巨型超重钢筋笼吊装方案

周　俊，　谭跃虎，　李二兵，　杨　蒙

(解放军理工大学　国防工程学院， 江苏　南京　210007)



巨型超重钢筋笼吊装方案

周俊，谭跃虎，李二兵，杨蒙

(解放军理工大学国防工程学院， 江苏南京210007)

摘要：以青奥轴线B2-J1区基坑工程超深地下连续墙巨型钢筋笼吊装工程为背景，采用对履带吊配置、索具、地基承载力、弯矩平衡等计算，对钢丝绳、卸扣等验算的方法确定双机抬吊的设备选用、吊装方案及吊点布置。并且使用ABAQUS软件建立三维钢筋笼模型对吊装方案进行吊装全过程的数值模拟验算。数值模拟结果表明：吊装全过程中，钢筋笼的中部挠度最大，且均在弹性范围内，没有产生塑性变形，吊装可顺利安全进行。本吊装方案在吊装工程实施中取得了较好的效果。并根据工程实施过程中的经验，提出合理的吊装控制技术。本文内容可为相似工程提供借鉴和参考。

关键词：巨型钢筋笼；吊装；ABAQUS；计算

近年来地下工程规模不断发展，作为基坑工程围护结构的地下连续墙也逐渐加深，相应的地下连续墙钢筋笼的吊装难度也逐渐增加。

如何解决重量重、刚度差、垂直度要求高的巨型钢筋笼的吊装技术，一直是地下工程研究的热点。赵兴波[1]、朱大宇[2]等使用ANSYS对整体吊装过程进行数值模拟，结合数值模拟的结果，确定了施工参数，很好地指导了现场施工；李柽等[3]介绍了巨型钢筋笼吊装的吊车选型、吊装方法与保证措施；荣劲松[5]、周翰斌[6]等结合埃及塞得东港工程背景，阐述了采用桁架支托的吊装方法分节起吊“T”字型钢筋笼的施工方法；杨宝珠等[7]结合天津文化中心交通枢纽Z1段工程，使用三维有限元软件ABAQUS，对不同榀数的钢筋笼进行数值模拟，确定了合理的吊装方案。黄晨光等[8]通过合理选择施工机械、吊点位置、钢筋笼的加固措施以及钢筋笼吊装形式，很好地完成了超重钢筋笼的吊装。

对比上述工程，青奥轴线B2-J1区钢筋笼最重达68.6 t，最长达44.5 m，吊装情况复杂。本文结合传统计算方法及三维数值模拟方法，得出合理的吊装方案，并在工程中取得较好效果。

1工程背景

青奥轴线梅子洲过江通道地下工程的核心控制性区域B2-J1区为局部地下三层框架结构，为主要采用明挖暗埋法施工的“坑中坑”基坑。基坑最大开挖深度达27 m，其中作为围护结构的地下连续墙分三部分：格栅T形地墙、梅子洲主隧道基坑地墙、匝道地墙，见表1。

表1　地连墙幅段统计表　m

2吊装方案设计计算

设计以长方体结构形式为例，设备选型按照最大吊重、最宽尺寸和最长尺寸(表2)分别进行验算。

表2　地连墙尺寸统计表　m

2.1吊装设备选用

吊装主吊拟选用三一重工250 t履带吊车(SCC2500C型)，辅吊拟选用三一重工125 t履带吊(SCC1250型)，主吊配58.5 m长把杆，辅吊配33 m长把杆。

2.1.1主吊把杆长度验算

计算主吊机垂直高度时，不仅要考虑钢筋笼的最大尺寸、重量，而且要考虑钢筋笼吊起后能旋转180°、不碰撞主吊臂架(见图1)，即满足BC距离大于1/2钢筋笼平放宽度的要求。选取主吊臂架仰角78°进行计算(三一重工SCC2500C型最大仰角81°)。

图1　主吊把杆

根据加工制作的吊具尺寸为h1=2.0 m，h0=0.6 m，分最大吊重和最宽、长尺寸三种情况计算AC。

AB=BCtan 78″

(1)

maxh2=AC-h1-b-h0

(2)

H=h0+h1+h2+h3+h4

(3)

(4)

式中：b为起重滑轮组定滑轮到吊钩中心距离，取6.5 m；h0为起吊扁担净高；h1为扁担吊索钢丝绳高度；h2为钢筋笼吊索高度；h3为钢筋笼长度；h4为钢筋笼距地面高度，取0.5 m；c为起重臂下轴距地面的高度，取2.645 m。

(1)当起吊钢筋笼为本标段最大吊重时：

根据公式(1)～(4)有：L=56.87 m。

(2)当起吊钢筋笼为本标段最宽尺寸时：

根据公式(1)～(4)有：L=57.59 m。

(3)当起吊钢筋笼为本标段最长尺寸时：

根据公式(1)～(4)有：L=57.97 m。

(4)根据以上三种情况分析，查询吊车性能表得知主吊把杆长度可选取58.5 m，回转半径12 m。

2.1.2履带吊配置计算

双机抬吊时，允许起重量计算如下：

P2=0.8P1

(5)

P5=0.8P4

(6)

W1=W

(7)

W2=W3=0.6W

(8)

式中：P1为250 t主吊车极限起重量(臂杆58.5 m，仰角78°)取75.2 t；P2为双机抬吊时250 t主吊车允许起重量；P4为125 t辅吊车极限起重量(臂杆33 m，工作半径9 m)取64.1 t；P5为双机抬吊时125 t辅吊车允许起重量；W为钢筋笼最大重量，取68.6 t；W1为250 t主吊车承担最重钢筋笼重；W2为双机抬吊行走时250 t主吊承担最重钢筋笼重量；W3为双机抬吊行走时125 t辅吊车承担最重钢筋笼重量。

根据式(5)～(8)可得：

(1)250 t主吊车(SCC2500C型)

1)双机抬吊状况下吊装钢筋笼

P2>W2

2)主吊行走状况下吊装钢筋笼

P1>W1

(2)125 t辅吊车(SCC1250型)

双机抬吊状况下吊装钢筋笼

P5>W5

由上可知，履带吊承担最重钢筋笼重量满足要求。

2.2起吊用索具及地基承载力计算

本工程按照整幅起吊最大重量钢筋笼68.6 t进行索具验算，计算包括：钢丝绳强度验算，卸扣验算，吊环验算。

本工程使用的钢丝绳均为6×37+1的钢丝绳，钢丝强度极限为1700 MPa，安全系数k取6，换算系数α=0.82，强度数据取自《简明施工计算手册(第四版)》，见表3。

表3　钢丝绳强度数据

2.2.1主吊扁担上钢丝绳验算

取钢丝绳直径为60.5 mm，受力示意见图2。

图2　主吊钢丝绳受力

(9)

(10)

式中：T容为钢丝绳的容许拉力；T受上为主吊扁担上每根钢丝绳受力；T总为钢筋笼自重与吊具重之和，取706 kN；Pg为钢丝破断拉力总和，60.5 mm时取2320 kN，47.5 mm时取1430 kN。

由式(9)～(10)得：T受上

即60.5 mm钢丝绳做主吊扁担满足要求。

2.2.2主吊扁担下挂钢丝绳验算

取钢丝绳直径47.5 mm，受力示意见图3。

(11)

式中：T自为钢筋笼自重，取686 kN；T受下为主扁担下挂每根钢丝绳受力。

图3　主吊扁担下钢丝绳受力

2.2.3辅吊扁担上、下钢丝绳验算

考虑钢筋笼双机抬吊时辅吊受力最大，辅吊扁担上钢丝绳直径取47.5 mm，则：

(12)

式中：T受辅为辅吊扁担上挂钢丝绳受力。

由(9)、(12)可得：T受辅

图4　辅吊扁担受力

辅吊扁担下挂钢丝绳取2根43 mm的钢丝绳，4点受力。

(13)

式中：T辅下为辅吊扁担下挂单根钢丝绳受力。

则由式(9)、(13)可得：T辅下

2.2.4卸扣验算

卸扣的选择与主辅吊钢丝绳最大受力相关。主吊卸扣最大受力在钢筋笼完全竖立时。辅吊卸扣最大受力在钢筋笼平放吊起时。

新型政党制度和协商民主要发挥作用，也需要社会主义民主过程各环节之间的有机统一。这一基本关系就决定了各民主党派既不等同于党委政府，也不完全是对民意的机械反映。新型政党制度在社会主义政治生活中，不仅仅是政治与社会之间的中间环节，只起到桥梁、纽带、联系群众的作用，而且是政治与社会之间的催化剂，起着“化合作用”，是民主过程。虽然新型政党制度不同于西方政治结构中的议会制度，但各民主党派具有批评监督、协商、表达整合等政治功能，也遵循民主运行的一般规律。社会主义民主的运行也正是基于民主党派所具有的政治功能才得以实现。正是由于民主党派具有政治功能，民主党派才不同于政治协商中的一般社会界别，而称作“政治界”。

(1)主吊卸扣选择

主吊卸扣承受最大拉力为24.96 t，选择50 t卸扣可满足要求。

(2)辅吊卸扣选择

辅吊卸扣承受最大拉力为14.51 t，选择30 t卸扣可满足要求。

2.2.5地基承载力计算

基础长9.134 m；基础宽1.22 m，参数及简化受力如图5所示。

图5　地基参数及简化受力/mm

(14)

W分=W合/2

(15)

σ=W分/2

(16)

式中：W合为机械施加在路面上的合力；W配为SCC2500C型250 t履带吊配重，取80 t；W自为SCC2500C型250 t履带吊自重260 t；W吊取最不利荷载，即吊装钢筋笼重68.6 t；W分为侧履带上的分力；σ为地基承载力；

路面采用C25钢筋混凝土。由式(14)～(16)得：σ=18.34 MPa<25 MPa，验算通过。

2.3吊装方案

钢筋笼起吊采用一台250 t履带式起重机和一台125 t履带式起重机双机抬吊法，起吊主要方法及过程如下：

以250 t履带吊作主吊机，125 t履带吊机作辅吊机。起吊时必须使吊钩中心与钢筋笼重心相重合，保证起吊平衡。主吊机扁担上挂2根5.7 m长，直径60.5 mm钢丝绳，每根钢丝绳通过一个50 t单滑轮挂在主吊钩上，单根钢丝绳弯做两股挂在扁担一侧的两个卸扣上，扁担上设左右各两个卸扣。扁担下挂2个50 t单滑轮，每个滑轮下挂1根15 m长，直径47.5 mm钢丝绳(起吊绳)，主吊机起吊点分3排6点起吊。辅吊机扁担上挂2根直径47.5 mm的钢丝绳；扁担下挂2个30 t的单滑轮，每个滑轮下挂1根15 m长的43.0 mm的钢丝绳。辅吊机起吊点分两排4点起吊。

为了简化计算，取钢筋笼长度为40 m。钢筋笼按均布荷载加载，根据弯矩平衡原理，正负弯矩相等(+M=-M)时，挠曲变形最小(图6)。

图6　钢筋笼弯矩计算

(17)

(18)

+M=-M

(19)

式中：q为均布荷载；L1为AB、EF长度；L2为BC、CD、DE长度。

由式(17)～(19)可得：L1=3.81 m，L2=10.79 m。考虑实际吊装过程中B、C中心是主吊位置，A、B之间的距离影响吊装钢筋笼。根据实际吊装经验，做如下调整：主吊机三排吊点间距为11 m和10m，主吊与辅吊相邻吊点距离3 m，辅吊2排吊点间距均为12 m，主吊机第一排起吊点设置在笼顶下1 m，辅吊最后一排吊点距钢筋笼底部为3 m。吊点布置见图7，起吊布置见图8。

图7　吊点布置/m

图8　起吊布置

3吊装模拟分析

3.1数值模拟方案

结合上文计算结果，以LW-32幅钢筋笼为例，使用ABAQUS软件建模，并进行三维有限元分析。建模分析步骤如下：

(1)部件：采用三维-可变形-线创建部件，在草图界面中，分别按照尺寸创建钢筋笼的六个面、X型剪力筋以及两榀桁架共八个部件。

(2)定义属性：材料选择力学-弹性-弹性，弹性模量取E=2.06×109，泊松比取υ=0.3，创建实体-均质截面，对实体模型指派截面，并指派梁方向。

(3)装配模型：选择已建立八个部件，将部件实例化，然后，通过平移实例、旋转实例等操作装配模型。最终得到钢筋笼的三维模型(图9)。

(4)定义分析步：创建静力通用分析步，由于有三个工况，创建三个线性摄动分析步。

(5)相互作用：给每一个装配接触节点创建绑定约束模拟焊接，主表面类型和从表面类型均选择节点区域。

(6)载荷、边界条件：根据前面计算结果，分四个分析步添加载荷，为模拟实际状态，边界条件外部铰接。

(7)网格划分：采用六面体为主，使用进阶算法划分网格。

(8)吊装作业：创建作业过程，并提交作业工况，得到结果。

图9　钢筋笼有限元模型

3.2结果及分析

通过ABAQUS软件，对钢筋笼的吊装过程进行分工况模拟计算分析，由于钢筋笼吊装主要挠度是竖向位移，所以主要对竖向位移进行分析，模拟结果见图10～13，钢筋笼竖向位移见图14。

图10　水平吊装竖向位移值/cm

图11　30°吊装竖向位移值/cm

图12　60°吊装竖向位移值/cm

图13　90°吊装竖向位移值/cm

由图14可见，最大竖向位移为25 cm，小于规范要求的临界值。钢筋笼在吊装过程中变形小，应力处于弹性阶段，不会产生塑性变形。吊点设置合理，减少钢筋笼上桁架的布置，经济上存在优势。

图14　不同工况下钢筋笼挠度变化曲线

4吊装控制技术

4.1吊装流程控制

钢筋笼吊装施工流程为：起重机就位—起重机试运行—倒运钢筋笼至槽段处—竖起钢筋笼—钢筋笼下槽—钢筋笼固定—吊装作业完成，见图15，具体施工见图16～20。

图15　吊装流程

图16　起吊前钢筋笼检查

图17　双机抬吊

图18　主吊拔高、辅吊托送

图19　主吊完全吊起、拆除辅吊索具

图20　钢筋笼缓慢入槽

4.2吊装主要风险及应对措施

(1)高空坠物

钢筋笼最长达44.5 m，为了防止高空坠物，必须在起吊前认真检查，确保钢筋笼上无外挂物品，杜绝虚焊、漏焊现象。

(2)钢筋笼散架

由于此次吊装的钢筋笼最大自重达68.6 t，为了保证钢筋笼的自身结构稳定性必须做到：严格按照设计图纸布置桁架，确保结构的稳定性，确保所有焊点达到焊接要求，精确合理布置吊点，严格遵守规范流程操作。

(3)吊车倾覆

由于钢筋笼重量巨大，为防止吊车倾覆事故必须做到：在起吊前，精确掌握吊车的起吊位置，检查吊车处于起吊准备状态；吊车必须处于水平地面，吊车负重行走线路路面要坚实平整；确定科学合理的起吊方案，并认真执行每一步操作规程。

5结论

(1)通过对主吊把杆长度、钢丝绳、卸扣的验算以及履带吊配置、地基承载力计算，选择正确的吊装设备和索具，保证吊装安全顺利地进行。

(2)根据正负弯矩平衡原理计算的吊点布置结果，要考虑主、辅吊位置以及实际工程经验进行合理修正。

(3)数值模拟结果表明钢筋笼的挠度值远小于极限值，证明吊点布置的正确性以及双机抬吊、八点吊起方案的可行性。

(4)为保证钢筋笼吊装时的稳定性，必须按照图纸设计布置桁架，并且确保焊点达到焊接要求。

参考文献

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Giant Overweight Steel Cage Hoisting Technology

ZHOUJun,TANYue-hu,LIEr-bing,YANGMeng

(School of Defense Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

Abstract:Based on YOG axis B2-J1 district ultra-deep underground slurry wall hoisting engineering,this article makes use of equipment selection, crawler configuration, riggingto calculate foundation bearing capacity and the balanced moment.The calculation method of rope,shackles,etc. is used to determine dual-lift crane equipment selection,hoisting and lifting point arrangement program. ABAQUS software is used to build a three-dimensional model of the steel cage hoisting checking program to simulate the whole process. The simulation results showed that: During the lifting process, middle deflection is the largest of the steel cage, and all are in the elastic range, without plastic deformationtaken place, the lifting process can proceeded smoothly. The lifting program achieved good results in the lifting project implementation. According to the project implementation process and experience,the reasonable hoisting control technology is determined. The content of the article can provide reference for similar projects.

Key words：giant steel cage; hoisting; ABAQUS; computing

通信地址包括省、市、街道、号码及邮编，电话，电子信箱)三部分。多位作者姓名在文题下按序排列，以后不作改动。来稿中的参考文献必须严格按照《中国学术期刊(光盘版)检索与评价数据规范》中参考文献的著录格式。

中图分类号：TU94

文献标识码：A

文章编号：2095-0985(2016)02-0100-06

作者简介：周俊(1991-)，男，江苏盐城人，硕士研究生，研究方向为深基坑工程(Email:zhou_junyt@163.com) 4.来稿的应包括第一作者(通讯作者)的基本信息(姓名、出生年、性别、籍贯/出生地)、简历信息(职称、学位、研究方向)和联系信息(

收稿日期：2015-09-14修回日期： 2015-10-21