空間曲梁?jiǎn)芜厬宜鳂虼罂缍阮A(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)卸載過程分析*

上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

1 工程概況

上海國(guó)際旅游度假區(qū)空間曲梁?jiǎn)芜厬宜鳂蛭鳂蛲鈧?cè)橋面中心線位于R=35.50 m的圓曲線上，總長(zhǎng)90 m；內(nèi)側(cè)橋面中心線位于R=31.50 m的圓曲線上，內(nèi)側(cè)主梁全長(zhǎng)70 m。中跨主纜跨徑L1=36 m，邊跨跨徑L2=27 m。結(jié)構(gòu)體系分解見圖1，結(jié)構(gòu)斷面見圖2。

本橋采用“先橋后索”的施工方案，其施工順序?yàn)椋号R時(shí)支架上拼接主、副橋→安裝索塔→安裝背索、搭設(shè)主纜→全橋整體抬升→安裝吊索→張拉環(huán)索與落架交替進(jìn)行→落架完畢→拆除千斤頂，成橋。

在卸載施工過程中，在主橋鋼箱梁底部搭設(shè)了18個(gè)臨時(shí)支撐，臨時(shí)支撐的平面布置位置及編號(hào)見圖3，臨時(shí)支撐剖面見圖4。

2 卸載方案

圖1 結(jié)構(gòu)體系分解示意

圖2 結(jié)構(gòu)斷面示意

在鋼箱梁底部設(shè)置了18個(gè)臨時(shí)支撐，本項(xiàng)目卸載工作的主要任務(wù)是拆除這18個(gè)臨時(shí)支撐。由于該景觀橋?yàn)榻Y(jié)構(gòu)復(fù)雜的空間索網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系彎橋，在卸載同時(shí)還要對(duì)主橋鋼箱梁下部的環(huán)索進(jìn)行張拉。張拉環(huán)索與卸載交替進(jìn)行，至環(huán)索張拉到設(shè)計(jì)值后，千斤頂同步落架直至與主橋鋼箱梁脫空，完成結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換。在卸載過程中不可直接割除臨時(shí)支撐桿件，而是采用千斤頂設(shè)備同步控制，使整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行緩慢卸載落架。在主橋鋼箱梁卸載落架過程中，整個(gè)結(jié)構(gòu)受力發(fā)生改變，結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，內(nèi)力變化復(fù)雜。為了確保施工過程的安全可控，使結(jié)構(gòu)最終形態(tài)符合設(shè)計(jì)目標(biāo)，需對(duì)這個(gè)結(jié)構(gòu)的卸載過程進(jìn)行施工全過程分析。

圖3 臨時(shí)支撐平面布置示意

圖4 臨時(shí)支撐剖面示意

本工程采用分級(jí)同步卸載，張拉環(huán)索與卸載交替進(jìn)行，卸載具體步驟為：全橋抬升20 cm→安裝吊索、主纜、索塔→環(huán)索張拉至30%設(shè)計(jì)索力→主橋鋼箱梁卸載落架10 cm→環(huán)索張拉至60%設(shè)計(jì)索力→主橋鋼箱梁卸載落架5 cm→環(huán)索張拉至100%設(shè)計(jì)索力→主橋鋼箱梁卸載落架至所有千斤頂脫空[1-2]。

3 卸載過程數(shù)值分析

本節(jié)采用有限元分析軟件Midas/Civil對(duì)該景觀橋卸載過程進(jìn)行了計(jì)算分析。采用強(qiáng)制位移結(jié)合單向只受壓彈性連接單元的方法模擬位移控制的卸載過程。該方法采用單向只受壓彈性連接單元來將千斤頂上、下端2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的豎向位移進(jìn)行耦連，其中上端點(diǎn)按卸載方案施加強(qiáng)制位移，下端點(diǎn)固定。該方法可準(zhǔn)確模擬千斤頂在卸載過程中與主體結(jié)構(gòu)脫空的現(xiàn)象。彈性連接單元是把2個(gè)節(jié)點(diǎn)按所要求的剛度連接而形成的有限計(jì)算單元，當(dāng)彈性單元作為單向只受拉或只受壓的單元使用時(shí)，只需輸入單元坐標(biāo)系的x軸向的線剛度，該線剛度可按發(fā)生單元線位移時(shí)所施加的力的大小來輸入線性位移剛度。

4 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)施工控制需要，主橋鋼箱梁的變形、索力（包括主纜、吊索以及背索的索力）、臨時(shí)支撐反力通常是影響結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全性、成橋狀態(tài)的關(guān)鍵因素。因此本節(jié)計(jì)算上述物理量在卸載落架過程中的變化，作為施工控制的理論依據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)。索力計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6所示，橫軸表示卸載步驟（從環(huán)索張拉至30%設(shè)計(jì)索力開始），縱軸表示索內(nèi)力。隨著卸載與張拉環(huán)索交替不斷進(jìn)行，所有索力均不斷提高，其中，邊跨主纜提高至1 230 kN、中跨主纜提高至1 030 kN、背索提高至1 040 kN、⑤軸吊索由于與索塔相連，至卸載完成時(shí)達(dá)到最大值180 kN。

圖5 主纜索力變化

圖6 吊索索力變化

由圖7可以看出千斤頂?shù)妮S力呈振蕩變化特征，直至卸載完畢之后千斤頂?shù)妮S力變?yōu)榱悖瑴?zhǔn)確地模擬了千斤頂與主橋鋼箱梁脫空后的狀態(tài)。圖8表示卸載完畢之后主橋鋼箱梁內(nèi)側(cè)變形與外側(cè)變形之差，可以看出鋼箱梁平動(dòng)方向差值基本為零，豎向差值最大不足1 cm，表明整個(gè)卸載過程主橋鋼箱梁平動(dòng)較小且卸載完畢后橋面保持平整。

圖7 臨時(shí)支撐反力變化

圖8 鋼箱梁內(nèi)、外兩側(cè)變形差

綜上可知，采用位移控制結(jié)合彈性連接單元的方法來模擬千斤頂卸載的建模過程簡(jiǎn)便，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化有一定可控性[3]。

5 結(jié)語

上海國(guó)際旅游度假區(qū)空間曲梁?jiǎn)芜厬宜鳂虿捎昧宋灰瓶刂平Y(jié)合彈性連接單元模擬千斤頂卸載的方法，對(duì)懸索橋進(jìn)行了施工全過程仿真分析，對(duì)卸載過程中的索力、支座反力、主橋鋼箱梁變形進(jìn)行了分析預(yù)測(cè)，對(duì)后續(xù)施工過程控制以及結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)具有重要意義。