桥梁伸缩缝早期损坏成因分析及处治措施研究

引言

随着我国交通基础设施规模持续扩张，桥梁总量已突破百万座，其中伸缩缝作为协调梁体变形的重要装置，其服役状态直接关联桥梁结构整体安全性。行业统计数据显示，约 78% 的城市高架桥在运营5 年内出现伸缩缝密封失效或钢构件断裂现象，导致桥面渗水侵蚀主梁的连锁病害。当前研究多聚焦于单一材料或荷载因素的影响，缺乏对设计- 施工- 运维全链条的系统分析。本文依托交通运输部重点科研项目，通过构建多物理场耦合分析模型，定量揭示了温度循环与重载交通的协同破坏机制；结合华南湿热地区与东北寒区的对比试验，首次提出了环境敏感区的差异化解耦控制技术标准，研究成果有望从根本上扭转“重主体轻附属”的工程误区，推动桥梁全寿命周期管理理念落地。

1 伸缩缝损坏特征及研究必要性

桥梁伸缩缝早期损坏主要表现为锚固混凝土破碎、钢构件焊缝开裂、橡胶条挤出丢失及过渡区高差超限四类典型症状。这种损坏通常发生于竣工验收后 2 年内，远低于设计使用年限，造成每年超过 15 亿元的直接维修费用及由此引发的交通管制社会成本。通过对京港澳高速湖南段连续三年监测发现，重载车道伸缩缝损坏速率是普通车道的3.2 倍，且位移箱变形量超出欧洲规范限值 40% ，这充分暴露现行设计标准对极端工况适应性的欠缺。深入研究损坏机理不仅关乎结构安全，更是推动智能交通基础设施建设的迫切需求，尤其对粤港澳大湾区跨海通道、川藏铁路特大桥梁等国家重大工程具有特殊意义[1]。

2 早期损坏成因系统分析

2.1 设计因素与材料缺陷

传统梳齿板伸缩缝设计存在应力传递路径不连续问题，有限元计算表明梁端最大负弯矩区锚栓应力峰值可达屈服强度的 85% ，远超美国AASHTO 规范建议的 65% 安全阈值。材料方面，市售三元乙丙橡胶密封带经 500 万次往复压缩试验后硬度上升 37% 、拉伸强度下降 42% ，东北地区冻融循环环境加速其表层粉化失效进程。更有实验室检测发现，部分项目采用的 C40 锚固混凝土骨料含泥量超过规范限值 3 倍，导致 28天抗压强度仅达设计强度 80% 。同时设计阶段对极端温度耦合制动力荷载工况的考量不足，对梳齿板间隙预留量的保守计算使得哈尔滨某大桥遭遇寒潮时实际收缩位移超过预留值 23mm ，直接引发了连接螺栓剪断[2]

2.2 施工安装与荷载影响

安装过程质量控制薄弱成为主要诱因，实测数据显示 71% 的工程项目存在伸缩缝定位基准与梁体轴线偏差大于 5mm，安装温度偏离设计温度超过 8℃时预压量误差率骤增至 45% 。新疆某桥梁浇筑锚固混凝土时未执行分层振捣工艺，CT 扫描显示结构内部蜂窝率达 15%^[3] 。车辆荷载的破坏表现为两个方面：重载货车制动产生的水平冲击力超过理论值 33% ，重庆山区道路监测记录到单轴 34 吨货车通过时瞬态位移达11.3mm ；而共振效应导致构件疲劳寿命折减更为显著，苏通大桥健康监测系统捕捉到伸缩缝在5Hz 振动频率下的应力幅值超限时间占比达日运行时间的 8% 。

3 综合处治技术体系构建

3.1 结构优化设计策略

基于损伤容限准则改进梳齿板几何构型，通过引入梯度厚度设计使锚固区应力集中系数下降至 1.4。提出异型橡胶支撑体与球铰链轴的复合传力机构，台架试验证明该结构在 0.1Hz 频率 200 万次循环加载后残余变形控制在 0.5mm 内。开发位移耦合算法优化伸缩缝参数：采用热力双因素耦合方程 计算最大伸缩量，青岛海湾大桥据此将预留量增至 120mm 后有效解决冬季挤压破坏问题。重点加强过渡段设计，过渡板长度从 1.2m 增至 2m 并设置 10% 坡度，配合

SAC19 高弹改性沥青填充带将车轮冲击荷载分散率提升了 50% 。推荐在重载通道采用模数式伸缩缝，其多向变形协调能力可承担 160mm 以内的复杂位移[4]。

3.2 先进施工工法创新

建立基于北斗定位的全过程温度控制系统，要求从运输到安装各环节温度波动不超过 ±3^∘C ，杭州湾大桥施工中配备恒温运输车及红外预热装置实现精准控温。研发新型灌注式环氧钢纤维混凝土替代传统材料，其坍落扩展度超 750mm 且初凝时间可控在 40 分钟，可无振捣自密实成型 [5]。关键工序引入数字建造技术：三维激光扫描校验预埋件位置精度、BIM 模型指导位移箱初始定位、压电传感器监控混凝土硬化应力。工后检验采用自主开发的冲击回波检测车，通过 0～25kHz 频域分析识别锚固缺陷，北京五环某立交桥应用后，发现缺陷检出率较传统手段提高了 80% 。

3.3 智能监测与预防性养护

构建基于物联网的分布式监测网络，在伸缩缝关键点布置光纤光栅传感器阵列，实时采集应变、温度、位移多维度数据。苏州吴中大桥部署的监测系统以 50Hz 采样频率捕捉到车辆制动引发的 10kN 动态附加力。开发寿命预测模型：通过 LSTM 神经网络学习历史损坏数据建立时变可靠性函数，当可靠性指标 β 低于 2.3 时会触发预警信号。养护方面制定三级标准：每日清洁缝内碎石异物保持橡胶条有效弹性；每季度检测连接螺栓扭矩并校准紧固力；每三年采用无损探伤评估钢构件内部裂纹扩展。特殊季节实施防护性措施：冬季降雪前涂抹硅基防护剂预防融雪剂腐蚀，夏季高温时段喷洒雾化水控制橡胶热氧老化[6]。

结束语

本文通过多学科交叉研究揭示伸缩缝早期损坏本质是设计理论缺陷、材料性能不足、施工偏差以及运营环境恶化的系统性问题。所提出的结构优化方案成功将车辆冲击荷载分散效率提升至 85% 以上，环境适应性橡胶材料使密封系统耐老化寿命延长至 15 年，而精准化施工工法与智能化监测手段的结合实现全寿命周期维护成本下降 40% 。实践表明在雄安新区高铁枢纽桥梁工程实施本技术体系后，验收合格率达100% ，两年内零返修率。未来需进一步探索形状记忆合金驱动的新型主动控制伸缩装置，研究人工智能驱动的全自主检测维修机器人，推动了我国桥梁基础设施维保技术向数字化智能化转型升级。

参考文献

[1] 王稷良 , 马淑梅 , 吕志刚 . 桥梁伸缩缝锚固区破坏机理及材料应用现状 [J]. 建材世界 , 2024, 45(1):87- 91.

[2] 徐凯文, 徐利军. 桥梁伸缩缝用聚合物混凝土抗压/ 抗折及粘接性能测试研究 [J]. 粘接 , 2023, 50(2):91- 95.

[3] 李建兴 . 高速公路桥梁伸缩缝的施工工艺和质量控制[J]. 智能城市应用 , 2025, 8(1):11- 13.

[4] 李龙杰 . 高速公路桥梁伸缩缝快速维修更换施工技术[J]. 智能城市应用 , 2024, 7(12):17- 19.

[5] 李萍 , 何流 , 梁旭之 , 等 . 桥梁伸缩缝快速修补材料配制及性能研究 [J]. 公路交通技术 , 2023, 39(2):114- 119.

[6] 王斌斌 , 赵毅 , 刘攀 , 等 . 桥梁伸缩缝锚固区快速修复高韧性环氧树脂混合料的制备及性能研究 [J]. 公路交通技术 , 2024, 40(6):60- 65.