李怀翠 郝占豪 孙淼焱

上海建工集团股份有限公司 上海 200080

城镇化进程的加快及人口密度的激增，导致城市更新改造或城市规划扩张过程中所需的土地资源越来越紧缺，因此，建设工程逐渐往“深”的方向发展以提高土地利用效率，高层建筑及深基坑施工已十分普遍。大多数建设工程通常存在着场地狭小、周边环境复杂、安全文明施工要求高等难、特点，相对于直接明挖的顺作法，逆作法自上而下层层开挖，可以利用地下室楼板作为水平支撑，无需换撑，能更有效地控制基坑对周边环境的影响，同时首先形成的地下室顶板可以作为场内材料临时堆场和临时道路。在基坑逆作法施工过程中，一柱一桩作为永久结构，是主要的竖向受力支撑体系，因此，一柱一桩的垂直度控制是逆作法施工的关键技术之一。理想情况下，基坑首层土方开挖后下部钢管柱与下插柱应当准确连接，以保证顶板形成后上部同步进行钢结构的吊装。但由于测量放线误差、施工过程不规范、地质条件差等原因，经常会导致提前施工的立柱桩桩位发生一定的偏差，进而导致下插柱与下部立柱桩无法同心，造成一柱一桩偏心受力，直接影响到工程质量和结构安全。

建设工程通常工期紧、任务重，桩基偏位后补救耗时耗力，在施工时即保证桩基垂直度是最好的方案。陈新华[1]通过修正格构柱安装参数、辅助使用工夹具、使用调垂仪调整，将立柱桩的垂直度控制在设计要求范围内。陈维超等[2]发明了一种针对一柱一桩中矩形格构柱的导向定位装置，利用卯、榫结构咬合，以安装摄像头的方式实现可视化，大大提升格构柱垂直度。陈静[3]介绍分析了一柱一桩的结构设计和垂直度控制的几种方法，通过实例成功验证了校正架加设导向柱能很好地控制立柱桩垂直度。通过各种技术手段可以确保桩基在施工过程中的垂直度，然而伴随着土方不平衡开挖、机械误碰等因素的影响，最终仍可能有个别的一柱一桩出现一定的偏位，目前关于此类问题的处理措施研究较少。本文利用有限元法，对钢管桩和下插柱之间因偏位而竖向受力不同心的连接节点进行理论分析，并提出多尺度解决方法，从而确保结构受力的安全性。

1 一柱一桩偏位连接节点多尺度解决方法

在逆作法施工中，设计要求的一柱一桩的桩位容许偏差一般为桩长的1/500。施工过程中，由于测量放线误差过大、地质条件以及土方开挖不平衡等多方面因素影响，会导致提前施工的一柱一桩在首层土方开挖后，其桩位出现一定的偏差，进而导致一柱一桩出现偏心受力，这将直接影响到工程品质和结构安全。

为了解决这一问题，我们通过理论研究和实践，总结出了一种基于有限单元法的多尺度解决方法。即采用有限元仿真分析软件，按照设计图纸建立建筑结构整体仿真分析模型，对建筑结构整体按照设计工况进行数值计算，提取与一柱一桩钢管柱相连接的下插柱的构件断面内力。再采用有限元仿真分析软件，建立一柱一桩与下插柱相连接的局部节点分析模型（含环钢板、加劲板），然后将前述所提取的构件断面内力作为外部荷载施加在局部节点分析模型之上，通过计算结果判断所设置的环形钢板的尺寸和厚度、加劲板的尺寸和厚度以及数量等是否能够确保节点受力满足设计要求。若节点局部分析模型计算结果不符合要求，则对环钢板、加劲板等尺寸与厚度重新进行调整后复算，上述流程如图1所示。

图1 一柱一桩偏位多尺度解决方法及流程

在下插柱与一柱一桩钢管柱偏位的情况下，为确保一柱一桩与下插柱能够较好地传力，我们在一柱一桩钢管柱顶部焊接环形钢板（环形钢板的形状按照偏心的方向逐渐趋向于椭圆形），在环形钢板与一柱一桩钢管柱之间再焊接多个加劲板进行力学加强，加劲板的尺寸朝偏心的方向逐渐加大。如此处理可以使传递到一柱一桩的上部荷载分布均匀化，确保工程质量与安全。加强后的节点如图2所示。

图2 下插柱与一柱一桩连接节点

2 工程案例

2.1工程概况

上海城市核心临江区域的某重大工程，总建筑面积约10万 m2，地下3层，地上4层，建设标准高，定位于打造世界级会客厅。项目地处市中心核心地段，场地极其紧张，同时为了加快施工，为地上室内精装修留出足够的时间，该工程采用的是地上、地下同步全逆作施工方法，上部为全钢结构体系。该工程基坑围护采用的是地下连续墙，墙体深度约45 m。一柱一桩总计188根，桩底标高－81.00 m，钢管柱长度为22 m，设计要求钢管柱垂直度不大于1/500。常规条件下，基坑围护封闭完成后再进行坑内桩基施工，由于该工程工期极其紧张，为确保工期，该工程桩基与基坑围护穿插同步施工。为了确保施工质量，在正式施工之前，进行了试桩、试成墙等试验，确定了桩、墙施工的泥浆相对密度、钻机速度等重要参数。

桩基围护全部结束后立即进行逆作基坑的首层土方开挖，经对挖出的一柱一桩进行桩位复测，发现个别钢管柱出现较大偏位，实测最大偏位47 mm，即钢管柱实测垂直度为1/470，不符合设计要求的1/500垂直度要求，实测桩位与设计桩位偏差如图3所示。此时基坑已完成首层土方开挖，即将开始吊装焊接钢管柱上部的下插柱，已无有效措施通过物理手段来纠正提前完成施工的钢管柱的偏差，而上部钢结构柱位无调节可能。为有效保证钢管柱偏位情况下的上部结构安全，我们创新地提出了基于有限元法的一柱一桩偏位节点多尺度解决方法，以下将以上述偏位立柱桩为案例，详细介绍本文所提出的解决方法。

图3 土方开挖后实测一柱一桩偏位示意

2.2整体模型分析

根据前文所述的多尺度解决方法，首先根据设计图纸，利用有限元仿真分析软件MIDAS GEN建立整个上部结构的三维分析模型，梁、柱均采用三维线单元进行模拟，计算模型共包含节点数1 994个，梁单元数2 961个。有限元分析模型三维轴测图如图4所示。

图4 上部结构整体模型三维轴测图

需特别说明的是，在三维整体模型有限计算中，假设钢结构在荷载作用下为小变形，不考虑钢材的弹塑性。各类焊缝焊接质量均符合设计要求，因此梁柱节点按完全刚接考虑。在边界条件的设置中，假设基础底部无沉降且约束可靠，因此钢柱底部节点设置为固结。按设计文件输入相应的荷载进行计算，在计算结果中提取上部钢柱与下插柱连接部位的结构内力，所提取的水平剪切力V为89 kN，竖向轴力FN为516 kN，弯矩M为417 kN·m。将上述内力作为外荷载输入到局部节点分析模型中，从而分析验证节点部位加强措施的可行性（图5）。

图5 整体模型中的下插柱与一柱一桩钢管柱节点

2.3局部节点模型分析

在工程实践中，为了便于一柱一桩钢管柱与下插柱连接，本文在两者之间设计了环形钢板，环形钢板的形状按照两者偏心的方向逐步趋向于椭圆形，环形钢板顶面与下插柱焊接，底面则与一柱一桩钢管柱进行焊接。由于环形钢板底部与一柱一桩钢管柱焊接条件较差（仰焊），为了进一步提高环形钢板与钢管柱连接的可靠性及优化整个节点的受力状态，在钢管柱与环形钢板之间设计一定数量、一定大小的加劲板，加劲板尺寸设计原则是朝着偏心方向逐步增大。按此原则通过不断调整加强措施进行建模试算，即采用MIDAS FEA建立局部节点三维分析模型，环形钢板、加劲板采用三角形板单元进行模拟，一柱一桩钢管柱与钢结构下插柱采用四边形板单元进行模拟。如图6所示有限元计算模型中共包含节点数3 089个，板单元共计4 884个。在下插柱模型顶部建立辅助节点，将该节点与下插柱顶面节点进行绑定。将上文整体分析模型计算结果中所提取的下插柱与钢管柱连接节点处的构件断面内力作为外荷载施加在辅助节点之上，从而实现了整体模型与局部节点模型的连接。

图6 局部节点有限元模型

通过不断试算所设计的不同环形钢板的尺寸与厚度、加劲板的尺寸与厚度以及分布数量的有限元分析模型，将所计算得出的结果与设计要求进行对比，最终确定了环形钢板的尺寸，其椭圆长轴为850 mm，短轴为680 mm，厚度为50 mm。环形钢板下方加劲板共计8块，其中高度最大的为600 mm，高度最小的为400 mm，厚度同样为50 mm。此时节点局部有限元分析模型计算结果如图7～图9所示，从以上结果中可以看出，下插柱的最大米塞斯应力为29.2 MPa，最大剪切应力为5.3 MPa；一柱一桩钢管柱最大米塞斯应力为254 MPa，最大剪切应力为46.8 MPa；环形钢板及加劲板最大米塞斯应力为71.9 MPa，最大剪切应力为35.0 MPa。结构所采用的材质为Q355b，因此上述应力计算结果均符合设计要求。从应力计算结果的分布来看，偏心位置处的加劲板及钢管柱应力集中较为明显，应力计算结果的分布符合预期。

图7 下插柱应力计算结果（单位：MPa）

图8 钢管柱应力计算结果（单位：MPa）

图9 环形钢板及加劲板应力计算结果（单位：MPa）

3 结语

在逆作法施工中，受各种不利因素的干扰，一柱一桩钢管柱不可避免地会发生偏位，当基坑首层土方开挖后实测偏位值超过设计规定的安全范围时，必须采取有效措施进行处理。

为解决这一问题，本文通过理论研究与实践，总结出了一种基于有限单元法的多尺度解决方法。该方法通过建立整体有限元分析模型，计算出下插柱与一柱一桩钢管柱连接节点部位断面的结构内力，然后设计该节点的加强措施（包括环形钢板、加劲板），再通过有限元软件建立包含上述加强措施的局部节点分析模型，并将整体模型中提取的断面结构内力作为外荷载输入到局部节点分析模型之中，最后通过不断调整加强措施对上述局部节点模型进行试算，确定最终的加强措施。

本文以某重大工程为背景，详细阐述了该方法的实施流程及要点，取得了较好的应用成果。