超深地下連續(xù)墻鋼筋籠吊裝過程的仿真研究

張紫月，丁克勝，邵強(qiáng)

（天津城建大學(xué)土木工程學(xué)院，天津 300384）

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速增長，高層建筑與日俱增，基礎(chǔ)埋深也隨之加大。尤其是在沿海軟土地區(qū)，高層建筑深基坑支護(hù)工程更是一項(xiàng)復(fù)雜工程[1]。地下連續(xù)墻作為支護(hù)、承重和防滲三合一的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，其優(yōu)越的性能，廣泛應(yīng)用于各種深度的基坑工程中。我國自從20世紀(jì)50年代末引進(jìn)地下連續(xù)墻技術(shù)，并在水庫工程中得到應(yīng)用，到如今推廣至建筑物的地下室、地鐵等項(xiàng)目，都取得了很好的效果[2]。

目前我國所施工的地下連續(xù)墻工程，最深的超過110m，其中在南水北調(diào)穿黃工程北岸豎井為76.6m，開挖深度達(dá)50.1m，上海市施工的最大深度為65m，在天津市施工的最大深度也達(dá)到了61m[3]。地連墻墻體的逐漸增大，使得鋼筋籠長度、重度也逐漸在加大。由于超深鋼筋籠剛度較小、較柔軟、易變形等特點(diǎn)，導(dǎo)致施工中吊裝入槽的變形控制，成為地下連續(xù)墻成功實(shí)施的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。因此，利用大型通用ABAQUS三維有限元軟件，以55m超長一字型地下連續(xù)墻鋼筋籠一次吊裝入槽的吊裝工程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，確定吊裝過程中籠體的最大撓度和應(yīng)力，可作為吊裝過程的設(shè)計(jì)與施工過程的吊裝參數(shù)和可靠依據(jù)，可為鋼筋籠的設(shè)計(jì)與施工全過程的吊裝參數(shù)選擇提供可靠依據(jù)。

1 地下連續(xù)墻鋼筋籠的型式

在地連墻施工中，根據(jù)墻體整體性和防水做法要求，其槽段可劃分成一字型、L字型和T字型，地連墻的鋼筋籠應(yīng)與其槽段形式相對(duì)應(yīng)，制作成一字型、L型和T型，其中的一字型占絕大多數(shù)。本文以深度55.0m、寬度6.0m、厚度1.0m的一字型截面鋼筋籠為研究對(duì)象，建立三維模型，對(duì)其在吊裝全過程中的整體變形和內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算分析。建模的其他參數(shù)是：鋼筋籠主筋和桁架采用HRB400級(jí)φ25mm，箍筋采用HRB235級(jí)φ20mm，且沿地連墻縱向每5m設(shè)置一道橫向桁架。除此之外，在吊點(diǎn)處加設(shè)了橫向桁架，用以保證在一次整體吊裝整體剛度的要求，如圖1所示。

2 吊點(diǎn)設(shè)置

在鋼筋籠吊放全過程中，吊點(diǎn)位置設(shè)計(jì)是鋼筋籠安全吊裝的關(guān)鍵。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）、《鋼筋混凝土地下連續(xù)墻施工技術(shù)規(guī)程》（DB29-103-2010），以《起重吊裝常用數(shù)據(jù)手冊》、《建筑施工計(jì)算手冊》為參考，和以往類似工程的成功經(jīng)驗(yàn), 本鋼筋籠的吊點(diǎn)位置設(shè)置見圖1。

圖1 鋼筋籠配筋型式

2.1 橫向吊點(diǎn)布置

由于鋼筋籠自重較大，約70t，故采用12個(gè)吊點(diǎn)起吊，即每一個(gè)斷面上設(shè)2個(gè)吊點(diǎn)，分別作用于1、5桁架上，使得鋼筋籠起吊時(shí)橫向均勻受力，既減少橫向撓度，又降低單個(gè)吊點(diǎn)的應(yīng)力，增加了安全系數(shù)。

2.2 縱向吊點(diǎn)布置

沿鋼筋籠長度方向，分別設(shè)于籠頂下方4.0m、16.0m、28.0m、36.0m、44.0m和52.0m的橫向桁架處。

3 ABAQUS模型分析和邊界條件

創(chuàng)建有限元模型，對(duì)整個(gè)鋼筋籠的受力狀況進(jìn)行模擬分析。吊裝過程中，鋼筋籠經(jīng)歷從水平到垂直的運(yùn)動(dòng)過程，為了研究此過程中變形和內(nèi)力變化情況，起吊后取籠體整體分別位于0°、30°和60°三個(gè)位置的工況進(jìn)行模擬分析[3]。

有限元模型中所有單元均采用兩節(jié)點(diǎn)的梁單元型式，截面是為直徑16mm、20mm、25mm的圓形實(shí)體。在模型中，整個(gè)鋼筋籠的自由約束點(diǎn)有12個(gè)，為了逼近實(shí)際現(xiàn)場吊裝的情況，內(nèi)邊界采用各單元之間為剛結(jié)形式，外邊界采用鉸接形式，即約束3個(gè)位移自由度Dx、Dy、Dz，釋放,3個(gè)角位移自由度Rx、Ry、Rz。

4 計(jì)算結(jié)果

鋼筋籠吊裝過程中的位移和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果顯示如圖2、3所示。

圖2 鋼筋籠撓度曲線圖

從上述兩幅曲線圖可以得出，無論是撓度還是應(yīng)力，吊裝的鋼筋籠在與水平位置的角度逐漸加大時(shí)，撓度和應(yīng)力都是減小的。即可得出水平位置對(duì)于鋼筋籠吊裝而言，是最危險(xiǎn)的位置，應(yīng)是吊裝過程控制的重點(diǎn)。

沿鋼筋籠縱向長度的最大撓度約在7.6m處，取其橫截面的撓度，得出曲線如圖4所示。沿鋼筋籠縱向長度的最大應(yīng)力約為10m處，取其橫截面應(yīng)力，得出圖5。

圖5 鋼筋籠橫向應(yīng)力曲線圖

從圖中可以看出，在鋼筋籠縱向長度最大位移處的橫截面，位移是呈現(xiàn)中間大，兩邊小的狀態(tài)；而在鋼筋籠縱向最大應(yīng)力處的橫截面，最大的應(yīng)力出現(xiàn)在了1和5的縱向桁架上。

綜合上述圖可知，鋼筋籠撓度的較大值均出現(xiàn)在吊點(diǎn)之間或者是在兩個(gè)橫向桁架的中間。通過比較，鋼筋籠的撓度最大值約為0.080m。結(jié)合地連墻規(guī)程的要求，墻面垂直度的允許偏差應(yīng)小于墻身的1/250，且墻面局部突出不應(yīng)大于100mm，ωmax= 0.08m＜[ω]=0.100m。因此，此55m的鋼筋籠數(shù)值計(jì)算分析的撓度最大值小于規(guī)范要求的臨界值。

從鋼筋籠的應(yīng)力變化曲線，可以觀察到比較大的應(yīng)力值出現(xiàn)在吊點(diǎn)或橫向桁架處，應(yīng)力值的變化范圍從1×106Pa至160×106Pa。對(duì)于HRB335的鋼筋而言，fy =300MPa，即鋼筋籠吊裝所產(chǎn)生的應(yīng)力最大值σmax=160×106Pa=160MPa< fy=300MPa。因此，鋼筋籠吊裝所承受的應(yīng)力值小于規(guī)范要求的臨界值，且有較高的安全度。

5 結(jié)語

本文通過ABAQUS軟件構(gòu)建有限元模型，對(duì)55m超深大型鋼筋籠一次吊裝過程進(jìn)行了理論上分析。根據(jù)籠體在吊裝中所產(chǎn)生的撓度和內(nèi)力，證明了在施工中的整體吊裝的方案有較高的可行性，同時(shí)確定了鋼筋籠在水平工況時(shí)為最危險(xiǎn)的狀態(tài)。因此，大型鋼筋籠的吊裝必須從變形和應(yīng)力兩方面入手，雙重控制，以確保工程的正常運(yùn)營。通過模擬分析，得到的有益結(jié)果，將對(duì)今后類似工程鋼筋籠整體起吊、運(yùn)輸和下放全過程的吊點(diǎn)設(shè)計(jì)、桁架排放、節(jié)點(diǎn)連接提供了理論指導(dǎo)，為今后修改相關(guān)規(guī)程提供了科學(xué)數(shù)據(jù)，為地連墻信息化施工提供了可靠的控制方法。

[1] 王來地，等.地基與基礎(chǔ)工程施工方案精選[M].北京：中國電力出版社，2007.

[2] 付國軍.探討高層建筑工程深基坑支護(hù)施工技術(shù)[J].工程施工，2012，11(1):72-73.

[3] 孫立寶.超深地下連續(xù)墻施工中若干問題探討[J].探礦工程：巖土鉆掘工程，2010，37(2):51-55.

[4] 方衛(wèi).GERP筋在超長地下連續(xù)墻鋼筋籠中的應(yīng)用及籠體吊裝施工的研究[J].建筑施工，2009，31(9):767-769.