超大跨度复杂体系斜拉桥施工全过程非线性控制理论及方法研究

超大跨度复杂体系斜拉桥施工过程的非线性效应非常显著，现有的控制理论和方法主要建立在线性理论的框架内，不能满足高精度施工控制的要求，需要建立一套更为精确的施工全过程非线性控制理论与方法。本项目对超大跨度复杂体系斜拉桥施工控制中的各种非线性展开深入研究，具体研究内容为：（1）建立斜拉桥非线性分析的精细数学模型，包括：①构建3种新型单元：非线性支座单元、非线性间隙元和单束预应力筋单元；②基于CR法建立单元拆除和预应力加载的精细算法。（2）研究斜拉桥施工误差非线性控制的理论算法，包括：①可计入制造误差的迭代初始构形直接算法；②拉索张拉力的非线性调整模型、控制系统和优化调整算法。③结构体系转换时内力与线形的调控技术。（3）建立斜拉桥温度影响与非线性正装分析同步计算的理论方法及其现场消除技术。项目成果可为超大跨度复杂体系斜拉桥的施工控制提供理论基础和技术支撑，推动我国斜拉桥迈向超千米的更大跨径。

本项目旨在解决超大跨度复杂体系斜拉桥施工全过程的非线性控制难题。具体研究成果为：.（1）三维连续变形体的虚功增量方程出发，引入混凝土材料的本构关系，建立了混凝土结构收缩徐变分析的虚功增量方程，然后以该虚功增量方程为基础，建立了杆系结构的非线性与混凝土收缩徐变耦合分析的有限元方法，基于拖动坐标法（CR列式）建立了不平衡力的全量计算方法；.（2）建立了适用于考虑动、静摩阻力的大行程滑移支座单元全过程受力特性非线性解决方法。采用双单元模式建立了滑移支座非线性计算模型，优化了适合动、静摩擦系数的滑动、停止判别条件；通过动态单元法及动态刚臂单元法解决了大行程滑移支座滑动模拟过程中的“支座斜置”现象；建立了符合支座滑动全过程受力特性的梁柱理论计算模式并提出与之相适应的求解非线性方程的变刚度法，提出适应多支座单元体系的加载模式从而建立完整的支座单元计算原理；.（3）建立了采用动态无应力构形法精确计算结构在外界环境温度场作用下的温度效应。提出对结构在环境温度场影响下实现精确几何非线性耦合分析的基本原理；提出采用二次抛物线拟合温度效应对初始无应力构形造成的几何缺陷影响并建立相应的曲梁梁柱计算理论；提出针对是否考虑施工阶段的温度耦合效应几何非线性具体实施过程；编写程序对一般传统方法及动态无应力构形法的计算结果进行对比检验，结果表明利用该方法可高效率实现温度效应的精确耦合分析；.（4）推导了设计参数误差、钢主梁顶底板焊缝收缩差对主梁安装线形影响的调整公式，导出了主梁节段定位时温度影响的标高调整公式，并综合考虑三种影响因素建立了主梁节段精确定位的实时放样公式；.（5）基于自适应无应力构形控制理论提出了一种钢斜拉桥中跨主梁合龙的全新方法，该方法通过牵引或顶推主梁将传统的合龙段施工简化为合龙缝施工，称为单缝法。首先建立了单缝法的自适应无应力构形控制模型和力学模型，然后提出了斜拉桥主梁合龙前的悬拼误差的计算方法，针对合龙温度偏差的影响提出了预测和调整算法，解决了单缝法合龙自适应调整中的两个主要难题。.最后将理论研究成果将理论与算法编制成软件，直接应用于应用于世界上仅有的两座800m级的混合梁斜拉桥上荆岳长江大桥和九江长江大桥上。实桥应用表明，两座大桥后的结构状态参数都比较理想，合龙效果良好。项目研究成果这两座大桥的成功修建打下了坚实的技术基础，同时也逐步推广到了其它在建的特大型桥梁。