巨型超重鋼筋籠吊裝方案

周　俊，　譚躍虎，　李二兵，　楊　蒙

(解放軍理工大學(xué)　國防工程學(xué)院， 江蘇　南京　210007)

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巨型超重鋼筋籠吊裝方案

周俊，譚躍虎，李二兵，楊蒙

(解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院， 江蘇南京210007)

摘要：以青奧軸線B2-J1區(qū)基坑工程超深地下連續(xù)墻巨型鋼筋籠吊裝工程為背景，采用對履帶吊配置、索具、地基承載力、彎矩平衡等計(jì)算，對鋼絲繩、卸扣等驗(yàn)算的方法確定雙機(jī)抬吊的設(shè)備選用、吊裝方案及吊點(diǎn)布置。并且使用ABAQUS軟件建立三維鋼筋籠模型對吊裝方案進(jìn)行吊裝全過程的數(shù)值模擬驗(yàn)算。數(shù)值模擬結(jié)果表明：吊裝全過程中，鋼筋籠的中部撓度最大，且均在彈性范圍內(nèi)，沒有產(chǎn)生塑性變形，吊裝可順利安全進(jìn)行。本吊裝方案在吊裝工程實(shí)施中取得了較好的效果。并根據(jù)工程實(shí)施過程中的經(jīng)驗(yàn)，提出合理的吊裝控制技術(shù)。本文內(nèi)容可為相似工程提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：巨型鋼筋籠；吊裝；ABAQUS；計(jì)算

近年來地下工程規(guī)模不斷發(fā)展，作為基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)的地下連續(xù)墻也逐漸加深，相應(yīng)的地下連續(xù)墻鋼筋籠的吊裝難度也逐漸增加。

如何解決重量重、剛度差、垂直度要求高的巨型鋼筋籠的吊裝技術(shù)，一直是地下工程研究的熱點(diǎn)。趙興波[1]、朱大宇[2]等使用ANSYS對整體吊裝過程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合數(shù)值模擬的結(jié)果，確定了施工參數(shù)，很好地指導(dǎo)了現(xiàn)場施工；李檉等[3]介紹了巨型鋼筋籠吊裝的吊車選型、吊裝方法與保證措施；榮勁松[5]、周翰斌[6]等結(jié)合埃及塞得東港工程背景，闡述了采用桁架支托的吊裝方法分節(jié)起吊“T”字型鋼筋籠的施工方法；楊寶珠等[7]結(jié)合天津文化中心交通樞紐Z1段工程，使用三維有限元軟件ABAQUS，對不同榀數(shù)的鋼筋籠進(jìn)行數(shù)值模擬，確定了合理的吊裝方案。黃晨光等[8]通過合理選擇施工機(jī)械、吊點(diǎn)位置、鋼筋籠的加固措施以及鋼筋籠吊裝形式，很好地完成了超重鋼筋籠的吊裝。

對比上述工程，青奧軸線B2-J1區(qū)鋼筋籠最重達(dá)68.6 t，最長達(dá)44.5 m，吊裝情況復(fù)雜。本文結(jié)合傳統(tǒng)計(jì)算方法及三維數(shù)值模擬方法，得出合理的吊裝方案，并在工程中取得較好效果。

1工程背景

青奧軸線梅子洲過江通道地下工程的核心控制性區(qū)域B2-J1區(qū)為局部地下三層框架結(jié)構(gòu)，為主要采用明挖暗埋法施工的“坑中坑”基坑?；幼畲箝_挖深度達(dá)27 m，其中作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的地下連續(xù)墻分三部分：格柵T形地墻、梅子洲主隧道基坑地墻、匝道地墻，見表1。

表1　地連墻幅段統(tǒng)計(jì)表　m

2吊裝方案設(shè)計(jì)計(jì)算

設(shè)計(jì)以長方體結(jié)構(gòu)形式為例，設(shè)備選型按照最大吊重、最寬尺寸和最長尺寸(表2)分別進(jìn)行驗(yàn)算。

表2　地連墻尺寸統(tǒng)計(jì)表　m

2.1吊裝設(shè)備選用

吊裝主吊擬選用三一重工250 t履帶吊車(SCC2500C型)，輔吊擬選用三一重工125 t履帶吊(SCC1250型)，主吊配58.5 m長把桿，輔吊配33 m長把桿。

2.1.1主吊把桿長度驗(yàn)算

計(jì)算主吊機(jī)垂直高度時(shí)，不僅要考慮鋼筋籠的最大尺寸、重量，而且要考慮鋼筋籠吊起后能旋轉(zhuǎn)180°、不碰撞主吊臂架(見圖1)，即滿足BC距離大于1/2鋼筋籠平放寬度的要求。選取主吊臂架仰角78°進(jìn)行計(jì)算(三一重工SCC2500C型最大仰角81°)。

圖1　主吊把桿

根據(jù)加工制作的吊具尺寸為h1=2.0 m，h0=0.6 m，分最大吊重和最寬、長尺寸三種情況計(jì)算AC。

AB=BCtan 78″

(1)

maxh2=AC-h1-b-h0

(2)

H=h0+h1+h2+h3+h4

(3)

(4)

式中：b為起重滑輪組定滑輪到吊鉤中心距離，取6.5 m；h0為起吊扁擔(dān)凈高；h1為扁擔(dān)吊索鋼絲繩高度；h2為鋼筋籠吊索高度；h3為鋼筋籠長度；h4為鋼筋籠距地面高度，取0.5 m；c為起重臂下軸距地面的高度，取2.645 m。

(1)當(dāng)起吊鋼筋籠為本標(biāo)段最大吊重時(shí)：

根據(jù)公式(1)～(4)有：L=56.87 m。

(2)當(dāng)起吊鋼筋籠為本標(biāo)段最寬尺寸時(shí)：

根據(jù)公式(1)～(4)有：L=57.59 m。

(3)當(dāng)起吊鋼筋籠為本標(biāo)段最長尺寸時(shí)：

根據(jù)公式(1)～(4)有：L=57.97 m。

(4)根據(jù)以上三種情況分析，查詢吊車性能表得知主吊把桿長度可選取58.5 m，回轉(zhuǎn)半徑12 m。

2.1.2履帶吊配置計(jì)算

雙機(jī)抬吊時(shí)，允許起重量計(jì)算如下：

P2=0.8P1

(5)

P5=0.8P4

(6)

W1=W

(7)

W2=W3=0.6W

(8)

式中：P1為250 t主吊車極限起重量(臂桿58.5 m，仰角78°)取75.2 t；P2為雙機(jī)抬吊時(shí)250 t主吊車允許起重量；P4為125 t輔吊車極限起重量(臂桿33 m，工作半徑9 m)取64.1 t；P5為雙機(jī)抬吊時(shí)125 t輔吊車允許起重量；W為鋼筋籠最大重量，取68.6 t；W1為250 t主吊車承擔(dān)最重鋼筋籠重；W2為雙機(jī)抬吊行走時(shí)250 t主吊承擔(dān)最重鋼筋籠重量；W3為雙機(jī)抬吊行走時(shí)125 t輔吊車承擔(dān)最重鋼筋籠重量。

根據(jù)式(5)～(8)可得：

(1)250 t主吊車(SCC2500C型)

1)雙機(jī)抬吊狀況下吊裝鋼筋籠

P2>W2

2)主吊行走狀況下吊裝鋼筋籠

P1>W1

(2)125 t輔吊車(SCC1250型)

雙機(jī)抬吊狀況下吊裝鋼筋籠

P5>W5

由上可知，履帶吊承擔(dān)最重鋼筋籠重量滿足要求。

2.2起吊用索具及地基承載力計(jì)算

本工程按照整幅起吊最大重量鋼筋籠68.6 t進(jìn)行索具驗(yàn)算，計(jì)算包括：鋼絲繩強(qiáng)度驗(yàn)算，卸扣驗(yàn)算，吊環(huán)驗(yàn)算。

本工程使用的鋼絲繩均為6×37+1的鋼絲繩，鋼絲強(qiáng)度極限為1700 MPa，安全系數(shù)k取6，換算系數(shù)α=0.82，強(qiáng)度數(shù)據(jù)取自《簡明施工計(jì)算手冊(第四版)》，見表3。

表3　鋼絲繩強(qiáng)度數(shù)據(jù)

2.2.1主吊扁擔(dān)上鋼絲繩驗(yàn)算

取鋼絲繩直徑為60.5 mm，受力示意見圖2。

圖2　主吊鋼絲繩受力

(9)

(10)

式中：T容為鋼絲繩的容許拉力；T受上為主吊扁擔(dān)上每根鋼絲繩受力；T總為鋼筋籠自重與吊具重之和，取706 kN；Pg為鋼絲破斷拉力總和，60.5 mm時(shí)取2320 kN，47.5 mm時(shí)取1430 kN。

由式(9)～(10)得：T受上

即60.5 mm鋼絲繩做主吊扁擔(dān)滿足要求。

2.2.2主吊扁擔(dān)下掛鋼絲繩驗(yàn)算

取鋼絲繩直徑47.5 mm，受力示意見圖3。

(11)

式中：T自為鋼筋籠自重，取686 kN；T受下為主扁擔(dān)下掛每根鋼絲繩受力。

圖3　主吊扁擔(dān)下鋼絲繩受力

2.2.3輔吊扁擔(dān)上、下鋼絲繩驗(yàn)算

考慮鋼筋籠雙機(jī)抬吊時(shí)輔吊受力最大，輔吊扁擔(dān)上鋼絲繩直徑取47.5 mm，則：

(12)

式中：T受輔為輔吊扁擔(dān)上掛鋼絲繩受力。

由(9)、(12)可得：T受輔

圖4　輔吊扁擔(dān)受力

輔吊扁擔(dān)下掛鋼絲繩取2根43 mm的鋼絲繩，4點(diǎn)受力。

(13)

式中：T輔下為輔吊扁擔(dān)下掛單根鋼絲繩受力。

則由式(9)、(13)可得：T輔下

2.2.4卸扣驗(yàn)算

卸扣的選擇與主輔吊鋼絲繩最大受力相關(guān)。主吊卸扣最大受力在鋼筋籠完全豎立時(shí)。輔吊卸扣最大受力在鋼筋籠平放吊起時(shí)。

新型政黨制度和協(xié)商民主要發(fā)揮作用，也需要社會(huì)主義民主過程各環(huán)節(jié)之間的有機(jī)統(tǒng)一。這一基本關(guān)系就決定了各民主黨派既不等同于黨委政府，也不完全是對民意的機(jī)械反映。新型政黨制度在社會(huì)主義政治生活中，不僅僅是政治與社會(huì)之間的中間環(huán)節(jié)，只起到橋梁、紐帶、聯(lián)系群眾的作用，而且是政治與社會(huì)之間的催化劑，起著“化合作用”，是民主過程。雖然新型政黨制度不同于西方政治結(jié)構(gòu)中的議會(huì)制度，但各民主黨派具有批評監(jiān)督、協(xié)商、表達(dá)整合等政治功能，也遵循民主運(yùn)行的一般規(guī)律。社會(huì)主義民主的運(yùn)行也正是基于民主黨派所具有的政治功能才得以實(shí)現(xiàn)。正是由于民主黨派具有政治功能，民主黨派才不同于政治協(xié)商中的一般社會(huì)界別，而稱作“政治界”。

(1)主吊卸扣選擇

主吊卸扣承受最大拉力為24.96 t，選擇50 t卸扣可滿足要求。

(2)輔吊卸扣選擇

輔吊卸扣承受最大拉力為14.51 t，選擇30 t卸扣可滿足要求。

2.2.5地基承載力計(jì)算

基礎(chǔ)長9.134 m；基礎(chǔ)寬1.22 m，參數(shù)及簡化受力如圖5所示。

圖5　地基參數(shù)及簡化受力/mm

(14)

W分=W合/2

(15)

σ=W分/2

(16)

式中：W合為機(jī)械施加在路面上的合力；W配為SCC2500C型250 t履帶吊配重，取80 t；W自為SCC2500C型250 t履帶吊自重260 t；W吊取最不利荷載，即吊裝鋼筋籠重68.6 t；W分為側(cè)履帶上的分力；σ為地基承載力；

路面采用C25鋼筋混凝土。由式(14)～(16)得：σ=18.34 MPa<25 MPa，驗(yàn)算通過。

2.3吊裝方案

鋼筋籠起吊采用一臺(tái)250 t履帶式起重機(jī)和一臺(tái)125 t履帶式起重機(jī)雙機(jī)抬吊法，起吊主要方法及過程如下：

以250 t履帶吊作主吊機(jī)，125 t履帶吊機(jī)作輔吊機(jī)。起吊時(shí)必須使吊鉤中心與鋼筋籠重心相重合，保證起吊平衡。主吊機(jī)扁擔(dān)上掛2根5.7 m長，直徑60.5 mm鋼絲繩，每根鋼絲繩通過一個(gè)50 t單滑輪掛在主吊鉤上，單根鋼絲繩彎做兩股掛在扁擔(dān)一側(cè)的兩個(gè)卸扣上，扁擔(dān)上設(shè)左右各兩個(gè)卸扣。扁擔(dān)下掛2個(gè)50 t單滑輪，每個(gè)滑輪下掛1根15 m長，直徑47.5 mm鋼絲繩(起吊繩)，主吊機(jī)起吊點(diǎn)分3排6點(diǎn)起吊。輔吊機(jī)扁擔(dān)上掛2根直徑47.5 mm的鋼絲繩；扁擔(dān)下掛2個(gè)30 t的單滑輪，每個(gè)滑輪下掛1根15 m長的43.0 mm的鋼絲繩。輔吊機(jī)起吊點(diǎn)分兩排4點(diǎn)起吊。

為了簡化計(jì)算，取鋼筋籠長度為40 m。鋼筋籠按均布荷載加載，根據(jù)彎矩平衡原理，正負(fù)彎矩相等(+M=-M)時(shí)，撓曲變形最小(圖6)。

圖6　鋼筋籠彎矩計(jì)算

(17)

(18)

+M=-M

(19)

式中：q為均布荷載；L1為AB、EF長度；L2為BC、CD、DE長度。

由式(17)～(19)可得：L1=3.81 m，L2=10.79 m。考慮實(shí)際吊裝過程中B、C中心是主吊位置，A、B之間的距離影響吊裝鋼筋籠。根據(jù)實(shí)際吊裝經(jīng)驗(yàn)，做如下調(diào)整：主吊機(jī)三排吊點(diǎn)間距為11 m和10m，主吊與輔吊相鄰吊點(diǎn)距離3 m，輔吊2排吊點(diǎn)間距均為12 m，主吊機(jī)第一排起吊點(diǎn)設(shè)置在籠頂下1 m，輔吊最后一排吊點(diǎn)距鋼筋籠底部為3 m。吊點(diǎn)布置見圖7，起吊布置見圖8。

圖7　吊點(diǎn)布置/m

圖8　起吊布置

3吊裝模擬分析

3.1數(shù)值模擬方案

結(jié)合上文計(jì)算結(jié)果，以LW-32幅鋼筋籠為例，使用ABAQUS軟件建模，并進(jìn)行三維有限元分析。建模分析步驟如下：

(1)部件：采用三維-可變形-線創(chuàng)建部件，在草圖界面中，分別按照尺寸創(chuàng)建鋼筋籠的六個(gè)面、X型剪力筋以及兩榀桁架共八個(gè)部件。

(2)定義屬性：材料選擇力學(xué)-彈性-彈性，彈性模量取E=2.06×109，泊松比取υ=0.3，創(chuàng)建實(shí)體-均質(zhì)截面，對實(shí)體模型指派截面，并指派梁方向。

(3)裝配模型：選擇已建立八個(gè)部件，將部件實(shí)例化，然后，通過平移實(shí)例、旋轉(zhuǎn)實(shí)例等操作裝配模型。最終得到鋼筋籠的三維模型(圖9)。

(4)定義分析步：創(chuàng)建靜力通用分析步，由于有三個(gè)工況，創(chuàng)建三個(gè)線性攝動(dòng)分析步。

(5)相互作用：給每一個(gè)裝配接觸節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建綁定約束模擬焊接，主表面類型和從表面類型均選擇節(jié)點(diǎn)區(qū)域。

(6)載荷、邊界條件：根據(jù)前面計(jì)算結(jié)果，分四個(gè)分析步添加載荷，為模擬實(shí)際狀態(tài)，邊界條件外部鉸接。

(7)網(wǎng)格劃分：采用六面體為主，使用進(jìn)階算法劃分網(wǎng)格。

(8)吊裝作業(yè)：創(chuàng)建作業(yè)過程，并提交作業(yè)工況，得到結(jié)果。

圖9　鋼筋籠有限元模型

3.2結(jié)果及分析

通過ABAQUS軟件，對鋼筋籠的吊裝過程進(jìn)行分工況模擬計(jì)算分析，由于鋼筋籠吊裝主要撓度是豎向位移，所以主要對豎向位移進(jìn)行分析，模擬結(jié)果見圖10～13，鋼筋籠豎向位移見圖14。

圖10　水平吊裝豎向位移值/cm

圖11　30°吊裝豎向位移值/cm

圖12　60°吊裝豎向位移值/cm

圖13　90°吊裝豎向位移值/cm

由圖14可見，最大豎向位移為25 cm，小于規(guī)范要求的臨界值。鋼筋籠在吊裝過程中變形小，應(yīng)力處于彈性階段，不會(huì)產(chǎn)生塑性變形。吊點(diǎn)設(shè)置合理，減少鋼筋籠上桁架的布置，經(jīng)濟(jì)上存在優(yōu)勢。

圖14　不同工況下鋼筋籠撓度變化曲線

4吊裝控制技術(shù)

4.1吊裝流程控制

鋼筋籠吊裝施工流程為：起重機(jī)就位—起重機(jī)試運(yùn)行—倒運(yùn)鋼筋籠至槽段處—豎起鋼筋籠—鋼筋籠下槽—鋼筋籠固定—吊裝作業(yè)完成，見圖15，具體施工見圖16～20。

圖15　吊裝流程

圖16　起吊前鋼筋籠檢查

圖17　雙機(jī)抬吊

圖18　主吊拔高、輔吊托送

圖19　主吊完全吊起、拆除輔吊索具

圖20　鋼筋籠緩慢入槽

4.2吊裝主要風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對措施

(1)高空墜物

鋼筋籠最長達(dá)44.5 m，為了防止高空墜物，必須在起吊前認(rèn)真檢查，確保鋼筋籠上無外掛物品，杜絕虛焊、漏焊現(xiàn)象。

(2)鋼筋籠散架

由于此次吊裝的鋼筋籠最大自重達(dá)68.6 t，為了保證鋼筋籠的自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性必須做到：嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙布置桁架，確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，確保所有焊點(diǎn)達(dá)到焊接要求，精確合理布置吊點(diǎn)，嚴(yán)格遵守規(guī)范流程操作。

(3)吊車傾覆

由于鋼筋籠重量巨大，為防止吊車傾覆事故必須做到：在起吊前，精確掌握吊車的起吊位置，檢查吊車處于起吊準(zhǔn)備狀態(tài)；吊車必須處于水平地面，吊車負(fù)重行走線路路面要堅(jiān)實(shí)平整；確定科學(xué)合理的起吊方案，并認(rèn)真執(zhí)行每一步操作規(guī)程。

5結(jié)論

(1)通過對主吊把桿長度、鋼絲繩、卸扣的驗(yàn)算以及履帶吊配置、地基承載力計(jì)算，選擇正確的吊裝設(shè)備和索具，保證吊裝安全順利地進(jìn)行。

(2)根據(jù)正負(fù)彎矩平衡原理計(jì)算的吊點(diǎn)布置結(jié)果，要考慮主、輔吊位置以及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行合理修正。

(3)數(shù)值模擬結(jié)果表明鋼筋籠的撓度值遠(yuǎn)小于極限值，證明吊點(diǎn)布置的正確性以及雙機(jī)抬吊、八點(diǎn)吊起方案的可行性。

(4)為保證鋼筋籠吊裝時(shí)的穩(wěn)定性，必須按照圖紙?jiān)O(shè)計(jì)布置桁架，并且確保焊點(diǎn)達(dá)到焊接要求。

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Giant Overweight Steel Cage Hoisting Technology

ZHOUJun,TANYue-hu,LIEr-bing,YANGMeng

(School of Defense Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

Abstract:Based on YOG axis B2-J1 district ultra-deep underground slurry wall hoisting engineering,this article makes use of equipment selection, crawler configuration, riggingto calculate foundation bearing capacity and the balanced moment.The calculation method of rope,shackles,etc. is used to determine dual-lift crane equipment selection,hoisting and lifting point arrangement program. ABAQUS software is used to build a three-dimensional model of the steel cage hoisting checking program to simulate the whole process. The simulation results showed that: During the lifting process, middle deflection is the largest of the steel cage, and all are in the elastic range, without plastic deformationtaken place, the lifting process can proceeded smoothly. The lifting program achieved good results in the lifting project implementation. According to the project implementation process and experience,the reasonable hoisting control technology is determined. The content of the article can provide reference for similar projects.

Key words：giant steel cage; hoisting; ABAQUS; computing

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中圖分類號：TU94

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：2095-0985(2016)02-0100-06

作者簡介：周俊(1991-)，男，江蘇鹽城人，碩士研究生，研究方向?yàn)樯罨庸こ?Email:zhou_junyt@163.com) 4.來稿的應(yīng)包括第一作者(通訊作者)的基本信息(姓名、出生年、性別、籍貫/出生地)、簡歷信息(職稱、學(xué)位、研究方向)和聯(lián)系信息(

收稿日期：2015-09-14修回日期： 2015-10-21