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用更加廣泛的建造方法，是現代橋梁的主要建造方法。分階段施工橋梁建造中結構體系和恒載施加都是一個時變過程。要解決分階段施工橋梁結構分析問題，學者們發展了基于橋梁實際分階段施工過程逐階段計算增量并累加的正裝計算法、倒退分析法等分析計算方法。這些基于增量計算并累加的分析方法存在三個方面的不足：一是計算過于繁鎖，施工工序有調整時，重復計算工作量大；二是不能適應橋梁施工現場溫度與設計基準溫度不一致的調整；三是不能實現有施工臨時荷載變化時，施工多個工序并行作業。為解決橋梁分階段施工結構分析的理論與實踐難題，秦順全院士等提出了橋梁分階段施工的無應力狀態法，在近百座大跨度橋梁的施工控制中取得了良好的效果。
二、研究內容
1、力學平衡方程
引入單元無應力狀態量，用最小勢能原理直接建立不考慮結構實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構力學平衡方程。
2、線形控制方程
以單元無應力狀態量為變量，建立其與結構最終線形之間的關系，推導分階段成形結構線形控制方程。
3、三大基本原理
依據結構力學平衡方程與結構線形控制方程，提出無應力狀態法三大基本原理：
原理一：一定的外荷載、結構剛度和單元無應力狀態量組成的結構，其結構內力和位移唯一，與結構的成形過程無關。
原理二：拉索無應力長度與荷載變化無關，荷載一定時，拉索無應力長度調整與索力變化唯一對應。
原理三：分階段成形結構通過主動控制構件單元的無應力狀態量，可以實現相互獨立的結構內力和結構線形。
4、工程應用
上圖是斜拉橋的安裝成形過程。根據原理一，只要在結構分析時增加構件單元無應力狀態量的條件，則結構的內力和位移與經歷的過程無關。只需令中間狀態結構已安裝單元的無應力狀態量與成橋狀態相等，用分階段成形結構的力學平衡方程直接求解內力和位移，分析時荷載應采用當前狀態下已施加于結構的總荷載。用原理二中的無應力索長調整與索力變化的關系，依據結構的實際受力需要，拉索的無應力長度分次調整到位。根據原理三，只要以拉索的無應力長度差值(張拉端錨固螺母位置的移動量)代替拉索張力作為調索控制手段，則可實現拉索調索與其他工序操作并行作業。
利用分階段成形結構力學平衡方程、線形控制方程和無應力狀態法的三個原理，可以解決大量分階段施工橋梁工程建造中的問題。
三、研究結論
分階段施工橋梁結構分析與施工控制是現代大跨度橋梁建設中面臨的重要問題。通過引入單元的無應力狀態量，利用最小勢能原理首次建立了分階段成形結構力學平衡方程和線形控制方程。以兩個方程為基礎，提出了分階段施工橋梁的無應力狀態法與基本原理。
無應力狀態法建立了分階段施工橋梁過程狀態與過程狀態、過程狀態與成橋狀態之間的直接聯系，橋梁施工過程理論計算更加直接高效，施工過程控制更加靈活方便，實現了橋梁施工中多工序并行作業和溫度、臨時荷載影響的自動過濾等等。無應力狀態法在諸多重大分階段施工橋梁工程建設中的成功實踐表明，基于無應力狀態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構施工控制分析理論。
四、作者簡介
秦順全，中國工程院院士，中鐵大橋勘測設計院集團有限公司董事長，西南交通大學教授、博導。長期從事大型橋梁的設計、施工技術工作。創立了橋梁分階段施工的無應力狀態控制法理論，創新了大型橋梁結構工廠化、標準化施工方法；推進了大跨度橋梁整體預制、架設技術的發展；主持了國內外多座大橋的設計、施工技術工作。獲國家科技進步獎6項，出版學術專著3部。2010年，在西南交通大學橋梁工程系創立深水大跨橋梁研究中心，緊緊圍繞橋梁建設面臨的重大技術挑戰，在深水大跨橋梁、橋梁施工控制理論與計算方面開展了大量卓有成效的創新工作。
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
