重交大港口水工建筑物课件02码头概论

码头分类和组成码头结构上的作用和组合码头地面使用荷载船舶荷载其他荷载第二章码头概论Ⅰ、码头分类和组成一、码头的分类1.按用途分类货运码头客运码头工作船用码头渔码头军用码头等.

2、按平面布置分类⑴顺岸式：满堂式、引桥式。⑵突堤式：窄突堤、宽突堤。（主要用于海港）⑶墩式：常用于外海开敞式码头⑷岛式：不设引桥的墩式码头，主要用于装卸液体货物。20万吨级黄岛油码头南京新生圩港区毛里塔尼亚友谊港宁波北仑港矿石中转码头3、按断面形式分类⑴直立式：多用于水位变幅不大的港口，如海岸港、河口港。⑵斜坡式：多用于水位变幅较大的港口，如上、中游河港或水库港。⑶半斜坡式：适用于枯水期较长而洪水期较短的山区河港。⑷半直立式：适用于高水位时间较长，而低水位时间较短的情况，水库港。4、按地理位置分类海港，河港，水库港，河口港等重庆长江滨江路码头广西桂林旅游码头重庆泸州集装箱码头重庆九龙坡集装箱码头重庆江津分阶直立式码头云南景洪港码头重庆彭水分阶直立式码头云南曼阁分阶直立式码头对水位差8m以下的货运的货运码头，宜建直立式；对水位差8～17m的件杂货码头，主要采用直立式，对散货码头主要采用斜坡式；对水位差17m以上，以建斜坡式为主，也可因地制宜建一些其它形式。港口工程规范《内河直立式码头建设关键技术研究》以寸滩集装箱码头为依托，在水位差达30ｍ以上建成了内河架空直立式码头的示范工程。交通部西部交通建设科技项目4、按结构型式分类

实体式（重力式，板桩式），透空式，混合式。⑴重力式工作原理：是依靠结构本身及其上面填料的重量来维持稳定。优点：耐久性好，能抵抗大船、漂浮物的撞击，对超载、工艺变化适应能力最强。缺点：波浪反射严重，泊稳条件差，地基应力大，一般须作抛石基床。适用条件：地质条件较好的地基。⑵板桩式工作原理：依靠板桩入土部分的侧向土抗力和安设在板桩上部的锚碇结构来维持稳定。优点：耐久性好（相对），结构简单，材料用量少，便于预制，可以先打桩，后开挖港池。缺点：波浪反射严重，泊稳条件差，对钢板桩需采取防锈措施，增加费用，对开挖超深反应敏感（应预留0.5m）。适用条件：能打板桩的地基，万吨级以下的泊位，适用于有掩护的海港。实体斜坡式重庆九龙坡集装箱码头⑶透空式工作原理：通过桩台将作用在码头上的荷载经桩基传给地基。优点：波浪反射小，泊稳条件好，砂石用量少，对开挖超深适应能力强。缺点：对地面超载、工艺变化的适应能力差，水平承载能力低，耐久性差，须设叉桩（大直径管柱例外）。适用条件：软土地基。寸滩集装箱码头结构图架空斜坡式长江万州红花地码头⑷混合式根据当地的地质、水文、材料、施工条件和码头的使用要求，也可采用各种不同型式的混合结构。如：前板桩高桩码头，后板桩高桩码头，透空重力式结构等。后板桩码头结构图西江南宁陈东码头西江南宁北大码头西江贵港桥吊码头

二、码头的组成部分１、上部结构的作用⑴直接承受船舶荷载和地面使用荷载，并将这些荷载传给下部结构。⑵将下部结构的构件连成整体。⑶设置码头设施，如防冲设施、系船设施等。２、下部结构的作用

⑴支承上部结构，形成直立岸壁。⑵将作用在上部结构和本身上的荷载传给地基。３、码头设备

用于船舶的系靠和装卸作业等。Ⅱ、码头结构上的作用和组合结构上的作用

施加在结构上的集中力和分布力，以及引起结构外加变形和约束变形的原因。直接作用

集中力和分布力，工程上习惯称之荷载。间接作用

地基沉降、砼收缩变形、湿度变形等。一、作用的分类规范规定结构上的作用可按以下几种方式进行分类１、按时间变异分类

⑴永久作用：在设计基准期内，其量值随时间的变化与平均值相比可忽略不计的作用，如自重力，预加应力，土重力，永久作用引起的土压力等。

⑵可变作用：在设计基准期内，其量值随时间的变化与平均值相比可忽略不计的作用，如堆货，流动起重运输机械，可变作用引起的土压力，船舶荷载，波浪力等。

⑶偶然作用：在设计基准期内，不一定出现，但一旦出现其量值很大且持续时间很短的作用，如地震作用。港口工程钢筋砼结构的设计基准期为50年。2、按空间位置的变化分类⑴固定作用：在结构上具有固定分布的作用，如自重力等。

⑵自由作用：在结构的一定范围内可以任意分布的作用，如堆货，流动机械３、按结构的反应分类⑴静态作用：加载过程中产生的加速度可以忽略不计的作用，如自重力，土压力等。

⑵动态作用：加载过程中产生的加速度不可忽略不计的作用，如船舶的撞击力，汽车荷载等。二、作用组合和作用代表值的取值㈠、组合原则１.对实际有可能同时出现的作用，应按其最不利情况进行组合。２.对于不同的计算项目，应分别按各自的最不利情况进行组合。

3.受水位影响的建筑物，应把水位作为一个组合组合条件。㈡、作用效应组合和作用代表值的取值１、港口工程技术规范规定

对实际有可能在港口工程结构上同时出现的作用应分别按承载能力极限状态和正常使用极限状态考虑作用效应的组合。当结构超过承载能力极限状态时，结构和构件丧失承载能力，超过正常使用极限状态时，结构和构件就不能满足适用性和耐久性的要求。

对承载能力极限状态验算可分为：

⑴持久组合：永久作用和持续时间较长的可变作用组成的作用效应组合。

⑵短暂组合：包含持续时间较短的可变作用所组成的作用效应组合。

⑶偶然组合：包含偶然作用所组成的作用效应组合。对正常使用极限状态验算可分为：

持久状况和短暂状况，其中持久状况作用又可分为短期效应（频遇）组合和长期效应（准永久）组合两种。２、作用代表值的取值

⑴对承载能力极限状态，可变作用应分别按如下规定取值：

①持久组合：主导可变作用取标准值，非主导可变作用取组合值。（组合值是将标准值乘以组合系数，ψ＝0.7）②短暂组合：对由环境条件引起的可变作用，按有关结构规范的规定确定，其它作用取可能出现的最大值为标准值。

③偶然组合：按现行行业标准《水运工程抗震设计规范》中的有关规定取值⑵、对正常使用极限状态，可变作用应分别按如下规定取值：

①持久状况作用的短期效应（频遇）组合，取可变作用的频遇值，即作用在结构上时而出现的较大值。（标准值乘以频遇值系数ψ1=0.8）②持久状况作用的长期效应（准永久）组合，取可变作用的准永久值，即作用在结构上经常出现的量值，它在设计基准期内具有较长的总持续期。（标准值乘以准永久系数ψ2=0.6）

③短暂状况：当需要考虑正常使用极限状况时，取标准值。1、承载能力极限状态应符合如下设计表达式

式中：

Sd－作用效应设计值，其表达式与作用效应组合有关；

Rd－结构抗力设计值。三.设计表达式式中：

Gk，Q1k，Qik－分别为永久作用、主导可变作用和第I个非主导可变作用的标准值。

CG，CQ1，Cqi－分别为永久作用、主导可变作用和第i个非主导可变作用的效应系数。

γG－永久作用的分项系数。

γQ1，γQi－分别为主导可变作用和第i个非主导可变作用的分项系数，按表1-2-2取值。

Ψ－组合系数，ψ=0.7；

γ0－结构重要性系数。⑴持久组合

式中：

γQi－第i个可变作用的分项系数，取值按表3.3.5中所列数值减小0.1。⑶偶然组合按《水运工程抗震设计规范》有关规定执行。⑵、短暂组合

S－作用效应设计值，如变形，裂缝宽度和沉降量等的设计值。

R－限值，如规定的最大变形，裂缝宽度和沉降量等的设计值。对正常使用极限状态，应分别考虑以下可能的作用效应组合。⑴持久状况的短期效应（频遇）组合２、结构正常使用极限状态的作用效应组合应符合如下表达式⑶短暂状况当需要考虑正常使用极限状态时式中：

Ss，S1－分别为作用的短期效应（频遇）和长期效应（准永久）组合；

S－短暂状况的效应组合；

ψ1，－频遇值系数ψ1=0.8，

ψ2,准永久值系数ψ2=0.6。

⑵持久状况的长期效应（准永久）组合四、说明１、正常条件下，结构使用过程中的状况为持久状况，按承载能力极限状态的持久组合和正常使用极限状态的持久组合分别进行设计。如，基床和地基承载力应按承载能力极限状态的持久组合进行设计；构件裂缝宽度验算应按正常使用极限状态的长期效应组合进行设计。２、结构施工和安装等持续时间较短的状况为短暂状况，宜按承载能力极限状态的短暂组合进行设计，必要是可同时对正常使用极限状态的短暂状况进行设计。如码头施工期稳定性验算应按承载能力极限状态的短暂效应组合进行设计３、结构承受设防地震等持续时间很短的状况为偶然状况，应按承载能力极限状态的偶然组合进行设计。４、②式中对不同的作用，视其变异性大小分别乘以不同的分项系数（如永久作用的分项系数比可变作用小），对非主导可变作用乘以小于1.0的组合系数，使设计结果更趋合理。５、③式中，可变作用分项系数可减小0.1，且可变作用不分主导和非主导，不乘组合系数，这样既考虑了短暂状况持续时间较短，分项系数取较小值，同时从安全出发，考虑到在短暂期内不同可变作用的最大值也较易相遇的可能性。６、在港口工程结构设计中，设计水位是一个相当重要，又比较复杂的问题。对于承载能力极限状态的持久组合，海港规定了五中水位，河港规定了三种水位。对于承载能力极限状态的短暂组合，海、河港都规定了两种水位；对正常使用极限状态，则规定组合中不考虑极端高、低水位。Ⅲ、码头地面使用荷载码头使用荷载按作用方向不同可分为二类：

１、地面使用荷载（竖直作用）：堆货，人行，流动机械，铁路，汽车等2、船舶荷载（水平作用）：系缆力，挤靠力，撞击力。一、堆货荷载与人群荷载㈠堆货荷载１、确定堆货荷载时应考虑下列主要因素：⑴装卸及码头堆码工艺：不同货物，其堆存的极限高度不一样；即使是同一种货物，由于所用装卸工艺不同，其堆货荷载值也不相同。⑵货种和包装方式：⑶货物批量和堆存期：小批、临时，小堆，利于货物的转运；大批、堆存期较长，大堆，提高库场利用率；⑷码头结构型式：不同结构型式的码头，对堆货荷载反应的敏感程度不同。⑸管理水平：管理严格－堆存有序－库场利用率高，不会出现超载。２、堆货荷载的分区与取值：

荷载取值：见规范。

码头前沿地带，前方堆场和后方堆场，不同的地带采用不同的堆货荷载值。⑴、前沿地带：

①在多数情况下，码头前沿地带不堆货，主要作为流动其中运输机械的通道；②少数情况，作为货物的临时堆放和倒载场地。③前沿地带考虑堆货值并不是从堆货角度出发，而是从结构安全角度出发。宽度：有门机情况，取14m；无门机情况，取8m（海港），4~8m（河港）⑵、前方堆场：使用最方便，货物水平运距最短，利用率最高的堆场，也是件杂货泊位中实际堆存荷载最大的部位。宽度：有门机，18（23）m，对应门机最大吊幅：25（30）m。无门机，取仓库同宽度（前方有仓库）；难作统一规定，应根据装卸设备和管理经验综合确定（前方无仓库）荷载取值：设计时应根据计算项目不同考虑两种情况：对构件计算：小面积局部堆货，q2取较大值；对整体计算：大面积平均堆货，q2取较小值；具体取值见规范。⑶、后方堆场：前方堆场以后的堆场堆存批量较大，堆存期较长的货物，或堆存较重的五金钢铁等。宽度：主要决定于港口土建规划及港方要求。取值：主要用于地坪设计，对码头结构无多大影响，具体取值随货种而异。㈡、人群荷载（略）起重运输机械：门机，轮胎式，汽车式，履带式起重机，集装箱装卸桥和缆车等。装卸搬运机械：叉式装卸车，电瓶搬运车，牵引车，单斗车等。二、流动起重运输机械㈠、门机：表示方法：Mh-n-p（如Mh-4-250）１、单机作用主要考虑三种工作状态相应工作状态下的支腿竖向荷载见规范２、两台门机共同作业，一般只考虑状态Ⅰ，且两台门机的最小距离为1.5m。３、不考虑门机荷载的冲击系数。４、门机荷载作用下，计算土压力时，应将门机荷载换算成等代线荷载。

Pm=∑Pi/(2l1+2l0)㈡、轮胎式起重机和汽车式起重机轮胎式起重机主要用于中小码头，无门机情况。轮胎式起重机的工作状态有空载行驶，不打支腿工作和打支腿工作。１、码头设计时，对于轮胎吊只考虑两种情况：最大吊幅，最小吊重；最小吊幅，最大吊重；２、当采用最大吊重时，一般不考虑冲击系数，否则应考虑1.1~1.3的冲击系数。汽车式起重机的性能与轮胎吊类似。㈢、缆车荷载河港斜坡码头上、下坡的主要运载工具。作用在轨道上的缆车荷载应根据缆车自重，缆车载重，轮数以及影响轮压的各种因素确定。

P=g(Q+G)kt/n(KN)

Q、G－载重和自重（t）三、铁路荷载㈠铁路荷载是指由铁路机车，车辆营运过程中施加于结构上的荷载。影响铁路荷载的因素主要是：机车、车辆的类型及码头的结构型式。１、目前进港机车有：⑴、按使用性质分：干线机车，机型较大，荷载值相应也较大，较少用；调车机车，机型较小，荷载值相应也较小。⑵、按动力型式分：蒸汽机车，自重较大，荷载值较大；内燃机车，荷载值一般均小于同类型的蒸汽机车；电力机车，港内一般不适用。２、目前进港车辆有：普通车辆：载重量在60t以下的各种货运车辆；特种车辆：载重量在60t以上的货运车辆。㈡、铁路荷载取值１、港内铁路荷载通常按“中华人民共和国铁路标准荷载”即“中－活载”取代实际机车和车辆轮压进行设计，普通活载一般对大跨度结构起控制作用，特种活载一般对小宽度（小于3~5m）结构起控制作用。２、“中－活载”是轴压，计算轮压要除2，铁路机车在码头上行驶一般不考虑冲击力，离心力，制动力。３、对直接承受铁路荷载的结构和构件（如梁，单向板，轨枕），港口铁路荷载的标准值应将“中－活载”分别乘以荷载系数Kt（表1-3-2）。４、计算铁路荷载产生的土压力时，为方便计算，其竖向计算活载采用线荷载形式（表1-3-2）。㈢、关于用“中－活载”加载影响线的有关规定１、分别用“普通活载”和“特种活载”图式加载，取其中不利者，作为控制条件。加载时，两种荷载图式均可按最不利情况任意截取其加载荷载的长度。２、对同号不连续区加载，可截取两种荷载图式中任意数量的荷载加载。３、对同号连续区，则只能用一种荷载图式加载。四、汽车荷载１、分级，取值２、荷载布置３、冲击系数Ⅳ、船舶荷载船舶荷载按其作用方式可分为：系缆力、挤靠力、撞击力。影响船舶荷载的主要因素：1、自然因素：风、水流、冰、波浪力等；2、操作因素：靠离码头、移泊、调头、试车等。1、系缆力的成因：有掩护的海港：系缆力主要有风引起。无掩护的海港：系缆力主要由风、波浪引起。河港：系缆力主要由风、水流、冰等引起。一、船舶系缆力2、风和水流产生的系缆力：式中：∑Fx、∑Fy－分别为可能同时出现的风和水流对船舶产生的横向分力总和（KN）与纵向分力总和（KN）。K－系船柱受力不均匀系数。n－计算船舶同时受力的系船柱个数,根据船长不同按表1-4-1确定。αβ－系船缆的倾角。海船码头α=30°，β=15°；河船码头，α=30°β=0°；孤立墩柱，α=30°，β=30°。K－系船柱受力不均匀系数。由图示可知：Nx=NSinαCosβ，Ny=NCosαCosβ，Nz=Nsinβ式中：Nx，Ny，Nz－分别为系缆力的垂直码头前沿线，平行码头前沿线和垂直码头面的分力。⑴、风对船舶作用的荷载计算风压力分力：Fxw=73.6×10-5AxwVx2ξ，Fyw=49.0×10-5AywVy2ξ式中：Fxw，Fyw－分别为船体水面以上横向和纵向受风面积（m2）。Vx，

Vy－分别为计算风速的横向和纵向分量。

ξ－风压不均匀折减系数。⑵、水流对船舶作用的荷载（《荷载规范》P74附录E，经验公式）①当水流与船舶纵轴平行或θ<15°或θ>165°时，水流对船舶作用产生的水流力：

Fxsc=CxscρV2B’/2

Fxmc=CxmcρV2B’/2，

Fyc=CycρV2S/2式中：Fxsc，Fxmc，Fyc－分别为水流对船首、船尾横向分力和水流力的纵向分离。②、当水流与船舶纵轴斜交或θ为15°~165°时，水流对船舶作用产生的横向分力和纵向分力：

Fxc=CxcρV2Ayc/2，Fyc=CycρV2Axc/23、系缆力的取值标准⑴、计算系缆力标准值不应大于缆绳的破断力；⑵、∑Fx、∑Fy－应根据可能同时出现的风和水流的情况，不应将两者最大值叠加，一般可按最大计算吹开风和可能同时出现的水流来叠加。⑶、计算系缆力的标准值不应低于规范规定的下限值，若低于则取下限值。二、船舶挤靠力1挤靠力的成因：⑴、系泊于码头的船舶受到风、水流和波浪共同作用。⑵、船舶离开码头时，在甩尾过程中，船首对码头的挤压。2、计算船舶挤靠力应考虑风和水流对计算船舶作用产生的横向分力总和∑Fx。⑴、当橡胶护舷连续布置时，挤靠力标准值：

Fj=Kj×∑Fx/Ln(KN/m)⑵、当橡胶护舷间断布置时，挤靠力标准值：

Fj’=Kj’×∑Fx/n(KN)注意：Fx－应根据可能同时出现的风和水流的情况，不应将两者最大值叠加，一般可按最大计算吹拢风和可能同时出现的水流来叠加。1撞击力的成因：⑴、船舶以一定速度靠向码头。此撞击力是一般高桩码头和墩柱码头的一项设计荷载。⑵、系泊中船舶受横向波浪作用。此撞击力为外海开敞式码头的主要设计荷载。2船速引起的撞击力⑴有效撞击能：被防冲设施，船体和码头结构变形所吸收的能量。对于装有橡胶护舷的靠船建筑物，由于橡胶护舷所吸收的能量比靠船建筑物吸收的能量大得多，此时可考虑船舶有效撞击能E0全部由橡胶护舷吸收。三、船舶撞击力

E0＝Ｕ＝ρMVn2/2(KN·m)式中：ρ－有效动能系数，采用0.7~0.8，M－船舶质量，按满载排水量计算，Vn

－船舶靠岸时的法向速度(m/s)，可根据船舶满载排水量由《荷载规范》确定。⑵、根据Fx

－U曲线，可查得Fx⑶、船舶撞击力沿码头长度方向的分力

H=Fx×μ３、波浪引起的撞击力一般均应通过模型试验加以确定，缺乏资料时，可按《荷载规范》附录F提供的经验公式，但一般只在工可阶段使用。Ⅴ、其他荷载一、水流力水流力是建筑物迎水面的阻力和背面涡流形成的吸力，是内河墩式码头和其他透空式码头需考虑的设计荷载。水流力标准值：

Fw=CwV2A/2注意：1、V－设计流速可采用港口工程结构所处范围内可能出现的最大平均流速，2、水流力阻力系数Cw可按表选用，但当需考虑遮流作用、淹没深度、水深和墩柱间横向影响及墩柱受斜向水流作用的影响时，需将Cw乘以相应的系数m1，n1，n2，m2，m3。3、水流力作用的方向与位置二、冰荷载针对寒冷地区冰情严重的内河及外海透空式高桩码头或墩式码头（自学）。三、土压力是墙后有回填土的港口水工建筑物如重力式码头，板桩码头，干船坞坞墙，直立式护岸等的主要设计荷载。㈠、土压力计算１、朗金公式假定：土体为半无限弹性体，滑动楔体内土体每一点均达到塑性极限平衡状态。公式（略）适用条件：⑴、适用于粘性土（C≠０）及砂性土（C=0）；⑵、适用于地面水平，墙背垂直且光滑。2、库伦公式由滑裂楔体平衡条件推得，具体可参考《路基工程》P129公式（略）适用条件：⑴、适用于无粘性土，不适用于粘性土；⑵、适用于地面倾斜或水平，墙背倾斜或垂直的陡墙（α<θ’，θ’为第二破裂角），不适用于坦墙（α>θ’）；

θ’=1/2(90°-φ)-1/2(D-β)；D=arcsin(sinβ/sinα)当β=0时，θ’=45°-φ/2⑶、适用于墙背粗糙或光滑，即δ≠０或δ=０。㈡、港口工程中土压力的计算１、一般原则：⑴、主动土压力①无粘性土：陡墙情况（-15°≤α≤θ’），按库伦公式计算；坦墙情况：按假想墙背简化，并按朗金公式计算，假想墙背至实际墙背之间的土重应计入结构中。②粘性土：按当地经验选用（按朗金公式计算；用经验内摩擦角或等代内摩擦角取代C，φ值，采用库仑公式计算）⑵、被动土压力无论是粘性土还是无粘性土均按朗金公式计算。⑶、墙背外摩擦角δ的选取①对假想墙背，取δ=0；②对按库伦公式计算的陡墙，按规范查取。２、特殊情况下主动土压力的计算⑴、距墙背一定距离的均布荷载⑵、距