大型地下連續(xù)墻鋼筋籠動(dòng)態(tài)吊裝過(guò)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(kāi)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(kāi)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?chē)h(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(guò)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(guò)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(lái)保證其吊裝過(guò)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(guò)大，材料浪費(fèi)不經(jīng)濟(jì)的情況。對(duì)于上述問(wèn)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(guò)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(wèn)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(guò)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(guò)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(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程動(dòng)態(tài)分析。鋼筋籠吊裝采用400 t吊車(chē)和280 t吊車(chē)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(jiàn)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(mǎn)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(jiàn)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(guò)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(jiàn)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(guò)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(guò)有限元計(jì)算得到的各工況下最大豎向位移見(jiàn)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(xiàn)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(guò)程中，其整體受力狀態(tài)逐漸從受彎過(guò)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(jiàn)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(shuō)明鋼筋籠吊裝過(guò)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(guò)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(xiàn)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(guò)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(jiàn)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(guò)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(jiàn)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)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(jiàn)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(guò)有限元計(jì)算得到的吊裝過(guò)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(mǎn)足壓桿穩(wěn)定驗(yàn)算的要求，表明鋼筋籠在吊裝過(guò)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(guò)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(guò)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(xiàn)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(guò)程中，其整體受力狀態(tài)逐漸從受彎過(guò)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(guò)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(chē)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(guò)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(guò)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(mǎn)足壓桿穩(wěn)定驗(yàn)算的要求，表明鋼筋籠在吊裝過(guò)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(guò)程的安全進(jìn)行，且具有較大的安全儲(chǔ)備。