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摘要：随着城乡功能更新与可持续发展，既有建筑物移位保护需求不断增加。在移位过程中常出现竖向差异变形，有可能对托换结构力学性能产生不利影响。本文提出了墙（柱）双梁托换结构剪扭耦合力学模型，模拟分析竖向差异变形条件下托换结构的抗剪承载力，研究托换梁剪扭耦合受力性能。
关键词 既有建筑;双梁托换;剪扭耦合;竖向差异变形;抗剪承载力
0 引言
在城乡建设与更新改造过程中，建筑物整体移位技术使得一些面临拆除但仍有文化和使用价值的既有建筑得以迁址留存。尤其是一些历史建筑，合理采用移位保护技术不仅使得其蕴含的历史文化价值得以存续，还可提升其结构性能，实现城乡更新改造的绿色减碳、可持续发展的目标。
移位保护技术在确保房屋整体性和功能性的前提下，将托换后的上部结构与原基础分离，并在水平力或顶升力的作用下，将建筑物按照规划路线从原址迁移至新址就位[1]。作为整体移位过程的关键技术之一，通过合理托换将墙（柱）等竖向构件承受的上部荷载转移传递至托换结构，并传递给滑脚及下部结构，可应用于建筑物的平移、旋转、顶升及纠偏等工程中[2]- [3]。
常见的混凝土梁托换形式有单梁式与双梁式;相比于单梁式托换，双梁式托换无需设置临时托梁并间断拆除墙体，可直接对墙（柱）进行夹持托换，具有施工简便、承载能力好及整体性强的特点。双梁托换结构同时承受上部墙（柱）的荷载、平移和顶升附加作用及下部结构不均匀沉降引起的托换结构竖向差异变形等，并实现上部结构与托换结构的受力及变形协调。因此，托换结构的力学性能是建筑物能否成功移位的关键要素之一。
本文结合某既有建筑移位托换工程，分析双梁托换的剪扭耦合受力性能，并通过有限元数值模拟托换双梁传递荷载工况，探究托换梁剪扭作用关键受力模式，对比分析实际托换结构抗剪承载能力。
1 工程概况
某既有建筑建于1925年，长29.04m，宽21.11m，占地面积约635m2，总建筑面积约1200 m2。该建筑高2层，外观呈中西合璧式样，建筑平面示意图与外观示意图参见图1。建筑使用功能发生多次变迁，主体木结构、砖墙经过多次改造。由于该建筑所处地块开发，为留存其独特的建筑风格和历史价值，需要对其实施整体移位保护，因此沿墙柱设置托换双梁。
1.1 移位托换受力机制
根据该既有建筑的结构类型、平面布置、材料强度、抗震设防、场地等基本工程结构参数以及楼地面的活荷载布置和楼地面及墙体的恒荷载布置情况，通过荷载组合按照公式，恒荷载标准值分项系数取1.2，活荷载分项系数取1.4，进行移位建筑上部结构竖向荷载的传递与施加。
该既有建筑经过斜向平移、整体旋转、整体顶升及纵向平移后于新址完成就位。上部结构荷载通过双梁托换传递至斜向上滑梁，然后通过滑脚传递至下轨道梁及地基。滑脚根据一定的间距间隔分布，由23个固定滑脚和44个液压悬浮式滑脚组成，滑脚支座编号和位置示意图见图2。
由图2可知，斜向平移的托换梁与滑梁有一定的夹角，因此沿滑梁布置的滑脚支撑点与托换墙（柱）体有一定的距离，滑梁弯曲变形协调导致托换梁产生一定的扭转，从而影响托换受力机制。此外，在移位过程中，出现了地基基础沉降、下滑道梁开裂等不均匀竖向变形现象。本工程采用的悬浮滑脚有效缓解了不均匀竖向变形，使得滑脚部位最不利竖向变形减少到2～3mm。
本文提出双梁托换剪扭耦合力学模型，研究分析托换梁剪扭耦合机制及其抗剪承载力，结合有限元模拟分析，验证率所提出的力学模型合理有效。
2 双梁托换体系力学模型及分析方法
整体移位前需对墙体进行有效托换，并使之与基础切割分离。墙体托换前后传力途径发生变化，上部结构荷载通过托换层传至滑脚，托换结构的强度和刚度以及托换梁是否夹持墙体直接影响到上部结构的安全，不同托换梁支承各结构墙、柱，支撑点的不均匀变形使上部结构产生不均匀沉降，并引起附加内力，影响上部结构安全。
托换前，建筑物竖向荷载的传递途径为：墙（柱）荷载→基础→地基，而托换加固体系完成并切割后，建筑物竖向荷載的传递途径为：墙（柱）荷载→托换梁→滑脚→轨道→下轨道梁→基础→地基，具体路径见图3。
2.1 结构墙的双梁托换方法
该移位工程对墙的托换采用双梁式托换[4]。对托换部位墙体进行凿毛，清理干净砖墙表面的碎屑和泥土，支模绑扎钢筋，浇筑混凝土托换梁[5]。墙两侧托换梁截面尺寸为200mm×450mm，墙双梁托换示意图见图4。
2.2 结构柱的双梁托换方法
同理对柱采用双梁抱柱托换，如图5所示。
2.3双梁托换力学模型
托换梁的受力模式是一个兼容弯剪扭的复合受力的状态，荷载通过墙体或柱体自上而下的传递。基于托换梁和墙体（柱体）的界面摩擦以及咬合作用[6]，受力示意图可以简化分为弯矩受力和剪扭受力两种。
假设竖向荷载在托换梁上的传递中，墙体竖向荷载沿着托换梁通长均匀分布，而柱体竖向荷载沿着托换梁仅柱宽内均匀分布，故竖向荷载作用在托换梁上的受弯荷载示意图见图6。
q1：上部（墙体或柱体）传递至托换梁的等效均布荷载。
而对于墙体（柱体）与托换梁接触面的力学分析中，托换梁受到单侧接触面的剪切荷载的传递，此时考虑由于剪切力以及其引起的扭转力学分析，其中剪力主要靠粗糙界面传递[7]- [8]，托换梁剪扭示意图见图7。
3 双托换梁剪扭受力案例分析
按图1所示建筑结构的托换设计实际情况，在上滑道梁下部滑脚位置设置节点三向约束。原砖墙及屋架以荷载形式加载于新结构构件上[11]。移位过程作为一个短暂时段，故托换分析不考虑风、地震等偶然外荷载作用。 3.1 考虑剪扭耦合的托换梁抗剪承载力分析
考虑托换梁扭矩传递系数β为0.5～1.0时，将剪扭相关参数代入式（5）进行分析，得出托换梁的抗剪承载力值如图10所示。图10表明，随着滑脚支撑点与滑梁间距的增加，托换梁抗剪承载能力迅速减小;与此同时，随托换梁扭矩传递系数的增大，托换梁抗剪承载能力也逐渐减小。
3.2 有限元建模验证分析
建立带托换梁的整体结构有限元数值模型，如图10 a）所示，其中图10b）为托换层部分节点编号。
分析托换梁在平移过程中承受上部结构传递荷载及最不利2mm竖向差异变形下的内力[12] [13]，计算结果参见表5。将式（5）各参数标示在图11中，可见有限元分析所得剪力值基本被托换梁抗剪承载力所包络，说明该工程案例托换梁抗剪设计安全有效，这也被实际工程成功实施所验证。
4.结论
本文以某既有建筑结构移位保护为背景，综合考虑托换梁剪扭耦合受力状态，通过研究得出以下结论：
针对双托换梁与墙（柱）体的受力特点，提出剪扭耦合力学模型，推导剪扭耦合计算公式，为托换梁抗剪承载力值提供理论分析手段;
竖向位移差、扭矩传递系数、滑脚支撑点与托换梁间距离等是影响双梁托换抗剪承载力的主要因素;
结合既有建筑结构移位保护工程的托换设计、滑脚分布与荷载工况，建立有限元模型进行数值模拟，验证所提出的剪扭耦合力学模型适用于双梁托换设计分析。
参考文献
[1]张鑫.建筑物平移与纠倾技术[M].北京：中国水利水电出版社，2008.
[2]韩继云，吴如军，高小旺.建筑物改造加固工程设计与施工[M].北京：中国建筑工业出版社，2013.
[3]唐业清，崔江余，费慧慧.建筑特种工程新技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2013.
[4]杜健民，袁迎曙，王波，等.承重砖墙托换体系承载力预计模型研究[J].中国矿业大学学报，2010，39（5）：642 - 647.
[5]砌体结构设计规范（GB50003-2001 ）[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.46-53.
[6]赵志方，周厚贵，刘健，初明进.新老混凝土粘结复合受力的强度特性[J].工业建筑，2002（10）：37-39+62.
[7]Kefeng Yue，Lei Yan. Analysis and Experimental Study on Shear Bearing Mechanism of Underpinning Beams Based on Truss-Arch Model[J]. KSCE Journal of Civil Engineering，2020，24（04）.
[8]吴二军，张能伟.新旧混凝土凹凸咬合界面剪切滑移的破壞形态与承载力分析[J].水利与建筑工程学报，2018，16（02）：135-139.
[9]王仲秋.矩形截面钢筋混凝土构件的抗扭刚度[J].哈尔滨建筑工程学院学报，1983（03）：27-37.
[10]鲁懿虬，黄靓.中美混凝土结构设计规范剪扭构件承载力的对比分析[J].工程力学，2012，29（02）：114-120.
[11]杜健民，袁迎曙，牟艳君等.整体平移后六层砖混结构住宅楼整体提升的施工与检测]J].建筑技术，2006，37（6）：415-417.
[12]都爱华，张鑫，赵考重，等.建筑物整体平移技术的试验研究[J].工业建筑，2002，32（7）：4-6.
[13]董海林.既有建筑整体移位安全技术性能指标分析与应用[D].同济大学;同济大学土木工程学院，2009.
关键词 既有建筑;双梁托换;剪扭耦合;竖向差异变形;抗剪承载力
0 引言
在城乡建设与更新改造过程中，建筑物整体移位技术使得一些面临拆除但仍有文化和使用价值的既有建筑得以迁址留存。尤其是一些历史建筑，合理采用移位保护技术不仅使得其蕴含的历史文化价值得以存续，还可提升其结构性能，实现城乡更新改造的绿色减碳、可持续发展的目标。
移位保护技术在确保房屋整体性和功能性的前提下，将托换后的上部结构与原基础分离，并在水平力或顶升力的作用下，将建筑物按照规划路线从原址迁移至新址就位[1]。作为整体移位过程的关键技术之一，通过合理托换将墙（柱）等竖向构件承受的上部荷载转移传递至托换结构，并传递给滑脚及下部结构，可应用于建筑物的平移、旋转、顶升及纠偏等工程中[2]- [3]。
常见的混凝土梁托换形式有单梁式与双梁式;相比于单梁式托换，双梁式托换无需设置临时托梁并间断拆除墙体，可直接对墙（柱）进行夹持托换，具有施工简便、承载能力好及整体性强的特点。双梁托换结构同时承受上部墙（柱）的荷载、平移和顶升附加作用及下部结构不均匀沉降引起的托换结构竖向差异变形等，并实现上部结构与托换结构的受力及变形协调。因此，托换结构的力学性能是建筑物能否成功移位的关键要素之一。
本文结合某既有建筑移位托换工程，分析双梁托换的剪扭耦合受力性能，并通过有限元数值模拟托换双梁传递荷载工况，探究托换梁剪扭作用关键受力模式，对比分析实际托换结构抗剪承载能力。
1 工程概况
某既有建筑建于1925年，长29.04m，宽21.11m，占地面积约635m2，总建筑面积约1200 m2。该建筑高2层，外观呈中西合璧式样，建筑平面示意图与外观示意图参见图1。建筑使用功能发生多次变迁，主体木结构、砖墙经过多次改造。由于该建筑所处地块开发，为留存其独特的建筑风格和历史价值，需要对其实施整体移位保护，因此沿墙柱设置托换双梁。
1.1 移位托换受力机制
根据该既有建筑的结构类型、平面布置、材料强度、抗震设防、场地等基本工程结构参数以及楼地面的活荷载布置和楼地面及墙体的恒荷载布置情况，通过荷载组合按照公式，恒荷载标准值分项系数取1.2，活荷载分项系数取1.4，进行移位建筑上部结构竖向荷载的传递与施加。
该既有建筑经过斜向平移、整体旋转、整体顶升及纵向平移后于新址完成就位。上部结构荷载通过双梁托换传递至斜向上滑梁，然后通过滑脚传递至下轨道梁及地基。滑脚根据一定的间距间隔分布，由23个固定滑脚和44个液压悬浮式滑脚组成，滑脚支座编号和位置示意图见图2。
由图2可知，斜向平移的托换梁与滑梁有一定的夹角，因此沿滑梁布置的滑脚支撑点与托换墙（柱）体有一定的距离，滑梁弯曲变形协调导致托换梁产生一定的扭转，从而影响托换受力机制。此外，在移位过程中，出现了地基基础沉降、下滑道梁开裂等不均匀竖向变形现象。本工程采用的悬浮滑脚有效缓解了不均匀竖向变形，使得滑脚部位最不利竖向变形减少到2～3mm。
本文提出双梁托换剪扭耦合力学模型，研究分析托换梁剪扭耦合机制及其抗剪承载力，结合有限元模拟分析，验证率所提出的力学模型合理有效。
2 双梁托换体系力学模型及分析方法
整体移位前需对墙体进行有效托换，并使之与基础切割分离。墙体托换前后传力途径发生变化，上部结构荷载通过托换层传至滑脚，托换结构的强度和刚度以及托换梁是否夹持墙体直接影响到上部结构的安全，不同托换梁支承各结构墙、柱，支撑点的不均匀变形使上部结构产生不均匀沉降，并引起附加内力，影响上部结构安全。
托换前，建筑物竖向荷载的传递途径为：墙（柱）荷载→基础→地基，而托换加固体系完成并切割后，建筑物竖向荷載的传递途径为：墙（柱）荷载→托换梁→滑脚→轨道→下轨道梁→基础→地基，具体路径见图3。
2.1 结构墙的双梁托换方法
该移位工程对墙的托换采用双梁式托换[4]。对托换部位墙体进行凿毛，清理干净砖墙表面的碎屑和泥土，支模绑扎钢筋，浇筑混凝土托换梁[5]。墙两侧托换梁截面尺寸为200mm×450mm，墙双梁托换示意图见图4。
2.2 结构柱的双梁托换方法
同理对柱采用双梁抱柱托换，如图5所示。
2.3双梁托换力学模型
托换梁的受力模式是一个兼容弯剪扭的复合受力的状态，荷载通过墙体或柱体自上而下的传递。基于托换梁和墙体（柱体）的界面摩擦以及咬合作用[6]，受力示意图可以简化分为弯矩受力和剪扭受力两种。
假设竖向荷载在托换梁上的传递中，墙体竖向荷载沿着托换梁通长均匀分布，而柱体竖向荷载沿着托换梁仅柱宽内均匀分布，故竖向荷载作用在托换梁上的受弯荷载示意图见图6。
q1：上部（墙体或柱体）传递至托换梁的等效均布荷载。
而对于墙体（柱体）与托换梁接触面的力学分析中，托换梁受到单侧接触面的剪切荷载的传递，此时考虑由于剪切力以及其引起的扭转力学分析，其中剪力主要靠粗糙界面传递[7]- [8]，托换梁剪扭示意图见图7。
3 双托换梁剪扭受力案例分析
按图1所示建筑结构的托换设计实际情况，在上滑道梁下部滑脚位置设置节点三向约束。原砖墙及屋架以荷载形式加载于新结构构件上[11]。移位过程作为一个短暂时段，故托换分析不考虑风、地震等偶然外荷载作用。 3.1 考虑剪扭耦合的托换梁抗剪承载力分析
考虑托换梁扭矩传递系数β为0.5～1.0时，将剪扭相关参数代入式（5）进行分析，得出托换梁的抗剪承载力值如图10所示。图10表明，随着滑脚支撑点与滑梁间距的增加，托换梁抗剪承载能力迅速减小;与此同时，随托换梁扭矩传递系数的增大，托换梁抗剪承载能力也逐渐减小。
3.2 有限元建模验证分析
建立带托换梁的整体结构有限元数值模型，如图10 a）所示，其中图10b）为托换层部分节点编号。
分析托换梁在平移过程中承受上部结构传递荷载及最不利2mm竖向差异变形下的内力[12] [13]，计算结果参见表5。将式（5）各参数标示在图11中，可见有限元分析所得剪力值基本被托换梁抗剪承载力所包络，说明该工程案例托换梁抗剪设计安全有效，这也被实际工程成功实施所验证。
4.结论
本文以某既有建筑结构移位保护为背景，综合考虑托换梁剪扭耦合受力状态，通过研究得出以下结论：
针对双托换梁与墙（柱）体的受力特点，提出剪扭耦合力学模型，推导剪扭耦合计算公式，为托换梁抗剪承载力值提供理论分析手段;
竖向位移差、扭矩传递系数、滑脚支撑点与托换梁间距离等是影响双梁托换抗剪承载力的主要因素;
结合既有建筑结构移位保护工程的托换设计、滑脚分布与荷载工况，建立有限元模型进行数值模拟，验证所提出的剪扭耦合力学模型适用于双梁托换设计分析。
参考文献
[1]张鑫.建筑物平移与纠倾技术[M].北京：中国水利水电出版社，2008.
[2]韩继云，吴如军，高小旺.建筑物改造加固工程设计与施工[M].北京：中国建筑工业出版社，2013.
[3]唐业清，崔江余，费慧慧.建筑特种工程新技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2013.
[4]杜健民，袁迎曙，王波，等.承重砖墙托换体系承载力预计模型研究[J].中国矿业大学学报，2010，39（5）：642 - 647.
[5]砌体结构设计规范（GB50003-2001 ）[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.46-53.
[6]赵志方，周厚贵，刘健，初明进.新老混凝土粘结复合受力的强度特性[J].工业建筑，2002（10）：37-39+62.
[7]Kefeng Yue，Lei Yan. Analysis and Experimental Study on Shear Bearing Mechanism of Underpinning Beams Based on Truss-Arch Model[J]. KSCE Journal of Civil Engineering，2020，24（04）.
[8]吴二军，张能伟.新旧混凝土凹凸咬合界面剪切滑移的破壞形态与承载力分析[J].水利与建筑工程学报，2018，16（02）：135-139.
[9]王仲秋.矩形截面钢筋混凝土构件的抗扭刚度[J].哈尔滨建筑工程学院学报，1983（03）：27-37.
[10]鲁懿虬，黄靓.中美混凝土结构设计规范剪扭构件承载力的对比分析[J].工程力学，2012，29（02）：114-120.
[11]杜健民，袁迎曙，牟艳君等.整体平移后六层砖混结构住宅楼整体提升的施工与检测]J].建筑技术，2006，37（6）：415-417.
[12]都爱华，张鑫，赵考重，等.建筑物整体平移技术的试验研究[J].工业建筑，2002，32（7）：4-6.
[13]董海林.既有建筑整体移位安全技术性能指标分析与应用[D].同济大学;同济大学土木工程学院，2009.