隨著城市的開發和改造，許多古建筑面臨著拆除重建的危險。古建筑具有很高的文物價值，為對其進行保護，可以采用建筑物整體移位技術對古建筑進行平移[1].古建筑平移過程中，托換結構作為承受上部結構荷載并將荷載傳遞到下部軌道基礎的轉換結構，其受力和變形對上部結構在平移過程中的安全影響很大[2,3].目前國內對于古塔整體平移的托換結構的力學研究較少，文中以某古塔平移工程為例，對平移工程中托換結構的安全儲備進行了分析。根據有限元計算結果，驗證了托換結構的工程安全性要求。計算不同托換梁高下托換結構的允許承載力，為以后類似平移工程托換結構托換梁高的選取提出了建議。
1 工程概況
某古塔位于河道附近，由于河流需要治理，需對古塔進行保護，將古塔向東北方向平移 120m.
古塔為 7 層六邊形，磚木混合結構，底層占地面積約 20m2,高約 22m,塔基用青磚砌筑，外圍用青條石包砌一圈。本次平移塔體自身重量約 310t,托換底座重量 310t,平移總重量共約 620t.托換結構平面如圖 1.
托換結構分為預應力托換梁、非預應力托換梁和筏板基礎三部分，其中 TL1 為預應力托換梁，TL2 和TL3 為非預應力托換梁。
2 托換結構有限元模型
實際工程托換結構中，預應力托換梁采用 C40 混凝土，抗壓強度為 26. 8MPa,彈性模量為 3. 25GPa.非預應 力 托 換 梁 采 用 C30 混 凝 土，抗 壓 強 度 采 用20. 1MPa,彈性模量 3GPa.鋼筋采用 HRB400 鋼筋，屈服強度實測值為 465MPa.混凝土本構關系采用《混凝土結構設計規范》[4]附錄 C 建議的本構關系，鋼筋采用雙折線本構關系。
預應力鋼絞線張拉控制應力為 1395MPa,考慮預應力的摩擦損失 σl2、鋼筋松弛損失 σl4和混凝土的收縮徐 變 損 失 σl5,最 終 預 應 力 筋 的 實 際 預 應 力為 843MPa.
采用 ANSYS 軟件建立托換結構的實體模型[5],建模選用單元類型為 solid65 單元、link8 單元和 solid45單元。主要研究對象為下部托換結構，只建立托換結構的實體有限元模型，上部塔體簡化為均布荷載施加在托換結構上。有限元模型中預應力梁、非預應力梁和托換底座筏板混凝土均采用 solid65 單元用來模擬，鋼筋混凝土采用整體式模型，非預應力鋼筋彌散在混凝土單元中。預應力鋼絞線采用 link8 單元模擬，預應力通過降溫法施加。在邊托梁下設置鋼滾軸，作為托換結構的支座。邊托梁下部鋼滾軸采用 solid45 單元模擬，鋼滾軸與托換邊梁之間的連接方式采用剛性連接，模型采用自由網格劃分，網格劃分后有限元模型如圖 2.
施加在托換結構上的荷載主要是上部的塔體自重、混凝土護筒自重和托換結構自重。其中上部結構自重按照均布荷載施加在托換結構筏板頂面，三階混凝土護筒下的等效均布荷載分別為： 第一階護筒下荷載 73. 5 ×10- 3MPa,第二階護筒下荷載 49 × 10- 3MPa,第三階護筒下荷載為 26. 95 × 10- 3MPa.托換結構自重荷載通過施加重力加速度得到，托換結構總重量為2. 42 × 105kg,重力加速度取為 9. 8N / kg.
托換結構邊托梁下部以 200mm 等間距布置直徑為100mm 的鋼滾軸，有限元計算時將邊托梁下部的鋼滾軸作為托換結構的豎向支座，為托換結構提供豎向約束。
為確保上部結構的安全，使平移工程中托換結構具有足夠的安全儲備[6].文中以托換結構混凝土開裂作為極限狀態，對托換結構的混凝土開裂前安全儲備進行了分析。在分析中，由于預應力托換梁承受大部分的上部荷載，預應力托換梁會比非預應力托換梁開裂早。分析中將預應力托換梁的開裂荷載作為托換結構的承載力極限荷載。分析中采用的方法是通過在有限元模型加載面上逐級增加荷載，直到托換結構預應力托換梁開裂。為保證托換結構在平移過程中不發生開裂，托換結構開裂前安全儲備系數：
式中，K 為托換結構開裂前安全儲備； Pcr為托換結構開裂荷載； P 為托換結構施工階段荷載。
3 計算結果和分析
在計算過程中當荷載施加到 475. 01 × 10- 3MPa時，預應力托換梁跨中最大拉應力達到混凝土抗拉強度 2. 39MPa,當再施加下一荷載子步時，托換結構預應力托換梁混凝土開裂，出現了拉應力釋放現象。這說明托換結構的開裂荷載為 475. 01 × 10- 3MPa,此開裂荷載即為托換結構的承載力極限荷載，極限荷載對應的上部結構自重為 490t.
按照之前式（ 1） 提出的算法，計算托換結構的承載力安全儲備系數。
根據計算結果，文中研究的古塔平移工程中設計的托換結構承載能力安全儲備系數為 1. 58.托換結構的承載力安全儲備系數的評判標準現今還沒有一個明確的標準，文中參考規范中采用的單一安全系數法和《預應力混凝土結構設計與施工》一書中預應力受彎構件的安全系數，考慮托換結構是臨時結構只在平移施工過程中起作用。文中分析過程中，將托換結構的承載力安全儲備系數安全值定義為 1. 5.托換結構的承載力安全儲備系數為 1. 58,大于定義的安全儲備系數 1. 5.說明托換結構具有足夠的承載力安全儲備，能夠抵抗平移施工過程中可能出現的超載或其他不利的狀況，為古塔的平移施工提供一定的安全保證。
4 結語
文中通過對某古塔平移工程中托換結構的承載力安全儲備進行有限元分析，得出以下結論。托換結構的開裂前安全儲備系數為 1. 58,大于按照單一安全系數法確定的預應力混凝土受彎構件的安全系數允許值 1. 5.設計的托換結構滿足安全性要求，且具有足夠的安全儲備，當實際施工時出現超載時，不會對上部結構安全造成很大的影響。
參考文獻
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[3] 李愛群，吳二軍，高仁華 . 建筑物整體遷移技術[M]. 北京： 中國建筑工業出版社，2006.
[4] GB50010 -2010,混凝土結構設計規范[S].
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[6] 葉列平，林旭川，馮鵬 . 高強混凝土梁受彎承載力安全儲備及經濟性分析[J]. 建筑結構，2006,36（ 6） : 72 -75.
