1、引言
隨著我國城市化的推進(jìn)及滿足國民對(duì)公共交通的需求，很多城市都在建設(shè)地鐵，地鐵車站大都采用明挖法施工，地下連續(xù)墻是眾多支護(hù)中應(yīng)用最廣泛的基坑維護(hù)結(jié)構(gòu)。從1863年世界最早的倫敦地鐵開通以來，地鐵已經(jīng)在近100個(gè)城市運(yùn)行，目前，北京、上海地鐵通車運(yùn)營里程已達(dá)500公里以上，同時(shí)我們有20多個(gè)城市正在或者申請(qǐng)修建地下鐵道解決城市交通問題，我國目前處在地鐵工程開發(fā)的高潮，因而對(duì)這類工程的地下結(jié)構(gòu)施工提出了更高的要求。
地下連續(xù)墻鋼筋籠的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)通常不考慮其在吊裝施工過程中的受力[1]、[2]。施工分析采用附加加固鋼筋組成的縱向、橫向鋼筋桁架作為支撐結(jié)構(gòu)保證鋼筋籠吊裝過程中的整體剛度和幾何穩(wěn)定性。但是，這種方法缺乏理論計(jì)算，容易造成事故或者材料浪費(fèi)。鑒如此，趙興波等［3］進(jìn)行了地下連續(xù)墻鋼筋籠吊裝方案研究，分析了鋼籠剛度和吊點(diǎn)位置；楊寶珠等［4］利用Abaqus軟件對(duì)鋼筋籠吊裝過程進(jìn)行模擬，為相關(guān)工程提供了參考依據(jù)。同濟(jì)大學(xué)朱大宇［5］對(duì)整個(gè)GFRP筋籠吊裝過程進(jìn)行了有限元建模分析。Xin Wang等[6]應(yīng)用Ansys對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)吊裝吊點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化分析；S Rajasekaran[7]對(duì)海洋平臺(tái)吊裝進(jìn)行了吊點(diǎn)位置優(yōu)化分析。
傳統(tǒng)有限元方法模擬吊裝需要應(yīng)用剛體方法獲得不同位置時(shí)每根繩索的力，再把這些力施加到鋼筋籠上，對(duì)鋼筋籠每個(gè)獨(dú)立位置進(jìn)行有限元分析。本文應(yīng)用有限元分析軟件Abaqus[8]對(duì)鋼筋籠進(jìn)行數(shù)值模擬，利用Abaqus的Slip Ring單元對(duì)滑輪的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，避免了傳統(tǒng)方法由于鋼筋籠自身變形帶來的誤差，特別是對(duì)于像GFRP筋籠此類大變形結(jié)構(gòu)如果采用傳統(tǒng)方法會(huì)有很大誤差。另外本文還應(yīng)用多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化軟件Isight[9]對(duì)地下連續(xù)墻鋼筋籠吊點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化。
2、鋼筋籠有限元模型
2.1 有限元模型
本文以圖1所示某地下連續(xù)墻鋼筋籠吊裝為工程背景，該地下連續(xù)墻鋼筋籠長45.8米，寬6米，厚0.86米。
圖1 鋼筋籠吊裝示意圖
分析采用Abaqus三維有限元分析軟件，地下連續(xù)墻鋼筋籠有限元模型所有單元模型采用B31梁單元和S3R殼單元模擬，吊裝結(jié)構(gòu)還包含8條繩索和8個(gè)滑輪，繩索應(yīng)用只抗拉，不抗壓和彎的索單元模擬，而滑輪利用Abaqus的SlipRing連接單元模擬，該單元很好模擬滑輪的力學(xué)特性。
2.2 Slip Ring單元描述
圖2 Slip Ring滑輪連接單元
3、工況及結(jié)果
分別計(jì)算地下連續(xù)墻鋼筋籠兩種工況：重力作用和主吊提升10m。
3.1 重力作用
約束滑輪1、2、5、6中心點(diǎn)，施加重力加速度，達(dá)到平衡后繩索的變形情況如圖3所示，鋼筋籠的垂直變形5.6cm。
圖3 平衡后繩索的變形
各繩索的荷載分擔(dān)比如表1所示，索8的荷載分擔(dān)比最大，達(dá)到19%。
表1 繩索的荷載分擔(dān)比
沿長度方向的彎矩圖如圖4所示，圖4橫軸表示鋼筋籠歸一化長度，在總長68%的位置彎矩最大，達(dá)570KN/m
圖4 沿長度方向的彎矩圖
3.2 主吊提升10m
次吊位置不變，即滑輪1、2固定，主吊滑輪5、6提升10m，繩索的變形情況如圖5所示。
圖5主吊提升10m后繩索的變形
提升過程中各索的拉力隨主吊提升高度的變化如圖6所示，橫軸表示主吊提升高度。
圖6 索的拉力變化
4、鋼筋籠吊點(diǎn)位置優(yōu)化
鋼筋籠采用整體起吊，由于其整體剛度較差，起吊時(shí)容易造成繞度過大、甚至整幅鋼筋籠破壞的事故，所以起吊點(diǎn)的位置確定對(duì)起吊非常重要，本文采用參數(shù)化優(yōu)化軟件Isight對(duì)吊點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化。
由于需要參數(shù)化吊點(diǎn)的位置，上述模型太復(fù)雜，無法參數(shù)化，需要對(duì)模型進(jìn)行簡化，本文根據(jù)質(zhì)量等效和剛度等效，簡化為殼單元，簡化模型如圖7所示。優(yōu)化工況僅考慮重力作用，在重力作用下利用簡化模型獲得的鋼筋籠最大垂直變形是4.9cm，和非簡化模型計(jì)算的5.6cm基本接近。
圖7 簡化殼模型
優(yōu)化參數(shù)僅考慮橫向加強(qiáng)板的位置優(yōu)化，優(yōu)化的參數(shù)如圖7所示共5個(gè)吊點(diǎn)位置，吊點(diǎn)的設(shè)計(jì)變量區(qū)間如表2所示。
表2 吊點(diǎn)的設(shè)計(jì)變量區(qū)間
優(yōu)化目標(biāo)為最小化起吊時(shí)的鋼筋籠繞度即最大垂直相對(duì)變形，可以通過Python語言讀取Abaqus的odb文件獲取鋼筋籠局部坐標(biāo)系下垂直位移的相對(duì)最大值和最小值獲得，其差就是最大垂直相對(duì)變形。優(yōu)化分析還需要實(shí)現(xiàn)流程自動(dòng)化，本文應(yīng)用Abaqus/CAE錄制分析流程，生成rpy腳本文件，需要注意的是對(duì)于吊點(diǎn)位置要參數(shù)化，以便Isight驅(qū)動(dòng)rpy文件改變吊點(diǎn)位置，同時(shí)為降低計(jì)算量，優(yōu)化變量的變化并不是連續(xù)的，而是按照0.5m的倍數(shù)變化。
優(yōu)化經(jīng)過40多次迭代，優(yōu)化后繞度降低了14.7%。
5、結(jié)論
本文應(yīng)用Abaqus軟件對(duì)地下連續(xù)墻鋼筋籠吊裝過程進(jìn)行受力分析，并結(jié)合Isight軟件優(yōu)化吊點(diǎn)位置。
（1）和傳統(tǒng)的應(yīng)用剛體力學(xué)方法計(jì)算繩索的拉力，然后把獲得的繩索的拉力施加在地下連續(xù)墻鋼筋籠結(jié)構(gòu)上分析鋼筋籠的受力情況不同，本文直接用Abaqus的滑輪單元，自動(dòng)平衡重力，獲得平衡點(diǎn)的繩索拉力和鋼筋籠的應(yīng)力變形情況，可以更精確分析大變形問題，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)吊裝過程、而不是幾種吊裝狀態(tài)的模擬，自動(dòng)平衡重力的實(shí)現(xiàn)也為優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)提供了條件。
（2）應(yīng)用簡化模型和Isight軟件自動(dòng)對(duì)地下連續(xù)墻鋼筋籠吊點(diǎn)位置優(yōu)化，大大提高了優(yōu)化效率，為吊裝提供了安全保障。
（3）更進(jìn)一步還可以對(duì)吊機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行優(yōu)化。
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