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沉箱模板设计方案
1、 概况
1.1 工程概况
厦门港嵩屿港区二期工程东侧码头260m及北侧码头工程为重力式沉箱结构,沉箱共17件，分为6种规格，其中标准型沉箱1件，异型沉箱2件，小沉箱14件。沉箱计划在漳州开发区预制厂进行预制。
1.2 工艺选择
沉箱预制采用滑模施工方法进行预制，一次浇筑成型。
沉箱模板分为两部份，第一部分为底侧模板，高度1.35m；第二部份为滑升模板，模板有效高度1.1m。本项目CK2沉箱尺寸为最大，单体滑模重量为63t：
2. 模板主要结构及参数
2.1模板主要结构
滑升模板由组合钢模作板面，角钢作围囹、钢桁架作支撑骨架组成；模板之间由提升架连接成一整体，通过两条特制的吊具，一次安装。
2.2滑模装置包括：
模板系统：包括模板、围圈、提升架；
操作平台系统：包括分浆平台、钢筋堆放平台、吊脚手架；
液压提升系统：包括液压控制台、油路、千斤顶、支撑杆；
2.3系统部件的设计与制作
1模板
按沉箱横截面形状尺寸设计。模板高度1.1m，选用P3012和P3011定型组合钢模板拼装，钢板厚度2.5mm，板面平整，四角方正，除接触砼面外，均刷防锈漆。
2围圈
围圈设计成桁架式，上、下弦杆选用∠80×80×8角钢，直、斜腹杆选用∠63×63×6角钢，构件之间连接采用焊接。围圈上、下弦杆间距70cm，上弦杆距模板上口30cm，围圈在转角处设计成刚性节点。围圈示意如下图。

3 提升架
在内外围圈之间布置双横梁开形提升架，横梁与立柱用高强螺栓连接，两者轴线在同一平面。提升架下横梁与模板顶部的净高度为40cm。相邻提升架间距不大于1.5m。根据计算，提升架共布置118组。提升架示意如下图。

4 操作平台系统
内操作平台设在12个箱格顶部，由桁架、横撑、斜撑、盖板（4mm加肋钢板）。桁架支撑在围圈上，在支撑处设托架。盖板设计成活动式，浇底板砼时，不盖盖板。
外操作平台设在沉箱外壁一周，由桁架和面板、防护栏组成，桁架焊在支撑架上，外挑宽度100cm，铺3mm厚钢板。
操作平台示意如下图。

吊脚手架由吊杆（铁链）、横梁、脚手板（竹跳板）、防护安全网组成，用于检查混凝土质量、表面装饰以及模板的检修和拆卸等工作。

5 液压控制台
液压控制台布置在地面上，用软油管与滑模油路相连，通过电路与模板上的电控箱连接，在滑模上操作液压台。
液压操作台的选用与检验必须符合下列规定：
1）液压操作台内，油泵的额定压力不应小于8MPa
2）液压控制台内，换向阀和溢流阀的流量及额定压力均应等于或大于油泵的流量和液压系统最大工作压力，阀的公称内径不应小于10mm，宜采用通流能力大、动作速度快、密封性能好、工作可靠的三通逻辑换向阀。
3）液压控制台的油箱应易散热、排污，并应有油液过滤的装置，油箱的有效容量为油泵排油量的2倍以上。
4）液压控制台供电方式应采用三相五线制，电气控制系统应保证电动机、换向阀等按滑模千斤顶爬升的要求正常工作，并应加设多个备用插座。
5）液压控制台应设有油压表、漏电保护装置、电压及电流表、工作信号灯和控制加压、回油、停滑报警、滑升次数时间继电器等。
根据以上规定，我厂选用江苏江都揽月机械有限公司的HY－72型液压控制台及配套QYD－35型楔块式液压千斤顶、高压油管等附件。参数如下图所示。

液压控制台内，油泵、换向阀、溢流阀额定压力8Mpa，流量72L/min，阀的公称内径25mm。液压控制台油箱的有效容量为240m3，满足施工需要。
6 油路

油路沿提升架边布置成回路，主油路采用高压耐油钢管，遇千斤顶位置开孔用高压橡胶管与千斤顶相连。
油路耐压力为12Mpa，主油管内径25mm，连接千斤顶的油管内径8mm。
油管接头，限位阀及针形阀耐压力，通径与油管相适应。
液压油具有良好的滑性和稳定性，油箱设过滤器。
油路的设计与检验应符合下列规定：
1） 输油管应采用高压耐油胶管或金属管，其耐压力不得低于25MPa。主油管内径不得小于16mm，二级分油管内径宜为10～16mm，连接千斤顶的油管内径宜为6～10mm。
2）油管接头、针形阀的耐压力和通径应与输油管相适应。
3）液压油应定期进行过滤，并应有良好的润滑性和稳定性，其各项指标应符合国家现行油管标准的规定。
7 千斤顶
千斤顶布置在支撑架下横梁上，用垫板放平加固。
千斤顶额定工作压力8Mpa，持压5min，各密封处无渗漏。
卡头锁固牢靠，放松灵活。
采用穿心楔块式液压千斤顶，在1.2倍额定荷载作用下，锁固时回降量不大于5mm。同一批组装的千斤顶，调整其行程，使其在相同荷载作用下行程差不大于2mm。我厂采用的QYD－35型楔块式千斤顶参数如下所示。

8 支承杆
支承杆的制作材料为HRB335级φ25螺纹钢筋，支承杆的直径与QYD－35型楔块式千斤顶配置要求相适应。制作长度为3～6m，用剖口焊接接长。

9 电路
电路采用三相五线制，平台上的总配电箱、分区配电箱设置漏电保护器，配电箱中的插座规格、数量满足施工设备的需要。所有插座均采用防水插座。
照明灯具电压不高于36V。

2.4滑模装置的拼装程序
2.4.1拼装前准备工作
1 滑模装置制作前，清理场地，在平整的混凝土底模上弹出沉箱结构的轴线及模板、围圈、提升架、支承杆、平台桁架等构件的中心线。同时在附近，设置观测垂直偏差控制桩以及标高控制点；
2 准备好测量仪器及组装工具等；
3 模板、围圈、提升架、桁架、支承杆、连接螺栓等运至现场除锈刷漆；
4 滑模的组装必须在统一指挥下进行，每道工序必须有专人负责。
2.4.2 拼装顺序
1 安装围圈(先安装内围圈，后安装外围圈)，调整倾斜度；
2 安装模板，宜先安装角模后安装其他模板
3 安装提升架；
4 安装操作平台的桁架、支撑和平台铺板；
5 安装外操作平台的支架、铺板和安全栏杆等；
6 安装液压提升系统、布置油管、电路等装置，并分别进行编号、检验；
7 液压系统试验合格后，插入支承杆；
8 待模板滑升至适当高度后，再安装安装内外吊脚手架及挂安全网。
2.5滑模模板吊装
由于滑升模板面积比较大，组装完成后，为保证模板起吊过程中不产生较大的变形，在进行模板设计时，在模板上布置20个吊点，并专门设计两条吊具，用两台20t×2的龙门吊起重机并机联合起吊，龙门吊并机后由一个起重指挥统一指挥，起吊操作过程均缓慢进行。

3模板设计计算规范
3.1《水运工程混凝土施工规范》JTJ268-96
3.2《混凝土结构工程施工及验收规范》 GB50204-2002
3.3《组合钢模板技术规范》GB 50214-2001
4模板设计计算参照手册
4.1建筑工程模板施工手册
4.2建筑工程施工手册
4.3模板工程现场施工实用手册
5. 模板主要结构设计计算
5.1 千斤顶和支承杆的计算
5.1.1千斤顶最小数量确定
液压提升系统所需千斤顶和支承杆的最小数量按下式确定：

式中 N——总垂直荷载（kN），包括下列荷载：
模板系统、操作平台系统的自重630kN；
操作平台上的施工荷载设计值（包括施工人员、工具和存放材料），在计算千斤顶和支承杆数量时，取1.0kN/m2；
模板与混凝土的摩阻力，钢模板取1.5～3.0kN/m2，在这里取2.0kN/m2计算；
P0——单个千斤顶或支承杆的允许承载力（kN），支承杆的允许承载力按下面公式计算，千斤顶的承载力为千斤顶额定提升能力的1/2，两者中取其较小者。
总垂直荷载N值计算：
模板面与混凝土接触面总面积：A=295m2，操作平台面积：A=292m2
则N＝630+1.0×292+2.0×295＝1512kN
P0值计算：

式中 P0——支承杆的允许承载力（kN）；
α——工作条件系数，取0.7；
E——支承杆弹性模量（kN/cm2），取值2.1×104 kN/cm2；
J——支承杆截面惯性矩（cm4），取1.918cm4；
K——安全系数，取值不应小于2.0，取2.0；
L0——支承杆脱空长度，从混凝土上表面至千斤顶下卡头距离（cm），取70cm；
则
＝0.7×40×2.1×104×1.918/[2.0×(70+95)2]
=20.7kN
QYD－35楔块式千斤顶额定提升能力为30kN，允许承载能力为：
30×1/2＝15kN
两者取小值，则P0＝15kN。
则个
根据沉箱的结构特点及操作平台的荷载分布情况，考虑千斤顶平面布置的构造取n=112个。
5.1.2支撑杆承载力验算
1 初升阶段
支承杆的脱空长度L0＝50cm，α＝0.7，K＝2.0；
则
＝0.7×40×2.1×104×1.918/[2.0×(50+95)2]
=26.8kN
P0＝26.8kN＞15kN，安全。
2 正常滑升阶段
支承杆的脱空长度L0＝70cm，α＝0.7，K＝2.0；
则
＝0.7×40×2.1×104×1.918/[2.0×(70+95)2]
=20.7kN
P0＝20.7kN＞15kN，安全。
3滑空阶段
支承杆的脱空长度L0＝184cm，α＝0.8，K＝1.0；
则
＝0.8×40×2.1×104×1.918/[1.0×(184+95)2]
=16.6kN
P0＝16.6kN＞15kN，安全。
5.2模板面计算
模板主要承受侧压力、倾倒混凝土时的冲击力和滑升时的摩擦力，因此，模板应具有足够的刚度，保证在施工过程中不发生过大变形且拼缝紧密。振捣混凝土时的侧压力标准值。其侧压力合力取5.0kN/m，合力的作用点约在2/5Hp处。
倾倒混凝土时模板承受的冲击力，作用于模板侧面的水平集中荷载标准值为1.0kN。
根据ㄍ滑动模板工程技术规范》GB50113-2005规范规定，模板面计算承载能力荷载标准值为：6kN/m。
P3012组合钢模在模板支点间距为900mm、均布荷载为30kN/m2时(相当于集中荷载p=10N/mm)，最大挠度不超过1.5mm；在实际使用过程中，模板支点间距为70cm，均布荷载标准值为6kN/m2，小于30kN/m2，满足使用要求。

5.3围圈计算
5.3.1弯矩计算
围圈是模板的横向支撑肋，上下各设一道，它是以提升架为支座的双向受弯连续梁，同时承受水平荷载（混凝土侧压力、冲击力）和垂直荷载（模板和围圈的自重力和摩阻力）。
围圈的计算按三跨连续梁支撑在提升架上考虑，模板面的支座反力作为均布荷载，计算跨度等于提升架间距，提升架间距按1.5m验算。由于混凝土是轮圈依次浇注，作用在围圈上的荷载并非均匀分布于各跨，按照最不利组合，近似取荷载布置于两跨考虑。
1 水平方向弯矩
水平方向最大弯矩 Mx＝0.117qH·L2
式中 qH——围圈承受的水平荷载设计值（N/mm），由模板面的支座反力求得；
L——提升架的间距（mm）；
0.117——水平荷载系数。
根据计算，模板面的支座反力q1＝3.6kN，q2＝2.4kN，取大值。
48 72

p

q1 q2
20 28 42 30

Mx＝0.117qH·L2＝0.117×3.6×15002＝94.77×104N·mm
2 垂直方向弯矩
垂直方向最大弯矩 My＝0.1qV·L2
式中 qV——围圈承受的垂直荷载设计值（N/mm），包括模板及围圈的自重以及滑动过程的摩阻力；
L——提升架的间距（mm）；
0.1——垂直荷载系数。
My＝0.1qV·L2＝0.1×5.6×15002＝126×104N·mm
5.3.2强度验算

、——截面塑性发展系数，取＝1，＝1。
采用∠80×80围圈，其截面参数为：Wx=12.8cm3 Wy=12.8cm3

。。。。。。。。。。。。。。。满足要求。
5.3.3整体稳定性验算

——绕强轴x弯曲所确定的梁整体稳定系数，查表得＝0.635
——截面塑性发展系数，取＝1。
采用∠80×80围圈，其截面参数为：Wx= Wy＝12.8cm3，Ix＝Iy=73.49cm4
。。。。。。。。。。。。。。。满足要求。
5.3.4挠度验算
1 验算侧向变形
。。。。。。。。。。。。。。。满足要求。
2 验算垂直方向变形
。。。。。。。。。。。。。。。满足要求。
5.4提升架横梁计算
横梁按两端为固定端梁计算，其弯矩：
Mmax＝1/8（FL）＝1/8×（15000×791）＝1.48×106N·mm
F——千斤顶的顶升力。
强度验算：

。。。。。。。。。。。。。。。满足要求。
5.5吊具设计强度验算
为有效减少整体模板在吊装时的变形，增强稳定性，采用2[40a槽钢组成横吊梁（铁扁担）进行吊装，使用时采用两组吊梁，每组吊梁设2个主吊点及按沉箱规格设置10个吊环对模板进行起吊作业。
横吊梁的整体稳定性按下式计算：

式中 N——吊重对横吊梁的轴向压力；
Mx、My ——分别为由横吊梁自重产生的跨中弯矩和侧向弯矩；
W1x、W1y——分别为横吊梁在水平和垂直方向的截面抵抗矩；
——在弯矩作用平面内的轴心受压构件稳定系数；
A——横吊梁截面积；
——弯矩作用平面内的等效弯矩系数；
——弯矩作用平面外的等效弯矩系数；
——欧拉临界力，
E——钢材的弹性模量；
——横吊梁于x方向的长细比。
1 [40a槽钢的有关数据
高度h＝400mm，翼宽b＝100mm，腹板厚d＝10.5mm，截面面积A＝75.068cm2，重力g＝589.28N/m；
截面惯性矩Ix＝17600cm4，Iy＝592cm4；
截面抵抗矩Wx＝879cm3，Wy＝78.8cm3；
截面回转半径ix＝15.3cm，iy＝2.81cm；
截面形心至腹板外侧的距离Z0＝2.49cm。
横吊梁组合截面的截面面积、惯性矩及回转半径：
A总＝2×75.068＝150.14cm2；
Ix总＝2×17600＝35200cm4；
Wx总＝2×879＝1758cm3；
；
Iy总＝2×[592+75.068×(10-2.49)2]=9651.69cm4；
Wy总＝9651.69/10＝965.17cm3；
。
2 横吊梁的长细比核算
。。。。。。。满足
。。。。。。。满足
3横吊梁内力计算（考虑附加动力系数1.2）
g总＝2g×1.2＝2×589.28×1.2＝1414N/m≈1.41N/mm
由横吊梁自重产生的跨中弯矩：

侧向弯矩
吊重对横吊梁的轴向压力N

4 横梁的整体稳定性核算
因λx总＝8.02，查《钢结构设计规范》得＝0.997，＝1.0，＝1.0；

将上述数据代入公式得：

故，整体稳定性符合要求。
6.结论
在我局，滑模施工工艺预制大型沉箱构件已有20多年历史，已成功地应用于多个港口工程项目中，对滑模施工工艺已经具有丰富的施工经验，对滑模系统的设置及安全防护的技术措施是成熟的。