超深地下連續墻鋼筋籠吊裝過程的仿真研究

張紫月，丁克勝，邵強

（天津城建大學土木工程學院，天津 300384）

引言

隨著我國經濟的高速增長，高層建筑與日俱增，基礎埋深也隨之加大。尤其是在沿海軟土地區，高層建筑深基坑支護工程更是一項復雜工程[1]。地下連續墻作為支護、承重和防滲三合一的深基坑支護結構，其優越的性能，廣泛應用于各種深度的基坑工程中。我國自從20世紀50年代末引進地下連續墻技術，并在水庫工程中得到應用，到如今推廣至建筑物的地下室、地鐵等項目，都取得了很好的效果[2]。

目前我國所施工的地下連續墻工程，最深的超過110m，其中在南水北調穿黃工程北岸豎井為76.6m，開挖深度達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，導致施工中吊裝入槽的變形控制，成為地下連續墻成功實施的一個關鍵點。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墻鋼筋籠一次吊裝入槽的吊裝工程進行數值模擬分析，確定吊裝過程中籠體的最大撓度和應力，可作為吊裝過程的設計與施工過程的吊裝參數和可靠依據，可為鋼筋籠的設計與施工全過程的吊裝參數選擇提供可靠依據。

1 地下連續墻鋼筋籠的型式

在地連墻施工中，根據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，地連墻的鋼筋籠應與其槽段形式相對應，制作成一字型、L型和T型，其中的一字型占絕大多數。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象，建立三維模型，對其在吊裝全過程中的整體變形和內力進行計算分析。建模的其他參數是：鋼筋籠主筋和桁架采用HRB400級φ25mm，箍筋采用HRB235級φ20mm，且沿地連墻縱向每5m設置一道橫向桁架。除此之外，在吊點處加設了橫向桁架，用以保證在一次整體吊裝整體剛度的要求，如圖1所示。

2 吊點設置

在鋼筋籠吊放全過程中，吊點位置設計是鋼筋籠安全吊裝的關鍵。根據《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）、《鋼筋混凝土地下連續墻施工技術規程》（DB29-103-2010），以《起重吊裝常用數據手冊》、《建筑施工計算手冊》為參考，和以往類似工程的成功經驗, 本鋼筋籠的吊點位置設置見圖1。

圖1 鋼筋籠配筋型式

2.1 橫向吊點布置

由于鋼筋籠自重較大，約70t，故采用12個吊點起吊，即每一個斷面上設2個吊點，分別作用于1、5桁架上，使得鋼筋籠起吊時橫向均勻受力，既減少橫向撓度，又降低單個吊點的應力，增加了安全系數。

2.2 縱向吊點布置

沿鋼筋籠長度方向，分別設于籠頂下方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

創建有限元模型，對整個鋼筋籠的受力狀況進行模擬分析。吊裝過程中，鋼筋籠經歷從水平到垂直的運動過程，為了研究此過程中變形和內力變化情況，起吊后取籠體整體分別位于0°、30°和60°三個位置的工況進行模擬分析[3]。

有限元模型中所有單元均采用兩節點的梁單元型式，截面是為直徑16mm、20mm、25mm的圓形實體。在模型中，整個鋼筋籠的自由約束點有12個，為了逼近實際現場吊裝的情況，內邊界采用各單元之間為剛結形式，外邊界采用鉸接形式，即約束3個位移自由度Dx、Dy、Dz，釋放,3個角位移自由度Rx、Ry、Rz。

4 計算結果

鋼筋籠吊裝過程中的位移和應力計算結果顯示如圖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，無論是撓度還是應力，吊裝的鋼筋籠在與水平位置的角度逐漸加大時，撓度和應力都是減小的。即可得出水平位置對于鋼筋籠吊裝而言，是最危險的位置，應是吊裝過程控制的重點。

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力約為10m處，取其橫截面應力，得出圖5。

圖5 鋼筋籠橫向應力曲線圖

從圖中可以看出，在鋼筋籠縱向長度最大位移處的橫截面，位移是呈現中間大，兩邊小的狀態；而在鋼筋籠縱向最大應力處的橫截面，最大的應力出現在了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在吊點之間或者是在兩個橫向桁架的中間。通過比較，鋼筋籠的撓度最大值約為0.080m。結合地連墻規程的要求，墻面垂直度的允許偏差應小于墻身的1/250，且墻面局部突出不應大于100mm，ωmax= 0.08m＜[ω]=0.100m。因此，此55m的鋼筋籠數值計算分析的撓度最大值小于規范要求的臨界值。

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

5 結語

本文通過ABAQUS軟件構建有限元模型，對55m超深大型鋼筋籠一次吊裝過程進行了理論上分析。根據籠體在吊裝中所產生的撓度和內力，證明了在施工中的整體吊裝的方案有較高的可行性，同時確定了鋼筋籠在水平工況時為最危險的狀態。因此，大型鋼筋籠的吊裝必須從變形和應力兩方面入手，雙重控制，以確保工程的正常運營。通過模擬分析，得到的有益結果，將對今后類似工程鋼筋籠整體起吊、運輸和下放全過程的吊點設計、桁架排放、節點連接提供了理論指導，為今后修改相關規程提供了科學數據，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施工技術[J].工程施工，2012，11(1):72-73.

[3] 孫立寶.超深地下連續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.GERP筋在超長地下連續墻鋼筋籠中的應用及籠體吊裝施工的研究[J].建筑施工，2009，31(9):767-769.