古建筑平移中移动系统的受力性能试验研究

第43卷第10期2013年5月下建筑结构BuildingStructureVol．43No．10May2013古建筑平移中移动系统的受力性能试验研究商冬凡1，2，王铁成1，崔少华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］古建筑平移工程中多采用滚轴作为移动装置，易产生平移偏位，且移动过程中需人工调整滚轴位置，增加了辅助工作时间。通过对滚轴支撑系统、轴承支撑系统、滚珠支撑系统进行顶推力比对试验分析发现，在相同荷载下，轴承支撑系统的顶推力与滚轴、滚珠支撑系统的顶推力相比较小，从而降低了建筑移位时的加速度，且定向性能好。对轴承支撑系统的滚动摩擦特性及受压承载力进行试验研究，结果表明，轴承支撑系统的顶推力与荷载之比F/N值较为平稳，其极限受压承载力远远高于额定载荷，安全度高、可操作性好，尤其适用于结构自重较小的平移工程。［关键词］古建筑平移;移动系统;轴承支撑系统;滚动摩擦特性中图分类号:TU746．4文献标识码:A文章编号:1002-848X(2013)10-0041-04ExperimentalresearchonmechanicalperformanceofthemovingsysteminancientarchitecturetranslocationsShangDongfan1，2，WangTiecheng1，CuiShaohua3(1SchoolofCivilEngineering，TianjinUniversity，Tianjin300072，China;2HeibeiAcademyofBuildingResearch，Shijiazhuang050021，China;3HebeiBuildingResearchTechnologyCo．，LTD．，Shijiazhuang050021，China)Abstract:Therollersareusedasmovingdeviceinalltheancientbuildingstranslocationprojects．Therollersareeasytodeviateinthetranslocationandneedadjustmentofpositionartificially，whichincreasestheauxiliaryworkingtime．Comparingtestswerecarriedonthethrustforceamongtherollersupportingsystem，bearingsupportingsystemandtheballsupportingsystem．Resultsshowthatunderthesameload，thethrustforceofthebearingsupportingsystemissmallerthanthethrustforceofrollersupportingsystemandballsupportingsystem．Bearingsupportingsystemcanreducetheaccelerationinthetranslocationandhasexcellentdirectionalproperty．Testsofrollingfrictioncharacteristicsandcompressivecapacityofthebearingsupportingsystemwerecarriedout．ResultsshowthattheF/Nvaluesofthebearingsupportingsystemarereposefulandtheultimatebearingcapacityismuchhigherthantheloadrating．Bearingsupportingsystemissafe，welloperableandsuitableforthesmallweighttranslocationproject．Keywords:ancientbuildingstranslocation;movingsystem;rollersupportingsystem;characteristicsofrollingfriction作者简介:商冬凡，博士研究生，一级注册结构工程师，教授级高级工程师，Email:[e-mail]。0引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。建筑平移技术可以解决这一难题，该技术主要是通过在托换底盘与轨道之间设置移动系统来实现的，其经济效益和社会效益十分显著。建筑平移的移动系统由移动装置、移动动力设备、反力支座组成。目前国内外平移采用的移动装置通常为滚轴［1，2］，但由于采用滚轴作为移动装置易产生平移偏位，且移动过程中经常需要人工续补滚轴以及调整滚轴位置，从而增加了辅助工作时间，延缓了移位进度。针对这种情况，本文提出了利用轴承和滚珠进行平移的方法，并系统地进行了移动装置的试验研究和方案比选。1工程概况龙溪塔(图1)位于宣城市宣州区狸桥镇西侧水阳江东岸，该塔为7层六边形砖木混合结构，底层占图1龙溪塔实景图地面积约20m2，高约22m;塔基用青砖砌筑，外围用青条石包砌一圈，是六边形砖木混合楼阁式塔的典型代表，特别是塔刹，价值较高，龙溪塔身上承载的历史信息使得其无论在建筑方面还是人文方面都具备了较高的历史价值和文化价值。目前该段江面需要治理，为对龙溪塔进行保护，需将龙溪塔向东北方向平移。龙溪塔为高耸构筑物，高度大、底面积小，且该塔为砖木结构，材料强度低、整体性差、变形协调能力也较差，建筑结构2013年图2移动装置试验示意图图3轴承支撑系统的滚动摩擦特性试验图4单个轴承F/N-荷载曲线(13个轴承)图5单个轴承F/N-荷载曲线(2个轴承)因此移动系统的选择至关重要，合适的移动系统可以减小平移加速度对塔身造成的冲击伤害，加快平移速度，缩短工期以减小平移轨道的沉降。2移动装置对比研究为了解滚轴支撑系统、滚珠支撑系统与轴承支撑系统3种移动装置的滚动特性，为龙溪塔平移提供依据，本次试验设计了1个滚轴支撑系统、1个滚珠支撑系统、1个轴承支撑系统。滚轴支撑系统由3个直径为60mm的45号钢滚轴组成，见图2(a);滚珠支撑系统为36个滚珠、上覆平板限位装置，见图2(b);轴承支撑系统由13个深沟球轴承(型号6209)、钢轴和支架构成，轴承外径85mm、内径45mm、宽度19mm。见图2(c);对该3组试件采用堆载方式加载，分为4级加载，每级16.2kN，每级加载后用千斤顶顶推试件，记录启动时的顶推力。滚轴支撑系统、滚珠支撑系统(涂抹润滑剂后)、轴承支撑系统顶推力见表1。支撑系统顶推力F与荷载N及比值关系表1支承系统荷载N/kN16.232.448.664.8滚轴支撑顶推力F/kN1.152.924.465.36F/N0.0710.0900.0920.083滚珠支撑顶推力F/kN3.705.467.698.87F/N0.2280.1690.1580.137轴承支撑顶推力F/kN0.681.452.283.10F/N0.0420.0450.0470.048由表1的对比分析可知，在相同荷载情况下，滚轴支撑系统的顶推力较大，从而产生的加速度也较大，容易产生偏位，并且施工时经常需要人工续补滚轴及调整滚轴的位置，附加工作时间较长，但材料费用低。在实际工程中对滚轴涂抹润滑剂进行试验，由于施工现场砂土较多，会粘贴在轨道和滚轴之间，阻力反而增大。在相同荷载情况下，滚珠支撑系统的顶推力最大，从而产生的加速度也最大，由于其各向均能滚动，方向难以控制，滚珠之间的相对异向运动增加了系统的摩擦力，且涂抹的润滑剂受现场施工环境影响较大，费用较高，施工时需要人工增补滚珠，施工速度慢。在相同荷载情况下轴承支撑系统顶推力最小，产生的加速度也较小，由于在平移中将轴承支撑系统与上轨道梁固定，并安装了水平限位装置，无需人工调整，从而节约时间、加快施工速度、费用较低。因此，本工程选择轴承支撑系统作为移动装置。3轴承支撑系统的滚动摩擦特性为了解轴承支撑系统的滚动摩擦特性，将第2节试验中的每个轴承支撑系统由13个轴承改为2个轴承，见图3。该组试件的加载方式及荷载级别同第2节的试验。轴承支撑系统的顶推力见表2。第2节试验的轴承支撑系统的单个轴承F/N-荷载曲线见图4，荷载增大6.5倍后(相当于2个轴承)，单个轴承F/N-荷载曲线见图5。轴承支撑系统顶推力F与荷载N及比值关系表2荷载N/kN16.232.448.664.8顶推力F/kN0.651.441.742.32F/N0.0400.0440.0350.03624第43卷第10期商冬凡，等．古建筑平移中移动系统的受力性能试验研究图6轴承支撑系统示意图7各轴承支撑系统破坏状态试验结果表明，单个轴承荷载较大时与单个轴承荷载较小时相比其F/N值差别不大，均较为平稳，说明轴承支撑系统的可操作性强，可根据竖向荷载情况调整轴承的个数。4轴承支撑系统的承载力试验根据以上结果可知，将轴承支撑系统应用于平移工程中顶推力小、平移速度快，为了解该移动装置在实际工程中是否安全，对该轴承支撑系统进行了受压承载力试验。4.1试件设计现设计6组轴承支撑系统，每组12个轴承，其中第1，2组轴承支撑系统的支架为2个竖杆，第3，4组轴承支撑系统的支架为3个竖杆，第5，6组轴承支撑系统的支架为4个竖杆，对每组12个轴承编号为1～12，如图6所示。本试验所用轴承额定载荷单个为20.5kN，每个轴承支撑系统的额定载荷为20.5×12=246kN。4.2试验装置本试验采用TYE-2000B型压力试验机进行加载。压力试验机以3kN/s的速率进行加载，首次出现轴承破坏时，记录千斤顶读数，加载直至多个轴承同时破坏，停止加载，整个轴承支撑系统失效，记录此时千斤顶读数，见表3。4.3试验现象对第1组轴承支撑系统进行加载，加载至448.8kN时，第12号轴承外圈首先开裂，卸载后重新加载，加载至752.2kN时，第1号轴承外圈开裂，第12号轴承外圈崩开弹出，露出滚珠，整个轴承支撑系统完全破坏，见图7(a)。轴承支撑系统的受压承载力表3轴承支撑系统1号2号3号4号5号6号初始破坏受压承载力/kN448.8612.3442.2496.1409.6345.9完全破坏受压承载力/kN752.2677.6575.3927.5612.5805.1对第2组轴承支撑系统进行加载，加载至612.3kN时，第2号、第5号、第6号、第12号轴承外圈开裂，加载至677.6kN时，第10号、第11号轴承外圈开裂，第12号轴承完全开裂，露出滚珠，整个轴承支撑系统完全破坏，见图7(b)。对第3组轴承支撑系统进行加载，加载至442.2kN时，第1号、第11号、第12号轴承外圈开34建筑结构2013年裂，卸载后重新加载，当加载至575.3kN时，第6号～第10号轴承同时开裂，整个轴承支撑系统完全破坏，见图7(c)。对第4组轴承支撑系统进行加载，加载至496.1kN时，第4号轴承开裂，加载至927.5kN时，第6号～第12号轴承同时开裂，整个轴承支撑系统失效，见图7(d)。对第5组轴承支撑系统进行加载，加载至409.6kN时，第6号轴承微开裂，卸载后重新加载，加载至612.5kN时，第1号～第7号轴承同时开裂，整个轴承支撑系统失效，见图7(e)。对第6组轴承支撑系统进行加载，加载至345.9kN时，第6号轴承开裂，加载至805.1kN时，整个轴承支撑系统破坏，见图7(f)。4.4试验结果试验结果表明，3种轴承支撑系统均为轴承破坏先于钢轴破坏，其受压承载力基本一致，初始破坏时受压承载力基本大于400kN，完全破坏时基本大于600kN。其中第1，3，5组轴承支撑系统为达到初始破坏时先卸荷后加载，第2，4，6组轴承支撑系统为持续加载，完全破坏时轴承开裂位置后者较前者均匀，说明持续加载时轴承支撑系统受力