高速公路橋梁工程建設(shè)的伸縮縫設(shè)計(jì)分析

尹子安

（河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，石家莊 050011）

1 引言

高速公路橋梁作為交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，承載著大量的車輛和貨物運(yùn)輸任務(wù)。在橋梁結(jié)構(gòu)中，伸縮縫是一項(xiàng)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要素，它不僅可以緩解由于溫度變化引起的橋梁伸縮變形，還能減少振動(dòng)傳遞，延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。因此，伸縮縫的設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)至關(guān)重要。

2 伸縮縫的設(shè)計(jì)要素

2.1 性能要求

伸縮縫的首要功能是應(yīng)對(duì)橋梁因溫度變化引起的伸縮位移。在設(shè)計(jì)階段，必須考慮橋梁所處地區(qū)的氣候條件，確定伸縮縫需要處理的溫度范圍。伸縮縫必須具備足夠的伸縮能力，以容納這些位移，同時(shí)保持橋梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。例如，河北地區(qū)的高速公路，由于北方地區(qū)冬季氣溫可能極低，伸縮縫的設(shè)計(jì)必須確保在極端低溫下仍能保持其伸縮性能，采用特殊的材料和密封系統(tǒng)抵抗低溫引起的材料硬化和脆化。伸縮縫必須能夠承受車輛荷載、行人和其他外力，確保橋梁的安全和正常運(yùn)行。承載能力的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮伸縮縫所在位置的交通量和荷載情況，以確保伸縮縫結(jié)構(gòu)不會(huì)受到損害。

伸縮縫的密封性能至關(guān)重要，用以防止水、灰塵、鹽分等有害物質(zhì)進(jìn)入伸縮縫內(nèi)部，從而降低伸縮縫腐蝕和損壞風(fēng)險(xiǎn)。首先，密封性能的設(shè)計(jì)需要考慮各種環(huán)境因素，如雨水、雪、化學(xué)物質(zhì)等。北方地區(qū)冬季氣溫較低，可能出現(xiàn)冰雪天氣。伸縮縫的密封材料必須能夠在低溫條件下保持柔韌性，且不會(huì)失去密封性能。同時(shí)，密封件的設(shè)計(jì)應(yīng)防止冰雪積聚在伸縮縫上，以免損壞密封。其次，伸縮縫選擇耐久性強(qiáng)的材料，以確保伸縮縫在多年的使用中保持性能穩(wěn)定，減少維護(hù)和更換頻率。最后，還要滿足安全標(biāo)準(zhǔn)，以確保車輛和行人在橋梁上通行時(shí)不會(huì)受到伸縮縫的影響，包括避免突出的邊緣、減少滑倒的風(fēng)險(xiǎn)以及提供足夠的警示標(biāo)志和照明設(shè)施[1]。

綜上所述，伸縮縫的性能要求涵蓋多個(gè)方面，包括伸縮能力、承載能力、密封性能、耐久性、安全性、維護(hù)性和環(huán)保性。合理滿足這些要求，是確保伸縮縫在高速公路橋梁工程中發(fā)揮其功能的關(guān)鍵步驟。設(shè)計(jì)伸縮縫時(shí)，必須綜合考慮這些因素，以滿足橋梁的實(shí)際需求并確保其長(zhǎng)期可靠性。

2.2 環(huán)境因素

不同地區(qū)的氣候變化幅度較大，直接影響伸縮縫的設(shè)計(jì)。在寒冷地區(qū)，極端低溫可能導(dǎo)致伸縮縫材料變脆，需要更強(qiáng)的耐寒性能。而在炎熱地區(qū)，高溫會(huì)引發(fā)更大的橋梁伸縮，因此，伸縮縫必須具有更強(qiáng)的伸縮能力。濕度也是一個(gè)重要考慮因素。高濕度地區(qū)容易導(dǎo)致伸縮縫內(nèi)部腐蝕和損壞，因此，需要特殊的密封和防護(hù)措施。同時(shí)，伸縮縫必須能夠排水，防止水的積聚，以減少腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。鹽分是沿海地區(qū)伸縮縫設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵考慮因素。海水中的鹽分可以對(duì)伸縮縫的制作材料產(chǎn)生腐蝕作用，因此，需要選擇抗腐蝕性能強(qiáng)的材料，并加強(qiáng)維護(hù)措施，如定期沖洗和清理。此外，如果伸縮縫位于工業(yè)區(qū)域或有化學(xué)污染物排放的地方，材料選擇和密封性能需要特別考慮，以防止化學(xué)侵蝕。

2.3 預(yù)期使用壽命

壽命目標(biāo)的確定是伸縮縫設(shè)計(jì)的起點(diǎn)。設(shè)計(jì)伸縮縫時(shí)，需要明確規(guī)定其預(yù)期使用壽命。這個(gè)目標(biāo)可以根據(jù)工程的預(yù)算、橋梁的設(shè)計(jì)壽命以及地區(qū)的氣候和環(huán)境條件確定。壽命目標(biāo)的明確化是設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的共識(shí)，也是設(shè)計(jì)決策的基礎(chǔ)。材料選擇是與預(yù)期使用壽命密切相關(guān)的因素之一。不同材料具有不同的耐久性和壽命特性。例如，橡膠伸縮縫填充物的使用壽命通常在15～20 a，這取決于其受到的交通負(fù)荷、溫度變化和維護(hù)程度。橡膠填充物在較短時(shí)間內(nèi)可能會(huì)受到磨損、紫外線輻射和化學(xué)物質(zhì)的影響，這些因素會(huì)減少其壽命。

相比之下，混凝土填充物通常具有更長(zhǎng)的壽命，可以在橋梁上使用30 a 甚至更長(zhǎng)時(shí)間。混凝土填充物具有出色的耐久性和抗腐蝕性能，可以承受更重的交通負(fù)荷和更極端的氣象條件。然而，即使使用混凝土填充物，仍然需要定期檢查和維護(hù)，以確保伸縮縫的性能不受影響。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須仔細(xì)考慮材料的抗老化、耐腐蝕和耐久性，以確保伸縮縫能夠達(dá)到預(yù)期的壽命目標(biāo)。

施工質(zhì)量控制對(duì)伸縮縫的壽命也有直接影響。不合格的施工質(zhì)量可能導(dǎo)致伸縮縫在早期就出現(xiàn)問(wèn)題。因此，嚴(yán)格的施工監(jiān)督和質(zhì)量控制必不可少，包括確保填充物安裝的正確性、密封性的有效性、連接的穩(wěn)固性等。定期進(jìn)行非破壞性檢測(cè)和質(zhì)量審查，可以及早發(fā)現(xiàn)和糾正施工缺陷，有助于伸縮縫的長(zhǎng)壽命[2]。

3 伸縮縫的設(shè)計(jì)步驟

3.1 伸縮縫位置的確定

橋梁的結(jié)構(gòu)類型對(duì)伸縮縫位置有重要影響。不同類型的橋梁，如梁橋、拱橋、懸索橋等，對(duì)伸縮縫的位置要求不同。通常，伸縮縫位于橋梁的伸縮縫板之間，以允許橋梁在溫度變化或荷載作用下發(fā)生伸縮。梁橋通常需要跨越河流或道路，伸縮縫通常位于梁的兩端。這樣的位置使得橋梁能夠在溫度變化和荷載作用下自由伸縮，同時(shí)確保了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。拱橋的伸縮縫位置通常較為復(fù)雜，因?yàn)樗鼈兊慕Y(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了其伸縮方式需要更多的靈活性。通常情況下，伸縮縫位于拱橋的支座附近。

施工和維護(hù)的可行性也是伸縮縫位置的影響因素之一。伸縮縫的位置應(yīng)便于施工和維護(hù)工作的進(jìn)行，以確保伸縮縫在橋梁使用過(guò)程中能夠保持性能穩(wěn)定。

3.2 伸縮縫尺寸的計(jì)算

伸縮縫的主要功能之一是容納橋梁因溫度變化引起的伸縮位移。溫度變化會(huì)導(dǎo)致橋梁長(zhǎng)度發(fā)生變化，因此，伸縮縫必須能夠容納這種變化，以避免橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不受控制的應(yīng)力。伸縮位移的計(jì)算通常基于橋梁的材料、長(zhǎng)度、溫度范圍和伸縮能力。伸縮量的計(jì)算需要根據(jù)聯(lián)長(zhǎng)及固定墩的位置確定長(zhǎng)度，然后通過(guò)計(jì)算溫度變化引起的伸縮量確定伸縮縫的尺寸。例如，如果選擇的是80 型伸縮縫，其最小伸縮量為2 cm，最大伸縮量為12 cm，安裝溫度下計(jì)算出來(lái)的安裝寬度為6 cm。那么，可計(jì)算出縮短量≤6－2=4 cm，計(jì)算伸長(zhǎng)量≤12－6=6 cm。根據(jù)計(jì)算出的伸縮量選擇合適的伸縮縫型號(hào)。例如，D60 表示伸縮量為0～60 mm 的模數(shù)式伸縮裝置（D為距離，60 為伸縮量）。以此類推，D160、D240、D320、D400 等均表示相應(yīng)位移量（伸縮量）的伸縮裝置。

3.3 密封材料選擇和連接方式

3.3.1 密封材料選擇

硅密封膠是一種常見(jiàn)的密封材料，具有優(yōu)秀的彈性和耐候性。它可以適應(yīng)溫度變化和橋梁的伸縮運(yùn)動(dòng)，同時(shí)保持良好的密封性能。硅密封膠還具有良好的抗水分滲透性，可以防止水分侵入伸縮縫內(nèi)部。聚氨酯密封膠是另一種常用的密封材料。它具有較高的抗腐蝕性，適用于惡劣環(huán)境條件下的橋梁建設(shè)。聚氨酯密封膠還具有出色的黏附性，可以有效黏附到伸縮縫的表面。橡膠密封條通常用于橡膠伸縮縫填充物中，它們?cè)谔畛湮飪?nèi)部起到密封的作用。橡膠密封條具有較好的彈性和耐久性，能夠保持填充物的密封性能。

密封材料必須具有足夠的彈性，以適應(yīng)伸縮縫的運(yùn)動(dòng)和變形。這確保了伸縮縫在溫度變化和交通負(fù)荷下仍然保持密封。密封材料必須能夠在不同的氣候條件下保持性能，包括高溫、低溫、紫外線輻射等。密封材料必須具有良好的抗?jié)B透性，以防止雨水、雪水或地下水進(jìn)入伸縮縫內(nèi)部，從而減少腐蝕和結(jié)構(gòu)損害的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3.2 連接方式

機(jī)械連接是伸縮縫的常見(jiàn)連接方式之一。鋼板連接是一種常見(jiàn)的機(jī)械連接方式，主要是將伸縮縫的相鄰部分用鋼板連接在一起。這些鋼板通常固定在伸縮縫的兩側(cè)，以便在伸縮和撓曲時(shí)保持連接。鋼板連接具有較高的強(qiáng)度和耐久性，適用于承受大荷載的橋梁。銷釘連接是使用銷釘將伸縮縫的不同部分連接在一起。這種連接方式通常用于跨度較小的橋梁或需要頻繁伸縮的伸縮縫。銷釘連接具有簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，但需要定期檢查和維護(hù)。

滑塊連接使用滑動(dòng)機(jī)制將伸縮縫的不同部分連接在一起，以便它們能夠自由滑動(dòng)和伸縮。滑塊連接適用于需要較大伸縮量的伸縮縫，它們可以減少摩擦和阻力，確保伸縮縫的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。螺栓連接涉及使用螺栓將伸縮縫的部分連接在一起。螺栓連接通常具有可拆卸性，便于維護(hù)和更換損壞的部件。這種連接方式在需要頻繁維護(hù)和檢查的伸縮縫中很常見(jiàn)。在延崇高速公路上的橋梁伸縮縫中，機(jī)械連接采用了螺栓和連接板的組合。連接板固定在橋梁結(jié)構(gòu)的兩側(cè)，而螺栓則用于將伸縮縫覆蓋板與連接板緊密連接在一起。這種機(jī)械連接方式為機(jī)械螺栓連接，確保了伸縮縫的穩(wěn)固性，以承受高速公路上車流量和重型車輛的荷載。

4 伸縮縫的施工與維護(hù)

4.1 施工過(guò)程中的關(guān)鍵考慮因素

施工伸縮縫需要合適的方法和技術(shù)。工程團(tuán)隊(duì)必須了解伸縮縫的設(shè)計(jì)要求，并根據(jù)設(shè)計(jì)圖和規(guī)范選擇適當(dāng)?shù)氖┕し椒ā＿@可能涉及填充物的安裝、支座的設(shè)置、密封材料的施工等多個(gè)方面。

在施工過(guò)程中，必須進(jìn)行質(zhì)量控制和檢測(cè)，以確保伸縮縫的材料和構(gòu)造滿足設(shè)計(jì)要求。這包括檢查填充物的尺寸、密封性能、支座的位置和連接等。另外，施工過(guò)程中必須采取措施保護(hù)環(huán)境，包括控制廢水排放、處理化學(xué)物質(zhì)、避免土壤和水體污染等。

4.2 施工質(zhì)量控制

施工開(kāi)始之前，必須對(duì)所有伸縮縫材料進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)，包括填充物、支座、密封材料、連接件等。檢驗(yàn)材料的目的是確保其符合設(shè)計(jì)要求和規(guī)范，并且沒(méi)有缺陷或損傷。如果發(fā)現(xiàn)任何問(wèn)題，必須立即采取措施進(jìn)行修復(fù)或更換。在正式施工之前，必須進(jìn)行一系列的準(zhǔn)備工作，包括確定施工區(qū)域、清理工作區(qū)域、設(shè)置臨時(shí)支撐和輔助設(shè)備等。這些準(zhǔn)備工作有助于確保施工過(guò)程順利進(jìn)行，并減少施工中的干擾和問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

伸縮縫的設(shè)計(jì)和施工需要多種專業(yè)知識(shí)和技術(shù)，以確保其在橋梁工程中的性能和可靠性。同時(shí)，定期的維護(hù)和監(jiān)測(cè)也是確保伸縮縫長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)、嚴(yán)格的施工質(zhì)量控制和有效的維護(hù)，伸縮縫可以為橋梁提供可靠的伸縮能力，以適應(yīng)溫度變化和承受外部荷載，從而確保橋梁的安全性和性能。