陳 欣，李文祥，謝發(fā)祥，吉伯海

(1.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.江蘇高速公路工程養(yǎng)護(hù)技術(shù)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(xiàn)縱向裂縫且數(shù)量增長較快[6]。該病害對空心板結(jié)構(gòu)承載力及其結(jié)構(gòu)剛度存在較大影響[7- 11]。因此，國內(nèi)外學(xué)者針對板梁橋縱向開裂原因開展了大量研究，但無統(tǒng)一定論：部分學(xué)者[12- 13]認(rèn)為設(shè)計、材料和施工的初始缺陷是縱向裂縫產(chǎn)生的主要原因；部分學(xué)者[14- 16]認(rèn)為底板縱縫主要是因?yàn)闃蛄悍圻^程中的鋼筋銹蝕導(dǎo)致的；部分學(xué)者[17- 18]認(rèn)為溫度和泊松效應(yīng)是縱縫產(chǎn)生的主因；還有一些學(xué)者[19- 20]認(rèn)為縱向裂縫是由外荷載導(dǎo)致的。但是上述學(xué)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(tǒng)計歸納，具有局限性。

本文利用江蘇交通控股管養(yǎng)數(shù)據(jù)庫(以下簡稱管養(yǎng)系統(tǒng))，以板梁橋?yàn)檠芯繉ο?，通過編制Python程序，提取管養(yǎng)數(shù)據(jù)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(fā)展規(guī)律，實(shí)現(xiàn)病害特征統(tǒng)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(rèn)識，為提高結(jié)構(gòu)服役壽命提供參考和依據(jù)。

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(shù)量見表1。

表1 不同跨徑橋梁數(shù)量表

通過分析江蘇交通控股所轄高速公路板梁橋的管養(yǎng)數(shù)據(jù)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(yù)應(yīng)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(shù)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(fā)展規(guī)律，本文分別對鋼筋混凝土橋梁、預(yù)應(yīng)力橋梁中的底板縱向裂縫展開研究。

按照J(rèn)TG H11—2004《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》[21]的規(guī)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(nèi)完成，不同年份檢查的橋梁數(shù)量均不相同。目前管養(yǎng)數(shù)據(jù)庫包含跨度12a的檢查數(shù)據(jù)，不同年份檢查的橋梁和病害數(shù)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(yù)應(yīng)力橋梁底板縱向裂縫時間分布

混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁底板縱向裂縫在不同檢查年的平均數(shù)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(shù)量明顯小于預(yù)應(yīng)力板梁橋中平均數(shù)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(yù)應(yīng)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?？梢姡A(yù)應(yīng)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(shù)量眾多，病害總體數(shù)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(shù)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(shù)量不宜以橋梁為單位進(jìn)行統(tǒng)計。以跨為單位，根據(jù)每跨跨徑分別統(tǒng)計混凝土板梁橋和預(yù)應(yīng)力板梁橋中每跨縱向裂縫平均數(shù)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(yù)應(yīng)力板梁橋上的分布情況見表4。

表4 預(yù)應(yīng)力板梁橋底板縱向裂縫在不同跨徑分布

結(jié)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(shù)量在預(yù)應(yīng)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(guān)系(預(yù)應(yīng)力板梁橋上縱向裂縫增長速率較快)?？梢婎A(yù)應(yīng)力與板梁橋的底板縱向裂縫存在明顯關(guān)聯(lián)，實(shí)際上現(xiàn)場檢測的結(jié)果也表明縱向裂縫幾乎都位于預(yù)應(yīng)力鋼筋下方。

圖5 梁體縱向裂縫平均數(shù)量與跨徑關(guān)系

2.2 底板縱向裂縫病害的時間特征

以病害的平均數(shù)量為基礎(chǔ)分析板梁橋底板縱向裂縫病害隨運(yùn)營時間發(fā)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(dāng)年某座橋沒有檢查到，而前一年進(jìn)行檢查，將前一年檢查的病害信息復(fù)制到當(dāng)年。

鋼筋混凝土橋梁和預(yù)應(yīng)力橋梁中梁體底板縱向裂縫的平均數(shù)量隨運(yùn)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(xiàn)，除6/8m跨徑，在運(yùn)營3a左右突增達(dá)到峰值，其余跨徑底板縱向裂縫平均數(shù)量大致與運(yùn)營時間成正比。在預(yù)應(yīng)力板梁橋中，梁體底板縱向裂縫基本在運(yùn)營時間0a(即剛通車)時，就出現(xiàn)梁體底板縱向裂縫，其平均數(shù)量基本隨運(yùn)營時間的增加而增加，而且底板縱向裂縫平均數(shù)量隨跨徑成正比，20m跨徑上底板縱向裂縫平均數(shù)量最多。因此，在預(yù)應(yīng)力板梁橋中，底板縱向裂縫出現(xiàn)較早，且發(fā)展較迅速。

圖6 鋼筋混凝土板梁橋底板縱向裂縫平均數(shù)量時間趨勢圖

圖7 預(yù)應(yīng)力板梁橋底板縱向裂縫平均數(shù)量時間趨勢圖

2.3 底板縱向裂縫與標(biāo)準(zhǔn)軸載關(guān)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(yǎng)數(shù)據(jù)庫中的縱向裂縫病害數(shù)據(jù)、病害的平均數(shù)量作為基礎(chǔ)，分析板梁橋底板縱向裂縫病害隨標(biāo)準(zhǔn)軸載變化的特征。由于標(biāo)準(zhǔn)軸載達(dá)到1000萬次以上的橋梁數(shù)量很少(鋼筋混凝土橋梁中，標(biāo)準(zhǔn)軸載大于1000萬次占比12.4%，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁中，標(biāo)準(zhǔn)軸載大于1000萬次占比6.4%)，為不失一般性，將標(biāo)準(zhǔn)軸載分為0～250萬次，250～500萬次，500～1000萬次這3個區(qū)間。

鋼筋混凝土橋梁和預(yù)應(yīng)力橋梁中梁體底板縱向裂縫的平均數(shù)量隨標(biāo)準(zhǔn)軸載變化圖如圖8—9。由圖可見，無論是鋼筋混凝土還是預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁，其裂縫病害與荷載呈明顯正相關(guān)。在鋼筋混凝土板梁橋中，8m板梁橋底板縱向裂縫平均數(shù)量變化率較大，6m跨徑底板縱向裂縫僅在標(biāo)準(zhǔn)荷載達(dá)到500萬次后才出現(xiàn)，因?yàn)榇祟悩蛄憾酁橄浜瑒偠容^大。在預(yù)應(yīng)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(shù)量與標(biāo)準(zhǔn)軸載成線性關(guān)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(xiàn)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(shù)量與標(biāo)準(zhǔn)軸載關(guān)系

圖9 預(yù)應(yīng)力板梁橋底板縱向裂縫平均數(shù)量與標(biāo)準(zhǔn)軸載關(guān)系

2.4 底板縱向裂縫的定量特征

在病害數(shù)據(jù)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(guān)的定量信息提取出來進(jìn)行分析。提取數(shù)據(jù)庫里面有具體位置和長度的梁體裂縫，進(jìn)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(dú)統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫中標(biāo)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(shù)的33.2%；分布在1/4跨處的340條，占總數(shù)的17.5%；分布在跨中的有229條，占總數(shù)的11.8%；貫穿裂縫有55條，占總數(shù)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(yù)應(yīng)力橋梁中有27291條，占所有板梁橋底板縱向裂縫總數(shù)的93.3%。其中分布在端部有10811條，占總數(shù)的39.6%；分布在1/4跨處有4045條，占總數(shù)的14.8%；分布在跨中的有2182條，占總數(shù)的8%；貫穿裂縫1558條，占總數(shù)的5.7%。對比發(fā)現(xiàn)，在板梁橋有記錄位置的裂縫中，底板縱向裂縫都呈現(xiàn)從端部向跨中數(shù)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(tǒng)計結(jié)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(qū)間內(nèi)，有528條，占總數(shù)的27.1%；其次是裂縫長度大于在1000cm，有477條，占比24.5%。而在預(yù)應(yīng)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(shù)的36.1%；其次是分布在500～1000cm的區(qū)間范圍內(nèi)，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(yù)應(yīng)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(tǒng)計情況如圖15—16所示。由圖可見，在鋼筋混凝土橋梁和預(yù)應(yīng)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(qū)間范圍內(nèi)，占比分別是65.1%和71.4%。但是，在鋼筋混凝土橋梁和預(yù)應(yīng)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?？v向裂縫寬度越大，鋼絞線與混凝土之間的握裹效應(yīng)越差，同時由于水分的進(jìn)入將導(dǎo)致鋼絞線銹蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性問題。

3 結(jié)論與建議

通過對江蘇交通控股高速公路板梁橋的管養(yǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)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(fā)展的時間特征、平均病害在標(biāo)準(zhǔn)荷載的分布特征以及裂縫病害定量特征做了比較詳細(xì)的分析，并結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計對病害特征進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，得到以下結(jié)論：

(1)從不同跨徑的橋梁病害來看，預(yù)應(yīng)力板梁橋底板縱向裂縫平均數(shù)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(guān)系?？v向裂縫與預(yù)應(yīng)力、病害跨徑存在關(guān)聯(lián)性。

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

(3)從底板縱向裂縫平均數(shù)量在標(biāo)準(zhǔn)軸載的分布來看，梁體底板縱向裂縫平均數(shù)量在預(yù)應(yīng)力板梁橋明顯多于鋼筋混凝土橋梁，且縱向裂縫與標(biāo)準(zhǔn)軸載成明顯相關(guān)性。

(4)梁體底板裂縫位置分布在端部數(shù)量最多，在鋼筋混凝土橋梁和預(yù)應(yīng)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(shù)量都呈現(xiàn)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(yīng)該關(guān)注裂縫寬度大于0.15mm的裂縫，因?yàn)檫@些裂縫可能引起預(yù)應(yīng)力鋼筋的耐久性問題，影響橋梁結(jié)構(gòu)安全。