鋼結構在平移工程托換梁與滑道梁中的應用

王建永

上海天演建筑物移位工程股份有限公司 上海 200336

我國建筑物移位技術發展已有三十余年的歷史，完成了數百項移位工程。移位工程中，托換結構與下滑道梁對被移動結構的安全性和經濟性起到決定性作用，其構件形式、受力性能從移位技術出現以來就被工程技術人員重點關注，進行了大量研究。

文獻[1-2]進行了新舊混凝土界面連接節點的破壞性試驗，研究了節點的破壞形態，得出了抗剪承載力的計算公式，并通過工程實例驗證了方法的有效性。

文獻[3]通過試驗及有限元分析研究了鑿毛、植筋、支承形式對抱柱梁節點極限承載力的影響。

文獻[4]對現有排架結構、砌體結構、框架結構和基礎的托換技術進行了系統的總結。

文獻[5]通過建立不同截面托換梁模型，應用有限元分析模型的應力分布及破壞形態，提出了大截面柱的控制參數及定義。

文獻[6]設計了承重磚墻的混凝土托換試件，通過對試驗結果的分析，假定了承重磚墻托換體系承載力平面桁架力學模型并推導了承載力計算公式。

上述相關研究成果被編寫入移位技術標準中，包括國家標準GB/T 51256—2017《橋梁頂升移位改造技術規范》，行業標準JGJ/T 239—2011《建（構）筑物移位工程技術規程》、JGJ 123—2012《既有建筑地基基礎加固技術規范》、JGJ 270—2012《建筑物傾斜糾偏技術規程》，團體標準CECS 225：2007《建筑物移位糾傾增層改造技術規范》、CECS 295：2011《建（構）筑物托換技術規程》，地方標準DG J32/J57—2015《建（構）筑物整體移位技術規程》等。

實際工程中絕大多數托換結構和滑道梁均采用鋼筋混凝土結構，而具有顯著可重復利用優勢的鋼結構托換梁、滑道梁很少，上述現行規范也幾乎未提及相關技術要求和設計方法。由于鋼結構具有施工方便、速度快、可拆卸重復利用等突出優點，在特定條件下的工程中無疑將具有經濟性和工期短的優勢，因此對其應用范圍和技術要求進行明確規定是十分必要的。

本文提供了5種成功應用鋼結構的移位工程，從承載性能、變形性能、構造作法及工程效果角度總結了鋼結構應用的設計施工要點，為類似移位工程提供參考。

1 鋼+混凝土組合式托換形式

由上節可知，混凝土托換梁通過截面尺寸及配筋防止托換結構出現以下2種破壞模式：新舊結合面的沖切破壞；托換結構本身的彎、剪、扭及失穩承載力破壞。

鋼＋混凝土組合式托換結構將上述2種受力模式一分為二，混凝土托換結構滿足結合面受力要求，鋼托換構件滿足剛度、強度、穩定性要求。鋼＋混凝土托換形式與混凝土托換形式的新舊結合面托換機理及計算方法基本一致，設計時可參考現行的相關規范。

相較混凝土托換結構，鋼＋混凝土組合式托換形式在滿足受力情況下，可以減小混凝土結構部分的截面寬度、高度及總體質量，減少后期拆除作業工作量。本節介紹2種鋼＋混凝土組合式的托換結構形式。

1.1 鋼混凝土組合式托盤梁

1.1.1 鋼混凝土組合式托盤梁應用案例

上海市黃浦區118地塊內保留有3棟文物建筑：濟南路185弄7號（A棟）、濟南路185弄17號（E棟）、濟南路207弄2號（D棟）。根據新的保護規劃方案，需將這些建筑平移至靠近復興中路一側一字排開，如圖1所示。

圖1 移位路線

其中E幢房屋建造于19世紀20年代，為2層磚木結構，局部3層，占地面積約369.88 m2。房屋平面為T形，東西方向總長16.7～18.6 m，南北方向總長25.1 m。

經過綜合比選，本工程采用SMPT自行式平板托車進行整體平移，而且由于該建筑物下有地下防空洞，故無法在建筑物范圍內布置托車。移位設計時采用“抬轎式”托換技術，如圖2、圖3所示。此托換技術將SMPT拖車布置于建筑物外側，避開地下防空洞范圍。

圖2 托換平移方式示意

圖3 抬轎式移位現場照片

本工程中的抬轎式托換結構設計為鋼混凝土組合結構，下層混凝土托盤梁與砌體結構黏結為整體，主要起豎向托換及平面內縱橫向聯結加固作用，上層鋼結構提高托換結構的橫向剛度，如圖4所示，實現將整個建筑物托換至SMPT拖車的目的。

圖4 橫向鋼桁架梁

混凝土托盤梁截面尺寸為400 mm×500 mm，鋼結構采用鋼桁架梁形式，梁高2.5 m。經過計算托換結構的最大撓度＜20 mm，如圖5所示，小于規范要求的1/400（45 mm），實際移位頂升及平移過程中，未引起新增結構裂縫。

圖5 鋼結構托盤梁撓度計算結果

1.1.2 技術要點

在砌體結構中應用鋼桁架梁與混凝土托盤梁組合式的托換結構，可以充分發揮混凝土托換梁與原砌體結構黏結咬合可靠，以及鋼桁架梁剛度大、質量輕的特點，實現在建筑物外側“抬轎式”托換的目的，而且將混凝土托換梁設置于±0 m以下不再鑿除。

此托換形式不僅可以應用于兩側托換，而且可以應用于常規移位工程中建筑內部托換的工況，在大大增強托換結構剛度的同時降低混凝土托盤梁的高度。

1.2 鋼混凝土組合式抱柱梁

1.2.1 鋼混凝土組合式抱柱梁應用案例

佛開高速公路某橋梁，因航道升級需重建主橋，引橋通過頂升方式與新建主橋進行對接，頂升高度0.111～1.463 m，頂升結構如圖6所示。

圖6 頂升結構示意

引橋橋墩位置采用斷柱式頂升方案，常規的墩柱托換節點通常采用混凝土抱柱梁式托換節點，考慮到混凝土托換結構在就位連接后需要切割鑿除，本工程經過比選分析，設計采用新型的鋼抱箍托換形式。

鋼抱箍式托換結構構造上由兩部分組成，上部由兩半圓形鋼抱箍組成，作為頂升及臨時支撐平臺，下部由立柱加大截面形成支撐結構，為鋼抱箍結構提供支撐。立柱加寬后，鋼筋混凝土結構主要承受壓力和剪力，鋼抱箍主要承受荷載彎矩，這種組合形式充分利用了各自的受力特點[7]。

1.2.2 技術要點

對鋼抱箍及混凝土托換平臺分別建立有限元模型進行分析，如圖7、圖8所示。

圖7 整體計算模型

圖8 鋼抱箍應力云圖

有限元分析表明：

1）千斤頂作用位置對鋼抱柱和下部混凝土應力均有顯著影響，施工中應嚴格控制，嚴禁向外偏差，應盡量向柱靠攏。

2）面板厚度對應力和變形有明顯影響，隨著面板厚度的增加，鋼牛腿的各組成鋼板的最大應力、牛腿的最大撓度均明顯減小。厚度為20 mm時，有明顯轉折，厚度小于20 mm時，影響較大，大于20 mm后，影響幅度降低。

3）由于鋼牛腿下部支撐面部位壓力較大，且根部受拉，故容易導致根部開裂。

實際應用表明：

1）鋼抱箍結構未出現異常反應，立柱加粗部分混凝土亦未出現裂縫。

2）抱箍底板與立柱加粗接觸部分出現輕微的崩塌，與計算模型顯示此處混凝土主應力偏大相吻合，而且壓碎部分只是加粗立柱外側一小部分，并不影響整體結構安全[7]。

鋼抱箍式組合托換形式充分利用了混凝土與鋼結構的特點，便于拆除，但是相較四面包裹的混凝土抱柱梁托換結構，設計方法更為復雜，實際設計時需要建立有限元模型復核鋼抱箍，不容易在實際工程中被設計人員掌握。

2 鋼結構托換形式

鋼結構托換形式的新舊結合面托換機理、構造作法與混凝土托換形式及鋼＋混凝土托換形式完全不同，本節介紹2種鋼結構托換形式。

2.1 型鋼夾墻梁式托換結構

2.1.1 相關研究與規范規定情況

CECS 295：2011《建（構）筑物托換技術規程》提及可以應用鋼托梁，如6.2.5.4條：“當采用鋼托梁時，鋼托梁宜在墻體兩側對稱設置，并通過穿墻螺栓等措施進行拉結?！?.2.5.6條：“采用鋼筋混凝土夾墻梁或鋼托梁時，應采取措施防止夾墻梁或鋼托梁范圍內保留部分的砌體脫落?！钡珱]有更詳細的構造要求。

DJG32/TJ 57—2015《建（構）筑物整體移位技術規程》給出了一種H型鋼對拉式的雙夾墻梁應用形式，鋼梁安裝前在所有承重磚墻的兩側切削磚縫，縫深20～30 mm，然后安裝H型鋼，擰緊對拉螺栓，型鋼翼緣與砌體墻縫隙用高強混凝土填實，具體如圖9所示。

圖9 型鋼對拉構造

文獻[8-9]研究鋼板-磚砌體組合梁，該組合梁通過厚度6～12 mm的鋼板焊接成U形，包裹住磚砌體形成封閉箱形，通過內部壓入結構膠及對拉螺栓后錨固方式達到共同變形、參與工作的目的。

文獻[10]研究了一種既有砌體結構隔震加固用的鋼-砌體組合托換梁，如圖10所示。該鋼-砌體組合托換梁受力形式包括外包槽鋼翼緣卡入墻體形成的豎向抗剪鍵、對拉螺栓的水平抗拉力以及內填充黏結材料的黏結力，試驗研究證明了鋼構件與砌體之間能夠協調變形與共同工作。同時，給出了該體系的構造、工作機理和施工工藝，分析了該體系的墻梁效應，給出了該體系的內力修正公式和計算方法。

圖10 鋼-砌體組合托換梁構造

2.1.2 對拉槽鋼雙夾墻梁工程應用案例

某建筑平面尺寸為16.3 m×12.6 m，建筑面積約為205 m2，為3層磚混結構，層高2.90 m，頂層高3 m，建筑物高度18.25 m，室內外高差為－0.75 m。

該建筑整體頂升0.6 m，頂升后托換梁暴露于±0 m以上，需要鑿除?？紤]到該建筑位于城市別墅區內，鑿除及切割會產生噪聲及建筑垃圾，且本工程磚結構豎向荷載較小，故最終采用對接雙槽鋼式夾墻梁進行托換。

前述對鋼-砌體組合托換梁的研究表明，組合托換結構共同作用的保證措施為：界面間黏結材料的黏結力、后錨固螺栓預壓力產生的摩擦力、后錨固螺栓對砌體抗剪鍵的豎向抗剪力。

本工程托換結構為臨時構件，需要滿足可拆卸及不對墻體產生太大損傷的要求，所以采用一種背對背式對拉槽鋼雙夾墻梁式的托換方案。

為保證安全，設計計算時僅考慮豎向抗剪與預壓摩擦2種有力措施，而且每一種受力模式均能夠單獨承擔上部結構的豎向荷載，豎向荷載取重力荷載代表值的1.5倍，槽鋼與鋼板的摩擦因數取0.2[10]。

在構造上采用了如下措施：槽鋼安裝初步固定后，壓入水泥漿，達到強度后按設計值擰緊螺栓；在槽鋼頂部每隔一定間距設置鋼墊板。具體構造如圖11、圖12所示。

2.1.3 技術要點

鋼夾墻梁相較混凝土夾墻梁受力可靠性相對較差，為了保證鋼夾墻梁應用時的安全性，設計時應避免單一的摩擦式托換，除了摩擦傳力外還應有其他的傳力途徑，具體方式如下：

圖11 對拉槽鋼托換構造

圖12 現場施工過程照片

1）型鋼夾墻梁頂穿過墻體并間隔設置鋼加勁墊板或短梁，在摩擦力失效情況下可以利用砌體的“內拱卸荷作用”將上部結構荷載傳遞至鋼夾墻梁上，而且保證型鋼結構的局部承壓。

2）型鋼梁與磚砌體結構間填充密實，增強型鋼夾墻梁與磚砌體的整體受力。

3）型鋼卡入墻體，但應避免砌體局部受壓破壞。

2.2 型鋼對拉螺栓式托換結構

2.2.1 相關研究與規范規定情況

DJG32/TJ 57—2015《建（構）筑物整體移位技術規程》給出了一種型鋼對拉螺栓柱托換節點，托換構造如圖13所示。

圖13 對拉螺栓托換構造

該規程給出了型鋼對拉螺栓托換形式的具體構造要求，如：

1）型鋼和柱之間填充膨脹細石混凝土，標號不宜低于C40，不應低于原柱混凝土強度。

2）當托換夾梁截面寬度大于型鋼截面寬度時，可考慮焊接加寬鋼板，鋼板厚度不應小于10 mm，并應設加勁肋，加勁肋間距不宜大于250 mm，不應大于300 mm。

3）為防止型鋼上翼緣卡入柱身位置處混凝土局壓剝落，宜在節點四周設保護構造。高度100～150 mm，寬度不小于60 mm，箍筋不少于2φ6 mm（HPB300），且箍筋接頭不應設在同一柱角。

4）工字鋼之間用槽鋼或鋼板焊接拉結。

5）當托換荷載較大，需要穿螺栓較多時，同一水平截面螺栓不宜超過2個，上下2層螺栓凈距不宜小于100 mm。

同時，規程也給出了該構造形式的計算公式：

2.2.2 型鋼對拉螺栓柱托換應用案例

南京江南大酒店建于1995年，為主體6層、局部7層的框架結構，總建筑面積5 424 mm2。由于新模范馬路拓寬，擬采用整體平移技術將該樓向后平移26 m[11-12]。

該工程框架柱設計荷載為1 800～3 600 kN，中柱的最大設計軸力3 600 kN，如設計成鋼筋混凝土抱柱式托換節點，節點高度為800～1 000 mm，超過±0 m位置0.3 m以上。

該工程采用了型鋼對拉螺栓的鋼結構托換節點，型鋼對拉螺栓柱托換方法在南京江南大酒店整體平移工程中成功托換柱44根。

2.2.3 技術要點

型鋼對拉螺栓柱托換形式與鋼筋混凝土抱柱梁托換形式的受力機理及計算方法不同，設計計算方法較相關規范給定的混凝土抱柱梁計算方法更為復雜。在托換節點需要鑿除的情況下，型鋼對拉螺栓柱托換方法具有容易鑿除的優點。

3 組合式鋼結構下滑道梁技術

3.1 相關應用及研究情況

目前下滑道梁主要采用混凝土結構形式，其施工簡便、質量容易控制，而且受力及傳力穩定、明確，具有很好的強度及剛度，與樁基礎結合應用時可以承擔較大的豎向及水平荷載。

文獻[13]在安慶某商住樓移位工程中過渡段與新基礎位置采用型鋼軌道，型鋼規格為506 mm×201 mm×11 mm×1.9 mm，每軸線設雙肢型鋼。

3.2 組合式鋼滑道梁應用案例

本節介紹海南淇水灣旅游度假綜合體整體遷移項目中應用的鋼結構下滑道梁。

海南淇水灣旅游度假綜合體地上2層，主體為鋼框架結構，基礎為柱下獨立基礎，單層建筑面積4 318.41 m2，總建筑面積為6 243.60 m2，建筑總高度12.5 m，無地下室。為了保護海岸生態環境對工程進行平移施工，新舊址角度相差13.4°，高差5 m，距離143.91 m，如圖14所示。

圖14 淇水灣旅游度假綜合體現場

本工程采用組合式移位方案，即1次旋轉、2次平移、3次頂升，各移位動作交叉連續進行，達到平移至新址的目的，如圖15所示[14]。

圖15 平移過程示意

建筑物2次頂升2 m后，需要在建筑物支撐狀態下施工建筑內部下滑道梁，經過方案比選，采用鋼結構下滑道梁形式，主要優點為方便在狹小空間內施工、安裝工期快、不需要養護、可以重復利用等。

鋼梁由上下兩部分的箱梁疊合而成，高度為2 m，單層鋼結構下滑道梁截面400 mm×1 000 mm×6 000 mm，如圖16、圖17所示。

圖16 鋼滑道梁平移工序示意

3.3 技術要點

理論分析模型如圖18所示，理論分析結果及工程實際應用均表明：當梁頂面傾角向外時，均布荷載在傾斜面上產生向外的分力，當移位結構沿梁軸線方向移動時，也就是液壓懸浮千斤頂沿軸線方向移動，向外的分力使得均布荷載作用點持續向外偏移，而偏移使柱腳作用點的偏心距增大，進一步增加了梁頂面的向外傾角，導致傾斜面上產生向外的分力更大，具有P-Δ二階效應，周而復始，在移位過程中使液壓懸浮千斤不斷向外偏移。

圖17 鋼滑道梁安裝

圖18 計算模型

實施移位中，也發現相較于混凝土滑道梁，鋼滑道梁更容易出現側向偏移。

4 結語

1）砌體結構的頂升工程可考慮采用型鋼托盤梁形式，在平移工程中，因托盤梁承擔豎向荷載及水平荷載，受力工況較復雜，應謹慎選擇鋼夾墻梁形式。

2）當采用鋼混凝土組合托換結構時，可充分利用鋼筋混凝土結構承受壓力和剪力，鋼結構主要承受荷載彎矩，充分利用各自的受力特點。

3）鋼結構下滑道梁的整體扭轉及局部的翼緣變形都會引起鋼梁頂面的傾斜，從而引起建筑物平移過程中的側移，在實際應用時，應當設計針對性的限位及糾偏措施，以確保建筑物的平移安全。