佛像移位基礎(chǔ)托換關(guān)鍵技術(shù)分析

楊上清　盧文勝　唐　俊

(同濟大學土木工程學院, 上海 200092)

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佛像移位基礎(chǔ)托換關(guān)鍵技術(shù)分析

楊上清盧文勝*唐俊

(同濟大學土木工程學院, 上海 200092)

摘要某寺廟大雄寶殿需移位保護,考慮將內(nèi)部佛像一并移走。目前佛像托換沒有相關(guān)的理論支撐和技術(shù)規(guī)范而成為本工程的難點。分析了佛像做法及結(jié)構(gòu)性能,提出了佛像基礎(chǔ)托換的方法,以及影響托換的主要因素,包括總體控制參數(shù),土體側(cè)移和托換土體尺寸等。通過建立ANSYS有限元模型進行數(shù)值分析,對側(cè)向位移以及土體尺寸的影響進行了探討,最后得到有指導(dǎo)意義的結(jié)論。

關(guān)鍵詞佛像, 基礎(chǔ), 托換技術(shù), 控制參數(shù), 數(shù)值分析

Key Technology of Foundation Underpinning for Buddha Statue Moving

YANG ShangqingLU Wensheng*TANG Jun

(College of Civil Engineering,Tongji University, Shanghai 200092, China)

AbstractThe great Buddha's hall and its Buddha statue in a temple is supposed to be moved for preservation and protection. Buddha statue underpinning is a key technology for this project since there are no theoretical guidance and technical specifications for this aspect. After analyzing components of the Buddha statue, a method of Buddha statue underpinning was proposed, which consider several influencing factors, such as overall parameter, lateral soil movement, and the volume of soil. A finite element model was established to analyze these factors and some useful results were provided.

Keywordsbuddha statue, foundation, underpinning technology, control parameter, numerical analysis

1引言

建筑物移位是指通過一定的技術(shù)手段,在保持建筑物整體性的條件下,改變建筑物的空間位置,包括平移、旋轉(zhuǎn)、抬升、迫降等單項移位或組合移位[1]。建筑物移位最早出現(xiàn)在國外,國內(nèi)的技術(shù)也已發(fā)展成熟,成功的工程案例越來越多[2-3]。

現(xiàn)有的托換移位技術(shù)主要針對具有一定結(jié)構(gòu)性能的建(構(gòu))筑物[4],由于這類建(構(gòu))筑物具有諸如梁、柱等傳力構(gòu)件,因此可以根據(jù)其傳力途徑對主要的受力構(gòu)件進行托換,并與托換主梁進行連接,形成有效托換層,以保證后續(xù)移位就位的安全傳力。

但是,對傳統(tǒng)佛像而言,既沒有可靠的結(jié)構(gòu)體系及持力構(gòu)件,也沒有清晰可靠的傳力途徑,很難按現(xiàn)有技術(shù)規(guī)范進行托換,而且出于保護的要求,不能破壞其外形裝飾?，F(xiàn)有的研究鮮有涉及佛像托換移位,更沒有相關(guān)的托換方法用于指導(dǎo)施工。針對此問題,本文以某古建筑佛像移位工程為背景,根據(jù)已有托換經(jīng)驗,提出佛像托換的方法,并對其關(guān)鍵技術(shù)進行了分析,以期為相關(guān)工程提供借鑒。

2工程介紹

2.1　概況

某寺廟主體結(jié)構(gòu)于1918—1928年建成,其大雄寶殿內(nèi)供奉有三尊大佛(圖1)和二十四諸天。其中三尊大佛的尺寸為2 m×2 m×6 m,二十四諸天的尺寸為11 m×5 m×1.8 m。佛像需要同寺廟一起進行移位保護。

圖1　三尊單體大佛Fig.1　Three giant Buddha

2.2　佛像“結(jié)構(gòu)”

佛像“結(jié)構(gòu)”一般分為內(nèi)部骨架和外部泥塑兩部分。內(nèi)部骨架一般由木骨架、磚瓦、草莖等組成,其主要做法是在形成主心木的基礎(chǔ)上,以釘木條或扎稻草的方式形成順應(yīng)外形的骨架(圖2)。外部泥塑根據(jù)其黏性和可塑性,由內(nèi)至外分別采用粗泥和細泥[5]。佛像所用木材、草莖、泥土的材料參數(shù)如表1所示,從表中可以看出各種材料的密度及強度相差較大,難以給出一個明確的值用于佛像的承載力計算,且各種材料的連接狀態(tài)也不明晰,更增加了評估佛像承載力的難度。同理,在本工程中,佛像無可靠傳力體系,且承載能力不確定,不能對其直接進行托換,轉(zhuǎn)而考慮對其下部的座臺或者基礎(chǔ)進行托換。

圖2　佛像骨架常見做法簡圖Fig.2　Common construction practices of theBuddha statue skeleton

2.3　佛像座臺

佛像座臺可分為特殊座臺和一般的座臺。特殊的座臺主要用于帶有坐騎的佛像,一般的座臺即為普通的蓮花座。座臺從下往上依次可以分為三個部分[6]:①從地面而起的基座,又稱神座,一般由磚石建造; ②基座以上為金剛座,又稱須彌座,其內(nèi)胎可用磚石土木建造,外部輔以神獸、祥云等雕刻;③金剛座以上為蓮花座。上部佛像一般通過骨架插入的方式與下部座臺連接(圖3)。座臺一般由石塊等材料堆砌而成,且無有效連接,難以作為托換對象承受托換移位時的各種荷載,因此,本文認為對其下部基礎(chǔ)進行托換是必然之選,值得進行研究。

圖3　佛像托換簡圖Fig.3　Buddha statue underpinning diagram

表1組成佛像材料參數(shù)

Table 1　Parameters for the Buddhastatue composition

現(xiàn)有的移位工程雖有地基土體的托換,如大型古木[7]以及沉船[8]的移位托換,但缺少明確的托換方法及相關(guān)規(guī)范。因此,本文提出一種針對佛像基礎(chǔ)托換的施工方法,以期為相關(guān)工程提供參考。

3佛像托換方法

3.1　佛像托換方法

綜上所述,佛像無可直接承力體系,下部座臺整體性能很差,本文擬對座臺下部基礎(chǔ)進行整體加固托換(圖3),其主要步驟如圖4所示。

圖4　佛像托換步驟Fig.4　Underpinning steps of buddha statue

3.2　受力模式

在托換的過程中,佛像及托換土體會受到各種荷載的作用(圖5),而這些作用直接影響了佛像及土體的安全性,如何考慮這些作用的影響并提出抵抗的措施,是托換能否順利進行的關(guān)鍵。

圖5　地基與佛像簡圖Fig.5　Buddha statue and foundation

4佛像托換影響因素探討

4.1　總體控制參數(shù)

如式(1)所示,在托換移位的過程中,佛像會受到軸力N、剪力V與彎矩M等荷載作用,其骨架及地基必須具有足夠的承載能力才能保證其在托換移位過程中的安全。

S(N,V,M)

(1)

式中,S為佛像承受的作用;N為佛像承受的軸力;V為佛像承受的剪力;M為佛像承受的彎矩;R為佛像地基的承載能力;σ為托換時內(nèi)的等效應(yīng)力;τf為土的抗剪強度;δ為托換時土體承受的內(nèi)、外向側(cè)移;B為托換土體寬度;H為托換土體深度。

在托換移位的過程中,地基土會受到?jīng)_擊荷載、往復(fù)荷載等動態(tài)作用,也會受到諸如附加壓力、鋼板側(cè)向位移等靜態(tài)作用。動態(tài)作用主要是施工引起,可通過改善施工工藝和方法來加以控制;而靜態(tài)作用主要由佛像及土體側(cè)向鋼板造成,需要對其進行具體分析,找出規(guī)律,從而指導(dǎo)施工。

4.2　建模與關(guān)鍵參數(shù)選取

為深入探討各個因素對地基土的影響,以圖1中一個單體大佛地基為研究對象,建立有限元模型。由于下部托換土體一般為矩形,其兩個方向受力基本一致,因此將此土體受力情況簡化為平面問題,以PLANE42單元建立ANSYS有限元模型(圖6)。

圖6　有限元模型Fig.6　Finite element model

將上部座臺的壓力等效為100 kN/m的均布壓力施加在模型頂部,約束底部豎向位移,通過對模型側(cè)面施加水平位移來模擬內(nèi)向側(cè)移δN與外向側(cè)移δW對土體的影響。模型在計算過程中始終受到重力作用。選取模型中的部分節(jié)點作為特征點,其中N1位于N3正下方2 m處,N2位于N1與模型左部邊緣的中點處。其主要建模參數(shù)如表2所示,各個影響因素及其取值見表3。

表2有限元模型主要參數(shù)與取值

Table 2Main parameters of finite element model

表3影響因素及取值

Table 3　Influence factor values

4.3　托換影響因素分析

4.3.1外向側(cè)移的影響

采用圖6所示模型,通過對模型側(cè)邊施加外向位移來模擬托換土體受到的外向側(cè)移δW。提取節(jié)點等效應(yīng)力σ、X方向位移反應(yīng)DX和Y方向位移反應(yīng)DY進行分析,計算結(jié)果如圖7-圖8所示。

圖7　側(cè)移增加時節(jié)點應(yīng)力變化規(guī)律Fig.7　Nodal stress variation with theincreasing of lateral displacement

從圖中可以看出,σ在最開始階段隨著δW的增加而迅速變化,當δW達到2 mm時,應(yīng)力趨于穩(wěn)定。而隨著δW的增加,節(jié)點位移不斷增加,基本呈現(xiàn)線性關(guān)系。

圖8　側(cè)移增加時節(jié)點位移變化規(guī)律Fig.8　Nodal displacements with theincreasing lateral displacements

綜上所述,托換鋼箱內(nèi)的土體對外向側(cè)移δW十分敏感,很小的δW即會讓土體內(nèi)部產(chǎn)生較大的應(yīng)力和位移變化,因此,在對土體進行托換時,應(yīng)充分考慮這一特征,控制土體不出現(xiàn)外向側(cè)移δW,保證其在整個托換移位過程中的穩(wěn)定。

4.3.2托換土體寬度B的影響

仍采用圖6的有限元模型,保持深度H為4 m不變,寬度B從2.5 m到10 m持續(xù)變化,分為無側(cè)移、δW=1 mm和δN=1 mm三種情況,其典型節(jié)點的等效應(yīng)力σ、Y向位移DY變化規(guī)律如圖9、圖10所示。圖中,δ0表示無側(cè)移,δN表示向內(nèi)側(cè)移1 mm,δW表示向外側(cè)移1 mm。

由圖9可以看出,隨著B的增加,節(jié)點應(yīng)力不斷減小。而向內(nèi)側(cè)移1 mm,能顯著增加各節(jié)點的應(yīng)力。

圖9　寬度增加時節(jié)點等效應(yīng)力變化規(guī)律Fig.9　Nodal stress variation with the increasing width

由圖10可以看出,隨著B增加,各節(jié)點DY均呈增加的趨勢,且當土體受到δN作用時,各節(jié)點DY均顯著小于同一B處δ0和δW的值。

對于土體而言,較大的σ可使固體顆粒之間連接更緊密,有利于整個土體的穩(wěn)定。為了保證佛像不出現(xiàn)傾斜,土體內(nèi)部各點Y向位移DY越小越好。隨著寬度B增加,各節(jié)點σ逐漸減小,DY逐漸增加。因此在滿足施工要求和上部結(jié)構(gòu)嵌固要求的前提下,土體寬度B越小越好。在存在δN的情況下,土體σ較大,DY很小,因此,適當?shù)膬?nèi)向側(cè)移有利于托換土體的穩(wěn)定。

圖10　寬度增加時節(jié)點Y向位移變化規(guī)律Fig.10　Nodal displacement variation in the Ydirection with the increasing of width

4.3.3托換土體深度H的影響

當B保持為4 m不變,H持續(xù)增加時,其典型節(jié)點的σ、DY變化規(guī)律如圖11-圖12所示。

圖11　深度增加時節(jié)點等效應(yīng)力變化規(guī)律Fig.11　Nodal stress variation with increasing depth

圖12　深度增加時節(jié)點Y向位移變化規(guī)律Fig.12　Nodal displacement variation in Ydirection with the increasing depth

由圖11可以看出,隨著H的增加,各節(jié)點σ均呈現(xiàn)波動性,但變化幅度不大,可認為H變化對節(jié)點應(yīng)力影響不大。由圖12可以看出,隨著H增加,各節(jié)點DY逐漸增加。相較于無側(cè)移的情況,向外側(cè)移1 mm,節(jié)點應(yīng)力σ會小幅度減小,節(jié)點DY會大幅增加;向內(nèi)側(cè)移1 mm,節(jié)點應(yīng)力σ會大幅度增加,而DY會大幅減小。

在分析托換深度對土體的影響中,DY起控制作用,且H越小DY越小,當H為2.5 m時,各節(jié)點DY已經(jīng)可以忽略不計。而適當?shù)摩腘能夠有效提高土體內(nèi)部應(yīng)力σ和減小y向位移DY。因此在確定土體H時,可將H控制在1.5~3 m的范圍內(nèi),輔以一定大小的δN,能夠有效保證土體的穩(wěn)定。

5結(jié)論

本文以某寺廟佛像移位工程為背景,提出佛像基礎(chǔ)托換的具體方法,并對影響單體佛像托換的因素作了具體分析,得到如下結(jié)論:

(1) 佛像托換會受到動態(tài)作用和靜態(tài)作用,動態(tài)作用可以通過改善施工工藝來加以避免,靜態(tài)作用則難以避免,因此需要特別關(guān)注靜態(tài)作用產(chǎn)生的影響。

(2) 當內(nèi)向側(cè)移δN=1 mm時能有效提高托換土體內(nèi)部的等效應(yīng)力σ,同時減小各點的Y向位移反應(yīng)DY,從而提高土體的穩(wěn)定性;而當外向側(cè)移δW=1 mm時會產(chǎn)生相反的效果。因此,在托換時,可適當頂推鋼板,使土體產(chǎn)生一定的δN,以提高其穩(wěn)定性。

(3) 在滿足上部結(jié)構(gòu)嵌固要求的前提下,托換土體的B和H越小越好,其中B大于上部佛像座臺平面尺寸即可,H一般取1.5 m~3 m為宜。

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收稿日期：2015-07-04

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