基于Solidworks Simulation的液壓智能調垂架有限元分析及其工程應用*

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

1 逆作法一柱一樁用液壓調垂系統簡介

地下結構逆作法具有材料節約、環境友好的優點。在地下結構逆作法施工中，樁基礎是一種常用基礎形式，由樁身和承臺組成。樁基礎的作用在于傳遞上部建筑結構的荷載到土層，保證建筑物的穩定和減少其沉降。立柱則作為一個傳遞上部建筑的荷載到樁基礎的媒介，起到了重要作用。這些永久結構立柱一般是由鋼管柱或鋼格構柱外包鋼筋混凝土構成，因此對鋼立柱的垂直度有較高的要求，尤其一柱一樁的鋼立柱更是如此。傳統的鋼立柱垂直度控制或調整工藝，如孔下氣囊調垂法、孔下機構調垂法、地面定位架調垂法、導向套筒調垂法等，存在作業條件差、調垂效率低和勞動強度大等缺點，越來越不能滿足快速施工和更高的垂直精度要求（垂直精度要求達到1/500、1/600或更高）。

因此，有必要研制一套調垂設備，即基于激光定位的鋼立柱液壓調垂系統。逆作法鋼立柱的液壓調垂系統主要由調垂架、激光傾斜儀、液壓動力系統、自動控制系統和伸縮同步千斤頂等組成。調垂架作為鋼立柱支撐和傳遞荷載的裝置，配備伸縮同步千斤頂，成為調垂時的執行裝置，具有降低勞動強度、縮短調垂時間和提高調垂效率等作用；激光傾斜儀作為系統的檢測裝置，能提高測量精度、縮短檢測裝置的安裝時間等；控制系統作為調垂系統的控制裝置，方便現場操作、提高現場作業自動化水平等。本系統的工作原理在于激光傾斜儀是一種高精度的、實時采集鋼立柱垂直度的設備，通過這種設備，將鋼立柱在x軸、y軸方向的水平位移和角度等信號傳輸到液壓調垂架系統，即依靠液壓調垂系統的PLC等對信號進行處理、控制調垂系統的液壓泵站及液壓油缸的動作，用以調整鋼立柱的姿態，即調整鋼立柱的偏斜狀態，使鋼立柱滿足設計、施工對鋼立柱垂直精度的要求，見圖1。

圖1 鋼立柱垂直度間接法調垂工藝原理

2 液壓調垂架的建模[1-4]

據設計圖紙，利用Solidworks軟件建立液壓調垂架的三維模型。為了便于有限元分析，對圖紙中一些連接部件等細節進行簡化，調垂架模型是由若干個焊件和拉伸體等組合而成的實體。

3 基于Solidworks Simulation液壓調垂架的有限元分析[5-7]

調垂架材料選用Q235，采用高級約束。在球面上，移動方向約束，兩轉動方向自由；網格劃分時，節點數為30 312，單元數為15 199。

據施工現場，將調垂架的受力情況分為2 種工況：

工況一：樁孔垂直度較好時，調垂架平放，即可滿足垂直度要求。

工況二：樁孔垂直度較差時，伸縮液壓千斤頂，使得傾斜的調垂架調平，以滿足垂直度要求。

在不同工況下，研究調垂架的應力和位移的分布情況。

根據《建筑地基基礎工程施工質量驗收規范》（GB 50202—2002），泥漿護壁鉆孔樁Φ≤1 000 mm的垂直度允許偏差＜1%；樁徑允許偏差±50 mm；考慮到施工現場工況復雜下，仿真模擬時取5 倍，糾偏角約為3°。

施加荷載包括靜荷載和活荷載：

靜荷載=調垂架自重+鋼立柱質量+其他連接件質量；

活荷載=現場操作工自重，一般按照2.0 kN/m2計算，調垂架上表面積為2.3 m2，活荷載按5 000 N計算。

若450 mm×450 mm鋼立柱長度為15 m，質量約20 000 N。自重約為9 000 N。通過仿真分析，工況一最大應力為124.6 MPa，最大應變為2.4 mm；工況二最大應力為167.6 MPa，最大應變為 2.6 mm。

調垂架材料選用Q235，其容許強度235 MPa，仿真結果表明：2 種工況下，調垂架模型的最大應力均小于材料容許強度。據《鋼結構設計手冊》第三版（上）表12-1，一般工作平臺梁主梁容許撓度L/400，L為梁的跨度。若L=3 210 mm，則容許撓度約為8 mm，仿真結果表明：2 種工況下，調垂架模型的撓度均小于容許撓度。

綜上分析，調垂架模型的仿真分析結果較為理想。開展進一步驗證工作，據圖紙尺寸，試制液壓調垂架，并開展相關測試結果較佳，可以將調垂架樣機投入工程應用。

4 液壓調垂系統的工程應用

上海某項目位于上海市浦東新區洋涇街道E11-3、E11-4、E11-6、E11-7地塊，南臨浦東大道，東至民生路，西至桃林路中歐地塊，北至昌邑路；包括8 棟高100 m以內的住宅樓，一棟高130 m的酒店和酒店式公寓樓，總面積約26.5萬 m2，地下2 層，基坑開挖10.8～12.0 m，見圖2。項目的建筑類型為鋼筋混凝土框架-核心筒，樁基采用鉆孔灌注工程樁，圍護為鉆孔灌注樁和SMW三軸攪拌樁。地下工程采用逆作法施工工藝，逆作階段圍護豎向支撐采用一柱一樁：上部鋼立柱為450 mm×450 mm角鐵格構柱，長度不超過15 m；下部為Φ800 mm混凝土鉆孔灌注樁（上部擴孔至900 mm）。永久性鋼立柱垂直度不大于1/500；臨時性鋼立柱垂直度不大于1/300；格構柱施工設計要求型鋼中心偏差±10 mm內。

圖2 基坑剖面

由于施工要求高、施工進度快等原因，本項目采用液壓調垂架系統對鋼立柱垂直度進行自動化控制。它將地下或地上調垂作業轉化為地面作業，實現了實時檢測和全自動調垂，提高了調垂精度和效率，采用混凝土攪拌運輸車直接澆筑鉆孔灌注樁，大大節約了施工成本。經開挖復測后，鋼立柱的垂直度滿足設計規定范圍要求。質量控制是一個系統工程，鋼立柱垂直度的控制也不例外，包括施工現場的前期土地平整、鉆機鉆孔的垂直度控制、鋼立柱直線度控制和液壓調垂架的自動化調垂等若干個工序，只有每道工序質量嚴格過關，方能達到預期效果，并得到用戶的認可，帶來顯著的社會效益和經濟效益。