發(fā)布時(shí)間：2020-03-18所屬分類：建筑師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：根據(jù)天津周大福金融中心特大型深基坑環(huán)形支護(hù)體系及土方開挖的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了上下基坑的懸挑人行馬道，同時(shí)通過有限元模型分析其承載能力，確認(rèn)其具有足夠的安全保證度。經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用，有效地解決了深基坑施工的人員通行問題。 關(guān)鍵詞：深基坑;環(huán)形支護(hù);人
摘要：根據(jù)天津周大福金融中心特大型深基坑環(huán)形支護(hù)體系及土方開挖的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了上下基坑的懸挑人行馬道，同時(shí)通過有限元模型分析其承載能力，確認(rèn)其具有足夠的安全保證度。經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用，有效地解決了深基坑施工的人員通行問題。
關(guān)鍵詞：深基坑;環(huán)形支護(hù);人行馬道;有限元分析
1工程概況
1.1主體結(jié)構(gòu)及基坑支護(hù)設(shè)計(jì)概況
天津周大福金融中心由主樓、裙樓、副樓這3部分組成，主樓地上100層，建筑高度為530m(圖1)。基坑面積為24700m2，基坑開挖深度為24.8、27.4m，最大開挖深度達(dá)到32.3m，塔樓區(qū)基坑支護(hù)體系采用“環(huán)形支護(hù)樁+5道環(huán)梁支撐”，土方分6步開挖。
1.2土方開挖概況
超高層建筑中的塔樓施工工序?yàn)殛P(guān)鍵線路，故首先進(jìn)行塔樓土方開挖。土方采用島式開挖，每開挖一步土方，進(jìn)行1道支撐施工。第1道支撐施工達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，采用渣土或石屑回填第1道支撐梁間的空隙，并澆筑厚200mm配筋混凝土與支撐梁上皮齊平，為塔樓土方開挖和后期地下結(jié)構(gòu)施工提供場地(圖2)。
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塔樓區(qū)域基坑大面深度為-27.4m，最深達(dá)-32.3m，屬超深基坑，受土方從上向下開挖工況的影響，采用傳統(tǒng)腳手架搭設(shè)上下基坑的人行馬道難度較大，此類型人行馬道需將底部固定，隨著土方開挖的進(jìn)行，落地式腳手架需進(jìn)行反復(fù)的拆除、搭設(shè)，浪費(fèi)人力、物力及工期。地下結(jié)構(gòu)施工階段，上下基坑的人員通行量較大，人員達(dá)500名，沒有暢通、安全可靠的人行馬道，施工人員不能及時(shí)到達(dá)作業(yè)面，將直接影響到施工的順利進(jìn)行，也存在安全隱患。因此在開挖塔樓區(qū)域土方時(shí)需要設(shè)置一種能夠從上向下安裝、構(gòu)造簡單、安全可靠的人行馬道。
2懸挑人行馬道設(shè)計(jì)
鑒于塔樓區(qū)支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)體系采用“支護(hù)樁+5道環(huán)梁支撐”形式，按照“5道支撐、6步土方”的思路向下開挖，混凝土支撐強(qiáng)度達(dá)到80%即可進(jìn)行下一步土方開挖(設(shè)計(jì)要求)。因此人行馬道的設(shè)計(jì)思路需結(jié)合上述施工順序，與既有的環(huán)形支撐進(jìn)行有效的結(jié)合[1-3]。
2.1總體思路
在環(huán)梁上設(shè)置懸挑型鋼作為馬道的主要受力支點(diǎn)，在每一個(gè)馬道中部設(shè)置休息平臺，休息平臺利用正上方環(huán)梁預(yù)留型鋼作為輔助受力點(diǎn)，上下相鄰的單獨(dú)馬道利用環(huán)梁上表面作為中轉(zhuǎn)及休息平臺(圖3)。
2.2位置選擇
結(jié)合環(huán)梁與主體結(jié)構(gòu)邊線圖紙，選擇與結(jié)構(gòu)避開的位置，保證在地下結(jié)構(gòu)施工時(shí)不與馬道位置沖突。
2.3馬道支點(diǎn)設(shè)計(jì)
每個(gè)單獨(dú)馬道需預(yù)埋3組型鋼(圖4)。第1道支撐設(shè)置2組(每組2根)，第2道支撐設(shè)置1組，第1組與第3組的型鋼作為馬道出入口位置的受力點(diǎn)，第2組的型鋼作為馬道中間休息平臺的受力點(diǎn)，與馬道休息平臺采用下掛方式。型鋼采用20#工字鋼，預(yù)埋深度1500mm，懸挑長度1500mm，懸挑部分采用100mm×100mm×6mm角鋼作為三角撐。角鋼與環(huán)梁采用M20膨脹螺栓固定(圖5)。
2.4馬道平臺設(shè)計(jì)
每個(gè)馬道的休息平臺分為上部平臺、中部平臺及底部平臺。上部平臺及底部平臺主要支撐結(jié)構(gòu)為20#工字鋼，長3m，預(yù)埋到支撐梁內(nèi)1.5m，外部懸挑1.5m。中部平臺主要支撐結(jié)構(gòu)為20#工字鋼，長1.5m。20#工字鋼與14#槽鋼、10#槽鋼、5#槽鋼焊接，并在20#工字鋼表面鋪設(shè)花紋鋼板，焊接固定。
在中部平臺上方的支撐梁內(nèi)預(yù)埋20#工字鋼，同樣預(yù)埋到支撐梁內(nèi)1.5m，外部懸挑1.5m。平臺上部采用4根100mm×100mm×6mm角鋼與此懸挑20#工字鋼焊接，角鋼下部與中部休息平臺的20#工字鋼外側(cè)焊接(圖6～圖9)，其中，節(jié)點(diǎn)D與節(jié)點(diǎn)A類似。
2.5踏步設(shè)計(jì)
馬道采用預(yù)制鋼樓梯，馬道兩側(cè)邊梁采用C160mm×63mm×6.5mm×10mm，踏步為1500mm×240mm×200mm，采用預(yù)制Z形花紋鋼板與普通花紋鋼板焊接制成(圖10)。
3人行馬道三維有限元模型分析
3.1模型選擇
利用三維有限元模型分析人群荷載作用下上下馬道的穩(wěn)定性。第1、2道支撐之間的凈高度最大，為6.6m，相應(yīng)的樓梯長度最大，以此作為驗(yàn)算模型，偏安全計(jì)，下部預(yù)埋工字鋼部分則按固定端考慮(圖11)。
3.2荷載計(jì)算
使用有限元方法對上述模型展開分析，考慮的荷載工況如下：
1)結(jié)構(gòu)自重：鋼材自重78.5kN/m3。
2)欄桿、施工荷載等恒荷載，按投影面積滿布計(jì)算并考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)，為1.5kN/m2。
3)人群等活荷載，按投影面積滿布計(jì)算并考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)，為2.0kN/m2。
上述恒、活2項(xiàng)荷載疊加，共考慮3.5kN/m2的總荷載。
相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)如下：鋼材強(qiáng)度按設(shè)計(jì)強(qiáng)度235MPa選取，安全系數(shù)取1.2(臨時(shí)結(jié)構(gòu))，則鋼材許用應(yīng)力為195.8MPa，許用長細(xì)比120。
3.3模型計(jì)算
三維有限元模型如圖11所示，主要驗(yàn)算整體鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形，并驗(yàn)算鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
3.3.1結(jié)構(gòu)變形分析
整體結(jié)構(gòu)的變形對比顯示，樓梯板的最大變形為4.02mm，發(fā)生在均布荷載作用下的樓梯板的下段區(qū)域。在規(guī)定荷載條件下，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有足夠保證，安全合理。
3.3.2鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力與彎矩分析
鋼梁部分的彎矩分布顯示，三維有限元分析得到的最
大彎矩為17.8kN·m，發(fā)生在樓梯下部，即預(yù)埋工字鋼與第2道支撐連接處。馬道結(jié)構(gòu)在軸力和彎矩組合作用下的應(yīng)力分布顯示，最大組合應(yīng)力為166MPa，小于許用應(yīng)力195.8MPa，滿足使用要求。
3.4分析結(jié)果
綜合上述應(yīng)力及變形分析，可以將相應(yīng)結(jié)構(gòu)的分析結(jié)論總結(jié)如下：
1)馬道梁、板滿足結(jié)構(gòu)受力要求。
2)馬道整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，滿足極端工況要求。
3)三維整體有限元的分析表明，馬道整體結(jié)構(gòu)的承載力充分滿足施工荷載、人群荷載等重載的要求，且有較大的安全保證度。
4人行馬道施工
4.1預(yù)埋工字鋼
每一道環(huán)形支撐施工時(shí)，在鋼筋綁扎時(shí)預(yù)埋工字鋼，以便為后續(xù)馬道施工提供支點(diǎn)，第1道支撐埋設(shè)2組，第2～4道支撐埋設(shè)3組，第5道支撐埋設(shè)1組(圖12)。
4.2預(yù)制鋼樓梯安裝
根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)趫鐾忸A(yù)制鋼樓梯，現(xiàn)場吊裝到位后進(jìn)行焊接，施工中嚴(yán)格控制梯梁型鋼與預(yù)埋工字鋼的焊縫質(zhì)量，通過驗(yàn)收后方可投入使用。
5實(shí)施效果
針對本工程塔樓區(qū)環(huán)形支護(hù)的現(xiàn)狀，現(xiàn)場自行設(shè)計(jì)了經(jīng)有限元模型分析并可安裝到位的人行馬道，最終得到成功應(yīng)用。該人行馬道對土方開挖、主體結(jié)構(gòu)均不造成任何影響，不僅保證了基坑施工安全、順利進(jìn)行，而且可利用環(huán)梁作為休息平臺，相比其他傳統(tǒng)安全通道節(jié)約了成本。
