古建筑平移托换结构安全储备分析.pdf

3 8 低温建筑技术 2 0 1 5年第 3期 总第 2 0 1期 D OI 1 0 ． 1 3 9 0 5 ／ j ． c n k i ． a w j z ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 1 6 古建筑平移 托换 结构安全储 备分析 任文 天津大学建筑工程学院。 关津3 O 0 0 7 2 【 摘要】 在采用建筑物整体平移技术对古建筑进行平移保护时， 托换结构的承载力安全储备系数对上部 结构在超载情况下的安全影响很大。文中以某古塔平移工程为例， 采用有限元软件 A N S Y S对平移中托换结构的 承载力安全储备进行了分析。根据有限元计算结果， 托换结构具有足够的安全储备 ， 可以保证上部结构在平移中 的安全 。 【 关键词】 古建筑； 托换结构 ； 安全储备系数 【 中图分类号】 T U 7 4 6 ． 4 B 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 5 0 3 0 0 3 8 0 2 S AFET Y DEGRE E ANALYS I S ON UNDERP NI NG S T RUCT URE l N THE M oVEM E NT oF ANCI ENT BUI LDI NG REN W e n S c h o o l o f C i v i l E n g i ． ， T i a n j i n U n i v ． ， T i a n j i n 3 0 0 0 7 2 ， C h i n a Abs t r a c t An c i e n t b u i l d i n g i s p r o t e c t e d b y t h e b u i l d i n g mo n o l i t hi c mo v e me n t ， t h e s a f e t y o f t h e u p p e r b u i l d i n g i s e f f e c t e d b y t h e s a f e t y s t o r a g e c o e ff i c i e n t o f t h e u n d e r p i n n i n g s t r u c t u r e ． I n t h i s p a p e r ， t h e s afe t y d e g r e e o f t h e u n d e r p i n n i n g s t r u c t u r e i s a n a l y z e d w i t h t h e ANS YS ． Ac c o r d i n g t o t h e c alc u l a t i o n r e s u l t ， t h e s a f e t y s t o r a g e o f t h e u n d e rpi n n i n g s t ruc t u r e i s e n o u g h f o r t h e e n g i n e e r ， a n d t h e s a f e t y o f t h e u p p e r b u i l d i n g i n mo v e me n t c a n b e g u a r a n t e e d ． Ke y wor ds a n c i e n t b u i l d i n g； u n d e rp i n n i n g s t ru c t u r e； s afe t y s t o r a g e c o e ffi c i e n t 随着城市的开发和改造， 许多古建筑面临着拆除 重建的危险。古建筑具有很高的文物价值， 为对其进 行保护 ， 可 以采用建筑 物整体移 位技术 对古建 筑进行 平移 。古建筑平移过程 中 ， 托换 结构作 为承 受上部 结构荷载并将荷载传递到下部轨道基础的转换结构 ， 其受力 和变 形对 上部 结构 在平 移 过程 中的安 全影 响 很大 。目前 国内对 于古塔 整体平移 的托换 结构 的 力学研 究较 少 ， 文 中 以某古 塔平移 工程 为例 ， 对平 移 工程 中托换结 构 的安 全储 备进 行 了分 析 。根 据有 限 元计算结果 ， 验证 了托换结构 的工 程安 全性要求 。计 算不同托换梁高下托换结 构 的允许承载 力 ， 为 以后类 似平移 工程托换结构 托换 梁高的选 取提出了建议 。 1 工程概况 某古塔位 于 河道 附近 ， 由于河 流 需要 治 理 ， 需对 古塔进行保护， 将古塔向东北方向平移 1 2 0 m。 古塔为7层六边形， 砖木混合结构 ， 底层 占地面积 约 2 0 m ， 高约 2 2 m， 塔基用青砖砌筑 ， 外 围用青 条石包 砌一圈。本次平移塔体 自身重量约 3 1 0 t ， 托换底座重 量 3 1 0 t ， 平移总重量共约 6 2 0 t 。托换结构平面如图 1 。 托换结构分为预应力托 换梁 、 非预应 力托换 梁 和 筏板基础三部分 ， 其中 T L 1为预应力托换梁 ， T L 2和 T L 3为非预应力托换梁 。 图 1 托换结构平面 2 托换结构 有限元模型 实际工程托换结构中， 预应力托换梁采用 C 4 0混 凝土， 抗压强度为2 6 ． 8 M P a ， 弹性模量为 3 ． 2 5 G P a 。非 预应 力 托 换 梁 采 用 C 3 0混 凝 土 ， 抗 压 强 度 采 用 2 0 ． 1 M P a ， 弹性模量 3 G P a 。钢筋采用 H R B 4 0 0钢筋 ， 屈 服强度实测值为 4 6 5 MP a 。混凝土本构关系采用 混 凝土结构设计规范 附录 c建议的本构关系， 钢筋采 3 9 用双折线本构关系。 预应力钢绞线张拉控制应力为 1 3 9 5 MP a ， 考虑预 应力的摩擦损失 、 钢筋松弛损失 和混凝土的收 缩 徐 变 损 失 O r ⋯ 最 终 预 应 力 筋 的 实 际 预 应 力 为 8 4 3 b l P a 。 采用 A N S Y S 软件建立托换结构的实体模型 j ， 建 模选用单元类型为 s o l i d 6 5单元、 l i n k 8单元和 s o l i d 4 5 单元 。主要研究对象 为下部 托换 结构 ， 只建立 托换 结 构的实体有限元模型， 上部塔体简化为均布荷载施加 在托换结构上 。有 限元模 型中预 应力 梁 、 非预 应力 梁 和托换底座筏板混凝土均采用 s o l i d 6 5单元用来模拟， 钢筋混凝土采用整体式模型， 非预应力钢筋弥散在混 凝土单元中。预应力钢绞线采用 l i n k 8 单元模拟， 预应 力通过降温法施加。在边托梁下设置钢滚轴 ， 作为托 换结构 的支座 。边托 梁 下部 钢滚 轴采 用 s o l i d 4 5单 元 模拟， 钢滚轴与托换边梁之间的连接方式采用刚性连 接， 模型采用 自由网格划分 ， 网格划分后有 限元模型 如 图 2 。 图2 托换结构有限元模型 施加在托 换结 构 上 的荷 载 主要 是上 部 的塔 体 自 重、 混凝土护筒 自重和托换结构 自重。其中上部结构 自重按照均布荷载施加在托换结构筏板顶面， 三阶混 凝土护筒下的等效均布荷载分别为 第一阶护筒下荷 载 7 3 ． 5 1 0 一M P a ， 第二阶护筒下荷载 4 9 1 0 ～MP a ， 第三 阶护筒 下荷 载 为 2 6 ． 9 51 0 ～MP a 。托换 结构 自 重荷载通过施加重力加速度得到， 托换结构总重量为 2 ． 4 21 0 k g ， 重力加速度取为 9 ． 8 N ／ k g 。 托换结构边托梁下部以2 0 0 m m等间距布置直径为 1 0 0 m m 的钢滚轴 ， 有限元计算时将边托梁下部 的钢滚轴 作为托换结构的竖向支座， 为托换结构提供竖向约束。 为确保上部结构的安全 ， 使平移工程中托换结构 具有足够 的安全储备 。文 中以托换结构混凝土开 裂作为极 限状态 ， 对 托换结 构 的混 凝土 开裂前 安全 储 备进行 了分析 。在分 析 中 ， 由于预 应力 托换梁 承受 大 部分的上部荷载， 预应力托换梁会 比非预应力托换梁 开裂早。分析中将预应力托换梁的开裂荷载作为托 换结构 的承 载力 极 限荷 载 。分 析 中采 用 的方 法是 通 过在有限元模型加载面上逐级增加荷载， 直到托换结 构预应力托换梁开裂。为保证托换结构在平移过程 中不发生开裂， 托换结构开裂前安全储备系数 『 ， P K 式 中， K为 托换 结构 开裂 前安全 储备 ； P 为 托换 结构开裂荷载； P为托换结构施工阶段荷载。 3 计算结果和分析 在计算 过 程 中当荷 载 施 加 到 4 7 5 ． 0 1 1 0 b l P a 时， 预应力托换梁跨中最大拉应力达到混凝土抗拉强 度 2 ． 3 9 M P a ， 当再施加下一荷载子步时， 托换结构预应 力托换梁混凝土开裂 ， 出现 了拉应力 释放现 象 。这说 明托换结构的开裂荷载为 4 7 5 ． 0 1 1 0 ～M P a ， 此开裂 荷载 即为托换结构 的承载力极 限荷 载 ， 极 限荷 载对应 的上部结构 自重为 4 9 0 t 。 按照之前式 1 提出的算法， 计算托换结构 的承 载力安全储备系数。 K - ． s 8 根据计算结果， 文中研究的古塔平移工程中设计 的托换结构承载能力安全储备系数为 1 ． 5 8 。托换结 构的承载力安全储备系数 的评判标准现今还没有一 个明确的标准， 文中参考规范中采用的单一安全系数 法和 预应力混凝土结构设计与施工 一书中预应力 受弯构件的安全系数 ， 考虑托换结构是临时结构只在 平移施工过程中起作用。文中分析过程中， 将托换结 构的承载力安全储备系数安全值定义为 1 ． 5 。 托换结构 的承载力安全储 备 系数 为 1 ． 5 8 ， 大 于定 义的安全储备系数 1 ． 5 。说明托换结构具有足够的承 载力安全储备 ， 能够抵抗平移施工过程 中可能出现的 超载或其他不利的状况， 为古塔的平移施工提供一定 的安全保证。 4结语 文 中通过 对某 古塔 平 移工 程 中托换 结 构 的承 载 力安全储备进行有 限元分 析 ， 得 出以下结 论 。托换 结 构的开裂前安全储备系数为 1 ． 5 8 ， 大于按照单一安全 系数法确定的预应力混凝土受弯构件 的安全系数允 许值 1 ． 5 。设计的托换结构满足安全性要求， 且具有 足够的安全储备， 当实际施工时出现超载时 ， 不会对 上部结构安全造成很大 的影 响。 参考文献 [ 1 ] 商冬凡 ， 王铁成 ， 崔少华 ．古建筑平移中移动系统 的受 力性 能 试验研究[ J ] ． 建筑结构 ， 2 0 1 3 ， 4 3 1 O 4 l 一 4 4 ． [ 2 ] 吴二军 ．建 筑物整体平移关键技术研究 与应用 [ D] ． 南京 东 南大学 ， 2 0 0 3 ． 4 0 低温建筑技术 2 0 1 5年第 3期 总第 2 0 1 期 D OI 1 0 ． 1 3 9 0 5 ／ j ． c n k i ． a w j z ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 1 7 考虑高 阶剪切 变形硬夹芯夹层板弯 曲研 究 黄志平 ， 邓宗白 南京航空航天大学航空宇航学 院， 南京2 1 0 0 1 6 【 摘要】 基于指数型高阶剪切变形理论分析硬夹芯夹层板的位移模式 ， 并考虑了面板的抗弯刚度， 应用广 义虚位移原理推导了硬夹芯夹层板的基本方程。详细研究了横向载荷作用下四边简支的硬夹芯夹层板的弯曲， 对比计算了夹芯刚度变化对计算结果的影响， 并与基于一阶变形的R e i s s n e r 理论和邓宗白等修正硬夹芯模型进行 了对比。探讨了中面法线变形后的形状和厚度方向剪应变分布情况， 由于文中考虑了高阶剪切变形 ， 从而提高了 研究精度 。 【 关键词】 高阶剪切变形； 夹层板 ； 硬夹芯； 广义虚位移原理 ； 横向剪应变 【 中图分类号】 T U 5 9 9 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 5 0 3 一 O 0 4 O一 0 3 0 引言 夹层板理论大致包括 经典 夹层板 理论 ， 一 阶剪切 变形理论 和高 阶剪 切变 形 理论 。经 典 夹层 板理 论将 K i r c h h o ff假设应用到夹层 板 简化分析 中 ， 忽略 了横 向 剪切变形的影响， 试用于薄板问题， 考虑横 向剪切变 形的影响 ， R e i s s n e r 和 Mi n d l i n提 出了一 阶剪切 变形理 论 ， 假设横 向剪切应力 在厚度 方 向上 均匀 分布 。近几 年 ， 国 内外 诸多 学者 引入 一个 横 向剪切应 力 函数 ， 以 克服一 阶变形理论的不足 。 R e d d y引入抛物线分 布的横 向应变变 形参数 。 ， 获得 了对称分布 的剪 应变分量 ； H a s s i s l 3 引入 横 向翘 曲变 形 以 描 述 层 合 板 的 变 形 ， 其 基 于 K i r c h h o ff 和 Mi n d l i n假设 ， 引人参数描述横 向载荷引起 的翘 曲变 形； F e r r e i r a 等 将各层独立分析， 假定芯层和面板的 横向载荷引起的翘曲变形形式不同， 用位移一致协调 性条件将各层联系起来； 郝加琼、 邓宗 白等 考虑了 硬夹芯夹层板 的高 阶剪切变形 ， 引入正 弦三 角函数研 究硬夹芯 夹层 板 的弯 曲与 振 动问题 。高 阶变 形理 论 相对 于经典夹层板理 论和一 阶变形理 论 ， 能更 好地 描 述夹层板 的变形情况 ， 有效地反应横 向剪切效应 。 文 中基 于高 阶变形 理论 ， 引入指数 型 函数研究 硬 夹芯夹层板的弯曲问题， 且考虑了上下面板的抗弯刚 度 ， 并用 N a v i e r 方法求解了四边简支情况下， 受均布荷 载的硬夹芯夹层板的弯曲挠度， 对比其他一阶理论计 算结果 ， 给出了横 向剪 应变在 厚度方 向 的分 布情 况及 中面法线变形情况 。 1 基本方程 考虑一块 由两层 材料较 硬 、 厚度 较小 的各 向同性 表层 和一层 材料 较硬 的各 向 同性 夹 芯所 组成 的夹 层 板 ， 如图 1 所示 ， 取夹芯 中面为 x y面 ， 在 z 轴垂 直于 x y 面 ， 在 0一侧 的表层 称为上表层 ， 在 z 0一侧 的表 层则 为下表层 ， 采 用如下基本假设 1 由于表层较薄 ， 把它们视作通常 的薄板 。 2 夹芯较硬， 具有一定抗弯刚度， 即 or ≠0， o r y≠ 0 ， ≠ 0 。 3 由于只考虑反对称变形 ， 故夹芯 中 s ，0， 且 因夹芯中 很小 ， 则设其亦为零 。 4 变 形前 的 中面在 变形 后仍 然是 中 面 ， 因为 横 向剪应力 的影响 ， 变形前 与 中面垂直 的法线 在变形 后不再与之垂直， 且不要求其保持为直线。 图 1 夹层板坐标示意图 1 位移方程 基于假设 ， 夹层板的位移场可 以表示为 0● 00● 00 ● 0o● 00● 0 0● 0o● 00 ● 00● Ⅲ00● 00● 0o ● 00● 00 ● 00● 00◆ 00● 00● 0 0● 00◆ 、 0 ● 00● l l 0● o 0● 0◆ o0 ● 00● 00● 0 0● 00◆ { ◆ 00◆ 00 ● H ● C ● o0 ◆ r ● ◆ 00● f - 1 J ● 【 ● | _ L ● r ， l _ ．1 l 1● l l [ 3 ] 李爱群 ， 吴二 军， 高仁华 ．建筑物整体迁移技 术[ M] ． 北京 中 经济性分析 [ J ] ． 建筑结构 ， 2 0 0 6， 3 6 6 7 2 7 5 ． 国建筑工业出版社 。 2 0 0 6 ． [ 4] G B 5 0 O I O一2 0 1 0， 混凝 土结构设计规范 [ s ] ． [ 5 ] 王新敏 ． AN S Y S工程结构数值分 析 [ M] ． 北京 人 民交通出版 社 ． 2 0 0 7 ． [ 6 ] 叶列平， 林旭川， 冯鹏 ． 高强混凝土梁受弯承载力安全储备及 [ 收稿 日期] 2 0 1 41 1 2 5 [ 作者简介] 任文 1 9 9 0一 ， 男 ， 山东淄博人 ， 硕士研 究生 从事混凝土结构设计与研究。