空间曲梁单边悬索桥施工方案的研究*

上海建工集团股份有限公司 上海 200080

1 工程概况

上海国际旅游度假区空间曲梁单边悬索结构体系主要由内外侧主梁、空间主缆、吊索、背索、环索和倾斜的索塔组成，桥两端固结于桥台，跨中由悬挂于主缆上的柔性斜向吊索提供竖向弹性支撑。索塔采用倾斜的钢管（单边），索塔与主墩采用铰接的形式；主缆为空间悬链线布置，位于外侧主梁外侧，每个索塔顶部设置1根背索，背索与主跨、边跨主缆一起，保证成桥时索塔顶部的整体平衡；内、外侧主梁采用铰接加拉杆的形式，并通过设置环向水平拉索来平衡竖向翻转力矩。东桥外侧桥面中心线位于R=46.75 m的圆曲线上，内侧桥面中心线位于R=42.75 m的圆曲线上，总长120 m。桥面采用圆曲面钢梁，分为内侧宽3 m人行道和外侧宽6 m自行车通道，梁高1.70 m。结构如图1所示。

图1 东桥结构示意

2 施工方案

本桥采用“先桥后缆”的施工方案：临时支架上拼接主、副桥→安装索塔→安装背索、搭设主缆→全桥整体抬升26 cm→由索塔向跨中及边跨对称安装吊索→张拉20%环索力→落架6 cm→张拉40%环索力→落架16 cm→张拉60%环索力→落架18 cm→落架20 cm→张拉80%环索力→落架22 cm→落架24 cm→张拉100%环索力→落架26 cm→拆除千斤顶，成桥→二期恒载[1-2]。

3 施工控制

本文运用有限元计算软件Midas/Civil进行施工全过程模拟，分析结构在结构自重、桥面恒载以及施工荷载作用下，各个施工阶段的内力及变形变化情况，为确保施工期间结构的安全性、成桥阶段索力值与设计值相符合、悬索线形符合设计要求，必须对结构在施工过程中的索力、变形（位移）进行评估，并根据模拟分析结果指挥现场进行施工控制。

3.1 模型单元特性

3.1.1 一般梁/变截面梁单元

2节点线单元，每个节点具有6个自由度。一般用于杆系构件或变截面（如楔形变截面）构件上，也可以作为连接自由度不同的2种单元的连接构件。本文计算模型中的副桥边梁以及Y形臂均采用梁单元模拟。

3.1.2 索单元

2节点线单元，每个节点3个自由度。一般用于空间网架、索结构、支撑等只承受轴向拉力的构件和对接触面的模拟上。本文计算模型中的主缆、吊索、背索、环索均采用索单元模拟。

3.1.3 板单元

在Midas中提供了6个自由度的板单元，可以使用于面内受拉压及面外受弯的压力容器、护壁、桥梁板等模型中。本文计算模型中钢箱梁桥面板、纵横向加劲板均采用板单元进行模拟。

3.1.4 其他

副桥板斜撑、索塔采用桁架单元模拟[3-5]。

3.2 模拟结果分析

依据主缆的对称性，本节仅选取一侧主缆内力进行分析，索缆编号如图2所示。

图2 索缆编号

3.2.1 主缆力

主缆力在张拉环索前处于较低水平，内力在350 kN以内，应力在37 MPa以内；随着吊索的安装，主缆力逐渐增大。进入分级落架阶段，主缆力逐步增大至成桥索力，内力在2 500 kN左右，应力在255 MPa左右。施工过程中，主缆内力＜95%理论最小破断力，应力＜30%钢丝抗拉强度。

3.2.2 吊索力

跨中各吊索在安装时的内力（以下称“安装索力”），各吊索安装索力均在25 kN内，应力在30 MPa以内，外侧号索在连接时，所需安装索力分别为19 kN和0 kN。施工过程中，除与索塔连接的吊索（⑧号）在落架完成后，会发生较大突变外。其余吊索内力均随分级落架的进行而逐渐增大至成桥索力，吊索内力在150～250 kN区间，应力大致为250 MPa。

3.2.3 背索力

分级落架前，背索内力基本不变，背索内力基本处于400～650 kN范围内，应力在20～34 MPa范围内。随着分级落架的进行，背索内力逐步增大至成桥内力6 000 kN左右，应力大致为316 MPa。施工过程中，背索内力＜95%理论最小破断力，应力＜30%钢丝抗拉强度。

3.2.4 主缆线形控制

选取3个关键阶段的主缆线形进行分析：安装主缆、吊索安装完成、成桥阶段。东桥计算结果如下。

1）吊索安装完成阶段主缆X方向线形与成桥阶段接近，仅边跨主缆X方向相对成桥阶段往主桥外侧方向偏移。

2）成桥阶段，由于吊索受力张拉，中跨主缆Y方向相对吊索安装完成阶段往主桥内侧方向偏移，偏移量在0.40～0.50 m范围内。

3）成桥阶段，中跨主缆Z方向相对吊索安装完成阶段下降0.10～0.20 m。

3.2.5 主、副桥变形

1）整个施工过程中，跨中位置的切向基本无变形；

2）安装吊索阶段，主桥跨中径向基本无变形，副桥跨中最大径向偏移量为3 mm；

3）分级落架阶段，主桥由于环索张拉而逐步沿径向向主桥内侧偏移，最大径向偏移量为-4 mm；副桥在张拉环索时向副桥内侧偏移，而进行落架时由于环索松弛，会产生向副桥外侧的偏移，最大径向偏移量为-1 mm；

4）安装吊索阶段，主、副桥竖向变形基本无变化；分级落架阶段，全桥落架引起吊索受拉，索力增大，导致主桥产生轴向扭矩，进而导致主桥外缘向上抬起，而主桥内缘向下变形。主桥外缘向上最大变形12 mm，相应内缘向下变形-4 mm；

5）成桥后加设二期恒载，主、副桥跨中切向变形为0 mm；主桥跨中径向向主桥内侧偏移-3 mm、副桥向主桥外侧偏移1 mm；竖向向下变形为-45 mm（主桥）、-57 mm（副桥）。

4 结语

从上海国际旅游度假区空间曲梁单边悬索桥的有限元分析结果可以看出，在吊索安装阶段，各吊索的安装索力和应力均在安全范围内；在整个安装过程中各项需控制的关键参数也在允许范围之内。本施工方案可确保吊索顺利安装，保证落架安全，保证了全桥在整个施工过程中的受力安全[6-7]。