研究古建筑平移中托换梁高下托换结构的允许承载力

  随着城市的开发和改造,许多古建筑面临着拆除重建的危险。古建筑具有很高的文物价值,为对其进行保护,可以采用建筑物整体移位技术对古建筑进行平移[1].古建筑平移过程中,托换结构作为承受上部结构荷载并将荷载传递到下部轨道基础的转换结构,其受力和变形对上部结构在平移过程中的安全影响很大[2,3].目前国内对于古塔整体平移的托换结构的力学研究较少,文中以某古塔平移工程为例,对平移工程中托换结构的安全储备进行了分析。根据有限元计算结果,验证了托换结构的工程安全性要求。计算不同托换梁高下托换结构的允许承载力,为以后类似平移工程托换结构托换梁高的选取提出了建议。

  1 工程概况

  某古塔位于河道附近,由于河流需要治理,需对古塔进行保护,将古塔向东北方向平移 120m.

  古塔为 7 层六边形,砖木混合结构,底层占地面积约 20m²,高约 22m,塔基用青砖砌筑,外围用青条石包砌一圈。本次平移塔体自身重量约 310t,托换底座重量 310t,平移总重量共约 620t.托换结构平面如图 1.

  托换结构分为预应力托换梁、非预应力托换梁和筏板基础三部分,其中 TL1 为预应力托换梁,TL2 和TL3 为非预应力托换梁。

  2 托换结构有限元模型

  实际工程托换结构中,预应力托换梁采用 C40 混凝土,抗压强度为 26. 8MPa,弹性模量为 3. 25GPa.非预应 力 托 换 梁 采 用 C30 混 凝 土,抗 压 强 度 采 用20. 1MPa,弹性模量 3GPa.钢筋采用 HRB400 钢筋,屈服强度实测值为 465MPa.混凝土本构关系采用《混凝土结构设计规范》[4]附录 C 建议的本构关系,钢筋采用双折线本构关系。

  预应力钢绞线张拉控制应力为 1395MPa,考虑预应力的摩擦损失 σl2、钢筋松弛损失 σl4和混凝土的收缩徐 变 损 失 σl5,最 终 预 应 力 筋 的 实 际 预 应 力为 843MPa.

  采用 ANSYS 软件建立托换结构的实体模型[5],建模选用单元类型为 solid65 单元、link8 单元和 solid45单元。主要研究对象为下部托换结构,只建立托换结构的实体有限元模型,上部塔体简化为均布荷载施加在托换结构上。有限元模型中预应力梁、非预应力梁和托换底座筏板混凝土均采用 solid65 单元用来模拟,钢筋混凝土采用整体式模型,非预应力钢筋弥散在混凝土单元中。预应力钢绞线采用 link8 单元模拟,预应力通过降温法施加。在边托梁下设置钢滚轴,作为托换结构的支座。边托梁下部钢滚轴采用 solid45 单元模拟,钢滚轴与托换边梁之间的连接方式采用刚性连接,模型采用自由网格划分,网格划分后有限元模型如图 2.

  施加在托换结构上的荷载主要是上部的塔体自重、混凝土护筒自重和托换结构自重。其中上部结构自重按照均布荷载施加在托换结构筏板顶面,三阶混凝土护筒下的等效均布荷载分别为: 第一阶护筒下荷载 73. 5 ×10- 3MPa,第二阶护筒下荷载 49 × 10- 3MPa,第三阶护筒下荷载为 26. 95 × 10- 3MPa.托换结构自重荷载通过施加重力加速度得到,托换结构总重量为2. 42 × 105kg,重力加速度取为 9. 8N / kg.

  托换结构边托梁下部以 200mm 等间距布置直径为100mm 的钢滚轴,有限元计算时将边托梁下部的钢滚轴作为托换结构的竖向支座,为托换结构提供竖向约束。

  为确保上部结构的安全,使平移工程中托换结构具有足够的安全储备[6].文中以托换结构混凝土开裂作为极限状态,对托换结构的混凝土开裂前安全储备进行了分析。在分析中,由于预应力托换梁承受大部分的上部荷载,预应力托换梁会比非预应力托换梁开裂早。分析中将预应力托换梁的开裂荷载作为托换结构的承载力极限荷载。分析中采用的方法是通过在有限元模型加载面上逐级增加荷载,直到托换结构预应力托换梁开裂。为保证托换结构在平移过程中不发生开裂,托换结构开裂前安全储备系数:

  式中,K 为托换结构开裂前安全储备; Pcr为托换结构开裂荷载; P 为托换结构施工阶段荷载。

  3 计算结果和分析

  在计算过程中当荷载施加到 475. 01 × 10- 3MPa时,预应力托换梁跨中最大拉应力达到混凝土抗拉强度 2. 39MPa,当再施加下一荷载子步时,托换结构预应力托换梁混凝土开裂,出现了拉应力释放现象。这说明托换结构的开裂荷载为 475. 01 × 10- 3MPa,此开裂荷载即为托换结构的承载力极限荷载,极限荷载对应的上部结构自重为 490t.

  按照之前式( 1) 提出的算法,计算托换结构的承载力安全储备系数。

  根据计算结果,文中研究的古塔平移工程中设计的托换结构承载能力安全储备系数为 1. 58.托换结构的承载力安全储备系数的评判标准现今还没有一个明确的标准,文中参考规范中采用的单一安全系数法和《预应力混凝土结构设计与施工》一书中预应力受弯构件的安全系数,考虑托换结构是临时结构只在平移施工过程中起作用。文中分析过程中,将托换结构的承载力安全储备系数安全值定义为 1. 5.托换结构的承载力安全储备系数为 1. 58,大于定义的安全储备系数 1. 5.说明托换结构具有足够的承载力安全储备,能够抵抗平移施工过程中可能出现的超载或其他不利的状况,为古塔的平移施工提供一定的安全保证。

  4 结语

  文中通过对某古塔平移工程中托换结构的承载力安全储备进行有限元分析,得出以下结论。托换结构的开裂前安全储备系数为 1. 58,大于按照单一安全系数法确定的预应力混凝土受弯构件的安全系数允许值 1. 5.设计的托换结构满足安全性要求,且具有足够的安全储备,当实际施工时出现超载时,不会对上部结构安全造成很大的影响。

  参考文献

  [1] 商冬凡,王铁成,崔少华 . 古建筑平移中移动系统的受力性能试验研究[J]. 建筑结构,2013,43( 10) : 41 -44.

  [2] 吴二军 . 建筑物整体平移关键技术研究与应用[D]. 南京: 东南大学,2003.

  [3] 李爱群,吴二军,高仁华 . 建筑物整体迁移技术[M]. 北京: 中国建筑工业出版社,2006.

  [4] GB50010 -2010,混凝土结构设计规范[S].

  [5] 王新敏 . ANSYS 工程结构数值分析[M]. 北京: 人民交通出版社,2007.

  [6] 叶列平,林旭川,冯鹏 . 高强混凝土梁受弯承载力安全储备及经济性分析[J]. 建筑结构,2006,36( 6) : 72 -75.

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