古建筑平移中托换梁承载力测试技术的应用

□文/杨 勇 陈志伟 卢士鹏 李林安

□陈志伟/天津大学。

□卢士鹏/天津城建集团有限公司工程总承包公司。

□李林安/天津大学。

古建筑平移中托换梁承载力测试技术的应用

□文/杨 勇 陈志伟 卢士鹏 李林安

采用电阻应变测试法测量托换梁的不同点剪力，通过剪力差来确定托换梁实际承载力的技术。将该技术用于天津西站主站楼的平移顶升施工，在工程施工过程中监测了托换梁承载力及其变化。

天津西站；主站楼；托换梁；承载力；应变测试；平移

我国有数量众多的古建筑 (包括历史风貌建筑)，古建筑是我们国家和民族的文化遗产，也是国家和民族历史传统的一种载体。伴随着社会现代化建设以及古建筑本身的保护，需要一些古建筑整体平移或者顶升。但古建筑结构材料通常以砖、瓦、木为主，历史资料不全、病害程度不清、材料性能差异大是其基本特点，在平移或者顶升施工过程中稍有不周，很容易损毁古建筑，造成巨大的物质和文化损失，因此对古建筑平移或者顶升技术的设计、实施要求很高，要有充分的受力、变形和振动监测保证结构的安全。

对于以砖墙为主要承载结构的古建筑，目前比较成熟的平移或者顶升技术是在墙的切割部位两侧制作托换梁，通过摩擦、抬墙梁等在建筑基础的切割部位对古建筑进行加固，也成为结构整体的托盘和平移的上滑梁[1]。

托换梁与原结构的墙体共同承担古建筑的重量和其他荷载，因此托换梁的实际承载力与古建筑的安全密切相关，如果托换梁实际承载力比较小或变形比较大，可能使古建筑产生较大应力和变形，但无限提高托换梁的实际承载力，会加大工程成本，因此必须把握托换梁实际承载力。由于古建筑结构参数的不确定性、载荷的复杂性和支撑条件的易变性，理论分析托换梁的实际承载力有很大误差，必须进行相关的测量。尽管我国已进行了许多古建筑的平移或者顶升施工[1～4]，但还未见到测试托换梁实际承载力的报道。

本文探讨通过电阻应变测试法测量托换梁不同点剪力，通过剪力差来确定托换梁的实际承载力的方法。将该技术应用于天津西站主站楼的平移和顶升工程中。

1 托换梁实际承载力测试原理

1.1 托换梁实际承载力与剪力的关系

托换梁是与墙体、抬墙梁等连接在一起的，受力模型见图1。

假设结构上部传来的载荷有分布力q和集中力Fi；抬墙梁传来的剪力为Q3，在所取段的端部；主站楼墙体的弯矩、剪力分别为M21、M22、Q21、Q22；托换梁的弯矩、剪力分别为M11、M12、Q11、Q12。根据竖向力平衡原理有

基于同样的原理，不管墙体、抬墙梁传下来的力如何分布，也不管是集中力还是分布力，托换梁本身的受力可以按式（2）计算

因此一段托换梁上的剪力差就是其受力的大小，如果能测量到剪力的分布，自然就可以计算出托换梁的实际承载力。但正如图1表达的一样，托换梁不仅外力复杂，内力也还有弯矩M11、M12的作用，要测量剪力，必须消除弯矩的影响。

1.2 托换梁剪力的测试

托换梁外贴于墙体，见图2。

托换梁

图2 托换梁与墙体的连接

因此可以认为墙体只起传递载荷的作用，于是假设托换梁的中性轴没有变化，这时托换梁中性轴任一点的切应力只与剪力有关，大小为[5]

式中：Q表示截面的剪力；b表示截面的宽度，IZ表示整个截面对Z轴的惯性矩；表示中性轴一侧截面对中性轴Z轴的静矩。

对于托换梁通常采用的矩形截面（高度为h、宽度为b），公式（3）可以简化为

如果能测得切应力τ，则Q为

电阻应变法可以测量切应力τ，要求与托换梁中性轴成45°方向布置应变片，见图3。

此时应变片的测得应变为

式中：E表示托换梁的弹性模量。实际测量中，为了提高测试精度和消除温度带来的影响，通常采用半桥或全桥的应变片布置方式，见图4。

与中性轴成45°的两个方向上垂直布置2个或4个应变片，按图5电路连接为半桥或全桥电路。

所测得的读数应变分别为

综合以上各式，可以得到对于矩形截面的托换梁，测试的剪力与仪器读数应变间的关系为

式中：K=2表示采用半桥电路，K=4表示采用全桥电路。

如果按以上方法测得托换梁相距d两点的剪力Q11、Q22，则可以按（2）式计算其实际受力，也可以大致计算其等效分布力的大小

2 托换梁实际承载力测试的应用

2.1 工程背景

砖墙多为500mm厚，也有部分石头结构，顶部为木质结构，有一定程度的损坏。工程迁移距离长，面积大，受力体系多次转换，还要通过天津地铁站隧道，因此对迁移技术和施工提出了很高要求。最后采用了在主站楼墙的切割部位两侧制作托换梁的方式，然后在施工各个阶段监测托换梁的承载力变化情况。

2.2 测试结果

托换梁采用强度等级为C30的钢筋混凝土，结构和测点见图6。

托换梁剪力测点为托换梁侧面距离穿墙梁0.45m的位置，托换梁截面尺寸为0.35m×0.9m。

本次施工主要有以下工况：

1）主站楼载荷到托换平移梁上；

2)主站楼南北方向水平移动施工，共移动135m；

3)主站楼东西方向水平移动施工，共移动40m；

4)主站楼分2阶段顶升施工，其中第1阶段顶升行程为1.6m，第2阶段顶升行程为1.3m，共顶升2.9 m。

以HJ1和HJ2为例，测试结果见表1。

还可以动态监测剪力的变化。图7表示HJ2测点在某日东西向平移时一个行程的剪力随时间变化曲线。

3 结论

1）本文基于测量剪力原理介绍了一种测量托换梁的实际承载力的理论核电阻应变测量方法并付诸工程实践。

2）监测了天津西站主站楼的平移和顶升工程中托换梁实际承载力，取得了很好的效果。

3）托换梁在托换阶段有较大的承载力，达到140 kN以上，而在南北方向平移阶段和东西方向平移阶段变化比较小，约3kN左右，但在顶升阶段，又有较大变化，达11kN以上。总体没有很大的应力，结构处于安全状态。

[1]吴定安.上海音乐厅顶升和平移工程的液压同步系统[J].液压气动与密封，2004，（1）：24-26.

[2]郑华奇，蓝戊己.刘长胜故居整体平移工程的设计与施工[J].建筑技术，2003，（3）：414-416.

[3]吴正菊.保护文物平移顶升及旋转——大华清水湾老建筑物整体保护平移工程[J].城市道桥与防洪，2009，（8）：234-234.

[4]张任杰.保护文物平移及顶升——北京记协楼整体平移顶升工程[J].城市道桥与防洪，2009，（2）：70-71.

[5]刘 明，蒋连接，李富民.建筑物整体平移现场监测[J].徐州工程学院学报，2008，23（2）：24-28.

[6]苏翼林，王燕群，赵志岗，等.材料力学[M].1版.天津：天津大学出版社，2001.

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1008-3197（2011）02-05-03

2011-02-21

杨 勇/男，1981年出生，工程师，天津城建集团天演建筑物顶升移位工程有限公司主任工程师，从事建筑物顶升移位技术研究工作。

□陈志伟/天津大学。

□卢士鹏/天津城建集团有限公司工程总承包公司。

□李林安/天津大学。