商冬凡1,2， 王铁成1， 杨志锋3， 卢 明3
（1天津大学建筑工程学院，天津300072；2河北省建筑科学研究院，石家庄050021;
3河北建研科技有限公司，石家庄050021）
[摘要] 龙溪塔为七层六边形砖木混合结构，因其西侧水阳江需拓宽治理，决定将其向东北方向平移129m进行保护，对平移过程中采用的由下部钢筋混凝土保护筒和上部钢结构主动施力支撑组成的新型防倾覆系统设计进行详细介绍，并采用ANSYS软件进行有限元分析。结果表明，增设防倾覆系统后，在总重仅增加10%的情况下，抗倾覆安全系数K提高3.0倍，主体结构顶点位移下降54%，避免了塔身拉应力破坏；新型防倾覆系统与塔体采用可拆除
柔性连接，既能保证塔体移位过程安全，又能保留塔体原有历史外观，其成果适用于古塔等高耸建筑的平移工程。
[关键词] 古塔；整体平移；钢结构主动施力支撑；钢筋混凝土保护筒；倾覆
中图分类号：TU318文章编号：1002-848X(2016) 05 -0097 -05
0 前言
一些具有历史文化价值的古建筑被拆除将给城市留下永久的遗憾，不利于文明的传承，通过建筑平移技术可以解决这一难题。然而古建筑年代久远，材料强度低，为确保移位安全，往往需要先对其进行结构加固，这些加固措施通常会改变古建筑外观。在移位时，为了不改变古建筑外观，需要寻求一种可拆卸加固装置，这种装置既能保证建筑移位安全，又能在移位成功后拆除，恢复建筑原有外观，同时该装置不会对建筑本身造成损伤。
近年来，我国虽然完成了多起文物建筑的移位，积累了丰富的经验，但是针对文物古塔的移位，却没有经验可以借鉴。文物古塔移位具有以下特点：1）为高耸结构，重心高，底盘小，相比一般建筑移位，平移过程易发生倾覆；2）年代一般较早，材料老化严重，整体性差，静载作用下尚能稳定，移动荷载作用下极易损坏；3）塔体基础为塔体地官所在，是塔体文物的重要一部分，需要一起平移；4）每层均有屋檐挑出，因此加固措施要能隔层灵活设置，为保证工期，又不能过于笨重。因此，采取何种抗倾覆措施对塔体安全至关重要。
1 工程概况
龙溪塔位于安徽省宣城市，坐落在水阳江东岸，建于宋开庆元年（公元1259年），距今已有750余年，高约22m，占地面积约20m2，为七层六边形砖木结构，青砖条石基础。龙溪塔每面有砖券拱门，木质飞檐翘角，檐下叠涩与菱牙交替出跳，翘角下挂铜质风铃，塔刹由覆钵承露盘、五重相轮、宝珠、旺链组成，是六边形砖木混合楼阁式塔的典型代表，对研究当时塔的建筑风格和建筑技法有着重要意义。龙溪塔外观如图1所示。
由于龙溪塔所处地段的水阳江需要拓宽治理，水阳江东岸卫东圩堤需平均退堤约50m，退堤后龙溪塔势必会被水阳江淹没，为对龙溪塔进行保护，将水阳江东岸卫东圩堤与龙溪塔塔体分离，保持一定距离，去除大堤对塔体的压力作用，防止大堤上过往车辆对塔檐造成损害，对龙溪塔向东北方向平移129m，以最大程度地保护龙溪塔，整体平移示意图见图2。
2 防倾覆加固系统设计
为确保龙溪塔移位安全，采用“穿靴披衣”的新型防倾覆加固系统对龙溪塔进行保护，“穿靴”即采用钢筋混凝土保护筒对塔体基础进行保护，“披衣”即采用钢结构主动施力支撑系统对龙溪塔上部结构主体进行保护。
2.1钢筋混凝土保护筒
采用钢筋混凝土内、外保护筒对龙溪塔基础进行加固，具体做法见图3。内保护筒厚度为200mm，外保护筒为三阶，厚度分别为300，400，500mm，其下为托换底盘，在塔身洞口处采用连系梁加强内、外保护筒的整体性，连梁尺寸为300×300。
平移就位后，保留内保护筒及外保护筒地下部分，对基础起永久性保护作用，拆除外保护筒地上部分，恢复塔体外观，室内、外地坪以上部分与墙体之间垫柔性薄膜，以方便就位后拆除保护筒。混凝土保护筒的施工与拆除见图4。
钢筋混凝土保护筒的作用为：1）加固塔体基础，其受力后形成三向受压状态；2）托起基础，保护塔体带基础平移到位；3）扩大塔体底盘，提高塔体抗倾覆能力。
2.2钢结构主动施力支撑
主动施力支撑体系是指建筑结构在承受外荷载之前，预先主动对其施加预紧力，提高其整体性，改善其受力性能，保证其在托换及平移过程中安全性的一种空间连续钢支撑桁架，其与建筑结构采用柔性材料扩大接触面进行连接，避免了对建筑造成局部损伤。在龙溪塔整体平移前，在塔内、外构建钢结构主动支撑体系，见图5，6。
如图5，6所示，在塔体内侧，由塔心柱和垂直支撑(CC1，CC la，CC2)组成空间连续桁架；在塔体外侧，每边桁架单元由斜柱、直柱、垂直支撑( CC3，CC3a，CC4，CC5)和水平支撑(SC1，SC2)组成，通过垂直支撑(CC6，CC7)和水平支撑SC3连接形成空间连续桁架。塔外直柱与斜柱、支撑CC la、支撑CC3a采用槽钢[20a，塔心柱采用工字钢I22，其余构件均采用等边角钢L75 x6，各钢支撑详见图7。塔心柱、外侧斜柱及直柱采用螺栓与托换底盘进行
连接。
CC1，CC3为顶紧内撑，CC la，CC3a为顶紧外撑，沿塔体避过檐角隔层设置，对墙体洞口薄弱部位进行重点保护。顶紧外撑沿塔体封闭形成整体，在托换与平移之前，通过旋转内、外两层支撑间的顶紧螺栓，借助空间连续桁架提供反力，使内外两层支撑相互顶紧，形成稳定的空间结构受力体系，以达到加固塔体的目的。
通过在顶紧内撑( CC1，CC3)内侧设置柔性织物层及木条，扩大接触面，避免刚性接触，以保护龙溪塔在受到扰动时不发生局部接触破坏。顶紧螺栓处节点做法详图见图8，9。
3 有限元模型
本文采用将砂浆和砌块作为一个整体来考虑的整体连续体模型，在用ANSYS软件进行有限元分析时，古塔塔身材料、托换底盘和保护筒采用Solid65单元，钢架采用Beam188单元，塔身围箍采用Solid186单元。钢架与塔体、保护筒与塔体之间采用面面接触，接触单元采用Targe170单元和Conta174单元。
塔体弹性模量为1. 26×103MPa，泊松比为0. 15；混凝土弹性模量为3.15×104MPa，泊松比为0. 15；钢架弹性模量为2.06×105MPa，泊松比0.3；塔身围箍弹性模量为3×104MPa，泊松比为0.2，热膨胀系数为1×10-5，通过降温对塔身施加预紧力7kN。龙溪塔尺寸见表1，有限元模型见图10。
考虑的作用有重力、风荷载(参照《建筑结构荷载规范》( GB 50009-2012))、初始塔体倾斜（向东北方向倾斜0. 850）、两侧轨道高差（考虑两侧轨道高差造成的塔体倾斜为0.50）及制动惯性加速度（经验值取0.51m／S2）。
4 防倾覆有限元分析
平移防倾覆计算包含两方面的内容：一是塔体不能发生整体倾倒，由于对文物塔体移位在国内外均属首次，所以要有足够的抗倾覆安全储备，以安全系数K≥5来控制；二是由于古塔材料强度较差，认为其不抗拉，即假设塔体一拉就坏，不允许塔身出现拉应力。
龙溪塔抗倾覆力矩和倾覆力矩均通过有限元模型节点支反力计算得出。抗倾覆力矩：先计算龙溪塔在重力、初始倾斜和轨道高差共同作用下，塔体底部各个节点的支反力，然后对古塔最外边缘求矩，各力矩之和即为塔体的抗倾覆力矩，其中塔体重力贡献为正值，初始偏心及轨道高差贡献为负值。倾覆力矩：先计算塔体在风荷载、惯性力作用下，塔体底部各个节点的支反力，然后对塔体最外边缘求矩，各力矩之和即为塔体的倾覆力矩。
4.1不采取任何措施时塔体抗倾覆
在各荷载作用下，龙溪塔竖向应力云图如图11所示，从图11中可以看出，塔身底部出现拉应力，最大为44. 58kPa>0。考虑到塔体一拉即坏，故需对塔体进行加固保护。
沿轨道方向的位移如图12所示。从图12可以看出主体结构顶点位移是13. 61mm。
经计算塔体抗倾覆力矩为5 528kN .m，倾覆力矩1 934kN .m，安全系数为K=5 528/1 934=2.86<5，倾覆安全储备不足。
4.2“穿靴披衣”后塔体抗倾覆
增设混凝土保护筒及钢结构主动施力支撑系统后，塔体总重增加了10%，在各荷载作用下，龙溪塔竖向应力云图如图13所示，从图13中可以看出，除塔檐等自由表面外，塔身不出现拉应力。
沿轨道方向的位移如图14所示。从图14可以看出主体结构顶点位移是6. 23 mm，相比不采取任何措施减小了约54%。
抗倾覆力矩为31 246kN .m，倾覆力矩为3 574k N .m，安全系数为K=31 246/3 574=8.74 >5，相比不采取任何措施增大了3.0倍，安全储备足够。5 结论
龙溪塔平移过程中采用的新型防倾覆系统设计具有以下特点：
(1)新型防倾覆系统由下部钢筋混凝土保护筒和上部钢结构主动施力支撑体系组成，采用柔性接触与塔体进行接触，避免了接触破坏。
(2)新型防倾覆系统是一种可拆卸的加固装置，平移过程中对塔体进行保护，移位工程结束后可以拆除，不会改变塔体外观。
(3)保护筒可优化塔体基础受力状态，扩大塔体底盘，提高塔体抗倾覆能力，实现塔体带基础平移。
(4)钢结构主动施力支撑体系可预先主动对塔体施加预紧力，提高塔体整体性，改善塔体受力性能；其拆卸方便，可在场外组装，节省工期。
通过有限元分析，采用新型防倾覆系统后：1）塔身不出现拉应力；2）塔体顶部位移减小约54%；3)实现抗倾覆安全系数K提高了3.0倍。
通过采用上述新型防倾覆体系，顺利实施了古塔平移，其适用于高耸文物建筑移位，为类似移位工程提供了参考和借鉴。
