高桩码头专业课程设计计算报告书.doc

目 录

第一章 设计资料 1
1.1 码头用途 1
1.2 工艺规定 1
1.3自然条件 1
1.3.1地形 1
1.3.2 原有护岸状况 1
1.3.3地基土壤物理力学性质指标 2
1.3.4 水位 3
1.4 建材供应 3
1.5 施工条件 3
1.6 码头规划尺度 3
第二章 码头构造选型 4
第三章 码头构造布置及构造 5
3.1 码头构造总尺度拟定 5
3.1.1码头构造宽度 5
3.1.2 码头构造沿码头长度方向分段 5
3.1.3 桩顶高程 5
3.2 码头上工艺设备型式及布置 5
3.2.1 门机轨道布置 5
3.2.2 工艺管沟位置和尺寸 5
3.2.3 系船柱型式和布置 6
3.2.4 橡胶防冲设备型式和布置 6
3.2.5 护轮槛 7
3.3码头上部构造系统布置和型式 8
3.3.1 横向排架 8
3.3.2 纵梁 9
3.3.3 面板和面层 9
3.3.4 靠船构件 10
3.4 基桩布置及构造 11
3.4.1 横向排架中桩布置 11
3.4.2桩纵向布置 11
3.4.3 桩构造 11
3.4.4 桩帽构造 11
第四章 码头荷载 13
4.1 永久荷载 13
4.1.1 永久荷载计算图示 13
4.1.2 永久荷载计算 13
4.2 可变荷载 14
4.2.1 船舶荷载 14
4.2.2 堆货荷载 16
4.2.3 门机荷载 17
4.3 作用效应组合设计值拟定 18
第五章 横向排架计算 20
5.1 计算基本假定 20
5.2 桩刚性系数 20
5.3 桩上荷载及符号定义 22
5.4 桩顶变位 22
5.5 桩顶断面内力 23
5.6 静力平衡方程 23
5.7 基桩承载力验算 24
第六章 附件………………………………………………………………………………………26
(1) 高桩码头平面图与立面图……………………………………………………………..26
（2）高桩码头断面图………………………………………………………………………..26

第一章 设计资料
1.1 码头用途
拟设计码头系天津港所属船舶修理厂配套工程之一，供待修船舶系靠、检修、修理和新建船舶舾装之用。
1.2 工艺规定
满足主机马力为1900HP，长45.79米宽9.8米型深5.0米，最大吃水4.5米港作拖轮停靠和修理规定，满足长度为67.52米载重量1000吨，满载排水量为1830吨供游轮停靠规定。
满足轨距为10.5米，起重量为10吨，荷载代号为Mh-4-25门座起重机（1台）在码头上作业规定。
满足自重为23.8吨，最大其中量为16.8吨，使用吊重为9吨（打支腿工作）Q161型轮胎吊在码头上作业规定。
满足码头上堆置15kN/m2负荷规定。
码头前沿设两条工艺管沟，一条供敷设水、乙炔、压缩空气之用，一条供敷设电缆用。
码头前沿设立供船舶和电焊机使用供电箱4个和供门机使用供电箱1个。
码头前沿设立船桩和防冲设备以供船舶安全以便系靠。
1.3自然条件
1.3.1地形
修船码头位于海河下游左侧凹岸内，既有岸坡稳定，水深无明显变化。
1.3.2 原有护岸状况
既有护岸为木桩基L型钢筋混凝土构造，横断面如图1-1所示，经唐山大地震考验，安全可靠可继续使用，护岸前岸坡平均坡度为1：5。

图1-1 原有护岸横断面图
1.3.3地基土壤物理力学性质指标
地基土壤物理力学性质指标见表1-1：
土层标高（）
土名称
天然含水量
湿重度
孔隙比

固结快剪
桩侧极限摩阻力

以上
泥质亚粘土

深灰色粘土

深灰色亚粘土

黄褐色粘土

表1-1 地基土壤物理力学性质指标
当桩尖打至如下时，桩端极限阻力。
1.3.4 水位
设计高水位：+3.50米；
设计低水位：+1.00米；
平均水位：+2.20米。
1.4 建材供应
钢筋、水泥、木材按筹划满足供应，钢筋品种、规格按实际构造需要选用，橡胶防冲设备可采用天津市工厂生产产品，砂石料由外地供应宜节约使用。
1.5 施工条件
码头施工可委托一航局一公司承担，该公司技术力量雄厚，施工经验丰富，有规模大、机械化限度高构件预制厂，能制作各种规格钢筋混凝土和预应力混凝土构件(桩、梁、板、靠船物件等)有大型和小型起重运送机械和各种工程船舶(打桩船、起重船、拖轮、驳船等)可满足施工需要。
1.6 码头规划尺度
码头平行于护岸布置，码头前沿线距钢筋混凝土L型挡土墙32.5m。
码头长90m，码头宽度可依照使用规定和选用构造形式拟定。
码头前沿标高+4.5M
码头前水深-4.0M。

第二章 码头构造选型
天津港海岸地貌为淤泥质海岸类型，土质较软，多为粘性土壤，承载能力差，适合打桩，故选用高桩码头。
由此码头用途和工艺规定可知，码头上部构造中除了面板、靠船构件等重要构成外，还应布置工艺管沟和门机轨道梁等。因此对于其上部构造，承台式合用于水位变化较大，且岸坡土质较好状况；无梁板式只能采用非预应力面板，且跨度不适当太大，桩承载力不能充分发挥，码头面不能承受集中荷载；桁架式构造复杂，易损坏，难维修，造价往往就高。
梁板式高桩码头将码头面上堆货荷载和流动机械荷载通过面板传给纵梁和横梁；门机荷载直接由门机轨道梁承受；作用在靠船构件和系船柱块体上船舶荷载通过横梁传给桩基，故梁板式码头各构件受力合理明确；由于采用预应力钢筋混凝土构造，提高了构件抗裂性能，减少了钢筋用量；横向排架跨度大，桩承载力能充分发挥，装配限度高，施工速度较承台式和桁架式快；因横梁位置较低，靠船构件悬臂长度较无梁板式短；合用于荷载较大且复杂大型海港码头。故此码头上部构造采用梁板式。
由于此地区地基中软土层较厚、土质差，且土坡已经较为稳定，因此可以建造宽桩台式高桩码头，这样既可以保证码头建筑物整体稳定性，还可以减少填方。由于码头宽度较大，普通将整个码头构造用纵向变形缝提成先后桩台。

第三章 码头构造布置及构造
3.1 码头构造总尺度拟定
3.1.1码头构造宽度
由于本码头采用宽桩台式高桩码头，码头构造宽度较大，而在此宽度内先后区域所受荷载差别较大，故把码头用纵向变形缝分为前方桩台和后方桩台。前方桩台宽度普通采用码头前沿地带宽度，此码头码头前沿地带设有宽度为门机，且从码头前沿线到门机后轨外处范畴内。故码头前沿地带宽度为，且门机轨道下分别设有纵梁。后方桩台宽度取为。
3.1.2 码头构造沿码头长度方向分段
为避免在构造中产生过大温度应力和沉降应力，沿码头长度方向设立变形缝。变形缝宽度取为，变形缝内用泡沫塑料功能柔性材料填充，以保证构造自由伸缩。本码头长度为，采用梁板式高桩码头，故变形缝间距取为。变形缝形式取为悬臂梁式，悬臂长度取为1.5m。为防止相邻两分段水平位移不一致，导致轨道错牙，变形缝在平面上应作成凹凸形，凹凸缝齿高为。
3.1.3 桩顶高程
桩顶高程为+2.67。

3.2 码头上工艺设备型式及布置
3.2.1 门机轨道布置
门机轨道布置在码头前方桩台纵梁上，从码头前沿线到门机后轨外距离为。
3.2.2 工艺管沟位置和尺寸
此码头为舾装码头，在码头前沿应设立两条管沟，一条供铺设电缆和提供压缩乙炔用，另一条供为船舶供水和提供压缩空气和氧气管线。
对于高桩码头，管沟位置普通设立在码头前沿靠船构件和前纵梁之间，在系船柱下方，两条管沟之间用墙开。采用小尺寸管沟，管沟宽度为，深度为。上面盖设厚度为，宽度为盖板，下部铺设底板。
管沟底板接于靠船构件上，厚度为。为排除管沟内积水，在管沟底部设立排水孔。管沟尺寸如图3-1：

图3-1 工艺管沟构造图
3.2.3 系船柱型式和布置
本码头应满足载重量为船舶，故船舶系缆力下限值为，选取级，在距码头前沿处设立，系船柱之间间距取为，沿码头长度方向布置个。选用单挡檐型，底盘形状选为方形，柱壳材料选为铸铁。系船柱形式如图3-2：

图3-2 系船柱型式及尺寸
3.2.4 橡胶防冲设备型式和布置
由于海水腐蚀性强，同步船舶尺度较大，故采用橡胶护舷。由于D形橡胶护舷具备吸取能量大，反力适中，安装与维修以便，护舷底宽较小等长处，故在本码头中选用D形橡胶护舷。
船舶靠岸时有效撞击能量：

式中：——有效动能系数，取为。
——船舶质量，
——船舶靠岸时法向速度，
求得：,船舶普通是斜靠码头，因而船舶撞击能量普通是考虑由一种护舷吸取，故选用D形橡胶护舷。护舷尺寸如图3-3：

图3-3 D形橡胶护舷
橡胶护舷布置应满足船舶在各种水位和不同吃水条件下安全靠泊，沿码头前沿立面竖向间端布置，船舶满载吃水时干舷高度为，而设计高水位与设计低水位之差为，故在靠船构件上设立3排橡胶护舷，高程分别为：、、。
3.2.5 护轮槛
护轮槛断面尺寸为。

3.3码头上部构造系统布置和型式
3.3.1 横向排架
3.3.1.1 前方桩台
前方桩台横向排架间距取为，两侧悬臂长度为，每分段设立组横向排架。
3.3.1.2 后方桩台
后方桩台横向排架间距取为，两侧悬臂长度为，每分段设立组横向排架。
3.3.1.3 横梁构造
前方桩台横梁横断面形式采用到T形，下部预制预应力构造，上部采用现浇形式，构成现场叠合式构造。为使桩帽伸出钢筋穿入预制下横梁，在横梁端部预留椭圆形安装孔，其长轴(沿梁长方向)和短轴长度分别为和。横梁宽度取为。断面构造尺寸见图3-4：

图3-4 横梁构造尺寸图
后方桩台为了减小梁宽度又满足板搁置长度，采用倒梯形断面。横梁宽度取为。
横梁高度取为。
3.3.2 纵梁
3.3.2.1 纵梁布置
本码头为只设门机不设铁路梁板式码头，因此在前方桩台门机轨道下设立两个纵梁。后方桩台不设纵梁。
3.3.2.2 纵梁构造
纵梁横断面采用空心矩形断面，选用下部预应力构造预制，上部构造现浇叠合梁型式。纵梁高度取为，宽度取为。纵梁构件如图3-5：

图3-5 纵梁构造图
3.3.3 面板和面层
面板采用叠合式实心板，下某些为预应力预制构造，上半某些现浇。在预制某些表面做成齿坎型。板厚度为，其中预制某些厚度为，现浇某些厚度为。前方桩台板长取为，板宽为。后方桩台板长为，板宽为。为防止面板钢筋锈蚀和下面保护层脱落，在面板内设立排气孔，直径为，间距为。面板断面如图3-6：

图3-6 实心板断面形式
本码头采用叠合板，故面层与面板一起浇筑，面层厚度为。为防止面层混凝土在气温变化时引起膨胀或收缩而产生裂缝，故在面层上设立竖向不贯通伸缩缝。缝宽，缝深，用聚乙烯填充。缝间距取为。面层做排水坡，坡度为。
3.3.4 靠船构件
本码头为舾装码头，为使沿码头长度方向有全面防护，小船不致误入码头下面，防护桩免受冰凌或其她漂浮物撞击，码头靠船构件采用悬臂板式。
悬臂板式靠船构件由悬臂版、胸墙板和水平纵梁构成，每两个横向排架之间设立一块靠船构件。悬臂板在预制场整体预制，运到现场安装，并与横梁整体连接。两个靠船构件在施工水位上连接在现场浇筑，使其在码头方向连成整体。
靠船构件断面图如图3-7：

图3-7 靠船构件断面图
3.4 基桩布置及构造
3.4.1 横向排架中桩布置
前方桩台本码头上具有门座起重机，在靠海一侧门机轨道梁下直接布置双直桩，在后门机梁下布置一组叉桩，叉桩坡度取用为。在先后轨道梁中间布置一根直桩，桩距为。
后方桩台在横向排架下设立五组直桩，直桩间距为4m，后方桩台不设叉桩。
3.4.2桩纵向布置
在码头中间构造分段，一侧在有约束设立一根直桩，在无约束一侧设立一组纵向半叉桩。在试车系船柱下面设立纵向叉桩。
3.4.3 桩构造
本设计中采用预应力钢筋混凝土空心方桩，方桩断面尺寸取为，空心直径为200mm，混凝土标号采用C40。
桩尖段长度为，取为，桩尖宽度为，取为；桩头段长度为。
桩长：打桩深度为
对于直桩：桩长
对于叉桩：桩长=

图3-8 桩构造图
3.4.4 桩帽构造
桩帽采用现浇混凝土，在本设计中采用方形桩帽，桩帽高度为。
对于尺寸为单桩，桩帽底面尺寸为，桩帽顶面尺寸为。桩帽形式及断面尺寸如图3-9：

图3-9 单桩桩帽形式与尺寸
对于双直桩和叉桩上桩帽，桩帽底面尺寸为，桩帽顶面尺寸为。桩帽形式及断面尺寸如图3-10：

图3-10 双桩桩帽形式和尺寸

第四章 码头荷载
4.1 永久荷载
4.1.1 永久荷载计算图示
永久荷载涉及面层、面板、横纵梁等构件自重。考虑到面板和面层重力均由横梁承担。

图4-1 永久荷载计算图示
4.1.2 永久荷载计算
1、面层自重

2、面板自重

3、横梁自重

4、纵梁自重

5、管沟盖板自重

6、靠船构件自重
7、管沟隔板自重

8、管沟底板

9、管沟下梁

系船柱跟橡胶护舷自重不计。
作用在横向排架上永久荷载集中力为：

横向排架上永久荷载集中力矩为：

4.2 可变荷载
4.2.1 船舶荷载
4.2.1.1 作用在船舶上风荷载
作用在船舶上风压力横向分力和纵向分力可按下式计算：
风压力横向分力（垂直于码头前沿线）：

风压力纵向分力（平行于码头前沿线）：

其中：——作用在船舶上计算风压力横向分力
——作用在船舶上计算风压力纵向分力
——风压不均匀折减系数，设计船长为，故取。
——风压高度变化修正系数，由《港口工程荷载规范》查得：。
、——船体水面以上横向受风面积和纵向受风面积
对于油轮受风面积采用如下公式计算：

其中为船舶载重量，为，代入上式解得：
，
、——计算风速横向分量和纵向分量
基本风压公式：
由《港口工程荷载规范》，，计算得：。
考虑最不利状况，假设其完全为横风时：，
计算得：

4.2.1.2 船舶系缆力
船舶系缆力采用如下公式计算：

式中：——也许浮现风和水流对船舶作用产生横向分力总和。
——也许浮现风和水流对船舶作用产生纵向分力总和。
——系船柱受力分布不均匀系数，其中系船柱数目，故。
——计算船舶同步受力系船柱数目，船舶总长为，故，系船柱间距为。
——系船缆水平投影与码头前沿线夹角，在本码头计算中，采用。
——系船缆与水平面夹角，本码头计算中，采用。
计算得：

横梁中性轴为
作用点距横梁中性轴为：
故：
4.2.1.3 船舶撞击力
船舶靠岸时，船舶撞击动能用下式计算：

式中： ——法向速度，依照规范查得其值约在之间，取为。
——船舶质量，。
——有效动能系数，约在之间，取为。
则：
依照规范，查表得：，船舶撞击力作用点距中和轴为：，故：作用在横梁弯矩为：
4.2.2 堆货荷载
设计码头堆货荷载，传递给横梁分布荷载为：

4.2.3 门机荷载
门机荷载为主导可变荷载，堆货荷载和船舶撞击力为非主导可变荷载。
取门机起重臂与码头前沿线平行时计算，由构造力学求解器求得

结点,1,0,0
结点,2,7,0
结点,3,14,0
结点,4,21,0
结点,5,28,0
结点,6,35,0
单元,1,2,1,1,1,1,1,1
单元,2,3,1,1,1,1,1,1
单元,3,4,1,1,1,1,1,1
单元,4,5,1,1,1,1,1,1
单元,5,6,1,1,1,1,1,1
结点支承,1,3,0,0,0
结点支承,2,1,0,0
结点支承,3,1,0,0
结点支承,4,1,0,0
结点支承,4,1,0,0
结点支承,5,1,0,0
结点支承,6,1,0,0
单元材料性质,1,5,10000,100,0,0,-1
影响线参数,-2,2,1,3

4.3 作用效应组合设计值拟定
永久荷载涉及面层、面板、横纵梁那个构件自重，门机荷载为主导可变荷载，堆货荷载和船舶荷载为非主导荷载。
作用效应组合设计值按下式拟定：

式中：——构造重要性系数，设码头安级别为二级，故取为1.0；
——永久作用分项系数，其值为1.2；
——可变作用组合系数，其值为0.7；
——主导可变作用分项系数，取门机荷载作为主导可变作用，系数取为1.5；
——可变作用分项系数，船舶撞击力取为1.5。
由作用与作用效应得线性关系，对荷载进行组合简化得：

第五章 横向排架计算
5.1 计算基本假定
1. 构造分段长度与宽度之比为，纵向平面刚度相对较小，各横向排架基本上是独立工作；
2. 分段内各横向排架间距和构造相似；
3. 各横向排架承荷条件和能力相似。
4. 桩台为刚性桩台，假设桩与桩台为铰接，桩台刚度很大，横向排架受力后，桩台只发生变位，没有变形。
5.2 桩刚性系数
本码头采用摩擦桩，桩顶轴向位移由桩自由长度段材料弹性变形和桩入土变形两某些构成，其中入土段变形涉及入土段桩材料变形和桩尖下沉。
桩等效刚性系数为：

其她刚性系数：

其中：

式中：——桩自由长度，各桩不同
——桩材料弹性模量，为
——桩截面面积，对于桩为
——桩入土段刚度系数，其中，取。
——截面惯性矩，取
——系数，，为水平地基系数沿深度增大比例系数，取为5000，取。
——桩工作宽度，采用两倍实际桩宽。
运用上面公式计算出各桩刚性系数列于表5-1
桩号　
1
2
3
4
5

5.67
5.46
4.5
4.08
3.41

2.64E+07
2.64E+07
2.64E+07
2.64E+07
2.64E+07

2.00E+05
2.00E+05
2.00E+05
2.00E+05
2.00E+05

0.2711
0.2711
0.2711
0.2711
0.2711

0.007547
0.007547
0.007547
0.007547
0.007547

0.48775
0.48775
0.48775
0.48775
0.48775

2.4297
2.4297
2.4297
2.4297
2.4297

-1.6197
-1.6197
-1.6197
-1.6197
-1.6197

-1.7469
-1.7469
-1.7469
-1.7469
-1.7469

1.38E-03
1.29E-03
9.29E-04
7.97E-04
6.14E-04

4.64E-05
4.54E-05
4.06E-05
3.85E-05
3.51E-05

2.17E-04
2.07E-04
1.66E-04
1.49E-04
1.25E-04

1.75E+05
1.76E+05
1.80E+05
1.81E+05
1.84E+05

2.75E+03
2.93E+03
3.99E+03
4.60E+03
5.86E+03

1.28E+04
1.34E+04
1.63E+04
1.79E+04
2.08E+04

8.15E+04
8.31E+04
9.14E+04
9.54E+04
1.02E+05
表5-1 刚性系数计算表

5.3 桩上荷载及符号定义
——作用在桩台上垂直合力，其值为：

——作用在桩台上水平合力，其值为：
——外荷载对坐标原点总力矩，其值为：

——各桩顶距坐标原点O距离，水平向左为正；
——各桩轴线与垂线间夹角（°），顺时针为正；
——桩台水平位移，水平向左为正；
——桩台在坐标原点处竖向位移，竖直向下为正；
——桩台转角
——桩轴向力，压为正（kN）；
——桩顶剪力（kN），水平向左为正；
——桩顶弯矩（kNm），逆时针为正。

5.4 桩顶变位
由于桩台不变形，因此桩台变位后各桩桩顶相对位置不变。各桩桩顶变位如下：
水平位移
竖向位移
转角
桩顶轴向变位
桩顶法向变位

5.5 桩顶断面内力
桩顶轴向力
桩顶剪力
桩顶弯矩
5.6 静力平衡方程

式中：
将H、V、M0带入上式，解得：

将解得、、带入桩顶断面内力计算公式，列于表5-2中：

桩号
1
2
3
4
5
a
-0.00104
-0.00104
-0.00104
-0.00104
-0.00104
b0
0.004527
0.004527
0.004527
0.004527
0.00452
c
0.000626
0.000626
0.000626
0.000626
0.00062
CeN
172811.91
173524.19
177659.29
179531.02
182599.
Xn
10.5
10.5
5.25
0
0
an
-0.00104
-0.00104
-0.00104
-0.00104
-0.00104
bn
0.0110988
0.011098
0.0078127
0.004526
0.00452
cn
0.000626
0.000626
0.000626
0.000626
0.00062
αn
0
0
0
0.322
-0.322
sin(αn)
0
0
0
0.31646
-0.31646
cos(αn)
1
1
1
0.948604
0.94860
bn'
0.0111
0.0111
0.00781
0.00396
0.00462
an'
-0.00104
-0.00104
-0.00104
-0.00242
0.00044
Nn
1918.01
1925.92
1388
711.66
844.31
表5-2 桩顶断面内力计算表

5.7 基桩承载力验算
基桩承载力有桩侧摩阻力和桩端支撑力构成。
桩侧摩阻力用下列公式求得：

式中：——单桩垂直承载力分项系数，取为1.45。
——桩身截面周长
——单桩第层土极限侧摩阻力原则值，在本计算书中由于第一层土与第二层土、第三层土与第四层土极限侧摩阻力值相似，故可看作两层土。
——桩身穿过第层土长度。
——单桩极限桩端阻力标注值。
——桩身截面面积。
故 各桩基桩承载力计算列于表5-3。

桩号
1
2
3
4
5
土层1
穿过土层长度
8.31
8.48
9.44
9.627467
11.0916

桩侧摩阻力
189.1241
192.9931
214.8414
219.1079
252.4295
土层2
穿过土层长度
16
16
16
16
16

桩侧摩阻力
1456.552
1456.552
1456.552
1534.234
1534.234
桩端承载力
353.6552
353.6552
353.6552
353.6552
353.6552
基桩承载力
1999.331
.2
2025.048
2106.998
2140.319
Nn
1918.011
1925.917
1387.998
711.6601
844.3104
表5-3 基桩承载力计算表
阐明：表中承载力单位为，穿过土层长度单位为米。
由基桩承载力和值比较可以看出：基桩承载力均满足荷载规定。
第六章 附件
（1）高桩码头平面图与立面图
（2）高桩码头断面图