基于几何控制法的结合梁斜拉桥主梁制造线形控制.doc

西南交通大学硕士学位论文基于几何控制法的结合梁斜拉桥主梁制造线形控制姓名：贾栋申请学位级别：硕士专业：桥梁与隧道工程指导教师：卜一之20090201西南交通大学硕士研究生学位论文第页，：，西南交通大学硕士研究生学位论文第页，：西南交通大学曲南父迥大罕学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于保密口，在年解密后适用本授权书；不保密醋使用本授权书。（请在以上方框内打“）学位论文作者签名：取精、日期：矽口垆、洱西南交通大学学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本学位论文的主要创新点如下：本论文验证了基于切线初始位移法模型计算制造预拱度方法的可行性：介绍了几何控制法进行控制的结合梁斜拉桥主梁制造误差的分析方法及前一批次梁段制造完成后后续批次梁段线形的调整方法；介绍了几何控制法进行控制的结合梁斜拉桥利用制造线形预测成桥线形的方法。学位论文作者签名：呗桶日期：务垆呼西南交通大学硕士研究生学位论文第页第章绪论本课题的研究意义、国内外现状本课题的研究意义对于线弹性结构，只要最终的成桥结构构件单元的无应力线形、；，；荷载和支座位置一定，则结构最终成桥状态的结构内力、位移与结构的形成过程和施工方法无关，。结合梁斜拉桥主梁之间采用高强螺栓连接，主梁制造线形确定后，施工过程中无应力线形很难进行调整，也就是说应用几何控制法进行施工控制的结合梁斜拉桥，主梁制造线形是否准确可靠，直接决定了成桥目标线形能否实现。因此，如何控制好主梁的制造线形和整体几何尺寸，使结合梁在架设后的实际线形与理想线形偏差最小，减小因制造偏差产生的安装应力及因制造偏差而引起的成桥线形偏差，成为当今结合梁斜拉桥施工控制的一项关键技术心，。结合梁斜拉桥国内外发展现状如果广义地将设置混凝土桥面板的钢（主梁、横梁、小纵梁）斜拉桥，通称为结合梁斜拉桥，此种广义的结合梁斜拉桥修建得就很早。表为国内外已建成结合梁斜拉桥简况表。表结合梁斜拉桥简况表序桥名国家年份跨径（）斯曹姆松特桥瑞典比歇瑙尔桥德国腾濑桥日本新港桥英国新卢安瓜桥赞比亚锡昔特港桥美国海尔阿希蒙特桥比利时大阪大和桥日本萨克拉门托河桥美国西南交通大学硕士研究生学位论文第页序桥名国家年份跨径（）梅纳蒙尼瀑布桥美国阿纳姆桥荷兰萨拉特巴拉那河桥阿根廷朗得桥西班牙西格朗桥奥地利林茨施尔埃格多瑙河桥奥地利巴格达阿扎米亚桥伊拉克昆西桥美国安纳西斯桥加拿大威顿桥美国上海市南浦大桥中国胡格里桥印度江苏淮阴运河桥中国贝当桥美国上海市杨浦大桥中国上海市徐浦大桥中国青洲闽江大桥中国早期的结合梁斜拉桥主要有以下三个特点：、在拉索的布置上多为双索面少索体系，梁上拉索锚固点距离较大，需要有强大抗弯能力的加劲梁，一般采用较高的主梁。、在横断面的布置上，采用多纵梁或多主梁的居多。如最早的斯曹姆松特桥采用两根主梁与两个索面对应，两根主梁由强大横梁相联，而根桥面系纵梁则搁置于横梁上。同样，美国的昆西桥也采用多纵梁搁在横梁上，而钢梁格两桥类似。奥地利的林茨施泰尔埃格多瑙河桥则为根主梁结构。、混凝土桥面板与钢纵梁或纵横梁组合成结合梁桥面系，以承受桥面局部活载，一般不考虑其参与斜拉桥主梁的整体作用。早期结合梁斜拉桥的上述特点，首先是由于跨径还不是很大，其次是当时还没有大量采用高强度混凝土，再次是对于混凝土材料在结合梁斜拉桥上的收缩、徐变计算尚缺乏足够的计算手段。现代结合梁斜拉桥的建造，首先要追溯到德国著名桥梁专家莱翁哈特教授的贡献。年他领导设计完成了美国佛罗里达州跨越坦帕湾的日照桥的投标方案和推荐的施工方法。虽然该方案因标价过高未能得标，后来被单西南交通大学硕士研究生学位论文第页索面混凝土斜拉桥所取代。但该方案有力的奠定了现代结合梁斜拉桥的基础。特别是在主梁设计中提出了卓有成效的构思：、为了施工方便，主梁采用了开口断面，而没有用箱形断面。、两片主梁布置在桥面最外边，斜拉索直接锚在主梁（倾斜腹）外侧面上。、为了降低造价，用混凝土桥面板代替了常用的正交异性钢桥面板。、混凝土桥面板采用预制，增长预制板龄期，以使混凝土板收缩和徐变在主梁上引起的压力重分布最小，并降低了施工费用。、将桥面板纵向跨在横梁之间，使局部荷载所产生的桥面板拉应力，与整体结构体系产生的桥面板压应力相叠加。、在钢梁格项面采用剪力焊钉（抗剪键），通过现浇接缝混凝土使桥面板与钢梁格形成整体共同受力，而不再像初期结合梁桥面板一样仅考虑承受局部荷载作用。、为了避免在主梁架设中使用临时索，采用等于梁段长度的密索距。主梁以最小质量单元进行架设，即分别架设钢梁格和预制板。、为了使抗扭差的桥面系获得较大的抗扭能力，把斜拉索锚在两侧的主梁上，并汇聚到塔的顶端，使之形成一个刚性的空间桁架。拉索的水平分力使主、横梁钢梁格组成的结合梁承受压力，而高强度拉索受拉。以上几点正是现代结合梁斜拉桥的特点所在。此外，由于钢梁格和预制桥面板可分别预制、安装，可大大提高制作精度、施工安装速度和安装质量。结合梁斜拉桥与混凝土斜拉桥相比，节段质量要轻得多；与钢斜拉桥相比，虽然因混凝土桥面质量大，但因节段构件分散，吊装质量相对要轻，而且多数情况下，混凝上桥面板能抵抗断面大部分轴压力。表为三座桥的混凝土、钢及结合梁三种斜拉桥方案的造价比较。由表可知，结合梁斜拉桥在造价上也有很好的竞争能力。表混凝土、钢、结合粱斜拉桥方案造价比较表标价（百万美无）桥名投标年混凝土桥钢桥结合梁桥日照桥韦尔顿斯托本维尔桥安纳西斯桥西南交通大学硕士研究生学位论文第页日照桥结合梁方案虽然落选，但它的现代结合梁构思的宝贵经验己被其他桥所应用，如保持年之久为世界第一的安纳西斯桥，其基本结构构思与该方案类同，像双主梁钢梁格体系、预制桥面板等。不同之处是将索面改为两个垂直的平面索面；主梁拉索锚点移至梁顶。安纳西斯桥是一个大胆的实践，在国际上享有盛名。尽管该桥建成后出现了一些设计、施工时未曾料到的桥面裂缝，但它的实践为结合梁斜拉桥建造提供了宝贵的经验，为日后的印度呼格里桥和上海南浦大桥所借鉴。我国是混凝土斜拉桥建造最多的国家之一，建造结合梁斜拉桥起步较晚。上海市南浦大桥是我国第一座结合斜拉桥，该桥于年初完成施工图设计，年月建成通车。南浦大桥的设计总结借鉴了安纳西斯桥和美国贝当桥的经验，而在许多关键技术上又作了重大改进，如主梁处拉索锚固构造采用贴于主梁腹板外侧的焊接构造、采用防止桥面板裂缝的若干措施、边孔设置辅助墩以提高斜拉桥的总体刚度、过渡孔及尾端采用混凝土结构等，这些成功的构思推动了结合梁斜拉桥的发展。基本理论概述几何控制法基本理论概述斜拉桥施工中传统的控制方法是以梁段安装标高和斜拉索张拉索力来进行控制的，这种方法存在明显的缺点：施工过程中，由于计划变更，施工荷载、施工工艺流程、环境因素等可能与计算模型中的情况不符，这时就必须对梁段安装标高和斜拉索索力进行调整。如果在实际施工中桥上的施工荷载、外界环境等发生了变化而监控人员没有能及时地发现并处理的话，则监控指令所给出的梁段安装标高和索力量值就是错误的。结构的无应力状态量是一个稳定的控制量，。斜拉桥梁、塔的无应力线形只有在结构安装时调整和设定，斜拉索的无应力长度只有通过张拉才能改变，结构单元的无应力状态不会随结构体系、结构外荷载的变化而变化。结构无应力状态量这种特性为斜拉桥的安装控制提供了极大的方便，同时也为斜拉桥施工过程中多工序同步作业创造了条件。西南交通大学硕士研究生学位论文第页斜拉结构的安装过程中并不需要实际量测结构各构件单元在零应力状态时的长度和曲率，几何控制法只是在众多变量中抽象出一个稳定的、相对不变化的控制量建立起斜拉桥安装的中间状态和终结状态之间的联系。无应力索长只是一个数学目标，最终通过调整索力或斜拉索拔出量控制。实现几何控制法，只需满足以下两个基本条件：（）要满足各索的无应力长度与成桥状态无应力长度相等的条件。主梁施工过程中，根据梁的应力状态，每一根索可能要多次张拉，唯最后一次须将该索的无应力长度通过张拉调整到预定值。（）要满足弹性曲线的连续条件。这里主要是指主梁合龙时，弹性曲线不能有折角。弹性曲线的连续性，可在合龙前通过调索实现。鉴于此，部分大跨径的斜拉桥所采用的并不是通常的以索力和标高为主的控制方法，而是采用以斜拉索无应力索长和梁、塔无应力线形等几何要素为首要控制目标的几何控制法。到目前为止，几何控制法已在包括混凝土斜拉桥、钢箱梁斜拉桥、结合梁斜拉桥、混合梁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。归纳起来，几何控制法有如下三个方面的主要特点。（）在确定满足成桥目标需要的中间施工过程理想状态时，利用斜拉索无应力索长和梁、塔无应力线形建立中间施工过程与最终成桥状态之间的联系，直接求解斜拉桥中间过程斜拉索到位张拉的索力。而传统的利用倒拆法计算施工状态的施工控制方法，中间施工过程斜拉索到位张拉的索力是从成桥目标状态开始，以倒退计算的方式，通过倒拆各阶段荷载和结构体系变化对结构内力和位移响应的数值累加而得到的。比较而言，几何控制法更加直观，结构概念更清楚，计算工作量更小，且一旦施工中某一过程有调整时，应变的能力更强；（）几何控制法一个最基本的观点，就是当斜拉索无应力索长和梁、塔无应力线形一定时，结构的最终内力状态和位移状态与结构的施工过程无关。利用结构这样一个固有的特性，可以处理斜拉桥现场施工操作时的大量同步施工作业问题，提高施工效率。（）斜拉桥施工中的施工测试、施工控制计算和施工控制指令在施工现场的执行过程中，桥上施工荷载和日照温差对实施效果有重要影响。一般施西南交通大学硕士研究生学位论文第页工测试时可以限制桥上施工荷载的移动和选择温度稳定时进行各项测试工作，并在施工控制计算时考虑临时荷载和结构温度的修正。但施工控制指令执行时，特别是当全桥大范围调索时，由于调索作业时间长，日照温差的影响很难避免和控制，造成实际的实施效果与控制计算预期的偏差。如果采用基于斜拉索无应力长度调整的锚头伸缩量来调整斜拉索索力、则可消除临时施工荷载变动和日照温差的影响。制造线形基本理论概述采用悬臂浇注施工的斜拉桥，梁段的浇注和安装是在同一施工过程同一施工状态中完成的，二者相互协调。对于悬臂拼装施工的斜拉桥而言，主梁的制造和拼装分为两个过程，这两个过程对应两种施工状态。梁段制造是在制梁场，在胎架上进行的，梁段的重量由胎架来承担，重力不引起梁段之间的相对变形。在拼装的时候，梁段处于悬臂状态，梁段的重力和施工荷载要引起主梁挠度。从整个施工过程来看，悬臂浇注施工方法中主梁对应成桥阶段和施工阶段两种状态，悬臂拼装施工方法主梁将涉及到三种不同的线形：成桥线形、制造线形以及安装线形。成桥线形是指桥梁修筑完成后所需要达到的线形；制造线形是主梁在制造过程中零应力状态下的线形；安装线形是指主梁在拼装过程中各新安装节段自由端连接成的线形。悬臂拼装斜拉桥施工控制最关键的问题就是选择合适的制造线形及安装线形，使得桥梁结构最终达到设计成桥线形“，。一般来说，悬臂拼装桥梁施工过程中梁段间夹角很难实现较大调整，若拼装过程中梁段间夹角不进行调整，那么按制造线形安装某一梁段时，该梁段悬臂端将恰好达到安装线形。因此获得准确的梁段理论制造线形对于最终能否达到成桥目标状态至关重要他。应用几何控制法进行施工控制的悬臂拼装斜拉桥的制造线形计算可按下列步骤实施：（）建立结构模型，经过迭代达到收敛条件后，计算施工过程中各斜拉索无应力索长和主梁制造预拱度。（）在成桥线形基础上叠加主梁制造预拱度和预伸长，推导主梁制造线形。西南交通大学硕士研究生学位论文第页（）以斜拉索无应力索长和主梁制造线形作为控制量进行一次正装计算，验证计算后主梁是否达到成桥线形。制造线形求解最为关键的就是制造预拱度的求解，常用的制造预拱度求解方法有两种：基于零初始位移法模型的求解方法和基于切线初始位移法模型的求解方法，。制造误差对于控制结果同样具有至关重要的影响，对于斜拉桥而言，其关键构件必然存在制造误差，并且该项误差对于成桥线形和内力状态的不良效应随着跨度的增加而急剧增大，若不通过对制造过程的控制有效降低制造误差，必然对最终控制结果产生较大的不利影响，因此，需对传统的部分过程施工控制方法进行进一步发展，将控制过程从安装过程控制拓展到关键构件的制造过程，结合构件制造的工艺特点，采用合理的控制策略和控制技术对关键构件的制造过程进行全面控制，分析获取制造误差，及时进行调整，并为施工过程中索长和线形调整提供数据准备”。工程背景概述本文以观音岩长江大桥主桥的施工控制作为工程背景。观音岩长江大桥位于重庆市江津区，是重庆市绕城高速公路的重要组成部分。主桥为主跨的五跨双塔双索面结合梁斜拉桥，桥跨布置为：。主塔形式为棱形塔，采用混凝土，交界墩与辅助墩采用混凝土。主梁采用高度工字型钢主梁，在工厂采用全焊结构，运输到工地后采用的高强螺栓实现主梁与钢横梁及主梁间的连接。桥面板为预制存放个月后的钢筋混凝土板，在边跨和中跨范围内的桥面板设置纵向预应力钢绞线，桥面板混凝土与工字型钢主梁采用剪力钉连接。其结构布置图如图所示。西南交通大学硕士研究生学位论文第页图卜观音岩长江大桥主桥结构示意图（单位：眦）本论文主要工作对于结合梁斜拉桥而言，主梁制造线形控制的好坏直接决定了是否能够实现较为理想的成桥目标线形。本文主要探讨利用几何控制法进行施工控制的结合梁斜拉桥主梁制造线形的计算方法和误差分析方法。主要内容如下：）介绍结合梁斜拉桥发展的现状及几何控制法和制造线形的基本理论。）详细讲述几何控制法的力学基础、主要状态控制量及实现几何控制法的主要步骤。）提出在零初始位移法和切线初始位移法两种位移计量体系下主梁制造预拱度的求解方法，并讲述应用几何控制法进行施工控制的斜拉桥制造线形的迭代求解方法。以观音岩长江大桥为背景，验证利用切线初始位移法思想建立主梁单元（除合龙段）一次无应力安装模型求解制造线形的可行性。）分析观音岩长江大桥各批次制造误差，利用实测线形预测成桥线形，考察制造误差对成桥状态的影响，为后续批次主梁制造线形和斜拉索索长修正提供参考。西南交通大学硕士研究生学位论文第页第章几何控制法理论几何控制法的力学基础梁式结构施工过程与最终状态分析以连续梁的施工过程为例，研究梁式结构的施工过程对成桥内力和位移的影响“。图所示三跨连续梁，中跨跨度为，边跨跨度为，主梁刚度为，结构自重均布荷载集度为。如果不考虑结构的施工过程，认为该连续梁是一次形成的，则由力法可计算得到该连续梁在自重作用下（均布荷载）的弯矩图如图所示。庐哥匝吁尹了蛩鼍：！一：堡一一图一三跨连续梁结构图图一次形成的三跨连续梁的弯矩图下面分析结构的形成过程对该三跨连续梁最终状态的影响。先在支架上形成结构和，形成两个单独的伸臂梁，再合龙、（为简化计算，假定长度为零）。则在合龙之前结构的弯矩图如图所示。西南交通大学硕士研究生学位论文第页函图合龙之前结构的弯矩图如果此时不采取任何调整措旌就合龙、，则合龙后形成的弯矩图仍然如图所示，这与图的弯矩图是截然不同的。两种结线形成过程不同的三跨连续梁，在相同的荷载作用下，内力状态截然不同。原因在于图结构合龙时两伸臂梁前端的弹性曲线不连续，即节点、之间存在转角差。伸臂梁前端点、的转角分别为：砟：鲤型缨垒垩一】，。日。（）。一，为了保证合龙后的三跨连续梁弹性曲线的连续性，可以在、点分别施加向上的集中力，来消除、的转角差，如图所示。图施加调整集中力示意图施加的集中荷载应能使的前端发生等量反向的转角位移，由图乘法计算公式可得：良：土三科！科三。解得：该连续梁在均布荷载和合拢调整荷载共同作用下结构的弯矩图如图所示。西南交通大学硕士研究生学位论文第页栅图施加合拢调整集中力之后结构的弯矩图合龙后，在不增加新的荷载的情况下，合龙后所形成的三跨连续梁的弯矩图与合拢前的弯矩图一致。为保证所形成连续刚构与原来一次形成结构一致，还需将施加的合拢调整集中力拆除。这个过程相当于在点处施加向下的集中力。由力法可以计算得到单纯在此集中力作用下结构的弯矩图如图所示。图合拢调整集中力拆除时所引起的结构弯矩图叠加弯矩图和弯矩图，可得到结构最终的弯矩图如图所示。图合拢调整集中力拆除后连续刚构的最终弯矩图比较图和图可以看出，只要跨中合龙时的弹性曲线连续，则最后结构的内力状态和一次形成的连续梁的内力状态是完全相同的。同样可以证明两者的剪力和挠度曲线也是一致的。下面再来讨论三跨连续梁先形成边跨和外伸段，然后架设中间挂孔，再形成连续梁的情况。其计算简图如图所示，先形成、梁段，然后架设挂孔，再在、点连接形成三跨连续梁。西南交通大学硕士研究生学位论文第页图计算简图通过前面的讨论可知，若希望形成的连续结构的内力状态和位移状态与一次形成的三跨连续梁的内力状态一致，只需选择合适的外伸向长度拼，使、两点外伸段端点转角和挂孔支点转角一致即可。尸三（，一叫梁段点的转角：等【（蔫）（南）业秀掣（）梁段点的转角：良上一），明令鼠可解得：即只要、梁段的外伸长度是，就可以保证在合龙时梁段弹性曲线的连续性。计算得到结构弯矩图如图所示：图挂设梁段合龙后结构的最终弯矩图显然，图梁体截面弯矩与图是一致的。通过以上的分析可以得到以下结论：（）梁式结构从静定结构向超静定结构转换时（如合龙），若通过一定西南交通大学硕士研究生学位论文第页的措施保证合龙段两端点的转角相等保证合龙处弹性曲线连续，则形成的最终结构的内力和位移状态与结构的形成过程无关。（）如果采用了某种措施（如施加调整荷载、移动支座位置等等）来实现合龙点的弹性曲线连续，则结线形成连续结构后必须将结构恢复到原来状态，将这些措施拆除。（）连续梁施工中，对于采用不同的施工方法，可选择合适的合龙点位置来保证最终结构弹性曲线的连续；（）实际建造的梁式结构，并不一定要按上述方法来实现合拢前后梁段单元弹性曲线的连续。前面的叙述只是说明了梁式结构的最终内力状态和位移状态的差异并不是施工方法自身的差异造成的，问题的实质是形成连续结构时合龙单元两端的转角，与施工方法无关。通过前述的讨论可以得出如下结论：对于梁式结构，只要最终形成结构构件单元的无应力线形相同，则最终结构的内力状态和位移状态与结构的形成过程无关。斜拉结构施工过程与最终状态分析图是一简化的斜拉结构，为抗弯刚度为的主梁，是拉压刚度为的拉压杆，相当于斜拉桥中的斜拉索，为简化计算，结构分析中不考虑梁的轴向变形。由力法可计算得到斜拉结构一次形成时在外荷载作用下的弯矩图如图所示。上丝一丝图一斜拉结构简图结构一次形成时：潮图一次形成结构弯矩图西南交通大学硕士研究生学位论文第页点，：土三鱼，三鱼，一扬：上塑”“一击吉孚尸，丢，詈等丢尸，三，三雩，丢爿三，三塑：一由力法方程点，。解得：五瓦丽（尸。一三只鱼，三婪生矿：一下烈。（），（，）图，先形成结构，然后在结构的、两点施加外荷载。外荷载施加前为一个无外荷载，结构构件无应力的结构，此时杆件的长度为。下面分析结构的形成过程对该斜拉结构最终状态的影响。结线形成过程如图一所示。卜丝（）扣卜丝丝（）纠丝（）扣于丝丝丝丝）图斜拉结构分阶段形成过程图（）形成梁段：彳，蟊，幺（）点施加荷载：吮：圹三纠一吉纠西南交通大学硕士研究生学位论文第页西南交通大学硕士研究生学位论文第页口”器由上述格式可以看出，分阶段形成斜拉结构的内力状态与一次形成结构完全不同。图，杆安装时，点已发生向下的竖向位移疋。，如果不采用其他措施，一根无应力长度为的杆件将无法安装在结构上。如果要实现杆的无应力安装，杆必须加长以适应点位置的变化。其杆件安装的几何关系如图所示。：薛。：丘图结构杆的无应力长度为：。图结构和图一结构内力状态的差异实际上是源于两结构杆件无应力长度的差别。下面来讨论杆无应力长度的调整。图为用力法求解斜拉结构斜拉索索长调整的结构基本体系。、图点变化关系图结构基本体系杆在杆中切开、方向相反的沿杆方向的单位力墨。点：土三鱼三鱼，上（砌扼）：上塑（堡）、实际结构中器，面乩贶耻去鲁。五代表了基本体系杆切口处沿杆方向的相对位移，此相对位西南交通大学硕士研究生学位论文第页移也足什尢他刀长厦削父化亘。斜拉结构拉索无应力长度调整的力法基本方程为：躺瑶岛鲁墨面、置瓦而杆无应力长度减少万时，结构的内力状态变化为：五瓦丽埘爿譬瓦丽叠加图结构内力：，瓦而，习丽帆帆，毗一焉一而纠可以看出此时结构的内力状态与一次形成的结构是完全相同的，说明只要最终结构的斜拉索无应力长度相等，则最终结构的内力状态与结构的形成几何控制法的关键控制量一座已建成或处于施工过程某一阶段的斜拉桥，外观反映出的梁塔单元的几何尺寸实际上是结构单元受载后的几何尺寸，斜拉索两锚固点之间的长度实际上是斜拉索受力后的几何长度，。设想卸除结构上包括恒载在内的所有外荷载并把斜拉桥解体，使斜拉桥所有结构单元都处于零应力状态，此时，西南交通大学硕士研究生学位论文第页梁段形成的空间线形称之为梁段的无应力线形，斜拉索的长度称之为斜拉索无应力索长。如果按各构件单元原有的无应力长度和无应力线形恢复斜拉桥，则不论结构单元按怎样的先后顺序安装，还原后的结构内力和线形将与原结构一致。在还原后的结构体系上施加外荷载，不同的外荷载对应一组结构内力和结构变形，当外荷载变化时，结构内力和变形随之发生变化。但是，结构各构件单元的无应力长度和无应力线形却不随外荷载的变化而变化。梁段的无应力线形只有在安装该单元时调整和控制，斜拉索的无应力长度只有在斜拉索张拉时才发生改变。斜拉索的无应力索长和梁段的无应力线形是采用几何控制法进行斜拉桥施工控制时的两个关键控制量。斜拉索无应力索长斜拉索的张拉实际上是一个改变其自身无应力长度的过程。一般意义上的斜拉索张拉，是直接改变斜拉索的索力，另一方面，张拉斜拉索时，同样又是一个改变斜拉索无应力长度的过程。在一定意义上索力量和无应力索长量具有同等性和互换性。斜拉索的无应力长度量只有在张拉自身时才会变化，当外加荷载一定时，斜拉索长度调整必然唯一的对应一个索力的变化。这种索力量与无应力索长量之间的互换性，为实际施工过程中斜拉索的张拉提供了方便，可以将斜拉索索力变化量转化为锚头拔出量（即张拉前后无应力索长变化量）进行张拉，。斜拉索张拉端构造如图所示，为张拉前锚杯后端到螺母外表面的距离，为张拉后锚杯后端到螺母外表面的距离，为张拉前后的无应力索长变化量。锚垫板图斜拉索张拉端张拉示意图西南交通大学硕士研究生学位论文第页观音岩长江大桥斜拉索无应力长度计算采用悬链线公式。图为斜拉索结构受力简图，。图斜拉索结构受力简图图中微元体在方向的平衡条件为：凼按索力水平、垂直分量关系：旦：立矿：，：胁将式（）代入式（）得：母将屹代入式（，）得：厅叫南吾州硝（争）少墨办（吾，）。日式中和为待定积分常数。代入边界条件：（）（）（）（）为：西南交通大学硕士研究生学位论文第页：一旦鸟（爿，）一等办，舡（扣）一根据劫办（半）妫（学），（）式的后一等式可转化名等砌（华）幽（掣）由此可得斜拉索的悬链线公式为：则斜拉索悬链线长度：斜拉索弹性伸长量：，疗菊（，日等办（等）一办，丝妫（等）厅（血）日叫旦（詈，卜尝幽浯，产：一尉旦（鲁）矗（警）血日，蓦血埘一蔓一竺一一蛔鼍等一一。，。旦尉西南交通大学硕士研究生学位论文第页式中，常数的计算见式（），为弹性模量，么为截面积。斜拉索的无应力长度为：，一出斜拉索索力与无应力索长有以下特点：（）斜拉索的索力和结构的位移会随着外荷载的变化、结构体系的改变和斜拉索张拉力的调整而发生变化，而斜拉索的无应力长度只有在自身张拉时，斜拉索锚固位置通过拔出或放回索长（锚固螺母移动）才会发生改变；外荷载、结构体系改变和其他斜拉索调整均不会改变该斜拉索的无应力长度；（）当结构体系、外荷载不变时，斜拉索的无应力长度变化必然唯一的对应一个索力的变化；（）只要最终结构斜拉索单元的无应力长度确定，则最后结构的内力状态和位移状态与结构的形成过程无关；（）不同安装过程形成的结构，只要最终结构的外荷载、结构体系和斜拉索的无应力长度相同，则最后结构的内力状态及位移状态是一致的。梁段无应力线形斜拉索的无应力长度可以通过斜拉索的张拉或放松来调整，梁段的无应力线形则只能在梁段制造或安装该结构单元时进行控制和调整，。主梁悬臂施工过程中，节段的安装位置直接影响结构的成桥线形，同时对斜拉索锚点位置有影响，按无应力索长控制斜拉索张拉时，会造成斜拉索索力偏差，在施工过程中引起多余的施工应力。结合梁斜拉桥的主梁在胎架上加工时，主梁处于无应力状态下，主梁的制造线形就是无应力线形。结合梁斜拉桥主梁拼装通常采用高强螺栓连接，悬臂拼装过程中梁段间夹角很难进行调整，如果施工过程中不对梁段间夹角进行强制性调整，则整个施工过程中直至成桥，主梁的无应力线形均为其制造线形。因此准确确定主梁制造线形，对于防止施工中出现过大的施工应力以及保证成桥主梁线形平顺都有重要意义。目前求解无应力线形的方法主要有四种阳，：（）单元解体法。按单元“放松组装制造过程来求梁单元西南交通大学硕士研究生学位论文第页无应力线形的方法。这种方法的基本思想是在各个单元内由内力计算单元的变形。虽然结构经历大位移、大转动，但在各个单元内部的变形通常是很小的，意味着可以在单元级别采用线性理论或线性二阶理论由内力来计算变形。在已知各单元的成桥有应力线形和单元内力的情况下，剔除由于单元内力引起的变形而得到各个单元的无应力线形。（）单元位移法。从单元安装的时刻算起，到恒载状态时刻的随转坐标系（，）位移全量（），“，利用坐标系的概念，可以很方便地由梁单元的设计线形得到无应力线形。由于完全扣除了单元刚体运动，且已在施工过程分析中进行了位移和力的校核，故其精度和可靠性要高于其他方法。但采用这种方法要求程序的几何非线性分析基于全量法，目前桥梁结构分析程序还较少采用这种高精度、高效率算法。（）结构解体法。从恒载状态开始，拆除所有斜拉索，释放主梁多余约束，解除包括自重在内的所有外荷载，作几何非线性有限元分析，即可得到主梁、主塔的无应力线形。由于结构的荷载、约束变化很大，对程序的几何非线性功能要求也较高。（）切线拼装迭代法。对采用悬臂施工的桥梁，新施工梁段的安装标高受已施工梁段标高的影响。对切线拼装，新增单元的新节点随着老节点平动和转动。对新增单元，已知老结点的累计位移为。，。，以），根据简单的几何关系可以推算出新节点按切线拼装时的虚拟位移或称初始位移口，易）：“日爿厶（吼）一刎（吼）一口】易吼式中：为单元的无应力长度；为无应力状态下单元的轴线与水平线的夹角。按切线拼装逐阶段计算，得到成桥恒载挠度曲线，将其乘以一个负系数（如一、等）作为下一轮迭代的无应力线形。循环以上过程，直到满足指定收敛精度，即可得到结构的无应力线形。另外需注意，为满足主梁弹性曲线的连续性，主梁合龙段可采用成桥阶段线形。主梁边跨合拢和中跨合龙时，可通过调索或施加临时荷载的方法，西南交通大学硕士研究生学位论文第页保证合龙段处不出现折角，合龙完成后再将斜拉索调回原状并将临时荷载拆除。几何控制法的特点一个桥梁结构，当不考虑与结构形成时间和形成的应力历史有关的参数，如混凝土桥梁的收缩和徐变等影响时，则不论实际结构的形成过程如何，只要最终结构的成桥状态结构构件的无应力长度、无应力线形、外荷载和支承边界的位置一定，则最终结构的内力状态和位移状态与结构的形成过程无关，。利用上述桥梁结构的固有结构特点，在确定满足成桥目标状态需要的中间施工过程理想状态时，可以用桥梁结构各构件单元的无应力长度和无应力曲率建立中间施工过程与桥梁的最终成桥状态之间的联系，直接解算满足成桥状态要求的中间施工过程斜拉索张拉到位的索力，实现成桥目标状态的自动逼近。在桥梁施工现场操作时，斜拉索挂设时的初张拉采用千斤项控制斜拉索的张拉索力，其后斜拉索的索力调整则全部采用以斜拉索的无应力长度调整为基础的锚头拔出量或回缩量来进行，当采用斜拉索锚头的拔出量或回缩量来调整斜拉索时，把斜拉桥施工中的任意两个阶段视为初始状态和最终状态，利用最终状态的结构内力和位移与结构施工操作过程无关的特点，可以实现施工现场的多工序同步作业，提高现场作业效。归结起来，几何控制法有如下几方面特点：（）在确定中间施工过程结构理想状态时，分析计算过程更直观，概念更明确。桥梁结构的设计中，连续梁是在设计之初就事先确定了结构的施工过程、施工工序和施工方法，成桥的结构内力充分考虑了结构形成过程的影响。而斜拉桥成桥的内力和成桥线形则是以某种最优原则来指定的，所以斜拉桥实际施工操作前还必须进行施工中间过程结构理想状态的分析计算。中间施工过程结构理想状态必须满足桥梁施工过程结构的安全和最终成桥的内力线形两个条件。斜拉桥中间施工过程理想状态计算的倒拆法是以桥梁结构成桥目标状态作为分析计算的起始点，按照桥梁实际建造过程的逆向次序进行逐阶段的倒拆计算，通过各阶段倒拆计算的结构内力和变位的增量进行累西南交通大学硕士研究生学位论文第页加，推求各施工阶段结构理想状态的内力和位移。而几何控制法则是利用结构构件单元无应力长度和无应力线形不变的条件，直接计算满足成桥目标状态内力和线形需要的中间施工阶段的结构内力和线形。使用几何控制法进行斜拉桥施工过程安装计算时，只进行实际斜拉桥安装流程的正装计算，依据结构的受力需要斜拉索可进行一次或多次张拉，在最后一次张拉到位时，将斜拉索的无应力长度通过斜拉索的索力调整至成桥目标状态的无应力长度。实际上，在确定斜拉桥中间施工过程结构理想状态时，几何控制法和倒拆计算法解决的是同一问题。对于线弹性的桥梁结构，只要倒拆计算时拆除单元在零应力状态下拆除，支座单元拆除时是零反力，则按倒拆计算的结果对结构进行正装计算，结果必然是闭合的。但是，如果计算中需要考虑与结构加载的时间和应力历史有关的因素时，如混凝土结构的收缩、徐变和大跨度斜拉桥施工过程非线性影响，则结构的倒退计算在理论上是困难的。其原因是倒退分析计算过程并非结构真实经历过程，分析计算中实际上利用了结构力学的叠加原理，通过倒退分析中各阶段的内力和变形的累加来推求中间施工过程的结构内力和位移，而当结构内力和位移与结构加载的时间和应力历史有关时，叠加原理不再适用。即使采用一定的计算技巧，如在倒退分析时混凝土的收缩、徐变应采用正装计算扣除，倒退正装计算结果也不可能在结构内力和位移两方面完全闭合。必须在结构内力和线形两方面作出取舍。几何控制法只对结构的实际形成过程作正装计算，对混凝土收缩和徐变迭代计算时，只关注成桥内力与成桥目标状态相符，施工过程中混凝土收缩和徐变的影响则全部进入结构的变形之中，结构变形与成桥目标状态的差异通过主梁施工过程中的预拱度来调整，从而保证结构成桥后的线形满足设计要求。（）计算工作便利。几何控制法只进行结构安装过程的正装计算，与倒拆分析法先进行结构的倒退分析、后进行正装计算相比，其计算工作量减少。同时，斜拉桥施工过程需要频繁调整斜拉索索力，斜拉索到位之前的索力调整是依据结构安装过程的受力需要来确定的。倒退分析时，要用逆向思维对满足结构受力需要的斜拉索进行试算，工作量大。西南交通大学硕士研究生学位论文第页倒拆分析法是通过各阶段结构倒拆计算的结构内力和结构位移的增量累加，建立中间施工过程与成桥目标状态之间的联系，这种数值的累加环环相扣，当任意一个安装步骤有调整时，则结构的内力和结构位移的累加值都会发生变化，全部的倒拆计算必须重新进行。相对而言，斜拉索的无应力长度是一个比较稳定且独立