沉箱码头计算书.doc

任务要求：
码头设计高水位12米，低水位7.4米，设计船型20000吨，波高小于1米，地面堆货20kpa，Mh—16—30门座式起重机，地基承载力不足，须抛石基床。
一．拟定码头结构型式和尺寸
1． 拟定沉箱尺寸：
船舶吨级为20000吨，查规范得相应的船型参数：

设计船型
总长
（m）
型宽
（m）
满载吃水
（m）
183
27.6
10.5
即吃水为10.5米。
其自然资料不足，故此码头的前沿水深近似估算为：
，
设计低水位7.4米，则底高程：，因此定底高程-5.1m处。由于沉箱定高程即为胸墙的底高程，此处胸墙为现浇钢筋混凝土结构，要求满足施工水位高于设计低水位，因此沉箱高度要高于码头前沿水深12.1m。
综上，选择沉箱尺寸为： 。
下图为沉箱的尺寸图：

2．拟定胸墙尺寸：

如图，胸墙的顶宽由构造确定，一般不小于0.8m，对于停靠小型内河船舶的码头不小于0.5m。此处设计胸墙的顶宽为1.0m。设其底宽为5.5m，检验其滑动和倾覆稳定性要求是否满足要求：（由于此处现浇胸墙部分钢筋直接由沉箱顶部插入，可认为其抗滑稳定性满足要求，只需验算其抗倾稳定性）
设计高水位时胸墙有效重力小于设计低水位时，对于胸墙的整体抗倾不利，故考虑设计高水位时的抗倾稳定。
沉箱为现浇钢筋混凝土，其重度在水上为 ，水下为 ，则在设计高水位时沉箱的自重为：
则 。
自重G对O点求矩：
。
考虑到有门机在前沿工作平台工作时，胸墙的水平土压力最大，此处门机荷载折算为线性荷载为：

。
（此处近似用朗肯土压力进行验算）朗肯主动土压力系数：
。
则其土压力分布如上图：
如上图，其各点的土压力强度为：

则其土压力为：
。
作用点至墙底的距离为：
则土压力对墙前O点的弯矩值为：
。
综上： ，即说明在高水位时胸墙能保持抗倾稳定。
即胸墙的尺寸为：顶宽为1.0m，底宽为5.5m，高为4.6m。
则码头的结构形式及尺寸如图：

二、计算高低水位时抗滑、抗倾稳定性及地基应力
1、荷载作用分类及计算：
（1）结构自重力（永久作用）：
a、设计高水位情况：

设计高水位自重作用计算表
项目
计算式
Gi（KN)
Xi(m)
Gi*Xi(KN*m)
沉箱前、后面板、纵隔墙
(13.05*0.3*+13.05*2)*13*15
2035.80
5.50
11196.90
沉箱侧板、横隔墙
（13.05*4.25*0.3*4+13.05
*4.25*0.2*4）*15
1663.90
5.50
9151.45
沉箱底板
（9.3*0.25*13）*15
816.10
5.50
4488.55
沉箱前趾
（0.45+0.85）*0.9*0.5*13*15
114.10
0.50
56.60
沉箱内填土
4.25*4*13.05*9.5*6
12645.45
5.50
69549.98
胸墙
[(1+2.5)*1.5*0.5*23.5+(2.5+5.5)
*3.1*0.5*13.5]*13
2979.00
0.40
1191.60
胸墙后填土
[(4.8+7.8)*3.1*0.5*9.5+(7.8+9.3)
*1.5*0.5*18]*13
5414.00
4.12
22305.68
总计

25668.35

117940.76
每延米自重作用
25668.35/13
1974.49

9072.37

b 、设计低水位情况：

设计低水位自重作用计算表
项目
计算式
Gi(kN)
Xi(m)
GiXi(kN*m)
沉箱前面板、后面板、
纵隔墙
2*（0.3*12.5*13*15
+0.3*1.05*13*25）
+0.2*12.5*13*15+
0.2*1.05*13*25
2223.00
5.55
12337.65
沉箱侧板，横隔板
2*（0.3*12.4*12.5*
15+0.3*12.4*1.05
*25）+0.2*12.4*12.5
*15+0.2*12.4*1.05*25
2120.40
5.55
11768.22
沉箱底板
10.2*0.45*13*15
895.05
5.55
4967.53
沉箱前趾
0.85*0.9*13*15
149.18
0.45
67.13
沉箱内填石
6*（3.4*3.65*12.5*9.5
+3.4*3.65*1.05*18）
10249.42
5.55
56884.28
胸墙
（1+5.5）*4.6/2*
13*23.5
4567.23
2.79
12719.72
胸墙后填土
(3.8+8.3)*4.6/2*13*18
6512.22
7.04
45819.98
总计

26716.49

144564.50
每延米自重作用

2055.11

11120.35

（2）、土压力标准值计算：
码头后填料为粗砂，水上水下的内摩擦角 ，沉箱以下外摩擦角 。
主动力系数为：

；
。
土压力标准值按下式计算：

其中 。

a、 码头后填料土压力（永久作用）：
设计高水位情况：
；
；
（与相差很小，近似忽略）
。
土压力强度分布图见上图高水位计算作用分布图。
土压力为：
；
土压力标准值的水平力：
；
土压力标准值的竖向力：
；
土压力引起的倾覆力矩为：

土压力引起的稳定力矩为：
。
设计低水位情况：
；
；
（相差不大，近似和相等）；
。
土压力强度分布图见上图低水位计算作用分布图。
土压力为：
；
土压力标准值的水平力：
；
土压力标准值的竖向力：
；

土压力引起的倾覆力矩为：
土压力引起的稳定力矩为：
。

b 、堆货荷载产生的土压力：
各种水位时，堆货荷载产生的土压力强度标准值相同。
；
。（近似相等，均取5.80kPa）
土压力强度分布图见上图高水位计算作用分布图。
堆货荷载引起的水平作用：
；
堆货荷载引起的竖向作用：
；
堆货荷载引起的倾覆力矩：
；
堆货荷载引起的稳定力矩：
。
c、码头前沿堆货引起的竖向作用：

码头前沿堆货范围按7m计算。
；
码头前沿堆货产生的稳定力矩：
。
d、门机荷载产生的土压力计算（可变作用）：
沉箱长度为13m，故考虑时仅按一台门机产生的土压力计算，在吊臂处于不同位置下各种水位中，门机产生的土压力范围相同。

如图情况3：A、B前腿为1100KN、400KN，C、D后腿为400KN、1100KN。
门机后退产生的附加土压力强度：
；
门机后腿产生附加土压力引起的水平作用和倾覆力矩：

门机后腿产生附加土压力引起的竖向作用和稳定力矩：

门机前腿产生附加土压力引起的竖向作用和稳定力矩：

其余两种情况类似，但是1和2情况下，后腿竖向荷载小于3情况，故产生的附加土压力也小于3情况，考虑最不利情况时，仅需考虑3情况即可。

(3)、船舶系缆力（可变作用）
；
。
因为此处是海港码头，按要求，则
；
系缆力引起的水平作用和倾覆力矩为：
；
。
（4）、码头荷载标准值汇总

码头荷载汇总表
作用
分类
荷载情况
垂直力
（KN/m)
水平力
（KN/m)
稳定力矩
（KN*m/m
倾覆力矩
（KN*m/m)
永
久
作
用
自
重
力
设计高水位
1974.49

9072.37

设计低水位
2055.11

11120.35

填
料
土
压
力
设计高水位
110.02　
531.29　
1122.20
3540.73
设计低水位
144.74　
698.93
1476.35
4795.74
可
变
作
用
堆货土压力
22.34　
107.88
415.52
2006.57
前沿堆货
　140.00

938.00

门机作用
122.06　
32.28　
385.49
164.64
船舶系缆力

18.58　

2、码头稳定性验算
（1）作用荷载效应组合
持久组合：设计高水位（永久作用）+堆货（主导可变作用）；（波浪力为0）
短暂组合：波浪力为0，故此不予考虑；
偶然组合：非正常撞击、火灾、爆炸等未考虑；
地震组合：可不进行抗震验算。
（2）码头沿基床顶面的抗滑稳定性验算：
此处无波浪作用，堆货土压力为主导可变作用时：

（3）码头沿机床顶面的抗倾稳定性验算：
此处无波浪作用，考虑堆货土压力为主导可变作用时：

抗滑稳定性验算计算表
项目
组合
情况
土压力为主导可变作用：
r0(re1EH+rE2EqH+фrpPB)
1/rd(rgG+rE1Ev+Re2Eqv+фruPBu)f

r0
rE1
EH
rE2
EqH
ф
rp
PB
结果
rd
rg
G
Ev
Eqv
ru
PBu
f
结果
结论
持久
组合
高水位
1.0　
1.35　
531.29　
1.25　
107.88　
0.7　
1.2　
0　
852.09　
1.1　
1.0　
1974.49
110.02　
22.34　
1.2　
0　
0.6　
1173.24　
稳定　
低水位
1.0　
1.35　
698.93
1.25　
107.88　
0.7　
1.2　
0　
1078.41　
1.1　
1.0　
2055.11
144.74　
22.34　
1.2　
0　
0.6　
1242.78　
稳定　

抗倾稳定性验算计算表
项目
组合
情况
土压力为主导可变作用：
r0(re1MEH+rE2MEqH+фrpMPB)
1/rd(rgMG+rE1MEv+Re2MEqv+фruMPBu)

r0
rE1
MEH
rE2
MEqH
ф
rp
MPB
结果
rd
rg
MG
MEv
MEqv
ru
MPBu
结果
结论
持久
组合
高水位
1.0
1.35　
3540.7
1.25　
2006.6
0.7　
1.2　
0　
7228.2　
1.35　
1.0　
9072.37
1122.20
1739.0　
1.2　
0　
9452.66
稳定
低水位
1.0
1.35　
4795.7
1.25　
2006.6
0.7　
1.2　
0　
8982.4
1.35　
1.0　
11120.3
1476.35
1739.0　
1.2　
0　
11323.8
稳定

（4）基床承载力验算：
持久组合：设计低水位（永久作用）+堆货（可变作用）；（波浪力为0）

短暂组合：波浪力为0，故此不予考虑；
偶然组合：非正常撞击、火灾、爆炸等未考虑；
地震组合：未进行抗震验算。
持久组合是基床顶面应力计算：
；
；
；
；
ξ=2.95m<B/3=10.2/3=3.4m，此时基床应力采用：
；

则：
;
综上，抛石基床承载力满足强度要求。
2、地基承载力验算：
抛石基床厚度为2m，则验算地基表面应力：
；

；
此处 故 。
则：
；
。
那么：
，
则地基承载力满足要求。

三、沉箱的浮游稳定计算
沉箱材料体积和体积矩的计算表

无压载时沉箱重心位置（钢筋混凝土重度为25kN/m3）
Xc===5.43m
Yc===5.88m
不加压仓水时，沉箱的浮有稳定性验算 由于不加压仓水，沉箱重力G和中心高度cy不变。 因此:
G=325.276*25=8131.9KN
Yc=5.88m
沉箱的总排水体积 V=m3
前趾的排水体积v=2.34+5.265=7.605 m3
沉箱吃水T==m
浮心高度Yw==
a=Yc-Ya=5.88-2.87=3.01m
定倾半径==3.75
定倾高度m=-a=3.75-3.01=0.64m>0
故，满足浮游稳定性要求。