秦顺全院士的无应力状态法大跨桥梁的设计方法PPT.pptx

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1、会计学1秦顺全院士的无应力状态秦顺全院士的无应力状态(zhungti)法法大跨桥梁的设计方法大跨桥梁的设计方法第一页，共46页。1 1、研究、研究(ynji)(ynji)背景背景 现代的大跨度桥梁几乎均采用分阶段成形的施工现代的大跨度桥梁几乎均采用分阶段成形的施工(sh gng)(sh gng)方法。方法。第1页/共46页第二页，共46页。传统的分阶段传统的分阶段(jidun)(jidun)施工桥梁结构分析施工桥梁结构分析:假定每个施工阶段假定每个施工阶段(jidun)(jidun)是一次成形，用荷载的增量是一次成形，用荷载的增量计算内力和位移的增量，逐阶段计算内力和位移的增量，逐阶段(jid

2、un)(jidun)累加累加 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，要求由成桥对于斜拉桥，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状态去寻找中间施工过程 倒退分析倒退分析 （1 1）特点：恒载施加在不断变化特点：恒载施加在不断变化(binhu)(binhu)的结构体系的结构体系上，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！针对针对(zhndu)(zhndu)一次一次成形结构成形结构第2页/共46页第三页，共46页。增量增量(zn lin)(zn lin)累加累加 不同不同(b tn)(b tn)的施工过程产生的施工过程产生不

3、同不同(b tn)(b tn)的内力和位移的内力和位移 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”方法不方法不完全适应工程的需要：完全适应工程的需要：1 1）施工）施工“过程过程”大量增加，寻找大量增加，寻找(xnzho)(xnzho)和控制和控制“过过程程”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建设，提出了多工序并行作业的要求，传统要求，传统 方法无法实现方法无法实现 1989 1989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

4、成桥状态倒拆示意倒拆示意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页第四页，共46页。整体支架整体支架整体支架整体支架(zhji)(zhji)施工施工施工施工 （一次（一次（一次（一次成形）成形）成形）成形）第4页/共46页第五页，共46页。节段施工节段施工(sh gng)(sh gng)，先合龙边跨，再合龙中跨，先合龙边跨，再合龙中跨 第5页/共46页第六页，共46页。节段施工节段施工(sh gng)(sh gng)，先合龙中跨，再合龙边跨，先合龙中跨，再合龙边跨第6页/共46页第七页，共46页。各种各种(zhn)(zhn)施工方法成桥状态对比（施工方法成桥状态对比（

5、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不同不同(b tn)(b tn)的施工方法和过程，结果不同的施工方法和过程，结果不同(b tn)(b tn)第7页/共46页第八页，共46页。顶推法施工顶推法施工(sh gng)(sh gng)分阶段施工 多次体系(tx)转换第8页/共46页第九页，共46页。各种各种(zhn)(zhn)施工方法成桥状态对比（施工方法成桥状态对比（IIII）施工方法边

6、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795.651933.061186.9418.2不完全(wnqun)与施工形成过程有关！与什么有关？第9页/共46页第十页，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，则不同的施工方法则不同的施工方法(fngf)(fngf)和过程最终的内力和线形完全相同！和过程最终的内力和线形完全相同！单元单元

7、(dnyun)(dnyun)怎样安装怎样安装 合龙单元合龙单元(dnyun)(dnyun)怎样安装？怎样安装？与构件单元无应力（应力释放(shfng)）时的几何参数有关！第10页/共46页第十一页，共46页。传统传统(chuntng)(chuntng)的钢梁架设方法：的钢梁架设方法：控制构件单元的控制构件单元的实际实际(shj)(shj)几何状态几何状态第11页/共46页第十二页，共46页。无应力状态控制法：无应力状态控制法：无应力状态控制法：无应力状态控制法：1989 1989 1989 1989年开始年开始年开始年开始(kish)(kish)(kish)(kish)研究研究研究研究,199

8、2,1992,1992,1992年公开发表了第一篇论文，年公开发表了第一篇论文，年公开发表了第一篇论文，年公开发表了第一篇论文，1993199319931993年年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至目前已在国内外至目前已在国内外30303030余座大跨度桥余座大跨度桥余座大跨度桥余座大跨度桥上成功应用。上成功应用。上成功应用。上成功应用。2009 2009 2009 2009年度国家科技进步二等奖年度国家科技进步二等奖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控制桥梁(qioling

9、)(qioling)构件单元的几何尺寸无应力状态控制法构件单元的几何尺寸无应力状态控制法!？用构件单元(dnyun)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！第12页/共46页第十三页，共46页。2 2、无应力、无应力(yngl)(yngl)状态控制法基本原理状态控制法基本原理无应力状态量：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（主要(zhyo)(zhyo)包括：长度、曲率包括：长度、曲率,扭转角等）扭转角等）结构结构(jigu)(jigu)的分析方法：的分析方法：针对一次成形！第13

10、页/共46页第十四页，共46页。123567N3N2N1N1N2N3123567N3N2N1N1N2N3123567N2N1N1N22356N2N1N1N235N1N1势能势能(shnng)(shnng)平衡条件：平衡条件：?第14页/共46页第十五页，共46页。最终状态单元最终状态单元(dnyun)i,j(dnyun)i,j的轴向变形：的轴向变形：为构件单元的无应力为构件单元的无应力(yngl)(yngl)长度。长度。单元的应变单元的应变(yngbin)(yngbin)能包括弯曲应变能包括弯曲应变(yngbin)(yngbin)能和轴向应变能和轴向应变(yngbin)(yngbin)能能轴向

11、应变能轴向应变能:第15页/共46页第十六页，共46页。特点特点(tdin)(tdin)：与坐标系的选择：与坐标系的选择无关无关单元无应力单元无应力(yngl)(yngl)曲率：曲率：单元(dnyun)曲率：无应力曲率：第16页/共46页第十七页，共46页。同样同样(tngyng)(tngyng)有：有：用单元用单元(dnyun)(dnyun)两端节点的位移来表示单元两端节点的位移来表示单元(dnyun)(dnyun)几何曲率：几何曲率：设单元设单元i,ji,j端无应力端无应力(yngl)(yngl)时的曲率为时的曲率为 第17页/共46页第十八页，共46页。弯曲应变能：弯曲应变能：弯曲应变能

12、：弯曲应变能：第18页/共46页第十九页，共46页。分阶段成形结构分阶段成形结构(jigu)(jigu)新的平衡方程：新的平衡方程：D 第19页/共46页第二十页，共46页。广义广义(gungy(gungy)荷载荷载L0L0确确定定(qud(qudng)ng)与过程与过程(guchng)(guchng)无关！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

13、！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！PN1N2N3第20页/共46页第二十一页，共46页。123567N3N2N1N1N2N3123567N3N2N1N1N2N3123567N2N1N1N22356N2N1N1N235N1N1(1)(2)(3)(4)(5)?平衡条件！平衡条件！一次成形一次成形(chn xn)(chn xn)结构结构 L0=0 L0=0第21页/共46页第二十二页，共46页。分阶段施工的桥梁结构的内力分阶段施工的桥梁结构的内力(nil)(nil)和位移由四个因素唯和位移由四个因素唯一确定：

14、一确定：外荷载外荷载 、结构体系、结构体系(tx)(tx)、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一定(ydng)(ydng)的外荷载、结构体系、支承边界条件、单元的的外荷载、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。结构的形成过程无关。第22页/共46页第二十三页，共46页。荷载变化：荷载变化：单元的无应力单元的无应力(yngl)(yngl)长度和无应力长度和无应力(yngl)(yngl)

15、曲率不变曲率不变荷载荷载(hzi)(hzi)变化：变化：P1P2无应力状态无应力状态(zhungti)(zhungti)量是结构本身的一个固有量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”有实质的有实质的“物理物理”改变。改变。P1P1P1P1P2P2P2P2第23页/共46页第二十四页，共46页。单元的无应力长度改变：单元的无应力长度改变：唯一对应一个唯一对应一个(y)(y)单元轴力单元轴力的变化的变化 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(yuxi)情况下

16、可以在过程中调整，如斜拉桥中的调索。无应力状态无应力状态(zhungti)(zhungti)控制法原理二：控制法原理二：结构单元的内力和位移随着结构的加结构单元的内力和位移随着结构的加载、体载、体 系转换和斜拉索的张拉而变化，斜拉索的系转换和斜拉索的张拉而变化，斜拉索的无应无应 力长度只有人为地调整才会发生变化；当力长度只有人为地调整才会发生变化；当荷载荷载 和结构体系一定时，斜拉索无应力长度的和结构体系一定时，斜拉索无应力长度的变化变化 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页第二十五页，共46页。不同的施工过程不同的施工过程(guchng)(g

17、uchng)产生不同的产生不同的与过程与过程(guchng)(guchng)无无关！关！控制好控制好 分阶段施工分阶段施工(sh gng)(sh gng)桥梁所有问题都迎刃而解了！桥梁所有问题都迎刃而解了！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页第二十六页，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

18、（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）结构参数的识别(shbi)(shbi)和状态调整和状态调整第26页/共46页第二十七页，共46页。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(pinch)对桥梁结构内力和线形的影响。京沪高速(o s)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(qt)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

19、 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页第二十八页，共46页。倒退分析法：状态（倒退分析法：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：用无应力状态量作为无应力状态控制法：用无应力状态量作为(zuwi)(zuwi)控制参数，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)斜拉桥安装斜拉桥安装(nzhung)(nzhung)计算计算（6 6）（5 5）（4 4）（3 3）（2 2）（1 1）优点：节约计算工作量优点：节约计算工作量50%50

20、%以上；应变能力强：以上；应变能力强：状态状态(zhungti)(zhungti)（5)5)（4 4）有变化时，对状态）有变化时，对状态(zhungti)(zhungti)（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页第二十九页，共46页。123567N3N2N1N1N2N3123567N3N2N1N1N2N3123567N2N1N1N22356N2N1N1N235N1N1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

21、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，预抬标高与预制闭合问题，预抬标高与预制(y zh)(y zh)外形外形第29页/共46页第三十页，共46页。“理论(lln)计算”到“实际操作”?施工阶段施工阶段(jidun)(jidun)监控测试监控测试与调整：与调整：索力、线形(xin xn)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 3）施工过程温度与临时荷载

22、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页第三十一页，共46页。传统做法：浇筑传统做法：浇筑传统做法：浇筑传统做法：浇筑1/21/21/21/2混凝土时增加一次调索。混凝土时增加一次调索。混凝土时增加一次调索。混凝土时增加一次调索。问问问问 题：混凝土浇筑数量估计偏差影响索力精度；题：混凝土浇筑数量估计偏差影响索力精度；题：混凝土浇筑数量估计偏差影响索力精度；题：混凝土浇筑数量估计偏差影响索力

23、精度；中断混凝土浇筑，施工中断混凝土浇筑，施工中断混凝土浇筑，施工中断混凝土浇筑，施工(sh gng)(sh gng)(sh gng)(sh gng)风险大。风险大。风险大。风险大。a a）节段混凝土浇筑）节段混凝土浇筑(jiozh)(jiozh)前状态前状态 b b）节段混凝土浇筑）节段混凝土浇筑(jiozh)1/2(jiozh)1/2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并行作业的要求！并行作业的要求！并行作业的要求！并行作业的要求！(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页第三十二页，共46页。状态状态(a)-(a)-状态状

24、态(c):(c):荷载荷载(hzi)(hzi)变化索变化索力调整力调整(a)初状态(zhungti)图3 (a)状态：Ka=Pa+L0a (4)(b)状态：Kb=Pb+L0b (5)?(c)状态：Kc=Pc+L0c (6)式(4)-式(6)K ca PcPa+L0c-L0a (7)由式(7)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(zu zhn)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)终状态第32页/共46页第三十三页，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

25、动 模板模板(mbn)(mbn)安装安装 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！多根拉索索多根拉索索(su(su su)su)力调整力调整第33页/共46页第三十四页，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理论(lln)(lln)计算的斜拉索索力是整根索力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确定单根钢绞线的张拉力？施工中怎样确定单根钢绞线的张拉力？第34页/共46页第三十五页，共46页。“等张力法”首根钢绞线张拉力怎样确定？缩短(sudun)锚头长度无应力

26、无应力(yngl)(yngl)状态法：状态法：整索无应力整索无应力(yngl)(yngl)长度长度单根钢绞线的张拉力应是其无应力长度单根钢绞线的张拉力应是其无应力长度(chngd)(chngd)等于时的张等于时的张拉力拉力第35页/共46页第三十六页，共46页。（6 6）主梁预制）主梁预制(y zh)(y zh)线形线形依据无应力(yngl)状态法的基本原理，是成桥状态是成桥状态(zhungti)(zhungti)节段的长度和曲率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

27、外形。第36页/共46页第三十七页，共46页。节段预制节段预制(y zh)(y zh)时单元平放：时单元平放：解得：解得：第37页/共46页第三十八页，共46页。成桥线型是设定成桥线型是设定(sh dn)(sh dn)曲线时：曲线时：成桥线型是预制拱度的一系列离散的高程数值时：成桥线型是预制拱度的一系列离散的高程数值时：节段曲率节段曲率(ql)(ql)需用样条插值的方法来推算。需用样条插值的方法来推算。边界条件边界条件?第38页/共46页第三十九页，共46页。常规的钢桁梁合拢，采用顶落梁的措施实现常规的钢桁梁合拢，采用顶落梁的措施实现(shxin)(shxin)钢桁杆钢桁杆件的安装。件的安装。

28、合龙前龙口变形合龙前龙口变形(bin(bin xng)xng)放大示意放大示意首次首次(shu c)(shu c)调整后龙口变形调整后龙口变形放大示意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。施同样可以保证成桥状态的内力和线形。（7 7）钢梁架设钢梁架设第39页/共46页第四十页，共46页。怎样保证成桥内力怎样保证成桥内力(nil)(nil)！一次成形与一次成形与分阶段成形分阶段成

29、形成成桥桥内内力力能能否否(n n n n f f u u)达达到到？第40页/共46页第四十一页，共46页。(8)(8)悬索桥架设悬索桥架设(jish)(jish)第41页/共46页第四十二页，共46页。问题问题(wnt)(wnt)：空缆垂度和主塔鞍座预偏：空缆垂度和主塔鞍座预偏方法方法(fngf)(fngf)：主跨和边跨无应力索长空缆状态与成桥状态相等：主跨和边跨无应力索长空缆状态与成桥状态相等第42页/共46页第四十三页，共46页。(9)(9)结构参数结构参数(cnsh)(cnsh)的识别和状态调整的识别和状态调整 1 1、外荷载、外荷载 2 2、结构体系、结构体系（截面（截面(jimin)(jimin)几何特性参数；混凝土的收缩徐变参数；弹几何特性参数；混凝土的收缩徐变参数；弹性模性模 量等材料参数；）量等材料参数；）3 3、支承边界条件、支承边界条件 4 4、单元无应力长度和曲率、单元无应力长度和曲率第43页/共46页第四十四页，共46页。五、结束语五、结束语技术创新不是结构技术创新不是结构(jigu)(jigu)尺度的放大尺度的放大更不应该是标新立异更不应该是标新立异!技术创新要循序渐进技术创新要循序渐进!第44页/共46页第四十五页，共46页。Thanks谢谢(xi xie)大家！第45页/共46页第四十六页，共46页。