淺談沉箱結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)

高迎歆 詹坤豫

摘 要：沉箱結(jié)構(gòu)因其承載能力高、耐久性好、施工速度快、整體性好等優(yōu)點(diǎn)，成為設(shè)計(jì)單位優(yōu)先考慮的結(jié)構(gòu)形式，在碼頭、防波堤等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。而沉箱配筋的計(jì)算作為沉箱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，對(duì)沉箱結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性起著至關(guān)重要的作用。本文通過對(duì)沉箱結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算的研究，分享淺薄的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：沉箱 配筋設(shè)計(jì)

1.前言

目前，國(guó)內(nèi)常規(guī)沉箱結(jié)構(gòu)主要包括底板、外墻、內(nèi)隔墻及墻趾等，沉箱配筋計(jì)算首先要依據(jù)《重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》JTS167-2-2009的規(guī)定對(duì)各構(gòu)件在施工期和使用期進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，再依據(jù)《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》JTS151-2011對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行配筋計(jì)算，并驗(yàn)算裂縫寬度。本文根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目對(duì)沉箱配筋的過程和注意事項(xiàng)加以研究，供設(shè)計(jì)人員參考。

2.工程概況

2.1項(xiàng)目簡(jiǎn)介

某沉箱碼頭工程總長(zhǎng)680m，設(shè)計(jì)船型為70000DWT集裝箱船，設(shè)計(jì)使用年限50年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)，地震烈度為VIII度，地震動(dòng)峰值加速度為0.20g。

2.2設(shè)計(jì)水位

本工程設(shè)計(jì)水位如下（當(dāng)?shù)乩碚摮泵妫?/p>

極端高水位：5.10m

設(shè)計(jì)高水位：3.14m

設(shè)計(jì)低水位：0.43m

極端低水位：-0.17m

2.3設(shè)計(jì)波浪

本項(xiàng)目50年一遇設(shè)計(jì)波浪要素如表1（單位：m）。

2.4設(shè)計(jì)荷載

①均載：岸橋前軌至碼頭前沿線均載為20kPa，兩軌之間均載為30kPa（考慮堆箱兩層），岸橋后軌至堆場(chǎng)邊沿為20kPa，堆場(chǎng)區(qū)域?yàn)?0kPa（集裝箱考慮堆箱五層），軌道兩側(cè)1.5m范圍不考慮堆貨荷載。

②裝卸機(jī)械荷載：65t-50m岸橋，軌距30m，基距15.15m，單腿10輪.輪距1.2 m，兩臺(tái)大機(jī)間最小間距2m，岸橋工作狀態(tài)下最大輪壓50t/輪，非工作狀態(tài)下最大輪壓65t/輪。

③艙蓋板荷載：艙蓋板堆放區(qū)按堆放4層艙蓋板考慮，底部支座4個(gè)，每個(gè)支座大小200mm×180mm、荷載325kN。

④流動(dòng)機(jī)械荷載：60噸集裝箱拖掛車、電動(dòng)輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)、軌道式龍門起重機(jī)（輪數(shù)6×4，輪距1.0m，輪壓30噸/輪）、70t汽車吊。

⑤船舶荷載：船舶系纜力（940kN）；船舶撞擊力696kN；船舶擠靠力342kN。

2.5沉箱結(jié)構(gòu)尺寸

沉箱結(jié)構(gòu)尺寸為19.02m（長(zhǎng)）×15.6m（寬）×18.63m（高），前壁厚400mm，后壁厚350mm，側(cè)壁后350mm，內(nèi)隔墻厚250mm，底板厚450mm，前趾寬1000mm，倉(cāng)格尺寸4450mm×4430mm，倉(cāng)格內(nèi)回填砂（含泥量≤5%，φ≥28°），后方為 10-100kg拋石棱體，加強(qiáng)角尺寸為200mm×200mm。

3.設(shè)計(jì)思路

本項(xiàng)目沉箱配筋設(shè)計(jì)思路如下：

（1）荷載標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值計(jì)算：包括水壓力，水流力，土壓力，波浪力，船舶荷載，貯倉(cāng)壓力等；

（2）確定荷載組合情況；

（3）根據(jù)《重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》5.2節(jié)相關(guān)規(guī)定，利用《豐海港口工程計(jì)算系統(tǒng)》計(jì)算沉箱各構(gòu)件在施工期和使用期各荷載組合條件下的內(nèi)力包絡(luò)值；

（4）根據(jù)《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第5章相關(guān)規(guī)定，利用上述計(jì)算的沉箱內(nèi)力，計(jì)算承載能力極限狀態(tài)的配筋所需截面面積；

（5）根據(jù)《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》6.4節(jié)相關(guān)規(guī)定，驗(yàn)算沉箱各構(gòu)件正常使用極限狀態(tài)下的裂縫寬度是否滿足規(guī)范限值，并以此調(diào)整結(jié)構(gòu)配筋。

4.沉箱內(nèi)力計(jì)算

沉箱箱內(nèi)填料，箱頂為胸墻和回填料，沉箱陸側(cè)為拋石棱體及回填料，海側(cè)為海水。沉箱內(nèi)力計(jì)算應(yīng)按照《重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》5.2.7和5.2.8條對(duì)構(gòu)件的內(nèi)力計(jì)算圖示的規(guī)定進(jìn)行：

（1）沉箱外壁：對(duì)于水下區(qū)部分，按三邊固定一邊簡(jiǎn)支板計(jì)算；對(duì)于水位變動(dòng)區(qū)和浪濺區(qū)部分，按兩端固定的連續(xù)板計(jì)算；

（2）內(nèi)隔墻：箱格填料高差小于1m時(shí)按軸心受拉計(jì)算，箱格填料頂面高差大于1m時(shí)，按偏心受拉計(jì)算；

（3）沉箱底板：按四邊固定板計(jì)算；

（4）墻趾：按懸臂板計(jì)算。

根據(jù)上述計(jì)算原理，利用《豐海港口工程計(jì)算系統(tǒng)》，計(jì)算出沉箱在各水位條件下每種荷載組合的內(nèi)力值（以每延米計(jì)），據(jù)此可以得出沉箱各結(jié)構(gòu)的內(nèi)力包絡(luò)值。本項(xiàng)目沉箱各構(gòu)件內(nèi)力包絡(luò)值計(jì)算結(jié)果如表2（以沉箱前壁計(jì)算為例）。

5.沉箱配筋計(jì)算

沉箱結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算包含兩部分內(nèi)容：沉箱承載能力極限狀態(tài)配筋計(jì)算（強(qiáng)度計(jì)算）和正常使用極限狀態(tài)裂縫寬度驗(yàn)算（裂縫驗(yàn)算）。其中，裂縫寬度驗(yàn)算應(yīng)采用JTS151-2011《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》6.4.2條公式計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算，上述沉箱配筋方式滿足規(guī)范要求。

6.沉箱配筋注意事項(xiàng)

6.1沉箱配筋計(jì)算模型分析

對(duì)于沉箱外壁尤其是前壁，在由沉箱上部使用均載導(dǎo)致的貯倉(cāng)壓力作用下（填料和倉(cāng)壁之間有摩擦力存在），沉箱外壁承受拉力；而在波浪力和貯倉(cāng)壓力的作用下，沉箱外壁受彎，故為彎拉構(gòu)件。

對(duì)于內(nèi)隔墻，相鄰箱格填料頂高差大于1m時(shí)，98版重力式碼頭規(guī)范規(guī)定按照受彎構(gòu)件計(jì)算，而09版規(guī)范規(guī)定按照軸心受拉和偏心受拉構(gòu)件計(jì)算。而實(shí)際情況是相鄰箱格填料頂高差大于1m或一個(gè)箱格頂部有荷載而另一個(gè)箱格頂部無(wú)荷載時(shí)，貯倉(cāng)壓力會(huì)使內(nèi)隔墻成為彎拉構(gòu)件。

經(jīng)舉例測(cè)算，對(duì)于前壁和隔墻，按照彎拉構(gòu)件模型計(jì)算所需配筋面積比按照純彎構(gòu)件模型和軸心受拉構(gòu)件模型計(jì)算面積分別增加約20%（前壁）和35%（隔墻），在配筋計(jì)算時(shí)，若按規(guī)范規(guī)定的純彎構(gòu)件計(jì)算，在驗(yàn)算裂縫寬度時(shí)，建議將裂縫寬度限值定為0.24mm（水下區(qū)）和0.16mm（水位變動(dòng)區(qū)和浪濺區(qū)）。

6.2裂縫寬度驗(yàn)算系數(shù)取值

在沉箱裂縫寬度驗(yàn)算公式中，α1、α2、α3三個(gè)系數(shù)的取值尤為關(guān)鍵。其中對(duì)于外壁、底板及墻趾，α1按受彎構(gòu)件取為1.0，對(duì)于內(nèi)隔墻，偏心受拉時(shí)取為1.1，軸心受拉時(shí)取為1.2。α2的取值較為簡(jiǎn)單，只與鋼筋表面形狀有關(guān)，光圓鋼筋為1.4，帶肋鋼筋為1.5。而α3的取值最為復(fù)雜，對(duì)于前壁、側(cè)壁及底板，在施工期浮運(yùn)過程中，內(nèi)側(cè)受拉，外側(cè)受壓，故內(nèi)側(cè)鋼筋α3取為1.0，對(duì)于后壁，需根據(jù)荷載組合情況判定內(nèi)側(cè)受拉時(shí)最不利情況出現(xiàn)在施工期（α3取1.0）或是使用期（α3取1.5）；而在碼頭使用期，對(duì)于外壁及底板，由于貯倉(cāng)壓力及波吸力等因素的影響，外側(cè)受拉，內(nèi)側(cè)受壓，故外側(cè)鋼筋α3取為1.5。

6.3沉箱配筋經(jīng)濟(jì)性做法

（1）支座處設(shè)置短筋。若簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，將支座和跨中按照各自彎矩通長(zhǎng)配筋，會(huì)使鋼筋量增加，對(duì)于大型沉箱碼頭結(jié)構(gòu)影響尤其明顯，造成成本浪費(fèi)。因此在配筋計(jì)算過程中，若遇到支座處彎矩大于跨中彎矩的情況時(shí)，應(yīng)先滿足跨中彎矩要求，進(jìn)行通長(zhǎng)配筋，再滿足支座處彎矩要求，設(shè)置短筋（插筋），并滿足構(gòu)造要求。

本文所列計(jì)算結(jié)果中均為支座處設(shè)置短筋的方案，以前壁外側(cè)豎向配筋為例，跨中配筋為C 1 2 @ 2 0 0 m m，支座配筋為C12@200mm+C16@200mm（插筋）。若按照通長(zhǎng)配筋，則跨中和支座處需C18@200mm。因此，配置短筋的方式可使跨中鋼筋截面面積節(jié)約約55%，可使支座處鋼筋重量減少約40%。

（2）保護(hù)層厚度選取。沉箱各構(gòu)件保護(hù)層厚度選取應(yīng)有所區(qū)分，內(nèi)隔墻保護(hù)層厚度取35mm，外壁內(nèi)側(cè)取40mm，外壁外側(cè)取50mm，底板和墻趾保護(hù)層厚度取為40mm。按以上保護(hù)層厚度配筋可使混凝土有效高度增加，以增加鋼筋的有效利用率。

經(jīng)舉例測(cè)算（以前壁內(nèi)側(cè)為例），若外壁內(nèi)側(cè)保護(hù)層厚度取為50mm，則需鋼筋截面1900mm2；若保護(hù)層厚度取為40mm，則需鋼筋截面1570mm2，鋼筋可節(jié)約約17%。

6.4其他

（1）裂縫寬度驗(yàn)算限值。沉箱結(jié)構(gòu)各構(gòu)件最大裂縫寬度限值應(yīng)滿足《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，對(duì)于底板及墻趾，限值為0.30mm；對(duì)于沉箱外壁在底板以上1.5倍內(nèi)隔墻間距區(qū)段，限值為0.3mm；對(duì)于1.5倍內(nèi)隔墻間距以上區(qū)段，限值為0.2mm；對(duì)于內(nèi)隔墻，限值為0.3mm。在沉箱配筋計(jì)算過程中，應(yīng)明確限值，避免過度設(shè)計(jì)。

（2）構(gòu)造配筋。沉箱構(gòu)造配筋主要包括加強(qiáng)角構(gòu)造筋及各構(gòu)件支座處構(gòu)造筋，其形狀尺寸在《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中都有明確的規(guī)定。構(gòu)造配筋作為最易被忽視的內(nèi)容，往往對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性起著至關(guān)重要的作用，在設(shè)計(jì)中應(yīng)高度重視。

7.結(jié)語(yǔ)

沉箱結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)是其他構(gòu)件配筋的綜合應(yīng)用，是沉箱碼頭設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮實(shí)際計(jì)算模型與規(guī)范計(jì)算模型之間的差異，在驗(yàn)算裂縫寬度時(shí)應(yīng)留有一定的富于；在配筋計(jì)算時(shí)，應(yīng)明確最小保護(hù)層厚度，并通過設(shè)置短筋的方式來(lái)降低工程造價(jià)，將成本與質(zhì)量做到最優(yōu)。

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