1工程概况
该工程位于某国道与公路的交口，为公路转盘内的城市景观雕塑。由于其体积较高大，存有遮挡视线的交通隐患，因此该雕塑需向东北方向平移117m至公园内(见图1)。该雕塑为砖与混凝土的混合结构，由锣鼓造型和底座两部分组成，底座外部周圈墙体及上部锣鼓造型为钢筋混凝土结构，底座内部竖向支撑锣鼓造型墙体为370mm厚砌体结构。结构底部为500mm厚钢筋混凝土筏板基础(见图2)。雕塑自重约3400t，总高18.8m，筏板直径为23.4m。
2平移方案
本工程位于国道中间，车流量较大，因此要求施工工期不宜太长，尽量减少断交施工的时间。目前，建筑物平移较为普遍的为轨道平移，即在新址和原址之间铺设轨道，在建筑物底部制作平移托盘和上轨道梁。按移动方式可分为滚动平移和滑动平移。移动装置包括滚轴和上、下轨道板(或滑道板);推力系统的移动动力设备包括千斤顶和垫块;拉力系统的移动动力设备包括千斤顶和牵引钢索;反力支座包括固定反力支座和可动反力支座。在以往同类工程中，应用千斤顶牵引配合滚轴方式应用较多。对于本工程若采用此方法需对国道进行断交，轨道的建造时间较长且有可能破坏道路;建筑物平移速度缓慢，不满足工程要求。针对建筑结构自身特点，决定采用高压气囊平移技术完成本工程。相对比其他平移方式，采用高压气囊搬运技术，平移速度快，施工过程简单、周期短，工程造价低。该技术对下部轨道的承载力和平整度要求低。气囊为软支撑体系，易变形，对上部结构的整体性要求较高。因此，高压气囊搬运技术适用于上部结构整体性好、平移路径相对较长的工程。雕塑整体性较差，但可通过上部结构加固设计来增强，满足高压气囊搬运技术的要求。
3平移设计
平移设计应遵循以下原则:不改变原建筑的使用功能;根据现场情况，建筑物移动过程中临时构件的设计仅考虑恒荷载、活荷载的准永久值，永久构件需满足新建建筑物的要求;托换过程和平移过程中应尽量减少对原结构的扰动;托换构件应有足够的安全储备［3］。
3.1上部结构加固方案结构锣鼓造型由其下部井字形墙体中4道组成正方形的砖墙支撑，经统计雕塑内部井字形砖墙的底部面压约为300～400kPa，周圈混凝土墙的底部面压约为123kPa(见图3)。对原结构进行整体建模验算，基底反力如图4所示。内部砌体墙间距小，刚度大，其基底反力分布均匀，大小为83kPa，说明原结构砌体墙部分构成的井字结构整体性较强;砌体墙至外部混凝土墙之间基底反力逐渐递减，最小值为68kPa，相差较大。因为外部混凝土墙与内部砌体墙之间的连接仅为第1层顶板和底部筏板，此处为结构刚度薄弱区域，若不采取加固措施，平移过程中气囊的作用力将在此处产生较大的剪力，导致结构破坏。针对原结构特点，初步考虑两种加固方案。第1种方案为新增上翻井字梁加固。在原筏板上，混凝土墙内部新增井字形上翻梁，外部新增放射状上翻梁(见图5)。此方案增大了筏板底部面积，相应也增大了气囊的承载面积。另外，圆形底面容易割破、划伤行走中的气囊，增大了平移施工难度，此方案将原筏板底面增补为矩形。经建模分析计算，此方案的基底压力分布均匀，说明起到了增强原结构整体性的作用。但缺点是:雕塑为半封闭结构，新增梁的支模和浇筑施工困难;新增补的筏板与原筏板连接处为薄弱环节，施工质量要求高;新增梁箍筋间距小，植筋工作量大;新增梁需穿透原墙体，对原结构扰动大;原结构井字砌体墙部分整体性较好，位于砌体墙范围内的连续梁起不到应有作用。第2种方案为新增剪力墙加固。在第1层原砌体墙对应位置新增8片混凝土剪力墙(见图6)，增强内外墙体之间的抗剪切能力以及结构整体性。新增剪力墙与原砌体的混凝土构造柱采用植筋的方式连接，连接节点做法如图7所示。与第1种方案相比优点是:①节省材料，新增加固构件混凝土用量小。经计算，新增的混凝土墙总重约70t，平移建筑总重为3470t。②加固方案针对性强，受力明确，使剪力墙承受周圈混凝土墙体与内部砖墙的压力差，协调两部分共同受力。③只需在原内外墙体之间新增墙体，对原结构扰动小。④施工简单，工程造价低。新增墙体浇注时，可采用在首层顶板对应新增墙体位置开洞浇注的方法，施工简单、易操作;较第1种方案减少了植筋工作量，降低了工程造价。对新增墙体后的结构进行建模分析，基底反力分布如图8所示，基本在75～79kPa，说明新增的墙体提高了结构的整体性。
3.2新增剪力墙加固设计新增剪力墙的加固设计，考虑了混凝土梁托换、气囊平移过程中的各种受力工况。在采用混凝土梁托换的过程中，上部结构传力明确，剪力墙部分受力简单，本文按最不利工况即气囊平移过程进行剪力墙加固设计。在平移工况中，为准确模拟建筑位于气囊上的结构构件受力情况，本文采用调整建筑地基基床系数和增大结构自重对加固构件进行设计。1)基床系数的取值基床系数定义为地基上任一点所受的压力强度p与该点的地基沉降量s的比值，用k/K表示，单位为kN/m3。基床系数可理解为基础下部土体的刚度，土体越软，基床系数越小。一般来说，砂土的基床系数取值10000～40000kN/m3，粉土为20000～40000kN/m3，淤泥质土取1000～5000kN/m3。在平移过程中，雕塑筏板基础的下部是气囊，基床系数应根据气囊的刚度取值。确定气囊刚度的方法主要有试验方法和理论方法［4］，本工程通过理论方法对其进行设计取值。2)基底压力取值根据气囊生产厂家提供的参数，本次工程采用的气囊工作压强为200kPa。设计时考虑平移轨道不平整及其他因素可能造成的气囊受力不均匀，气囊传给筏板基础的压力应乘以1.5倍的放大系数。为保证平移过程中筏板基础不被气囊反力破坏，剪力墙配筋计算应在300kPa的基底反力下进行。因此采取增大结构自重提高筏板底部压力，将混凝土及砌体的材料容重放大相同的倍数，当基底反力达到300kPa时，对剪力墙进行配筋设计。
3.3下轨道的设计根据地质勘察报告，建筑物平移轨道所处位置位于汾河阶地，主要岩性为杂填土、黄土状粉土及中砂。回填土层厚1.90～2.50m，平均厚度2.16m，其下为黄土状粉土，夹粉质黏土、粉细砂，具中等-轻微湿陷性。地下水位主要位于中砂层，最浅处为8.5m。该场地为非自重湿陷性场地，地基湿陷等级为I级，黄土状粉土层应考虑震陷影响。为消除地基土湿陷性及震陷性的不利影响，满足气囊行走过程中的承载力要求，考虑采用强夯法处理平移轨道。在强夯法处理地基前，应通过现场试验确定其适用性和处理效果。本工程单击夯击能≥1000kN•m;夯击后在表面铺设≥300mm厚的3∶7灰土垫层。经过现场试验测试，强夯后的地基承载力达到200kPa，大于气囊的工作压强，满足了气囊对行走轨道的要求。
3.4气囊的选择在平移过程中，气囊形状与地面形状、上部平移建筑的底面形状、底面尺寸、气囊自身长度及布置方式等因素有关(见图9)。一般情况下，当构件底面和地面平行时，气囊的横截面呈扁圆形。气囊的承载力与气囊自身的工作高度有关，见式(1)～式(3)［5］。承载面积:S=Bl=π(D－H)l/2(1)单根气囊的承载力:F=SP=π(D－H)lP/2(2)所需气囊的个数:N=k2GπlP(D－H)(3)式中:B为承载面宽度(m);H为气囊工作高度(m);D为气囊公称直径(m);P为气囊公称压力(MPa);l为气囊承载面长度(m);G为大型构件的质量(kN);k为安全系数，k=1.2～1.3。综合考虑安全性和经济性，本工程选用8条直径1.5m的高压气囊做平移时的行走机构，气囊长度为18m，中心间距为2.6m。
3.5托换设计托换结构体系包括托架梁及托架梁下的基础，该建筑的托换结构布置如图10所示。图10托换结构布置平面Fig．10Underpinningstructurediagram托架梁主要受上部建筑的自重荷载。托架梁与气囊交替放置，根据气囊的间距要求，托架梁的间距设置为2.6m。考虑到气囊的承载面宽度、工作高度及间距要求，本工程托架梁的截面尺寸为400mm×500mm。为降低工程造价，新址托换时重复利用原址的托架梁及其下部基础，本工程采用预制的混凝土托架梁和条形基础。为方便搬运，托架梁和条形基础均为分段预制。采用托架梁托换时，原结构基础下部土体不满足承载力要求。本工程采用了在托架梁下方增设条形基础的方式。根据托架梁传来的荷载计算，条形基础截面尺寸为300mm×1800mm。条形基础布置的原则:按托架梁的中心线布置，尽量避免产生偏心荷载;保证基础的水平放置，施工时先制作100mm厚的素混凝土垫层，找平后再将条形基础拖入指定位置;基础的边缘应超出其上部的托梁。
3.6牵引系统的设计3.6.1牵引系统牵引系统由地锚、卷扬机、滑轮组、固定架及钢丝绳等组成。本工程采用1台卷扬机及其相应的滑轮组对建筑进行牵引(见图11)，为确保移动过程中建筑物的平稳、安全，在移动反方向设置拖拽重物进行移动保护。卷扬机型号的选用主要考虑建筑物的质量和移动的速度。3.6.2牵引力的计算［5］F=kGf+kGVgT(4)式中:F为搬运建筑物的牵引(kN);G为建筑物自重(kN);g为重力加速度，g=10m/s2;f为滚动摩擦系数，在建筑物平移工程中，气囊与地面之间的滚动摩擦系数与地面情况和气囊的工作高度有关。一般取值f=0.03～0.05;V为建筑物移动速度(m/s);T为启动时间，从0至设计移动速度;k为安全系数，取k=1.2。
3.7就位连接原结构的筏板基础已满足了承载力要求。本工程设计的托架梁及其下部条形基础相当于是地基的一部分。为了保证雕塑在新地基上的稳定性，设计中采用了如下的方法:根据地质勘察报告，新址回填土层平均厚度2.1m，采用强夯法处理，夯实后回填≥300mm厚的3∶7灰土;气囊撤出后，采用C15素混凝土将托架梁之间的空隙填补密实。
4施工工序
剪力墙加固上部结构→逐条掏土→放置托架梁→逐条掏空托架梁之间的土体→放置气囊→气囊充气(充气高度大于托架梁高度)→移出托架梁→启动卷扬机牵引钢丝绳→平移至预定位置→放置托架梁→气囊放气→撤出气囊→素混凝土填实托架梁空隙。
5平移过程中的纠偏及处理措施
由于受偏心影响和牵引系统对建筑物的作用力很难控制在始终保持平衡状态，故会造成建筑物在移位时偏位。在前移过程中，每前移1～2m，即测量建筑的偏移量，从而不断采取措施对建筑进行纠偏，防止建筑因偏移量过大而难以纠正。可采取的措施如下。1)调整气囊的倾斜度在建筑物行进过程中，将气囊摆斜一个适当的角度(根据经验约为1/40)。根据滚杠搬移工作原理，建筑物在牵引力的作用下就会以气囊中心为原点，产生一个小角度的旋转，从而起到一定的纠偏效果。2)调整牵引及溜尾2条钢丝绳的拉力，通过短时的不同受力来进行建筑物的纠偏。指挥人员应根据以往的施工经验，及时判断钢丝绳的松紧程度，保证2条钢丝绳不超负荷使用，确保安全作业。
6结语
本文以首个气囊平移建筑工程为例，从方案选择、上部结构加固设计、基础及下轨道设计、托换设计、牵引系统设计及就位连接等方面对该工程的设计方法进行研究分析，得出以下结论:①气囊搬运技术对场地适应性相对较强，场地的处理费用较低，可以缩短工期和降低施工成本;②气囊自身易变形，对被平移的建筑整体性要求较高。当建筑整体性较差时，需采取相应的结构加固措施;③总结本工程经验，气囊参数选择、整体性设计以及施工方案优化，决定了能否安全、高效、经济地完成平移过程。对于不同的工程，应根据被平移建筑的结构特点、场地环境、施工水平谨慎选择平移方案。利用高压气囊搬运大型建筑物在我国尚属首例，相关设计、施工存在较多难点。本工程的成功，为气囊搬运技术提供了技术参考和实践经验。
作者：李旭光 单位：河北建研科技有限公司
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