空間曲梁單邊懸索橋抬升方案分析

沈志勇 況中華

上海建工集團股份有限公司 上海 200080

1 工程概況

迪士尼景觀橋東橋（圖1）位于上海迪士尼主題樂園度假區中心湖區，該橋為單邊懸索橋，弧長120 m。該橋集半圓曲面索網結構與彎橋結構于一體，分為主橋、副橋，主橋外緣通過吊索與主纜連系，副橋為Y形臂構造，上肢與主橋內緣連系，下肢張拉環索通過法向索與主橋連系。這一特殊形式以及跨度為國內首創，具有極大的施工研究價值。

圖1 東橋結構剖面

該橋采用落架施工方法，由于索橋連接情況將直接影響到橋梁線形和受力，故在吊索安裝前采用千斤頂將主橋結構抬升一定距離，以保證吊索安裝冗余量（即吊索的無應力長度減去主纜上吊點與對應主橋外緣吊點間距的差值）。

在施工過程中，主橋抬升高度不夠將會導致掛索困難，而如果抬升太高，一方面需要提高千斤頂行程，另一方面影響施工工期。因此，需要通過計算分析來確定最優抬升量[1-4]。

2 計算內容及工況介紹

本文主要計算了全橋整體抬升及曲線抬升這2組不同的抬升工況，并分析了各吊索力針對該2組不同抬升工況的響應。

2.1 整體抬升

全橋沿弧長通過千斤頂均勻抬升，共計算分析31組抬升量，從1～60 cm按2 cm遞增，即抬升量1 cm為工況1，抬升量2 cm為工況2，抬升量4 cm為工況3……抬升量60 cm為工況31。

2.2 曲線抬升

全橋對稱布置8套千斤頂（圖2），從橋臺側千斤頂（0或0＇）向跨中側千斤頂（3或3＇）進行對稱曲線抬升，共計算分析9組抬升量（表1）。

圖2 千斤頂縱向布置

表1 曲線抬升工況（單位：cm）

3 計算模型

本報告采用有限元分析軟件Midas/Civil進行全橋計算分析（圖3）。全橋鋼構件均采用Q345鋼材，索采用Wire1670鋼絲。

圖3 計算模型示意

主橋采用板單元模擬；副橋的Y形臂和邊梁采用梁單元模擬、平面斜撐采用桁架單元模擬；索塔采用桁架單元模擬；主纜、背索、吊索、法向索、環索用懸鏈線索單元模擬。

4 計算結果

考慮本橋的對稱性，本文選取了全橋一側的吊索（0#～16#）進行分析，計算分析了0#～16#吊索針對不同抬升量的響應，通過研究吊索力隨抬升量的變化趨勢來確定合適的抬升量。選取最優抬升量的原則為所有索力均達到10 kN以下，即在該狀態下認為所有吊索均處于松弛狀態，在安裝過程中能保證一定的冗余量。

4.1 整體抬升

0#～16#吊索的內力隨不同整體抬升量的變化趨勢：

1）所有吊索力均呈現隨抬升量的增大而減小的趨勢，除了靠近邊跨的吊索力（15#、16#）會在抬升量＞30 cm后出現突變。

2）當抬升量＞38 cm時，所有吊索力均能達到10 kN以下，除了15#邊索力隨抬升量的增大而發生無規律突變。

3）與索塔連接的吊索對抬升量的響應最為敏感，吊索力在抬升量增大的過程中最快達到10 kN以下。

4）各吊索力＜10 kN對應的抬升量呈現由跨中、邊跨向索塔方向遞增的趨勢，即16#索→10#索遞增，0#索→6#索遞增（圖4、圖5）。

圖4 吊索力隨抬升量的變化趨勢

圖5 0#～16#吊索力達到10 kN時對應的抬升量

綜上分析，在抬升全橋階段，需將抬升量控制在38～40 cm范圍內，避開邊索突變區域，以確保各吊索在松弛狀態下進行安裝。

4.2 曲線抬升

依據4.1節各吊索力隨抬升量的變化趨勢，選定曲線抬升由跨中抬升40 cm逐漸向橋臺側降低，共選取9組曲線抬升工況，從（0-10-20-40）cm的抬升工況逐漸向（40-40-40-40）cm全橋抬升工況過渡（圖6）。

圖6 曲線抬升趨勢

0#～16#吊索的內力隨不同曲線抬升量的變化趨勢：

1）隨著曲線抬升的曲率逐漸減小，各吊索力均呈現逐漸減小的趨勢；除了15#邊索力在邊跨抬升量＞35 cm時發生突變。

2）當曲線抬升達到（20-30-40-40）cm（工況5）時，各索力基本在10 kN以下。

3）曲線抬升趨勢線超過4.1節中給出的“索力＜10 kN時對應抬升量”的部分索力均小于10 kN，而低于上述的“索力＜10 kN時對應抬升量”的部分索力均大于10 kN。

綜上分析，考慮橋臺處施工限制及主橋橋臺處的受力合理性，可選用全橋曲線抬升，同時采用（20-30-40-40）cm的曲線抬升可確保各吊索在松弛狀態下進行安裝（圖7）。

圖7 吊索力隨曲線抬升量的變化趨勢

4.3 方案優化

主纜在空纜狀態下與主橋外緣不在同一豎平面內，徑向存在較大間距，對吊索安裝施工不利。因此，吊索安裝前，在主纜上選取部分關鍵點，利用臨時牽引索連接關鍵點，并通過布置于主橋內緣的卷揚機將主纜拉近主橋外緣，以使吊索安裝具有足夠冗余量（主纜）能在松弛狀態下進行安裝。

4.3.1 整體抬升

依據4.1節計算結果，選取抬升40 cm作為整體抬升方案。同時，全橋對稱布置9根牽引索，編號為14、11、5、2、0、2＇、5＇、11＇、14＇（圖8）。

圖8 牽引索布置

通過計算分析，得出各牽引索在保證吊索順利安裝狀態下所需的拉力在4～17 kN范圍內，并計算得出該狀態下各吊索（除15#邊索）在安裝過程中的冗余量均大于2 cm（圖9）。

圖9 吊索冗余量

綜上分析，安裝吊索時，采用整體抬升40 cm，同時通過張拉9根牽引索加以輔助的方案，可以保證各吊索安裝冗余量大于2 cm，從而確保吊索的順利安裝。

4.3.2 曲線抬升

依據4.2節計算結果，選取曲線抬升（20-30-40-40）cm作為曲線抬升方案。同時，全橋對稱布置11根牽引索，編號為14、12、10、5、2、0、2＇、5＇、10＇、12＇、14＇（圖10）。

圖10 牽引索布置

通過計算分析，得出各牽引索在吊索安裝過程中所需的拉力在4～15 kN范圍內，并計算得出該狀態下跨中各吊索在安裝過程中的冗余量均大于5 cm，而邊跨13#～16#吊索冗余量均小于0（圖11）。

綜上分析，安裝吊索時，采用曲線抬升（20-30-40-40）cm，同時通過張拉11根牽引索加以輔助，可以保證跨中各吊索安裝冗余量大于5 cm，但不能確保邊跨吊索順利安裝。

5 結語

綜上分析可得，整體抬升并張拉9根牽引索輔助，可以確保各吊索在安裝過程中有足夠的冗余量，能保證吊索順利安裝。因此，建議采用整體抬升40 cm作為全橋抬升方案，同時在吊索安裝時采用加設牽引索輔助。