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论文推荐 历史建筑济南修女楼的整体迁移设计和实践

发布日期:2022-03-08 08:07   来源:未知   阅读:

  沈阳氟碳岗亭制作燃气安装怎能未批先干“带病”使用,济南市修女楼为二层加阁楼的砖木结构建筑,建于 1893 年,为历史性建筑。2020 年 6 月采用自行式模块运输车对其进行了迁移,是当时国内采用拖车移位的最大的砌体结构建筑物。着重对移位方案、移位前对建筑物的维修和加固、车辆布置、托换结构设计及基础和地下室设计等进行介绍。对托换结构按车辆与上部结构协同受力及分别受力计算进行了分析,得出了拖车移位的砌体结构,其车架受力可按倒梁法计算,建筑物轮廓范围内托换结构可按支承车辆的底框结构进行设计,外挑于建筑物外的托换结构需要按悬挑构件进行加强。根据地下室的逆作法施工要求,宜采用桩柱一体的设计。

  夏风敏,谭天乐,贾留东,张鑫,傅传巍,刘闵.历史建筑济南修女楼的整体迁移设计和实践[J].工业建筑,2021,51(09):216-221.

  现代建筑物移位技术始于 20 世纪初,1901 年美国依阿华大学科学馆平移工程有较详细的技术记录,随后的 100 多年里,进行了多项建筑物移位的实践,但都是采用轨道和滚轴或滑块的方式。随着技术的发展,尤其是大型运输设备的出现,出现了采用大型运输设备进行建筑物移位的工程。1999 年 1月 25 日美国 Minneapolis 的 Shubert 剧院以及后来的丹麦哥本哈根飞机场候机厅均采用了拖车进行平移 [1] 。

  我国应用整体迁移技术的首例在是 1992 年重庆地区某 4 层砖混结构,平移了 8 m,此后陆续进行了临沂国安局大楼、上海音乐厅、莱芜高新区管委会办公楼等上百项移位项目,但以上项目也均采用滚轴、滑块和轨道的方式。由于造价影响,移位距离均不大。2008 年济南经八纬一片区老别墅,平移 30 km 至山东建筑大学新校区,是国内首个采用拖车移位的项目 [2] 。此后,陆续进行了深圳观澜松元厦社区碉楼(2012) ,河北某佛塔(2014)及徐州同和裕银号(2016 ) [3] 等采用车辆移位的项目 ( 表 1) 。但以上项目体量都比较小。

  济南市历山路原天主教方济圣母传教修女会院简称“修女楼” ,位于济南市历下区历山路,修女楼是近现代重要史迹及代表性建筑,大约建成于 1893年。2019 年 5 月,为进一步提升区域功能,经论证后,拟对其进行移位保护,需向其东北方向移动 80 m,旋转 20°,抬升 1.65 m,并将新址处的地下空间进行有效利用,在建筑物下增加两层地下室,与周边建筑的地下车库连成一体,缓解周边区域的停车压力。该建筑物是目前国内采用拖车移位的体量最大的砌体结构建筑。修女楼为两层带阁楼的砖木结构房屋(图 1),坐北朝南,矩形平面,南北宽为16.03 m,东西长为 36.08 m,占地面积为 580 m 2 ,建筑面积为1700 m 2 ,总高为 16.75 m,达 2 600 t。建筑结构墙体主要由灰砖砌筑而成,局部有混凝土梁、楼梯,楼板主要是木结构,建筑一层平面图见图 2,建筑物的承重方式为纵墙承重。

  因建筑物已历经百年风雨,整体完好,按实测强度进行复核验算结构无损伤部分的承载力也基本满足要求,如图 3 所示,图中数值为抗力与荷载之比。20 世纪六七十年代,对该建筑的屋面、门窗等进行过修缮和部分更换,但目前仍存在以下问题:1)材料性能退化,砖和砂浆的强度较低, 砖强度为 MU7.5,一、二层的砂浆强度分别为0.8,0.6 MPa;2)局部砖墙面风化,局部砂浆缺失的现象,尤其是一层落水管附近,个别墙体还存在裂缝,室内墙面抹灰和顶棚破损严重。3)木屋架的部分构件,木檩条和部分木楼盖也存在腐朽和开裂现象(图 4)。为对其进行有效保护,并保证移位工作的顺利完成,在移位前对影响结构安全的构件进行了修缮和加固处理。

  结构加固和修缮的原则以不影响建筑物的历史风貌,尽量保留建筑物所包含的历史信息为前提,采用了以下加固方法:1) 对于风化严重的砖进行置换,砂浆流失的灰缝进行填缝和勾缝处理,风化不严重区域采用高强度等级水泥砂浆进行修补;2)对于腐朽的木构件进行更换,开裂的采用钢箍进行约束;3)结合室内墙地面的修复,室内墙面均采用了高强度等级水泥砂浆面层,来增加墙体的受压和受剪性能。同时为保证移位时一层窗下墙的安全性,移位前对一层的门窗洞口均采用方木进行了临时支撑。

  建筑物的移位方式,主要有传统轨道式移位和大型拖车移位。传统轨道式移位需沿移位路线修建基础及下轨道,移位荷载没有限制,移位过程中的稳定性较好,设计施工经验成熟,但移位速度慢,旋转和竖向抬升难度大。拖车移位道路要求简单,移位速度快,平移、抬升、旋转均可,但其荷载受车辆运载能力的限制,以往的拖车多用于大型设备的运输,对于建筑物的运输经验较少。

  由于本工程的移位方式复杂,有斜向平移、旋转和抬升,采用传统移位方式,需要修建大面积的移动基础和轨道(图 5),工期长,成本相对较高,后续场地区域进行地下空间施工时,移位施工过程中的临时基础和轨道还需要全部拆除,产生大量的建筑垃圾。该建筑物特点是层数相对较少,楼屋盖均为木结构,单位荷载不超过拖车的承载能力。综合考虑成本、工期、绿色环保等多方面因素,确定采用拖车移位方案(表 2)。

  具体移位步骤:托换施工(同时施工新址桩基和转换梁)→上部结构与原基础分离→原位顶升 1.3 m→装车→移动,完成平移和旋转→就位及连接→地下室施工。对于新址地下室,考虑工期要求,及移位施工的难 度和造价,采用了先移位后开挖的逆作法施工方式。

  式中: N 为建筑物结构重力,kN; n 为车辆轴数; F u 为车辆单轴承载力,取 480 kN; G 为车辆单轴的作用 荷载,取 45 kN;1.2 为安全系数。

  该建筑的结构总质量为 2600 t,按式(1) 计算 出最小配车轴线 轴。考虑车辆的拼接特性、场地条件、对原位及新址支承点的规避及上部结构的受力均匀性,实际配车布置见图 6,共 10 列,每列 12 轴,为减小外挑托换梁的受力,建筑物主体外的两列车辆,采用掐轴处理,将每列车辆的远离纵墙的四轴线 轴) 的油路断开,不提供支承力。

  5.2托换结构设计为最大限度地保留和保护地上建筑物的历史风貌和信息及结构的完整性,在原室内地面以下 200 mm采用双梁式托换结构,托换结构布置见图 7,托换结构详见图 8。托换梁的尺寸和配筋分别考虑界面剪切性能、原位顶升与新址支承工况及运输工况进行设计。

  5.2.1托换梁与墙体的界面剪切计算根据前期研究成果 [1] ,夹墙式托换梁与砖墙之间的抗剪承载力:

  式中: τ 为界面抗剪强度,根据试验结果 [1] ,当砖强度为 MU10,砂浆强度为 M5 时,抗剪强度可以取 0.6 MPa; A 为界面接触面积。

  该工程中,由于建筑物的材料性能退化,实测砌体砖强度为 MU7.5,砂浆强度不到 M1.0。设计时对托换区域的灰缝进行了填缝和勾缝处理,剔除了外侧约 5 cm 深度的劣化砂浆,置换为 M7.5 的砂浆。计算时仅考虑了砖强度的影响,按照前期的试验结果,对界面的抗剪强度近似按线性进行了折减,取 τ = 0.6×0.75 = 0.45 MPa。

  该建筑墙体的最大线) 计算的界面高度不小于 330 mm。设计时,考虑托换梁的顶升和运输工况的受力,夹墙托换梁的高度取 600~700 mm。

  5.2.2顶升支撑工况计算建筑物顶升采用可编程逻辑控制器控制的同步液压顶升系统,系统地同步控制精度可达 0.2 mm。顶升施工采用分批连续施工的方式,在建筑物托换梁下布置了两批千斤顶,建筑物就位后的临时支承点布置与第一批千斤顶的位置相同。此工况以顶升点(或支承点)为支承,按底框结构对托换结构进行 设计计算(图 9)。

  5.2.3运输工况计算根据实际配车数量,按照上部结构质心与车辆反力的合力中心重合的原则,采用三点式配车,即将所有车轴划分为三个区域,每一个区域的所有车轴提供同样大的反力,三个区域的车辆反力的合力与上部结构的质心重合,区域的划分及反力见图 10。

  考虑上部结构刚度较大,该工程按车架和结构单独受力进行了车架与托换结构的受力计算,同时按车辆与上部结构协同受力进行了校核。

  车架与结构单独受力模型,车架计算时,将上部结构与车架的接触点看作车架的铰支座,车轴支承力看作外荷载,按连续梁进行设计。上部结构计算时,将车辆看作为支承,上部结构与车架的接触点作为结构的铰支座,按底框结构进行设计计算。

  协同受力模型中采用等刚度梁模拟车架的刚度,车架梁的截面特征参数见表 3,用固定大小的反力和一个低刚度弹簧模拟车轴的支承作用。反力取布车时确定的车轴反力加车轴结构重力,弹簧的刚度取值,以不对车架与上部结构的相对变形造成影响为原则,取 1 kN/mm,以此计算托换结构及车辆的整体变形和及车架梁的内力。整体计算模型见图 11。

  经计算,由于上部结构刚度较大,车架梁的受力协同与分体计算的结果相差不大,见表 4。其最大差值未超过整体计算的 30%,所以对于车架梁,可近似采用分体计算的内力。

  对于托换结构,将单独计算的结果与协同计算的结果进行对比发现(图 12,图 13),由于拖车的支承力分布与结构荷载分布的局部不平衡,结构表现出了一定程度上的内力重分布,相对于单独计算,托换梁中的轴力有所增加。但综合考虑托换梁中的弯矩和轴力,除位于建筑物主体外悬挑部分的托换梁弯矩差别较大,其他截面的配筋差异均未超过协同计算结果的 35%。所以,对于上部结构刚度较大的砌体结构,可以将车辆看作支座,按底框结构计算托换梁内力,但如存在悬挑于建筑物主体的托换梁,其计算出来的弯矩偏小,结构的安全度不足。建议对于外挑部分,将建筑物主体外的车辆支承力看作外力,按悬臂构件对托换梁的内力进行调整加强。

  新址基础及地下室设计因地下室是在上部荷载全部施加上后进行逆作施工,桩或柱承担的荷载较大,同时为减小开挖后地下室内出现多余的临时构件,所以新址采用单柱单桩,桩柱合一的结构形式。移位前施工完桩或柱及桩顶转换梁,建筑物就位后采用逆作法施工地下室。桩及转换梁布置见图 14。

  桩柱合一的结构形式,其关键问题和技术难点在于:一是开挖后柱部分的外观质量,二是地下室楼面梁板与桩柱的连接。施工时在将来柱部分的桩身外套了 6 mm 厚的薄壁钢管,来解决柱身外观质量问题。而楼面梁板与柱的连接采用了后锚固的处理方式,即将梁柱节点局部的钢管拆除,将楼面梁纵筋采用植筋方式锚入柱内,同时在柱节点区域设置混凝土环梁,通过环梁与柱的接触面剪切来传递楼面荷载,见图 15,其高度按式(3)确定 [5- 7] :

  式中: h 为环梁的高度; N 为框架梁传来的总竖向力 设计值; f t 混凝土的抗拉强度,取梁、柱混凝土的低 值; u m 为柱截面周长。

  结束语1) 对于文物建筑,为确保移位过程的安全性,移位前应根据建筑的损伤状况,进行必要的加固处理。

  2) 对于上部结构刚度较大的砌体结构建筑,采用拖车移位时,拖车车架及上部托换结构可分别进行内力计算,如托换结构相对于建筑主体存在外挑,外挑部分的内力计算结果会偏小,建议按悬挑加强。

  3) 结合建筑物的移位,在建筑物新址增设地下 室,可有效利用建筑物区域的地下空间。该项目是国内外采用拖车移位的体量最大的砌体结构建筑。该项目于 2019 年 11 月开始施工,2020 年 6 月 10 日顺利就位。施工及移位过程中,上部结构未出现开裂及松动现象,托换结构未出现明显裂缝。该项目的成功实践,为后续类似工程的实施提供了可借鉴的经验。

  [4] 张鑫,岳庆霞,刘鑫, 等. 砌体墙托换结构受力性能试验研究 [C] // 第四届建筑结构基础理论与创新实践学术论坛论文集. 2016:190-195.

  [7] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 建(构) 筑物移位工程技术规程:JGJ 239—2011[S] . 北京:中国建筑工业出版社,2011.