龍溪塔整體平移過程中新型防傾覆系統(tǒng)分析*
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商冬凡1,2， 王鐵成1， 楊志鋒3， 盧 明3
（1天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津300072；2河北省建筑科學(xué)研究院，石家莊050021;
3河北建研科技有限公司，石家莊050021）
[摘要] 龍溪塔為七層六邊形磚木混合結(jié)構(gòu)，因其西側(cè)水陽江需拓寬治理，決定將其向東北方向平移129m進行保護，對平移過程中采用的由下部鋼筋混凝土保護筒和上部鋼結(jié)構(gòu)主動施力支撐組成的新型防傾覆系統(tǒng)設(shè)計進行詳細介紹，并采用ANSYS軟件進行有限元分析。結(jié)果表明，增設(shè)防傾覆系統(tǒng)后，在總重僅增加10%的情況下，抗傾覆安全系數(shù)K提高3.0倍，主體結(jié)構(gòu)頂點位移下降54%，避免了塔身拉應(yīng)力破壞；新型防傾覆系統(tǒng)與塔體采用可拆除
柔性連接，既能保證塔體移位過程安全，又能保留塔體原有歷史外觀，其成果適用于古塔等高聳建筑的平移工程。
[關(guān)鍵詞] 古塔；整體平移；鋼結(jié)構(gòu)主動施力支撐；鋼筋混凝土保護筒；傾覆
中圖分類號：TU318文章編號：1002-848X(2016) 05 -0097 -05
0 前言
一些具有歷史文化價值的古建筑被拆除將給城市留下永久的遺憾，不利于文明的傳承，通過建筑平移技術(shù)可以解決這一難題。然而古建筑年代久遠，材料強度低，為確保移位安全，往往需要先對其進行結(jié)構(gòu)加固，這些加固措施通常會改變古建筑外觀。在移位時，為了不改變古建筑外觀，需要尋求一種可拆卸加固裝置，這種裝置既能保證建筑移位安全，又能在移位成功后拆除，恢復(fù)建筑原有外觀，同時該裝置不會對建筑本身造成損傷。
近年來，我國雖然完成了多起文物建筑的移位，積累了豐富的經(jīng)驗，但是針對文物古塔的移位，卻沒有經(jīng)驗可以借鑒。文物古塔移位具有以下特點：1）為高聳結(jié)構(gòu)，重心高，底盤小，相比一般建筑移位，平移過程易發(fā)生傾覆；2）年代一般較早，材料老化嚴重，整體性差，靜載作用下尚能穩(wěn)定，移動荷載作用下極易損壞；3）塔體基礎(chǔ)為塔體地官所在，是塔體文物的重要一部分，需要一起平移；4）每層均有屋檐挑出，因此加固措施要能隔層靈活設(shè)置，為保證工期，又不能過于笨重。因此，采取何種抗傾覆措施對塔體安全至關(guān)重要。
1 工程概況
龍溪塔位于安徽省宣城市，坐落在水陽江東岸，建于宋開慶元年（公元1259年），距今已有750余年，高約22m，占地面積約20m2，為七層六邊形磚木結(jié)構(gòu)，青磚條石基礎(chǔ)。龍溪塔每面有磚券拱門，木質(zhì)飛檐翹角，檐下疊澀與菱牙交替出跳，翹角下掛銅質(zhì)風鈴，塔剎由覆缽承露盤、五重相輪、寶珠、旺鏈組成，是六邊形磚木混合樓閣式塔的典型代表，對研究當時塔的建筑風格和建筑技法有著重要意義。龍溪塔外觀如圖1所示。
由于龍溪塔所處地段的水陽江需要拓寬治理，水陽江東岸衛(wèi)東圩堤需平均退堤約50m，退堤后龍溪塔勢必會被水陽江淹沒，為對龍溪塔進行保護，將水陽江東岸衛(wèi)東圩堤與龍溪塔塔體分離，保持一定距離，去除大堤對塔體的壓力作用，防止大堤上過往車輛對塔檐造成損害，對龍溪塔向東北方向平移129m，以最大程度地保護龍溪塔，整體平移示意圖見圖2。
2 防傾覆加固系統(tǒng)設(shè)計
為確保龍溪塔移位安全，采用“穿靴披衣”的新型防傾覆加固系統(tǒng)對龍溪塔進行保護，“穿靴”即采用鋼筋混凝土保護筒對塔體基礎(chǔ)進行保護，“披衣”即采用鋼結(jié)構(gòu)主動施力支撐系統(tǒng)對龍溪塔上部結(jié)構(gòu)主體進行保護。
2.1鋼筋混凝土保護筒
采用鋼筋混凝土內(nèi)、外保護筒對龍溪塔基礎(chǔ)進行加固，具體做法見圖3。內(nèi)保護筒厚度為200mm，外保護筒為三階，厚度分別為300，400，500mm，其下為托換底盤，在塔身洞口處采用連系梁加強內(nèi)、外保護筒的整體性，連梁尺寸為300×300。
平移就位后，保留內(nèi)保護筒及外保護筒地下部分，對基礎(chǔ)起永久性保護作用，拆除外保護筒地上部分，恢復(fù)塔體外觀，室內(nèi)、外地坪以上部分與墻體之間墊柔性薄膜，以方便就位后拆除保護筒�；炷帘Ｗo筒的施工與拆除見圖4。
鋼筋混凝土保護筒的作用為：1）加固塔體基礎(chǔ)，其受力后形成三向受壓狀態(tài)；2）托起基礎(chǔ)，保護塔體帶基礎(chǔ)平移到位；3）擴大塔體底盤，提高塔體抗傾覆能力。
2.2鋼結(jié)構(gòu)主動施力支撐
主動施力支撐體系是指建筑結(jié)構(gòu)在承受外荷載之前，預(yù)先主動對其施加預(yù)緊力，提高其整體性，改善其受力性能，保證其在托換及平移過程中安全性的一種空間連續(xù)鋼支撐桁架，其與建筑結(jié)構(gòu)采用柔性材料擴大接觸面進行連接，避免了對建筑造成局部損傷。在龍溪塔整體平移前，在塔內(nèi)、外構(gòu)建鋼結(jié)構(gòu)主動支撐體系，見圖5，6。
如圖5，6所示，在塔體內(nèi)側(cè)，由塔心柱和垂直支撐(CC1，CC la，CC2)組成空間連續(xù)桁架；在塔體外側(cè)，每邊桁架單元由斜柱、直柱、垂直支撐( CC3，CC3a，CC4，CC5)和水平支撐(SC1，SC2)組成，通過垂直支撐(CC6，CC7)和水平支撐SC3連接形成空間連續(xù)桁架。塔外直柱與斜柱、支撐CC la、支撐CC3a采用槽鋼[20a，塔心柱采用工字鋼I22，其余構(gòu)件均采用等邊角鋼L75 x6，各鋼支撐詳見圖7。塔心柱、外側(cè)斜柱及直柱采用螺栓與托換底盤進行
連接。
CC1，CC3為頂緊內(nèi)撐，CC la，CC3a為頂緊外撐，沿塔體避過檐角隔層設(shè)置，對墻體洞口薄弱部位進行重點保護。頂緊外撐沿塔體封閉形成整體，在托換與平移之前，通過旋轉(zhuǎn)內(nèi)、外兩層支撐間的頂緊螺栓，借助空間連續(xù)桁架提供反力，使內(nèi)外兩層支撐相互頂緊，形成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)受力體系，以達到加固塔體的目的。
通過在頂緊內(nèi)撐( CC1，CC3)內(nèi)側(cè)設(shè)置柔性織物層及木條，擴大接觸面，避免剛性接觸，以保護龍溪塔在受到擾動時不發(fā)生局部接觸破壞。頂緊螺栓處節(jié)點做法詳圖見圖8，9。
3 有限元模型
本文采用將砂漿和砌塊作為一個整體來考慮的整體連續(xù)體模型，在用ANSYS軟件進行有限元分析時，古塔塔身材料、托換底盤和保護筒采用Solid65單元，鋼架采用Beam188單元，塔身圍箍采用Solid186單元。鋼架與塔體、保護筒與塔體之間采用面面接觸，接觸單元采用Targe170單元和Conta174單元。
塔體彈性模量為1. 26×103MPa，泊松比為0. 15；混凝土彈性模量為3.15×104MPa，泊松比為0. 15；鋼架彈性模量為2.06×105MPa，泊松比0.3；塔身圍箍彈性模量為3×104MPa，泊松比為0.2，熱膨脹系數(shù)為1×10-5，通過降溫對塔身施加預(yù)緊力7kN。龍溪塔尺寸見表1，有限元模型見圖10。
考慮的作用有重力、風荷載(參照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》( GB 50009-2012))、初始塔體傾斜（向東北方向傾斜0. 850）、兩側(cè)軌道高差（考慮兩側(cè)軌道高差造成的塔體傾斜為0.50）及制動慣性加速度（經(jīng)驗值取0.51m／S2）。
4 防傾覆有限元分析
平移防傾覆計算包含兩方面的內(nèi)容：一是塔體不能發(fā)生整體傾倒，由于對文物塔體移位在國內(nèi)外均屬首次，所以要有足夠的抗傾覆安全儲備，以安全系數(shù)K≥5來控制；二是由于古塔材料強度較差，認為其不抗拉，即假設(shè)塔體一拉就壞，不允許塔身出現(xiàn)拉應(yīng)力。
龍溪塔抗傾覆力矩和傾覆力矩均通過有限元模型節(jié)點支反力計算得出�？箖A覆力矩：先計算龍溪塔在重力、初始傾斜和軌道高差共同作用下，塔體底部各個節(jié)點的支反力，然后對古塔最外邊緣求矩，各力矩之和即為塔體的抗傾覆力矩，其中塔體重力貢獻為正值，初始偏心及軌道高差貢獻為負值。傾覆力矩：先計算塔體在風荷載、慣性力作用下，塔體底部各個節(jié)點的支反力，然后對塔體最外邊緣求矩，各力矩之和即為塔體的傾覆力矩。
4.1不采取任何措施時塔體抗傾覆
在各荷載作用下，龍溪塔豎向應(yīng)力云圖如圖11所示，從圖11中可以看出，塔身底部出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大為44. 58kPa>0�？紤]到塔體一拉即壞，故需對塔體進行加固保護。
沿軌道方向的位移如圖12所示。從圖12可以看出主體結(jié)構(gòu)頂點位移是13. 61mm。
經(jīng)計算塔體抗傾覆力矩為5 528kN .m，傾覆力矩1 934kN .m，安全系數(shù)為K=5 528/1 934=2.86<5，傾覆安全儲備不足。
4.2“穿靴披衣”后塔體抗傾覆
增設(shè)混凝土保護筒及鋼結(jié)構(gòu)主動施力支撐系統(tǒng)后，塔體總重增加了10%，在各荷載作用下，龍溪塔豎向應(yīng)力云圖如圖13所示，從圖13中可以看出，除塔檐等自由表面外，塔身不出現(xiàn)拉應(yīng)力。
沿軌道方向的位移如圖14所示。從圖14可以看出主體結(jié)構(gòu)頂點位移是6. 23 mm，相比不采取任何措施減小了約54%。
抗傾覆力矩為31 246kN .m，傾覆力矩為3 574k N .m，安全系數(shù)為K=31 246/3 574=8.74 >5，相比不采取任何措施增大了3.0倍，安全儲備足夠。5 結(jié)論
龍溪塔平移過程中采用的新型防傾覆系統(tǒng)設(shè)計具有以下特點：
(1)新型防傾覆系統(tǒng)由下部鋼筋混凝土保護筒和上部鋼結(jié)構(gòu)主動施力支撐體系組成，采用柔性接觸與塔體進行接觸，避免了接觸破壞。
(2)新型防傾覆系統(tǒng)是一種可拆卸的加固裝置，平移過程中對塔體進行保護，移位工程結(jié)束后可以拆除，不會改變塔體外觀。
(3)保護筒可優(yōu)化塔體基礎(chǔ)受力狀態(tài)，擴大塔體底盤，提高塔體抗傾覆能力，實現(xiàn)塔體帶基礎(chǔ)平移。
(4)鋼結(jié)構(gòu)主動施力支撐體系可預(yù)先主動對塔體施加預(yù)緊力，提高塔體整體性，改善塔體受力性能；其拆卸方便，可在場外組裝，節(jié)省工期。
通過有限元分析，采用新型防傾覆系統(tǒng)后：1）塔身不出現(xiàn)拉應(yīng)力；2）塔體頂部位移減小約54%；3)實現(xiàn)抗傾覆安全系數(shù)K提高了3.0倍。
通過采用上述新型防傾覆體系，順利實施了古塔平移，其適用于高聳文物建筑移位，為類似移位工程提供了參考和借鑒。
