无应力状态法-大跨度桥梁的设计方法讲解课件

分阶段成形结构无应力状态法秦顺全2010年3月跨越天堑超越自我分阶段成形结构无应力状态法秦顺全跨越天堑超越自我1、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。1、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，用荷载的增量计算内力和位移的增量，逐阶段累加

正装计算

对于斜拉桥，成桥恒载状态是预先指定的，要求由成桥状态去寻找中间施工过程

倒退分析

（1）特点：恒载施加在不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！针对一次成形结构传统的分阶段施工桥梁结构分析:（1）特点：恒载施加在不断变增量累加

不同的施工过程产生不同的内力和位移

桥梁规模和结构复杂程度增加，“与过程相关”方法不完全适应工程的需要：

1）施工“过程”大量增加，寻找和控制“过程”难度加大

2）工程的“又好又快”建设，提出了多工序并行作业的要求，传统方法无法实现

1989年开始研究新的方法，探求“与过程相关”的实质！若干中间状态成桥状态倒拆示意总内力和总位移与过程相关！增量累加不同的施工过程产生桥梁规模和结构复杂程度增加，整体支架施工（一次成形）整体支架施工（一次成形）节段施工，先合龙边跨，再合龙中跨节段施工，先合龙边跨，再合龙中跨节段施工，先合龙中跨，再合龙边跨节段施工，先合龙中跨，再合龙边跨各种施工方法成桥状态对比（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795.65－1933.061186.94－18.2节段施工，边跨先合龙446.34－3074.6445.36－35.2节段施工，中跨先合龙335.36－3518.58－398.5812.8不同的施工方法和过程，结果不同各种施工方法成桥状态对比（I）边跨中弯矩中支点弯矩中跨中弯矩顶推法施工分阶段施工多次体系转换顶推法施工分阶段施工多次体系转换各种施工方法成桥状态对比（II）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795.65－1933.061186.94－18.2节段施工，边跨先合龙446.34－3074.6445.36－35.2节段施工，中跨先合龙335.36－3518.58－398.5812.8顶推施工795.65－1933.061186.94－18.2不完全与施工形成过程有关！与什么有关？各种施工方法成桥状态对比（II）边跨中弯矩中支点弯矩中跨中弯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！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！如果有条件保证每个构件单元无应力时的几何参数一致，单传统的钢梁架设方法：控制构件单元的实际几何状态传统的钢梁架设方法：控制构件单元的无应力状态控制法：

1989年开始研究,1992年公开发表了第一篇论文，1993年在武汉长江二桥施工中应用,至目前已在国内外30余座大跨度桥上成功应用。

2009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!？

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？

探求与过程相关的实质！

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2、无应力状态控制法基本原理无应力状态量：

构件单元应力完全释放后的几何参数（主要包括：长度、曲率,扭转角等）

结构的分析方法：针对一次成形！无应力状态量：结构的分析方法：针对一次成形！123567N3N2N1N1N2N3123567N3N2N1N1N2N3123567N2N1N1N22356N2N1N1N235N1N1势能平衡条件：√??123567N3N2N1N1N2N3123567N3N2N1最终状态单元i,j的轴向变形：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轴向应变能:最终状态单元i,j的轴向变形：为构件单元的无应力长度。特点：与坐标系的选择无关单元无应力曲率：单元曲率：无应力曲率：特点：与坐标系的选择无关单元无应力曲率：单元曲率：无应力曲率同样有：

用单元两端节点的位移来表示单元几何曲率：

设单元i,j端无应力时的曲率为

同样有：用单元两端节点的位移来表示单元几何曲率：弯曲应变能：弯曲应变能：分阶段成形结构新的平衡方程：D＝

分阶段成形结构新的平衡方程：D＝广义荷载L0确定与过程无关！任意阶段的总内力和总位移并不涉及其它施工阶段过程相关！单元的无应力长度和曲率实质！

总位移非位移增量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！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！P＝N1＋N2＋N3广义荷载L0确定与过程无关！任意阶段的总内力和总位移过程相关123567N3N2N1N1N2N3123567N3N2N1N1N2N3123567N2N1N1N22356N2N1N1N235N1N1(1)(2)(3)(4)(5)??√√平衡条件！一次成形结构L0=0123567N3N2N1N1N2N3123567N3N2N1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、结构体系、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：

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，其对应的结构内力和位移是唯一的，与结构的形成过程无关。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：外荷载荷载变化：单元的无应力长度和无应力曲率不变荷载变化：P1P2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“外形”有实质的“物理”改变。P1P1P1P1P2P2P2P2荷载变化：单元的无应力长度和无应力曲率不变荷载变化单元的无应力长度改变：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，如斜拉桥中的调索。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。单元的无应力长度改变：工程实际中，单元的无应力曲率只不同的施工过程产生不同的与过程无关！控制好分阶段施工桥梁所有问题都迎刃而解了！索力与索力的关系：

解决过程中调索的问题。不同的施工过程产生不同的与过程无关！控制好分阶段施3、无应力状态控制法的工程应用

（1）预制制造误差对结构内力和线形的影响估计（2）斜拉桥安装计算（3）施工过程温度与临时荷载影响的过滤（4）斜拉桥施工中的同步作业问题（5）钢绞线斜拉索的挂设张拉（6）主梁预制线形（7）钢梁架设（8）悬索桥架设（9）结构参数的识别和状态调整3、无应力状态控制法的工程应用

在工程实践中，利用平衡方程，可以分析单元无应力状态量偏差对桥梁结构内力和线形的影响。京沪高速南京大胜关大桥

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。（1）预制制造误差对结构内力和线形的影响在工程实践中，利用平衡方程，可以分析单元无应力状态量

倒退分析法：状态（6）→状态（5）→状态（4）→状态（3）

无应力状态控制法：用无应力状态量作为控制参数，直接求解

中间过程状态（3）的内力和位移。（2)斜拉桥安装计算（6）（5）（4）（3）（2）（1）

优点：节约计算工作量50%以上；应变能力强：

状态（5)（4）有变化时，对状态（3）无影响。要计算中间状态内力和位移（如过程3）：倒退分析法：状态（6）→状态（5）→状态（4）→状态（3123567N3N2N1N1N2N3123567N3N2N1N1N2N3123567N2N1N1N22356N2N1N1N235N1N1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）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闭合问题，预抬标高与预制外形123567N3N2N1N1N2N3123567N3N2N1

“理论计算”到“实际操作”?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）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。16.7°C5000kN25.0°C5100kN?4900kN?

？°C？“理论计算”到“实际操作”?施工阶段监控测试与调整：索力传统做法：浇筑1/2混凝土时增加一次调索。问题：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。a）节段混凝土浇筑前状态b）节段混凝土浇筑1/2状态c）节段混凝土浇筑完成状态并行作业的要求！(4)斜拉桥施工中的同步作业问题传统做法：浇筑1/2混凝土时增加一次调索。a）节段混凝土浇状态(a)-状态(c):荷载变化索力调整(a)初状态图3

(a)状态：[K]{δa}={Pa}+{L0a}(4)(b)状态：[K]{δb}={Pb}+{L0b}(5)?(c)状态：

[K]{δc}={Pc}+{L0c}(6)式(4)-式(6)[K]{δc－δa}＝{Pc－Pa}+{L0c-L0a}(7)由式(7)可以看出：不论经历如何的过程状态(b)，只要{Pc－Pa}、{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！(b)过程状态(c)终状态状态(a)-状态(c):荷载变化索力调整(a)初状态图3斜拉桥调索可与吊机、挂篮移动模板安装钢筋绑扎桥面二恒施工等并行作业！多根拉索索力调整斜拉桥调索可与多根拉索索力调整(5)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确定单根钢绞线的张拉力？(5)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“等张力法”首根钢绞线张拉力怎样确定？

缩短锚头长度无应力状态法：

整索无应力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“等张力法”首根钢绞线张拉力怎样确定？无应力状态法：单根钢（6）主梁预制线形

依据无应力状态法的基本原理，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：主梁节段的预制线形应是该节段成桥状态的无应力外形。（6）主梁预制线形依据无应力状态法是成桥状态节段的长度和节段预制时单元平放：

解得：

节段预制时单元平放：解得：成桥线型是设定曲线时：成桥线型是预制拱度的一系列离散的高程数值时：节段曲率需用样条插值的方法来推算。边界条件?成桥线型是设定曲线时：成桥线型是预制拱度的一系列离散的高程数常规的钢桁梁合拢，采用顶落梁的措施实现钢桁杆件的安装。合龙前龙口变形放大示意首次调整后龙口变形放大示意大胜关大桥合拢前立面图（572，2980）（572，2980）（563，2980）（563，2980）依据平衡方程，只要杆件的制造长度正确，即使选择强迫合拢措施同样可以保证成桥状态的内力和线形。（7）钢梁架设常规的钢桁梁合拢，采用顶落梁的措施实现钢桁杆件的安装。合龙前怎样保证成桥内力！一次成形与分阶段成形成桥内力能否达到？怎样保证成桥内力！成桥内力能否达到？(8)悬索桥架设(8)悬索桥架设问题：空缆垂度和主塔鞍座预偏方法：主跨和边跨无应力索长空缆状态与成桥状态相等问题：空缆垂度和主塔鞍座预偏方法：主跨和边跨无应力索长空缆状(9)结构参数的识别和状态调整1、外荷载2、结构体系（截面几何特性参数；混凝土的收缩徐变参数；弹性模

量等材料参数；）3、支承边界条件

4、单元无应力长度和曲率(9)结构参数的识别和状态调整1、外荷载五、结束语技术创新不是结构尺度的放大更不应该是标新立异!技术创新要循序渐进!五、结束语技术创新不是结构尺度的放大谢谢大家！谢谢大家！分阶段成形结构无应力状态法秦顺全2010年3月跨越天堑超越自我分阶段成形结构无应力状态法秦顺全跨越天堑超越自我1、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。1、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，用荷载的增量计算内力和位移的增量，逐阶段累加

正装计算

对于斜拉桥，成桥恒载状态是预先指定的，要求由成桥状态去寻找中间施工过程

倒退分析

（1）特点：恒载施加在不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！针对一次成形结构传统的分阶段施工桥梁结构分析:（1）特点：恒载施加在不断变增量累加

不同的施工过程产生不同的内力和位移

桥梁规模和结构复杂程度增加，“与过程相关”方法不完全适应工程的需要：

1）施工“过程”大量增加，寻找和控制“过程”难度加大

2）工程的“又好又快”建设，提出了多工序并行作业的要求，传统方法无法实现

1989年开始研究新的方法，探求“与过程相关”的实质！若干中间状态成桥状态倒拆示意总内力和总位移与过程相关！增量累加不同的施工过程产生桥梁规模和结构复杂程度增加，整体支架施工（一次成形）整体支架施工（一次成形）节段施工，先合龙边跨，再合龙中跨节段施工，先合龙边跨，再合龙中跨节段施工，先合龙中跨，再合龙边跨节段施工，先合龙中跨，再合龙边跨各种施工方法成桥状态对比（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795.65－1933.061186.94－18.2节段施工，边跨先合龙446.34－3074.6445.36－35.2节段施工，中跨先合龙335.36－3518.58－398.5812.8不同的施工方法和过程，结果不同各种施工方法成桥状态对比（I）边跨中弯矩中支点弯矩中跨中弯矩顶推法施工分阶段施工多次体系转换顶推法施工分阶段施工多次体系转换各种施工方法成桥状态对比（II）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795.65－1933.061186.94－18.2节段施工，边跨先合龙446.34－3074.6445.36－35.2节段施工，中跨先合龙335.36－3518.58－398.5812.8顶推施工795.65－1933.061186.94－18.2不完全与施工形成过程有关！与什么有关？各种施工方法成桥状态对比（II）边跨中弯矩中支点弯矩中跨中弯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！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！如果有条件保证每个构件单元无应力时的几何参数一致，单传统的钢梁架设方法：控制构件单元的实际几何状态传统的钢梁架设方法：控制构件单元的无应力状态控制法：

1989年开始研究,1992年公开发表了第一篇论文，1993年在武汉长江二桥施工中应用,至目前已在国内外30余座大跨度桥上成功应用。

2009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!？

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？

探求与过程相关的实质！

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2、无应力状态控制法基本原理无应力状态量：

构件单元应力完全释放后的几何参数（主要包括：长度、曲率,扭转角等）

结构的分析方法：针对一次成形！无应力状态量：结构的分析方法：针对一次成形！123567N3N2N1N1N2N3123567N3N2N1N1N2N3123567N2N1N1N22356N2N1N1N235N1N1势能平衡条件：√??123567N3N2N1N1N2N3123567N3N2N1最终状态单元i,j的轴向变形：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轴向应变能:最终状态单元i,j的轴向变形：为构件单元的无应力长度。特点：与坐标系的选择无关单元无应力曲率：单元曲率：无应力曲率：特点：与坐标系的选择无关单元无应力曲率：单元曲率：无应力曲率同样有：

用单元两端节点的位移来表示单元几何曲率：

设单元i,j端无应力时的曲率为

同样有：用单元两端节点的位移来表示单元几何曲率：弯曲应变能：弯曲应变能：分阶段成形结构新的平衡方程：D＝

分阶段成形结构新的平衡方程：D＝广义荷载L0确定与过程无关！任意阶段的总内力和总位移并不涉及其它施工阶段过程相关！单元的无应力长度和曲率实质！

总位移非位移增量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！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！P＝N1＋N2＋N3广义荷载L0确定与过程无关！任意阶段的总内力和总位移过程相关123567N3N2N1N1N2N3123567N3N2N1N1N2N3123567N2N1N1N22356N2N1N1N235N1N1(1)(2)(3)(4)(5)??√√平衡条件！一次成形结构L0=0123567N3N2N1N1N2N3123567N3N2N1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、结构体系、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：

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，其对应的结构内力和位移是唯一的，与结构的形成过程无关。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：外荷载荷载变化：单元的无应力长度和无应力曲率不变荷载变化：P1P2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“外形”有实质的“物理”改变。P1P1P1P1P2P2P2P2荷载变化：单元的无应力长度和无应力曲率不变荷载变化单元的无应力长度改变：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，如斜拉桥中的调索。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。单元的无应力长度改变：工程实际中，单元的无应力曲率只不同的施工过程产生不同的与过程无关！控制好分阶段施工桥梁所有问题都迎刃而解了！索力与索力的关系：

解决过程中调索的问题。不同的施工过程产生不同的与过程无关！控制好分阶段施3、无应力状态控制法的工程应用

（1）预制制造误差对结构内力和线形的影响估计（2）斜拉桥安装计算（3）施工过程温度与临时荷载影响的过滤（4）斜拉桥施工中的同步作业问题（5）钢绞线斜拉索的挂设张拉（6）主梁预制线形（7）钢梁架设（8）悬索桥架设（9）结构参数的识别和状态调整3、无应力状态控制法的工程应用

在工程实践中，利用平衡方程，可以分析单元无应力状态量偏差对桥梁结构内力和线形的影响。京沪高速南京大胜关大桥

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。（1）预制制造误差对结构内力和线形的影响在工程实践中，利用平衡方程，可以分析单元无应力状态量

倒退分析法：状态（6）→状态（5）→状态（4）→状态（3）

无应力状态控制法：用无应力状态量作为控制参数，直接求解

中间过程状态（3）的内力和位移。（2)斜拉桥安装计算（6）（5）（4）（3）（2）（1）

优点：节约计算工作量50%以上；应变能力强：

状态（5)（4）有变化时，对状态（3）无影响。要计算中间状态内力和位移（如过程3）：倒退分析法：状态（6）→状态（5）→状态（4）→状态（3123567N3N2N1N1N2N3123567N3N2N1N1N2N3123567N2N1N1N22356N2N1N1N235N1N1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）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闭合问题，预抬标高与预制外形123567N3N2N1N1N2N3123567N3N2N1

“理论计算”到“实际操作”?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）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。16.7°C5000kN25.0°C5100kN?4900kN?

？°C？“理论计算”到“实际操作”?施工阶段监控测试与调整：索力传统做法：浇筑1/2混凝土时增加一次调索。问题：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。a）节段混凝土浇筑前状态b）节段混凝土浇筑1/2状态c）节段混凝土浇筑完成状态并行作业的要求！(4)斜拉桥施工中的同步作业问题传统做法：浇筑1/2混凝土时增加一次调索。a）节段混凝土浇状态(a)-状态(c):荷载变化索力调整(a)初状态图3

(a)状态：[K]{δa}={Pa}+{L0a}(4)(b)状态：[K]{δb}={Pb}+{L0b}(5)?(c)状态：

[K]{δc}={Pc}+{L0c}(6)式(4)-式(6)[K]{δc－δa}＝{Pc－Pa}+{L0c-L0a}(7)由式(7)可以看出：不论经历如何的过程状态(b)，只