高桩码头计算说明

第6章 水工建筑物 第6章 水工建筑物 6.1 建设内容 本工程拟建5万t级通用泊位2个。水工建筑物包括码头平台、固定引桥与护岸。结构安全等级均为二级。 6.2 设计条件 6.2.1 设计船型 5万t级散货船：船长×船宽×型深×满载吃水=223×32.3×17.9×12.8m 6.2.2 风况 基本风压 0.70Kpa 按九级风设计，风速为22m/s，超过九级风时，船舶离港去锚地避风。 6.2.3 水文 （1）设计水位（85国家高程） 设计高水位： 2.77m 极端高水位： 4.18m 设计低水位： -2.89m 极端低水位： -3.96m （2）水流 水流设计流速 V=1.2m/s 流向：与船舶纵轴线平行。 （3）设计波浪： 波浪重现期为50年，设计高水位下H1%=1.81m; H4%=1.52m;H13%=1.22m; Tmean=3.8s，L=22.96m。 6.2.4 地质条件 码头平台与固定引桥区在勘察控制深度范围内地基土层为海陆交互相沉积、陆相冲洪积成因类型和凝灰岩风化岩层，从上而下分别为淤泥、块石、残积粘性土、强风化凝灰岩与中风化凝灰岩。其中淤泥层厚为20.95m～51.15m；块石厚度分布不均；残积粘性土厚度3.5～9.69m；强风化凝灰岩厚度分布不均；中风化凝灰岩最大揭露厚度为5.70m，未揭穿。其物理力学性质指标见表3-2。 护岸与陆域部分在勘察控制深度范围内地基土层自上而下分别为耕土、淤泥、粘土、角砾混粉质粘土、粘土、含角砾粉质粘土、强风化基岩与中等风化基岩等。其中，淤泥厚15.50～37.00m；粘土层厚0.7～26.00m；角砾混粉质粘土厚0.8～16.00m；含角砾粉质粘土厚4.5～32.80m；强风化基岩厚0.2～3.70m；中等风化基岩最大揭露深度为6.90m，未揭穿。其物理力学性质指标见表3-3。 6.2.5 设计荷载 6.2.5.1 船舶荷载 （1）系缆力 式中： ， ——分别为可能同时出现的风和水流对船舶作用产生的横向分力总和及纵向分力总和(kN)； K——系船柱受力分布不均匀系数，K取1.3； n——计算船舶同时受力的系船柱数目，取n=5； α——系船缆的水平投影与码头前沿线所成的夹角(°)，取α=30°； β——系船缆与水平面之间的夹角(°)，取β=15°。 情况一：风向与船舶纵轴线垂直时， ； 。 ； 计算得：N=476KN 情况二：风向与船舶纵轴线平行时， ； 。 ； 计算得：N=139KN 根据《港口工程荷载》（JTS144-1-2010）（本章以下简称“规范”）表10.2.5-1，5万吨级船舶计算系缆力小于650kN时，按650kN选用，故系缆力值为650kN。 系缆力标准值N的横向分力Nx，纵向分力Ny，竖向分力Nz： （2）撞击力 船舶靠岸时的有效撞击能量： 式中： ——有效动能系数，取0.75； m——船舶质量，按满载排水量计算，查“规范”表H.0.1，m=61100t； ——船舶靠岸时法向速度，查“规范”表10.4.4-1对于有掩护的海港，取0.1m/s。 选用SUC1150H超级鼓型橡胶护舷， 吸能：E=294kJ 反力R=589kN。 （3）波浪引起的船舶撞击力 因码头前波浪较小，经验算比较，小于船舶靠岸时的撞击能量。 （4）挤靠力 F’j=(K’j/n) ×ΣFx 式中：F’j——橡胶护舷间断布置时，作用于一组或一个橡胶护舷上的挤靠力标准值（KN）； K’j——挤靠力分布不均匀系数，取1.3； ΣFx——可能同时出现的风和水流对船舶作用产生的横向分力总和（KN），计1009KN； n——与船舶接触的橡胶护舷的组数或个数，取5个。 经计算，F’j=1.3×1009/5=262KN 前边梁前沿采用DA-A400H橡胶护舷（L=1.5m），其吸能量67.6KJ，反力达404.7KN。 6.2.5.2 永久作用 码头结构自重力：钢筋混凝土： γ=25KN/m3 素混凝土： γ=24KN/m3 6.2.5.3 可变作用 6.2.5.3.1 一 6.2.5.3.1.1 码头平台 （1）桥式抓斗卸船机 轨距：12m,轮数：8×4，基距：18m，其它参数参考“规范”表C.0.4中X1250-30型选取。 （2）40t多用途门座式起重机 轨距：12m，轮数8×4，基距：12m，其它参数参考“规范”表C.0.1中Mh-40-35型选取。 （3）堆货荷载： 码头前沿： 20kPa 前方堆场： 80kPa（构件计算） 60Kpa（整体计算） 6.2.5.3.1.2 护岸 后方填料：乱毛石,容重为22KN/m3 前沿线后15m内 考虑40t平板车或10Kpa的均布荷载 前沿线后15m外 考虑100Kpa的均布荷载 6.2.5.3.2 方案二 6.2.5.3.2.1 码头平台 （1）带斗门座式起重机 轨距：12m,轮数：8×4，基距：18m，其它参数参考“规范”表C.0.3中Mh-40-35型选取。 （2）40t多用途门座式起重机 同方案一 （3）堆货荷载 同方案一 6.2.5.3.2.2 护岸 同方案一 6.3 结构方案 6.3.1 水工结构方案 （1）方案一： 码头结构为高桩梁板式。平台长度为521m，宽度为40m。平台共分为7段，其中，首尾段长度为74.5m，中间5段长度均为74.4m。各段之间变形缝宽20mm。每段桩台排架间距均为10m。除首尾悬臂长2.3m外，其余悬臂均为2.2m。每榀排架下设φ1500钢管桩8根，均为直桩。根据地质钻孔揭示的土层表明，在厚层淤泥软土以下的土层为块石和强风化至中风化基岩，均可作为持力层。但桩基直接打入有困难，拟采用先将基桩沉桩至块石层顶面，然后采用钻孔灌注砼芯柱法成桩。桩顶现浇倒T型横梁，下横梁底宽1.8m，高1.5m；上横梁宽1.2m，高（含现浇面层厚度）2.5m。下横梁间搁置预应力轨道梁与非预应力纵（前边）梁，梁上搁置预制面板，而后通过现浇节点及面层使结构整体化。排架前沿设靠船构件，并采用SUC1150H鼓型橡胶护舷，同时在前边梁处设DA-A400H型橡胶护舷（L=1.5m）。平台前沿设650KN系船柱。 固定引桥分为4座，自北向南分别为1#、2#、3#、4#引桥。引桥长度分别为189.31m、166.782m、143.341m、115.062m。除1#引桥宽度为12m外，其它引桥宽度均为9m。引桥分为架空段与实体段。实体段做法同护岸挡墙。架空段引桥桩基采用φ1000PHC预应力管桩，桩端入块石层或中风化基岩1m。桩顶现浇帽梁，而后安装预应力空心板、实心板及非预应力空心板，而后现浇面层。引桥两侧设仿木栏杆。 护岸采用低桩挡墙结构。基础为两根φ800PHC管桩，桩端入角砾混粉质粘土层1.6m。桩基横向间距为5m。桩基之间塞填碎石垫层，而后现浇钢筋混凝土底板（厚1m）与挡墙。挡墙上部外侧坡度为10:1，内侧坡度为3.5:1。挡墙上现浇胸墙(1.75m高)，并设1m高的混凝土护栏。挡墙、胸墙及护栏每隔20m设变形缝，缝宽20mm，以沥青砂浆塞填。挡墙后设泄水孔，并设倒滤设施，而后回填乱毛石，并铺筑二片石垫层与倒滤层。护岸挡墙前抛填块石镇压，宽度不小于5m，厚度不小于80cm。 （2）方案二 码头结构为高桩梁板式，码头平台长度为521m，宽度为40m，平台共分为7段，其中，首尾段长度为74.5m，中间5段长度均为74.4m。各段之间变形缝宽20mm。每段桩台横向排架间距为7m。除首尾悬臂长2.3m外，其余悬臂均为2.2m。每榀排架下设φ1500钻孔灌注桩8根，均为直桩。基桩钢护筒穿过淤泥层，沉至块石层顶面，然后采用钻孔灌注砼芯桩成桩。桩顶现浇倒T型横梁。下横梁底宽1.8m，高1.5m；上横梁宽1.2m，高（包括现浇面层厚度）2.5m。下横梁间搁置预制轨道梁与纵梁，梁上搁置预制面板，而后通过现浇节点及面层使结构整体化。其它同方案一。 固定引桥平面布置同方案一。基础采用φ1000钻孔灌注桩，桩端入块石或中风化基岩1m。桩基上现浇帽梁，安装预制T梁。 护岸平面布置同方案一，基础采用φ800钻孔灌注桩，桩端入中风化基岩0.5m。 6.3.2 结构计算 6.3.2.1 作用效应组合 6.3.2.1.1 码头平台 （1）承载能力极限状态持久组合(设计高低水位分别验算) ①1.2×自重+1.4×堆载+0.7×（1.5×船舶撞击力+1.5×门机（桥抓）非工作状态） ②1.2×自重+1.4×堆载+0.7×（1.4×系缆力+1.5×门机（桥抓）非工作状态） ③1.2×自重+1.4×系缆力+0.7×(1.4×堆载+1.5×门机（桥抓）非工作状态） ④1.2×自重+1.4×系缆力+0.7×1.5×门机（桥抓）非工作状态 ⑤1.2×自重+1.5×船舶撞击力+0.7×（1.4×堆载+1.5×门机（桥抓）非工作状态） ⑥1.2×自重+1.5×船舶撞击力+0.7×1.5×门机（桥抓）非工作状态） ⑦1.2×自重+1.5×门机（桥抓）工作状态+0.7×1.4×堆载 （2）正常使用极限状态持久状况下的短期效应组合 ⑧自重+0.8×(堆载+船舶撞击力+门机（桥抓）非工作状态） ⑨自重+0.8×(堆载+门机（桥抓）工作状态） ⑩自重+0.8×（堆载+系缆力+门机（桥抓）非工作状态） 6.3.2.1.2 固定引桥 （1）承载能力极限状态持久组合(设计高低水位分别验算) ①1.2×自重+1.4×人群荷载+0.7×1.4×水流力 ②1.2×自重+1.4×水流力+0.7×1.4×人群荷载 ③1.2×自重+1.4×汽车荷载+0.7×1.4×水流力 （2）正常使用极限状态持久状况下的短期效应组合 ④自重+0.8×（人群荷载+水流力） ⑤自重+0.8×（汽车荷载+水流力） 6.3.2.1.3 护岸 ①1.0×自重+1.35×土压力（稳定性验算时） ②1.2×自重+1.35×土压力（桩基计算时） 6.3.2.2 主要计算结果 码头平台主要计算结果表 表6-1 方 案 计算项目 计算结果 出 现 工 况 备注 方案一 最大桩轴力设计值 相应桩身弯矩 7413KN 低水位⑦ 钢管桩 +砼芯柱 +10m排 架间距 167KN·m 最大桩身弯矩 相应桩力 845KN·m 低水位④ 2430KN 横梁最大弯矩 5790KN·m 低水位⑦一台门机工作时 -12680KN·m 低水位⑦两台门机同时工作时 排架最大水平位移 23mm 高水位⑤ 排架最大竖向位移 -18mm 高水位⑦ 方案二 最大桩轴力设计值 相应桩身弯矩 8400KN 低水位⑦ 钻孔灌注 桩+7m 排架间距 0KN·m 最大桩身弯矩 相应桩力 1555KN·m 低水位④ 2960KN 横梁最大弯矩 6215KN·m 低水位⑦一台门机工作时 -8030KN·m 低水位⑦两台门机同时工作时 排架最大水平位移 28mm 高水位⑥ 排架最大竖向位移 5mm 高水位⑦ 引桥排架主要计算结果表 表6-2 方案 计算项目 计算结果 备注 方案一 最大桩轴力设计值 3158kN PHC桩基+预应力空心板 最大桩身弯矩 603kN•m 帽梁最大弯矩 -624kN•m 833kN•m 最大水平位移 51mm 方案二 最大桩轴力设计值 3512kN 钻孔灌注桩+预制T梁 最大桩身弯矩 785kN•m 帽梁最大弯矩 -624kN•m 833kN•m 最大水平位移 37mm 护岸上部结构计算结果表 表6-3 部位 计算项目 作用效应 设计值 结构抗力 设计值 结 论 护岸 胸墙抗滑验算 13.0KN 34.47KN 安全 胸墙抗倾验算 6.5KN·m 32.8KN·m 安全 挡墙抗滑验算 78.7KN 164.9KN 安全 挡墙抗倾验算 123.6KN·m 402.6KN·m 安全 基床顶面应力值 σmax=119.8KPa 450KPa 安全 圆弧滑动安全系数 1.013（处理前）/1.504(处理后) 安全 最大桩轴力设计值 1010.8KN 1659/3541KN 安全 6.3.2.3 桩基竖向极限承载力计算 6.3.2.3.1 码头平台下桩基计算 （1）φ1500钢管桩竖向极限承载力标准值 按ZK32计算，淤泥层厚31.90m，块石层厚5.3m，强风化基岩④层厚6.1m，强风化基岩⑤层按3.9m计。入土深度按47.2m计算。 Q1=12×3.14×1.5×31.9/1.55+3.14×1.4×(5.3×90+6.1×80+3.9×120)/1.65+3.14/4×1.42×7000/1.65=11508KN 按块石层厚10m计算 Q2=12×3.14×1.5×31.9/1.55+3.14×1.4×90×10/1.65+3.14/4×1.42×5500/1.65=8690KN （2）φ1500钻孔灌注桩竖向极限承载力 按ZK32计算 Q1=3.14×1.5×(31.9×12+5.3×90+6.1×80+3.9×120)/1.65+3.14 /4×1.52×7000/1.65=12676KN 按块石层厚10m计算 Q2=3.14×1.5×(31.9×12+10×90)/1.65+3.14/4×1.52×5500/1.65 =9549KN 6.3.2.3.2 固定引桥下桩基计算 （1）φ1000预应力管桩竖向极限承载力标准值 按ZK32计算，淤泥层厚31.90m，入块石层1m。考虑到施工时块石层的破碎，该层仅计端阻力值。 Q1=3.14×1.0×31.9×12/1.45+3.14/4×（12-0.742）×11000/1.45 =3424KN （2）φ1000钻孔灌注桩竖向极限承载力标准值 按ZK32计算，淤泥层厚31.90m，入块石层1m。 Q2=3.14×1.0×（31.9×12+1×90）/1.65+3.14/4×12×5500/1.65 =3516KN 6.3.2.3.3 护岸下桩基计算 （1）φ800预应力管桩竖向极限承载力标准值 按Z03计算，淤泥层厚19.7m，粘土层厚22.4m，角砾混粉质粘土层按1.6m厚计。 Q1=3.14×0.8×(17.98×11+22.4×18+1.6×56)/1.45+3.14/4×（12- 0.742）×2400/1.45=1659KN （2）φ800钻孔灌注桩竖向极限承载力 按Z03计算，淤泥层厚19.7m，粘土层厚22.4m，角砾混粉质粘土层厚2.8m，强风化凝灰岩厚0.3m,中风化凝灰岩厚按0.5m计。考虑实际施工误差，中风化凝灰岩层不计侧摩阻力值。 Q2=3.14×0.8×（17.98×11+22.4×16+2.8×52+0.3×100）/1.65+ 3.14/4×0.82×8000/1.65=3541KN 6.3.2.3 主要水工工程量 水工建筑物主要工程数量表（方案一） 表6-4 部位 序号 名 称 单位 数量 备注 码 头 平 台 1 Φ1500×18钢管桩 t/根 20189/448 均为直桩，入块石层或强风化基岩10m 2 钢管桩嵌岩（块石）砼 m3 17241 现浇C30 3 桩顶锚固砼 m3 1131 现浇C40 4 横梁 m3 11155 现浇C40 5 靠船构件 m3/榀 91/56 预制C40 6 预应力轨道梁 m3/根 1354/98 预制C40 7 前边梁 m3/根 1147 现浇C40 8 纵梁 m3/根 5433/490 预制C40 9 面板 m3/块 4102/1176 预制C40 10 面层 m3 8403 现浇C40 11 悬臂板 m3 1474 现浇C40 12 护轮槛 m3 84 现浇C40 13 系船柱块体 m3 100 现浇C40 14 650KN系船柱 个 20 15 SUC鼓型橡胶护舷 套 56 两鼓一板 16 DA-A400H舷梯护舷 套 49 L=1.5m 17 QU80钢轨 m 993 18 仿木栏杆 m 601 19 非金属纤维 Kg 10957 固 定 引 桥 20 Φ1000PHC管桩 m3/根 1782/96 均为直桩,预应力C80 21 桩顶锚固砼 m3 62 现浇C40 22 横 梁 m3 798 现浇C40 23 预应力空心板 m3/块 2419/260 预应力C50 24 非预应力空心板 m3/块 28/9 预制C40 25 实心板 m3/块 137.3/13 预制C40 26 面 层 m3 882.3 现浇C40 27 护轮槛 m3 105 28 仿木栏杆 m 1170 29 非金属纤维 Kg 1086 护 岸 30 淤泥开挖 m3 12156 31 碎石垫层 m3 2816 32 Φ800PHC管桩 m3/根 4006/420 预应力C80，入角砾混粉质粘土1.6m 33 砼挡墙 m3 7314 34 胸 墙 m3 2287 35 回填乱毛石 m3 6177 36 二片石垫层 m3 1644 37 混合倒滤层 m3 6100 38 抛石镇压层 m3 7170 39 护 栏 m3 883 水工建筑物主要工程数量表（方案二） 表6-5 部位 序号 名 称 单位 数量 备注 码 头 平 台 1 Φ1500钻孔灌注桩 m3/根 74566/616 直桩，入块石层或强风化基岩10m 2 靠船构件 m3/榀 125/77 预制C40 3 横梁 m3 15338 现浇C40 4 轨道梁 m3/根 11275/140 预制C40 5 前边梁 m3/根 1080 现浇C40 6 纵梁 m3/根 5116/700 预制C40 7 面板 m3/块 3743/1180 预制C40 8 面层 m3 8403 现浇C40 9 悬臂板 m3 1474 现浇C40 10 护轮槛 m3 84 现浇C40 11 系船柱块体 m3 100 现浇C40 12 650KN系船柱 20 13 SUC1150鼓型橡胶护舷 套 77 两鼓一板 14 DA-A400H橡胶护舷 套 70 15 QU80钢轨 m 990 16 钢质栏杆 Kg 4808 17 非金属纤维 Kg 10957 引 桥 18 Φ1000钻孔灌注桩 m3/根 3586/96 直桩，入中风化基岩1m 19 帽梁 m3 798 现浇C40 20 实心板 m3/块 1373/13 预制C40 21 T型梁 m3/根 4516/232 预制C40 22 面层 m3 882.3 现浇C40 23 护轮槛 m3 105 现浇C40 24 钢质栏杆 Kg 9360 25 非金属纤维 Kg 1086 护 岸 26 淤泥开挖 m3 12156 27 碎石垫层 m3 2816 28 Φ800钻孔灌注桩 m3/根 8445/420 现浇C30，入中风化基岩0.5m 29 砼挡墙 7314 现浇C40 30 胸墙 m3 2281 现浇C40 31 护栏 m3 882.4 32 抛石镇压 m3 7170 33 回填乱毛石 m3 6177 10～100Kg 34 二片石垫层 m3 1644 35 混合倒滤层 m3 6100 6.4 方案比选及推荐方案 方 案 比 选 表 表6-6 优 点 缺 点 方案一 1.采用钢管桩，桩端入块石层或强风化基岩，桩基承载力强，排架间距大，桩数少，桩型对地基适应性强，且施工速度较快。 2.引桥与护岸基础采用预制桩，施工速度快。 1.地质起伏较大，较复杂，需一桩一孔勘察，勘察费用较高。 2.钢结构防腐要求高。 方案二 1.采用钻孔灌注桩，对基础适应性较强。 2.防腐要求略低。 1.桩数量多，造价较高，施工速度较慢。 经综合比选，本阶段推荐方案一为水工结构方案。