新型反压系统在桥梁新增桩基加固工程中的应用研究

吴中鑫 张晓锋 李栋

浙江交工高等级公路养护有限公司

摘 要：新增桩基承台是桥梁桥墩常用的加固方式。为提高加固效果，需采用反压系统将原桥墩承担的部分荷载传递至新增桩基。在分析传统反压系统施工时需预留承台槽口，存在施工速度慢、施工质量差、施工成本高、传力效果差等不足的基础上，创新性地提出了一种由分配系统、顶升系统和反力系统组成的新型反压系统。其中，分配系统作为新承台的永久受力构件，优化了新承台的传力方式，降低了配筋率，缩减了结构尺寸；反力系统的标准部件能够实现循环使用，节省了施工成本。利用该系统能够在新承台施工前完成原桩基的卸载和新桩基的反压，确保新承台施工的连续性。该系统已成功应用于某高速公路匝道桥的新增桩基承台施工，效果明显，可为其他类似桥梁新增桩基承台加固工程提供参考。

关键词：桥梁加固;桩基承台;反压系统;承台一次性浇筑;循环利用;

1 概述

21世纪以来，我国桥梁整体建设水平和规模均取得长足发展。虽然我国在桥梁建设核心技术、桥型与结构体系、材料性能和装备水平等方面取得重大进步，但养护水平与桥梁大国之间还存在较大差距。近年来，诸如福建武夷山大桥、辽宁盘锦田庄台大桥、哈尔滨阳明滩大桥等均由于车辆超载以及后期养护不到位而发生了垮塌[1]。因此，必须坚持“建养并重”的养护理念。

目前，部分公路桥梁桥墩在水文影响、河床冲刷、环境腐蚀及车辆荷载的作用下，出现桩基埋深不足、混凝土剥落、钢筋外露等病害，严重削弱桥梁承载力，一旦承载力不能满足要求，就需要进行加固处理[2,3]。其中，新增桩基承台加固方法是最普遍、可靠、有效的加固方式[4],即在原桩周围增加新桩，并在新老桩基周围新增承台将其连成整体。

在新增桩基承台加固中，新桩和原桩间的荷载分配方式有3种：(1)新桩承担原桩的全部荷载，不考虑原桩作用；(2)原桩继续承担原有荷载，新桩仅作为安全储备；(3)新桩承担原桩的部分荷载，二者共同受力。若新桩承担原桩的全部荷载，则所需的新承台尺寸和配筋率均较大，工程造价高；若原桩继续承担原有荷载，则原桩极易因荷载超限而产生破坏，新桩的作用无法得到充分发挥，加固效果不佳；新老桩基共同受力则能克服前两种加固方式的不足，加固效果明显、工程造价合理，是最佳的选择。

在施工过程中，需要采用反压系统实现新老桩基间的荷载传递，以此实现新老桩基共同受力。传统的反压方式[5]见图1,以新承台作为反力系统，先浇筑部分承台混凝土，待混凝土强度达到设计要求后进行反压施工，反压施工结束后补浇槽口混凝土。因此，新承台混凝土需分两次浇筑，施工周期长，易造成人为的施工冷缝，降低施工质量。此外，传统反压系统仅与新桩和新承台相连，承台传力路径过长，传力效果差。

图1 传统反压方式

2 反压系统结构设计

针对传统反压系统存在的问题，结合桥梁常用的双柱和独柱两种类型桥墩，提出了一种新型反压系统。

2.1总体设计思路

新型反压系统的作用是将原桩的竖向荷载传递到新桩，即新型反压系统需要同时与原桩和新桩相连接。新型反压系统总体布置见图2,由分配系统、顶升系统和反力系统3部分构成[6,7],反力系统与原桩相连，分配系统与新桩相连，顶升系统提供反压力。

图2 反压系统总体布置示意

通过顶升系统向上作用力将反力系统向上顶升，实现原桩卸载；通过顶升系统向下反作用力将分配系统向下挤压，实现新桩反压。其中，独柱墩的反压系统是双柱墩反力系统的一种简化形式，仅有分配系统和顶升系统，且分配系统不需要水平拉杆和调节件。限于篇幅，仅对双柱墩的反力系统进行描述。

2.2反力系统

反力系统为倒三角形的临时结构。为提高反力系统的重复利用率，将反力系统分为调节部件、标准部件、标准压杆、牛腿部件和若干反力调节垫板，见图3,主要构件均为双拼工字钢。通过调节部件和调节钢板来适应桥墩间距和外径的变化。

2.3分配系统

分配系统为三角形结构，是将向下的挤压荷载传递至新桩的永久构件，包括分配斜撑、分配三角撑、水平拉杆、顶压底板和新桩顶锚固件，主要构件均为双拼工字钢，见图4。一对分配斜撑呈八字型与水平拉杆焊接成整体，在其顶部焊接顶压底板，在分配斜撑靠近顶部之间焊接分配三角撑，在分配斜撑底部焊接底板，在底板上安装新桩顶锚固件，通过高强螺栓将分配斜撑与新桩连成整体。

图3 反力系统示意

图4 分配系统示意

2.4顶升系统

顶升系统包括千斤顶和临时支撑。千斤顶由千斤顶和油泵构成，临时支撑为带自动卸落功能的钢支撑。

2.5系统优势

(1)利用该系统在新承台施工前即可完成原桩的卸载和新桩的反压，保证新承台施工的连续性，大幅缩短施工工期、提高施工工效、降低施工成本。同时，分配系统与新桩间、反力系统构件间、反力系统与原墩柱间均采用螺栓连接，且通过增设调节钢板对原桩间净距误差进行精调，现场施工操作简单、安全隐患低。

(2)该系统通过分配系统和反力系统直接与原桩和新桩相连，且分配系统作为新承台的永久受力构件，优化了承台传力方式和路径，降低配筋率、缩减结构尺寸，实现承台轻型化。

(3)该系统的反力系统作为施工临时结构，划分为标准部件和调节部件，在满足施工要求的前提下提高了施工临时结构的重复利用率，节省了施工成本，实现降本增效。

3 反压系统施工工艺流程及要点

3.1总体施工工艺流程

总体施工流程为：新桩顶锚固件安装→分配系统安装→新承台钢筋绑扎及模板安装→牛腿部件施工→反力系统调节部件安装→千斤顶安装→反力系统标准件安装→标准压杆安装→千斤顶顶升→千斤顶自锁或临时支撑安装→新承台混凝土浇筑及养生→千斤顶卸载→反力系统和顶升系统拆除→承台顶修复。

3.2反压系统施工要点

(1)新桩检测合格后，破除新桩桩头，根据新桩顶预埋螺杆平面位置在新桩顶进行钻孔种植桩顶预埋螺杆；按照新承台底设计标高将桩顶调平螺母旋转到指定位置，安装桩顶预埋钢板，安装、旋紧桩顶固定螺母将桩顶预埋钢板固定；在新桩顶和桩顶预埋钢板间的间隙内灌满环氧砂浆。

(2)待环氧砂浆达到设计强度后，旋掉固定螺母，将分配系统安装在桩顶预埋螺杆上，确保桩顶预埋钢板和分配系统的分配斜撑底板密贴，旋紧桩顶固定螺母。

(3)安装新承台模板和钢筋，在分配系统的顶升底板周围安装木方，确保木方顶面标高与新承台顶面标高一致。

(4)根据牛腿预埋螺杆位置在原桩上进行钻孔种植牛腿预埋螺杆，安装牛腿调节螺母及牛腿支撑板，通过旋转牛腿调节螺母精调牛腿支撑板，使其垂直度满足要求后旋紧牛腿固定螺母，密封牛腿支撑板和原桩周边间隙，压灌环氧砂浆将间隙注满。

(5)待环氧砂浆达到设计强度后，旋掉牛腿固定螺母，安装反力系统的调节部件，再旋紧牛腿固定螺母。

(6)在分配系统的顶升顶板上安装千斤顶，依次将反力系统的标准部件和标准压杆吊装到安装位置，根据反力系统的调节部件和标准部件、调节部件和标准压杆之间的间隙选择合适的反力调节垫板，通过连接螺栓安装反力系统的调节部件、标准部件和标准压杆。

(7)启动千斤顶，分级施加顶升力至设计值，自锁千斤顶或安装临时支撑。

(8)浇筑新承台混凝土并进行养生，待承台混凝土强度达到设计要求后卸落拆除千斤顶或临时支撑，拆除反力系统和顶升底板周围的木方，在顶升底板顶部浇筑补偿收缩混凝土至新承台顶设计标高。

4 工程应用

4.1工程背景

某高速公路匝道桥为预应力混凝土小箱梁桥，下部结构为双柱式桥墩+钻孔灌注桩。前期检测发现，由于河道采砂、洪水冲刷导致河床下切，部分桩基存在冲刷严重、钢筋外露、桩身夹泥、局部掏空等病害，见图5。

图5 水中桩基典型病害

2020年5月对病害特别严重的11号～18号桥墩采用新增桩基承台法对其进行加固处理，即在原桩前后各增加1根桩，并通过在原桩基侧面植筋，形成群桩承台基础。为保证新桩与原桩共同受力，根据设计要求需对新桩进行预压。

4.2反压系统结构设计

反力系统结构见图6。主要构件为2I40a。除调节钢板外钢板厚度均为20 mm,螺栓均为S8.8级M27高强螺杆，种植深度均为30 cm,牛腿螺杆数量为26根，新桩顶预埋螺杆数量为6根。单个桥墩反压系统钢结构重量为4 084.97 kg。

4.3反压系统结构验算

采用有限元计算软件，对反压系统自身及原桥结构进行验算，计算模型见图7。

4.3.1顶升反力的确定

顶升反力即新桩反压荷载和原桩卸载力，按照原桩设计轴向承载力的30%控制，则顶升反力为：3 660×0.3×2=2 196 kN,偏于安全顶升力的设计值按照2 000 kN控制。

图6 反力系统结构

图7 计算模型

4.3.2反压系统应力

在顶升力的设计值作用下反压系统的应力云图见图8,最大拉应力为65.93 MPa<[σ]=215 MPa,最大压应力为198.8 MPa<[σ]=215 MPa,满足要求。

图8 反力系统应力云图

4.3.3原桥墩应力

在顶升力的设计值和上部结构及活载作用下原桥墩应力计算结果见表1,桩基和系梁混凝土为C25,盖梁和墩柱为C30。原桥墩均为压应力，最小压应力为2.62 MPa、最大压应力为8.76 MPa<ftd=11.5 MPa,满足要求。盖梁和横系梁以最小混凝土标号为检验标准，则最大拉应力为0.93 MPa<fcd=1.23 MPa,最大压应力为8.76 MPa<ftd=11.5 MPa,均满足要求。

表1 原桥墩应力计算结果

MPa

4.3.4结构整体变形

在顶升力的设计值和上部结构及活载作用下结构整体变形见图9,15号和17号桥墩结构最大变形量分别为3.3 mm和4.2 mm, 均满足要求。

4.3.5局部应力验算

(1)原桥墩水平抗力验算。

作用在原15号和17号桥墩上的最大水平力分别为765.26 kN和102.83 kN,反压系统与原桥墩的接触面积为512 mm×700 mm, 则混凝土抗压强度设计值为4 121.6 kN>N=765.26 kN,满足要求。

图9 结构整体变形云图

(2)新桩顶面抗压验算。

作用在新桩顶面的最大竖向力均为1 044.1 kN,反压系统与新增桩基的接触面积为900 mm×420 mm, 则混凝土抗压强度设计值为4 347 kN>1 044.1 kN,满足要求。

4.3.6螺栓抗剪验算

反压系统与原桥墩连接处竖向力较大，15号和17号桥墩分别为1 195.86 kN和1 176.13 kN。选用性能等级为S8.8级M27的碳钢及合金钢螺栓。则满足抗剪需要的螺栓数量为8根，实际配置26根，满足要求。

4.4应用效果

本工程共有8个桥墩需要新增桩基承台反压施工，施工过程见图10。共投入人工12人，累计耗时44 d, 人工、材料、机械成本共计55.8万元。与传统反压系统相比，施工效率提升了50%,施工成本节省了38%。

图10 反力系统安装

5 结语

(1)通过反力系统和分配系统将原桩和新桩汇集至顶升系统，不需借助新承台即可实现原桩卸载和新桩反压，确保新承台混凝土浇筑的连续性，缩短新承台施工工期。

(2)分配系统在反压过程中将千斤顶向下的荷载传递到新桩上，反压结束后作为承台的一部分浇筑在承台内部，优化新承台传力方式和路径、减少结构配筋、缩减结构尺寸、降低自重。

(3)反压系统作为临时结构，划分为标准部件和调节部件，在满足原桥墩结构尺寸偏差的基础上提高临时结构的重复利用率，节省工程造价，实现降本增效。

参考文献

[1] 魏洋，端茂军，李国芬.桥梁检测评定与加固技术[M].北京：人民交通出版社，2019.

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[3] 焦爱萍，张耀先.桥墩局部冲刷分析及防护对策[J].人民黄河，2003,(7):21-22.

[4] 陈大江，李龙.增补桩基法在桥梁桩基冲刷病害中的应用[J].工程与建设，2015,29(5):674-676.

[5] 罗小聪，李鸿彬，杨文甫，等.用于桥梁维修加固或拓宽扩建的新增桩基施工方法：中国，201811025182.2[P].2019-01-08.

[6] 吴中鑫，张晓锋，陈国瑞，等.一种具有反压结构的承台系统：中国，202020913956.1[P].2020-05-26.

[7] 吴中鑫，张晓锋，陈国瑞，等.一种具有反压结构的承台系统及其实施方法：中国，202010454795.9[P].2020-05-10.