CN100513695C - 利用加压装置的反作用力维修和加固已有结构的系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用加压装置的反作用力维修或加固已有结构的系统和方法。结构支承装置例如为钢桩，其压入位于已有结构下面的地基中达到预定的刚性支承体层，已有结构被结构支承装置抬升的状态下，维修或加固部位被维修或加固，而不用考虑施工地点或场地，不会引起任何有害的环境影响。

Description

利用加压装置的反作用力维修和加固已有结构的系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种利用加压装置的反作用力维修或加固已有结构的系统和方法。本发明特别涉及一种在想利用传统的建筑技术和设备维修或加固已有结构，但是实质上不可能把该装置运送到施工地点或者该已有结构本身阻碍了维修或加固工作的情况下，在加固装置打入地基中、已有结构利用最少数量的对其没有负面影响的装置而被举起的状态下，能方便地对已有结构进行必要的维修或加固的系统及其方法。

背景技术

图1A是装在沟渠桥梁下部结构上的上部结构的透视图，表示具有U型横截面的渠道安装在立于地基的桥墩上的情况，图1B和1C是表示维修或加固图1A所示的沟渠桥梁的装置和方法的详细实例的透视图。

由上部结构(例如横截面为U型的渠道)和下部结构(例如桥墩)所构成的沟渠桥梁100通常按照依其长度分成几个节段10由桥墩20支承的方式建造，使得上部结构形成于距地面预定的高度。桥墩是一种柱状体，其下部植入地基预定的深度。通常，墩基形成于植入的柱状体的下边缘。因此，上部结构的负载(例如该渠道)通过下部结构(例如桥墩和其根基)转移到地基上，这样上部结构得到了下部结构安全的支承。此时，由于桥墩的上表面或者顶部30是结构上不牢固的部分，长时间后其承受力就会劣化，会导致出现裂纹。如果裂纹变得严重，桥墩的上表面或者顶部30最终会损坏而可能造成支承于此的上部结构下陷。如果不采取及时的维修或加固措施，上部结构的安全性就相当危险。对于维修或加固桥墩的上表面或顶部，下面是已有人提出的几种传统方法：1)先将由桥墩支承的上部结构移开，维修桥墩的上表面或顶部，然后重建上部结构；2)如图1B所示，在桥墩上加装加固钢部件40，例如单独的工字钢或钢板；以及3)如图1C所示，在已有桥墩附近多加一个桥墩。然而，传统的方法有几个问题。比如，上述第一种方法仅在其上部结构损坏得太厉害以致无法修理的情况下才是有效的。最主要的是，这种方法的问题是移开并重建该上部结构需要相当大的成本。依照第二种方法，即使加装了加固钢部件40，其加固能力会随着时间而劣化，从而可能造成该桥墩的上表面或者顶部更严重的损伤。第三个方法的问题在于建造一条用于运输加装桥墩所需设备的道路并获得另外的建造场地不太容易。另外，当地基土壤的承受力不足够大时，该墩基承受不起来自上部结构的负载，来自上部结构的负载转移到墩基而造成其下陷。这种下陷通常有不同的程度，它可能会反过来严重的影响上部结构的安全性。然而，传统的防止桥墩下陷的维修或加固方法还不令人满意。一种传统的解决下陷问题的方法是把上部结构全部或部分移开，建造桥墩，包括一个新桥墩，然后重建上部结构。

图2A是沟渠桥梁的侧视图，其具有依靠支承体60安装在桥墩20上横截面为U型的箱型上部结构10。上部结构10这个渠道按预定的高度安装在桥墩20上。因为桥墩20和上部结构10是靠地基的土壤承压力获得支承，如果相关地面的土壤承压力不足，桥墩或墩基就下陷，上部结构也会不可避免的下陷。由于与上部结构连接的部分的负载集中到一起，最终，如图2B所示，支承体60可能受损或者桥墩的上表面(或顶部)可能受损。当支承体60受损时，桥墩顶部也会受损，以致上部结构可能发生不同程度下陷，这样一来该上部结构或下部结构的安全性就是危险的。为了通过防止该上部结构倒塌或流经渠道的水渗漏来解决这样的安全性问题，一个可能的传统方法是在重建一个新桥墩之前把该上部结构本身移开。为了维修或加固桥墩顶部或支承体，抬起上部结构是必需的。此时，即使干脆抬起上部结构后替换桥墩顶部或支承体，也必须进行额外的维修或加固工作，除非地基土壤的承压力足够大。因此，当已有结构的墩基下陷时，就应该另有支承上部结构的装置。在这种情况下，需要在地面上安装一个与已有桥墩相邻的新桥墩而使该上部结构得到其需要的额外支承。然而，鉴于施工场地的条件，必需的用于运送设备的工程用路的建造，利用大规模设备所带来的各种施工困难，增加的工程费用，利用已有的大型设备和专用设备都非常受限制。

发明内容

技术课题

本发明提供了一种维修或加固已有结构的系统和方法，其能够有效地利用用于地基工程的结构支承装置，例如为预先浇注的混凝土桩或钢桩。本发明也提供了一种维修或加固已有结构的系统和方法，其能够维修或加固已有结构而不用利用依赖施工场地的任何大型设备和专用设备和/或技术。本发明提供了一种维修或加固已有结构的系统和方法，其维修或加固工程能够以无噪音、无振的方式完成而不会对环境造成任何有害的影响。更进一步，本发明提供了一种维修或加固已有结构的系统和方法，其能够使维修工程有效地进行而不受已有结构的阻碍，这些已有结构可能由于位置原因例如高度限制的问题或其安装模式而阻碍维修或加固工作。

技术解决方案

为了达到上述目的，本发明一方面提供了一种结构支承装置，例如为钢桩，其在已有结构下打入地基并达到预定的刚性承压层，已有结构被这个结构支承装置抬起。这种状态下，要维修或加固的目标部分能够被维修或加固。同时，通过已经打入地基的结构支承装置获得额外的地基土壤的承压力。

本发明的另一方面，可以用已有结构本身或者另外的框架组件作为结构支承装置压接的压力承受体。当基于加压装置的压力施加于压力承受体时，结构支承装置通过压力承受体的反作用力压入地面。因此，即使已有结构已经完成，结构支承装置也能够被容易的压接上，而不用管基础结构的工程场地，也没有必要另外运送大型设备。

还有，由于结构支承装置是被压入地基的，从而使无噪音，无振动的建造工程成为可能而不引起任何有害的环境影响。

再者，由于用钢材、玻璃纤维复合材料或类似材料构成的连接结构装置作为结构支承装置，所以结构支承装置能容易地压接到预定的刚性承压层上，而不会受到结构支承装置的规格，包括直径、长度等的影响，从而有效地维修或加固已有结构。

附图说明

图1A是表示安装在下部结构上构成沟渠桥梁的上部结构，即具有U型横截面的渠道的透视图，图1B是表示加固钢部件安装在桥墩上用于维修或加固图1A所示桥梁的状态的透视图，图1C是表示一个新桥墩加装在用于支承图1A所示桥梁的桥墩旁边的状态的透视图；

图2A表示上部结构安装在桥墩组上的状态，图2B表示一个桥墩顶部受损的状态。

图3A、3B、3C、3D和3E是顺序表示根据本发明的维修或加固系统的利用加压装置产生的反作用力维修或加固已有结构的工程示意图；

图4A是维修或加固前的已有传统结构的侧视图，图4B和4C是表示用已有结构本身作为压力承受体，已有结构被抬起后维修或加固工作完成状态的平面图和前视图；

图5A，5B和5C是表示用一个单独的框架组件作为压力承受体，已有结构被抬起后维修或加固工作完成状态的平面图、侧视图和前视图。

具体实施方式

图3A到3E表示了在已有结构上实施维修或加固工程的顺序处理步骤，其通过本发明的维修或加固系统把结构支承装置，例如钢桩压接入地基。

图3A表示结构支承装置300例如为钢桩，相对于压力承受体200，例如为已有结构自身或者单独的框架组件，安装在地基500上，以及加压装置400，例如为液压千斤顶，安装在压力承受体200和结构支承装置300之间的状态。

压力承受体200可以是已有结构自身，或者是包括由工字钢构成的承压部件、支承部件和锚定部件构成的单独的框架组件，随后会对其进行说明。压力承受体200承受来自下述加压装置400施加的压力，并把加压装置400的反作用力施加于连接在那里的结构支承装置300上，所以结构支承装置能够以无噪音、无振动的方式压入地基。

在压力承受体200是已有结构自身的情况下，它承受加压装置400施加的最大为其自身固定负载的压力，其中的反作用力转移到了结构支承装置300上。另外，在已有结构自身不能作为压力承受体200，就是说，由于其结构模式、位置或者材料的原因，已有结构不适合承受来自加压装置的压力的情况下，则安装一个单独的框架组件700作为压力承受体，如图5C所示。框架组件700最好由尽可能少的部件组成，并能基于加压装置产生预定的反作用力，从而缩减安装成本并有利于其拆卸工作。

普通的液压千斤顶或普通千斤顶能用作加压装置400，它的种类、负载能力和驱动方法可以依据施工场地状况或者结构支承装置的规格而定。加压装置400最终施加压力于压力承受体200上，产生反作用力施加于结构支承装置300。当用液压千斤顶或一般千斤顶作为加压装置400时，单独的承压板600(或垫板)装于其上使一恒定压力施加于压力承受体200上。一个加强顶板安装在加压装置400的低端，接触结构支承装置300的上端。这样，可以防止加压装置400的反作用力对结构支承装置300造成局部损坏，反作用力能被均一地转移到结构支承装置300上。

任何能被加压装置压入地基的有实体和强度的部件，例如钢桩、PHC桩或者复合碳化纤维部件，都能用作结构支承装置300，可考虑建造地点的条件，例如，可依据建造地点是否在海上、陆地或者盐碱地上，以及建筑环境而选择使用。结构支承装置300通过加压装置400压入地基500，最终起到支承和加固已有结构的作用。然而，基于维修或加固已有结构的目的，由于可能受到已有结构建筑场地的限制，重量轻的容易连接的结构体更适宜用作结构支承装置300。特别是可以使用由钢桩或玻璃纤维复合材料构成的连接结构体。

压入结构支承装置的地基500的结构由已有结构所在场地的土质而定。本发明中，当地基500的结构能够使结构支承装置压入其中并在地基500中含有预定的刚性承压层L，例如砂砾层或岩基层，结构支承装置便能靠其获得预定的土壤承压力，有效的发挥作用。

图3B表示驱动液压千斤顶，使液压千斤顶中的圆柱体伸长预定的长度H1而在压力承受体200上施加预定的压力，从而通过圆柱体伸长的长度，利用加压装置400的反作用力使得压力支承体300压入地基500中的状态。

图3C表示为了更进一步压入结构支承装置300，在加压装置上安装了一个承压板(或垫板)的状态，在这种状态下，液压千斤顶中的圆柱体，即伸长了的加压装置400，回复到了它的原始位置。

图3D表示结构支承装置300的另一种压合状态。在图3C所示的承压板600的高度被压入地基500中的情况下，再驱动作为加压装置400的液压千斤顶，使液压千斤顶的圆柱体伸长。然后，加压装置400的所加压力通过承压板600转移到压力承受体200上，其反作用力也通过承压板转移到结构支承装置300上。这样，结构支承装置300被液压千斤顶新伸长的长度H2进一步压入地基500中。在考虑作为加压装置400的液压千斤顶的最大伸长长度，以及液压千斤顶的承重能力和尺寸后，确定承压板600的直径、高度、和材质。承压板600可以是制造结构支承桩剩下的部分，或者单独制造。

图3E表示承压板600继续增长预定的长度使结构支承装置300进一步压入地基500中，液压千斤顶伸长的圆柱体回复到其原始位置的状态。结构支承装置能够通过继续增加承压板600的长度而不断的压入地基中预定的深度，而无需改变液压千斤顶的规格。如果承压板600的长度继续增加，结构支承装置也增长直到结构支承装置达到预定的刚性承压层，更确切地说是岩基层L。在这种情况下，因为预定的刚性承压层L的所在位置的关系，结构支承装置无法通过液压千斤顶的圆柱体的伸长而进一步压入地基。从这时起，进一步伸长液压千斤顶的圆柱体将使结构支承装置300举起下沉的已有结构，更确切地说是压力承受体。当已有结构被举起，直到最后的下沉被恢复后，已有结构和结构支承装置达到动态平衡。此时，对需要进行维修或加固工作的已有结构的部分，可以进行维修或加固工作了。在已有结构充当的压力承受体200或者单独的框架组件的维修或加固完成前，压入地基500并与加压装置400和承压板600压接的结构支承装置300能随时安装或拆卸。

现在参照图4和5对本发明的最佳实方式进行说明。

安装例1：利用已有结构作为压力承受体构建要进行维修或加固的部分

图4A、4B和4C是已有结构被举起前的侧视图、表示被结构支承装置固定的已有结构的上部结构被本发明的维修或加固系统利用加压装置的反作用力举起状态的俯视图。

换言之，当结构支承装置300，例如是可连接的钢桩等，安装在离桥墩20预定距离的地方，加压装置400a、400b安装在结构支承装置300上和随后安装承压板600后，结构支承装置300便能够以无噪音、无振动的方式压入地基达到预定的刚性承压层L，例如为能够获得容许的土壤承压力的承压层。如果结构支承装置300低部的插入端往下压入到预定的刚性承压层L，下陷的上部结构就能随着加压装置400a例如为液压千斤顶的驱动而被举起，从而获得最终的抬升高度(图4C中的H3)。其后，结构支承装置300使预定的刚性承压层承受起上部结构的负载。这样，上部结构就不会再发生下沉或沉落。在例1中，已有结构自身，尤其是渠道作为上部结构时，作为压力承受体200被加压装置施加压力。由于上部结构安装在开阔空间里，其它的建造工程就受到较少的相关阻碍，加压装置所加压力的反作用力能够通过上部结构的固定重量而获得。当不能利用上部结构的固定重量时，安装一个单独的压力承受体，即为框架组件700，在例2中将对其进行说明。

考虑到结构支承装置300的长度，利用普通千斤顶作为加压装置400b，而不用液压千斤顶400a。换句话说，如果结构支承装置300的长度短于压入至预定刚性承压层的需要，能够使用多个承压板600或者把几个结构支承装置连接起来。普通千斤顶400b能够通过转把410b而伸长，如果有这样的转把的话。当利用伸长的普通千斤顶400b产生的压力及其反作用力把结构支承装置压入地基时，便可获得预定的地基土壤承压力。

因此，在可连接的钢桩用作结构支承装置300的情况下，液压千斤顶400a或者普通千斤顶400b能够用作依照结构支承装置300的长度进行调整的加压装置。上部结构被举起后，安装在上部结构连接部位的桥墩的支承体和顶部被维修或替换而结构支承装置300、加压装置400a、400b和承压板不会受损。在上部结构的下沉不是由于地基的土壤承压力不足而是由于桥墩和支承体的顶部简单受损而造成的情况下，先抬升起上部结构然后维修或加固桥墩的顶部或其它受损部位。然后，结构支承装置、加压装置和承压板可以拆卸反复利用。结构支承装置的安装位置和数量可以按需要而调整，如图4B所示的四个结构支承装置安装在桥墩的附近。

安装例2：利用单独的框架组件作为压力承受体构建用于维修或加固的目标部分。

不同于例1，如果已有结构自身不能用作结构支承装置，单独的框架组件700在邻近压力承受体200的目标部分安装。结构支承装置300利用框架组件700与加压装置400相同的方式产生的反作用力压入地基500。这里，结构支承装置300穿过已有地基结构800例如为混凝土底板或者混凝土地基而压入地基500中。然后，压入最终深度的结构支承装置300和地基结构800整合在了一起，从而来维修或加固的地基的土壤承压力不足的已有地基结构。

图5A、5B和5C为表示利用单独的框架组件700作为压力承受体的状态的俯视图、侧视图和前视图，结构支承装置300通过预先在地基结构800上钻取的孔洞810压入已有地基结构800中，作为加压装置400的液压千斤顶安装在结构支承装置300上，当液压千斤顶的圆柱体伸长时结构支承装置300通过钻孔810压入地基结构800下的地基500中。

结构支承装置700是一个安装在已有地基结构800的钻孔附近的框架组件。如果已有地基结构是预成型的，由于地基结构的高度限制，靠垂直压合构建结构支承装置300相当困难。最重要的是，在地基结构作为压力支承体存在结构问题的情况下，安装一个压力承受体，更确切地说为本发明的框架组件700，是必需的。特别是当混凝土桩或钢桩已经在建造好的建筑结构中被无意漏掉，有违了最初的设计，在最初的设计中混凝土或钢桩是设计为靠预定的位于地基结构下面的刚性承压层获得支承的，这种情况下就出现了一些问题。然而，通常，没有常规的方法能解决加造钢桩的设备运送，以及与已完成建造的已有结构有关的建造困难等问题。另一方面，依照本发明，必需的钢桩能容易安装在地基结构的下部，安装的钢桩会随着最终完工而和地基结构整合为一体，因此可以获得附加地基承压力。

下面对作为压力承受体的框架组件700进行详细描述。框架组件700包括部件710a和710b，它们离已有桥墩的地基或地基结构有预定距离并基于加压装置400承受压力。每一个支承部件720的一端支承于承压部件，另一端支承于已有地基结构上；锚定部件730在各支承部件720之间，一端固定于已有地基或底板结构，另一端固定于承压部件。

如图5A所示，承压部件710a和710b设置于距已有地基结构800预定的高度上并被支承部件720支承。足够坚固的工字钢基于液压千斤顶获得反作用力，能够使结构支承装置压入地基结构下的地基的工字钢能用作承压部件。另外的结构部件也能用作承压部件。可以安装以箭头A表示的水平方向放置的承压部件710a。

作为承压部件710b的工字钢按照箭头B所示的垂直方向安装，横跨在两个水平放置的承压部件之间，使得它承受来自安装在结构支承装置300上的加压装置400的压力。

按A和B方向交叉安装的承压部件710a、710b，例如为工字钢，依靠各个拉紧部件固定于已有地基结构800。如果承压部件710a、710b受到安装于结构支承装置300之上的加压装置400，例如为液压千斤顶，的伸长所产生的向上的压力，承压部件710a、710b在压力作用下趋向于受到限定。然而，如果承压部件710a、710b不受到限定，反作用力就不能作用于结构支承装置300上。因此，需要限定承压部件710a、710b。在本发明中，作为这种限定装置，以A方向安装的承压部件710a的下端利用作为拉紧部件的锚定部件730，例如为钢条、钢筋或钢绞线，固定于已有地基部件800上，锚定部件的上端利用锚固螺帽740固定于承压部件710a上。换言之，之前在地基结构上钻取一个足以使锚定部件730插入其中的孔洞，锚定部件730插入该孔洞后，填充例如为灰泥的填充物进行固定。在这种状态下，锚定部件730的上端向上穿透承压部件710a，锚固螺帽740紧固于承压部件710a的上端。然后，承压部件710a通过锚定部件730牢牢地紧固于已有墩基或地基结构，锚定部件730充当拉紧部件。此时，多个千斤顶721安装在按A方向设置的两个承压部件710a下，承压部件710a在其整个长度上可以通过各千斤顶721的转把进行有效的调整。

如图5A和5B所示，在安装了承压部件710a、710b、支承部件720和锚定部件730的状态下，承压板600、加压装置400和结构支承装置300安装在以B方向安装的承压部件710b中部的下方。如俯视图和前视图所示，结构支承装置300的一端被压入具有钻孔810的已有地基结构800中，加压装置400，例如为液压千斤顶，安装在它上面，液压千斤顶被伸长使得结构支承装置300被液压千斤顶伸长的长度以无噪音、无振动的方式压接入位于已有墩基或地基结构800下面的地基500中。然后，为了使结构支承装置300压入到预定的刚性承压层，承压板600安装在作为加压装置400的液压千斤顶上。在这种状态下，连续的驱动液压千斤顶使结构支承装置300最终被压接到预定的刚性承压层。

关于结构支承装置300，如果其长度超过预定水平，由于框架组件的安装位置或者结构支承装置300高度限制的原因，把它运到建造地点是困难的。为了解决这个困难，在获得尽量长的结构支承装置以减少连接节数的前提下，将多个结构支承装置相互连接在一起压入地基中。

工业实用性

依照本发明，由于结构支承装置是利用加压装置例如为液压千斤顶或普通千斤顶构建的，无噪音、无振动的建造工程就成为可能，因此容易维修或加固已有结构而不会造成任何有害的环境影响。再者，由于施工困难例如需要运送用于建造结构支承装置的大型设备的问题得到解决，结构支承装置的维修或加固工程可以不顾建造地点而完成。当结构支承装置作为永久结构存在时，已有结构的维修或加固效果能被显著地增强。再者，依照本发明，连接结构体用作结构支承装置。这样，在需要由不同材料构成的结构支承装置的连接结构时，例如为陆上和海上结构的情况下，可以在建造已有结构后利用先进的增强设施，或者利用更高效的结构支承装置。依照本发明的维修或加固系统能够方便的用作测试地基承载极限的土地承载试验设备。

本发明包括结构支承装置、加压装置和压力承受体，它们是本发明的技术特征，当然，在本发明的技术范围内实施包括利用加压装置的反作用力把结构支承装置压入地基的技术是可能的。

Claims (9)

1.一种利用加压装置的反作用力维修或加固已有结构的系统，其特征是包括：

含有孔洞的已有地基结构的地基；

单独安装在目标部位附近用于维修或加固已有结构的压力承受体或者已有结构自身，该单独安装的压力承受体为框架组件，包括：安装在已有地基结构之上预定距离，承受加压装置的压力的承压部件；一端支承于承压部件，另一端支承于已有地基结构的支承部件；以及一端固定于已有地基结构，另一端固定于承压部件的锚定部件，该锚定部件装配于各个支承部件之间；

位于地基和压力承受体之间用于支承已有结构的结构支承装置；以及

在一端支承在结构支承装置的上端的状态下，往压力承受体上施加人为压力，利用施加压力方向的反方向上的反作用力把结构支承装置压入地基的加压装置。

2.根据权利要求1所述的维修或加固系统，其特征是进一步在各个支承部件和已有地基结构之间安装千斤顶并受到驱动使支承部件随着支承部件伸长向上加压于承压部件，利用锚定部件限定于已有地基结构的承压部件与支承部件一起被千斤顶的反作用力紧紧的固定于已有地基结构上。

3.根据权利要求1所述的维修或加固系统，其特征是锚定部件固定于承压部件上，每一个锚定部件插入已有地基结构上为锚定部件钻取的孔洞中，随后填入填充材料进行固定，锚定部件的另一端向上穿透承压部件，用锚固螺帽紧固。

4.根据权利要求1所述的维修或加固系统，其特征是加压装置包括液压千斤顶或普通千斤顶，结构支承装置被不断地压入地基中，通过在加压装置上部嵌入承压板和连续地驱动加压装置获得预定的高度。

5.一种利用加压装置的反作用力维修或加固已有结构的方法，其特征是包括：

邻近已有结构安装框架组件；

在已有地基结构上形成一个孔洞接触地基并把结构支承装置插入该孔洞，该结构支承装置距离框架组件预定的距离；

在结构支承装置的上部和已有结构之间安装加压装置，驱动加压装置，依靠加压装置的伸长加压于已有结构产生的反作用力使结构支承装置被压入地基中；以及

结构支承装置和已有结构整合在一块，当结构支承装置不断的压入地基中达到预定的深度以致于支承起已有结构时完成必要的维修或加固工程，框架组件是由压力装置的反作用力所产生的压力承受体。

6.根据权利要求5所述的维修或加固方法，其特征是框架组件包括安装于已有地基结构之上预定距离并承受加压装置压力的承压部件，各有一端支承于承压部件、另一端支承于已有地基结构的支承部件，以及各有一端固定于已有地基结构、另一端固定于承压部件的锚定部件。

7.根据权利要求6所述的维修或加固方法，其特征是普通千斤顶进一步安装在每个支承部件和已有地基结构之间并受到驱动，使支承部件随着长度加长向上施加压力于承压部件，被锚定部件限定于已有地基结构的承压部件通过普通千斤顶的反作用力与支承部件一起紧固于已有地基结构。

8.根据权利要求6所述的维修或加固方法，其特征是锚定部件固定于承压部件并使每一个锚定部件的一端插入已有地基结构上为锚定部件准备的孔洞里，通过填入填充材料进行固定，锚定部件的另一端向上穿透承压部件，用锚固螺帽紧固。

9.根据权利要求6所述的维修或加固方法，其特征是加压装置包括液压千斤顶或普通千斤顶，结构支承装置通过插入加压装置上部的承压板和不断的驱动加压装置产出的预定长度不断地被压入地基中。

Images