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(tuán)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(qū)中心湖區(qū)，該橋為單邊懸索橋，弧長120 m。該橋集半圓曲面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)與彎橋結(jié)構(gòu)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(gòu)造，上肢與主橋內(nèi)緣連系，下肢張拉環(huán)索通過法向索與主橋連系。這一特殊形式以及跨度為國內(nèi)首創(chuàng)，具有極大的施工研究價值。

圖1 東橋結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)抬升一定距離，以保證吊索安裝冗余量（即吊索的無應(yīng)力長度減去主纜上吊點(diǎn)與對應(yīng)主橋外緣吊點(diǎn)間距的差值）。

在施工過程中，主橋抬升高度不夠?qū)?dǎo)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(yōu)抬升量[1-4]。

2 計算內(nèi)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(yīng)。

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?qū)ΨQ布置8套千斤頂（圖2），從橋臺側(cè)千斤頂（0或0＇）向跨中側(cè)千斤頂（3或3＇）進(jìn)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(jìn)行全橋計算分析（圖3）。全橋鋼構(gòu)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(huán)索用懸鏈線索單元模擬。

4 計算結(jié)果

考慮本橋的對稱性，本文選取了全橋一側(cè)的吊索（0#～16#）進(jìn)行分析，計算分析了0#～16#吊索針對不同抬升量的響應(yīng)，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(yōu)抬升量的原則為所有索力均達(dá)到10 kN以下，即在該狀態(tài)下認(rèn)為所有吊索均處于松弛狀態(tài)，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(nèi)力隨不同整體抬升量的變化趨勢：

1）所有吊索力均呈現(xiàn)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(xiàn)突變。

2）當(dāng)抬升量＞38 cm時，所有吊索力均能達(dá)到10 kN以下，除了15#邊索力隨抬升量的增大而發(fā)生無規(guī)律突變。

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

4）各吊索力＜10 kN對應(yīng)的抬升量呈現(xiàn)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(dá)到10 kN時對應(yīng)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(nèi)，避開邊索突變區(qū)域，以確保各吊索在松弛狀態(tài)下進(jìn)行安裝。

4.2 曲線抬升

依據(jù)4.1節(jié)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(cè)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(nèi)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(xiàn)逐漸減小的趨勢；除了15#邊索力在邊跨抬升量＞35 cm時發(fā)生突變。

2）當(dāng)曲線抬升達(dá)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(jié)中給出的“索力＜10 kN時對應(yīng)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(yīng)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(tài)下進(jìn)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(yōu)化

主纜在空纜狀態(tài)下與主橋外緣不在同一豎平面內(nèi)，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(guān)鍵點(diǎn)，利用臨時牽引索連接關(guān)鍵點(diǎn)，并通過布置于主橋內(nèi)緣的卷揚(yáng)機(jī)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(tài)下進(jìn)行安裝。

4.3.1 整體抬升

依據(jù)4.1節(jié)計算結(jié)果，選取抬升40 cm作為整體抬升方案。同時，全橋?qū)ΨQ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(tài)下所需的拉力在4～17 kN范圍內(nèi)，并計算得出該狀態(tài)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(jù)4.2節(jié)計算結(jié)果，選取曲線抬升（20-30-40-40）cm作為曲線抬升方案。同時，全橋?qū)ΨQ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(nèi)，并計算得出該狀態(tài)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(jié)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(shè)牽引索輔助。