基于大數(shù)據(jù)的裝配式小箱梁橋病害發(fā)展規(guī)律及原因分析

杜元

(江蘇高速公路工程養(yǎng)護(hù)技術(shù)有限公司， 江蘇 南京 211106)

裝配式小箱梁橋指采用預(yù)制單片預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，現(xiàn)場拼裝、現(xiàn)場澆筑預(yù)制小箱梁翼緣間的連接縫(濕接縫)，與翼緣形成一體的裝配式橋梁結(jié)構(gòu)。與裝配式后張法預(yù)應(yīng)力混凝土T梁相比，具有建筑高度低、抗扭剛度大、活載橫向分配均勻等受力性能優(yōu)點，可顯著節(jié)約鋼材，混凝土用量也有所減少。相同橋梁橫斷面組合箱梁較T梁片數(shù)少，施工速度快、現(xiàn)場連接操作條件好，同時，組合箱梁橫向穩(wěn)定性好，運(yùn)輸安裝較為安全。自20世紀(jì)90年代組合箱梁首次在中國高速公路應(yīng)用以來，隨著高速公路發(fā)展，裝配式小箱梁橋在中國應(yīng)用越來越少，目前25～40 m跨徑組合箱梁是高速公路橋梁中應(yīng)用比例最高的橋型結(jié)構(gòu)。

隨著通車年限增長，一些早期建設(shè)的裝配式小箱梁橋出現(xiàn)了不同程度的病害。陳策[1]根據(jù)江蘇省超過4 000 km 10年的檢測大數(shù)據(jù)分析得到，組合箱梁的主要病害是梁體裂縫，各類裂縫中腹板豎向裂縫發(fā)生較多，而底板縱向裂縫和翼板橫向裂縫較少，裂縫長度則多集中在1～5 m，裂縫寬度則主要集中在0.1～0.15 mm；李建[2]對山西省公路小箱梁結(jié)構(gòu)分布進(jìn)行了充分調(diào)研，考慮不同地域氣候特點、不同建設(shè)年代及不同荷載等特點，選取了18座代表性的病害橋梁進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)腹板和底板縱向開裂是小箱梁普遍存在的病害，病害的發(fā)生與運(yùn)營年限、荷載水平相關(guān)性較小，與施工偏差、養(yǎng)護(hù)程度、溫度效應(yīng)及結(jié)構(gòu)本身構(gòu)件偏薄等因素有關(guān)；杜建[3]以安徽省某高速公路橋梁定期檢測結(jié)果為背景，對不同橋型結(jié)構(gòu)的橋梁常見病害進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到組合箱梁主要病害為：底板縱向裂縫且伴有白色析出物，混凝土銹脹露筋、剝落掉角，梁間濕接縫橫向裂縫且伴有白色析出物；陳澤[4]對橋梁運(yùn)營中出現(xiàn)的小箱梁主梁出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫病害歸納匯總和成因分析,得到JTJ 021—89《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》與JTG D60—2004《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》在梁截面溫度梯度、汽車沖擊系數(shù)等兩種計算模式的區(qū)別導(dǎo)致結(jié)構(gòu)實際應(yīng)力要比原設(shè)計狀態(tài)下的應(yīng)力值大；薛達(dá)等[5]對某25 m小箱梁橋原結(jié)構(gòu)設(shè)計狀態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗算，并結(jié)合該高速公路超載現(xiàn)狀，考慮1.3倍活載超載系數(shù),得出梁體下緣拉應(yīng)力超限,導(dǎo)致梁底橫向開裂、腹板豎向開裂；吳清[6]分析了廣州地區(qū)部分小箱梁的病害情況，小箱梁腹板開裂一般發(fā)生在梁端至1/4跨處，主要是因為設(shè)計考慮不周和施工不周等原因?qū)е赂拱搴穸葴p弱；張勇等[7]對某高速公路25 m小箱梁橋進(jìn)行動靜載試驗發(fā)現(xiàn)底板中部出現(xiàn)不連續(xù)縱向裂縫，并結(jié)合箱梁預(yù)制施工情況和理論計算分析病害產(chǎn)生的原因及對結(jié)構(gòu)受力影響，得出預(yù)應(yīng)力管道定位不準(zhǔn)、混凝土縱向受力的泊松效應(yīng)、混凝土收縮是重要影響因素。

綜上，現(xiàn)階段的研究主要集中在較少數(shù)量的小箱梁橋的病害特征描述及簡單的病害產(chǎn)生原因分析，對病害的發(fā)展規(guī)律研究較少。因此，該文將基于大數(shù)據(jù)對裝配式小箱梁橋的病害發(fā)展規(guī)律及其病害原因進(jìn)行深度剖析，從而為裝配式小箱梁橋預(yù)防性養(yǎng)護(hù)決策研究提供依據(jù)，也為類似的橋梁病害研究提供思路。

1 主梁裂縫發(fā)展規(guī)律

基于大數(shù)據(jù)的裝配式小箱梁橋病害發(fā)展規(guī)律研究，對8條典型的高速公路橋梁歷年定期檢查報告原始記錄表，統(tǒng)計分析病害發(fā)生和發(fā)展的規(guī)律，其中箱梁裂縫近40 000條。

裂縫發(fā)展規(guī)律包含幾方面內(nèi)容：① 裂縫早期出現(xiàn)的時間及位置；② 隨通車年限增長，裂縫位置、數(shù)量、裂縫區(qū)寬度等特征的變化。按照與通車年限及空間位置的關(guān)系，分為空間規(guī)律和時間規(guī)律。

1.1 理論計算

基于Ansys建立某裝配式小箱梁橋有限元模型，如圖1所示。

圖1 裝配式小箱梁橫斷面布置圖(單位：cm)

預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁、濕接縫及現(xiàn)澆層采用Solid45實體單元模擬；預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用Link8單元模擬，并采用施加初應(yīng)變的方式模擬預(yù)加力；瀝青混凝土橋面鋪裝層僅考慮其質(zhì)量效應(yīng)，忽略其剛度貢獻(xiàn)，采用Mass21單元對瀝青鋪裝層的質(zhì)量分布進(jìn)行模擬；支座采用Combine14彈簧單元模擬。

在網(wǎng)格劃分方案方面，為保證計算精度和滿足幾何體拓?fù)潢P(guān)系要求，先建立全橋幾何模型，并人工切分為若干規(guī)則幾何體，采用映射網(wǎng)格對全橋進(jìn)行網(wǎng)格劃分，實體單元形狀均為六面體。最終，全橋有限元模型共計2 182 509個節(jié)點，2 204 254個單元。

橋梁跨徑組成為6×30 m，橋梁凈寬12 m，鋪裝層為5 cm厚調(diào)平混凝土+9 cm厚瀝青混凝土。梁體編號按照從道路外側(cè)往中間分隔帶依次編號為1#梁、2#梁、3#梁、4#梁，為研究實際車道荷載作用下梁體空間受力情況，橫橋向在實際重車道位置施加車道荷載，縱向上在第1、3、5孔施加，以獲得第1、3孔的最不利應(yīng)力情況。計算結(jié)果如表1所示，分析發(fā)現(xiàn)實際車道荷載作用下，中間孔的應(yīng)力增量大于邊孔，壓應(yīng)力儲備小于邊孔；邊、中孔中，重車道下的2#、3#梁和外邊梁1#梁受力最不利，其中2#梁最不利。

表1 應(yīng)力計算結(jié)果

1.2 空間規(guī)律

1.2.1 聯(lián)內(nèi)分布規(guī)律

以多孔組成的聯(lián)為單位，統(tǒng)計分析病害在聯(lián)內(nèi)的出現(xiàn)及發(fā)展規(guī)律。從數(shù)據(jù)集中篩選出現(xiàn)裂縫(底板橫向裂縫、腹板豎向裂縫)的聯(lián)，區(qū)分4孔聯(lián)、5孔聯(lián)、6孔聯(lián)及7孔聯(lián)，并梳理出歷年檢查首次發(fā)現(xiàn)病害的聯(lián)(稱為首次病害聯(lián))以及其后歷次檢查的發(fā)展情況，稱為二次病害聯(lián)、三次病害聯(lián)，等。篇幅有限，僅給出6孔聯(lián)各次檢查裂縫分布統(tǒng)計如表2所示。

由表2可知：① 縱向裂縫在各孔間分布無明顯差異，在邊孔和中孔均有存在，且數(shù)量差異不大；② 腹板豎向裂縫及底板橫向裂縫在各孔間分布差異較大，絕大部分都存在于中間幾孔，從1#、2#、3#孔或者4#、5#、6#孔來看，邊孔病害數(shù)量僅占2%，且中間幾孔中靠近邊孔的次邊孔病害較為嚴(yán)重；③ 首次病害6孔聯(lián)兩個邊孔病害數(shù)量占比為2.9%，到四次病害時病害數(shù)量占比已經(jīng)達(dá)到10.8%，說明隨著病害的發(fā)展，邊孔病害數(shù)量占比提高。

表2 6孔聯(lián)各次檢查裂縫分布統(tǒng)計

1.2.2 孔內(nèi)分布規(guī)律

篩選所有病害孔，梳理歷年檢查中首次出現(xiàn)病害的橋孔，以及其后歷次檢查的病害發(fā)展情況，分析發(fā)現(xiàn)各路段裝配式小箱梁橋孔內(nèi)病害發(fā)展規(guī)律相近。

(1) 首次病害孔。統(tǒng)計所有裂縫在孔跨內(nèi)的相對位置，以無量綱參數(shù)α表示，“0”為梁的一端，“1”為梁的另一端。此外，定義梁的裂縫區(qū)寬度為梁體中縱向距離最遠(yuǎn)的兩個豎向或橫向裂縫間的距離，則第i片梁的裂縫區(qū)寬度計算公式為(αmax-αmin)i·L。定義孔的裂縫區(qū)寬度為各梁裂縫區(qū)寬度的最大值，計算公式為|(αmax-αmin)i|max·L，定義裂縫區(qū)相對寬度為與跨徑無關(guān)的|(αmax-αmin)i|max。分析可得：1#梁平均裂縫區(qū)長度為0.015L，2#梁為0.019L，3#梁為0.01L，4#梁為0.002L，則該孔裂縫區(qū)寬度為0.019L；各孔裂縫區(qū)寬度平均值為0.03L。

(2) 二次病害孔。各部位裂縫分布差異無明顯變化。縱向裂縫65條，占比10%，相對于首次病害孔有少量下降。底板橫向裂縫20條，占比3%，略有上升，腹板豎向裂縫567條，占比86%，也是有上升，各梁裂縫區(qū)長度平均值提高，各孔裂縫區(qū)長度平均值=0.04L，相比首次病害孔有明顯提高。

(3) 三次病害孔。各部位裂縫分布差異無明顯變化。縱向裂縫65條，占比略有上升達(dá)到了11.6%；底板橫向裂縫20條，同樣占比略有上升，達(dá)到了4%；腹板豎向裂縫567條，占比略有下降，達(dá)到了84%；各梁裂縫區(qū)長度平均值進(jìn)一步增加，各孔裂縫區(qū)長度平均值略有增加，達(dá)到了0.044L。

1.3 時間規(guī)律

為研究裝配式小箱梁橋病害隨通車年限變化的規(guī)律，繪制各路段通車時間與裝配式小箱梁橋孔開裂比例(腹板豎向裂縫)關(guān)系如圖2所示，繪制各路段通車時間與開裂橋孔的平均裂縫數(shù)量關(guān)系，如圖3所示。

圖2 通車時間與橋孔開裂比例關(guān)系圖

圖3 通車時間與開裂橋孔平均裂縫數(shù)量關(guān)系圖

由圖2、3可見：隨著通車年限的增長，各路段產(chǎn)生裂縫的橋孔越來越多，橋梁開裂后的裂縫數(shù)量也越來越多，但不同路段之間，同一路段的上行、下行之間在發(fā)展速度上都存在明顯差異。截至2017年，汾灌下行裝配式小箱梁橋的開裂比例最大，達(dá)到41.2%。開裂比例是裝配式小箱梁橋開裂橋孔數(shù)占組合箱梁總橋孔數(shù)的比例。

2 病害原因分析

2.1 基于歷史數(shù)據(jù)的病害相關(guān)性分析

2.1.1 計算跨徑

為研究不同計算跨徑橋梁病害特征，分別繪制計算跨徑和腹板豎向裂縫、裂縫區(qū)相對寬度的散點圖，如圖4所示。圖4表明：腹板豎向裂縫的開展均和計算跨徑相關(guān)，計算跨徑越大，裂縫越多。關(guān)于裂縫區(qū)相對寬度，剔除裂縫數(shù)量非常少但裂縫區(qū)相對寬度很大的異常值后，可基本判斷裂縫區(qū)相對寬度與計算跨徑無明顯關(guān)聯(lián)。

圖4 計算跨徑對橋梁病害的影響

2.1.2 車輛荷載

單一路段的上下行橋梁在設(shè)計、施工、通車時間等方面基本一致，可以推斷上下行橋梁在病害發(fā)展上的差異基本上是由荷載導(dǎo)致的，因此研究上下行橋梁病害發(fā)展過程及荷載發(fā)展過程，有助于揭示荷載與病害間的內(nèi)在關(guān)系。

(1) 軸載次數(shù)

為研究軸載次數(shù)與病害的相關(guān)性，繪制了各路段歷年累計軸載次數(shù)和裝配式小箱梁橋孔開裂比例關(guān)系，如圖5所示，繪制了各路段歷年累計軸載次數(shù)和開裂橋孔的平均裂縫數(shù)量的關(guān)系，如圖6所示。由圖5可見：雖然隨著歷年累計軸載次數(shù)的增加，各路段裝配式小箱梁橋孔開裂比例不斷上升，但各路段上升速度差距很大，在設(shè)計、施工、通車時間等因素較為接近的上下行之間也存在較大差異，因此，可以推斷軸載的累積作用不是導(dǎo)致橋孔開裂的主要原因。開裂之后孔的裂縫數(shù)量與軸載次數(shù)的相關(guān)性則較為緊密，而不管設(shè)計、施工、通車年限等因素是否相同，說明一旦橋孔開裂，即使超載情況得到改善，仍然會隨著軸載次數(shù)的累積，裂縫數(shù)量越來越多。

圖5 軸載次數(shù)與開裂比例關(guān)系

圖6 軸載次數(shù)上限與裂縫數(shù)量關(guān)系

(2) 車輛總重及軸重與病害的相關(guān)性

基于動態(tài)稱重數(shù)據(jù)分析車輛總重及軸重分布情況與裝配式小箱梁橋病害的相關(guān)性，主要通過比較同一路段上下行間橋孔開裂比例與總重軸重的關(guān)系。主要應(yīng)用了京滬、汾灌、沿江、沿海4條高速公路6套稱重系統(tǒng)部分時段的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總量約1.03億輛車，如表3所示。該文僅以京滬高速公路為例，分析車輛總重及軸重與病害的相關(guān)性。

表3 稱重系統(tǒng)數(shù)據(jù)

京滬高速公路橋孔開裂比例與開裂橋孔裂縫數(shù)量兩個指標(biāo)在上下行的對比結(jié)果一致，僅對橋孔開裂比例與車輛荷載、軸載的關(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析。京滬高速公路上下行裝配式小箱梁橋孔歷年開裂比例如圖7所示，可見上行一直明顯大于下行。

圖7 京滬裝配式小箱梁橋孔開裂情況

選取京滬高速公路新沂河大橋動態(tài)稱重系統(tǒng)車輛荷載數(shù)據(jù)繪制總重分布圖及軸重分布圖，如圖8、9所示。圖8、9表示超過一定重量車輛荷載或軸載占所有車輛荷載或軸載的比例，由圖8、9可見上行車輛荷載和軸載都大于下行，與橋孔開裂情況非常吻合。

圖8 新沂河大橋車輛荷載總重分布

圖9 新沂河大橋車輛荷載軸載分布

2.1.3 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

主要分析采用參考文獻(xiàn)[10]、[11]、[12](簡稱97版、01版、02版)設(shè)計的橋梁病害特征的差異。對比了相同通車年限和相同軸載次數(shù)下的橋梁開裂比例，如表4、圖10所示，發(fā)現(xiàn)相同的通車年限和軸載次數(shù)情況下，采用97版通用圖設(shè)計的橋梁更容易出現(xiàn)較多病害，由此可見設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是造成裝配式小箱梁橋病害發(fā)展的重要原因。

圖10 相同通車年限下不同設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)橋孔開裂比例

表4 不同設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)橋孔開裂比例分布統(tǒng)計

2.1.4 定量分析

為定量分析變量間的相關(guān)性，計算變量間Spearson秩相關(guān)系數(shù)，計算公式如下：

(1)

式中：Ri為xi的秩次；Qi為yi的秩次；Ri-Qi為xi、yi的秩次之差。

計算結(jié)果如表5、6所示。

表5 重要裂縫病害與各因素的相關(guān)系數(shù)

表6 次要病害與各因素的相關(guān)系數(shù)

由表5、6可見：底板橫向裂縫因為數(shù)據(jù)極少，難以分析其真實的影響因素，累計軸載、通車年限、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與腹板豎向裂縫、裂縫區(qū)相對寬度相關(guān)性較強(qiáng)，應(yīng)該是影響病害開展的重要因素。

分析底板縱向裂縫、腹板縱向裂縫、橫隔板豎向裂縫以及濕接縫橫向裂縫等次要裂縫病害開展原因，發(fā)現(xiàn)除了橫隔板豎向裂縫開展與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系很大外，其余病害和軸載次數(shù)、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、通車年限以及計算跨徑的關(guān)聯(lián)性都很小。說明采用01版本設(shè)計的橋梁橫隔板豎向裂縫要多于97版本設(shè)計的橋梁。

2.2 基于現(xiàn)場檢查的病害相關(guān)性分析

2.2.1 梁體厚度與裂縫病害相關(guān)性

對檢查范圍中的36孔箱梁采用鉆孔法測量梁體厚度，分析所檢梁體厚度實測與設(shè)計偏差值與對應(yīng)梁體裂縫數(shù)量之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)當(dāng)實際腹板厚度與設(shè)計厚度偏差值為[-20,+40] mm時，腹板病害與實際腹板厚度相關(guān)性較弱，超過這個范圍箱梁更易產(chǎn)生豎向裂縫；內(nèi)外腹板厚度差對相應(yīng)梁體病害有較明顯影響，厚度差大時，病害較多；底板實測厚度與設(shè)計厚度的偏差對底板橫向裂縫及腹板橫向裂縫的開展均有較大影響，底板厚度超限都會導(dǎo)致病害增加(圖11)。

圖11 底板實測厚度與設(shè)計厚度偏差值同腹板豎向裂縫的相關(guān)性

2.2.2 橋面線形與裂縫病害的相關(guān)性

跨中測點實測高程與計算高程偏差與對應(yīng)梁體裂縫數(shù)量之間的相關(guān)性見圖12。偏差為負(fù)時表示梁體跨中下?lián)?，偏差為正時表示梁體跨中上拱?？梢娏后w跨中下?lián)铣潭扰c腹板豎向開裂有較大的相關(guān)性。

圖12 跨中測點實測高程與計算高程偏差同腹板豎向裂縫的相關(guān)性

3 結(jié)論

(1) 現(xiàn)階段，裝配式小箱梁橋主梁病害以腹板豎向裂縫為主，底板橫向裂縫其次，且在各孔間分布差異較大，絕大多數(shù)分布于中間幾孔，靠近邊孔的次邊孔病害較為嚴(yán)重。

(2) 腹板豎向裂縫的開展與箱梁的計算跨徑相關(guān)，計算跨徑越大，裂縫數(shù)量越多，而裂縫區(qū)相對寬度與計算跨徑無明顯關(guān)聯(lián)。

(3) 箱梁的開裂與采用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)，早期設(shè)計的橋梁更容易出現(xiàn)較多病害。

(4) 重車(車輛荷載總重和軸載)的分布情況對箱梁開裂起決定性影響，箱梁開裂之后隨著車輛荷載軸載次數(shù)的不斷累積，裂縫數(shù)量呈現(xiàn)快速增長趨勢。

(5) 當(dāng)實際腹板厚度與設(shè)計厚度偏差為[-20,+40] mm時，腹板病害與實際腹板厚度相關(guān)性較弱，超過這個范圍箱梁更容易產(chǎn)生豎向裂縫；內(nèi)外腹板厚度差對箱梁病害有較明顯影響，厚度差大時，病害較多；底板實測厚度與設(shè)計厚度的偏差對底板橫向裂縫及腹板橫向裂縫的開展均有較大影響，底板厚度超限都會導(dǎo)致病害增加。

(6) 梁體跨中下?lián)铣潭扰c腹板豎向開裂有較大相關(guān)性，建議定期監(jiān)測主梁跨中撓度，對于跨中下?lián)陷^為明顯的橋跨應(yīng)及時采取干預(yù)措施。