（岩土工程专业论文）平移工程中滚轴摩擦的ansys模拟及带桩建筑物平移的基础设计.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 在城市规划建设中，有些建筑物需要移位，即从原来的位置移动到一个新的 位置。建筑物移位技术对于进行合理、有效的城市改造和建设有重要的意义。目 前，我国尚未正式出台建筑物移位工程的相关规范。对于具体的移位工程，必须 采取有针对性的方法和措施。建筑物平移工程中摩擦力的确定问题，特别是单个 滚轴摩擦系数的确定问题，理论上的研究很少，这给工程上选取滚轴及确定外加 动力带来了不便。 本文在以往有关研究成果的基础上，针对以上存在的问题，并结合一个具体 的工程实例，进行了以下的工作： ( 1 ) 对一般建筑物移位涉及的各方面做了总体的概括和介绍，为其它平移工程 提供参考。 ( 2 ) 引入摩擦学公式对滚轴的摩擦系数与竖向力、半径和材料弹性模量的关系 进行了细观分析，并与相同情况下的试验结果进行比较分析。考虑到滚轴己部分 进入塑性状态，采用在弹性滞后理论基础上，通过a n s y s 有限元分析软件所得的 接触带半宽来推断摩擦系数的方法。 ( 3 ) 通过a n s y s 有限元分析软件模拟分析滚轴在试验荷载及工程荷载下的工 作性能，进而推断摩擦系数。其中，对钢滚轴在试验荷载下的结果与试验结果进 行了比较分析，说明通过a n s y s 有限元分析软件模拟分析取得了满意的结果；模 拟所得的钢滚轴和钢管混凝土滚轴在工程荷载下的摩擦系数范围，与实际工程中 的情况比较吻合，说明通过a n s y s 有限元分析软件推断工程中实际荷载下摩擦系 数的方法是可行的。 ( 4 ) 结合某平移工程实例，根据上文的分析结果，确定滚轴形式并求出了具体 的顶推力；针对该建筑人工挖孔扩底桩的基础形式，考虑到不均匀沉降对平移建 筑物的危害，对其进行了合理的基础处理设计，为带桩建筑物平移的设计施工提 供了参考。 关键词：建筑物平移；滚轴摩擦系数；弹性滞后理论；a n s y s 有限元；钢管混凝土 滚轴；桩基础设计 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t b u i l d i n gm o n o l i t h i cm o v e m e n tt e c h n o l o g yi su s u a l l ya p p l i e di nc i t yr e b u i l d i n g ， t h a t i s ，m o v i n gab u i l d i n g t oan e ws p o tw i t hi t s i n t e g r i t ya n du s a b i l i t y t h i s t e c h o n o l o g yi si m p o r t a n tt or e c o n s t r u c tc i t i e s a tp r e s e n t ，t h e r ei sn of o r m a lc o d ea b o u t h o wt od e s i g no ro p e r a t et h ep r o c e s so fm o n o l i t h i cm o v i n g i ti sn e c e s s a r yt ow o r k a c c o r d i n gt os p e c i f i cp r o g r a m e r t h es t u d ya b o u tf r i c t i o nd u r i n gt h em o n o l i t h i cm o v i n g i si n c u f f i c i e n t ，e s p e c i a l l y , t h a ta b o u tf r i c t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e nr o l l e r sa n ds t e e lp a n e l s ， w h i c hr e s u l t si nt h ed i f f i c u l t yt oc h o s er o l l e r sa n dd e c i d et h ef o r c et oe x e r t b a s e i n go nf o r m e rr e s e a r c hc o n c e r n e d ，t h i st h e s i si sa i m e da tr e s o l v i n gt h ea b o v e p r o b l e m s w i t has p e c i f i ci n s t a n c e ，t h ef o l l o w i n gw o r kh a sb e e nd o n e ： ( 1 ) c o n c e m i gw i t ht h ec o m m o nm o n o l i t h i cm o v i n gw o r k s ，m a i na s p e c t sh a v e b e e n s u m m a r i z e d ，w h i c ha r eh e l p f u lt oo t h e rc o m p a r a b l ep r o je c t s ( 2 ) p r i n c i p l e so ft r i b o l o g yi sa p p l i e dt os t u d y i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er o l l e r f i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dt h ev e g i c a lf o r c e 、t h er o l l e rr a d i u s 、t h ee l a s t i cm o d u l e so ft h e r o l l e r s t h er e s u l t so b t a i n e dh a v eb e e nc o m p a r e dw i t ht h a to ft h ee x p e r i m e n tu n d e rt h e s a m ec o n d i t i o n s t a k i n gt h er o l l e r s p a r t i a lp l a s t i cs t r a i ni n t oc o n s i d e r a t i o n ，t h em e t h o d b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fe l a s t i ch y s t e r e s i si sa p p l i e d ，t h a ti s ，t od e d u c et h ef r i c t i o n c o e f f i c i e n tb yt h eh a l fw i d t ho ft h et a g e n tb a n dw h i c hi so b t a i n e dt h r o u g ha n s y s s o f t w a r e ( 3 ) t h r o u g ha n s y ss o f t w a r e t h er o l l e r s b e h a v i o ru n d e rt h et e s tl o a da n dt h e w o r kl o a dh a v eb e e ns t u d i e dr e s p e c t i v e l y , t h e nt h er o l l e r s f r i c t i o nc o e f f i c i e n th a sb e e n d e d u c e d c o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l tw i t ht h a to ft h ee x p e r i m e n tu n d e rt h es a m e c o n d i t i o n s ，i th a sb e e nc o n c l u d e dt h a tt h es i m u l a t i o nr e s u l ti sr e c e i v a b l e u n d e rt h e w o r kl o a d ，t h er a n g eo ff r i c t i o nc o e f f i c i e n th a sb e e no b t a i n e dt h r o u g hs i m u l a t i n g ，w h i c h a g r e e sw i t ht h a to ft h ee x p e r i m e n tc o n c e m e d t h ea n a l y s i sa b o v ev e r i f i e s t h a tt h e m e t h o dt o g e tt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tt h r o u g ha n s y sl i m i t e de l e m e n ta n a l y s i s i s a c c e s s i b l e ( 4 ) t a k i n gt h ec o n d i t i o no fam o n o l i t h i cm o v i n gi n s t a n c e a b o v er e s u l t sa b o u tt h e f r i c t i o nc o e f f i c i e n th a sb e e nu s e dt od e t e r m i n et h ef o r c em o v i n gt h eb u i l d i n g c o n s i d e r i n gi t s f o u n d a t i o no fm a n m a d ep i l ew i t hb u l bs h a p e db a s e ，r e a s i o n a b l e f o u n d a t i o nt r e a t m e n tp r o j e c th a sb e e nd e s i g n e ds oa st oa v o i db u i l d i n gd e s t r u c t i o na sa r e s u l to fd i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t t h ep r o j e c td e s i g np r o v i d e sar e f e r e n c ef o ro t h e r l i 青岛理工大学工学硕士学位论文 m o n o l i t h i cm o v i n gp r o j e c t so fb u i l d i n g sw i t hp i l ef o u n d a t i o n k e yw o r d ：b u i l d i n gm o n o l i t h i cm o v i n g ；f r i c t i o nc o e f f i c i e n to fr o l l e r s ；p r i n c i p l eo f e l a s t i ch y s t e r e s i s ；a n s y sl i m i t e de l e m e n ta n a l y s i s ；t h er o l l e ro fc o n c r e t e - f i l l e ds t e e l t u b e ；p i l ef o u n d a t i o nd e s i g n 1 i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 建筑物的整体平移，是在保持房屋整体性和可用性的前提下，将其从原址移 到新址，包括纵横向移动、转向或者移动加转向。随着城市规划的不断发展和城 市旧区改造的快速推进，时常会碰到一些已有的建筑物妨碍整个规划实施的问题。 其中，有一些建筑物建造时间很短( 甚至是近二、三年才建造的) ，有一些是具有 一定历史文物价值的建筑物，它们的拆除，是城市资源的极大浪费和文化财产不 可弥补的损失。这就对城市规划提出了一个全新的课题，即如何实施建筑物移位 的问题。 由于我国的城市规划起步较晚，城市规划管理工作缺乏系统法规，在一定程 度上造成了城市建设的盲目性和无序化。1 9 9 0 年4 月1 日，随着我国第一部城 市规划法颁布实施，我国城市建设纳入正规化、法制化的轨道uj 。但是，由于历 史遗留问题多，在规划实施过程中，城区扩大、旧城改造、道路拓宽等工作与原 有建筑物拆迁及居民安置工作的矛盾日益突出。所以，建筑物整体平移技术的完 善和推广使用，其经济效益和社会效益是非常可观的。 1 2 国内外研究现状 欧美许多国家，在城市规划建设发展中，对有使用价值或有历史文物价值的 建筑物都十分珍爱，他们会想方设法，通过对建筑物的诊治、加固、平移等技术 处理，实现最大限度地保护。 世界上第一座进行整体平移的建筑物是位于新西兰新普利茅斯市的一所一层 农宅，该平移工程使用蒸汽机车作为牵引装置【2 j 。 现代整体平移技术始于2 0 世纪初，标志是1 9 0 1 年美国依阿华大学科学馆平 移工程3 1 的顺利完成。由于该校扩建，对校园内重约6 0 0 0 0 k n 、三层高的科学馆进 行了整体平移，而且在移动的过程中，为了绕过另一栋楼，采用了转向技术。 希腊为了保护2 0 世纪初建造的塞沙罗奈基市火车站，铺设了8 条轨道，以每 2 m j 时的速度将该建筑物平移了4 0 米，达到继续使用的目的。 美国一座具有9 0 年历史的国家大剧院，采用平移法，铺设8 根平移轨道，用 了4 个小时平移了5 3 3 米。目的是在原地址修建一个新型的大剧院，这项平移工 程当时就引起了新闻媒体广泛的关注。 青岛理工大学工学硕士学位论文 日本横滨市，在城市规划建设发展中，对该市银行前附属建筑物进行了整体 移位。这座具有6 0 年历史的建筑物，根据城市发展规划的要求，不得不移位到1 7 0 米以外的新址。当时移位工程用2 2 个油压千斤顶，先把1 3 0 0 吨的建筑物托起， 然后用许多滚轴填入，以每秒2 m m 的速度移动，该建筑物移位工程获得圆满成功。 据报道，目前我国建筑物平移技术达到了世界先进水平。但我国的领先之处 更多体现在工程实践上，设计尚处于经验、探索阶段，虽有部分单位在这方面进 行了研究，但理论上的探讨远远跟不上实践发展的要求，远远不能满足建筑物平 移技术的市场不断扩大的需求。 在建筑物平移理论研究和工程实践中，山东建筑工程学院工程鉴定加固研究 所做了许多工作。2 0 0 0 年1 2 月，临沂市国家安全局技侦楼平移1 7 1 4 米工程的顺 利完成，标志着该所移楼技术已达到国内领先水平。他们还陆续成功完成了河北 省曲周县农业局办公楼、历城供电局办公楼以及人民日报社山东印务中心办公楼 等许多工程的平移。 上海天演建筑物移位工程有限公司也是国内较早从事建筑物平移的单位。自 1 9 9 6 年以来，先后承担过十余座建筑物及古树名木的移位设计与施工，位移距离 最远7 9 5 米，垂直最大抬升高度3 3 8 米。通过对四明公所、刘长胜故居、浙江 三门岭口千年古樟、上海音乐厅等项目的成功平移与抬升，奠定了该公司在国内 移位工程界的领先地位。上海音乐厅位于延安东路5 2 3 号，建于1 9 3 0 年。1 9 8 9 年 市政府公布其为上海市优秀近代建筑。根据上海市人民广场综合改造工程的规划 要求，音乐厅总体迁移方案为：先在原址顶升1 7 米，然后平移6 6 4 6 米到达新 址，最后顶升1 6 8 米。将如此风格和结构类型的优秀保护建筑整体移位，在国内 尚属首例。该工程经过7 个月的精心施工，己于2 0 0 3 年7 月取得了圆满成功。 2 0 0 3 年1 2 月5 日，全国首家建筑物移位技术研究中心“同济大学建筑物 移位技术研究中心”在上海成立。研究中心由同济大学结构工程与防灾研究所、 上海现代建筑设计( 集团) 有限公司江欢成设计事务所、上海天演建筑物移位工 程有限公司联合组建，集产、学、研于一体，专门从事建筑物移位技术研究与开 t 及。 同时，国内涌现出了一大批从事建筑物整体平移、转向和顶升服务的工程公 司，如大连九鼎、天津城建天演建筑物移位工程有限公司、沈阳特种工程有限公 司等。随着从事平移工程的公司队伍壮大和建筑物平移项目完成的增多，我国建 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 筑物平移技术在工程实践上达到了世界先进水平。 在总结了施工经验和理论研究成果的基础上，由北京工业大学等单位编制的 建筑物移位改造纠倾技术规范( 征求意见稿) ，于2 0 0 5 年1 1 月1 0 日，完成 了送审初稿的审议和修改，并为2 0 0 6 年6 月在北京召开的规范审查会议做准备。 该修订稿有移位工程的般规定，设计、施工及检测验收等方面的具体规定，使 建筑物移位工程向规范化和标准化方向迈进了一大步。其中，对施力系统的设计 规定：水平移位时，应计算出每条托盘的竖向荷载，由下式计算移位阻力： t i = k f i , v i ( 卜1 ) 式中：工托盘梁i 的水平移位阻力( k n ) ； k 经验系数，取值1 2 - - - 3 0 ，由试验或施工经验确定； f 摩擦系数，滚动摩擦系数取0 0 5 ；滑动摩擦系数取0 1 一- , 0 2 ； w ；托盘梁i 底部的竖向荷载( k n ) 。 施力设备的额定荷载能力应与每条托盘梁的水平位移阻力1 i 接近，并留有适 量的安全储备。 姚忠国( 1 9 9 5 年) 通过房屋整体平移的模拟试验和结合某四层砖混结构楼房 的实际移动情况，讨论了房屋整体平移的基础处理技术和牵引机构设计技术。找出 了滚动牵引机构的牵引力与房屋荷载的关系： n ：垦g 鱼兰! !( 卜2 ) 2 r 式中：k 因轨道板与滚轴表面不平及滚轴方向偏位等原因引起的阻力增 大系数，一般k = 2 5 - - 5 0 ，当轨道板与滚轴均为钢材时k = 2 5 4 1 。 q 建筑物总荷重( k n ) ； f - 沿上轨道板的摩擦系数( c m ) ； f 沿下轨道板的摩擦系数( c m ) ； r 滚轴半径( c m ) 。 为房屋采用滚动牵引整体移动的理论研究和实际应用提供了重要的依据。 张天宇( 1 9 9 8 年) 指出建筑物在整体平移过程中，结构在外加动力作用下处 于变速运动状态，结构内部构件由于运动而产生附加应力。结合某工程实例，采 用建筑结构三维动力分析程序对平移工程中的建筑物进行动力时程分析：当平移 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 加速度放大至3 5 0m m s 2 时，其楼层剪力大于原设计地震剪力。但实际平移加速度 远小于地震时的加速度，仅达到0 5 0 ，因此平移过程中的外加动力对建筑物本 身结构无明显影响，其加速度产生的剪应力不会超过建筑物抗剪能力5 1 。 张鑫( 2 0 0 0 年) 结合工程实例，对平移机构中各组成部分，包括轨道梁、新 旧基础、水平力施加体系等进行了详细分析。指出理论上钢与钢之间的滚动摩擦 系数为上部荷重的l 6 0 1 3 0 ，但工程应用中要考虑的因素很多，如上、下轨道 的平整度，水平力施加体系的变形，滚轴的变形等。为使建筑物顺利地启动及运 行，水平推力的计算宜取为上部荷重的1 1 0 一- - 1 6 ，以保证有较大的富余量【6 1 。 袁广林( 2 0 0 1 年) 结合具体的建筑物平移工程，比较了几种材料的滚动摩擦 系数及弹性恢复力特性，提出了采用工程塑料合金作为滚轴材料的优点。并指出 了一种新的竖向隔振技术，即在承重行走梁内每隔一定距离设置吸振块体；对该 隔振效果进行了计算机模拟分析。分析计算了建筑物在提高刚度前、后的自振周 期，以确定实际工程中采用的推拉周期 7 】o 这些研究成果为安全、可靠地实施大空 间、复杂结构建筑物的平移奠定了基础，并己成功地应用于建筑物平移工程。 徐学军( 2 0 0 2 年) 详细讨论了在楼房平移工程中移动系统的形式和种类，并 指出，当选择实心钢辊作为滚轴时，可不验算单个滚轴的强度，滚轴数量可根据 混凝土局部受压来控制【8 1 。当采用空心钢管，内填膨胀混凝土或砂浆时，根据劈裂 破坏的强度计算公式，经推算可以得到滚轴的平均压力计算公式如下： f o ：z d f l l f l a ( 1 - 3 ) 2 式中：d 滚轴直径( m i l l ) ； l 滚轴长度( m m ) ； 考虑滚轴受压不均匀的计算长度折减系数，可取0 8 o 9 ； f l 内填混凝土的抗拉强度标准值( m p a ) ； 口考虑钢管约束作用的混凝土强度增大系数，当钢管的壁厚在 5 6 m m 时，口值一般为6 7 。 将上述系数合并成一个综合系数，y = f l a 2 ，则滚轴的受力实际是钢管和混 凝土受力之和，根据部分已有工程中的滚轴试验资料，综合系数y 可取4 - 一5 。 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 、n 计算滚轴个数根据：n = k 每 ( 卜4 ) f o 式中：n 滚轴个数； y n 上部结构竖向荷载总和( k n ) ； k 安全系数，k 建议取值不小于3 ； f n 单个滚轴平均受压承载力( k n ) 。 都爱华( 2 0 0 2 年) 对9 层建筑模型进行了整体平移的试验研究，得出建筑物 平移所需启动牵引力与建筑物白重和滚轴直径的关系，即建筑物整体平移所需的 启动牵引力f 随着建筑物自重的增大而增大，但并不呈线性比例关系，其增加的 速度大于自重增加的速度；启动牵引力f 与滚轴直径的大小成线性反比关系 9 1 。这 和实际工程分析所得规律是一致的。平移过程的加速度在启动和卸载时最大，但 持续时间比较短。建议根据实测加速度时程曲线及阻尼比进行动力分析。 朱宏平( 2 0 0 3 年) ，详细地介绍了建筑联合体平移过程中的基础处理技术， 包括平移前对旧基础的改造、行走基础的设计和平移后新基础的设计和新地基的 处理；特别地分析了上部结构框架柱与后浇混凝土基盘之间的剪切薄弱面的冲切 破坏机理，并提出了抗冲切的设计方法，通过试验研究和有限元分析，说明所采 取的技术措施是可行的【10 1 。 黄祥忠( 2 0 0 4 年) 对基础托换与结构加固技术适应范围进行了理论上的分析 研究；并结合工程实例对该项技术进行了方案设计，对比几种不同的托换方案和 节点及构造设计，提出了“通筋穿标柱法”做承台梁，“抗弯抗剪锚筋法”强化柱 加固效果，“钢板箍法”做地基梁钢筋连接点等多项技术。该研究对于加强建筑物 的整体性、保证托盘体系的受力合理性以及确保平移过程的安全性提供了有价值 的参考【1 。 1 3 本文的主要工作 总结前人有关平移工程的研究成果，可以知道，平移工程是一项极为复杂的 工程，设计及施工时必须对以下的关键环节予以重视： ( 1 ) 平移工程中的基础处理：基础的处理包括被移动房屋原基础的处理，新基 础的处理，原基础与新基础之间部分处理三部分。因基础处理不当引起的过大不均 匀沉降会导致严重的平移工程事故。 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 平移工程中的托换形式：在建筑物移位工程中，托换是关键的技术之一，关 系到移位工程的造价和建筑物移动的安全性。 ( 3 ) 平移工程的滚轴与施力系统设计：滚轴是上部结构与基础之间的可动支撑， 承受移位过程中建筑物的全部荷载，是托换体系重要传力构件之一，此外，其摩擦 性能直接关系到施力系统的设计，研究滚轴在工程荷载下的性能对于建筑物平移 的安全性至关重要。 ( 4 ) 实时监测：在建筑物移位过程中，结构的不均匀沉降、轨道平整度差、各 轴线移动不均匀、加载卸载时振动加速度过大，都可能对建筑物造成安全隐患。为 确保移位的平稳性和可靠性，对建筑物移位过程进行静、动态实时监测并随时调整 施工方案十分重要。 本文主要围绕第l 、第3 个关键环节，进行分析研究，提出了新见解。 滚动摩擦是指一个物体在另一物体表面上滚动时，受到接触面的阻碍作用。 滚动摩擦产生的条件是物体与平面接触的部分必须发生形变，平面形变的特点是 在滚动物体的前方形成了凸起。形变的这种特点使滚动体受到的支持力的作用点 前移，并且方向不是竖直向上的。这样，支持力的水平分力阻碍平动；支持力的 竖直分力对转轴的力矩阻碍转动，即滚动摩擦力矩。 理论上钢一钢间滚动摩擦系数为上部荷重的的1 6 0 一l 3 0 ，这只是理想滚动 或实验条件值。工程应用中要考虑的因素很多，如上下轨道的平整度、水平力施 加体系的变形、滚轴的变形、千斤顶操作者可工作性等。因此，在规范及实际取 值上，一般引入经验系数k 与摩擦系数的乘积作为扩大后的摩擦系数，k 一般取 值为1 2 3 0 t 1 2 】。但根据试验研究 9 1 ，摩擦系数的大小与作用在滚轴上的竖向力 有很大关系。对于如何选择滚轴并确定施力装置，分析滚轴受力与摩擦系数的关 系就显现出其重要性。 建筑物平移是一项相当复杂的工程，而目前我国还没有正式的建筑物平移的 设计规范和施工规范可遵循，也缺乏针对具体建筑物的特点进行相应的平移试验 研究和理论分析成果可参照，所以，针对问题的特殊性，进行合理的结构设计、 基础设计和施工设计，就显得尤为重要。 在房屋整体平移工程中，当建筑物重量大、结构复杂，又面临新旧基础交错 的问题时，基础处理就成为整个平移工程设计的关键。因为在房屋整体平移过程 中，刚进入过渡段时，房屋一部分在原基础上，一部分在过渡段轨道上，考虑到 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 原基础沉降已经趋于稳定，此时就必须严格控制沉降差。如果房屋沉降差过大， 将引起上部结构开裂，甚至倒塌。并且，国内外己发生过平移引起的建筑物倒塌、 损坏的严重事故【i3 1 。为保证平移过程中以及平移就位后建筑物不受损坏，并且保 证不低于原有建筑物的结构强度和可靠度，必须制定出针对不同基础型式、不同 基础深度的旧基础的改造方案、新地基的处理方案和新基础的设计方案。 本文作者引入摩擦学理论对滚轴的摩擦系数进行分析，并用a n s y s 有限元分 析软件模拟钢滚轴和钢管混凝土滚轴在竖向力下工作性状；在以往有关建筑物平 移的试验研究成果和平移工程实例的分析结果的基础上，对于如何确定滚轴摩擦 系数，提出了新的见解。并结合具体工程，针对原人工挖孔扩底桩基础的形式， 设计了合理的旧基础改造方案、新旧地基的处理方案。主要涉及以下几个方面的 工作： ( 1 ) 首次引入摩擦学公式对滚轴的摩擦系数进行分析，提出滚轴摩擦系数随滚 轴的竖向力、半径和弹性模量的变化关系； ( 2 ) 用a n s y s 有限元分析软件模拟钢滚轴在竖向力下工作性状，通过滚轴受竖 向力下赫兹接触带半宽a ，推断不同竖向力、半径和弹性模量下的摩擦系数，并与 试验结果进行比较分析； ( 3 ) 用a n s y s 有限元分析软件模拟钢滚轴和钢管混凝土滚轴在大荷载下的工作 性状，通过滚轴受竖向力下赫兹接触带半宽a 推断工程中实际荷载下的摩擦系数。 结合一工程实例，确定该平移工程的滚轴形式和外加动力； ( 4 ) 结合具体工程实例，针对原人工挖孔扩底桩基础的形式，多方面分析了平 移工程中的新旧基础形式和轨道下的地基处理方法。 7 青岛理工大学工学硕= e 学位论文 第二章建筑物移位工程介绍 目前，建筑物移位技术，作为一种新兴而又蓬勃发展的特殊技术，对于我国 进行合理、有效的城市改造和建设显现出越来越重要的意义。但我国尚没有正式 的建筑物移位设计规范和施工规范可依据；此外，移位工程是一项极为复杂的工 程，涉及到移位设计、移位施工以及监测等多方面的密切配合。鉴于移位工程的 特殊性、复杂性和不规范性，本章在吸取以往有关研究成果的基础上，对一般建 筑物移位涉及的各个方面做了总体的概况和介绍。 2 1 建筑物移位的概念 建筑物移位是通过建筑工程技术的处理，将整栋建筑物从原来所在的位置， 移动到事先规划好的新位置。建筑物的移位既要做到安全可靠，又要使成本尽可 能的低于拆除重建的造价；在移位中还要尽量减少对周围环境及原建筑物二层以 上住户业主的干扰。 2 2 建筑物移位的分类 建筑物移位工程按不同标准有不同的分类方法，见表2 1 。 表2 1建筑物移位的分类 建筑物移位的分类标准建筑物移位的分类 1 、基础和上部结构整体移位 根据建筑物上部结构和基础设计整体性 2 、基础和上部结构切断 1 、分体移位：上部主体分成两部分或更 根据建筑物上部结构主体设计完整性多的单体进行平移 2 、整体移位：整个结构主体一次性移位 1 、牵引动力移位：采用千斤顶等动力设 备在前移方向实施牵引 根据建筑物移动动力设计形式 2 、顶推移位：采用千斤顶实施顶推移位 3 、综合移位法：牵引、顶推同时实施 l 、滚动移位：设置上、下轨道，其间辅 设滚轴 根据建筑物移动方式2 、滑动移位：上轨道设置钢板或槽钢， 下轨道铺设钢轨 3 、综合移位：滚动滑动相结合 1 、直线移位 2 、转动移位 根据建筑物移动方向 3 、升降式移位 4 、综合式移位 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 就已有的工程实践看，多采用基础和上部结构切断的分体式移位；为减少摩 擦进而减少施力设备所提供的外力，多采用滚动移位方式。 2 3 建筑物移位工程的流程 建筑物平移是一项相当复杂的工程，包括建筑物的移位设计、移位施工及验 收等多方面的工作，建筑物移位工程的流程图见图2 1 。 收移移施 集位位工 m 二亡 可 方日u 程行案 j 期 资性设 准 料分计备 析 移位轨道 建建建 筑筑筑 建筑物托换 物 物 物 移 就 修 位位复 新建基础 连验 接 收 图2 1 建筑物移位流栏图 2 4 移位设计 建筑物移位工程的技术设计首先应进行综合技术分析、经济运行分析和可靠 性论证，经综合评定适宜移位，方可进行整体移位设计。 2 4 1 考察建筑物实地，收集相关资料 在设计建筑物移位方案前，首先要对该建筑物进行实地考察，掌握移位建筑 物的形体、结构、特征以及周围的环境、地形地貌等第一手资料。具体包括移位 建筑物的原设计图、场地地质状况、勘查报告及其使用情况和构造特性等。 2 4 2 设计移位方案，计算基础荷载 根据移位建筑物实地考察的情况，在收集相关资料后： ( 1 ) 计算出作用在托换底盘结构上墙体的线荷载与柱子的集中荷载值； ( 2 ) 结构计算，包括托换底盘结构设计、截面计算、配筋计算以及结构的联结 构造措施； ( 3 ) 在设计整体平移线路上的基础时，按照永久性基础设计，其安全系数应适 当降低，取永久性设计的8 0 1 3 】； ( 4 ) 在设计移位后的地基基础时，按照永久性基础设计，若出现新旧基础交错 的情况，应考虑到既有建筑地基承载力的提高造成了新旧基础变形的差异，必要 时做加固处理的设计。 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 4 3 设计移位轨道，确定托换方式 上、下轨道设计。原建筑物的基础作为下轨道梁，并进行加固处理；在确定 下轨道梁型式后，按墙下条形基础设计。托换梁作为移动的上轨道梁，确定托换 梁的计算方法。上、下轨道梁系结构应同时根据移位荷载的滚动压力进行设计。 对于框架结构的平移工程，框架柱被截断后，就必须增设一个能支承整体框 架柱的结构体系，这个结构体系就是托换结构体系，即托盘结构体系；对于砖混 结构，托换技术针对承重墙体施行。托换技术的作用，不仅体现在改变了荷载传 递途径的方面，还体现在通过加强上部结构刚度，改变和调整上轨道梁荷载分布， 使托盘结构受力更均匀的方面，它保证了基础截断后以及平移过程中上部结构的 安全性和稳定性。平移工程中常用的托换型式有梁式结构体系、拱式结构体系和 梁板结合结构体系【1 2 】。可以是钢筋混凝土结构，也可以是钢结构。较常使用的是 钢筋混凝土梁式结构体系。钢筋混凝土包柱式梁托换结构即通过采用托换梁与结 构柱之间的新旧混凝土界面连接技术，使托换结构与原结构牢固地连接在一起并 共同工作，而不需要在结构柱上打孔，造成损伤1 3 】。包柱式结构使轨道与原有基 础及新基础连成一个坚固的下底盘，新址的基础连接好后，该底盘并没有占用首 层空间，所以并不需要拆除。一方面可节省拆除的费用；另一方面是在建筑物恢 复使用后增加了整个建筑物基础的刚度【1 4 1 。 2 4 4 设计行走方式，选好轨道板 设计建筑物平移，行走有两种方法：滚动式移位与滑动式移位，见表2 2 。 表2 2 平移行走方式 平移行走方式优点 缺点 移动速度快；磨擦系数小，需提 滚动式移位稳定性能差 供的移动动力小。 平移时比较稳定，移动速度缓 滑动式移位 摩擦阻力大 慢；需提供较大的移动动力。 平移行走机构设计中，滚轴及轨道板应具有足够的强度和刚度，平移轨道应 具有足够的承载能力。轨道板的作用在于扩散滚轴压力和减少滚轴摩擦力。轨道 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 板均采用钢结构，轨道板接缝处应保持平整，并有一定的连接处理，以形成一个 整体。轨道板根据位于滚轴上下的位置分为上轨道板与下轨道板。轨道板的选用 参数见表2 3 。 表2 - 3 轨道板选用参数 轨道板分类选用型钢轨道板宽度轨道板厚度 槽钢、工字钢、h 钢、同上部托换梁宽度相一般在1 0 2 0 m m 上轨道板 组合钢轨、普通钢板等 组合型钢结构，通常墙体厚度为轨道板宽根据荷载确定。一 下轨道板 采用槽钢度般采用2 0 m m 2 4 5 设计滚动支座，确定外加动力 建筑物的( 滚动式) 移动系统一般是通过滚动支座的滚动来实现。整个建筑 物一般设置数十个滚动支座，每个滚动支座限制于上轨道梁的定范围内口。支座 上下采用2 0 r a m 的钢板作为上下轨道面，有利于应力扩散及减少滚动摩擦力。滚轴 一般采用实心钢滚轴或钢管混凝土滚轴，其长度一般比轨道板宽度长1 5 0 2 0 0 m m ， 如果出现偏位时，滚轴可通过斜放来调整，同时外露一定长度以便对滚轴进行矫 正。滚轴直径取值如下： 钢管滚轴直径为1 0 0 1 5 0 m e ； 圆钢滚轴直径为5 0 1 0 0 r a m 。 要使建筑物移动还需要确定外加动力，即设计移动装置。移动装置有顶推式 和牵引式两种，顶推式一般用于较大型建筑物的移位；牵引式用于小型建筑物的 移位，必要时两种动力方式可联合使用【13 1 ，见表2 4 。 外加动力的大小与建筑物荷重、行走机构材料等有直接关系，总外加动力 n ( k n ) 计算公式如下： n ：鉴q 垡! ：!( 2 一1 ) 2 r 式中：k 因轨道板与滚轴表面不平及滚轴方向偏位等原因引起的阻力增 大系数，一般k = 2 5 , - - 一5 0 ，当轨道板与滚轴均为钢材时k = 2 5 。 q 建筑物总荷重( k n ) ； 卜沿上轨道板的摩擦系数( c m ) ； 青岛理工大学工学硕士学位论文 f 沿下轨道板的摩擦系数( c m ) ； r 滚轴半径( c m ) 。 当上下轨道板材料相同时，则f = f 此时： n ：k 堕 r 表2 - 4 外加动力选择 ( 2 - 2 ) 动力选择方向 优点缺点技术措施 作用点偏高平移 顶推平移l o 2 0 m 作用于建 比较稳定，容易调时建筑物移动一 后应重新安装反 顶推力筑物方向 整。定距离后，力支座 力支座，随着平移 的后面 距离的增加应采 需要重新安装。 取加固措施。 尽量采用变值一 作用于建 远距离单向平移中， 牵拉力拉杆或绳，致的拉杆或拉绳， 筑物方向 只要设置一个反力 受力后变形较大。一般应优先采用 牵拉力装置，千斤项及反力 的前面。弹性模量较大的 装置无需反复移动。 材料。 2 5 移位施工 建筑物移位施工要依据工程移位设计图，参照建筑工程施工及验收规范汇编 中的相关规范，合理施工。 建筑物移位施工包括编制施工组织计划；底盘结构体系施工；托盘结构体系 及结构加固施工；截断施工；平移施工；连接与恢复施工。在施工的过程中密切 关注托盘及底盘结构体系和建筑物的变形、裂缝及不均匀沉降隋况，监测建筑物 各轴移动的均匀性、方向性，并做出及时的调整。 其中，底盘结构体系、托盘结构体系以及截断施工应严格按照施工方案中的 顺序对称进行，上、下轨道、滚轴、墙托梁示意图见图2 - 2 1 5 j 。平移施工应均匀缓 慢进行，保持同步，速率不宜大于6 0 r a m 分钟，并及时纠正前进中产生的偏斜量， 牛腿、千斤顶、反力支架安装情况见图2 3 【l5 j ；为减少摩擦阻力，可辅以润滑剂， 如润滑油、硅脂等；移位设备应有测力装置，并能保证同步精度。连接与恢复施 工时，应及时加固和修复移位产生的裂缝。 1 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 图2 2 上下轨道、滚轴、墙托梁”。 图2 - 3 牛腿，千斤顶、反力支架” 2 6 检测验收 检测验收的内容包括：建筑物就位后的轴线位置与设计轴线位置的偏差不宜 大于5 0 m m ；建筑物就位的标高与设计标高的偏差不宜大于5 0 m m ；移位后的建筑物 不得产生大于5 唧的贯通裂缝。 2 7 本章小结 本章在参照以往工程实例的基础上，着重介绍了建筑物移位工程的分类、设 计、旋工及设备、验收等内容，指出针对不同情况应注意的问题。 其中，托换技术是关键环节，针对柱及墙有不同的措施，达到转化荷载传递 方式的作用。托换结构有助于加强建筑物的整体剐度，确保平移过程安全。基础 处理设计关系到平移工程的安全性，尽量减少不均匀沉降。滚轴选择时，要综合 考虑摩擦性能、变形能力和承载力；施力系统确保同步移位，避免加速度。 青岛理工大学工学硕士学位论文 第三章滚动摩擦基本理论 对建筑物平移工程来说，选择滚轴类型、确定施力系统类型及外力大小是很 重要的一部分内容，这就必然面临如何合理地确定摩擦系数的问题。理论上钢与 钢之间的滚动摩擦系数很小，与工程实际情况有较大差别，为此，目前一般通过 引入扩大系数的方法，使其与工程实际情况吻合。扩大系数需结合实际情况并根 据经验取得，难以把握，所以，本文作者认为有必要结合滚动摩擦学的相关理论 对其进行细观研究，以便于工程中做出合理的选择。 3 1 赫兹接触 对于两个圆弧形物体的接触问题，首先是由h e r t z 针对弹性情况解出的，所 以这种接触情况通常称为赫兹接触【l6 1 。研究两个处于平面应变状态的相同圆柱的 接触情况，接触区是由于两个圆柱相互挤压形成的一个平面，如图3 - 1 。 卜一| 2a亡- d 区 图3 - i 赫兹接触图3 - 2 两个圆柱接触时的压力分布 可以看出赫兹接触的特点是，接触区的宽度随着荷载的增加而增加。鉴于接 触区中心的变形比两端大，当两个相同的圆柱在单位长度的法向荷载p 的作用下 接触时，设形成的平面接触区的宽度为2 a 如图3 - - 2 ，实际的接触压力p 的分布 形式为【1 7 】： p = 孙 净， 增加荷载会使a 增大，从而使应变增大，可以预期无量纲变形的关系式为： 1 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 变形芘， la 式中r 为圆柱的半径。实际上这种情况下的解为： a z ：竺垦! ! 二盟( 3 2 ) 虎 按式3 一l 、式3 2 求得的解基本上也适用于两圆柱半径不相同的情况，即具 有平面接触形状时。只要圆柱接触宽度所对圆心角小于3 0 。，对于其它的接触形 状，也可应用上述结果，不过要用e 和r ，而： 三：丝+ 丝( 3 - 3 ) e e le 2 三：土+上(3-43-4)- = + j r r lr 2 因此，a 2 ：- _ 4 p r 7 匠 ( 3 - 5 ) 当圆柱位于平面上时，平面的半径可取无限大。因此r 就是圆柱的半径。还 值得指出当ejo o 时，固体就成为刚体，这时就形成单点接触，而a 一0 。 3 2 滚动力学及摩擦 3 2 1 基本概念 ( 1 ) 滚动摩擦：一个物体在另一物体表面上滚动时，受到接触面的阻碍作用。 滚动摩擦产生的条件是物体与平面接触的部分必须发生形变。图3 - 3 是接触 面产生形变的情况，平面形变的特点是在滚动物体的前方形成了凸起。正是因为 形变的这种特点，使得滚动体受到的支持力的作用点前移，并且方向不是竖直向 上的。这样，支持力的水平分力阻碍平动；支持力的竖直分力对转轴的力矩阻碍 转动，即滚动摩擦力矩。 图3 - 3 滚动时的变形图3 4 静止时受力情况 1 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 以圆柱体为研究对象，分析物体受到的力。当圆柱体在水平地面上，不受外 力，静止不动时，如图3 4 所示，物体与地面的形变都是左右对称的，物体受到 竖直向下的重力g ，地面给它的支持力n ，物体处于平衡状态，所以n 和g 两个力 大小相等，方向相反，在同一直线上。当圆柱向前滚动时，物体与地面的接触部 分，为右侧的一段“弧线”。则物体所受的支持力，分布在右侧的这段“弧线” 上，且总是与支持面相切，如图3 - 5 。 图3 5 滚动变形受力图3 - 6 简化受力情况 将此力系简化到一个点a 上，如图3 - 6 ，得到力n 。沿竖直方向和水平方向分 解n ，得n x 、n y 。实际上，n 与竖直方向的夹角极小，所以n x 极小；且圆心正下 方的b 点到n x 作用线的距离很小，故n x 对b 点的力矩近似为零。n y 与g 大小相 等，方向相反，不在同一直线上，是一对力偶。设n y 对b 点的力臂为6 ，则力矩 m x = 6n y 。当圆柱体滚动时，力臂6 固定不变。圆柱体将要滚动时的6 称为滚阻 系数。力偶( n y ，g ) 的转动方向为逆时针方向，与物体运动方向相反，阻碍物体 的运动，称为滚阻力偶。当物体的形变量越大时，n y 偏移得越多，即力偶臂6 越 大，阻力矩越大，则所需动力越大【1 8 】。 ( 2 ) 无量纲滚动摩擦系数： 驱动力f 作的功a 与法向载荷f n 和滚轮中心位移l 之比，即 f ：尘：v x a ：旦 ( 3 6 ) f n lf n x 滚动摩擦系数较小，一般钢钢的摩擦系数为万分之数