某货运码头重力式结构方案设计

某货运码头重力式结构方案设计摘 要近些年来，依靠科学技术的进步，我国水运交通基础设施的面貌产生了深刻的变化。港口水工建筑物的结构形式也有了较大发展，并取得了一系列的重大技术突破和具有国际水平的创新成果。本论文根据黑龙江省水运建设的需求建造一个货运码头。该码头位于松花江中游，拟建设地点水域宽阔，地基条件较好，适合建设码头工程。对码头的顶面高程和设计河底高程进行了确定。本论文侧重于对码头结构计算，对本码头的重力式方块结构形式和重力式沉箱结构形式两种结构方案进行设计，分别验算其抗滑和抗倾稳定性。设计完成后，对两种方案进行工程概预算，并对两种方案进行对比和分析，最终选择最合适的结构方案。关键词：重力式结构；方块码头；沉箱码头；工程概预算哈尔滨工程大学本科生毕业论文ABSTRACTIn recent years, relying on the progress of science and technology, the appearance of water transportation infrastructure facilities in our country has had a profound change. The structure of port hydraulic structures also had the very big development, and a series of important technical achievements and with the international level of innovation.According to the requirements of construction of water transportation in Heilongjiang province,this paper is to build a container terminal. The terminal is located in the middle reaches of Songhua River, proposed construction site wide waters, ground condition is good, suitable for construction of wharf engineering. The bottom elevation of pier top surface elevation and design were determined. Wharf structure calculation, this paper focused on the gravity of this terminal block structure form and the form of gravity caisson structure schemes for the two kinds of structure design, checking the anti-sliding and anti-inclining stability respectively. After the completion of the design, engineering budget, the scheme of two kinds of comparison and analysis of two kinds of schemes, finally choose the most suitable structure scheme.Key words: gravity structure; concrete block quay wall; concrete caisson quay wall; project budget某货运码头重力式结构方案设计目 录摘 要ABSTRACT第 1 章 绪论 .11.1 引言 .11.2 设计原则 .11.3 设计条件 .21.3.1 设计船型 .21.3.2 设计水位 .21.3.3 荷载 .21.4 设计方案和内容 .21.4.1 平面设计 .21.4.2 结构计算 .21.4.3 工程量计算及工程概预算 .21.4.4 设计文件 .31.4.5 设计图纸 .3第 2 章 平面布置 .42.1 平面布置原则 .42.2 设计船型 .42.3 码头前沿设计高程 .42.4 码头前沿设计水深 .42.5 设计河底高程 .52.6 泊位长度 .52.7 码头长度 .52.8 本章小结 .5第 3 章 重力式方块码头结构计算 .73.1 重力式方块码头结构方案 .73.1.1 墙身和胸墙 .73.1.2 基床 .83.1.3 墙后回填 .8哈尔滨工程大学本科生毕业论文3.2 方块码头平、立面的拟定 .83.3 方块码头断面图和平、立面图 .83.4 计算内容 .113.5 计算资料 .113.5.1 结构安全等级 .113.5.2 自然条件 .113.5.3 码头面荷载 .113.5.4 船舶荷载 .123.5.5 其他有关计算指标 .123.6 作用的分类及计算 .133.6.1 结构自重力计算 .133.6.2 墙后填料产生的主动土压力计算 .153.6.3 码头面堆货荷载产生的主动土压力计算 .193.6.4 系缆力计 算 .213.6.5 门机荷载计算 .223.7 码头稳定性验算 .223.7.1 沿墙底面的抗滑稳定性验算 .223.7.2 沿基床底面的抗滑稳定性验算 .243.7.3 沿墙底面前趾的抗倾稳定性验算 .253.7.4 基床和地基承载力验算 .263.8 本章小结 .29第 4 章 重力式沉箱码头结构计算 .304.1 重力式沉箱码头结构方案 .304.1.1 墙身和胸墙 .304.1.2 基床 .314.1.3 墙后回填 .314.2 方块码头平、立面的拟定 .324.3 方块码头断面图和平、立面图 .324.4 计算内容 .344.5 计算资料 .34某货运码头重力式结构方案设计4.5.1 结构安全等级 .344.5.2 自然条件 .344.5.3 码头面荷载 .344.5.4 船舶荷载 .354.5.5 其他有关计算指标 .354.6 作用的分类及计算 .364.6.1 结构自重力计算 .364.6.2 墙后填料产生的主动土压力计算 .374.6.3 码头面堆货荷载产生的主动土压力计算 .414.6.4 系缆力 计算 .434.6.5 门机荷载计算 .444.7 码头稳定性验算 .444.7.1 沿墙底面的抗滑稳定性验算 .444.7.2 沿基床底面的抗滑稳定性验算 .454.7.3 沿墙底面前趾的抗倾稳定性验算 .464.7.4 基床承载力验算 .484.8 本章小结 .50第 5 章 工程量计算和工程概预算 .515.1 编制依据 .515.2 重力式方块码头结构方案工程概预算 .515.3 重力式沉箱码头结构方案工程概预算 .535.4 工程概预算结果 .545.5 本章小结 .54第 6 章 方案比选 .556.1 优缺点对比 .556.2 概预算对比 .556.3 本章小结 .55结 论.56参考文献.57致 谢.59第 1 章 绪论1第 1 章 绪论1.1 引言港口是具有水陆连运的条件和设备，可供船舶安全进出和停泊的运输枢纽，是水陆交通的集结点，是船舶停泊、装卸货物、补充给养、上下旅客的场所。港口，作为交通运输的枢纽，在复杂的国民经济物流体系中发挥着举足轻重的作用。港口按所处位置划分，有海港、河港和河口港等。河港是位于江河河岸的港口，内河水运在水资源综合利用和运输体系当中占有极为重要的部分，同时也是实现可持续发展重要战略的必备资源。所以需要积极倡导发展内河水运建设，向资源节约型、环境友好型社会大力发展。内河水运为流域经济的持续、快速发展发挥了重要作用。在中国，港口建设主要是围绕煤炭、粮食、集装箱、矿石、陆岛滚装、深水出海航道等运输系统进行。中国主要港口在世界港口中已占有了重要的地位，在世界港口的排名也不断靠前，集装箱吞吐量已连续多年位居世界首位，成为世界上港口吞吐量和集装箱吞吐量最多，增长速度最快的国家。本码头附近拥有丰富的资源，但开发利用缓慢，改革开放以来，经济建设的步伐加快。本地依靠其丰富的资源和改革开放的契机，在已取得的成就上制定了许多切实可行、行之有效的重大措施。近几年，松花江航道畅通，又有大好的形式，但苦于资金困难，船舶、港口建设力不从心，水运现状严重制约了地区经济建设。借鉴外国的先进知识，摒弃已经过时的甚至阻碍现代港口发展的一些观念和知识，勇于创新，提高码头的基础设施建设，对港口的导航设施和港口服务的设施升级换代。1.2 设计原则1、总体设计符合国家、地方经济发展规划和总体部署，遵循国家和行业有关工程建设法规、政策和规定。2、结合国情，采用成熟的技术、设备和材料，使工程设计安全可靠、使用方便、工程量少、总造价低、施工进度快，获得较好的经济效益和社会效益。3、注重工程区域生态环境保护，不占用土地，方便管理，节省投资。哈尔滨工程大学本科生毕业论文21.3 设计条件1.3.1 设计船型见表 1.1表 1.1 设计船型尺度船型 船长（m) 型宽(m) 满载吃水(m)分节驳 65.9 13 1.601.3.2 设计水位设计高水位：81.54m（二十年一遇洪水位）设计低水位：74.40m（通航历时保证率 98%）1.3.3 荷载根据码头已知条件，码头面荷载主要是堆货荷载和门机荷载。河港件杂货码头在一般装卸工艺条件下前沿堆货荷载标准值取 20kPa，整体稳定性计算取 30kPa。门座起重机荷载取 M-10-30。1.4 设计方案和内容1.4.1 平面设计主要内容包括：码头前沿设计高程的确定、码头前沿设计水深的确定、码头前沿设计河底高程的确定、泊位长度的确定、变形缝间距、护舷间距和系船柱间距的确定。1.4.2 结构计算重力式方块码头和沉箱码头结构计算：1、沿墙底面的抗滑稳定性；2、沿基床底面的抗滑稳定性；3、对墙底面前趾的抗倾稳定性；4、基床和地基承载力验算；第 1 章 绪论31.4.3 工程量计算及工程概预算根据内河航运水工建筑工程定额等相关规范，对码头设计的两种方案进行了工程量计算和工程概预算。1.4.4 设计文件设计任务书。1.4.5 设计图纸需绘制 4 张图纸，包括：1、方块码头平、立面图2、方块码头断面图3、沉箱码头平、立面图4、沉箱码头断面图哈尔滨工程大学本科生毕业论文4第 2 章 平面布置2.1 平面布置原则1、结合水陆域条件，合理利用岸线，做到统筹规划、远近结合；2、港区布局力求紧凑，节约用地，为远景发展留有余地；3、港区道路要通畅，并注意与港外道路的衔接；4、顺应河势，预防流冰对码头水工建筑物的影响；5、注意保护环境，采取切实可行的措施，力求减少环境污染。2.2 设计船型设计船型：1000 吨级分节驳设计船长：65.9m设计船宽：13m满载吃水：1.60m2.3 码头前沿设计高程码头前沿设计高程应考虑码头的重要性、设计船型、码头布置及型式、前后方高程衔接条件、地形、地貌和工程投资等因素。一般应为设计高水位加超高，超高值宜取 0.10.5m。本码头的码头前沿设计高程=设计高水位+ 超高值（0.10.5m）=81.54+0.36=81.90m2.4 码头前沿设计水深首先要确定码头前沿的设计水深，即泊位水深，是指在设计低水位以下的深度。码头前沿的设计水深应保证畅流期内设计船型在满载吃水情况下能安全停靠和完成装卸作业。其值为设计船型的满载吃水加龙骨下额最小富裕水深及其他富裕水深。码头前沿设计水深可按以下公式确定：D=T+Z+Z （2-1）式中： D码头前沿的设计水深(m)第 2 章 总平面布置5T设计船型的满载吃水(m)，取 1.6mZ龙骨下的最小富裕深度(m)，取 0.5mZ其他富裕深度(m)，取 0.1m此时， D=T+Z+Z =1.6+0.5+0.1=2.2m2.5 设计河底高程码头前沿的设计河底高程为设计最低通航水位减去码头前沿水深。可初步确定码头前沿设计河底高程=设计低水位-D=74.402.2=72.20m2.6 泊位长度码头泊位长度应满足船舶安全靠离、系缆和装卸作业的要求。在同一码头前沿线连续布置多个泊位的泊位长度可按照下列公式计算：（2-1.5bLd2）（2-2b3）式中， 端部泊位长度（m） ；1bL中间泊位长度（m） ；2L 设计船型长度（ m） ；d 泊位富裕长度（m） ，取值参见表 2.1。表 2.1 泊位富裕长度与船长的关系L(m) L40 40L 85 85L150 150L200d(m) 5 810 1215 1820本设计中，共有两个泊位，所以均为端部泊位，则泊位长度 =L+1.5d=65.9+1.59=80m；1b码头总长度 L=2 =280=160m。1b2.7 码头长度直立式顺岸码头泊位相应的码头长度应根据设计船型和装卸作业要求确定。本设计中码头长度取各泊位占用的码头长度之和为 160m。哈尔滨工程大学本科生毕业论文62.8 本章小结本章根据码头的总平面布置原则完成了码头的平面布置设计，主要包括码头前沿设计高程，码头前沿设计水深，码头前沿设计河底高程，泊位长度以及码头长度等。第 3 章 重力式方块码头结构计算7第 3 章 重力式方块码头结构计算3.1 重力式方块码头结构方案重力式码头是我国分布较广、使用较多的一种码头结构形式。其结构坚固耐久，抗冰性和抗冻性能好；能承受较大的船舶荷载和地基荷载，对较大的集中荷载以及装卸工艺变化和码头地面超载适应性较强；施工比较简单，维修费用少。重力式码头按墙身结构可分为方块码头、沉箱码头、扶壁码头、格形钢板桩码头大圆筒码头、干地施工的现浇混凝土码头和浆砌石码头等。本设计中重力式方块码头结构方案采用带卸荷板的混凝土实心方块结构。方块结构的优点是：耐久性好，基本不需要钢材，施工简单，也不需复杂的施工机械。缺点是：水下工作量大，结构的整体性和抗震性差，需要石料量大。3.1.1 墙身和胸墙本设计中码头顶底面的高程差为 9.7m，胸墙高度为 2.94m，采用阶梯形式，其中包括 1.0m 的卸荷板，整个胸墙采用钢筋混凝土结构；三层方块总高度为 6.76m，方块尺寸分别为：长 4m、宽 4m、高 2.2m；长 4m、宽 4m、高 2.2m；长 4m、宽 4m、高2.36m，并带有前趾。其结构形式如图 3.1 所示：图 3.1 墙身和胸墙结构图（单位：mm尔滨工程大学本科生毕业论文83.1.2 基床基床采用暗基床形式，采用抛石填充，基床高度为 1.5m，基床底宽为 7.8m。基床两侧以 1:2 的的坡度放坡。结构形式如图 3.2 所示：图 3.2 基床尺寸图(单位： mm)3.1.3 墙后回填墙后回填从底层到顶层厚度分别为：1、棱体抛石：7.76m2、倒滤层（二片石）：0.5m3、倒滤层（碎石）：0.6m4、回填中砂：0.44m5、碎石垫层：0.2m6、混凝土铺面：0.2m3.2 方块码头平、立面的拟定码头前沿岸线长 160 m，码头岸线两端设置翼墙，岸线与翼墙的交角均为 30 ，翼墙与护岸相连。根据地基条件、基床厚度、温度高低以及墙身结构，间距为每 20m 设置一个变形缝。护舷距离左侧拐角处 1m 开始设置，每间隔 4m 设置一排护舷。系船柱从距两边拐点 20m 开始设置，考虑到船型以及规范要求，每隔 20m 设置一个系船柱。3.3 方块码头断面图和平、立面图根据断面尺寸以及墙身、胸墙、基床的尺寸和平立面尺寸的拟定画出码头结构断面图和码头的平、立面图，码头结构断面图和平、立面图如图 3.3、3.4 所示：1:21:245078第 3 章 重力式方块码头结构计算9图 3.3 方块码头断面图(单位： mm)72.081.54混 凝 土 路 面 h=20碎 石 垫 层9041:1:21:.5回 填 中 砂抛 石 棱 体 碎 石 倒 滤 层二 片 石设 计 顶 面 高 程设 计 高 水 位设 计 低 水 位 605940203697503103455原 地 面 线护 舷系 船 柱 8 8072i=i5哈尔滨工程大学本科生毕业论文10图3.4码头平、立面图4039=1560设计高水位81.54设计低水位74.02橡胶护舷护舷间距 变形缝间距 系船柱 间距变形缝间距系船柱间距 护舷间距3030130701030701:21:2平面图 1:50 立面图 1:202020206=120 202203=60203=60变形缝门机后轨中心线 系船柱翼墙翼墙现浇胸墙现浇胸墙11483493码头正线长度 12123=6003=6码头正线长度i=5 变形缝第 3 章 重力式方块码头结构计算113.4 计算内容本设计中，分别对设计高水位和设计低水位两种情况，按承载能力极限状态的作用效应的持久组合进行以下内容的计算和验算：1、码头结构沿墙底面的抗滑稳定性；2、码头结构沿基床底面的抗滑稳定性；3、码头结构对墙底面前趾的抗倾稳定性；4、基床和地基承载力验算。3.5 计算资料3.5.1 结构安全等级本设计中结构安全等级取二级， 。01.3.5.2 自然条件1、设计水位设计高水位：81.54m设计低水位：74.40m2、波浪要素不考虑波浪作用3、地质资料基床底地基为中粗砂，内摩擦角标准值 =30； =9.5kN/m；粘聚力标准值c=0。承载力 200kPa。4、地震烈度地震烈度为度，不考虑地震设防。3.5.3 码头面荷载根据码头已知条件，码头面荷载主要是堆货荷载和门机荷载。河港件杂货码头在一般装卸工艺条件下前沿堆货荷载标准值取 20kPa，整体稳定性计算取 30kPa。门座起重机荷载取 M-10-30。哈尔滨工程大学本科生毕业论文123.5.4 船舶荷载1、系缆力船舶作用在系船柱、系船环上的系缆力不应小于规范所规定的标准值。对于本设计中 1000 吨级分节驳，系缆力标准值可取 100kN。系船缆夹角 =30， =0。系缆力横各向分力分别为：系缆力横向分力： （3-sincoxN1）系缆力纵向分力： （3-y2）系缆力竖向分力： （3-sinzN3）2、撞击力、挤靠力本设计中不考虑。3.5.5 其他有关计算指标1、材料重度和内摩擦角本设计方案中所用材料重度和内摩擦角标准值如下表 3.1 所示：表 3.1 材料重度和内摩擦角标准值重度标准值（kN/m 3） 内摩擦角标准值（）材料名称水上 水下 水上 水下钢筋混凝土 24.5 14.5 混凝土 23 13 抛石棱体 17 10 45 45中砂 18 9.5 32 32碎石、二片石 17 11 38 38墙背与填料的摩擦角的标准值根据地基条件、墙背形式、粗糙程度和地面坡度可按下列规定确定：（1）仰斜的混凝土或砌体墙背取 /22 /3；阶梯型墙背取 2 /3；（2）垂直的混凝土或砌体墙背取 /3 /2；卸荷板以下墙背取 /3；（3）俯斜的混凝土或砌体墙背取 /3。减压棱体和卸荷板对土压力的影响应按如下规定，如图 3.5 所示：第 3 章 重力式方块码头结构计算13图 3.5 土压力对减压棱体，当破裂面通过两种填料时，出坡点 P 上下分为两种填料计算土压力，出坡点 P 的位置按 近似确定， 的值可按两种填料的破裂角标准值由层厚加权平均确定。对卸荷板，M 点以上的土压力可不计卸荷板底面以上重力的影响，N 点以下的土压力可按无卸荷板的情况计算，M、N 点之间按照直线过渡。2、摩擦系数设计值墙底与抛石基床顶面：f =0.60抛石基床底面与地基土顶面：f =0.503、基床承载力设计值可取 =600kPa。R3.6 作用的分类及计算3.6.1 结构自重力计算1、设计高水位情况（1） 、自重力：计算见表 3.2（以单宽 m 计） 。表 3.2 自重力计算结果（ kN）层号 第一层 第二层 第三层 第四层 第五层Gi 114.76 115.51 118.8 118.8 130.14哈尔滨工程大学本科生毕业论文14本层以上G i 114.76 230.27 349.07 467.87 598.01（2） 、力臂：计算见表 3.3。表 3.3 力臂计算结果（ m）层号 G1 G2 G3 G4 G5第一层 1.942第二层 1.942 3.369第三层 1.942 3.369 2第四层 1.942 3.369 2 2第五层 2.442 3.869 2.5 2.5 2.454注：本表中力臂为重心到计算面前趾的距离。（3） 、稳定力矩 ，计算结果见表 3.4。GiiMd表 3.4 稳定力矩计算结果（kNm）层号 G1 G2 G3 G4 G5 第一层 222.92 222.92第二层 222.92 389.15 612.07第三层 222.92 389.15 237.6 849.67第四层 222.92 389.15 237.6 237.6 1087.27第五层 280.3 446.91 297 297 319.36 1640.572、设计低水位情况（1） 、自重力：计算见表 3.5。表 3.5 自重力计算结果（ kN）层号 第一层 第二层 第三层 第四层 第五层Gi 174.74 187.13 206.8 206.8 136.54本层以上G i 174.74 361.87 568.67 775.47 912.01（2） 、力臂：计算见表 3.6。表 3.6 力臂计算结果（ m）层号 G1 G2 G3 G4 G5第一层 1.935第二层 1.935 3.31第 3 章 重力式方块码头结构计算15第三层 1.935 3.31 2第四层 1.935 3.31 2 2第五层 2.435 3.81 2.5 2.5 2.456（3） 、稳定力矩 ，计算结果见表 3.7。GiiMd表 3.7 稳定力矩计算结果（kNm ）层号 G1 G2 G3 G4 G5 第一层 338.12 338.12第二层 338.12 619.4 957.52第三层 338.12 619.4 413.6 1371.12第四层 338.12 619.4 413.6 413.6 1784.72第五层 425.49 712.9 517 517 335.34 2507.733.6.2 墙后填料产生的主动土压力计算对于墙身为 L 形的情况，强踵垂面或墙后填料内各计算垂面土压力的主动土压力系数可按下式计算： 307.)245(tan)245(tan22 K对于卸荷板以下的墙背，墙背与填料的外摩擦角取 = 。查得，/45/1Ka=0.16。水平土压力系数： coss15axa垂直土压力系数： iniyK1、设计高水位情况（1） 、土压力强度计算：e0=0e1= 0.307180.36=1.989(kPa)e2= 0.16（180.36+9.51.58 ）=3.438(kPa)e3= 0.307（180.36+9.51.58 ）=6.597(kPa)e3=0e4= 0.16101.5=2.4(kPa)e5= (180.36+9.51.58+103.17) 0.16=7.882(kPa)e6= 7.882+103.590.16=13.626(kPa)土压力分布图见图 3.6哈尔滨工程大学本科生毕业论文16图 3.6 设计高水位土压力分布图（2） 、土压力合力 Ei 计算结果见下表 3.8（以单宽 m 计算） 。表 3.8 土压力计算结果(kN)层号 第一层 第二层 第三层 第四层 第五层Ei 5.73 5.71 4.29 17.02 27.7Ehi=Eicos 5.73 5.71 4.14 16.44 26.76Evi=Eisin 0 0 1.11 4.41 7.17本层以上E hi 5.73 11.44 15.58 32.02 58.78本层以上E vi 0 0 1.11 5.52 12.69注：第一、二层中 =0，三、四、五层中 =15。（3） 、水平力 Ehi 作用力臂 di 计算结果见下表 3.9。表 3.9 水平力 Ehi 力臂 di 计算结果 (m)层号 Eh