沉箱码头计算书

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：

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：

1.1510.51

2.1D kT m ==?=，

设计低水位7.4米，则底高程：7.412.1 4.7m -=-，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： 1310.214l b h m m m ??=??。 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3

23.5/kN m ，水下为3

13.5/kN m ，则在设计高水位时沉箱的自重为：

()][()5.511 1.511 1.5 1.5 5.5123.5 3.11 1.5 5.51 3.113.5

2 4.6 4.[{]62

}G -=?+???-?+?+?+-???（）则 227.83G kN =。

自重G 对O 点求矩：

G 77.10.533.4967 5.510.47922/3 5.51/3=733.56M kN m =?+?-??+ （）（） 。

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：

25010

178.5714

q kPa ?==

。 （此处近似用朗肯土压力进行验算）朗肯主动土压力系数：

224545350.()7)(=2Ka tan tan ?=-=- 。

则其土压力分布如上图： 如上图，其各点的土压力强度为：

()()()()()01112=0.27178.5748.21;

10.2718 1.5178.5755.5;120.2718 1.59.5 3.1178.5763.46.

a b P Ka h q kPa P Ka h q kPa P Ka h h q kPa γγγγ+=?==+=??+==++=??+?+= 则其土压力为：

()()0.5 1.548.2155.50.5 3.155.563.46262.17E KN =??++??+=。

作用点至墙底的距离为：

221148.21 4.6 2.37.29 3.10.57.96 3.10.50.57.29 1.5 3.11

(())3=2.203y E m =

??+??+???+???+ 。则土压力对墙前O 点的弯矩值为：

262.17 2.2576.77M KN m =?= 。

综上：G =733.56576.77M kN m M KN m >= ，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

b 、设计低水位情况：

设计低水位自重作用计算表

（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=35?

，沉箱以下外摩擦角35=

==11.733

?δ

。

主动力系数为：

222

2

cos cos 35=

=0.2911a K ?

=

??????????

??

ax =cos 0.29cos11.70.28a K K δ=?= ； ax =cos 0.29sin11.70.06a K K δ=?= 。

土压力标准值按下式计算：

1

1a 0()K cos n n i i i e h γα-==∑

2a 0

()K cos n

n i i i e h γα==∑

其中cos =1α 。

a 、 码头后填料土压力（永久作用）： 设计高水位情况：

13.50e =；

12.018 1.50.297.8a hK kP e a γ===??；

12.018 1.50.25'87.6a hK kP e a γ===??（与12.0e 相差很小，近似忽略） 1-5.1122+18 1.5+9.517.10.2854.94a h h K kPa e γγ=???==）（）（。

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：

()n 11

7.8 1.57.854.9417.1542.56/22

E KN m =??+?+?=；

土压力标准值的水平力：

Hn n cos 542.56cos11.7=531.29/E E KN m δ==? ；

土压力标准值的竖向力：

Vn n sin 542.56sin11.7=110.02/E E KN m δ==? ；

土压力引起的倾覆力矩为：

1 1.517.1117.11.57.817.1++7.817.1+54.94-7.817.123223=3540.73(KN m)/m EH M =????????

（）（） 。

土压力引起的稳定力矩为：

V 110.02=1122.20(0.2)/1E M KN m m =? 。

设计低水位情况：

13.50e =；

7.40.2918 6.131.84a hK P e k a γ=??==；

7.40.2818 6.130'.75a hK kPa e γ=??==（相差不大，近似和7.4e 相等）

； 1-5.1122+18 6.1+9.512.50.2866.28a h h K kPa e γγ=???==）（）（。

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：

11

6.131.8431.84266.2812.5713.76/22

n E KN m =??++??=（）；

土压力标准值的水平力：

Hn n cos 713.76cos11.7=698.93/E E KN m δ==? ；

土压力标准值的竖向力：

Vn n sin 713.76sin11.7=144.74/E E KN m δ==? ；

土压力引起的倾覆力矩为：

1 6.112.5112.56.131.8412.5++31.8412.5+66.28-31.8412.523223

=4795.74(KN m)/m EH M =????????

（）（） 。

土压力引起的稳定力矩为：

V 144.74=1476.35(0.2)/1E M KN m m =? 。

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。

13.5~8.9200.29 5.80e kPa =?= ；

8.9~-5.1200.28 5.60e kPa =?=。

（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：

5.8018.6107.88/qH E KN m =?=；

堆货荷载引起的竖向作用：

V tan11.7107.88tan11.7=22.34/q qH E E KN m =?=? ；

堆货荷载引起的倾覆力矩：

=18.6107.882006.57()/EqH qH M E KN m m =?= ；

堆货荷载引起的稳定力矩：

=18.622.34415.52()/EqH qH M E KN m m =?= 。

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。

720140/G KN m =?= ；

码头前沿堆货产生的稳定力矩：

7140(10.27)938()/2G M KN m m ?

?=?-+=???

? 。

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：

2=21500/13/10.20.28 6.33P ax P

e K kPa h

=

??=； 门机后腿产生附加土压力引起的水平作用和倾覆力矩：

q 1

6.3310.232.28/2

H E KN m =??=

q 32.28 5.1=164.64()/H M KN m m =?

门机后腿产生附加土压力引起的竖向作用和稳定力矩：

qV 32.28tan11.7 6.68/E KN m =?= qV 6.6810.2=68.19()/M KN m m =?

门机前腿产生附加土压力引起的竖向作用和稳定力矩：

1500/13115.38/G KN m ==

115.38 2.75=317.30()/G M KN m m =?

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）

sin cos x N N αβ= ；

y cos sin N N αβ=。

因为此处是海港码头，按要求，则=30=15αβ

， 。

sin cos =500sin30cos15=241.48x N N KN αβ=?? ；

系缆力引起的水平作用和倾覆力矩为：

241.48

18.58/13

RH P KN m =

= ； 18.5818.6345.59()/PR M KN m m =?= 。

（4）、码头荷载标准值汇总

码头荷载汇总表

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：

0E H E qH v qv 1

(E +E +)(G+E +E +)P B G E E d d

P f γγγφγγγγφγγ≤

（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：

0E EH E EqH G G E Ev E Eqv u d

1

(M +M +)((M +M +M +)P PB PBu M M γγγφγγγγφγγ≤

抗滑稳定性验算计算表

抗倾稳定性验算计算表

（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：

2055.11144.7422.34140122.062484.25/k KN m V =+++=+ ； 1476.35415.52938385.49111214335.57/0.3R M KN m m ==++++ ；

02006.57164.6469476695.74.95/M KN m m ==++ ；

014335.76995.95

=

2484. 2.9525

R k M M V m ξ--== ；

ξ=2.95m

max min

2=30

k

V σξσ= ；

则：

max min 222484.25

=

561.4133 2.956000

k V kPa kPa σξσσ?==?<== ;

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：

1max

max 1'2B d

B d σσγ=

++ ；

1min

min 1'2B d

B d σσγ=

++ ；

此处,3

B

ξ< 故13B ξ= 。 则：

1max max 1 2.953561.41

'=112386.652 2.95322

B d kPa B d σσγ??=

++?=+?+? ；

1min

min 1'=011222.002B d kPa B d

σσγ=

++?=+ 。

那么：

max min '386.65500'22.00kPa

kPa kPa

σσ=<= ，

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/m 3）

Xc=∑

∑vi vixi =276.325845.1766=5.43m Yc=

∑∑vi viyi =276

.325224.1914=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=

36.79325

.109

.8131=m 3

前趾的排水体积v=2.34+5.265=7.605 m 3

沉箱吃水T=

A V ）（v -=

76.52.10*13605

.7-36.793=m 浮心高度Yw=V vy T v V +÷-2)(=

m 87.236

.7932

*605.75.0*76.5*605.7-36.793=+）（ a=Yc-Ya=5.88-2.87=3.01m 定倾半径V

i I ∑-=

ρ=36

.7931214*133÷=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。