引言

随着四川遂宁等西南地区城市化进程加快，城市快速路建设规模不断扩大，桥梁伸缩缝的性能要求日益提高。传统伸缩缝设计方法存在理论基础不完善，材料性能单一，防水排水系统不合理等问题，导致伸缩缝在服役8-10年后普遍出现失效现象。四川地区特殊的气候环境加剧了这一问题，年温差达45℃以上，相对湿度高达78%，对伸缩缝耐久性构成严峻挑战，因此，开展面向耐久性的桥梁伸缩缝优化设计研究，对提升城市桥梁基础设施服务水平具有重要工程价值和现实意义。

1.城市快速路桥梁伸缩缝耐久性问题分析

1.1 城市快速路桥梁伸缩缝典型失效形式

城市快速路桥梁伸缩缝在长期服役过程中呈现出多种典型失效形式，其中最为常见的是橡胶密封带老化开裂和脱落现象。由于要承受频繁的车辆荷载冲击以及温度循环作用橡胶材料逐渐失去弹性且表面出现龟裂纹理严重时会完全断裂失效，钢构件的疲劳破坏也是主要失效模式特别是在应力集中部位，像焊缝连接处和锚固节点，在交变荷载作用下产生疲劳裂纹并逐渐扩展^[1]。此外，排水系统堵塞导致的积水腐蚀问题不容被忽视，积水长期滞留会加速钢构件锈蚀，锚栓松动和脱落也是常见失效形式，这些失效形式往往相互关联形成复合型破坏模式。

1.2 伸缩缝耐久性影响因素分析

伸缩缝耐久性受到材料性能，环境条件，荷载特性和施工质量等多重因素的综合影响，材料方面，橡胶密封材料的耐候性和抗疲劳性能直接决定其使用寿命，而钢材的防腐性能则影响金属构件的耐久性。环境因素中，温度变化是最主要的影响因素，四川地区年温差可达40℃以上，导致伸缩缝频繁胀缩运动，湿度、紫外线辐射和酸雨等也会加速材料老化。荷载因素包括车辆荷载的大小、频次和冲击特性，城市快速路日均车流量可达8万辆次以上，施工质量对耐久性影响显著，安装精度偏差超过5mm时会产生应力集中，多因素耦合作用下，伸缩缝性能衰减呈现非线性特征。

1.3 现有伸缩缝设计中存在的问题

现有伸缩缝设计存在理论基础不完善，参数取值偏于保守，材料选择单一等问题。在设计理论方面，传统设计方法大多是基于静力分析，没有充分考虑动力效应和疲劳累积损伤情况，这就使得设计结果和实际受力状态存在一定偏差，在参数确定上，伸缩量计算常常采用经验公式，并没有结合具体地区的气候特点来进行修正，像四川地区实际温差变化往往会超出设计预期10% - 15%^[2]。材料选择相对来说比较单一，橡胶材料大多采用传统的氯丁橡胶，其耐候性和抗老化性能比较有限，使用寿命通常只有8 - 12年，设计标准中缺乏明确的耐久性验算方法。

2.城市快速路桥梁伸缩缝耐久性评估与预测方法

2.1 伸缩缝服役性能评价指标体系

建立科学合理的伸缩缝服役性能评价指标体系是实现耐久性定量评估的基础。该体系应当包含结构性能、功能性能和耐久性能这三个层次的指标，结构性能指标主要涵盖承载能力保持率、变形协调性和连接可靠性，其中承载能力保持率要求不低于85%且变形协调性需达到95%以上。功能性能指标包含行车舒适性、排水有效性和密封性能，行车舒适性用跳车系数表征且优良标准为小于1.2，耐久性能指标有材料老化程度、疲劳损伤累积和腐蚀发展状况，橡胶材料硬度变化率应控制在20%以内，各指标权重通过层次分析法来确定并将性能状态划分为五个等级。

2.2 基于多因素耦合作用的性能衰变模型构建

考虑到伸缩缝性能衰变受温度，湿度，荷载，时间等多因素耦合影响，建立基于损伤累积理论的性能衰变模型。模型采用指数衰减函数描述性能随时间的变化规律，温度影响采用修正系数考虑，四川地区年温差可达45℃，温度影响系数取1.3，荷载作用通过损伤累积理论考虑，损伤度计算公式为：

其中：ni为实际循环次数，Ni为破坏循环次数，湿度影响系数根据四川地区年均相对湿度78%确定为1.18[3]。紫外线辐射和酸雨腐蚀等环境因素影响系数为1.12，多因素耦合作用使得伸缩缝性能衰变呈现非线性特征，衰变速率在服役5-8年期间显著加快，如图1所示，通过现场调研和室内试验数据拟合，建立了适用于四川地区的性能衰变预测模型，模型拟合相关系数达到0.89，预测误差控制在12%以内，能够较准确反映实际衰变规律。

2.3 伸缩缝耐久性寿命预测方法

基于性能衰变模型和可靠性理论，建立伸缩缝耐久性寿命预测方法。预测方法采用分层预测策略，先是基于材料层面去预测各组件的寿命，接着通过系统可靠性理论预测伸缩缝整体寿命，在材料层面，橡胶密封材料寿命预测会考虑温度加速老化效应和时温等效原理，钢构件疲劳寿命采用S - N曲线法和Paris裂纹扩展理论来进行预测。系统层面采用串联系统可靠度模型，把系统可靠度降至0.75的时候定义为寿命终点，结合四川地区气候条件和交通荷载特点进行预测分析，结果显示城市快速路伸缩缝设计使用寿命应为12 - 15年，其中橡胶密封件属于薄弱环节，其使用寿命为8 - 10年，蒙特卡罗仿真验证表明预测误差能控制在8%以内，这为维护决策提供了科学依据。

3.面向耐久性的桥梁伸缩缝优化设计方法

3.1 基于功能需求的伸缩缝结构优化

基于功能需求的伸缩缝结构优化设计应充分考虑城市快速路的使用特点和环境条件。针对四川遂宁地区温差大，湿度高的气候特征，优化设计采用模块化结构形式，将传统整体式伸缩缝改为分段式设计，单段长度控制在2.5-3.0m，有效降低温度应力集中，结构优化中关键在于应力分散设计，通过增设缓冲垫层和改进锚固形式，使应力分布更加均匀^[4]。锚栓直径由原来的20mm增加至25mm，锚固深度从120mm增加至150mm，提高锚固承载力25%，梁缝宽度根据四川地区实际温差变化优化确定，采用温度伸缩量计算公式：

其中：α为线膨胀系数，L为梁长，ΔT为温差。考虑50℃温度变化范围，对于30m跨径桥梁，设计伸缩量为18mm，安全储备系数取1.5，实际梁缝宽度设计为27mm，结构连接采用高强螺栓和化学锚栓组合形式，提高连接可靠性，优化后的结构形式能够更好适应车辆荷载冲击和环境作用，抗疲劳性能提升40%。

3.2 高性能材料在伸缩缝中的应用

高性能材料的选用是提升伸缩缝耐久性的关键措施。针对传统氯丁橡胶耐候性差的问题，推荐采用三元乙丙橡胶(EPDM)作为密封材料，其耐臭氧性能比氯丁橡胶提高5倍以上，使用温度范围-40℃至+120℃，钢构件采用耐候钢Q355NHD替代普通碳钢，耐腐蚀性能提高3-5倍，在四川地区酸雨环境下年腐蚀速率降至0.08mm。主要材料性能对比，如表1所示。

锚固胶采用高强环氧树脂胶，抗拉强度达45MPa，粘结强度不低于2.8MPa，表面防护采用氟碳涂料系统，涂层厚度150μm，具有优异的耐紫外线和耐化学腐蚀性能。

3.3 伸缩缝防水排水系统改进设计

防水排水系统的改进设计是确保伸缩缝长期稳定工作的重要保障，传统设计中排水系统单一，容易造成积水腐蚀问题。改进设计采用三级排水体系：一级为表面坡度排水，桥面横坡设置为2.5%，确保雨水快速排除；二级为伸缩缝内部排水，在缝内设置专用排水槽，宽度120mm，深度80mm，坡度不小于3‰；三级为集中排水系统，通过排水管道将积水引至桥外^[5]。防水设计采用柔性防水材料与刚性防水结构相结合的复合防水体系，梁缝处设置改性沥青防水卷材，厚度4mm，上覆C30细石混凝土保护层厚度50mm，排水孔间距优化为0.8m，孔径扩大至100mm，并设置防堵塞格栅，在伸缩缝两侧各设置500mm宽的防水带，采用高分子防水材料，厚度2.5mm，改进后的防水排水系统能够有效防止积水滞留，降低钢构件腐蚀风险。

结语

面向耐久性的桥梁伸缩缝优化设计是一项涉及材料科学，结构工程和环境工程的综合性技术问题。通过建立科学的性能评价体系和衰变预测模型，采用高性能材料和优化结构设计，能够显著提升伸缩缝的耐久性能。研究成果在四川遂宁地区的应用前景广阔，不仅可降低桥梁维护成本，提高交通运营效率，还为西南地区类似气候条件下的城市桥梁建设提供技术参考，未来应进一步深化智能监测技术研究，建立全寿命周期管理体系，推动城市桥梁基础设施向更高质量发展。

参考文献

[1] 郭枫,李志忠,王欣鹏. 桥梁伸缩缝锚固区混凝土的破坏机理与应用现状[J].交通世界,2025,(20):46-48.

[2] 张险峰. 桥梁伸缩缝常见病害及处治措施研究[J].北方交通,2025,(06):30-31+35.

[3] 王福瑛,寇殿海,杨华清,等. 桥梁伸缩缝与沥青基层衔接排水综合施工技术研究[J].西部交通科技,2025,(05):167-169.

[4] 龚先祁,范栋铭. 公路桥梁伸缩缝病害问题及维修养护对策[J].中国公路,2025,(06):56-57.

[5] 崔凌秋,熊延华,张丽娟,等. 影响桥梁伸缩缝耐久性的关键因素分析及技术对策[J].科技创新与应用,2023,13(15):152-155.