浅析日本沉箱结构设计的特点

编制了 ! ’’’ 多页， 如果没有规范的指导， 而需自己去研究 计算方法， 这对于一般的设计单位是很难做到的。
# ! 对设计计算书要求严格 在日本， 由于计算书需与施工图一起同时提交给业主 单位和国家有关部门备案， 因此设计单位对计算书的要求 不亚于编制教课书。计算书都要求图文并茂， 详细列出计 算公式、 过程和结果， 做到整本计算书用计算器就可以直 接校对一遍的程度。此外对字体、 文字大小排版也有严格 的要求。 不但计算书如此， 对施工图的制作也比国内要详细。 比如沉箱的施工图， 需在配筋图上标出每一根钢筋的位置 和编号， 作出每根钢筋的大样图以及搭接位置， 因此施工 非常方便。
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・ 消息 ・
亚洲最大规模沉管隧道贯通
广州救捞局工程人员打开安放在黄浦江底管段接口端的水密门， 浦东及浦西两侧管内的作业人员 & 月 #0 日上午 0 时， 高兴地会合在一起， 共享连接黄浦江两岸的亚洲最大规模沉管隧道— — —上海外环越江隧道全线贯通的成功喜悦！ 上海外环越江隧道总长度 # 11’(， 广州救捞局承担了其中最艰巨的江中段安装施工— — —将总长度 .&/( 的 . 节大型管 段沉放在黄浦江底准确对接， 保证其滴水不漏。 该隧道工程在国内首次采用江中结合新方法。目前隧道在进行有关管内装修作业， 计划今年 . 月正式通车。 （摘编自 《中国水运报》 ）
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研究、 设计提供参考借鉴作用。 关键词： 沉箱； 结构设计； 特点； 参考借鉴 中图分类号： )*+! , ( - & 文献标识码： . 文章编号： （!""$） #""! % &’(! "* % ""!! % "$
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《水运工程》 2345 6 785*498: ;<=><**4><=
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非地震时的抗倾和抗滑安全系数均需大于 ! "Leabharlann Baidu# 的规定， 一 就会被视为浪费和 般如果计算书中有 ! 个系数超过 ! " #$， 不合格。而国内抗倾和抗滑验算满足要求即可。
图#
侧墙弯矩计算图
又比如， 国内 《港口工程混凝土结构设计规范》 规定沉 箱内隔墙应按双面双向配筋， 而日本规范规定内隔墙厚度 小于等于 !*,- 按单面双向配筋即可， 这显然比国内要节 省。 此外， 由于港口码头属国家投资的公共设施， 设计单
图" 隔墙拔出计算时底板荷载的取值
位的计算书需经严格的财务审计。因此， 对于规范要求的
但对已采用的方法研究很 " 计算方法并不追求最先进， 透彻 国内规范对较少采用的结构型式的规定也较少。如 开孔消浪沉箱直立堤， 仅列了几条构造上的规定， 而对具 体开孔沉箱的结构计算方法几乎没有涉及。 日本规范对开孔沉箱的计算方法， 并没有什么高深的 理论， 也是把各构件简化成梁和板， 用手算就能进行。但 是各部分构件在不同工况下各有什么荷载， 如何计算等都 有详细的图表表示， 有很强的可操作性。 笔者参与的日本釜石港浅部 ! 区长 % 宽 % 高分别为 计算书就 &’( % #&( % ## " )( 的开孔消浪沉箱的结构设计，
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规范规定详细、 可操作性强 举例来说， 日本规范规定沉箱浮游计算时， 侧壁按三
边固定一边自由板的计算方法， 用查系数表计算。规范的 系数表中只有整个高度的三角形分布荷载和矩形分布荷 载， 而实际工程中， 沉箱的吃水加上 # , "G 的富余高度， 侧
图# 浮游时侧壁受力图
收稿日期： !""$ % "& % !# 作者简介： 王爱良 （#’(# % ） ， 男， 浙江萧山人， 工程师， 从事港口工程结构设计及相关软件产品的开发工作。
总 $+$ 期第 * 期 !""$ 年 * 月
《水运工程》 O>CA P /5A9CQ5N R673699C367
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浅析日本沉箱结构设计的特点
王爱良
（丰海技术咨询服务 （上海） 有限公司， 上海 !"""##）
摘
要： 简要介绍现阶段日本沉箱结构设计在规范和算例编制以及在实际应用上的一些特点， 希望对国内在该领域的
图!
波压时侧壁的受力换算图
!
国家规范是最高标准 日本的规范不但可操作性强， 而且一旦规范确定了某
种算法， 那么即便你有了更好， 更合理的方法， 也不能轻易 使用。 以直立式防波堤中沉箱在波峰作用时隔墙对底板的 受拉计算为例， 如 （图 "） 所示的情况， 日本规范规定所有纵 横隔墙均按底板所受最大向下合成荷载的值对隔墙进行 受拉计算。而事实上， 沉箱各个仓底板所受最大向下合成 荷载的值是变化的， 因此， 各个隔墙的受拉力值的变化是 比较大的。 国内规范没有详细规定， 一般只是规定某个构件要进 行哪些工况的计算。上例所述的情况，按国内的做法，可
以采用的方法很多。但在日本只有采用规范规定的方法 才是对的。 从这一点上来说， 国内的规范有利于实力较强的设计 院充分发挥技术优势； 而日本的规范有利于各个设计单位 达到基本相同的技术水平。
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具体设计精打细算 日本的设计也不只是一味地作偏于安全的考虑， 还有
它比国内更精打细算的一面。如 （图 #） 所示， 日本 《港湾施 设技术基准》 规定， 沉箱侧墙和隔墙需按查表法列表计算 然后 出 $ % & 个格点上每个格点在 ’( 和 ’) 方向上的弯矩， 按满足承载能力极限状态和正常使用极限状态的要求， 求 出各格点的必要配筋量。再根据施工阶段分层浇筑时每 层的高度、 横向钢筋搭接的位置、 底板弯起筋和相邻侧壁 必要配筋量的情况， 最后确定各格点纵横向的实际配筋 量。此种方法比按最大值通长配筋的方法要节省约 !*+ 的钢筋量。
日本地处东亚岛国， 四面环海， 对外进出口主要通过 港口码头进行。由于风浪、 地震等自然条件较差， 水工建 筑物中较多地采用了沉箱结构， 因此在沉箱结构的设计计 算方面积累了不少经验。笔者自 !""# 年 #" 月起， 参加了 多个日本沉箱直立式防波堤和岸壁式沉箱码头的设计， 进 而对日本港口工程中沉箱结构的设计有了一定的了解。 在设计过程中， 深感中日两国在该领域存在的较大差异， 觉得有必要作一简单的介绍和比较， 希望对国内的同行在 设计中有参考作用。 日本沉箱结构的设计， 具体有以下特点： 壁受力总是个局部三角形分布荷载， 无法查表， 因此规范 规定， 在保持侧壁底部荷载大小不变的前提下， 直接把局 部三角形荷载扩展成整个高度三角形荷载来计算。如 （图 所示。 #） 如果说以上的简化计算稍偏于安全而显得顺理成章 的话， 那么波峰作用时， 外侧壁受力的简化更体现了其规 定详细， 可操作性强的一面。
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研究相对较少的开孔消浪沉箱， 是否可以在国内已有的设 计、 施工和研究成果的基础上， 消化日本规范， 当然也可以 是别的国家的规范， 洋为中用， 把它充实到我国的规范中 去。 在国内， 计算书作为设计单位的技术秘密， 不提供给 任何别的单位。这在客观上阻碍了技术的 交 流 和 进 步。 现阶段要改变这种状况还有不少困难， 但是把与规范相配 套的算例做得尽可能详细， 也可以极大地促进规范的推广 和技术的进步。
标准化程度高 日本不但规范规定详细， 还有与规范配套的 《港湾构
造物设计事例 集》 ， 里 面 有 各 种 结 构 的 详 细 的 计 算 例 题。 因此， 在日本不论是哪个设计单位， 沉箱结构计算报告书 从内容到格式基本一致。在同一单位内部， 借助于 *+,*- 联 动的计算模板， 甚至可以做到 # 个人的计算报告书完全一 致。由于标准化的程度高， 现笔者所在的单位已经开发出 基于日本规范的 《沉箱自动设计系统》 ， 可以完成标准矩形 沉箱从计算书到施工图的全部设计工作。现该软件已通 过日本国土交通省的认证并在全日本得到推广。 笔者认为日本沉箱结构的设计现状对我国很有参考 和借鉴意义。日本规范涉及标准矩形沉箱的内容有 #. 页 （!/ 开纸） ， 我国不到 !’ 页 （&# 开纸） ， 因此， 对于我国已经 研究成熟的构造要求和算法， 应尽可能详细地修订到规范 里， 使各设计院有据可依， 减少设计的随意性。对于我国
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波峰作用时的外侧壁， 是分别按三边固定一边自由板 和四边固结板， 采用查系数表的方法， 按两者中大的结果 设计， 但是波压和贮仓压力迭加后为不规则形， 无法用查 系数表的方法来计算。于是规范规定用等面积代换的形 式， 把不规则形状换算成梯形， 如 （图 !） 所示， 以便使之能 分解成三角形分布荷载和矩形分布荷载， 从而可查表计 算。这种等面积代换本身不能保证换算后的结果都是偏 于安全的， 它是通过考虑其他安全因素和在统计对比的基 础上才可行的。但这种规定确实极大地方便了设计人员， 节省了时间。