一种沿海码头受撞损伤桥墩不卸载工况下修复加强方法

技术领域

本发明涉及桥梁结构的一种加固方法，特别是一种沿海码头受撞损伤桥墩不卸载工况下修复加强方法。

背景技术

高桩码头是海洋码头三大结构形式之一，在软土地基或修建深水码头的情况下，修建高桩码头几乎是唯一可行的码头结构形式，高桩码头桥墩墩身通常采用单排多根或双排多根插打的预应力混凝土管桩作桥墩基础、管桩顶面用长条形盖梁作横向连接将多根管桩联成整体，盖梁顶面设一排多个支座，支座顶面摆放桥面板结构，目前该结构在我国应用非常广泛。但当桥墩受到后方土体滑动、码头或引桥变形造成桥墩墩身倾斜变位甚至断裂的现象时有发生，或当低潮时码头或引桥受船舶撞击造成桥墩墩身破损、倾斜甚至断裂缺失的事故也频频发生，因此码头或码头引桥桥墩混凝土预应力管桩受损后的修复加固技术已逐渐发展成一种新型维修施工类别。

受损混凝土预应力管桩修复加固的施工方法一般有两种：

一、异位补桩代替法：因一般情况下需要修复或加固的混凝土预应力管桩均为已建成结构物，拆除较为不便，因此针对既有结构物，该修复或加固方法分两个方式，1、第一种为卸载工况下异位补桩。拆除受损混凝土预应力管桩上部桥面板结构进行卸载，原桩已无法修复，利用浮吊或汽车吊在受损桩两侧补打桩基，将已有盖梁呈“十”字状加强，安装桥面板；2、第二种为不卸载工况下异位补桩。不拆除受损混凝土预应力管桩上部桥面板等结构，原桩已无法修复，在补打混凝土预应力管桩桩位上的桥面板开设孔洞，利用孔洞补打混凝土预应力管桩后，截短混凝土预应力管桩，将已有盖梁呈“十”字状加强，最后将桥面板上所开设孔洞进行修复。异位补桩代替法的维修原则是利用替补管桩代替受损管桩受力，以满足结构使用性能。

二、原桩修补法：该方法分两个方式：1、第一种为不卸载工况下原桩修补。若受损混凝土预应力管桩上部荷载较小，只有管线或行人荷载，虽然单根混凝土预应力管桩破损，但其余混凝土预应力管桩暂时可以承受上部结构的荷载，只是没有安全富余系数了，可以将破损的单根混凝土预应力管桩修补后不影响其安全使用，只是降低了部分安全储备，此种工况下可在不卸载工况下凿除混凝土预应力管桩断裂面松散混凝土，保留原管桩钢筋用于新老混凝土管桩连接，然后安放新装钢筋笼(并与长条盖梁钢筋接茬)，外套钢筒模板，最后在钢筒模板内浇筑混凝土接长管桩(上端与盖梁接茬)，此方法不适用上部桥面板结板荷载较大的工况； 2、第二种为卸载工况下原桩修补。修受损混凝土预应力管桩上部荷载较大，首先应拆除受损混凝土预应力管桩上部桥面板结构进行卸载，后续施工的也可分两种方法进行：(1)拆除部分盖梁原桩修补。利用浮吊或汽车吊拆除部分盖梁，凿除混凝土预应力管桩断裂面松散混凝土，保留原管桩钢筋用于新老混凝土管桩连接，然后安放新装钢筋笼(并预留与长条盖梁接茬的接茬钢筋)，外套钢筒模板，最后浇筑混凝土接长管桩，恢复盖梁，安装桥面板；(2)不拆除盖梁原桩修补。凿除混凝土预应力管桩断裂面松散混凝土，保留原管桩钢筋用于新老混凝土管桩连接，然后安放新装钢筋笼(并与长条盖梁钢筋接茬)，外套钢套筒，最后浇筑混凝土接长管桩(上端与盖梁接茬)，安装桥面板。

异位补桩代替法施工存在的缺陷：

(1)卸载工况下异位补桩代替法：①补桩前，需先将受损桩上部结构面板拆除，减除上部自重，待补桩施工完成可作为下部支撑后，再恢复上部结构，保证修补后结构受力状态与初始设计情况相符。上部板梁拆除过程繁琐，拆除范围需通过计算确定，需考虑拆除机械设备、拆除顺序及后续恢复施工，所需资源配备大。②卸载上部结构自重，需吊移上部板梁，修复完成后，还需将板梁归位复原，恢复上部结构连接，施工过程存在板梁装吊等高风险作业。③上部结构自重卸载过程所需时间较长，板梁卸载后需重新归位、恢复，恢复后如面层等现浇部位施工完成后，还需养护，等待其混凝土强度。卸载面板所需施工时间长，不利于已建成码头的运营。

(2)不卸载工况下异位补桩代替法：桥面板需开孔补桩，虽不需大面积卸除上部结构的自重荷载，但仍需经过计算选定开孔位置，且补桩插打完成并与排架连接后，还需重新浇筑上部结构开孔处的面板混凝土，施工步骤繁琐且施工耗时较长。

原桩修补法施工存在的缺陷：

(1)不卸载工况下原桩修补方案前提条件为受损桩基位于上部荷载很小的基础上，或者是受损桩基原结构安全系数很大，修补后不影响其安全可靠的使用，但整体结构受力已偏离设计初始状态，降低了结构的安全储备。原桩在不卸载工况下修复，使用时会受到一定的影响，管桩修复后存在的残余应力和变形。

(2)卸载工况下原桩修补方案(盖梁部分拆除)：①补桩前，需先将受损桩上部结构面板拆除，减除上部自重，待管桩修补完成可作为下部支撑后，再恢复上部结构，保证修补后结构受力状态与初始设计情况相符。上部板梁拆除过程繁琐，拆除范围需通过计算确定，需考虑拆除机械设备、拆除顺序及后续恢复施工，所需资源配备大。②卸载上部结构自重，需吊移上部板梁，修复完成后，还需将板梁归位复原，恢复上部结构连接，施工过程存在板梁装吊等高风险作业。③上部结构自重卸载过程所需时间较长，板梁卸载后需重新归位、恢复，恢复后如面层等现浇部位施工完成后，还需养护，等待其混凝土强度。卸载面板所需施工时间长，不利于已建成码头的运营。④盖梁需要拆除和恢复，需要拆除机械设备，所需资源配备大，施工复杂。

(2)卸载工况下原桩修补方案((盖梁不拆除))：①补桩前，需先将受损桩上部结构面板拆除，减除上部自重，待管桩修补完成可作为下部支撑后，再恢复上部结构，保证修补后结构受力状态与初始设计情况相符。上部板梁拆除过程繁琐，拆除范围需通过计算确定，需考虑拆除机械设备、拆除顺序及后续恢复施工，所需资源配备大。②卸载上部结构自重，需吊移上部板梁，修复完成后，还需将板梁归位复原，恢复上部结构连接，施工过程存在板梁装吊等高风险作业。③上部结构自重卸载过程所需时间较长，板梁卸载后需重新归位、恢复，恢复后如面层等现浇部位施工完成后，还需养护，等待其混凝土强度。卸载面板所需施工时间长，不利于已建成码头的运营。④盖梁不拆除的情况修复原桩，管桩修复后存在的残余应力和变形。

发明内容

本发明的目的，在于提供沿海码头受撞损伤桥墩不卸载工况下修复加强方法，其能快速修复受损管桩结构后恢复运营，且减少资源机械配备进场，加快工期安排，减少施工中大型装吊作业，并尽量使结构修复后受力状态与设计初始情况相符，没有或减少残余应力和变形累积。

本发明解决其技术问题的解决方案是：一种沿海码头受撞损伤桥墩不卸载工况下修复加强方法，先清理受损桩上的松散混凝土，抽出受损桩内部积水，在受损桩的空心部分灌注混凝土修补加固，在受损桩的外侧套钢套筒，在钢套筒和受损桩间灌注细石混凝土，待受损桩加固完成后，利用钢套筒安装作业平台，作业平台的两端支持千斤顶反顶横盖梁，在钢套筒接长桩顶面与横盖梁底部之间空隙段灌注微膨胀灌浆料，在受损桩附近补打一个钢管桩，加长横盖梁，横盖梁与钢管桩相连。

作为上述技术方案的进一步改进，包括以下步骤，

1)将受损桩的破损处及以上的松散混凝土凿除，保留其完好的下部，利用抽水泵将受损桩内部积水抽除干，在受损桩的空心部分灌注细石混凝土修补加固；

2)在受损桩的外套装钢套筒，并在钢套筒和受损桩之间的空隙上灌注混凝土，受损桩沿钢套筒加长，受损桩的钢筋笼按原桩基钢筋接长，与横盖梁的桩头钢筋搭接到位；

3)在钢套筒上部搭设作业平台，在作业平台上焊接两个反顶牛腿，并千斤顶装置对此安装在相应的反顶牛腿上，千斤顶装置的动作端反顶横盖梁，在钢套筒接长桩顶面与横盖梁底部之间空隙段灌注微膨胀灌浆料；

4)在桥梁结构外侧水域补打钢管桩，在钢管桩内灌注混凝土；

5)将加大后的横盖梁向外侧延展2m，将补打的钢管桩与排架横盖梁连接成整体。

作为上述技术方案的进一步改进，在步骤5)之前，加厚横盖梁，使得修复后破损桩的桩头和钢套筒的的上端包裹在横盖梁内。

作为上述技术方案的进一步改进，在步骤2)中，在上部结构桥面钻4个小孔，小孔对称设置在受损桩周围，避开横盖梁；利用4个小孔搭设钢套筒拼装施工平台，并通过4个小孔穿插钢丝绳，每次使用一对对角小孔拼装一节钢套筒并下放，然后利用另一对对角小孔拼装下一节钢套筒并下放，松开前一对角小孔钢丝绳拼装下一节钢套筒，重复操作，使桥面吊机能进行桥下套筒拼装作业。

作为上述技术方案的进一步改进，钢套筒拼装到位后，利用早强砂浆将钢套筒的底部封堵，利用小型抽水泵抽出钢套筒内积水，然后在钢套筒和破损桩间灌注细石混凝土。

作为上述技术方案的进一步改进，所述破损桩为PHC桩。

作为上述技术方案的进一步改进，在钢套筒接长桩顶面与横盖梁底部之间空隙段灌注的微膨胀灌浆料为微膨胀高强度自流平灌浆料。

本发明的有益效果是：本发明在不破坏上部结构、不卸载上部结构自重荷载的前提下修复下部受损桩；利用千斤顶装置反顶横盖梁消减上部结构因受损产生的累计应力，不降低结构安全储备，恢复结构设计初始受力状态，修复破损桩的过程中，破损桩空心中填充混凝土加固，外套钢套筒并充灌混凝土加固桩基，钢套筒还作为模板和防腐用外，还使外部充灌混凝土在加劲箍作用承载力进一步加强；钢套筒还为后续消减上部结构内应力提供支撑和操作平台。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

图1是本发明中受损桩加固时的结构示意图；

图2是本发明受损桩外套钢套管时的结构示意图；

图3是本发明中钢管桩的施工示意图；

图4是本发明中钢套管拼装的结构示意图；

图5是本发明中搭设作业平台的示意图；

图6是本发明中加长、加厚横盖梁的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。

参照图1～图6，一种沿海码头受撞损伤桥墩不卸载工况下修复加强方法，先清理受损桩 1上的松散混凝土，抽出受损桩1内部积水，在受损桩1的空心部分灌注混凝土修补加固，在受损桩1的外侧套钢套筒3，在钢套筒3和受损桩1间灌注细石混凝土，待受损桩1加固完成后，利用钢套筒3安装作业平台，作业平台的两端支持千斤顶反顶横盖梁2，在钢套筒3 接长桩顶面与横盖梁2底部之间空隙段灌注微膨胀灌浆料，在受损桩1附近补打一个钢管桩 4，加长横盖梁2，横盖梁2与钢管桩4相连。优选地，在钢套筒3接长桩顶面与横盖梁2底部之间空隙段灌注的微膨胀灌浆料为微膨胀高强度自流平灌浆料。

作为上述技术方案的进一步改进，包括以下步骤，

1)将受损桩1的破损处及以上的松散混凝土凿除，保留其完好的下部，利用抽水泵将受损桩内部积水抽除干，在受损桩1的空心部分灌注细石混凝土修补加固；

2)在受损桩1的外套装钢套筒3，并在钢套筒3和受损桩之间的空隙上灌注混凝土，受损桩沿钢套筒3加长，受损桩的钢筋笼按原桩基钢筋接长，与横盖梁2的桩头钢筋搭接到位；

3)在钢套筒3上部搭设作业平台5，在作业平台5上焊接两个反顶牛腿，并千斤顶装置对此安装在相应的反顶牛腿上，千斤顶装置的动作端反顶横盖梁2，在钢套筒3接长桩顶面与横盖梁2底部之间空隙段灌注微膨胀灌浆料；

4)在桥梁结构外侧水域补打钢管桩4，在钢管桩4内灌注混凝土；

5)将加大后的横盖梁2向外侧延展2m，将补打的钢管桩4与排架横盖梁2连接成整体。

进一步作为优选的实施方式，在步骤5)之前，加厚横盖梁2，使得修复后破损桩的桩头和钢套筒3的的上端包裹在横盖梁2内。

进一步作为优选的实施方式，在步骤2)中，在上部结构桥面钻4个小孔6，小孔6对称设置在受损桩1周围，避开横盖梁2；利用4个小孔6搭设钢套筒拼装施工平台，并通过4 个小孔6穿插钢丝绳，每次使用一对对角小孔6拼装一节钢套筒3并下放，然后利用另一对对角小孔6拼装下一节钢套筒3并下放，松开前一对角小孔6钢丝绳拼装下一节钢套筒3，重复操作，使桥面吊机能进行桥下套筒拼装作业。

进一步作为优选的实施方式，钢套筒3拼装到位后，利用早强砂浆将钢套筒3的底部封堵，利用小型抽水泵抽出钢套筒3内积水，然后在钢套筒3和破损桩间灌注细石混凝土。

进一步作为优选的实施方式，所述破损桩为PHC桩。

以下是本发明优选的一个实施例，

1)受损桩1结构修补加固

受损桩1为PHC管桩，利用在PHC空心管桩内灌注混凝土的方法加固直径为1m的受损PHC桩。

将受损桩1的破损处及以上松散混凝土凿除，保留其完好的下部，若上部开口位于低水位以上，可在低水位时，利用抽水泵将PHC桩内部积水抽除干净，利用串筒或软管灌注细石混凝土以加固桩基，提高其承载力和刚度。若破损处位于水面以下，可利用专业潜水作业人员下潜探测，水下凿除破损面及以上混凝土，保留下节完好桩基，利用密封套筒接长桩基至水面以上，密封套筒底部保证其不漏水，再按照抽水、灌注混凝土的步骤修复、加固受损桩 1。

2)受损桩1外套钢套筒3、灌注混凝土加固

为修复受损桩1并提高其修补后的使用耐久性，进一步对受损桩1进行加固，在受损桩 1外外套直径1.5m的钢套筒3，并将钢套筒3与PHC管桩间空隙灌注混凝土。

根据钢套筒3自重及地址资料，钢套筒3长度需21m，钢套筒3上口拼至距横盖梁2底约0.7m位置，为后续反顶横盖梁2预留施工空间。受损桩1沿钢套筒3加长，欲延长的桩基钢筋笼按原桩基钢筋接长，至与横盖梁2的桩头钢筋搭接到位。

碍于修复结构物为已建成结构，钢套筒3无法整根直接套下，需采用对半拼装的方法。钢套筒3采用分节焊接的方法施工，每节长度定为3m。每片钢套筒瓦片的拼接边焊接对拉耳板，方便对接拼装，钢套筒3内利用钢筋设置限位块，高度约为22cm-23cm。

受限于上部结构，无法直接用吊机或浮吊拼装钢套筒3，在上部结构桥面钻4个小孔6，小孔6对称设置在受损桩1周围，避开横盖梁2。利用4个小孔6搭设钢套筒3拼装施工平台，并通过4个小孔6穿插钢丝绳，每次使用一对对角小孔6拼装一节套筒、下放，然后利用另一对对角小孔6拼装下一节套筒、下放，松开前一对角小孔6钢丝绳拼装下一节套筒，重复操作，使桥面吊机能进行桥下套筒拼装作业。

具体拼装流程为：桥面开孔(对称4孔)→受损桩1外表清理→钢套筒拼装施工平台搭设→穿钢丝绳过孔，利用桥面孔洞设置导链辅助起吊钢套筒瓦片→利用导链对接钢套筒3→锁死对接螺栓→电焊工加焊钢套筒3接缝→焊缝涂刷防腐涂料→下放拼装好的钢套筒3节段→重复起吊钢套筒瓦片进入下一节钢套筒3拼装流程。

钢套筒3拼装到位后，利用早强砂浆将底部封堵，利用小型抽水泵抽除套筒内积水，然后在套筒和PHC桩基间灌注细石混凝土，利用套筒的抱箍作用加固受损桩1基，并将原受损桩1基与海水隔绝，提高其使用耐久性。

3)反顶横盖梁2消减应力

受损桩1无法起到支撑作用，横盖梁2处于悬臂状态，积累了自重应力，与设计初始状态不符，在不卸载上部结构自重荷载的情况下，利用加固好的钢套筒3作为施工平台，反顶悬臂状态的横盖梁2，消减其积累的应力，使其受力符合设计初始状态。

为保证横盖梁2受力平衡，选择以横盖梁2纵轴线为中心纵桥向对称布置千斤顶装置，顶升到位后在护筒顶横桥向方向设置支撑，锁定横盖梁2受力状态。反顶具体步骤为：钢套筒3混凝土浇筑且到达设计强度后→搭设工作平台→焊接反顶牛腿→对称安装千斤顶装置→分级加载反顶力、同步监测桥面标高变化值→反顶双控指标到位后→锁死油顶、静止2min，观测油顶及桥面标高无变化后，安装钢支撑及楔块抄垫→释放千斤顶内力，完成本道横梁反顶→按照以上步骤进入下一道横盖梁2反顶工作。

按照横盖梁2自重及受力，通过千斤顶双控反顶横盖粱，待反顶力和反顶行程达到消减横盖梁2内应力，与设计初始受力状态相符后，即可安装钢结构支撑抄垫横梁，防止其下落影响反顶效果，反顶消减内应力施工完成后，接长钢套筒3至横梁底，在接长段下部和上部各开一小孔6，利用注浆泵灌注高强度灌浆料接长桩基。

4)补打钢管桩4并灌注素混凝土加强桩体

为增加安全储备，待受损桩1基修复、加固完成后，在桥梁结构外侧水域距桥边1m处补打钢管桩4。钢管桩4利用浮吊插打，按标高控制，贯入度做参考。

钢管桩4施工到位后，为加强其刚度，保证支撑能力，在钢管桩4内灌注混凝土。

5)加大横盖梁2

为加强横盖梁2与修复后桩基的稳定性，将原横梁受损桩1基侧12m范围内加厚0.5m，将修复后的桩头及套筒包裹进横梁。

为保证新老混凝土连接质量，将原横盖梁2底部12m范围内的老混凝土面层凿除，至露出新鲜石子，然后纵向和横向均已0.35m的间距化学种植长度1.1m的Φ25钢筋，种植深度为25d(d为种植钢筋直径)。

6)加长横盖梁2

为保证结构整体性，增加修复后结构物安全储备，将加大后的横盖梁2向外侧延展2m，将补打的钢管桩4与横盖梁2连接成整体。

为保证新老混凝土连接质量，将原排架下横梁端部的老混凝土面层凿除，至露出新鲜石子，已0.4m的间距化学种植长度1.625m的Φ25钢筋，水平向种植4排，竖向种植3排，种植深度为25d(d为种植钢筋直径)。

7)混凝土养护/k孔洞修复

受损桩1修复、加固完成后，对后期新浇混凝土进行养护，并将上部结果桥面孔洞修补完成。

本发明具有以下优点：

(1)在不卸载上部结构自重荷载的情况下，修复受损下部结构桥墩，避免了对已建结构物上部结构的破坏和恢复。

(2)在不卸载上部结构自重荷载的前提下修复受损下部结构桥墩、避免了卸载时间和后续恢复上部结构施工的时间，降低了各项成本的投入，大大降低了工期和成本方面的投入。

(3)利用千斤顶反顶上部结构、消减因受损累计的内应力的工序，保证结构受力与设计初始状态相符，在不消减结构安全储备的前提下修复受损结构。反顶上部结构消减内应力采用反顶力和反顶行程指标控制，控制效果较好、控制过程简单。

(4)受损下部结构修复、加固完成后，在已建结构外侧补打钢管桩4，钢管桩4与原有结构连接，以提高结构安全储备。

(5)本发明在不卸载上部结构的前提下进行，避免了过程中超大结构的装吊作业，避免了高风险作业内容。

以上是对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。