湘江宾馆位于湖南省长沙市开福区中山路2号,始建于20世纪30年代,1954年由湖南省人民政府投资在何键公馆旧基上重建“湖南省交际处”;1963～1983年,大楼又进行了两次改造,1968年改名为湘江宾馆。该建筑占地面积约1 400m²,建筑面积约3 800m²,主楼3层,局部4层,附楼2层。2002年湘江宾馆被评为长沙市近现代保护建筑。

　　 湘江宾馆外部造型属于中国近现代建筑中传统形式与“苏式建筑”结合的典型代表,红砖清水墙,东西两头高耸出檐,琉璃瓦屋面,歇山屋顶,靴头爪角,檐下有斗拱。主楼东西两头屋盖系统为木屋架结构,其余为混凝土屋顶。湘江宾馆为砖混结构,墙、柱等主要受力构件由红色粘土砖和砂浆砌筑而成(图1)。

　　 湘江宾馆中栋由主楼和副楼组成。因城市建设需要,其南侧附楼拆除重建,北侧主楼平移35.56m(图2)。

　　 湘江宾馆中栋作为建成使用近70年的近现代保护建筑,因企业改制年久失修。部分墙体开裂、渗漏;部分混凝土梁板开裂、局部蜂窝麻面、钢筋外露锈蚀;木楼面及屋架构件烧损、沿纵纹开裂、腐朽;屋面板变形、腐朽、渗漏。

　　 根据《长沙市湘江宾馆项目中栋保护建筑现状条件下主体结构检测鉴定报告》^[1],该保护建筑已超过原设计使用年限,部分承重构件不能满足现行规范要求,需对该房屋整体进行结构加固和防火处理后,才能保证后续阶段的安全使用。为确保移位施工安全,在平移前对主体结构进行了加固处理。

　　 做为国内规模较大的近现代保护建筑平移项目,具有较高的历史价值和社会关注度。在设计过程中,为确保项目安全可靠地顺利平移,对设计提出了严格的要求^[2]。

　　 建筑移位工程的设计荷载包括永久荷载、活荷载、风荷载、地震作用及建筑物移位过程中的荷载。

　　 项目在实施移位前,所有可移动的家具、设备等都已经搬走。移位施工过程中,楼面活荷载基本没有。因此,永久荷载按现行国家标准《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)(简称荷载规范)取值,活荷载按实际情况取值。新址基础设计时,应按荷载规范计算恒荷载和活荷载。

　　 风荷载可按10年一遇取值。考虑到本项目为4层砖混结构,结构高度16.90m,风荷载对结构影响较小,不考虑风荷载的作用。建筑物移位过程中,一般不考虑地震作用。

　　 场地土层为杂填土、粉质黏土、粉砂、全风化泥质灰岩、强风化泥质灰岩、中风化泥质灰岩等。杂填土厚度不均,西侧较深,不适宜采用粉质黏土为天然基础持力层。

　　 原建筑东侧采用条形基础,粉质黏土埋深较浅,仍以此层为持力层,下轨道梁兼作条形基础。对于70年的老建筑,可认为粉质黏土层的压缩已经完成。

　　 原建筑西侧采用砖柱独立基础,粉质黏土埋藏较深。若继续开挖,将影响上部结构的整体稳定性。因此,在开挖到下轨道梁标高时,采用洛阳铲桩基础。下轨道梁同时作为桩基础的承台梁。由于在室内施工,大型施工设备无法进场。洛阳铲桩基设备小,对施工场地要求比较低,非常适合这种场地。每道承重墙下设双排基础,桩径为300mm,单桩承载力特征值为260kN。

　　 从粉质黏土层的埋深来看,同样可以采用原址基础的两种形式。洛阳铲桩机虽然具有施工便捷、噪声低、振动小、对场地要求较低的优点,但施工进度较慢。因此,在移动路线和新址基础设计时,统一采用ϕ400长螺旋压灌桩。对于东侧粉质黏土层埋深较浅的区域,理论上可以采用天然基础,但考虑到保护建筑的特殊性,且上部为砖混结构,门窗洞口对差异沉降比较敏感,因此设计时全部采用了长螺旋压灌桩。采用梅花型布桩,桩距1 500mm,单桩承载力特征值400kN。

　　 基础平面布置图见图3。原址轨道基础,左侧10条轴线为洛阳铲桩基础,右侧7条轴线为天然基础。移动路线和新址轨道下均为长螺旋桩基础。

　　 在移动路线的中间位置,前期施工的基坑支护冠梁,其标高与下轨道梁冲突,对下轨道梁有影响。基坑支护冠梁平面位置见图4,采用直径1 000mm的旋挖桩,间距2 000mm;旋挖桩桩径大,桩长15m左右,基本没有沉降。为防止基坑支护冠梁对下轨道梁产生不利影响,在下轨道梁和支护冠梁间设可变形的聚丙烯薄板,让其在结构上完全脱开,详见图4。

　　 根据鉴定报告,该项目未按现行规范设置构造柱和圈梁,房屋各层承重墙体砌筑砂浆强度普遍较低,不能满足现行规范的承载力要求;原结构楼板大部分为木楼板,年久失修破损严重,对砌体墙身稳定性也有影响。根据类似工程经验,在初始平移时,建筑存在明显振动,要求结构有良好的整体性能。

　　 为减小在加固过程中对保护建筑的损伤,采用M30高性能水泥复合砂浆钢筋网加固技术,复合砂浆中掺入含抗裂纤维的外加剂,分三次抹压对砌体结构进行加强。这种加固方法能使新增加固层与原构件粘结牢固,形成共同工作协同变形的整体,并可尽量避免对原构件造成不利影响。

　　 根据《建筑抗震加固技术规程》(JGJ 116—2009)的规定:1)当构造柱设置不符合鉴定要求时,应增设外加柱;当墙体采用双面钢筋网砂浆面层或钢筋混凝土板墙加固,且在墙体交接处增设相互可靠拉结的配筋加强带时,可不另设构造柱。2)当圈梁设置不符合规范要求时,应增设圈梁;外墙圈梁宜采用现浇钢筋混凝土,内墙圈梁可用钢拉杆或在进深梁端加锚杆代替;当采用双面钢筋网砂浆面层或钢筋混凝土板墙加固,且在上下两端增设配筋加强带时,可不另设圈梁。

　　 为满足砌体结构抗震构造要求,采用双面钢筋网砂浆面层加强结构抗震性能。复合砂浆钢筋网布置见图5。

　　 下轨道结构包括建筑物原址、移动路线和新址三部分。下轨道应具有足够的承载力,承担移位时的最不利荷载组合;同时应具有足够的刚度,协调移位过程中的差异沉降、确保移位顺利进行;下轨道梁的宽度宜大于托换梁的宽度^[3]。

　　 下轨道梁顶面需铺设强度不低于下轨道梁混凝土强度等级的细石混凝土找平层,厚度为30～50mm;找平层内铺设钢筋网。同时,应保证下轨道梁顶面的平整度,用2m直尺检查时的允许偏差不宜超过2.0mm,且整体高差不宜超过5.0mm。

　　 对于移位工程,轨道梁的平整度至关重要。平整度不满足要求,会导致钢滚轴受力不均,甚至导致钢滚轴悬空而无法受力,并改变移位装置的传力途径。

　　 结构在室内地面以下有两种基础形式:一种为墙下条形基础,一种为砖柱独立基础。

　　 对于砖柱独立基础,采用四面包裹式托换方式,将柱表面凿毛,并用插筋连接托换梁与柱。托换梁与柱的结合面高度h_j可按下式确定:

　　 $h{}_j=\frac{{\rm N}}{0.6f{}_{\text{t}}C{}_j}(1)$

　　 式中:C_j为托换柱截面的周长,mm;f_t为混凝土轴心抗拉强度设计值,取结合面处新旧混凝土轴心抗拉强度设计值的较小值,对于砖柱独立基础,应取砖砌体轴心抗拉强度设计值,N/mm²;N为托换柱的轴力设计值,N。

　　 四面包裹式柱托换节点,其承载力应满足下式规定:

　　 $k{\rm N}\le {\displaystyle \sum _{i=1}^{n}V}{}_{\text{u}i}(2)$

　　 式中:k为系数,取1.5～2.0;N为托换柱的轴力设计值,N;n为托换柱周围托换梁受力截面的数量;V_ui为第i个托换梁的受剪承载力,N。

　　 当a/h₀(a为支撑反力合力作用点至柱边的距离,mm;h₀为托换梁截面的有效高度,mm)在0.5～1.0的范围内时,托换梁的受剪承载力按下式计算:

　　 $V{}_{\text{u}i}=0.42f{}_{\text{t}}bh{}_0+\beta {}_{\text{s}}\rho f{}_{\text{y}\text{v}}\frac{A{}_{\text{s}\text{v}}}{s}h{}_0(3)$

　　 式中:f_t为混凝土轴心抗拉强度设计值,N/mm²;b为托换梁截面宽度,mm;β_s为系数,纵筋采用HRB400时,取66;ρ为托换梁纵向受拉钢筋配筋率,大于1.5%时,取1.5%;f_yv为箍筋抗拉强度设计值,N/mm²;A_sv为配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积,mm²;s为沿构件长度方向箍筋间距,mm。

　　 砖柱托换大样见图6。

　　 承重墙下条形基础的托换采用局部布置支点的方式,设计时注意避开门、窗、洞口和承重构件的薄弱位置。局部布置支点的设计类似于砖柱独立基础,且施工便捷。托换结构示意见图7。

　　 建筑移位过程中,虽然通过同步伺服系统,可以尽可能地减少牵引力对上部结构产出附加应力,但仍然不可避免地对上部结构产生影响。对保护性建筑而言,移位过程中对上部结构的保护至关重要。

　　 通过在每根托换梁间设置斜向支撑,在托换平面内形成水平平面桁架,在建筑移位的施力平面内,形成一个刚度很大的刚体,将移位过程中的不平衡力由水平桁架完全承担,有效地减少对上部建筑的影响。托换桁架结构布置见图8。

　　 建筑物的水平移位主要采用牵引式和顶推式。牵引式适用于小型建筑,优点是施工操作相对简单,方向性强。顶推式适用于多层及高层建筑物移位,顶推节点比较简单,但方向性稍难控制。本项目总质量近5 000t,属于大型建筑,比较适合顶推式。

　　 虽然顶推式方向性控制比较困难,但是通过移位同步伺服系统,在整个移动过程中实时监测、调控建筑物的移动速度及距离,可以保证平移过程中的平稳性和同步性。

　　 目前建筑物的平移采用滚动机构和滑动机构两种,国内外已经实施的平移工程中的95%以上都是采用的滚动行走机构。滚动行走机构的摩阻力远小于滑动行走机构,在总荷载相同的情况下,根据实际工程统计,如采用半径r=3 cm的滚轴时,滚动机构的摩阻力约为聚四氟乙烯滑动机构的1/7～1/4。本项目采用滚动结构。

　　 钢滚轴作为移位工程的行走机构,既要承担水平移位的功能,又要承担将全部上部荷载传递到下轨道梁的竖向支撑作用。建筑物移位时,所有上部荷载通过上轨道梁传到钢滚轴,再传递到下轨道梁。对于圆形的钢滚轴,上轨道、下轨道与钢滚轴的接触面积小,需要验算钢滚轴对上下轨道的局部应力。

　　 (1)实心钢滚轴与轨道板的接触应力σ可按下式计算:

　　 $\sigma =0.418\sqrt{\frac{2{\rm P}{}_{\text{g}}E}{dl}}\le 3\sigma {}_{\text{s}}(4)$

　　 式中:σ为实心钢滚轴与轨道板的接触应力,N/mm²;P_g为每根实心钢滚轴的承压力设计值,N;E为材料的弹性模量,若两种弹性模量不同的材料接触时应采用合成弹性模量,N/mm²;d为滚轴直径,mm;l为滚轴长度,mm;σ_s为两种接触材料中较小的屈服强度,N/mm²。

　　 通过计算,上下轨道的混凝土面层的接触应力不能满足式(4)要求。在上轨道梁底设置槽钢,既作上轨道梁的底模,又承担接触应力;在下轨道梁上垫10mm厚钢板,此措施可以满足接触应力的要求。

　　 (2)钢滚轴的直径设计

　　 经过全面的分析对比,根据相关的工程经验及国内外大量的工程实例,采用直径60mm的实心钢滚轴作为本工程的行走机构,其优点有:1)钢滚轴的强度高、变形小,能够承担较大的荷载;2)行走机构的方向可控性好,可以有效防止移动方向外的侧移;3)滚轴数量多,可以将上部荷载比较均匀地传递到下轨道梁及基础,降低基础结构的不均匀受力、减小地基的不均匀沉降;4)上下轨道间的间隙较大,如遇个别滚轴跑偏,可以放入大吨位的超薄千斤顶进行卸荷调整;5)移动阻力小,需要的移动动力小,施力设备(千斤顶)少,更利于施力设备的同步控制;6)滚轴直径大,对轨道不平整度的反映灵敏度低,利于建筑物的平稳移动。

　　 建筑物移位时,主要受到钢滚轴和轨道梁的摩擦阻力。摩擦阻力F_i可根据下式计算:

　　 $F{}_i=k\mu G{}_i(5)$

　　 式中:μ为摩擦阻力系数;G_i为作用于第i道托换梁的竖向作用力标准值,N;k为经验系数,取1.5～2.0。

　　 根据模型试验结果^[4],得出钢材滚动平移建筑物的摩擦阻力系数μ与建筑物重量、滚轴直径有关。建筑物重量越大,滚轴直径越小,建筑物摩擦阻力系数就越大;试验得出钢材滚动平移的摩擦阻力系数为0.016～0.029。但是通过实际工程的现场监测数据得出建筑物平移的摩擦阻力系数区间为0.040～0.071。

　　 实际工程中测出的摩擦阻力系数偏大^[5],主要是因为实际的建筑物重量比实验室模型大得多,移动装置压力较大,致使移动装置及与移动装置相接触的轨道变形较大;同时,轨道平整度及移动装置的受力均匀性均比试验环境要差。以上因素将导致实际工程的摩擦阻力系数大于实验室的数据。

　　 通过这个项目的平移实践,发现水平移位摩擦阻力系数不仅与建筑物重量、滚轴直径有关,还与移位过程的不同阶段有关。就是说,在同一个移位项目中,不同的时间节点,其摩擦阻力系数不是恒定的,反而相差较大。摩擦阻力系数最大的时间节点是移位工程的最初移动时间。笔者分析了原因,认为主要在于以下几个方面:1)移位建筑物水平分割以后,上部结构荷载全部传递到钢滚轴,钢滚轴受到很大的竖向压力,自身会产生变形;2)上下轨道与钢滚轴接触的钢板,在钢滚轴的反力作用下,产生变形,导致接触面积增大,摩擦阻力增大;3)移动装置曝露日久,建筑残渣、碎屑留存在钢滚轴周边,增加了摩擦阻力。

　　 对于移位建筑的初始摩擦阻力系数以及如何避免初始移位时产生的振动,还需要更进一步的研究。

　　 通过以上的摩擦阻力计算,本项目最终选用15台100t的顶推千斤顶作为牵引装置,并采用液压同步伺服系统,协同15个千斤顶同步推进。在移位终点位置的下轨道梁上设置反力牛腿,千斤顶附着在移位建筑物上,施工操作便捷。

　　 建筑物平移就位后,托换结构和基础间的缝隙采用水泥基灌浆料充填密实,直径60mm的钢滚轴留在上下轨道中间,不再取出。

　　 所有工作完成后,本项目由砌体结构下的转换梁和砖柱独立基础改换成砌体结构条形承台桩基础,基础的可靠度大幅提高。

　　 (1)平移施工过程中,新老地基存在沉降差异,采用长螺旋压灌桩作为轨道基础,有效地控制沉降差。

　　 (2)采用高性能水泥复合砂浆钢筋网,对保护建筑砌体结构进行加固,满足平移过程的结构稳定性,并满足抗震构造要求。

　　 (3)对砖柱独立基础,采用四面包裹式托换;对墙下条形基础,采用局部布置支点的方式托换,施工便捷,传力可靠。

　　 (4)移位工程采用顶推式液压千斤顶,行走机构采用直径60mm的钢滚轴,通过液压同步伺服系统,协同建筑整体平移。

　　 (5)建筑物平移就位后,采用水泥基灌浆料充填密实,使上部结构荷载传递到新建基础。

　　 本项目采用以设计为龙头的EPC总承包项目管理模式,自2017年10月开始加固施工,2018年12月26～28日顺利平移到位,平均每天平移12m。