古建筑平移中托換梁承載力測試技術(shù)的應(yīng)用

□文/楊 勇 陳志偉 盧士鵬 李林安

□陳志偉/天津大學。

□盧士鵬/天津城建集團有限公司工程總承包公司。

□李林安/天津大學。

古建筑平移中托換梁承載力測試技術(shù)的應(yīng)用

□文/楊 勇 陳志偉 盧士鵬 李林安

采用電阻應(yīng)變測試法測量托換梁的不同點剪力，通過剪力差來確定托換梁實際承載力的技術(shù)。將該技術(shù)用于天津西站主站樓的平移頂升施工，在工程施工過程中監(jiān)測了托換梁承載力及其變化。

天津西站；主站樓；托換梁；承載力；應(yīng)變測試；平移

我國有數(shù)量眾多的古建筑 (包括歷史風貌建筑)，古建筑是我們國家和民族的文化遺產(chǎn)，也是國家和民族歷史傳統(tǒng)的一種載體。伴隨著社會現(xiàn)代化建設(shè)以及古建筑本身的保護，需要一些古建筑整體平移或者頂升。但古建筑結(jié)構(gòu)材料通常以磚、瓦、木為主，歷史資料不全、病害程度不清、材料性能差異大是其基本特點，在平移或者頂升施工過程中稍有不周，很容易損毀古建筑，造成巨大的物質(zhì)和文化損失，因此對古建筑平移或者頂升技術(shù)的設(shè)計、實施要求很高，要有充分的受力、變形和振動監(jiān)測保證結(jié)構(gòu)的安全。

對于以磚墻為主要承載結(jié)構(gòu)的古建筑，目前比較成熟的平移或者頂升技術(shù)是在墻的切割部位兩側(cè)制作托換梁，通過摩擦、抬墻梁等在建筑基礎(chǔ)的切割部位對古建筑進行加固，也成為結(jié)構(gòu)整體的托盤和平移的上滑梁[1]。

托換梁與原結(jié)構(gòu)的墻體共同承擔古建筑的重量和其他荷載，因此托換梁的實際承載力與古建筑的安全密切相關(guān)，如果托換梁實際承載力比較小或變形比較大，可能使古建筑產(chǎn)生較大應(yīng)力和變形，但無限提高托換梁的實際承載力，會加大工程成本，因此必須把握托換梁實際承載力。由于古建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性、載荷的復(fù)雜性和支撐條件的易變性，理論分析托換梁的實際承載力有很大誤差，必須進行相關(guān)的測量。盡管我國已進行了許多古建筑的平移或者頂升施工[1～4]，但還未見到測試托換梁實際承載力的報道。

本文探討通過電阻應(yīng)變測試法測量托換梁不同點剪力，通過剪力差來確定托換梁的實際承載力的方法。將該技術(shù)應(yīng)用于天津西站主站樓的平移和頂升工程中。

1 托換梁實際承載力測試原理

1.1 托換梁實際承載力與剪力的關(guān)系

托換梁是與墻體、抬墻梁等連接在一起的，受力模型見圖1。

假設(shè)結(jié)構(gòu)上部傳來的載荷有分布力q和集中力Fi；抬墻梁傳來的剪力為Q3，在所取段的端部；主站樓墻體的彎矩、剪力分別為M21、M22、Q21、Q22；托換梁的彎矩、剪力分別為M11、M12、Q11、Q12。根據(jù)豎向力平衡原理有

基于同樣的原理，不管墻體、抬墻梁傳下來的力如何分布，也不管是集中力還是分布力，托換梁本身的受力可以按式（2）計算

因此一段托換梁上的剪力差就是其受力的大小，如果能測量到剪力的分布，自然就可以計算出托換梁的實際承載力。但正如圖1表達的一樣，托換梁不僅外力復(fù)雜，內(nèi)力也還有彎矩M11、M12的作用，要測量剪力，必須消除彎矩的影響。

1.2 托換梁剪力的測試

托換梁外貼于墻體，見圖2。

托換梁

圖2 托換梁與墻體的連接

因此可以認為墻體只起傳遞載荷的作用，于是假設(shè)托換梁的中性軸沒有變化，這時托換梁中性軸任一點的切應(yīng)力只與剪力有關(guān)，大小為[5]

式中：Q表示截面的剪力；b表示截面的寬度，IZ表示整個截面對Z軸的慣性矩；表示中性軸一側(cè)截面對中性軸Z軸的靜矩。

對于托換梁通常采用的矩形截面（高度為h、寬度為b），公式（3）可以簡化為

如果能測得切應(yīng)力τ，則Q為

電阻應(yīng)變法可以測量切應(yīng)力τ，要求與托換梁中性軸成45°方向布置應(yīng)變片，見圖3。

此時應(yīng)變片的測得應(yīng)變?yōu)?/p>

式中：E表示托換梁的彈性模量。實際測量中，為了提高測試精度和消除溫度帶來的影響，通常采用半橋或全橋的應(yīng)變片布置方式，見圖4。

與中性軸成45°的兩個方向上垂直布置2個或4個應(yīng)變片，按圖5電路連接為半橋或全橋電路。

所測得的讀數(shù)應(yīng)變分別為

綜合以上各式，可以得到對于矩形截面的托換梁，測試的剪力與儀器讀數(shù)應(yīng)變間的關(guān)系為

式中：K=2表示采用半橋電路，K=4表示采用全橋電路。

如果按以上方法測得托換梁相距d兩點的剪力Q11、Q22，則可以按（2）式計算其實際受力，也可以大致計算其等效分布力的大小

2 托換梁實際承載力測試的應(yīng)用

2.1 工程背景

磚墻多為500mm厚，也有部分石頭結(jié)構(gòu)，頂部為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，有一定程度的損壞。工程遷移距離長，面積大，受力體系多次轉(zhuǎn)換，還要通過天津地鐵站隧道，因此對遷移技術(shù)和施工提出了很高要求。最后采用了在主站樓墻的切割部位兩側(cè)制作托換梁的方式，然后在施工各個階段監(jiān)測托換梁的承載力變化情況。

2.2 測試結(jié)果

托換梁采用強度等級為C30的鋼筋混凝土，結(jié)構(gòu)和測點見圖6。

托換梁剪力測點為托換梁側(cè)面距離穿墻梁0.45m的位置，托換梁截面尺寸為0.35m×0.9m。

本次施工主要有以下工況：

1）主站樓載荷到托換平移梁上；

2)主站樓南北方向水平移動施工，共移動135m；

3)主站樓東西方向水平移動施工，共移動40m；

4)主站樓分2階段頂升施工，其中第1階段頂升行程為1.6m，第2階段頂升行程為1.3m，共頂升2.9 m。

以HJ1和HJ2為例，測試結(jié)果見表1。

還可以動態(tài)監(jiān)測剪力的變化。圖7表示HJ2測點在某日東西向平移時一個行程的剪力隨時間變化曲線。

3 結(jié)論

1）本文基于測量剪力原理介紹了一種測量托換梁的實際承載力的理論核電阻應(yīng)變測量方法并付諸工程實踐。

2）監(jiān)測了天津西站主站樓的平移和頂升工程中托換梁實際承載力，取得了很好的效果。

3）托換梁在托換階段有較大的承載力，達到140 kN以上，而在南北方向平移階段和東西方向平移階段變化比較小，約3kN左右，但在頂升階段，又有較大變化，達11kN以上?？傮w沒有很大的應(yīng)力，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

[1]吳定安.上海音樂廳頂升和平移工程的液壓同步系統(tǒng)[J].液壓氣動與密封，2004，（1）：24-26.

[2]鄭華奇，藍戊己.劉長勝故居整體平移工程的設(shè)計與施工[J].建筑技術(shù)，2003，（3）：414-416.

[3]吳正菊.保護文物平移頂升及旋轉(zhuǎn)——大華清水灣老建筑物整體保護平移工程[J].城市道橋與防洪，2009，（8）：234-234.

[4]張任杰.保護文物平移及頂升——北京記協(xié)樓整體平移頂升工程[J].城市道橋與防洪，2009，（2）：70-71.

[5]劉 明，蔣連接，李富民.建筑物整體平移現(xiàn)場監(jiān)測[J].徐州工程學院學報，2008，23（2）：24-28.

[6]蘇翼林，王燕群，趙志崗，等.材料力學[M].1版.天津：天津大學出版社，2001.

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1008-3197（2011）02-05-03

2011-02-21

楊 勇/男，1981年出生，工程師，天津城建集團天演建筑物頂升移位工程有限公司主任工程師，從事建筑物頂升移位技術(shù)研究工作。

□陳志偉/天津大學。

□盧士鵬/天津城建集團有限公司工程總承包公司。

□李林安/天津大學。