徐 珂， 田立強(qiáng)， 馬志平

(清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司， 北京 100084)

0 概況

洛陽(yáng)隋唐城是隋唐兩代的東都城，應(yīng)天門是宮城正南門，始建于隋煬帝大業(yè)元年(605年)，在隋代稱則天門，隋末唐初王世充在洛陽(yáng)稱帝，改為順天門。唐初武德四年(621年)，高祖命人焚之，于唐高宗顯慶元年(656年)重建，繼承隋之名稱則天門。神龍?jiān)?705年)避武后尊號(hào)，改為應(yīng)天門。昭宗天佑二年(905年)，改稱五鳳樓，此后歷經(jīng)五代、北宋，毀于宋紹興十一年(1141年)。歷經(jīng)隋、唐、五代、北宋四個(gè)時(shí)期，共計(jì)530余年。

應(yīng)天門是隋唐兩京考古發(fā)掘出的第一座宮城門闕遺址，其建筑形制為“一帶雙向三出闕”，是古代都城宮城正門最高禮制形式，在隋唐時(shí)期是重要的宮室禮儀建筑，是當(dāng)時(shí)朝廷舉行重大國(guó)事慶典與外交活動(dòng)的重要場(chǎng)所。這種建筑形制對(duì)北宋、汴梁時(shí)期的西安大明宮丹鳳門和明清時(shí)期的北京故宮午門的建設(shè)影響深遠(yuǎn)，在中國(guó)都城建筑史上占有重要地位。其形象目前僅有文字記載沒(méi)有圖像文獻(xiàn)，因此對(duì)應(yīng)天門建筑形態(tài)的爭(zhēng)論較多。本次遺址保護(hù)建筑設(shè)計(jì)遵循復(fù)原展示思路，在兼顧遺址保護(hù)和展覽功能情況下，外觀應(yīng)反映出唐代建筑風(fēng)格和應(yīng)天門的主要面貌。

應(yīng)天門遺址保護(hù)建筑由清華大學(xué)郭黛姮教授主持設(shè)計(jì)，在完成洛陽(yáng)隋唐城天堂[1]和明堂[2]遺址保護(hù)建筑的工程經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出以下幾點(diǎn)要求：

(1)應(yīng)天門遺址保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要與隋唐洛陽(yáng)城保護(hù)規(guī)劃設(shè)計(jì)理念[3]保持一致。

(2)應(yīng)天門主體在宋代毀壞后，下部城墻仍保留至當(dāng)代，其中城墻外包磚在歷朝中不斷遺失，現(xiàn)有遺存主要是夯土墻芯，并高于城市地面，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不能破壞或改變城墻遺址及周邊散水布置。

(3)建筑方案采用整體提升方案，在土遺址上部建造應(yīng)天門唐代形象，即外觀形態(tài)性建筑物位于地面9～10m以上，需通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)跨越城墻遺址支承上部建筑，并利用保護(hù)建筑的內(nèi)部空間承擔(dān)展示功能。

(4)下部遺址層要給參觀游人留出足夠的面積和空間，保證可以近距離瀏覽遺址情況，減少結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)遺址的覆蓋和遮擋。

(5)中部城墻層根據(jù)唐宋時(shí)期城墻特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)邊輪廓需按1∶4傾斜角度布置，外部按照古代包磚砌墻做法砌筑600mm厚金磚。

(6)上部建筑層的結(jié)構(gòu)布置須按照唐代建筑風(fēng)格及考古測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行限制性布置，包括柱網(wǎng)間距、構(gòu)件最大尺寸、樓層收進(jìn)方式、飛檐挑出比例等。

1 遺址情況

經(jīng)過(guò)六次大規(guī)模的考古勘察與發(fā)掘可知，應(yīng)天門遺址坐北朝南，中央為三門道的墩臺(tái)，東西兩側(cè)連廡南折，折角處有朵樓，南側(cè)東西端為雙向三出闕墩臺(tái)，遺址占地面積約5 000m2。推測(cè)歷史上工程建造以土加木杵夯筑形成城墻墩臺(tái)，其上修造城門各建筑單體。由于歷史變遷和人為因素上部建筑早已消失，下部夯土遺址受到嚴(yán)重?cái)_動(dòng)和破壞(圖1)。

圖1 應(yīng)天門遺址航拍照片

中部城樓墩臺(tái)因近代修建城市主干道僅余地面下約0.5m厚夯土層，城門墩臺(tái)遺存痕跡東西向長(zhǎng)51m、南北殘寬26.5m。遺址顯示城樓有三條門道基石殘存，門道寬及門道間隔均為5m。

遺址東部在1992年由國(guó)家文物局組織實(shí)施臨時(shí)性保護(hù)措施，采用遺址外包磚的形式保護(hù)遺址本體，包磚高度3～5m(圖2)。

圖2 東闕臨時(shí)性保護(hù)措施

2010年，洛陽(yáng)文物局對(duì)遺址西部進(jìn)行全面考古發(fā)掘(圖3)。后于2012年在考古現(xiàn)場(chǎng)搭建臨時(shí)保護(hù)棚，并對(duì)有坍塌危險(xiǎn)的遺址采取了臨時(shí)加固措施。臨時(shí)保護(hù)棚條件差，揭露后的土遺址受風(fēng)雨影響侵蝕嚴(yán)重。

圖3 西闕遺址考古現(xiàn)場(chǎng)

2 建筑要求

本項(xiàng)目保護(hù)方案采用對(duì)遺址進(jìn)行全覆蓋模式設(shè)計(jì)，根據(jù)外觀形態(tài)特點(diǎn)，立面分為下部遺址層、中部城墻層和上部建筑層三個(gè)部分(圖4)。下部遺址層?xùn)|西向尺寸為160m，南北向?yàn)?0m，建筑層高約9.22m，層間設(shè)置參觀走廊，游人可以在兩側(cè)俯瞰遺址，結(jié)合地面路線承擔(dān)展示功能。下部遺址層結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高全樓統(tǒng)一，形成上部建筑統(tǒng)一的室外地面平臺(tái)，支承中部城墻層和上部建筑層，通過(guò)外觀展示古建筑形態(tài)。

圖4 遺址保護(hù)建筑立面圖

本項(xiàng)目建筑設(shè)計(jì)以對(duì)應(yīng)天門唐代形象的復(fù)原研究成果為基礎(chǔ)，確定上部建筑尺寸，上部建筑層從平面上分中部城樓、東西連廊、東西朵樓、東西飛廊、東西闕樓共9個(gè)建筑物(圖5)。在遺址層上的高度：城樓約40m，朵樓約31m，闕樓約36m。

圖5 遺址保護(hù)建筑上部建筑層平面圖

根據(jù)考古發(fā)掘情況，中部城樓遺址底部南北向尺寸約為26m，外部散水石階寬度約為2.5m，則結(jié)構(gòu)落地柱網(wǎng)間距應(yīng)大于31m?？紤]基礎(chǔ)尺寸和施工間距要求，設(shè)計(jì)方案要求結(jié)構(gòu)落地柱網(wǎng)間距大于35m，這樣才能完全避開(kāi)遺址核心區(qū)，不會(huì)對(duì)墩臺(tái)遺址產(chǎn)生破壞影響。

朵樓因東西向城墻、東西連廊及南北向飛廊遺址存在，只能在朵樓遺址北側(cè)、西南角和東南角布置落地基礎(chǔ)，并且要解決連廊和飛廊基礎(chǔ)布置，地下空間極為擁擠。

闕樓在平面上呈L形，造成在遺址兩側(cè)支撐構(gòu)件不對(duì)稱，又因“雙向三出闕”制式特點(diǎn)，城墻形態(tài)的各轉(zhuǎn)角都需要用結(jié)構(gòu)構(gòu)件支撐，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)梁柱密集(圖6)。

圖6 朵樓、飛廊、闕樓建筑剖面圖

根據(jù)建筑設(shè)計(jì)要求，上部建筑層各單體的外圍結(jié)構(gòu)柱截面尺寸不得大于350mm×350mm。

3 結(jié)構(gòu)方案

應(yīng)天門遺址為夯土墩臺(tái)，頂部高出現(xiàn)有地面1～6m，地面下深度約1m。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須解決如下問(wèn)題：1)下部遺址層需避讓夯土遺存布置結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)，結(jié)合上部建筑層柱網(wǎng)和下部可落基礎(chǔ)的位置，通過(guò)轉(zhuǎn)換形式，將上部荷載傳遞到基礎(chǔ)上；2)除城樓外，遺址兩側(cè)不完全對(duì)稱，最終落地結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)尺寸呈現(xiàn)隨機(jī)布置狀態(tài)，規(guī)則性不明顯，需要結(jié)構(gòu)方案對(duì)柱網(wǎng)變化不敏感。

3.1 上部結(jié)構(gòu)布置

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先從上部建筑層開(kāi)始布置，考慮相鄰單體層高不同，不能形成連續(xù)性樓板，結(jié)合建筑造型在各單體間設(shè)結(jié)構(gòu)縫。中部城墻層按連接處城墻坡度傾斜設(shè)縫，縫寬不小于150mm；按照統(tǒng)一原則，下部遺址層也應(yīng)照此方案設(shè)縫。但連廊、朵樓、飛廊在內(nèi)轉(zhuǎn)角處因空間限制，豎向荷載傳遞最后集中在角部一個(gè)支撐構(gòu)件上，無(wú)法有效分開(kāi)，三個(gè)單體坐落在一個(gè)底盤上，加上外伸城墻平面呈T形，闕樓平面呈L形，因此下部遺址層設(shè)縫后，建筑主體由中部城樓、東西連廊+朵樓+飛廊、東西闕樓共5個(gè)結(jié)構(gòu)區(qū)段組成。

從立面上看，飛廊、連廊受兩側(cè)主樓城墻和轉(zhuǎn)換落柱影響，在遺址層上呈倒梯形結(jié)構(gòu)布置(圖7)，兩者與朵樓相連形成一個(gè)結(jié)構(gòu)區(qū)段。

圖7 飛廊、連廊結(jié)構(gòu)立面圖

3.2 平衡水平力的措施

在避讓遺址情況下，下部遺址層支撐柱與地面呈45°～60°，水平分力明顯。以城樓為例，初步分析時(shí)預(yù)估一根柱下的最大豎向荷載約為21 000～24 000kN，水平荷載為10 000～12 000kN，豎向荷載與水平荷載大約為2∶1，如何平衡水平分力成為本工程重點(diǎn)考慮的問(wèn)題[4]。

遺址所在場(chǎng)地屬于濕陷性黃土地區(qū)，淺層地基土承載力低，不能滿足上部結(jié)構(gòu)荷載使用要求，且基礎(chǔ)緊鄰遺址不能采用地基處理方案。綜合考慮上部結(jié)構(gòu)荷載及遺址保護(hù)的要求，基礎(chǔ)方案采用樁基礎(chǔ)，按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)計(jì)算建議，直徑800mm的灌注樁只能承擔(dān)70～140kN水平分力，少量布樁無(wú)法滿足本工程承擔(dān)水平分力需求，大量布樁或者布置重力摩擦基礎(chǔ)又無(wú)場(chǎng)地布置條件。

方案選擇時(shí)也考慮過(guò)斜樁工藝可以將荷載有效傳遞至地基中，經(jīng)前期調(diào)查存在三個(gè)問(wèn)題：1)目前可使用常規(guī)樁基礎(chǔ)施工機(jī)械打斜樁傾斜角度最大僅達(dá)到10°～12°，與設(shè)計(jì)理想角度24°～28°不符，仍存在樁基礎(chǔ)承擔(dān)水平分力問(wèn)題；2)施工時(shí)受工藝限制必須將施工機(jī)械放在遺址上才能施工，會(huì)對(duì)城墻遺址造成嚴(yán)重破壞；3)建筑平面拐角處，如飛廊和連廊的樁身在地下需要互相避讓才不會(huì)發(fā)生碰撞，但遺址周邊可避讓范圍有限，如出現(xiàn)斷樁問(wèn)題時(shí)基本無(wú)空間可調(diào)整，因此斜樁方案可實(shí)施性非常小。

按照常規(guī)工程方法設(shè)置地基拉梁必須開(kāi)挖遺址，這是遺址保護(hù)工程不允許實(shí)施的方案。在與建筑師、考古單位仔細(xì)協(xié)商，研究土遺址分布情況后，經(jīng)考古單位詳細(xì)測(cè)量得出土遺址在地面下不超過(guò)1.0m深度的結(jié)論后，最終確定在遺址1.3m以下采用暗挖頂管工藝形成操作空間[5]，施工人員進(jìn)入,設(shè)置抗拉構(gòu)件方案。方案前期在頂管內(nèi)設(shè)置直徑0.6m鋼管混凝土構(gòu)件，隨后在鋼管中心布置預(yù)應(yīng)力筋并分施工階段張緊，實(shí)現(xiàn)遺址兩側(cè)基礎(chǔ)間連通拉桿構(gòu)件，平衡上部結(jié)構(gòu)在柱腳處的水平推力[6]。

3.3 各建筑層采用的結(jié)構(gòu)體系

中部城墻層外墻按照唐代風(fēng)格砌筑600mm厚金磚，墻體按1∶4坡度傾斜，因此支撐結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土墻體，內(nèi)部根據(jù)上下位置關(guān)系，采用跨層鋼桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行豎向承重體系轉(zhuǎn)換。各單體建筑從下至上采用三種結(jié)構(gòu)[7]：

(1)下部遺址層采用單跨斜支框架結(jié)構(gòu)跨越土遺址，柱腳跨度分別為：城樓36m；朵樓大于28m；闕樓大于20m?？v向在斜柱位置連續(xù)布置柱間支撐結(jié)構(gòu)。遺址層頂板采用C30防水混凝土，板厚200mm，雙層雙向通長(zhǎng)配筋，計(jì)算溫度作用對(duì)樓板應(yīng)力影響，建筑面層厚300mm。

(2)中部城墻層采用外圍鋼筋混凝土墻+內(nèi)部鋼桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)或轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)，外圍鋼筋混凝土墻厚為200mm，采用C30防水混凝土；樓層混凝土板厚為120mm，采用C30混凝土。

(3)上部建筑層采用鋼框架結(jié)構(gòu)，局部采用轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。其中城樓和朵樓根據(jù)古建外立面原則，在暗層處通過(guò)梁轉(zhuǎn)換支撐，形成外圍框架柱在明層內(nèi)收效果，屬于豎向不連續(xù)布置結(jié)構(gòu)，屋蓋采用花紋鋼板作為建筑屋面基層。

遺址層主受力框架梁柱采用Q390GJC級(jí)鋼，箱形截面翼緣最厚60mm，上部其余結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用Q345C級(jí)鋼。

4 設(shè)計(jì)條件

根據(jù)抗震規(guī)范[8]和中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖，工程場(chǎng)地位置抗震設(shè)防烈度為7度。考慮遺址重要性及各單體結(jié)構(gòu)體系特殊性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗震性能目標(biāo)定為B級(jí)，其中下部斜柱、中部桁架轉(zhuǎn)換構(gòu)件、上部鋼框架柱為關(guān)鍵構(gòu)件[8-9]。

根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)使用年限為100年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1。建筑抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)，抗震設(shè)防烈度為7度(0.1g)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，土的類型為中軟土。場(chǎng)地特征周期Tg在多遇地震和設(shè)防地震時(shí)取0.40s，鋼結(jié)構(gòu)阻尼比取0.03。樁端持力層為卵石層，極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值為3 000kPa，采用樁端及樁側(cè)后壓漿技術(shù)提高單樁承載力。

荷載方面，按100年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓值取0.45kN/m2，基本雪壓值取0.40kN/m2；城墻按不少于600mm厚砌筑金磚做法，考慮1∶4傾斜投影荷載。溫度作用按照洛陽(yáng)地區(qū)最低基本氣溫-6℃，最高基本氣溫36℃考慮，設(shè)計(jì)要求鋼結(jié)構(gòu)各層合攏溫度控制在14～18℃。

5 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

結(jié)構(gòu)整體計(jì)算主要采用MIDAS/Gen軟件，采用STRAT軟件進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)縫情況分城樓、飛廊+朵樓+連廊(朵樓區(qū))、闕樓三個(gè)主要結(jié)構(gòu)模型，每個(gè)結(jié)構(gòu)體根據(jù)遺址條件、城墻圍護(hù)情況、上部建筑特點(diǎn)采用不同的結(jié)構(gòu)布置方案[7]。

5.1 城樓

城樓平面規(guī)整，受周邊建筑影響小，各層樓板連續(xù)布置，結(jié)構(gòu)整體高度48.52m(圖8)，下部遺址層柱腳跨度為36m，中部城墻層轉(zhuǎn)換桁架下部跨度約24m，結(jié)構(gòu)高度11.4m，平座暗層上的建筑高度約24m。

圖8 城樓結(jié)構(gòu)橫向剖面圖

對(duì)城樓進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)分析，得到的城樓自振周期見(jiàn)表1，第一扭轉(zhuǎn)振型模態(tài)見(jiàn)圖9?？梢钥闯鯩IDAS/Gen軟件與STRAT軟件計(jì)算結(jié)果吻合。

圖9 城樓第一扭轉(zhuǎn)振型模態(tài)(未顯示樓板)

由于轉(zhuǎn)換層有斜墻參與工作，結(jié)構(gòu)水平位移及扭轉(zhuǎn)效應(yīng)主要發(fā)生在上部建筑層，在X向地震作用下最大水平位移為43.34mm(位移角1/1 152)，在Y向地震作用下最大水平位移為32.89mm(位移角1/1 518)。最大層間位移角出現(xiàn)在上部建筑層的一明層，該層結(jié)構(gòu)形式由外圍鋼筋混凝土墻+內(nèi)部鋼桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)變成鋼框架結(jié)構(gòu)，側(cè)向剛度差異大且層高達(dá)7.11m，層間位移角達(dá)到1/316(X向)和1/398(Y向)，其余各層層間位移角均小于1/550。

城樓自振特性 表1

5.2 飛廊+朵樓+連廊(朵樓區(qū))

飛廊、朵樓、連廊三個(gè)建筑單體因共用下部遺址層支撐柱和倒梯形布置的問(wèn)題，不能在遺址層屋面上設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，在中部城墻層頂部以建筑單體形式各自存在。該結(jié)構(gòu)區(qū)段是本工程結(jié)構(gòu)體系最復(fù)雜的部分，除豎向存在三種結(jié)構(gòu)體系外，其在下部遺址層頂屬于大底盤結(jié)構(gòu)，在中部城墻層頂屬于多塔結(jié)構(gòu)。

其中朵樓在下部遺址層跨度最大，因避讓遺址，可落基礎(chǔ)位置僅在遺址四個(gè)角處，雙向結(jié)構(gòu)體系與城樓類似(圖10)。柱腳間跨度X，Y向均為28.6m，兩個(gè)方向水平推力形成合力沿45°方向外推。雖然朵樓高度約40m低于城樓，但因局部同時(shí)承擔(dān)連廊和飛廊荷載，柱腳水平推力值在整個(gè)項(xiàng)目中最大，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)值約為14 500kN。

圖10 朵樓結(jié)構(gòu)側(cè)立面圖

飛廊+朵樓+連廊結(jié)構(gòu)區(qū)段第1、第2階振型均為朵樓部分上部建筑層的Y向平動(dòng)、X向平動(dòng)，且兩方向平動(dòng)周期值接近(表2)，這與朵樓部分上部建筑層平面為正方形且結(jié)構(gòu)構(gòu)件為對(duì)稱布置的特點(diǎn)相吻合。第3階振型為朵樓部分上部建筑層的第一扭轉(zhuǎn)振型(圖11)。第4～9階振型分別為飛廊、連廊部分的X向平動(dòng)、Y向平動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振型。

圖11 朵樓區(qū)上部建筑層第一扭轉(zhuǎn)振型模態(tài)(未顯示樓板)

飛廊在X向地震作用下最大水平位移為

朵樓自振特性 表2

15.75mm(位移角1/2 200)，在Y向地震作用下最大水平位移為22.45mm(位移角1/1 724)。朵樓在X向地震作用下最大水平位移為27.58mm(位移角1/1 476)，在Y向地震作用下最大水平位移為31.80mm(位移角1/1 280)。連廊在X向地震作用下最大水平位移為23.42mm(位移角1/1 330)，在Y向地震作用下最大水平位移為20.08mm(位移角1/1 552)。飛廊最大層間位移角為1/642(X向)和1/589(Y向)，朵樓最大層間位移角為1/399(X向)和1/377(Y向)，連廊最大層間位移角為1/312(X向)和1/442(Y向)。最大層間位移角均在上部建筑層的一明層，該層結(jié)構(gòu)形式由剪力墻-鋼桁架變成鋼框架，側(cè)向剛度差異大且層高為5.60～6.99m，其余各層間位移角均小于1/800。

5.3 闕樓

闕樓是本工程構(gòu)件布置最復(fù)雜的部分，平面呈L形，按“雙向三出闕”制式要求，L形交角處為“母闕”，向外為“子闕”，L形端部為“小子闕”。中部城墻外觀呈折線形布置，邊柱布置也隨之變化(圖12)，僅豎向交通部分的柱為豎直布置，豎直柱支撐在下部遺址層頂轉(zhuǎn)換梁上。上部建筑層因城墻三闕制式逐漸升高造型，沒(méi)有連續(xù)水平樓板布置。

圖12 闕樓平面布置示意圖

闕樓平面呈L形，不像城樓結(jié)構(gòu)在立面對(duì)稱、水平推力表現(xiàn)明確，可以直接在兩側(cè)基礎(chǔ)間按照推力所在方向設(shè)置拉桿。闕樓遺址層支撐柱腳在陰角處集中落地，在陽(yáng)角兩邊分散排布，每根支撐柱水平推力是沿著平面布置的方向向外推出，其方向和推力在樓兩側(cè)不是對(duì)稱關(guān)系。通過(guò)觀察推力分布情況，最終決定將陰角處和陽(yáng)角兩側(cè)樁承臺(tái)設(shè)計(jì)成三個(gè)大型樁承臺(tái)，設(shè)置承臺(tái)間拉桿(圖13)。假定樁身和承臺(tái)沒(méi)有水平X，Y向約束，不斷調(diào)整各拉桿的預(yù)應(yīng)力值，在上部結(jié)構(gòu)荷載和預(yù)應(yīng)力共同作用下，最后調(diào)整到各承臺(tái)雙向水平位移接近0時(shí)，確定各拉桿的預(yù)應(yīng)力控制值。

圖13 闕樓承臺(tái)及拉桿布置圖

闕樓中部城墻層的高度在本項(xiàng)目中為最高，上部建筑層在平座暗層以上為一層建筑，由于三闕屋面逐步升高，屋面鋼梁交錯(cuò)連接，在振型上主要以平動(dòng)為主，前10階振型周期在0.761～0.429s之間(前3階振型周期見(jiàn)表3)，無(wú)明顯以扭轉(zhuǎn)為主的振型，各平動(dòng)振型中均包含扭轉(zhuǎn)分量。其中，第1階振型以母闕和雙向子闕沿Y向平動(dòng)為主，伴有X向小子闕繞整體扭轉(zhuǎn)分量(圖14)；第2階振型以母闕及Y向雙子闕的Y向平動(dòng)為主，伴有X向小子闕繞整體扭轉(zhuǎn)分量；第3階振型以母闕及X向雙子闕的X向平動(dòng)為主，伴有Y向小子闕繞整體扭轉(zhuǎn)分量。

圖14 闕樓第一平動(dòng)振型模態(tài)(未顯示樓板)

闕樓自振特性 表3

闕樓在X向地震作用下水平位移為39.40mm(位移角1/1 175)，在Y向地震作用下水平位移為35.06mm(位移角1/1 321)，分別發(fā)生在建筑平面L形兩個(gè)端部。最大層間位移角在城墻上一層，結(jié)構(gòu)形式由剪力墻-鋼桁架變成鋼框架，側(cè)向剛度變化明顯且該層層高7.94m，層間位移角達(dá)到1/348(X向)和1/287(Y向)，其余各層間位移角均小于1/800。闕樓L形布局在建筑平面上沿45°方向?yàn)閷?duì)稱關(guān)系，兩個(gè)端部因結(jié)構(gòu)鋼柱支撐及墻體布置不同，墻體在北側(cè)與飛廊相連不封閉，造成闕樓L形兩端抗側(cè)剛度有區(qū)別，在地震作用下位移有差異，符合結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)。

6 基礎(chǔ)間預(yù)應(yīng)力拉桿設(shè)計(jì)

遺址層下部基礎(chǔ)間預(yù)應(yīng)力拉桿是本項(xiàng)目關(guān)鍵構(gòu)件，如果僅從受拉現(xiàn)象確定拉桿形式，采用預(yù)應(yīng)力筋可以滿足要求，所需暗埋構(gòu)件尺寸小。從安全角度出發(fā)，還需考慮構(gòu)件施工操作可行性、地下埋置安全、耐久性要求以及防止意外破壞等問(wèn)題，需要在預(yù)應(yīng)力筋外部有足夠厚度的保護(hù)層。考慮預(yù)應(yīng)力在張緊過(guò)程中，構(gòu)件軸向收縮變形大，會(huì)造成樁承臺(tái)隨之位移，對(duì)樁頭形成剪切和彎曲效應(yīng)，因此預(yù)應(yīng)力拉桿必須具有抗壓剛度，以減少承臺(tái)水平位移量，避免樁身破壞。

結(jié)合場(chǎng)地土層情況和洛陽(yáng)傳統(tǒng)技術(shù)，考慮施工可操作性以及對(duì)遺址影響，最終確定采用內(nèi)徑不小于800mm、壁厚不小于80mm的鋼筋混凝土頂管進(jìn)行暗挖施工，該直徑可供施工人員進(jìn)入管內(nèi)，在必要時(shí)處理頂管推進(jìn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，頂管節(jié)間采用密封材料封堵[10]。混凝土頂管推進(jìn)完成后，在管內(nèi)推進(jìn)φ600×16鋼管，邊推進(jìn)邊設(shè)置鋼管與頂管間定位裝置，同時(shí)在鋼管內(nèi)設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋定位裝置，后續(xù)鋼管間采用現(xiàn)場(chǎng)等強(qiáng)對(duì)接焊縫拼接。鋼管安裝完畢后，先采用C35膨脹性混凝土壓力注入鋼筋混凝土頂管與鋼管間縫隙；達(dá)到混凝土強(qiáng)度后進(jìn)行預(yù)應(yīng)力第一次張拉，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)符合要求后，再采用C35膨脹性混凝土壓力注入鋼管內(nèi)部。施工要求連續(xù)施工并記錄注入量與預(yù)算量差異，后期根據(jù)上部荷載情況，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力后續(xù)張拉。

在計(jì)算模型中，不考慮鋼管外混凝土的有利作用，按φ600×16鋼管或鋼管混凝土組合構(gòu)件進(jìn)行分析[6]?？紤]施工誤差不利影響，在大噸位獨(dú)立柱下承臺(tái)設(shè)置兩道預(yù)應(yīng)力拉桿，位于鋼柱兩側(cè)對(duì)稱位置保持拉力平衡，這樣每根拉桿預(yù)應(yīng)力最大控制值為5 600kN，前期設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)估預(yù)應(yīng)力束直徑不大于150mm，布置于鋼管中心(圖15)。

圖15 暗挖頂管預(yù)應(yīng)力拉桿剖面圖

由于遺址兩側(cè)基礎(chǔ)間距大，預(yù)應(yīng)力拉桿在鋼管混凝土受壓支撐情況下，一次性張拉至預(yù)應(yīng)力控制值，按照試樁數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，承臺(tái)水平位移計(jì)算值仍不可忽視。以城樓為例，承臺(tái)柱網(wǎng)間距為36m，兩根拉桿在11 000kN預(yù)應(yīng)力張拉控制值直接作用下，一側(cè)承臺(tái)會(huì)由原點(diǎn)向中心偏移6～8mm，會(huì)對(duì)樁身安全產(chǎn)生不利影響，因此設(shè)計(jì)圖紙要求預(yù)應(yīng)力張拉施工應(yīng)根據(jù)主體施工進(jìn)度、上部荷載變化情況，預(yù)估分三次張拉完成預(yù)應(yīng)力張拉控制值。

為合理確定預(yù)應(yīng)力分次張拉時(shí)間節(jié)點(diǎn)，對(duì)施工過(guò)程及建筑投入使用階段進(jìn)行全過(guò)程模擬計(jì)算。假設(shè)施工階段采用先主體后裝飾，逐層加載的原則進(jìn)行，使用階段以逐層加載樓面活荷載為原則進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)全過(guò)程模擬計(jì)算所得柱底位移情況，將分析過(guò)程劃分為三個(gè)施工階段加一個(gè)使用階段，預(yù)設(shè)每個(gè)施工階段后進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉(表4)，作為預(yù)應(yīng)力施工指導(dǎo)原則，后期具體施工時(shí)由施工單位細(xì)化。這樣每次張拉或施工過(guò)程中一側(cè)承臺(tái)總位移可以控制在3mm以內(nèi)，即承臺(tái)相對(duì)施工原點(diǎn)位移變化在±1.5mm之間(圖16)。由位移變化可知，在上部結(jié)構(gòu)和荷載不斷增加下，樁頂在推力作用下向外側(cè)變形，在每次張拉后，樁頂在預(yù)應(yīng)力張拉下向內(nèi)側(cè)變形。

圖16 模擬城樓施工階段樁頂位移

設(shè)計(jì)預(yù)估城樓施工階段 表4

7 特殊節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本工程特殊節(jié)點(diǎn)包括轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)、斜柱腳節(jié)點(diǎn)、預(yù)應(yīng)力錨板等。

7.1 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)

因上部建筑層與下部遺址層柱網(wǎng)不對(duì)應(yīng)，以及中部城墻段支撐柱基本以斜柱為主，整個(gè)建筑多數(shù)鋼構(gòu)件間的連接節(jié)點(diǎn)為異形連接節(jié)點(diǎn)，且柱網(wǎng)變化較大，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要根據(jù)所在位置、構(gòu)件傾斜角度單獨(dú)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。因此本工程節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)際是設(shè)計(jì)單位、施工單位、節(jié)點(diǎn)加工單位合作完成。設(shè)計(jì)階段由設(shè)計(jì)單位對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行概念設(shè)計(jì)和控制設(shè)計(jì)。項(xiàng)目開(kāi)工后，為防止安裝工作對(duì)遺址產(chǎn)生破壞性影響，由施工單位結(jié)合遺址場(chǎng)地情況，進(jìn)行空間測(cè)量，提出節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件外觀控制尺寸；節(jié)點(diǎn)加工單位根據(jù)控制尺寸，再與設(shè)計(jì)單位共同進(jìn)行節(jié)點(diǎn)改進(jìn)，特別是內(nèi)部板件布置，對(duì)重要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)體有限元分析，才最終完成節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，對(duì)于難以拼接加工而成的節(jié)點(diǎn)采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。

7.2 斜柱腳節(jié)點(diǎn)

本工程各斜柱腳是預(yù)應(yīng)力拉桿進(jìn)入樁基承臺(tái)后，φ600×16鋼管與斜柱柱腳節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)焊縫拼接，后期施工預(yù)應(yīng)力張拉結(jié)束并封錨后才形成完整受力柱腳。

鋼柱腳在現(xiàn)場(chǎng)拼接完成后一次性澆筑混凝土承臺(tái)，澆筑時(shí)考慮大體積混凝土施工原則設(shè)置冷卻水管進(jìn)行內(nèi)部降溫控制。承臺(tái)設(shè)計(jì)按鋼柱底板面積驗(yàn)算混凝土抗壓強(qiáng)度，按沖切原則控制鋼柱底板下混凝土厚度，按施工模擬分析數(shù)據(jù)驗(yàn)算承臺(tái)及樁體水平抗剪強(qiáng)度。選擇典型承臺(tái)進(jìn)行全構(gòu)件有限元模擬分析，除按鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)驗(yàn)算外，還按單獨(dú)鋼構(gòu)件承擔(dān)斜柱荷載、預(yù)應(yīng)力拉力情況(不考慮承臺(tái)混凝土有利作用)進(jìn)行驗(yàn)算，鋼柱腳應(yīng)力按von Mises屈服準(zhǔn)則復(fù)核。

7.3 預(yù)應(yīng)力錨板

預(yù)應(yīng)力筋采用無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，φ15.2(fptk=1 860MPa)，拉桿中最大張拉控制值為5 600kN，需要36根鋼絞線。采用常規(guī)混凝土內(nèi)錨固方式需要長(zhǎng)距離擴(kuò)散過(guò)渡段和大范圍錨固區(qū)面積，在本工程有限場(chǎng)地內(nèi)是不可實(shí)現(xiàn)的，經(jīng)仔細(xì)研究，最后確定將預(yù)應(yīng)力錨固端直接連接在鋼柱腳上，鋼絞線通過(guò)錨板與之相連，錨板周邊通過(guò)法蘭盤與柱腳相連形成支座。因鋼絞線密集，錨板尺寸小，內(nèi)部填充混凝土承壓能力有限，計(jì)算時(shí)考慮錨板承受全部預(yù)應(yīng)力張拉力。錨板材料選用《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T 699—2015)中45#調(diào)質(zhì)鋼?？紤]基本組合作用下，按照von Mises應(yīng)力不大于材料折減后屈服強(qiáng)度和剪應(yīng)力不大于材料折減后抗剪強(qiáng)度雙控制原則確定各拉桿預(yù)應(yīng)力筋的錨板厚度，實(shí)際選用板厚50～180mm。在正式加工錨板前，施工單位根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求進(jìn)行全尺寸錨板張拉受力試驗(yàn)(圖17)，試驗(yàn)結(jié)果表明，錨板變形、應(yīng)力變化與模擬分析結(jié)果相符。

圖17 預(yù)應(yīng)力錨板張拉受力試驗(yàn)

8 施工階段監(jiān)測(cè)及控制

考慮工程邊界條件、施工荷載與結(jié)構(gòu)計(jì)算模型有差異，需要在施工階段進(jìn)行結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力監(jiān)測(cè)工作，并在圖紙中給出主要應(yīng)力和位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。其中樁頂位移是工程監(jiān)測(cè)重點(diǎn)位置，鑒于承臺(tái)澆筑完畢后回填基槽，可持續(xù)測(cè)量位置只能布置在承臺(tái)頂部，因此要求承臺(tái)上監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量和位置的測(cè)量數(shù)據(jù)能反映承臺(tái)水平、豎向變形和整體扭轉(zhuǎn)情況。為保證監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性，要求承臺(tái)位移測(cè)量精度不低于0.01mm。施工全過(guò)程監(jiān)測(cè)，樁頂位移數(shù)據(jù)如超出設(shè)計(jì)預(yù)估值，應(yīng)停止施工，查找原因。

控制工作包括復(fù)核施工單位的預(yù)應(yīng)力體系施工方案合理性，確定預(yù)應(yīng)力各階段張拉比例；監(jiān)測(cè)單位在現(xiàn)場(chǎng)將預(yù)應(yīng)力張拉后實(shí)際索力、預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，與施工模擬結(jié)果進(jìn)行擬合分析，對(duì)比結(jié)構(gòu)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的數(shù)據(jù)是否處于控制指標(biāo)范圍內(nèi)，綜合判斷已施工的結(jié)構(gòu)體系是否處于合理狀態(tài)，然后向施工單位發(fā)出是否可進(jìn)行下一步工序的監(jiān)控指令。依據(jù)上述原則，監(jiān)控單位制定詳細(xì)監(jiān)控方案，定期匯報(bào)監(jiān)控成果。

9 結(jié)語(yǔ)

洛陽(yáng)隋唐城應(yīng)天門遺址保護(hù)建筑上部采用大跨度鋼結(jié)構(gòu)跨越遺址，利用轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)支撐上部建筑，在遺址下采用暗挖頂管工藝布置基礎(chǔ)預(yù)應(yīng)力拉桿，為土遺址保護(hù)和展示提供一種新型結(jié)構(gòu)形式。

預(yù)應(yīng)力拉桿采用多次張拉方式限制樁頂位移量，有效控制柱腳水平推力對(duì)樁基礎(chǔ)產(chǎn)生水平剪力造成的破壞效應(yīng)，保證結(jié)構(gòu)主體安全。

結(jié)構(gòu)剛度在基礎(chǔ)預(yù)應(yīng)力張拉和上部結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中不斷變化，設(shè)計(jì)文件對(duì)施工階段進(jìn)行預(yù)估，制定施工監(jiān)測(cè)和控制原則，是保證施工符合設(shè)計(jì)意圖的重要手段。