[所有分类]xx港西港区工作船码头工程设计重力式沉箱结构.doc

xx港西港区工作船码头工程设计
重力式沉箱结构

Yantai Port West Harbor Boat Dock Ship Design Work
Gravity Cassion Structure

摘 要

本设计是根据设计任务书的要求和《港口工程规范》的规定，对xx港某港区多用途码头进行方案比选和设计并对沉箱部分的前壁和底板进行结构设计计算。通过对码头的安全、经济、适用性等多方面的比较，确定沉箱码头为推荐方案。
在设计中，根据设计任务书，进行总平面设计、结构选型和结构计算三部分内容。在总平面设计中，确定工程规模、选择船型对码头各尺度进行计算以及装卸工艺设计，最终确定平面方案。结构选型是根据结构自重力、墙后土压力、堆活荷载、门机荷载、船舶系揽力等各荷载情况对码头结构型式进行设计和验算。结构计算是对码头进行作用效应组合，对其抗倾、抗滑稳定性验算以及基床、地基承载力验算。并对部分主要构件，如前壁、底板进行内力计算，并验算其抗裂性。
本设计的全部图纸采用AutoCAD绘制。另外，还翻译了与沉箱结构相关的英文文献。

关键词：重力式；沉箱码头； 门机； 稳定性验算； 内力计算

ABSTRACT

This is designed according to the requirements of the port and waterway engineering and the standard of the provisions of the port container terminals, scheme and design, and the selection of caisson parts structure calculation. Based on analysis of geological conditions related to dock and combining the advantages and disadvantages of various forms of wharf, determine the container terminal USES gravity caisson.
In the design, the general layout divided into two parts and land-based. According to the main part is accompanying gravity wharf general layout principle of container yard area and container library field area, Water is to determine the channel is designed, and the waters of anchor pier preface whirly waters scale scale. Then based on the general layout drawing.
In structural design, the first appearance of caisson preliminary determination in size and caissons rockfill height, then according to the analysis, the effect of variable, function, permanent role by the standard load list wharf, based on which, according to the calculation results of calculating stability of caisson shape dimension and height of caisson fill in stone. The effect of combination and caissons zooplankton stability checking of caisson, the front panel and slab reinforcement calculation and crack.
The design of all AUTO CAD rendering drawings by addition, this paper also reviewed the “Summary of Rubble Mound Breakwater Design Equations ”design equation.

Keywords: Gravity wharf; Caisson; Wave force; Caisson floating stability.

目 录

第1章 设计背景 1
1.1 工程概述 1
1.2 设计原则 1
1.3 设计依据 1
1.4设计任务 1
第2章 设计资料 2
2.1地形条件 2
2.2气象条件 2
2.3水文条件 4
2.4泥沙条件 10
2.5地质条件 11
2.6地震条件 12
2.7荷载条件 12
2.8施工条件 12
第3章 设计成果 13
3.1总体设计成果 13
3.2结构方案成果 13
3.3施工图设计成果 13
3.4关键性技术要求 13
3.5设计成果评价 13
第4章 总平面设计 14
4.1工程规模 14
4.2布置原则 14
4.3设计船型 15
4.4作业条件 15
4.5总体尺度 15
4.5.1码头泊位长度 15
4.5.2码头前沿高程 16
4.5.3码头前沿停泊水域尺度 16
4.5.4码头前船舶回旋水域尺度 16
4.5.5陆域设计高程 16
4.5.6航道设计尺度 17
4.6平面方案比选 17
4.7装卸工艺设计 17
第5章 结构选型 18
5.1结构型式 18
5.2构造尺度 18
5.3作用分析 20
5.3.1永久作用 20
5.3.2可变作用 29
5.3.3偶然作用 35
第6章 结构计算 36
6.1稳定性验算 36
6.1.1作用效应组合 36
6.1.2抗滑稳定性验算 36
6.1.3抗倾稳定性验算 37
6.1.4基床承载力验算 38
6.1.5地基承载力验算 40
6.2构件设计 45
6.2.1计算图式 45
6.2.2作用效应组合 45
6.2.3内力计算 45
6.2.4强度与抗裂验算 53
6.2.6沉箱浮游稳定验算 60
致谢 63
参考资料及设计规范 64
毕业设计任务书 77
设计进度计划表 84

86

第1章 设计背景
第1章 设计背景
1.1 工程概述
本工程为xx港西港区工作船码头,拟建一个3000吨级的工作船，以满足对过往船只的补给和维修的要求
1.2 设计原则
（一） 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。
（二） 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。
（三） 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。
1.3 设计依据
（一） 设计任务书
（二） 有关规范
（三） 设计参考书,相关的教材和计算手册
1） 《港口平面布置与规划》
2） 《水工建筑物》
3） 《土力学》
4） 《建筑结构内力计算手册》
1.4设计任务
随着xx港的迅速发展，以及整个山东半岛港口行业的发展，为满足大吨级的货船的正常运营，需要建一个较大吨级的工作船码头，工作船码头将会对整个西港区对船的服务工能显著提高。

第2章 设计资料
第2章 设计资料
2.1地形条件
xx港位于xx市西北35公里处，远离市区，邻近经济开发区，与蓬莱市接壤，-10米以上深水岸线贴岸，发展空间开阔，经济活力强劲，地理位置优越。扼渤海南侧湾口，背靠山东半岛，北望辽东半岛,东邻日本、韩国。使港区成为环渤海地区理想的水运中转货物的集散地、连接东北与华东的交通枢纽、山东半岛与日韩贸易最便捷的进出口口岸。
2.2气象条件
该港区处尚未进行系统的气象要素的观测，本次将采用xx海洋站多年观测资料作统计分析。
xx海洋站气象观测场位于芝罘岛上，地理坐标为：北纬37°33.3´、东经121°23.5´。拔海高度为74.3m，风速仪距地面高度10.4m。
（一） 气温
年平均气温：13.4°C
平均最高气温：17.7°C
平均最低气温：11.1°C
极端最高气温：37.1°C
极端最低气温：-11.7°C
（二） 降水
年平均降水量：425.1mm
年最大降水量：616.7mm
一日最大降水量：76.5mm
年平均降水量日数为95.6天
降水强度≥中雨年降水日数为13.4天
降水强度≥大雨年降水日数为4.2天
降水强度≥暴雨年降水日数为0.2天
该区降水有显著的季节变化，雨量多集中于每年的6、7、8月份，这三个月的降水量为年降水量的53％，冬季降水量最少，12月至翌年的2月降水量仅为年降水量的9％。
（三） 风
多年每日24次风速、风向资料统计，该区常风向为N向，出现频率为13.3％，次常风向为NW、W向出现频率分别为12.12％、11.55％。强风向为NW向，该向≥7级风出现频率为0.46％，次强风向为N向。具体见风频率统计表和风玫瑰图。
表2-1风频率统计表
风速
频率（％）风向
≤7.9
（m/s）
8.0-10.7（m/s）
10.8-13.8（m/s）
13.9-17.1（m/s）
≥17.2（m/s）
合计
N
10.29
1.92
0.94
0.14

13.30
NNE
4.02
0.58
0.18
0.04

4.83
NE
3.87
0.29
0.08
0.01

4.24
ENE
1.72
0.11
0.03

1.85
E
5.69
0.41
0.06
0.01

6.17
ESE
2.77
0.17
0.02

2.97
SE
8.30
1.27
0.31
0.01

9.89
SSE
4.12
1.03
0.37
0.04
0.01
5.57
S
6.12
1.15
0.30
0.03

7.61
SSW
2.09
0.25
0.06
0.01

2.41
SW
6.24
0.28
0.06

6.59
WSW
3.53
0.12
0.01

3.66
W
11.09
0.42
0.04

11.55
WNW
2.38
0.43
0.10

2.91
NW
6.79
3.08
1.79
0.42
0.04
12.12
NNW
3.43
0.63
0.24
0.03

4.34
C

合计
82.45
12.15
4.59
0.75
0.06
100.00

图2-1 xx港风玫瑰图

（四） 雾
多年平均每年大雾日为29.0天，大雾多出现于每年的4~7月，为全年雾日的65％，而每年的8月以后，大雾日显著减少。平均每年大雾实际出现天数为10.9天。
（五） 灾害性天气
本区灾害性天气过程主要为台风（含热带风暴，强热带风暴）和寒潮。据多年资料统计影响xx附近海域的台风每年有1~2个，一般多出现于7~9月份。每当台风路经本区时，将出现大风、大浪、暴潮和暴雨。如8509号台风，xx出现33.3m/s、SSE向大风，最高潮位达3.73m；受9216号台风影响，xx港风速达18~30m/s，出现解放以来最高历史潮位（4.03m）。
多年资料统计，每年11月~翌年3月为寒潮出现季节，平均每年3.2次，受寒潮影响本海区出现偏N向大风，风速可达9~10级，且有偏N向的大浪，持续时间可达3~4天。

2.3水文条件
（一） 潮位
国家海洋局第一海洋研究所对xx套子湾西海岸海区建港条件进行了调查和部分水文要素的短期观测，并于1994年12月完成了“xx初旺湾－芦洋湾自然环境调查报告”。潮位是利用初旺湾验潮站1987年3月4日~4月13日一个月的潮位资料和xx同步资料及xx1953~1994年长期资料统计分析。用差比方法求得工程海域的设计参数。本次设计采用上述计算值。
1、高程关系：
1.33m
1.25m
0.08m
黄海平均海面
平均海平面
当地理论最低潮面

2、潮位特征值：（以下水位值均从当地理论最低潮面起算）
工程海域为正规的半日潮，其(HK1+HO1)/H平方米=0.32
最高高潮位：3.67m
最低低潮位：－0.77m
平均高潮位：2.10m
平均低潮位：0.61m
平均潮差：1.49m
平均潮面：1.33m
在此尚应说明2003年10月10日~12日，由于强冷空气南下影响，xx港出现仅低于1992年的特高水位，调查值为3.77m。
3、设计水位：
设计高水位：2.46m
设计低水位：0.25m
极端高水位：3.56m
极端低水位：-0.95m
4、乘潮水位
表2-2不同延时不同保证率乘潮水位表
频率（％）
水位（m）
延时
80
85
90
95
乘潮一小时
1.81
1.75
1.67
1.49
乘潮二小时
1.75
1.69
1.60
1.43
乘潮三小时
1.63
1.58
1.47
1.31
乘潮四小时
1.47
1.42
1.32
1.17

（二） 海流
海流观测分两个区域进行，第一个区域位于龙洞咀及以南的初旺湾，芦洋湾海域，共布设六个测点；第二区域为龙洞咀东北的天然深槽和龙洞咀以西的海域，共布设六个测点，分别进行大、小潮连续25小时观测。观测日期为：大潮第二区域为7月15日09时至16日10时，第一区域为7月16日17时至17日19时；小潮第二区域为7月22日09时至23日12时，第一区域为7月23日16时至24日19时。垂线测点采用六点法，依据实测资料，本海区海流特征如下：
1、潮流特征：测验海区的潮流为不规则半日潮流
其（WK1+WO1）/ W平方米 在0.76~1.45之间，浅水分潮流影响比较明显，潮流的运动属往复流性质。
2、潮流流场：龙洞咀以南第一测区涨、落潮潮流平均流向呈南北走向，龙洞咀以被第二测区涨、落潮潮流平均流向呈东西走向。
3、最大流速：大潮期间涨、落潮实测垂线平均最大流速第一测区出现在L05站，流速值分别为0.55m/s、0.77m/s，流向分别为150°、325°，测点最大涨、落潮流速为0.74m/s、0.88m/s，流向分别为174°、344°，出现在L03站表层。
第二测区垂线平均最大流速出现在L09和L07站，流速为0.58m/s和0.90m/s，流向分别为81°、278°；测点最大涨、落潮流速为0.76m/s、0.96m/s，流向分别为74°、260°，出现在L07站和L09站表层。
4、余流：本海区余流较小，垂线平均余流流速、流向见表3-3。
表2-3 垂线平均余流流速及流向

L01
L02
L03
L04
L05
L06
L07
L08
L09
L10
L11
L12
大潮
流速
（m/s）
0.06
0.03
0.06
0.07
0.06
0.01
0.06
0.04
0.20
0.05
0.02
0.01

流向
（°）
6
208
69
116
159
138
152
166
67
224
142
153
小潮
流速
（m/s）
0.05
0.01
0.04
0.02
0.03
0.02
0.03
0.03
0.06
0.01
0.04
0.01

流向
（°）
342
35
43
120
155
260
205
181
23
163
260
304

（三） 波浪
1、资料概况
该港区无波浪实测资料，而与其临近（相约30km）的xx海洋站在芝罘岛北侧进行了长期的波浪观测工作（1980年至今）。本次规划岸线在龙洞咀周围，其水深岸线走向与芝罘岛相似，水域开阔无岛屿影响。芝罘岛测波资料有着极好的代表性，基本代表了西港区深水处的波况。本次取用芝罘岛多年观测资料作统计分析。
2、波浪概况
xx海洋站位于芝罘岛，地理坐标为北纬37°36´、东经121°26´，测波浮标在测点的N向，水深约为17.3m，使用仪器为HAB－2型岸用测波仪，仪器的拔海高度为75.9m，每日进行4次（08、11、14、17）观测，大风浪过程中进行加密观测。
多年观测资料分析结果：该区常波向为NNW、NW，出现频率分别为8.20％、8.19％；次常波向为N、NNE，出现频率分别为5.91％、5.77％。强波向为NNW向，次强波向为N向，这两个方向H4％>1.5m出现频率分别为3.07％、2.45％。详见波玫瑰图和波高、周期频率统计表。

图2-2 xx波高玫瑰图

表2-4xx波高频率统计表
波高（m）
频率%
波向
≤0.5
0.6
-0.7
0.8
-0.9
1.0
-1.2
1.3
-1.5
1.6
-2.0
2.1
-2.4
≥2.5
合计
N
0.21
0.77
0.62
0.80
0.95
1.11
0.55
0.79
5.91
NNE
0.24
0.89
0.83
1.09
1.01
0.89
0.37
0.39
5.77
NE
0.06
0.34
0.34
0.39
0.23
0.20
0.08
0.03
1.67
ENE
0.21
0.57
0.45
0.33
0.19
0.19
0.06
0.02
2.01
E
0.08
0.28
0.16
0.18
0.05
0.08
0.03
0.02
0.88
ESE
0.01
0.05
0.06
0.03
0.03
0.01
0.01

0.18
SE
0.03
0.16
0.06
0.01
0.01

0.26
SSE
0.01
0.07
0.02
0.01
0.01

0.01

0.12
S

0.01
0.01

0.01
SSW

0.01

0.01
SW

0.01
0.01

0.01
WSW

0.01

0.01

0.01
W
0.04
0.15
0.09
0.05
0.01
0.01
0.02

0.36
WNW
0.13
0.44
0.49
0.39
0.30
0.02
0.05
0.03
2.05
NW
0.44
1.79
1.48
1.45
1.07
1.18
0.46
0.32
8.19
NNW
0.37
1.22
1.01
1.19
1.34
1.46
0.76
0.85
8.20
C
64.35

64.35
合计
66.18
6.75
5.68
6.01
5.18
5.35
2.40
2.45
100

表2-5xx波周期频率统计表

波周期（s）
频率%
波向
≤2.9
3.0
-3.9
4.0
-4.9
5.0
-5.9
6.0
-6.9
≥7.0
合计
N
0.12
0.81
1.67
2.12
0.99
0.18
5.91
NNE
0.09
0.94
2.23
1.84
0.64

0.02
5.77
NE
0.08
0.26
0.63
0.54
0.15

1.67
ENE
0.12
0.61
0.87
0.32
0.09

2.01
E
0.12
0.34
0.31
0.09
0.02

0.88
ESE
0.06
0.05
0.04
0.02
0.01

0.18
SE
0.19
0.06
0.01

0.26
SSE
0.09
0.02

0.01

0.01
0.12
S
0.01
0.01

0.01
SSW
0.01
0.01

0.01
SW
0.01
0.01

0.01
WSW
0.01
0.01

0.01
W
0.09
0.18
0.06
0.02
0.01

0.36
WNW
0.12
0.59
0.82
0.43
0.08
0.01
2.05
NW
0.43
1.99
3.07
2.09
0.56
0.05
8.19
NNW
0.23
1.26
2.79
2.77
0.99
0.16
8.20
C
64.35

64.35
合计
66.11
7.13

12.51
10.26
3.55
0.43
100

3、波高－周期联合分布
对于一个新开辟的港区，应分析波高和周期的联合分布，其目的是了解是否存在小波高对应长周期波浪的出现，小波高长周期的波浪对港内波稳有重要的影响。多年观测资料统计结果如
表1-6波高－周期
波高（m）
频率%
周期
≤0.8
0.9
-1.2
1.3
-1.5
1.6
-2.0
2.1
-2.5
≥2.6
合计
≤4.9（s）
75.86
6.55
2.34
0.48
0.16
0.04
85.42
5.0-5.9（s）
0.14
1.61
3.72
3.91
1.31
0.43
11.12
6.0-6.9（s）

0.12
0.68
1.41
1.04
3.25
7.0-7.9（s）

0.05
0.16
0.20
合计
76.01
8.16
6.18
5.07
2.93
1.66
100

上述统计结果表明，本区波高周期对应关系为大波高对应大周期，小波高对应大周期出现的可能性不大。
4、不同重现期波要素
用芝罘岛测波站多年观测资料作年频率计算，不同重限期波要素见表3-7。
表2-7不同重现期波要素
重现期
波要素
波向
50年一遇

25年一遇
2年一遇
H4％（m）
(S)
H4％（m）
(S)
H4％（m）
(S)
N
5.2
9.4
4.8
8.9
3.3
6.7
NNE
5.4
9.6
5.0
9.1
3.3
6.6
NE
3.8
8.2
3.5
7.8
2.0
5.7
ENE
4.2
8.4
3.8
7.9
2.0
5.4
E
4.0
7.6
3.6
7.2
1.5
4.8
WNW
3.2
7.9
3.0
7.5
2.0
5.4
NW
5.4
8.4
5.0
8.1
2.7
6.3
NNW
5.3
8.9
4.9
8.5
3.3
6.6

2.4泥沙条件
拟建工程港区沿岸主要为基岩海岸，沿岸以低山丘陵台地为主，泥沙来源不甚丰富，主要是海岸侵蚀来沙和人为供沙。港区沿岸岩性多为白云石大理岩，在海浪和海流作用下产生部分泥沙，数量很少；沿海养殖及其加工业产生的废弃贝壳，堆积在海滨，也是局部泥沙的重要来源，但数量有限，对于港口建设不会构成很大影响。
根据国家海洋局第一海洋研究所观测资料分析，该海区近岸及岸滩泥沙较粗，海域平均含沙量为46.6mg/L，如果所搬运的泥沙全部沉淀，每平方米也只有46.9kg，即沉积厚度2cm，实际情况可能仅有此值的三分之一左右。
总之，该海区泥沙来源很少、泥沙搬运沉积不甚活跃，近岸泥沙不会对建港构成危害。

2.5地质条件
各岩土层分布特征：
勘察区域码头孔M孔布孔30个，F孔10个，C孔27个，除C1,C4,C16尚未勘察，C24,C25,C26,C27C孔因处于礁石区及附近陈家码头上被取消勘察外，其余钻孔已全部完成，根据勘察结果，区域土层自上而下根据形成原因及性质分层如下：
第一层，海相沉积层
该层存在于勘察区域的表层，分布不均匀，在勘察区域按性质存在三大层。
①1粉土层
灰色、灰褐色，稍密状，该层主要分布在勘察区的部分钻孔中，土层相对较薄，厚度在1.0～3.0m范围内，不是十分稳定，平均标贯击数N＝8.1
①2粉细砂层
灰色、灰褐色，松散～稍密状，该层广泛存在于勘察区域内，分布相对稳定，厚度不均，在0.8～7.0m范围内，平均标贯击数N＝9.3
①3淤泥质粉质粘土层
灰色、灰褐色，软塑状，高塑性，该土层零星存在于勘察区域内，个别土层因含水量原因为粉质粘土，平均标贯击数N＝1.1
第二层，陆相沉积砂层
该层在勘察区域内广泛存在，为陆相沉积砂层。
②中粗砂层
黄色、黄褐色，中密～密实状，该土层在勘察钻孔中均有揭露，层位稳定，土质不均匀，混有碎贝壳，平均标贯击数N＝37.8
第三层，陆相沉积粉质粘土层
该层在勘察区域内一定深度下均可揭露，层位相对稳定。
③粉质粘土层
黄色、黄褐色，硬塑状，中～中上塑性，该层在所勘察钻孔中，最浅标高-17.45m，最深标高-29.06m处揭露，呈自北向南逐次渐深趋势，层位稳定，土质坚硬，土质不均匀，上部及下部多混有大量砂粒，偶见粉细砂夹层，平均标贯击数N＝20.6。
第四层，粗砾砂层
该层在勘察区域内一定深度下广泛存在，层位稳定。
④粗砾砂层
黄褐色，密实状，该层在所勘察钻孔中，最浅标高-28.12m,最深标高-37.57m处揭露，层位稳定，土质不均匀，其中多含角砾，小块碎石等物，平均标贯击数N＝43.9击
三、各岩土层主要物理、力学性质指标及容许承载力各岩土层主要物理、力学性质指标按算术平均值法进行了综合统计。结合现场原位测试和土工试验成果表，给出了各岩土层的地基土容许承载力f。详见各岩土层主要物理、力学性质指标统计表1。
说明：统计表中各土层标贯击数N值未经任何修正。
2.6地震条件
根据有关资料本工程区域地震烈度为6度，设计基本地震加速度为0.15g。
2.7荷载条件
针对工程使用要求，作用于水工建筑物上的主要荷载有：码头后填料土压力，堆货土压力，门机荷载，系缆力，波浪力等。各标准值详见各分项计算中。
2.8施工条件
该工程由中交一航局承建，其材料供应、现场施工条件（水、电、运输）、施工技术力量及机械性能、混凝土构件的预制能力、水上施工能力等均能满足施工需要。工程设计能够与施工能力相匹配，以便顺利实施

第3章 设计成果
第3章 设计成果
3.1总体设计成果
本工程为xx港西港区工作船码头， 本项目建设一个3000吨的工作船，满足附近海域过往船舶的日常用品的补给及简单的维修，xx港西港区具备良好的建港条件。码头后方路域高程为5.5m,整个泊位长度为134m，本工程具有良好的供水，供电条件,道路畅通。
3.2结构方案成果
本码头结构形式采用重力式沉箱结构，码头总长为150m，取沉箱长度为15m，设10个沉箱，为了增加沉箱的刚度和减小箱壁和地板的计算跨度，在箱内设置一道纵向隔墙和2道横向隔墙。
3.3施工图设计成果
施工图在下文中详细标出。
3.4关键性技术要求