天津港2.5万吨集装箱码头设计
目录
第一章 总论......................................................... 1
1.1 概述........................................................ 1 1.2 设计依据.................................................... 1 第二章 设计资料.................................................... 2
2.1 工程位置................................................... 2 2.2 自然条件................................................... 2
2.2.1 气温................................................. 2 2.2.2 降水................................................. 2 2.2.3 雾................................................... 3 2.2.4 相对湿度............................................. 3 2.2.5 风................................................... 3 2.2.2 水文 .............................................. 4
2.2.2.1 潮位........................................... 4 2.2.2.2 波浪........................................... 6 2.2.2.3 海流 .......................................... 6 2.2.3 海冰................................................. 7 2.2.4 作业天数............................................. 7
2.2.4.1 码头作业标准................................... 7 2.2.4.2 统计结果....................................... 8 2.2.5 泥沙淤积............................................. 8 2.2.6 地质................................................. 9
2.2.6.1 土层分布....................................... 9 2.2.7 地震................................................ 10
第三章 运量与船型.................................................. 11
3.1 年运量..................................................... 11 3.2 设计船型................................................... 11
I
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第四章 总平面布置.................................................. 12
4.1 总平面布置原则............................................. 12 4.2 泊位数的确定............................................... 12 4.3 码头水域布置............................................... 14
4.3.1码头前沿设计水深 ..................................... 14 4.3.2 船舶制动水域......................................... 15 4.3.3 船舶回旋水域......................................... 15 4.3.4 码头前沿停泊水域..................................... 15 4.3.5港池布置 ............................................. 16 4.3.6锚地布置 ............................................. 16 4.3.7 航道尺寸与布置....................................... 17
4.3.7.1 航道水深....................................... 17 4.3.7.2 航道有效宽度................................... 18
4.4 码头陆域尺度............................................... 19
4.4.1码头泊位长度 ......................................... 19 4.4.2 码头前沿高程......................................... 19
4.4.2.1码头前沿顶高程 ................................. 19 4.4.2.2码头前沿底高程 ................................. 19 4.4.3 码头前沿作业地带..................................... 20 4.4.4 库场面积............................................. 20
4.4.4.1集装箱堆场面积 ................................. 20 4.4.4.2集装箱码头拆装箱库所需容量 ..................... 21 4.4.5集装箱码头大门所需车道数 ............................. 22 4.4.6 港区道路布置......................................... 23
4.4.6.1港区道路布置要求 ............................... 23 4.4.7辅助生产和辅助生活建筑物 ............................. 23
第五章 装卸工艺布置................................................ 24
5.1 装卸工艺的设计原则及一般要求.............................. 24
5.1.1 设计原则............................................. 24
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5.1.2 一般要求............................................. 24 5.2码头的装卸工艺流程设计 ..................................... 25 5.3 装卸工艺机械方案比选....................................... 26 5.4主要机械规格 ............................................... 26
5.4.1岸边集装箱装卸桥 ..................................... 26 5.4.2 轨道式龙门起重机..................................... 27 5.4.3 集装箱牵挂车......................................... 27 5.4.4 集装箱半挂车......................................... 27 5.5 装卸机械数量及司机人数的确定............................... 28 5.6装卸工人数确定 ............................................. 29 第六章 结构方案拟定与比选.......................................... 30
6.1 设计原则................................................... 30 6.2 结构方案的比选............................................. 31 第七章 码头结构计算................................................ 34
7.1 码头结构设计的一般规定..................................... 34 7.2 设计条件................................................... 34
7.2.1 结构安全等级......................................... 34 7.2.2 设计水位............................................. 34 7.2.3设计船型 ............................................. 35 7.2.4 波浪要素............................................. 35 7.3 结构尺寸的确定............................................. 35
7.3.1 施工水位的确定....................................... 35 7.3.2 基础设计............................................. 35 7.3.3 沉箱尺寸............................................. 36 7.3.4 胸墙尺寸............................................. 37 7.3.5 墙后回填............................................. 37 7.4材料重度 ................................................... 37 7.5 其他附属设施设计........................................... 38 7.6 码头结构计算............................................... 38
III
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7.6.1 设计状况............................................. 38 7.6.2 作用分类............................................. 38 7.6.3 作用效应组合......................................... 38 7.7 作用计算................................................... 39
7.7.1 永久作用............................................. 39
7.7.1.1结构自重力 ..................................... 39 7.7.1.2 填料土压力..................................... 44 7.7.1.3 贮仓压力....................................... 47 7.7.1.4 剩余水压力..................................... 49 7.7.2 可变作用............................................. 49
7.7.2.1 船舶荷载....................................... 49 7.7.2.2 堆货荷载所产生的土压力......................... 52 7.7.2.3门机荷载所产生的土压力 ......................... 53 7.7.2.4 波浪力计算..................................... 55 7.7.3 沉箱沉放时面板所受水压力计算......................... 58 7.8 码头荷载标准值汇总......................................... 60 7.9 码头稳定性验算............................................. 61
7.9.1作用效应组合 ......................................... 61 7.9.2码头沿基床顶面的抗滑稳定性验算 ....................... 61
7.9.3码头沿基床顶面的抗倾稳定性验算 ....................... 65
7.9.4 基床承载力验算....................................... 68 7.9.5 沉箱浮游稳定性验算................................... 71
第八章 沉箱结构内力计算............................................ 75
8.1 一般规定................................................... 75
8.1.1 沉箱结构内力计算的图式规定........................... 75 8.2 承载能力极限状态下的内力计算............................... 75
8.2.1 沉箱前壁板........................................... 75
8.2.2 沉箱前底板计算................................... 77 8.2.3 内力计算......................................... 79
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8.3 正常使用极限状态下的内力计算............................... 79
8.3.1沉箱前壁板 ....................................... 79 8.3.2 沉箱前底板计算................................... 81 8.3.3内力计算 ......................................... 82
8.4 构件承载力计算............................................. 82 8.5构件裂缝宽度验算 ........................................... 83 参考文献........................................................... 89 致谢............................................................... 90
V
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第一章 总论
1.1 概述
天津港是世界等级最高、中国最大的人工深水港、吞吐量世界第四的综合
性港口，位于滨海新区。服务和辐射京津冀及中西部地区的14个省市自治区，总面积近500万平方公里，占全国面积的52%，是蒙古国等内陆国家的主要出海口，航线通达世界180多个国家和地区的500多个港口。天津在渤海西岸的盐碱滩涂上建成的吞吐量两亿吨的第二港口天津南港于2011年08月31日开港试通航，也称天津港的南港区。本设计在天津南疆港区26＃泊位处，拟建2个2.5万吨级集装箱码头。
1.2 设计依据
本次设计内容为天津港2.5万吨级集装箱码头。设计包含工程总平面布置、装卸工艺、结构尺寸等。
设计按交通部颁发的有关规范进行，具体如下：
（1）港区总平面布置、装卸工艺流程设计参照《海港总平面设计规范》、《海港工程设计手册》中规定进行确定。
（2）码头计算荷载按《港口工程荷载规范》中规定进行确定。
（3）混凝土和钢筋混凝土构件的结构系数和弹性模量等按《水工钢筋混泥土结构》中规定进行确定。
（4）设计图纸按港口工程技术规范、港口工程制图标准绘制。
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第二章 设计资料
2.1 工程位置
本工程位于天津港南疆港区规划的26#泊位处，东侧为大型石化码头区，天津港主航道里程约12+000。
2.2 自然条件
根据天津塘沽海洋站2000-2006年实测值进行特征值的统计与分析。
2.2.1 气温
年平均气温 13.1℃ 年平均最高气温 16.4℃ 年平均最低气温 10.9℃ 极端最高气温 40.9℃ 极端最低气温 -13.5℃
（注1953年1月17日曾出现最低气温-18.3℃）
2.2.2 降水
年平均降水量 363.7mm 年最大降水量 491.1mm 年最小降水量 196.6mm 一日最大降水量 157.2mm
（注1975年7月30日曾出现一日最大降水量191.5mm） 降水强度≥小雨平均每年65.2个降水日 降水强度≥中雨平均每年9.7个降水日 降水强度≥大雨平均每年3.7个降水日
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降水强度≥暴雨平均每年1.0个降水日
本区降水有显著的季节变化，雨量多集中于每年的7、8月份，该两个月的降水量为全年降水量的58%，而每年的12月至翌年的3月降水极少，4个月的总降水量仅为全年降水量的3%左右。
2.2.3 雾
能见度＜1km的大雾平均每年为16.6个雾日，雾多发生在每年的秋冬季，每年12月份大雾日约为全年大雾日的30%左右，最长的延时可达24小时以上。按大雾实际出现时间统计，平均每年为8.7天。
2.2.4 相对湿度
年平均相对湿度 67%
2.2.5 风
风是气象要素中不稳定的一个要素，年与年之间观测统计值有一定的差异，为了更真实地反映天津港的风况，我们统计1996～2005年（共计10年）每日24次风速、风向观测资料：统计表明港区常风向为S向，次常风向为E向，出现频率分别为9.89%、9.21%。强风向为E向，次强风向为ENE向，≥7级风出现的频率分别为0.32%、0.11%。详见风玫瑰图和风频率统计表3-1。造成本海区的大风天气过程，主要是冬、春季的寒潮和夏、秋季的台风（气旋），根据塘沽气象站资料统计，寒潮大风较为频繁，台风（气旋）大风出现频率较少。本海区历年平均风速4.5m/s，最大风速26.5m/s，风向E，出现在1971年6月26日。
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天津港2.5万吨集装箱码头设计 图1 风玫瑰图 2.2.2 水文 2.2.2.1 潮位 本区潮汐类型为不规则半日潮型，其（HO1+HK1）/HM2=0.53。 2.2.2.1.1 基准面关系 天津港理论最低潮面与大沽零点及当地平均海平面的关系如下图： 当地平均海面 大沽零点 2.56m 1.00m 天津港理论最低潮面 图2 零点及当地平均海平面的关系
2.2.2.1.2 潮位特征值（以天津港理论最低潮面起算，下同）
根据塘沽海洋站1963年～1999年资料统计：
历年最高高潮位 5.81m（1992年9月1日）
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历年最低低潮位 -1.03m（1968年11月10日） 注：1957年12月18日出现最低低潮位-1.08m 历年平均高潮位 3.74m 历年平均低潮位 1.34m 历年平均海平面 2.56m
历年最大潮差 4.37m（1980年10月） 历年平均潮差 2.40m 2.2.2.1.3 设计水位
设计高水位 4.30m 设计低水位 0.50m 极端高水位 5.88m 极端低水位 -1.29m 2.2.2.1.4 乘潮水位 全年乘潮水位见表2-1。
表2-1 全年乘潮水位表
频率（%） 80 延时 潮位（m） 乘潮一小时 乘潮二小时 乘潮三小时 乘潮四小时 3.36 3.26 3.12 2.93 3.26 3.16 3.01 2.82 3.14 3.04 2.89 2.71 85 90 考虑到我国北方海区潮位季节变化，冬三月（12月、1月、2月）乘潮水位见表2-2。
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表2-2 冬三月（12月、1月、2月）乘潮水位表
频率（%） 80 延时 潮位（m） 乘潮一小时 乘潮二小时 乘潮三小时 乘潮四小时 3.19 3.08 2.94 2.76 3.05 2.94 2.82 2.63 2.91 2.81 2.68 2.50 85 90 2.2.2.2 波浪
2.2.2.2.1 波浪概况
用塘沽海洋站波浪实测资料统计，本区常浪向ENE和E，频率分别为9.68%和9.53%，强浪向ENE，该向H4%＞1.5m的波高频率为1.35%，T ≥7.0s的频率仅为0.33%，各方向H4%≥1.6m的波高频率为5.06%，H4%≥2.0m的波高频率为2.24%，详见波玫瑰图。
2.2.2.2.2 设计波浪
当防波堤口门位于航道里程16+000时，拟建码头前50年一遇波要素值见表2-3。
表2-3 码头前50年一遇波要素表
水位 波要素 极端高水位 设计高水位 H1%（m） 2.4 2.0 H13%（m） 1.6 1.4 T （s） 7.6 7.6 2.2.2.3 海流
为了港口的发展需要有关部门对该海区进行了多次大范围的海流观测。 据1999年全潮观测资料分析（图1），-5m等深线以外海域涨、落潮流比较集中，属往复流性质，涨潮流向为280°～310°，落潮流向为100°～120°；该区潮段平均流速（99年4#站），涨潮流速为0.21m/s，落潮流速为0.13m/s；最大涨潮流速为0.53m/s，最大落潮流速为0.26m/s。-5m等深线
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以内流向比较分散，涨潮流向为245°～350°，落潮流速为55°～170°；该区的潮段平均流速，涨潮为0.15～0.23m/s，落潮为0.14～0.19m/s；最大涨潮流速为0.48m/s，最大落潮流速为0.45m/s，分布规律基本是涨潮流速大于落潮流速。
2.2.3 海冰
本港区海域每年有不同程度的海冰出现，初冰日在12月下旬，终冰日在2月下旬，总冰期约60天，多年资料统计，严重冰期年平均仅为10天，正常年份海冰对港口营运及船舶航行无甚影响。
2.2.4 作业天数
2.2.4.1 码头作业标准
风： 风速≤6级 雨： 降水强度≤中雨 雾： 能见度≥1.0km
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波浪： 横浪H4%≤1.2m T ≤8s 顺浪H4%≤1.5m
2.2.4.2 统计结果
按上述作业标准，通过对观测资料进行统计分析，综合考虑码头作业天数为345天。
2.2.5 泥沙淤积
1、天津港泥沙回淤程度的总体评价
天津港自建港以来，港口的泥沙回淤一直深受世人瞩目。通过几十年的研究工作并采取了相应的工程措施（主要有海河修建挡潮闸、修整南北防波堤、堵塞北堤缺口、修建吹填围埝等），取得了良好的减淤效果。天津港年挖泥量与年吞吐量的比值（方/每吞吐吨），50年代平均为3.58；60年代平均为1.67；70年代平均为0.89；80年代平均为0.55；进入90年代则下降至0.08～0.09。最新的研究成果表明，天津港已属轻淤港，泥沙回淤已经不再是港口发展的制约因素。
2、天津港泥沙回淤趋势分析
天津港在半个世纪的建设发展过程中，泥沙回淤状况逐渐好转，从建港初期的严重淤积状态逐步转变成目前的轻淤积状态。可以预料，今后随着港口泥沙环境的进一步改善与有效治理措施的实施，港口泥沙淤积情况将进一步好转。根据天津港务局和天科所在1994～1998年完成的天津港回淤程度评价与淤强分布规律研究成果，天津港泥沙回淤主要趋势体现在以下三个方面：1、随着天津港周边泥沙环境的改善，港内减淤措施的实施和其规模的不断扩大，入港泥沙逐渐减少，淤积形态发生变化，回淤强度降低，淤积部位外移；2、随着滩面物质的粗化，波浪掀沙作用减弱，水体中的含沙浓度降低，进港沙量减少。
根据《天津港防波堤延伸工程模型试验研究》（交通部天津水运科学研究所，2005年10月），待天津港防波堤延伸工程建成后，口门位于16+0处，天津港港池年淤积量为262万m3，本工程位置（12+300）淤强约为0.6m。
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2.2.6 地质
本工程拟建码头处尚无详细的地质资料，本阶段以附近的南疆东部港区北围埝、天津港30万吨级油码头工程的地质资料作为参考。该处地质情况详述如下：
2.2.6.1 土层分布
勘察区内所揭露的土层分布按其沉积成因可分为三个大层： 1、海相沉积层：包括①1淤泥、①2淤泥质粘土、①3粘性土混贝壳 2、海陆交互相沉积层：②1粉土
3、陆相、河口三角洲相沉积层：包括1粉质粘土、③2粉土、④粉细砂、⑤1粉质粘土、⑤2粉土
土层分布情况自上而下依次描述如下： ①1淤泥
灰色、褐灰色，流塑状，高塑性，局部夹少量砂斑，偶见贝壳碎屑、含有机质，土质较均匀，该层分布连续，层位稳定，厚度在7.80m～10.0m之间，底标高在-11.74m～-14.10m之间。
①2淤泥质粘土
褐灰色、灰色，软塑状，高塑性，夹少量砂斑，含少量有机质、该层分布连续，厚度0.50m～1.30m之间。Y1及Y10孔缺失。
①3粘性土混贝壳
灰色、灰褐色，为粉质粘土、粉土或淤泥质粘土混夹多量碎贝壳，软塑状，中～中可塑性，厚度在0.70 m～1.80m，底标高在-14.21m～-15.90m之间。
②1粉土
灰色，含云母，中密状，含少量碎
贝壳，夹粉质粘土薄层，
该层在区内分布不连续，以透镜体形式存在，厚薄不均。
③1粉质粘土
褐色、褐灰色，可塑状，中塑性，Y6、Y7孔缺失，分布较为连续，底标高在-19.01m～-21.05m之间。在该层和②1粉土层之间不均匀夹有厚薄不等的粘土和粉砂透镜体。
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③2粉土
褐灰色、灰色，混砂，夹粘性土薄层，中密状～密实状，该层层位稳定，分布连续，仅Y8孔缺失该层。底标高在-19.71m～-29.14m之间。
④粉细砂
褐灰色、灰色，局部夹少量云母及碎贝壳，夹粉质粘土、粉土薄层，密实状，局部中密状。该层层位稳定，分布连续，Y3孔以西砂层出露顶标高在-21.60m～-21.94m之间，以东出露顶标高在-20.19m～-24.62m之间，底标高在-49.52m～-57.88m。在Y3孔以西各孔中有多量粘土、粉质粘土及份土透镜体。
⑤1粉质粘土
褐黄色，灰黄色，硬塑状，中塑性，局部夹砂斑和粉砂与粉土透镜体，该层层位稳定，在区内广泛分布，顶标高在-49.22m～-57.88m之间。区内Y2、Y5孔未穿透该层。
⑤2粉土
褐色，褐黄色，密实状，夹粘性土薄层，该层层位稳定，分布较为连续。Y2～Y5孔未揭露该层。
2.2.7 地震
根据国家《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）—我国主要城镇抗震设防烈度、设计基本地震加速度和设计地震分组，本工程所处位置其抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.15g。
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第三章 运量与船型
3.1 年运量
拟定年吞吐量为400万吨。
3.2 设计船型
表3-1 设计船型
船型 集装箱船 总长L（m） 217 型宽B（m） 型深（m） 30 18.9 满载吃水(m) 载箱量（TEU） 10.7 1500
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第四章 总平面布置
4.1 总平面布置原则
1. 平面布置应以港口发展规划为基础，合理利用自然条件，远近结合和合理分区，并应留有综合开发的余地。各类码头的布置既应避免相互干扰，应相对集中，以便于综合利用港口设施和集疏运系统。
2. 新建港区的布置应与原有港区相协调，并有利于原有港区的改造。同时应减少建设过程中原有港区生产的干扰。
3. 港口平面布置应力求各组成部分之间的协调配合，有利于安全生产和方便船舶及物流运转。
4. 平面设计应考虑方便施工，并根据建设条件注意施工场地的安排。 5. 港口建设应考虑港口水域交通管理的必要设施，并应留有口岸检查和检验设施布置的适当位置。
4.2 泊位数的确定
依照《海港总平面设计规范》JTJ211-99进行港口主要建设规模的确定。 初步拟定本港口年通过能力为Qh=40 万TEU（400万吨）。 集装箱码头的泊位年通过能力可按照下列公式进行计算
Pt?TyA?Qtf?PtgtdQ （4-1）
P?np1K1K2(1?K3) （4-2）
式中：Pt—集装箱码头泊位年通过能力（TEU） Ty —泊位年营运天数。根据设计资料取345天；
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Aρ—泊位有效利用率，可取0.50—0.70，泊位数少可取低值，泊 位数多的可取高值，本次设计取0.5； P —设计船时效率（TEU/h）；
Q—集装箱单船装卸箱量（TEU），按本港历年统计资料确定，若 无资料时，依照规范采用表5.8.4-1中的数值取1200 TEU；
，取22—24h，本设计取23h； tg—昼夜装卸作业时间（h）
tf—船舶的装卸辅助作业及船舶靠离泊时间之和（h），可取3— 5h，本设计取4h ； td—昼夜小时数；取24h；
，按规范5.8.4-3 p1—岸边集装箱装卸桥台时效率（自然箱/h） 取24 TEU/h;
n—岸边集装箱装卸桥配备台数，按规范可取3台； K1—集装箱标准箱折算系数，取1.2—1.6，本设计按规范表 5.8.4-3取1.6；
K2—岸边集装箱装卸桥同时作业率（%），本设计依照规范表 5.8.4-3取0.85；
K3—装卸船作业倒箱率（%），本设计依照规范表5.8.4-3取
0.05。 由以上数据可得：
P?np1K1K（ 21?K3） =2?24?1.6?0.85?(1?0.05)
=93.024(TEU/h)
Pt?TyA?Q?PtgtdtfQ
万吨?28.356 万TEU ?283.56 第 13 91 页共
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泊位数?码头的年通过能力单个泊位的年通过能力
= 所以本设计泊位数需要2个。
400?1.41
283.564.3 码头水域布置
港内水域是由船舶制动水域、、回旋水域、码头前沿停泊水域、港池、连接水域以及航道、锚地等部分组成。各水域布置应按照具体情况进行布置，在必要的情形下可以单独设置。港口水域的协调布置，即是各水域组成部分的水深、面积充足，位置合理，流态良好，有利于船舶在港内锚泊、调度、靠离码头及进出港口方便。本设计依照《海港总平面设计规范》(JTJ 211-99)进行水域布置：
4.3.1码头前沿设计水深
码头前沿设计水深是指在设计低水位以下的保证设计船型在满载吃水情况下安全停靠的水深。依照规范《海港总平面设计规范》(JTJ 211-99)4.3.5-1进行计算：
D?T?Z1?Z2?Z3?Z4
Z2?KH4%?Z1 （4-3）
(4-4)
式中： D—码头前沿设计水深（m），
T—设计船型满载吃水,本设计船型满载吃水T = 10.7m；
Z1—龙骨下最小富裕深度（m），本设计主要是含淤泥的砂，含粘土的 砂，和松砂土，根据规范表4.3.5Z1取0.3m；
Z2—波浪富裕深度（m）；
K—系数，依据设计资料顺浪取0.3，横浪取0.5；
H4%—码头前允许停泊的波高（m），本设计资料顺浪时H4%=1.5m，
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横浪H4%=1.2m；
Z3—船舶因配载不均匀而增加的船尾吃水值（m），杂货与集装箱船
可忽略；
Z4—备淤富裕深度（m），根据回淤强度、维护挖泥间隔期及挖泥设 备的性能确定，不小于0.40m，本设计依照当地情况Z4取0.4； 依据以上数据可得：
顺浪时：Z2=0.3?1.5-0.3=0.15m； 横浪时：Z2=0.5?1.2-0.3=0.3m； 取大值Z2=0.3m
D= 10.7+0.3+0.3+0+0.4=11.7m
4.3.2 船舶制动水域
本设计是天津港南疆区海域部分，海域比较宽敞，所以本设计制动水域使用直线布置形式，布置在渤海上其长度依据规范《海港总平面设计规范》(JTJ 211-99)为4倍设计船长，即：
217?4=868m
4.3.3 船舶回旋水域
依照当地的实际情况，船舶回旋水域一般设置在进出港口或方便船舶靠离码头的位置。本设计依据天津港南疆港区的风，浪，水流等设计资料，和港作拖船设备，定位标志等因素。船舶回旋水域的布置尺寸依照《海港总平面设计规范》(JTJ 211-99)表4.2.3可得，有掩护的水域，港作拖船条件优越，可以依靠岸标进行定位；
所以回旋圆直径：2.0L=2?217=434m。
4.3.4 码头前沿停泊水域
本设计码头前沿停泊水域依照规范《海港总平面设计规范》(JTJ 211-99)表4.24中的相关规定，取位于码头前水域的2倍设计船宽的水域范围； d=2B=2?30=60m
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4.3.5港池布置
依照《港口规划与布置》（第三版）可知突堤码头的港池长度，取决于码头一侧连续布置的泊位数，本设计码头一侧为1个泊位，港池长度即为泊位长度（见后方泊位长度的计算其长度为265m）；根据当地的设计资料，其宽度为1.5倍船宽1.5?217=325.5m，取330m；
港池的水深与航道设计水深一致为13.0m（见4.3.7计算）；
4.3.6锚地布置
港口锚地根据位置可划分为港外锚地与港内锚地。
港外供船舶候潮、待泊、联检及避风使用，有时进行水上装卸作业。港外锚池宜采取锚泊。
港内锚地供船舶待伯或水上装卸作业使用，宜采用锚泊或设置系船浮筒、系船簇桩等设施。
锚地位置应选在靠近港口，天然水深适应、海底平坦、锚地抓力好、水域开阔，风、浪和水流较小，便于船舶进出航道，并远离礁石、浅滩以及具有良好定位条件的水域。
(1)港外的锚地不应小于2—3倍设计船长；港内锚地采用单锚或单浮筒系泊时，不应小于1倍设计船长，取1倍船长即217m。
（2）港内锚地水深不应小于设计船型满载吃水的1.2倍。港内锚地水深应与码头前沿设计水深相同（即11.7m）。
（3）依据本设计的设计资料，采用单浮筒系泊。 单浮筒系泊水域的系泊半径可按式：
R?L?r?l?e （4-5） 式中：R—单浮筒水域系泊半径；
L—设计船长（m），本设计的设计船长L为217m；
r—由于潮差引起的浮筒水平偏位，每米潮差可按一米计算，本设 计平均潮差为2.4m，取r为2.4；
l—系缆的水平投影长度，DWT?10000t，取20m；
10000t?DWT?30000t，取25m；DWT?30000 t可适当增加，
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本设计l取25m；
e—船尾与水域边界的富裕距离（m），取0.1L=21.7(m)； 依据以上数据可得：
R?217?2.4?25?21.7?266.1m，取R=267m。 4.3.7 航道尺寸与布置 4.3.7.1 航道水深
航道水深分为通航水深与设计水深，依照规范《海港总平面设计规范》(JTJ 211-99)中规定，其可分别按下列公式进行计算：
计算公式： D0?T?Z0?Z2?Z3 （4-6）
D?D0?Z4 （4-7） 式中： D0—航道通航水深 （m）；
； D—航道设计水深（m）
Z0—船舶航行时船体下沉水深（m），集装箱的船舶航行速度较快， 一般在22~25 KN ，本次设计取Z0 = 1.0m； Z1—航行时龙骨下最小富裕水深,由于本次设计船舶为2.5万吨， 土质特性为淤泥的砂、含粘土的砂和松砂，依照规范《海港 总平面设计规范》(JTJ 211-99)表4.8.8-1，故本次设计取 0.4m；
，依据本设计4.3.1，得Z2=0.3m； Z2—波浪富裕深度（m）
Z3—船舶装载纵倾富裕深度（m），件杂货和集装箱可不计，油船、
散货可取0.15m，故本设计取0；
，应根据两次挖泥间隔的淤积量确定，不 Z4—备淤富裕深度（m）
宜小于0.4m，本设计取0.6m；
依据以上数据可得:D0?10.7?1.0?0.4?0.3?12.4m D?12.4?0.6?13.0m
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4.3.7.2 航道有效宽度
依据《海港总平面设计规范》(JTJ 211-99)可知，航道有效宽度由航道迹带宽度、船舶之间富裕宽度和船舶与航道底边之间的富裕宽度组成。航道有效宽度示意图如图4-1；
图4-1 航道有效宽度示意图
依据设计资料，本次设计采用双向航道布置。
计算公式： W?2A?b?2C （4-8） A?n（Lsin??B） （4-9） 式中： W—航道的有效宽度（m）；
； A—航迹带宽度（m）
采用《海港总平面设计规范》(JTJ 211-99) n—船舶漂移倍数，
中表4.8.7.1中数值，取1.81；
，采用《海港总平面设计规范》(JTJ ? —风、流压缩角（°）
211-99）中表4.8.7.1中数值，取3°；
，取设计船宽30m； b—船舶与航道底边间的富裕宽度（m） B—设计船宽。
C—船舶与航道底边间富裕宽度（m），采用《海港总平面设计 规范》(JTJ211-99）表4.8.7.2中，取0.75B=0.75?30=22.5m；
（217sin3??30）?74.4m 依据以上数据可得：A?1.81 W?2?74.4?30?2?22.5?223.8m 取W=224m。
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4.4 码头陆域尺度
4.4.1码头泊位长度
本设计平面布置形式为突堤式，且天津港南疆港区为有掩护的码头，且单个泊位长度可按规范《海港总平面设计规范》(JTJ 211-99)中式4.3.6进行泊位长度计算； 计算公式：
Lb=L+2d （4-10） 式中：Lb—码头泊位长度； L—设计船长；
d—富裕长度，采用规范《海港总平面设计规范》(JTJ 211-99) . 表4.3.6数值取d=24（m）；
表4-1 富裕长度d
L （m） d （m） ＜40 5 41～85 8～10 86～150 12～15 151～200 18～20 201～230 22～25 ＞230 30 由以上数据可得: Lb=217+2?24=265(m)
4.4.2 码头前沿高程 4.4.2.1码头前沿顶高程
根据本设计的设计资料，天津港南疆港区为有掩护水域，参考《海港总平面设计规范》(JTJ 211-99)知码头前沿顶高程依据下列公式进行计算：
（1）基本标准值：设计高水位+超高值（1.0～1.4m） =4.3+1.4=5.7m
复核标准值：校核高水位+超高值（0～0.5m）
=5.88+0.5=6.38m
两者取大值即码头前沿顶高程为6.38m。
4.4.2.2码头前沿底高程
E=设计低水位-码头前沿设计水深 =0.5-11.7=-11.2m。
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4.4.3 码头前沿作业地带
岸边集装箱装卸桥工艺布置，其布置参考《海港工程设计手册（上）》 （1）岸边集装箱装卸桥运行在平行于码头前沿线上，其轨距为16m； （2）岸边集装箱装卸桥海测轨道至码头前沿距离，本设计取3m； （3）岸边集装箱装卸桥舱盖板堆放区，本设计取12m； （4）舱盖板外侧车通行道，本设计取8m；
本设计平面布置形式为突堤式布置形式，突堤两边各布置其一个泊位，其突堤长度为265m，宽度为70m。 4.4.4 库场面积 4.4.4.1集装箱堆场面积
集装箱码头堆场所需的容量及地面箱位数根据《海港总平面设计规范》(JTJ 211-99)可按下式计算：
Ey?QhtdcKBK （4-11） TyKEyN1ASNS? （4-12）
式中： Ey—集装箱堆场容量（TEU）； Qh—集装箱码头年运量（TEU）； tdc—到港集装箱平均堆存天数（天）；
KBK—堆场集装箱不平衡系数，可取1.1—1.3； Tyk—集装箱堆场年工作天数（天），取350—365天； Ns—集装箱码头堆场所需地面箱位数（TEU）； N1—堆场设备堆箱层数； As—堆场容量利用率（%）。 由已知资料及查表可得：
Qh=40万TEU；其中有15万TEU出口，有25万TEU进口，堆场作业设备
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拟定为轨道式集装箱龙门起重机。 ① 出口贸易：
Qh=15万TEU； N1=5层； As=60%；
tdc=5天； KBK=1.3； Tyk=355天。
由上数据可得，
Ey=2747TEU Ns=916TEU
② 进口贸易，
Qh=25万TEU； N1=5层； As=60%；
tdc=7天； KBK=1.3； Tyk=355天。
依据上数据可得，
Ey=6409TEU Ns=2137TEU
综上可得：Ns=3053TEU
一个标准箱（TEU）所需面积为22.7—28.87m2，本设计取一个标准箱的面积为28m2；
所以集装箱堆场面积A=3035?28=85484m2。 4.4.4.2集装箱码头拆装箱库所需容量
集装箱码头拆装箱库所需容量依照《海港总平面设计规范》(JTJ 211-99)5.8.9-6可按下式计算：
Ew?
QhKcqtKBW（4—13） tdc
Tyk式中： Ew—拆装箱库所需容量（t）； Qh—集装箱码头年运量（TEU）；
Kc—拆装箱库货物不平衡系数，按本港统计资料确定，若无资料可取5
—10t/TEU，本设计取10%；
KBW—拆装箱库货物不平衡系数，可取1.1—1.3之间，本设计取1.2；
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tdc—货物在库平均堆存期（d），可取3—5d本设计取5天； Tyk—拆装箱库年工作天数（d），取350—365d本设计取355天。
由设计资料可知：1TEU约等于10吨，10万吨=1万TEU；本设计取每个集装箱拆装箱所需面积为35㎡。 由以上数据可得： Ew=5409（t）
所以Ns=5409/10=540.9个，取Ns=541个；
因此集装箱码头拆装箱库所需面积为541?35=18935㎡。
表4-2 库场布置尺寸 计算面积码头类型 库场 堆场 集装箱码头 拆装箱库 18935 200?50 2 20000 （m） 85484 2布置尺寸（m） 300?52.73 6 2实际面积布置数量 （m） 94914 24.4.5集装箱码头大门所需车道数
集装箱码头大门所需车道数可依据《海港总平面设计规范》(JTJ 211-99)中下式进行计算：
N?
Qh(1?Kb)KBV （4—14）
TykTdPdqc式中： N—集装箱码头大门所需车道数；
Kb—水运、铁路中转及港内拆装箱的集装箱之和占码头年运量的百分
比（％），本设计取40%；
KBv—集装箱车辆到港不平衡系数，可取1.5—3之间取，本设计取3； Tyk—堆场年工作天数，取350—360d，本设计取355天； Td—大门日工作时间(h)，取12—24h，本设计取12h；
Pd—单车道小时通过的车辆数(辆/h)，取20—40辆/h，本设计取25； qc—车辆平均载箱量(TEU/辆)，取1.2—1.6 TEU/辆，本设计取1.3。
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依据以上数据可得：N=5.2 所以本设计取N为6车道。 4.4.6 港区道路布置 4.4.6.1港区道路布置要求
A 应该满足港口运营时的车辆最多时的运输要求；
B 应当联系地形的形式做到平面舒缓、纵坡均衡、横面合适、路面平洁、排水流畅；
C 港区陆域竖向布置应当与道路纵断面相协调，而且应当与港区内的铁路、管道以及其他建筑物布置相结合；
D 港区应当布设两个或两个以上的安全出口，港内的所有路线应该按环形道路布置，尽头式道路能够具备倒车的条件； E 港口的主要路线应当避免与铁路线交结； F 分开布置码头客运站通向码头的客、货流的过道；
G 码头前方作业带和库场道路，不宜设置高出路面的路缘石。
港口道路分为进港道路和港内道路由于进出港口汽车双向货运量小于2.0×106t以下，所以进港道路是第Ⅱ类。 4.4.6.2 港内道路
依据《海港总平面设计规范》(JTJ 211-99)中规定本设计道路宽为： （1）本设计主干道设置宽度为30m； （2）本设计次干道宽度设置为15m。
4.4.7辅助生产和辅助生活建筑物
港区辅助生产建筑物，可以依据港内的需要布置办公室、维修车间、停车场、运动场、娱乐场所、厕所等。其具体尺寸见总平面布置图。
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第五章 装卸工艺布置
港口的装卸工艺是指设计和选择货物在流转中，最合适、最佳的装卸作业和储存的方式。它包含了装卸作业线的装卸作业机械化系统，正确的工艺作业流程，装卸作业系统的工作组织的基本要求（操作人员、库场以及各种附属设施）的设备，以达到高效、优质、安全、经济地完成港口最基本的生产形式。
5.1 装卸工艺的设计原则及一般要求
5.1.1 设计原则
1遵循和贯彻港口发展计划。在港口设计时，依照正确指导思想，遵守长久整体计划，做好工程的近期实施和远近协调；
2贯彻并执行国家职业安全卫生、环保等相关规定。应当保护工作人员的劳动情况、生命安全，尽量避免和减少工程对周边环境的影响；
3装卸工艺流程的设计，应结合整体。综合考虑港口的水、陆路运输，工 艺流程相对简单，作业过程协调，车船运转较快；
4装卸作业系统和机械选型遵守国家相关技术规定，而且要与时俱进，利用先进的科学技术进行发展；
5装卸工艺系统是否经济，应当结合投资的成本与运营成本综合考虑。在选定其经济效益的时侯，应当使自身利益与社会利益相结合考虑；
5.1.2 一般要求
1装卸工艺流程应当平衡发展，并要保证是以船舶的装卸作为主要的任务； 2装卸机械的选型，尽量统一化、简单化以便于装卸的维修；
3装卸机械应该选用常用的型号，或技术相对先进并通过性能与安全评定的新产品；
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4应当优先选用技术成熟的国内机械；
5在工艺流程设计时。应当尽量使其简化，每个流程之间可以相互交换，用以增强工艺流程作业的可靠性；
6车、船直取作业，虽然是国内外流行的装卸模式，应当根据港口的实际情况进行确定，不能盲目的选择。应该具有创新精神；
7在各种条件满足时，应当按照专业化设置码头，用以提高其生产效率 8在设计装卸工艺时，需对装卸的其他设施全面考虑，用以不备之需。
5.2码头的装卸工艺流程设计
本设计为集装箱码头设计，所以集装箱码头工艺的流程是根据港口对集装箱船舶装卸流程来决定的。集装箱船舶的装卸流程可分为“吊上吊下”和“滚上滚下”两种。其中“吊上吊下”一般是指采用岸边集装箱装卸桥或其它类型的起重机械将集装箱吊到到船上或从船上吊卸到码头的一种装卸方式。这是集装箱装卸方式中最主要的。而“滚上滚下”的装卸流程是用皮带机、集装箱牵挂车、叉车直接进行装卸的方式。本设计采用的是“吊上吊下”的装卸方式。其流程如下流程图：
1 集装箱船泊?岸边集装箱装卸桥?集装箱牵挂车?拆装箱库?牵挂车（拆装箱库内作业采用集装箱箱内作业叉车）。
2 集装箱船泊?岸边集装箱装卸桥?集装箱牵挂车?龙门起重机?堆场?龙门起重机?集装箱牵挂车；
3 集装箱船泊?岸边集装箱装卸桥?集装箱牵挂车； 4 集装箱船泊?岸边集装箱装卸桥?驳船；
图5-1 装卸工艺流程图
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5.3 装卸工艺机械方案比选
方案一：轮胎式龙门起重机-----集装箱牵挂车、半挂车
这种方案目前在世界各大码头中是使用最多的一种方案。这种方案装卸船舶的方式是采用岸边集装箱装卸桥进行卸船，通过集装箱牵挂车运输到堆场前，再使用轮胎式龙门起重机进行堆场作业，堆场采用集装箱堆高机进行作业，危险品作业采用集装箱重箱作业，箱内叉车使用在拆装箱库作业中。
方案二：轨道式龙门起重机-----集装箱牵挂车、半挂车
此方案是主要运用在国外大型专业化集装箱港口中。与方案一不同的是此方案堆场是采用轨道式龙门起重机进行堆场作业，其余运转方式与方案一相同。
表5-1 装卸工艺必选
装卸工艺 优点 装卸效率较高、操作简便、机方案一 械的机动性能好、作业面积大、堆场利用率高等优点 装卸效率较高、机构简单、便机动性能相对较差、作业范围方案二 于操作、故障率低、维修方便、受限制 环保性能较好等优点 不易实现自动化控制 缺点 综合上表，并根据本港的实际情况，本设计采用方案二。
5.4主要机械规格
5.4.1岸边集装箱装卸桥
岸边集装箱装卸桥是对集装箱船舶进行装卸的主要机械，而对岸边集装箱装卸桥进行选型主要是依据装卸工艺的要求。从而选定合理的岸边集装箱装卸桥的 主要参数与规格，用以提高集装箱装卸效率，根据以上条件以及《海港工程设计手册（上）》选定岸边集装箱装卸桥的主要规格。如表5-2：
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表5-2 岸边集装箱装卸桥主要参数
起重量（吊机 型 架下） 上海振华30.5 ZPMC 16.0 44.0 12.0 850 24 （m） （m） 长（m） （t） （TEU/h） 轨距前伸臂长后伸臂单机自重装卸效率 5.4.2 轨道式龙门起重机
轨道式龙门起重机是用于堆场作业的主要机械，可以装卸集装箱半挂车以及对火车进行装卸。其特点是装卸效率较高、机构简单、便于操作、故障率低、维修方便、环保性能较好。依据《海港工程设计手册（上）》选定其主要规格参数如表5-3：
表5-3 轨道式龙门起重机主要参数
额定起重机型 量（t） 日本日立40.6 制作所 5 52.73 18.23 17 层 数 （m） （m） 箱列数（m） 堆 码 跨距 起升高度堆放集装
5.4.3 集装箱牵挂车
集装箱牵挂车是用来牵拖集装箱半挂车，其功率高，从而作为机动工具，依据《海港工程设计手册（上）》选定其主要规格参数如表5-4：
表5-4 集装箱牵挂车主要参数
自重机型 （kg） 重（kg） 重（kg） HY461 7240 35000 42240 3500 拖带总车组总轴距（mm） （mm） 5945 （mm） 2500 （mm） 2740 长 宽 高
5.4.4 集装箱半挂车
集装箱半挂车是依靠集装箱牵挂车进行集装箱装卸工艺的水平运输工具，依据《海港工程设计手册（上）》选定其主要规格参数如表5-5：
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表5-5集装箱半挂车主要参数
拖载总重 机型 中广6500 JP40 36200 7850 12210 2440 1550 8 自重（kg） （kg） 轴距（mm） （mm） （mm） （mm） 长 宽 高 轮胎数 5.5 装卸机械数量及司机人数的确定
各种装卸机械数量应根据货种、运量和台时效率分别按下式计算：
N??Qj8760Kjl?pj （5-1）
式中：N—机械数量（台）；
； Qj—分货种的年起运吨（t）
Kjl—机械利用率，本设计取Kjl=0.5（3班）； pj—分货种的机械台时效率。 其中
Pj台时效率根据当地实际情况如表5-6：
表5-6 各种机械台时效率
岸边集装箱轨道式龙门起重机 20 集装箱牵挂车 15 集装箱半挂集装箱叉车 装卸桥 车 16 20 24 机械类型 台式效率 所以计算得表5-7：
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表5-7 机械台数及司机人数
机械类型 岸边集装箱装卸桥 轨道式龙门起重机 集装箱牵挂车 集装箱半挂车 集装箱叉车 3.2 4.6 6.1 9.1 4.6 N实取台数 6 6 8 10 6 司机人数 6×7=42 6×7=42 3.5×8=28 6×3.5=21 本设计采用三班不间断作业，司机人数为42+42+28+21=133人。由于考虑到出勤率司机人数增加8%,故司机总人数为108%×133=144人。
5.6装卸工人数确定
装卸工人数Nz应根据设计的作业线数、班次及每条作业线的配工数，按下式计算：
Nz?nz?nb?nr （5-2）
(1?Kzl)?Kzz式中：nz—作业线数，本设计nz=8（条）；
nb—昼夜作业班次数，本设计nb=3（班）； nr—每条作业线的配工数，nr=6（人）； Kzl—装卸工人轮休率，Kzl=
2； 7Kzz—装卸工人出勤率，一般取90%～95%，本设计取Kzz=95%。
8?3?6?212.1（人） Nz=；
2（1?）?0.957本设计实取取装卸工人数Nz=213（人）；
装卸工人总数包括装卸工人数和辅助工人数。辅助工人数一般装卸工人数的5%～10%计算。本设计取8%，则辅助工人数：213×8%=18人。
所以本设计司机人数与装卸工人数总和为375人。
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第六章 结构方案拟定与比选
6.1 设计原则
港口水工建筑物是港口重要的组成部分与主要工程。港口码头的特征是结构荷载复杂（包括各种自然力、使用荷载、施工荷载等），并且在施工方面条件恶劣、成本高。港口码头结构型式选择是根据港口当地的自然条件与码头建筑物的施工条件与使用要求等原因决定的。 6.1.1 码头结构形式的选择原则 （1）使用要求对码头结构形式的要求
结构形式的决定因素，在使用上对结构的要求主要有以下四个要求： a ：能够满足港口装卸工艺流程的要求（包括码头平面布置的形式、码头顶面的高程以及码头前沿水深、装卸运输机械的布置等）；
b：能够满足船舶安全停泊要求（对无掩护条件的码头应该使用透空或者局部透空的码头结构型式）；
c： 结构耐久经用（在所有可能的荷载的最不利组合作用之下，能够保持强度与整体的稳定性，不可以发生比较大的位移与沉降，从而正常影响使用）；
d：要方便码头其他附属设备的安装。 （2）自然条件与结构形式的关系
自然条件一般对结构形式的选型影响比较大，所以自然条件是影响码头经济成本的主要因素。
a 地质条件：地质条件一般绝对码头的结构形式，对于岩石、砂和较硬的黏土地基，一般多使用重力式的结构形式；而对于中等密实的土壤地基且其下都无较硬的持力层的地基，一般时采用的板桩结构，对于上部地基软软弱（像淤泥质黏土或者淤泥），而在地基的适当深度处有比较坚硬的持力层时，主要使用的是高桩码头。
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b水位变化条件：当潮差变化不大时，在施工水位的影响下，码头上部结构
不可以做得过高；而当水位差较小并且船型较小的时候，基本采用浮码头。 c 波浪条件：对于开敞式码头要尽量减少波浪力对码头的影响
d 水流冲刷条件：在泥沙活动比较强的位置修建突堤式码头时，一般使用透空式的形式。
6.2 结构方案的比选
本设计的工程位于天津港南疆港区26＃泊位处，土层分布按其沉积成因可分为三个大层：
1、海相沉积层：包括①1淤泥、①2淤泥质粘土、①3粘性土混贝壳 2、海陆交互相沉积层：②1粉土
3、陆相、河口三角洲相沉积层：包括1粉质粘土、③2粉土、④粉细砂、⑤1粉质粘土、⑤2粉土
土层分布情况自上而下依次描述如下： ①1淤泥
灰色、褐灰色，流塑状，高塑性，局部夹少量砂斑，偶见贝壳碎屑、含有机质，土质较均匀，该层分布连续，层位稳定，厚度在7.80m～10.0m之间，底标高在-11.74m～-14.10m之间。
①2淤泥质粘土
褐灰色、灰色，软塑状，高塑性，夹少量砂斑，含少量有机质、该层分布连续，厚度0.50m～1.30m之间。Y1及Y10孔缺失。
①3粘性土混贝壳
灰色、灰褐色，为粉质粘土、粉土或淤泥质粘土混夹多量碎贝壳，软塑状，中～中可塑性，厚度在0.70 m～1.80m，底标高在-14.21m～-15.90m之间。
②1粉土
灰色，含云母，中密状，含少量碎贝壳，夹粉质粘土薄层，该层在区内分布不连续，以透镜体形式存在，厚薄不均。
③1粉质粘土
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褐色、褐灰色，可塑状，中塑性，Y6、Y7孔缺失，分布较为连续，底标高在-19.01m～-21.05m之间。在该层和②1粉土层之间不均匀夹有厚薄不等的粘土和粉砂透镜体。
③2粉土
褐灰色、灰色，混砂，夹粘性土薄层，中密状～密实状，该层层位稳定，分布连续，仅Y8孔缺失该层。底标高在-19.71m～-29.14m之间。
④粉细砂
褐灰色、灰色，局部夹少量云母及碎贝壳，夹粉质粘土、粉土薄层，密实状，局部中密状。该层层位稳定，分布连续，Y3孔以西砂层出露顶标高在-21.60m～-21.94m之间，以东出露顶标高在-20.19m～-24.62m之间，底标高在-49.52m～-57.88m。在Y3孔以西各孔中有多量粘土、粉质粘土及份土透镜体。
⑤1粉质粘土
褐黄色，灰黄色，硬塑状，中塑性，局部夹砂斑和粉砂与粉土透镜体，该层层位稳定，在区内广泛分布，顶标高在-49.22m～-57.88m之间。区内Y2、Y5孔未穿透该层。
⑤2粉土
褐色，褐黄色，密实状，夹粘性土薄层，该层层位稳定，分布较为连续。Y2～Y5孔未揭露该层。
根据以上土质条件，拟定： 方案一：重力式沉箱结构 方案二：高桩板梁式结构 对方案一、二进行比选：
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表6-1 方案一、二优缺点汇总
结构形式 优点 1.整体性比较好，结构稳定，抗震能力强； 2.施工速度较快； 3.方便对码头进行分重力式沉箱 期建设，对荷载的适用性较强； 4.与后方的陆域衔接性好； 5.不需要对其进行专门的防腐措施 1.钢材的使用量比较1.结构比较简单、便于安装； 高桩板梁式 2.节约建筑材料 3.挖泥与抛石棱体的作业量较小 大； 2.码头顶面高程较高；难以兼顾各种船型； 3.需进行大量的防腐处理 适用与各种地基 1.32 1.基槽的挖泥与抛石棱体作业量较大； 2.安装运输难度较大 当地有沉箱预制场，或者工程量大工期较短的大型码头 1 缺点 使用条件 投资比 根据以上条件的必选，本设计采用方案一（重力式沉箱结构），因为当地有大型沉箱预制场，沉箱施工较短，并且地基基本吻合沉箱结构的适用性。码头基础开挖基槽后，换填10到100kg抛石基床。抛石基床上部安放在沉箱预制场的钢筋混凝土的矩形沉箱。沉箱内回填粗砂，码头上部结构采用现浇钢筋混凝土胸墙，胸墙上布置登船梯、系船柱、橡胶护舷等附属设备。
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第七章 码头结构计算
7.1 码头结构设计的一般规定
①．钢筋混凝土沉箱的平面形状对岸壁式宜采用矩形；对于墩式码头宜采用圆形。当有特殊要求时，可采用其它形式。
②．沉箱的底宽应由建筑物的稳定性和地基承载力确定，沉箱的长度或直径应由施工设备能力、施工要求的最小尺寸及码头变形缝间距确定
③．沉箱内的纵横隔墙，宜采用对称布置，间距可采用3m至5m。内隔墙上部挖洞时，孔洞下边缘至箱底的距离不宜小于隔墙间距的1.5倍；
④沉箱外壁和地板厚度应由计算确定，但壁厚不宜小于250mm，对有抗冻要求的大中型码头，沉箱潮差段的临水面，其厚度不宜小于300mm，底板厚度不宜小于壁厚，底板的悬臂长度不宜过大。隔壁的厚度可采用隔墙间距的1/25至1/20，但不宜小于200mm。
⑤．沉箱间的垂直缝的宽度宜采用沉箱高度的4‰，但不小于50mm。墙后有抛石棱体时，可采用平接形式；墙后无抛石棱体时，可采用对头接形，空腔的宽度可采用300mm至500mm，腔内设置倒滤层；
⑥．沉箱内的填料宜采用砂或块石。当胸墙直接坐落在箱顶部时，箱顶部宜嵌入胸墙内300至500mm。
7.2 设计条件
7.2.1 结构安全等级
港口工程结构的安全等级分为三级，本码头采用二级标准。
7.2.2 设计水位
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表7-1 设计水位
水位 设计高水位 设计低水位 极端高水位 极端低水位 7.2.3设计船型
表7-2 设计船型
船长（m） 217 7.2.4 波浪要素
表7-3 50年一遇波浪要素
高程 4.30m 0.50m 5.88m -1.29 船宽（m） 30 型深（m） 18.9 满载吃水（m） 10.7 水位 波要素 极端高水位 设计高水位 2.4 2.0 1.6 1.4 7.6 7.6 H4% H3% T(S) 7.3 结构尺寸的确定
7.3.1 施工水位的确定
沉箱码头的沉箱结构采用预制，上部结构胸墙为现浇钢筋混凝土，为了保证胸墙结构能够达到设计强度要求，胸墙底面高程至少要高于施工水位0.3m，所以施工水位是码头结构尺寸设计中的重要因素，施工水位的确定一般是根据当地的设计水位和潮波情况而确定，根据港口工程施工多年经验，施工水位取本地区的历年平均潮位。由本设计资料知，本设计施工水位取2.6m，胸墙底高程高于施工水位0.3m，所以本设计胸墙底高程为2.9m。（本设计为平面布置形式为突堤式，考虑到结构的衔接，故沉箱纵横交接处无后趾） 7.3.2 基础设计
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由设计资料可知，本设计需要进行地基处理，设计抛石基床，根据码头前沿底高程及本港区底部的原始高程，本码头设计的基础采用暗基床形式，基础厚度取2.0m，前肩宽3m，后肩宽1m。 7.3.3 沉箱尺寸
依据《港口水工建筑物》第三版，本设计沉箱的长度与宽度由突堤的长度和施工能力的决定，所以本设计拟定沉箱长为22.50m，沉箱宽度为14.50m；沉箱的高度由码头底高程与胸墙底高程决定，所以本设计的沉箱高度为14.10m；
沉箱长×宽×高=2250×1450×1410（cm），共设计十个仓格，每个仓格的长×宽=412×585（cm），竖抹角与底抹角均为20cm，前后趾长度为100cm，前后面板及侧壁厚30cm，纵横隔板厚均为20cm。
图7.1 沉箱断面图
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图7-2 沉箱结构仓格图
7.3.4 胸墙尺寸
本设计胸墙采用现浇，形式为阶梯型。其高程取决于码头顶高度与沉箱顶高程，高度为3.48m，其与具体尺寸见码头横断面图。 7.3.5 墙后回填
根据当地现有资源，本设计墙后回填粗砂。沉箱各仓格内全部填满粗砂，并进行密实。
7.4材料重度
依照《重力式码头设计与施工规范》JTS167-2-2009中表2.1.5-1数值：
表7-4 材料重度
3重度（KN/m） 材料重度 内摩擦角Φ 水上 混凝土 钢筋混凝土 粗砂 24 25 18 水下 14 15 9.5 / / 35° 第 37 91 页共
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7.5 其他附属设施设计
护轮槛设计
为了防止在码头上行驶的车辆不慎掉入水中，同时为了给站在码头前沿的人以安全感，常在码头前沿设置护轮槛。护轮槛的高度一般为15cm~25cm，常用黄色及黑色油漆相间画出明显条纹，并在变形缝处断开。本码头护轮槛设计成梯形，高为25cm，上宽为20cm，上宽为25cm。
系船柱设计：
依据规范知本设计系船柱间距设为30m，且一个泊位布置8个系船柱。
7.6 码头结构计算
在本部分，首先基于前述计算分析计算出码头整体受到各种外力，如贮仓压力、自重力、波浪力、土压力、剩余水压力等，算出各种力的水平分量和竖直分量及每个分量引起的力矩并绘制受力图。再考虑不同水位的几种工况组合下，对码头沿基床面的抗倾、抗滑、基床、浮游稳定性进行了验算。 7.6.1 设计状况
重力式码头设计应考虑一下三种设计状况：
①.持久状况：在结构使用期应按承载能力极限状态和正常使用极限状态设计；
②.短暂状况：施工期或使用期可能临时承受某种特殊荷载时，可按承载能力极限状态设计，必要时也需按正常使用极限状态设计；
③.偶然状况：在使用期，当受到地震作用时仅按承载能力极限状态设计。 7.6.2 作用分类
施加在重力式码头结构上的作用可分为以下三类：
①.永久作用：如建筑物自重力、固定机械设备自重力、墙后回填料产生的土压力和剩余土压力等；
②.可变作用：如堆货荷载、流动机械荷载、码头面可变作用所产生的土压力、船舶荷载、施工荷载、冰荷载和波浪力等； ③.偶然作用：如地震作用等。 7.6.3 作用效应组合
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重力式码头承载能力极限状态设计应考虑以下三种作用效应组合： ①.持久组合：对应于持久状况下的永久作用、主导可变作用和非主导可变作用的效应组合；持久组合采用设计高水位、设计低水位、极端高水位和极端低水位；
②.短暂组合：对应于短暂状况下的永久作用与可变作用的效应组合。短暂组合采用设计高水位、设计低水位或短暂状况下（如施工期）某一不利水位；
③.偶然组合：组合中包括地震作用效应，应按现行行业标准《水运工程抗震设计规范》中的规定进行。
7.7 作用计算
7.7.1 永久作用
7.7.1.1结构自重力
因为在不同的水位情况下，结构材料的自重力会随着水位而变化。所以结构自重力要分几种不同水位进行计算。
（1）极端高水位（5.88m）
其结构自重力计算见表7-5，计算图示如图7-3所示：
图7-3 极端高水位作用分布图（标高单位为m）
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表7-5 极端高水位自重计算
计算结果项目 沉箱前后面0.8×22.5×13.6×15 板，纵隔墙 沉箱侧板横（0.3×2+0.2×4）×11.7×13.6×15 隔墙 沉箱底板 沉箱前后趾 沉箱竖抹角 沉箱底抹角 沉箱内填石 12.5×0.5×22.5×15 0.5×（0.5+0.8）×1×2×15×22.5 0.5×0.2×13.6×40×15 0.5×0.2×（5.45×3.72）×2×10×15 〔5.85×4.12×13.6-0.5×0.2×13.4×4-0.5×0.2×（5.45+3.82）×2〕×5×9.5 22.5×3×（5.88-2.9）×14+22.5×3×胸墙1 （6.38-5.88）×24 胸墙2 胸墙3 沉箱上填砂22.5×0.88×9.5×9.5+22.5×0.5×9.5×18 1 沉箱上填砂6×22.5×1.6×9.5 2 沉箱后趾上0.5×（13.6+13.3）×22.5×9.5 填砂 2874.94 13.65 39242.93 2052 10.5 21546 1786.95 8.75 15635.8 22.5×3.5×（5-2.9）×14 22.5×6×0.5×14 2315.25 945 5.75 10.5 13312.69 9922.5 3626.1 2.5 9065.25 2222力臂 稳定力矩计算式 （KN） （m） 3672 7.25 KN?m 26622.00 3341.52 2109.38 438.75 162.00 55.62 31758.8 7.25 7.25 7.25 7.25 7.25 7.25 24226.00 15292.97 3180.94 1174.5 403.23 230246.95 ? 55137.71/22.5 55137.71 2450.56 409871.51 18216.51 每延米自重 （2）设计高水位（4.30m）
其结构自重力计算见表7-6，计算图示如图7-4所示：
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图7-4 设计高水位作用分布图（标高单位为m）
表7-6 设计高水位自重计算
计算结果项目 沉箱前后面0.8×22.5×13.6×15 板，纵隔墙 沉箱侧板横（0.3×2+0.2×4）×11.7×13.6×15 隔墙 沉箱底板 沉箱前后趾 沉箱竖抹角 沉箱底抹角 沉箱内填石 12.5×0.5×22.5×15 0.5×（0.5+0.8）×1×2×15×22.5 0.5×0.2×13.6×40×15 0.5×0.2×（5.45×3.72）×2×10×15 〔5.85×4.12×13.6-0.5×0.2×13.4×4-0.5×0.2×（5.45+3.72）×2〕×5×9.5 （4.3-2.9）×3×22.5×14×+（6.38-4.3）胸墙1 ×22.5×24 胸墙2 （4.3-2.9）×3.5×22.5×14+（5-4.3）1921.5 5.75 11048.63 1701 2.5 4252.5 2222力臂 稳定力矩计算式 （KN） （m） 3672 7.25 KN?m 26622.00 3341.52 2109.38 438.75 162.00 55.62 31758.8 7.25 7.25 7.25 7.25 7.25 7.25 24226.00 15292.97 3180.94 1174.5 403.23 230246.95 第 41 91 页共
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×22.5×24 胸墙3 沉箱上填砂9.5×22.5×1.38×18 1 沉箱上填砂（22.5×0.9×6）×9.5+（22.5×0.7×6）×18 2855.25 2 沉箱后趾上0.5×（13.6+13.3）×22.5×9.5 填砂 2874.94 13.65 39242.93 10.5 29980.13 5309.55 8.75 46458.56 22.5×6×0.5×14 945 10.5 9922.5 ? 57144.71/22.5 57144.71 2539.76 442051.84 19646.75 每延米自重 （3）设计低水位（0.5m）
其结构自重力计算见表7-7，计算图示如图7-5所示
图7-5 设计低水位作用分布图
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表7-7 设计低水位自重计算
计算结果项目 沉箱前后面板，纵隔墙 沉箱侧板（2.4×25+11.2×15）×1.4×11.7 横隔墙 沉箱底板 沉箱前后0.5×（0.5+0.8）×1×2×15×22.5 趾 沉箱竖抹角 沉箱底抹0.5×0.2×（5.45×3.72）×2×10×15 角 沉箱内填石 胸墙1 胸墙2 胸墙3 沉箱上填9.5×22.5×1.38×18 砂1 沉箱上填6×22.5×1.6×18 砂2 沉箱后趾上填砂 2874.94-（2.4×22.5×1×9.5）+3333.94 （2.4×22.5×1×18） 71781.94 494016.3 13.65 45508.28 3888 10.5 40824 5309.55 8.75 46458.56 〔15879.1-（0.2×0.2×0.5×2.4×4×9.5）+31761.46 （0.2×0.2×0.5×2.4×4×18）〕×2 3×22.5×3.48×24 3.5×2.1×22.5×24 22.5×6×0.5×24 5637.6 3969 1620 2.5 5.75 10.5 14094 22821.75 17010 7.25 230270.59 2力臂 稳定力矩计算式 （KN） （m） KN?m （2.4×25+11.2×15）×0.8×22.5 4104 7.25 29754 3734.64 2109.38 438.75 7.25 7.25 7.25 27076.14 15292.97 3180.94 12.5×0.5×22.5×15 0.5×0.2×（2.4×25+11.2×15）×40 2182.4 7.25 1322.4 55.62 7.25 403.23 ?重 每延米自71781.94/22.5 3190.31 21956.28 第 43 91 页共
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（4）施工期计算
在施工期自重力是由沉箱和沉箱内填石自重之和组成，本设计考虑在施工期考虑设计高水位情况,由表7-6可知：
? ?
Gi?42391.99KN
Mi?298146.59KN?mG?42391.99/22.5?1884.09（KN/m）
M?298146.59/22.5?13250.96（KN?m/m） 7.7.1.2 填料土压力
本设计墙后填料为粗砂，其内摩擦角为35°，根据《重力式码头设计与施
工规范》JTS167-2-2009中2.4.1.2可知：
Kan?tg2(450?)2 （7-1）
?cos? Kax?Kan（7-2）
??sin? Kay?Kan（7-3）
en?(??ihi)Kancos? （7-4）
i?0 式中：Kan—第n 层填料的主动土压力系数； ? —填料内摩擦角的标准值；
δ —墙背外摩擦角标准值（?/3），由《重力式码头设计与施工 规范》（JTS167-2-2009）取δ =?/3= 11.67°；
? Kan—沉箱顶面以下第n层填料的主动土压力系数，查《重力 ? 式码头设计与施工规范》（JTS167-2-2009）表1-13-3知Kan
n?1 取0.260
Kax—沉箱顶面以下填料水平土压力水平系数；
Kay—沉箱顶面以下填料竖向土压力竖向系数；
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en—第n 层填料的主动土压力强度( KPa )； ri—第i层填料的重度标准值(KN/m3) , r0?0; hi—第i层填料的厚度标准值（m），hi?0； α—墙背与铅垂线的夹角（°），本设计α=0° 由以上数据可得表如下：
表7-8 填土压力相关系数
? 35° α 0° Kan 0.271 ?Kan 0.260 ? Kax 0.255 Kay 11.67° 0.052
（1）极端高水位（5.88m） e6.38?（ 0Kpa）（Kpa） e5.88?18?0.5?0.271?2.439
（18?0.5?9.5?2.98）?0.271?10.11（Kpa） e2.9? ?（18?0.5?9.5?2.98）?0.255?9.51（Kp）a e2.9? e?11.2?(18?0.5?9.5?2.98?14.1?9.5)?0.255?43.67(Kpa) 土压力强度分布图见7-5。
土压力引起的水平作用：
EH?0.5?2.439?0.5?0.5?(2.439?10.11)?2.98?0.5?(9.51?43.67)?14.1 =0.61+18.7+374.92 =394.23(KN/m)； 土压力引起的竖向作用：
； Ev?374.92?tan11.67??77.43（KN/m）土压力引起的倾覆力矩：
1(2?2.439?10.11)?2.98MEH?0.61?(?0.5?17.02)?18.70?[?17.58]
33?(2.439?10.11) 第 45 91 页共