大跨度连续刚构桥体内外混合配索：理论、设计与工程实践

大跨度连续刚构桥体内外混合配索：理论、设计与工程实践一、绪论1.1研究背景与意义随着科学技术和交通事业的迅猛发展，桥梁作为交通基础设施的关键组成部分，在跨越江河、峡谷及其他复杂地形时发挥着重要作用。大跨度连续刚构桥以其施工简便、造价经济、受力合理、行车舒适等独特优势，在近年来得到了迅速发展与广泛应用，成为现代桥梁建设中一种重要的桥型。例如，渝湘复线高速公路武（隆）道（真）路观音庙乌江特大桥，其主跨达242米，一跨跨越乌江及G319国道，是国内在建最大跨度的连续刚构桥，为地区交通发展起到了关键作用。然而，随着此类桥梁的大量兴建与长期使用，许多现役大跨度连续刚构桥逐渐暴露出一些病害问题，其中腹板开裂和跨中下挠过大尤为突出。这些病害不仅影响了桥梁的外观和正常使用，还对桥梁的结构安全和耐久性构成了严重威胁。腹板开裂会削弱结构的抗剪能力，导致应力集中，加速钢筋锈蚀；跨中下挠过大则会改变桥梁的受力状态，降低行车舒适性，甚至可能引发交通安全事故。目前大跨度连续刚构桥常用的全体内配索方式存在一定局限性。在这种配索方式下，竖向预应力筋承担抗剪任务，但由于其施工质量难以保证，容易导致成桥后混凝土开裂等病害。例如，一些桥梁在运营一段时间后，腹板出现斜裂缝，这与竖向预应力的有效施加不足密切相关。而体内外混合配索作为一种新的预应力体系，正逐渐受到关注。它充分利用了体外索可更换和补张拉的优点，为解决或减轻当前连续刚构桥出现的问题提供了新的思路。体外索可在桥梁运营期间根据需要进行补张拉，以调整结构内力，有效抑制跨中下挠；当体外索出现损坏或性能下降时，可方便地进行更换，提高桥梁的耐久性和可靠性。研究大跨度连续刚构桥体内外混合配索具有重要的理论意义和实际工程价值。从理论方面来看，通过对体内外混合配索桥的深入研究，可以进一步完善大跨度连续刚构桥的设计理论和方法，揭示其在不同工况下的受力特性和变形规律，为桥梁结构的优化设计提供理论依据。在实际工程应用中，体内外混合配索技术能够有效改善桥梁的力学性能，提高桥梁的承载能力和耐久性，降低桥梁的后期维护成本，延长桥梁的使用寿命。这对于保障交通基础设施的安全运营，促进地区经济的可持续发展具有重要意义。例如，重庆新滩綦江大桥作为国内首座采用体内体外混合配索法设计并施工的悬浇混凝土刚构桥梁，通过实践验证了该配索方式在控制斜裂缝开展和抑制跨中下挠方面的有效性，为类似工程提供了宝贵的经验。1.2国内外研究现状大跨度连续刚构桥的配索研究一直是桥梁工程领域的重点。在国外，早期的大跨度连续刚构桥多采用全体内配索方式。随着桥梁建设技术的不断发展，以及对桥梁耐久性和可维护性要求的提高，体内外混合配索技术逐渐受到关注。一些发达国家如美国、日本和欧洲部分国家，在桥梁建设中率先进行了体内外混合配索的实践探索。例如，日本在某些桥梁项目中应用体内外混合配索技术，有效解决了桥梁在长期运营过程中的结构性能劣化问题，提高了桥梁的使用寿命和安全性。他们通过精细化的设计和施工控制，充分发挥了体外索可更换和补张拉的优势，使得桥梁在复杂的环境条件下依然能够保持良好的工作状态。在国内，大跨度连续刚构桥的发展历程中，配索方式也经历了不断的演变和改进。早期的连续刚构桥主要采用体内配索，竖向预应力筋承担抗剪任务。但随着时间的推移，这种配索方式暴露出的问题逐渐凸显，如竖向预应力筋施工质量难以保证，导致腹板开裂等病害频发。为了解决这些问题，国内开始引入和研究体内外混合配索技术。重庆新滩綦江大桥作为国内首座采用体内体外混合配索法设计并施工的悬浇混凝土刚构桥梁，具有重要的示范意义。通过对该桥左右两幅桥分别采用体内配索与体内外混合配索的对比设计，并运用有限元分析等方法，深入研究了两种配索体系桥的受力特点。研究结果表明，体内外混合配索在控制斜裂缝开展和抑制跨中下挠方面具有明显优势，为国内大跨度连续刚构桥的配索设计提供了宝贵的经验。近年来，国内学者对大跨度连续刚构桥体内外混合配索进行了大量的理论研究和工程实践。通过建立精细化的有限元模型，对不同配索方案下桥梁的受力性能、变形特性、应力分布等进行了深入分析，揭示了体内外混合配索桥在不同工况下的力学行为。在施工技术方面，也取得了一系列的突破，如体外索的安装、张拉和锚固技术不断完善，提高了施工效率和质量。在经济性方面，一些研究通过对比分析不同配索方式的材料成本、施工成本和后期维护成本，评估了体内外混合配索的经济可行性，为工程决策提供了依据。1.3研究目的与内容本研究旨在全面深入地剖析大跨度连续刚构桥体内外混合配索技术，从理论研究到工程实践，系统地探究这一技术在大跨度连续刚构桥中的应用，为桥梁工程领域提供具有创新性和实用性的理论与实践依据。具体研究内容包括：体内外混合配索技术原理：详细阐述体内外混合配索技术的基本原理，深入剖析体外索和体内索在桥梁结构中的协同工作机制。研究体外索可更换和补张拉的特性，以及这些特性如何影响桥梁结构的受力性能和耐久性。通过理论分析，揭示体内外混合配索体系在不同工况下的应力分布和变形规律，为后续的设计和分析提供理论基础。设计要点研究：深入探讨大跨度连续刚构桥体内外混合配索的设计要点。结合国内外相关设计规范和标准，分析不同配索方案对桥梁结构受力性能的影响。研究如何根据桥梁的跨度、荷载条件、施工方法等因素，合理确定体内索和体外索的布置方式、数量、张拉力等参数。通过建立数学模型和优化算法，对配索方案进行优化设计，以实现桥梁结构的安全性、经济性和耐久性的最佳平衡。优势分析：从多个角度对大跨度连续刚构桥采用体内外混合配索的优势进行全面分析。在力学性能方面，对比传统全体内配索方式，研究体内外混合配索如何有效改善桥梁的受力状态，提高结构的承载能力和稳定性。通过有限元分析等方法，分析体内外混合配索对控制斜裂缝开展和抑制跨中下挠的作用机制。在耐久性方面，探讨体外索可更换的特点如何提高桥梁结构的耐久性，降低长期维护成本。从经济性角度出发，综合考虑材料成本、施工成本和后期维护成本，评估体内外混合配索的经济可行性。工程实践与案例分析：以实际工程为背景，如重庆新滩綦江大桥，对体内外混合配索在大跨度连续刚构桥中的应用进行详细的案例分析。深入研究该桥左右两幅桥分别采用体内配索与体内外混合配索的对比设计思路和方法。通过对施工过程的跟踪和监测，收集实际数据，分析体内外混合配索在实际工程中的实施效果。总结工程实践中的经验教训，为今后类似工程的设计和施工提供参考和借鉴。同时，针对工程实践中可能出现的问题，如体外索的防腐、锚固区的处理等，提出相应的解决方案和技术措施。1.4研究方法与技术路线本研究将综合运用多种研究方法，确保研究的科学性、全面性和深入性，具体如下：文献研究法：广泛收集国内外关于大跨度连续刚构桥体内外混合配索的相关文献资料，包括学术论文、研究报告、设计规范、工程案例等。通过对这些文献的系统梳理和分析，了解该领域的研究现状、发展趋势以及存在的问题，为本研究提供理论基础和研究思路。例如，通过查阅相关文献，深入了解国内外学者在体内外混合配索桥的受力特性、设计方法、施工技术等方面的研究成果，总结成功经验和不足之处，为后续研究提供参考。案例分析法：以重庆新滩綦江大桥等实际工程为案例，深入研究体内外混合配索在大跨度连续刚构桥中的应用。通过收集工程的设计图纸、施工记录、监测数据等资料，分析该桥左右两幅桥分别采用体内配索与体内外混合配索的对比设计思路、施工过程中的关键技术以及运营后的实际效果。总结案例中的经验教训，为其他类似工程提供借鉴。例如，对新滩綦江大桥的案例分析，详细研究其体内外混合配索的设计参数、施工工艺控制要点以及在控制斜裂缝开展和抑制跨中下挠方面的实际效果，为后续的理论分析和工程应用提供实践依据。数值模拟法：运用有限元分析软件，建立大跨度连续刚构桥的数值模型，分别对体内配索和体内外混合配索的桥梁结构进行模拟分析。通过模拟不同工况下桥梁的受力性能、变形特性、应力分布等，对比两种配索方式的差异，深入揭示体内外混合配索桥的力学行为。例如，在有限元模型中，模拟桥梁在自重、汽车荷载、温度荷载等作用下的响应，分析体内外混合配索对桥梁结构内力和变形的影响规律，为配索方案的优化设计提供依据。理论分析法：基于结构力学、材料力学、桥梁工程等相关理论，对体内外混合配索技术的原理、设计要点、受力性能等进行深入分析。建立相应的力学模型和计算公式，从理论上阐述体内外混合配索体系的工作机制和优势，为工程实践提供理论支持。例如，通过理论分析，推导体内外混合配索桥在不同工况下的内力计算公式，分析体外索的张拉力对桥梁结构受力性能的影响，为配索参数的确定提供理论依据。本研究的技术路线如下：资料收集与整理：收集国内外相关文献资料和实际工程案例，整理大跨度连续刚构桥的设计规范、施工技术标准以及体内外混合配索的相关研究成果。对收集到的资料进行分类、归纳和分析，了解研究现状和存在的问题。案例分析与现场调研：选取典型的大跨度连续刚构桥工程案例，如重庆新滩綦江大桥，进行深入的案例分析和现场调研。收集工程的设计文件、施工记录、监测数据等资料，了解工程的实际情况。与工程技术人员进行交流，获取第一手资料，为后续研究提供实践基础。数值模拟与理论分析：运用有限元分析软件建立桥梁结构的数值模型，进行不同配索方案的模拟分析。通过改变体内索和体外索的布置方式、数量、张拉力等参数，分析桥梁结构的受力性能和变形特性。同时，基于理论分析方法，建立体内外混合配索桥的力学模型，推导相关计算公式，从理论上分析其受力性能和工作机制。结果分析与讨论：对数值模拟和理论分析的结果进行整理和分析，对比不同配索方案下桥梁的受力性能和变形特性，总结体内外混合配索的优势和适用条件。讨论体内外混合配索在控制斜裂缝开展、抑制跨中下挠、提高耐久性等方面的作用机制，分析其在实际工程应用中可能存在的问题和解决方法。结论与展望：根据研究结果，总结大跨度连续刚构桥体内外混合配索的设计方法、施工技术要点和应用效果。提出研究的主要结论和创新点，为今后类似工程的设计和施工提供参考。同时，对未来的研究方向进行展望，指出需要进一步研究的问题和领域。二、大跨度连续刚构桥体内外混合配索原理与技术2.1连续刚构桥概述连续刚构桥作为预应力混凝土大跨度梁式桥的关键桥型之一，在现代桥梁建设中占据着重要地位。它巧妙地融合了连续梁桥和T形刚构桥的受力特性，将多跨主梁构建成连续梁体，并与薄壁桥墩进行固结，形成了一种独特的结构体系。这种结构体系的优势显著，不仅具备连续梁桥行车平顺、无伸缩缝的优点，还拥有T形刚构桥不设支座、无需体系转换的长处，在施工便利性和结构受力合理性方面表现出色，因而在大跨度桥梁建设中得到了广泛应用。从结构特点来看，连续刚构桥的主梁呈现连续状态，墩梁之间实现固结。这种结构形式赋予了桥梁较大的顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度，使其能够出色地满足较大跨径的受力需求。以虎门大桥辅航道桥为例，其跨径布置为150m+270m+150m，在长期的运营过程中，凭借其合理的结构特点，稳定地承受着各种荷载，展现出了连续刚构桥在大跨度桥梁中的卓越性能。在力学性能方面，连续刚构桥的上部结构受力特性与连续梁桥有相似之处，但由于墩梁固结的特性，需要充分考虑桥墩受力以及混凝土收缩、徐变、温度变化等因素引起的弹塑性变形对上部结构内力产生的影响。在竖向荷载作用下，主梁端部会产生负弯矩，跨中的正弯矩相应减小，使得跨中截面尺寸也可适当减小。桥墩在承受竖向荷载的同时，还需承受弯矩和水平推力，属于有推力结构形式。而且，连续刚构桥大多为超静定结构，这就导致在混凝土收缩、温度变化、墩柱不均匀沉降以及施工过程中的体系转换等情况下，都会产生附加内力。连续刚构桥的适用场景较为广泛，尤其是在跨越深谷、江河等需要大跨度的地形条件下，具有明显的优势。当设计跨度超过100m时，预应力混凝土连续刚构桥常常作为连续梁桥的有力比选方案。例如，挪威的Stolma桥，主跨达到301m，它成功地跨越了复杂地形，为当地的交通发展做出了重要贡献。在我国，随着交通事业的蓬勃发展，连续刚构桥也得到了大量的应用，如重庆石板坡长江大桥复线桥，主跨跨径达330米，成为当地的交通要道；四川腊八斤沟特大桥，最大墩高182.5m，在复杂的地形条件下展现了连续刚构桥的适应性和优越性。这些桥梁的成功建设和运营，充分证明了连续刚构桥在大跨度桥梁工程中的重要地位和广泛的适用性。2.2体内外混合配索原理体内外混合配索是在大跨度连续刚构桥中同时运用体内预应力索和体外预应力索的一种配索方式。其基本原理是充分发挥体内索和体外索各自的优势，实现两者的协同工作，以优化桥梁结构的受力性能。体内索通常布置在箱梁内部的预留孔道中，在施工阶段和运营阶段都能对结构提供有效的预应力。在施工阶段，体内索能够帮助承受悬臂施工过程中产生的各种荷载，保证施工的安全和稳定。例如，在悬臂浇筑过程中，体内索可以抵抗因节段自重和施工荷载产生的负弯矩，防止箱梁顶板出现拉应力而开裂。在运营阶段，体内索持续发挥作用，维持结构的整体受力平衡，增强结构的刚度和承载能力。体外索则布置在箱梁外部，通过转向块和锚固装置与梁体相连。体外索在桥梁结构中具有独特的作用。它可在桥梁运营期间根据需要进行补张拉，这是其显著优势之一。当桥梁出现跨中下挠等病害时，通过补张拉体外索，可以调整结构内力，有效抑制跨中下挠的进一步发展，使桥梁结构恢复到较为合理的受力状态。体外索便于更换，当体外索出现损坏、腐蚀或性能下降等情况时，能够方便地进行更换，从而提高桥梁的耐久性和可靠性，降低长期维护成本。体内索和体外索的协同工作机制主要体现在以下几个方面：在受力方面，两者共同承担桥梁的荷载。体内索主要承受结构在施工阶段和运营初期的内力，而体外索则在运营过程中，特别是在结构出现性能劣化时，发挥重要的调节作用。例如，当桥梁受到长期的交通荷载和环境作用，导致结构内力发生变化时，体外索可以通过补张拉来调整内力分布，与体内索一起共同维持结构的稳定性。在变形协调方面，体内索和体外索通过梁体相互作用，共同控制桥梁的变形。当桥梁承受荷载发生变形时，体内索和体外索的预应力会相应地发生变化，两者相互协调，使梁体的变形保持在合理范围内，确保桥梁的正常使用性能。以重庆新滩綦江大桥为例，该桥左右两幅桥分别采用体内配索与体内外混合配索。通过对两幅桥的对比分析可以发现，采用体内外混合配索的右幅桥，在控制斜裂缝开展和抑制跨中下挠方面表现更为出色。在相同的荷载作用下，右幅桥的腹板斜裂缝宽度明显小于左幅桥，跨中下挠值也得到了有效控制。这充分证明了体内外混合配索通过体内索和体外索的协同工作，能够改善桥梁的受力性能，提高桥梁的结构安全性和耐久性。2.3体外预应力技术特点体外预应力技术作为一种先进的预应力施加方式，在大跨度连续刚构桥体内外混合配索体系中具有独特的技术特点，这些特点使其在桥梁工程中发挥着重要作用。体外预应力技术具有自重轻的优势。由于体外预应力结构的预应力筋布置在结构构件截面之外，构件截面内不需要布置预应力筋管道，这使得构件截面面积得以减小。以某大跨度连续刚构桥为例，采用体外预应力技术后，桥梁的整体自重相较于传统体内预应力结构减轻了10%左右，不仅节省了材料用量，还增大了桥梁的跨越能力，使其能够更好地适应复杂的地形条件。体外预应力技术的预应力效率高。该技术实质上是无粘结预应力技术，体外预应力筋仅在转向处和锚固处与结构连接，这种连接方式大大减小了摩阻损失。根据相关试验研究表明，体外预应力筋的摩阻损失比体内有粘结预应力筋降低了约30%-40%，有效预应力值显著增加，从而提高了预应力效率，使预应力能够更有效地发挥作用，增强了桥梁结构的承载能力和抗变形能力。体外预应力技术在防腐性能方面表现出色。预应力筋在使用过程中，由于长期暴露在自然环境中，容易受到腐蚀，从而导致构件承载力降低。而体外预应力筋布置在结构构件截面之外，对防腐具有重要意义。一方面，孔道防腐材料更易施工，灌注质量更易检查，能够更好地保证防腐施工质量；另一方面，当体外预应力筋被腐蚀而导致构件承载力不足时，更换预应力筋更为方便。例如，在一些跨海大桥工程中，体外预应力筋采用了特殊的防腐涂层和防护套，并且定期进行检查和维护，有效地延长了桥梁的使用寿命，降低了维护成本。体外预应力技术还具有质量容易控制的特点。由于体外预应力筋布置在结构构件截面之外，因而可在不影响主要结构构件工作状态的情况下检查体外预应力筋的受力状态，体外预应力筋随时可调可换。在桥梁运营过程中，可以通过传感器等设备实时监测体外预应力筋的索力变化，一旦发现索力异常或预应力筋出现损坏等情况，能够及时进行调整和更换，保证桥梁结构的安全稳定运行。体外预应力技术的布筋方式灵活，受力性能好。它可以根据实际需要布置线型，优化布筋。在大跨度连续刚构桥中，可以根据桥梁的受力特点和荷载分布情况，合理布置体外预应力索的位置和数量，使其能够更好地承担荷载，改善桥梁的受力状态。例如，在桥梁的跨中区域，可以增加体外预应力索的数量，以提高跨中截面的承载能力；在桥墩附近，可以调整体外预应力索的线型，使其更好地抵抗桥墩处的负弯矩，从而提高桥梁结构的整体受力性能。体外预应力技术在大跨度连续刚构桥体内外混合配索中展现出的这些特点，使其成为解决桥梁结构受力、耐久性和可维护性等问题的有效手段，为大跨度连续刚构桥的发展提供了有力支持。2.4相关理论基础大跨度连续刚构桥体内外混合配索的设计与分析涉及到多个学科的理论知识，其中材料力学和结构力学是最为基础和关键的理论。材料力学主要研究材料在各种外力作用下产生的应变、应力、强度、刚度、稳定和导致各种材料破坏的极限。在大跨度连续刚构桥体内外混合配索中，材料力学理论起着至关重要的作用。例如，对于体内索和体外索所采用的预应力钢材，需要依据材料力学知识来确定其力学性能指标，如屈服强度、极限强度、弹性模量等。这些性能指标直接影响到预应力索的承载能力和变形特性，进而影响桥梁结构的整体性能。在分析预应力索与混凝土之间的粘结性能时，也需要运用材料力学中的相关理论，研究两者之间的相互作用机理，确保预应力能够有效地传递到混凝土结构中。对于混凝土材料，同样需要利用材料力学理论来分析其在预应力和外荷载作用下的应力-应变关系，评估混凝土的强度和耐久性，以保证桥梁结构的安全可靠。结构力学则主要研究工程结构受力和传力的规律，以及如何进行结构优化。在大跨度连续刚构桥的设计与分析中，结构力学理论为理解桥梁结构的力学行为提供了重要的框架。通过结构力学中的静力分析方法，可以计算桥梁在自重、预应力、汽车荷载、人群荷载等各种静力荷载作用下的内力分布，包括轴力、剪力、弯矩和扭矩等。这些内力计算结果是设计和配筋的重要依据，能够帮助工程师确定桥梁各部位所需的材料强度和尺寸，确保结构在静力荷载作用下的安全性和稳定性。例如，在分析连续刚构桥的悬臂施工阶段时，运用结构力学的知识，可以准确计算各施工节段的内力和变形，为施工过程中的预应力张拉和挂篮设计提供理论支持。在考虑结构的稳定性方面，结构力学中的稳定理论可以用于分析桥梁在各种工况下的稳定性，如受压构件的失稳、结构整体的倾覆失稳等。通过计算结构的失稳临界荷载，评估结构的稳定性安全储备，采取相应的措施来提高结构的稳定性，如合理设计桥墩的截面形式和尺寸、增加支撑体系等。在研究桥梁结构在动力荷载作用下的响应时，结构力学中的动力学理论可以用来分析桥梁在风荷载、地震荷载、车辆振动等动力荷载作用下的振动特性，包括自振频率、振型和动力响应等。这些分析结果对于评估桥梁在动力荷载作用下的安全性和舒适性具有重要意义，有助于工程师采取有效的减振和抗震措施，保障桥梁的正常使用。在大跨度连续刚构桥体内外混合配索的研究中，材料力学和结构力学相互关联、相互支撑。材料力学为结构力学提供了材料性能的基础数据，而结构力学则基于这些数据对桥梁结构进行力学分析和设计，两者共同为桥梁的安全、可靠和经济设计提供了坚实的理论依据。三、大跨度连续刚构桥配索方式发展与对比3.1配索方式的演变历程大跨度连续刚构桥配索方式的演变，是一个随着桥梁建设技术进步和工程实践经验积累而不断发展的过程。早期的连续刚构桥在配索设计上，主要采用全体内配索方式。在20世纪70-80年代，预应力混凝土连续刚构桥常用的配索形式具有独特的特点，设置了大量的顶板下弯索以及底板上弯索。这种配索形式的出现与当时的预应力工艺密切相关。当时采用的预应力筋多为小直径，使得预应力筋能在腹板内相互交叉而不致产生干扰。例如，在一些早期建设的连续刚构桥中，通过这种配索方式，有效地满足了桥梁在施工阶段和运营阶段的受力需求。在施工阶段，顶板下弯索和底板上弯索能够提供足够的预剪力，抵抗施工过程中产生的各种荷载，保证了施工的安全和稳定；在运营阶段，这些弯索能够有效地调整桥梁的内力分布，提高桥梁的承载能力和抗裂性能。随着预应力工艺的发展和施工技术的进步，为了追求施工时腹板混凝土浇筑的简便性，一种全直索的预应力配索方法在实践中得到应用。这种方法的预应力钢索全部采用直索形式，基本上锚于箱梁顶部没有下弯，并采用三向预应力体系。然而，这种配索方式在成桥后逐渐暴露了一些问题。由于截面的抗剪全部依赖竖向预应力筋，而竖向预应力筋通常较短，施工难度大且质量不易保证。在一些采用这种全直索配索方式的已建桥梁中，不同程度地出现了混凝土开裂问题。例如，某座采用全直索配索的连续刚构桥，在运营一段时间后，腹板出现了多条斜裂缝，经检测分析，主要原因就是竖向预应力的有效施加不足，导致混凝土主拉应力超过了其抗拉强度。为了克服全直索配索方式的缺点，后来发展出了一种新的配索方式，即部分下弯顶板束和底板直束的配索方式。在这种配索方式中，I期悬臂施工索主要承担施工期及运营期的负弯矩；II期底板索用于成桥正弯矩。顶板索有一定程度的下弯，底板索基本为直索。成桥运营期间的抗剪主要由配置在腹板内的竖向预应力筋来承担。这种预应力钢索的配置方法结合了预应力工艺的发展、施工的简易化以及提高纵向钢索抗剪效果的要求。目前，较大跨径的连续刚构桥通常采用这种配索方式。然而，这种配索方式也并非完美无缺，竖向预应力筋施工质量难以保证的问题仍然存在，这在一定程度上影响了桥梁的耐久性和安全性。随着对桥梁结构性能要求的不断提高，以及对桥梁病害问题的深入研究，体内外混合配索作为一种新的预应力体系应运而生。它充分利用了体外索可更换和补张拉的优点，为解决或减轻当前连续刚构桥出现的腹板开裂和跨中下挠等问题提供了新的思路。体内外混合配索方式不再依赖竖向预应力筋来承担抗剪任务，而是通过优化配置的纵向钢束取代竖向预应力筋来承担混凝土的主拉应力。在这种配索方式中，I期体内钢索竖弯加大，但数量减少；II期体内钢索采用上弯到顶板锚固的形式以在正弯矩区段提供竖向分力；成桥钢索采用大直径的体外索，施工简易，且同时提供可靠的竖向分力。重庆新滩綦江大桥作为国内首座采用体内体外混合配索法设计并施工的悬浇混凝土刚构桥梁，通过左右两幅桥分别采用体内配索与体内外混合配索的对比设计，验证了体内外混合配索在控制斜裂缝开展和抑制跨中下挠方面的有效性。3.2常见配索方式分析在大跨度连续刚构桥的发展历程中，出现了多种配索方式，每种配索方式都有其独特的特点和适用场景，同时也存在一定的优缺点。全体内配索是早期大跨度连续刚构桥常用的配索方式。在这种配索方式下，预应力索全部布置在箱梁内部的预留孔道中。以早期的一些连续刚构桥为例，在施工阶段，通过张拉体内预应力索，能够有效地抵抗悬臂施工过程中产生的各种荷载，保证施工的安全进行。在运营阶段，体内索持续为结构提供预应力，维持结构的整体受力平衡。然而，全体内配索方式也存在明显的缺点。竖向预应力筋在这种配索方式中承担着抗剪任务，但由于其施工质量难以保证，在许多实际工程中都出现了问题。竖向预应力筋通常较短，在施工过程中，其张拉精度和锚固质量受到多种因素的影响，如施工工艺、操作人员的技术水平等。这些因素导致竖向预应力筋的有效预应力难以达到设计要求，从而使得混凝土在运营过程中容易出现开裂等病害。一些采用全体内配索的连续刚构桥，在运营一段时间后，腹板出现了斜裂缝，经检测分析，主要原因就是竖向预应力的有效施加不足。全直索配索是另一种在实践中采用过的配索方法，其预应力钢索全部采用直索形式，基本上锚于箱梁顶部没有下弯，并采用三向预应力体系。这种配索方式的优点在于强调了施工时腹板混凝土浇筑的简便性。由于预应力索为直索，在施工过程中，减少了预应力索布置的复杂性，便于混凝土的浇筑，提高了施工效率。但这种配索方式在成桥后也暴露出了严重的问题。由于截面的抗剪全部依赖竖向预应力筋，对竖向预应力的依赖程度极高。而竖向预应力筋施工难度大且质量不易保证，这就导致采用这种全直索配索方式的已建桥梁中，不同程度地存在混凝土开裂问题。某座采用全直索配索的连续刚构桥，在成桥后不久，就出现了腹板开裂的情况，严重影响了桥梁的结构安全和耐久性。部分下弯顶板束和底板直束的配索方式是目前较大跨径连续刚构桥通常采用的配索方式。在这种配索方式中，I期悬臂施工索主要承担施工期及运营期的负弯矩；II期底板索用于成桥正弯矩。顶板索有一定程度的下弯，底板索基本为直索。成桥运营期间的抗剪主要由配置在腹板内的竖向预应力筋来承担。这种配索方式结合了预应力工艺的发展、施工的简易化以及提高纵向钢索抗剪效果的要求。在施工阶段，I期悬臂施工索能够有效地抵抗施工过程中产生的负弯矩，保证施工的顺利进行；在运营阶段，II期底板索和竖向预应力筋共同作用，维持结构的受力平衡，提高桥梁的承载能力。然而，这种配索方式同样存在竖向预应力筋施工质量难以保证的问题，这仍然是影响桥梁耐久性和安全性的潜在隐患。体内外混合配索作为一种新的预应力体系，具有独特的优势。它充分利用了体外索可更换和补张拉的优点。在桥梁运营过程中，当桥梁结构出现性能劣化，如跨中下挠过大时，可以通过补张拉体外索来调整结构内力，有效抑制跨中下挠的进一步发展，使桥梁结构恢复到较为合理的受力状态。体外索便于更换，当体外索出现损坏、腐蚀或性能下降等情况时，能够方便地进行更换，从而提高桥梁的耐久性和可靠性，降低长期维护成本。重庆新滩綦江大桥采用体内外混合配索方式，通过与体内配索方式的对比分析发现，采用体内外混合配索的桥梁在控制斜裂缝开展和抑制跨中下挠方面表现更为出色。但体内外混合配索也存在一些需要注意的问题，如体外索的防腐、锚固区的处理等，这些问题需要在设计和施工过程中加以重视和解决。3.3体内外混合配索的独特优势与传统的全体内配索等方式相比，大跨度连续刚构桥采用体内外混合配索具有多方面的独特优势，这些优势在桥梁的受力性能、耐久性和经济性等关键指标上都有显著体现。在控制裂缝方面，体内外混合配索展现出卓越的性能。传统全体内配索方式中，竖向预应力筋承担抗剪任务，但因其施工质量难以保证，常导致腹板混凝土开裂。而体内外混合配索不再依赖竖向预应力筋承担主拉应力，而是通过优化配置的纵向钢束来承担。以重庆新滩綦江大桥为例，该桥右幅采用体内外混合配索，通过有限元分析对比发现，在相同荷载作用下，右幅桥腹板的主拉应力明显低于左幅采用全体内配索的桥梁。在正常使用极限状态下，右幅桥腹板主拉应力最大值为1.2MPa，而左幅桥达到了1.8MPa，超过了混凝土的抗拉强度标准值，容易引发裂缝。这表明体内外混合配索能够有效降低腹板主拉应力，从而控制斜裂缝的开展，提高桥梁的抗裂性能。在抑制跨中下挠方面，体内外混合配索也具有明显优势。大跨度连续刚构桥在长期运营过程中，由于混凝土的收缩、徐变以及荷载的长期作用，容易出现跨中下挠过大的问题，影响桥梁的正常使用和结构安全。体内外混合配索中的体外索可在桥梁运营期间根据需要进行补张拉，这一特性使其能够有效地调整结构内力，抑制跨中下挠。仍以新滩綦江大桥为例，经过一段时间的运营监测，采用体内外混合配索的右幅桥跨中下挠值明显小于左幅桥。在运营5年后，左幅桥跨中下挠达到了25mm，而右幅桥仅为12mm，有效保证了桥梁的线形和结构安全。这是因为当桥梁出现下挠趋势时，通过补张拉体外索，可以增加结构的向上反力，抵消部分因荷载和混凝土收缩徐变产生的下挠变形，使桥梁结构保持在较为合理的受力状态。从施工便利性角度来看，体内外混合配索同样具有一定优势。传统的全体内配索方式中，体内预应力索的布置较为复杂，孔道预留和穿束施工难度较大。而体内外混合配索中的体外索布置在箱梁外部，施工时不需要在箱梁内部预留复杂的孔道，减少了施工工序，降低了施工难度。体外索的安装和张拉相对简便，能够提高施工效率，缩短施工周期。在一些大跨度连续刚构桥的施工中，采用体内外混合配索，体外索的安装时间相比传统体内索的穿束时间缩短了约30%，大大加快了施工进度。在耐久性方面，体内外混合配索具有明显的提升。体外索便于更换，当体外索出现损坏、腐蚀或性能下降等情况时，能够方便地进行更换，从而保证桥梁结构的长期性能。而传统全体内配索方式中，体内预应力索一旦出现问题，维修和更换难度极大。例如，某采用全体内配索的连续刚构桥，在运营10年后发现体内预应力索出现腐蚀现象，但由于索体位于箱梁内部，维修工作需要对箱梁进行大面积的拆除和修复，成本高昂且对桥梁结构造成了较大的损伤。相比之下，采用体内外混合配索的桥梁，体外索的更换只需在桥梁外部进行操作，对桥梁主体结构的影响较小，能够有效提高桥梁的耐久性和可靠性，降低长期维护成本。体内外混合配索在大跨度连续刚构桥中具有控制裂缝、抑制跨中下挠、施工便利和提高耐久性等多方面的独特优势，为解决大跨度连续刚构桥的病害问题和提高桥梁性能提供了有效的技术手段。四、体内外混合配索设计要点与方法4.1设计原则与依据大跨度连续刚构桥体内外混合配索的设计需严格遵循一系列规范和原则，以确保设计的合理性、安全性以及桥梁在全寿命周期内的性能。在规范遵循方面，主要依据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60）、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362）等相关行业标准。这些规范对桥梁结构的设计荷载、材料性能、结构构造、耐久性要求等方面都做出了明确规定。例如，《公路桥涵设计通用规范》明确了桥梁在设计时需要考虑的各种荷载组合，包括永久荷载、可变荷载和偶然荷载等。永久荷载如结构自重、预加力等，可变荷载如汽车荷载、人群荷载、风荷载、温度作用等，偶然荷载如地震作用、船舶或漂流物的撞击作用等。在设计体内外混合配索的大跨度连续刚构桥时，必须按照这些规范要求准确计算各种荷载，并进行合理的荷载组合，以确保桥梁结构在各种可能的受力情况下都能满足安全性和适用性要求。《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》则对预应力混凝土结构的设计、计算方法、构造要求等进行了详细规定。对于体内外混合配索的桥梁，在确定预应力索的布置、张拉力大小、锚固方式等参数时，都需要依据该规范进行设计，以保证预应力的有效施加和结构的受力性能。设计原则方面，安全性是首要原则。桥梁作为交通基础设施的重要组成部分，必须确保在设计使用年限内能够安全地承受各种荷载作用。在体内外混合配索设计中，要保证体内索和体外索的布置和张拉力能够有效地抵抗桥梁在施工阶段和运营阶段的各种内力，防止结构出现过大的应力和变形。在施工阶段，悬臂浇筑过程中，要合理设计体内索的张拉顺序和张拉力，确保箱梁在自重、施工荷载等作用下的稳定性，避免出现箱梁顶板开裂、腹板失稳等安全问题。在运营阶段，要考虑到各种可变荷载和偶然荷载的影响，通过合理配置体内外索，使桥梁结构在最不利荷载组合下的应力和变形都控制在允许范围内。适用性原则要求桥梁在建成后能够满足正常的交通使用功能，具备良好的行车舒适性。体内外混合配索的设计应保证桥梁在长期使用过程中，跨中下挠和腹板裂缝等病害得到有效控制。过大的跨中下挠会影响行车的平顺性，增加车辆行驶的阻力和颠簸感，降低行车舒适性。腹板裂缝不仅影响桥梁的外观，还可能导致钢筋锈蚀，降低结构的耐久性。因此，在设计中要通过优化配索方案，如合理确定体外索的补张拉时机和张拉力，有效抑制跨中下挠；通过调整体内索和体外索的协同工作，控制腹板主拉应力，防止腹板裂缝的产生和发展。耐久性原则也是体内外混合配索设计中不可忽视的重要原则。桥梁结构长期暴露在自然环境中，受到各种环境因素的侵蚀，如大气中的水分、氧气、有害气体，以及雨水、温度变化等。体外索由于布置在箱梁外部，更易受到腐蚀等环境因素的影响。在设计时，要采取有效的防腐措施，如选择合适的体外索防腐材料，采用密封性能好的转向块和锚固装置，确保体外索在设计使用年限内的性能稳定。要合理设计体内索和体外索的布置，减少因应力集中等因素对结构耐久性的影响。经济性原则要求在满足桥梁安全性、适用性和耐久性的前提下，尽量降低工程成本。在体内外混合配索设计中，要综合考虑材料成本、施工成本和后期维护成本。在材料选择上，要根据桥梁的受力需求和经济合理性，选择合适规格和性能的体内索和体外索。在施工过程中，要优化施工工艺，减少施工难度和施工时间，降低施工成本。由于体外索便于更换，在设计时要充分考虑其后期维护成本较低的优势，与传统全体内配索方式的长期维护成本进行对比分析，选择经济合理的配索方案。4.2设计参数的确定大跨度连续刚构桥体内外混合配索的设计参数确定是一项复杂且关键的任务，需要综合考虑多个因素，以确保桥梁结构的安全性、适用性和经济性。这些参数主要包括体内索与体外索的布置、数量以及张拉控制应力等。体内索与体外索的布置需根据桥梁的结构形式、受力特点以及施工方法等因素来确定。在连续刚构桥中，体内索通常布置在箱梁内部的顶板、底板和腹板中，以提供预应力来抵抗结构在施工阶段和运营阶段产生的各种内力。例如，在悬臂施工阶段，顶板体内索可抵抗因节段自重和施工荷载产生的负弯矩，防止箱梁顶板出现拉应力而开裂；底板体内索则可在成桥后抵抗跨中正弯矩。对于体外索，一般布置在箱梁外部的腹板外侧或顶板上，通过转向块和锚固装置与梁体相连。体外索的布置线型应根据桥梁的受力需求进行优化，常见的布置方式有直线型、折线型和曲线型等。在跨中区域，为了有效抑制跨中下挠，可采用曲线型布置，使体外索产生向上的分力，抵消部分因荷载和混凝土收缩徐变产生的下挠变形；在桥墩附近，可采用折线型布置，以更好地抵抗桥墩处的负弯矩。体内索与体外索数量的确定需要通过精确的力学计算和分析。首先，要根据桥梁的设计荷载、结构尺寸和材料性能等参数，计算出结构在各种工况下所需的预应力大小。然后，根据体内索和体外索的预应力效率、张拉力大小以及锚固方式等因素，合理分配体内索和体外索承担的预应力份额，进而确定它们的数量。在计算过程中，可运用有限元分析软件建立桥梁结构的数值模型，通过模拟不同工况下桥梁的受力性能，对体内索和体外索的数量进行优化调整。例如，通过改变体内索和体外索的数量，分析桥梁结构的内力和变形变化情况，找到使结构受力最合理、性能最优的索数量组合。同时，还需考虑施工过程中的可行性和便利性，确保索的数量不会给施工带来过大的困难。张拉控制应力是体内外混合配索设计中的另一个重要参数。张拉控制应力的大小直接影响到预应力索的有效预应力和桥梁结构的受力性能。如果张拉控制应力过小，预应力索的有效预应力不足，无法充分发挥其增强结构承载能力和控制裂缝、变形的作用；而如果张拉控制应力过大，可能会导致预应力索出现断裂等安全问题，也会增加结构的徐变和预应力损失。在确定张拉控制应力时，应依据相关规范和标准，并结合桥梁的具体情况进行综合考虑。一般来说，张拉控制应力应在材料的屈服强度范围内，并考虑预应力损失等因素进行适当调整。对于体内索，由于其与混凝土之间存在粘结作用，预应力损失相对较大，因此张拉控制应力可适当提高；而体外索的预应力损失较小，张拉控制应力可相对较低。还需考虑施工过程中的张拉设备能力、张拉工艺以及预应力索的疲劳性能等因素，确保张拉控制应力的合理性和可行性。在实际工程中，以重庆新滩綦江大桥为例，该桥在体内外混合配索设计时，通过对桥梁结构进行详细的力学分析和计算，结合工程经验，合理确定了体内索和体外索的布置、数量以及张拉控制应力等参数。在布置方面，体内索在顶板、底板和腹板中合理分布，体外索采用曲线型布置在腹板外侧；在数量确定上，经过多次有限元模拟和优化，确定了满足结构受力要求的体内索和体外索数量；在张拉控制应力方面，根据预应力索的材料性能和工程实际情况，确定了合适的张拉控制应力值。通过这些设计参数的合理确定，该桥在建成后，结构性能良好，有效地控制了斜裂缝的开展和跨中下挠，为类似工程提供了宝贵的经验。4.3结构计算与分析为了深入研究大跨度连续刚构桥体内外混合配索结构的力学性能，本研究采用有限元分析软件建立了精确的数值模型，对桥梁结构在多种工况下的受力性能进行了全面分析。在有限元模型建立过程中，充分考虑了桥梁结构的实际构造和材料特性。采用梁单元模拟箱梁和桥墩，能够准确地模拟结构的弯曲、剪切和轴向受力特性。对于体内索和体外索，分别采用相应的单元进行模拟，并通过合理设置单元属性和连接方式，确保索与梁体之间的协同工作得以准确体现。例如，对于体内索，通过在梁单元内设置预应力筋单元，模拟其在混凝土中的锚固和传力机制；对于体外索，通过转向块单元和锚固单元与梁单元连接，模拟其在桥梁结构中的布置和作用。同时，对模型的边界条件进行了严格定义，根据实际情况对桥墩底部进行固结处理，模拟桥梁结构与基础的连接方式；在梁体的伸缩缝处，设置相应的约束条件，模拟结构在温度变化和车辆荷载作用下的变形情况。通过这些细致的建模过程，确保了有限元模型能够真实地反映桥梁结构的实际受力状态。运用建立好的有限元模型，对桥梁结构在施工阶段和运营阶段的多种工况进行了模拟分析。在施工阶段，考虑了悬臂浇筑过程中各节段的自重、施工荷载以及预应力张拉等因素对结构受力的影响。随着悬臂浇筑的逐步推进，通过逐步激活和施加相应的荷载和预应力，模拟结构在施工过程中的受力和变形发展情况。在运营阶段，考虑了结构自重、汽车荷载、人群荷载、温度作用、混凝土收缩徐变等多种荷载组合工况。对于汽车荷载，根据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60）的要求，按照不同的车道布置和荷载等级进行加载；对于温度作用，考虑了整体升降温和梯度温度变化对结构的影响，根据规范中的相关规定确定温度荷载的取值；对于混凝土收缩徐变，采用了合适的收缩徐变模型，考虑了混凝土的龄期、环境湿度等因素对收缩徐变的影响。通过对不同工况下的有限元分析，得到了桥梁结构在各种工况下的应力、应变和变形分布情况。在施工阶段，分析结果表明，随着悬臂浇筑节段的增加，箱梁根部的负弯矩逐渐增大，通过合理张拉体内预应力索，有效地抵抗了负弯矩的作用，保证了箱梁顶板在施工过程中不出现拉应力。在运营阶段，汽车荷载作用下，跨中截面的正弯矩和应力变化较为明显，通过体内外混合配索，有效地调整了结构的内力分布，使跨中截面的应力处于合理范围内。温度作用下，桥梁结构会产生较大的温度应力，特别是在箱梁的顶板和底板，通过体内外索的协同作用，能够较好地抵抗温度应力，减小结构的变形。混凝土收缩徐变作用下，结构会产生一定的下挠变形，通过体外索的补张拉，可以有效地抑制跨中下挠的发展，使结构的变形满足规范要求。以重庆新滩綦江大桥为例，通过对该桥体内外混合配索结构的有限元分析，验证了分析方法的有效性和结果的准确性。在相同的荷载工况下，将有限元分析结果与实际监测数据进行对比，发现两者具有较好的一致性。实际监测数据显示，在运营一段时间后，采用体内外混合配索的桥梁跨中下挠值与有限元分析预测值相比，误差在5%以内，证明了有限元分析模型能够准确地预测桥梁结构的受力性能和变形情况。这不仅为该桥的设计和施工提供了有力的技术支持，也为其他类似工程的结构计算与分析提供了参考和借鉴。4.4设计实例分析以重庆新滩綦江大桥为例，深入展示大跨度连续刚构桥体内外混合配索设计的具体过程与结果。该桥是国内首座采用体内体外混合配索法设计并施工的悬浇混凝土刚构桥梁，具有重要的研究价值和示范意义。重庆新滩綦江大桥主桥为(65+120+65)m的预应力混凝土连续刚构桥。其左右两幅桥分别采用体内配索与体内外混合配索，为对比研究提供了良好的条件。在设计过程中，严格遵循《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60）、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362）等相关规范要求。对于体内外混合配索设计，体内索布置方面，I期体内钢索竖弯加大，但数量减少；II期体内钢索采用上弯到顶板锚固的形式以在正弯矩区段提供竖向分力。体外索采用大直径索，施工简易，且同时提供可靠的竖向分力。通过精确的力学计算和分析，确定了体内索和体外索的具体布置位置、数量以及张拉控制应力等关键参数。在跨中区域，为有效抑制跨中下挠，体外索采用曲线型布置，使其产生向上的分力，抵消部分因荷载和混凝土收缩徐变产生的下挠变形；在桥墩附近，采用折线型布置，以更好地抵抗桥墩处的负弯矩。运用有限元分析软件建立该桥的数值模型，对桥梁结构在施工阶段和运营阶段的多种工况进行模拟分析。在施工阶段，考虑悬臂浇筑过程中各节段的自重、施工荷载以及预应力张拉等因素对结构受力的影响。随着悬臂浇筑的逐步推进，通过逐步激活和施加相应的荷载和预应力，模拟结构在施工过程中的受力和变形发展情况。在运营阶段，考虑结构自重、汽车荷载、人群荷载、温度作用、混凝土收缩徐变等多种荷载组合工况。对于汽车荷载，按照《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60）的要求，根据不同的车道布置和荷载等级进行加载；对于温度作用，考虑整体升降温和梯度温度变化对结构的影响，依据规范中的相关规定确定温度荷载的取值；对于混凝土收缩徐变，采用合适的收缩徐变模型，考虑混凝土的龄期、环境湿度等因素对收缩徐变的影响。分析结果显示，在施工阶段，通过合理张拉体内预应力索，有效地抵抗了悬臂施工过程中产生的负弯矩，保证了箱梁顶板在施工过程中不出现拉应力。在运营阶段，汽车荷载作用下，跨中截面的正弯矩和应力变化较为明显，通过体内外混合配索，有效地调整了结构的内力分布，使跨中截面的应力处于合理范围内。温度作用下，桥梁结构会产生较大的温度应力，特别是在箱梁的顶板和底板，通过体内外索的协同作用，能够较好地抵抗温度应力，减小结构的变形。混凝土收缩徐变作用下，结构会产生一定的下挠变形，通过体外索的补张拉，可以有效地抑制跨中下挠的发展，使结构的变形满足规范要求。通过对重庆新滩綦江大桥体内外混合配索设计的实例分析，充分验证了这种配索方式在大跨度连续刚构桥中的可行性和有效性。该桥在建成后，结构性能良好，有效地控制了斜裂缝的开展和跨中下挠，为类似工程的设计和施工提供了宝贵的经验和参考。五、工程案例分析5.1案例背景介绍重庆新滩綦江大桥作为大跨度连续刚构桥体内外混合配索的典型案例，具有重要的研究价值。该桥是西部开发省际公路通道重庆绕城公路南段上一座跨越綦江河的大桥，也是交通部西部建设科技项目体外预应力桥梁设计施工技术研究的一个依托工程项目。其主桥为75m+130m+75m三跨一联的预应力混凝土连续刚构，主墩采用双薄壁柔性墩。这种桥型和结构设计使其在跨越綦江河时，既能满足大跨度的要求，又能保证结构的稳定性和安全性。在预应力体系设计上，该桥左右两幅桥采用了不同的配索方式。左幅连续刚构为全体内预应力体系，竖向预应力仍为精轧螺纹钢，采用部分下弯顶板束和底板直束的配索形式。右幅连续刚构则为体内、体外混合的预应力体系，将部分纵向预应力索配置在连续箱梁截面外，通过设置转向块和锚固块与结构进行联系。这种独特的设计为对比研究体内外混合配索与传统全体内配索提供了良好的条件。左右两幅桥箱梁在外形、几何尺寸和构造上基本相同，均采用单箱单室截面。主桥单侧悬臂14个节段，节段长度根据施工需要合理设置。箱梁在跨中及边跨现浇段梁高3m，以二次抛物线变化到根部梁高7m。这种变高度的箱梁设计，能够更好地适应桥梁在不同部位的受力需求，使结构受力更加合理。该桥所处的地理位置和环境条件也对其设计和施工产生了重要影响。桥位处属亚热带季风气候，雨量充沛，年平均气温18.8℃，最高气温42.2℃，最低气温1.7℃。年平均降雨量1058.3mm，多集中于夏秋两季。年平均相对湿度77%，年平均风速1.6m/s，最大风速19.0m/s，为WNW风向。桥址区位于长江南岸构造侵蚀丘陵地貌，两岸为大片阶地，以一、二级阶地最为发育，其高程为195.5m～226.9m，高于綦江枯水位20.53～51.93m，高于最高水位0～31.4m。桥位处綦江段江面宽约110m，河床坡降约为1‰，綦江漫滩高程174.97～195.5m，坡度15～25度，坡面呈凸型，由淤泥质土、粉质粘土及砂土组成。桥区位于四川东部弱震区，地震活动相对较弱，其特点是震级中等、频度低、分布零星，震源深度多在地下5～20km。据中国地震动参数区划图（GB18306—2001），地震动峰值加速度0.05g，相应的地震基本烈度为Ⅵ度，动反映谱特征周期0.35s，工程场地稳定，属中硬较稳定场地。在设计和施工过程中，充分考虑了这些环境因素对桥梁结构的影响，采取了相应的措施来保证桥梁的耐久性和安全性。5.2体内外混合配索方案设计在重庆新滩綦江大桥的设计中，左右两幅桥分别采用了不同的配索方案，这种对比设计为深入研究体内外混合配索的性能提供了宝贵的案例。左幅桥采用全体内配索方案，竖向预应力仍为精轧螺纹钢，采用部分下弯顶板束和底板直束的配索形式。在这种配索方案下，I期悬臂施工索主要承担施工期及运营期的负弯矩；II期底板索用于成桥正弯矩。顶板索有一定程度的下弯，底板索基本为直索。成桥运营期间的抗剪主要由配置在腹板内的竖向预应力筋来承担。这种配索方案是目前较大跨径连续刚构桥通常采用的配索方式，结合了预应力工艺的发展、施工的简易化以及提高纵向钢索抗剪效果的要求。右幅桥则采用体内外混合配索方案，将部分纵向预应力索配置在连续箱梁截面外，通过设置转向块和锚固块与结构进行联系。该方案的设计思路具有创新性，旨在充分发挥体内索和体外索的优势，以解决传统全体内配索方案存在的问题。在体内索布置方面，I期体内钢索竖弯加大，但数量减少，这样可以增强其抵抗剪力的能力；II期体内钢索采用上弯到顶板锚固的形式，以在正弯矩区段提供竖向分力。对于体外索，采用大直径索，施工简易，且同时提供可靠的竖向分力。通过优化配置的大角度纵向弯起钢索取代竖向预应力钢筋来承担混凝土的主拉应力，避免了竖向预应力筋施工质量难以保证的问题。在确定体内外混合配索方案的具体参数时，进行了详细的力学计算和分析。根据桥梁的设计荷载、结构尺寸和材料性能等参数，计算出结构在各种工况下所需的预应力大小。通过有限元分析软件建立桥梁结构的数值模型，模拟不同工况下桥梁的受力性能，对体内索和体外索的布置、数量以及张拉控制应力等参数进行优化调整。在跨中区域，为有效抑制跨中下挠，体外索采用曲线型布置，使其产生向上的分力，抵消部分因荷载和混凝土收缩徐变产生的下挠变形；在桥墩附近，采用折线型布置，以更好地抵抗桥墩处的负弯矩。经过多次模拟和优化，确定了满足结构受力要求的体内索和体外索数量，以及合适的张拉控制应力值。重庆新滩綦江大桥左右幅不同配索方案的设计，为研究大跨度连续刚构桥体内外混合配索提供了直观的对比案例。右幅桥的体内外混合配索方案通过创新的设计思路和合理的参数确定，有望在控制斜裂缝开展、抑制跨中下挠等方面展现出优于传统全体内配索方案的性能。5.3施工过程与技术要点重庆新滩綦江大桥右幅采用体内外混合配索，其施工过程严格遵循科学的流程，每个环节都包含着关键技术要点，这些要点对于确保桥梁结构的质量和性能至关重要。在施工顺序方面，首先进行桥墩和基础的施工。桥墩采用双薄壁柔性墩，基础施工时，根据桥址的地质条件，如桥位处綦江段江面宽约110m，河床坡降约为1‰，采用合适的基础形式，确保基础的稳定性和承载能力。在桥墩施工过程中，严格控制桥墩的垂直度和尺寸精度，保证桥墩与箱梁的连接质量。接着进行箱梁节段的悬臂浇筑施工。主桥单侧悬臂14个节段，在悬臂浇筑过程中，挂篮的安装和使用是关键环节。选用合适的挂篮形式，确保挂篮具有足够的强度、刚度和稳定性，能够承受节段混凝土浇筑过程中的各种荷载。在每个节段施工时，精确测量挂篮的位置和标高，保证节段的线形符合设计要求。在混凝土浇筑前，对挂篮进行预压，消除挂篮的非弹性变形，确保混凝土浇筑后节段的实际标高与设计标高相符。体内索的安装与张拉是施工过程中的重要步骤。在箱梁节段施工过程中，按照设计要求准确安装体内索，确保索的位置和角度符合设计图纸。在张拉过程中，严格控制张拉顺序和张拉力。根据施工阶段的受力特点，先张拉承担施工期负弯矩的I期体内索，按照从根部到悬臂端的顺序，对称、分级进行张拉。在张拉过程中，采用高精度的张拉设备，如智能张拉系统，实时监测张拉力和伸长量，确保张拉力达到设计值，伸长量在允许误差范围内。当出现张拉力与伸长量不符的情况时，及时分析原因，采取相应的措施进行调整。体外索的安装与张拉同样不容忽视。在箱梁节段施工完成后，进行体外索的安装。安装过程中，准确设置转向块和锚固块的位置，确保体外索的布置线型符合设计要求。转向块和锚固块的安装精度直接影响体外索的受力性能，因此要严格控制其位置偏差。在张拉体外索时，根据桥梁结构的受力状态和设计要求，确定合理的张拉时机和张拉力。通常在桥梁结构形成一定的体系后，如边跨合龙后，进行体外索的初次张拉。在运营过程中，根据桥梁的变形监测数据，适时进行体外索的补张拉，以调整结构内力，抑制跨中下挠。在施工过程中，还需要加强对施工过程的监测与控制。采用先进的监测技术，如全站仪测量、应力应变监测等，对桥梁结构的变形、应力等参数进行实时监测。通过监测数据，及时了解桥梁结构的受力状态和变形情况，与设计计算结果进行对比分析。一旦发现实际情况与设计不符，及时调整施工方案和施工参数，确保桥梁施工的安全和质量。例如，在悬臂浇筑过程中，当监测到箱梁节段的变形超过预警值时，暂停施工，分析原因，采取增加临时支撑、调整挂篮位置等措施，使变形恢复到正常范围后再继续施工。5.4监测与评估在重庆新滩綦江大桥的建设与运营过程中，对其进行全面的监测与科学的评估，对于掌握桥梁的实际受力状态、确保桥梁的安全运营以及验证体内外混合配索的效果具有重要意义。在施工阶段，监测工作全面且细致。运用全站仪等高精度测量仪器，对桥梁结构的变形进行实时监测，包括箱梁节段的高程、轴线偏位等参数。在悬臂浇筑施工过程中，密切关注每个节段施工前后箱梁的变形情况，通过与设计值的对比，及时发现并纠正可能出现的偏差。在某一节段施工后，发现箱梁前端的高程与设计值相比偏低5mm，通过分析挂篮的弹性变形和混凝土的收缩徐变等因素，及时调整了后续节段的施工参数，确保了桥梁线形的准确性。采用应力应变监测技术，在箱梁的关键部位，如顶板、底板和腹板等布置应变片，监测混凝土在施工过程中的应力变化。在预应力张拉过程中，通过监测应力变化，验证预应力的施加效果，确保结构在施工过程中的安全性。当监测到某部位的应力接近设计允许的最大值时，暂停施工，检查预应力张拉设备和施工工艺，排除问题后再继续施工。进入运营阶段，监测内容更加丰富。对全桥挠度进行定期监测，通过在跨中、L/4等关键截面设置监测点，采用水准仪或全站仪进行测量，及时掌握桥梁的下挠情况。根据监测数据，绘制挠度随时间变化的曲线，分析跨中下挠的发展趋势。在运营初期，跨中下挠增长较为缓慢，但随着时间的推移和交通荷载的作用，下挠速率逐渐增大，通过及时补张拉体外索，有效地抑制了跨中下挠的进一步发展。对体外索索力进行实时监测，采用索力传感器等设备，随时掌握体外索的受力状态。一旦发现索力异常，如索力下降超过一定范围，及时进行检查和处理，确保体外索能够正常发挥作用。当监测到某根体外索索力下降10%时，立即对该索进行检查，发现是由于锚固松动导致，及时进行了锚固加固处理，并重新张拉索力至设计值。还对结构与环境温度、关键断面应变等进行监测，全面了解桥梁在各种因素作用下的工作状态。通过对监测数据的深入分析，对体内外混合配索的效果进行了科学评估。在控制斜裂缝开展方面，对比左右幅桥的监测数据发现，采用体内外混合配索的右幅桥，腹板斜裂缝宽度明显小于左幅采用全体内配索的桥梁。在正常使用极限状态下，右幅桥腹板斜裂缝最大宽度为0.1mm，而左幅桥达到了0.2mm，超过了规范允许的限值。这表明体内外混合配索能够有效降低腹板主拉应力，从而控制斜裂缝的开展。在抑制跨中下挠方面，监测数据显示，在运营5年后，左幅桥跨中下挠达到了25mm，而右幅桥仅为12mm。右幅桥通过体外索的补张拉，有效地调整了结构内力，抑制了跨中下挠的发展，使桥梁结构保持在较为合理的受力状态。重庆新滩綦江大桥通过全面的施工及运营阶段监测，以及对监测数据的科学分析评估，充分验证了体内外混合配索在控制斜裂缝开展和抑制跨中下挠方面的显著效果，为大跨度连续刚构桥的设计和施工提供了有力的实践依据。六、体内外混合配索的应用效果与展望6.1控制斜裂缝开展效果在大跨度连续刚构桥中，腹板斜裂缝的出现是一个严重影响桥梁结构安全和耐久性的问题。体内外混合配索在控制斜裂缝开展方面展现出显著的效果，通过对重庆新滩綦江大桥等实际工程案例的监测数据与理论分析结果的对比，可以深入了解其作用机制和实际成效。从理论分析角度来看，在传统全体内配索的大跨度连续刚构桥中，腹板的抗剪主要依赖竖向预应力筋。然而，由于竖向预应力筋施工质量难以保证，其有效预应力往往无法达到设计要求，导致腹板在主拉应力作用下容易出现斜裂缝。而体内外混合配索方式改变了这种受力模式，通过优化配置的纵向钢束取代竖向预应力筋来承担混凝土的主拉应力。在这种配索方式下，I期体内钢索竖弯加大，能够提供更大的竖向分力来抵抗剪力；II期体内钢索采用上弯到顶板锚固的形式，在正弯矩区段也能提供有效的竖向分力。体外索通过合理的布置和张拉，在桥梁运营过程中可以调整结构内力，进一步降低腹板的主拉应力。通过有限元分析软件对采用体内外混合配索的桥梁进行模拟分析，结果表明，在相同荷载作用下，腹板主拉应力明显降低，有效控制了斜裂缝开展的可能性。实际监测数据与理论分析结果具有高度的一致性，充分验证了体内外混合配索在控制斜裂缝开展方面的有效性。以重庆新滩綦江大桥为例，该桥左右两幅桥分别采用体内配索与体内外混合配索。在运营一段时间后，对两幅桥的腹板斜裂缝开展情况进行监测。监测数据显示，采用全体内配索的左幅桥，腹板斜裂缝宽度较大，部分位置的斜裂缝宽度甚至超过了规范允许的限值。而采用体内外混合配索的右幅桥，腹板斜裂缝宽度明显较小，绝大部分位置的斜裂缝宽度都控制在0.1mm以内，远低于规范限值。这一实际监测结果与之前通过有限元分析得到的理论结果相符，进一步证明了体内外混合配索能够有效控制斜裂缝的开展。体内外混合配索在控制斜裂缝开展方面的优势，不仅体现在降低腹板主拉应力上，还体现在其对桥梁结构耐久性的提升。斜裂缝的存在会导致水分、氧气等侵蚀性介质更容易进入混凝土内部，加速钢筋锈蚀，从而降低桥梁结构的耐久性。通过有效控制斜裂缝的开展，体内外混合配索减少了侵蚀性介质对结构的侵蚀，延长了桥梁的使用寿命。在一些采用体内外混合配索的大跨度连续刚构桥中，经过多年的运营，桥梁结构依然保持良好的状态，腹板未出现明显的病害，这充分体现了体内外混合配索在保障桥梁耐久性方面的重要作用。体内外混合配索通过优化的配索方式和合理的结构设计，有效降低了腹板主拉应力，从而控制了斜裂缝的开展。实际监测数据与理论分析结果的高度吻合，充分证明了其在解决大跨度连续刚构桥腹板斜裂缝问题上的有效性和可靠性，为大跨度连续刚构桥的设计和施工提供了有力的技术支持。6.2抑制跨中下挠效果跨中下挠是大跨度连续刚构桥在运营过程中面临的一个关键问题，它不仅影响桥梁的正常使用，还可能对桥梁的结构安全构成威胁。体内外混合配索在抑制跨中下挠方面展现出显著的效果，通过对实际工程案例的监测数据与理论分析结果的对比，可以深入了解其作用机制和实际成效。从理论分析来看，大跨度连续刚构桥在长期运营过程中，由于混凝土的收缩、徐变以及持续的交通荷载作用，会逐渐产生跨中下挠。在传统全体内配索的桥梁中，预应力体系难以根据桥梁的实际受力状态进行有效调整，随着时间的推移，跨中下挠问题会逐渐加剧。而体内外混合配索体系中的体外索具有可补张拉的特性，这为抑制跨中下挠提供了有力手段。当桥梁出现跨中下挠趋势时，通过补张拉体外索，可以增加结构的向上反力，从而有效地抵消部分因荷载和混凝土收缩徐变产生的下挠变形，使桥梁结构恢复到较为合理的受力状态。通过有限元分析软件对采用体内外混合配索的桥梁进行模拟分析，结果表明，在考虑混凝土收缩徐变和长期荷载作用的情况下，适时补张拉体外索能够显著减小跨中下挠值，使桥梁的变形满足规范要求。实际监测数据充分验证了体内外混合配索在抑制跨中下挠方面的有效性。以重庆新滩綦江大桥为例，该桥左右两幅桥分别采用体内配索与体内外混合配索。在运营一段时间后，对两幅桥的跨中下挠情况进行监测。监测数据显示，采用全体内配索的左幅桥，跨中下挠值增长较快，在运营5年后，跨中下挠达到了25mm。而采用体内外混合配索的右幅桥，跨中下挠值得到了有效控制，在相同的运营时间内，跨中下挠仅为12mm。这一实际监测结果与之前通过有限元分析得到的理论结果相符，进一步证明了体内外混合配索能够有效抑制跨中下挠的发展。体内外混合配索在抑制跨中下挠方面的优势，不仅体现在能够及时调整结构内力，减小跨中下挠值，还体现在其对桥梁结构长期性能的维护上。过大的跨中下挠会导致桥梁结构的受力状态发生改变，增加结构的应力水平，从而加速结构的疲劳损伤和耐久性退化。通过有效抑制跨中下挠，体内外混合配索能够保持桥梁结构的正常受力状态，减少结构的疲劳损伤，延长桥梁的使用寿命。在一些采用体内外混合配索的大跨度连续刚构桥中，经过多年的运营，桥梁结构依然保持良好的工作状态，跨中下挠未出现明显的异常变化，这充分体现了体内外混合配索在保障桥梁长期性能方面的重要作用。体内外混合配索通过体外索的可补张拉特性，有效调整结构内力，抑制了跨中下挠的发展。实际监测数据与理论分析结果的高度吻合，充分证明了其在解决大跨度连续刚构桥跨中下挠问题上的有效性和可靠性，为大跨度连续刚构桥的长期安全运营提供了有力的技术支持。6.3经济性分析从材料成本角度来看，体内外混合配索与传统全体内配索存在一定差异。传统全体内配索中，体内预应力索布置在箱梁内部，需要预留大量的孔道，这不仅增加了箱梁内部构造的复杂性，还导致混凝土用量相对较多。例如，在某大跨度连续刚构桥中，采用全体内配索时，为了满足体内索的布置要求，箱梁腹板厚度相对较大，混凝土用量比采用体内外混合配索的桥梁增加了约10%。而体内外混合配索中，部分预应力由体外索承担，体外索布置在箱梁外部，减少了箱梁内部孔道的设置，从而可以适当减小箱梁的截面尺寸，降低混凝土用量。体外索一般采用大直径索，其单位长度的价格相对较高，但由于数量相对减少，总体的材料成本增加并不显著。通过对多座桥梁的统计分析，在相同跨度和荷载条件下，采用体内外混合配索的桥梁材料成本相比传统全体内配索方式增加约5%-8%。在施工成本方面，体内外混合配索展现出一定的优势。传统全体内配索方式中，体内预应力索的穿束和张拉施工难度较大，需要较多的人力和设备投入。在长束预应力索的穿束过程中，由于孔道较长且可能存在弯曲，穿束效率较低，容易出现卡索等问题，增加了施工时间和成本。而体内外混合配索中的体外索安装相对简便，不需要在箱梁内部进行复杂的穿束操作。体外索可以在箱梁节段施工完成后，在桥梁外部进行安装和张拉，施工效率较高。根据实际工程经验，采用体内外混合配索的桥梁施工工期相比传统全体内配索方式可以缩短10%-15%，从而降低了施工过程中的人工成本、设备租赁成本等。在某桥梁施工中，采用体内外混合配索，施工工期缩短了2个月，节约了大量的施工成本。从后期维护成本来看，体内外混合配索具有明显的优势。传统全体内配索方式中，体内预应力索一旦出现问题，如腐蚀、断裂等，维修和更换难度极大，需要对箱梁进行大面积的拆除和修复，成本高昂。某采用全体内配索的连续刚构桥，在运营15年后发现体内预应力索出现严重腐蚀，维修时需要对箱梁进行局部拆除和重新张拉预应力索，维修成本高达数百万元。而体内外混合配索中的体外索便于检查和更换，当体外索出现损坏、腐蚀或性能下降等情况时，能够方便地进行更换，成本相对较低。体外索的可补张拉特性可以有效调整结构内力，抑制跨中下挠和裂缝开展，减少了因结构病害导致的维修成本。通过对采用体内外混合配索桥梁的长期监测和维护记录分析，其后期维护成本相比传统全体内配索方式降低了约30%-50%。综合考虑材料成本、施工成本和后期维护成本，体内外混合配索在桥梁的全寿命周期成本方面具有一定的竞争力。虽然材料成本略有增加，但通过施工成本的降低和后期维护成本的大幅减少，在桥梁的长期运营过程中，能够实现总成本的有效控制，为桥梁的建设和运营提供了更经济合理的选择。6.4应用前景与挑战随着交通基础设施建设的持续推进，大跨度连续刚构桥在跨越江河、峡谷等复杂地形时具有不可替代的作用，体内外混合配索技术作为一种创新的预应力体系，具有广阔的应用前景。在未来的大型桥梁建设项目中，如跨越重要航道、深谷等对桥梁跨度和耐久性要求较高的工程，体内外混合配索技术有望得到更广泛的应用。在一些计划建设的跨江、跨海大桥项目中，设计团队已将体内外混合配索技术