基于管养数据的高速公路板梁桥病害特征分析*

谢发祥，丁鹏飞，陈 欣，赵 炜，吉伯海

(河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210098)

0 引 言

随着高速公路的发展，高速公路的桥梁数量也增长迅速。桥梁建成通车后，除了受气候、环境等因素的影响，随着桥梁服役年限的增长，材料耐久性逐渐降低，交通荷载日益增加[1-4]，已建桥梁的病害数量将逐渐增加。若未能及时发现关键病害并及时进行养护，将导致高速公路桥梁的不安全因素逐渐累积[4-6]，危及结构安全。

桥梁管养是一项任务繁多、系统性强的工作，具有数据量大、数据价值密度低和数据价值量大等特点[7-10]。已建桥梁的病害发展状况已引起国内外研究者的足够重视。很多国家均逐渐完善了桥梁检查体系，并建立了相应的管养数据库[11-13]。但目前管养数据库仅对每座桥梁按照规范进行记录，同时管养单位的养护大多只针对上个检查周期中发现的具体病害进行养护，并未充分利用管养数据库的历史病害及其发展情况。且随着桥梁管养数据库的不断增长，其利用率相对更低。因此如何充分利用既有数据，并将现有数据去杂去冗，从海量数据中发现其价值显得尤为重要[14-16]。

对江苏交通控股桥梁管养数据库(以下简称管养系统)涉及的桥型统计表明，板梁桥约占桥梁总数的70%。由于其数量众多，且受力相对较简单，因此笔者以板梁桥为研究对象，利用Microsoft Visual Basic for Application(VBA)程序，提取管养数据库中板梁桥的主要病害及其定量属性，实现对重点管养数据的处理和分析。通过有效数据的分类和提取，提升数据利用效率，实现了此类桥梁结构病害特征的统计分析，为提高结构服役寿命提供参考和依据。

1 江苏交通控股桥梁管养系统简介

江苏省交通控股桥梁管养系统包括连徐高速管养公司、宁宿徐高速管养公司等桥梁管养公司。目前管养系统覆盖了管辖范围内的全部桥梁，对所有的桥梁均有相应的病害记录和基于规范的状态评估，并有与用户交互查询记录等基本功能。

针对不同类型的桥梁，管养人员输入各桥梁不同时期的常规检查数据，建立了相应的桥梁动态历史信息数据库。桥梁的历史数据库主要保存桥梁的历史状态信息，记录桥梁的检查、检测、维修、保养等信息，可针对桥梁病害生成相应报表。但目前该系统并不能实现结构病害的特征分析和定量信息提取，而这是笔者的主要研究目的。

2 板梁桥病害特征

2.1 板梁桥总体病害特征

江苏交通控股所属某高速公路2002年通车，距今已有15年。板梁桥的跨径从6～20 m不等，上部结构横断面布置有几种基本形式，如图1。不同跨径桥梁的数量也有所不同，如表1。

图1 板梁桥的上部结构横断面布置(单位：cm)Fig. 1 Cross section arrangement of superstructure of plank bridge

板梁跨径/m6810131620数量/座3310913117711951占比/%5.317.621.128.519.28.2是否预应力桥梁否否混合混合是是

分析该段高速公路板梁桥的管养数据库，共涉及病害记录107 740条。管养数据库把板梁桥分为27个基本构件，不同构件名称及不同病害的分布如表2。

表2 板梁桥构件病害分布Table 2 Disease distribution of plate girder bridge 条

由表2可见：板梁桥构件的主要病害按数量多少排序，首先是梁体底板病害，约占总数的57.7%；其次是支座病害，约占总数的16.3%；然后是梁体腹板和台身病害，分别约占总数的5.8%和5.7%；排水设施、铰缝、梁体翼板、墩帽分别约占总数的3.8%、2.6%、2.6%、1.5%；其余构件病害约占总数的2%。总体看来，梁体(含铰缝)病害占68.9%；支座病害占16.3%；墩台基础病害占10.5%；伸缩缝病害占0.3%；其他病害占4.0%。

对数据库进行初步分析，分析结果表明：板梁桥的主要病害形式为混凝土构件(梁体、铰缝等)的裂缝(横桥向、纵桥向裂缝)、混凝土破损、支座病害、伸缩缝病害以及附属构件(栏杆、护坡、桥面)的混凝土、钢筋锈蚀。

2.2 板梁桥检查时间

按照JTG H11—2004《公路桥涵养护规范》[17]，定期检查周期不超过3年。因此不同桥梁检查并非在一年内完成，不同年份检查的桥梁和病害数量都不相同。目前管养数据库包含跨度12年的检查数据，不同年份检查的桥梁总量、病害总量及平均每座桥的病害量如表3。

表3 不同年份桥梁常规检查的基本情况Table 3 Basic conditions of conventional inspectionof bridges in different years

对平均病害数量通过简单的线性回归可知，平均每年每座板梁桥病害增加约1.5条，平均意义上的增幅并不大。

2.3 板梁桥构件分类

管养数据库仅记录不同构件的病害情况，并未对其重要程度加以区别，可能导致大量次要病害掩盖结构的主要病害。因此从结构安全角度出发，为反映桥梁结构实际情况，必须找出影响结构安全的病害。

结合简支板梁桥的受力特点，按照构件对桥梁安全性的影响程度，将不同病害所处构件分为主要和次要构件两大类。桥梁的主要构件为结构承力构件，包括梁体(底板、腹板、翼板)、墩台、支座、伸缩缝等4个部分，其病害可能影响结构安全或改变结构受力状态。次要构件包括护栏、桥面铺装和其他附属构件，其病害不显著影响结构受力。

对构件进行重要性分类后，还需选择构件的主要病害形式。结合管养数据库的构件分类，表4列出了主要和次要构件及其主要病害形式。后续将着重分析主要构件的主要病害形式，对主要构件的次要病害、次要构件的病害不做分析。同时由于伸缩缝的病害绝对数量较少，限于篇幅，亦不作分析。

表4 构件分类及其主要病害形式Table 4 Classification of components and diseases forms

3 板梁桥主要病害及其属性

在区分主要构件及主要病害后，还需确定病害的定量属性。以裂缝为例，尚需获取裂缝所在构件、裂缝形态(横向、纵向、斜裂缝)以及裂缝位置、长宽、深度等定量信息。虽然管养系统数据库的设计本身较完善，但实际操作过程中，具体数据的输入不规范，因此大量信息需重新提取后才能进行分析。

笔者在原数据库中提取相应的病害属性特征并进行整理，分析主要病害及其主要属性与特征，如表5。

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

注：①为更好区分裂缝，根据裂缝的位置记录，将梁体8等分：其中两端到1/8L为端部；跨中两侧(1/8～3/8)L为四分跨；跨中两侧3/8L之间为跨中。这样将桥梁分为了3个部分，即：端部(合计长1/4L，两侧不加以区分)、四分跨(合计长1/2L)和跨中(合计长1/4L)；②并非所有裂缝属性均完备，大量病害未记录相应属性，如很多裂缝未记录位置信息；③裂缝长度分为0～50、50～100、100～200、 200～500、500～1 000及1 000 cm以上等6类；④桥梁跨径按照实际跨径分为6、8、10、13、16、20 m等6类，其中13 m(含)以上为预应力桥梁，其余为混凝土桥梁；④限于检查手段，一些主要构件，如梁体顶板、板梁内部，其病害在数据库中基本未体现。

4 板梁桥主要病害特征分析

4.1 主要构件病害的数量特征

根据确定的主要病害特征，不同构件的主要病害数量和比例汇总如表6(不含伸缩缝病害)。由表可见，所列主要病害占比均大于85%，其在梁体、支座和墩台等构件中占比分别为97%、88%和86%，能够代表所在构件病害的数量特征。尽可能选择对结构受力有影响的主要病害特性。

表6 不同构件的主要病害数量和比例Table 6 Main diseases quantity and proportion of different components

4.1.1 梁体主要病害

表7表示梁体不同构件的病害分布情况。由表可见：梁体(底板、腹板或翼板)的裂缝为主要病害，其中底板的裂缝最多，占裂缝总数的88%；钢筋锈蚀在腹板和翼板出现较多；混凝土破损则主要在底板出现。

表7 梁体病害Table 7 Diseases on beam 条

4.1.2 支座和墩台的主要病害

由表6可见，支座病害主要是支座脱空和支座剪切变形，分别占71.7%和16.5%，而墩台的主要病害是裂缝和钢筋锈蚀、露筋，分别占75%和10.7%。

4.2 主要构件病害在不同跨径桥梁的分布

由于不同跨径桥梁的数量不同，笔者在分析中，以每种跨径桥梁上的病害平均数作为比较主体，避免桥梁数量不同引起的病害数量差异。

4.2.1 梁体病害

1) 梁体裂缝病害

图2显示了梁体裂缝在不同跨径板梁桥上的分布情况。由图可见，梁体底板横向裂缝平均数量最多。梁体底板横向裂缝在8、10、13 m板梁中多发，以13 m跨径为最多，平均每座桥达196.5条；以16 m跨径为最少，平均每座桥仅0.34条。10、13 m板梁存在钢筋混凝土和预应力混凝土两种形式，而16、20 m板梁桥为预应力结构，预应力的存在抑制了板梁底板横向裂缝的出现。梁体底板纵向裂缝在13、16、20 m跨的预应力板梁桥中比较多见，平均每座桥分别为1.9、4.4、3.2条。腹板竖向裂缝在13、16、20 m跨径的板梁中较多见，以16 m跨为最多，平均每座桥达到25.5条。翼板横向裂缝多发生在20 m跨径的预应力板梁桥中。小跨径板梁需多关注底板横向裂缝，而较大跨径板梁桥则需多关注腹板(16 m)和翼板裂缝(20 m)。

图2 梁体裂缝平均数量与跨径的关系Fig. 2 Relationship between average number of cracks in beams with various spans

2) 梁体混凝土破损和钢筋锈蚀

图3显示了梁体混凝土破损和钢筋锈蚀在不同跨径桥梁的分布。由图可见，相比裂缝数量，梁体混凝土破损数量较少，且分布不均。6 m和16 m板梁的底板平均破损较多，是8、13、20 m板梁平均破损数量的两倍左右，而10 m板梁的底板平均破损最少。梁体腹板破损数量较少，在跨径较大的桥梁中，其值随跨径增大而增大。钢筋锈蚀平均数量随跨径增加而增大，在16 m跨径达到峰值，随后随跨径增加而降低。

图3 梁体混凝土破损和钢筋锈蚀平均数量与跨径的关系Fig. 3 Relationship between average number of concrete damages and steel bar corrosions on beams and span

4.2.2 支座病害

图4显示了桥梁支座脱空和剪切变形病害在不同跨径桥梁的分布情况。随着跨径的增长，支座脱空和剪切变形的平均数量逐渐增加，支座脱空的数量与跨径大小呈良好的线性关系，符合不同跨径板梁桥支座受力的特点。在所有跨径桥梁上，支座脱空的平均数量明显高于剪切变形的数量，且增速更快。

图4 支座病害与跨径的关系Fig. 4 Relationship between diseases of piers and span

4.2.3 墩台病害

图5为墩台主要病害包括裂缝、钢筋锈蚀与混凝土破损等平均数量与跨径间的关系。墩台裂缝平均数量在小跨径(6～10 m)的板梁桥上较多，即墩台裂缝多出现在钢筋混凝土板梁桥中。总体上裂缝平均数量与跨径成反比关系。可见小跨径板梁墩台的安全裕度不如中等跨径板梁。钢筋锈蚀病害多出现在13～20 m的板梁桥上。此类板梁桥属于预应力混凝土结构。混凝土破损病害的数量较少，与跨径大致呈线性增加关系。

图5 墩台病害与跨径的关系Fig. 5 Relationship between diseases of piers and span

4.3 主要构件病害的时间特征

重点分析板梁桥主要构件的病害随时间发展的情况。由于不同时间检查的桥梁以及桥梁的数量并不相同，笔者仍以病害平均数量为基础进行分析。

4.3.1 梁体病害

1) 梁体裂缝

图6显示了梁体的平均数量随年份的变化情况。底板横向裂缝发展大致呈线性增长趋势，其中2009—2013年发展较快，之后趋于缓和。腹板竖向裂缝、翼板横向裂缝及底板纵向裂缝在2007年前几乎未出现。前两者在2007—2013年发展相对较快，之后趋于缓和。底板纵向裂缝虽然数量较少，但在2007—2015年发展趋势并未减缓。由于底板纵向裂缝可能导致结构的纵向劈裂，应予以重点关注。

图6 梁体裂缝平均数量随年份的变化规律Fig. 6 Change law of average number of cracks on beams with the year

2) 梁体混凝土破损和钢筋锈蚀

数据库中未记录翼板混凝土破损，图7为腹板和底板混凝土破损和梁体钢筋锈蚀随年份的发展情况。由图可见，底板和腹板混凝土破损随年份的增长一直增加。其中底板破损在2011年前发展比较缓慢，之后迅速增加，总体可用二次曲线关系拟合。腹板混凝土破损较少，2013年之后有所增加。梁体钢筋锈蚀亦在2013年之后迅速增加。后两者可用指数曲线近似拟合。

4.3.2 支座病害

图8为支座脱空和剪切变形病害的平均数量随年份的变化曲线。由图可见，支座平均脱空数量随年份的增长呈快速增长趋势，尤其2013年(建成通车11年)后发展较快，平均脱空数量急剧增加。从数值看，支座脱空平均数量与年份呈指数增加关系。由于支座脱空会给桥梁受力带来明显不利影响，需重点关注此类病害的发展。

图7 梁体混凝土破损和钢筋锈蚀平均数量随年份的变化规律Fig. 7 Change law of average number of girder concrete damage and steel corrosion on beams with the year

图8 支座病害平均数量随年份的变化规律Fig. 8 Change law of average number of bearing diseases with the year

支座剪切变形有3年的数据缺失。该病害数量在2007年前较少，之后，增长明显加快。平均支座剪切变形数量与年份可用线性关系描述。

4.3.3 墩台病害

图9为墩台不同病害的发展情况。由图可见，墩台裂缝的平均数量也随年份快速增长，整体上可用抛物线函数进行拟合。钢筋锈蚀和混凝土破损病害总体数量不多，但钢筋锈蚀在2009年后发展较快。从趋势看，墩台的主要病害还在继续发展当中。

4.4 梁体裂缝的定量特征

由总体病害数量分布可见，裂缝是板梁桥最主要的病害形式，且在病害数据库中的记录较为完整，具有位置、宽度、长度等定量信息。通过VBA程序可将裂缝相关的定量信息提取出来进行分析。

图9 墩台病害平均数量随年份的变化规律Fig. 9 Change law of average number of piers diseases with the year

裂缝位置和部分裂缝长度的记录情况不乐观。分析表明：有10 254条裂缝记录了较详细的裂缝位置，55 656条无记录或记载位置为0，后者占绝大多数；有51 711条裂缝记录了较详细的裂缝长度，14 199条无记录，后者占21.5%；有58 511条裂缝记录了较详细的裂缝宽度，7 399条无记录，后者占11.2%。因此为了提高数据库的准确性，进一步实行标准化输入非常有必要。后续分析均针对数据库里有具体位置和长度的梁体裂缝，与实际情况可能有差别。

4.4.1 梁体裂缝位置

表8为梁体不同构件上裂缝横纵向分布的情况，即按照表4注①所述将梁体纵向划分为3个部分(端部、四分跨和跨中)后，裂缝所处位置的比例情况。由表可见：梁体底板横向裂缝多分布在跨中；梁体底板纵向裂缝多偏于支座位置，在1/4跨和跨中也有19%的分布；梁体腹板竖向裂缝约45%位于跨中位置，且从支座位置向跨中逐渐增加，符合板梁桥受力特点；而梁体翼板横向裂缝有51%位于梁的1/4跨处，跨中次之，约占31%。

表8 底板、腹板、翼板裂缝位置统计Table 8 Statistics of cracks location on floor plates, web plates， and wing plates 条

4.4.2 梁体裂缝长度

表9为梁体不同构件裂缝长度的统计结果。由表可见：梁体底板横向裂缝长度多分布在50～100 cm，100～200 cm区间，两者约占总数的89%；梁体底板纵向裂缝长度相对均匀地分布在200～1 000 cm以上区间，约占总数的86%；梁体腹板竖向裂缝多分布在50～100 cm区间，加上50 cm以内的短缝则约占总数的97%；梁体翼板横向裂缝几乎全部贯穿整个翼板，长度为100～200 cm，约占总数的97%。

表9 底板、腹板、翼板裂缝长度统计Table 9 Statistics of length of cracks on floor plates, web plates,and wing plates 条

4.4.3 梁体裂缝宽度

表10为裂缝宽度的统计结果。由表可见，梁体裂缝宽度多为0.05～0.10 mm，其中98%底板横向裂缝、76%纵向裂缝、80%腹板竖向裂缝和67%翼板横向裂缝均在此宽度范围。然而仍有0.8%底板横向裂缝、24%底板纵向裂缝(0.61%甚至超过0.25 mm)、20%腹板竖向裂缝以及24%翼板横向裂缝宽度超过0.10 mm。这些裂缝数量虽不多，却是危及安全的严重病害。

表10 底板、腹板、翼板裂缝宽度统计Table 10 Statistics of width of cracks on floor plates, web plates， and wing plates 条

5 结 论

通过对江苏交通控股某运营15年的高速公路板梁桥管养数据进行整理和分析，提取了板梁桥主要及次要构件的主要病害特征，对服役期间的板梁桥的病害数量特征、不同病害在不同跨径桥梁的分布特征、平均病害发展的时间特征以及裂缝病害的定量特征进行了较为详细的分析，得到以下结论：

1) 该高速公路在役板梁桥数量最多的病害形式为梁体裂缝(以梁体底板裂缝为主)，其次为支座病害(支座脱空为主)，再次为墩台病害(裂缝为主)。

2) 从不同跨径的桥梁病害来看，8、10、13 m板梁桥的底板横向裂缝最为集中，16 m梁的腹板竖向裂缝和20 m梁的翼板横向裂缝突出。梁体底板纵向裂缝总体数量不多(梁体裂缝的1.5%)，集中在13、16、20 m的预应力板梁桥上，部分裂缝宽度超0.1 mm，可能危及桥梁安全。

3) 支座病害(支座脱空、剪切变形)随跨径线性增加，且在所有跨径桥梁上支座脱空均比剪切变形病害严重。6、8 m板梁的墩台裂缝平均数量最多，但不同跨径板梁的墩台裂缝平均数随跨径增加而线性减少。

4) 板梁桥裂缝病害随年份总体呈增加趋势，其中底板横向裂缝、腹板竖向裂缝以及翼板横向裂缝增加趋势在通车11年后趋于缓和，但是底板纵向裂缝、墩台裂缝和混凝土破损则一直呈增加趋势。

5) 支座病害随年份增加迅速。支座病害(支座脱空、剪切变形)在2013年(通车11年)后急剧增加，其平均病害数量呈指数曲线变化。

6) 梁体底板纵向裂缝在桥梁全跨分布相对均匀；梁体腹板竖向裂缝从桥梁支座位置向跨中逐渐增加；梁体翼板横向裂缝在桥梁的1/4跨处相对较多，跨中次之。去除不确定位置裂缝记录的底板横向裂缝位置以跨中为主。

7) 梁体横向裂缝长度多分布在50～200 cm区间，占比89%。底板纵向裂缝长度比较均匀地分布在200 cm以上的3个区间，没有特别的控制区间。腹板竖向裂缝则大多为5～10 cm区间的短缝，而翼板横向裂缝基本为100～200 cm的长缝。

8) 规范化的数据输入非常重要。目前管养系统中有的数据输入不规范，导致部分信息不能被充分利用，如梁体横向裂缝存在大量不确定位置的记录。在后续的管养系统数据采集中一定要强化规范化输入，提高数据有效率。

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