港口水工建筑物课程设计

港口水工建筑物课程设计院系：专业年级：港口航道与海岸工程学生姓名：学号：指导教师：设计日期：中国海洋大学目录第一篇设计任务书 .-4-1 41.1 编制本报告的主要依据和资料 .-4-1.2 建设的必要性和建设规模41.2.2

建设的必要性 .-4-建设的规模....................................................................................................-4-2 自然条件分析 .-4-2.1 地理位置 .-4-2.2 气象42.2.1 气温 .-5-2.2.2 52.2.3 52.2.4 52.2.5 52.3 水文 .-5-2.3.1 潮汐、水位 .-5-2.3.2 52.3.3 52.3.4 5地形、地貌及泥沙运动 .-6-港区地形、地貌特征概述 .-7-2.4.2 72.4.3 72.5 地震 .-7-71 71.1 设计船型 .-11-1.2 结构安全等级11-1-1.3 自然条件 .-11-1.3.1 设计水位 .-11-1.3.2 111.3.3 111.3.4 7111.4 码头面荷载 .-11-1.5 材料指标12作用的分类及计算 .-12-2.1 结构自重力122.1.1极端高水位情况： .-12-2.1.2 142.1.3 152.2 波浪力 .-16-2.2.1 极端高水: .-17-2.2.2 172.2.3 17土压力标准值计算 .-17-墙后块石棱体产生的土压力（永久作用）标准值 .-17-2.3.2 码头面堆存荷载产生的土压力（可变作用）..............................-19-2.3.3 6212.3.4 212.3.5 212.4 地震惯性力 .-21-2.4.1 设计高水位情况 .-21-2.4.2 212.5 船舶荷载 .-21-2.5.1 系缆力（可变作用） .-21-2.5.2 232.5.3 23码头稳定性验算 .-24--2-3.1 持久状况 .-24-3.1.1 作用效应组合 .-24-3.1.2 273.2 短暂状况 .-27-3.3 偶然状况273.3.1 作用效应组合 .-27-3.3.2 27基床和地基承载力验算 .-27-4.1 基床顶面应力计算274.1.1 持久状况 .-27-4.1.2 284.2 承载力计算 .-29-沉箱结构内力计算 .-29-承载力极限状态下的内力计算 .-29-5.2 正常使用极限状态下的内力计算31参考资料 .-34--3-第一篇设计任务书概述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》JTJ290-98JTJ213-98JTJ225-98JTJ250-98JTJ215-98建设的必要性和建设规模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 建设的规模该码头为一件杂货码头，结构形式为顺岸重力式码头，建筑物等级为Ⅰ级建筑物自然条件分析地理位置气象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-气温降水风况码头所在地区常风主要为北向，其次为东南向；强风向（七级以上大风）主要为北～北北西向，其次为南南东～东南向。雾况相对湿度水文潮汐、水位校核高水位（五十年一遇） ﹢5.00米校核低水位（五十年一遇） ﹣1.15米设计高水位(历时累积频率1%) ﹢4.00米设计低水位(历时累积频率98%) ﹢0.45米施工水位 ﹢2.20米波浪拟建码头所在水域有掩护，码头前波高小于1米。海流冰凌-5-地形、地貌及泥沙运动1/200，海底地面标高为1/200，海底地面标高为等,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柱状图标高海底至﹣7.9﹣7.9地质淤泥指标Υm=1.53t/m3,Ψ=12°8′,C=0.14kg/m2。亚粘土e=0.7，I=12.4，I=0.58，Er=1.94t/m3，c=0.25kg/cm2，Ψ=20°。pLSppe00.7000.50.6871.00.6782.00.6633.00.652-6-2码头所在处土壤特性2码头所在处土壤特性港区地形、地貌特征概述泥沙来源与动力条件泥沙运移方式和回淤强度分析地震本地的地震烈度为6°。第二篇设计计算书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：L=LC+2d=162.0+2×20=202.0m205m。码头前沿停泊水域不小于2倍船宽，取45m。-7-沉箱的长宽高的确定：10~30cm，11.8m，码205m18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2.50m，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9.2m；Z1是龙骨下最小富余深度，取1m，取吃水，取0.15mZ4是被淤深度，取0.4m，则综合以上各项取值，有：D=9.2+0.6+0+0.15+0.4=10.35m。基床顶面高程为：H′=设计低水位-D=0.45-10.35=-9.9m沉箱高度：H=2.5-(-9.9)=12.4m6.4m。沉箱内隔墙设置：12向隔墙。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0.3m，0.4m，0.2m0.213m×0.213m胸墙尺寸：2.2（30cm3m。码头顶高程：1.0~1.5m，5.3m。基床尺寸：1.0m，4.0m3.0m。沉箱的浮游稳定性：-8-2。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)×11.8×12×252832.00沉箱侧面板，横隔板(0.3×2+0.2×2)×2.8×12×2×251680.00沉箱底板6.4×11.8×0.4×25755.20沉箱前、后趾(0.4+0.7)×0.75×0.5×2×11.8×25243.38竖加强角0.5×0.213²×11.9×24×25161.97底加强角0.5×0.213²×(3.4+2.6)×2×25×640.83∑5671.38每延米自重作用5671.38/11.8480.63沉箱的干舷高度： G沉箱体积（排水体积V 水

5671.389.8

564.60m3前、后趾体积：V′=2（0.4+0.7）0.751/211.8=9.735m3沉箱吃水：TVV

564.609.735

7.35mA 11.86.4沉箱的干舷高度：F=H-T=12.4-7.35=5.05mBtg2hS6.4tg8211.02.12m2 3 2 3故满足：F=H-T≥B2

2hS3空箱的浮游稳定性设沉箱的重心高度为H′，则1/2(12.4-H’)11.8+1/20.213^²×(12.4-H′)×24+1.0×2.8×2×(12.4-H′)得重心高度：H′=5.12m前后趾的形心高度：0.40.20.750.50.30.75(0.40.3)yv (0.40.7)0.75

3 0.282m沉箱的浮心高度：-9-y

7.359.7350.2822 3.62mw由于

564.60定倾半径：I

LB

11.86.43

0.46mV 12564.60定倾高度：m=-=0.46-1.50=-1.04mm≥0.2m空沉箱不满足浮游稳定性，应往仓格加水。0.6m压载水的体积：V*462设w重心高度H′：1[5671.38

34.38]0.8H)11.80.5H)242 25 得1.02.82H)H′=4.019m

G iV 水

564.6034.38598.98m3吃水深度：T

VV598.989.735

7.80mA 11.86.4浮心高度：V

V

9.735)7.809.7350.282y 2w V

v 2 598.984.0193.840.179m定倾半径：

ILB3

11.86.43

0.430mV 12598.98定倾高度：m=-=0.430-0.179=0.251m＞0.2m-10-加0.6m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。设计船型船型船型CEF总船长（m）157.0160.9162.0162.0船宽（m）21.521.221.721.7型深（m）11.912.512.712.7满载吃水（m）9.09.28.79.2结构安全等级本码头建筑物等级为Ⅰ级。自然条件设计水位设计高水位(历时累积频率1%) ﹢4.00米设计低水位(历时累积频率98%) ﹢0.45米波浪要素地质资料-4.5～-5.5112。7度码头面荷载、堆货荷载：q=2t/m21-11-q=4t/m2（构件计算）2q=3t/m2（整体计算）2、门机荷载按《港口工程荷载规范》JTJ215—98CMh—4—25

设计。、铁路荷载。按干线机车计算。、汽车荷载不计。、船舶系缆力按普通系缆力计算。、其它起重设备机械不计。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 材料指标容重Υ（吨/米3）内摩擦角Ψ（度）材料名称水上（湿容重）水下（浮容重）水上水 下混凝土2.3～2.41.3～1.4钢筋混凝土2.4～2.51.4～1.5块石1.70～1.801.00～1.104545渣石1.801.00作用的分类及计算结构自重力极端高水位情况：计算图式见图2-1，计算见表2.1.1。-12-图2-1项目计算书Gi(kN)Xi项目计算书Gi(kN)Xi(m)GiXi(kN.m)板(0.3×2+0.2)×12×11.8×151699.203.956711.84(0.3×2+0.2×2)×2.8×12×2×1511.8×6.4×0.4×151008.003.953981.60沉箱底板453.123.951789.82沉箱底加强角0.5×0.213²×(3.4+2.6)×224.503.9596.78沉箱前后趾0.5×(0.4+0.7)×0.75×2×146.033.95576.8211.8×15沉箱竖加强角0.5×0.213²×11.9×24×1597.183.95383.86×15×6沉箱填石1[3.6×2.8×6-0.5×0.213²×11.9×4-0.5×0.213²×1951.222.454780.50(3.4+2.6)×2]×3×11沉箱填石2[3.6×2.8×12-0.5×0.213²×11.9×4-0.5×0.213²×3947.065.4521511.50(3.4+2.6)×2]×3×11胸墙10.3×3×11.8×24+1.2×3×849.602.251911.6011.8×14胸墙23.3×1.0×11.8×14545.162.41308.38胸墙30.5×6.4×11.8×14-13-528.643.952088.13沉箱上填石10.3×4.15×11.8×18+1.2×910.845.8255305.64沉箱上填石24.15×11.8×111.0×3.85×11.8×11499.755.9752985.89沉箱后趾填石（12.4+12.1）×0.75/2×11.8108.417.525815.80∑12768.7154248.16每延米自重作用1082.094597.30设计高水位情况：计算图式见图2-2，计算见表2.1.2。图2-2项目计算书Gi(kN)Xi项目计算书Gi(kN)XiGiXi(kN.沉箱前后横隔板趾强角强角(0.3×2+0.2)×11.8×12×15(0.3×2+0.2×2)×2.8×12×2×1511.8×6.4×0.4×150.5×(0.4+0.7)×0.75×2×11.8×150.5×0.213²×11.9×24×150.5×0.213²×(3.4+2.6)×2×15×61699.20(m)3.95m)6711.841008.003.953981.60453.123.951789.82146.033.95576.8297.183.95383.8624.503.9596.78-14-[3.6×2.8×6-0.5×0.213²×沉箱填石111.9×4-0.5×0.213²×1951.222.454780.50(3.4+2.6)×2]×3×11[3.6×2.8×12-0.5×0.213²×沉箱填石211.9×4-0.5×0.213²×3947.065.4521511.50(3.4+2.6)×2]×3×11胸墙11.3×3×11.8×24+0.2×3×11.8×141203.602.252708.10胸墙23.3×1.0×11.8×14545.162.41308.38胸墙30.5×6.4×11.8×14528.643.952088.134.15×11.8×111.0×3.85×11.8×11499.755.9752985.89（12.1+12.4）×0.75/2×11.8108.417.525815.8014542.8455044.661232.444664.80沉箱上填石1沉箱上填石1石2填石∑重作用1.3×4.15×11.8×18+2.2×2330.975.8255305.64计算图示见图2-3，计算见表2.1.3。图2-3-15-项目计算书沉箱前后壁，纵2.05×(0.3×2+0.2)×11.8×隔板 项目计算书沉箱前后壁，纵2.05×(0.3×2+0.2)×11.8×隔板 25+10.35×(0.3×2+0.2)×11.8×15沉箱侧板，横隔(2.05×25+10.35×15)×(0.3板 ×2+0.2×2)×2.8×2沉箱底板 11.8×6.4×0.4×15沉箱前后趾 0.5×(0.4+0.7)×0.75×2×11.8×15沉箱竖加强角 (2.05×25+10.35×15)×0.5×0.213²×24沉箱底加强角 0.5×0.213²×(3.4+2.6)×2×15×6[3.6×2.8×6-0.5×0.213²×沉箱填石1 11.9×4-0.5×0.213²×(3.4+2.6)×2]×3×11{[3.6×2.8×2.05-0.5×0.213²×2.05×4]×8+[3.6×沉箱填石2 2.8×10.35-0.5×0.213²×3487.535.4519007.02Gi(kN)Xi(m)GiXi(kN.m)1949.363.957699.971156.403.954567.78453.123.951789.82146.033.95576.82112.423.95444.0824.503.9596.781951.222.454780.5010.35×4-0.5×0.213²×(3.4+2.6)×2]×11}×3胸墙11.5×3×11.8×24849.602.252867.40胸墙23.3×1.0×11.8×24545.162.402242.94胸墙30.5×6.4×11.8×24528.643.953579.65沉箱上填石11.5×4.15×11.8×18910.845.8257701.76沉箱上填石21.5×3.85×11.8×18499.755.9757328.992.35×0.75×11.8×沉箱后趾填石18+[（9.95+9.65）×0.75/2×1328.397.5259996.1011.8×11]∑13942.9672679.61每延米自重作用1181.616159.292.2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。-16-极端高水位:设计高水位:设计低水位:土压力标准值计算墙后块石棱体产生的土压力（永久作用）标准值码头后填料为块石 =45°根《重力式码头设计与施工规范（JTJ290-98第3.5.1.2条规定，kan

tg2(45/2，则kan

tg2(4545/2)0.172。沉箱顶面以下考虑/345/315根据（JTJ290-98）表B.0.3-1，查表得kan

0.16。k kax ank kay

cos0.16cos150.155sin0.16sin150.041土压力标准值按（JTJ290-98）第3.5条计算e n1

h)kii

cose n2

h)kii

cos cos=1码头后填料土压力（永久作用：极端高水位情况：e5.3e5.0e2.5e2.5

0180.30.1720.93(kPa)0.32.50.1720.32.50.155e 0.32.51112.40.1559.9-17-土压力分布图见图2-1。土压力引起的水平作用：EH0.148.24194.31202.69(kN/m)土压力引起的竖向作用：E194.31tg15 /m)V土压力引起的倾覆力矩：M3EH10110193851049km/)土压力引起的稳定力矩：M 52.07(6.40.75)/m)EV设计高水位情况：e5.3e4.0e2.5e2.5

0181.30.1724.02(kPa)1.31.50.1721.31.50.155e 1.31.51112.40.1559.9土压力分布图见图2-2。土压力引起的水平作用：EH2.618.16207.76218.53(kN/m)土压力引起的竖向作用：E207.76tg15 /m)V土压力引起的倾覆力矩：-18-M /3*EH(2/m)土压力引起的稳定力矩：M 55.67(6.40.75)/m)EV设计低水位情况：e5.3e2.5e2.5e

0182.80.172182.80.155184.850.15513.53(kPa)0.45e 4.8510.350.1559.9土压力分布图见图2-3。土压力引起的水平作用：EH/m)土压力引起的竖向作用：E(19.74231.37)tg15/m)V土压力引起的倾覆力矩：M/3EH/m)土压力引起的稳定力矩：M 67.28(6.40.75)/m)EV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：-19-各种水位时，堆货荷载产生的土压力标准值均相同。前方堆场堆货荷载产生的土压力标准值：e5.3~

300.1725.16(kPa)e 300.1552.5~9.9堆货荷载产生的水平作用：E 5.162.84.6512.414.4557.66/m)qH堆货荷载产生的竖向作用：E tg15/m)qV堆货荷载引起的倾覆力矩：M 14.45(0.52.812.4)57.660.512.4/m)EqH堆货荷载引起的稳定力矩：M 15.45(6.40.75)/m)EqV码头前沿堆货引起的竖向作用（可变作用：6m：G=20×6=120（kN/m）码头前沿堆货产生的稳定力矩：M120(3.66.0/2)792(kN.m/m)G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。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。e5.3~

37.60.1726.47(kPa)e 37.60.1552.3~9.9门机铁路产生的水平作用：E 6.472.85.8312.418.1272.29/m)qH-20-门机铁路产生的竖向作用：E tg15/m)qV门机铁路引起的倾覆力矩：M 18.12(0.52.812.4)72.290.512.4/m)EqH门机铁路引起的稳定力矩：MEqV

72.29tg156.553.7610/20.75/m)6度地震时主动土压力标准值计算墙后块石棱体产生的地震土压力标准值码头面堆存荷载产生的地震土压力标准值地震惯性力设计高水位情况设计低水位情况船舶荷载系缆力（可变作用）根据《港口工程荷载规范》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）船长（m）120150170海船缆夹角计算系缆力（kN）250350450=30° =15°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）-21-第10.2.2条计算船舶横向受风面积。满载时：logAxwlogAxw

0.0360.742logDW0.0360.742log15000半载或压载时：logAxwlogAxw

A 1155.21m2xw0.2830.727logDW0.2830.727log15000A 2084.58m2xw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10.2.110.2.1-1

73.6*105A

V2式中：Vx

xw22m/s

xw x风压不均匀系数按表10.2.3取值，内插法求得0.805F 73.6*105*2084.58*222*0.805597.77kNxw由于码头区有掩护，水流很小，作用于船舶上的水流力忽略不计。系缆力标准值：按（JTJ215-98）10.410.4.1-4K FN [n sin

x ]cosN NsincosxN NcoscosyN Nsinz式中，取3015。N10.4.2，4；K1.3。N1.3[

597.77

]402.26(kN)4 sin30cos15根据(JTJ215-98)10.410.4-5450kN。-22-N 450sin30cos15217.33(kN)xN 450cos30376.42(kN)yN 450sin15116.47(kN)zPRV=116.47/11.8=9.87（kN/m）PRH=217.33/11.8=18.40(kN/m)MPR=9.87×(1.0+0.75)+18.40×15.2=296.95(kN.m/m)撞击力挤靠力作用分类荷载情况垂直力作用分类荷载情况垂直力水平力稳定力矩倾覆力矩自重力永久作用填料力可变作用(kN/m)(kN/m)(kN.m/m)(kN.m/m)极端高水位1082.094597.30设计高水位1232.444664.80设计低水位1180.616159.29极端高水位52.07202.69372.301045.96设计高水位55.67218.53398.041161.29设计低水位67.28263.25481.051422.59波浪作用忽略不计堆货土压力15.4572.11110.47556.90前沿堆货120792.00门机铁路簦代荷载265.6590.411277.54698.25船舶系缆力-9.8718.40296.95-23-码头稳定性验算持久状况作用效应组合持久组合一：极端高水位（永久作用（主导可变作用（非主导可变作用持久组合二：设计高水位（永久作用（主导可变作用（非主导可变作用持久组合三：极端高水位（永久作用（主导可变作用（非主导可变作用持久组合四：设计高水位（永久作用（主导可变作用（非主导可变作用61.0.2条的规定可不进行抗震计算。码头沿胸墙底面和沉箱底面的抗滑稳定性验算：根据(JTJ290-98)3.6.1式（3.6.1）计算：0

EE1

EE2

PPR

)1d

(GG

EE1

E )fE2 qV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：E0 E

PPR

EE

)1d

GEG E

PPR

E )fE qV(JTJ290-98)3.6.13.66.1，6.2。项土目压力为项土目压力为组合( E 主导可变作用时1d( GGE E )fE1 V E2 qV0 E1 HEE2 P )PR RHE结果GEf0EE1HE2qHPPR RHEdGVqV结果结论持1.1.202.1.72.0.1.18.419.1.1.1082.52.15.0.703.稳久13569251174409800090745603定-24-组合一持1.1.218.1.72.0.1.18.451.1.1.1232.55.15.0.797.稳久13553351174404400446745608定组合二项系缆力为主导可变作用时目组合项系缆力为主导可变作用时目组合( E 0 E HP E )PR RH E qH1d( GE GE VP E )fPR RH E qVE0EE1HPPR RHE2qH结果GfdGEVPRVEqV结果结论久.组合四35.534.4.725.11.26. .2.44.6787.6.45.21定00持11.2021.1801.723891 1108529.015684稳久.35.694.4.25.1.74. .2.0.087..4.0定组171009765合三持11.2181.1801.7242211123559.015777稳码头沿胸墙底面和沉箱底面的抗倾稳定性验算根据第3.6.3变作用时，按公式（3.6.3-1）计算：M0 E

E

EqH

MPR

)1d

MG

ME

E

)fEqV不考虑波浪作用时，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：M0 E

MPR

M )1E EqH d

MG

ME

E

)fEqV抗倾验算见表6.3，6.4。-25-项土压力为主导可变作用时目组合(项土压力为主导可变作用时目组合(M M0 E EHE EqHM )PR PR1d(M M M )fG G E EV E EqVMM结果Mf结果E1EHE2EqHMMM0PRPRGGEVEqV结论01. .7 401. .7 4296263914597372110.03142稳.95.10..30.3047..80定06持久组合三持久组合四项系缆力为主导可变作用时目组合项系缆力为主导可变作用时目组合(M 0 E EHM PR PRME EqH)1d(M M M )fG G E EV E EqV持11.10451.556久组合一.135.9625.90持11.11611.556久组合二.135.2935.90296287114664398110.03210稳.95.62..80.0447..77定060E1MEHE2MEqHPRMPR结果GMGMEVMEqVf结果结论1 1.10451.556 01 2962631459737211003142稳. 35.96 25.90 .. .959.1..30.30.47..80定1 740061 1.11611.556 01 2962871466439811003210稳. 35.29 35.90 .. .951.6..80.04.47..77定1 74206-26-承载能力极限状态设计表达式短暂状况偶然状况作用效应组合承载能力极限状态设计表达式基床和地基承载力验算根据（JTJ290-98）第3.6.6条规定： 0 max r式中，0取1.1，为1.0，r取600kPa则： 545.45kPa。max基床顶面应力计算持久状况基床顶面应力计算作用组合：持久组合一：极端高水位（永久作用（主导可变作用（非主导可变作用持久组合二：设计低水位（永久作用（主导可变作用（（非主导可变作用）各作用标准值根据表4-5。3.6.7V1082.0952.0715.459.87/m)kM4597.30372.30110.475080.07(kN/m)R-27-M1045.96556.90296.95/m)0 (5080.071899.81)/1139.74)B/37.9/3)eB/2)max

V//B)1139.74/7.9*6*1.16/7.9)kr

min

V//B)1139.74/7.9*6*1.16/kr

3.6.7V1180.6115.4512067.289.87263.251636.72(kN/m)kM6159.291161.29110.477921277.54/m)RM1422.59556.90296.95698.25/m)0(9500.592974.69)/1636.72)B/37.9/3)V//V//B)1636.72/7.9*6*0/7.9)207.18kPamaxrkV/