沉箱倉格牛腿設(shè)計優(yōu)化

姚耿哲

（中交四航局第二工程有限公司）

0 引言

沉箱是一種巨型的鋼筋混凝土空箱，箱內(nèi)用橫縱隔墻隔成若干艙格，其在重力式碼頭中作為碼頭結(jié)構(gòu)的墻身是比較常見的一種設(shè)計。在常規(guī)重力式沉箱碼頭設(shè)計中，沉箱倉格通常采用中粗砂回填至頂面，但在部分設(shè)計中靠碼頭前沿的倉格回填砂不回填至頂面，使得上部胸墻結(jié)構(gòu)與回填砂之間存在空倉結(jié)構(gòu)，需設(shè)計倉格蓋板作為底模支撐胸墻結(jié)構(gòu)施工。倉格蓋板采用鋼筋混凝土牛腿進(jìn)行支撐，沉箱內(nèi)模板多為整體組合內(nèi)膽，安裝、拆除垂直提升即可，而鋼筋混凝土牛腿致使常規(guī)內(nèi)模板無法正常安裝、拆除或安裝、拆除時間較長，影響沉箱預(yù)制工期。需要對沉箱倉格牛腿設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，以解決上述問題。

1 工程背景

廣東陸豐甲湖灣電廠新建工程配套碼頭工程（下文簡稱“本工程”）建設(shè)內(nèi)容包含310m 的10 萬噸級卸煤碼頭泊位，煤碼頭共有沉箱13 件，沉箱為方形，平均自重約4716t，最大自重4938t。

單件沉箱有倉格24 個（4×6），其中前沿第一排倉格回填中粗砂至-11.0m，不回填至頂面，在沉箱頂部設(shè)置鋼筋混凝土牛腿，用于沉箱倉格蓋板支撐，倉格蓋板尺寸4.2×3.86m，厚度0.4m，上部胸墻高3.78m。

2 原施工方案

在沉箱預(yù)制中，為實現(xiàn)鋼筋混凝土牛腿預(yù)制成型，原有沉箱標(biāo)準(zhǔn)層沉箱內(nèi)模無法使用，需增加1 套6 件異形內(nèi)模，根據(jù)牛腿尺寸設(shè)計。

安裝過程中，由于牛腿鋼筋的影響，需先將內(nèi)模板收縮吊入后，再用千斤頂支撐開，螺栓固定限位，最后進(jìn)行四個倒角的小模板吊裝。拆除過程中，人工將內(nèi)模四個倒角的模板螺栓松除，逐個吊起拆除倒角小模板，再松除4 個面的固定限位螺栓，收縮模板，提升拆除內(nèi)模。模板安裝、拆除工序繁瑣，時間長，拆除時間為正常內(nèi)模的4～5 倍，影響施工工期。

3 沉箱倉格牛腿設(shè)計優(yōu)化方案

為降低預(yù)制過程中模板安裝、拆除難度，節(jié)省時間，同時保障后續(xù)倉格蓋板安裝和胸墻澆筑施工，提出以下2 個設(shè)計優(yōu)化方案。

3.1 鋼支撐方案

3.1.1 方案概況

取消原有鋼筋混凝土牛腿，采用鋼支撐設(shè)計。在沉箱倉格兩端采用27a 工字鋼支撐倉格蓋板，27a 工字鋼兩端采用I18 工字鋼，跨中采用鋼牛腿進(jìn)行支撐。另外，采用25mm 鋼筋與10# 槽鋼反吊倉格蓋板。鋼牛腿由10mm 鋼板組合焊接而成，由3 個M30 預(yù)留圓臺螺栓支撐固定。

3.1.2 復(fù)核驗算

⑴荷載設(shè)計值

鋼梁I27a 工字鋼長3.8m，其承受蓋板自重及胸墻混凝土自重，倉格長4.24m，寬3.9m，其荷載計算如式⑴。

⑵鋼梁結(jié)構(gòu)驗算

采用midas gen 有限元軟件建模計算，計算結(jié)果如圖1～圖3。鋼梁最大應(yīng)力為195.6MPa＜205MPa，滿足要求。

圖1 鋼梁彎矩圖

圖2 鋼梁支座反力圖

⑶支座驗算

I18 工字鋼及牛腿作為鋼梁支座，其抗剪強(qiáng)度分別驗算如下：

工字鋼I18，承受支座反力243.6kN，作用在I18 一側(cè)支座端，故剪力近似取243.6Kn，剪力最大處兩側(cè)焊10mm鋼板加強(qiáng)，近似按豎向鋼板承受剪力如式⑵。

78MPa＜125MPa，滿足要求。

鋼牛腿螺栓采用8.8 級螺栓M30，設(shè)計抗剪強(qiáng)度為320MPa，3 個螺栓設(shè)計抗剪承載力如式⑶。

678kN＞526.7kN，滿足要求。

3.1.3 施工方法

鋼支撐施工方法步驟如下：

⑴前期準(zhǔn)備工作。包含以下工作：①沉箱頂層預(yù)制期間內(nèi)，在距離沉箱倉格頂部一定距離位置處預(yù)埋鋼支座支撐的3 個圓臺螺栓；②按設(shè)計圖紙加工鋼梁、反吊槽鋼與反吊鋼筋；

⑵鋼支座、I18 工字鋼安裝。人工采用螺栓將鋼支座與預(yù)埋螺栓連接固定，I18 工字鋼固定至預(yù)留槽口；

⑶鋼梁安裝。挖掘機(jī)將I27a 工字鋼吊裝至鋼支座、I18 工字鋼上，焊接簡單固定；

圖3 鋼梁應(yīng)力圖

⑷倉格蓋板與反吊裝置安裝。履帶吊將倉格蓋板吊起至安裝位置，緩慢下落至鋼支座頂面，人工將反吊鋼筋連接倉格蓋板與10#槽鋼連接固定；

⑸砂漿灌封。倉格蓋板與倉格之間的縫隙采用橡膠墊填塞，并用砂漿灌封處理。

3.1.4 工程量統(tǒng)計

經(jīng)計算，單件沉箱鋼支撐需鋼材7.56 噸，共13 件沉箱，鋼材總計98.32 噸。

3.2 鋼牛腿方案

3.2.1 方案概況

取消原有鋼筋混凝土牛腿，采用鋼牛腿設(shè)計。在沉箱倉格兩端各采用3 個鋼牛腿支撐倉格蓋板，根據(jù)倉格的形式分為鋼牛腿一和鋼牛腿二，由壁厚15mm 的鋼板焊接組合而成。

3.2.2 復(fù)核驗算

⑴牛腿驗算

采用midas civil 有限元軟件建模計算，所有部件均采用板單元模擬，板單元網(wǎng)格劃分尺寸有三種，分別為25mm×6.25mm（上牛腿肋板）、20mm×25mm（上牛腿前部加強(qiáng)板）、25mm×25mm（除以上所有部位）。鋼板連接采用共用節(jié)點(diǎn)模擬，板厚按設(shè)計圖添加，螺栓處增設(shè)加強(qiáng)板，此處板厚為30mm。1 號鋼板（背板）緊貼墻面部分的所有節(jié)點(diǎn)均約束面板法向位移（X 向）；每個對拉螺栓采用對應(yīng)面板的4 個節(jié)點(diǎn)約束法向位移（X 向），上牛腿根部約束垂直向位移（Z 向）。

由于牛腿肋板剛度相對于牛腿頂板的剛度大很多，故荷載按直接作用在肋板頂面上模擬，由肋板頂部節(jié)點(diǎn)數(shù)平均分配，下牛腿的肋板承受荷載的節(jié)點(diǎn)數(shù)為24，故單個節(jié)點(diǎn)添加的荷載值如式⑷。

最大應(yīng)力為183.12MPa＜1.1×205MPa。

⑵螺栓驗算

5.6 級M24 螺栓平衡支座彎矩而產(chǎn)生拉力：

抗拉承載力：

3.2.3 施工方法

鋼支撐施工方法步驟如下：

⑴前期準(zhǔn)備工作。按設(shè)計圖紙加工鋼牛腿；

⑵鋼牛腿安裝。人工按照布置形式將鋼牛腿安裝至沉箱倉格頂部；

⑶倉格蓋板安裝。履帶吊將倉格蓋板吊起至安裝位置，緩慢下落至鋼牛腿頂面；

⑷砂漿灌封。倉格蓋板與倉格之間的縫隙采用橡膠墊填塞，并用砂漿灌封處理。

3.2.4 工程量統(tǒng)計

經(jīng)計算，單件沉箱鋼牛腿需鋼材3.824t，共11 件沉箱，鋼材總計49.712 噸。

4 優(yōu)化方案比選

對鋼支撐方案和鋼牛腿方案進(jìn)行分析比選，兩個方案均取消了鋼筋混凝土牛腿設(shè)置，但在操作性、安全性、鋼材消耗量、經(jīng)濟(jì)性上存在一定差異，分析如下：

方案1：鋼支撐方案:優(yōu)點(diǎn)是無需新增沉箱異形預(yù)制內(nèi)模，采用常規(guī)內(nèi)模即可，增加內(nèi)模板使用率；節(jié)省內(nèi)模安裝、拆除時間，提高效率，縮短沉箱預(yù)制周期，施工操作相對簡單。缺點(diǎn)是單條工字鋼重量較大，需采用機(jī)械設(shè)備輔助安裝；工序較多，操作較為復(fù)雜，兩端反吊結(jié)構(gòu)需與倉格蓋板安裝結(jié)合進(jìn)行安裝；鋼材消耗量是單件沉箱鋼支撐需鋼材7.56 噸，共13 件沉箱，鋼材總計98.32 噸。

方案2：鋼牛腿方案：優(yōu)點(diǎn)是無需新增沉箱異形預(yù)制內(nèi)模，采用常規(guī)內(nèi)模即可，增加內(nèi)模板使用率；節(jié)省內(nèi)模安裝、拆除時間，提高效率，縮短沉箱預(yù)制周期；鋼牛腿重量較輕，可人工進(jìn)行安裝，減少設(shè)備投入，節(jié)省成本；鋼牛腿方案鋼材消耗量少，節(jié)省成本；施工操作簡單、安全性高，無需提前預(yù)埋螺栓，倉格蓋板直接吊裝擱置于鋼牛腿即可；缺點(diǎn)是安裝完成后需要增加一定的堵縫措施，避免胸墻混凝土滲漏；安裝過程中需確保鋼牛腿處于同一平面，保證倉格蓋板由6 個牛腿接觸平均受力，需進(jìn)行一定的安裝調(diào)整；鋼材消耗量是單件沉箱鋼牛腿需鋼材3.824t，共11 件沉箱，鋼材總計49.712噸。

方案2 在實際安裝操作過程中較鋼支撐方案更加簡單、安全，設(shè)備投入少，鋼材消耗用量為49.412t，較鋼支撐方案節(jié)省49.4%，節(jié)約費(fèi)用約25 余萬元，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

通過比選，在本工程碼頭采用鋼牛腿方案實施，經(jīng)實踐可行，且達(dá)到縮短預(yù)制沉箱工期、保障倉格蓋板和胸墻結(jié)構(gòu)施工的目的。

結(jié)合本次優(yōu)化設(shè)計，在同類項目或需反吊支撐的結(jié)構(gòu)施工中，可采用類似鋼牛腿設(shè)置，較連續(xù)鋼梁支撐能夠節(jié)省一定的鋼材，達(dá)到節(jié)省鋼材、節(jié)省成本的目的。在預(yù)制結(jié)構(gòu)施工過程中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合施工工效，引入優(yōu)化設(shè)計的思想，取消或減少異形、非常規(guī)結(jié)構(gòu)數(shù)量，通過其他方案實現(xiàn)原有異形結(jié)構(gòu)的作用，進(jìn)而達(dá)到節(jié)省投入、提高工效的效果。