东山港煤码头工程设计

摘 要本设计是位于东南沿海，为了适应当地经济发展而新建设的一个煤炭码头。码头类型是：单锚板桩码头。其工作原理：由沉入地的基板桩墙和锚碇系统共同作用来维持其稳定性。这种码头全球使用在中小型码头建设中最常见的型式，在允许的情况下，这种码头型式在众多码头中是最经济的。在本设计中的板桩采用钢板桩，锚锭结构采用锚锭板，拉杆采用 Q345 号钢，钢的抗拉强度设计值为 310N/mm2，拉杆间距为1.5m。本设计中，在板桩顶端用现浇混凝土作成帽梁，目的是是板桩能够同时工作并且和码头前沿线整齐。而另外一方面，为了确保每一根板桩都能够被拉杆作用，故在拉杆跟板桩墙的连接处设置了导梁。本设计的重点部分作用效应组合是主要计算持久组合，包括设计高水位以及设计低水位，因此采用钢板桩，仅仅按承载能力极限状态下进行计算。计算项目：锚锭结构稳定性，板桩墙踢脚稳定性，板桩码头的整体稳定性。关键词：板桩码头；单锚；作用效用组合东山港煤码头工程设计ABSTRACTThis design is located in southeast coastal areas,a new coal wharf for the development of local economy. This is a single anchor pier.The working principle of the coal wharf is the combined effects of substrate pile wall and anchorage system into the ground to maintain its stability.This pier global use in small and medium Ferry Building is the most common type, the allowable cases, this type of the many marina pier is the most economical.The design of the sheet pile using steel sheet pile, anchor structure using anchor plate, rod using the 3rd steel, steel tensile strength design value 200N/mm2, rod spacing of 1.5m.In this design, the top of the sheet pile cap made with cast concrete beams aimed yes yes to both work and sheet pile quay line and tidy.While on the other hand, in order to ensure that each root sheet pile can be lever effect, it is in the rod connection with sheet pile wall is set at the guide beam.The focus of the design is a major part of the role of computing lasting effect combination combination, including the design of high-level and low-level design, so the use of steel sheet pile, just press the ultimate limit state calculations.The design of the calculation includes structural stability anchor, sheet pile wall skirting the stability of the overall stability of sheet pile wharf.Key words: Sheet pile wharf; Single anchor; Role of utility combination哈尔滨工程大学本科生毕业论文目 录摘要ABSTRACT第 1 章 绪论 .11.1 引言 .11.2 板桩码头结构简介 .11.3 板桩码头发展 .21.4 本章小结 .4第 2 章 码头基本资料 .52.1 码头自然条件 .52.1.1 设计水位 .52.1.2 潮流潮位 .52.1.3 气象 .52.1.4 波浪 .62.1.5 地质条件 .62.1.6 地震 .62.1.7 船型尺度 .72.2 码头年运营天数 .72.3 泊位数的确定 .72.3.1 泊位年通过能力 .72.3.2 泊位数计算 .82.4 本章小结 .8第 3 章 码头总平面布置 .93.1 港址选择基本要求 .93.1.1 总体发展要求 .93.1.2 航行与停泊要求 .93.1.3 岸线以及陆域要求 .93.2 码头总平面布置原则 .10东山港煤码头工程设计3.3 码头陆域布置 .103.3.1 码头、陆域设计高程 .103.3.2 码头泊位长度及码头岸线长度 .113.2.3 码头泊位位置确定 .113.3.4 码头平台宽度 .123.3.5 库场面积计算 .123.3.6 港区道路 .143.3.7 港区其他设施及绿化 .143.4 水域布置 .143.4.1 锚地及回旋水域 .143.4.2 码头前沿设计水深 .153.5 本章小结 .16第 4 章 装卸工艺 .174.1 装卸工艺概述 .174.2 装卸工艺设计原则 .174.3 煤炭码头装卸工艺设计要求 .174.4 装卸资料 .184.4.1 码头基本资料 .184.4.2 卸船机械 .184.4.3 堆取料机械 .194.4.4 装卸流程 .194.5 本章小结 .19第 5 章 结构设计计算 .205.1 工程概况 .205.2 设计条件 .205.2.1 码头面及码头前沿水深 .205.2.2 拉杆高程及间距 .205.2.3 自然条件 .205.3 作用效应组合 .215.4 板桩墙计算 .215.4.1 计算原则 .21哈尔滨工程大学本科生毕业论文5.4.2 土压力系数及计算方法 .225.4.3 板桩墙内 力及稳定计算 .225.4.4 板桩设计 .365.5 锚碇板计算 .365.5.1 锚碇板设计 .365.5.2 土压力系数 .375.5.3 锚碇板稳定计算 .385.5.4 锚碇板内力计算 .435.5.5 锚碇墙配筋计算 .435.5.6 锚碇板到板桩的最小距离 .455.6 拉杆设计计算 .465.7 竖向弹性地基梁法对板桩墙进行验算 .475.7.1 竖向弹性地基梁法 .475.7.2 竖向弹性地基梁法计算 .475.8 码头总体结构介绍 .535.9 本章小结 .53结 论 .54参考文献 .55攻读学士学位期间发表的论文和取得的科研成果 .57致 谢 .58第 1 章 绪论1第 1 章 绪论1.1 引言本次的设计的是单锚钢板桩码头，目的在于对这四年所学到的专业基础知识包括港口规划与布置 、 港口水工建筑物 、 土力学等方面进行一个温习。通过这一次的设计，让我从实践上的认识板桩码头，着重于板桩码头作用效应组合、弹性线法的运用、板桩墙稳定验算等方面。本次设计中，重新认识到了板桩码头的各种优缺点，包括：用料少，结构简单，施工方便，适应复杂地形等优点以及易腐蚀，造价高等缺点。本次的设计参考了港口工程结构设计算例 ，跟算例有所不同的是，本设计舍弃了地下连续墙结构，只采用钢板桩。因此钢板桩强度高，墙身重量比较轻，止水性好，而且此举就省去了配筋的麻烦。当然，也存在着板桩码头自身所带来的缺点：造价高，易腐蚀。除此之外，通过这次设计，让我清楚认识到了板桩码头的短处，更是让我了解到补救的方面：阴极保护；涂料保护；增加钢板的厚度以延长其使用寿命等。1.2 板桩码头结构简介板桩码头由板桩墙、拉杆、锚碇结构、导梁、帽梁、码头设备组成。其由沉入地的基板桩墙和锚碇系统共同作用来维持其稳定性。其结构型式多种多样，按照板桩材料分可以分为：（1）木板桩码头：强度低，耐久性差，木材用量大。（2）钢筋砼板桩码头：耐久性好，用钢量少，造价低，但是强度有限，只是用于中小型码头。（3）钢板桩码头：强度高，重量轻，止水性好，施工方便，但是易腐蚀，耐久性差，一般用于水深较大的码头。按照锚碇系统分：（1）无锚板桩：结构简单，但是承载力小，墙顶变形大，一般不采用。（2）有锚板桩：当墙身比较高的时候采用。单锚板桩哈尔滨工程大学本科生毕业论文2双锚板桩多锚板桩斜拉板桩另外还有按照板桩墙结构分类，施工方法分类等。1.3 板桩码头发展我国建国以来，码头建设已经有一段历史了，在板桩码头方面，相较于别的码头结构型式还是比较少的。仅有的板桩解耦股码头大部分都是仅仅用于中小型码头的建设，而在欧洲和日本等国外，他们的码头结构型式大部分采用钢板桩结构。因为钢板桩结构相对于重力式码头，高桩码头等结构型式便宜且施工简单。众所周知，我国海岸线长，有着各种各样自然条件的港址可供选择，包括天然地质优良，气候适宜，风况雾况都良好的港址。也包括了许多地质条件差，自然条件相对恶劣的港址。而码头建设，首先要考虑的便是港址的选择，一个优良的港址能够是码头的建设更经济、快速。所以，在码头建设方面，优先选择自然条件优越的港址。然而经过这么多年的码头建设，目前自然条件好的港址已经所剩很少了，我们现在面临的将是大量在滩涂、浅滩、粉砂质海岸和淤泥质海岸建港的时代。这些港址并不能很好的适应大部分码头结构型式，特别是重力式码头。重力式码头，作为三大码头结构型式之一，在我国北方地区得到广泛的应用。重力式码头，是我国使用比较多的一种码头结构型式。其拥有结构坚固耐久，抗冻和抗冰性能好。而且能够承受比较大的荷载和船舶荷载，对于一些比较大的集中荷载以及码头地面超载有着很好的适应性。另外，对于装卸工艺的变化适应性很强，而且施工比较简单，维修费用少，很经济，在对于一些优良的港址来说，重力式码头无疑是最受欢迎的。然而，重力式码头依靠自身的重力来保证自己的稳定性，所以在一些自然条件相对恶劣，特别地质条件相对恶劣的港址，重力式码头并不能很好的使用。而高桩码头是有别于重力式码头的另外一种在我国得到广泛分布的码头结构型式。相对于重力式码头而言，告状码头结构轻，减弱波浪的效果好，砂石料用料比较经济，对于挖泥超深有很强的适应性。而且对于不同的港址，高桩码头的适应性很强，变化性很大。然而，高桩码头对于地面超载以及装卸工艺变化的适应性很弱。如果在施工过程中，接岸结构处理不当的时候，及其容易发生变形、开裂、侧向位移等情况。而在耐久性方面而言，他远远不如重力式码头，构件容易损坏，而且想要修复很困难。在面对如今这种优良港址日趋减少的情况下，对于重力式码头这种适应地基基础能力较差和耐久性差以及构件易损坏且难修复的高桩码头的结构形式第 1 章 绪论3来说，板桩码头无疑将会成为未来我国建设港口的主要使用对象。板桩码头，是由沉入地的积板桩墙和锚碇系统共同作用来维持其稳定性。这样导致了板桩码头在一部分方面劣与其他主要的码头型式。特别在码头规模方面，重力式码头跟高桩码头都要比板桩码头大型。但是板桩码头对于港址的地质条件要求不高，对于这些地质条件的适应能力极强。而且施工方便，施工费用少且速度快，板桩码头是三大码头结构型式中比较中和却又实用的一种码头。可是，板桩码头对在施工过程中不能承受过大的波浪力，导致了板桩码头只能在近岸建设，并不能够适应大型、深水码头的建设。在我国建设码头的前期，板桩码头只是用于中小型码头的建设，但是对于水深较大的港址，需要大型港口码头的时候，板桩码头显得很无力。但是由于板桩码头有着自己的优点，这些优点是其余码头结构型式所不能代替的。但是这些优点不能作用于大型码头建设中，未免有些遗憾。随着科技的发展，人类对海洋的开发越来越多，码头的数目在日趋增加，国家对码头建设的投资越来越多。在这种情况下，如何能做到经济有效呢？首选是板桩码头，板桩码头拥有着造价低、施工方便、施工速度快等优点，但是自身易腐蚀、建设过程中不能承受较大的波浪力的缺点局限了这类型码头的发展。如何才能让板桩码头大型化、深水化，成为了码头建设的一个大问题。经过了数年的研发，终于在2002年，中交第一航务设计有限公司研发出半遮帘式板桩码头，并且成功的将京唐港14、15号泊位改造成为了5万吨级深水码头，并在2002年建成投入使用。这种半遮帘式板桩码头是在前墙后面做一排间隔布置的遮帘桩，这些桩的顶和底都要比前墙低，但是横向刚度大。他们在深层土体中能够嵌固并且具有巨大的刚度。对其后土有拱效应，能够减小土层对前墙的压力，从而创造了加大水深的条件。这标志着我国板桩码头向深水化、大型化迈出了第一步。而后，仅仅一年之后，全遮帘式板桩码头结构型式问世，并成功的建成了十余个吨级达到10万吨的板桩码头。标志着我国板桩码头的大型化与深水化，使我国板桩码头的发展更上一层楼。紧接着，2007年我国又推出了一种全新的卸荷式地连续墙板桩码头结构。这种码头跟遮帘式板桩码头相比，造价更低，还能在一定程度上减少了地基处理的工作量。这标志着我国板桩码头的深水化、大型化的发展趋于成熟。近十年来，我国板桩码头的建设可谓玉米开花-节节高。相对于建国初级的板桩码头而言，现在板桩码头的进步主要表现在了板桩码头的深水化和大型化。这使得板桩码头的优点直接作用在深水、大型码头，对于一些自然条件、地质条件不是十分良哈尔滨工程大学本科生毕业论文4好的港址而言，都能够有码头的坐落。这是一个令人振奋的消息，这使得我国众多的港址得到开发。附近的城乡的经济得到飞速发展，促进了我国经济的发展。特别随着遮帘式、卸荷式等新型式的出现，使得10万吨级深水板桩码头已成功建成，这一切使得我国的码头建设达到一个新的层面。但是，如今的板桩码头仅仅局限于10万吨级的码头建设，对于更大型化的码头建设，还要付出更多的研究与精力。但是我们有理由相信，中国未来在板桩码头大型化、深水化的建设能够在世界取得令人瞩目的进步。1.4 本章小结本章节主要是简单叙述了本次设计的方向、板桩码头的结构和板桩码头的发展。第 2 章 码头基本资料5第 2 章 码头基本资料2.1 码头自然条件2.1.1 设计水位极端高水位： 4.18m设计高水位： 2.82m设计低水位： -1.01m极端低水位： -2.06m2.1.2 潮流潮位本港属于正规半日潮港，潮流流速方向基本与岸线走向平行，工程区域最大流速0.66 m/s。潮 位 是 利 用 东山港潮位观测站（位于码头西侧 380 米处）45 年的长 期 潮位观测资料统计分求得。潮 位 特 征 值 ：最 高 高 潮 位 ： 4.29m最 低 低 潮 位 ： -2.09m平 均 高 潮 位 ： 2.46m平 均 低 潮 位 ： -0.71m平 均 潮 差 ： 3.17m平 均 潮 面 ： 1.58m2.1.3 气象风本设计风速采用东山气象站资料，该气象站位于本工程 SW 方向 3 公里处，海拔60 米。风 向 资 料 统 计 ， 该 区 常 风 向 为 N 向 ， 出 现 频 率 为 14 ， 次 常 风 向 为NE、 ENE 向 出 现 频 率 分 别 为 12 、 11 。 强 风 向 为 N 向 ， 该 向 7 级 风 出 现频 率 为 0.45 ， 次 强 风 向 为 NE 向 。 多年平均风速 2.2m/s，历年最大风速38m/s，年平均大于 7 级的天数为 20 天。气温与降水哈尔滨工程大学本科生毕业论文6本港属中亚热带，为夏长冬短、温暖湿润的海洋性气候，由气象站资料分析可知：多年平均气温 19.0历年极端最高气温 39.5（1979 年 8 月）历年极端最低气温-3.9（1965 年 1 月）历年日最高气温35的年平均无数 10.6 天多年平均降雨量 1645mm历年日降雨量25mm 的年平均天数 17.5 天雾 况全 年 雾 天 (水 平 能 见 度 小 于 1000 米 )出 现 日 数 平 均 14 天 ,最 多 37 天 ,最 少6 天 。 雾 的 日 变 化 较 显 著 ,一 般 是 夜 间 至 早 晨 易 形 成 和 发 展 ,日 出 后 易 减 弱 和消 散 。2.1.4 波浪由于自然掩护条件较好，工程主要受 N 向波浪作用，码头前沿 N 向 50 年一遇波浪在设计高水位时， H1% = 2.76 m， L =45.4m， T=5.4s。2.1.5 地质条件工程区域水下地形平坦，天然泥面标高一般在-4.6-5.8 m。地质条件较简单，土层分布依次为，淤沙（细砂）厚度 0.602.80m；中粗细层厚度 3.05.56m ，砾砂粗砂。泥沙码头所处港湾是半封闭型海湾，港区隐蔽，湾内风浪小，潮流是湾内主要动力因素，湾内泥沙来源主要是入湾小溪和潮流挟带的泥沙。海域观测的泥沙资料表明，海水含沙量为 0.036-0.12 kg/m3，近岸水体年平均含沙量一般在 0.210.36 kg/m3 左右。根据相邻的 2000T 级码头的使用情况，本码头水域及航道回淤强度不大。2.1.6 地震第 2 章 码头基本资料7据港口所在处县志记载，本县境内有史以来未发生大地震，最大震级为四级左右。查该省地震划区和省地震办对港区鉴定意见，本工程的地震烈度为 6 度。2.1.7 船型尺度按规范取 5000 吨的杂货船设计船长、型宽、型深、满载吃水:船长：112m；船宽：17m；满载吃水：7m。2.2 码头年运营天数码头作业受天气、机械设备完好率，调度等因素的影响。根据气象资料，东山港口年平均大于 7 级风天数为：T f=20d，年平均能见度小于 1000m 的雾日数为 Tu=14d。年营运天数按下式计算:Ty=(365-Tf -Tu)K1K2式中:K 1 为机械完好率，取 0.9；K2 为调度等综合因素，取 0.95。则 Ty=（375-20-14)0.90.95=283d.故运营天数为 283d.2.3 泊位数的确定 2.3.1 泊位年通过能力泊位年通过能力 Pt 按下式计算：24tTPfzyt G式中：T y泊位年运营天数，根据计算，取 283 天.装卸一艘设计船型所需的时间(h) ；tzptzP设计的船时效率（t/h） ，按运量、货种、船舶性能、作业线数和管理等因素综合考虑，两台额度功率为 1000t/h 的桥式抓斗卸船机，取实际效率为1000t/h0.5=500t/h，则 1000t/h0.52=1000t/h；哈尔滨工程大学本科生毕业论文8G设计船型在本港的装载量，为 10000t,船舶的辅助作业、技术作业时间以及船舶靠离泊位时间之和（h）,tf昼夜非生产时间之和（h） 。包括工间休息、吃饭及交接班时间。应根据本港实际情况而定，对集装箱泊位不宜超过 1h，这里取港口实行三班制，昼夜工作时间为 24 小时即 td=24h，港口实行三班制，所以昼夜泊位非生产时间之和取 6 即t6泊位利用率，参照规范取 0.56。得到该泊位年通过能力 Pt=3.51106t。2.3.2 泊位数计算 所需泊位数 S=码头年通过能力/一个泊位年通过能力=O/Pt=0.6 个，所以只需要一个泊位。2.4 本章小结本章对码头设计的基本资料进行了阐述，计算出码头泊位年通过能力，确定了码头所需的泊位数，为下一章的平面布置做好基础。第 3 章 码头总平面布置9哈尔滨工程大学本科生毕业论文10第 3 章 码头总平面布置3.1 港址选择基本要求3.1.1 总体发展要求（1）港址应该选择在一些能够促进国际商贸的自由港政策的实施和管理的地方。这些港址能对经济有很大的促进作用。（2）港址选择要考虑吸引工业区等得建立，促使港口具有发展第二代港口功能的条件，能够为促进城市以及区域经济发展创造条件和机会。（3）港口港址不应该被城市居住区包围，应该脱离老市区，独自形成新的港区或城区，寻求新老城区两者相互发展却又互不干扰的用地结构与布局。（4）对于现代港口，更倾向于绿化环境的建设，有必要采取环境保护措施，并成为城市的观赏特色景观，由此可见，港址选择还是要因地制宜的。3.1.2 航行与停泊要求（1）港址的选择必须要具备足够的码头深水以及进港航道水深，必须满足相应吨级船舶的吃水要求。（2）由于一般港址的天然水深很少能满足条件，所以有必要进行开挖航道和港池，但是存在这费用问题，所以维护性挖泥量不能太大。（3）船舶在出入港口的时候，需要调节自身的方向，所以港口内水域也需要进行规划，为了船舶在港口内能自由的运作，必须要保证有宽阔的水域来保证船舶回旋、制动、停泊作业、港内航行和港池等水域。除此之外，为了船舶能够正常作业，这些水域最好能有一定的天然掩护，以此来减少人工防波堤的工程量。（4）在港口内不能只是单纯的布置相应吨级船舶的水域，像其他功能的船舶譬如：驳船、游艇、地方小船、港作船等得水域。3.1.3 岸线以及陆域要求（1）港口应该要保证有足够的岸线来布置不同的作业区，对于一些危险品或者污第 3 章 码头总平面布置11染物的布置区，必须要保证其与其他区域的距离，保证港口的安全以及解决绿化问题。（2）综合港区的岸线，要保证港区的平均纵深能够在 700m1000m 这个范围之内，但是这只是一个参考值，随着如今技术的飞速发展，港口纵深会愈来愈大，设计者要将目光放远，若只局限于当下，会限制了港口效率的发挥。（3）在陆域布置上，港区内要有足够的面积和事宜的地形来布置分区车场和港口车站，这些便于工作人员的来回。（4）港外疏港道路要保证能与国家高速公路或者公路干道能够相衔接，而且尽量避免穿越城市干道以及城市生活型交通道路系统，这样能是港区的货物能迅速而方便的出运。（5）如果港址选在了内河水网发达的地区，可以考虑利用水运疏运的条件。（6）在选择港址的时候要考虑水、电接线的方便性以及工程投资的费用，适中即可，除此之外，要尽量少占农田。 3.2 码头总平面布置原则（1）在整个海岸线的利用上要合理简约，不同的港址要有不同的方案，尽量找到最适合此港址的方案，并且在可能的情况下空出一部分当下用不着的土地来预留发展。（2）在港区的陆域设计上，要能与当地城市的发展规划相协调，尽可能使港区的货物能与陆路接线方便；（3）要尽最大可能的利用该港址的自然条件，对整个码头的岸线，在布置上做到合理、经济，尽可能将费用减到最低；（4）港区是作业区，也可以看做是工业区，污染是一个大问题。在设计中，一定要充分考虑到绿化的问题。尽可能使工程的建设能够与当地的自然条件相互协调，避免破坏当地的自然条件。3.3 码头陆域布置3.3.1 码头、陆域设计高程1、码头前沿顶面高程哈尔滨工程大学本科生毕业论文12码头前沿顶面高程应考虑码头的重要性、设计船型、装卸工艺、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，码头前沿设计高程应为码头设计高水位加超高，超高值宜取 1.01.5m，根据设计高水位 2.82m，极端高水位4.18m，码头前沿高程为：基本标准：2.82+1.0 1.5=3.824.32m复核标准：4.18+1.0 1.5=5.185.68m可取码头前沿顶面为 4.5m。2、陆域设计高程港口陆域设计高程一般与码头前沿设计高程相同，因此本港口陆域设计高程取与码头前沿设计高程相同，为 4.5m。3.3.2 码头泊位长度及码头岸线长度当整个码头线只布置一个泊位。此时泊位长度主要取决于首尾缆的系缆角度和长度。首尾缆限制船舶移动的功能取决首尾缆的水平系缆角（）和垂直系缆力（） 。和 与船型尺度、潮位及装载状态有直接联系，分析使 在 3540时系缆综合效果较好。参照上述分析规范规定泊位间富裕长度 d 按下表选取。一个泊位的长度:Lb =L+2d式中：L 设计船长（m） ；d泊位富裕长度（m） 。表 3.1 普通泊位富裕长度设计船型长度 L(m) L40 4020时，取 =20计24算。计算墙前主动土压力：砂性土 ，粘性土 。3131计算墙后被动土压力时， ，当 ，取 =20。222、土压力系数计算公式持久组合：主动土压力系数根据板桩码头设计与施工规范公式计算：22cosin)i(1cosaK被动土压力系数根据规范第 3.2.4 条公式计算。22cosin)i(1cosp5.4.3 板桩墙内力及稳定计算1 持久组合，设计高水位 2.82m 时a) 波吸力计算：，L =45.4m，t=5.4smH76.2%1d=2.82-(-7.5)=10.32m，H/L=0.0611/30 ，哈尔滨工程大学本科生毕业论文240.22H=5.52m ld根据“水文规范”判断板桩前产生立波。根据“水文规范”计算。静水面以上高度 H=2.76 处的波浪压力强度为零。静水面处的波浪压力强度按下式计算：HpxkPaPx 6.271076.2.1044静水面一下深度 Z 处的波浪压力强度按下式计算：LdchZPx2)(式中 Pz-静水面以下深度 Z 处的波浪压力强度（kPa） 。Z-静水面以下深度（m） 。水底处波浪压力强度按下式计算：kPaLdchHPd49.12波吸引力分布图如下：第 5 章 结构设计计算25图 5.1 波吸引力分布图哈尔滨工程大学本科生毕业论文26土压力计算由土体本身产生的主动土压力强度标准值按“板桩规范”公式计算： cos)(aiaxKhe由码头面均载产生的主动土压力强度标准值按“板桩规范”条公式计算： qx由土体本身产生的被动土压力强度标准值按“板桩规范”公式计算：