秦顺全院士的ppt无应力状态法大跨度桥梁的设计方法PPT课件

1、1 1、研究背景、研究背景 现代的大跨度桥梁几乎均采用分阶段成形的施工方法。现代的大跨度桥梁几乎均采用分阶段成形的施工方法。 第1页/共46页传统的分阶段施工桥梁结构分析传统的分阶段施工桥梁结构分析: : 假定每个施工阶段是一次成形假定每个施工阶段是一次成形，用荷载的，用荷载的增量增量计算计算内力和位移的增量，逐阶段累加内力和位移的增量，逐阶段累加 正装计算正装计算 对于斜拉桥，成桥恒载状态是预先指定的，要求由对于斜拉桥，成桥恒载状态是预先指定的，要求由成桥状态成桥状态去寻找去寻找中间施工过程中间施工过程 倒退分析倒退分析 KP（1 1）特点：特点：恒载施加在不断变化的结构体系上，恒载施加在不

2、断变化的结构体系上， 后续单元安装时，结构上已有变形存在！后续单元安装时，结构上已有变形存在！NNNNNN针对一次针对一次成形结构成形结构第2页/共46页增量累加增量累加 不同的施工过程产生不同的施工过程产生不同的内力和位移不同的内力和位移 桥梁规模和结构复杂程度增加，桥梁规模和结构复杂程度增加， “与过程相关与过程相关”方法不完方法不完全适应工程的需要：全适应工程的需要： 1 1）施工）施工“过程过程”大量增加，寻找和大量增加，寻找和控制控制“过程过程”难度加大难度加大 2 2）工程的）工程的“又好又快又好又快”建设，提出了多工序并行作业的要求，传统建设，提出了多工序并行作业的要求，传统 方

3、法无法实现方法无法实现 19891989年开始研究新的方法，探求年开始研究新的方法，探求“与过程相关与过程相关”的实质！的实质！若干中间状态若干中间状态成桥状态成桥状态倒拆示意倒拆示意N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N 总内力和总位移与过程相关！总内力和总位移与过程相关！第3页/共46页整体支架施工整体支架施工 （一次成形）（一次成形）12 3m123m83m83m中 孔 合 龙 段2m36m50m36m012311012345678910012345671101234567891001234567第4页/共46页节段施工，先合龙边跨，再合龙

4、中跨节段施工，先合龙边跨，再合龙中跨 第5页/共46页节段施工，先合龙中跨，再合龙边跨节段施工，先合龙中跨，再合龙边跨第6页/共46页123m12 3m8 3m8 3m中孔合龙段2m36m50m36m012311012345678910012345671101234567891001234567各种施工方法成桥状态对比（各种施工方法成桥状态对比（I I）施工方法边跨中弯矩中支点弯矩中跨中弯矩中跨中挠度整体支架施工795.651933.061186.9418.2节段施工，边跨先合龙446.343074.6445.3635.2节段施工，中跨先合龙335.363518.58398.58 12.8不同

5、的施工方法和过程，结果不同不同的施工方法和过程，结果不同第7页/共46页顶推法施工顶推法施工分阶段施工 多次体系转换第8页/共46页12 3m123m83m83m中孔合龙段2m36m50m36m012311012345678910012345671101234567891001234567各种施工方法成桥状态对比（各种施工方法成桥状态对比（IIII）施工方法边跨中弯矩中支点弯矩中跨中弯矩中跨中挠度整体支架施工795.651933.061186.9418.2节段施工，边跨先合龙446.343074.6445.3635.2节段施工，中跨先合龙335.363518.58398.58 12.8顶推施工

6、795.651933.061186.9418.2不完全与施工形成过程有关！与什么有关？第9页/共46页 如果有条件保证每个构件单元无应力时的几何参数一致，如果有条件保证每个构件单元无应力时的几何参数一致，则不同的施工方法和过程最终的内力和线形完全相同！则不同的施工方法和过程最终的内力和线形完全相同！单元怎样安装单元怎样安装 合龙单元怎样安装？合龙单元怎样安装？与构件单元无应力（应力释放）时的几何参数有关！12 3m12 3m83m83m中 孔 合 龙 段2m36m50m36m012311012345678910012345671101234567891001234567第10页/共46页传统的

7、钢梁架设方法：传统的钢梁架设方法：控制构件单元的控制构件单元的实际几何状态实际几何状态第11页/共46页无应力状态控制法：无应力状态控制法： 19891989年开始研究年开始研究,1992,1992年公开发表了第一篇论文，年公开发表了第一篇论文，19931993年年在武汉长江二桥施工中应用在武汉长江二桥施工中应用, ,至目前已在国内外至目前已在国内外3030余座大跨余座大跨度桥度桥上成功应用。上成功应用。 20092009年度国家科技进步二等奖年度国家科技进步二等奖控制桥梁构件单元的几何尺寸无应力状态控制法控制桥梁构件单元的几何尺寸无应力状态控制法 ! ! ？用构件单元的无应力状态量建立起桥梁

8、建造中的过程状态用构件单元的无应力状态量建立起桥梁建造中的过程状态与过程状态之间，过程状态和最终状态的联系？与过程状态之间，过程状态和最终状态的联系？ 探求与探求与过程相关过程相关的实质！的实质！第12页/共46页2 2、无应力状态控制法基本原理、无应力状态控制法基本原理567321N3N2 N1N3N2N1无应力状态量：无应力状态量： 构件单元应力完全释放后的几何参数构件单元应力完全释放后的几何参数 （主要包括：长度、曲率（主要包括：长度、曲率, ,扭转角等）扭转角等） KP 结构的分析方法：结构的分析方法：针对一次成形 ！第13页/共46页123567N3 N2 N1N1 N2 N3123

9、567N3 N2 N1N1 N2 N3123567N2 N1N1 N22356N2 N1N1 N235N1N1 1111111KNFF 222212212KNFFF 333323323KNFFF0 势能平衡条件：势能平衡条件： 2212KNN 33123KNNN第14页/共46页最终状态单元最终状态单元i,ji,j的轴向变形：的轴向变形：0jiluull 0l2EA2Ull轴向20()2jiEAuulll为构件单元的无应力长度。为构件单元的无应力长度。 单元的应变能包括弯曲应变能和轴向应变能单元的应变能包括弯曲应变能和轴向应变能轴向应变能轴向应变能: :567321200 200 200 20

10、0 200 200 567321200 200 200 200 200 200 第15页/共46页uiiYvilijEIX( )iujjvj( )j特点：与坐标系的选择无关特点：与坐标系的选择无关单元无应力曲率：单元无应力曲率：22332ijiijKvvlll22332jijijKvvlll单元曲率：无应力曲率：第16页/共46页 jiiKKK xKxl jiiKKK xKxl 同样有：同样有： 用单元两端节点的位移来表示单元几何曲率：用单元两端节点的位移来表示单元几何曲率：22332ijiijKvvlll22332jijijKvvlll 00ijKK和022332ijiijiKvvllKl0

11、22332jijijjKvvllKl设单元设单元i,ji,j端无应力时的曲率为端无应力时的曲率为 第17页/共46页弯曲应变能：弯曲应变能： 2220EI26liijjEIlUKx dxKKKK弯曲0 第18页/共46页分阶段成形结构新的平衡方程分阶段成形结构新的平衡方程： 0KPL 000000000000000ijijiijijjEAEIllcKKsllEAEIllsKKcllKEILEAEIllcKKsllEAEIllsKKcllKEI D2222332332222233233222121261212612126121266646EAEIEAEIEIEAEIEAEIEIcscsscscs

12、sllllllllllEAEIEAEIEIEAEIEAEIEIcsscccssccllllllllllEIEIEIsclll222222332332222233233262121261212612126121266EIEIEIsclllEAEIEAEIEIEAEIEAEIEIcscsscscssllllllllllEAEIEAEIEIEAEIEAEIEIcsscccssccllllllllll222262664EIEIEIEIEIEIscscllllll 第19页/共46页 0KPL 广义荷载广义荷载L L0 0确定确定与过程无关！与过程无关！任意阶段的总内力和总位移任意阶段的总内力和总位移并

13、不涉及其它施工阶段并不涉及其它施工阶段过程相关！过程相关！单元的无应力长度和曲率单元的无应力长度和曲率实质！实质！ 总位移总位移非位移增量非位移增量 考虑单元的无应力状态量，内力和位移考虑单元的无应力状态量，内力和位移与结构成形过程无关！与结构成形过程无关！ 首次从理论上解决了过程状态与成桥状态之间的关系问题！首次从理论上解决了过程状态与成桥状态之间的关系问题！ 567321N3N2 N1N3N2N1PN1N2N3第20页/共46页123567N3 N2 N1N1 N2 N3123567N3 N2 N1N1 N2 N3123567N2 N1N1 N22356N2 N1N1 N235N1N1(1

14、)(2)(3)(4)(5) 2212KNN 33123KNNN 221202KNNL 3313320KNNLN 平衡条件！平衡条件！ 一次成形结构一次成形结构 L L0 0=0=0第21页/共46页 0KPL分阶段施工的桥梁结构的内力和位移由四个因素唯一确定：分阶段施工的桥梁结构的内力和位移由四个因素唯一确定：外荷载外荷载 、结构体系、结构体系 、支承边界条件、单元无应力长度和曲率支承边界条件、单元无应力长度和曲率无应力状态控制法原理一：无应力状态控制法原理一： 一定的外荷载、结构体系、支承边界条件、单元的无应一定的外荷载、结构体系、支承边界条件、单元的无应力状态量组成的结构，其对应的结构内力

15、和位移是唯一的，与力状态量组成的结构，其对应的结构内力和位移是唯一的，与结构的形成过程无关。结构的形成过程无关。第22页/共46页 1011KPL 2022KPL荷载变化：荷载变化： 单元的无应力长度和无应力曲率不变单元的无应力长度和无应力曲率不变荷载变化：荷载变化：P1P2 12010201020102120KPPLLLLLL 1212KPP无应力状态量是结构本身的一个固有量无应力状态量是结构本身的一个固有量要改变单元的无应力长度和无应力曲率必须对构件单元的要改变单元的无应力长度和无应力曲率必须对构件单元的“外形外形”有实质有实质的的“物理物理”改变。改变。P1P1P1P1P2P2P2P2第

16、23页/共46页10201220()()SSTSEA567321200 200 200 200 200 200 000000010000000ijijnijijijjEAEIllcKKsllEAEIllsKKcllKEIKPEAEIllcKKsllEAEIllsKKcllKEI单元的无应力长度改变：单元的无应力长度改变： 唯一对应一个单元轴力的变化唯一对应一个单元轴力的变化 工程实际中，单元的无应力曲率只有在安装时控制，后期难以调工程实际中，单元的无应力曲率只有在安装时控制，后期难以调整。单元的无应力长度有些情况下可以在过程中调整，如斜拉桥中的整。单元的无应力长度有些情况下可以在过程中调整，如

17、斜拉桥中的调索。调索。无应力状态控制法原理二：无应力状态控制法原理二： 结构单元的内力和位移随着结构的加载、体结构单元的内力和位移随着结构的加载、体 系转换和斜拉索的张拉而变化，斜拉索的无应系转换和斜拉索的张拉而变化，斜拉索的无应 力长度只有人为地调整才会发生变化；当荷载力长度只有人为地调整才会发生变化；当荷载 和结构体系一定时，斜拉索无应力长度的变化和结构体系一定时，斜拉索无应力长度的变化 必然唯一地对应一个单元索力的变化。必然唯一地对应一个单元索力的变化。第24页/共46页 0KPL 0L不同的施工过程产生不同的不同的施工过程产生不同的 KP与过程无关！与过程无关！控制好控制好 分阶段施工

18、桥梁所有问题都迎刃而解了！分阶段施工桥梁所有问题都迎刃而解了！ 0L567321200 200 200 200 200 200 567321200 200 200 200 200 200 567321200 200 200 200 5632200 200 200 200 200 200 索力与索力的关系：索力与索力的关系： 解决过程中调索的问题。解决过程中调索的问题。第25页/共46页3 3、无应力状态控制法的工程应用、无应力状态控制法的工程应用 （1 1）预制制造误差对结构内力和线形的影响估计）预制制造误差对结构内力和线形的影响估计 （2 2）斜拉桥安装计算）斜拉桥安装计算 （3 3）施工过

19、程温度与临时荷载影响的过滤）施工过程温度与临时荷载影响的过滤 （4 4）斜拉桥施工中的同步作业问题）斜拉桥施工中的同步作业问题 （5 5）钢绞线斜拉索的挂设张拉）钢绞线斜拉索的挂设张拉 （6 6）主梁预制线形）主梁预制线形 （7 7）钢梁架设）钢梁架设 （8 8）悬索桥架设）悬索桥架设 （9 9）结构参数的识别和状态调整）结构参数的识别和状态调整第26页/共46页 在工程实践中，在工程实践中，利用平衡方程，可以利用平衡方程，可以分析单元无应力状态分析单元无应力状态量偏差对桥梁结构内量偏差对桥梁结构内力和线形的影响力和线形的影响。京沪高速南京大胜关大桥 0LPK 京沪高速铁路南京大胜关大桥的实践

20、表明，与其他计算参数相比，京沪高速铁路南京大胜关大桥的实践表明，与其他计算参数相比，构件制造长度偏差是产生线形和内力偏差的主要因素。构件制造长度偏差是产生线形和内力偏差的主要因素。 （1 1）预制制造误差对结构内力和线形的影响）预制制造误差对结构内力和线形的影响第27页/共46页 倒退分析法：倒退分析法：状态（状态（6 6）状态（状态（5 5）状态（状态（4 4）状态（状态（3 3） 无应力状态控制法：无应力状态控制法：用无应力状态量作为控制参数，用无应力状态量作为控制参数，直接求解直接求解 中间过程状态（中间过程状态（3 3）的内力和位移。）的内力和位移。 （2)2)斜拉桥安装计算斜拉桥安装

21、计算N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N 0KPL （6 6） （5 5） （4 4） （3 3） （2 2） （1 1） 优点：优点：节约计算工作量节约计算工作量50%50%以上；应变能力强：以上；应变能力强： 状态（状态（5)5)（4 4）有变化时，对状态（）有变化时，对状态（3 3）无影响。）无影响。要计算中间状态内力和位移（如过程要计算中间状态内力和位移（如过程 3 3 ）：）：第28页/共46页123567N3 N2 N1N1 N2 N3123567N3 N2 N1N1 N2 N3123567N2 N1N1 N22356N2 N1N1

22、 N235N1N1斜拉索挂设时的张拉：索力控制（温度影响问题）斜拉索挂设时的张拉：索力控制（温度影响问题） 后期调整：索长差（拨出量）后期调整：索长差（拨出量）混凝土结构收缩徐变：改变的是单元的无应力长度和曲率混凝土结构收缩徐变：改变的是单元的无应力长度和曲率 理论计算时迭代解决理论计算时迭代解决 闭合问题，预抬标高与预制外形闭合问题，预抬标高与预制外形第29页/共46页 “理论计算理论计算”到到 “ “实际操作实际操作”? ?施工阶段监控测试与调整：施工阶段监控测试与调整：索力、线形测试 在凌晨日出前进行，避免日照的影响，同步测试结构温度和调查记录桥上临时荷载。温度和临时荷载标准化处理设计条

23、件下的索力、线形下阶段调整方案制定调整方案的实施温度、临时荷载？（3 3）施工过程温度与临时荷载影响的过滤）施工过程温度与临时荷载影响的过滤 斜拉索索力和主梁的安装高程是在设计温度条件下的计算值。斜拉索索力和主梁的安装高程是在设计温度条件下的计算值。16.7 C 5000kN25.0 C 5100kN ? 4900kN ? ？ C ？第30页/共46页传统做法传统做法：浇筑浇筑1/21/2混凝土时增加一次调索。混凝土时增加一次调索。问问 题题：混凝土浇筑数量估计偏差影响索力精度；混凝土浇筑数量估计偏差影响索力精度； 中断混凝土浇筑，施工风险大。中断混凝土浇筑，施工风险大。CnCn - 1Cn

24、- 2CnCn - 1Cn - 2CnCn - 1Cn - 2 a a）节段混凝土浇筑前状态）节段混凝土浇筑前状态 b b）节段混凝土浇筑）节段混凝土浇筑1/21/2状态状态c c）节段混凝土浇筑完成状态）节段混凝土浇筑完成状态(4)(4)斜拉桥施工中的同步作业问题斜拉桥施工中的同步作业问题第31页/共46页状态状态( (a a)-)-状态状态( (c c):):荷载变化索力调整荷载变化索力调整567321200 200 200 200 200 200 567321200 200 200 200 (a)初状态图3 (a)(a)状态：状态： KKa a=P=Pa a+L+L0a0a (4) (4

25、) (b) (b)状态：状态： KKb b=P=Pb b+L+L0b0b (5) (5) ? ? (c) (c)状态：状态： KKc c=P=Pc c+L+L0c0c (6) (6)式式(4)-(4)-式式(6) K (6) K c ca a P Pc cP Pa a + L + L0c0c -L -L0a0a (7) (7)由式由式(7)(7)可以看出：可以看出： 不论经历如何的过程状态(b) ，只要 PcPa 、L0c -L0a 确定，最终状态(c)的内力和位移都是唯一的。 解决工程实际中索力变化交叉影响，荷载变动影响索力等问题！解决工程实际中索力变化交叉影响，荷载变动影响索力等问题！56

26、7321? 200 200 ? 200 200 (b)过程状态(c) 终状态第32页/共46页斜拉桥调索可与斜拉桥调索可与吊机、挂篮移动吊机、挂篮移动 模板安装模板安装 钢筋绑扎钢筋绑扎 桥面二恒施工等桥面二恒施工等并行作业！并行作业！多根拉索索力调整多根拉索索力调整第33页/共46页(5)(5)钢绞线斜拉索的挂设张拉钢绞线斜拉索的挂设张拉理论计算的斜拉索索力是整根索力理论计算的斜拉索索力是整根索力钢绞线斜拉索是由若干单根挂设的钢绞线组成钢绞线斜拉索是由若干单根挂设的钢绞线组成施工中怎样施工中怎样确定单根钢绞线的张拉力确定单根钢绞线的张拉力？第34页/共46页0l0l“等张力法” 首根钢绞线张

27、拉力怎样确定？缩短锚头长度长度无应力状态法：无应力状态法：整索无应力长度长度单根钢绞线的张拉力应是其无应力长度等于时的张拉力单根钢绞线的张拉力应是其无应力长度等于时的张拉力第35页/共46页ij（6 6）主梁预制线形）主梁预制线形依据无应力状态法依据无应力状态法的基本原理，的基本原理，EIMKKiii10EIMKKjjj10EANll01iK1jKl是成桥状态节段的长度和曲率是成桥状态节段的长度和曲率则节段的无应力长度和曲率为：则节段的无应力长度和曲率为：主梁节段的预制线形应是该节段成桥状态的无应力外形。主梁节段的预制线形应是该节段成桥状态的无应力外形。第36页/共46页l2il1jl0)233(220jiijillvvlK)233(220jijijllvvlKijvv0_2)2(2ijiKlll0_2)2(2jjiKlll)2(600jiiKKl)2(600jijKKl节段预制时单元平放：节段预制时单元平放： 解得：解得： 第37页/共46页ijiuiuijij成桥线型是设定曲线时：成桥线型