空間曲梁單邊懸索橋施工方案的研究*

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結構體系主要由內外側主梁、空間主纜、吊索、背索、環索和傾斜的索塔組成，橋兩端固結于橋臺，跨中由懸掛于主纜上的柔性斜向吊索提供豎向彈性支撐。索塔采用傾斜的鋼管（單邊），索塔與主墩采用鉸接的形式；主纜為空間懸鏈線布置，位于外側主梁外側，每個索塔頂部設置1根背索，背索與主跨、邊跨主纜一起，保證成橋時索塔頂部的整體平衡；內、外側主梁采用鉸接加拉桿的形式，并通過設置環向水平拉索來平衡豎向翻轉力矩。東橋外側橋面中心線位于R=46.75 m的圓曲線上，內側橋面中心線位于R=42.75 m的圓曲線上，總長120 m。橋面采用圓曲面鋼梁，分為內側寬3 m人行道和外側寬6 m自行車通道，梁高1.70 m。結構如圖1所示。

圖1 東橋結構示意

2 施工方案

本橋采用“先橋后纜”的施工方案：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26 cm→由索塔向跨中及邊跨對稱安裝吊索→張拉20%環索力→落架6 cm→張拉40%環索力→落架16 cm→張拉60%環索力→落架18 cm→落架20 cm→張拉80%環索力→落架22 cm→落架24 cm→張拉100%環索力→落架26 cm→拆除千斤頂，成橋→二期恒載[1-2]。

3 施工控制

本文運用有限元計算軟件Midas/Civil進行施工全過程模擬，分析結構在結構自重、橋面恒載以及施工荷載作用下，各個施工階段的內力及變形變化情況，為確保施工期間結構的安全性、成橋階段索力值與設計值相符合、懸索線形符合設計要求，必須對結構在施工過程中的索力、變形（位移）進行評估，并根據模擬分析結果指揮現場進行施工控制。

3.1 模型單元特性

3.1.1 一般梁/變截面梁單元

2節點線單元，每個節點具有6個自由度。一般用于桿系構件或變截面（如楔形變截面）構件上，也可以作為連接自由度不同的2種單元的連接構件。本文計算模型中的副橋邊梁以及Y形臂均采用梁單元模擬。

3.1.2 索單元

2節點線單元，每個節點3個自由度。一般用于空間網架、索結構、支撐等只承受軸向拉力的構件和對接觸面的模擬上。本文計算模型中的主纜、吊索、背索、環索均采用索單元模擬。

3.1.3 板單元

在Midas中提供了6個自由度的板單元，可以使用于面內受拉壓及面外受彎的壓力容器、護壁、橋梁板等模型中。本文計算模型中鋼箱梁橋面板、縱橫向加勁板均采用板單元進行模擬。

3.1.4 其他

副橋板斜撐、索塔采用桁架單元模擬[3-5]。

3.2 模擬結果分析

依據主纜的對稱性，本節僅選取一側主纜內力進行分析，索纜編號如圖2所示。

圖2 索纜編號

3.2.1 主纜力

主纜力在張拉環索前處于較低水平，內力在350 kN以內，應力在37 MPa以內；隨著吊索的安裝，主纜力逐漸增大。進入分級落架階段，主纜力逐步增大至成橋索力，內力在2 500 kN左右，應力在255 MPa左右。施工過程中，主纜內力＜95%理論最小破斷力，應力＜30%鋼絲抗拉強度。

3.2.2 吊索力

跨中各吊索在安裝時的內力（以下稱“安裝索力”），各吊索安裝索力均在25 kN內，應力在30 MPa以內，外側號索在連接時，所需安裝索力分別為19 kN和0 kN。施工過程中，除與索塔連接的吊索（⑧號）在落架完成后，會發生較大突變外。其余吊索內力均隨分級落架的進行而逐漸增大至成橋索力，吊索內力在150～250 kN區間，應力大致為250 MPa。

3.2.3 背索力

分級落架前，背索內力基本不變，背索內力基本處于400～650 kN范圍內，應力在20～34 MPa范圍內。隨著分級落架的進行，背索內力逐步增大至成橋內力6 000 kN左右，應力大致為316 MPa。施工過程中，背索內力＜95%理論最小破斷力，應力＜30%鋼絲抗拉強度。

3.2.4 主纜線形控制

選取3個關鍵階段的主纜線形進行分析：安裝主纜、吊索安裝完成、成橋階段。東橋計算結果如下。

1）吊索安裝完成階段主纜X方向線形與成橋階段接近，僅邊跨主纜X方向相對成橋階段往主橋外側方向偏移。

2）成橋階段，由于吊索受力張拉，中跨主纜Y方向相對吊索安裝完成階段往主橋內側方向偏移，偏移量在0.40～0.50 m范圍內。

3）成橋階段，中跨主纜Z方向相對吊索安裝完成階段下降0.10～0.20 m。

3.2.5 主、副橋變形

1）整個施工過程中，跨中位置的切向基本無變形；

2）安裝吊索階段，主橋跨中徑向基本無變形，副橋跨中最大徑向偏移量為3 mm；

3）分級落架階段，主橋由于環索張拉而逐步沿徑向向主橋內側偏移，最大徑向偏移量為-4 mm；副橋在張拉環索時向副橋內側偏移，而進行落架時由于環索松弛，會產生向副橋外側的偏移，最大徑向偏移量為-1 mm；

4）安裝吊索階段，主、副橋豎向變形基本無變化；分級落架階段，全橋落架引起吊索受拉，索力增大，導致主橋產生軸向扭矩，進而導致主橋外緣向上抬起，而主橋內緣向下變形。主橋外緣向上最大變形12 mm，相應內緣向下變形-4 mm；

5）成橋后加設二期恒載，主、副橋跨中切向變形為0 mm；主橋跨中徑向向主橋內側偏移-3 mm、副橋向主橋外側偏移1 mm；豎向向下變形為-45 mm（主橋）、-57 mm（副橋）。

4 結語

從上海國際旅游度假區空間曲梁單邊懸索橋的有限元分析結果可以看出，在吊索安裝階段，各吊索的安裝索力和應力均在安全范圍內；在整個安裝過程中各項需控制的關鍵參數也在允許范圍之內。本施工方案可確保吊索順利安裝，保證落架安全，保證了全橋在整個施工過程中的受力安全[6-7]。