跨大渡河汽车用施工悬索桥计算书(ANSYS程序电算)
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某高速公路施工临时吊桥
计 算 资 料
2007年7月
目 录 I
目 录
1 结构及分析模型概况 ..................................................................................................... 1 2 索塔 ................................................................................................................................. 6
2.1 索塔杆件内力 ...................................................................................................... 6
2.1.1 索塔恒载内力 ........................................................................................... 6 2.1.2 索塔恒载+活载内力 ................................................................................. 9 2.2 索塔稳定性 ........................................................................................................ 13 2.3 重车过桥时索塔分析 ........................................................................................ 14 3 主缆及桥面系 ............................................................................................................... 16
3.1 主缆吊杆位置 .................................................................................................... 16 3.2 主缆及桥面系受力 ............................................................................................ 21
3.2.1 吊杆 ......................................................................................................... 21 3.2.2 主缆 ......................................................................................................... 24 3.2.3 桥面系横梁 ............................................................................................. 24 3.2.4 桥面系主纵梁 ......................................................................................... 26 3.3 重车过桥时主缆及桥面系分析 ........................................................................ 29
3.3.1 主缆内力 ................................................................................................. 29 3.3.2 桥面变形 ................................................................................................. 30 3.4 小车过桥分析 .................................................................................................... 53 4 结构自振特性 ............................................................................................................... 56 5 偏载 ............................................................................................................................... 60 6 结论 ............................................................................................................................... 64
图表索引
表 1-1 计算施工过程 ................................................................................................ 5 表 2-1 索塔恒载轴力和应力 .................................................................................... 9 表 2-2 索塔恒载+活载轴力和应力 ........................................................................ 13 表 2-3 索塔局部稳定性 .......................................................................................... 13 表 3-1 空缆状态主缆吊杆位置坐标 ...................................................................... 16 表 3-2 成桥(恒载)状态主缆吊杆位置坐标 ...................................................... 17 表 3-3 空缆状态降温时主梁线形变化 .................................................................. 19 表 3-4 空缆状态升温时主梁线形变化 .................................................................. 20 表 3-5 成桥(恒载)状态吊杆力 .......................................................................... 21
目 录 II
表 3-6 主缆最大受力 .............................................................................................. 24 表 4-1 结构自振频率及相应振型特点 .................................................................. 56
图 1-1 结构立面和平面图 ........................................................................................ 1 图 1-2 结构有限元离散模型 .................................................................................... 3 图 1-3 主缆、吊杆及桥面系有限元模型 ................................................................ 4 图 1-4 索塔有限元模型 ............................................................................................ 4 图 2-1 索塔恒载内力——4N1(单位: kN) ...................................................... 6 图 2-2 索塔恒载内力——2N4(单位: kN) ...................................................... 7 图 2-3 索塔恒载内力——4N4(单位: kN) ...................................................... 7 图 2-4 索塔恒载内力——2N3(单位: kN) ...................................................... 8 图 2-5 索塔恒载内力——4N3(单位: kN) ...................................................... 8 图 2-6 索塔恒载内力——2N5(单位: kN) ...................................................... 9 图 2-7 索塔恒载+活载内力——4N1(单位: kN) .......................................... 10 图 2-8 索塔恒载+活载内力——2N4(单位: kN) .......................................... 10 图 2-9 索塔恒载+活载内力——4N4(单位: kN) .......................................... 11 图 2-10 索塔恒载+活载内力——2N3(单位: kN) ........................................ 11 图 2-11 索塔恒载+活载内力——4N3(单位: kN) ........................................ 12 图 2-12 索塔恒载+活载内力——2N5(单位: kN) ........................................ 12 图 2-13 索塔最大受力杆件的轴力时程(单位: kN) ..................................... 15 图 3-1 吊杆编号及主缆吊杆位置示意 .................................................................. 16 图 3-2 成桥(恒载)状态吊杆应力(单位:MPa) .......................................... 23 图 3-3 恒载+活载状态吊杆应力(单位:MPa) ................................................ 23 图 3-4 成桥(恒载)状态桥面系横梁上缘应力(单位:MPa) ...................... 24 图 3-5 成桥(恒载)状态桥面系横梁下缘应力(单位:MPa) ...................... 25 图 3-6 恒载+活载状态桥面系横梁上缘应力(单位:MPa) ............................ 25 图 3-7 恒载+活载状态桥面系横梁下缘应力(单位:MPa) ............................ 26 图 3-8 成桥(恒载)状态桥面系主纵梁上缘应力(单位:MPa) .................. 27 图 3-9 成桥(恒载)状态桥面系主纵梁下缘应力(单位:MPa) .................. 27 图 3-10 恒载+活载状态桥面系主纵梁上缘应力(单位:MPa) ...................... 28 图 3-11 恒载+活载状态桥面系主纵梁下缘应力(单位:MPa) ...................... 28 图 3-12 车辆过桥时主缆最大拉力的时程(单位:kN) ................................... 30 图 3-13 车辆过桥时1#吊杆处桥面竖向变形的时程(单位:cm) .................. 31 图 3-14 车辆过桥时3#吊杆处桥面竖向变形的时程(单位:cm) .................. 32 图 3-15 车辆过桥时5#吊杆处桥面竖向变形的时程(单位:cm) .................. 33 图 3-16 车辆过桥时7#吊杆处桥面竖向变形的时程(单位:cm) .................. 34 图 3-17 车辆过桥时9#吊杆处桥面竖向变形的时程(单位:cm) .................. 35 图 3-18 车辆过桥时11#吊杆处桥面竖向变形的时程(单位:cm) ................ 36 图 3-19 车辆过桥时13#吊杆处桥面竖向变形的时程(单位:cm) ................ 37 图 3-20 车辆过桥时15#吊杆处桥面竖向变形的时程(单位:cm) ................ 38
目 录 II
I
图 3-21 车辆过桥时17#吊杆处桥面竖向变形的时程(单位:cm) ................ 39 图 3-22 车辆过桥时19#吊杆处桥面竖向变形的时程(单位:cm) ................ 40 图 3-23 车辆过桥时21#吊杆处桥面竖向变形的时程(单位:cm) ................ 41 图 3-24 车辆过桥时23#吊杆处桥面竖向变形的时程(单位:cm) ................ 42 图 3-25 车辆过桥时25#吊杆处桥面竖向变形的时程(单位:cm) ................ 43 图 3-26 车辆过桥时27#吊杆处桥面竖向变形的时程(单位:cm) ................ 44 图 3-27 车辆过桥时29#吊杆处桥面竖向变形的时程(单位:cm) ................ 45 图 3-28 车辆过桥时31#吊杆处桥面竖向变形的时程(单位:cm) ................ 46 图 3-29 车辆过桥时33#吊杆处桥面竖向变形的时程(单位:cm) ................ 47 图 3-30 车辆过桥时9#吊杆处桥面横向变形的时程(单位:cm) .................. 48 图 3-31 车辆过桥时17#吊杆处桥面横向变形的时程(单位:cm) ................ 49 图 3-32 车辆过桥时25#吊杆处桥面横向变形的时程(单位:cm) ................ 50 图 3-33 车辆过桥时(V=5 km/h)不同时刻的桥面变形(单位:cm) ........... 53 图 3-34 小车过桥时的桥面变形(单位:cm) ................................................... 54 图 3-35 小车过桥时桥面系主纵梁上缘应力(单位:MPa) ............................ 54 图 3-36 小车过桥时桥面系主纵梁下缘应力(单位:MPa) ............................ 55 图 4-1 一阶振型 ...................................................................................................... 56 图 4-2 二阶振型 ...................................................................................................... 57 图 4-3 三阶振型 ...................................................................................................... 57 图 4-4 四阶振型 ...................................................................................................... 58 图 4-5 五阶振型 ...................................................................................................... 58 图 4-6 六阶振型 ...................................................................................................... 59 图 5-1 车辆偏载示意(单位:m) ....................................................................... 60 图 5-2 车辆偏载过桥时17#吊杆(跨中)处桥面竖向变形的时程(单位:cm)
........................................................................................................................... 61 图 5-3 车辆偏载过桥时大缆高程差的时程(单位:cm) ................................. 62
C12标施工临时吊桥 1
1 结构及分析模型概况
某高速公路施工临时吊桥的主跨为170 m,矢高13.2 m,吊杆间距5 m,结构立面和平面如图 1-1所示。
(a)立面
(b)平面
图 1-1 结构立面和平面图
结构分析采用大型通用有限元分析软件ANSYS V10.0,结构的有限元离散模型如图 1-2所示。模型包括主缆、吊杆、桥面系、索塔和索塔前后抗风缆索、桥面侧向抗风缆索等几个主要部分。
(a)轴测
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(b)立面
(c)平面
C12标施工临时吊桥 3
(d)正面
图 1-2 结构有限元离散模型
为了准确、真实地反映结构的实际受力和变形,模型尽可能真实地按照实际结构设计进行离散。图 1-3为部分主缆、吊杆和桥面系的模型示意,其中桥面系也考虑了其圆弧形纵坡,图 1-4为索塔模型,考虑了索塔所有的杆件细节。
C12标施工临时吊桥 4
图 1-3 主缆、吊杆及桥面系有限元模型
图 1-4 索塔有限元模型
分析时按实际施工顺序和结构的力学特点,划分了表 1-1所示的5个计算施工
C12标施工临时吊桥 5
过程。
表 1-1 计算施工过程
阶段 1 2 3 4 5 内容 索塔施工 空缆安装 吊杆及桥面系安装 抗风缆索安装 汽车活载 结构体系所受的荷载包括恒载和活载两类,其中荷载主要指结构自重,活载为汽车荷载。汽车荷载按40 t的重车考虑,分析时按一次只有一辆重车通过,考虑了5 km/h、10 km/h和20 km/h三种车速,相应地过桥时间分别为约116 s、58 s和29 s。车辆的横向荷载按2 t考虑。
C12标施工临时吊桥 6
2 索塔
索塔顺桥方向和横桥方向的刚度均较大,例如:在索塔的每个索鞍位置处作用100 t指向江侧的水平力(即每个索塔受200 t水平力作用),索塔的偏位只有3.1 cm,而本桥索塔所受水平力远小于200 t,因此索塔的计算结果中未列出其变形结果。
2.1 索塔杆件内力
索塔是由万能杆件拼接成的空间杆件系统,包括4N1、2N4、4N4、2N3、4N3、2N5共6中类型,以下按类型给出各类杆件的轴力及相应的应力。
杆件内力包括恒载内力和恒载+活载内力。 2.1.1 索塔恒载内力
图 2-1~图 2-6所示为恒载状态下索塔4N1、2N4、4N4、2N3、4N3和2N5杆件的轴力。
图 2-1 索塔恒载内力——4N1(单位: kN)
C12标施工临时吊桥 7
图 2-2 索塔恒载内力——2N4(单位: kN)
图 2-3 索塔恒载内力——4N4(单位: kN)
C12标施工临时吊桥 8
图 2-4 索塔恒载内力——2N3(单位: kN)
图 2-5 索塔恒载内力——4N3(单位: kN)
C12标施工临时吊桥 9
图 2-6 索塔恒载内力——2N5(单位: kN)
表 2-1所示为恒载状态下索塔4N1、2N4、4N4、2N3、4N3和2N5杆件的最小、最大轴力及相应的应力极值,轴力和应力以受拉为正、受压为负。
表 2-1 索塔恒载轴力和应力 轴力/kN 杆件 最小 4N1 2N4 4N4 2N3 4N3 2N5 -567 -3 -51 -152 -160 -25 最大 -16 78 110 22 -38 49 最小 -60.9 -1.1 -11.1 -45.5 -23.9 -10.9 最大 -1.7 33.9 24.0 6.7 -5.7 21.4 应力/MPa 2.1.2 索塔恒载+活载内力
图 2-7~图 2-12所示为恒载+活载状态下索塔4N1、2N4、4N4、2N3、4N3和2N5杆件的轴力,此处的活载状态为40 t重车作用在跨中时。
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图 2-7 索塔恒载+活载内力——4N1(单位: kN)
图 2-8 索塔恒载+活载内力——2N4(单位: kN)
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图 2-9 索塔恒载+活载内力——4N4(单位: kN)
图 2-10 索塔恒载+活载内力——2N3(单位: kN)
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图 2-11 索塔恒载+活载内力——4N3(单位: kN)
图 2-12 索塔恒载+活载内力——2N5(单位: kN)
表 2-2所示为恒载状态下索塔4N1、2N4、4N4、2N3、4N3和2N5杆件的最小、
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最大轴力及相应的应力极值,轴力和应力以受拉为正、受压为负。
表 2-2 索塔恒载+活载轴力和应力
轴力/kN 杆件 最小 4N1 2N4 4N4 2N3 4N3 2N5 -621 -3 -55 -166 -174 -27 最大 -18 85 121 25 -42 54 最小 -66.7 -1.1 -12.0 -49.7 -26.0 -11.8 最大 -1.9 37.0 26.2 7.4 -6.2 23.4 应力/MPa 2.2 索塔稳定性
索塔的稳定包括杆件的局部稳定和索塔的整体稳定。
杆件局部稳定可通过杆件的稳定设计内力进行评价,表 2-3为索塔各类杆件的恒载及恒载+活载内力及其相应的稳定容许内力。
表 2-3 索塔局部稳定性
恒载轴力/kN 杆件 最小 4N1 2N4 4N4 2N3 4N3 2N5 -567 -3 -51 -152 -160 -25 最大 -16 78 110 22 -38 49 最小 -621 -3 -55 -166 -174 -27 最大 -18 85 121 25 -42 54 受拉 1360 328 656 472 945 328 受压 -1330 -288 -595 -368 -775 -196 恒载+活载轴力/kN 容许轴力/kN 由表 2-3可见,索塔各杆件的内力均远小于其稳定容许内力,因此索塔的杆件局部性是有保证的。
计算表明,索塔的纵桥向、横桥向刚度较大,同时索塔所受的不平衡水平力较小,索塔的整体稳定安全系数很大,即索塔的整体稳定性也是有保证的。
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2.3 重车过桥时索塔分析
当重车以V=5 km/h、10 km/h和20 km/h通过时,索塔最大受力杆件(4N1)的轴力时程曲线如图 2-13所示,图中横轴为时间,单位为秒,以汽车上桥时刻为0点;纵轴为轴力,单位为kN。
(a)V=5 km/h
(b)V=10 km/h
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(c)V=20 km/h
图 2-13 索塔最大受力杆件的轴力时程(单位: kN)
由图 2-13可见,随着车速的增大,结构响应的动力效应更加明显。
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3 主缆及桥面系
3.1 主缆吊杆位置
图 3-1所示为全部33对吊杆的编号及主缆吊杆位置P1、P2……示意,以下在给定位置坐标时采用的坐标系如图所示,原点在一侧的索鞍顶,x为水平方向,y竖直向下。
yxP1P217013579111315171921232527293133 图 3-1 吊杆编号及主缆吊杆位置示意
计算时桥面系纵梁在图中1#吊杆侧的桥台处约束顺桥向位移,而在另一侧自由,同时两侧的尾索跨度也不相同,即结构不是完全对称的,以下计算结果也表明了结构的不完全对称性。
表 3-1、表 3-2分别为空缆状态和成桥(恒载)状态时主缆吊杆位置坐标。
表 3-1 空缆状态主缆吊杆位置坐标 位置 P1 P2 P3 P4 P5
空缆状态 x/m 4.776 9.839 14.890 19.932 24.966 y/m 1.150 2.238 3.252 4.192 5.061
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位置 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P18 P19 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 P28 P29 P30 P31 P32 P33 空缆状态 x/m 29.992 35.012 40.025 45.033 50.037 55.037 60.033 65.026 70.017 75.006 79.993 84.981 89.968 94.955 99.944 104.935 109.927 114.923 119.922 124.926 129.934 134.948 139.967 144.994 150.029 155.072 160.126 165.192 y/m 5.858 6.584 7.239 7.824 8.339 8.785 9.162 9.470 9.710 9.881 9.983 10.018 9.984 9.881 9.711 9.472 9.164 8.787 8.342 7.827 7.242 6.587 5.861 5.065 4.196 3.255 2.241 1.153 表 3-2 成桥(恒载)状态主缆吊杆位置坐标 位置 成桥(恒载)状态 x/m y/m
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位置 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P18 P19 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 P28 P29 P30 P31
成桥(恒载)状态 x/m 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 35.000 40.000 45.000 50.000 55.000 60.000 65.000 70.000 75.000 80.000 85.000 90.000 95.000 100.000 105.000 110.000 115.000 120.000 125.000 130.000 135.000 140.000 145.000 150.000 155.000 y/m 1.304 2.703 4.003 5.207 6.317 7.334 8.261 9.098 9.846 10.505 11.077 11.561 11.958 12.267 12.489 12.625 12.672 12.632 12.504 12.288 11.986 11.595 11.116 10.548 9.892 9.146 8.310 7.382 6.363 5.250 4.040 C12标施工临时吊桥 19
位置 P32 P33 成桥(恒载)状态 x/m 160.000 165.000 y/m 2.732 1.322
表 3-3和表 3-4为空缆状态降温和升温时主缆线形的变化,表中的正负值方向可参见图 3-1所示坐标系。
表 3-3 空缆状态降温时主梁线形变化
位置 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P18 P19 P20 P21 P22 P23
降温5℃ x/m -0.002 -0.001 0.000 0.000 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0.000 0.000 0.000 -0.001 -0.001 -0.001 -0.001 -0.001 y/m -0.005 -0.010 -0.015 -0.020 -0.025 -0.029 -0.032 -0.036 -0.039 -0.041 -0.044 -0.046 -0.047 -0.049 -0.049 -0.050 -0.050 -0.050 -0.049 -0.049 -0.047 -0.046 -0.044 x/m 降温10℃ y/m -0.010 -0.021 -0.031 -0.041 -0.049 -0.058 -0.065 -0.072 -0.078 -0.083 -0.088 -0.092 -0.095 -0.097 -0.099 -0.100 -0.101 -0.100 -0.099 -0.097 -0.095 -0.092 -0.088 -0.004 -0.002 -0.001 0.000 0.001 0.002 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.002 0.002 0.002 0.001 0.000 0.000 -0.001 -0.001 -0.002 -0.002 -0.003 -0.003 C12标施工临时吊桥 20
位置 P24 P25 P26 P27 P28 P29 P30 P31 P32 P33 降温5℃ x/m -0.002 -0.002 -0.002 -0.001 -0.001 -0.001 0.000 0.000 0.001 0.002 y/m -0.041 -0.039 -0.036 -0.032 -0.029 -0.025 -0.020 -0.016 -0.010 -0.005 x/m 降温10℃ y/m -0.083 -0.078 -0.072 -0.065 -0.058 -0.049 -0.041 -0.031 -0.021 -0.010 -0.003 -0.003 -0.003 -0.003 -0.002 -0.002 -0.001 0.000 0.002 0.004 表 3-4 空缆状态升温时主梁线形变化
位置 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P18
升温5℃ x/m 0.002 0.001 0.000 0.000 -0.001 -0.001 -0.001 -0.001 -0.001 -0.001 -0.001 -0.001 -0.001 -0.001 -0.001 0.000 0.000 0.000 y/m 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.029 0.032 0.036 0.039 0.041 0.044 0.045 0.047 0.048 0.049 0.050 0.050 0.050 x/m 升温10℃ y/m 0.010 0.021 0.031 0.040 0.049 0.057 0.064 0.071 0.077 0.082 0.087 0.091 0.094 0.096 0.098 0.099 0.100 0.099 0.004 0.002 0.001 0.000 -0.001 -0.002 -0.003 -0.003 -0.003 -0.003 -0.003 -0.002 -0.002 -0.002 -0.001 0.000 0.000 0.001 C12标施工临时吊桥 21
位置 P19 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 P28 P29 P30 P31 P32 P33 升温5℃ x/m 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0.002 0.002 0.002 0.001 0.001 0.001 0.000 0.000 -0.001 -0.002 y/m 0.049 0.048 0.047 0.045 0.044 0.041 0.039 0.036 0.032 0.029 0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 x/m 升温10℃ y/m 0.098 0.096 0.094 0.091 0.087 0.082 0.077 0.071 0.064 0.057 0.049 0.040 0.031 0.021 0.010 0.001 0.002 0.002 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.002 0.002 0.001 0.000 -0.002 -0.004
3.2 主缆及桥面系受力
3.2.1 吊杆
表 3-5为成桥(恒载)状态下的吊杆力,图 3-2为相应状态下的吊杆应力。
表 3-5 成桥(恒载)状态吊杆力
吊杆 1 2 3 4 5 6 7 8
吊杆力(一根)/kN -106.2 53.5 51.9 50.3 49.5 48.3 47.7 47.6
C12标施工临时吊桥 22
吊杆 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 吊杆力(一根)/kN 47.6 46.9 46.7 46.8 47.0 46.6 46.5 46.8 47.5 47.0 46.4 46.4 46.7 46.7 46.7 46.9 47.4 47.6 47.9 48.4 49.5 50.7 52.7 54.9 -100.8
C12标施工临时吊桥 23
图 3-2 成桥(恒载)状态吊杆应力(单位:MPa)
图 3-3 恒载+活载状态吊杆应力(单位:MPa)
由上图可见,成桥恒载以及恒载+活载状态下的吊杆应力都很小。
C12标施工临时吊桥 24
3.2.2 主缆
表 3-6为空缆、恒载和恒载+活载状态下主缆的最大受力,其中活载状态为40 t重车作用在跨中。
表 3-6 主缆最大受力
状态 空缆 恒载 恒载+活载 主缆最大拉力/kN 450 4260 4709 3.2.3 桥面系横梁
图 3-4、图 3-5为成桥状态桥面系横梁的上、下缘应力。图 3-6、图 3-7为恒载+活载状态时桥面系横梁的上、下缘应力。
图 3-4 成桥(恒载)状态桥面系横梁上缘应力(单位:MPa)
C12标施工临时吊桥 25
图 3-5 成桥(恒载)状态桥面系横梁下缘应力(单位:MPa)
图 3-6 恒载+活载状态桥面系横梁上缘应力(单位:MPa)
C12标施工临时吊桥 26
图 3-7 恒载+活载状态桥面系横梁下缘应力(单位:MPa)
可见,横梁的恒载及恒载+活载最大应力约41 MPa。 3.2.4 桥面系主纵梁
图 3-8、图 3-9为成桥状态桥面系主纵梁的上、下缘应力。图 3-10、图 3-11为恒载+活载状态桥面系主纵梁的上、下缘应力。
C12标施工临时吊桥 32
(a)V=5 km/h
(b)V=10 km/h
(c)V=20 km/h
图 3-14 车辆过桥时3#吊杆处桥面竖向变形的时程(单位:cm)
C12标施工临时吊桥 33
(a)V=5 km/h
(b)V=10 km/h
(c)V=20 km/h
图 3-15 车辆过桥时5#吊杆处桥面竖向变形的时程(单位:cm)
C12标施工临时吊桥 34
(a)V=5 km/h
(b)V=10 km/h
(c)V=20 km/h
图 3-16 车辆过桥时7#吊杆处桥面竖向变形的时程(单位:cm)
C12标施工临时吊桥 35
(a)V=5 km/h
(b)V=10 km/h
(c)V=20 km/h
图 3-17 车辆过桥时9#吊杆处桥面竖向变形的时程(单位:cm)
C12标施工临时吊桥 36
(a)V=5 km/h
(b)V=10 km/h
(c)V=20 km/h
图 3-18 车辆过桥时11#吊杆处桥面竖向变形的时程(单位:cm)
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