一、研究意義
橋梁分階段建造，是相對于落地支架上一次成形橋梁而言的另一類應(yīng)用更加廣泛的建造方法，是現(xiàn)代橋梁的主要建造方法。分階段施工橋梁建造中結(jié)構(gòu)體系和恒載施加都是一個時(shí)變過程。要解決分階段施工橋梁結(jié)構(gòu)分析問題，學(xué)者們發(fā)展了基于橋梁實(shí)際分階段施工過程逐階段計(jì)算增量并累加的正裝計(jì)算法、倒退分析法等分析計(jì)算方法。這些基于增量計(jì)算并累加的分析方法存在三個方面的不足：一是計(jì)算過于繁鎖，施工工序有調(diào)整時(shí)，重復(fù)計(jì)算工作量大；二是不能適應(yīng)橋梁施工現(xiàn)場溫度與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度不一致的調(diào)整；三是不能實(shí)現(xiàn)有施工臨時(shí)荷載變化時(shí)，施工多個工序并行作業(yè)。為解決橋梁分階段施工結(jié)構(gòu)分析的理論與實(shí)踐難題，秦順全院士等提出了橋梁分階段施工的無應(yīng)力狀態(tài)法，在近百座大跨度橋梁的施工控制中取得了良好的效果。
二、研究內(nèi)容
1、力學(xué)平衡方程
引入單元無應(yīng)力狀態(tài)量，用最小勢能原理直接建立不考慮結(jié)構(gòu)實(shí)際成形過程和荷載施加歷程的不同類型單元的分階段成形結(jié)構(gòu)力學(xué)平衡方程。
2、線形控制方程
以單元無應(yīng)力狀態(tài)量為變量，建立其與結(jié)構(gòu)最終線形之間的關(guān)系，推導(dǎo)分階段成形結(jié)構(gòu)線形控制方程。
3、三大基本原理
依據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)平衡方程與結(jié)構(gòu)線形控制方程，提出無應(yīng)力狀態(tài)法三大基本原理：
原理一：一定的外荷載、結(jié)構(gòu)剛度和單元無應(yīng)力狀態(tài)量組成的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移唯一，與結(jié)構(gòu)的成形過程無關(guān)。
原理二：拉索無應(yīng)力長度與荷載變化無關(guān)，荷載一定時(shí)，拉索無應(yīng)力長度調(diào)整與索力變化唯一對應(yīng)。
原理三：分階段成形結(jié)構(gòu)通過主動控制構(gòu)件單元的無應(yīng)力狀態(tài)量，可以實(shí)現(xiàn)相互獨(dú)立的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和結(jié)構(gòu)線形。
4、工程應(yīng)用
上圖是斜拉橋的安裝成形過程。根據(jù)原理一，只要在結(jié)構(gòu)分析時(shí)增加構(gòu)件單元無應(yīng)力狀態(tài)量的條件，則結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移與經(jīng)歷的過程無關(guān)。只需令中間狀態(tài)結(jié)構(gòu)已安裝單元的無應(yīng)力狀態(tài)量與成橋狀態(tài)相等，用分階段成形結(jié)構(gòu)的力學(xué)平衡方程直接求解內(nèi)力和位移，分析時(shí)荷載應(yīng)采用當(dāng)前狀態(tài)下已施加于結(jié)構(gòu)的總荷載。用原理二中的無應(yīng)力索長調(diào)整與索力變化的關(guān)系，依據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力需要，拉索的無應(yīng)力長度分次調(diào)整到位。根據(jù)原理三，只要以拉索的無應(yīng)力長度差值(張拉端錨固螺母位置的移動量)代替拉索張力作為調(diào)索控制手段，則可實(shí)現(xiàn)拉索調(diào)索與其他工序操作并行作業(yè)。
利用分階段成形結(jié)構(gòu)力學(xué)平衡方程、線形控制方程和無應(yīng)力狀態(tài)法的三個原理，可以解決大量分階段施工橋梁工程建造中的問題。
三、研究結(jié)論
分階段施工橋梁結(jié)構(gòu)分析與施工控制是現(xiàn)代大跨度橋梁建設(shè)中面臨的重要問題。通過引入單元的無應(yīng)力狀態(tài)量，利用最小勢能原理首次建立了分階段成形結(jié)構(gòu)力學(xué)平衡方程和線形控制方程。以兩個方程為基礎(chǔ)，提出了分階段施工橋梁的無應(yīng)力狀態(tài)法與基本原理。
無應(yīng)力狀態(tài)法建立了分階段施工橋梁過程狀態(tài)與過程狀態(tài)、過程狀態(tài)與成橋狀態(tài)之間的直接聯(lián)系，橋梁施工過程理論計(jì)算更加直接高效，施工過程控制更加靈活方便，實(shí)現(xiàn)了橋梁施工中多工序并行作業(yè)和溫度、臨時(shí)荷載影響的自動過濾等等。無應(yīng)力狀態(tài)法在諸多重大分階段施工橋梁工程建設(shè)中的成功實(shí)踐表明，基于無應(yīng)力狀態(tài)的分階段施工橋梁分析與施工控制是一種有效且通用的分階段成形結(jié)構(gòu)施工控制分析理論。
四、作者簡介
秦順全，中國工程院院士，中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司董事長，西南交通大學(xué)教授、博導(dǎo)。長期從事大型橋梁的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)工作。創(chuàng)立了橋梁分階段施工的無應(yīng)力狀態(tài)控制法理論，創(chuàng)新了大型橋梁結(jié)構(gòu)工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化施工方法；推進(jìn)了大跨度橋梁整體預(yù)制、架設(shè)技術(shù)的發(fā)展；主持了國內(nèi)外多座大橋的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)工作。獲國家科技進(jìn)步獎6項(xiàng)，出版學(xué)術(shù)專著3部。2010年，在西南交通大學(xué)橋梁工程系創(chuàng)立深水大跨橋梁研究中心，緊緊圍繞橋梁建設(shè)面臨的重大技術(shù)挑戰(zhàn)，在深水大跨橋梁、橋梁施工控制理論與計(jì)算方面開展了大量卓有成效的創(chuàng)新工作。
論文引用：
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).
本文選自西南交大橋梁公眾號
