复杂地层地铁施工大型钢筋笼吊装过程受力分析

d o i :10.3963/j .i s s n .1674-6066.2023.03.018复杂地层地铁施工大型钢筋笼吊装过程受力分析朱六兵1,连 杰2,刘宗羲3,刘旭强4,李炜明2,肖 当3
(1.广州地铁集团有限公司,广州510330;2武汉轻工大学土木工程与建筑学院,武汉430023;3.中铁建华南建设有限公司,广州510330;4.中铁二十二局集团轨道工程有限公司,北京100040
)摘 要: 结合地铁盾构地下连续墙钢筋笼吊装案例,
采用数值计算方法模拟了工程中钢筋笼吊装过程的受力状态,分析了钢筋笼水平㊁倾斜㊁竖向3种典型吊装工况下,吊装过程中的竖向变形㊁轴力㊁应力与应变的最大值与分布规律㊂计算表明水平吊装时竖向变形最大,位于最大吊装点间距的中部;轴力㊁应力与应变大于倾斜吊装的对应值,小于
竖向吊装的对应值;竖向吊装时变形较小,轴力㊁应力与应变为3种工况中最大㊂关键词: 地铁施工; 地下连续墙; 钢筋笼; 吊装; 数值模拟
M e c h a n i c a lA n a l y s i s o fR e i n f o r c e m e n tC a g eH o i s t i n g P r o c e s s i n M e t r oC o n s t r u c t i o n i nC o m p
l e xS t r a t a Z HUL i u -b i n g 1,L I A NJ i e 2,L I UZ o n g -x i 3,L I UX u -q i a n g 4,L IW e i -m i n g 2,X I A OD a n g 3(1.G u a n g z h o u M e t r oC o r p o r a t i o nL i m i t e d ,G u a n g z h o u510330,C h i n a ;2.S c h o o l o fC i v i l E n g i n e e r i n g a
n d A r c h i t e c t u r e ,W u h a nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y ,W u h a n430023,C h i n a ;3.C h i n aR a i l w a y C o n s t r u c t i o nS o u t h C h i n aC o r p o r a t i o nL i m i t e d ,G u a n g z h o u510330,C h i n a ;4.C h i n aR a i l w a y 22n dB u r e a uG r o u p R a i l E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o nL i m i t e d ,B e i j i n g 100040,C h i n a )A b s t r a c t : C o m b i n e dw i t h t h e c a s e o f r e i n f o r c e m e n t c a g eh o i s t i n g o fM e t r od i a p h r a g m w a l l ,t h e s t r e s s s t a t eo f r e i n -f o r c e m e n t c a g eh o i s t i n g i s s i m u l a t e db y n
u m e r i c a l c a l c u l a t i o nm e t h o d ,a n d t h em a x i m u mv a l u e a n dd i s t r i b u t i o n l a wo f v e r t i c a l d e f o r m a t i o n ,a x i a l f o r c e ,s t r e s s a n d s t r a i n i n t h e h o i s t i n g p r o c e s s a r e a n a l y z e d u n d e r t h r e e t y p i c a l h o i s t i n g c o n d i -t i o n s o f r e i n f o r c e m e n t c a g
e :h o r i z o n t a l ,i n c l i n e da n dv e r t i c a l .T h e c a l c u l a t i o ns h o w s t h a t t h ev e r t i c a l d e
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.T h ea x i a l f o r c e ,s t r e s s a n d s t r a i n a r e g r e a t e r t h a n t h e c o r r e s p o n d i n g v a l u e s o f i n c l i n e d l i f t i n g ,b u t s m a l l e r t h a n t h e c o r r e s p o n d i n g v a l u e s o f v e r t i c a l l i f t i n g .T h e d e f o r m a t i o n i s s m a l l d u r i n g v e r t i c a l l i f t i n g ,a n d t h e a x i a l f o r c e ,s t r e s s a n d s t r a i n a r e t h e l a r g e s t o f t h e t h r e ew o r k i n g c
o n d i t i o n s .K e y w o r d s : m e t r oc o n s t r u c t i o n ; u n d e r g r o u n dd i a p h r a g m w a l l ; r e i n f o r c i n g c a g e ; l i f t i n g ; n u m e r i c a l s i m u l a -t i o n 收稿日期:2022-12-16.作者简介:朱六兵(1976-),硕士,高级工程师.E -m a i l :6218000@q q
.c o m 1 研究现状
付兵等[1]通过对大型钢筋笼吊装进行研究,并编制计算机程序确定最优吊装方案,建立相应数学模型,
通过 网络法 及 遗传算法 优化吊点位置,最大程度降低最大弯矩峰值㊂毛伟琦[2]针对天池大桥主桥的主
拱圈预制吊装施工方法,介绍其吊装施工设计及施工工艺,揭示了目前全国最大箱形拱桥施工吊装流程,为
后续同类型施工提供经验㊂杨宝珠等[3]依托A B A Q U S 有限元软件建立天津文化中心交通工程施工过程中
超深地下连续墙钢筋笼三维模型,模拟不同工况下吊装并结合现场监测数据进行对比分析,得出吊装过程中
可能出现的问题为后续施工提供参考㊂黄晨光等[4]依托武汉绿地地下连续墙施工过程的钢筋笼吊装案例,
介绍了吊装过程中机械的选择㊁吊点确定等影响因素的确认,选取安全科学的吊装方法和吊装技术保证工程1
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顺利完成㊂周俊等[5]基于超深地下连续墙施工巨型钢筋笼采用吊装方式起吊过程,采用A B A Q U S有限元软件建立三维模型进行模拟分析,结果显示吊装可顺利进行,并根据吊装经验提出相应的技术为后续工程提供参考㊂王志华等[6]基于三维钢筋笼有限元模型分析吊装过程中3种不同角度工况进行模拟,并结合现场实验结果分析钢筋笼受力情况并确认其最不利吊装工况,优化吊装方案,提高吊装施工的安全㊂姚一辰等[7]建立有限元模型通过对比理论计算验证模型的正确性,并在此基础上讨论吊点等影响吊装的主要因素,分析最不利工况下叠合板受力情况㊂车广义等[8]依托呼市地铁1号线灌注桩超长钢筋笼制作与吊装技术,分析钢筋笼连接过程中影响施工进度因素及钢筋笼起吊过程中采用 四点吊装法 优化方案与传统吊装方案对比确保吊装施工安全㊂
2工程背景
广州某地铁线路,全线长61.3k m,为加快施工速度其施工采用分段㊁多点同时施工方式㊂由于2#风井中间地连墙钢筋笼由于具有较长㊁较重等特点,结合设计要求以及现场施工环境对 一 字型㊁ L 型钢筋笼采用整体吊装㊁一次入槽的方式施工,同时为保证钢筋笼在吊装过程中稳定采用麻绳拴住钢筋笼两侧㊂根据实际工况分析地连墙钢筋笼在吊装过程中最不利情况为长6.55m㊁宽1.06m㊁深37.5m钢筋笼,对此需对其进行吊装模拟验算㊂2#风井至2#风井中间地连墙钢筋笼由于具有较长㊁较重等特点,结合设计要求以及现场施工环境采用整体吊装的方式施工,吊装使用两台起重机分别为主260t吊机以及125t副吊机,其中吊装过程中钢筋笼有三种状态,其中包括两台起重机将钢筋笼平行吊起㊁钢筋笼距地面一定高度后主吊机进行抬升副吊机保持不变将钢筋笼进行旋转以及钢筋笼经过主吊机旋转成垂直后撤除副吊机三个工况,三种工况下钢筋笼在自重应力作用下产生变形㊁应力及应变等㊂
三种不同形式吊装方式下参数如表1所示,吊装过程中钢筋笼尺寸未发生变化,主㊁副吊各自承受钢筋笼自重比例随钢筋笼与地面夹角变化而变化㊂
表1钢筋笼吊装参数表
钢筋笼吊装方式主吊承受自重比例/%副吊承受自重比例/%笼头宽度/m钢筋笼宽度/m角度/(ʎ)
钢筋笼平吊5050钢筋笼倾斜提升4060钢筋笼垂直吊10003.656.55
60
90
3数值模拟
钢筋笼模型选用现场最不利位置处,其尺寸为6.55m(长)ˑ1.06m(宽)ˑ37.5m(高)㊂钢筋笼上部存在0.75m的搭接钢筋,上下存在截断钢筋,其中h1㊁h3(即钢筋笼上部基坑内外侧处钢筋截断长度)为2.5m,h2㊁h4(钢筋下部基坑内外侧处钢筋截断长度)为0.5m㊂钢筋笼沿长度方向间隔0.15m布置一道竖向钢筋,竖向钢筋采用ϕ32钢筋,其长度由于截断长度存在故分为37.5m与34.5m两种交替布置;钢筋笼沿高度方向自搭接钢筋底部起,间隔0.2m布置一道水平钢筋,水平钢筋采用ϕ22的环向钢筋,沿钢筋分布将内部钢筋包裹㊂水平及竖向桁架筋位置则由吊点所决定,根据实际计算以及现场调整后其竖线桁架沿长度方向分布为1.175m㊁1.2m㊁1.8m㊁1.2m㊁1.175m,沿高度方向自上而下分布则为1.2m㊁13m㊁10m㊁10m㊁3.3m,桁架筋选用ϕ28的弯起钢筋,弯起角度为45ʎ㊂除
以上钢筋外,钢筋笼内部还存在拉筋,拉筋则采用ϕ12的两头带
拉钩的钢筋,将上下两层钢筋网片固定在一起,同时拉筋在钢筋
笼内采用等距正方形分布,上下㊁左右之间间隔采用0.6m㊂
如图1所示,模型采用B e a m188单元模拟钢筋笼㊂采用
B e a m单元的好处可以通过设置截面形状更真实模拟钢筋笼,由
于梁条数较多,多钢筋相交的情况采用同一结点的方式代替㊂本
着结点出发线不交叉的原则,同时划分完网格后共计产生33459
个单元和16400个结点㊂模型为三维梁单元,其x方向为钢筋
笼宽度方向,y轴为钢筋笼高度方向,z轴为钢筋笼长度方向㊂
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4典型工况
4.1钢筋笼平吊工况
钢筋笼选取吊装过程中钢筋笼平吊阶段,此阶段钢筋笼在自
重下采用四排16个吊点共同约束,即可将吊点处约束简化为结
点约束,将钢筋网片吊点处上下节点同时全部约束,对钢筋笼施
加自重荷载,钢筋笼在自重荷载作用下产生变形与应力等参数㊂
现场钢筋笼平吊如图2所示㊂
4.1.1钢筋笼整体竖向变形
钢筋笼在自重荷载作用下沿自重应力方向会产生较大变形,
同时沿z轴方向吊点间距分布存在差异,故吊点间钢筋笼竖向位
移沉降值也不同㊂图3钢筋笼竖向位移云图中,其最大沉降值出
现在吊点间间距中部,其沉降最大值为2.15mm㊂钢筋笼由于两端存在截断钢筋,钢筋分布密度减小,吊点处结点另一侧钢筋会存在较小程度上翘,最大上翘值为0.11mm㊂
4.1.2轴线竖筋竖向位移
整体钢筋笼竖向位移云图表现出钢筋笼整体变形趋势,对于钢筋笼中不同钢筋的变形无法具体展现,同时横向钢筋变形没较大区别,故选取钢筋笼轴线上网片处竖向钢筋进行分析,其竖向变形云图如图4所示,其中黑色线条为钢筋变形前,弧线为自重应力下钢筋变形形状,钢筋变形呈现出抛物线形状㊂由于吊点分布在轴线两侧处,轴线上不存在吊点,故整体呈现出沿原钢筋向下变形,其中最小变形出现在几处吊点附近,其最小值为0.11mm,最大竖向变形出现在两个吊点最大间距中间处,最大竖向变形值为2.06mm㊂
4.1.3轴线竖筋应力
钢筋模型为梁单元,通过定义节点顺序号可以提取梁单元求解完成后单元解,图5为提取轴线处竖向钢筋的轴力㊁轴向应力以及轴向应变㊂从图5中可以看出,竖向钢筋为了方便网格划分被分割成很多小段同时云图显示也变成很多矩形连接在一起,自钢筋自由段至吊点段中间区域不存在轴力;在吊点-吊点段中间区域,随着结点不断远离吊点区域,其轴力先增大后不断减小,直至两个吊点区域中点处,轴力达到负向最大,结点通过中间点后开始增大㊂正向最大轴力为887.74N,其出现在中间两排吊点区域;负向最大轴力出
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现在第一排吊点与第二排吊点中间区域,其负向最大值为-910.43N ㊂轴向应力云图趋势与轴力云图趋势
一致,两者最值所在位置一致大小存在差异,正向轴向应力最大值1.10M P a
,负向轴向应力最大值为-1.13M P a ㊂4.2
钢筋笼倾斜提升工况如图6所示,钢筋笼在距地面一定高度后,由主起重机缓慢
提升将钢筋笼进行提升,由于副起重机保持不变,即一端固定一
端提起将钢筋笼旋转至竖直方向,由于旋转过程中随旋转角度
变化,钢筋笼变形也随之变化,故选取其提升与地面夹角为60ʎ处作为典型进行分析㊂
4.2.1 钢筋笼倾斜提升段整体竖向变形
钢筋笼旋转至与地面夹角为60ʎ时,钢筋在自重应力下产生变形,其中主要变形集中在吊点中间,除吊点外均产生向下竖向
变形㊂最大竖向位移出现在主吊机跨中区域,其竖向最大位移
值为0.55mm ㊂4.2.2 轴线竖筋竖向位移
钢筋笼中轴线上网片竖向钢筋在自重作用下,竖直向下与钢筋笼之间存在夹角,故钢筋变形呈现出类似
抛物线形状㊂钢筋笼吊点所在区域处竖向位移值接近0,最大变形值为0.53mm ㊂4.2.3 竖筋倾斜提升应力
钢筋笼在倾斜提升阶段自上而下任意相邻两排吊点间,云图呈抛物线形状先增大而后不断减小,在两排吊点中间处达到负向最大值,后不断增大直至第二排吊点处达到正向最大值㊂正向最大轴力为417.93N ,其出现在自上而下前两排吊点中间区域;负向最大轴力出现在第二排㊁第三排吊点区域处,其负向最大值为
-517.30N ㊂轴向应力云图趋势与轴力云图趋势一致,两者最值所在位置一致大小存在差异,正向轴向应力最大值为0.52M P a ,负向轴向应力最大值为-0.64M P a ㊂4.3
钢筋笼垂直吊装工况
如图7所示,钢筋笼在主㊁副吊机共同操作下将钢筋笼旋转至竖向,待钢
筋笼竖向后撤除副吊机,通过主吊机进行运输以及安放至地连墙处㊂钢筋笼
由主吊机垂直吊装及运输过程中,吊点由四排缩减为两排,吊点位置保持不
变,同时由于钢筋笼为竖向,自重应力所产生的变形较小,吊点处应力较大㊂
4.3.1 钢筋笼垂直吊装段整体竖向变形
钢筋笼旋转至垂直方向时,钢筋在自重应力下产生细微变形,其中主要
变形集中在吊点附近处,同时吊点减少,吊点处钢筋在承受整个模型自重变
形较大㊂其模型侧边竖向位移在自重应力作用下该工况除吊点外,模型整体
呈现向下的变形㊂其中最大正向变形出现在吊点处,最大正向变形值为0.007mm ,最大负向位移出现在钢筋笼底部,最大负向变形值为0.13mm ㊂4.3.2 轴线竖垂直吊装筋竖向位移
轴线上竖向钢筋在垂直吊装下未产生较大变形,经过自重应力作用下竖向钢筋整体向下变形㊂轴线处
竖向位移均与坐标轴方向相反即向下变形,其最小变形发生在第一排吊点处,最小竖向位移值为0.02mm ,
最大竖向位移出现在钢筋底部,最大竖向位移值为0.13mm ㊂4.3.3 竖筋垂直吊装应力
竖筋沿钢筋方向自上而下轴力㊁轴向应力㊁轴线应变三者云图形状一致,钢筋两端㊁自由端,上述三者力及应变基本为0,同时在吊点区域处力与应变同样为0,两排吊点中间区域三者呈现抛物线形式先增大,后不断减小直至在第二排吊点处时减小为0,经过第二排吊点后仍保持一段距离的减小后开始增大,增大至最大值后开始减小直至钢筋自由端处消失㊂正向最大轴力为1147.77N ,其出现在竖向钢筋中间区域;负向最大轴力出现在第二排吊点下端区域处,其负向最大值为-23.66N ㊂轴向应力云图趋势与轴力云图趋势一致,两者最值所在位置一致大小存在差异,正向轴向应力最大值1.43M P a ,负向轴向应力最大值为47建材世界 2023年 第44卷 第3期Copyright ©博看网. All Rights Reserved.
-0.29M P a ㊂轴向应变云图趋势与轴力云图趋势一致,两者最值所在位置一致大小存在差异㊂5 结 论a .该工程52t 钢筋笼在水平㊁
倾斜㊁竖向3种典型吊装工况下,水平吊装时轴力㊁应力与应变小于竖向吊装的对应值,大于倾斜吊装的对应值㊂此时,竖向变形最大;竖向吊装时轴力㊁应力与应变为3种工况中最大,变形较小㊂
b .三种吊装工况下,随钢筋笼吊装角度的变化,其在重力作用下竖向的变形随钢筋笼与地面夹角增大而减小,且最大竖向位移所出现位置随吊装角度变化而不断向下移动㊂轴力㊁轴向应力㊁轴线应变三者云图形状一致且随吊装工况变化,吊点间变化趋势呈现出两自由端为0,中间变化为类二次曲线形式㊂由于吊装形式不同,吊点处值也不同㊂
c .结果基于有限元模拟计算,有限元计算不考虑现场可能遇到的突发情况以及由于各种操作不当等所产生的问题,现场在实际操作时需要按照图纸保证钢筋的完整性㊂该文分析可为类似地铁施工工程构件的力学状态分析提供参考㊂
参考文献
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[6] 王志华,魏林春,王善谣,等.超大型地下连续墙钢筋笼吊装过程动态数值模拟和现场试验研究[J ].施工技术,2016,
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