秦顺全院士的ppt_无应力状态法_大跨度桥梁的设计方法
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F2 F1 F2
3 2 3
F3 F2 F3
?
[ K 2 ] 2 N1 N 2
[ K3 ] 3 N1 N 2 N3 ?
势能平衡条件：
0
√
中铁大桥局集团有限公司
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
中铁大桥局集团有限公司
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
单元无应力曲率：
有应力曲率： 单元曲率：
Y
j( u v θ )
j j j
2 K i = 2 (3v - 3v - 2l q - l q ) K i 2 3v j 3 i l j i j 2 vi j 2l i l l 2 j 1 Kj 2 3vi= 3v(6 i6 l2 K vi lv j2 + qi + 4l q j ) j l 2 j l l
控制构件单元的 实际几何状态
中铁大桥局集团有限公司
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
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
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！ 无应力状态控制法： 1989年开始研究,1992年公开发表了第一篇论文，1993年 在武汉长江二桥施工中应用,至目前已在国内外30余座大跨度桥 上成功应用。 2009年度国家科技进步二等奖
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
12 ×3m
11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 1 2
8× 3m
3 4 5 6 7
2m
7 6 5
8× 3m
4 3 2 1 0 0 1 2 3
12 × 3m
4 5 6 7 8 9 10 11
跨越天堑 超越自我
分阶段成形结构无应力状态法
秦顺全
2010年3月
1、研究背景
中铁大桥局集团有限公司
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
现代的大跨度桥梁几乎均采用分阶段成形的施工方法。
中铁大桥局集团有限公司
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
中铁大桥局集团有限公司
单元怎样安装
12 ×3m
11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0
合龙单元怎样安装？
8× 3m
1 2 3 4 5 6 7
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
2m
7 6 5
8× 3m
4 3 2 1 0 0 1 2 3
K P L0
s EI l EI c l EI s l EI c l
D＝
6 EI 6 EI EA 2 12 EI 2 EA 12 EI EA 2 12 EI 2 EA 12 EI c 3 s 3 cs 2 s c 3 s 3 cs 2 s l l l l l l l l l l 6 EI EA 12 EI EA 2 12 EI 2 EA 12 EI EA 2 12 EI 2 6 EI 3 cs s 3 c c 3 cs s 3 c c l l l2 l l l2 l l l l 6 EI 6 EI 4 EI 6 EI 6 EI 2 EI 2 s c s 2 c l l2 l l2 l l 6 EI 6 EI EA 2 12 EI 2 EA 12 EI EA c 2 12 EI s 2 EA 12 EI cs s 3 cs s c 3 s l3 l3 l2 l l l2 l l l l 6 EI EA 12 EI EA 2 12 EI 2 EA 12 EI cs EA s 2 12 EI c 2 6 EI c 3 cs s 3 c 2 c l3 l3 l2 l l l l l l l 6 EI 6 EI 2 EI 6 EI 6 EI 4 EI 2 s c s 2 c l l2 l l2 l l
12 × 3m
4 5 6 7 8 9 10 11
中孔合龙段
36m 0 1
50m 2
36m 3
与构件单元无应力（应力释放）时的 几何参数有关！
如果有条件保证每个构件单元无应力时的几何参数一致， 则不同的施工方法和过程最终的内力和线形完全相同！
中铁大桥局集团有限公司
传统的钢梁架设方法：
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
i
i(u v θ )
i i i
EI
无应力曲率： 无应力曲率：
i K0 Ki
l
j
X
Mi EI
M
j
特点：与坐标系的选择无关
K 0j K
j
EI
中铁大桥局集团有限公司
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
K x
K K
EA l l0 l c K i 0 K j 0 l l EA s K K 0 i0 j0 l K i 0 EI L0 EA c Ki0 K j0 l l0 l EA l l0 l s K i 0 K j 0 K j 0 EI
中孔合龙段
36m 0 1
50m 2
36m 3
Βιβλιοθήκη Baidu
各种施工方法成桥状态对比（I）
施工方法 整体支架施工 节段施工，边跨先合龙
边跨中弯矩
795.65 446.34
中支点弯矩
－1933.06 －3074.64
中跨中弯矩
1186.94 45.36
中跨中挠度
－18.2 －35.2
节段施工，中跨先合龙
335.36
－3518.58
特点：恒载施加在不断变化的结构体系上， 后续单元安装时，结构上已有变形存在！
K P
（1）
针对一次 成形结构
N
N
N
N
N
N
传统的分阶段施工桥梁结构分析:
假定每个施工阶段是一次成形，用荷载的增量计算 内力和位移的增量，逐阶段累加 正装计算
对于斜拉桥，成桥恒载状态是预先指定的，要求由 成桥状态去寻找中间施工过程 倒退分析
中铁大桥局集团有限公司
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
倒拆示意
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
成桥状态
若干中间状态
总内力和总位移与过程相关！
增量累加
不同的施工过程产生 不同的内力和位移
桥梁规模和结构复杂程度增加， “与过程相关”方法不完 全适应工程的需要：
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
节段施工，先合龙边跨，再合龙中跨
中铁大桥局集团有限公司
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
节段施工，先合龙中跨，再合龙边跨
中铁大桥局集团有限公司
控制桥梁构件单元的几何尺寸＝无应力状态控制法 ! ？
中铁大桥局集团有限公司
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
2、无应力状态控制法基本原理
无应力状态量： 构件单元应力完全释放后的几何参数 （主要包括：长度、曲率,扭转角等）
结构的分析方法：
j
Ki
2 3v j 3vi 2li l j Ki 0 2 l
同样有：
K x
K K
i
Ki l
x
中铁大桥局集团有限公司
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
弯曲应变能：
各种施工方法成桥状态对比（II）
施工方法 整体支架施工 边跨中弯矩 中支点弯矩 795.65 －1933.06 中跨中弯矩 1186.94 中跨中挠度 －18.2
节段施工，边跨先合龙
节段施工，中跨先合龙 顶推施工
12 ×3m
11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 1
446.34
335.36 795.65
i
j
Ki l
x
用单元两端节点的位移来表示单元几何曲率：
Ki
2 3v j 3vi 2li l j 2 l
Kj
2 3vi 3v j li 2l j 2 l
设单元i,j端无应力时的曲率为
Ki 0和K j 0
2 K j 2 3vi 3v j li 2l j K j 0 l
12 ×3m
11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 1 2
8× 3m
3 4 5 6 7
2m
7 6 5
8× 3m
4 3 2 1 0 0 1 2 3
12 × 3m
4 5 6 7 8 9 10 11
中孔合龙段
36m 0 1
50m 2
36m 3
整体支架施工 （一次成形）
中铁大桥局集团有限公司
1）施工“过程”大量增加，寻找和控制“过程”难度加大 2）工程的“又好又快”建设，提出了多工序并行作业的要求，传统 方法无法实现
1989年开始研究新的方法，探求“与过程相关”的实质！
中铁大桥局集团有限公司
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
K P
针对一次成形 ！
1
2
3
5
6
7
N3 N2 N1
N1 N2 N3
中铁大桥局集团有限公司
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
3
5 N1
2 3
5 6
1 2 3
5 6 7
1 2 3
5 6 7
1 2 3
5 6 7
N1
8× 3m
2 3 4 5 6 7
－3074.64
－3518.58 －1933.06
2m
7 6 5
45.36
－398.58 1186.94
－35.2
12.8 －18.2
12 × 3m
8× 3m
4 3 2 1 0 0 1 2 3
4
5
6
7
8
9
10 11
中孔合龙段
36m 0 1
50m 2
36m 3
不完全与施工形成过程有关！ 与什么有关？
EI l EIl 2 U 弯曲＝ K x dx＝ Ki 2 Ki K j K j 2 2 0 6
0
中铁大桥局集团有限公司
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
分阶段成形结构新的平衡方程：
－398.58
12.8
不同的施工方法和过程，结果不同
中铁大桥局集团有限公司
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
顶推法施工
分阶段施工 多次体系转换
中铁大桥局集团有限公司
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
单元的应变能包括弯曲应变能和轴向应变能 最终状态单元i,j的轴向变形：
1 2 3 5 6 7
200 200 200
200 200 200
1
2
3
5
6
7
l u j ui l l0
轴向应变能:
200 200 200
200 200 200
l0 为构件单元的无应力长度。
2 EA EA 2 u j ui (l l0 ) U 轴向＝ l 2l 2l
N2 N1
N1 N2
N2 N1
N1 N2
N3 N2 N1
N1 N2 N3
N3 N2 N1
N1 N2 N3
[ K1 ]1 N1
[ K 2 ] 2 N 2
[ K 3 ] 3 N3
1 1
F1 F1
2 1 2
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F3 F2 F3
?
[ K 2 ] 2 N1 N 2
[ K3 ] 3 N1 N 2 N3 ?
势能平衡条件：
0
√
中铁大桥局集团有限公司
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
中铁大桥局集团有限公司
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
单元无应力曲率：
有应力曲率： 单元曲率：
Y
j( u v θ )
j j j
2 K i = 2 (3v - 3v - 2l q - l q ) K i 2 3v j 3 i l j i j 2 vi j 2l i l l 2 j 1 Kj 2 3vi= 3v(6 i6 l2 K vi lv j2 + qi + 4l q j ) j l 2 j l l
控制构件单元的 实际几何状态
中铁大桥局集团有限公司
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
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
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！ 无应力状态控制法： 1989年开始研究,1992年公开发表了第一篇论文，1993年 在武汉长江二桥施工中应用,至目前已在国内外30余座大跨度桥 上成功应用。 2009年度国家科技进步二等奖
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
12 ×3m
11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 1 2
8× 3m
3 4 5 6 7
2m
7 6 5
8× 3m
4 3 2 1 0 0 1 2 3
12 × 3m
4 5 6 7 8 9 10 11
跨越天堑 超越自我
分阶段成形结构无应力状态法
秦顺全
2010年3月
1、研究背景
中铁大桥局集团有限公司
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
现代的大跨度桥梁几乎均采用分阶段成形的施工方法。
中铁大桥局集团有限公司
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
中铁大桥局集团有限公司
单元怎样安装
12 ×3m
11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0
合龙单元怎样安装？
8× 3m
1 2 3 4 5 6 7
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
2m
7 6 5
8× 3m
4 3 2 1 0 0 1 2 3
K P L0
s EI l EI c l EI s l EI c l
D＝
6 EI 6 EI EA 2 12 EI 2 EA 12 EI EA 2 12 EI 2 EA 12 EI c 3 s 3 cs 2 s c 3 s 3 cs 2 s l l l l l l l l l l 6 EI EA 12 EI EA 2 12 EI 2 EA 12 EI EA 2 12 EI 2 6 EI 3 cs s 3 c c 3 cs s 3 c c l l l2 l l l2 l l l l 6 EI 6 EI 4 EI 6 EI 6 EI 2 EI 2 s c s 2 c l l2 l l2 l l 6 EI 6 EI EA 2 12 EI 2 EA 12 EI EA c 2 12 EI s 2 EA 12 EI cs s 3 cs s c 3 s l3 l3 l2 l l l2 l l l l 6 EI EA 12 EI EA 2 12 EI 2 EA 12 EI cs EA s 2 12 EI c 2 6 EI c 3 cs s 3 c 2 c l3 l3 l2 l l l l l l l 6 EI 6 EI 2 EI 6 EI 6 EI 4 EI 2 s c s 2 c l l2 l l2 l l
12 × 3m
4 5 6 7 8 9 10 11
中孔合龙段
36m 0 1
50m 2
36m 3
与构件单元无应力（应力释放）时的 几何参数有关！
如果有条件保证每个构件单元无应力时的几何参数一致， 则不同的施工方法和过程最终的内力和线形完全相同！
中铁大桥局集团有限公司
传统的钢梁架设方法：
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
i
i(u v θ )
i i i
EI
无应力曲率： 无应力曲率：
i K0 Ki
l
j
X
Mi EI
M
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特点：与坐标系的选择无关
K 0j K
j
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中铁大桥局集团有限公司
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
K x
K K
EA l l0 l c K i 0 K j 0 l l EA s K K 0 i0 j0 l K i 0 EI L0 EA c Ki0 K j0 l l0 l EA l l0 l s K i 0 K j 0 K j 0 EI
中孔合龙段
36m 0 1
50m 2
36m 3
Βιβλιοθήκη Baidu
各种施工方法成桥状态对比（I）
施工方法 整体支架施工 节段施工，边跨先合龙
边跨中弯矩
795.65 446.34
中支点弯矩
－1933.06 －3074.64
中跨中弯矩
1186.94 45.36
中跨中挠度
－18.2 －35.2
节段施工，中跨先合龙
335.36
－3518.58
特点：恒载施加在不断变化的结构体系上， 后续单元安装时，结构上已有变形存在！
K P
（1）
针对一次 成形结构
N
N
N
N
N
N
传统的分阶段施工桥梁结构分析:
假定每个施工阶段是一次成形，用荷载的增量计算 内力和位移的增量，逐阶段累加 正装计算
对于斜拉桥，成桥恒载状态是预先指定的，要求由 成桥状态去寻找中间施工过程 倒退分析
中铁大桥局集团有限公司
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
倒拆示意
N
N
N
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N
N
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N
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成桥状态
若干中间状态
总内力和总位移与过程相关！
增量累加
不同的施工过程产生 不同的内力和位移
桥梁规模和结构复杂程度增加， “与过程相关”方法不完 全适应工程的需要：
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
节段施工，先合龙边跨，再合龙中跨
中铁大桥局集团有限公司
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
节段施工，先合龙中跨，再合龙边跨
中铁大桥局集团有限公司
控制桥梁构件单元的几何尺寸＝无应力状态控制法 ! ？
中铁大桥局集团有限公司
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
2、无应力状态控制法基本原理
无应力状态量： 构件单元应力完全释放后的几何参数 （主要包括：长度、曲率,扭转角等）
结构的分析方法：
j
Ki
2 3v j 3vi 2li l j Ki 0 2 l
同样有：
K x
K K
i
Ki l
x
中铁大桥局集团有限公司
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
弯曲应变能：
各种施工方法成桥状态对比（II）
施工方法 整体支架施工 边跨中弯矩 中支点弯矩 795.65 －1933.06 中跨中弯矩 1186.94 中跨中挠度 －18.2
节段施工，边跨先合龙
节段施工，中跨先合龙 顶推施工
12 ×3m
11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 1
446.34
335.36 795.65
i
j
Ki l
x
用单元两端节点的位移来表示单元几何曲率：
Ki
2 3v j 3vi 2li l j 2 l
Kj
2 3vi 3v j li 2l j 2 l
设单元i,j端无应力时的曲率为
Ki 0和K j 0
2 K j 2 3vi 3v j li 2l j K j 0 l
12 ×3m
11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 1 2
8× 3m
3 4 5 6 7
2m
7 6 5
8× 3m
4 3 2 1 0 0 1 2 3
12 × 3m
4 5 6 7 8 9 10 11
中孔合龙段
36m 0 1
50m 2
36m 3
整体支架施工 （一次成形）
中铁大桥局集团有限公司
1）施工“过程”大量增加，寻找和控制“过程”难度加大 2）工程的“又好又快”建设，提出了多工序并行作业的要求，传统 方法无法实现
1989年开始研究新的方法，探求“与过程相关”的实质！
中铁大桥局集团有限公司
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
K P
针对一次成形 ！
1
2
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N3 N2 N1
N1 N2 N3
中铁大桥局集团有限公司
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
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1 2 3
5 6 7
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2 3 4 5 6 7
－3074.64
－3518.58 －1933.06
2m
7 6 5
45.36
－398.58 1186.94
－35.2
12.8 －18.2
12 × 3m
8× 3m
4 3 2 1 0 0 1 2 3
4
5
6
7
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9
10 11
中孔合龙段
36m 0 1
50m 2
36m 3
不完全与施工形成过程有关！ 与什么有关？
EI l EIl 2 U 弯曲＝ K x dx＝ Ki 2 Ki K j K j 2 2 0 6
0
中铁大桥局集团有限公司
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
分阶段成形结构新的平衡方程：
－398.58
12.8
不同的施工方法和过程，结果不同
中铁大桥局集团有限公司
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
顶推法施工
分阶段施工 多次体系转换
中铁大桥局集团有限公司
CHINA ZHONGTIEMAJOR BRIDGE ENGINEERING GROUP CO..LTD
单元的应变能包括弯曲应变能和轴向应变能 最终状态单元i,j的轴向变形：
1 2 3 5 6 7
200 200 200
200 200 200
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轴向应变能:
200 200 200
200 200 200
l0 为构件单元的无应力长度。
2 EA EA 2 u j ui (l l0 ) U 轴向＝ l 2l 2l
N2 N1
N1 N2
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