摘 要：宁波招宝山大桥主梁在施工阶段及压溃过程中产生了较多的裂缝，在加固重建工程的设计中，对裂缝的成因及后期的发展趋势进行了研究，并提出了裂缝的处理方法。通过对保留结构主梁裂缝的结构补强、压力灌浆及表面封闭，再辅以主梁外表的防腐涂装，可以保证结构的安全和耐久性。
关键词：裂缝，裂缝分类，裂缝分布形态，裂缝成因，结构补强，压力灌浆，表面封闭，防腐涂装
1 工程概况
宁波招宝山大桥位于甬江入海口，横跨镇海区的招宝山和金鸡山。主桥为五跨连续带协作体系的独塔双索面斜拉桥，桥跨布置为74.5m+258m+102m+83m+49.5m。主梁为预应力钢筋混凝土结构，梁高2.5m，梁宽29.5m。标准截面为双箱单室开口箱形截面，开口部分宽度为13.5m，底板及斜腹板板厚均为18cm，横隔梁间距4m。主梁利用牵索挂篮以8m一个节段，由桥塔处向两岸悬臂现浇施工。
本桥于1995年动工兴建，1998年9月斜拉桥主梁施工至23#块时（共25块），主梁上游侧16#~17#块和下游侧15#~16#块施工缝附近的底板、斜腹板发生了压溃破坏事故。之后，有关单位代表对主梁进行了仔细全面的裂缝普查。
2 主梁裂缝描述
2.1 底板、斜腹板裂缝
图1 底板、斜腹板底面的典型裂缝分布图
典型裂缝分布图见图1。此类裂缝主要有两类：
1） 在2#~9#块底板底面的施工缝附近，有呈月牙状的弧形裂缝，长度在0.1~2.0m之间，裂缝宽度0.05~0.1mm，均位于该节段施工方向的前端。
2） 大部分节段的底板及斜腹板底面均出现了密集的细小裂缝。裂缝分布在底板与斜腹板交界处附近，斜腹板裂缝大多呈斜向分布，少数呈纵向水平方向。裂缝宽度在0.05~0.15mm之间。
2.2 横隔梁裂缝
典型裂缝分布图见图2。
图2 横隔梁典型裂缝分布图
1） 中间开口箱横隔梁
自来水管预留孔周围有少量沿孔径向的裂缝，长度为10~30cm，宽度0.1mm左右；沿横隔梁预应力波纹管位置出现裂缝，裂缝长度在0.8~2.5m之间，宽度为0.05~0.1mm。
2） 边箱横隔梁
在边跨5’~10’块边箱，沿横隔梁预应力波纹管轨迹均有裂缝。长度为0.3~2.0m，裂缝宽度在0.05~0.15mm之间。
2.3 主梁实体肋内侧裂缝
主梁大部分节段的上下游实体肋内侧部位均发现有裂缝，基本呈水平方向，长度为0.1~1.5m，大部分裂缝的宽度在0.02~0.05mm之间，少数达到0.1mm左右。典型裂缝分布图见图3。
图3 实体肋内侧典型裂缝分布图
2.4 24#~25#墩间（即49.5m跨）主梁裂缝
24#~25#墩间主梁裂缝主要有二类：
1） 顶板顺桥向裂缝
主梁边箱顶板顶面靠近直腹板附近，各有一条长约30m，宽约0.2mm的顺桥向裂缝。顶板底面靠近实体肋附近有数条几乎平行分布的顺桥向裂缝，断断续续，长约20~40m，裂缝宽度在0.05~0.1mm之间。典型裂缝分布图见图4。
图4 49.5m跨主梁顶板底面典型裂缝分布图
2） 底板及斜腹板裂缝
底板底面发现了较多的斜向裂缝，分布在靠近24#和25#墩范围内。裂缝长度在1.0~4.0m之间，宽度为0.15~0.2mm。斜腹板的底面也有一定数量的斜向裂缝，大部分是从底板延伸过来的，裂缝长度在0.5~3.0m之间，宽度在0.1mm左右。典型裂缝分布图见图5。
图5 49.5m跨主梁底板底面典型裂缝分布图
3 裂缝产生的成因分析
从裂缝产生的原因上分析，一般可以分为由荷载（包括结构自重、预应力和活载等）引起的裂缝和由变形（包括混凝土的收缩、徐变，模板的变形及温差等）受到约束引起的裂缝。混凝土材料的诸多特性及特有的施工工艺，决定了混凝土结构物产生裂缝往往是多种原因（如材料构成、结构构造、施工工艺、环境条件等）共同作用的结果，精确分析其影响程度是非常困难的，且本桥的裂缝观测是在主梁压溃破坏以后进行的，裂缝产生的具体时间无法确认，给裂缝分析带来了困难。因此，本文仅对裂缝产生的主要原因进行分析。
3.1 分析思路
通过对上述四类裂缝的初步分析，可以发现裂缝出现的位置、方向等方面有较明显的规律性。由此初步推断，以上裂缝多数是由荷载引起的结构性裂缝。为此分别建立了标准节段和49.5m跨主梁空间有限元计算模型，利用SAP91软件进行了相关的分析验证。
3.2 主梁标准节段计算模型
图6 主梁标准节段空间有限元计算模型
主梁标准节段的空间有限元分析模型见图6。纵桥向取6#、7#块两个节段，共16m；横桥向按对称性取半桥计算。节点9890个，单元5168个。
有关计算模型说明如下：
1） 采用三维8节点块单元，使用不协调位移模式，按中等程度扭曲的单元计算；
2） 边界条件：
•6#块端部（靠桥塔侧）：除横桥向水平位移约束释放外，其余约束；
•对称轴上的顶板和横隔梁：除横桥向水平位移约束外，其余释放。
3） 模拟实际加载过程，荷载按四个工况考虑：
•工况一：在7#块端部施加纵向预应力；
•工况二：工况一＋斜腹板预应力；
•工况三：工况二＋横隔梁预应力。
•工况四：工况三＋索力和自重；
4) 普通钢筋的作用未计。结构出现裂缝以后，将使结构的刚度降低，并将发生应力重分布，此影响本文中未考虑。
3.3 49.5m跨主梁空间有限元计算模型
纵桥向取64.835m（支架上现浇部分），横桥向按对称性取半桥计算。计算模型见图7。
图7 49.5m跨主梁空间有限元计算模型
1） 边界条件：
•桥梁中心线处：横桥向水平位移约束外，其余释放；
•24#、25#墩：实际布置支座处竖向位移约束，其余释放；
•21’#块端面：顺桥向水平位移约束，其余释放；
2）加载工况：
•工况一：一期恒载
•工况二：一期恒载+二期恒载
•工况三：一期恒载+二期恒载+汽车
其它与标准节段计算模型相同。
3.4 裂缝成因分析
3.4.1 底板、斜腹板裂缝
1） 经调查，底板月牙形裂缝是由于在主梁施工中，牵索挂篮对主梁产生上拉力，由于底板薄，预应力筋偏少，因此产生了底板月牙形裂缝。从9#块以后增加了底板预应力钢筋，此类裂缝未再发生。
2） 工况三（张拉横隔梁预应力）时，底板、斜腹板底面交界处附近纵桥向的主拉应力分布图见图8。由图可见，最大主拉应力超过了3.0MPa，并且主拉应力沿纵桥向分布的峰值区域与出现裂缝的位置吻合。其余工况的应力均比工况三低。由此可以判断，底板、斜腹板底面的裂缝是张拉横隔梁预应力时产生的。另外，节段间混凝土龄期差引起的收缩差异也有一定的影响。
图8 底板、斜腹板底面交界处附近纵桥向的主拉应力分布图（MPa）
3.4.2 横隔梁裂缝
1） 自来水管预留孔处，由于传力方向截面的突然变化，引起局部应力集中，导致该处沿径向产生了少量裂缝。
2） 原设计横隔梁厚度为25cm，在下缘布置有预应力钢绞线，由于波纹管的外径为10cm，横隔梁在波纹管处的净厚度仅有15cm。另外，此处构造钢筋过少。不难确定，横隔梁在波纹管处的净厚度不够及构造钢筋不足是引起开裂的主要因素。
3.4.3 主梁实体肋内侧裂缝
工况三（张拉横隔梁预应力）时，实体肋内侧纵桥向的竖向应力分布图见图9。由图可见，最大拉应力为0.86MPa，其峰值区域与裂缝出现的规律吻合。原结构在此位置配筋较少，仅配置φ12钢筋，间距20cm。另外，主梁内模刚度较大，实体肋部分混凝土收缩受到约束，也是引起开裂的原因之一。
图9 实体肋内侧纵桥向的竖向应力分布图（MPa）
3.4.4 24#~25#墩间（即49.5m跨）主梁裂缝
49.5m跨主梁产生裂缝主要是由主梁构造布置不当引起的，表现在以下四点：
1） 主梁截面过于单薄，顶板、底板及斜腹板厚度与其相应的受力不能适应。
2） 在43.8m无斜拉索区域，主梁两侧仍设有重量较大的实体肋，加之没有设置横隔梁，使桥面板产生了较大的横桥向轴向力，最终导致桥面板顺桥向严重开裂。
3） 对于支点附近的主梁，由于剪力较大，此范围内的斜腹板及底板没有进行加强，引起主拉应力过大，导致在斜腹板及底板产生斜向裂缝。
4） 顶板、底板及斜腹板的横向钢筋布置较少，不能满足相应的受力要求。
空间模型的有限元分析结果确认了上述判断，限于篇幅不再一一介绍。
4 保留结构主梁裂缝的处理
4.1 裂缝处理的基本原则
（1） 裂缝位置后期荷载产生的拉应力超过容许值时，应对裂缝进行补强处理。
（2）裂缝已经贯通时，应对裂缝进行补强处理。
（3）对于直接受雨水侵渗的桥面板裂缝，采用抗渗性能高的XYPEX（赛柏斯）材料进行处理。
（4）不符合上述三条时，裂缝按耐久性进行处理：裂缝宽度≥0.15mm时，采取压力灌浆；裂缝宽度＜0.15mm时，仅作表面封闭处理。
4.2 裂缝处理的范围
（1）采用XYPEX材料进行处理的裂缝
对于顶板顶面的裂缝，如果裂缝宽度≥0.15mm，则先进行压力灌浆，再涂刷XYPEX材料。
（2）粘贴钢板进行补强处理的裂缝
在离24#墩3～12m处的49.5m跨的底板底面粘贴钢板条进行裂缝补强处理。
（3）灌浆及封闭处理的裂缝：
全桥其他各类裂缝根据裂缝宽度进行压浆或封闭处理。
4.3 裂缝处理的时间
首先进行顶板顶面裂缝的处理，其中49.5m跨的顶板顶面的裂缝应在本跨加固体外横向预应力索张拉之前完成，而底板底面粘贴钢板条应在本跨加固完成后进行。其他位置的裂缝可由施工单位根据工序安排，以不影响主梁的重建和加固施工又能够保证处理质量为原则。
4.4 裂缝处理的施工工艺
（1） XYPEX材料涂刷工艺
作为一种用于混凝土防水和混凝土保护的高科技化学新型材料，其配制和涂刷工艺应在厂家技术人员的指导下进行。
（2） 粘贴钢板条的施工工艺，包括以下内容：
a. 标出裂缝的宽度，按裂缝宽度≥0.15mm和＜0.15mm进行区分。
b. 对宽度≥0.15mm的裂缝进行灌浆。
c. 开凿需粘贴钢板条的孔位。
d. 混凝土表面凿毛。
e. 钢板条的处理。
（3） 封闭裂缝处理工艺
a. 将裂缝沿裂缝方向分成小段，并用切割机将缝锯成小槽。
b. 清洗小槽。
c. 在小槽内及两侧涂环氧胶液。
d. 用根据现场温度配制的环氧胶泥填充小槽，并压实抹平。
e. 环氧胶泥固化后，若表面不平，须打磨平整。
（4） 裂缝灌浆处理工艺
a. 清洗裂缝。
b. 布置压浆嘴。
c. 用胶带封闭裂缝。
d. 在裂缝表面涂环氧胶液。
e. 用环氧胶泥封闭裂缝表面及压浆嘴四周。
f. 检查裂缝封闭情况。
g. 检查灌浆设备的封闭情况。
h. 根据现场温度定量配制环氧胶液。
i. 灌浆。
j. 灌浆结束后，立即撤除管道。
k. 待环氧胶液固化后，拆除压浆嘴，并用环氧胶泥封闭。
l. 环氧胶泥固化后，若表面不平，须打磨平整。
5 结束语
宁波招宝山大桥保留结构主梁在安装阶段及压溃过程中产生了较多的裂缝，裂缝处理的好坏是保留主梁能否安全受力和后期主梁的耐久性能否达到要求的关键。在加固重建工程的设计中，对裂缝的成因及后期的发展趋势进行了比较系统的研究，并分别进行了处理。通过对保留结构主梁裂缝的结构补强、压力灌浆及表面封闭，在辅以主梁外表的防腐涂装，可以保证结构的安全和耐久性。
参 考 文 献
[1] 日本混凝土工程协会. 混凝土工程裂缝调查及补强加固技术规程. 地震出版社，1992.
[2] 王铁梦.工程结构裂缝控制.中国建筑工业出版社，1997.
