某框架结构办公楼整体平移工程设计*

2018-09-07曾凡奎来雨柔魏小宁

西安工业大学学报 2018年4期

曾凡奎，来雨柔，孙哲，魏小宁

(西安工业大学建筑工程学院 ,西安 710021)

随着城市建设的发展和旧城改造的加快,规划区中往往会出现一些有历史价值的建筑,但也会影响城市改造转型,特别是道路拓宽.在这种情况下,传统的改造方式是拆迁,然后以较高的成本处理废弃的建筑垃圾,并在不远的新址重建,造成巨大的浪费和经济损失.近年来,建筑整体平移技术成功地解决了这个问题,取得了显著的经济和社会效益,为旧城改造提供了新的技术手段.国内外学者对此进行了大量研究.我国具有代表性的平移工程有江南大酒店整体平移工程[1]、吴忠宾馆整体平移工程[2]等.文献[3]以天水市某中学教学楼平移工程为研究对象,对设计与施工工艺过程进行了研究.文献[4]对漯河市某医院家庭式病房楼平移工程进行设计,并进行了数值计算以及仿真分析,提出了平移工程与施工方法之间的影响关系.文献[5]分析了承重砖墙托换体系,提出了承载力预计模型.文献[6]提出了建筑物平移牵引的力学模型与原理,对建筑物平移牵引系统进行了设计.文献[7]以某框架结构商住楼的旋转平移设计与施工为研究对象,提出了平移施工工艺方法与施工流程.本文以办公楼整体平移工程为对象,采用新做结构基础，绳锯切割框架柱和千斤顶提供后推力,建筑物就位后进行锚固连接,给出建筑物的整体平移方案.

1 工程概况

富县九年制寄宿学校综合办公楼位于富县茶坊镇,因城市道路建设需采取整体平移.该建筑共四层,局部五层,建筑高度15.6 m,结构形式为框架结构,抗震设防等级为三级.基础形式为多桩承台基础,基础及轨道梁混凝土强度等级均为C30.该建筑各层层高：一层3.900 m,二至四层为3.600 m.该综合办公楼建筑面积2 443 m2,平移自重约为3 190 t,大楼需沿横向平移26.66 m.综合办公楼平移总平面图如图1所示.

图1 综合办公楼平移总平面图Fig.1 General office building total plane map

2 整体平移设计

2.1 基础处理与整体平移原则

该建筑物平移方案中基础处理分为三部分[3-4]：房屋新址处的基础，移动过程中的中间基础和房屋新址处的基础.该建筑物平移示意图如图2所示.房屋新址处的基础应满足上部荷载移动到相应位置时的地基极限承载力和沉降要求.移动过程中的中间基础其设计与新基础相同,房屋原址处的基础对其进行适当加固处理.根据基坑及成桩穿越土层的地质状况和地下水水位很高的实际情况,采用整体换填地基处理方案,对应基础为十字交叉基础.将基础底面以下1.0 m的杂填土层挖去,然后以质地坚硬，强度较高，性能稳定以及具有抗侵蚀性的砂碎石分层充填,并同时以人工或机械方法分层碾压、振动,使之达到要求的密实度,成为良好的人工地基.

建筑物整体平移原则为：① 建筑物分体后,其结构强度和刚度不应降低；如有变化,应采取措施使其大于原结构强度和刚度.② 水、电和供暖等管线应满足原设计及有关规范要求.③ 托换梁应能满足上部荷载和推力的要求.④ 新基础与上部结构的连接应满足原抗震要求.⑤ 动力设计应大于阻力的3～5倍.

图2 建筑物平移示意图Fig.2 Sketch of building translation

2.2 托盘结构的设计

由于地质条件及施工条件限制,混凝土结构及基础施工相对复杂,工程费用高,施工时间长,工程存在的不均匀沉降和变形将成为安全隐患或影响施工.因此，引入托盘结构进行建筑物平移成为消除或者减小基础沉降变形的有效方法,不仅具有适应地基与基础变形的能力,而且可解决因地基基础不均匀沉降导致的稳定性破坏问题.分析托盘结构的受力情况、载荷的传递过程以及结构刚度,对托盘结构的承载力和稳定性进行了计算,将托盘结构作为移动建筑物的基础,可靠地对上部结构进行托换和传递牵引力,为了在平移框架结构建筑物时防止倒塌,托盘结构要可靠连接原结构竖向受力构件,以保证原结构荷载的有效传递.在平移过程中,能有效实现水平力传递,且不对上部结构产生振动和冲击.托盘结构的承载力足够,保证在牵引荷载的作用下不发生强度破坏或断裂；具有较高刚度,不能因其变形过大而对上部结构产生附加应力,造成上部结构的变形或增大移动阻力；托盘结构要有极强的稳定性,为此彼此连接各托盘结构,建立沿水平方向的桁架体系.托盘结构的整体性和稳定性对平移的速度、安全性和被移动建筑物的保护系数有着重要影响,承重墙下设托换梁既能传递牵引力,又能适应各托盘节点不均匀位移[5],沿建筑物平移方向的托换梁可兼做上轨道梁.上轨道体系的作用：① 有效地实现对上部结构的托换,将上部结构的竖向荷载传递到上轨道梁上；② 有效地传递牵引设备提供的水平推力.考虑到轨道基础以及就位后的恢复工作,本工程采用单梁托换.单梁托换示意图如图3所示.其中t为厚度.

图3 单梁托换示意图Fig.3 Single beam diagram

2.3 滚轴的选用和布置

滚轴是上部结构与下部基础之间的可动支承,起到传递并承受平移过程中建筑物上部结构荷载的作用.所选用的滚轴应具有强度高、摩擦小和抗冲击荷载性能好等要求.结合现场及原施工图纸,设置11条平移轨道与上部结构墙体位置相对应.选用两种尺寸的滚轴：一个是直径d为∅10 cm,长度l为28 cm;另外一个是直径d为∅10 cm,长度l为50 cm.建筑物宽16 m,滚轴间距20 cm,每个轨道80个滚轴,同时每个轨道需准备一些备用滚轴.上部结构荷载通过滚轴均匀地传递给下部基础,平移中应实时调整偏移轨道的滚轴,以保证平移过程的顺利进行.

2.4 平移动力方式和动力的选择

根据上部结构墙体、框架柱的布置情况,本工程共设置了11条平移轨道,每个轨道均有顶推点.由于每条轨道承重不同,所需的顶推力也不同.结合现场实际情况,第1～3条轨道的3个千斤顶共用一个油泵,第4～7条轨道的4个千斤顶共用一个油泵,第8～11条轨道的4个千斤顶共用一个油泵.

建筑物平移工程的动力方式主要有三种：牵引式、顶推式和前拉后推式[6].在实际工程当中,如果建筑物的结构稳定,整体刚度较好,一般采用牵引式和顶推式,当建筑物的重量较大,且荷载分布均衡时则需要采用前拉后推相组合的形式.根据实践经验,整体平移宜优先采用顶推式(如图4所示)施加外力,顶推式相比于牵引式传力直接,容易保证同步.外加动力作用点必须与建筑物各轴线重合,作用点分步根据托梁布置综合考虑,以对称为原则,千斤顶直接推动上轨道梁的外伸牛腿.推力估算：根据初步估算,建筑物总重3 190 t,滑动摩擦系数为0.2,所需平移动力约为638 t,每个千斤顶约须提供58 t的推力,故建议选取100 t推力的千斤顶.

图4 顶推式示意图Fig.4 Push up schematic

2.5 平移方式设计

建筑物平移方式有滑动平移和滚动平移[7].滑动平移是在上下轨道面之间设置滑动钢结构支座,在滑动面上涂抹润滑介质进行平移.其具有稳定性好的特点,通常适用于荷载较大的或高层建筑物平移,但是这种平移方式也有缺点,由于滑动面是面接触,因此滑动阻力较大,所需平移动力较大,工程造价也高,在一般性的建筑物平移中通常不予采用.滚动平移是上下轨道之间摆放滚轴进行平移.目前大多数平移工程均采用滚动式,这是因为其具有承载力较大，方向可控性较好和平移阻力较小的优点.滑动平移要求高精度同步控制系统,且造价较高,技术不够完善,故采用滚动平移,其优点是摩擦系数小,需提供的牵引动力小,平移速度缓慢.在工程施工中采用在轨道上铺设不锈钢板的方式,以调整轨道的平整度.