基于檢測(cè)大數(shù)據(jù)的寒冷地區(qū)高速公路中小跨徑橋梁病害規(guī)律研究

閔兆興

（遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng)110166）

1 概述

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2019 年全國(guó)公路橋梁總量達(dá)87.83 萬(wàn)座，年增速3%。隨著橋梁服役時(shí)間的推移，材料性能衰退、結(jié)構(gòu)損傷發(fā)展等因素影響，橋梁的承載能力會(huì)逐步減小。相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)公路橋梁不同結(jié)構(gòu)形式的平均大修年限為30 年。養(yǎng)護(hù)維修中，往往對(duì)大橋、特大橋使用安全性關(guān)注度較高，忽略中小橋的安全運(yùn)營(yíng)。

中小跨徑橋梁在東北地區(qū)高速公路橋梁中占比達(dá)80%以上。研究寒冷地區(qū)高速公路中小橋典型病害分布及發(fā)展規(guī)律，分析中小跨徑橋梁病害特征及關(guān)聯(lián)因素對(duì)橋梁的長(zhǎng)期安全運(yùn)行與養(yǎng)護(hù)維修方案有極大的影響。

2 橋梁病害調(diào)查

為了客觀和全面的了解寒冷地區(qū)中小跨徑橋梁的現(xiàn)狀，需對(duì)該地區(qū)在役橋梁進(jìn)行詳細(xì)地調(diào)查，把握橋梁的總體情況。此次調(diào)查選取1379 座高速公路中小跨徑橋梁，數(shù)據(jù)調(diào)查截止時(shí)間為2020 年。依據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》（JTG H11-2004）、《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21-2011），對(duì)橋梁主要部件及其附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，并針對(duì)梁（板）、橋臺(tái)、橋墩、基礎(chǔ)構(gòu)件的麻面、剝落、裂縫、滲水泛堿、位移、空洞、孔洞、沖刷、淘空等病害從位置、面積、深度、長(zhǎng)度、寬度等方面進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，根據(jù)病害類(lèi)型、嚴(yán)重程度、位置進(jìn)行分類(lèi)整理。

3 病害特征分析

根據(jù)橋梁檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，選取橋梁主要構(gòu)件的病害有效數(shù)據(jù)信息進(jìn)行病害特征歸類(lèi)及統(tǒng)計(jì)分析，得到橋梁主要構(gòu)件不同病害比例。橋面系病害日常維修頻率高，病害數(shù)據(jù)誤差較大，不進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

由圖1 可以看出，在中小跨徑橋梁中，上部承重構(gòu)件及橋臺(tái)發(fā)生病害的的比例較大。

上部承重構(gòu)件發(fā)生的主要病害類(lèi)型是梁（板）剝落，病害占比達(dá)23.2%，且病害發(fā)展較快。尤其是邊梁（板）對(duì)應(yīng)泄水孔處混凝土腐蝕最為普遍，該類(lèi)病害發(fā)展迅速，一般2～3 年，混凝土腐蝕深度就能超過(guò)鋼筋保護(hù)層厚度，導(dǎo)致鋼筋腐蝕，同時(shí)鋼筋銹蝕、膨脹，又加劇了混凝土的剝落。

本文中橋梁所在地區(qū)為寒冷地區(qū)，年降雪周期長(zhǎng)達(dá)6 個(gè)月，年平均降雪日數(shù)為23 天，年降雪量30 毫米以上。冬季向橋面撒鹽化雪除冰，使得橋面水中含有大量氯離子，加劇了對(duì)混凝土的腐蝕。橋面雨水經(jīng)泄水管、伸縮縫、橋面鋪裝裂縫等滲透、漫流至梁（板）、橋墩、橋臺(tái)，腐蝕混凝土。同時(shí)在凍融循環(huán)的反復(fù)作用下，容易導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂和剝落，加劇了混凝土的破壞程度和速率。

圖1 病害分類(lèi)比例

橋臺(tái)發(fā)生的主要病害是橋臺(tái)剝落、橋臺(tái)豎向裂縫，病害占比分別為27.4%與14.5%。中小跨徑橋梁的臺(tái)帽、臺(tái)身出現(xiàn)混凝土腐蝕、剝落、露筋的病害非常普遍。該類(lèi)橋橋臺(tái)頂多為橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)，橋面橫向開(kāi)裂較為普遍，橋面雨水(摻和冬季除雪除冰鹽氯離子)下滲入侵混凝土，腐蝕鋼筋。本文所調(diào)查橋梁基本處于平原、丘陵地區(qū)，中小橋橋臺(tái)多為鋼筋混凝土薄壁臺(tái)，受車(chē)輛荷載、溫度、基礎(chǔ)沉降、施工工藝等因素影響，臺(tái)身易產(chǎn)生豎向裂縫。

橋墩病害所占比例均較小，主要是因?yàn)橹行】鐝綐蛄褐袠蚨諛?gòu)件數(shù)量較少，且橋面多無(wú)伸縮縫，減少了橋面雨水對(duì)橋墩結(jié)構(gòu)的腐蝕。

4 病害關(guān)聯(lián)性分析

4.1 病害與運(yùn)營(yíng)時(shí)間的關(guān)聯(lián)性

本文所選取橋梁共涉及5 種建成年限，時(shí)間間隔為5～6年。根據(jù)橋梁建成年限不同，將病害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到橋梁各構(gòu)件病害比例如表1 所示。

表1 橋梁病害統(tǒng)計(jì)（按建成年限）

圖2 病害- 運(yùn)營(yíng)時(shí)間變化曲線

圖3 病害- 跨徑變化曲線

2018 年建成橋梁由于運(yùn)營(yíng)時(shí)間短，處于病害形成初期階段，各病害比例較為均勻，但梁（板）剝落、橋臺(tái)剝落、橋臺(tái)裂縫仍處于較高比例，與其它4 重建成年限病害發(fā)展規(guī)律相符。隨著病害的發(fā)展，占比較高的麻面病害逐步發(fā)展為剝落病害，將進(jìn)一步提高剝落病害比例。

橋臺(tái)裂縫病害雖然占比較高，但隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，其病害比例并未增加。2013、2008、2002、1996 年的橋梁，其橋臺(tái)裂縫占比基本一致，這也與橋臺(tái)裂縫病害的發(fā)展規(guī)律相符。隨著時(shí)間的推移，溫度、基礎(chǔ)沉降、施工工藝等因素影響對(duì)橋臺(tái)的影響減弱，不再出現(xiàn)新的裂縫，裂縫數(shù)量及寬度趨于穩(wěn)定狀態(tài)。（圖2）

隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，梁（板）剝落、橋臺(tái)剝落病害逐漸增加，運(yùn)營(yíng)時(shí)間為2～12 年（以2020 年為統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)）時(shí)病害增長(zhǎng)速度高于運(yùn)營(yíng)時(shí)間，為18、24 年。

4.2 病害與跨徑的關(guān)聯(lián)性

根據(jù)橋梁的跨徑不同，將病害數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)。分別按6m、8m、10m、13m、16m、20m，六種跨徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到以下數(shù)據(jù)。（表2）

由跨徑- 病害分布圖可以發(fā)現(xiàn)，在中小跨徑橋梁中，梁（板）剝落、麻面病害隨跨徑長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)基本一致，病害占比隨著跨徑的增大而增加。在6m、8m 跨徑橋梁中該類(lèi)病害占比明顯低于10m 以上跨徑橋梁。這與橋面排水形式、橋面匯水面積、結(jié)構(gòu)形式有一定關(guān)系。6m、8m 跨徑橋梁泄水管少，甚至不設(shè)置泄水管，通過(guò)橋面縱坡排水；且橋梁跨徑越小，其橋面匯水面積越小。以上兩點(diǎn)使橋面滲透、漫流至梁（板）的雨水減少，降低對(duì)梁（板）的腐蝕。10m 以上跨徑橋梁基本為空心板結(jié)構(gòu)，而6m、8m 跨徑橋梁中整體現(xiàn)澆板結(jié)構(gòu)占有一定比例，整體現(xiàn)澆板結(jié)構(gòu)無(wú)鉸縫，可避免鉸縫處滲水腐蝕梁（板）。（圖3）

表2 橋梁病害統(tǒng)計(jì)（按跨徑）

橋臺(tái)剝落、橋臺(tái)裂縫病害與跨徑長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)相反，6m、8m、10m 跨徑橋梁中該類(lèi)病害占比明顯高于13m 以上跨徑橋梁。10m 以下跨徑橋梁的橋臺(tái)多為薄壁臺(tái)，該類(lèi)橋臺(tái)易產(chǎn)生豎向裂縫，且橋頭處易滲水腐蝕橋臺(tái)。13m 以上跨徑橋梁，其橋臺(tái)中柱式臺(tái)、肋板臺(tái)增多，該類(lèi)橋臺(tái)不易產(chǎn)生豎向裂縫，且橋墩構(gòu)件增多，橋臺(tái)構(gòu)件所占比重降低，在病害中占比隨之降低。

5 結(jié)論

5.1 在中小跨徑橋梁中，梁（板）剝落、橋臺(tái)剝落、橋臺(tái)豎向裂縫病害的比例較大。

5.2 梁（板）剝落病害占比達(dá)較大，且病害發(fā)展較快。尤其是邊梁（板）對(duì)應(yīng)泄水孔處混凝土腐蝕最為普遍。隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，梁（板）剝落病害逐漸增加，運(yùn)營(yíng)時(shí)間為2～12 年（以2020年為統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)）時(shí)病害增長(zhǎng)速度高于運(yùn)營(yíng)時(shí)間，為18、24 年。梁（板）剝落病害隨跨徑長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)基本一致，病害占比隨著跨徑的增大而增加。在10m 以上跨徑橋梁中該類(lèi)病害占比明顯高于6m、8m 跨徑橋梁。

5.3 橋臺(tái)發(fā)生的主要病害類(lèi)型是橋臺(tái)剝落、橋臺(tái)豎向裂縫。橋臺(tái)裂縫病害雖然占比較高，但隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，其病害比例并未增加。橋臺(tái)剝落、橋臺(tái)裂縫病害與跨徑長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)相反，6m、8m、10m 跨徑橋梁中該類(lèi)病害占比明顯高于13m以上跨徑橋梁。