淺談沉箱結構配筋設計

高迎歆 詹坤豫

摘 要：沉箱結構因其承載能力高、耐久性好、施工速度快、整體性好等優點，成為設計單位優先考慮的結構形式，在碼頭、防波堤等結構設計中得到了廣泛應用。而沉箱配筋的計算作為沉箱設計的基礎，對沉箱結構的承載力和耐久性起著至關重要的作用。本文通過對沉箱結構配筋計算的研究，分享淺薄的設計經驗。

關鍵詞：沉箱 配筋設計

1.前言

目前，國內常規沉箱結構主要包括底板、外墻、內隔墻及墻趾等，沉箱配筋計算首先要依據《重力式碼頭設計與施工規范》JTS167-2-2009的規定對各構件在施工期和使用期進行內力計算，再依據《水運工程混凝土結構設計規范》JTS151-2011對各構件進行配筋計算，并驗算裂縫寬度。本文根據實際項目對沉箱配筋的過程和注意事項加以研究，供設計人員參考。

2.工程概況

2.1項目簡介

某沉箱碼頭工程總長680m，設計船型為70000DWT集裝箱船，設計使用年限50年，結構安全等級二級，地震烈度為VIII度，地震動峰值加速度為0.20g。

2.2設計水位

本工程設計水位如下（當地理論潮面）：

極端高水位：5.10m

設計高水位：3.14m

設計低水位：0.43m

極端低水位：-0.17m

2.3設計波浪

本項目50年一遇設計波浪要素如表1（單位：m）。

2.4設計荷載

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），岸橋后軌至堆場邊沿為20kPa，堆場區域為50kPa（集裝箱考慮堆箱五層），軌道兩側1.5m范圍不考慮堆貨荷載。

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

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

④流動機械荷載：60噸集裝箱拖掛車、電動輪胎式集裝箱龍門起重機、軌道式龍門起重機（輪數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沉箱結構尺寸

沉箱結構尺寸為19.02m（長）×15.6m（寬）×18.63m（高），前壁厚400mm，后壁厚350mm，側壁后350mm，內隔墻厚250mm，底板厚450mm，前趾寬1000mm，倉格尺寸4450mm×4430mm，倉格內回填砂（含泥量≤5%，φ≥28°），后方為 10-100kg拋石棱體，加強角尺寸為200mm×200mm。

3.設計思路

本項目沉箱配筋設計思路如下：

（1）荷載標準值和設計值計算：包括水壓力，水流力，土壓力，波浪力，船舶荷載，貯倉壓力等；

（2）確定荷載組合情況；

（3）根據《重力式碼頭設計與施工規范》5.2節相關規定，利用《豐海港口工程計算系統》計算沉箱各構件在施工期和使用期各荷載組合條件下的內力包絡值；

（4）根據《水運工程混凝土結構設計規范》第5章相關規定，利用上述計算的沉箱內力，計算承載能力極限狀態的配筋所需截面面積；

（5）根據《水運工程混凝土結構設計規范》6.4節相關規定，驗算沉箱各構件正常使用極限狀態下的裂縫寬度是否滿足規范限值，并以此調整結構配筋。

4.沉箱內力計算

沉箱箱內填料，箱頂為胸墻和回填料，沉箱陸側為拋石棱體及回填料，海側為海水。沉箱內力計算應按照《重力式碼頭設計與施工規范》5.2.7和5.2.8條對構件的內力計算圖示的規定進行：

（1）沉箱外壁：對于水下區部分，按三邊固定一邊簡支板計算；對于水位變動區和浪濺區部分，按兩端固定的連續板計算；

（2）內隔墻：箱格填料高差小于1m時按軸心受拉計算，箱格填料頂面高差大于1m時，按偏心受拉計算；

（3）沉箱底板：按四邊固定板計算；

（4）墻趾：按懸臂板計算。

根據上述計算原理，利用《豐海港口工程計算系統》，計算出沉箱在各水位條件下每種荷載組合的內力值（以每延米計），據此可以得出沉箱各結構的內力包絡值。本項目沉箱各構件內力包絡值計算結果如表2（以沉箱前壁計算為例）。

5.沉箱配筋計算

沉箱結構配筋計算包含兩部分內容：沉箱承載能力極限狀態配筋計算（強度計算）和正常使用極限狀態裂縫寬度驗算（裂縫驗算）。其中，裂縫寬度驗算應采用JTS151-2011《水運工程混凝土結構設計規范》6.4.2條公式計算：

經計算，上述沉箱配筋方式滿足規范要求。

6.沉箱配筋注意事項

6.1沉箱配筋計算模型分析

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

對于內隔墻，相鄰箱格填料頂高差大于1m時，98版重力式碼頭規范規定按照受彎構件計算，而09版規范規定按照軸心受拉和偏心受拉構件計算。而實際情況是相鄰箱格填料頂高差大于1m或一個箱格頂部有荷載而另一個箱格頂部無荷載時，貯倉壓力會使內隔墻成為彎拉構件。

經舉例測算，對于前壁和隔墻，按照彎拉構件模型計算所需配筋面積比按照純彎構件模型和軸心受拉構件模型計算面積分別增加約20%（前壁）和35%（隔墻），在配筋計算時，若按規范規定的純彎構件計算，在驗算裂縫寬度時，建議將裂縫寬度限值定為0.24mm（水下區）和0.16mm（水位變動區和浪濺區）。

6.2裂縫寬度驗算系數取值

在沉箱裂縫寬度驗算公式中，α1、α2、α3三個系數的取值尤為關鍵。其中對于外壁、底板及墻趾，α1按受彎構件取為1.0，對于內隔墻，偏心受拉時取為1.1，軸心受拉時取為1.2。α2的取值較為簡單，只與鋼筋表面形狀有關，光圓鋼筋為1.4，帶肋鋼筋為1.5。而α3的取值最為復雜，對于前壁、側壁及底板，在施工期浮運過程中，內側受拉，外側受壓，故內側鋼筋α3取為1.0，對于后壁，需根據荷載組合情況判定內側受拉時最不利情況出現在施工期（α3取1.0）或是使用期（α3取1.5）；而在碼頭使用期，對于外壁及底板，由于貯倉壓力及波吸力等因素的影響，外側受拉，內側受壓，故外側鋼筋α3取為1.5。

6.3沉箱配筋經濟性做法

（1）支座處設置短筋。若簡化設計，將支座和跨中按照各自彎矩通長配筋，會使鋼筋量增加，對于大型沉箱碼頭結構影響尤其明顯，造成成本浪費。因此在配筋計算過程中，若遇到支座處彎矩大于跨中彎矩的情況時，應先滿足跨中彎矩要求，進行通長配筋，再滿足支座處彎矩要求，設置短筋（插筋），并滿足構造要求。

本文所列計算結果中均為支座處設置短筋的方案，以前壁外側豎向配筋為例，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約約55%，可使支座處鋼筋重量減少約40%。

（2）保護層厚度選取。沉箱各構件保護層厚度選取應有所區分，內隔墻保護層厚度取35mm，外壁內側取40mm，外壁外側取50mm，底板和墻趾保護層厚度取為40mm。按以上保護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。

經舉例測算（以前壁內側為例），若外壁內側保護層厚度取為50mm，則需鋼筋截面1900mm2；若保護層厚度取為40mm，則需鋼筋截面1570mm2，鋼筋可節約約17%。

6.4其他

（1）裂縫寬度驗算限值。沉箱結構各構件最大裂縫寬度限值應滿足《水運工程混凝土結構設計規范》的有關規定，對于底板及墻趾，限值為0.30mm；對于沉箱外壁在底板以上1.5倍內隔墻間距區段，限值為0.3mm；對于1.5倍內隔墻間距以上區段，限值為0.2mm；對于內隔墻，限值為0.3mm。在沉箱配筋計算過程中，應明確限值，避免過度設計。

（2）構造配筋。沉箱構造配筋主要包括加強角構造筋及各構件支座處構造筋，其形狀尺寸在《水運工程混凝土結構設計規范》中都有明確的規定。構造配筋作為最易被忽視的內容，往往對結構的耐久性起著至關重要的作用，在設計中應高度重視。

7.結語

沉箱結構配筋設計是其他構件配筋的綜合應用，是沉箱碼頭設計的基礎。在設計過程中，應充分考慮實際計算模型與規范計算模型之間的差異，在驗算裂縫寬度時應留有一定的富于；在配筋計算時，應明確最小保護層厚度，并通過設置短筋的方式來降低工程造價，將成本與質量做到最優。

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