大型地下連續(xù)墻鋼筋籠動(dòng)態(tài)吊裝過程分析

溫裕春，王善謠，王海峰

（1.上海隧道工程有限公司，上海市 200232；2.武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070）

0 引言

隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展，地下空間的開發(fā)與利用已經(jīng)成為城市建設(shè)的重點(diǎn)，尤其是地標(biāo)型商業(yè)綜合體的地下配套設(shè)施以及城市地下軌道交通的建設(shè)，對(duì)地下空間的開發(fā)提出了更大、更深的迫切要求。地下連續(xù)墻起源于歐洲，作為一種具有防滲、擋土和承重功能的連續(xù)地下圍護(hù)結(jié)構(gòu)，具有剛度大、防水性能好，且施工時(shí)對(duì)周圍環(huán)境影響小、工期短等優(yōu)點(diǎn)[1,10]。然而，對(duì)于超大型的地下連續(xù)墻在施工作業(yè)時(shí)難度較一般地下連續(xù)墻更大，主要體現(xiàn)在鋼筋籠吊裝、成槽垂直度、接頭防水等方面[2]。其中，鋼筋籠的順利吊裝因其在整個(gè)施工過程中所起到的關(guān)鍵作用而顯得尤為重要。

在地下連續(xù)墻鋼筋籠的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中通常只考慮了地下連續(xù)墻在圍護(hù)階段的受力，并未考慮其在吊裝施工過程中的受力[3]。施工上，往往采用縱向、橫向鋼筋桁架作為鋼筋籠加固措施來保證其吊裝過程中的剛度和幾何穩(wěn)定性。然而，這種鋼筋桁架一般是憑借現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置，缺乏有效的理論計(jì)算方法，容易造成吊點(diǎn)設(shè)置位置不合理，甚至還會(huì)發(fā)生籠體變形、受損及解體散架等施工事故[4,5]。此外，也會(huì)造成桁架鋼筋規(guī)格過大，材料浪費(fèi)不經(jīng)濟(jì)的情況。對(duì)于上述問題，國(guó)內(nèi)學(xué)者相繼做了諸多研究：趙興波[6]等對(duì)長(zhǎng)41.7 m、寬5.8 m、高0.88 m、重約40 t的鋼筋籠整體吊裝進(jìn)行了吊裝方案研究，探討了鋼籠剛度和吊點(diǎn)位置，指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)施工方案的設(shè)計(jì)；楊寶珠[7]等利用三維有限元軟件ABAQUS對(duì)長(zhǎng)55 m、重約88 t的鋼筋籠吊裝過程進(jìn)行了模擬，討論了不同橫向桁架設(shè)置方案下鋼筋籠的變形等關(guān)鍵問題，為相關(guān)工程提供了參考依據(jù)。已有研究成果主要從剛度角度對(duì)鋼筋籠吊裝過程進(jìn)行分析，少數(shù)參考文獻(xiàn)雖對(duì)鋼筋籠的受力狀態(tài)進(jìn)行了分析，但不全面，且未對(duì)吊裝過程的動(dòng)力效應(yīng)、焊接損傷及吊裝方案優(yōu)化等關(guān)鍵問題進(jìn)行探討。

本文利用三維有限元軟件ANSYS對(duì)鋼筋籠的吊裝過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬，結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析了鋼筋籠在吊裝動(dòng)力效應(yīng)影響下的內(nèi)力分布，并討論了局部損傷對(duì)鋼筋籠吊裝內(nèi)力的影響，最后通過調(diào)整吊點(diǎn)位置和桁架鋼筋規(guī)格對(duì)吊裝方案進(jìn)行了優(yōu)化分析，為相關(guān)工程的施工提供參考。

1 鋼筋籠動(dòng)態(tài)吊裝過程有限元分析

1.1 有限元模型的確定

電本文以武漢三陽(yáng)路長(zhǎng)江隧道工程武昌工作井地下連續(xù)墻鋼筋籠吊裝施工為實(shí)際工程背景，該工程中設(shè)計(jì)使用的1.5 m厚地下連續(xù)墻鋼籠總長(zhǎng)為59 m，分2段進(jìn)行吊裝，本文將對(duì)其中長(zhǎng)度為12 m的一段進(jìn)行吊裝過程動(dòng)態(tài)分析。鋼筋籠吊裝采用400 t吊車和280 t吊車雙機(jī)抬吊，吊索為4道鋼絲繩，共設(shè)24個(gè)吊點(diǎn)。

地下連續(xù)墻鋼筋籠主筋和加固筋為上下雙排布置，采用HRB400級(jí)40、32鋼筋，分布筋采用HRB400級(jí)28鋼筋，接頭為16 mm厚的H型鋼，鋼筋籠的配筋示意見圖1。

圖1 鋼筋籠配筋示意圖

吊裝使用的主副吊均為滑輪組形式，吊點(diǎn)位置以施工單位經(jīng)驗(yàn)方案進(jìn)行布置。為保證鋼筋籠在吊裝施工中滿足足夠的剛度和承載力要求，分別沿橫向布置4榀縱向桁架鋼筋，沿縱向以間距3 m布置橫向桁架鋼筋，縱向、橫向桁架鋼筋采用HRB400級(jí)25鋼筋，鋼筋籠整體布置見圖2。

圖2 12 m鋼筋籠吊點(diǎn)布置圖（單位：mm）

為了能夠有效、準(zhǔn)確地模擬實(shí)際施工中鋼筋籠的受力狀態(tài)，在有限元軟件中吊索、鋼筋和H型鋼分別采用LINK180單元、BEAM188單元以及SHELL63模擬，采用結(jié)點(diǎn)自由度耦合的方法模擬上下排主筋之間的焊接。結(jié)合實(shí)際施工放樣尺寸，以鋼筋籠從水平到豎直起吊過程中0°、30°、45°、60°四種角度為基本工況，各工況吊裝平衡幾何位置可根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]中相關(guān)公式確定，進(jìn)而建立了鋼筋籠有限元模型見圖3。

圖3 12 m鋼筋籠三維有限元模型

1.2 計(jì)算結(jié)果分析

本文采用大型通用有限元軟件ANSYS14.5選取吊裝過程中4個(gè)不同時(shí)刻出現(xiàn)的對(duì)應(yīng)不同傾斜角度的四種工況（即鋼筋籠平面與水平面分別成0°，30°，45°和60°）對(duì)鋼筋籠的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，得到了相應(yīng)的位移、內(nèi)力和應(yīng)力等結(jié)果。

1.2.1 豎向位移分析

通過有限元計(jì)算得到的各工況下最大豎向位移見表1。

表1 鋼筋籠的最大豎向位移 mm

從以上各工況下的最大豎向位移數(shù)據(jù)可以得到：

（1）鋼筋籠的最大豎向位移均出現(xiàn)在工況1，分別為8.7 mm，為鋼筋籠總長(zhǎng)度的1/1 379。

（2）從各工況位移云圖上可以看出，有限元計(jì)算得到的各工況下的撓度曲線均符合受彎構(gòu)件的變形規(guī)律，鋼筋籠的最大豎向位移隨鋼筋籠角度的增大而逐漸減小，表明在鋼筋籠從水平到直立的整個(gè)過程中，其整體受力狀態(tài)逐漸從受彎過渡到受拉。

1.2.2 吊索拉力及吊重分析

由有限元分析所得鋼筋籠的整體軸力圖（見圖4）可以得到：

（1）有限元模型計(jì)算所得到各滑輪點(diǎn)處相鄰兩根繩索的軸力基本一致，說明鋼筋籠吊裝過程的邊界條件簡(jiǎn)化合理，吊裝平衡位置的幾何關(guān)系推導(dǎo)正確。

圖4 鋼筋籠整體軸力圖（工況2）

（2）鋼筋籠起吊過程中吊點(diǎn)位置附近鋼筋的軸力分布明顯大于遠(yuǎn)離吊點(diǎn)位置的鋼筋，桁架筋的軸力等值線圖相較于鋼筋籠設(shè)計(jì)鋼筋的軸力更加明顯，表明在吊裝過程中桁架筋發(fā)揮了承重作用。

鋼筋籠在各工況下有限元計(jì)算得到的吊重見表2。

表2 鋼筋籠各工況下主吊及副吊的吊重

由以上數(shù)據(jù)可知，有限元計(jì)算得到各工況下主吊與副吊的總吊重均為247 kN，且副吊的吊重均要大于主吊吊重；整個(gè)吊裝過程主吊吊重從工況1到工況3逐漸減小，工況3到工況4略有增大，副吊吊重變化則相反。

1.2.3 鋼筋籠應(yīng)力分析

由各工況下鋼筋籠各部分鋼筋的應(yīng)力結(jié)果（見圖5），可以得到：

圖5 鋼筋籠設(shè)計(jì)鋼筋應(yīng)力云圖（工況2）

（1）12 m鋼筋籠設(shè)計(jì)鋼筋的應(yīng)力分布整體表現(xiàn)為吊點(diǎn)位置附近應(yīng)力較大，遠(yuǎn)離吊點(diǎn)位置的鋼筋應(yīng)力相對(duì)較小，雖然在吊點(diǎn)處設(shè)置了吊點(diǎn)鋼板和吊點(diǎn)鋼筋，仍然出現(xiàn)了局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，故在實(shí)際施工吊裝過程中應(yīng)重視對(duì)鋼筋籠吊點(diǎn)附近區(qū)域的構(gòu)造加強(qiáng)。

（2）隨著整個(gè)吊裝過程的進(jìn)行，鋼筋籠設(shè)計(jì)鋼筋的最大應(yīng)力從工況1到工況4逐漸減小，桁架筋的最大應(yīng)力從工況1到工況2有所增加，而從工況2到工況4則逐漸減小。

（3）吊裝過程中，設(shè)計(jì)鋼筋和縱向桁架筋的應(yīng)力最大值都出現(xiàn)在①軸吊點(diǎn)位置附近，而橫向桁架筋應(yīng)力最大值出現(xiàn)在④軸吊點(diǎn)位置附近，表明在實(shí)際吊裝過程中，吊點(diǎn)處的受力控制是保證整個(gè)鋼筋籠安全起吊的關(guān)鍵，應(yīng)予以足夠的重視。

（4）施工鋼筋的壓桿穩(wěn)定驗(yàn)算參數(shù)見表3，12 m鋼筋籠各工況下設(shè)計(jì)鋼筋及施工鋼筋的最大拉應(yīng)力及壓應(yīng)力見表4。

表3 施工鋼筋壓桿穩(wěn)定驗(yàn)算參數(shù)

表4 12 m鋼筋籠各工況下鋼筋的應(yīng)力 MPa

通過有限元計(jì)算得到的吊裝過程中鋼筋籠設(shè)計(jì)鋼筋的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分別為147 MPa和146 MPa，最小安全系數(shù)為2.5；縱向桁架筋的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在工況2，其值為58 MPa，最小安全系數(shù)為4.8；縱向桁架筋的最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在工況2，其值為35 Mpa，最小安全系數(shù)為4.8；橫向桁架筋的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在工況2，其值為35 MPa，最小安全系數(shù)為11；橫向桁架筋的最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在工況2，其值為19 MPa，最小安全系數(shù)為11。其應(yīng)力均未達(dá)到鋼筋的屈服強(qiáng)度，且滿足壓桿穩(wěn)定驗(yàn)算的要求，表明鋼筋籠在吊裝過程處于彈性工作階段，當(dāng)前的施工方案可以保證鋼筋籠吊裝過程的安全進(jìn)行，施工桁架具有較大的安全儲(chǔ)備。

2 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)地下連續(xù)墻鋼筋籠動(dòng)態(tài)吊裝過程進(jìn)行了有限元數(shù)值分析研究，模擬了4種工況下吊索拉力及吊重、鋼筋籠的豎向位移和鋼筋籠的應(yīng)力變化情況。得出如下結(jié)論：

（1）有限元計(jì)算得到的各工況下的撓度曲線均符合受彎構(gòu)件的變形規(guī)律，鋼筋籠的最大豎向位移隨鋼筋籠角度的增大而逐漸減小，表明在鋼筋籠從水平到直立的整個(gè)過程中，其整體受力狀態(tài)逐漸從受彎過渡到受拉，而最大的豎向位移為工況一即鋼筋籠處于水平狀態(tài)時(shí)的受彎撓度。

（2）有限元方法求得的吊索拉力及吊重在吊裝過程中始終大于主吊吊重，有限元計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際讀取結(jié)果整體相近，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際配備吊車時(shí)可以參考本計(jì)算程序的結(jié)果進(jìn)行調(diào)用。

（3）12 m鋼筋籠設(shè)計(jì)鋼筋的應(yīng)力分布整體表現(xiàn)為吊點(diǎn)位置附近應(yīng)力較大，遠(yuǎn)離吊點(diǎn)位置的鋼筋應(yīng)力較小，吊點(diǎn)處雖然設(shè)置了吊點(diǎn)鋼板與鋼筋但仍出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，所以實(shí)際吊裝過程中吊點(diǎn)附近必須要有足夠的構(gòu)造保護(hù)措施。

（4）隨著整個(gè)吊裝過程的進(jìn)行，鋼筋籠設(shè)計(jì)鋼筋的最大應(yīng)力從工況1到工況4逐漸減小，桁架筋的最大應(yīng)力從工況1到工況2有所增加，而從工況2到工況4則逐漸減小，所以對(duì)鋼筋籠設(shè)計(jì)鋼筋與桁架筋應(yīng)該分別考慮動(dòng)態(tài)吊裝的影響。

（5）設(shè)計(jì)鋼筋與桁架鋼筋其應(yīng)力均未達(dá)到鋼筋的屈服強(qiáng)度，且滿足壓桿穩(wěn)定驗(yàn)算的要求，表明鋼筋籠在吊裝過程處于彈性工作階段，當(dāng)前的施工方案可以保證鋼筋籠動(dòng)態(tài)吊裝過程的安全進(jìn)行，且具有較大的安全儲(chǔ)備。