某建筑物平移工程頂推動(dòng)力影響因素研究

戴占彪，李旭光，郝雨杭

（1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；2.河北建研科技有限公司，石家莊 050021）

某建筑物平移工程頂推動(dòng)力影響因素研究

戴占彪1，2，李旭光2，郝雨杭2

（1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；2.河北建研科技有限公司，石家莊 050021）

以某辦公樓平移工程為例，對(duì)建筑物平移工程中首次頂推動(dòng)力大于之后的頂推動(dòng)力的原因進(jìn)行了探究和分析，得出了首次頂推力會(huì)在建筑物上部產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，對(duì)建筑物安全有一定影響的結(jié)論；通過(guò)對(duì)影響因素的分析，得出首次頂推動(dòng)力數(shù)值的大小與粘結(jié)力的大小、下軌道梁鋼板上雜質(zhì)是否清除干凈、滾軸和鋼板的變形、下軌道梁的變形等因素有關(guān)，并給出了減小首次頂推動(dòng)力的解決措施。

首次頂推動(dòng)力； 粘結(jié)力； 變形； 平移工程

隨著建筑物平移工程的不斷增多，建筑物整體平移技術(shù)也越來(lái)越成熟。建筑物平移過(guò)程中頂推動(dòng)力數(shù)值的大小是平移工程的關(guān)鍵所在，首次頂推力尤為重要。根據(jù)筆者多年的平移施工經(jīng)驗(yàn)，首次頂推力的大小約為以后頂推力的2～3倍，而迄今為止對(duì)平移工程中頂推力研究較少，1992年解放軍后勤工程學(xué)院通過(guò)平移模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)牽引力進(jìn)行了研究［1］；2005年中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研究了三種不同材料滾軸的滾動(dòng)摩擦系數(shù)、彈性恢復(fù)力［2］；山東建筑大學(xué)通過(guò)試驗(yàn)定量地分析了滾軸直徑和建筑物自重與啟動(dòng)牽引力F的關(guān)系，得出滾動(dòng)式平移牽引力的計(jì)算公式［3］，但是建筑物平移過(guò)程中的首次頂推力研究還是空缺。該文對(duì)造成首次頂推力較大的原因進(jìn)行了探究，并對(duì)減小首次頂推力提出了建議和解決方案。

1 工程概況

某單位辦公樓為一座4層建筑物，因?yàn)檎w規(guī)劃需要對(duì)其由北向南整體平移30m。該建筑物建于1988年，東西長(zhǎng)47.1m，南北寬7.2m，為4層磚混結(jié)構(gòu)，條形基礎(chǔ)。平移場(chǎng)區(qū)東西長(zhǎng)47.1m，南北寬30.0m，如圖1所示。

2 工程現(xiàn)場(chǎng)牽引力測(cè)試

辦公樓經(jīng)加固完成后，上部結(jié)構(gòu)總重量為24 245kN，該平移工程采用滾動(dòng)式平移方式，滾軸直徑采用60mm的實(shí)心鋼滾軸，滾軸長(zhǎng)度為250mm，間距為200mm。在該辦公樓的平移工程中，根據(jù)建筑物平移所處的不同位置分別測(cè)試了牽引力與建筑物移動(dòng)位移的具體數(shù)值，圖2所示為建筑物不同平移位置下牽引力與移動(dòng)位移關(guān)系曲線。

曲線Ⅰ為建筑物首次平移啟動(dòng)時(shí)，牽引力與移動(dòng)位移的關(guān)系曲線；曲線Ⅱ?yàn)榻ㄖ锞嚯x原址3.6m時(shí)開始平移，牽引力與移動(dòng)位移的關(guān)系曲線；曲線Ⅲ為建筑物距離原址10m時(shí)開始平移，牽引力與移動(dòng)位移的關(guān)系曲線；曲線Ⅳ為建筑物距離原址22m時(shí)開始平移，牽引力與移動(dòng)位移的關(guān)系曲線。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，建筑物平移時(shí)啟動(dòng)牽引力要大于平移過(guò)程中的牽引力，前者約為后者1.2倍。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以啟動(dòng)時(shí)的牽引力作為控制值。該辦公樓平移時(shí)首次啟動(dòng)頂推力數(shù)值為576kN，建筑物平移一段距離后啟動(dòng)頂推力為200kN左右，建筑物平移中首次頂推力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于之后的頂推力，首次頂推力大約為以后頂推力的2.88倍，由此可見，首次頂推力大小的控制是平移工程中設(shè)計(jì)和施工的一個(gè)重要控制因素。

建筑物由靜止?fàn)顟B(tài)到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將產(chǎn)生一個(gè)加速度，該加速度會(huì)對(duì)房屋上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)剪應(yīng)力，導(dǎo)致房屋前后傾斜、搖擺。對(duì)磚混結(jié)構(gòu)房屋，抗剪能力較差，如果加速度過(guò)大，一方面可能因此而產(chǎn)生的剪應(yīng)力超過(guò)房屋的抗剪能力，導(dǎo)致房屋出現(xiàn)水平裂縫，降低房屋的整體性和可用性；另一方面可能導(dǎo)致房屋前后傾塌，使平移失敗。該加速度主要由頂推力控制，由圖2可以發(fā)現(xiàn)，在所有的加速度中，以首次頂推力產(chǎn)生的加速度為最大，因此探究造成首次頂推力增大的原因以及如何減小頂推力具有很重要的意義。

3 頂推動(dòng)力影響因素分析

建筑物平移過(guò)程中，頂推力數(shù)值的大小與粘結(jié)力的大小、下軌道梁鋼板上雜質(zhì)是否清除干凈、滾軸和鋼板的變形、下軌道梁的變形等因素有關(guān)。

3.1 粘結(jié)力因素

該辦公樓為4層砌體結(jié)構(gòu)，墻體的托換方式是雙梁式墻體托換方法，即在墻的兩側(cè)加上托梁，將荷載通過(guò)雙加梁的拉結(jié)作用傳遞給滾軸與下軌道梁，形成受力體系的轉(zhuǎn)換，如圖3所示。

從圖3可以看到，托梁將上部結(jié)構(gòu)荷載通過(guò)位于梁底均勻布置的滾軸傳到下軌道梁上，托換梁從受力上相當(dāng)于受到了均布荷載的倒置連續(xù)梁，兩個(gè)上托換梁通過(guò)聯(lián)系梁形成整體，增加了建筑物托換結(jié)構(gòu)的整體性和剛度。施工時(shí)采用由下至上的順序依次施工，通過(guò)下軌道梁－滾軸－托換梁的順序完成了砌體墻體的托換，最后采用切割技術(shù)，將上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)進(jìn)行分離，即將滾軸與滾軸之間的墻體通過(guò)切割分離開來(lái)。大多數(shù)建筑物平移工程采用人工鑿斷、風(fēng)鎬、氣割鑿斷等技術(shù)，該工程中采用風(fēng)鎬技術(shù)進(jìn)行切割，通過(guò)滾軸與滾軸之間的間隙將墻體與基礎(chǔ)分割，形成一條肉眼可見的空隙，從而形成上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的分離。通過(guò)風(fēng)鎬切割技術(shù)形成的切割面并不是完全平面，而是不平整的面，如圖4所示。

在圖4中，將墻體下部切割放大后可以發(fā)現(xiàn)，其切割面并不平整，處于一個(gè)凹凸不平的面，當(dāng)B點(diǎn)通過(guò)平移運(yùn)動(dòng)到A點(diǎn)位置時(shí)，將會(huì)發(fā)生咬合現(xiàn)象，A點(diǎn)會(huì)對(duì)B點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)阻礙上部結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的阻力，這種阻力稱為粘結(jié)力。在首次平移時(shí)粘結(jié)力會(huì)發(fā)生在凹凸處，隨著平移的進(jìn)行切割面處將會(huì)逐漸趨于平整，直至這種粘結(jié)力消失。在此過(guò)程中，頂推力隨著粘結(jié)力的消失而逐漸變小。

3.2 雜質(zhì)因素

在建筑物平移過(guò)程中，如果下軌道鋼板上存在混凝土碎屑和砌體碎屑等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會(huì)大大增加滾軸在平移過(guò)程中的摩擦系數(shù)，從而增大摩擦阻力。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)分別對(duì)工程塑料合金滾軸、鋼管混凝土滾軸和鋼管聚合物滾軸在光滑鋼板面和有混凝土碎屑鋼板面上滾動(dòng)摩擦系數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，如表1所示。

表1 滾動(dòng)摩擦系數(shù)

從表1可以發(fā)現(xiàn)，3種不同的滾軸在有混凝土碎屑鋼板面的滾動(dòng)摩擦系數(shù)大約是光滑鋼板面的滾動(dòng)摩擦系數(shù)的2倍左右，因此下軌道鋼板的表面是否有雜質(zhì)是影響牽引力數(shù)值大小的一個(gè)重要因素。在建筑物平移之前，雖然可以通過(guò)預(yù)先清理下軌道鋼板減少碎屑降低滾動(dòng)摩擦系數(shù)，但是在建筑物平移過(guò)程中，滾軸內(nèi)側(cè)的碎屑一般人工不易清除干凈，這就在一定程度上增大了首次頂推力的數(shù)值。同時(shí)，在建筑物首次平移過(guò)程中，切割面會(huì)在平移過(guò)程中產(chǎn)生大量的碎屑，這些碎屑分布在下軌道鋼板表面，在平移過(guò)程中增大了動(dòng)摩擦系數(shù)。在平移一段距離后，鋼板上的碎屑已經(jīng)可以通過(guò)人為手段清除干凈，并且切割面上已經(jīng)不再產(chǎn)生碎屑，這時(shí)動(dòng)摩擦系數(shù)已經(jīng)減小，此時(shí)建筑物平移時(shí)的頂推力也大大降低。

3.3 滾軸和鋼板的變形

建筑物在平移前，由于長(zhǎng)時(shí)間靜止放置，上部結(jié)構(gòu)荷載通過(guò)滾軸傳遞給下軌道及其鋼板，因此滾軸和下軌道鋼板都將會(huì)產(chǎn)生變形。然而建筑物平移工程中需要滾軸和鋼板擁有一定的變形能力，這是由于軌道平整度誤差會(huì)導(dǎo)致滾軸受力不均勻，如滾軸選擇不當(dāng)將會(huì)引起上部結(jié)構(gòu)的開裂，因此滾軸和軌道應(yīng)有一定的變形能力，使軌道均勻受力。平移前滾軸和鋼板的變形如圖5所示。

通過(guò)圖5可以發(fā)現(xiàn)，建筑物長(zhǎng)時(shí)間靜止放置會(huì)導(dǎo)致滾軸和鋼板的共同變形，鋼板在滾軸的作用下向兩邊凸起，而滾軸在鋼板的作用下會(huì)趨于橢球形，這兩方面的變形會(huì)導(dǎo)致建筑物在首次平移時(shí)，頂推力需要克服的不再是純滾動(dòng)摩擦，而是一部分滑動(dòng)摩擦和一部分滾動(dòng)摩擦，滾軸與鋼板接觸的部分與鋼板之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，滾軸與鋼板的摩擦力為滑動(dòng)摩擦力和滾動(dòng)摩擦阻力矩的合力，這時(shí)候滾軸與鋼板的變形已經(jīng)屬于典型的赫茲接觸。鋼板與滾軸的接觸面形成相對(duì)滾軸的凸起，支持力的水平分力阻礙平動(dòng)，豎直分力阻礙轉(zhuǎn)動(dòng)滾動(dòng)摩擦。隨著建筑物的平移，滾軸與鋼板具有彈性恢復(fù)力，均恢復(fù)為正常形態(tài)，此時(shí)平移過(guò)程又恢復(fù)為滾動(dòng)摩擦，此時(shí)阻力相對(duì)首次啟動(dòng)時(shí)的阻力較小，頂推力相對(duì)首次啟動(dòng)時(shí)的牽引力也較小。

3.4 下軌道梁的變形因素

在建筑物托換過(guò)程中，建筑物下部的托換結(jié)構(gòu)是分批次分段進(jìn)行托換的。通常托換施工時(shí)相鄰墻體不得同時(shí)托換，前一段托換混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%以上時(shí)，才可以進(jìn)行下一步施工。該辦公樓的墻體托換施工順序如圖6所示。

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，縱墻的施工順序由南向北依次順序托換施工，橫墻采用間隔施工順序依次托換，由于托換順序的不同，造成了托換結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)施加的作用力各不相同，托換結(jié)構(gòu)越早對(duì)基礎(chǔ)作用的時(shí)間越長(zhǎng)，下軌道梁沉陷量越大。同時(shí)，對(duì)于同一片墻體，其托換也并不是同時(shí)施工托換，從圖3可以發(fā)現(xiàn)，托換時(shí)先對(duì)右半部分進(jìn)行托換，再對(duì)左半部分進(jìn)行托換，這樣造成在同一片墻體下，由于施工順序的不同下軌道梁的沉降量亦有所不同。于是下軌道梁形成凹凸不平的軌道面，整個(gè)托換順序時(shí)間越長(zhǎng)，建筑物靜置時(shí)間越長(zhǎng)，這種凹凸現(xiàn)象就會(huì)越明顯。軌道的凹凸不平會(huì)造成滾軸的行走平面處于不平行狀態(tài)，導(dǎo)致滾軸無(wú)法均勻受力，造成滾軸在扭曲的狀態(tài)下開始轉(zhuǎn)動(dòng)，這是造成首次頂推力增大的重要原因。

4 解決措施

在建筑物平移工程中，減小頂推力尤其是首次頂推力的數(shù)值可以大大增加平移過(guò)程的整體穩(wěn)定性和安全可靠度。

1）分割上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)時(shí)可以增加切割次數(shù)，保證切割面之間保留足夠的空隙，以避免產(chǎn)生較大的粘結(jié)力。在切割時(shí)宜采用先外后里，先斷鋼筋，后斷混凝土核心區(qū)的斷柱方法，切割的順序、方法、程序均應(yīng)以減小對(duì)原結(jié)構(gòu)的損傷為前提。

2）針對(duì)不同的平移工程，合理選擇滾軸的類型、直徑、間距等因素，合理控制滾軸的變形因素。在平移前，注意保持滾軸擺放位置與下軌道梁相平行，同時(shí)保持下軌道梁上部鋼板與滾軸的干凈。

3）建筑物的托換工程應(yīng)在保證工程質(zhì)量的前提下盡快完成，同時(shí)采用水準(zhǔn)儀法對(duì)軌道進(jìn)行平整度監(jiān)測(cè)，軌道平整度控制應(yīng)包括局部凹凸和軌道坡度。局部凹凸值過(guò)大將導(dǎo)致滾軸受力不均勻，建議局部凹凸控制限值為2mm；軌道坡度將影響平移牽引力的大小并且使上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生傾斜，其限值建議取1／1 000且總值不得超過(guò)5mm。

4）在首次平移時(shí)，嚴(yán)格控制牽引力增加的速率，保持牽引力以較低的速率增長(zhǎng)，以避免建筑物產(chǎn)生突然的啟動(dòng)而造成上部結(jié)構(gòu)的損傷。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)某單位辦公樓平移工程中牽引力的測(cè)試，對(duì)頂推力的影響因素進(jìn)行了分析，得到了以下結(jié)論：

a.對(duì)平移中首次頂推力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于之后頂推力的原因進(jìn)行了分析，得到首次頂推力數(shù)值的大小與粘結(jié)力的大小、鋼板雜質(zhì)是否清除干凈、滾軸和鋼板的變形、下軌道梁的變形等因素有關(guān)。

b.在建筑物的平移工程中，應(yīng)增加切割次數(shù)，合理選擇滾軸的類型和切割的順序，對(duì)軌道平整度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保持滾軸擺放位置，嚴(yán)格控制牽引力增加的速率，通過(guò)以上手段降低建筑物平移過(guò)程中首次頂推力帶來(lái)的負(fù)面影響。

［1］姚國(guó)中，黃自新.房屋整體平移技術(shù)及模擬試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，1995，31（5）：9－10.

［2］袁廣林，袁迎曙.建筑物整體平移中的滾軸及其應(yīng)用研究［J］.四川建筑科學(xué)研究，2006，32（4）：129－131.

［3］夏風(fēng)敏，賈留東，張 鑫，等.建筑物平移牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2006，36（9）：8－10.

Influencing Factors Research of Jacking Force in the Building Translation Project

DAI Zhan－biao1，2，LI Xu－guang2，HAO Yu－h(huán)ang2
（1.College of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Hebei Building Research Engineering Co，Ltd，Shijiazhuang 050021，China）

Based on an office building translation project as an example in this paper，it is analyzed that the first jacking force is greater than the later jacking force in the building translation project.It is concluded that the jacking force for the first time can produce larger shear stress in the upper buildings，which can affect the building’s safety.By the analysis of the influencing factors，it is obtained that the size of the jacking force in the first time is related to the size of the cohesive force，the impurities on the lower track’s steel，the deformation of the rollers，the steel plates and the track beam.It gives some measures to reduce the jacking force for the first time.

the first jacking force； cohesive force； deformation；translation project

10.3963／j.issn.1674－6066.2014.02.023

2014－03－18.

河北省2012科技計(jì)劃項(xiàng)目（12215801D）.

戴占彪（1980－），碩士生，工程師.E－mail：daizhanbiao＠163.com