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1、结构安装过程控制分析结构安装过程控制分析 1一、概述一、概述二、结构形成过程与最终状态的关系二、结构形成过程与最终状态的关系三、三、斜拉桥无应力状态法斜拉桥无应力状态法四、无应力状态法的其它应用四、无应力状态法的其它应用2一、概述一、概述 近几十年来，桥梁建设最大的技术进步是：分阶段形成桥梁结构技术的提出和发展。拱桥 ：无拱架施工连续梁（刚构）：悬臂施工技术 斜拉桥 ：施工过程多次体系转换 （桥梁结构从开始施工到成桥必须经历一个复杂的多阶段构件施工安装和体系转换过程 ）3 恒载恒载最终状态：最终状态：全部恒载完成后的内力和线形必须考全部恒载完成后的内力和线形必须考虑桥梁结构的实际施工过程。虑桥
2、梁结构的实际施工过程。4节段施工的连续梁节段施工的连续梁 设计中必须考虑：设计中必须考虑： 悬臂施工过程悬臂施工过程 合龙及体系转换合龙及体系转换 挂篮及施工荷载挂篮及施工荷载 由于结构形成过程相对单一，可变因素由于结构形成过程相对单一，可变因素少，设计时就严格规定了施工方法和施工少，设计时就严格规定了施工方法和施工过程。过程。5 如果施工方法和过程变更，最终状态如果施工方法和过程变更，最终状态的成桥内力和线形也会发生变化。的成桥内力和线形也会发生变化。 所以：所以：“桥梁的施工形成过程与最终桥梁的施工形成过程与最终成桥结构的内力和位移状态紧密相关成桥结构的内力和位移状态紧密相关”？ 顶推施工
3、的连续梁（如果是混凝土结顶推施工的连续梁（如果是混凝土结构，暂不考虑收缩徐变）成桥内力与一次构，暂不考虑收缩徐变）成桥内力与一次落架施工连续梁的成桥内力是一致的！落架施工连续梁的成桥内力是一致的！ 与顶推施工过程是无关的！与顶推施工过程是无关的！6 对于斜拉桥斜拉桥设计时无法仔细考虑每一个施设计时无法仔细考虑每一个施工过程：工过程： 1）施工阶段多，体系转换过程复杂）施工阶段多，体系转换过程复杂 2）施工阶段的张拉调索）施工阶段的张拉调索 3）理想成桥状态的要求）理想成桥状态的要求7 所以所以 斜拉桥设计时 以理想的恒载成桥状态为基础， 进行结构设计和运营阶段的各种验算。 设计阶段的后期进行安
4、装计算。）施工过程结构安全性检算；）施工过程结构安全性检算；）确定）确定满足成桥目标状态满足成桥目标状态要求的要求的中间中间施工过程施工过程的内力和线形（中间过程的内力和线形（中间过程理想状态理想状态） 8 要确定要确定满足成桥目标状态满足成桥目标状态要求的要求的 中间施工过程中间施工过程的内力和线形的内力和线形常规方法：常规方法：倒拆法，正装试算法等倒拆法，正装试算法等9倒拆法：倒拆法： 以成桥的目标状态为计算的起始点，按正装顺序的逆序进行倒拆计算，通过内力和位移数值的累加确定斜拉桥施工各中间阶段的结构内力和线形。 由于倒拆是一个虚拟的过程，倒拆计算完成后，需按倒拆计算确定的施工各阶段的斜拉
5、索张力值进行正装计算，只有正装、倒拆闭合时，倒拆计算的结果才是可信的。10倒拆闭合的条件：倒拆闭合的条件： 1）拆除单元无外荷载）拆除单元无外荷载 2）支承边界条件正确）支承边界条件正确 3）收缩徐变处理）收缩徐变处理 考虑结构形成过程的收缩和徐变的影考虑结构形成过程的收缩和徐变的影响，倒拆正装无法完全闭合！响，倒拆正装无法完全闭合！11倒拆法的缺点： 1）计算复杂； 2）数值的累加，概念不明确； 3）当某一步骤调整时，必须进行全过程的倒 拆正装计算； 4）以“力”为实桥操作的控制量，当考虑实桥 施工的临时荷载和温度影响时，“理论”与 “实际”有差距。12 正装试算法计算工作量大，对复杂的大跨
6、度斜拉桥应用难度大，所以发展了一些改进的算法， 但这些算法对桥型和工序变化的适应性较差。 有无既简单，适应性又强的方法？13无应力状态法：无应力状态法：无应力状态法是确定分阶段形成桥梁结构过程状态与最终状态关系的方法 1） 确定满足成桥目标状态要求的中间施工过程的 内力和线形计算问题； 2） “理论”到 “实际”过程中，临时荷载和温度变化 影响的处理； 3） 实桥上的多工序同步施工。14 无应力状态法在实桥上的应用开始于武汉长江二桥（1992年）。 到目前为止，已在包括混凝土斜拉桥、钢箱梁斜拉桥、结合梁斜拉桥、混合型斜拉桥和钢桁梁斜拉桥在内的二十多座大跨度斜拉桥中应用，均取得了非常好的效果。1
7、5二、结构形成过程与二、结构形成过程与最终状态的关系最终状态的关系16 A2lCqEIB AB13ql213ql216ql2C2l 按一次落架施工：按一次落架施工：17CABCll12ql212ql2212ABMMql0CCMM 18 1920 由此可以看出：两种方法形成的最终结由此可以看出：两种方法形成的最终结构构内力状态的差异内力状态的差异是由于最终结构的是由于最终结构的“卸载卸载曲率曲率”差异差异造成的。造成的。21结构卸载曲率构件单元无应力曲率 A2lCqEIB 不论结构形成过程如何，只要支承边界条件正确，最终荷载相同，无应力曲率相等，则结构最终的内力状态和变形状态与结构的形成过程无关
8、。顶推梁构件单元无应力曲率与一次落架连续梁相同 顶推梁？（在台座上形成连续结构，弹性曲线自然连续，所以最终成桥结构的内力和位移与一次落架相同） 22 研究连续梁的施工过程可以得出相同的结论！A0 . 7 lCqE IEl0 . 7 lBDACEBDM=0.0763ql2BM=0.0763ql2DM=0.0487ql2CA0.7lEIE0.5l0.7lBDC0.5lCM=18ql2BM=18ql2D30.0357CqlEI 40.025DBqlEI23A0 .7 lqFx l0 .7 lBE(1 -2 x )lx lCDPPqqA0.7lFxl0.7lBE(1-2x)lxlqqCD0.188x
9、0.188x X=0.188A0.7lqFxl0.7lBE(1-2x)lxlCDX=0.293824 也可理解为：也可理解为： 一定的外荷载、结构体系、支承边界一定的外荷载、结构体系、支承边界条件、单元的无应力长度和无应曲率组条件、单元的无应力长度和无应曲率组成的结构，必然唯一地对应一个结构的成的结构，必然唯一地对应一个结构的内力和位移内力和位移 无应力状态法基本原理之一无应力状态法基本原理之一25四个条件： 外荷载外荷载 结构体系结构体系 支承边界条件支承边界条件 单元的无应力长度和无应曲率单元的无应力长度和无应曲率 钢桁梁杆件工厂制作，用精确的杆件长度控制桥梁的内力和线形无应力状态法的一个
10、特例无应力状态法的一个特例26斜拉桥不宜采用钢桁梁的方法：）实际量测斜拉索长度和索锚点位置的精度难把握；）施工期间为满足结构的受力要求，斜拉索索力需调整；）施工中的误差调整。27 三、斜拉桥无应力状态法三、斜拉桥无应力状态法28无应力状态量无应力状态量 单元无应力长度：单元无应力长度： 结构体系内任意构件单元，受荷载结构体系内任意构件单元，受荷载 变形后单元两节点之间的几何距离就是变形后单元两节点之间的几何距离就是单元有应力时的长度。单元有应力时的长度。”假设假设”卸除该卸除该单元的轴向力，单元轴向变形恢复，此单元的轴向力，单元轴向变形恢复，此时单元上两节点的几何距离定义为单元时单元上两节点的
11、几何距离定义为单元的无应力长度。的无应力长度。29斜拉索单元斜拉索单元30单元无应力曲率：单元无应力曲率： 结构受荷载变形后单元上两节点的水结构受荷载变形后单元上两节点的水平位移，竖向位移和转角可计算单元上平位移，竖向位移和转角可计算单元上任意截面的挠度曲线的曲率，这就是单任意截面的挠度曲线的曲率，这就是单元的有应力曲率，元的有应力曲率，”假设假设”在此基础上在此基础上卸除该单元的弯矩，单元的弯曲变形恢卸除该单元的弯矩，单元的弯曲变形恢复，此时单元挠度曲线的曲率称之为构复，此时单元挠度曲线的曲率称之为构件单元的无应力曲率。件单元的无应力曲率。31 单元无应力（剪应力）构形: 当结构计算不考虑剪
12、切变形时,单元无应力构形影响可忽略.32用计算实例来讨论斜拉桥施工安装过程中，荷载变化、体系变化、索力调整和收缩徐变等影响下结构的内力、位移和无应力状态量的变化规律。33200200234567812200200131110200200200234567812111020020020013安装状态二安装状态一 两状态两状态 1.单元内力和节点位移由于结构加载而发生变化 2.单元的无应力长度和无应力曲率不变荷载变化3420020020023456781211102002002001320020020020012345678912111020020020020013安装状态二安装状态一两状态两状态
13、 1.单元内力和节点位移由于斜拉索单元210和108的挂设和初拉200kN而发生变化 2.单元的无应力长度和无应力曲率不变体系变化体系变化35索力调整 张拉斜拉索单元210和 108，每索单元索力增加43.03kN 。1.单元内力和节点位移发生变化2.除210，108单元外，其余单元的无应力长度和无应力曲率不变3.单元210，108的索力和无应力长度发生变化，索力增量与其无应力长度的变化量存在一一对应的关系2002002002001234567891211102002002002001336 索力增量与无应力长度的变化量的对应的关系 在荷载、体系等条件不变的情况下371.单元内力和节点位移发生
14、变化2.除计算混凝土收缩徐变的单元外，其余单元的无应力长度和无应力曲率不变20020020020012345678912111020020020020013混凝土收缩徐变38结构内力和变形是一个计算量，不稳定量。构件单元无应力状态量是一个结构的固有量，稳定量。39依据前述的讨论可以得出如下结论：依据前述的讨论可以得出如下结论： 结构构件单元的内力和节点位移随着结结构构件单元的内力和节点位移随着结构的构的加载加载，体系转换体系转换和斜拉索的和斜拉索的张拉张拉而变而变化，而单元的无应力长度和无应力曲率不化，而单元的无应力长度和无应力曲率不会发生改变。会发生改变。斜拉索单元的无应力长度只有在调整斜拉
15、索单元的无应力长度只有在调整自身索力时才会发生变化。自身索力时才会发生变化。 当其它条件不变时，索力和索长存在当其它条件不变时，索力和索长存在一一对应的关系；一一对应的关系； 无应力状态法基本原理之二无应力状态法基本原理之二40 1，结构构件单元的内力和节点位移随着结构的加载，体系转换，结构构件单元的内力和节点位移随着结构的加载，体系转换和斜拉索的张拉而变化，而单元的无应力长度和无应力曲率不会发和斜拉索的张拉而变化，而单元的无应力长度和无应力曲率不会发生改变。斜拉索单元的无应力长度只有在调整自身索力时才会发生生改变。斜拉索单元的无应力长度只有在调整自身索力时才会发生变化，而且索力和索长存在一一
16、对应的关系；变化，而且索力和索长存在一一对应的关系； 2，一定的外荷载、结构体系、支承边界条件、单元的无应力长，一定的外荷载、结构体系、支承边界条件、单元的无应力长度和曲率组成的结构，必然唯一地对应一个结构的内力和位移度和曲率组成的结构，必然唯一地对应一个结构的内力和位移 （平面结构和空间结构均如此！）无应力状态法的力学原理无应力状态法的力学原理41利用无应力状态法的两个基本原理无应力状态法的两个基本原理可进行斜拉桥的安装计算，确定中间施工过程结构理想状态。总体思想： 1.计算成桥目标状态斜拉索的无应力长度； 2.对斜拉桥的安装过程进行正装计算，安装过程斜拉索的索力根据结构的受力需要随时调整，
17、唯最后一次到位张拉时把该索的无应力长度调整至成桥目标状态的数值； 3.主梁节段的安装标高根据结构的线形要求设定，但计算中需满足弹性曲线的连续条件。42到位张拉： 斜拉索的索力变化有两种情况 1）外荷载变化（含其它斜拉索索力调整，体系转 换及温度变化） 2）斜拉索主动调索实际斜拉桥中主动调索的次数是有限的到位张拉此次斜拉索调索后，以后不再对此根斜 拉索进行主动的索力调整（施工中的误 差调整除外）43斜拉索的无应力长度调整：（索力与无应力长度的对应关系）（索力与无应力长度的对应关系）CB12T1TEAss2A20状 态 BCBTs10EAsA11状 态 A斜拉桥结构状态斜拉桥结构状态4445无应力
18、状态法这时是一个确定桥梁施工中间过程内力和线形的计算方法。与其对应的是“倒拆法倒拆法“， “正装试算法试算法“等等计算步骤如下：461 、计算成桥目标状态斜拉索的无应力长度计算成桥目标状态斜拉索的无应力长度200200200420020020011310m20m310m567321310m109847 、按实际施工步骤划分安装阶段按实际施工步骤划分安装阶段( a )( b )( c )( d )41 15673211 0982 0 0 ( e )( f )k N2 0 0 k N2 0 0 k N2 0 0 k N2 0 0 k N2 0 0 k N41 15673211 0982 0 0 k
19、 N2 0 0 k N2 0 0 k N2 0 0 k N2 0 0 k N2 0 0 k N41 156321 0982 0 0 k N2 0 0 k N2 0 0 k N2 0 0 k N41 156321 082 0 0 k N2 0 0 k N2 0 0 k N2 0 0 k N41 1531 082 0 0 k N2 0 0 k N41 182 0 0 k N2 0 0 k N5348 、对斜拉桥的安装过程进行正装计算对斜拉桥的安装过程进行正装计算安装过程斜拉索的索力根据结构的受力需要随时调整，唯最后一次张拉（到位张拉）时把该索的无应力长度调整至成桥目标状态的数值Cn-3Cn-2Cn
20、-1Cn索的索的无应力长度到位，唯一对应一个索力的调整。长度到位，唯一对应一个索力的调整。索长并不真正进入结构的计算过程！索长并不真正进入结构的计算过程！ “倒拆法倒拆法”实际上也有此过程，只是无实际的物实际上也有此过程，只是无实际的物理意义！理意义！49、对于混凝土斜拉桥，由于混凝土收缩徐变的影响，、对于混凝土斜拉桥，由于混凝土收缩徐变的影响，第一次正装计算得到的成桥状态与成桥目标状态的内第一次正装计算得到的成桥状态与成桥目标状态的内力和位移都会有差异。力和位移都会有差异。 不闭合是一定的！因为有收缩徐变的影响。50 计算中的全桥调索，人为地把安装得到的成桥状态的索力调整至成桥目标状态的索力
21、，以保证结构的内力状态正确。调索工作完成后，重新计算成桥状态各斜拉索的无应力长度。200200200420020020011310m20m310m567321310m1098这时的位移是有偏差的！51、以调整后的斜拉索无应力长度作为新的、以调整后的斜拉索无应力长度作为新的控制量对斜拉桥的施工安装过程进行第二控制量对斜拉桥的施工安装过程进行第二轮正装计算。轮正装计算。 第二轮正装计算过程与第一轮完全相同。但到位索长采用考虑混凝土收缩徐变的修正值！52 通过二到三轮的迭代计算后，考虑斜拉桥通过二到三轮的迭代计算后，考虑斜拉桥实际安装过程的混凝土收缩徐变得到的成桥状实际安装过程的混凝土收缩徐变得到的
22、成桥状态的结构内力必然收敛于成桥目标状态的结构态的结构内力必然收敛于成桥目标状态的结构内力，但结构位移将偏离成桥目标状态。内力，但结构位移将偏离成桥目标状态。结构位移偏离的程度决定于斜拉桥施工过程中收缩徐变计算值的大小。53混凝土主梁挠度的偏离通过斜拉桥实际施工时预拱度设置或调整预制节段线型来调整。54 四、无应力状态法的其它应用四、无应力状态法的其它应用55 1. 同步施工技术同步施工技术无应力状态法基本原理之一：无应力状态法基本原理之一：在保证结构构件单元无应力长度和无应力在保证结构构件单元无应力长度和无应力曲率一定的前提下，结构的最终内力和位移状态曲率一定的前提下，结构的最终内力和位移状
23、态与结构的形成过程无关。与结构的形成过程无关。 56依据这样依据这样的思想，把的思想，把桥梁建造过桥梁建造过程中的任意程中的任意两个阶段视两个阶段视作作初状态初状态和和终状态终状态，可，可以方便地解以方便地解决许多施工决许多施工中的问题。中的问题。(a)(b)(c)(d)4115673211098200 (e)(f)kN200 kN200 kN200 kN200 kN200 kN4115673211098200 kN200 kN200 kN200 kN200 kN200 kN41156321098200 kN200 kN200 kN200 kN4115632108200 kN200 kN200
24、 kN200 kN41153108200 kN200 kN4118200 kN200 kN5357 a) 主梁节段混凝土悬浇过程中的调索 当主梁混凝土浇注数量较大时，由于结构受力的需要，节段混凝土浇注过程中往往需要调整斜拉索索力。Cn-3Cn-2Cn-1Cn58常规方法的问题 1）中断混凝土浇注 施工风险大 2）估计已浇注的混凝土数量 准确度差 3）温度差影响59解决办法：初状态：混凝土浇注前状态终状态：混凝土浇注完状态 利用与过程无关的思想，用初状态和终状态 斜拉索无应力长度差调整索力。 主梁节段混凝土悬浇可以和斜拉索索力调整同步，索力调整时可不中断混凝土悬浇，调索时混凝土浇注数量无需准确估
25、计。Cn-3Cn-2Cn-1Cn60b) 斜拉索的调整可与施工挂篮的移动，模板 的安装和钢筋的绑扎同步操作CnCn-1Cn-2Cn-3CnCn-1Cn-2Cn-361 ) 施工中的大范围调索12345C1C2C3C4解决荷载变动和温差变化的影响问题解决大范围调索时调索顺序和相互影响问题二恒施工与全桥调索可同时进行62. 监控指令执行中避免温度和临时荷监控指令执行中避免温度和临时荷 载变动的影响载变动的影响斜拉索只有在挂设时采用索力控制张拉！其余任何时候都应尽可能避免以索力作为张拉操作的依据，而应以无应力索长差控制应力索长差控制斜拉索索力调整！目的：避免温度和临时荷载变动的影响。目的：避免温度和
26、临时荷载变动的影响。桥梁是有设计温度的。温度特别是温差是影响内力和线形的。施工时的温度与设计温度往往不一致！63. 对桥梁结构安装过程的理解更深刻对桥梁结构安装过程的理解更深刻 a)钢桁梁安装64 线形控制 合龙调整 强迫合龙与零误差合龙！65b) 拱结构安装能否实现“一次形成结构”的内力和线形？66拱结构合龙前如果不能实现纵移不可能达到一次成桥的内力和线形！根本原因：合龙单元的无应力长度无法保证！67 . 构件单元下料尺寸确定构件单元下料尺寸确定 1）斜拉索下料长度及锚头长度； 2）预制主梁节段几何尺寸。 预制节段混凝土梁 钢箱梁节段68. 对无应力状态法容易误解的几个问题对无应力状态法容易
27、误解的几个问题 a) 要实现无应力状态法需量测斜拉索长 度和两端锚固点的位置？ 是一种计算方法： 确定到位张拉索力的方法 挂索时的初拉用千斤顶控制张力： 建立初始状态 69b) 是否正确？ 模型试验：模型验证 实桥使用二十多座实桥应用 就安装计算而言是确定斜拉索到位张拉索力的计算工具 70c) 几何非线性和混凝土的收缩徐变处理 安装阶段几何非线性和混凝土的收缩徐变不是无应力状态法单独需面对的问题。 割线模量处理斜拉索几何非线性已足够精确 斜拉桥施工过程中大变形的影响被夸大了 71收缩徐变的影响收缩徐变的影响 考虑施工过程的混凝土收缩徐变，倒拆后再正装是不可能完全（内力和变形）闭合的。 无应力状
28、态法概念更清楚 考虑混凝土收缩徐变，收敛的目标是成桥状 态的内力，位移的偏差在施工中调整。RS6RS1RM1RM6LM6LM1LS1LS6152380231521.4+51+372d) 施工过程不能进行误差调整？施工过程的误差调整与其它方法无本质区别可理解为对斜拉索理论无应力长度的调整。73无应力状态法无应力状态法是确定分阶段形成桥梁结构过程状态与最终状态关系的方法。 用构件单元的无应力状态量建立起桥梁 建造中的过程状态和最终状态的联系常规方法常规方法 用分阶段计算结构内力和位移增量 并进行数值累加来建立这种联系 74 a , 理论基础理论基础 过程无关，“力”与“无应力状态量”的关系 b , 直接应用直接应用 特定条件 c , 斜拉桥中应用斜拉桥中应用 1） 确定满足成桥目标状态要求的中间施工过程的 内力和线形计算问题； 2） “理论”到 “实际”过程中，临时荷载和温度变化 影响产生偏差的自动过滤； 3） 实桥上的多工序同步施工。 d , 理论的其它应用理论的其它应用 多种桥型结构多种桥型结构75 无应力状态法把复杂的桥梁安装计算过程简单化了，直观化了！ 影响桥梁内力和线形的一些因素被自然过滤了！ 施工中的工序关系更清楚了！ 76