摘要：根据天津周大福金融中心特大型深基坑环形支护体系及土方开挖的特点，设计了上下基坑的悬挑人行马道，同时通过有限元模型分析其承载能力，确认其具有足够的安全保证度。经实践应用，有效地解决了深基坑施工的人员通行问题。
关键词：深基坑;环形支护;人行马道;有限元分析
1工程概况
1.1主体结构及基坑支护设计概况
天津周大福金融中心由主楼、裙楼、副楼这3部分组成，主楼地上100层，建筑高度为530m(图1)。基坑面积为24700m2，基坑开挖深度为24.8、27.4m，最大开挖深度达到32.3m，塔楼区基坑支护体系采用“环形支护桩+5道环梁支撑”，土方分6步开挖。
1.2土方开挖概况
超高层建筑中的塔楼施工工序为关键线路，故首先进行塔楼土方开挖。土方采用岛式开挖，每开挖一步土方，进行1道支撑施工。第1道支撑施工达到设计强度后，采用渣土或石屑回填第1道支撑梁间的空隙，并浇筑厚200mm配筋混凝土与支撑梁上皮齐平，为塔楼土方开挖和后期地下结构施工提供场地(图2)。
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塔楼区域基坑大面深度为-27.4m，最深达-32.3m，属超深基坑，受土方从上向下开挖工况的影响，采用传统脚手架搭设上下基坑的人行马道难度较大，此类型人行马道需将底部固定，随着土方开挖的进行，落地式脚手架需进行反复的拆除、搭设，浪费人力、物力及工期。地下结构施工阶段，上下基坑的人员通行量较大，人员达500名，没有畅通、安全可靠的人行马道，施工人员不能及时到达作业面，将直接影响到施工的顺利进行，也存在安全隐患。因此在开挖塔楼区域土方时需要设置一种能够从上向下安装、构造简单、安全可靠的人行马道。
2悬挑人行马道设计
鉴于塔楼区支护结构的支护体系采用“支护桩+5道环梁支撑”形式，按照“5道支撑、6步土方”的思路向下开挖，混凝土支撑强度达到80%即可进行下一步土方开挖(设计要求)。因此人行马道的设计思路需结合上述施工顺序，与既有的环形支撑进行有效的结合[1-3]。
2.1总体思路
在环梁上设置悬挑型钢作为马道的主要受力支点，在每一个马道中部设置休息平台，休息平台利用正上方环梁预留型钢作为辅助受力点，上下相邻的单独马道利用环梁上表面作为中转及休息平台(图3)。
2.2位置选择
结合环梁与主体结构边线图纸，选择与结构避开的位置，保证在地下结构施工时不与马道位置冲突。
2.3马道支点设计
每个单独马道需预埋3组型钢(图4)。第1道支撑设置2组(每组2根)，第2道支撑设置1组，第1组与第3组的型钢作为马道出入口位置的受力点，第2组的型钢作为马道中间休息平台的受力点，与马道休息平台采用下挂方式。型钢采用20#工字钢，预埋深度1500mm，悬挑长度1500mm，悬挑部分采用100mm×100mm×6mm角钢作为三角撑。角钢与环梁采用M20膨胀螺栓固定(图5)。
2.4马道平台设计
每个马道的休息平台分为上部平台、中部平台及底部平台。上部平台及底部平台主要支撑结构为20#工字钢，长3m，预埋到支撑梁内1.5m，外部悬挑1.5m。中部平台主要支撑结构为20#工字钢，长1.5m。20#工字钢与14#槽钢、10#槽钢、5#槽钢焊接，并在20#工字钢表面铺设花纹钢板，焊接固定。
在中部平台上方的支撑梁内预埋20#工字钢，同样预埋到支撑梁内1.5m，外部悬挑1.5m。平台上部采用4根100mm×100mm×6mm角钢与此悬挑20#工字钢焊接，角钢下部与中部休息平台的20#工字钢外侧焊接(图6～图9)，其中，节点D与节点A类似。
2.5踏步设计
马道采用预制钢楼梯，马道两侧边梁采用C160mm×63mm×6.5mm×10mm，踏步为1500mm×240mm×200mm，采用预制Z形花纹钢板与普通花纹钢板焊接制成(图10)。
3人行马道三维有限元模型分析
3.1模型选择
利用三维有限元模型分析人群荷载作用下上下马道的稳定性。第1、2道支撑之间的净高度最大，为6.6m，相应的楼梯长度最大，以此作为验算模型，偏安全计，下部预埋工字钢部分则按固定端考虑(图11)。
3.2荷载计算
使用有限元方法对上述模型展开分析，考虑的荷载工况如下：
1)结构自重：钢材自重78.5kN/m3。
2)栏杆、施工荷载等恒荷载，按投影面积满布计算并考虑荷载分项系数，为1.5kN/m2。
3)人群等活荷载，按投影面积满布计算并考虑荷载分项系数，为2.0kN/m2。
上述恒、活2项荷载叠加，共考虑3.5kN/m2的总荷载。
相应的控制标准如下：钢材强度按设计强度235MPa选取，安全系数取1.2(临时结构)，则钢材许用应力为195.8MPa，许用长细比120。
3.3模型计算
三维有限元模型如图11所示，主要验算整体钢结构的应力和变形，并验算钢结构的稳定性。
3.3.1结构变形分析
整体结构的变形对比显示，楼梯板的最大变形为4.02mm，发生在均布荷载作用下的楼梯板的下段区域。在规定荷载条件下，结构稳定性有足够保证，安全合理。
3.3.2钢结构应力与弯矩分析
钢梁部分的弯矩分布显示，三维有限元分析得到的最
大弯矩为17.8kN·m，发生在楼梯下部，即预埋工字钢与第2道支撑连接处。马道结构在轴力和弯矩组合作用下的应力分布显示，最大组合应力为166MPa，小于许用应力195.8MPa，满足使用要求。
3.4分析结果
综合上述应力及变形分析，可以将相应结构的分析结论总结如下：
1)马道梁、板满足结构受力要求。
2)马道整体结构稳定，满足极端工况要求。
3)三维整体有限元的分析表明，马道整体结构的承载力充分满足施工荷载、人群荷载等重载的要求，且有较大的安全保证度。
4人行马道施工
4.1预埋工字钢
每一道环形支撑施工时，在钢筋绑扎时预埋工字钢，以便为后续马道施工提供支点，第1道支撑埋设2组，第2～4道支撑埋设3组，第5道支撑埋设1组(图12)。
4.2预制钢楼梯安装
根据设计图纸在场外预制钢楼梯，现场吊装到位后进行焊接，施工中严格控制梯梁型钢与预埋工字钢的焊缝质量，通过验收后方可投入使用。
5实施效果
针对本工程塔楼区环形支护的现状，现场自行设计了经有限元模型分析并可安装到位的人行马道，最终得到成功应用。该人行马道对土方开挖、主体结构均不造成任何影响，不仅保证了基坑施工安全、顺利进行，而且可利用环梁作为休息平台，相比其他传统安全通道节约了成本。
