浅谈沉箱模板设计与受力分析

胡伟+翁同和

摘 要：某码头工程采用重力式沉箱结构，沉箱做为本工程的重要组成部分，沉箱预制质量直接影响整个码头的稳定性。沉箱模板设计是否合理对沉箱预制的质量有很大影响。论文通过设计沉箱模板的受力分析，以保证安全保质的完成沉箱预制工作。

关键词：重力式码头 沉箱模板 结构设计 受力分析

重力式码头是我国分布较广、使用较多的一种码头结构形式。其坚固耐久，抗冻和抗冰性能好；能承受较大的地面荷载和船舶荷载，对较大的集中荷载以及码头地面超载和装卸工艺变化适应性较强；施工比较简单，维修费用少，是比较受港务部门和建设单位欢迎的码头结构形式之一。沉箱预制是本工程施工的关键环节，是工程的重点和难点之一，也是业主最为关心的工序。

1.沉箱模板结构设计

1.1模板结构设计原则

应保证混凝土结构的质量，要求接缝严密，不漏浆；保证构件的形状尺寸和相互位置的正确；模板的构造简单，支拆方便；保证在施工过程中，不变形，不破坏，不倒塌；针对工程结构的具体情况，因地制宜，就地取材，在确保工期、质量的前提下，尽量减少一次性投入，增加模板周转，减少支拆用工，实现文明施工。

1.2模板结构设计方案

基于上述设计原则本工程模板选用某工程1000t沉箱模板进行改造，本工程沉箱设计为600t，两种沉箱结构尺寸相似，具备改造条件。根据沉箱的结构特点，沉箱模板分为底板和侧墙两个型式，底板模板设计考虑沉箱脚趾尺寸，防止混凝土浇筑时模板上浮。

面层模板采用5mm厚的钢板，模板固定在横楞、竖向钢桁架上。面板后横向设8#槽钢横向加劲肋，间距300mm；面板后纵向设小纵肋，5mm厚钢板，间距300mm竖桁架高度为750mm，最大间距600mm，由横肋8#槽钢传导至竖桁架节点处得集中力。桁架上下弦杆采用双拼5#槽钢，腹杆采用5#槽钢，节点间距600mm。内侧模板面层设置相应型钢横肋和直楞，中间设置3道井字形支撑，两端带顶紧调节螺杆，为方便钢筋帮扎设置下层操作平台。为平衡混凝土侧压力，内模设置中间吊装架，用可调式铰与中间吊装架连接。施工过程内外模板之间不设置穿过混凝土结构的对拉螺栓，外模通过底层混凝土结构内预留M36圆台螺母进行定位，圆台螺母为 Q235钢。上层侧模全部安装就位后，吊装上层操作平台，以方便混凝土的浇筑。在沉箱上层浇筑时，在下方设置外挂操作平台，以方便钢筋绑扎施工。具体构造详见图1。

2.沉箱模板受力分析

2.1模板荷载分析

模板工程属于临时工程。本文主要针对沉箱上层侧模板设计，由于我国目前还没有临时性工程的设计规范，所以只能按正式结构设计规范执行，根据施工手册“8-6现浇混凝土结构模板的设计”荷载计算指导进行计算。

2.2模板受力计算

2.2.1分析计算内容

对于模板的受力计算，将模板各部分受力状态简化为数学模型通过结构力学以及材料力学知识对其进行受力分析，以验算其强度与刚度是否承受得住施工过程中产生的荷载。本沉箱模板主要从以下几个方面进行：

模板侧压力分析；沉箱模板面板的强度、刚度分析；沉箱模板小纵肋、横肋强度、刚度分析；沉箱模板背楞桁架强度、刚度分分析；沉箱模板螺栓拉杆强度分析。2.2.2载荷分析

模板的侧向压力主要是由新浇筑的砼对模板产生的侧压力P1和倾倒砼时对模板产生的水平动力荷载P2两部分组成。根据《水运工程混凝土施工规范》（JTS202-2011）附录F.1.6推荐的公式，采用插入式振捣器时，砼最大侧

压力为：Pmax=P1+P2

1）建立计算模型

面板后由横肋8与5mm厚的钢板条做肋板加强，横肋间距@300mm，钢板条间距@300mm，将沉箱面板划分为300mm×300mm的小区格，属于双向板。根据建筑施工手册第四版2常用结构计算章节内容，将此面板区格按三面固结、一面简支的最不利受力情况进行计算。

2）强度、刚度分析

取1mm宽的板条作为计算单元，将其简化一端简支、一端固定梁，受到均布荷载的模型进行计算。通过查表（建筑施工手册第四版2常用结构计算2-1荷载与结构静力计算表）可算出面板强度最大挠度变形以及承受最大弯矩Mmax。通过计算1mm宽的面板截面最大抵抗矩，验算模板强度是否符合要求。

2.2.3小纵肋强度、刚度分析

1）建立计算模型

在本工程模板中，小纵肋长度间距为300mm（横肋间距），由于小纵肋满焊在横肋上，因此纵肋两端受固定荷载，对小纵肋受力分析按照两端固定梁进行计算。

2）强度、刚度分析

由于小纵肋间距较小，与面板共同工作承受荷载。因此进行强度计算时界面应按照T形进行考虑。

3）横肋强度、刚度分析

横肋板采用8#槽钢，间距300mm一道，横肋主要承受面板传递的荷载，横肋后设纵向桁架，交界处桁架提供竖向反力，因此按照支撑撑在竖向桁架上的连续梁计算，其跨距等于竖向桁架的间距为600mm，按五跨连续梁建立模型进行计算。

4）纵向强度、刚度分析

竖桁架高度为750mm，最大间距600mm，由横肋8传导至竖桁架节点处得集中力F。桁架图如图2。

模型建立：纵向桁架上部由对拉螺杆与内模板体系进行固定，下部通过施工过程中预埋锥头螺母与已浇筑完成的下层沉箱结构进行固定，上下弦杆和腹杆基本轴向受力，因此可简化为二力杆建立模型进行计算。通过正交分解进行受力分析，计算杆件受到应力大小。进行挠度计算时，桁架挠度可近似的按几个集中荷载作用下简支梁的最大挠度公式进行验算。

5）模板螺栓拉杆受力分析

桁架底部采用M24螺栓与沉箱内预留圆台螺母连接，M24螺栓间距取600mm，M24螺栓同时承受拉力和剪力，顶部螺栓采用M24螺栓与沉箱内芯模桁架连接，M24螺栓间距取600mm，只考虑承受拉力。

底部螺栓剪力荷载主要考虑模板自重与施工荷载，拉力主要考虑混凝土侧压力。

顶部螺栓拉力考虑混凝土侧压力即可，因采取与底部螺栓同样型号，可不进行剪力计算。

3.结语

经过分析，此模板设计满足施工要求，但设计过于保守。此模板原为1000t沉箱模板改造后用于本工程使用。由于对现有模板改造比制作一个新模板节省需费，所以对于本工程此模板稍显保守。若制作新模板可进行以下调整以节约成本：减小面板厚度，选用4mm钢板；横肋选用较小的槽钢；改变纵向桁架结构，采用较大槽钢代替双槽钢已节约材料；在水工行业内涉及到许多大型混凝土构件施工，模板设计合理与否，对钢材的利用率以及成本有很大影响。因此，本文讨论的模型分析可以为以后模板设计提供理论依据。

参考文献：

[1]韩理安.港口水工建筑物[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2]中国建筑工业出版社.施工手册（第四版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[3]水运工程混凝土施工规范[S].北京：人民交通出版社，JTS202-2011.endprint