周建中 滿建政 湯 燁

中億豐建設(shè)集團(tuán)股份有限公司 江蘇 蘇州 215131

目前隨著人們生活水平的提高、工程技術(shù)的進(jìn)步以及社會(huì)的發(fā)展，建筑工程的體量越來(lái)越大，直觀表現(xiàn)為建筑的高度越來(lái)越高，地下空間開發(fā)的深度與廣度也不斷提高。另外，伴隨著城市人口的不斷增長(zhǎng)，隨之而來(lái)的是城市交通線路日益擁堵。為了解決這一問題，近年來(lái)各大城市加大了地下軌道交通工程的建設(shè)力度，對(duì)地下空間的開發(fā)需求也越來(lái)越多。在地下空間開發(fā)的過(guò)程中，基坑的深度與規(guī)模都很大，特別是在已有建筑物周邊進(jìn)行大型地下空間的開挖時(shí)，對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。

目前地下連續(xù)墻以剛度大、整體性好、位移控制效果好等優(yōu)勢(shì)，在超深基坑中通常作為主要的支護(hù)方案。由于基坑深度大，故單幅地下連續(xù)墻的鋼筋籠質(zhì)量大，鋼筋籠設(shè)計(jì)時(shí)的受力狀態(tài)與施工吊裝過(guò)程中的受力狀態(tài)不同，而鋼筋籠設(shè)計(jì)時(shí)，僅根據(jù)基坑支護(hù)過(guò)程中地下連續(xù)墻的受力進(jìn)行配筋計(jì)算，而未考慮鋼筋籠吊裝過(guò)程中受力[1]。當(dāng)鋼筋籠過(guò)長(zhǎng)或超重時(shí)，其吊裝難度也隨之增大。吊裝過(guò)程中，稍有偏差，就有可能導(dǎo)致入槽失敗、鋼筋籠變形、散架甚至整幅鋼筋籠報(bào)廢。因此，如何保證鋼筋籠吊裝過(guò)程的安全，是地下連續(xù)墻甚至基坑工程的關(guān)鍵。

為滿足吊裝過(guò)程中的變形要求，通常在鋼筋籠上布置縱橫方向的受力加強(qiáng)桁架和局部加強(qiáng)桁架來(lái)增加整體剛度。通過(guò)控制桁架鋼筋形式、吊點(diǎn)布置和吊裝角度等因素，保證鋼筋籠吊裝工程的順利完成。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)鋼筋籠的吊裝問題進(jìn)行了深入研究，王志華等[2]通過(guò)對(duì)超大型地下連續(xù)墻鋼筋籠吊裝吊裝角度的動(dòng)態(tài)模擬，確定了最不利工況，給鋼筋籠吊裝施工提供參考。楊寶珠等[3]采用有限元法研究了55 m超深長(zhǎng)“一”字形鋼筋籠的吊裝過(guò)程，從安全性和經(jīng)濟(jì)性的角度分析了桁架榀數(shù)量對(duì)鋼筋籠吊裝的影響，并給出了推薦方案。黃晨光等[4]以武漢綠地中心工程地下連續(xù)墻鋼筋籠吊裝工程為背景，從施工機(jī)械選擇、吊點(diǎn)設(shè)置等方面進(jìn)行研究，取得了良好的吊裝效果。目前對(duì)鋼筋籠吊裝過(guò)程的研究，大多從1～2個(gè)因素進(jìn)行分析，全面性有所欠缺。

本文采用3D3S軟件從吊點(diǎn)設(shè)置、吊裝角度、加強(qiáng)筋數(shù)量及腹桿形式等多角度、全方位對(duì)鋼筋籠吊裝進(jìn)行全過(guò)程對(duì)比計(jì)算與仿真分析。探討各因素對(duì)鋼筋籠吊裝過(guò)程的影響程度，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)實(shí)際項(xiàng)目的鋼筋籠吊裝方案進(jìn)行優(yōu)化，保證了鋼筋籠吊裝工程的順利完成，為同類鋼筋籠吊裝工程提供施工參考。

1 工程概況

蘇州新鴻基超高層項(xiàng)目位于蘇州工業(yè)園區(qū)翠園路北側(cè)，現(xiàn)代大道南側(cè)，星湖街西側(cè)，華池街東側(cè)?；用娣e約為19 211 m2，普遍區(qū)域基坑開挖深度為22.10 m，塔樓挖深為25.0～25.2 m?；铀闹車o(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻形式，地下連續(xù)墻厚1.0 m或1.2 m，墻深40～46 m。由于基坑距離南側(cè)地鐵1號(hào)線僅7.5 m，且地鐵已正常運(yùn)行，為最大限度地減小基坑開挖對(duì)地鐵的影響，保證地鐵的正常運(yùn)行，故在基坑南半?yún)^(qū)新增東西方向約170 m、南北方向2道約30 m的地下連續(xù)墻，進(jìn)行分坑施工。其中新增地下連續(xù)墻的鋼筋籠最重的一幅為37 t，地下連續(xù)墻鋼筋籠尺寸為38.9 m×6.0 m。

2 模型設(shè)計(jì)

鋼筋籠縱向加強(qiáng)桁架在吊裝過(guò)程中主要承受鋼筋籠自重并與橫向加強(qiáng)桁架共同起到增加整體剛度的作用，通常施工方案設(shè)計(jì)時(shí)為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假定該縱向桁架為在鋼筋籠自重產(chǎn)生的均布荷載下的單榀桁架進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果只能反映吊點(diǎn)所在縱向桁架位置處的變形，不能反映設(shè)置吊點(diǎn)的2榀縱向桁架范圍間的鋼筋籠實(shí)際變形趨勢(shì)及受力情況。因此，為了準(zhǔn)確反映鋼筋籠在吊裝過(guò)程中的變形、受力情況，需建立三維力學(xué)模型進(jìn)行吊裝全過(guò)程的計(jì)算?；诖四康?，本文采用3D3S結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行吊裝全過(guò)程的仿真計(jì)算分析。

為選擇受力合理的吊裝方案，首先要確定鋼筋籠的吊點(diǎn)位置，然后再確定縱向加強(qiáng)桁架的形式與數(shù)量，最后根據(jù)不同的組合加強(qiáng)方案，通過(guò)計(jì)算對(duì)比分析不同吊裝方案間的差異。

2.1 鋼筋籠縱向吊點(diǎn)布置

圖1 鋼筋籠縱向彎矩

為了讓鋼筋籠在吊裝過(guò)程中受力盡量均衡，在考慮施工方便的情況下吊點(diǎn)間距應(yīng)均勻布置。根據(jù)鋼筋籠質(zhì)量，并結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，沿鋼筋籠縱向設(shè)置6個(gè)吊點(diǎn)，其中主吊2個(gè)吊點(diǎn)，副吊4個(gè)吊點(diǎn)。假定鋼筋籠為一整體，將其視為一個(gè)實(shí)體梁，自身的質(zhì)量按照均布荷載考慮。根據(jù)多跨連續(xù)梁正負(fù)彎矩相等的原理，求得最合理的吊點(diǎn)位置（圖1）。載荷），故且2L1＋5L2=38.90，得L1=2.41 m，L2=6.80 m。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，將地下連續(xù)墻縱向按照以上計(jì)算間距設(shè)置2列吊點(diǎn)，每列6個(gè)，共12個(gè)吊點(diǎn)?？紤]到本工程地下連續(xù)墻是在周邊工程樁施工完成后進(jìn)行，工程樁與地下連續(xù)墻距離較小，無(wú)法用三軸攪拌樁進(jìn)行槽壁加固，要求地下連續(xù)墻必須快速成型，減小槽體坍塌的風(fēng)險(xiǎn)，故需要采用快速吊裝方案，保證地下連續(xù)墻快速順利入槽。

對(duì)主吊6吊點(diǎn)、副吊6吊點(diǎn)（方案1）和主吊4吊點(diǎn)、副吊8吊點(diǎn)（方案2）這2種方案進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)方案2在鋼筋籠吊點(diǎn)拆卸扣時(shí)，配合鋼筋籠設(shè)置的擱置點(diǎn)進(jìn)行吊點(diǎn)轉(zhuǎn)換，更加方便快捷，因此選方案2。

根據(jù)邊跨吊點(diǎn)負(fù)彎矩與第一跨內(nèi)正彎矩相等，建立力學(xué)關(guān)系如下：M＋=M－，即（q為均布

2.2 鋼筋籠吊點(diǎn)設(shè)置

根據(jù)上述計(jì)算吊點(diǎn)間距及方案設(shè)置，確定整體鋼筋籠起吊時(shí)吊點(diǎn)位置（圖2）。主吊設(shè)置4個(gè)吊點(diǎn)，副吊設(shè)置8個(gè)吊點(diǎn)，為方便施工，主吊吊點(diǎn)設(shè)置在鋼筋籠兩側(cè)。

圖2 鋼筋籠整體吊點(diǎn)位置

3 吊裝方案對(duì)比

為增加鋼筋籠的整體性，沿鋼筋籠縱、橫向均需設(shè)置加強(qiáng)桁架。鋼筋加強(qiáng)桁架由上下弦桿及腹桿構(gòu)成，其中腹桿可以選擇單斜腹桿“/ ”的形式或交叉斜腹桿“X”的形式（圖3）。由于鋼筋籠單幅寬度6 m，故縱向加強(qiáng)桁架可以設(shè)置4道或5道（圖4、圖5）。

圖3 加強(qiáng)桁架腹桿形式

圖4 4道縱向桁架平面布置

圖5 5道縱向桁架平面布置

根據(jù)腹桿形式及縱向鋼筋桁架的數(shù)量可以組合出4種不同的吊裝方案。為分析不同的加強(qiáng)方式對(duì)鋼筋籠吊裝過(guò)程的變形及受力影響，本文采用結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件3D3S對(duì)4種不同的加強(qiáng)方案進(jìn)行吊裝全過(guò)程的計(jì)算分析，并輸出了鋼筋籠起吊與地面呈0°、30°、45°、60°、90°夾角時(shí)的計(jì)算結(jié)果。

3.1 方案1

鋼筋籠縱向設(shè)置5道“X”形腹桿加強(qiáng)桁架，橫向向加強(qiáng)桁架設(shè)置在每個(gè)吊點(diǎn)處，并保證兩橫向加強(qiáng)桁架間距不大于5 m。計(jì)算表明起吊過(guò)程中鋼筋籠整體應(yīng)力水平很低，由變形控制（表1）。

表1 方案1起吊過(guò)程計(jì)算結(jié)果

3.2 方案2

鋼筋籠縱向設(shè)置4道“X”形腹桿加強(qiáng)桁架，橫向加強(qiáng)桁架設(shè)置同方案1（表2）。

表2 方案2起吊過(guò)程計(jì)算結(jié)果

3.3 方案3

鋼筋籠縱向設(shè)置5道“/ ”形腹桿加強(qiáng)桁架，橫向加強(qiáng)桁架設(shè)置同方案1（表3）。

表3 方案3起吊過(guò)程計(jì)算結(jié)果

3.4 方案4

鋼筋籠縱向設(shè)置4道“/ ”形腹桿加強(qiáng)桁架，橫向加強(qiáng)桁架設(shè)置同方案1（表4）。

表4 方案4起吊過(guò)程計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)果分析

鋼筋籠主要受自身重力作用，在起吊過(guò)程中隨著主吊的提升，鋼筋籠與地面的傾斜夾角不斷增大，在自重作用下產(chǎn)生向下鼓曲的變形，為便于分析，將該變形分解成與地面平行及垂直的變形分量，即水平變形及豎向變形（圖6）。

圖6 變形關(guān)系曲線

由圖6（a）、（b）可知，隨著起吊角度的不斷增加，豎向變形由大變小，水平變形由小變大；當(dāng)起吊角度與地面呈45°的時(shí)候，水平變形與豎向變形基本相等；水平變形在起吊角度為90°時(shí)達(dá)到最大，豎向變形在起吊角度為0°時(shí)達(dá)最大。由于鋼筋籠只受自身重力作用，故由力的分解可知：

式中：α——起吊角度；

G——鋼筋籠自重。

鋼筋籠水平即起吊角度為0°時(shí)，豎向變形最大；起吊角度為45°時(shí)，豎向和水平向基本相等。鋼筋籠起吊至豎直狀態(tài)時(shí)，副吊撤出，只由主吊單獨(dú)起吊。在此狀態(tài)下，主吊吊點(diǎn)雖然設(shè)置在鋼筋籠兩側(cè)，但由于吊點(diǎn)高度不同，鋼筋籠在自重作用下會(huì)有一個(gè)偏心作用，因而會(huì)產(chǎn)生較大的水平變形。

由圖6（c）、（d）可知，無(wú)論豎向變形還是水平變形，均隨著加強(qiáng)桁架數(shù)量的增多而減小；當(dāng)加強(qiáng)桁架數(shù)量相同時(shí)，“X”形腹桿變形小于“/ ”形腹桿。從影響的程度來(lái)看，桁架數(shù)量上的影響沒有腹桿形式上的影響程度大，即增加1道縱向桁架的效果沒有將腹桿由“/ ”形改為“X”形的效果好。在圖形上表現(xiàn)為：方案1和方案2之間、方案3和方案4之間差異較??；而方案1和方案3之間、方案2和方案4之間差異較大。

由圖6（c）、（d）還可知，對(duì)于“X”形腹桿加強(qiáng)桁架，方案1為5道縱向桁架，橫向間距為0.9 m，方案2為4道縱向桁架，橫向間距為1.2 m。方案1和方案2隨桁架數(shù)量變形的差異較小，說(shuō)明縱向桁架間距小于1.2 m后，桁架數(shù)量因素對(duì)鋼筋籠的加強(qiáng)效果已不明顯，該計(jì)算結(jié)果與常規(guī)吊裝經(jīng)驗(yàn)中控制的最小鋼筋桁架間距1.2～1.5 m相吻合。

方案1～方案4鋼筋籠整體變形趨勢(shì)基本一致。為便于分析，以方案1為例，起吊過(guò)程中鋼筋籠變形呈向下鼓曲的狀態(tài)（圖7），其最大變形并非出現(xiàn)在設(shè)置吊點(diǎn)的縱向桁架位置處，而是出現(xiàn)在設(shè)置吊點(diǎn)的2榀縱向加強(qiáng)桁架之間。傳統(tǒng)計(jì)算方法只計(jì)算設(shè)置吊點(diǎn)的單榀桁架，其計(jì)算結(jié)果較實(shí)際偏小，不能反映整個(gè)吊裝過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化，因此建立三維模型進(jìn)行吊裝全過(guò)程的分析計(jì)算是必要的。

圖7 鋼筋籠起吊

5 實(shí)施情況

鋼筋籠除設(shè)置理論計(jì)算所需的整體縱、橫向加強(qiáng)桁架外，還需要設(shè)置局部的加強(qiáng)構(gòu)造來(lái)保證其整體剛度及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，其主要措施如下：

1）在上下平面設(shè)置鋼筋作為剪刀撐以增加鋼筋籠整體剛度。

2）鋼筋籠第1根水平筋改為φ32 mm鋼筋，每一吊點(diǎn)位置處的水平筋改為φ32 mm鋼筋，副吊處上下二面用φ32 mm筋制作成“U”形進(jìn)行上下電焊連接，主吊處的桁架需用“U”形筋進(jìn)行封口，鋼筋籠水平筋與桁架鋼筋交叉點(diǎn)、吊點(diǎn)2 m范圍及鋼筋籠口處應(yīng)100%點(diǎn)焊，其他位置50%點(diǎn)焊，保證鋼筋籠在整個(gè)起吊過(guò)程中整體受力（圖8、圖9）。

圖8 吊點(diǎn)加強(qiáng)鋼筋

3）在鋼筋籠下籠過(guò)程中，主吊有一個(gè)吊點(diǎn)轉(zhuǎn)換的過(guò)程，需要設(shè)置臨時(shí)擱置點(diǎn)，施工中加強(qiáng)臨時(shí)擱置點(diǎn)位置鋼筋，采用φ32 mm鋼筋，擱置材料采用雙拼10#槽鋼（圖10）。

圖9 吊點(diǎn)加強(qiáng)放大示意

圖10 擱置點(diǎn)加強(qiáng)示意

6 結(jié)語(yǔ)

1）鋼筋籠吊裝過(guò)程中，合理布置吊點(diǎn)位置，采用主吊4個(gè)吊點(diǎn)、副吊8個(gè)吊點(diǎn)方案，配合鋼筋籠設(shè)置的擱置點(diǎn)進(jìn)行吊點(diǎn)轉(zhuǎn)換，方便快捷，可滿足快速吊裝入槽的施工要求。

2）鋼筋籠在起吊過(guò)程中隨著起吊角度的增大，豎向變形呈減小的趨勢(shì)，水平變形呈增大的趨勢(shì)。當(dāng)?shù)跹b角度為45°時(shí)，豎向及水平向變形基本相等。

3）鋼筋籠吊裝過(guò)程中的變形隨縱向加強(qiáng)桁架間距的減小而減小，隨加強(qiáng)桁架數(shù)量的增大也呈減小趨勢(shì)。且當(dāng)縱向加強(qiáng)桁架間距小于1.2 m時(shí)，桁架鋼筋對(duì)鋼筋籠的整體加強(qiáng)作用不再顯著。

4）鋼筋加強(qiáng)桁架采用“X”形腹桿形式對(duì)鋼筋籠的加強(qiáng)效果優(yōu)于“/ ”形腹桿形式。

5）鋼筋籠吊裝過(guò)程中，傳統(tǒng)簡(jiǎn)化計(jì)算方法僅計(jì)算單榀吊裝加強(qiáng)桁架，變形較實(shí)際計(jì)算結(jié)果偏小，且不能夠反映吊裝全過(guò)程的受力、變形狀態(tài)；對(duì)鋼筋籠在吊裝過(guò)程中采用三維模型進(jìn)行全過(guò)程仿真計(jì)算分析，能夠反映真實(shí)的受力、變形狀態(tài)。