超重型地下連續(xù)墻鋼筋籠吊裝的三維仿真對比分析

周建中 滿建政 湯 燁

中億豐建設(shè)集團股份有限公司 江蘇 蘇州 215131

目前隨著人們生活水平的提高、工程技術(shù)的進步以及社會的發(fā)展，建筑工程的體量越來越大，直觀表現(xiàn)為建筑的高度越來越高，地下空間開發(fā)的深度與廣度也不斷提高。另外，伴隨著城市人口的不斷增長，隨之而來的是城市交通線路日益擁堵。為了解決這一問題，近年來各大城市加大了地下軌道交通工程的建設(shè)力度，對地下空間的開發(fā)需求也越來越多。在地下空間開發(fā)的過程中，基坑的深度與規(guī)模都很大，特別是在已有建筑物周邊進行大型地下空間的開挖時，對基坑支護結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。

目前地下連續(xù)墻以剛度大、整體性好、位移控制效果好等優(yōu)勢，在超深基坑中通常作為主要的支護方案。由于基坑深度大，故單幅地下連續(xù)墻的鋼筋籠質(zhì)量大，鋼筋籠設(shè)計時的受力狀態(tài)與施工吊裝過程中的受力狀態(tài)不同，而鋼筋籠設(shè)計時，僅根據(jù)基坑支護過程中地下連續(xù)墻的受力進行配筋計算，而未考慮鋼筋籠吊裝過程中受力[1]。當(dāng)鋼筋籠過長或超重時，其吊裝難度也隨之增大。吊裝過程中，稍有偏差，就有可能導(dǎo)致入槽失敗、鋼筋籠變形、散架甚至整幅鋼筋籠報廢。因此，如何保證鋼筋籠吊裝過程的安全，是地下連續(xù)墻甚至基坑工程的關(guān)鍵。

為滿足吊裝過程中的變形要求，通常在鋼筋籠上布置縱橫方向的受力加強桁架和局部加強桁架來增加整體剛度。通過控制桁架鋼筋形式、吊點布置和吊裝角度等因素，保證鋼筋籠吊裝工程的順利完成。近年來，國內(nèi)很多學(xué)者對鋼筋籠的吊裝問題進行了深入研究，王志華等[2]通過對超大型地下連續(xù)墻鋼筋籠吊裝吊裝角度的動態(tài)模擬，確定了最不利工況，給鋼筋籠吊裝施工提供參考。楊寶珠等[3]采用有限元法研究了55 m超深長“一”字形鋼筋籠的吊裝過程，從安全性和經(jīng)濟性的角度分析了桁架榀數(shù)量對鋼筋籠吊裝的影響，并給出了推薦方案。黃晨光等[4]以武漢綠地中心工程地下連續(xù)墻鋼筋籠吊裝工程為背景，從施工機械選擇、吊點設(shè)置等方面進行研究，取得了良好的吊裝效果。目前對鋼筋籠吊裝過程的研究，大多從1～2個因素進行分析，全面性有所欠缺。

本文采用3D3S軟件從吊點設(shè)置、吊裝角度、加強筋數(shù)量及腹桿形式等多角度、全方位對鋼筋籠吊裝進行全過程對比計算與仿真分析。探討各因素對鋼筋籠吊裝過程的影響程度，并根據(jù)分析結(jié)果對實際項目的鋼筋籠吊裝方案進行優(yōu)化，保證了鋼筋籠吊裝工程的順利完成，為同類鋼筋籠吊裝工程提供施工參考。

1 工程概況

蘇州新鴻基超高層項目位于蘇州工業(yè)園區(qū)翠園路北側(cè)，現(xiàn)代大道南側(cè)，星湖街西側(cè)，華池街東側(cè)?；用娣e約為19 211 m2，普遍區(qū)域基坑開挖深度為22.10 m，塔樓挖深為25.0～25.2 m?；铀闹車o結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻形式，地下連續(xù)墻厚1.0 m或1.2 m，墻深40～46 m。由于基坑距離南側(cè)地鐵1號線僅7.5 m，且地鐵已正常運行，為最大限度地減小基坑開挖對地鐵的影響，保證地鐵的正常運行，故在基坑南半?yún)^(qū)新增東西方向約170 m、南北方向2道約30 m的地下連續(xù)墻，進行分坑施工。其中新增地下連續(xù)墻的鋼筋籠最重的一幅為37 t，地下連續(xù)墻鋼筋籠尺寸為38.9 m×6.0 m。

2 模型設(shè)計

鋼筋籠縱向加強桁架在吊裝過程中主要承受鋼筋籠自重并與橫向加強桁架共同起到增加整體剛度的作用，通常施工方案設(shè)計時為了簡化計算，假定該縱向桁架為在鋼筋籠自重產(chǎn)生的均布荷載下的單榀桁架進行計算，計算結(jié)果只能反映吊點所在縱向桁架位置處的變形，不能反映設(shè)置吊點的2榀縱向桁架范圍間的鋼筋籠實際變形趨勢及受力情況。因此，為了準(zhǔn)確反映鋼筋籠在吊裝過程中的變形、受力情況，需建立三維力學(xué)模型進行吊裝全過程的計算。基于此目的，本文采用3D3S結(jié)構(gòu)計算軟件進行吊裝全過程的仿真計算分析。

為選擇受力合理的吊裝方案，首先要確定鋼筋籠的吊點位置，然后再確定縱向加強桁架的形式與數(shù)量，最后根據(jù)不同的組合加強方案，通過計算對比分析不同吊裝方案間的差異。

2.1 鋼筋籠縱向吊點布置

圖1 鋼筋籠縱向彎矩

為了讓鋼筋籠在吊裝過程中受力盡量均衡，在考慮施工方便的情況下吊點間距應(yīng)均勻布置。根據(jù)鋼筋籠質(zhì)量，并結(jié)合施工經(jīng)驗，沿鋼筋籠縱向設(shè)置6個吊點，其中主吊2個吊點，副吊4個吊點。假定鋼筋籠為一整體，將其視為一個實體梁，自身的質(zhì)量按照均布荷載考慮。根據(jù)多跨連續(xù)梁正負彎矩相等的原理，求得最合理的吊點位置（圖1）。載荷），故且2L1＋5L2=38.90，得L1=2.41 m，L2=6.80 m。根據(jù)以上計算結(jié)果，將地下連續(xù)墻縱向按照以上計算間距設(shè)置2列吊點，每列6個，共12個吊點。考慮到本工程地下連續(xù)墻是在周邊工程樁施工完成后進行，工程樁與地下連續(xù)墻距離較小，無法用三軸攪拌樁進行槽壁加固，要求地下連續(xù)墻必須快速成型，減小槽體坍塌的風(fēng)險，故需要采用快速吊裝方案，保證地下連續(xù)墻快速順利入槽。

對主吊6吊點、副吊6吊點（方案1）和主吊4吊點、副吊8吊點（方案2）這2種方案進行對比，發(fā)現(xiàn)方案2在鋼筋籠吊點拆卸扣時，配合鋼筋籠設(shè)置的擱置點進行吊點轉(zhuǎn)換，更加方便快捷，因此選方案2。

根據(jù)邊跨吊點負彎矩與第一跨內(nèi)正彎矩相等，建立力學(xué)關(guān)系如下：M＋=M－，即（q為均布

2.2 鋼筋籠吊點設(shè)置

根據(jù)上述計算吊點間距及方案設(shè)置，確定整體鋼筋籠起吊時吊點位置（圖2）。主吊設(shè)置4個吊點，副吊設(shè)置8個吊點，為方便施工，主吊吊點設(shè)置在鋼筋籠兩側(cè)。

圖2 鋼筋籠整體吊點位置

3 吊裝方案對比

為增加鋼筋籠的整體性，沿鋼筋籠縱、橫向均需設(shè)置加強桁架。鋼筋加強桁架由上下弦桿及腹桿構(gòu)成，其中腹桿可以選擇單斜腹桿“/ ”的形式或交叉斜腹桿“X”的形式（圖3）。由于鋼筋籠單幅寬度6 m，故縱向加強桁架可以設(shè)置4道或5道（圖4、圖5）。

圖3 加強桁架腹桿形式

圖4 4道縱向桁架平面布置

圖5 5道縱向桁架平面布置

根據(jù)腹桿形式及縱向鋼筋桁架的數(shù)量可以組合出4種不同的吊裝方案。為分析不同的加強方式對鋼筋籠吊裝過程的變形及受力影響，本文采用結(jié)構(gòu)計算軟件3D3S對4種不同的加強方案進行吊裝全過程的計算分析，并輸出了鋼筋籠起吊與地面呈0°、30°、45°、60°、90°夾角時的計算結(jié)果。

3.1 方案1

鋼筋籠縱向設(shè)置5道“X”形腹桿加強桁架，橫向向加強桁架設(shè)置在每個吊點處，并保證兩橫向加強桁架間距不大于5 m。計算表明起吊過程中鋼筋籠整體應(yīng)力水平很低，由變形控制（表1）。

表1 方案1起吊過程計算結(jié)果

3.2 方案2

鋼筋籠縱向設(shè)置4道“X”形腹桿加強桁架，橫向加強桁架設(shè)置同方案1（表2）。

表2 方案2起吊過程計算結(jié)果

3.3 方案3

鋼筋籠縱向設(shè)置5道“/ ”形腹桿加強桁架，橫向加強桁架設(shè)置同方案1（表3）。

表3 方案3起吊過程計算結(jié)果

3.4 方案4

鋼筋籠縱向設(shè)置4道“/ ”形腹桿加強桁架，橫向加強桁架設(shè)置同方案1（表4）。

表4 方案4起吊過程計算結(jié)果

4 結(jié)果分析

鋼筋籠主要受自身重力作用，在起吊過程中隨著主吊的提升，鋼筋籠與地面的傾斜夾角不斷增大，在自重作用下產(chǎn)生向下鼓曲的變形，為便于分析，將該變形分解成與地面平行及垂直的變形分量，即水平變形及豎向變形（圖6）。

圖6 變形關(guān)系曲線

由圖6（a）、（b）可知，隨著起吊角度的不斷增加，豎向變形由大變小，水平變形由小變大；當(dāng)起吊角度與地面呈45°的時候，水平變形與豎向變形基本相等；水平變形在起吊角度為90°時達到最大，豎向變形在起吊角度為0°時達最大。由于鋼筋籠只受自身重力作用，故由力的分解可知：

式中：α——起吊角度；

G——鋼筋籠自重。

鋼筋籠水平即起吊角度為0°時，豎向變形最大；起吊角度為45°時，豎向和水平向基本相等。鋼筋籠起吊至豎直狀態(tài)時，副吊撤出，只由主吊單獨起吊。在此狀態(tài)下，主吊吊點雖然設(shè)置在鋼筋籠兩側(cè)，但由于吊點高度不同，鋼筋籠在自重作用下會有一個偏心作用，因而會產(chǎn)生較大的水平變形。

由圖6（c）、（d）可知，無論豎向變形還是水平變形，均隨著加強桁架數(shù)量的增多而減?。划?dāng)加強桁架數(shù)量相同時，“X”形腹桿變形小于“/ ”形腹桿。從影響的程度來看，桁架數(shù)量上的影響沒有腹桿形式上的影響程度大，即增加1道縱向桁架的效果沒有將腹桿由“/ ”形改為“X”形的效果好。在圖形上表現(xiàn)為：方案1和方案2之間、方案3和方案4之間差異較小；而方案1和方案3之間、方案2和方案4之間差異較大。

由圖6（c）、（d）還可知，對于“X”形腹桿加強桁架，方案1為5道縱向桁架，橫向間距為0.9 m，方案2為4道縱向桁架，橫向間距為1.2 m。方案1和方案2隨桁架數(shù)量變形的差異較小，說明縱向桁架間距小于1.2 m后，桁架數(shù)量因素對鋼筋籠的加強效果已不明顯，該計算結(jié)果與常規(guī)吊裝經(jīng)驗中控制的最小鋼筋桁架間距1.2～1.5 m相吻合。

方案1～方案4鋼筋籠整體變形趨勢基本一致。為便于分析，以方案1為例，起吊過程中鋼筋籠變形呈向下鼓曲的狀態(tài)（圖7），其最大變形并非出現(xiàn)在設(shè)置吊點的縱向桁架位置處，而是出現(xiàn)在設(shè)置吊點的2榀縱向加強桁架之間。傳統(tǒng)計算方法只計算設(shè)置吊點的單榀桁架，其計算結(jié)果較實際偏小，不能反映整個吊裝過程中的動態(tài)變化，因此建立三維模型進行吊裝全過程的分析計算是必要的。

圖7 鋼筋籠起吊

5 實施情況

鋼筋籠除設(shè)置理論計算所需的整體縱、橫向加強桁架外，還需要設(shè)置局部的加強構(gòu)造來保證其整體剛度及關(guān)鍵節(jié)點強度，其主要措施如下：

1）在上下平面設(shè)置鋼筋作為剪刀撐以增加鋼筋籠整體剛度。

2）鋼筋籠第1根水平筋改為φ32 mm鋼筋，每一吊點位置處的水平筋改為φ32 mm鋼筋，副吊處上下二面用φ32 mm筋制作成“U”形進行上下電焊連接，主吊處的桁架需用“U”形筋進行封口，鋼筋籠水平筋與桁架鋼筋交叉點、吊點2 m范圍及鋼筋籠口處應(yīng)100%點焊，其他位置50%點焊，保證鋼筋籠在整個起吊過程中整體受力（圖8、圖9）。

圖8 吊點加強鋼筋

3）在鋼筋籠下籠過程中，主吊有一個吊點轉(zhuǎn)換的過程，需要設(shè)置臨時擱置點，施工中加強臨時擱置點位置鋼筋，采用φ32 mm鋼筋，擱置材料采用雙拼10#槽鋼（圖10）。

圖9 吊點加強放大示意

圖10 擱置點加強示意

6 結(jié)語

1）鋼筋籠吊裝過程中，合理布置吊點位置，采用主吊4個吊點、副吊8個吊點方案，配合鋼筋籠設(shè)置的擱置點進行吊點轉(zhuǎn)換，方便快捷，可滿足快速吊裝入槽的施工要求。

2）鋼筋籠在起吊過程中隨著起吊角度的增大，豎向變形呈減小的趨勢，水平變形呈增大的趨勢。當(dāng)?shù)跹b角度為45°時，豎向及水平向變形基本相等。

3）鋼筋籠吊裝過程中的變形隨縱向加強桁架間距的減小而減小，隨加強桁架數(shù)量的增大也呈減小趨勢。且當(dāng)縱向加強桁架間距小于1.2 m時，桁架鋼筋對鋼筋籠的整體加強作用不再顯著。

4）鋼筋加強桁架采用“X”形腹桿形式對鋼筋籠的加強效果優(yōu)于“/ ”形腹桿形式。

5）鋼筋籠吊裝過程中，傳統(tǒng)簡化計算方法僅計算單榀吊裝加強桁架，變形較實際計算結(jié)果偏小，且不能夠反映吊裝全過程的受力、變形狀態(tài)；對鋼筋籠在吊裝過程中采用三維模型進行全過程仿真計算分析，能夠反映真實的受力、變形狀態(tài)。