木結構廟宇建筑整體平移前的加固技術

王建永 盧文勝 李 偉 張鳳亮 謝麗宇 谷志旺 邱會安

1. 上海天演建筑物移位工程股份有限公司 上海 200336；2. 同濟大學 上海 200092；3. 上海建筑設計研究院有限公司 上海 200041；4. 上海建工四建集團有限公司 上海 201103

建筑物整體平移在國內已經有數百個成功的實例，相關的技術規程及標準也相繼出臺。PLC同步控制技術在平移工程中得到了廣泛的應用，大大提高了同步控制精度，平移時正常加速度小于0.01g。但是在文物建筑平移工程中，考慮到文物建筑建造年代久遠，材料強度低、整體性差等特點，以及臺風、較大差異沉降、地震等不可預見情況，結構的臨時加固還是必須重點考慮的關鍵技術。

1 工程概況

上海玉佛禪寺為外觀2層的仿宋宮殿式木結構建筑，是上海優秀歷史建筑和普陀區文物保護單位。由于在城市發展過程中，地勢變低，交通擁擠，年久失修，存在很大的安全隱患，已不滿足實際使用需求，故需對玉佛禪寺進行整修，采用可編程邏輯控制器（PLC）同步控制系統控制相應設備，將大雄寶殿整體向北平移30.66 m，頂升0.85 m。為保障平移萬無一失，平移前設計階段重點考慮臨時加固技術，不僅要求臨時加固措施要抵抗0.05g水平加速度，而且加固措施在受力拆除時不能對結構造成損傷。

2 木結構整體臨時加固

2.1 臨時加固措施比選

本工程采用空間鋼桁架的形式，鋼架的鋼柱錨固在上托換盤上。鋼架自身獨立成體系，在縱橫向都有較大的剛度。其目的是在意外情況發生或受到不利工況擾動的情況下能夠控制整體木構架的水平變形，保持結構的側向穩定性，對整體建筑進行側向的限位保護。獨立鋼架體系不改變主體結構的體系和原有受力狀態，只有在建筑產生相對較大的變形時鋼架側向保護作用才啟動，因此給主體木結構預留了一定自適應的變形空間，正常情況下鋼架和主體結構的受力互不干擾，各自受力模式也比較清晰。但對一些不利工況，臨時鋼架起到的保護作用有限，如柱托換過程中，如果托換失效或底部產生比較大的豎向變形，則獨立鋼架體系不能起到保護作用。因此專門考慮一個備選方案，以期能夠保證這種不利工況發生時整體建筑的安全。

大殿內為木結構，不能進行明火焊接作業，加固鋼桁架設計為螺栓連接，鋼結構主要構件為立柱、水平支撐、斜向支撐及抱箍等，桿件數量較多（圖1）。其中立柱采用RHS160 mm×8 mm，數量34根、共計43節；水平支撐為2C16A，數量25根；斜向支撐為∠100 mm×63 mm×8 mm，數量52根；抱箍16個（圖2、圖3）。

圖1 鋼架空間模型

圖2 鋼結構加固

2.2 木柱與鋼結構連接

在木柱周圍包鋼板與水平鋼支撐通過螺栓連接，為保護木柱節點在受力時不損傷接觸表面，在木柱與抱箍間填充厚20 mm橡膠板。節點做法只限制其水平位移，不限制豎向位移，使加固體系與原結構體系受力及傳力互不干擾（圖4）。施工過程中由于木柱間距、木柱直徑、木柱傾斜等各不相同，導致鋼架與木柱間的連接桿件長度及角度必須以實際情況為準，最后安裝前進行測量。

2.3 局部節點的加固

在損傷嚴重且有施工空間的各節點梁和柱上設拉結，對節點進行限位加固，減少各種變形的發生，對大梁和柱節點采用隅撐加固；對托梁式結構的梁柱節點采用2個能對稱扣合鎖固在梁、柱表面的扁鋼卯（圖5、圖6）。

圖3 加固平面示意

圖4 木柱與鋼結構支撐連接關系

圖5 木柱與梁節點加固

3 佛像加固

3.1 佛像傾覆簡化分析

將佛像結構假設為均質結構，根據形狀確定重心位置（圖7），水平加速度考慮0.05g，計算佛像的傾覆可能性。

圖6 梁與托柱節點加固

圖7 佛像傾覆簡化分析

1）在0.05g水平加速度作用下，中間大佛依靠自身質量具有足夠穩定性，沒有傾斜和傾覆傾向，傾覆安全系數8.6。

2）按0.05g水平加速度計算南海觀音像的傾覆穩定性，計算不考慮南海觀音像根部錨固與黏結作用，假設為平放于佛臺上部，傾覆安全系數為4.4。

由此可知，佛像在0.05g水平加速度作用下的傾覆可能性很小，但考慮到平移過程中各種不可預見的情況，為保證萬無一失，應對佛像進行必要的臨時性加固。

我逃回村里，向一位慈眉善目的鄉村老翁展示我那紅腫的手背。老翁笑著告訴我：“這不是蜜蜂，是馬蜂！這蟲子厲害，你不要去惹它們。”

3.2 佛像加固方案選擇

由于佛像為非受力構件，表面不能受力，形狀不規則，且為重點保護部位，加固措施不能采用限位及扶持措施，且應避開四肢等脆弱部位。設計階段對比了封閉式加固、綁帶式加固、框架夾板式加固等加固方案。

1）封閉式加固。佛像四周模板封閉，內部填充乒乓球、稻殼等輕質材料。該方案內部封閉體積巨大，填充材料可觀，乒乓球需要300萬個，質量8 t，可能壓壞佛像，而且封閉后在平移過程中無法觀察。

2）綁帶式加固。彈性材料綁帶前后綁扎固定。該方案綁扎時施工的預應力無法控制。

3）框架夾板式加固。腳手架作為支撐，夾板作為固定。該方案腳手架鋼管間的連接為標準化連接安裝，質量比較容易保證，節點摩擦強度足夠滿足支撐力要求（圖8）。

圖8 框架夾板式加固

當佛像發生傾覆趨勢時，主要的受力與傳力途徑為：佛像水平力→接觸海綿→支撐木方→固定模板→支撐腳手架及斜桿。主要的施工工序與傳力路徑相反：先施工支撐腳手架→加工與佛像體型大致吻合的固定模板（模板與佛像不接觸）→安裝并固定木方（木方頂端粘貼海綿）。

東西兩側佛像加固2道夾板支撐，中間佛像加固2道夾板支撐，并用木方固定底座蓮花臺座。南海觀音佛像加固支撐桿件頂端粘貼海綿與接觸點接觸，并且避開所有佛像的位置。

4 平移過程加固措施監測數據

在整個施工過程中對大殿進行實時監測，安裝靜力水準儀監測大雄寶殿整體姿態，安裝傾角儀監測墻體、木柱、佛像的傾斜；安裝位移傳感器監測佛像位移、榫卯節點變形。大雄寶殿于2017年9月2日正式啟動平移工程，并于9月8日平移到位，2017年9月12日開始頂升，于2017年9月17日頂升到位。在此期間，木柱傾角儀的數據如表1所示。

通過對鋼桁架應變計、佛像激光測距儀的變化曲線和傾角儀的讀數進行分析，可得出以下結論：

1）安裝在墻面的靜力水準儀、傾角儀、激光測距儀測量數據在平移頂升前后幾乎保持不變，可知整體結構在平移頂升過程并未發生顯著的偏移、下沉或旋轉。

2）安裝在佛像墻面上的靜力水準儀和傾角儀，以及正對佛像的激光測距儀的測量數據在平移前后幾乎保持不變，可知佛像在平移過程與整體結構幾乎保持相對靜止，并未發生顯著的相對移動、傾斜或旋轉。

3）安裝在柱子上的傾角儀以及安裝在大殿頂部橫向、縱向梁上的激光測距儀的測量數據在平移前后幾乎保持不變，可知柱子在平移過程并未發生顯著的傾斜或下沉；大梁與木柱交界的卯榫節點部位沒有明顯的變形。

表1 部分木柱傾角儀數據

4）鋼結構應變在平移頂升過程中的數據變化幅度＜45 με，設計規定的鋼結構微應變在－100～100 με范圍內（按鋼材設計強度的1/10取值），滿足要求。

5 結語

1）只要嚴格控制各階段的設計指標，平移頂升施工的風險就可以控制得很低，因而，結構安全可靠度是有保證的。

2）臨時加固結構應自成體系，與原結構傳力不能互相干擾，拆除時不影響原受力傳力路徑。

3）應用PLC同步控制系統平移頂升建筑物對結構的擾動很小，木結構建筑平移時采用輕型鋼桁架加固過于保守，類似項目可考慮選擇滿堂腳手架加固方式。

4）木結構建筑整體平移頂升工程可不考慮屋架體系及屋面瓦片的加固。