上海建工集團(tuán)工程研究總院 上海 201114

1 逆作法一柱一樁用液壓調(diào)垂系統(tǒng)簡(jiǎn)介

地下結(jié)構(gòu)逆作法具有材料節(jié)約、環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)。在地下結(jié)構(gòu)逆作法施工中，樁基礎(chǔ)是一種常用基礎(chǔ)形式，由樁身和承臺(tái)組成。樁基礎(chǔ)的作用在于傳遞上部建筑結(jié)構(gòu)的荷載到土層，保證建筑物的穩(wěn)定和減少其沉降。立柱則作為一個(gè)傳遞上部建筑的荷載到樁基礎(chǔ)的媒介，起到了重要作用。這些永久結(jié)構(gòu)立柱一般是由鋼管柱或鋼格構(gòu)柱外包鋼筋混凝土構(gòu)成，因此對(duì)鋼立柱的垂直度有較高的要求，尤其一柱一樁的鋼立柱更是如此。傳統(tǒng)的鋼立柱垂直度控制或調(diào)整工藝，如孔下氣囊調(diào)垂法、孔下機(jī)構(gòu)調(diào)垂法、地面定位架調(diào)垂法、導(dǎo)向套筒調(diào)垂法等，存在作業(yè)條件差、調(diào)垂效率低和勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺點(diǎn)，越來越不能滿足快速施工和更高的垂直精度要求（垂直精度要求達(dá)到1/500、1/600或更高）。

因此，有必要研制一套調(diào)垂設(shè)備，即基于激光定位的鋼立柱液壓調(diào)垂系統(tǒng)。逆作法鋼立柱的液壓調(diào)垂系統(tǒng)主要由調(diào)垂架、激光傾斜儀、液壓動(dòng)力系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和伸縮同步千斤頂?shù)冉M成。調(diào)垂架作為鋼立柱支撐和傳遞荷載的裝置，配備伸縮同步千斤頂，成為調(diào)垂時(shí)的執(zhí)行裝置，具有降低勞動(dòng)強(qiáng)度、縮短調(diào)垂時(shí)間和提高調(diào)垂效率等作用；激光傾斜儀作為系統(tǒng)的檢測(cè)裝置，能提高測(cè)量精度、縮短檢測(cè)裝置的安裝時(shí)間等；控制系統(tǒng)作為調(diào)垂系統(tǒng)的控制裝置，方便現(xiàn)場(chǎng)操作、提高現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)自動(dòng)化水平等。本系統(tǒng)的工作原理在于激光傾斜儀是一種高精度的、實(shí)時(shí)采集鋼立柱垂直度的設(shè)備，通過這種設(shè)備，將鋼立柱在x軸、y軸方向的水平位移和角度等信號(hào)傳輸?shù)揭簤赫{(diào)垂架系統(tǒng)，即依靠液壓調(diào)垂系統(tǒng)的PLC等對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、控制調(diào)垂系統(tǒng)的液壓泵站及液壓油缸的動(dòng)作，用以調(diào)整鋼立柱的姿態(tài)，即調(diào)整鋼立柱的偏斜狀態(tài)，使鋼立柱滿足設(shè)計(jì)、施工對(duì)鋼立柱垂直精度的要求，見圖1。

圖1 鋼立柱垂直度間接法調(diào)垂工藝原理

2 液壓調(diào)垂架的建模[1-4]

據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，利用Solidworks軟件建立液壓調(diào)垂架的三維模型。為了便于有限元分析，對(duì)圖紙中一些連接部件等細(xì)節(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)化，調(diào)垂架模型是由若干個(gè)焊件和拉伸體等組合而成的實(shí)體。

3 基于Solidworks Simulation液壓調(diào)垂架的有限元分析[5-7]

調(diào)垂架材料選用Q235，采用高級(jí)約束。在球面上，移動(dòng)方向約束，兩轉(zhuǎn)動(dòng)方向自由；網(wǎng)格劃分時(shí)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為30 312，單元數(shù)為15 199。

據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)，將調(diào)垂架的受力情況分為2 種工況：

工況一：樁孔垂直度較好時(shí)，調(diào)垂架平放，即可滿足垂直度要求。

工況二：樁孔垂直度較差時(shí)，伸縮液壓千斤頂，使得傾斜的調(diào)垂架調(diào)平，以滿足垂直度要求。

在不同工況下，研究調(diào)垂架的應(yīng)力和位移的分布情況。

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50202—2002），泥漿護(hù)壁鉆孔樁Φ≤1 000 mm的垂直度允許偏差＜1%；樁徑允許偏差±50 mm；考慮到施工現(xiàn)場(chǎng)工況復(fù)雜下，仿真模擬時(shí)取5 倍，糾偏角約為3°。

施加荷載包括靜荷載和活荷載：

靜荷載=調(diào)垂架自重+鋼立柱質(zhì)量+其他連接件質(zhì)量；

活荷載=現(xiàn)場(chǎng)操作工自重，一般按照2.0 kN/m2計(jì)算，調(diào)垂架上表面積為2.3 m2，活荷載按5 000 N計(jì)算。

若450 mm×450 mm鋼立柱長(zhǎng)度為15 m，質(zhì)量約20 000 N。自重約為9 000 N。通過仿真分析，工況一最大應(yīng)力為124.6 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.4 mm；工況二最大應(yīng)力為167.6 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?2.6 mm。

調(diào)垂架材料選用Q235，其容許強(qiáng)度235 MPa，仿真結(jié)果表明：2 種工況下，調(diào)垂架模型的最大應(yīng)力均小于材料容許強(qiáng)度。據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三版（上）表12-1，一般工作平臺(tái)梁主梁容許撓度L/400，L為梁的跨度。若L=3 210 mm，則容許撓度約為8 mm，仿真結(jié)果表明：2 種工況下，調(diào)垂架模型的撓度均小于容許撓度。

綜上分析，調(diào)垂架模型的仿真分析結(jié)果較為理想。開展進(jìn)一步驗(yàn)證工作，據(jù)圖紙尺寸，試制液壓調(diào)垂架，并開展相關(guān)測(cè)試結(jié)果較佳，可以將調(diào)垂架樣機(jī)投入工程應(yīng)用。

4 液壓調(diào)垂系統(tǒng)的工程應(yīng)用

上海某項(xiàng)目位于上海市浦東新區(qū)洋涇街道E11-3、E11-4、E11-6、E11-7地塊，南臨浦東大道，東至民生路，西至桃林路中歐地塊，北至昌邑路；包括8 棟高100 m以內(nèi)的住宅樓，一棟高130 m的酒店和酒店式公寓樓，總面積約26.5萬 m2，地下2 層，基坑開挖10.8～12.0 m，見圖2。項(xiàng)目的建筑類型為鋼筋混凝土框架-核心筒，樁基采用鉆孔灌注工程樁，圍護(hù)為鉆孔灌注樁和SMW三軸攪拌樁。地下工程采用逆作法施工工藝，逆作階段圍護(hù)豎向支撐采用一柱一樁：上部鋼立柱為450 mm×450 mm角鐵格構(gòu)柱，長(zhǎng)度不超過15 m；下部為Φ800 mm混凝土鉆孔灌注樁（上部擴(kuò)孔至900 mm）。永久性鋼立柱垂直度不大于1/500；臨時(shí)性鋼立柱垂直度不大于1/300；格構(gòu)柱施工設(shè)計(jì)要求型鋼中心偏差±10 mm內(nèi)。

圖2 基坑剖面

由于施工要求高、施工進(jìn)度快等原因，本項(xiàng)目采用液壓調(diào)垂架系統(tǒng)對(duì)鋼立柱垂直度進(jìn)行自動(dòng)化控制。它將地下或地上調(diào)垂作業(yè)轉(zhuǎn)化為地面作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)檢測(cè)和全自動(dòng)調(diào)垂，提高了調(diào)垂精度和效率，采用混凝土攪拌運(yùn)輸車直接澆筑鉆孔灌注樁，大大節(jié)約了施工成本。經(jīng)開挖復(fù)測(cè)后，鋼立柱的垂直度滿足設(shè)計(jì)規(guī)定范圍要求。質(zhì)量控制是一個(gè)系統(tǒng)工程，鋼立柱垂直度的控制也不例外，包括施工現(xiàn)場(chǎng)的前期土地平整、鉆機(jī)鉆孔的垂直度控制、鋼立柱直線度控制和液壓調(diào)垂架的自動(dòng)化調(diào)垂等若干個(gè)工序，只有每道工序質(zhì)量嚴(yán)格過關(guān)，方能達(dá)到預(yù)期效果，并得到用戶的認(rèn)可，帶來顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。