoftheYe-llowRiver,itisnecessarytoreappraiseandregulatethetasksandfunctionsoftheDaliushuWaterProject.Thisprojectplaysveryim-portantroleindevelopingtheeconomyofnorthwestregionofChina,itshouldbeputintopracticeasearlyaspossible.Startingfromitsnatureanddispatchingaswellasmanagement,thisprojectshouldbelongtothewaterconservancyitem.Keywords:theDaliushuWaterProject,task,function,appraisal.

Calculatedvaluedeterminationofshearstrengthofsoftseamsindamfoundationrock

fortheWanjiazhaiHydro-project

LiZhongchun

(TianjinDesignInstituteofMinistryofWaterResources,Tianjin,300222)

/Realvalue0ofcohesionofseamsinthedamfoundationrockcannotbeobtainedfromconventionalsheartest.Theauthorpro-

posedafeasiblemethodtodetermineshearstrengthbywayofinterpolationafteranalyzingandcomparingdistributiontrendofthinlay-eredrockmasseswithtestvalueofshearstrengthoftheseams.Whencalculatingoverallshearstrengthofslidingsurfacesintheseams,systematicmethodologywasemphasizedandoveralleffectivenessofvariouselementswasanalyzedratherthantakingthetestvalueasonlycriterion.Theauthorthinksthemethodofdeterminationcancoveralltheelements.

Keywords:thinlayeredrockmasses,seam,slidingsurfaceofdamfoundationrock,realvalue,testvalueandcalculatedvalueofshearstrength.

CountmethodofwindloadallocationontheYellowRiverflexiblecablebridgeintheWanjiazhaiHydro-project

XuZhijian

(TianjinDesignInstituteofMinistryofWaterResources,Tianjin,300222)

DesigningflexiblecablebridgeinShanxiWanjiazhaiHydro-project,sobadclimaticconditioninplace,itiscriticaltocountbridgesidestabilityhowallocatewindloadtothewindcableandthebridgemaincable,induringwindloadactinbridgetransverse.Keywords:flexiblecablebridge,windloadallocation,countbridgesidestabilitytheWanjiazhaiHydro-project.

ResearchonconcretefortheShanxiWanjiazhaiYellowRiverDiversionProject

JinQiong

(TianjinDesignInstituteofMinistryofWaterResources,Tianjin,300222)

AccordingtodesignrequirementofconcretefortheShanxiWanjiazhaiYellowRiverDiversionProject.Basedondecidedconcretemix.Byorthogonaldesign,authorcarriesoutaseriesofanalyzesaimedattheresultsonstrengthandfrost-resistanceofconcrete.thereby,thereasonableandeconomicalconcretemixchosen,whichprovidereliablefoundationforconstructionandqualitycontrolofconcretefortheShanxiWanjiazhaiYellowRiverDiversionProject.

Keywords:concretemix,compressivestrength,frost-resistance,orthogonaldesign.