港口海岸及近海工程毕业设计(重力式码头)
第一章、码头设计资料
1.1建筑物的种类和等级
1.1.1 建筑物的种类:
依据总平面布置和工艺要求,本工程码头为10万吨级集装箱泊位,码头水工结构按停靠10万吨级集装箱船舶设计。
本工程东端与客运码头毗邻。为了形成码头陆域,东端设有斜坡抛石护岸;形成连续岸壁。
1.1.2 建筑物等级
码头:集装箱泊位工程属于一般港口的主要建筑物,按“规范”规定,结构安全等级为二级。
护岸:本期工程建设时,需在码头东端前沿线与现有陆域之间设置护岸,按三级建筑物设计。
1.2 建筑物的主要尺度
码头共长324m(包括工作船泊位后方20m);码头面高程为8.0m;码头底高程为-17.50m。
东护岸长235m。 1.2.1 设计船型尺度
设计船型的主要尺度见表1-1。
表1-1
1.3自然条件 1.3.1 气象
根据当地气象站1968~1980年的观测资料统计: 1.3.2 气温:属于亚热带海洋性气候。 年平均气温: 20.8℃ 平均最高气温: 21.3℃ 平均最低气温: 20.3℃
极端最高气温: 38.5℃(1979.8.5) 极端最低气温: 2.7℃(1977.1.31)
日最高气温:≥30℃,平均年出现日数为105.3天 日最高气温:≥35℃,平均年出现日数为7.9天 1.3.3 降水
年平均降水量: 1173.5mm
年最大降水量: 1771.8mm(1973年) 年最小降水量: 892.4mm(1970年) 月平均最大降水量:204.6mm(6月) 月最大降水量: 494.5mm(1973年4月)
降水多集中于4~8月份,月平均降水均超过100mm,这五个月降水量占全年总降水量67%,其中6月份降水量最大。
平均年降水日数: 128.7天
降雨强度≥中雨的年平均降雨天数为32.7天 降雨强度≥大雨的年平均降雨天数为12.4天 降雨强度≥暴雨的年平均降雨天数为3.6天 1.3.4 风况
据1975~1979年气象台每日24次观测资料统计,其常风向与强风向均为NE,出现频率为14.86%,全年≥6级平均出现158小时,频率为0.15%,≥7级平均出现3.8小时。详见风频率统计表1-2和总平面图中的风玫瑰图。
气象站1975~1979年风频率统计表
表1-2
台风及热带风暴:本地区经常受台风(含热带风暴,强热带风暴)袭击,几乎每年7~10月都受台风影响。1958~1980年23年中,影响本地的台风共68次,平均每年3次。出现最多的是1961年,共6次。68次台风过程中,当地最大风级≥9级(风速20.8m/s)出现10次。1973年7月,7301号台风路经厦门,实测最大风速为30m/s,风向为WSW。1952年以来,实测最大台风风速为38m/s,风向为ESE,5903号台风路经本
海区时瞬时最大风速达60m/s,出现于1959年8月23日。
1.3.5 雾况
该地区年平均雾日为22.4天,最多为36天(1973年),最少为8天(1971年)。每年雾日多集中在2~4月,夏、秋两季很少出现。能见度小于1km的大雾平均每年出现3.7天。
1.3.6 相对湿度:每年3月~8月较潮湿,10月至翌年2月较为干燥。年平均相对湿度为78%,6月份平均相对湿度最小为67%。
1.4 水文
1.4.1 潮位
本海区属规则半日潮,其潮汐性质参数为(H01+HK1)/HM2=0.34 本设计所有潮位值及高程均从当地理论最低潮面起算。 1.4.2 潮位特征值:
据1957~1983年验潮站资料统计: 最高高潮位: 7.17m(1959年8月23日) 最低低潮位:-0.13m(1983年1月30日) 平均高潮位: 5.46m 平均低潮位: 1.47m 平均潮差: 3.99m
最大潮差: 6.42m(1972年11月23日) 最小潮差: 0.99m(1969年10月5日) 平均海平面: 3.35m
另据1907~1983年资料得出:
最高高潮位: 7.56m(1933年10月20日)
最低低潮位:-0.28m(1921年2月24日和1922年2月14日) 1.4.3 设计水位: 设计高水位: 6.14m 设计低水位: 0.72m
极端高水位: 7.34m 极端低水位:-0.22m
1.4.4 乘潮水位:乘潮水位见表1-3。
乘 潮 水 位 统 计 表
表1-3
1.4.5 潮流
港区潮流性质属正规半日潮流,潮流为往复流,据1993年4月水文测验测流资料,附近泊位码头前沿及进港航道涨急垂线平均流向250°~320°,垂线平均最大流速大潮0.88~1.l0m/s,小潮0.36~0.61m/s,落急垂线平均流向75°~120°,最大垂线平均流速大潮1.03~1.36m/s,小潮0.66~0.74m/s,落潮流速大于涨潮流速,最大流速均发生在高潮前后2~3小时。
1.4.6 波浪 1、波浪概况
根据港区的地理位置分析,本港区主要受ESE、SE向外海传入涌浪(顺浪)和WNW~E向小风区波浪控制。
2、设计波浪
本码头设计波浪要素取小风区波浪计算结果。码头前50年一遇波要素。
码头:正向浪为NNE(NE)向,五十年一遇,设计高水位(6.14m) H1%=3.2m,T =5.5s。
护岸:东护岸,E向浪,25年一遇,H5%=2.0m,T = 5.0s ( 设计高水位);
其余参见水文波浪表格
1.4.7 作业天数 1、码头作业标准: 风:≤6级 雾:能见度≥1km 雨:≤小雨
浪:顺浪:H4%≤1.5m T ≤6s 横浪:H4%≤1.2m T ≤6s
2、作业天统计结果:码头年作业天为318天。
1.5 地质
根据本工程地质勘察资料,拟建场地水域泥面标高一般在 0.41~-8.04米之间,地形呈南高北低趋势。
勘察结果表明,岩土层分布较为简单,一般上部为海相成因的淤泥土层,中部为残积土层,下部为强(中)风化岩。现按地层特点及分布规律
分述如下:
①1流泥:
灰色~深灰色,流塑状,高塑性,含有腐植物,一般分布于泥面表层,全区均见,厚度0.5~5.0米不等,底标高-6.99~-12.97米不等,平均标准贯入击数N<1击。
①2淤泥:
灰~深灰色,流塑~软塑状,高塑性,夹砂斑,含有机质及少量的碎贝壳,夹有流泥、淤泥混砂、淤泥质粘土、中粗砂、孤石、淤泥质粉质粘土等透镜体,局部混较多的碎贝壳及细砂,该层全区均见,最厚处位于MB13孔处厚约19.3米,最薄处位于MB34孔处厚约2.1米。底标高一般为-11.04~-31.23米不等。平均标准贯入击数N=1.5击。
②残积土:
灰白~褐黄色,坚硬状,局部为可塑或硬塑状,中塑性,含较多的石英颗粒,具有基岩的残余结构,土质不均。该层分布较为广泛,局部缺失,厚度变化较大,其中尤以M50及M34孔处厚度最大,达10~13m不等,最薄处缺失或仅为0.4m左右。底标高一般为-18.17~-31.23米不等,平均标准贯入击数N=39.7击。在该层顶部和淤泥质土层底部分布有相当数量的微风化花岗岩孤石,(本次勘察表明:MB3、MB4、MB21、MB31、MB43、MB46等孔均有孤石揭示),已钻穿孤石厚度约0.6~3.0米不等。
③强风化花岗岩:
褐黄夹灰白色,风化程度不均上部风化较强烈,原岩结构清晰,主要成份为风化的长石、石英和云母等矿物,长石和云母已大部分风化变质,下部一般为碎块状,岩块多数手掰易碎,遇水易崩解软化。该层平均标准贯入击数N>50击,该层强风化岩位于1-1及2-2剖面岩面出露为全区较高点,一般为-14~-17米。而31-31剖面及其剖面附近处(4-2剖面中M44~K9段)达-11~-14米,为码头区浅点段,其余一般都在-20~-26米不等,最深处达-36米(M50孔)。总之,强风化岩面分布较为复杂,大致呈锯齿状,高低不等分布,总趋势为中间高,东西两头低。
④中风化花岗岩:
褐黄色~青灰色,原岩花岗结构清晰,主要成份为长石、石英和云母等矿物,节理和裂隙发育,岩样坚硬,锤击可碎,岩芯采取率为35%~98%左右,出露顶标高为-12.35米~-37.69米不等。
钻孔剖面图、柱状图以及各岩土层单元的物理、力学性指标统计结果见下页图表。
1.6 地震
本区基本地震烈度为7度(0.15g)。
重力式码头工程 毕业设计
土层主要物理、力学性指标统计表
10
土层地基承载力标准值
1.7工艺荷载
1.7.1 堆货荷载:
码头堆货均布荷载:码头前沿15.5m宽度内为 q1=30KN/m2,其后为
q2=60KN/m2。
1.7.2 设备荷载:
(1)岸机
集装箱装卸桥:轨距×基距=30m×16m,最大轮压800KN/轮,每腿8轮。轮距1.2m。
(2)40t门座起重机:轨距×基距=10.5m×12m,最大轮压280KN/轮,每腿12轮。
(3)流动机械:
10t叉车及25t轮胎吊荷载分别参见“港口工程荷载规范”表C.8和表
C.5。
55t载重汽车见“规范”29页表8.0.2。
第二章、码头结构选型
2.1 码头结构
根据地质资料及本地区的施工经验和施工工艺,在多方案比选的基础上,码头主要考虑了重力式沉箱结构。方案一是带卸荷板的填石沉箱结构,重量控制在2400t内;沉箱纵向长22.58m,底宽12.15m;方案二为不带卸荷板的填石沉箱结构,沉箱重量控制在2400t,沉箱纵向长18.25m,底宽15.85m。二者比较起来各有其优势,具体见下表。方案二具有码头结构更合理,码头重心低,封仓板与沉箱连成整体,抗震性能好。且工期较短,施工简便,其工程造价与方案一相比较少,故本阶段推荐方案二。
码头结构方案比较表
2.2 护岸结构
本护岸为Ⅲ级建筑物。基于当地石料丰富,价格便宜,为方便施工,便于陆域形成,本着经济合理的设计原则,护岸结构型式为斜坡抛石护岸。
据钻孔资料揭示,东护岸所处位置淤泥层较厚;东护岸淤泥平均厚约16m,且分布不均匀。在M88、M87孔处淤泥层厚达23.8 m ;鉴于地质资料情况,本阶段共做两个方案比选。方案一,为了基础稳定,先挖除6.0m 厚淤泥,而后铺砂垫层,打塑料排水板加固地基。方案二,基础采用大开挖。在保证现有岸坡稳定的前提下,在距陆侧一定距离外的地段,将残积土以上的淤泥层挖除换填开山石,形成护岸。护岸的上部结构均采用带挡浪墙的抛石斜坡堤形式。
方案一:堤心为10-100kg块石,外侧边坡1:2.5,东护岸护面采用安放450-550kg块石护面,压脚为100-150kg块石,堤顶设浆砌块石挡墙,堤内侧设倒滤层结构,后方回填中砂和开山石。
方案二:堤心大部分采用开山石,在1.0m以上及外坡垫层采用10-100kg块石,外侧边坡1:1.5,东护岸护面为1.0t四脚空心方块,其余同方案一。
由于东护岸为规划工作船码头陆域,工作船泊位采用趸船结构形式。方案一外侧边坡1:2.5,势必带来撑杆跨度较大,结构处理有一定难度。故东护岸采用方案二较为适宜。
2.3 结构概述
码头设计方案一为带卸荷板的重力式沉箱填石方案,沉箱底宽12.15m;方案二为不带卸荷板的重力式填石方案,沉箱底宽15.85m,按当地施工能力沉箱重量均按2400t控制。
基床厚度:根据地质报告,码头持力层选在强风化岩层,由于该层埋深起伏较大,基床平均厚约8.5m ,基床最小厚度为2.0m。
2.3.1 带卸荷板的重力式沉箱填石方案(方案一)
沉箱码头主要构件为预制安装钢筋混凝土沉箱,预制安装钢筋混凝土卸荷板和现浇混凝土胸墙。
预制沉箱为15个仓格,沉箱高为17.3m,底宽12.15m,其中前趾长1.0m;沉箱每个仓格尺寸为4.2×3.3m;沉箱前墙厚0.40m,后墙厚0.35m,侧墙厚0.35m,隔墙厚0.25m,每个沉箱纵向长为22.58m,单个沉箱混凝土用量为940m3,重量2350t。
本码头长324m,用14个沉箱,另外,为了后建码头及护岸的连接,码头东端予留3个沉箱,共用17个沉箱,码头前沿水深-17.50m。
码头沉箱顶标高为1.80m,卸荷板顶标高3.60m,胸墙顶标高为8.0m。 沉箱上卸荷板厚1.80m,后悬臂长3.10m,混凝土用量71m3,可用200吨起重船吊运。本工程共用卸荷板102块。单个沉箱上6块卸荷板。
码头胸墙共分14段;每段长22.61m;每个沉箱长为1个结构段。胸墙底高程为3.60m,顶宽考虑装卸桥前轨位置取为4.0m。
码头胸墙为现浇混凝土结构。在胸墙上主要设置的码头设备有:门机装卸桥前轨道、系船柱、橡胶护舷、橡胶舷梯、护轮坎、系网环、门机接电箱井、上水栓井等。
码头基床顶宽为17.15m,持力层为强风化岩层。
码头后方设抛石棱体和混合倒滤层,考虑到装卸桥后轨道梁的基础及棱体施工方便,故采用一级抛石棱体。
2.3.2 不带卸荷板的重力式填石方案(方案二)
根据当地已有的施工工艺及工程实践,沉箱重量控制在2400t内,码头主要构件为预制安装的钢筋混凝土沉箱,预制安装封仓盖板和现浇混凝土胸墙。预制沉箱为12仓格,沉箱重2350t,高17.5m,底宽15.85m,前后趾长1.0m,每个仓格尺寸为4.2m×4.2m;沉箱前墙厚0.40m,侧墙厚0.35m,隔墙厚0.25m,每个沉箱纵向长为18.25m,单个沉箱混凝土用量为940m3。共用21个沉箱。
本码头沉箱顶标高为2.0m, 盖板顶标高为3.2m,胸墙顶高程为8.0m。沉箱上盖板厚1.2m,每个沉箱上12块盖板,单块盖板重50t,本工程共用252块盖板。
码头胸墙为现浇混凝土结构,墙体底高程为4.0m,顶宽4.0m,一个沉
箱为一个结构段,胸墙上设置各种码头设备。
码头后方设抛石棱体和混合倒滤层。采用一级抛石棱体。
码头设备布置情况,基础处理,主要外力及设计结果均参考方案一相同章节。
2.3.3 基础处理
本工程基础处理采用大开挖换填基础,基础持力层为强风化岩层。 据地质勘察报告揭示:码头区域内强风化岩面以上大致可分为两个土层。据此,选择基槽开挖边坡。残积土层(含粘土层及砂层),基槽边坡取为1:2;淤泥层,基槽边坡取为1:4。
基床采用10~100kg块石。基床顶宽方案一为17.15m,方案二为20.85m。基床前肩3.0m ,后肩2.0m。基床夯实采用爆夯和锤夯两种施工工艺。为降低造价,加快施工进度,基床夯实应尽可能多地采用爆夯。但表层仍需锤夯。基床整平按“规范”执行。在爆夯地段每次层厚及炸药量应严格控制,以保证安全。
第三章、码头力学计算
3.1 主要外力
该工程主要外力,除码头面承受工艺机械及堆货荷载之外,还承受: 系缆力—当100000吨级集装箱船停靠时,在9级风(风速V=22m/s)和水流共同作用下,按“规范”计算,系船力为1350KN。系船柱选用1500KN。
船舶撞击力—100000吨级集装箱船靠岸时,按“规范”计算,撞击能为1062KN·m。
停泊在码头的船在逃跑波高作用下,对码头的撞击能,尚无成熟的计算方法。许多工程都用模型试验测定。本工程尚无试验。参考有关资料计算,作用在一个护舷的撞击能为1170KN·m,据此选用护舷SUS1450H,RH型,2鼓1板,设计吸能量为1395KN·m,变形52.5%,反力为2434KN。由上述可见,停泊于码头的船舶,当风速大于V=22m/s或波浪大于逃跑波高(H4%=1.6m,T=4.4s)时,船舶需离开码头。
3.2 结构计算
在各种荷载组合情况下,包括建筑物自重,墙后土压力,船舶荷载,码头均布荷载,门机荷载,集装箱装卸桥荷载,流动机械荷载,波浪力及地震惯性力等,以上荷载可能同时出现的荷载,采用最不利情况进行组合。
码头稳定性验算种类:
(1)墙身抗倾,抗滑稳定性验算:
(2)基床承载力验算:
荷载种类:
(1)永久作用:包括自重力及土压力
(2)可变作用:包括堆货荷载,流动机械荷载,集装箱装卸桥荷载及其产生土压力,船舶荷载,波浪力等。
持久作用效应组合:(含设计高﹑低水位和极端高低水位)
持久组合一:结构自重(永久作用)+码头面荷载(主导可变作用)+系缆力(非主导可变作用)
持久组合二:结构自重(永久作用)+码头面荷载(主导可变作用)+
波谷吸力(非主导可变作用)
持久组合三:结构自重(永久作用)+系缆力(主导可变作用)+码头均布荷载(非主导可变作用)
持久组合四:结构自重(永久作用)+波谷吸力(主导可变作用)+码头均布荷载(非主导可变作用)
持久组合五:结构自重(永久作用)+逃跑波高(主导可变作用)+系缆力(非主导可变作用)+码头均布荷载(非主导可变作用)
计算方法及计算结果:
严格遵照“规范”方法进行计算,沿基床顶面,胸墙底面的抗滑抗倾均满足规范要求。
方案一:滑移及倾覆稳定满足抗力大于作用力。
最大基床应力646KN/m2,最小基床应力94KN/m2;
方案二:滑移及倾覆稳定满足抗力大于作用力。
最大基床应力667KN/m2,最小基床应力53.5KN/m2。
3.3 结构计算内容
(1)计算内容和方法
严格遵照“规范”方法进行计算,内容主要有整体稳定性验算及胸墙稳定性验算,护面块石及护底块石验算等。
(2)计算结果:
设计低水位圆弧稳定性系数γ1=1.19
地震稳定性系数γ2=1.03
胸墙底压力σmax=163.5kN/m2 σmin=0
胸墙抗倾、抗滑均满足“规范”要求。
第四章、码头设备及附属设施
据船型资料及码头使用需要,对码头主要设备布置如下:
系船柱:采用1500kN,每段胸墙一个,在船的首尾适当加密间距以便操作。系船柱中心距码头前沿1.2米,共设系船柱13个。
橡胶护舷:规格采用SUC1450H,RH,二鼓一板为一组,间距约为18m,护舷中心标高为4.6m,本工程共设该种护舷18组。
橡胶护舷:规格为GD280H,L=3000mm连续布置,仅在小梯两侧1.0m处断开,该护舷中心位置标高为7.75m,本工程共设该种护舷108个.
门式起重机:规格为40 t/43m;轨距×基距=10.5×12.0m;门机前轨距码头前沿3.5m,与装卸桥共用前轨,采用QU100型钢轨及机件,后轨采用 QU100型钢轨。
集装箱装卸桥:轨距×基距=30m×16m;前后轨均采用Qu100型钢轨。 上水栓井:本码头共布置9个上水栓井,每个井尺寸0.3×0.7×0.5m,间距34m。井中心距码头前沿0.35m。
橡胶舷梯:码头共设4处橡胶舷梯,规格为SA200H,每处舷梯由2个L=2.4m的组成。
护轮坎:护轮坎高0.25m,沿码头连续布置,在系船柱处断开4.0m,橡胶舷梯处断开2.0m。
系网环:码头共设系网环108个,间距3.0m,单件用钢量5.36kg/个。
第五章、附图
1.平面布置图
2.码头结构总图
3.沉箱结构配筋图
4.细部构造图
第六章、附图
6.1 高程设计
码头面高程:
拟建码头区潮差较大且受小风区波浪影响,设计高水位6.14米,极端高水位7.34米,考虑到已建泊位码头面高程均为8.04米。本码头面高程取8.0米。
码头后方堆场及附建区高程考虑到排水需要取8.0~10.0米。
6.1.1 码头前沿设计水深
根据规范规定,码头前沿设计水深D由下式计算
D=T+Z1+Z2+Z3+Z4
其中:T—设计船型满载吃水(m)
Z1—龙骨下最小富裕深度(m),取0.6m(码头结构为重力式)
Z2—波浪富裕深度(m),取0.4m
Z3—船舶因配载不均匀而增加的船尾吃水值(m)
Z4—备淤富裕深度(m)
码头前沿设计底标高计算如表6-1
重力式码头工程 毕业设计
表6-1
考虑到本工程远期改造为集装箱码头,本工程码头前沿设计底标高按靠泊10万吨级集装箱船舶设计预留取-17.5m。
6.2 沉箱码头稳定及结构计算
重力式码头工程
毕业设计
2 0 0 5 年 5 月
中国·天津
目 录
第1章 码头设计资料 .......................... 1 第2章 码头结构选型 .......................... 6 第3章 第4章 第5章 第6章
码头力学计算 ......................... 26 码头设备及附属设施 ................... 35 附图 ................................. 40 附计算书 ............................. 41