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算
报
告
2005-11
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图表索引
1索塔
1.1计算模型
模型总体如图 1.1所示。
西岸索塔模型的轴侧图、各方向的投影如图 1.2~图 1.5所示，其中索塔岸侧、江侧方向如图 1.2所示，顺桥向3层桁架平面按江侧—〉岸侧的顺序编号，如图 1.4所示。
图 1.1 模型总体
图 1.2 西岸索塔模型轴侧投影
图 1.3 西岸索塔模型正面投影
平面3及加强
平面1及加强
平面2
江侧
岸侧
图 1.4 索塔模型侧面投影
图 1.5 索塔模型俯视投影
索塔模型由三部分组成：塔铰、塔身和塔顶，西岸索塔模型中的塔铰、塔身中部、塔顶局部放大如图 1.6、图 1.7和图 1.8所示。
图 1.6 塔铰示意
图 1.7 塔身中部示意
图 1.8 塔顶示意
1.2荷载及边界条件
索塔所受荷载除结构自重外，包括主索鞍传递的主索荷载、工作索鞍传递的工作吊篮荷载、以及前后抗风传递的索力。所有这些荷载量值均按贵单位提供的数值考虑。
结构自重 西岸索塔塔身重量包括万能杆件、结点板及其它连接件合计312.04 T；塔顶的工字钢、夹心木及索鞍等合计34.3 T；塔铰6.1*2=12.2T。
索塔所受外荷载包括前、后抗风索索力、索鞍上作用的工作荷载两部分，前、后抗风索索力通过索单元直接作用在塔顶，工作荷载按荷载作用在跨中、荷载作用在塔前有两种工况：
1.荷载作用在跨中 每幅主索鞍所受水平力60.5T，垂直力370.6T；外侧两幅工作索鞍所受垂直力分别为19.1T，内侧两幅工作索鞍所受垂直力分别为19.1+35.5=54.6T；
2.荷载作用在塔前 每幅主索鞍所受水平力10.0T，垂直力405.9T；外侧两幅工作索鞍所受垂直力分别为19.1T，内侧两幅工作索鞍所受垂直力分别为19.1+35.5=54.6T；
索塔结构在塔铰处沿顺桥向可自由转动，如图 1.9所示，图中除RotX自由度放松外，其它5个自由度均约束。
图 1.9 塔铰约束示意
1.3主索荷载在跨中
1.3.1塔身万能杆件内力及应力
本节分别列出了主索荷载在跨中时塔身万能杆件4N1、2N1、2N3、4N3、2N4、4N4、2N5的内力及相应应力。
a)杆件内力
图 1.10 荷载在跨中时杆件4N1轴力（Tf）
图 1.11 荷载在跨中时杆件2N1轴力（Tf）
图 1.12 荷载在跨中时杆件2N3轴力（Tf）
图 1.13 荷载在跨中时杆件4N3轴力（Tf）
图 1.14 荷载在跨中时杆件2N4轴力（Tf）
图 1.15 荷载在跨中时杆件4N4轴力（Tf）
图 1.16 荷载在跨中时杆件2N5轴力（Tf）
b)杆件应力
图 1.17 荷载在跨中时全部杆件的应力水平（MPa）
图 1.18 荷载在跨中时杆件4N1应力（MPa）
图 1.19 荷载在跨中时杆件2N1应力（MPa）
图 1.20 荷载在跨中时杆件2N3应力（MPa）
图 1.21 荷载在跨中时杆件4N3应力（MPa）
图 1.22 荷载在跨中时杆件2N4应力（MPa）
图 1.23 荷载在跨中时杆件4N4应力（MPa）
图 1.24 荷载在跨中时杆件2N5应力（MPa）
表 1.1 荷载在跨中时塔身杆件内力及应力极值汇总
| 杆件 | 内力（Tf） | 应力（MPa） | ||
| 最大 | 最小 | 最大 | 最小 | |
| 4N1 | -2.3 | -115.0 | -2.4 | -123.4 |
| 2N1 | -3.6 | -58.5 | 7.8 | -125.5 |
| 2N3 | 19.8 | -25.8 | 59.2 | -77.4 |
| 4N3 | 7.3 | -56.4 | 11.0 | -84.4 |
| 2N4 | 24.6 | -17.4 | 106.9 | -75.8 |
| 4N4 | 27.2 | -17.0 | 59.1 | -36.9 |
| 2N5 | 23.1 | -23.0 | 100.3 | -100.2 |
1.3.2塔顶工字钢应力
荷载在跨中时索塔塔顶工字钢应力如图 1.25所示，最大等效应力为160.0MPa（局部）。
(a)
(b)
图 1.25 荷载在跨中时塔顶工字钢等效应力（MPa）
1.3.3塔铰应力及反力
荷载在跨中时索塔塔铰型钢应力如图 1.26所示，最大等效应力为140.4MPa。
图 1.26 荷载在跨中时塔铰型钢等效应力（MPa）
主索荷载在跨中时，在前述荷载作用下内、外侧两个塔铰的竖向支承反力分别为：内侧354.0 Tf，外侧368.8 Tf。
1.4主索荷载在塔前
1.4.1塔身万能杆件内力及应力
本节分别列出了主索荷载在塔前时塔身万能杆件4N1、2N1、2N3、4N3、2N4、4N4、2N5的内力及相应应力。
a)杆件内力
图 1.27 荷载在塔前时杆件4N1轴力（Tf）
图 1.28 荷载在塔前时杆件2N1轴力（Tf）
图 1.29 荷载在塔前时杆件2N3轴力（Tf）
图 1.30 荷载在塔前时杆件4N3轴力（Tf）
图 1.31 荷载在塔前时杆件2N4轴力（Tf）
图 1.32 荷载在塔前时杆件4N4轴力（Tf）
图 1.33 荷载在塔前时杆件2N5轴力（Tf）
b)杆件应力
图 1.34 荷载在塔前时全部杆件的应力水平（MPa）
图 1.35 荷载在塔前时杆件4N1应力（MPa）
图 1.36 荷载在塔前时杆件2N1应力（MPa）
图 1.37 荷载在塔前时杆件2N3应力（MPa）
图 1.38 荷载在塔前时杆件4N3应力（MPa）
图 1.39 荷载在塔前时杆件2N4应力（MPa）
图 1.40 荷载在塔前时杆件4N4应力（MPa）
图 1.41 荷载在塔前时杆件2N5应力（MPa）
表 1.2 荷载在塔前时塔身杆件内力及应力极值汇总
| 杆件 | 内力（Tf） | 应力（MPa） | ||
| 最大 | 最小 | 最大 | 最小 | |
| 4N1 | -2.6 | -118.0 | -2.8 | -126.6 |
| 2N1 | 2.3 | -54.3 | 4.9 | -116.5 |
| 2N3 | 19.4 | -26.9 | 58.1 | -80.7 |
| 4N3 | 7.5 | -55.3 | 11.2 | -82.7 |
| 2N4 | 23.2 | -16.6 | 100.7 | -72.4 |
| 4N4 | 27.4 | -17.2 | 59.5 | -37.4 |
| 2N5 | 8.8 | 8.9 | 38.2 | -102.6 |
1.4.2塔顶工字钢应力
主索荷载在塔前时索塔塔顶工字钢应力如图 1.42所示，最大等效应力为155MPa。
（a）
（b）
图 1.42 荷载在塔前时塔顶工字钢等效应力（MPa）
1.4.3塔铰应力及反力
荷载在塔前时索塔塔铰型钢应力如图 1.43所示，最大等效应力为142.5MPa。
图 1.43 荷载在塔前时塔铰型钢等效应力（MPa）
主索荷载在塔前时，在前述荷载作用下内、外侧两个塔铰的竖向支承反力分别为：内侧359.4 Tf，外侧375.0 Tf。
1.5索塔稳定性分析
主索荷载作用在跨中和塔前时西岸索塔的屈曲稳定安全系数如表 1.3所示，相应的失稳模态如图 1.44、图 1.45所示。
表 1.3 西岸索塔屈曲稳定安全系数
| 工况 | 屈曲稳定 安全系数 |
| 主索荷载在跨中 | 21.9 |
| 主索荷载在塔前 | 21.6 |
图 1.44 荷载在跨中时西岸索塔屈曲失稳模态
图 1.45 荷载在塔前时西岸索塔屈曲失稳模态
由上两图可见，由于对塔身进行了加强，塔身刚度显著增强，在两种最不利主索荷载工况下的屈曲失稳模态均发生在塔铰处，而屈曲稳定安全系数均大于21。
2塔身N14节点板
2.1计算模型
一块N14节点板及其上螺栓孔的有限元模型如图 2.1所示。
图 2.1 N14节点板计算模型
2.2荷载及边界条件
由第1.3、1.4节可知，斜杆4N3的最大轴向力为56.5Tf，将此力作为切向分布荷载作用在锚固区，如图 2.2所示。
（总体视图）
（局部放大视图）
图 2.2 N14节点板计算荷载
N14节点板计算的约束情况如所示。
图 2.3 N14节点板约束条件
2.3应力分布
在上述最不利荷载作用下，N14节点板的等效应力（Von Meses应力）如图 2.4所示。
图 2.4 斜杆轴力为56.4Tf时N14节点板应力分布（MPa）
当斜杆轴力为40.0Tf时的N14节点板应力分布如图 2.5所示。
图 2.5 斜杆轴力为40.0Tf时N14节点板应力分布（MPa）
由上两图可见，当斜杆轴力大于40.0Tf时，N14节点板须采用材料强度较高的板件。
由图 1.13、图 1.30可知轴力较大的斜杆分布，即须采用高强度材质的N14节点板。
2.4屈曲分析
按上述最不利荷载，同时考虑到斜杆对节点板面外变形的约束作用，N14节点板的屈曲稳定安全系数K=3.4，其屈曲失稳模态如图 2.6所示，为面外弯曲失稳。
（a）
（b）
图 2.6 最不利受力N14节点板屈曲失稳模态（K=3.4）
3钢锚箱
3.1计算模型
钢锚箱按设计图纸给定的几何尺寸和材料性质，采用板壳有限元分析，模型如图 3.1、图 3.2所示。
（轴侧）
（立面）
（正面）
（平面）
图 3.1 钢锚箱计算模型轴侧及三方向投影图
图 3.2 钢锚箱计算模型剖视图
计算模型在细部上尽可能真实地反映结构的构造细节，错误！未找到引用源。为模型的若干局部放大视图。
图 3.3 钢锚箱计算模型局部
3.2荷载及边界条件
钢锚箱主要承受前扣索和背扣索锚固索力，贵单位提供的单个钢锚箱所受最大前扣索索力为310.0Tf，相应地背扣索索力为310.0/cos(31.9)=365.0Tf，计算中将扣索索力均匀作用在承压面（边）上。
钢锚箱支承在钢横梁上，计算中取最外侧钢锚箱，其支撑钢横梁部分悬空，边界约束条件如图 4.4示意。
图 3.4 背扣索钢锚梁约束条件示意
3.3钢锚箱应力分布
在上述最不利计算荷载作用下，钢锚箱等效应力（Von Mises应力）分布如图 3.5~图 3.7所示。
图 3.5 钢锚箱等效应力分布（MPa）
图 3.6 钢锚箱箱外等效应力分布（MPa）
图 3.7 钢锚箱箱内等效应力分布（MPa）
图 3.5、图 3.6中B、C所示位置处竖直线两侧应力分布不连续，是由于在箱外焊接了N1-20、N1-21板使B、C处两侧板厚突变所致。
由于扣索力的水平分量很大（约为310Tf），尽管在A、D处设置了弧形过渡，这两个位置仍然出现了明显的应力集中，D处的集中现象较A处范围较大。
4背扣索钢锚梁
4.1计算模型
背扣索钢锚梁按设计图纸给定的几何尺寸和材料性质，采用板壳有限元分析，模型如图 4.1、图 4.2所示。
（轴侧）
（正面）
（平面）
图 4.1 背扣索钢锚梁计算模型轴侧及三方向投影图
（剖面）
（背扣索锚固处剖面）
图 4.2 背扣索钢锚梁计算模型剖视图
4.2荷载及边界条件
背扣索钢锚梁主要承受背扣索索力，按3.2节可得单个钢锚梁所受最大背扣索索力为365.0Tf，计算中将此力按分布压力均匀作用在锚垫板上，如图 4.3所示
图 4.3 背扣索钢锚梁荷载示意
钢锚梁的下半部埋入梁体混凝土内，因为本分析是以钢锚梁为研究对象，因此将锚梁埋入部分视为嵌固考虑，如图 4.4示意。
图 4.4 背扣索钢锚梁约束条件示意
4.3钢锚梁应力分布
在上述最不利计算荷载作用下，钢锚梁等效应力（Von Mises应力）分布如图 3.5~图 3.7所示。
（a）
（b）
（c）
图 4.5 钢锚梁等效应力分布（MPa）
由上图可见，钢锚梁的高应力区域在锚下及嵌固处。
若考虑到锚固钢筋的作用，实际的应力分布会有少量减小。
5总结
由上述分析可见：
a)索塔塔铰钢结构应力、塔顶工字钢应力分布均可满足施工要求，塔身各杆件应力不大；
b)索塔屈曲稳定安全系数可满足施工要求；
c)对少量内力较大的斜杆尽量采用高强度材质N14节点板连接；
d)钢锚箱局部部位有较明显的应力集中现象，采取适当措施可使钢锚箱的应力状态满足施工要求；应适当加大支撑钢梁在钢锚箱位置处的腹板加劲厚度；
e)背扣索钢锚梁最不利状态的应力分布可满足施工要求。
6索塔顺桥向斜杆采用米字形布置时的塔身受力
索塔顺桥向投影如图 6.1所示。
图 6.1 索塔侧向投影
6.1主索荷载在跨中
6.1.1塔身万能杆件内力及应力
本节分别列出了主索荷载在跨中时塔身万能杆件4N1、2N1、2N3、4N3、2N4、4N4、2N5的内力及相应应力。
c)杆件内力
图 6.2 荷载在跨中时杆件4N1轴力（Tf）
图 6.3 荷载在跨中时杆件2N1轴力（Tf）
图 6.4 荷载在跨中时杆件2N3轴力（Tf）
图 6.5 荷载在跨中时杆件4N3轴力（Tf）
图 6.6 荷载在跨中时杆件2N4轴力（Tf）
图 6.7 荷载在跨中时杆件4N4轴力（Tf）
图 6.8 荷载在跨中时杆件2N5轴力（Tf）
d)杆件应力
图 6.9 荷载在跨中时全部杆件的应力水平（MPa）
图 6.10 荷载在跨中时杆件4N1应力（MPa）
图 6.11 荷载在跨中时杆件2N1应力（MPa）
图 6.12 荷载在跨中时杆件2N3应力（MPa）
图 6.13 荷载在跨中时杆件4N3应力（MPa）
图 6.14 荷载在跨中时杆件2N4应力（MPa）
图 6.15 荷载在跨中时杆件4N4应力（MPa）
图 6.16 荷载在跨中时杆件2N5应力（MPa）
表 6.1 荷载在跨中时塔身杆件内力及应力极值汇总
| 杆件 | 内力（Tf） | 应力（MPa） | ||
| 最大 | 最小 | 最大 | 最小 | |
| 4N1 | -2.1 | -127.4 | -2.3 | -136.7 |
| 2N1 | 3.6 | -56.9 | 7.8 | -122.1 |
| 2N3 | 18.3 | -27.9 | 54.7 | -83.4 |
| 4N3 | 7.2 | -55.6 | 10.7 | -83.2 |
| 2N4 | 24.4 | -17.3 | 106.0 | -75.1 |
| 4N4 | 26.9 | -18.8 | 58.6 | -40.9 |
| 2N5 | 23.2 | -17.6 | 100.8 | -76.4 |
6.2主索荷载在塔前
6.2.1塔身万能杆件内力及应力
本节分别列出了主索荷载在塔前时塔身万能杆件4N1、2N1、2N3、4N3、2N4、4N4、2N5的内力及相应应力。
c)杆件内力
图 6.17 荷载在塔前时杆件4N1轴力（Tf）
图 6.18 荷载在塔前时杆件2N1轴力（Tf）
图 6.19 荷载在塔前时杆件2N3轴力（Tf）
图 6.20 荷载在塔前时杆件4N3轴力（Tf）
图 6.21 荷载在塔前时杆件2N4轴力（Tf）
图 6.22 荷载在塔前时杆件4N4轴力（Tf）
图 6.23 荷载在塔前时杆件2N5轴力（Tf）
d)杆件应力
图 6.24 荷载在塔前时全部杆件的应力水平（MPa）
图 6.25 荷载在塔前时杆件4N1应力（MPa）
图 6.26 荷载在塔前时杆件2N1应力（MPa）
图 6.27 荷载在塔前时杆件2N3应力（MPa）
图 6.28 荷载在塔前时杆件4N3应力（MPa）
图 6.29 荷载在塔前时杆件2N4应力（MPa）
图 6.30 荷载在塔前时杆件4N4应力（MPa）
图 6.31 荷载在塔前时杆件2N5应力（MPa）
表 6.2 荷载在塔前时塔身杆件内力及应力极值汇总
| 杆件 | 内力（Tf） | 应力（MPa） | ||
| 最大 | 最小 | 最大 | 最小 | |
| 4N1 | -2.2 | -129.6 | -2.4 | -139.0 |
| 2N1 | 2.5 | -52.9 | 5.4 | -113.5 |
| 2N3 | 17.9 | -29.0 | 53.7 | -87.0 |
| 4N3 | 5.9 | -55.2 | 8.8 | -82.6 |
| 2N4 | 22.9 | -16.7 | 99.6 | -72.5 |
| 4N4 | 24.6 | -18.2 | 53.4 | -39.6 |
| 2N5 | 9.3 | -18.0 | 40.5 | -78.3 |
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