空間曲梁單邊懸索橋大跨度預應力鋼結構卸載過程分析*

上海建工集團股份有限公司 上海 200080

1 工程概況

上海國際旅游度假區空間曲梁單邊懸索橋西橋外側橋面中心線位于R=35.50 m的圓曲線上，總長90 m；內側橋面中心線位于R=31.50 m的圓曲線上，內側主梁全長70 m。中跨主纜跨徑L1=36 m，邊跨跨徑L2=27 m。結構體系分解見圖1，結構斷面見圖2。

本橋采用“先橋后索”的施工方案，其施工順序為：臨時支架上拼接主、副橋→安裝索塔→安裝背索、搭設主纜→全橋整體抬升→安裝吊索→張拉環索與落架交替進行→落架完畢→拆除千斤頂，成橋。

在卸載施工過程中，在主橋鋼箱梁底部搭設了18個臨時支撐，臨時支撐的平面布置位置及編號見圖3，臨時支撐剖面見圖4。

2 卸載方案

圖1 結構體系分解示意

圖2 結構斷面示意

在鋼箱梁底部設置了18個臨時支撐，本項目卸載工作的主要任務是拆除這18個臨時支撐。由于該景觀橋為結構復雜的空間索網結構體系彎橋，在卸載同時還要對主橋鋼箱梁下部的環索進行張拉。張拉環索與卸載交替進行，至環索張拉到設計值后，千斤頂同步落架直至與主橋鋼箱梁脫空，完成結構體系轉換。在卸載過程中不可直接割除臨時支撐桿件，而是采用千斤頂設備同步控制，使整個結構進行緩慢卸載落架。在主橋鋼箱梁卸載落架過程中，整個結構受力發生改變，結構內力重分布，內力變化復雜。為了確保施工過程的安全可控，使結構最終形態符合設計目標，需對這個結構的卸載過程進行施工全過程分析。

圖3 臨時支撐平面布置示意

圖4 臨時支撐剖面示意

本工程采用分級同步卸載，張拉環索與卸載交替進行，卸載具體步驟為：全橋抬升20 cm→安裝吊索、主纜、索塔→環索張拉至30%設計索力→主橋鋼箱梁卸載落架10 cm→環索張拉至60%設計索力→主橋鋼箱梁卸載落架5 cm→環索張拉至100%設計索力→主橋鋼箱梁卸載落架至所有千斤頂脫空[1-2]。

3 卸載過程數值分析

本節采用有限元分析軟件Midas/Civil對該景觀橋卸載過程進行了計算分析。采用強制位移結合單向只受壓彈性連接單元的方法模擬位移控制的卸載過程。該方法采用單向只受壓彈性連接單元來將千斤頂上、下端2個節點之間的豎向位移進行耦連，其中上端點按卸載方案施加強制位移，下端點固定。該方法可準確模擬千斤頂在卸載過程中與主體結構脫空的現象。彈性連接單元是把2個節點按所要求的剛度連接而形成的有限計算單元，當彈性單元作為單向只受拉或只受壓的單元使用時，只需輸入單元坐標系的x軸向的線剛度，該線剛度可按發生單元線位移時所施加的力的大小來輸入線性位移剛度。

4 計算結果分析

根據施工控制需要，主橋鋼箱梁的變形、索力（包括主纜、吊索以及背索的索力）、臨時支撐反力通常是影響結構在施工過程中的安全性、成橋狀態的關鍵因素。因此本節計算上述物理量在卸載落架過程中的變化，作為施工控制的理論依據和計算數據。索力計算結果如圖5、圖6所示，橫軸表示卸載步驟（從環索張拉至30%設計索力開始），縱軸表示索內力。隨著卸載與張拉環索交替不斷進行，所有索力均不斷提高，其中，邊跨主纜提高至1 230 kN、中跨主纜提高至1 030 kN、背索提高至1 040 kN、⑤軸吊索由于與索塔相連，至卸載完成時達到最大值180 kN。

圖5 主纜索力變化

圖6 吊索索力變化

由圖7可以看出千斤頂的軸力呈振蕩變化特征，直至卸載完畢之后千斤頂的軸力變為零，準確地模擬了千斤頂與主橋鋼箱梁脫空后的狀態。圖8表示卸載完畢之后主橋鋼箱梁內側變形與外側變形之差，可以看出鋼箱梁平動方向差值基本為零，豎向差值最大不足1 cm，表明整個卸載過程主橋鋼箱梁平動較小且卸載完畢后橋面保持平整。

圖7 臨時支撐反力變化

圖8 鋼箱梁內、外兩側變形差

綜上可知，采用位移控制結合彈性連接單元的方法來模擬千斤頂卸載的建模過程簡便，計算結果準確，對結構內力的變化有一定可控性[3]。

5 結語

上海國際旅游度假區空間曲梁單邊懸索橋采用了位移控制結合彈性連接單元模擬千斤頂卸載的方法，對懸索橋進行了施工全過程仿真分析，對卸載過程中的索力、支座反力、主橋鋼箱梁變形進行了分析預測，對后續施工過程控制以及結構監測具有重要意義。