斜拉桥施工监控无应力状态控制法-II

1无应力状态控制法理论与实践秦顺全中铁大桥局集团有限公司2一、概述二、结构形成过程与最终状态的关系三、斜拉桥无应力状态法四、无应力状态法的应用3一、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。（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）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……4最终状态：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。5节段施工的连续梁设计中必须考虑：悬臂施工过程合龙及体系转换挂篮及施工荷载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过程。6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。所以：“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”？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！7对于斜拉桥设计时无法仔细考虑每一个施工过程：1）施工阶段多，体系转换过程复杂2）施工阶段的张拉调索3）理想成桥状态的要求8所以斜拉桥设计时仅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装计算。１）施工过程结构安全性检算；２）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（中间过程理想状态）9常规方法：倒拆法，正装试算法等10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内力和结构线形。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。11倒拆闭合的条件：1）拆除单元无外荷载2）支承边界条件正确3）收缩徐变处理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！12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。13正装试算法计算工作量大，对复杂的大跨度斜拉桥应用难度大，所以发展了一些改进的算法。有无既简单，适应性又强的方法？14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。15二、结构形成过程与最终状态的关系16考察一等截面的两端固端梁，跨度为2l，主梁刚度为EI，结构恒载的荷载集度为q。A2lCqEIBAB13ql213ql216ql2C2l按一次落架施工：213ABMMql216CMql17CABC＇ll12ql212ql2若结构先形成AC，BC两个悬臂梁，然后在C和C之间合龙（假定C，C两点之间的长度为零）212ABMMql0CCMM18两种施工方法形成的最终结构计算图式相同外荷载也相同A2lCqEIB19为什么？AB13ql213ql216ql2CCABC＇ll12ql212ql2内力完全不同！20支架上一次形成结构在恒载q作用下的挠度曲线：3221(44)24qxyxlxlxEI结构形成后，“假设”卸除荷载q，挠度曲线变化：3222(44)24qxyxlxlxEI卸除荷载后梁体的残余挠度变形：120yyy21悬臂施工结构，恒载q作用下的挠度曲线：2221(64)24qxyllxxEI结构形成后（合龙），“假设”卸除荷载q，挠度曲线变化为：3222(44)24qxyxlxlxEI卸除荷载后梁体的残余挠度：221212qxlyyyEI22梁体曲率：一次形成结构0y，0y悬臂施工结构2212qxlyEI，26qlyEI由此可以看出：两种方法形成的最终结构内力状态的差异是由于最终结构的“卸载曲率”差异造成的。23悬臂施工结构，C、C点合龙前的转角差是造成最终结构“卸载曲率”差异的根本原因。36CqlEI，36CqlEI“假设”有办法在合龙前消除这种转角差值：1.C、C合龙前施加力矩，合龙后卸除；2.C、C合龙前施加向上的集中力，合龙后卸除；3.A、B点刚性转动，合龙后恢复。24CABC＇ll12ql212ql2CABMM＇C＇M=16ql2M=16ql2CABC＇M=13ql2BM=M=16qlCC'2M=13ql2A306qlMlEIEI216Mql306qlMlEIEI216Mql1.施加力矩悬臂梁弯矩施加反向力弯矩弯矩图25222111263AMqlqlql（一次落架：213ql）262.施加集中力CABC＇ll12ql212ql2ABPP＇M=13ql2AM=13ql2B悬臂梁弯矩32062qlPlEIEI13Pql施加集中荷载弯矩图27AB2PM=16ql2AM=16ql2BM=16qlC2CABM=16qlC2M=13qlAM=13ql2B2拆除集中荷载弯矩图最终结构弯矩图28222211112363AMqlqlqlql（一次落架：213ql）293.A、Ｂ支点转动CABC＇ll12ql212ql2CABM=13ql2AM=16ql2BM=112qlC2悬臂梁弯矩A点转动弯矩图321442263AAEIEIqlMqlllEI30CBAM=112qlC2M=16ql2AM=13ql2BCABM=16qlC2M=13qlAM=13ql2B2B点转动弯矩最终弯矩图321442263BBEIEIqlMqlllEI31222211112363AMqlqlqlql（一次落架：213ql）卸载后的残余曲率？很容易核算，采取三种措施后，形成的最终结构的卸载曲率与一次形成结构是一致的！32从对固端梁的讨论，可以看出：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，结构的弹性曲线连续（卸载曲率相等），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。结构卸载曲率—构件单元无应力曲率顶推梁？（在台座上形成结构，这时的无应力曲率和最终状态无应力曲率相等，所以最终成桥结构的内力和位移与一次落架相同）33研究连续梁的施工过程可以得出相同的结论！A0.7lCqEIEl0.7lBDACEBDM=0.0763ql2BM=0.0763ql2DM=0.0487ql2CA0.7lEIE0.5l0.7lBDC0.5lC＇M=18ql2BM=18ql2D30.0357CqlEI40.025DBqlEI34A0.7lqFxl0.7lBE(1-2x)lxlCDPPqqA0.7lFxl0.7lBE(1-2x)lxlqqCD0.188x0.188xX=0.188A0.7lqFxl0.7lBE(1-2x)lxlCDX=0.293835考察一斜拉结构ABC为抗弯刚度为EI的主梁，CD为拉压刚度为EA的拉压杆。结构一次形成，在B点和C点分别施加外荷载P。（荷载未加时，CD杆长2l）结构内力：2221216(62)CDAlNPAlI223144216(62)AAlIMPlAlIll/2l/2CADBPP45°36考虑安装过程：BAl/2BAl/2PPBACl/2l/2PBCl/2l/2APAB梁段施加集中荷载P安装BC梁段C点施加荷载Pll/2l/2CADBPP45°37BCl/2l/2ADl45°PP安装CD杆件381、形成AB梁段AB梁段2、B点施加荷载P，212AMPl=-3224BPlEI施加集中荷载PBAl/2BAl/2P393、安装BC梁段312AMPl=-3324BPlEI33548CPlEI安装BC梁段PBACl/2l/2404、C点施加外荷载P，432AMPl=-4C3716PlEIC点施加荷载PPBCl/2l/2AP415、安装CD杆件，形成ABCD斜拉结构，50CDN=（2221216(62)CDAlNPAlI）532AMPl=-（223144216(62)AAlIMPlAlI）35716CPlEI安装CD杆件BCl/2l/2ADl45°PP42CD杆件的无应力长度为2l。在前述的第5步中C点实际已下挠35716CPlEI，2l长的CD杆件实际上已无法安装在结构上，要实现CD杆的安装，必须加长3472cos4532CPlEIC45°C＇δC4ΔC点变化关系两结构内力差的原因在于ＣＤ杆的长度差！432l+D的CD杆安装后，为了实现CD杆与一次形成结构等长，可采用类似斜拉索张拉的办法，把2l+D的CD杆的无应力长度减少D。CAD√22lX=11X=11111X111X111X111X斜拉结构拉索无应力长度调整的力法基本方程为：44X1=222121662CDAlNPAlI32211662AAlMPAlICDD杆减少ＣＤ杆长度减少结构的内力变化为：37232PlEI4525221216(62)CDCDCDAlNNNPAlI=+D=+（与一次形成结构相同）5AAAMMM32321216(62)AlPlPAlI=-++223144216(62)AlIPlAlI+=-+（与一次形成结构相同）与安装步骤5的内力迭加46所以：在保证结构构件单元无应力长度和无应力曲率的前提下，结构的最终内力和位移与结构的形成过程无关。47也可理解为：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力曲率组成的结构，必然唯一地对应一个结构的内力和位移．—无应力状态法基本原理之一48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特例斜拉桥不宜采用钢桁梁的方法：１）实际量测斜拉索长度和索锚点位置的精度难把握；２）施工期间为满足结构的受力要求，斜拉索索力需调整；３）施工中的误差调整。49三、斜拉桥无应力状态法50无应力状态量单元无应力长度：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单元有应力时的长度。”假设”卸除该单元的轴向力，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的无应力长度。51单元两节点i，j坐标为(),iixy和(),jjxy，两节点的变位分别为(),iiuv和(),jjuv。几何长度()()()()22jjiijjiilxuxuyvyv轾轾=+-+++-+犏犏臌臌无应力长度0NlllEA=-斜拉索单元52单元无应力曲率：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任意截面的挠度曲线的曲率，这就是单元的有应力曲率，”假设”在此基础上卸除该单元的弯矩，单元的弯曲变形恢复，此时单元挠度曲线的曲率称之为构件单元的无应力曲率。53有应力曲率：22(332)ijiijKvvlllqq=---21(6624)jijijKvvlllqq=-++无应力曲率：0iiiMKKEI0jjjMKKEI54单元无应力（剪应力）形状:当结构计算不考虑剪切变形时,单元无应力形状影响可忽略.55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。56200200234567812200200131110200200200234567812111020020020013安装状态二安装状态一加载两状态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5720020020023456781211102002002001320020020020012345678912111020020020020013安装状态三安装状态二体系变化两状态1.单元内力和节点位移由于斜拉索单元2－10和10－8的挂设和初拉200kN而发生变化2.单元的