基于有限元分析的超长桩钢筋笼吊装施工技术.pdf

建筑施工第4 5 卷第8 期1691-SCIENTIFRESEARCH究科研学基于有限元分析的超长桩钢筋笼吊装施工技术高博中铁电气化局集团北京建筑工程有限公司北京100036摘要：目前国内外对于超长钻孔灌注桩钢筋笼吊点设置的合理性缺乏理论支持，施工现场多数靠施工经验判断吊点的位置，虽然钢筋笼允许产生弹性变形，但吊点设置不合理易引发钢筋笼变形过大、散架解体，对桩钢筋笼吊装安全性影响大。因此需要借助Midas有限元软件对钢筋笼从水平起吊至竖向入孔的过程进行分析，通过不同的吊点设置方案，找出钢筋笼应力集中区域和变形最大位置，总结出吊点设置的规律，为类似工程指导施工提供借鉴。关键词：Midas；钢筋笼；吊点设置；挠度；应力中图分类号：TU753文献标志码：A文章编号：1 0 0 4-1 0 0 1(2 0 2 3)0 8-1 6 9 1-0 4DOl:10.14144/ki.jzsg.2023.08.055Construction Technology for Hoisting Reinforcement Cagesof ExtraLongPilesBasedonFiniteElementAnalysisGAOBoChina Railway Electrification Engineering Group Beijing Construction Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100036,ChinaAbstract:At present,there is a lack of theoretical support at home and abroad for the rationality of the hoisting point settingfor the reinforcement cage of ultra long bored piles.Most construction sites rely on construction experience to determinethe position of the hoisting points.Although the reinforcement cage allows for elastic deformation,improper lifting pointssetting can easily lead to excessive deformation and disassembly of the reinforcement cage,which has a significant impacton the safety of pile reinforcement cage hoisting.Therefore,using Midas finite element software,the process of lifting thereinforcement cage from horizontal to vertical into the hole is analyzed.Through different lifting point setting schemes,thestress concentration area and the maximum deformation position of the reinforcement cage are found out,and the rules oflfting point setting are summarized,which can provides reference for similar projects to guide construction.Keywords:Midas;reinforcement cage;hoisting points setting;deflection;stress随着城市建设规模的不断扩大，超长超大型钻孔灌注桩基础应用越来越多，桩钢筋笼吊装安全性成为施工管控的重点。施工现场进行钢筋笼吊装时，一般靠施工队伍经验来估计吊点的设置位置和采用加强筋对钢筋笼进行加固，施工规范并未给出桩钢筋笼吊装相关的计算公式，市面上常见的施工计算软件也并未提及钢筋笼相关的计算，因此钢筋笼吊点如何设置、应力集中区域如何加固等关键点，均无可参考的依据本文结合具体项目，采用Midas有限元软件，对桩钢筋笼建立数值模型，模拟桩钢筋笼水平到竖直吊装过程的受力情况，选取典型的吊装工况对其吊装过程的应力、挠度进行分析，找出分布规律，确定最优的吊装方案，可为类似工程提供借鉴。作者简介：高博（1 9 8 4 一），男，本科，高级工程师。通信地址：北京市丰台区靛厂路甲1 2 1 号（1 0 0 0 3 9）。电子邮箱：3 7 2 9 1 3 7 3 4 收稿日期：2 0 2 3-0 5-1 81工程概况北京市轨道交通平西府车辆大修厂项目北京市昌平区，占地2 1 7 3 5 0 m，总建筑面积1 0 3 7 4 7 m。大修厂由部件检测间、立体仓库等1 8 个建筑单体组成，平面布置见图1。其中，立体仓库、部件检测间基础形式均为桩承台，钻孔灌注桩桩径8 0 0 mm，保护层5 0 mm，桩长3 6 m，共计1200根，桩钢筋笼配筋断面见图2。部件检测间立体仓库图1大修厂总平面示意2重难点分析1）国内外对桩钢筋笼吊装过程的弯矩、应力、挠度等受力分析没有相关的规范，缺乏足够的理论支持，国内外仅有的理论分析仅是将钢筋笼等效成多跨连续梁结构进行169220238Building Construction高博：基于有限元分析的超长桩钢筋笼吊装施工技术70008100/200主筋1 6 0 2 5螺旋箍底部8 m，主筋1 2 e25自桩顶起：0 1 6 2 m焊接加劲箍筋图2桩钢筋笼配筋断面简单的受力分析，桩钢筋笼在吊装过程中，吊点处受力可以简化为弹性支座，吊点位置有一定的变形存在，因此钢筋笼吊装过程中在吊点处存在内力重分布。如何为桩钢筋笼吊点设置提供理论支撑，是需要解决的难点。2）施工现场仅凭经验来确定钢筋笼吊点位置，吊装过程可能出现因钢筋笼挠度过大、变形、扭曲、解体散架，吊装过程的安全风险大。为解决上述问题，本文应用有限元分析软件Midas对桩钢筋笼建立数值模型，模拟其真实受力情况，分析钢筋笼水平起吊工况，和与地面成一定角度工况下的内力、挠度分布规律，确定最优方案，可用于指导现场桩钢筋笼吊装施工。3关键施工技术3.1传统的钢筋笼受力分析3.1.1简化受力模型桩钢筋笼计算模简化为多跨连续梁。先将桩钢筋笼主筋根数和截面积等效成薄壁圆环，在此基础上验算其应力、挠度是否满足要求。以3 6 m长桩钢筋笼为例进行分析，等效计算模型见图3。700圆环36000壁厚9图3等效计算模型3.1.2吊点设置情况吊点设置情况见图4。16汽车吊50t履带吊副钩50t履带吊主钩400080006000900080001:0Q036000图4吊点设置3.1.3受力验算钢筋笼弯矩见图5。1）变形计算：钢筋笼最大挠度为0.9 2 mmL/250=q=1.72 kN/mE4000A80006000C90008000100036000M1M4ABCDE4000&00Q660C30001000M2M3图5钢筋笼弯矩36mm，满足要求。2）应力计算：钢筋笼吊点位置最大应力为2 1 MPa310MPa，满足要求。3.1.4 结论经过上述计算发现，将桩钢筋笼等效成薄壁圆环，按多跨连续梁进行受力计算得出的跨中挠度仅为0.9 2 mm，实际吊装过程中钢筋笼跨中变形较大，与实际工况不符，不能真实反映钢筋笼吊装过程中实际的受力情况，判断其对现场施工没有指导意义。3.2有限元分析法3.2.1计算原理1）对钢筋笼吊点位置进行合理简化。将钢筋笼各吊点的约束简化为一种弹性约束，而不是多跨连续梁支座约束，在吊装过程中这些约束部位会产生支座滑移，导致钢筋笼内力和变形出现重新分布。2）采用有限元软件Midas对吊装过程进行分析。利用有限元软件Midas对桩钢筋笼建立三维模型，赋予材料属性，选取吊点间距大的跨中为典型断面，分析钢筋笼从水平起吊、钢筋笼与地面成3 0 夹角等不同工况下钢筋笼的弯矩、应力、挠度变化情况及发展规律，找出分布规律，从而确定钢筋笼最为合理的吊点位置。3）结合现场对比分析，优化吊装方案。针对有限元分析得出的钢筋笼吊点位置，结合具体工程进行验证，通过在现场查看实际吊装过程产生的变形情况，来确定有限元建模分析模型是否能真实反映钢筋笼吊装过程的受力情况。钢筋笼吊点分布考虑以下2 种工况，分别计算吊点位置处最大应力和跨中最大挠度。3.2.2吊装方案1各吊点之间的间距尽量均分，最大吊点间距与端部悬挑的长度约为2：1，保证钢筋笼各个吊点受力均衡，使其跨中最大挠度和吊点处应力均较小。吊装过程模拟钢筋笼各工况下的真实受力情况，限于篇幅，仅选取在水平起吊和与地面成3 0 夹角的工况进行分析。1）工况1：水平起吊工况，吊点设置情况见图6。从有限元软件建模分析可见，钢筋笼吊装最大挠度出现在5 0 t履带吊9 m跨中（图7 中红色区域），Wmax=建筑施工第4 5 卷第8 期1693高博：基于有限元分析的超长桩钢筋笼吊装施工技术16汽车吊50t履带吊副钩50t履带吊主钩40008000600090008000100036000图6吊点设置19.34mmL/250=36mm，满足要求；钢筋笼吊装最大应力出现在主吊车吊点1 m范围内，最大应力值为4 3.6 MPa(图8）。EANSTREESL3402027000-010000000Y0352401874-013.517-000.000000-004217-01图7挠度分布图8应力分布2）工况2：桩钢筋笼与地面成3 0 夹角，吊装情况见图9。50t履带吊主钩50t履带吊副钩1000百800016汽车吊9000600036:00080004000图9桩钢筋笼与地面成3 0 买夹角下的吊装情况由图1 0 挠度分布图可见，钢筋笼吊装最大变形出现在50t履带吊9 m跨中（图中红色区域），最大变形为1 2.5 mmL/250=36mm，满足要求；由图1 1 应力分布图可见，钢筋笼吊装最大应力出现在5 0 t履带吊吊点1 m范围内（图中红框范围），最大应力为3 2 7 MPa。POST.PROCESSORmidadenPOSTPOCESSOBBAMSTRESSDISALACEMENT3.273444021.255350401270045+02L14123012.12740-021027104010.129810400$81408017.9001040044300168470.000000-00-7.3758401456-L31056+02-1883550+02224565844021L341230-3029550-02图1 0挠度分布图1 1应力分布3.2.3吊装方案2调整钢筋笼吊点间距，吊点间的跨度加大，吊点与吊点间的距离减小。限于篇幅，仅选取水平起吊工况进行分析。吊点设置情况见图1 2。16汽车吊50t履带吊副钩50t履带吊主钩4000100004000120005000100036000图1 2吊点设置从图1 3 挠度分布图分析可见，钢筋笼吊装最大变形出现在5 0 t履带吊1 2 m跨中（图中红色区域），最大变形为35.3mmL/250=48mm，满足要求；从图1 4 应力分布图分析可见，钢筋笼吊装最大应力出现在主吊车吊点1 m范围内，最大应力值为6 4 1 MPa，从上述应力分布图可知，吊点处1 m范围为应力集中区域，此区域应力值均较大，需进行加强处理。3.53403401STRE321270+01239:464+01641532.570210+012.2493401257741e1021.92550+01L831481.606304+0112851D010.000000-009.438220-002756.43552e-00321276图1 3挠度分布图1 4应力分布3.2.4结论通过采用有限元软件Midas对钢筋笼吊装过程中典型的吊装工况进行分析，发现钢筋笼变形情况与施工现场实际吊装过程的变形基本一致，因此采用有限元软件模拟吊装过程的方法是可行的。由以上可知，吊点方案1 中各跨均匀布置的吊点设置更为合理，吊点应力和跨中挠度均较小。最大变形出现在主吊车最大跨跨中位置，最大应力出现在主吊车吊点1 m范围内。相同吊点设置下，水平起吊工况下的钢筋笼跨中变形最大，3 0 吊装工况下吊点处应力更大。随着吊点间距的加大，跨中变形随之变大。总结得出钢筋笼吊点设置结论和优化意见如下：1）吊绳与钢筋笼的夹角最优方案。吊装过程中，由于辅吊的钢丝绳一般相对较长，所以辅吊钢丝绳与钢筋笼的起吊角度较大。吊车的起吊高度受限制，影响主吊的钢丝绳长度。通过有限元分析发现，在吊车辅吊起吊角度一定的情况下，主吊车钢丝绳的吊装力，随着起吊角度的增大而减小，同时对主吊所吊装钢筋笼的跨中变形也有影响，但影响不大。结论1：控制钢筋笼与钢丝绳的夹角，吊装过程中钢丝绳与钢筋笼的夹角宜为4 5 6 0。2）钢筋笼吊点设置方案优化。通过上述分析可知，钢筋笼吊装吊点分布均出现在最大跨度跨中位置，随着跨度169420238Building Construction高博：基于有限元分析的超长桩钢筋笼吊装施工技术增大，变形随之增大，因此钢筋笼吊点间距宜同各跨大致相等，这样整体变形不会太大，钢筋笼不会产生较大的应力集中。中间吊点的间距不能超过边部吊点间距的2 倍。结论2：一是吊点应均匀布置，吊点之间的间距不应大于1 2 m；二是中间吊点的间距不能大于边部吊点间距的2倍。3）吊点位置加强处理，防止应力集中：钢筋笼的最大应力出现在吊点位置（吊点左右各5 0 cm范围），此范围存在较大的应力集中现象，此范围主筋与箍筋、加强筋的焊点或者绑扎节点容易崩开，需要进行加固处理结论3：一是在吊点处设置加强环，加强环与钢筋笼主筋焊接牢固，加强环钢板厚1 6 mm，宽2 5 0 mm；二是在吊点两侧各1 m范围采用箍筋进行加密处理，加密间距10cm，加密区主筋与箍筋全部焊接牢固。3.3钢筋笼吊装流程及控制要点以平西府大修厂项目3 6 m长桩钢筋笼为例，钢筋笼自重约8 t。钢筋笼吊装采用双机抬吊。5 0 t履带吊为主吊车，16t汽车吊为副吊车。考虑到孔口位置二次拼接钢筋笼的工序多、时间长等因素，决定采用钢筋笼整体吊装入孔的方案。钢筋笼吊装流程及控制要点如下。第1 步：分别将5 0 t履带吊、1 6 t汽车吊行驶至吊装口附近，安排起重工对钢筋笼进行挂钩。吊车站位及吊点分布情况见图1 5。0000008000 60009000850t履带吊（主吊）一钢筋笼16汽车吊（副吊）000图1 5吊车站位及吊点分布第2 步：检查2 台吊车钢丝绳的挂钩情况、吊点位置的焊接情况后，同时平行起吊。第3 步：先将钢筋笼整体吊装至离地面2 m位置，5 0 t履带吊主钩和副钩同时往上起吊，1 6 t汽车吊暂时停止往上起吊，信号工根据钢筋笼尾部与地面距离（不能小于1m），随时指挥1 6 t汽车吊配合起钩。钢筋笼吊装入孔见图1 6。第4 步：拆除钢筋笼上1 6 t汽车吊吊点位置的卸扣。第5 步：信号工指挥5 0 t履带吊吊笼入孔。钢筋笼不得强行入孔。钢筋笼50t履带吊（主吊）搁置钢板硬化面搁置钢扁担一回转中心线工作半径图1 6钢筋笼吊装入孔3.4安全保证措施1）钢筋笼吊装前应做好钢丝绳的检查工作，使用的绳索不得沾油，不得有扭伤、死弯、松散和磨擦断丝现象。2）施工区域应设置安全警戒线，由专职安全员监督。3）在钢筋笼起吊之前，由项目部专职安全员、质量员，同分包单位，共同对钢筋笼焊接质量、吊点设置情况、钢丝绳及卡扣的规格型号等进行安全质量验收，验收合格后方可吊装。4）起吊前要求机械设备员对吊车进行检验，确保起吊安全。5）起吊前严格检查吊点设置状况，对钢丝绳、卸扣等吊具进行复查，确保钢笼在起吊及吊装过程中的稳定性。4结语本文结合具体项目，对超长钻孔灌注桩钢筋笼吊装过程进行了吊装分析，结合北京市轨道交通平西府车辆大修厂工程具体项目，分不同的吊装方案和工况，采用Midas有限元软件进行了分析和统计，通过采用有限元分析软件提前确定各类桩长下的吊点位置，优化了吊装方案，确保了钢筋笼吊装过程安全和钢筋笼的入孔质量，保证钢筋笼按节点工期顺利完成吊装，吊装过程未出现钢筋笼变形、扭曲和散架的情况，提前1 5 d完成了钻孔灌注桩的施工，取得了良好的社会和经济效益，可为类似工程提供借鉴。参考文献1替永奇.地铁车站超深地下连续墙施工技术研究 D.西安：西安工业大学,2 0 1 4.2】刘建国,朱军,杨云飞,等.超长异形钢筋笼吊装数值模拟分析及方案比选 J.施工技术,2 0 1 9,4 8(2 2):4 9-5 4.3郑军.超深地下连续墙钢筋笼吊装施工技术 J.建筑技术开发，2018,45(23):54-55.4】黄晨光,陈江伟，郑承红,等.武汉绿地中心工程地下连续墙钢筋笼吊装技术 J.施工技术,2 0 1 5,4 4(4):2 1-2 2,2 5.建筑施工第4 5 卷第8 期1695XSCIENTIFICRESEARCH究科研学古建筑木结构斗棋节点点力学性能研究进展许鹏韩振华尹婷婷苏冠男上海建工集团工程研究总院上海201114摘要：斗棋是我国古建筑木结构中的代表性构件，具有重要的装饰价值与结构功能。从斗棋的竖向承载性能、水平抗震性能、有限元模拟分析等方面对古建筑木结构中斗棋节点的力学性能的研究进展进行归纳总结，结果表明：斗棋节点具有良好的抗震耗能能力，斗竖向承载时的破坏形态主要表现为护斗的压溃劈裂或者中心构件的压屈变形，水平向承载时的破坏形态主要表现为馒头的剪切破坏或者各层构件间滑移分离；斗节点在竖向、水平向的承载力与刚度的计算模型通常采用变刚度线弹性模型来描述；基于木材本构关系和静动摩擦接触关系的精细化有限元模拟是研究斗力学性能的有效手段。关键词：古建筑；斗；力学性能；木结构建筑；研究进展中图分类号：TU755文献标志码：A文章编号：1 0 0 4-1 0 0 1(2 0 2 3)0 8-1 6 9 5-0 4DOl:10.14144/ki.jzsg.2023.08.056Research Progress on Mechanical Properties of Dougong BracketJoints inAncient Wooden StructuresXU Peng HAN Zhenhua YIN Tingting SU GuannanEngineering General Institute of Shanghai Construction Group,Shanghai 201114,ChinaAbstract:Dougong bracket is a representative component of wooden structures in ancient Chinese architecture,whichhas important decorative value and structural functions.The research progress on the mechanical properties of dougongbracket joints in ancient architectural wood structures is summarized from the aspects of vertical bearing performance,horizontal seismic performance,and finite element simulation analysis.The results show that dougong bracket joints havegood seismic energy dissipation capacity,and the failure mode of dougong bracket under vertical bearing is mainlymanifested as the crushing and spliting of the dougong bracket or the bending deformation of the central component,the failure mode under horizontal load mainly shows the shear failure of the Mantou tenon or the slip separation betweenthe components of each layer;the calculation model for the vertical and horizontal bearing capacity and stiffness ofdougong bracket nodes is usually described by a variable stiffness linear elastic model;the refined finite elementsimulation based on the wood constitutive equation and the static dynamic friction contact relationship is an effectivemeans to study the mechanical properties of dougong bracket.Keywords:ancient architecture;dougong bracket;mechanical properties;wood structure building:research progress中国古建筑木结构历史悠久，是世界建筑史上独树一帜的建筑体系，既蕴含丰富的历史文化信息，又具有重要的经济价值与社会价值。斗是由斗上叠加若干层长度递增的基金项目：上海建工重点科研项目（2 1 JCSF-35）。作者简介：许鹏（1 9 9 5 一），男，硕士，助理工程师。通信地址：上海市闵行区新骏环路7 0 0 号（2 0 1 1 1 4）。电子邮箱：9 0 6 0 5 3 2 9 7 收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 75杨宝珠,邵强,丁克胜,等.超深、超大地下连续墙钢筋笼吊装过程研究 J.工业建筑,2 0 1 3,4 3(7):1 0 1-1 0 4.6】张紫月，丁克胜,邵强,超深地下连续墙钢筋笼吊装过程的仿真研究.中国建筑金属结构,2 0 1 3(1 6):1 0-1 1.7秦鹏,张小涛,朱应新.南京地铁逸仙桥站地下连续墙钢筋笼吊装技术 .科技创新导报,2 0 0 9(1 1):5 1-5 2.木拼装而成的倒三角形节点，位于古建筑的檐下或梁架间，具有装饰和衡量建筑等级的作用，是我国古建筑木结构最具特色的标志 1-2 。斗棋不仅具备极高的建筑美学功能，还对木结构建筑的安全性与稳定性有重要影响，具备传递荷载、耗能减震等重要结构功能。斗棋最早起源于商代，最初的作用是通过挑出檐口使外墙及木柱免遭雨淋侵蚀。唐至元时期，斗棋得以蓬勃发展，开始在建筑中发挥承挑屋檐、承上启下等结构作用，该时期斗的尺寸较大，形制雄伟8赵兴波，茅利华,龚振斌,等.淮海路车站超深地下连续墙钢筋笼吊装技术 C/中国工程机械工业协会施工机械化分会.施工机械化新技术交流会论文集（第七辑).中国工程机械工业协会施工机械化分会,2 0 0 6:3.9张克球,李承孝,范知言,等.钢筋应力一应变特性初步分析 1 .冶金建筑,1 9 8 1(6):1 6-1 9,3 2.