淺談沉箱模板設(shè)計(jì)與受力分析

胡偉+翁同和

摘 要：某碼頭工程采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)，沉箱做為本工程的重要組成部分，沉箱預(yù)制質(zhì)量直接影響整個(gè)碼頭的穩(wěn)定性。沉箱模板設(shè)計(jì)是否合理對沉箱預(yù)制的質(zhì)量有很大影響。論文通過設(shè)計(jì)沉箱模板的受力分析，以保證安全保質(zhì)的完成沉箱預(yù)制工作。

關(guān)鍵詞：重力式碼頭 沉箱模板 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 受力分析

重力式碼頭是我國分布較廣、使用較多的一種碼頭結(jié)構(gòu)形式。其堅(jiān)固耐久，抗凍和抗冰性能好；能承受較大的地面荷載和船舶荷載，對較大的集中荷載以及碼頭地面超載和裝卸工藝變化適應(yīng)性較強(qiáng)；施工比較簡單，維修費(fèi)用少，是比較受港務(wù)部門和建設(shè)單位歡迎的碼頭結(jié)構(gòu)形式之一。沉箱預(yù)制是本工程施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一，也是業(yè)主最為關(guān)心的工序。

1.沉箱模板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1模板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

應(yīng)保證混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，要求接縫嚴(yán)密，不漏漿；保證構(gòu)件的形狀尺寸和相互位置的正確；模板的構(gòu)造簡單，支拆方便；保證在施工過程中，不變形，不破壞，不倒塌；針對工程結(jié)構(gòu)的具體情況，因地制宜，就地取材，在確保工期、質(zhì)量的前提下，盡量減少一次性投入，增加模板周轉(zhuǎn)，減少支拆用工，實(shí)現(xiàn)文明施工。

1.2模板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

基于上述設(shè)計(jì)原則本工程模板選用某工程1000t沉箱模板進(jìn)行改造，本工程沉箱設(shè)計(jì)為600t，兩種沉箱結(jié)構(gòu)尺寸相似，具備改造條件。根據(jù)沉箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，沉箱模板分為底板和側(cè)墻兩個(gè)型式，底板模板設(shè)計(jì)考慮沉箱腳趾尺寸，防止混凝土澆筑時(shí)模板上浮。

面層模板采用5mm厚的鋼板，模板固定在橫楞、豎向鋼桁架上。面板后橫向設(shè)8#槽鋼橫向加勁肋，間距300mm；面板后縱向設(shè)小縱肋，5mm厚鋼板，間距300mm豎桁架高度為750mm，最大間距600mm，由橫肋8#槽鋼傳導(dǎo)至豎桁架節(jié)點(diǎn)處得集中力。桁架上下弦桿采用雙拼5#槽鋼，腹桿采用5#槽鋼，節(jié)點(diǎn)間距600mm。內(nèi)側(cè)模板面層設(shè)置相應(yīng)型鋼橫肋和直楞，中間設(shè)置3道井字形支撐，兩端帶頂緊調(diào)節(jié)螺桿，為方便鋼筋幫扎設(shè)置下層操作平臺。為平衡混凝土側(cè)壓力，內(nèi)模設(shè)置中間吊裝架，用可調(diào)式鉸與中間吊裝架連接。施工過程內(nèi)外模板之間不設(shè)置穿過混凝土結(jié)構(gòu)的對拉螺栓，外模通過底層混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)預(yù)留M36圓臺螺母進(jìn)行定位，圓臺螺母為 Q235鋼。上層側(cè)模全部安裝就位后，吊裝上層操作平臺，以方便混凝土的澆筑。在沉箱上層澆筑時(shí)，在下方設(shè)置外掛操作平臺，以方便鋼筋綁扎施工。具體構(gòu)造詳見圖1。

2.沉箱模板受力分析

2.1模板荷載分析

模板工程屬于臨時(shí)工程。本文主要針對沉箱上層側(cè)模板設(shè)計(jì)，由于我國目前還沒有臨時(shí)性工程的設(shè)計(jì)規(guī)范，所以只能按正式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范執(zhí)行，根據(jù)施工手冊“8-6現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)模板的設(shè)計(jì)”荷載計(jì)算指導(dǎo)進(jìn)行計(jì)算。

2.2模板受力計(jì)算

2.2.1分析計(jì)算內(nèi)容

對于模板的受力計(jì)算，將模板各部分受力狀態(tài)簡化為數(shù)學(xué)模型通過結(jié)構(gòu)力學(xué)以及材料力學(xué)知識對其進(jìn)行受力分析，以驗(yàn)算其強(qiáng)度與剛度是否承受得住施工過程中產(chǎn)生的荷載。本沉箱模板主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：

模板側(cè)壓力分析；沉箱模板面板的強(qiáng)度、剛度分析；沉箱模板小縱肋、橫肋強(qiáng)度、剛度分析；沉箱模板背楞桁架強(qiáng)度、剛度分分析；沉箱模板螺栓拉桿強(qiáng)度分析。2.2.2載荷分析

模板的側(cè)向壓力主要是由新澆筑的砼對模板產(chǎn)生的側(cè)壓力P1和傾倒砼時(shí)對模板產(chǎn)生的水平動力荷載P2兩部分組成。根據(jù)《水運(yùn)工程混凝土施工規(guī)范》（JTS202-2011）附錄F.1.6推薦的公式，采用插入式振搗器時(shí)，砼最大側(cè)

壓力為：Pmax=P1+P2

1）建立計(jì)算模型

面板后由橫肋8與5mm厚的鋼板條做肋板加強(qiáng)，橫肋間距@300mm，鋼板條間距@300mm，將沉箱面板劃分為300mm×300mm的小區(qū)格，屬于雙向板。根據(jù)建筑施工手冊第四版2常用結(jié)構(gòu)計(jì)算章節(jié)內(nèi)容，將此面板區(qū)格按三面固結(jié)、一面簡支的最不利受力情況進(jìn)行計(jì)算。

2）強(qiáng)度、剛度分析

取1mm寬的板條作為計(jì)算單元，將其簡化一端簡支、一端固定梁，受到均布荷載的模型進(jìn)行計(jì)算。通過查表（建筑施工手冊第四版2常用結(jié)構(gòu)計(jì)算2-1荷載與結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算表）可算出面板強(qiáng)度最大撓度變形以及承受最大彎矩Mmax。通過計(jì)算1mm寬的面板截面最大抵抗矩，驗(yàn)算模板強(qiáng)度是否符合要求。

2.2.3小縱肋強(qiáng)度、剛度分析

1）建立計(jì)算模型

在本工程模板中，小縱肋長度間距為300mm（橫肋間距），由于小縱肋滿焊在橫肋上，因此縱肋兩端受固定荷載，對小縱肋受力分析按照兩端固定梁進(jìn)行計(jì)算。

2）強(qiáng)度、剛度分析

由于小縱肋間距較小，與面板共同工作承受荷載。因此進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)界面應(yīng)按照T形進(jìn)行考慮。

3）橫肋強(qiáng)度、剛度分析

橫肋板采用8#槽鋼，間距300mm一道，橫肋主要承受面板傳遞的荷載，橫肋后設(shè)縱向桁架，交界處桁架提供豎向反力，因此按照支撐撐在豎向桁架上的連續(xù)梁計(jì)算，其跨距等于豎向桁架的間距為600mm，按五跨連續(xù)梁建立模型進(jìn)行計(jì)算。

4）縱向強(qiáng)度、剛度分析

豎桁架高度為750mm，最大間距600mm，由橫肋8傳導(dǎo)至豎桁架節(jié)點(diǎn)處得集中力F。桁架圖如圖2。

模型建立：縱向桁架上部由對拉螺桿與內(nèi)模板體系進(jìn)行固定，下部通過施工過程中預(yù)埋錐頭螺母與已澆筑完成的下層沉箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定，上下弦桿和腹桿基本軸向受力，因此可簡化為二力桿建立模型進(jìn)行計(jì)算。通過正交分解進(jìn)行受力分析，計(jì)算桿件受到應(yīng)力大小。進(jìn)行撓度計(jì)算時(shí)，桁架撓度可近似的按幾個(gè)集中荷載作用下簡支梁的最大撓度公式進(jìn)行驗(yàn)算。

5）模板螺栓拉桿受力分析

桁架底部采用M24螺栓與沉箱內(nèi)預(yù)留圓臺螺母連接，M24螺栓間距取600mm，M24螺栓同時(shí)承受拉力和剪力，頂部螺栓采用M24螺栓與沉箱內(nèi)芯模桁架連接，M24螺栓間距取600mm，只考慮承受拉力。

底部螺栓剪力荷載主要考慮模板自重與施工荷載，拉力主要考慮混凝土側(cè)壓力。

頂部螺栓拉力考慮混凝土側(cè)壓力即可，因采取與底部螺栓同樣型號，可不進(jìn)行剪力計(jì)算。

3.結(jié)語

經(jīng)過分析，此模板設(shè)計(jì)滿足施工要求，但設(shè)計(jì)過于保守。此模板原為1000t沉箱模板改造后用于本工程使用。由于對現(xiàn)有模板改造比制作一個(gè)新模板節(jié)省需費(fèi)，所以對于本工程此模板稍顯保守。若制作新模板可進(jìn)行以下調(diào)整以節(jié)約成本：減小面板厚度，選用4mm鋼板；橫肋選用較小的槽鋼；改變縱向桁架結(jié)構(gòu)，采用較大槽鋼代替雙槽鋼已節(jié)約材料；在水工行業(yè)內(nèi)涉及到許多大型混凝土構(gòu)件施工，模板設(shè)計(jì)合理與否，對鋼材的利用率以及成本有很大影響。因此，本文討論的模型分析可以為以后模板設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓理安.港口水工建筑物[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2]中國建筑工業(yè)出版社.施工手冊（第四版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[3]水運(yùn)工程混凝土施工規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，JTS202-2011.endprint