引言

随着全球气候变暖效应的加剧，极端温度事件，包括高温热浪和严寒寒潮的发生频率和强度不断攀升，不仅对人们的日常生活造成诸多不便，也对交通基础设施提出了严峻挑战。2024年2月，亚洲地区遭遇大范围寒潮，导致多条铁路线路停运、高速公路封闭，严重影响了区域内的物资运输和城市运行^[1]；而在印度，2024年3月至9月间连日高温屡创新高，多座城市的气温持续在45℃至50℃之间，对桥梁结构的安全运行形成了“无声”灾难^[2]。作为交通网络的关键节点，桥梁工程在极端温度下面临材料性能退化、热胀冷缩变形加剧以及交通运营安全隐患等多重问题。高温不仅会降低混凝土和钢材的强度与刚度，还可能引发桥面铺装层开裂和伸缩缝失效；而严寒下，材料的脆性增加、水泥基材料产生冻融破坏，均会加速结构劣化并提高维护难度。因此，本文在总结现有研究成果与工程实践经验的基础上，提出了一套面向极端温度环境的桥梁综合性方案，并对未来应对更严峻气候挑战的技术路线与研究方向进行了展望。

1. 极端温度下桥梁运营的主要挑战

1.1 极端高温影响

在极端高温下，桥梁材料与结构性能会显著退化。首先，混凝土短期强度下降，钢材蠕变与应力松弛加剧，使构件承载力和刚度双双下降；在持续荷载作用下，裂缝扩展和变形累积，会损害使用性能。其次，构件热胀冷缩产生附加内力：超静定构件受约束膨胀会产生次内力，邻梁伸缩缝若冗余不足，易被挤压并发生局部破坏，而板式支座则承担更大剪切力。此外，温度诱导的应力幅度增加加速疲劳损伤，为长期安全埋下隐患。城市热岛和太阳辐射使桥面温度梯度更大，箱梁板件翘曲尤为明显。

对于公路桥梁沥青路面，高温导致轻质组分挥发、重质组分熔融，使黏度急剧降低，车辆碾压后易产生车辙；同时油膜延长制动距离并增加侧滑风险。沥青与骨料粘结减弱，会出现集料脱落、坑槽与表面破碎，路面不平顺度加剧，车辆冲击荷载因而上升，对主梁造成不利影响。此外，高温环境下的“热浪”效应使路面上方出现光学畸变，干扰驾驶员对前方车辆、行人或路标的识别；高温还容易导致驾驶员疲劳、脱水和注意力不集中，反应时间延长，进一步增加行驶风险^[3]。

1.2 极端低温影响

在极端低温下，桥梁材料和构件性能会急剧退化。首先，混凝土的抗裂韧性下降，易出现裂缝变形；钢材则由延性断裂转为脆性裂纹扩展，焊缝、应力集中区或疲劳裂纹源处在荷载作用下更易发生脆性破坏。其次，支座润滑剂失效或冻结、伸缩缝内积水结冰膨胀，会导致支座卡死和伸缩缝失灵，产生附加约束内力，诱发局部损伤。

对于沥青路面，低温会引发纵横向裂缝，一旦出现，难以闭合且快速扩展，形成贯通性、网状或块状破坏；同时，沥青-骨料界面粘结力减弱，当温度应力超过极限时，骨料脱落成松散层，最终形成坑槽，降低行车舒适度^[4]。

1.3 极端温度循环变化

反复的温差或季节交替，会使桥梁持续经历热胀冷缩循环，产生往复应力并累积疲劳损伤。温度梯度会在截面内形成附加弯矩，加剧局部应力集中；同时，冻融作用导致混凝土产生微裂缝，融化后孔隙水反复膨胀收缩，促使表层剥落、粉化，并形成贯通裂缝网络，快速加剧钢材锈蚀，进一步削弱截面承载力。。

对沥青路面而言，每次升温软化并膨胀产生拉应力，降温又因刚度骤增而发生收缩应力，这种热拉–压交替在沥青层及界面处引发热疲劳裂纹，微裂纹随循环扩展为网状或贯通裂缝。温差越大、循环越频繁，沥青中的有机组分反复氧化生成脆性化合物，路面承载力能力下降，车辙与坑槽加剧车辆振动与侧滑风险；疲劳与老化的联合作用显著缩短了沥青的使用寿命。

2 应对极端温度的综合性方案

2.1 健康监测系统

为了保障桥梁在极端温度条件下的安全运行，需建立全面、实时的健康监测系统。首先，应在桥梁上布设多种传感器（包括热电偶、热电阻和光纤温度传感器等温度监测装置，位移传感器用于跟踪伸缩缝和支座滑移，应变片和加速度计则负责捕捉微小应力和振动变化^[5]），以获取高精度的温度、变形和动力响应数据，并形成典型数据集。基于这些监测数据，可采用数据驱动模型或结合物理本构关系的数值模拟，实时分析温度诱导的变形与应力分布，预测潜在损伤风险，进而建立温度-应力/变形关联模型，为预警和维护决策提供可靠依据。同时，借助日常气象预报及短中期极端天气预警信息，可提前制定限载、增加巡检频次、预润滑支座或防冻措施等运营策略。针对桥面沥青路面，还应配置高清红外热成像与基于深度学习的图像识别系统，监测路面温度场和裂缝萌生，及时发出交通限载、限速乃至临时封闭的预警指令，最大限度地减少高温或严寒对桥梁使用功能和道路通行安全的影响。

2.2 控制与维护策略

过去，温度对桥梁结构的影响多集中在耐久性方面，因而针对温度控制的研究相对薄弱：在高温环境下，通常仅在结构表面涂覆保温或反射涂层来减缓热传导，而在极端低温条件下几乎缺乏专门的控温措施^[6]。随着热浪和寒潮的频发，传统方法已难以满足桥梁运营安全的新需求，亟待深化对温度场演变机理、监测数据挖掘与智能算法优化的研究，开发更精确的温度预测与主动控温技术。与此同时，目前的极端温度下维护策略仍以常规巡检和被动修补为主，包括制定温度相关的定期巡检计划、在高温或低温时段前后开展专项检查、及时清理伸缩缝并维护支座润滑状态，以及对出现的裂缝、剥落等损伤进行即时修补。下一步，应结合气象预报与在线监测系统，探索智能化、动态化的温度管理与维护方案，从源头上减轻极端温度对桥梁结构安全与使用性能的冲击。

2.3 应急预案

极端灾害频发，对桥梁运营与维护提出了更高要求，例如暴雨洪涝导致桥梁冲刷与垮塌、烈焰火灾引发结构软化与坍塌、爆炸冲击使交通网络长期中断，这些均凸显了针对各类极端事件事先筹划应急预案的必要性。尽管极端高温或严寒尚未直接引发桥梁重大事故，但防患于未然同样至关重要。为此，应针对极端温度期间可能出现的桥面裂缝、支座冻结或伸缩缝失效等问题，预先制定全流程应急响应方案：首先，通过桥梁健康监测系统与主流导航APP联动，实时采集温度、应变与位移，并及时向过往车辆推送交通管制与动态绕行建议；其次，依托在线监测结果，快速部署专业维护队伍与材料，对温度诱发的结构裂缝或局部损伤实施精准修复，恢复桥体完整性；最后，在全桥关键节点设置“桥梁健康诊所”，配备应急修复工具、预制补强件及防冻/防滑材料，最大限度降低极端温度下的运营风险并提升桥梁韧性。

3 未来研究方向

以往研究中，温度对桥梁结构的影响往往被视为可忽略的线性弹性变形因素，然而极端气候事件频发，使温度效应跃升为影响桥梁寿命与安全的关键灾害因子。极端温度不仅能单独引发材料性能衰减，更会与多重环境作用产生协同或加速损伤效应。由此，构建涵盖极端温度的多灾害寿命预测和风险评估框架成为未来研究新方向，核心任务包括：

一、开发温度概率模型，以准确描述桥梁所处区域在不同时间尺度（如日循环、季节波动、极端事件）下的温度分布特征。借助历史气象观测数据、再分析气候数据以及区域气候模式输出，通过统计学方法提取极端高低温的发生概率；同时考虑未来气候情景下的温度变化趋势，以预估极端温度重现期。随后，将该温度概率模型与桥梁结构的脆弱度曲线或脆弱性函数进行耦合：在每一温度水平下，评估相应的材料性能退化、构件刚度和承载力变化，进而计算结构达到不同损伤或失效状态的条件概率。综合温度及其他荷载不确定性，建立桥梁在极端温度作用下的失效概率曲线，从而为寿命预测、风险等级划分和预防性维护决策提供量化依据。。

二、将数字孪生技术与传统物理本构模型深度融合，构建针对温度场的桥梁数字孪生系统。首先，在桥梁关键部位布设高精度温度传感器、应变片、加速度计以及紅外热像仪，通过边缘计算网关将多源实时数据上传至云端。其次，在云端部署基于有限元或多体动力学的高精度数值模型，模型中引入温度-应力/变形耦合的本构关系，并定期以实时监测数据对材料参数、边界条件和荷载工况进行标定与校正，实现模型状态的动态自适应更新，使数字孪生始终与实桥结构保持高度一致。基于此平台，集成机器学习算法对历史与实时数据进行特征提取与异常检测，进而开展剩余寿命预测：通过蒙特卡洛模拟或贝叶斯更新方法，量化不同温度情景下材料疲劳、腐蚀和冻融损伤的演化规律，并计算相应的失效概率。最后，构建可视化风险预警模块：将结构健康指标、剩余寿命概率分布与温度预报结果以仪表盘或三维模型形式呈现，支持运维人员在极端温度来临前及时制定限载、加固或维护策略。

三、运营管理阶段，极端温度将彻底纳入桥梁多灾害防御体系，以“数据流”为核心枢纽，构建兼容互联的智能化决策支持体系。具体而言，首先通过BIM模型实现桥梁全生命周期信息化管理，将设计、施工和运维各阶段的几何、材料和工艺数据整合入统一平台；再借助GIS技术将桥梁所处的地理环境、气象历史记录与实时气象预报叠加，精准获取区域温度分布与极端事件演变趋势；与此同时，通过高密度物联网监测网络获取温度、应变、位移、振动等多源时空感知数据，并实时上传至云端。云计算平台对这些海量异构数据进行并行存储与分布式计算，结合大数据分析与机器学习算法，不仅动态提取温度诱导的结构扰动特征，还可在不同极端温度工况下模拟结构响应，实时生成风险地图和健康指数。决策支持系统通过可视化仪表盘和预警引擎，将潜在风险以图表、告警和推荐措施的形式及时推送给运维人员，触发限载、调度或局部加固等主动化处置流程。同时，系统可与自动润滑、除冰和温控设施联动，实现故障自动诊断与闭环控制。

4 结论

（1）极端高温和严寒寒潮不断攀升，对桥梁结构的材料性能和使用安全造成了多重挑战：高温使混凝土短期强度下降、钢材蠕变与应力松弛加剧，热胀冷缩产生的附加内力和疲劳累积损伤会损害桥体和沥青路面的承载能力与平整度；而低温则提升材料脆性，引发冻融破坏和支座、伸缩缝失效，加速裂缝扩展与钢筋锈蚀，整体上显著缩短桥梁与路面的服役寿命。

（2）针对桥梁在极端温度下的运营，提出了一套综合性对策：首先建立基于多源传感与数据驱动模型的实时健康监测系统，精准捕捉温度-应力/变形演变并结合气象预报实现限载与预警；其次优化维护策略，从传统的被动涂层与定期巡检，升级为智能化、动态化的温度管理和主动控温技术；同时制定全流程应急预案，通过监测联动、导航APP推送与“桥梁健康诊所”快速部署精准修复与交通管制，最大程度降低极端温度期间的运营风险。

（3）展望未来，应将极端温度纳入多灾害风险评估与寿命预测框架：开发温度概率模型并与结构脆弱度曲线耦合，通过可靠度方法量化失效概率；推动数字孪生与物理本构模型深度融合，实现在线数据同化与剩余寿命预测，并通过可视化风险预警平台支持运维决策；最终以BIM-GIS-物联网-云计算为核心，构建全生命周期、闭环控制的智能决策支持体系，全面提升桥梁在极端温度环境下的韧性与安全保障。

参考文献

[1]张嘉赫.2024年国内外十大天气气候事件揭晓[N].中国气象报社.2025.01.24.

[2]刘栋.中暑、缺水、不平等和死亡，印度遭遇史上最长时间的极端高温[N].澎湃新闻.2024.06.14.

[3]Zhu Q, Wang H, Mao J, et al. Investigation of Temperature Effects on Steel-Truss Bridge Based on Long-Term Monitoring Data: Case Study[J]. Journal of Bridge Engineering, 2020, 25(9): 05020007.

[4]Lu Y, Li D, Wang K, et al. Study on solar radiation and the extreme thermal effect on concrete box girder bridges[J]. Applied sciences, 2021, 11(14): 6332.

[5]赵晓康,胡哲,张久鹏,等.基于光纤传感技术的路面结冰智能监测研究进展[J].吉林大学学报(工学版),2023,53(6):1566-1579.

[6]Quan X, Guo W, Tan J, et al. Investigation on effect of reflective coating on temperature field of CRTS II slab ballastless track under sunlight[J]. Sustainability, 2023, 15(2): 915.

作者简介：周小刚，男，1995年8月，汉族，四川绵阳人，硕士研究生学历，助教，研究方向为土木工程。

通讯作者：侯明珠，硕士，助教，研究方向为土木工程。