板梁橋底板縱向裂縫病害特征及病因關聯性分析

陳 欣，李文祥，謝發祥，吉伯海

(1.河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098；2.江蘇高速公路工程養護技術有限公司，江蘇 南京 210008)

橋梁建成通車后，隨著服役年限增長、材料耐久性逐漸降低，交通荷載日益增加[1- 4]，一些病害逐漸顯露出來，如梁體底板縱向開裂已成為混凝土空心板梁的典型病害之一[1- 2，5]。

板梁橋在長期服役過程中，梁體底板出現縱向裂縫且數量增長較快[6]。該病害對空心板結構承載力及其結構剛度存在較大影響[7- 11]。因此，國內外學者針對板梁橋縱向開裂原因開展了大量研究，但無統一定論：部分學者[12- 13]認為設計、材料和施工的初始缺陷是縱向裂縫產生的主要原因；部分學者[14- 16]認為底板縱縫主要是因為橋梁服役過程中的鋼筋銹蝕導致的；部分學者[17- 18]認為溫度和泊松效應是縱縫產生的主因；還有一些學者[19- 20]認為縱向裂縫是由外荷載導致的。但是上述學者的研究主要采用定性分析或有限元模擬，缺乏大樣本的病害統計歸納，具有局限性。

本文利用江蘇交通控股管養數據庫(以下簡稱管養系統)，以板梁橋為研究對象，通過編制Python程序，提取管養數據庫中梁體底板縱向裂縫病害定量屬性，分析其病害特征及其發展規律，實現病害特征統計的智能化。本研究對板梁橋長期服役后底板縱向裂縫的狀況及原因有了更加明確的認識，為提高結構服役壽命提供參考和依據。

1 底板縱向裂縫病害總體特征

江蘇交通控股所屬的高速公路大多2000年通車，距今已服役接近20年。板梁橋的跨徑從6～20m不等，板梁橋橫斷面有幾種基本形式，如圖1所示。不同跨徑橋梁的數量見表1。

表1 不同跨徑橋梁數量表

通過分析江蘇交通控股所轄高速公路板梁橋的管養數據庫，共涉及梁體底板縱向裂縫病害記錄39625條，其分布如圖2所示。從圖2可以看出，鋼筋混凝土橋梁底板縱向裂縫有1945條，占病害的4.9%；預應力橋梁上底板縱向裂縫有27291條，

圖2 縱向裂縫橋型分布

圖1 板梁橋的幾種基本形式

數量時間/年2003200420052006200720082009201020112012201320142015鋼筋混凝土橋梁/跨17010509744062927673221877988421801007底板縱縫病害/處501828491761603162324150098331平均病害/(處/跨)0.0300.040.380.120.600.210.980.120.300.590.540.33預應力橋梁/跨15013718369672811291433214011192208276122343621底板縱縫病害/處1447582641522982001261015323350504742584855平均病害/(處/跨)0.090.340.031.190.572.041.401.221.371.521.831.911.34

占比68.9%。因此，是否預應力橋梁對底板縱向裂縫分布存在一定影響。為更好分析板梁橋底板縱向裂縫病害特征及其發展規律，本文分別對鋼筋混凝土橋梁、預應力橋梁中的底板縱向裂縫展開研究。

按照JTG H11—2004《公路橋涵養護規范》[21]的規定，定期檢查的周期不超過3a。由于管轄橋梁眾多，不同的橋梁檢查并非在1a內完成，不同年份檢查的橋梁數量均不相同。目前管養數據庫包含跨度12a的檢查數據，不同年份檢查的橋梁和病害數量見表2。

圖3 鋼筋混凝土橋梁底板縱向裂縫時間分布

圖4 預應力橋梁底板縱向裂縫時間分布

混凝土和預應力混凝土橋梁底板縱向裂縫在不同檢查年的平均數量如圖3—4所示。由圖可見，底板縱向裂縫在鋼筋混凝土橋梁中平均數量明顯小于預應力板梁橋中平均數量。通過線性回歸可知，在鋼筋混凝土板梁橋中，平均每年每座板梁橋底板縱向裂縫病害增加約0.038處；在預應力板梁橋中，平均每年每座板梁橋底板縱向裂縫病害增加約0.134處。可見，預應力板梁橋中的底板縱向裂縫增幅更加明顯。雖然平均意義上的增幅并不大，但是由于橋梁數量眾多，病害總體數量不容忽視。

2 底板縱向裂縫病害特征分析

2.1 底板縱向裂縫平均數量在不同跨徑橋梁的分布

不同跨徑的板梁橋的底板縱向裂縫情況不同，而同一座橋有多種跨徑組合，因此病害數量不宜以橋梁為單位進行統計。以跨為單位，根據每跨跨徑分別統計混凝土板梁橋和預應力板梁橋中每跨縱向裂縫平均數量。

底板縱向裂縫在不同跨徑鋼筋混凝土板梁橋上的分布情況見表3。

表3 鋼筋混凝土板梁橋底板縱向裂縫在不同跨徑分布

底板縱向裂縫在不同跨徑預應力板梁橋上的分布情況見表4。

表4 預應力板梁橋底板縱向裂縫在不同跨徑分布

結合表3—4可以獲得梁體底板縱向裂縫在不同跨徑板梁橋上的分布情況，如圖5所示。由圖5可見，梁體底板縱向裂縫平均數量在預應力板梁橋明顯多于鋼筋混凝土橋梁，且與跨徑總體呈正比例關系(預應力板梁橋上縱向裂縫增長速率較快)。可見預應力與板梁橋的底板縱向裂縫存在明顯關聯，實際上現場檢測的結果也表明縱向裂縫幾乎都位于預應力鋼筋下方。

圖5 梁體縱向裂縫平均數量與跨徑關系

2.2 底板縱向裂縫病害的時間特征

以病害的平均數量為基礎分析板梁橋底板縱向裂縫病害隨運營時間發展變化的特征。由于時間受限，每年僅抽檢部分橋梁，因此每年檢查的板梁橋不盡相同。假定當年某座橋沒有檢查到，而前一年進行檢查，將前一年檢查的病害信息復制到當年。

鋼筋混凝土橋梁和預應力橋梁中梁體底板縱向裂縫的平均數量隨運營時間變化圖如圖6—7所示。由圖6可見，在鋼筋混凝土板梁橋中，梁體底板縱向裂縫大約在通車2～3a出現，除6/8m跨徑，在運營3a左右突增達到峰值，其余跨徑底板縱向裂縫平均數量大致與運營時間成正比。在預應力板梁橋中，梁體底板縱向裂縫基本在運營時間0a(即剛通車)時，就出現梁體底板縱向裂縫，其平均數量基本隨運營時間的增加而增加，而且底板縱向裂縫平均數量隨跨徑成正比，20m跨徑上底板縱向裂縫平均數量最多。因此，在預應力板梁橋中，底板縱向裂縫出現較早，且發展較迅速。

圖6 鋼筋混凝土板梁橋底板縱向裂縫平均數量時間趨勢圖

圖7 預應力板梁橋底板縱向裂縫平均數量時間趨勢圖

2.3 底板縱向裂縫與標準軸載關系

由于江蘇省高速公路板梁橋分布路段不同，交通量差異較大。因此，選取連徐高速管養數據庫中的縱向裂縫病害數據、病害的平均數量作為基礎，分析板梁橋底板縱向裂縫病害隨標準軸載變化的特征。由于標準軸載達到1000萬次以上的橋梁數量很少(鋼筋混凝土橋梁中，標準軸載大于1000萬次占比12.4%，預應力混凝土橋梁中，標準軸載大于1000萬次占比6.4%)，為不失一般性，將標準軸載分為0～250萬次，250～500萬次，500～1000萬次這3個區間。

鋼筋混凝土橋梁和預應力橋梁中梁體底板縱向裂縫的平均數量隨標準軸載變化圖如圖8—9。由圖可見，無論是鋼筋混凝土還是預應力混凝土橋梁，其裂縫病害與荷載呈明顯正相關。在鋼筋混凝土板梁橋中，8m板梁橋底板縱向裂縫平均數量變化率較大，6m跨徑底板縱向裂縫僅在標準荷載達到500萬次后才出現，因為此類橋梁多為箱涵，剛度較大。在預應力板梁橋中，底板縱向裂縫僅分布在跨徑為16/20m的板梁橋上，且底板縱向裂縫平均數量與標準軸載成線性關系，而從跨徑看，16m跨徑板梁的縱向裂縫隨荷載的變化率明顯高于20m板梁，說明16m板梁在荷載作用下更容易出現底板縱向裂縫。

圖8 鋼筋混凝土板梁橋底板縱向裂縫平均數量與標準軸載關系

圖9 預應力板梁橋底板縱向裂縫平均數量與標準軸載關系

2.4 底板縱向裂縫的定量特征

在病害數據庫中梁體底板縱向裂縫的記錄相對比較完整，具有位置、寬度、長度等定量信息。通過編制的Python程序可將裂縫相關的定量信息提取出來進行分析。提取數據庫里面有具體位置和長度的梁體裂縫，進行以下縱向裂縫定量特性分析。

2.4.1梁體底板縱向裂縫位置

圖10 梁體縱向相對位置分布

將梁體縱向劃分為3個部分，如圖10(即端部、1/4跨、跨中)所示。單獨統計數據庫中標出的底板縱向貫穿裂縫。梁體底板縱向裂縫在縱向位置分布的情況如圖11—12所示，裂縫所處位置的比例情況。由圖11可見，梁體底板縱向裂縫分布在鋼筋混凝土橋梁中有1945條，占板梁橋底板縱向裂縫的6.7%。其中分布在端部有645條，占總數的33.2%；分布在1/4跨處的340條，占總數的17.5%；分布在跨中的有229條，占總數的11.8%；貫穿裂縫有55條，占總數的2.8%。

圖11 底板縱向裂縫位置

圖12 底板縱向裂縫位置

梁體底板縱向裂縫在預應力橋梁中有27291條，占所有板梁橋底板縱向裂縫總數的93.3%。其中分布在端部有10811條，占總數的39.6%；分布在1/4跨處有4045條，占總數的14.8%；分布在跨中的有2182條，占總數的8%；貫穿裂縫1558條，占總數的5.7%。對比發現，在板梁橋有記錄位置的裂縫中，底板縱向裂縫都呈現從端部向跨中數量遞減的趨勢。

2.4.2底板縱向裂縫長度

梁體底板縱向裂縫長度的統計結果如圖13—14所示。由圖可見，在鋼筋混凝土板梁橋中，底板縱向裂縫長度多在500～1000cm的區間內，有528條，占總數的27.1%；其次是裂縫長度大于在1000cm，有477條，占比24.5%。而在預應力板梁橋中，梁體底板縱向裂縫長度多大于1000cm，有9847條，占總數的36.1%；其次是分布在500～1000cm的區間范圍內，有5707條，占比20.9%。由此可見，底板縱向裂縫裂縫長度均較長，且預應力板梁橋上的底板縱向裂縫裂縫長度明顯大于鋼筋混凝土板梁橋上的底板縱向裂縫裂縫長度。

圖13 底板縱向裂縫長度

圖14 底板縱向裂縫長度

2.4.3底板縱向裂縫寬度

圖15 底板縱向裂縫寬度

圖16 底板縱向裂縫寬度

底板縱向裂縫寬度的統計情況如圖15—16所示。由圖可見，在鋼筋混凝土橋梁和預應力橋梁中，梁體底板縱向裂縫裂縫寬度均大多分布在0.05～0.1mm的兩個區間范圍內，占比分別是65.1%和71.4%。但是，在鋼筋混凝土橋梁和預應力橋梁中，分別有1.9%和0.8%的底板縱向裂縫甚至超過0.25mm。縱向裂縫寬度越大，鋼絞線與混凝土之間的握裹效應越差，同時由于水分的進入將導致鋼絞線銹蝕，導致結構耐久性問題。

3 結論與建議

通過對江蘇交通控股高速公路板梁橋的管養數據進行整理和分析，對服役期間的板梁橋底板縱向裂縫在不同跨徑橋梁的分布特征、平均病害發展的時間特征、平均病害在標準荷載的分布特征以及裂縫病害定量特征做了比較詳細的分析，并結合數理統計對病害特征進行關聯性分析，得到以下結論：

(1)從不同跨徑的橋梁病害來看，預應力板梁橋底板縱向裂縫平均數量在明顯多于鋼筋混凝土板梁橋，且與跨徑總體呈正比例關系。縱向裂縫與預應力、病害跨徑存在關聯性。

(2)在預應力板梁橋中，底板縱向裂縫病害隨運營時間總體呈增加趨勢，預應力板梁橋幾乎在運營開始即出現底板縱向裂縫，而鋼筋混凝土板梁縱向裂縫出現時間平均在2～3a以后。

(3)從底板縱向裂縫平均數量在標準軸載的分布來看，梁體底板縱向裂縫平均數量在預應力板梁橋明顯多于鋼筋混凝土橋梁，且縱向裂縫與標準軸載成明顯相關性。

(4)梁體底板裂縫位置分布在端部數量最多，在鋼筋混凝土橋梁和預應力橋梁中占比分別為33.2%和39.6%；裂縫分別占比為2.8%和5.7%。在所有板梁橋中，在有記錄位置的裂縫中，底板縱向裂縫數量都呈現從端部向跨中遞減的趨勢。

(5)板梁橋底板縱向裂縫的長度多在1m以上，寬度多位于0.05～0.1mm之間，但是應該關注裂縫寬度大于0.15mm的裂縫，因為這些裂縫可能引起預應力鋼筋的耐久性問題，影響橋梁結構安全。