浅谈沉箱结构配筋设计

高迎歆 詹坤豫

摘 要：沉箱结构因其承载能力高、耐久性好、施工速度快、整体性好等优点，成为设计单位优先考虑的结构形式，在码头、防波堤等结构设计中得到了广泛应用。而沉箱配筋的计算作为沉箱设计的基础，对沉箱结构的承载力和耐久性起着至关重要的作用。本文通过对沉箱结构配筋计算的研究，分享浅薄的设计经验。

关键词：沉箱 配筋设计

1.前言

目前，国内常规沉箱结构主要包括底板、外墙、内隔墙及墙趾等，沉箱配筋计算首先要依据《重力式码头设计与施工规范》JTS167-2-2009的规定对各构件在施工期和使用期进行内力计算，再依据《水运工程混凝土结构设计规范》JTS151-2011对各构件进行配筋计算，并验算裂缝宽度。本文根据实际项目对沉箱配筋的过程和注意事项加以研究，供设计人员参考。

2.工程概况

2.1项目简介

某沉箱码头工程总长680m，设计船型为70000DWT集装箱船，设计使用年限50年，结构安全等级二级，地震烈度为VIII度，地震动峰值加速度为0.20g。

2.2设计水位

本工程设计水位如下（当地理论潮面）：

极端高水位：5.10m

设计高水位：3.14m

设计低水位：0.43m

极端低水位：-0.17m

2.3设计波浪

本项目50年一遇设计波浪要素如表1（单位：m）。

2.4设计荷载

①均载：岸桥前轨至码头前沿线均载为20kPa，两轨之间均载为30kPa（考虑堆箱两层），岸桥后轨至堆场边沿为20kPa，堆场区域为50kPa（集装箱考虑堆箱五层），轨道两侧1.5m范围不考虑堆货荷载。

②装卸机械荷载：65t-50m岸桥，轨距30m，基距15.15m，单腿10轮.轮距1.2 m，两台大机间最小间距2m，岸桥工作状态下最大轮压50t/轮，非工作状态下最大轮压65t/轮。

③舱盖板荷载：舱盖板堆放区按堆放4层舱盖板考虑，底部支座4个，每个支座大小200mm×180mm、荷载325kN。

④流动机械荷载：60吨集装箱拖挂车、电动轮胎式集装箱龙门起重机、轨道式龙门起重机（轮数6×4，轮距1.0m，轮压30吨/轮）、70t汽车吊。

⑤船舶荷载：船舶系缆力（940kN）；船舶撞击力696kN；船舶挤靠力342kN。

2.5沉箱结构尺寸

沉箱结构尺寸为19.02m（长）×15.6m（宽）×18.63m（高），前壁厚400mm，后壁厚350mm，侧壁后350mm，内隔墙厚250mm，底板厚450mm，前趾宽1000mm，仓格尺寸4450mm×4430mm，仓格内回填砂（含泥量≤5%，φ≥28°），后方为 10-100kg抛石棱体，加强角尺寸为200mm×200mm。

3.设计思路

本项目沉箱配筋设计思路如下：

（1）荷载标准值和设计值计算：包括水压力，水流力，土压力，波浪力，船舶荷载，贮仓压力等；

（2）确定荷载组合情况；

（3）根据《重力式码头设计与施工规范》5.2节相关规定，利用《丰海港口工程计算系统》计算沉箱各构件在施工期和使用期各荷载组合条件下的内力包络值；

（4）根据《水运工程混凝土结构设计规范》第5章相关规定，利用上述计算的沉箱内力，计算承载能力極限状态的配筋所需截面面积；

（5）根据《水运工程混凝土结构设计规范》6.4节相关规定，验算沉箱各构件正常使用极限状态下的裂缝宽度是否满足规范限值，并以此调整结构配筋。

4.沉箱内力计算

沉箱箱内填料，箱顶为胸墙和回填料，沉箱陆侧为抛石棱体及回填料，海侧为海水。沉箱内力计算应按照《重力式码头设计与施工规范》5.2.7和5.2.8条对构件的内力计算图示的规定进行：

（1）沉箱外壁：对于水下区部分，按三边固定一边简支板计算；对于水位变动区和浪溅区部分，按两端固定的连续板计算；

（2）内隔墙：箱格填料高差小于1m时按轴心受拉计算，箱格填料顶面高差大于1m时，按偏心受拉计算；

（3）沉箱底板：按四边固定板计算；

（4）墙趾：按悬臂板计算。

根据上述计算原理，利用《丰海港口工程计算系统》，计算出沉箱在各水位条件下每种荷载组合的内力值（以每延米计），据此可以得出沉箱各结构的内力包络值。本项目沉箱各构件内力包络值计算结果如表2（以沉箱前壁计算为例）。

5.沉箱配筋计算

沉箱结构配筋计算包含两部分内容：沉箱承载能力极限状态配筋计算（强度计算）和正常使用极限状态裂缝宽度验算（裂缝验算）。其中，裂缝宽度验算应采用JTS151-2011《水运工程混凝土结构设计规范》6.4.2条公式计算：

经计算，上述沉箱配筋方式满足规范要求。

6.沉箱配筋注意事项

6.1沉箱配筋计算模型分析

对于沉箱外壁尤其是前壁，在由沉箱上部使用均载导致的贮仓压力作用下（填料和仓壁之间有摩擦力存在），沉箱外壁承受拉力；而在波浪力和贮仓压力的作用下，沉箱外壁受弯，故为弯拉构件。

对于内隔墙，相邻箱格填料顶高差大于1m时，98版重力式码头规范规定按照受弯构件计算，而09版规范规定按照轴心受拉和偏心受拉构件计算。而实际情况是相邻箱格填料顶高差大于1m或一个箱格顶部有荷载而另一个箱格顶部无荷载时，贮仓压力会使内隔墙成为弯拉构件。

经举例测算，对于前壁和隔墙，按照弯拉构件模型计算所需配筋面积比按照纯弯构件模型和轴心受拉构件模型计算面积分别增加约20%（前壁）和35%（隔墙），在配筋计算时，若按规范规定的纯弯构件计算，在验算裂缝宽度时，建议将裂缝宽度限值定为0.24mm（水下区）和0.16mm（水位变动区和浪溅区）。

6.2裂缝宽度验算系数取值

在沉箱裂缝宽度验算公式中，α1、α2、α3三个系数的取值尤为关键。其中对于外壁、底板及墙趾，α1按受弯构件取为1.0，对于内隔墙，偏心受拉时取为1.1，轴心受拉时取为1.2。α2的取值较为简单，只与钢筋表面形状有关，光圆钢筋为1.4，带肋钢筋为1.5。而α3的取值最为复杂，对于前壁、侧壁及底板，在施工期浮运过程中，内侧受拉，外侧受压，故内侧钢筋α3取为1.0，对于后壁，需根据荷载组合情况判定内侧受拉时最不利情况出现在施工期（α3取1.0）或是使用期（α3取1.5）；而在码头使用期，对于外壁及底板，由于贮仓压力及波吸力等因素的影响，外侧受拉，内侧受压，故外侧钢筋α3取为1.5。

6.3沉箱配筋经济性做法

（1）支座处设置短筋。若简化设计，将支座和跨中按照各自弯矩通长配筋，会使钢筋量增加，对于大型沉箱码头结构影响尤其明显，造成成本浪费。因此在配筋计算过程中，若遇到支座处弯矩大于跨中弯矩的情况时，应先满足跨中弯矩要求，进行通长配筋，再满足支座处弯矩要求，设置短筋（插筋），并满足构造要求。

本文所列计算结果中均为支座处设置短筋的方案，以前壁外侧竖向配筋为例，跨中配筋为C 1 2 @ 2 0 0 m m，支座配筋为C12@200mm+C16@200mm（插筋）。若按照通长配筋，则跨中和支座处需C18@200mm。因此，配置短筋的方式可使跨中钢筋截面面积节约约55%，可使支座处钢筋重量减少约40%。

（2）保护层厚度选取。沉箱各构件保护层厚度选取应有所区分，内隔墙保护层厚度取35mm，外壁内侧取40mm，外壁外侧取50mm，底板和墙趾保护层厚度取为40mm。按以上保护层厚度配筋可使混凝土有效高度增加，以增加钢筋的有效利用率。

经举例测算（以前壁内侧为例），若外壁内侧保护层厚度取为50mm，则需钢筋截面1900mm2；若保护层厚度取为40mm，则需钢筋截面1570mm2，钢筋可节约约17%。

6.4其他

（1）裂缝宽度验算限值。沉箱结构各构件最大裂缝宽度限值应满足《水运工程混凝土结构设计规范》的有关规定，对于底板及墙趾，限值为0.30mm；对于沉箱外壁在底板以上1.5倍内隔墙间距区段，限值为0.3mm；对于1.5倍内隔墙间距以上区段，限值为0.2mm；对于内隔墙，限值为0.3mm。在沉箱配筋计算过程中，应明确限值，避免过度设计。

（2）构造配筋。沉箱构造配筋主要包括加强角构造筋及各构件支座处构造筋，其形状尺寸在《水运工程混凝土结构设计规范》中都有明确的规定。构造配筋作为最易被忽视的内容，往往对结构的耐久性起着至关重要的作用，在设计中应高度重视。

7.结语

沉箱结构配筋设计是其他构件配筋的综合应用，是沉箱码头设计的基础。在设计过程中，应充分考虑实际计算模型与规范计算模型之间的差异，在验算裂缝宽度时应留有一定的富于；在配筋计算时，应明确最小保护层厚度，并通过设置短筋的方式来降低工程造价，将成本与质量做到最优。

参考文献：

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[2]中华人民共和国行业标准JTS167-2-2009重力式码头设计与施工规范[S].北京：人民交通出版社，2009.

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