超长异形钢筋笼吊装数值模拟分析及方案比选
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随着城市建设进程不断向前推进，交通拥堵问题日益显现并制约着城市进一步发展。地下轨道交通既节约城市用地，又能极大提高人们出行效率，有效缓解城市交通压力
地铁建设规模不断扩大，超深超大型地下连续墙的作业难度主要体现在成槽垂直度、钢筋笼吊装、接头防渗漏等方面
地下连续墙配筋设计时，一般考虑其在围护阶段的受力，忽略了吊装作业过程中的受力
本文通过有限元软件SAP2000对L形钢筋笼建立数值模型，分析了L形钢筋笼在从水平到竖直吊装过程中，不同工况下内力及竖向位移发展规律;讨论了有无纵向桁架、不同吊点布置等4种不同吊装方案下钢筋笼挠度、内力分布规律，比较确定最优方案，可为类似工程提供有益借鉴。
1 工程概况
南京市轨道交通7号线某车站位于南湖路与集庆门大街十字南侧，沿南湖路南北向敷设，全长169.0m，车站结构总宽度为19.7m，为地下2层岛式站台车站，单柱双跨箱形框架结构;围护结构采用800mm厚地下连续墙(不入岩)，墙底进入基坑底30m，地下连续墙钢筋笼分为一字笼、L形笼2种，尺寸如表1所示。
表1 钢筋笼参数
Table 1 Reinforcement cage parameters
本文选取具有代表性的SQ-1幅L形钢筋笼建立有限元模型，钢筋笼断面及配筋如图1所示。
图1 SQ-1幅钢筋笼横断面
Fig.1 Cross-sectional view of L-shaped reinforcement cage SQ-1
钢筋笼吊点位置是钢筋笼能否成功起吊的关键，吊点设置不当会导致挠曲过大;采用弯矩平衡法计算吊点位置，本工程中实际吊点布置如图2所示。
2 有限元模型
现场试验及分析表明，大尺寸整体焊接钢筋笼吊装的有限元分析能真实反映笼体受力变形，通过数值模拟分析具有可行性
利用有限元软件SAP2000建立钢筋笼模型;实际作业中，利用钢丝绳及卸扣等工具对笼体进行多点固定整体吊装，在建模时，对模型外边界采用铰接形式，即约束x,y,z 3个方向位移自由度，释放其角位移自由度。同时，为了得到钢筋笼整体特性，在模型中将吊绳去除，将吊点改为铰支座约束
3 L形钢筋笼吊装过程有限元模拟
选取典型断面(纵向断面7个，横向断面6个)分析L形笼各工况下内力及竖向位移分布特征。
3.1 竖向位移分析
纵、横向提取竖向位移，研究L形笼在吊装时从水平到竖直过程中5种工况下竖向位移变化特点(即笼体倾斜0°，30°，45°，60°，90°)。纵向取值间距为2m，取值位置为底层纵筋;横向取值间距为0.4m，取值位置为底层横筋;为了对比同一断面顶、底层钢筋竖向位移，若干断面同时取顶、底层钢筋竖向位移。
3.1.1 同一工况下不同断面竖向位移分析
限于篇幅，选取60°工况下纵、横向各典型断面竖向位移进行分析(见图3)。图3b中横坐标正方向表示模型中的z方向，负方向表示模型中的y方向。
横向上，同一断面挠度值呈对称分布;挠度曲线自对称轴在数值上表现为向两侧先减小再逐渐增大，在距对称轴0.5m处达到最小值。同一工况下，横向断面x=30 850mm挠度值明显大于其他断面，最大值为-40.47mm;其他横断面位移值较为接近，最大值为-18.58mm。纵向上，同一断面挠度曲线总体呈沿长度方向逐渐增大的趋势，局部上表现出在吊点附近先减小后增大的规律，并在吊点位置达到最小;z=1 430mm纵断面竖向位移值多次出现零值，原因在于该取值点为吊点所在断面顶层钢筋，吊点处约束了竖向位移。
3.1.2 同一断面不同工况下竖向位移分析
同一断面各工况下挠度曲线如图4所示。
横向上，同一断面各工况下挠度值表现为对称分布规律，工况挠度曲线均呈现自对称轴向两侧先减小后增大的规律，且在距离对称轴0.5m处达到最小;90°工况下，挠度曲线先同方向减小，后反方向增大，原因是90°工况时，钢筋笼处于竖直吊装状态，此时仅笼顶吊点受力，在L形笼体形状完全对称等因素影响下，导致钢筋笼产生轻微扭转变形。
Fig.3 Deflection curves of different longitudinal and transverse sections under 60°working condition
3.1.3 同一断面顶、底层钢筋竖向位移对比
为研究钢筋笼同一断面顶、底层钢筋在吊装过程中挠度变化规律及相互联系，在横、纵方向上各选取3个典型断面，获取相应的顶、底层挠度曲线如图5所示。
由图5可知，纵向上同一断面顶、底层钢筋表现出大体相同的分布规律:总体上沿钢筋笼长度方向挠度逐渐增大，局部表现为在吊点附近处先减小后增大的特征，并在吊点位置达到最小。同一纵断面顶、底层钢筋挠度值虽较为接近(这体现了钢筋笼变形协调)，但差值仍然不小(最大为16.7mm)，原因是顶、底层钢筋间未设置桁架筋以加强联系，笼体整体性差。
3.2 弯矩分析
3.2.1 不同工况下同一断面弯矩分析
对L形笼不同工况下同一断面弯矩变化规律进行分析，如图6所示。
由图6a可知，不同工况条件下同一纵断面弯矩曲线整体走势一致:自原点处沿笼体长度方向呈波浪形状变化，历经6次先减小后增大。在数值上，不同工况下同一纵断面弯矩曲线大小关系为30°>0°>45°>60°>90°;由此可见，在笼体与水平倾角为30°时，L形钢筋笼处于最大受力状态。在吊点位置及两侧，钢筋笼弯矩为负值，而在两吊点间，弯矩曲线有正值段。
由图6b可知，不同工况下同一横断面弯矩曲线大体呈对称分布，均为自对称轴向两侧逐渐增大，其数值大小关系为0°>30°>45°>60°>90°;且0°和30°工况弯矩值较为接近，均明显大于其他工况。
3.2.2 同一工况下不同断面弯矩分析
同一工况下不同断面弯矩变化规律如图7所示。
由图7a可知，同一工况下不同横断面弯矩曲线分布规律相同，都是对称分布;吊点所在断面弯矩数值比非吊点断面要大，但并没有显著大于非吊点断面，两种横断面弯矩值较接近。
此外，由图7b可知，y方向纵断面弯矩曲线沿长度方向表现出先向负方向增大后减小至零，然后向正方向先增大后减小的规律，受力状态上表现为先受压后受拉。z方向纵断面弯矩曲线沿L形笼长度方向发展规律与y方向相反，且在数值上比y方向大，原因在于y方向取值点在底层钢筋上，z方向取值点在布置有吊点的顶层钢筋上;吊装时受应力集中效应影响，z方向纵断面弯矩在数值上偏大，这也是图7b中z=1 430mm断面弯矩值远大于其他断面的原因。
Fig.5 Deflection curves of top and bottom steel bars of the same section under 60°working conditon
图7 同一工况下不同断面弯矩
Fig.7 Bending moment of different sections under the same working condition
3.2.3 同一断面顶、底层弯矩分析
同一断面顶、底层弯矩如图8所示。
由图8a可知，同一纵断面顶、底层钢筋弯矩沿笼长方向具有基本一致的变化趋势———先增大后减小到零，再反向增大后逐渐减小至零。总体上，顶、底层钢筋笼处于相反的受力状态，具体表现为在x=0～30m，顶层受压，底层受拉，钢筋笼向下变形，x≥30m，顶层转变为受拉状态，此时底层钢筋受拉，钢筋笼在此段内有轻微向上拱起。同时，y=1 670mm断面顶层钢筋因为设置有吊点，由于力集中，导致弯矩曲线在数值上明显大于其他断面，且吊点处为弯矩曲线极值点。
由图8b可知，同一横断面顶、底层钢筋弯矩曲线基本为轴对称分布，且顶、底层轴力方向相反，说明顶、底层钢筋整体性较好。同样的，吊点断面x=11 050mm顶层钢筋弯矩在数值上远大于其他断面。
4 不同吊装方案有限元分析
通过上节讨论得到了SQ-1幅L形钢筋笼在从水平到竖直吊装过程中，挠度、弯矩分布规律;但SQ-1幅L形笼的钢筋构成及吊点布置主要由施工经验确定，没有经严密理论计算表明是最优方案，因此在以SQ-1幅为方案1的基础上提出另外3种吊装方案。SQ-1幅无纵向桁架，且吊点设置在y和z方向自边缘往内侧第8列纵筋上，所以新提出的3种吊装方案如下。
图8 60°工况下同一断面顶、底层钢筋弯矩
Fig.8 Bending moment of top and bottom steel bars of the same section under 60°working condition
1)方案2无纵向桁架，吊点布置在y,z方向自边缘往内侧第7列纵筋上。
2)方案3有纵向桁架，吊点布置在y,z方向自边缘往内侧第8列纵筋上。
3)方案4有纵向桁架，吊点布置在y,z方向自边缘往内侧第7列纵筋上。
3种新方案吊点纵向位置及吊点数目均同方案1。对3种新方案建立有限元模型，分析其在从水平到竖直方向吊装过程中挠度分布规律，对比各方案最大挠度指标确定最优吊装方案。各方案不同工况下挠度曲线如图9所示。各方案不同工况下最大挠度值如表2所示。
表2 各方案不同工况下最大挠度值
Table 2 The maximum deflection of different schemes under different working conditions mm
由图9及表2可知，方案2～4均能明显减小各工况下L形钢筋笼最大挠度，增加纵向桁架和将吊点位置外移一列效果相近，但增加纵向桁架效果更佳。在考虑经济性的前提下，优化方案应选择方案2，即将吊点向外侧移动1列;若对于吊装安全性要求较高，则应选择方案4。
5 最优方案实施效果分析
本工程采用方案4进行L形钢筋笼加工制作、吊运入槽等施工。
5.1 钢筋笼加工制作
为便于进行钢筋笼预埋件安装、加固等作业，L形钢筋笼的加工制作需要在特制的钢筋笼加工平台上完成。
L形钢筋笼主体的制作严格按照先铺设迎土侧横筋，其次迎土侧纵筋、纵向桁架筋及开挖侧纵筋，最后开挖侧横筋的顺序进行。
L形钢筋笼一次整体制作加工成型，加工钢筋笼主体时预埋件、预埋管如声测管、注浆管的安装，必须按照规定的流程进行。
现场施工中，成槽作业与钢筋笼制作同时进行，经现场统计，完成1幅L形地下连续墙成槽作业用时较完成1幅L形钢筋笼制作用时短，即钢筋笼制作完成后可立即进行入槽作业。
5.2 钢筋笼吊装入槽
作业现场环境狭长，钢筋笼加工平台与地下连续墙槽段长度方向平行布置，故钢筋笼吊装行走路线如图10所示。
钢筋笼吊装前严格检查吊点处卸扣连接、钢丝绳磨损等，保证吊装安全。在完成上述检查后即可起吊。首先双机抬吊使钢筋笼离地并保持水平以检查钢筋笼焊接质量及钢筋笼是否存在过大变形;在确定钢筋笼焊接质量较好及无过大变形后，主副吊机配合调整钢筋笼姿态至钢筋笼竖直;卸除钢筋笼上副吊起吊点的吊具，副吊远离作业范围;主吊独立吊装钢筋笼入槽。
图1 0 钢筋笼吊装行走路线
Fig.10 Hoisting route of reinforcement cage
5.3 吊装过程安全性
本工程现场共进行4次L形钢筋笼吊装。采用上节方案4后，吊装过程钢筋笼变形很小，未发现焊点处脱焊、钢筋笼笼体扭曲等现象，吊装安全性较佳。现场施工实践表明，理论分析中具有安全性优势的方案4，在实际作业中也具备可行性。
6 结语
通过对南京市轨道交通7号线某车站地下连续墙L形钢筋笼吊装建立有限元模型，进行数值模拟分析，研究L形钢筋笼在从水平到竖直吊装过程中挠度及弯矩分布规律，在此基础上提出3种新的吊装方案并建模分析，对比各方案最大挠度值指标，据此确定最优方案，得到以下结论。
1)纵断面挠度沿笼长增加;横断面挠度曲线成对称分布，且大体上自对称轴向两侧逐渐增加。同一断面顶、底层钢筋挠度曲线变化基本一致，但仍存在较大差值。
2)弯矩具有如下分布规律:纵向，0～30m范围内和30m以外范围方向相反，数值上表现为先增大后减小至零，后在横坐标轴另一侧先从零增加到某个值再逐渐减小的规律。横向，弯矩均关于纵坐标轴对称分布向外逐渐增大。吊点位置附近应力集中效应明显，实际吊装时，吊点处必须进行加固，增加受力面，消除应力集中。
3)考虑经济性时，选择方案2，即将吊点向外侧移动1列;若对吊装安全性要求较高，方案4最优。
4)采用方案4吊装过程中无脱焊现象，无过大竖向变形，实施效果较佳。
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