空间曲梁单边悬索桥大跨度预应力钢结构卸载过程分析*

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桥西桥外侧桥面中心线位于R=35.50 m的圆曲线上，总长90 m；内侧桥面中心线位于R=31.50 m的圆曲线上，内侧主梁全长70 m。中跨主缆跨径L1=36 m，边跨跨径L2=27 m。结构体系分解见图1，结构断面见图2。

本桥采用“先桥后索”的施工方案，其施工顺序为：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→安装吊索→张拉环索与落架交替进行→落架完毕→拆除千斤顶，成桥。

在卸载施工过程中，在主桥钢箱梁底部搭设了18个临时支撑，临时支撑的平面布置位置及编号见图3，临时支撑剖面见图4。

2 卸载方案

图1 结构体系分解示意

图2 结构断面示意

在钢箱梁底部设置了18个临时支撑，本项目卸载工作的主要任务是拆除这18个临时支撑。由于该景观桥为结构复杂的空间索网结构体系弯桥，在卸载同时还要对主桥钢箱梁下部的环索进行张拉。张拉环索与卸载交替进行，至环索张拉到设计值后，千斤顶同步落架直至与主桥钢箱梁脱空，完成结构体系转换。在卸载过程中不可直接割除临时支撑杆件，而是采用千斤顶设备同步控制，使整个结构进行缓慢卸载落架。在主桥钢箱梁卸载落架过程中，整个结构受力发生改变，结构内力重分布，内力变化复杂。为了确保施工过程的安全可控，使结构最终形态符合设计目标，需对这个结构的卸载过程进行施工全过程分析。

图3 临时支撑平面布置示意

图4 临时支撑剖面示意

本工程采用分级同步卸载，张拉环索与卸载交替进行，卸载具体步骤为：全桥抬升20 cm→安装吊索、主缆、索塔→环索张拉至30%设计索力→主桥钢箱梁卸载落架10 cm→环索张拉至60%设计索力→主桥钢箱梁卸载落架5 cm→环索张拉至100%设计索力→主桥钢箱梁卸载落架至所有千斤顶脱空[1-2]。

3 卸载过程数值分析

本节采用有限元分析软件Midas/Civil对该景观桥卸载过程进行了计算分析。采用强制位移结合单向只受压弹性连接单元的方法模拟位移控制的卸载过程。该方法采用单向只受压弹性连接单元来将千斤顶上、下端2个节点之间的竖向位移进行耦连，其中上端点按卸载方案施加强制位移，下端点固定。该方法可准确模拟千斤顶在卸载过程中与主体结构脱空的现象。弹性连接单元是把2个节点按所要求的刚度连接而形成的有限计算单元，当弹性单元作为单向只受拉或只受压的单元使用时，只需输入单元坐标系的x轴向的线刚度，该线刚度可按发生单元线位移时所施加的力的大小来输入线性位移刚度。

4 计算结果分析

根据施工控制需要，主桥钢箱梁的变形、索力（包括主缆、吊索以及背索的索力）、临时支撑反力通常是影响结构在施工过程中的安全性、成桥状态的关键因素。因此本节计算上述物理量在卸载落架过程中的变化，作为施工控制的理论依据和计算数据。索力计算结果如图5、图6所示，横轴表示卸载步骤（从环索张拉至30%设计索力开始），纵轴表示索内力。随着卸载与张拉环索交替不断进行，所有索力均不断提高，其中，边跨主缆提高至1 230 kN、中跨主缆提高至1 030 kN、背索提高至1 040 kN、⑤轴吊索由于与索塔相连，至卸载完成时达到最大值180 kN。

图5 主缆索力变化

图6 吊索索力变化

由图7可以看出千斤顶的轴力呈振荡变化特征，直至卸载完毕之后千斤顶的轴力变为零，准确地模拟了千斤顶与主桥钢箱梁脱空后的状态。图8表示卸载完毕之后主桥钢箱梁内侧变形与外侧变形之差，可以看出钢箱梁平动方向差值基本为零，竖向差值最大不足1 cm，表明整个卸载过程主桥钢箱梁平动较小且卸载完毕后桥面保持平整。

图7 临时支撑反力变化

图8 钢箱梁内、外两侧变形差

综上可知，采用位移控制结合弹性连接单元的方法来模拟千斤顶卸载的建模过程简便，计算结果准确，对结构内力的变化有一定可控性[3]。

5 结语

上海国际旅游度假区空间曲梁单边悬索桥采用了位移控制结合弹性连接单元模拟千斤顶卸载的方法，对悬索桥进行了施工全过程仿真分析，对卸载过程中的索力、支座反力、主桥钢箱梁变形进行了分析预测，对后续施工过程控制以及结构监测具有重要意义。