沉箱重力式码头课程教学设计计算书.docx

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沉箱重力式码头课程教学设计计算书

第一章设计资料-------------------------------------3

第二章码头标准断面设计------------------------5

第三章沉箱设计-------------------------------------11

第四章作用标准值分类及计算-----------------15

第五章码头标准断面各项稳定性验算-------44

第一章设计资料

（一）自然条件

1.潮位：

极端高水位：

+6.5m；设计高水位：

+5.3m；极端低水位：

-1.1m；

设计低水位：

+1.2m；施工水位：

+2.5m。

2.波浪：

拟建码头所在水域有掩护，码头前波高小于1米（不考虑波浪力作用）。

3.气象条件：

码头所在地区常风主要为北向，其次为东南向；强风向（7级以上大风）主要为北~北北西向，其次为南南东~东南向。

4.地震资料：

本地的地震设计烈度为7度。

5.地形地质条件：

码头位置处海底地势平缓，底坡平均为1/200，海底标高为-4.0~-5.0m。

根据勘探资料，码头所在地的地址资料见图1。

图一地质资料

标高

土质

柱状图

指标

海底至-7.9m

淤泥

γm=15.3kN/m3

φ固=12.8º

C固=0

~~~~~~~

~~~~

-7.9m以下

亚粘土

γm=19.4kN/m3

φ固=25º

C固=25kpa

（二）码头前沿设计高程：

对于有掩护码头的顶标高，按照两种标准计算：

基本标准：

码头顶标高=设计高水位+超高值（1.0~1.5m）=5.30+（1.0~1.5）=6.30~6.80m

复核标准：

码头顶标高=极端高水位+超高值（0~0.5m）=6.50+（0~0.5）=6.50~7.00m

（三）码头结构安全等级及用途：

码头结构安全等级为二级，件杂货码头。

（四）材料指标：

拟建码头所需部分材料及其重度、内摩擦角的标准值可按表1选用。

材料名称

重度γ（kN/m3）

内摩擦角φ（度）

水上

水下

水上

水下

混凝土

23~24

13~14

/

/

钢筋混凝土

24~25

14~15

/

/

块石

17

10

45

45

渣石

18

10

29

29

表1

（五）使用荷载：

1.堆货荷载：

前沿q1=20kpa；前方堆场q2=30kpa。

2.门机荷载：

按《港口工程荷载规范》附录C荷载代号Mh-10-25设计。

3.铁路荷载：

港口通过机车类型为干线机车，按《港口工程荷载规范》表7.0.3-2中的铁路竖向线荷载标准值设计。

4.船舶系缆力：

按普通系缆力计算，设计风速22m/s。

（六）设计船型：

万吨级杂货船

总长L×型宽B×型深H×满载吃水T：

146×22×13.1×8.7m

第二章码头标准断面设计

第一节码头各部分标高

（一）码头（胸墙）顶标高

对于有掩护码头的顶标高，按照两种标准计算：

基本标准：

码头顶标高=设计高水位+超高值（1.0~1.5m）=5.30+（1.0~1.5）=6.30~6.80m

复核标准：

码头顶标高=极端高水位+超高值（0~0.5m）=6.50+（0~0.5）=6.50~7.00m

码头顶标高取6.60m。

（二）沉箱顶标高

沉箱顶标高=施工水位+（0.3~0.5m）=2.50+（0.3~0.5）=2.80~3.00m

根据大连地区施工水位，沉箱顶标高取2.90m。

（三）胸墙底标高

胸墙底标高=沉箱顶标高－（0.3~0.5m）=2.90－（0.3~0.5m）=2.40~2.60m

胸墙底标高取2.50m。

（四）码头（沉箱）底标高

码头前沿设计水深D=T+Z1+Z2+Z3+Z4

其中：

T——设计船型满载吃水（m），T=8.7m；

Z1——龙骨下最小富余水深（m），与海底质有关，对重力式码头应按岩石土考虑，取Z1=0.6m；

Z2——波浪富余深度（m），Z2=KH4%－Z1=0.5×1.0－0.6=﹣0.1＜0，取Z2=0；

Z3——船舶因配载不均匀而增加的尾吃水（m），对杂货船取Z3=0；

Z4——备淤深度（m），取Z4=0.4m。

则：

码头前沿设计水深D=T+Z1+Z2+Z3+Z4=8.7+0.6+0+0+0.4=9.7m

码头底标高=设计低水位－码头前沿设计水深=1.20－9.7=﹣8.5m

码头底标高取﹣8.50m。

（五）抛石基床底标高

取抛石基床厚度为1.5m，则基床底标高=﹣8.50－1.50=﹣10.0m

（六）抛石棱体顶标高

抛石棱体顶标高=沉箱顶标高+（<0.5m）=2.90+（<0.5）=（<3.40m）

抛石棱体顶标高取3.40m。

（七）二片石顶标高

抛石棱体顶面和坡面的表层应抛设0.5~0.8m厚的二片石，取其厚度为0.5m，其上再设置倒滤层。

二片石顶标高=3.40+0.5=3.90m。

（八）倒滤层顶标高

倒滤层采用碎石倒滤层，且不分层，采用级配较好的混合石料石渣，其厚度不得小于0.8m，取其厚度为0.8m。

倒滤层顶标高=3.90+0.8=4.70m

第二节沉箱尺度的确定

（一）外形尺度

1.泊位长度

设计泊位为顺岸式码头连续多个泊位的中间泊位，泊位长度Lb=L+2d（设计船长+富裕长度），其中L=146m，d=12~15m，取d=15m，Lb=L+2d=146+30=176m。

泊位采用11个沉箱平接，沉箱长度取16.00m，沉箱安装缝采用50mm，则泊位的实际长度为11×16.00+10×0.05=176.50m。

2.沉箱长度

沉箱长度取16.00m。

3.沉箱高度

沉箱高度=沉箱顶标高－沉箱底标高=2.90－（﹣8.50）=11.40m

4.沉箱宽度

根据经验取（0.6～0.7）倍码头高度（胸墙顶到沉箱底），即（0.6～0.7）×[6.60－（﹣8.50）]=9.06～10.57m，则沉箱宽度取10.50m。

（二）细部尺寸

1.隔墙厚度

隔墙厚度取隔墙间距的1/25~1/20，且不得小于0.2m，隔墙厚度取0.2m。

2.外壁厚度

外壁厚度由计算确定，且不得小于250mm，在本设计中外壁厚度分0.3m、0.35m、0.4m三级，外壁厚度取0.3m。

3.底板厚度

底板厚度由计算确定，且不宜小于壁厚，在本设计中底板厚度分0.4m、0.45m、0.5m、0.55m四级，底板厚度取0.4m。

4.箱内隔墙布置

箱内隔墙采用对称布置，隔墙间距分别取4.10m、3.70m。

5.加强角宽度

加强角宽度一般为150~200mm，取200mm。

沉箱的其他细部尺寸见附图1。

（三）沉箱体积和重量

计算沉箱重量时，钢筋混凝土重度标准值采用25.0kN/m3。

沉箱材料体积和重量计算见下表2：

沉箱材料体积和重量计算表

编号

构件名称

体积计算式

体积

Vi（m3）

重量Gi（KN）

1

前壁

0.3×16.0×11.4

54.72

1368.00

2

后壁

0.3×16.0×11.4

54.72

1368.00

3

侧壁

0.3×8.4×11.4×2

57.46

1436.50

4

底板

0.4×8.4×15.4

51.74

1293.50

5

横隔墙

0.2×15.4×11.0

33.88

847.00

6

纵隔墙

0.2×4.1×11.0×6

54.12

1353.00

7

端内加强角

0.5×0.22×11.0×4

0.88

22.00

8

内加强角

0.5×0.22×11.0×28

6.16

154.00

9

底加强角

0.5×0.22×（4.1+3.7）×16

2.50

62.50

10

前趾

0.5×0.3×0.75×16.0

1.80

45.00

0.40×0.75×16.0

4.80

120.00

11

后趾

0.5×0.3×0.75×16.0

1.80

45.00

0.40×0.75×16.0

4.80

120.00

总和

329.38

8234.50

表2

沉箱重量=840.26t，小于沉箱预制场大平台可制作沉箱的最大重量2000t，满足预制场的预制能力。

第三节上部结构设计

（一）胸墙断面设计

1.胸墙顶宽

胸墙采用L型，顶宽取3.00m。

2.胸墙底宽

胸墙底宽由胸墙稳定性要求确定，根据经验应大于1/2沉箱顶宽度，即大于0.5×9.00=4.50m，底宽取5.00m。

3.胸墙高度

胸墙高度=胸墙顶标高－胸墙底标高=6.60－2.50=4.10m。

（二）系船的选择

计算船舶系缆力：

Fxw=73.6×10-5Axwvx2ζ1ζ2Fyw=49.0×10-5Aywvy2ζ1ζ2

按75%保证率、压载或空载状况，取Axw=1570m2，Ayw=382m2

设计风速vx=22m/s,vy=0m/s

查表取得ζ1x=0.8，ζ1y=1.0，ζ2=1.3（按船舶水面以上建筑高度15米取，），故：

Fxw=581.64KN

Fyw=0KN

系船柱结合码头按25m等间距布置，共计布置7个，实际受力系船柱为3个

N=

α=30°，β=15°，n=3，K=1.3

N=521.87KN

取N=522KN

（三）门机布置

门机的轨距、跨距均为10.5m，门机前轨距码头前沿2m，布置在胸墙上，后轨布置在单独设置的轨道梁上，距货场外边线之间的安全净距取2m。

（四）铁路布置

门机下对称布置两条铁路线，每条铁路线的铁路标准轨距为1435mm，轨枕宽度为2500mm。

两条铁路线的中心线距离为4.5m，两条铁路线的中心线距近侧门机轨道的距离为3m。

钢轨上的线荷载标准值按干线机车为140KN/m。

（五）管沟设计

管沟用于放置为船舶供水和供电而铺设的水管和电缆，设在胸墙内，管沟中心线距码头前沿1.3m，要求管沟底面高程应高于平均高潮位，故采用小管沟，尺寸（宽×高）为0.4m×0.6m。

（六）护舷设计

1.护舷类型和规格的选择1

有效撞击能量

其中，

取0.8，m查规范得1万吨级杂货船满载排水量m=14800t，

=0.15m/s，所以

×0.8×14800×0.152=133.2KJ

查橡胶护舷性能表，选择低反力型鼓型护舷H1000，反力R=360KN，吸能量E=136.0KJ。

2.护舷的布置

橡胶护舷间断布置，在每个沉箱的中心位置布置一个护舷，即每16米布置一个，每个泊位共11个。

船舶挤靠力标准值

为了使船舶在不同水位和不同吃水深度时都能用船体干舷部分接触护舷，兼顾小船靠泊及防止船舶摇摆对码头产生碰撞，在3.5m高程处悬挂低反力型鼓型护舷，在5.5m高程处沿前沿线悬挂D300水平护舷。

第四节其他设计问题

（一）抛石棱体

1.作用

设置抛石棱体是为了防止回填土的流失，并且减少墙后回填土对沉箱和胸墙产生的土压力。

2.材料

抛石棱体采用10~100kg块石。

3.顶宽

回填土（渣石）：

内摩擦角φ=29°，破裂角θ1=32.7°（假设α、β均为0，δ=

φ）；

块石：

内摩擦角φ=45°，破裂角θ2=23.9°（假设α、β均为0，δ=

φ）。

二者总厚度H=h1+h2=15.10m，破裂面与水平面夹角

，且满足

，试算得

=25.8°，h1=3.26m，h2=11.84m，抛石棱体顶宽d=8.65m。

4.坡度

抛石棱体坡度采用1:

1。

（二）二片石

抛石棱体顶面和坡面的表层抛设0.5m厚的二片石，坡度为1:

1。

（三）倒滤层

设置倒滤层是为了防止墙后回填土流失。

倒滤层采用碎石倒滤层，且不分层，采用级配较好的混合石料石渣，取其厚度为0.8m，碎石层坡度采用1:

1.5。

（四）抛石基床

1.作用

将墙身传来的外力扩散到较大范围的地基上，以减少地基应力和建筑物的沉降；保护地基免受波浪和水流的淘刷；整平基面，便于墙身的砌筑和安装。

2.型式

因原泥面水深小于码头前设计水深，故采用暗基床的型式。

3.材料

采用10~100kg块石且有一定级配。

4.厚度

抛石基床厚度取1.5m。

5.肩宽和底宽

外肩宽不宜小于1.5倍基床厚度，取2.3m；内肩宽不宜小于0.5倍基床厚度，取0.8m。

底宽=10.5+2.3+0.8=13.6m。

（五）挖泥边坡

根据地质资料柱状图，挖泥边坡坡度采用淤泥1:

5、亚粘土1:

3。

（六）变形缝

设置变形缝是为了减小由于不均匀沉降和温度变化在结构内产生的附加应力。

变形缝为上下通缝，即胸墙的变形缝设在两个沉箱的接头处，间距为16m，缝宽采用50mm，用弹性材料填充。

第三章沉箱设计

第一节沉箱浮游稳定性验算

（一）计算资料

沉箱浮运距离15km左右，为近程浮运，要求满足m≥0.2m。

无实测资料，钢筋混凝土重度标准值为25.0KN/m3，海水重度标准值为10.25KN/m3，木材重度标准值为8KN/m3。

因该沉箱前后对称，故沉箱的重心在沉箱宽度的中心线上，不需预加平衡压载水。

（二）沉箱的浮游稳定计算

1.沉箱材料体积和体积矩计算

沉箱材料体积和体积矩计算表

编号

构件名称

体积计算式

体积

Vi（m3）

形心位置（m）

体积矩（m4）

yi

vi·yi

1

前壁

0.3×16.0×11.40

54.72

5.70

311.90

2

后壁

0.3×16.0×11.40

54.72

5.70

311.90

3

侧壁

0.3×8.4×11.40×2

57.46

5.70

327.52

4

底板

0.4×8.4×15.4

51.74

0.20

10.35

5

纵隔墙

0.2×15.4×11.00

33.88

5.90

199.89

6

横隔墙

0.2×4.1×11.00×6

54.12

5.90

319.31

7

端内加强角

0.5×0.22×11.00×4

0.88

5.90

5.19

8

内加强角

0.5×0.22×11.00×28

6.16

5.90

36.34

9

底加强角

0.5×0.22×（4.1+3.7）×16

2.50

0.47

1.18

10

前趾

0.5×0.3×0.75×16.0

1.80

0.50

0.90

0.40×0.75×16.0

4.80

0.20

0.96

11

后趾

0.5×0.3×0.75×16.0

1.80

0.50

0.90

0.40×0.75×16.0

4.80

0.20

0.96

总和

329.38

1527.3

注：

前趾O点为x、y坐标原点

沉箱的重心位置：

2.全部舱加水深2.5m时的浮游稳定计算

（1）沉箱的重力和重心高度计算

沉箱重力和重心高度计算表

计算项目

计算式

重力

g（KN）

重心高度

y（m）

重力矩

g·y（KN·m）

沉箱本身

329.38×25.0

8234.5

4.64

38208.08

平台木材

8.44×8

67.52

11.60

783.23

全部舱加水深2.5m

[4.1×3.7×2.5×8－2.50－0.5×0.22×2.5×32]×10.25

3067.83

1.65

5061.91

∑

11369.85

44053.22

重心高度

（2）沉箱排水体积及浮心高度

总排水体积：

前后趾悬臂的排水体积v=2×（1.8+4.8）=13.20m3

沉箱吃水：

浮心高度：

（3）定倾高度

重心距浮心的距离

定倾半径

定倾高度

＞0.2m

故满足沉箱浮游稳定。

第二节沉箱吃水验算

（一）滑道末端吃水验算

沉箱加压载水后吃水为T=7.61m，考虑富裕深度为0.5m，则T＜滑道末端水深－富裕深度=9.5－0.5=9.0m，所以滑道末端吃水满足要求。

（二）航道中吃水验算

沉箱加压载水后吃水为T=7.61m，考虑富裕深度为0.5m，航道水深D=T+Z0+Z1+Z2+Z3+Z4=8.7+0.18+0.3+0.45+0+0.4=10.03m（假设船舶航速6kn，船、浪夹角45°），D取10.10m，则T＜航道水深－富裕深度=10.10－0.5=9.6m，所以航道中吃水满足要求。

（三）沉放地点吃水验算

沉箱加压载水后吃水为T=7.61m，考虑富裕深度为0.5m，基床顶面水深为9.7m，则T＜基床顶面水深－富裕深度=8.5－0.5=8m，所以沉放地点吃水满足要求。

第三节沉箱干舷高度验算

沉箱的干舷高度F=H－T=11.4－7.61=3.79m，考虑沉箱干舷富裕高度S=1.0m，波高h=1.0m，沉箱的倾斜角度θ=8°，沉箱顶宽B0=8.00m，则F＞

，所以沉箱干舷高度满足要求。

第四章作用标准值分类及计算

本次设计仅考虑极端高水位、设计高水位和极端低水位情况，按承载能力极限状态，采用作用效应的持久组合进行计算和验算。

第一节结构自重力（永久作用）

一、设计高水位

计算图式如下：

其中：

混凝土重度：

水上24KN/m3水下14KN/m3

钢筋混凝土重度：

水上25KN/m3水下15KN/m3

设计高水位自重作用计算表

项目

计算式

距前沿

胸墙1

3.0×1.3×24×16

1497.6

2.25

3369.6

胸墙2

2.8×3.0×14×16

1344

2.25

3024

胸墙3

2.0×2.8×14×16

1254.4

4.75

5958.4

胸墙上填料

2.0×1.3×18×16

748.8

4.75

3556.8

沉箱

329.38×15

4940.7

5.25

25938.68

沉箱上填料

（4.0×2.4×18+4.0×1.3×10）×16

3596.8

7.75

27875.2

沉箱内填石

[4.1×3.7×11.0×8－0.5×0.22×11.0×32－0.5×0.22×（4.1+3.7）×16]×10

13254.24

5.25

69452.2

沉箱后趾填石1

0.75×（1.3×18+13.0×10）×16

1840.8

10.125

18638.1

沉箱后趾填石2

0.75×0.5×0.3×10×16

18

10.25

184.5

∑

28495.34

157997.48

每延米自重作用

1780.96

9874.84

二、极端高水位

计算图式如下：

其中：

混凝土重度：

水上24KN/m3水下14KN/m3

极端高水位自重作用计算表

项目

计算式

距前沿

胸墙1

3.0×0.1×24×16

115.2

2.25

259.2

胸墙2

3.0×3.0×14×16

2016

2.25

4536

胸墙3

2.0×2.8×14×16

1254.4

4.75

5958.4

胸墙上填料

2.0×（0.1×18+1.2×10）×16

441.6

4.75

2097.6

沉箱

329.38×15

4940.7

5.25

25938.68

沉箱上填料

（4.0×0.1×18+4.0×2.6×10）×16

1779.2

7.75

13788.8

沉箱内填石

[4.1×3.7×11.0×8－0.5×0.22×11.0×32－0.5×0.22×（4.1+3.7）×16]×10

13254.24

5.25

69452.2

沉箱后趾填石1

0.75×（0.1×18+14.2×10）×16

1725.6

10.125

17471.7

沉箱后趾填石2

0.75×0.5×0.3×10×16

18

10.25

184.5

∑

25544.94

139687.08

每延米自重作用

1596.56

8730.44

钢筋混凝土重度：

水上25KN/m3水下15KN/m3

三、极端低水位

计算图式如下：

极端低水位自重作用计算表

项目

计算式

距前沿

胸墙1

3.0×1.3×24×16

1612.8

2.25

3628.8

胸墙2

5.0×2.8×24×16

3840

3.25

12480

胸墙上填料

2.0×1.3×18×16

748.8

4.75

3556.8

沉箱

93.12×25+（329.38－93.12）×15

5871.9

5.25

30827.48

沉箱上填料

3.0×（1.9×18+1.8×17）×16

3110.4

7.75

24105.6

沉箱内填石

（4.1×3.7×4.0×8－0.5×0.22×4.0×32）×17+[4.1×3.7×7.0×8－0.5×0.22×7.0×32－0.5×0.22×（4.1+3.7）×16]×10

16634.4

5.25

87330.6

沉箱后趾填石1

0.75×（1.9×18+5.8×17+6.6×10）×16

2385.6

10.125

24154.2

沉箱后趾填石2

0.75×0.5×0.3×10×16

18

10.25

184.5

∑

34221.9

186267.98

每延米自重作用

2138.87

11641.75

其中：

混凝土重度：

水上24KN/m3水下14KN/m3

钢筋混凝土重度：

水上25KN/m3水下15KN/m3

四、抛石基床自重

基床厚1.5m，抛石基床每延米自重

=（10.5+1.5+0.5+2）×1.5×10=217.5KN/m

第二节土压力（永久作用、可变作用）

一、码头后填料土压力（永久作用）

查《重力式码头设计与施工规范》附录C得第n层土的主动土压力系数标准值如下：

渣石：

内摩擦角

=29°，

=0°，

=0.347（假设α、β均为0）；

块石：

内摩擦角

=45°，

=0°，

=0.172

内摩擦角

=45°，

=

=15°，

=0.160（假设α、β均为0）。

土压力强度计算公式按下式计算：

第n层填料顶层：

永久作用

可变作用

第n层填料底层：

永久作用

可变作用

1.设计高水位时

设计高水位时码头后填料土压力强度计算

计算层面编号

土层n

土层高程（m）

土层厚度hn（m）

回填材料

材料重度γn（KN/m3）

外摩擦角δn（°）

主动土压力系数Kan

土压力强度标准值计算

永久作用

eni（kPa）

计算式

数值

11

1

6.60

1.30

渣石

18

0

0.347

0.00

12

5.30

18×1.3×0.347=23.4×0.347

8.12

21

2

5.30

0.60

10

23.4×0.347

8.12

22

4.70

（23.4+10×0.6）×0.