基于管養數據的高速公路板梁橋病害特征分析*

謝發祥，丁鵬飛，陳 欣，趙 煒，吉伯海

(河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

0 引 言

隨著高速公路的發展，高速公路的橋梁數量也增長迅速。橋梁建成通車后，除了受氣候、環境等因素的影響，隨著橋梁服役年限的增長，材料耐久性逐漸降低，交通荷載日益增加[1-4]，已建橋梁的病害數量將逐漸增加。若未能及時發現關鍵病害并及時進行養護，將導致高速公路橋梁的不安全因素逐漸累積[4-6]，危及結構安全。

橋梁管養是一項任務繁多、系統性強的工作，具有數據量大、數據價值密度低和數據價值量大等特點[7-10]。已建橋梁的病害發展狀況已引起國內外研究者的足夠重視。很多國家均逐漸完善了橋梁檢查體系，并建立了相應的管養數據庫[11-13]。但目前管養數據庫僅對每座橋梁按照規范進行記錄，同時管養單位的養護大多只針對上個檢查周期中發現的具體病害進行養護，并未充分利用管養數據庫的歷史病害及其發展情況。且隨著橋梁管養數據庫的不斷增長，其利用率相對更低。因此如何充分利用既有數據，并將現有數據去雜去冗，從海量數據中發現其價值顯得尤為重要[14-16]。

對江蘇交通控股橋梁管養數據庫(以下簡稱管養系統)涉及的橋型統計表明，板梁橋約占橋梁總數的70%。由于其數量眾多，且受力相對較簡單，因此筆者以板梁橋為研究對象，利用Microsoft Visual Basic for Application(VBA)程序，提取管養數據庫中板梁橋的主要病害及其定量屬性，實現對重點管養數據的處理和分析。通過有效數據的分類和提取，提升數據利用效率，實現了此類橋梁結構病害特征的統計分析，為提高結構服役壽命提供參考和依據。

1 江蘇交通控股橋梁管養系統簡介

江蘇省交通控股橋梁管養系統包括連徐高速管養公司、寧宿徐高速管養公司等橋梁管養公司。目前管養系統覆蓋了管轄范圍內的全部橋梁，對所有的橋梁均有相應的病害記錄和基于規范的狀態評估，并有與用戶交互查詢記錄等基本功能。

針對不同類型的橋梁，管養人員輸入各橋梁不同時期的常規檢查數據，建立了相應的橋梁動態歷史信息數據庫。橋梁的歷史數據庫主要保存橋梁的歷史狀態信息，記錄橋梁的檢查、檢測、維修、保養等信息，可針對橋梁病害生成相應報表。但目前該系統并不能實現結構病害的特征分析和定量信息提取，而這是筆者的主要研究目的。

2 板梁橋病害特征

2.1 板梁橋總體病害特征

江蘇交通控股所屬某高速公路2002年通車，距今已有15年。板梁橋的跨徑從6～20 m不等，上部結構橫斷面布置有幾種基本形式，如圖1。不同跨徑橋梁的數量也有所不同，如表1。

圖1 板梁橋的上部結構橫斷面布置(單位：cm)Fig. 1 Cross section arrangement of superstructure of plank bridge

板梁跨徑/m6810131620數量/座3310913117711951占比/%5.317.621.128.519.28.2是否預應力橋梁否否混合混合是是

分析該段高速公路板梁橋的管養數據庫，共涉及病害記錄107 740條。管養數據庫把板梁橋分為27個基本構件，不同構件名稱及不同病害的分布如表2。

表2 板梁橋構件病害分布Table 2 Disease distribution of plate girder bridge 條

由表2可見：板梁橋構件的主要病害按數量多少排序，首先是梁體底板病害，約占總數的57.7%；其次是支座病害，約占總數的16.3%；然后是梁體腹板和臺身病害，分別約占總數的5.8%和5.7%；排水設施、鉸縫、梁體翼板、墩帽分別約占總數的3.8%、2.6%、2.6%、1.5%；其余構件病害約占總數的2%。總體看來，梁體(含鉸縫)病害占68.9%；支座病害占16.3%；墩臺基礎病害占10.5%；伸縮縫病害占0.3%；其他病害占4.0%。

對數據庫進行初步分析，分析結果表明：板梁橋的主要病害形式為混凝土構件(梁體、鉸縫等)的裂縫(橫橋向、縱橋向裂縫)、混凝土破損、支座病害、伸縮縫病害以及附屬構件(欄桿、護坡、橋面)的混凝土、鋼筋銹蝕。

2.2 板梁橋檢查時間

按照JTG H11—2004《公路橋涵養護規范》[17]，定期檢查周期不超過3年。因此不同橋梁檢查并非在一年內完成，不同年份檢查的橋梁和病害數量都不相同。目前管養數據庫包含跨度12年的檢查數據，不同年份檢查的橋梁總量、病害總量及平均每座橋的病害量如表3。

表3 不同年份橋梁常規檢查的基本情況Table 3 Basic conditions of conventional inspectionof bridges in different years

對平均病害數量通過簡單的線性回歸可知，平均每年每座板梁橋病害增加約1.5條，平均意義上的增幅并不大。

2.3 板梁橋構件分類

管養數據庫僅記錄不同構件的病害情況，并未對其重要程度加以區別，可能導致大量次要病害掩蓋結構的主要病害。因此從結構安全角度出發，為反映橋梁結構實際情況，必須找出影響結構安全的病害。

結合簡支板梁橋的受力特點，按照構件對橋梁安全性的影響程度，將不同病害所處構件分為主要和次要構件兩大類。橋梁的主要構件為結構承力構件，包括梁體(底板、腹板、翼板)、墩臺、支座、伸縮縫等4個部分，其病害可能影響結構安全或改變結構受力狀態。次要構件包括護欄、橋面鋪裝和其他附屬構件，其病害不顯著影響結構受力。

對構件進行重要性分類后，還需選擇構件的主要病害形式。結合管養數據庫的構件分類，表4列出了主要和次要構件及其主要病害形式。后續將著重分析主要構件的主要病害形式，對主要構件的次要病害、次要構件的病害不做分析。同時由于伸縮縫的病害絕對數量較少，限于篇幅，亦不作分析。

表4 構件分類及其主要病害形式Table 4 Classification of components and diseases forms

3 板梁橋主要病害及其屬性

在區分主要構件及主要病害后，還需確定病害的定量屬性。以裂縫為例，尚需獲取裂縫所在構件、裂縫形態(橫向、縱向、斜裂縫)以及裂縫位置、長寬、深度等定量信息。雖然管養系統數據庫的設計本身較完善，但實際操作過程中，具體數據的輸入不規范，因此大量信息需重新提取后才能進行分析。

筆者在原數據庫中提取相應的病害屬性特征并進行整理，分析主要病害及其主要屬性與特征，如表5。

表5 主要構件的主要病害及病害特征Table 5 Main diseases and diseases characteristicsof main components

注：①為更好區分裂縫，根據裂縫的位置記錄，將梁體8等分：其中兩端到1/8L為端部；跨中兩側(1/8～3/8)L為四分跨；跨中兩側3/8L之間為跨中。這樣將橋梁分為了3個部分，即：端部(合計長1/4L，兩側不加以區分)、四分跨(合計長1/2L)和跨中(合計長1/4L)；②并非所有裂縫屬性均完備，大量病害未記錄相應屬性，如很多裂縫未記錄位置信息；③裂縫長度分為0～50、50～100、100～200、 200～500、500～1 000及1 000 cm以上等6類；④橋梁跨徑按照實際跨徑分為6、8、10、13、16、20 m等6類，其中13 m(含)以上為預應力橋梁，其余為混凝土橋梁；④限于檢查手段，一些主要構件，如梁體頂板、板梁內部，其病害在數據庫中基本未體現。

4 板梁橋主要病害特征分析

4.1 主要構件病害的數量特征

根據確定的主要病害特征，不同構件的主要病害數量和比例匯總如表6(不含伸縮縫病害)。由表可見，所列主要病害占比均大于85%，其在梁體、支座和墩臺等構件中占比分別為97%、88%和86%，能夠代表所在構件病害的數量特征。盡可能選擇對結構受力有影響的主要病害特性。

表6 不同構件的主要病害數量和比例Table 6 Main diseases quantity and proportion of different components

4.1.1 梁體主要病害

表7表示梁體不同構件的病害分布情況。由表可見：梁體(底板、腹板或翼板)的裂縫為主要病害，其中底板的裂縫最多，占裂縫總數的88%；鋼筋銹蝕在腹板和翼板出現較多；混凝土破損則主要在底板出現。

表7 梁體病害Table 7 Diseases on beam 條

4.1.2 支座和墩臺的主要病害

由表6可見，支座病害主要是支座脫空和支座剪切變形，分別占71.7%和16.5%，而墩臺的主要病害是裂縫和鋼筋銹蝕、露筋，分別占75%和10.7%。

4.2 主要構件病害在不同跨徑橋梁的分布

由于不同跨徑橋梁的數量不同，筆者在分析中，以每種跨徑橋梁上的病害平均數作為比較主體，避免橋梁數量不同引起的病害數量差異。

4.2.1 梁體病害

1) 梁體裂縫病害

圖2顯示了梁體裂縫在不同跨徑板梁橋上的分布情況。由圖可見，梁體底板橫向裂縫平均數量最多。梁體底板橫向裂縫在8、10、13 m板梁中多發，以13 m跨徑為最多，平均每座橋達196.5條；以16 m跨徑為最少，平均每座橋僅0.34條。10、13 m板梁存在鋼筋混凝土和預應力混凝土兩種形式，而16、20 m板梁橋為預應力結構，預應力的存在抑制了板梁底板橫向裂縫的出現。梁體底板縱向裂縫在13、16、20 m跨的預應力板梁橋中比較多見，平均每座橋分別為1.9、4.4、3.2條。腹板豎向裂縫在13、16、20 m跨徑的板梁中較多見，以16 m跨為最多，平均每座橋達到25.5條。翼板橫向裂縫多發生在20 m跨徑的預應力板梁橋中。小跨徑板梁需多關注底板橫向裂縫，而較大跨徑板梁橋則需多關注腹板(16 m)和翼板裂縫(20 m)。

圖2 梁體裂縫平均數量與跨徑的關系Fig. 2 Relationship between average number of cracks in beams with various spans

2) 梁體混凝土破損和鋼筋銹蝕

圖3顯示了梁體混凝土破損和鋼筋銹蝕在不同跨徑橋梁的分布。由圖可見，相比裂縫數量，梁體混凝土破損數量較少，且分布不均。6 m和16 m板梁的底板平均破損較多，是8、13、20 m板梁平均破損數量的兩倍左右，而10 m板梁的底板平均破損最少。梁體腹板破損數量較少，在跨徑較大的橋梁中，其值隨跨徑增大而增大。鋼筋銹蝕平均數量隨跨徑增加而增大，在16 m跨徑達到峰值，隨后隨跨徑增加而降低。

圖3 梁體混凝土破損和鋼筋銹蝕平均數量與跨徑的關系Fig. 3 Relationship between average number of concrete damages and steel bar corrosions on beams and span

4.2.2 支座病害

圖4顯示了橋梁支座脫空和剪切變形病害在不同跨徑橋梁的分布情況。隨著跨徑的增長，支座脫空和剪切變形的平均數量逐漸增加，支座脫空的數量與跨徑大小呈良好的線性關系，符合不同跨徑板梁橋支座受力的特點。在所有跨徑橋梁上，支座脫空的平均數量明顯高于剪切變形的數量，且增速更快。

圖4 支座病害與跨徑的關系Fig. 4 Relationship between diseases of piers and span

4.2.3 墩臺病害

圖5為墩臺主要病害包括裂縫、鋼筋銹蝕與混凝土破損等平均數量與跨徑間的關系。墩臺裂縫平均數量在小跨徑(6～10 m)的板梁橋上較多，即墩臺裂縫多出現在鋼筋混凝土板梁橋中。總體上裂縫平均數量與跨徑成反比關系。可見小跨徑板梁墩臺的安全裕度不如中等跨徑板梁。鋼筋銹蝕病害多出現在13～20 m的板梁橋上。此類板梁橋屬于預應力混凝土結構。混凝土破損病害的數量較少，與跨徑大致呈線性增加關系。

圖5 墩臺病害與跨徑的關系Fig. 5 Relationship between diseases of piers and span

4.3 主要構件病害的時間特征

重點分析板梁橋主要構件的病害隨時間發展的情況。由于不同時間檢查的橋梁以及橋梁的數量并不相同，筆者仍以病害平均數量為基礎進行分析。

4.3.1 梁體病害

1) 梁體裂縫

圖6顯示了梁體的平均數量隨年份的變化情況。底板橫向裂縫發展大致呈線性增長趨勢，其中2009—2013年發展較快，之后趨于緩和。腹板豎向裂縫、翼板橫向裂縫及底板縱向裂縫在2007年前幾乎未出現。前兩者在2007—2013年發展相對較快，之后趨于緩和。底板縱向裂縫雖然數量較少，但在2007—2015年發展趨勢并未減緩。由于底板縱向裂縫可能導致結構的縱向劈裂，應予以重點關注。

圖6 梁體裂縫平均數量隨年份的變化規律Fig. 6 Change law of average number of cracks on beams with the year

2) 梁體混凝土破損和鋼筋銹蝕

數據庫中未記錄翼板混凝土破損，圖7為腹板和底板混凝土破損和梁體鋼筋銹蝕隨年份的發展情況。由圖可見，底板和腹板混凝土破損隨年份的增長一直增加。其中底板破損在2011年前發展比較緩慢，之后迅速增加，總體可用二次曲線關系擬合。腹板混凝土破損較少，2013年之后有所增加。梁體鋼筋銹蝕亦在2013年之后迅速增加。后兩者可用指數曲線近似擬合。

4.3.2 支座病害

圖8為支座脫空和剪切變形病害的平均數量隨年份的變化曲線。由圖可見，支座平均脫空數量隨年份的增長呈快速增長趨勢，尤其2013年(建成通車11年)后發展較快，平均脫空數量急劇增加。從數值看，支座脫空平均數量與年份呈指數增加關系。由于支座脫空會給橋梁受力帶來明顯不利影響，需重點關注此類病害的發展。

圖7 梁體混凝土破損和鋼筋銹蝕平均數量隨年份的變化規律Fig. 7 Change law of average number of girder concrete damage and steel corrosion on beams with the year

圖8 支座病害平均數量隨年份的變化規律Fig. 8 Change law of average number of bearing diseases with the year

支座剪切變形有3年的數據缺失。該病害數量在2007年前較少，之后，增長明顯加快。平均支座剪切變形數量與年份可用線性關系描述。

4.3.3 墩臺病害

圖9為墩臺不同病害的發展情況。由圖可見，墩臺裂縫的平均數量也隨年份快速增長，整體上可用拋物線函數進行擬合。鋼筋銹蝕和混凝土破損病害總體數量不多，但鋼筋銹蝕在2009年后發展較快。從趨勢看，墩臺的主要病害還在繼續發展當中。

4.4 梁體裂縫的定量特征

由總體病害數量分布可見，裂縫是板梁橋最主要的病害形式，且在病害數據庫中的記錄較為完整，具有位置、寬度、長度等定量信息。通過VBA程序可將裂縫相關的定量信息提取出來進行分析。

圖9 墩臺病害平均數量隨年份的變化規律Fig. 9 Change law of average number of piers diseases with the year

裂縫位置和部分裂縫長度的記錄情況不樂觀。分析表明：有10 254條裂縫記錄了較詳細的裂縫位置，55 656條無記錄或記載位置為0，后者占絕大多數；有51 711條裂縫記錄了較詳細的裂縫長度，14 199條無記錄，后者占21.5%；有58 511條裂縫記錄了較詳細的裂縫寬度，7 399條無記錄，后者占11.2%。因此為了提高數據庫的準確性，進一步實行標準化輸入非常有必要。后續分析均針對數據庫里有具體位置和長度的梁體裂縫，與實際情況可能有差別。

4.4.1 梁體裂縫位置

表8為梁體不同構件上裂縫橫縱向分布的情況，即按照表4注①所述將梁體縱向劃分為3個部分(端部、四分跨和跨中)后，裂縫所處位置的比例情況。由表可見：梁體底板橫向裂縫多分布在跨中；梁體底板縱向裂縫多偏于支座位置，在1/4跨和跨中也有19%的分布；梁體腹板豎向裂縫約45%位于跨中位置，且從支座位置向跨中逐漸增加，符合板梁橋受力特點；而梁體翼板橫向裂縫有51%位于梁的1/4跨處，跨中次之，約占31%。

表8 底板、腹板、翼板裂縫位置統計Table 8 Statistics of cracks location on floor plates, web plates， and wing plates 條

4.4.2 梁體裂縫長度

表9為梁體不同構件裂縫長度的統計結果。由表可見：梁體底板橫向裂縫長度多分布在50～100 cm，100～200 cm區間，兩者約占總數的89%；梁體底板縱向裂縫長度相對均勻地分布在200～1 000 cm以上區間，約占總數的86%；梁體腹板豎向裂縫多分布在50～100 cm區間，加上50 cm以內的短縫則約占總數的97%；梁體翼板橫向裂縫幾乎全部貫穿整個翼板，長度為100～200 cm，約占總數的97%。

表9 底板、腹板、翼板裂縫長度統計Table 9 Statistics of length of cracks on floor plates, web plates,and wing plates 條

4.4.3 梁體裂縫寬度

表10為裂縫寬度的統計結果。由表可見，梁體裂縫寬度多為0.05～0.10 mm，其中98%底板橫向裂縫、76%縱向裂縫、80%腹板豎向裂縫和67%翼板橫向裂縫均在此寬度范圍。然而仍有0.8%底板橫向裂縫、24%底板縱向裂縫(0.61%甚至超過0.25 mm)、20%腹板豎向裂縫以及24%翼板橫向裂縫寬度超過0.10 mm。這些裂縫數量雖不多，卻是危及安全的嚴重病害。

表10 底板、腹板、翼板裂縫寬度統計Table 10 Statistics of width of cracks on floor plates, web plates， and wing plates 條

5 結 論

通過對江蘇交通控股某運營15年的高速公路板梁橋管養數據進行整理和分析，提取了板梁橋主要及次要構件的主要病害特征，對服役期間的板梁橋的病害數量特征、不同病害在不同跨徑橋梁的分布特征、平均病害發展的時間特征以及裂縫病害的定量特征進行了較為詳細的分析，得到以下結論：

1) 該高速公路在役板梁橋數量最多的病害形式為梁體裂縫(以梁體底板裂縫為主)，其次為支座病害(支座脫空為主)，再次為墩臺病害(裂縫為主)。

2) 從不同跨徑的橋梁病害來看，8、10、13 m板梁橋的底板橫向裂縫最為集中，16 m梁的腹板豎向裂縫和20 m梁的翼板橫向裂縫突出。梁體底板縱向裂縫總體數量不多(梁體裂縫的1.5%)，集中在13、16、20 m的預應力板梁橋上，部分裂縫寬度超0.1 mm，可能危及橋梁安全。

3) 支座病害(支座脫空、剪切變形)隨跨徑線性增加，且在所有跨徑橋梁上支座脫空均比剪切變形病害嚴重。6、8 m板梁的墩臺裂縫平均數量最多，但不同跨徑板梁的墩臺裂縫平均數隨跨徑增加而線性減少。

4) 板梁橋裂縫病害隨年份總體呈增加趨勢，其中底板橫向裂縫、腹板豎向裂縫以及翼板橫向裂縫增加趨勢在通車11年后趨于緩和，但是底板縱向裂縫、墩臺裂縫和混凝土破損則一直呈增加趨勢。

5) 支座病害隨年份增加迅速。支座病害(支座脫空、剪切變形)在2013年(通車11年)后急劇增加，其平均病害數量呈指數曲線變化。

6) 梁體底板縱向裂縫在橋梁全跨分布相對均勻；梁體腹板豎向裂縫從橋梁支座位置向跨中逐漸增加；梁體翼板橫向裂縫在橋梁的1/4跨處相對較多，跨中次之。去除不確定位置裂縫記錄的底板橫向裂縫位置以跨中為主。

7) 梁體橫向裂縫長度多分布在50～200 cm區間，占比89%。底板縱向裂縫長度比較均勻地分布在200 cm以上的3個區間，沒有特別的控制區間。腹板豎向裂縫則大多為5～10 cm區間的短縫，而翼板橫向裂縫基本為100～200 cm的長縫。

8) 規范化的數據輸入非常重要。目前管養系統中有的數據輸入不規范，導致部分信息不能被充分利用，如梁體橫向裂縫存在大量不確定位置的記錄。在后續的管養系統數據采集中一定要強化規范化輸入，提高數據有效率。

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