无应力状态控制法.ppt

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1、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 三、斜拉桥无应力状态法 四、桥梁施工控制 五、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。 连续梁（刚构）：悬臂施工技术 拱桥 ：无拱架施工 斜拉桥 ：施工过程多次体系转换 ,4,节段施工的桥梁，最终恒载 完成后的内力和线形必须考虑施 工过程。,5,节段施工的连续梁设计,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

2、法和过程变更，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内力和位移状态紧密相关”？ （顶推施工的连续梁当不考虑混凝土的收缩徐变（次内力）时，成桥内力与一次落架施工连续梁的成桥内力是一致的！）,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。 ）施工过程结构安全性检算； ）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

3、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阶段的内力和结构线形。 倒拆计算完成后，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，一

4、些改进的算法对桥型和工序变化的适应性又很差。 有无更简单的办法？,14,二、结构形成过程与最终状态,15,按一次落架施工：,16,17,两种施工方法形成的最终结构 计算图式相同 外荷载也相同,18,为什么？,内力完全不同！,19,20,21,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。,22,23,1.施加力矩,悬臂梁弯矩,施加反向力弯矩,弯矩图,24,25,2.施加集中力,悬臂梁弯矩,施加集中荷载弯矩图,26,拆除集中荷载弯矩图,最终结构弯矩图,27,28,3. A、支点转动,悬臂梁弯矩,A点转动弯矩图,29,B点转动弯矩,最终弯矩图,30,卸载

5、后的残余曲率？ 三种情况的卸载曲率与一次形成结构一致！,31,从前述关于固端梁的讨论，可以看出： 不论结构形成过程如何。只要支承边界条件正确，结构的弹性曲线连续（卸载曲率相同），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。 顶推梁？ 结构卸载曲率构件单元无应力曲率,32,研究连续梁的施工过程可以得出相同的结论！,33,X=0.188,X=0.2938,34,考察一斜拉结构,35,考虑安装过程：,AB梁段,施加集中荷载P,安装BC梁段,C点施加荷载P,36,安装CD杆件,37,38,39,40,41,C点变化关系,两结构内力差的原因在于 杆的长度差！,42,斜拉结构拉索无应力长度调整的力

6、法基本方程为：,43,杆减少,杆长度减少 结构的内力变化为：,44,与安装步骤5的内力迭加,45,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。,46,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曲率组成的结构，必然唯一地对应一个结构的内力和位移,47,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： ）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。,48,三、斜拉桥无应力

7、状态法,49,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。,50,斜拉索单元,51,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。,52,53,单元无应力构形: 当结构计算时不考虑剪切变形时,单元无应力构形影响可忽略.,54,下面用计算

8、实例来讨论斜拉桥安装过程中，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。,55,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,56,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,57,张拉斜拉索单元210和108，每索单元索力增加43.03kN 。 调索 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

9、元210，108的单元的索力增量与其无应力长度的变化量存在一一对应的关系,58,混凝土收缩徐变 1.单元内力和节点位移发生变化 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,59,依据前述的讨论可以得出如下两点结论： 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变化，而且索力和索长存在一一对应的关系；,60,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。,61,2、在保证结构构件单元无应力长度和无应力

10、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。 换句话说，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,62,无应力状态法的总体思想： （斜拉桥安装计算） 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，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。,63,斜拉索的无应力长度调整： （索力与无应力长度的对应关系）,斜拉桥结构状态,64,65,无应力

11、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“， “正装试算法“等,计算步骤如下：,66,1.计算成桥目标状态斜拉索的无应力长度,67,，按实际施工步骤划分安装阶段,68,.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,索的无应力长度到位，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！ “倒拆法”实际上也有此过程，只是无实际的物理意义！,69,、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力和位移都会有差异。 不闭合是一定的

12、！因为有收缩徐变的影响。,70,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，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。,这时的位移是 有偏差的！,71,、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轮正装计算。 第二轮正装计算与第一轮完全相同，但到位索长采用考虑混凝土收缩徐变的修正值！,72,、通过二到三轮的迭代计算后，考虑 斜拉桥的实际安装过程得到的成桥状 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 桥目标状态的结构位移，其偏离的程 度决定于斜拉桥施工过程中收缩徐变 计算值

13、 的大小。,73,混凝土主梁挠度的偏离通过斜拉桥实际施工时设置预拱度来调整。,74,四、桥梁施工控制,75,施工控制的主要流程,76,施工阶段测试： 1）索力测试 2）线形测量 3）应力测试 4）温度场测试 5）施工临时荷载调查 6）裂纹等外观观察,77,1,施工过程结构安全性评估： 1)索力计算法 2)测试数据反推 三次样条插值法由实测高程推算主梁弯矩,结构计算图式,78,2,施工过程的误差及状态调整 误差：计算参数误差 模型简化和计算方法误差 测试误差 状态调整： 最小二乘法,79,3,结构设计参数识别： 施工过程中有意识的加载试验 测试数据必须可靠！ 最小二乘法,80,五、无应力状态法的

14、应用,81,1.同步施工技术 无应力状态法的核心是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与结构的形成过程无关。,82,依据这样的思想，把桥梁建造过程中的任意两个阶段视作初状态和终状态，可以方便地解决许多施工中的问题。,83,a)主梁节段混凝土悬浇过程中的调索,施工状态,84,b)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,85,2.施工中的大范围调索,荷载变动和温差变化的影响 工序安排,86,3.监控指令执行中避免温度和临时荷载变动的影响,斜拉索只有在挂设时采用索力控制张拉！ 其余任何时候都不能以索力作为张拉操作的依据，而应以无应力索

15、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。,87,4.对桥梁结构安装过程的理解更深刻 a)钢桁梁安装,88,线形控制 合龙调整 强迫合龙与零误差合龙,89,b)拱结构安装,90,拱结构如果不能实现纵移 不可能达到一次成桥的内力和线形！,91,5 .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。,92,6.无应力状态法的几点误解 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 挂索时的初拉用千斤顶控制张力 误差清零,93,b)是否正确？ 模型试验 实桥使用 就安装计算而言是确定斜拉索到位张力索力的控制工具,94,c)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 割线模量处理斜拉索几何非线性已足够精确 大变形的影响被夸大了 考虑斜拉索割线模量的线性安装计算的精度已足以满足工程要求。,95,“倒拆法”的几何非线性计算在理论上是不严密的（叠加原理？） 无应力状态法按实际的结构应力历程正装计算，非线性计算更准确,96,收缩徐变的影响 考虑施工过程的混凝土收缩徐变，倒拆后是不可能完全闭合的。 无应力状态法概念更清楚,97,d)施工过程不能进行控制调整？,98,无应力状态法把复杂的斜拉桥安装计算过程简单化了，直观化了！ 施工中的工序关系更清楚了！,99,谢谢,