高速公路桥梁工程建设的伸缩缝设计分析

尹子安

（河北省交通规划设计研究院有限公司，石家庄 050011）

1 引言

高速公路桥梁作为交通基础设施的重要组成部分，承载着大量的车辆和货物运输任务。在桥梁结构中，伸缩缝是一项关键的设计要素，它不仅可以缓解由于温度变化引起的桥梁伸缩变形，还能减少振动传递，延长桥梁的使用寿命。因此，伸缩缝的设计、施工和维护至关重要。

2 伸缩缝的设计要素

2.1 性能要求

伸缩缝的首要功能是应对桥梁因温度变化引起的伸缩位移。在设计阶段，必须考虑桥梁所处地区的气候条件，确定伸缩缝需要处理的温度范围。伸缩缝必须具备足够的伸缩能力，以容纳这些位移，同时保持桥梁的结构稳定性。例如，河北地区的高速公路，由于北方地区冬季气温可能极低，伸缩缝的设计必须确保在极端低温下仍能保持其伸缩性能，采用特殊的材料和密封系统抵抗低温引起的材料硬化和脆化。伸缩缝必须能够承受车辆荷载、行人和其他外力，确保桥梁的安全和正常运行。承载能力的设计应考虑伸缩缝所在位置的交通量和荷载情况，以确保伸缩缝结构不会受到损害。

伸缩缝的密封性能至关重要，用以防止水、灰尘、盐分等有害物质进入伸缩缝内部，从而降低伸缩缝腐蚀和损坏风险。首先，密封性能的设计需要考虑各种环境因素，如雨水、雪、化学物质等。北方地区冬季气温较低，可能出现冰雪天气。伸缩缝的密封材料必须能够在低温条件下保持柔韧性，且不会失去密封性能。同时，密封件的设计应防止冰雪积聚在伸缩缝上，以免损坏密封。其次，伸缩缝选择耐久性强的材料，以确保伸缩缝在多年的使用中保持性能稳定，减少维护和更换频率。最后，还要满足安全标准，以确保车辆和行人在桥梁上通行时不会受到伸缩缝的影响，包括避免突出的边缘、减少滑倒的风险以及提供足够的警示标志和照明设施[1]。

综上所述，伸缩缝的性能要求涵盖多个方面，包括伸缩能力、承载能力、密封性能、耐久性、安全性、维护性和环保性。合理满足这些要求，是确保伸缩缝在高速公路桥梁工程中发挥其功能的关键步骤。设计伸缩缝时，必须综合考虑这些因素，以满足桥梁的实际需求并确保其长期可靠性。

2.2 环境因素

不同地区的气候变化幅度较大，直接影响伸缩缝的设计。在寒冷地区，极端低温可能导致伸缩缝材料变脆，需要更强的耐寒性能。而在炎热地区，高温会引发更大的桥梁伸缩，因此，伸缩缝必须具有更强的伸缩能力。湿度也是一个重要考虑因素。高湿度地区容易导致伸缩缝内部腐蚀和损坏，因此，需要特殊的密封和防护措施。同时，伸缩缝必须能够排水，防止水的积聚，以减少腐蚀风险。盐分是沿海地区伸缩缝设计中的一个关键考虑因素。海水中的盐分可以对伸缩缝的制作材料产生腐蚀作用，因此，需要选择抗腐蚀性能强的材料，并加强维护措施，如定期冲洗和清理。此外，如果伸缩缝位于工业区域或有化学污染物排放的地方，材料选择和密封性能需要特别考虑，以防止化学侵蚀。

2.3 预期使用寿命

寿命目标的确定是伸缩缝设计的起点。设计伸缩缝时，需要明确规定其预期使用寿命。这个目标可以根据工程的预算、桥梁的设计寿命以及地区的气候和环境条件确定。寿命目标的明确化是设计团队的共识，也是设计决策的基础。材料选择是与预期使用寿命密切相关的因素之一。不同材料具有不同的耐久性和寿命特性。例如，橡胶伸缩缝填充物的使用寿命通常在15～20 a，这取决于其受到的交通负荷、温度变化和维护程度。橡胶填充物在较短时间内可能会受到磨损、紫外线辐射和化学物质的影响，这些因素会减少其寿命。

相比之下，混凝土填充物通常具有更长的寿命，可以在桥梁上使用30 a 甚至更长时间。混凝土填充物具有出色的耐久性和抗腐蚀性能，可以承受更重的交通负荷和更极端的气象条件。然而，即使使用混凝土填充物，仍然需要定期检查和维护，以确保伸缩缝的性能不受影响。设计团队必须仔细考虑材料的抗老化、耐腐蚀和耐久性，以确保伸缩缝能够达到预期的寿命目标。

施工质量控制对伸缩缝的寿命也有直接影响。不合格的施工质量可能导致伸缩缝在早期就出现问题。因此，严格的施工监督和质量控制必不可少，包括确保填充物安装的正确性、密封性的有效性、连接的稳固性等。定期进行非破坏性检测和质量审查，可以及早发现和纠正施工缺陷，有助于伸缩缝的长寿命[2]。

3 伸缩缝的设计步骤

3.1 伸缩缝位置的确定

桥梁的结构类型对伸缩缝位置有重要影响。不同类型的桥梁，如梁桥、拱桥、悬索桥等，对伸缩缝的位置要求不同。通常，伸缩缝位于桥梁的伸缩缝板之间，以允许桥梁在温度变化或荷载作用下发生伸缩。梁桥通常需要跨越河流或道路，伸缩缝通常位于梁的两端。这样的位置使得桥梁能够在温度变化和荷载作用下自由伸缩，同时确保了结构的稳定性。拱桥的伸缩缝位置通常较为复杂，因为它们的结构形式决定了其伸缩方式需要更多的灵活性。通常情况下，伸缩缝位于拱桥的支座附近。

施工和维护的可行性也是伸缩缝位置的影响因素之一。伸缩缝的位置应便于施工和维护工作的进行，以确保伸缩缝在桥梁使用过程中能够保持性能稳定。

3.2 伸缩缝尺寸的计算

伸缩缝的主要功能之一是容纳桥梁因温度变化引起的伸缩位移。温度变化会导致桥梁长度发生变化，因此，伸缩缝必须能够容纳这种变化，以避免桥梁结构产生不受控制的应力。伸缩位移的计算通常基于桥梁的材料、长度、温度范围和伸缩能力。伸缩量的计算需要根据联长及固定墩的位置确定长度，然后通过计算温度变化引起的伸缩量确定伸缩缝的尺寸。例如，如果选择的是80 型伸缩缝，其最小伸缩量为2 cm，最大伸缩量为12 cm，安装温度下计算出来的安装宽度为6 cm。那么，可计算出缩短量≤6－2=4 cm，计算伸长量≤12－6=6 cm。根据计算出的伸缩量选择合适的伸缩缝型号。例如，D60 表示伸缩量为0～60 mm 的模数式伸缩装置（D为距离，60 为伸缩量）。以此类推，D160、D240、D320、D400 等均表示相应位移量（伸缩量）的伸缩装置。

3.3 密封材料选择和连接方式

3.3.1 密封材料选择

硅密封胶是一种常见的密封材料，具有优秀的弹性和耐候性。它可以适应温度变化和桥梁的伸缩运动，同时保持良好的密封性能。硅密封胶还具有良好的抗水分渗透性，可以防止水分侵入伸缩缝内部。聚氨酯密封胶是另一种常用的密封材料。它具有较高的抗腐蚀性，适用于恶劣环境条件下的桥梁建设。聚氨酯密封胶还具有出色的黏附性，可以有效黏附到伸缩缝的表面。橡胶密封条通常用于橡胶伸缩缝填充物中，它们在填充物内部起到密封的作用。橡胶密封条具有较好的弹性和耐久性，能够保持填充物的密封性能。

密封材料必须具有足够的弹性，以适应伸缩缝的运动和变形。这确保了伸缩缝在温度变化和交通负荷下仍然保持密封。密封材料必须能够在不同的气候条件下保持性能，包括高温、低温、紫外线辐射等。密封材料必须具有良好的抗渗透性，以防止雨水、雪水或地下水进入伸缩缝内部，从而减少腐蚀和结构损害的风险。

3.3.2 连接方式

机械连接是伸缩缝的常见连接方式之一。钢板连接是一种常见的机械连接方式，主要是将伸缩缝的相邻部分用钢板连接在一起。这些钢板通常固定在伸缩缝的两侧，以便在伸缩和挠曲时保持连接。钢板连接具有较高的强度和耐久性，适用于承受大荷载的桥梁。销钉连接是使用销钉将伸缩缝的不同部分连接在一起。这种连接方式通常用于跨度较小的桥梁或需要频繁伸缩的伸缩缝。销钉连接具有简单、经济的特点，但需要定期检查和维护。

滑块连接使用滑动机制将伸缩缝的不同部分连接在一起，以便它们能够自由滑动和伸缩。滑块连接适用于需要较大伸缩量的伸缩缝，它们可以减少摩擦和阻力，确保伸缩缝的平稳运动。螺栓连接涉及使用螺栓将伸缩缝的部分连接在一起。螺栓连接通常具有可拆卸性，便于维护和更换损坏的部件。这种连接方式在需要频繁维护和检查的伸缩缝中很常见。在延崇高速公路上的桥梁伸缩缝中，机械连接采用了螺栓和连接板的组合。连接板固定在桥梁结构的两侧，而螺栓则用于将伸缩缝覆盖板与连接板紧密连接在一起。这种机械连接方式为机械螺栓连接，确保了伸缩缝的稳固性，以承受高速公路上车流量和重型车辆的荷载。

4 伸缩缝的施工与维护

4.1 施工过程中的关键考虑因素

施工伸缩缝需要合适的方法和技术。工程团队必须了解伸缩缝的设计要求，并根据设计图和规范选择适当的施工方法。这可能涉及填充物的安装、支座的设置、密封材料的施工等多个方面。

在施工过程中，必须进行质量控制和检测，以确保伸缩缝的材料和构造满足设计要求。这包括检查填充物的尺寸、密封性能、支座的位置和连接等。另外，施工过程中必须采取措施保护环境，包括控制废水排放、处理化学物质、避免土壤和水体污染等。

4.2 施工质量控制

施工开始之前，必须对所有伸缩缝材料进行严格的检验，包括填充物、支座、密封材料、连接件等。检验材料的目的是确保其符合设计要求和规范，并且没有缺陷或损伤。如果发现任何问题，必须立即采取措施进行修复或更换。在正式施工之前，必须进行一系列的准备工作，包括确定施工区域、清理工作区域、设置临时支撑和辅助设备等。这些准备工作有助于确保施工过程顺利进行，并减少施工中的干扰和问题。

5 结语

伸缩缝的设计和施工需要多种专业知识和技术，以确保其在桥梁工程中的性能和可靠性。同时，定期的维护和监测也是确保伸缩缝长期稳定运行的关键。通过合理的设计、严格的施工质量控制和有效的维护，伸缩缝可以为桥梁提供可靠的伸缩能力，以适应温度变化和承受外部荷载，从而确保桥梁的安全性和性能。