港口水工建筑物课程设计范本--沉箱

1、第一篇 设计任务书1. 概述1.1 编制本报告的主要依据和资料重力式码头设计与施工规范JTJ290-98、海港水文规范JTJ213-98、水运工程抗震设计规范JTJ225-98、港口工程地基规范JTJ250-98、港口工程荷载规范JTJ215-98以及课本港口水工建筑物。1.2 建设的必要性和建设规模1.2.1 建设的必要性该工程为件杂货码头，将带动周围地区经济社会发展，是综合利用海岸线及海洋资源的需要，也是增加劳动就业，提高当地人民生活水平和促使社会安定的需要。1.2.2 建设的规模该码头结构形式为顺岸沉箱重力式，建筑物等级为级。2. 自然条件分析2.1 地理位置2.2 气象码头所在地区常风

2、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。2.2.1 气温多年平均气温 13历年极端最高气温 41多年最高月平均气温 28历史极端最低气温 -21多年最低月平均气温 -6.32.2.2 降水本区域年平均降水量640712mm，最多年降水量10641186mm，最小年降水量261384mm，年降水量集中在夏季（68月），其中7月份降水量占全年降水量的30左右。2.2.3 风况本区域常年主导风向，冬季多东北风，夏季多东南风。年平均风速为2.83.8m/s，大风多发生于春季，其次为冬季，秋季最少。年大风天数平均10天，最多24天，最大风速达1324m/s。

3、2.2.4 雾况多年平均雾日为1114天，多发生于冬季，秋季次之。2.2.5 相对湿度年平均相对湿度为7080。2.3 水文2.3.1 潮汐、水位极端高水位（五十年一遇） 5.10米极端低水位（五十年一遇） 1.25米设计高水位(历时累积频率1%) 4.22米设计低水位(历时累积频率98%) 0.45米施工水位 2.00米2.3.2 波浪拟建码头所在水域有掩护，码头前波高小于1米。50年一遇，H1%波浪高值为：设计高水位：H1% =1.665m，T=6.3s设计低水位：H1% =1.665m，T=6.3s极端高水位：H1% =1.665m，T=6.3s2.3.3 海流2.3.4 冰凌本区域一般

4、12月下旬至次年2月上旬水面结冰，最大岸冰厚度23cm，最大冻土深度10cm。2.4 地形、地貌及泥沙运动码头位置处海底地势平缓，底坡平均为1/200，海底地面标高为4.5米5.5米不等,见图1。根据勘探资料，码头所在处的地质剖面图和有关的资料见表1及图2。表1 拟建码头处地质剖面柱状图标 高地质指 标海底至7.9淤泥m=1.53t/m3,=12°8, C=0.14kg/m2。7.9以下亚粘土e=0.7，Ip=12.4，IL=0.58， ES=110.87kg/cm2，r=1. 94t/m3， c=0.25kg/cm2，=20°。p00.51.02.03.0e0.7000.

5、6870.6780.6630.652 图2 码头所在处土壤特性2.4.1 港区地形、地貌特征概述2.4.2 泥沙来源与动力条件2.4.3 泥沙运移方式和回淤强度分析2.5 地震本地的地震烈度为6°。第二篇 设计计算书1、 设计条件该码头是海港码头，其平面布置按港口工程技术规范总体设计篇（JTJ211-87）即海港总体及工艺设计的有关规定确定：（1） 泊位长度： 码头前沿停泊水域不小于2倍船宽，取45m。 (2) 沉箱的长宽高的确定：1） 沉箱长度有设备能力，施工要求和码头变形缝间距确定。该码头施工条件良好，没有特别要求和限制，重力式码头变形缝间距一般1030cm，取沉箱长度12m，码

6、头总长209m，采用17个沉箱。2）沉箱高度取决于基床顶面高程和沉箱顶面高程 沉箱顶高程由施工水位确定，可取2.6m，基床顶面高程由下式确定：D=T+Z1+Z2+Z3+Z4。其中，T为设计船型满载吃水，取8.7m；Z1是龙骨下最小富余 深度，按岩石地基，取0.6m；Z2由于码头前沿的波高小于1m，取0；Z3为船舶因配载 不均而增加的尾吃水，取0.15m；Z4是被淤深度，取0.4m，则综合以上各项取值，有：D=8.7+0.6+0+0.15+0.4=9.85m。3） 基床顶面高程为：H=设计低水位-D=0.45-9.85=-9.4m沉箱高度：H=2.6-(-9.4)=12m4）沉箱宽度主要由码头的

7、水平滑动及倾覆的稳定性和基床及地基承载力确定。在根据预制厂提供的模数，初步确定码头沉箱的宽度为6.6m。（3）沉箱内隔墙设置：为了增加沉箱的刚度和减少箱壁的和底板的计算跨度，在箱内设置1道纵向隔墙和2道横向隔墙。（4）构件的尺寸：根据规范对沉箱构件的构造要求和码头受荷情况，以及根据工程经验，初步拟定沉箱各构件尺寸如下：箱壁厚度取0.3m，地板厚度取0.4m，隔墙厚度取0.2m ，在各构件连接处设置0.213m*0.213m的加强角，以减少应力集中，防止干裂。（5）胸墙尺寸：胸墙底标高不低于施工水位，取2.3m（沉箱嵌入胸墙30cm），采用阶梯式胸墙，顶宽取3m。（6）码头顶高程：按规范要求顶高

8、程高于设计高水位1.01.5m，并且在极端高水位时不被淹没，取码头顶高程5.3m。（7）基床尺寸：基床采用按基床的型式，基床厚度取1.0m，前肩与后肩分别取4.0m和3.0m。（8）沉箱的浮游稳定性：沉箱的自重：计算见表2。表2 沉箱的自重计算表项目计算式Gi(kN)沉箱前、后板，纵隔板(0.3*2+0.2)*12*11.6*252784.00沉箱侧面板，横隔板(0.3*2+0.2*2)*2.9*11.6*2*251682.00沉箱底板6.6*12*0.4*25792.00沉箱前、后趾(0.4+0.7)*0.75*0.5*2*12*25247.50竖加强角0.5*0.2132*12*24*25

9、163.33底加强角0.5*0.2132*(3.4+2.6)*2*25*640.835721.66每延米自重作用5721.66/12476.81a) 沉箱的干舷高度：沉箱体积（排水体积）：前、后趾体积：V=2*（0.4+0.7）*0.75*1/2*12=9.9沉箱吃水：沉箱的干舷高度：F=H-T=12-7.07=4.93m故满足：F=H-Tb) 空箱的浮游稳定性：设沉箱的重心高度为H，则1/2*(5721.66/25)=0.8*(12-H)*12+1/2*0.2132*(12-H)*24+1.0*2.9*2*(12-H)得重心高度：H=4.82m前后趾的形心高度：沉箱的浮心高度：由于定倾半径：

10、定倾高度：m= - =0.50-1.34=-0.84m根据规范要求沉箱的定倾高度在近程浮运时，应满足m0.2m。空沉箱不满足浮游稳定性，应往仓格加水。c) 加水0.5m后，沉箱浮游稳定性计算：压载水的体积：设重心高度H：得H=3.88m沉箱排水体积：吃水深度：浮心高度：定倾半径：定倾高度：m= - =0.50-0.21=0.29m0.2m加0.5m压载水后，沉箱满足浮游稳定性要求。根据初步确定的尺寸，绘制沉箱的断面图和平面图。各部分构件尺寸见附图1至附图3。1.1 设计船型船型船长（m）船宽（m）型深（m）满载吃水（m）F171.022.712.38.71.2 结构安全等级本码头建筑物等级为级

11、。1.3 自然条件1.3.1 设计水位设计高水位(历时累积频率1%) 4.22米设计低水位(历时累积频率98%) 0.45米1.3.2 波浪要素1.3.3 地质资料1.3.4 地震设计烈度为6度1.4 码头面荷载（1）、堆货荷载：前沿q1=2t/m2前方堆场q2=3t/m2（构件计算） q2=2.5t/m2（整体计算）（2）、门机荷载按港口工程荷载规范JTJ21598附录C的Mh425设计。（3）、铁路荷载（4）、汽车荷载不计。（5）、船舶系缆力按普通系缆力计算。（6）、其它起重设备机械不计。按干线机车计算。1.5 材料指标拟建码头所需部分材料及其容重、内摩擦角等指标可按下表选用。表3 材料指

12、标材料名称容重（吨/米3）内摩擦角（度）水 上（湿容重）水 下（浮容重）水 上水 下混凝土2.32.41.31.4钢筋混凝土2.42.51.41.5块 石1.701.801.001.104545渣 石1.801.002.作用的分类及计算2.1 结构自重力2.1.1 极端高水位情况：计算图式见图3-1，计算见表3.1.1。表3.1.1 极端水位自重作用计算表（单位：m）项目计算书Gi(kN)Xi(m)GiXi(kN.m)沉箱前后壁，纵隔板(0.3*2+0.2)*12*12*151728.004.056998.40沉箱侧板，横隔板(0.3*2+0.2*2)*2.9*12*2*151044.004.

13、054228.2沉箱底板12*6.6*0.4*15475.204.051924.56沉箱前后趾0.5*(0.4+0.7)*0.75*2*12*15148.504.05601.43沉箱竖加强角0.5*0.2132*11.2*24*1591.464.05370.43沉箱底加强角0.5*0.2132*(3.4+2.6)*2*15*624.504.0599.23沉箱填石13.67*2.9*5.65-0.5*0.2132*11.2*4-0.5*0.2132*(3.4+2.6)*2*3*111941.872.504854.68沉箱填石23.67*2.9*11.3-0.5*0.2132*11.2*4-0.5

14、*0.2132*(3.4+2.6)*2*3*113926.255.6021987.00胸墙10.2*3*12*24+1.3*3*12*14828.002.251863.00胸墙23.3*1.0*12*14554.402.41330.56胸墙30.5*6.6*11.8*14554.404.052245.32沉箱上填石10.2*4.15*12*18+1.3*4.15*12*11891.425.9255281.66沉箱上填石21.0*3.85*12*11508.26.0753087.32沉箱后趾填石（11.8+11.5）*0.75/2*12104.857.725809.9712821.0555681

15、.76每延米自重作用1068.424640.152.1.2 设计高水位情况：计算图式见图3-2，计算见表3.1.2。表3.1.2 设计高水位自重计算表（单位：m）项目计算书Gi(kN)Xi(m)GiXi(kN.m)沉箱前后壁，纵隔板(0.3*2+0.2)*12*12*151728.004.055998.40沉箱侧板，横隔板(0.3*2+0.2*2)*2.9*12*2*151044.004.054228.20沉箱底板12*6.6*0.4*15475.204.051924.56沉箱前后趾0.5*(0.4+0.7)*0.75*2*12*15148.504.05601.43沉箱竖加强角0.5*0.21

16、32*11.2*24*1591.464.05370.43沉箱底加强角0.5*0.2132*(3.4+2.6)*2*15*624.504.0599.23沉箱填石13.67*2.9*5.65-0.5*0.2132*11.2*4-0.5*0.2132*(3.4+2.6)*2*3*111941.872.504854.68沉箱填石23.67*2.9*11.3-0.5*0.2132*11.2-*4-0.5*0.2132*(3.4+2.6)*2*3*113926.255.6021987.00胸墙11.08*3*12*24+0.42*3*12*141144.802.252575.80胸墙23.3*1.0*12

17、*14554.402.41330.56胸墙30.5*6.6*12*14554.404.052245.32沉箱上填石11.08*4.15*12*18+0.42*4.15*12*111198.125.9257099.26沉箱上填石21.0*3.85*12*11508.206.0753087.32沉箱后趾填石（11.5+11.8）*0.75/2*12104.857.725809.9713444.5558212.16每延米自重作用1120.384851.012.1.3 设计低水位情况：计算图示见图3-3，计算见表3.1.3。表3.1.3 设计低水位自重作用计算表（单位：m）项目计算书Gi(kN)Xi(

18、m)GiXi(kN.m)沉箱前后壁，纵隔板1.85*(0.3*2+0.2)*12*25+9.95*(0.3*2+0.2)*12*151876.84.057601.04沉箱侧板，横隔板(1.85*25+9.95*15)*(0.3*2+0.2*2)*2.9*21133.904.054592.30沉箱底板12*6.6*0.4*15475.204.051924.56沉箱前后趾0.5*(0.4+0.7)*0.75*2*12*15148.54.05601.43沉箱竖加强角(1.85*25+9.95*15)*0.5*0.2132*24105.624.05427.76沉箱底加强角0.5*0.2132*(3.4

19、+2.6)*2*15*624.504.0599.23沉箱填石13.67*2.9*5.65-0.5*0.2132*5.55*4-0.5*0.2132*(3.4+2.6)*2*3*111958.792.504896.96沉箱填石23.67*2.9*1.85-0.5*0.2132*1.85*4*8+3.67*2.9*9.95-0.5*0.2132*9.85*4-0.5*0.2132*(3.4+2.6)*2*11*33924.675.6021978.16胸墙11.5*3*12*241296.002.252916.00胸墙23.3*1.0*12*24950.402.402280.96胸墙30.5*6.6

20、*12*24950.404.053849.12沉箱上填石11.5*4.15*12*181344.605.9257966.76沉箱上填石21.0*3.85*12*18831.606.0755051.97沉箱后趾填石2.35*0.75*12*18+（8.85+9.15）*0.75/2*12*111271.707.7259823.8816292.6873970.53每延米自重作用1357.726164.212.2 波浪力由于码头所在的水域有掩护，浪高小于1m，波浪力可以忽略不计。2.2.1 极端高水位2.2.2 设计高水位2.2.3 设计低水位2.3 土压力标准值计算2.3.1 墙后块石棱体产生的土

21、压力（永久作用）标准值码头后填料为块石， =45°，根据重力式码头设计与施工规范（JTJ290-98）第3.5.1.2条规定，则。沉箱顶面以下考虑根据（JTJ290-98）表B.0.3-1，查表得。土压力标准值按（JTJ290-98）第3.5条计算 式中，=1码头后填料土压力（永久作用）：1) 极端高水位情况：土压力分布图见图3-1。土压力引起的水平作用：土压力引起的竖向作用：土压力引起的倾覆力矩：土压力引起的稳定力矩：2)设计高水位情况：土压力分布图见图3-2。土压力引起的水平作用：土压力引起的竖向作用：土压力引起的倾覆力矩： 土压力引起的稳定力矩：3)设计低水位情况：土压力分布图

22、见图3-3。土压力引起的水平作用：土压力引起的竖向作用：土压力引起的倾覆力矩：土压力引起的稳定力矩：2.3.2 码头面堆存荷载产生的土压力（可变作用）标准值堆货荷载产生的土压力（可变作用）：各种水位时，堆货荷载产生的土压力标准值均相同。1) 前方堆场堆货荷载产生的土压力标准值：堆货荷载产生的水平作用：堆货荷载产生的竖向作用：堆货荷载引起的倾覆力矩：堆货荷载引起的稳定力矩：2) 码头前沿堆货引起的竖向作用（可变作用）：码头前沿堆货范围按6m计算：G=20*6=120（kN/m）码头前沿堆货产生的稳定力矩：门机和铁路荷载产生的土压力（可变作用）：对设有门机和铁路的装卸区域的土压力常用等代均布荷载的

23、方法处理：沿钢轨长度方向将轮压力化为线荷载，再将这些线荷载通过轨枕到渣等沿码头横向传布达一定深度后成为均布荷载，并移至地面。根据设计要求，门机加双线路铁路的等代均布荷载可取37.6kPa。各种水位时，门及铁路等代均布荷载产生的土压力标准值相同。门机铁路产生的水平作用：门机铁路产生的竖向作用：门机铁路引起的倾覆力矩：门机铁路引起的稳定力矩：2.4 6度地震时主动土压力标准值计算2.4.1 墙后块石棱体产生的地震土压力标准值2.4.2 码头面堆存荷载产生的地震土压力标准值2.5 地震惯性力2.5.1 设计高水位情况2.5.2 设计低水位情况2.6 船舶荷载2.6.1 系缆力（可变作用）根据港口工程

24、荷载规范给出的普通系缆力，在有掩护的港口，船长与计算系缆力的关系如下表4：表4 船长与系缆力关系船长（m）120150170海船缆夹角计算系缆力（kN）250350450=30°=15°1) 船舶水面以上受风面积计算（按货船）：根据船型参数资料，取设计船型的满载DW=15000t，按港口工程荷载规范（JTJ215-98）第10.2.2条计算船舶横向受风面积。满载时： 半载或压载时： 作用于船舶上计算风压力的垂直于码头前沿线的横向分力计算由（JTJ215-98）第10.2.1条中公式10.2.1-1计算。式中： 风压不均匀系数按表10.2.3取值，内插法求得由于码头区有掩护，

25、水流很小，作用于船舶上的水流力忽略不计。2) 系缆力标准值：按（JTJ215-98）10.4中10.4.1-4计算，式中，取,。N由表10.4.2，取4；K取1.3。根据(JTJ215-98)10.4中10.4-5条规定系缆力标准值为450kN。3) 系缆力引起的垂直作用、水平作用和倾覆力矩：PRV=116.47/12=9.71（kN/m）PRH=217.33/12=18.11(kN/m)MPR=9.71*(1.0+0.75)+18.11*15.2=292.26(kN.m/m)2.6.2 撞击力2.6.3 挤靠力表5 码头荷载标准值汇总表作用分类荷载情况垂直力(kN/m)水平力(kN/m)稳定

26、力矩(kN.m/m)倾覆力矩(kN.m/m)永久作用自重力极端高水位1068.424640.15设计高水位1120.384851.01设计低水位1357.726164.21填料土压力极端高水位48.86192.03359.12962.43设计高水位50.99202.01374.781035.18设计低水位63.31250.21465.331321.89可变作用波浪作用忽略不计堆货土压力12.1558.2489.30435.52前沿堆货120792.00门机铁路簦代荷载264.5687.621273.38655.24船舶系缆力-9.7118.11292.263.码头稳定性验算3.1 持久状况3.

27、1.1 作用效应组合持久组合一：极端高水位（永久作用）+堆货（主导可变作用）+系缆力（非主导可变作用）持久组合二：设计高水位（永久作用）+堆货（主导可变作用）+系缆力（非主导可变作用）持久组合三：极端高水位（永久作用）+系缆力（主导可变作用）+堆货（非主导可变作用）持久组合四：设计高水位（永久作用）+系缆力（主导可变作用）+堆货（非主导可变作用）偶然组合：因该地区地震烈度为6度，根据水运工程抗震设计规范（JTJ225-98）第1.0.2条的规定可不进行抗震计算。1） 码头沿胸墙底面和沉箱底面的抗滑稳定性验算：根据(JTJ290-98)第3.6.1条规定，不考虑波浪作用，堆货土压力为主导可变作用

28、时，按公式（3.6.1）计算：不考虑波浪作用时，系缆力为主导可变作用，按公式（3.6.1）计算：式中：各分项系数根据不同的作用效应组合，按公式(JTJ290-98)第3.6.1条规定取值；各作用的标准值按表3.6取值。抗滑验算见表6.1，6.2。表6.1 抗滑计算表一项目组合土压力为主导可变作用时结果Gf结果结论持久组合一1.11.35190.031.2558.240.71.418.11384.771.01.01068.4248.8612.150.6689.74稳定持久组合二1.11.35202.011.3558.240.71.418.11405.991.01.01120.3850.9912.

29、150.6723.37稳定表6.2 抗滑计算表二项目组合系缆力为主导可变作用时结果Gf结果结论持久组合三1.11.35192.031.418.110.71.2558.24369.111.01.01068.4248.869.710.615.2678.85稳定持久组合四1.11.35202.011.418.110.71.2558.24383.931.01.01120.3850.999.710.615.2711.75稳定2） 码头沿胸墙底面和沉箱底面的抗倾稳定性验算根据（JTJ290-98）第3.6.3条规定，不考虑波浪作用，由可变作用产生的土压力为主导可变作用时，按公式（3.6.3-1）计算：不考

30、虑波浪作用时，系缆力产生的倾覆力矩为主导可变作用，按公式（JTJ3.6.3-2）计算：抗倾验算见表6.3，6.4。表6.3 抗倾计算表一项目组合土压力为主导可变作用时结果f结果结论持久组合一1.11.35962.431.25435.520.71.4292.262343.111.04640.15359.1289.300.63141.95稳定持久组合二1.11.351035.181.35435.520.71.4292.262499.051.04851.01374.7889.300.63286.51稳定表6.4 抗倾计算表二项目组合系缆力为主导可变作用时结果f结果结论持久组合三1.11.35962.

31、431.25435.520.71.4292.262298.481.04640.15359.1289.300.63149.99稳定持久组合四1.11.351035.181.35435.520.71.4292.262440.051.04851.01374.7889.300.63289.19稳定3.1.2 承载能力极限状态设计表达式3.2 短暂状况3.3 偶然状况3.3.1 作用效应组合3.3.2 承载能力极限状态设计表达式4. 基床和地基承载力验算根据（JTJ290-98）第3.6.6条规定：式中，取1.1，为1.0，取600kPa。则：。4.1 基床顶面应力计算4.1.1 持久状况1) 基床顶面

32、应力计算作用组合：持久组合一：极端高水位（永久作用）+系缆力（主导可变作用）+堆货（非主导可变作用）持久组合二：设计低水位（永久作用）+系缆力（主导可变作用）+堆货（前沿堆货+门机铁路等代荷载）（非主导可变作用）各作用标准值根据表4-5。2) 持久组合一时基床顶面应力计算：根据规范第3.6.7条规定计算：3) 持久组合二时基床顶面应力计算：根据规范第3.6.7条规定计算：4.1.2 偶然组合：因该地区地震烈度为6度，根据水运工程抗震设计规范（JTJ225-98）第1.0.2条的规定可不进行抗震计算。4.2 承载力计算5.沉箱结构内力计算根据码头稳定性验算的计算结果，沉箱构件内力分别按承载力极限状态和正常使用极限状态下不同作用组合的情况进行计算。5.1 承载力极限状态下的内力计算1） 沉箱前面板：经计算分析，沉箱内灌水1.5L(L=3.6m)深度时，沉箱前面板所受水压力最大。计算沉箱下沉中，箱内灌水1.5L(L=3.6m)深度时的水压力：沉箱加入1.5L水深后的总重：G=5721.66+5.4*3.67*2.9-0.5*0.213*0.213*2*(3.4+2.6)-0.5*0.213*0.213*5.3*4*10.25*6=9209.88(kN)沉箱体积：减去前后