地下连续墙钢筋笼吊装仿真及优化

地下连续墙钢筋笼吊装仿真及优化

1、引言

随着我国城市化的推进及满足国民对公共交通的需求，很多城市都在

建设地铁，地铁车站大都采用明挖法施工，地下连续墙是众多支护中

应用最广泛的基坑维护结构。从1863年世界最早的伦敦地铁开通以来，地铁已经在近100个城市运行，目前，北京、上海地铁通车运营里程

已达500公里以上，同时我们有20多个城市正在或者申请修建地下铁

道解决城市交通问题，我国目前处在地铁工程开发的高潮，因而对这

类工程的地下结构施工提出了更高的要求。

地下连续墙钢筋笼的传统设计通常不考虑其在吊装施工过程中的受力[1]、[2]。施工分析采用附加加固钢筋组成的纵向、横向钢筋桁架作

为支撑结构保证钢筋笼吊装过程中的整体刚度和几何稳定性。但是，

这种方法缺乏理论计算，容易造成事故或者材料浪费。鉴如此，赵兴

波等［3］进行了地下连续墙钢筋笼吊装方案研究，分析了钢笼刚度和

吊点位置；杨宝珠等［4］利用Abaqus软件对钢筋笼吊装过程进行模拟，为相关工程提供了参考依据。同济大学朱大宇［5］对整个GFRP

筋笼吊装过程进行了有限元建模分析。Xin Wang等[6]应用Ansys对大跨度钢结构吊装吊点进行了优化分析；S Rajasekaran[7]对海洋平台

吊装进行了吊点位置优化分析。

传统有限元方法模拟吊装需要应用刚体方法获得不同位置时每根绳索

的力，再把这些力施加到钢筋笼上，对钢筋笼每个独立位置进行有限

元分析。本文应用有限元分析软件Abaqus[8]对钢筋笼进行数值模拟，利用Abaqus的Slip Ring单元对滑轮的运动进行模拟，避免了传统方

法由于钢筋笼自身变形带来的误差，特别是对于像GFRP筋笼此类大变

形结构如果采用传统方法会有很大误差。另外本文还应用多学科多目

标优化软件Isight[9]对地下连续墙钢筋笼吊点位置进行优化。

2、钢筋笼有限元模型

2.1 有限元模型

本文以图1所示某地下连续墙钢筋笼吊装为工程背景，该地下连续墙钢筋笼长45.8米，宽6米，厚0.86米。

图1 钢筋笼吊装示意图

分析采用Abaqus三维有限元分析软件，地下连续墙钢筋笼有限元模型所有单元模型采用B31梁单元和S3R壳单元模拟，吊装结构还包含8条绳索和8个滑轮，绳索应用只抗拉，不抗压和弯的索单元模拟，而滑轮利用Abaqus的SlipRing连接单元模拟，该单元很好模拟滑轮的力学特性。

2.2 Slip Ring单元描述

图2 Slip Ring滑轮连接单元

3、工况及结果

分别计算地下连续墙钢筋笼两种工况：重力作用和主吊提升10m。

3.1 重力作用

约束滑轮1、2、5、6中心点，施加重力加速度，达到平衡后绳索的变形情况如图3所示，钢筋笼的垂直变形5.6cm。

图3 平衡后绳索的变形