陈 欣，李文祥，谢发祥，吉伯海

(1.河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210098；2.江苏高速公路工程养护技术有限公司，江苏 南京 210008)

桥梁建成通车后，随着服役年限增长、材料耐久性逐渐降低，交通荷载日益增加[1- 4]，一些病害逐渐显露出来，如梁体底板纵向开裂已成为混凝土空心板梁的典型病害之一[1- 2，5]。

板梁桥在长期服役过程中，梁体底板出现纵向裂缝且数量增长较快[6]。该病害对空心板结构承载力及其结构刚度存在较大影响[7- 11]。因此，国内外学者针对板梁桥纵向开裂原因开展了大量研究，但无统一定论：部分学者[12- 13]认为设计、材料和施工的初始缺陷是纵向裂缝产生的主要原因；部分学者[14- 16]认为底板纵缝主要是因为桥梁服役过程中的钢筋锈蚀导致的；部分学者[17- 18]认为温度和泊松效应是纵缝产生的主因；还有一些学者[19- 20]认为纵向裂缝是由外荷载导致的。但是上述学者的研究主要采用定性分析或有限元模拟，缺乏大样本的病害统计归纳，具有局限性。

本文利用江苏交通控股管养数据库(以下简称管养系统)，以板梁桥为研究对象，通过编制Python程序，提取管养数据库中梁体底板纵向裂缝病害定量属性，分析其病害特征及其发展规律，实现病害特征统计的智能化。本研究对板梁桥长期服役后底板纵向裂缝的状况及原因有了更加明确的认识，为提高结构服役寿命提供参考和依据。

1 底板纵向裂缝病害总体特征

江苏交通控股所属的高速公路大多2000年通车，距今已服役接近20年。板梁桥的跨径从6～20m不等，板梁桥横断面有几种基本形式，如图1所示。不同跨径桥梁的数量见表1。

表1 不同跨径桥梁数量表

通过分析江苏交通控股所辖高速公路板梁桥的管养数据库，共涉及梁体底板纵向裂缝病害记录39625条，其分布如图2所示。从图2可以看出，钢筋混凝土桥梁底板纵向裂缝有1945条，占病害的4.9%；预应力桥梁上底板纵向裂缝有27291条，

图2 纵向裂缝桥型分布

图1 板梁桥的几种基本形式

数量时间/年2003200420052006200720082009201020112012201320142015钢筋混凝土桥梁/跨17010509744062927673221877988421801007底板纵缝病害/处501828491761603162324150098331平均病害/(处/跨)0.0300.040.380.120.600.210.980.120.300.590.540.33预应力桥梁/跨15013718369672811291433214011192208276122343621底板纵缝病害/处1447582641522982001261015323350504742584855平均病害/(处/跨)0.090.340.031.190.572.041.401.221.371.521.831.911.34

占比68.9%。因此，是否预应力桥梁对底板纵向裂缝分布存在一定影响。为更好分析板梁桥底板纵向裂缝病害特征及其发展规律，本文分别对钢筋混凝土桥梁、预应力桥梁中的底板纵向裂缝展开研究。

按照JTG H11—2004《公路桥涵养护规范》[21]的规定，定期检查的周期不超过3a。由于管辖桥梁众多，不同的桥梁检查并非在1a内完成，不同年份检查的桥梁数量均不相同。目前管养数据库包含跨度12a的检查数据，不同年份检查的桥梁和病害数量见表2。

图3 钢筋混凝土桥梁底板纵向裂缝时间分布

图4 预应力桥梁底板纵向裂缝时间分布

混凝土和预应力混凝土桥梁底板纵向裂缝在不同检查年的平均数量如图3—4所示。由图可见，底板纵向裂缝在钢筋混凝土桥梁中平均数量明显小于预应力板梁桥中平均数量。通过线性回归可知，在钢筋混凝土板梁桥中，平均每年每座板梁桥底板纵向裂缝病害增加约0.038处；在预应力板梁桥中，平均每年每座板梁桥底板纵向裂缝病害增加约0.134处。可见，预应力板梁桥中的底板纵向裂缝增幅更加明显。虽然平均意义上的增幅并不大，但是由于桥梁数量众多，病害总体数量不容忽视。

2 底板纵向裂缝病害特征分析

2.1 底板纵向裂缝平均数量在不同跨径桥梁的分布

不同跨径的板梁桥的底板纵向裂缝情况不同，而同一座桥有多种跨径组合，因此病害数量不宜以桥梁为单位进行统计。以跨为单位，根据每跨跨径分别统计混凝土板梁桥和预应力板梁桥中每跨纵向裂缝平均数量。

底板纵向裂缝在不同跨径钢筋混凝土板梁桥上的分布情况见表3。

表3 钢筋混凝土板梁桥底板纵向裂缝在不同跨径分布

底板纵向裂缝在不同跨径预应力板梁桥上的分布情况见表4。

表4 预应力板梁桥底板纵向裂缝在不同跨径分布

结合表3—4可以获得梁体底板纵向裂缝在不同跨径板梁桥上的分布情况，如图5所示。由图5可见，梁体底板纵向裂缝平均数量在预应力板梁桥明显多于钢筋混凝土桥梁，且与跨径总体呈正比例关系(预应力板梁桥上纵向裂缝增长速率较快)。可见预应力与板梁桥的底板纵向裂缝存在明显关联，实际上现场检测的结果也表明纵向裂缝几乎都位于预应力钢筋下方。

图5 梁体纵向裂缝平均数量与跨径关系

2.2 底板纵向裂缝病害的时间特征

以病害的平均数量为基础分析板梁桥底板纵向裂缝病害随运营时间发展变化的特征。由于时间受限，每年仅抽检部分桥梁，因此每年检查的板梁桥不尽相同。假定当年某座桥没有检查到，而前一年进行检查，将前一年检查的病害信息复制到当年。

钢筋混凝土桥梁和预应力桥梁中梁体底板纵向裂缝的平均数量随运营时间变化图如图6—7所示。由图6可见，在钢筋混凝土板梁桥中，梁体底板纵向裂缝大约在通车2～3a出现，除6/8m跨径，在运营3a左右突增达到峰值，其余跨径底板纵向裂缝平均数量大致与运营时间成正比。在预应力板梁桥中，梁体底板纵向裂缝基本在运营时间0a(即刚通车)时，就出现梁体底板纵向裂缝，其平均数量基本随运营时间的增加而增加，而且底板纵向裂缝平均数量随跨径成正比，20m跨径上底板纵向裂缝平均数量最多。因此，在预应力板梁桥中，底板纵向裂缝出现较早，且发展较迅速。

图6 钢筋混凝土板梁桥底板纵向裂缝平均数量时间趋势图

图7 预应力板梁桥底板纵向裂缝平均数量时间趋势图

2.3 底板纵向裂缝与标准轴载关系

由于江苏省高速公路板梁桥分布路段不同，交通量差异较大。因此，选取连徐高速管养数据库中的纵向裂缝病害数据、病害的平均数量作为基础，分析板梁桥底板纵向裂缝病害随标准轴载变化的特征。由于标准轴载达到1000万次以上的桥梁数量很少(钢筋混凝土桥梁中，标准轴载大于1000万次占比12.4%，预应力混凝土桥梁中，标准轴载大于1000万次占比6.4%)，为不失一般性，将标准轴载分为0～250万次，250～500万次，500～1000万次这3个区间。

钢筋混凝土桥梁和预应力桥梁中梁体底板纵向裂缝的平均数量随标准轴载变化图如图8—9。由图可见，无论是钢筋混凝土还是预应力混凝土桥梁，其裂缝病害与荷载呈明显正相关。在钢筋混凝土板梁桥中，8m板梁桥底板纵向裂缝平均数量变化率较大，6m跨径底板纵向裂缝仅在标准荷载达到500万次后才出现，因为此类桥梁多为箱涵，刚度较大。在预应力板梁桥中，底板纵向裂缝仅分布在跨径为16/20m的板梁桥上，且底板纵向裂缝平均数量与标准轴载成线性关系，而从跨径看，16m跨径板梁的纵向裂缝随荷载的变化率明显高于20m板梁，说明16m板梁在荷载作用下更容易出现底板纵向裂缝。

图8 钢筋混凝土板梁桥底板纵向裂缝平均数量与标准轴载关系

图9 预应力板梁桥底板纵向裂缝平均数量与标准轴载关系

2.4 底板纵向裂缝的定量特征

在病害数据库中梁体底板纵向裂缝的记录相对比较完整，具有位置、宽度、长度等定量信息。通过编制的Python程序可将裂缝相关的定量信息提取出来进行分析。提取数据库里面有具体位置和长度的梁体裂缝，进行以下纵向裂缝定量特性分析。

2.4.1梁体底板纵向裂缝位置

图10 梁体纵向相对位置分布

将梁体纵向划分为3个部分，如图10(即端部、1/4跨、跨中)所示。单独统计数据库中标出的底板纵向贯穿裂缝。梁体底板纵向裂缝在纵向位置分布的情况如图11—12所示，裂缝所处位置的比例情况。由图11可见，梁体底板纵向裂缝分布在钢筋混凝土桥梁中有1945条，占板梁桥底板纵向裂缝的6.7%。其中分布在端部有645条，占总数的33.2%；分布在1/4跨处的340条，占总数的17.5%；分布在跨中的有229条，占总数的11.8%；贯穿裂缝有55条，占总数的2.8%。

图11 底板纵向裂缝位置

图12 底板纵向裂缝位置

梁体底板纵向裂缝在预应力桥梁中有27291条，占所有板梁桥底板纵向裂缝总数的93.3%。其中分布在端部有10811条，占总数的39.6%；分布在1/4跨处有4045条，占总数的14.8%；分布在跨中的有2182条，占总数的8%；贯穿裂缝1558条，占总数的5.7%。对比发现，在板梁桥有记录位置的裂缝中，底板纵向裂缝都呈现从端部向跨中数量递减的趋势。

2.4.2底板纵向裂缝长度

梁体底板纵向裂缝长度的统计结果如图13—14所示。由图可见，在钢筋混凝土板梁桥中，底板纵向裂缝长度多在500～1000cm的区间内，有528条，占总数的27.1%；其次是裂缝长度大于在1000cm，有477条，占比24.5%。而在预应力板梁桥中，梁体底板纵向裂缝长度多大于1000cm，有9847条，占总数的36.1%；其次是分布在500～1000cm的区间范围内，有5707条，占比20.9%。由此可见，底板纵向裂缝裂缝长度均较长，且预应力板梁桥上的底板纵向裂缝裂缝长度明显大于钢筋混凝土板梁桥上的底板纵向裂缝裂缝长度。

图13 底板纵向裂缝长度

图14 底板纵向裂缝长度

2.4.3底板纵向裂缝宽度

图15 底板纵向裂缝宽度

图16 底板纵向裂缝宽度

底板纵向裂缝宽度的统计情况如图15—16所示。由图可见，在钢筋混凝土桥梁和预应力桥梁中，梁体底板纵向裂缝裂缝宽度均大多分布在0.05～0.1mm的两个区间范围内，占比分别是65.1%和71.4%。但是，在钢筋混凝土桥梁和预应力桥梁中，分别有1.9%和0.8%的底板纵向裂缝甚至超过0.25mm。纵向裂缝宽度越大，钢绞线与混凝土之间的握裹效应越差，同时由于水分的进入将导致钢绞线锈蚀，导致结构耐久性问题。

3 结论与建议

通过对江苏交通控股高速公路板梁桥的管养数据进行整理和分析，对服役期间的板梁桥底板纵向裂缝在不同跨径桥梁的分布特征、平均病害发展的时间特征、平均病害在标准荷载的分布特征以及裂缝病害定量特征做了比较详细的分析，并结合数理统计对病害特征进行关联性分析，得到以下结论：

(1)从不同跨径的桥梁病害来看，预应力板梁桥底板纵向裂缝平均数量在明显多于钢筋混凝土板梁桥，且与跨径总体呈正比例关系。纵向裂缝与预应力、病害跨径存在关联性。

(2)在预应力板梁桥中，底板纵向裂缝病害随运营时间总体呈增加趋势，预应力板梁桥几乎在运营开始即出现底板纵向裂缝，而钢筋混凝土板梁纵向裂缝出现时间平均在2～3a以后。

(3)从底板纵向裂缝平均数量在标准轴载的分布来看，梁体底板纵向裂缝平均数量在预应力板梁桥明显多于钢筋混凝土桥梁，且纵向裂缝与标准轴载成明显相关性。

(4)梁体底板裂缝位置分布在端部数量最多，在钢筋混凝土桥梁和预应力桥梁中占比分别为33.2%和39.6%；裂缝分别占比为2.8%和5.7%。在所有板梁桥中，在有记录位置的裂缝中，底板纵向裂缝数量都呈现从端部向跨中递减的趋势。

(5)板梁桥底板纵向裂缝的长度多在1m以上，宽度多位于0.05～0.1mm之间，但是应该关注裂缝宽度大于0.15mm的裂缝，因为这些裂缝可能引起预应力钢筋的耐久性问题，影响桥梁结构安全。