一、研究意义

桥梁分阶段建造,是相对于落地支架上一次成形桥梁而言的另一类应用更加广泛的建造方法,是现代桥梁的主要建造方法。分阶段施工桥梁建造中结构体系和恒载施加都是一个时变过程。要解决分阶段施工桥梁结构分析问题,学者们发展了基于桥梁实际分阶段施工过程逐阶段计算增量并累加的正装计算法、倒退分析法等分析计算方法。这些基于增量计算并累加的分析方法存在三个方面的不足:一是计算过于繁锁,施工工序有调整时,重复计算工作量大;二是不能适应桥梁施工现场温度与设计基准温度不一致的调整;三是不能实现有施工临时荷载变化时,施工多个工序并行作业。为解决桥梁分阶段施工结构分析的理论与实践难题,秦顺全院士等提出了桥梁分阶段施工的无应力状态法,在近百座大跨度桥梁的施工控制中取得了良好的效果。

二、研究内容

1、力学平衡方程

引入单元无应力状态量,用最小势能原理直接建立不考虑结构实际成形过程和荷载施加历程的不同类型单元的分阶段成形结构力学平衡方程。

2、线形控制方程

以单元无应力状态量为变量,建立其与结构最终线形之间的关系,推导分阶段成形结构线形控制方程。

3、三大基本原理

依据结构力学平衡方程与结构线形控制方程,提出无应力状态法三大基本原理:

原理一:一定的外荷载、结构刚度和单元无应力状态量组成的结构,其结构内力和位移唯一,与结构的成形过程无关。

原理二:拉索无应力长度与荷载变化无关,荷载一定时,拉索无应力长度调整与索力变化唯一对应。

原理三:分阶段成形结构通过主动控制构件单元的无应力状态量,可以实现相互独立的结构内力和结构线形。

4、工程应用

上图是斜拉桥的安装成形过程。根据原理一,只要在结构分析时增加构件单元无应力状态量的条件,则结构的内力和位移与经历的过程无关。只需令中间状态结构已安装单元的无应力状态量与成桥状态相等,用分阶段成形结构的力学平衡方程直接求解内力和位移,分析时荷载应采用当前状态下已施加于结构的总荷载。用原理二中的无应力索长调整与索力变化的关系,依据结构的实际受力需要,拉索的无应力长度分次调整到位。根据原理三,只要以拉索的无应力长度差值(张拉端锚固螺母位置的移动量)代替拉索张力作为调索控制手段,则可实现拉索调索与其他工序操作并行作业。

利用分阶段成形结构力学平衡方程、线形控制方程和无应力状态法的三个原理,可以解决大量分阶段施工桥梁工程建造中的问题。

三、研究结论

分阶段施工桥梁结构分析与施工控制是现代大跨度桥梁建设中面临的重要问题。通过引入单元的无应力状态量,利用最小势能原理首次建立了分阶段成形结构力学平衡方程和线形控制方程。以两个方程为基础,提出了分阶段施工桥梁的无应力状态法与基本原理。

无应力状态法建立了分阶段施工桥梁过程状态与过程状态、过程状态与成桥状态之间的直接联系,桥梁施工过程理论计算更加直接高效,施工过程控制更加灵活方便,实现了桥梁施工中多工序并行作业和温度、临时荷载影响的自动过滤等等。无应力状态法在诸多重大分阶段施工桥梁工程建设中的成功实践表明,基于无应力状态的分阶段施工桥梁分析与施工控制是一种有效且通用的分阶段成形结构施工控制分析理论。

四、作者简介

秦顺全,中国工程院院士,中铁大桥勘测设计院集团有限公司董事长,西南交通大学教授、博导。长期从事大型桥梁的设计、施工技术工作。创立了桥梁分阶段施工的无应力状态控制法理论,创新了大型桥梁结构工厂化、标准化施工方法;推进了大跨度桥梁整体预制、架设技术的发展;主持了国内外多座大桥的设计、施工技术工作。获国家科技进步奖6项,出版学术专著3部。2010年,在西南交通大学桥梁工程系创立深水大跨桥梁研究中心,紧紧围绕桥梁建设面临的重大技术挑战,在深水大跨桥梁、桥梁施工控制理论与计算方面开展了大量卓有成效的创新工作。

论文引用:

Qin Shunquan, Wei Kai, Qin Jingxi, Yuan Renan, Xu Leiping and Dan Qilian. Stress-free-state based structural analysis and construction control theory for staged construction bridges. Advances in Bridge Engineering 1, 1 (2020).


本文选自西南交大桥梁公众号