【上海某港口的集裝箱泊位高樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計13000字（論文）】

引言根據(jù)我國經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展的政策的積極引導(dǎo)，海運行業(yè)在政治、經(jīng)濟、文化領(lǐng)域的作用逐漸突顯，碼頭建設(shè)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計在海運強國戰(zhàn)略中成為必不可少的一部分。上海洋山港作為我國領(lǐng)先的國際深水港口，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化與碼頭現(xiàn)代化建設(shè)更為重中之重，本文選題為洋山港集裝箱泊位高樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計，即計算說明該港區(qū)的高樁碼頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計步驟過程，相較于目前應(yīng)用于實際的有限元計算，本文則是依據(jù)《港工建筑物》等相關(guān)港口碼頭設(shè)計行業(yè)規(guī)范進行計算步驟說明，雖精確性與科學(xué)性略差但該公式中累計的經(jīng)驗與實驗仍具有一定的參考意義，對后期優(yōu)化港口碼頭結(jié)構(gòu)在設(shè)計計算部分提供研究案例，同時也提供了該港區(qū)特定高樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計計算說明和豐富了相關(guān)理論文獻的儲備。本文基于所給定的自然條件和設(shè)計要求，參照《海港總體設(shè)計規(guī)范》（1-JTS165-2013）REF_Ref31014\r\h[8]等行業(yè)規(guī)范，對上海洋山港的高樁碼頭進行以下內(nèi)容設(shè)計：碼頭平面布置、碼頭結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計、碼頭荷載計算，最后對于所設(shè)計的碼頭驗算其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。擬定最終碼頭結(jié)構(gòu)尺寸后利用CAD軟件對該建筑物的平面圖、立面圖和斷面圖的繪制，得到完成的建筑工程施工圖紙，便于后期的實際操作落實。針對高樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究，國內(nèi)學(xué)者周偉才（2005）REF_Ref20956\r\h[1]在《大樁帽碼頭排架計算方法及模型試驗研究》一文中闡述高樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計在實際工程建設(shè)歷程中的發(fā)展，經(jīng)歷了一下四個階段：先是簡單的承臺式、再是桁架式、發(fā)展到如今的無梁板式和梁板式?；谖恼轮懈鹘Y(jié)構(gòu)形式碼頭所陳列的優(yōu)缺點、使用條件和適用環(huán)境，以及學(xué)者翟秋（2006）REF_Ref21047\r\h[2]研究認為荷載較大而且復(fù)雜海港碼頭的實例中,梁板式以其結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用本課題優(yōu)先考慮設(shè)計板式高樁碼頭再進行后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計與承載力計算?；谖覈睾５陌镀潞偷刭|(zhì)的自然條件，高樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展經(jīng)過漫長的發(fā)展已逐步成熟，由古早的木結(jié)構(gòu)到以鋼筋混凝土為原材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計由初始的經(jīng)驗公式到計算機有限元計算。高樁碼頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計已從曾經(jīng)的低滿足需求到如今追求更穩(wěn)更精更安全的設(shè)計要求，從碼頭初始狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力設(shè)計到考慮結(jié)果使用過程中會出現(xiàn)因材料耐久性衰減而表現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)安全承載力、使用性變形不足的問題以及抗震等安全性能問題，以使得我國的碼頭設(shè)計技術(shù)得到國際認可。學(xué)者沈迪州REF_Ref21116\r\h[3]（2007）將研究方向著眼現(xiàn)代化建設(shè)，為來較好地了解和掌握樁基的工程設(shè)計和其受力特點，對樁基碼頭和引橋結(jié)構(gòu)的不同特點進行了研究，以工程設(shè)計實例為基礎(chǔ)，對高樁沉樁工藝及樁身結(jié)構(gòu)加固探討，甚有開敞式海域引橋的設(shè)計及優(yōu)化。學(xué)者樊亮亮REF_Ref21158\r\h[4]（2014）在《高樁碼頭結(jié)構(gòu)實用耐久性研究方法》一文中對該類碼頭結(jié)構(gòu)耐久性能方面進一步研究和探討，其研究發(fā)現(xiàn)高樁碼頭結(jié)構(gòu)耐久性的損傷主要原因是上部結(jié)構(gòu)中的面板下部受拉鋼筋發(fā)生銹蝕。依據(jù)《水運工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》REF_Ref21191\r\h[5]與計算比較，提出改善措施即對面板結(jié)構(gòu)維修會比鋼筋更為方便快捷與經(jīng)濟。因為國際上有一定港區(qū)的地震作用須納入影響因素進行計算，所以國外對于高樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計的穩(wěn)定性考量也是碼頭研究的一大方向，使高樁碼頭結(jié)構(gòu)構(gòu)件在安全情況和使用情況下對其耐久性分析更為便利，并通過有限元分析模擬出實際受力呈現(xiàn)可視化的研究成果，以三維建模的技術(shù)可視化碼頭各構(gòu)件以及其受力情況。宋波、王海龍、劉世景REF_Ref21224\r\h[8]（2014）三位學(xué)者以日本的地理位置為條件，對建筑物的抗震著重考慮，在日本和中國之間進行了抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的研究，由兩國的高樁碼頭結(jié)構(gòu)計算差異中得到結(jié)論：慣性力作為水平力的控制力，是影響碼頭水平力的決定性因素。因為對于碼頭結(jié)構(gòu)嵌固位置的設(shè)計在抗震方面成為重要內(nèi)容。2019年，李夢玥REF_Ref21253\r\h[6]學(xué)者以美國《長灘港碼頭設(shè)計準(zhǔn)則》和《洛杉磯港集裝箱碼頭抗震設(shè)計、升級和修復(fù)規(guī)范》為代表，研究比較了美國高樁碼頭有關(guān)抗震方面的結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)：實驗不同震級水平下預(yù)應(yīng)力鋼管的應(yīng)變限值控制、在滿足頭樁在地震水平下的變形要求后計算樁基受剪承載力和梁的承載力并進行驗算、在樁頂與面板間設(shè)計鋼筋混凝土連接段的抗震設(shè)計。2019年，學(xué)者AntoniosVytiniotis,Andriani-IoannaPanagiotidou和AndrewJ.WhittleREF_Ref21318\r\h[9]在高樁碼頭結(jié)構(gòu)抗震分析的研究中，認為高樁碼頭結(jié)構(gòu)破壞的主要因素是土體的側(cè)向擴展，通過減緩以使得下坡土體的變形得到有效控制。與目前學(xué)術(shù)界高樁碼頭研究耐久性和抗震性分析不同，本文主要依據(jù)上海洋山港區(qū)給定的自然資料作為碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計條件進行以下內(nèi)容設(shè)計：已知給定集裝箱船舶吞吐量，查閱相關(guān)規(guī)范擬定設(shè)計船型尺度和碼頭輪廓尺寸?？紤]該港區(qū)特定的自然條件、地質(zhì)條件、水文條件等擬定適合的高樁碼頭結(jié)構(gòu)形式與岸坡比和岸坡穩(wěn)定性考量。針對船舶類型考慮該港區(qū)的貨物種類以擬定碼頭裝卸工藝設(shè)備等進行碼頭平面布置。根據(jù)碼頭正常使用要求，擬定碼頭具體數(shù)值即前后樁臺尺寸與碼頭分段。參照碼頭設(shè)計行業(yè)規(guī)范進行附屬設(shè)施構(gòu)件的受力分析計算和尺寸設(shè)計。初步按碼頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造和正常使用要求，確定高樁碼頭一系列的上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件。確定以上設(shè)計內(nèi)容，進行碼頭上永久荷載和可變荷載計算。對樁基進行承載力計算，并滿足橫向排架承載能力極限狀態(tài)數(shù)值。最終確定碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸。繪制高樁碼頭結(jié)構(gòu)從不同視角的斷面圖、整體結(jié)構(gòu)圖以及碼頭的附屬設(shè)施CAD圖等，以便于后續(xù)施工的開展。第一章碼頭平面布置碼頭設(shè)計資料1.1.1船舶噸級上海洋山港憑借自身地理位置的優(yōu)越性和自然條件的優(yōu)異性，成為了國際航運上較為著名的深水港區(qū)，成為深水大港的原因中，其所具備建設(shè)優(yōu)越的水深條件和通航條件，與國內(nèi)普通港口相比尤為突出。例如，洋山港區(qū)的深水岸線長達11公里，集裝箱的年吞吐能力更是能躋身世界大港之列，本文條件是為70000DWT的集裝箱船設(shè)計高樁碼頭。1.1.2水位條件本文水位條件以小洋山理論最低潮面為基準(zhǔn)，具體資料如下表1-1所示：表1-SEQ表\*ARABIC\s11水位條件水位資料（m）極端高潮位5.75極端低潮位-0.18設(shè)計高水位4.51設(shè)計低水位0.59平均高潮位3.88平均低潮位1.12極端高水位5.71極端低水位-0.41平均潮差2.76平均海平面2.551.1.3風(fēng)況條件風(fēng)況具體調(diào)查內(nèi)容如下表1-2所示：表1-SEQ表\*ARABIC\s12風(fēng)況條件風(fēng)況條件風(fēng)向頻率風(fēng)速（m/s）常風(fēng)NNW~NNE36.30%次常風(fēng)ESE~SSE30.70%強風(fēng)NNW7.70次強風(fēng)SSE6.00船舶?？孔鳂I(yè)按最大風(fēng)速22m/s考慮，大于九級風(fēng)（20.8～24.4m/s）時，船舶應(yīng)離開碼頭。1.1.4波浪條件監(jiān)測計算所得的波浪條件內(nèi)容如表1-3所示：表1-SEQ表\*ARABIC\s13波浪條件波向波高水位H1%(m)H4%(m)H13%(m)T(m)L(m)SE~S極端高水位3.542.922.467.374.0設(shè)計高水位3.472.862.417.271.0設(shè)計低水位3.262.692.286.962.0極端低水位3.122.592.26.758.0SSW~WSW極端高水位3.542.922.468.390.0設(shè)計高水位68.083.0設(shè)計低水位2.772.31.946.961.0極端低水位2.291.891.596.454.01.1.5潮流條件漲潮：流速1.8m/s，流向280°落潮：流速1.9m/s，流向112°1.1.6工程地質(zhì)條件工程地質(zhì)資料內(nèi)容如下圖1-1所示：圖1-SEQ圖\*ARABIC\s11工程地質(zhì)條件碼頭結(jié)構(gòu)選型洋山港區(qū)的大地構(gòu)造隸屬于我國新華夏系第二隆起帶，其上伏第四紀(jì)地層較為發(fā)育，上部一般為亞砂土及亞粘土層，下部則為淤泥質(zhì)亞粘土夾粉細砂組成REF_Ref21387\r\h[7]。由此可知，碼頭所處的地質(zhì)條件的特點為軟弱土層，承載力較小，地質(zhì)條件較差，由于重力式為一般常用碼頭結(jié)構(gòu)選型，而考慮到重力式碼頭自重大，對地基承載能力要求較高，相比之下，對于上海洋山深水港區(qū)選用高樁碼頭更為適合。同時洋山港口的海域多受到風(fēng)浪影響，雖外海波浪大小等島嶼有一定的遮擋作用，但波浪的作用仍隨季節(jié)變化方向?qū)Υa頭港區(qū)產(chǎn)生不可忽視的影響，而高樁碼頭的優(yōu)點之一且為樁基結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)輕，能有利減弱波浪的效果。比較依據(jù)不同上部結(jié)構(gòu)的碼頭結(jié)構(gòu)類型，可知：桁架式碼頭構(gòu)造復(fù)雜，施工麻煩，更適合水位差大的港區(qū)；承臺式碼頭多利用混凝土或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因此碼頭結(jié)構(gòu)自重大，對地基承載力要求較高，因此適用于土質(zhì)較好的情況；而無梁板式碼頭的面板為雙向受力的非預(yù)應(yīng)力面板，其跨度不宜太大，所以不適用于本文噸級大、水位要求深的集裝箱船舶停靠的大型碼頭；排除以上幾個碼頭類型，即考慮梁板式碼頭。該結(jié)構(gòu)碼頭構(gòu)件受力明確，對于較大荷載的布置能很好地進行荷載傳遞分散，樁臺寬利于大型門機設(shè)備的布置和正常作業(yè)，在如今港口碼頭現(xiàn)代化發(fā)展的趨勢下，已成為工程中的普遍選擇。因此，鑒于洋山港區(qū)的地基軟土層較厚，地質(zhì)條件較差，有較大的波浪影響，為了保證碼頭建筑物的穩(wěn)定性，節(jié)省填料，文本選用梁板式高樁碼頭進行后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計。1.3碼頭結(jié)構(gòu)等級擬定上海洋山港區(qū)所設(shè)計的梁板式高樁碼頭使用年限為50年，依據(jù)《港口工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》所表明的規(guī)范要求，本文高樁碼頭的安全等級為Ⅱ。1.4碼頭平面布置1.4.1設(shè)計船型尺度據(jù)《海港總體設(shè)計規(guī)范》（JTS165-2013）REF_Ref31014\r\h[8]70000DWT集裝箱船的設(shè)計船型尺度具體內(nèi)容表1-4所示：表1-SEQ表\*ARABIC\s14設(shè)計船型尺度船舶噸級設(shè)計船型尺度（m）載箱量總長型寬型深滿載吃水70000(65001~85000)28938.322.413.55712普通泊位的富裕長度取值如下表1-5所示：表1-SEQ表\*ARABIC\s15富裕長度設(shè)計船型長度L(m)＞230富裕長度d（m)30獨立布置的單個泊位的泊位長度按下式1-1計算：（1-1）式中：Lb——碼頭泊位直線距離（m）；L——設(shè)計船型尺度直線長（m）；d——碼頭泊位的富裕長度（m）。考慮到碼頭前后所留出來的一定富裕長度，本文碼頭獨立布置單個泊位的泊位長度取值為351m。1.4.2碼頭前沿設(shè)計水深據(jù)《海港總體設(shè)計規(guī)范》（JTS165-2013）REF_Ref31014\r\h[8]，前沿設(shè)計水深按公式1-2、1-3獲得：D=Z2=式中：D——碼頭前沿設(shè)計水深（m）；T——設(shè)計船型滿載條件下的吃水深度（m），值為13.5m；Z1——龍骨桿最小富裕水深深度（m），根據(jù)所給地質(zhì)資料海底地質(zhì)為淤泥土即ZZ2Z3Z4K1計算結(jié)果如下表1-6所示：表1-SEQ表\*ARABIC\s16碼頭前沿設(shè)計水深碼頭前沿設(shè)計水深計算結(jié)果波向SE~SSSW~WSWT13.513.5Z10.20.2Z2=K1H4%0.8070.69Z300Z400D14.50714.39基于對港區(qū)碼頭安全條件下正常作業(yè)的保障，碼頭前沿設(shè)計水深14.51m。同時可知泥面高程為0.59-14.51=-13.92m，工程地質(zhì)資料中顯示泥面標(biāo)高為-8~11m，因此還需對碼頭泥面進行開挖，深度在2.92~5.92m。1.4.3碼頭前沿設(shè)計頂高程據(jù)《海港總體設(shè)計規(guī)范》（JTS165-2013）REF_Ref31014\r\h[8]，本課題所設(shè)計的高樁碼頭為實體結(jié)構(gòu)形式碼頭，其前沿頂高程按上水標(biāo)準(zhǔn)控制確定，計算1-4公式如下：E=DWL+式中：E——碼頭前沿頂高程（m）；DWL——設(shè)計水位的值（m），取設(shè)計高水位4.51m；?W考慮到碼頭正常工作時的安全要求和性能要求，進行頂高程的復(fù)核標(biāo)準(zhǔn)計算：復(fù)核標(biāo)準(zhǔn)值為極端高水位加超高值，即值6.21m?？紤]碼頭結(jié)構(gòu)的安全條件，碼頭前沿設(shè)計頂高程值取用6.21m。根據(jù)該碼頭平面布置結(jié)果制表1-7，如下可示：表1-SEQ表\*ARABIC\s17碼頭平面布置計算結(jié)果碼頭平面布置計算結(jié)果泊位長度（m）351碼頭前沿設(shè)計水深（m）14.51碼頭前沿設(shè)計頂高程（m）6.21設(shè)計底高程（m）-13.921.4.4碼頭結(jié)構(gòu)尺度設(shè)計結(jié)構(gòu)寬度本文所設(shè)計的碼頭噸級為70000DWT的集裝箱船舶，用于裝卸集裝箱的一般實際情況采用專業(yè)化裝卸橋進行工作，而裝卸橋的自重較普通門機機械自重大，對于樁臺的承載能力要求更高，因此擬采用寬樁臺碼頭。由于擬定為寬樁臺碼頭結(jié)構(gòu)，用縱縫將樁臺結(jié)構(gòu)分為前方樁臺和后方樁臺：前方樁臺為主要作業(yè)的區(qū)域范圍，同時在此樁臺區(qū)域上設(shè)軌距為35m的集裝箱專業(yè)化裝卸橋，即初步擬定前方樁臺寬為40m；考慮到裝卸橋內(nèi)伸距為24m，故后方樁臺寬度擬為24m。設(shè)計岸坡坡度根據(jù)洋山港區(qū)特定的工程地質(zhì)條件分析該區(qū)域的土質(zhì)情況，而后初步選定該區(qū)域碼頭是否需護坡設(shè)計，然后根據(jù)碼頭結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性驗算，若滿足條件即為設(shè)計合理，若不滿足還需要進行一定的結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)整。查閱資料可知：上海、天津一帶的岸坡坡度常采用1:2.5，因此本文碼頭岸坡設(shè)計坡度采用該經(jīng)驗值，根據(jù)以上計算出的泥面標(biāo)高值：-13.92m，碼頭前沿標(biāo)高值：+6.21m，按比例可計算出碼頭總寬度為50.40m。因依據(jù)設(shè)計選定的裝卸橋尺寸，前方樁臺寬度為40m，即后方樁臺寬度最終取值為10.4m，考慮后方樁臺樁基的自由樁長過于小，若再設(shè)后方樁臺不僅是對于工程量的增加和財力物資的浪費，更對于碼頭結(jié)構(gòu)的安全性能設(shè)計無較明顯的促進作用，因此僅設(shè)計前方樁臺，在后方設(shè)計板樁結(jié)構(gòu)用于接岸結(jié)構(gòu)，同時滿足穩(wěn)定性要求。設(shè)計碼頭結(jié)構(gòu)長度分段按規(guī)范要求應(yīng)沿著碼頭長度方向設(shè)置變形縫以避免整個面板承受過大的應(yīng)力，所以將碼頭前方樁臺進行分段?？p寬取為20mm，填充以泡沫塑料使得縫的自由伸縮得以實現(xiàn)，變形縫的間距擬取為58m，將351m長的碼頭沿著該方向分為6段。1.4.5裝卸工藝額定起重量本文碼頭為集裝箱泊位為設(shè)計要求，因此該碼頭裝卸作業(yè)時宜采用專業(yè)化裝卸橋，上海洋山港口發(fā)展日趨現(xiàn)代化，其碼頭自動化專業(yè)化更是走在國內(nèi)的碼頭建設(shè)前列，在專業(yè)化集裝箱碼頭建設(shè)時，其額定起重量應(yīng)不小于41t，因此擬選擇額定起重量為65t的集裝箱裝卸橋。外伸距外伸距系指裝卸橋裝卸船作業(yè)時，集裝箱吊具中心點自海側(cè)軌道中心線沿外伸臂向外側(cè)走行的最大距離，一般為35~66m，最大至70m，擬設(shè)計外伸距LFR內(nèi)伸距內(nèi)伸距即為小車（或吊具）從陸側(cè)軌道中心向堆場方向運行的最大水平直線距離。擬設(shè)計內(nèi)伸距為12m。軌距目前國內(nèi)正在使用的集裝箱裝卸橋的軌距多為35m之間。21世紀(jì)初，隨著碼頭裝卸自動化技術(shù)的快速發(fā)展以及集裝箱碼頭公司運營需要，越來越多的自動化集裝箱碼頭投入運營，近幾年世界范圍內(nèi)（包括我國）新建自動化集裝箱碼頭已成為一種趨勢。自動化集裝箱碼頭多數(shù)采用集裝箱裝卸橋軌后作業(yè)的方式，考慮到多項裝卸工藝影響因素宜在30m、35m兩者之間選擇。因此擬定軌距為35m。1.5碼頭附屬設(shè)施1.5.1緩沖設(shè)備為兼具保護碼頭建筑物和船體兩者在?？炕蛳挡醋鳂I(yè)時的安全，在碼頭前沿設(shè)置緩沖設(shè)備用于吸收部分船舶撞擊時所產(chǎn)生的能量，減少船舶對碼頭建筑物的破壞。計算有效撞擊動能船舶靠岸或系泊時對碼頭沿岸的撞擊作用利用下式1-5進行計算：（1-5）式中：ρ——有效動能系數(shù)，依據(jù)規(guī)范系數(shù)值域為0.7~0.8，取0.8；E0M——船舶在滿載排水量條件下的質(zhì)量（t），取101400t；Vn由碼頭附屬設(shè)施技術(shù)規(guī)范（14-JTS169-2017）確定用型號為H800×L2000的V型橡膠護舷，依據(jù)《橡膠護舷》（HG-T2866-2016）規(guī)范可知該橡膠護舷具體尺寸，如下表所示：表STYLEREF1\s0-SEQ表\*ARABIC\s18橡膠護舷尺寸系纜力標(biāo)準(zhǔn)值（kN)HLL1BB1B2CnQdefh324500200022503751000840157.546454714018045橡膠護舷尺寸圖1-2如下所示：圖1-SEQ圖\*ARABIC\s12橡膠護舷護舷布置橡膠護舷的布置垂直于碼頭長度方向沿岸，考慮到船舶滿載時最大吃水條件下的的干舷高度為9.20m，而設(shè)計高低水位之差為3.92m，在構(gòu)件上設(shè)置沿碼頭高度方向布置3排橡膠護舷，其高程分別為＋4.96、＋3.36、＋1.76。其具體布置情況如下圖1-3所示：圖1-SEQ圖\*ARABIC\s13橡膠護舷布置情況護舷間距根據(jù)資料顯示，岸壁式碼頭一般皆采用等間距布置且間距常取為5~20m，擬取為20m。1.5.2系船設(shè)備為使得船舶能夠在碼頭沿岸安全作業(yè)，其?？繒r需要用船纜將船舶系在碼頭前沿，因此在碼頭上設(shè)一定數(shù)量一定間隔布置的系船設(shè)備，本文設(shè)計的碼頭采用系船柱。作用于船舶的風(fēng)荷載FxwFyw式中：Fxw，F(xiàn) Axw，Ayw——橫縱向的受風(fēng)面積（m2），取值為6610 Vx，Vζζ計算結(jié)果如下表1-9所示：表1-SEQ表\*ARABIC\s19風(fēng)荷載計算結(jié)果風(fēng)荷載計算橫向縱向受風(fēng)面積/m266101220設(shè)計風(fēng)速分量22風(fēng)壓不均勻折減系數(shù)0.60風(fēng)壓高度變化修正系數(shù)1.30風(fēng)壓力分力1836.62225.68計算得到Fxw，F(xiàn)作用于船舶的水流力CxcCyc式中：Cxc、Cα1θ——水流與沿岸的夾角（°）取15°。船舶水下部分垂直和平行水流方向的投影面積計算如下式：AxcAyc式中：Axc、Ayc——垂直和平行水流方向的投影面積（B'——橫向投影是所圍成的陰影面積（m水流力標(biāo)準(zhǔn)值按下列公式計算：FxcFyc式中：FxcCxcρ——密度（t/m3），海水取1.025t/mV——水流的設(shè)計流速（m/s），取0.8m/s。計算結(jié)果如下表1-10所示：表1-SEQ表\*ARABIC\s110水流力計算結(jié)果水流力計算橫向分力縱向分力海水密度（t/m3）1.03設(shè)計流速（m/s）0.80流向角（°）15.00系數(shù)α1.701.68系數(shù)b0.310.47分力系數(shù)0.760.91吃水線以下的橫向投影面積B'517.05船舶水下部分投影面積133.82499.43水流力標(biāo)準(zhǔn)值33.14149.04系纜力系纜力標(biāo)準(zhǔn)值按下式計算：N=K式中：N——系纜力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；FxK——系船柱受力分布不均勻系數(shù)，取1.3；α——碼頭前沿線與之水平投影的角（°），取為30；β——系船纜與水平面之間的角（°），取為15；n——計算船舶同時受力的系船柱數(shù)目，取8。計算結(jié)果如下表1-11所示：表1-SEQ表\*ARABIC\s111系纜力計算結(jié)果項目滿載/kN風(fēng)壓力橫向分力標(biāo)準(zhǔn)值Fxw1836.62風(fēng)壓力縱向分力標(biāo)準(zhǔn)值Fyw225.68水流力標(biāo)準(zhǔn)值Fxc33.14水流力標(biāo)準(zhǔn)值Fcy149.04系纜力標(biāo)準(zhǔn)值N（kN）782.87計算得到系纜力標(biāo)準(zhǔn)值N為782.87kN。系船柱型號系船柱應(yīng)采用圓形單擋檐型，大噸位系船柱的柱殼采用鑄鋼，主要外形尺寸如下表1-12所示：表1-SEQ表\*ARABIC\s112系船柱尺寸系纜力標(biāo)準(zhǔn)值（kN)HLL1BB1B2CnQdefh324500200022503751000840157.546454714018045系船柱具體尺寸如圖1-4所示：圖1-SEQ圖\*ARABIC\s14系船柱系船柱間距取為30m，系船柱沿碼頭長度方向（351m）共設(shè)置8個，因該碼頭在9級風(fēng)及以下正常作業(yè)，其中心線應(yīng)距碼頭前沿線1.2m。1.5.3其他碼頭附屬設(shè)施護輪檻碼頭沿岸因為日常的作業(yè)操作，常有人員的走動和車輛的運行，毫無保護措施的碼頭易發(fā)生危險，因此在碼頭邊緣布置護輪檻斷面為邊長100mm的正方形。工藝管溝碼頭的正常作業(yè)運行除了結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，還應(yīng)保證有水電能源的源源不斷供應(yīng)。因此碼頭的前沿鋪設(shè)2條工藝管溝，其作用便是供電供水。管溝具體數(shù)值如下圖1-5所示：圖1-SEQ圖\*ARABIC\s15工藝管溝第二章碼頭結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計2.1樁的尺寸預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土作為樁的最優(yōu)原材料之選，是基于它自身造價較低能節(jié)省鋼材料同時耐久性好的優(yōu)點，因此在實際工程中為常備之選。考慮本文碼頭設(shè)計港區(qū)地址的水文、波浪和風(fēng)條件，需對樁增強一定的耐久性，因此該梁板式高樁碼頭采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土材質(zhì)的空心方樁，在保證一定耐久性的情況下節(jié)省用料。樁的截面尺寸擬定為邊長為700mm的正方形依據(jù)規(guī)范，樁寬大于450mm，擬定10根對稱布置直徑為20mm的RRB400級鋼筋作為主筋。由于本文碼頭的荷載較大，對于打樁如土深度有一定的要求，所以考慮到樁的打入的便利性，樁尖設(shè)為楔形，樁的具體尺寸如下圖1-6所示：圖2-1樁基于大型深水碼頭的考量，且提高樁的承載力和減小樁尖的沉降，樁基打樁入泥面一般打人硬土層0.5~1m以上，因此本碼頭樁深度擬設(shè)計為-31m。2.2樁帽尺寸為了避免在安裝預(yù)制梁、板過程中，打樁時產(chǎn)生的樁頂高程和平面產(chǎn)生的位置偏差，樁的頂端應(yīng)設(shè)置能固定樁基的樁帽。對于截面尺寸為700mm×700mm的單樁設(shè)計如下圖樁帽截面所示的尺寸：圖2-2單樁樁基樁對于要求承載力更大的雙直樁和叉樁，其樁帽具體尺寸如圖2-3所示：圖2-3雙直樁、叉樁樁帽2.3橫梁尺寸基于本碼頭裝卸橋的布置，其輪壓所產(chǎn)生的荷載和自重力在垂直方向所產(chǎn)生的荷載作用較大，因此前方樁臺采用倒T形截面的橫梁，其較長的高度利于增大其承載能力，擬橫梁截面具體尺寸如圖2-4所示：圖2-4橫梁尺寸2.4縱梁尺寸沿碼頭長度方向布置一排排縱梁，前方軌道梁的尺寸擬為高度1500mm，寬度為500mm；中間縱梁的尺寸擬為高度1000mm，寬度為500mm。由于考慮到縱梁荷載較大，且在裝卸橋輪下裝有鋼軌，因此采用空心矩形斷面?？v梁斷面如圖2-5：圖2-5縱梁尺寸2.5橫向排架橫向排架間距取為6m，整個碼頭前方樁臺共54組橫向排架，因每分段兩端各多出2m的寬度，為保證碼頭的安全與穩(wěn)定，在端處打樁。為保障裝卸橋在前方作業(yè)區(qū)域正常工作，在橫向排架與海側(cè)軌道梁交接下方設(shè)雙直樁，以承受較大荷載。陸側(cè)軌道梁下設(shè)置坡度為3:1的叉樁，且叉樁的兩根樁在樁頂處的凈距為500mm。在兩根裝卸橋軌道梁中間另設(shè)一直樁，樁距為17.5m，上設(shè)一縱梁。第一排樁距碼頭前沿4m，樁距為6m，則一組共6個樁基。2.6面板和面層基于上述所設(shè)計的橫向排架和樁基分布，面板采用疊合實心板，下部分為預(yù)應(yīng)力的預(yù)制結(jié)構(gòu)，上半部分現(xiàn)澆。在預(yù)制部分的表面做成齒坎型，板厚度取為450mm，其中預(yù)制部分270mm。前方樁臺板長取為16.5m，其中兩端的擱置長度為150mm；板寬為5.9m，兩端擱置長度為200mm。具體尺寸圖2-6如下所示：圖2-6面板、面層尺寸使面層混凝土在氣溫變化條件下避免發(fā)生膨脹或裂縫，在面板上需鋪50mm厚的混凝土面層作為磨耗層。2.7靠船構(gòu)件為固定上述所設(shè)計的系船和防沖設(shè)備，同時保障船舶的安全?？俊⑾挡醋鳂I(yè)，設(shè)計懸臂板式靠船構(gòu)件。該構(gòu)件斷面圖見圖2-7。圖2-7靠船構(gòu)件2.8接岸結(jié)構(gòu)基于給定的資料信息，考慮到該港址多種因素，該碼頭總寬按資料所示穩(wěn)定岸坡比1:2.5計算所得為50.5m，根據(jù)上述裝卸橋的設(shè)計前方樁臺寬為40m，本高樁碼頭的接岸結(jié)構(gòu)采用直立式中的板樁式結(jié)構(gòu)，在距碼頭沿線40m處設(shè)計打入泥地-31m深的鋼筋混凝土板樁，其矩形斷面尺寸為500mm，厚度為350mm，其上設(shè)計的L形的胸墻，鋼筋混凝土板樁入胸墻55mm。碼頭荷載作用在碼頭上的荷載有多種，主要分為永久荷載和可變荷載兩大類。3.1計算永久荷載已知：鋼筋混凝土γ混凝土γ面層自重g面層面板自重g面板橫梁自重g橫梁縱梁自重g軌道梁g縱梁管溝蓋板自重g管溝蓋板靠船構(gòu)件自重g靠船構(gòu)件管溝隔板自重g管溝隔板管溝底板g管溝底板管溝下梁g管溝下梁3.2計算堆貨荷載依據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》（6-JTS144-1-2010）REF_Ref7641\r\h[9]，集裝箱碼頭的堆貨荷載如下：荷載q1=25kPa，其分布范圍L1=4m；荷載q2=40kPa，其分布范圍L2=35m；荷載q3=30kPa，其分布范圍L3=10m。3.3計算門機荷載基于資料中所表示：船舶停靠作業(yè)最大風(fēng)速22m/s，大于九級風(fēng)（20.8～24.4m/s）時，船舶需離開碼頭港區(qū)，輪壓標(biāo)準(zhǔn)值取值如下：Pw海側(cè)=1100N/輪，即P海側(cè)=1100×32=35200kNPw陸側(cè)=900kN/輪，即P陸側(cè)=680×32=28800kN3.4計算船舶荷載3.4.1系纜力由上一章系船柱選型時所得系纜力N平行碼頭寬度即與碼頭岸線相垂直方向的力計算：水平分力：Nx垂直分力：Ny豎直分力：Nz橫梁的中性軸為ycNx即該水平分力所產(chǎn)生的彎矩值為：Mx3.4.2擠靠力Fj式中：FjKJFxn——接觸的橡膠護舷的個數(shù)，（12*3-5*3=21）。計算所得一個橡膠護舷上的擠靠力標(biāo)準(zhǔn)值F3.4.3撞擊力E0根據(jù)規(guī)范《橡膠護舷》（HG/T2866-2003）查得V型橡膠護舷V型H800×L2000的橡膠護舷撞擊時產(chǎn)生的反力R=1200kN，因本碼頭設(shè)置了三排橡膠護舷，則單個排架受到的船舶撞擊力H=1200×撞擊力的彎矩力臂即受力橫梁中性軸距撞擊力作用點的直線距離為2.214m，因此彎矩：M=3.5計算橫向排架上的荷載圖3-SEQ圖\*ARABIC\s11荷載分布示意圖P1P3q=17.55+17.52+80.01+5.76+11.16+13.50q2橫向排架上永久荷載集中力矩為：M1洋山港集裝箱泊位高樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計計算橫向排架4.1計算基本假定結(jié)構(gòu)分段的長度與寬度之比為17.5：6=2.92，縱向平面剛度較小，可以視作各橫向排架獨立工作。分段內(nèi)各橫向排架的間距和結(jié)構(gòu)相同；各橫向排架的承荷條件和能力相同；樁與樁臺為固接，樁臺剛度為無窮大，在外力作用下只發(fā)生變位而不變形，所有樁頂均在同一水平面上，按剛性樁臺計算。4.2確定作用效應(yīng)組合設(shè)計值作用效應(yīng)組合設(shè)計值按下式確定：Sd式中：γ0γG——永久作用分項系數(shù)，取值ψ——可變作用組合系數(shù)，取值為0.7；γQ1——主導(dǎo)可變作用的分項系數(shù)，系數(shù)取值 γQi——可變作用分項系數(shù)，堆貨荷載為1.4，船舶撞擊力為1.5GK、G1KCG、CQ1由作用與作用效應(yīng)得線性關(guān)系，對荷載進行組合簡化得：SP1海側(cè)SP1陸側(cè)SP3=1.0×S（4-5）Sq2Sq3SM1H=4.3計算剛性系數(shù)單樁軸向承載力計算（擬打樁深度為-31m）Qd式中：QdγRU——樁截面周長（m），0.7×4=2.80m；qfiliqRA——樁截面面積（m2），值為0.7×0.7=0.49m2。4.4計算樁的剛性系數(shù)樁的等效剛性系數(shù)計算公式為：（4-11）式中：L0 ——樁泥面以上至樁帽的直線長度（m）； EZ ——彈性模量（kPa），Ez=0.8Eh=0.8×3.45×107=2.76×107kPa； FZ ——樁截面面積（m2），為0.49m2； C0 ——樁入土段的剛性系數(shù)，C0=(115~145)R（kN/m），其中R為單樁的垂直極限承載力（kN），取C0=130R=130×1731.33=225073.33kN/m。計算結(jié)果如下表4-1所示：表4-SEQ表\*ARABIC\s11剛性系數(shù)計算結(jié)果樁的剛性系數(shù)計算樁號樁自由長度彈性模量斷面面積剛性系數(shù)C0等效剛性系數(shù)CeN雙直樁115.82276000000.49225073.33178165.19雙直樁215.34179298.99樁313.18184584.94樁410.78190836.13樁510.18192465.65樁68.38197525.58樁75.98204701.03樁83.58212417.46叉樁91.89218209.69叉樁101.44219805.644.5計算其他剛性系數(shù)（4-12）（4-13）（4-14）其中：（4-15）（4-16）（4-17）式中：Iz——斷面慣性矩REF_Ref28175\r\h[10]（m4），IZ=bh312Ax0、、——無量綱系數(shù)REF_Ref28975\r\h[11]；α——系數(shù)，，值為0.484；m——沿深度增大的比例系數(shù)（kN/m4）；b——樁的工作寬度（m）為1.4m；CΔQ——樁頂施加的切向力（kN/m）；CΔM、——使樁頂發(fā)生單位法向位移或只發(fā)生單位轉(zhuǎn)角施加的力矩（kN·m/m）或切向力（kN/rad）；——使樁頂產(chǎn)生單位轉(zhuǎn)角在樁頂施加的力矩（kN·m/rad）。計算結(jié)果如下表4-2所示：表4-SEQ表\*ARABIC\s12其他剛性系數(shù)計算結(jié)果1樁號樁自由長度L0λAx0Aφ0Bφ0雙直樁115.827.022.43-1.62-1.754.70E-033.58E-053.73E-04雙直樁215.346.952.43-1.62-1.754.36E-033.49E-053.56E-04樁313.187.902.43-1.62-1.753.06E-033.10E-052.85E-04樁410.788.972.43-1.62-1.751.96E-032.67E-052.16E-04樁510.189.242.43-1.62-1.751.73E-032.56E-052.00E-04樁68.3810.032.43-1.62-1.751.16E-032.23E-051.57E-04樁75.9811.102.43-1.62-1.756.13E-041.80E-051.09E-04樁83.5812.162.43-1.62-1.752.76E-041.36E-057.07E-05叉樁91.8912.912.43-1.62-1.751.36E-041.06E-055.03E-05叉樁101.4413.112.43-1.62-1.751.10E-049.74E-064.57E-05表4-3其他剛性系數(shù)計算結(jié)果2樁號雙直樁11238.1512908.33162525.64雙直樁21363.9513911.06170526.15樁32241.6920600.69221576.50樁44738.0438343.36347821.34樁56072.5847510.96410834.71樁619232.02135309.58996821.49樁7-22635.58-136895.72-772238.34樁8-10955.38-56918.16-222258.61叉樁9-9657.96-46040.05-124716.34叉樁10-9528.44-44756.28-107537.57碼頭結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算5.1內(nèi)力計算基本假定假設(shè)樁與樁臺為固接，樁臺剛度為無窮大，在外力作用下只發(fā)生變位而不發(fā)生變形，所有樁頂均在同一水平面上。V——樁臺截面所受到的的合力，方向為垂直（kN），其值為：kN；（5-1）H ——樁臺截面所受到的合力，方向為水平（kN），其值為：kN；M0——V、H對坐標(biāo)原點的總力矩（kN·m），其值為：xn ——各樁頂距坐標(biāo)原點的距離（m）；n ——各樁軸線與垂線間的夾角（°）；a ——樁臺的水平位移（m）；b0 ——樁臺在坐標(biāo)原點處的豎向位移（m）；c ——樁臺轉(zhuǎn)角（rad）；Nn——樁的軸向力（kN）；Qn——樁頂剪力（kN）；Mn——樁頂彎矩（kN·m）。5.2樁頂?shù)奈恢米兓捎跇杜_不變形，所以樁臺變位后各樁樁頂?shù)南鄬ξ恢貌蛔?。各樁樁頂?shù)淖兾蝗缦拢核椒较虻囊苿泳嚯x （5-2）豎向方向的移動距離 （5-3）轉(zhuǎn)角 （5-4）樁頂軸向變位 （5-5）樁頂法向變位 （5-6）5.3計算樁頂截面的內(nèi)力樁頂軸向力 （5-7）樁頂剪力 （5-8）樁頂彎矩 （5-9）5.4靜力平衡方程式據(jù)作用在樁臺上的外力V、H、M0和樁頂反力相互平衡的條件得到：X=0計算結(jié)果如下表5-1所示：樁號CeNC△QCφQan（°）sin（an）cos（an）xaaxabxn(m)xacxbbxbcxccCφM雙直樁1178165.191238.1512908.33001.001238.150.0035.60-12908.33178165.19178165.19225961963.90162525.64雙直樁2179298.991363.9513911.06001.001363.950.0034.40-13911.06179298.99179298.99212345782.85170526.15樁3184584.942241.6920600.69001.002241.690.0029.00-20600.69184584.94184584.94155457510.24221576.50樁4190836.134738.0438343.36001.004738.040.0023.00-38343.36190836.1319083651347821.34樁5192465.656072.5847510.96001.006072.580.0017.50-47510.96192465.65192465.6559353441.11410834.71樁6197525.5819232.02135309.59001.0019232.020.0017.00-135309.59197525.58197525.5858081713.15996821.49樁7204701.03-22635.58-136895.71001.00-22635.580.0011.00136895.71204701.03204701.0323996586.50-772238.34樁8212417.46-10955.38-56918.16001.00-10955.380.005.0056918.16212417.46212417.465088177.89-222258.61叉樁9218209.69-9657.96-46040.0518.420.320.9513093.1423565.960.6084668.86196422.87181875.12-68551.85-124716.34叉樁10219805.64-9528.44-44756.2818.420.320.9513369.0823678.31-0.601211.82197859.48183717.37-50450.26-107537.57合計27757.7147244.2811110.571934277.321905587.48841466309.04表SEQ表\*ARABIC5-1靜力平衡方程計算結(jié)果將H、V、M0帶入上式，解得：將解得的a、b0、c帶入樁頂斷面的內(nèi)力計算公式中，計算結(jié)果如下表5-2所示：表5-SEQ表\*ARABIC\s12內(nèi)力計算結(jié)果1樁號ab0csin（an）cos（an）xn(m)b’na’n雙直樁13.95E-025.04E-034.62E-050135.606.69E-033.95E-02雙直樁23.95E-025.04E-034.62E-050134.406.63E-033.95E-02樁33.95E-025.04E-034.62E-050129.006.38E-033.95E-02樁43.95E-025.04E-034.62E-050123.006.10E-033.95E-02樁53.95E-025.04E-034.62E-050117.505.85E-033.95E-02樁63.95E-025.04E-034.62E-050117.005.83E-033.95E-02樁73.95E-025.04E-034.62E-050111.005.55E-033.95E-02樁83.95E-025.04E-034.62E-05015.005.27E-033.95E-02叉樁93.95E-025.04E-034.62E-05010.605.07E-033.95E-02叉樁103.95E-025.04E-034.62E-0501-0.605.01E-033.95E-02將所求的的a’n、b’n帶入以下公式，求得樁的軸向力Nn、樁頂剪力Qn和樁頂彎矩Mn，NnQnMn將樁的軸向力和樁的極限承載力驗算后，將打樁深度改為-17m且滿足基樁承載力荷載要求，內(nèi)力計算結(jié)果如下表5-3所示：表5-3內(nèi)力計算結(jié)果2樁號樁自由長度L0（m）Nn（kN)土層Ⅰ土層Ⅱ土層Ⅲ土層Ⅳ土層Ⅴ單樁軸向承載力設(shè)計值Qd（kN)樁的軸向力Nn（kN)厚度(m）樁側(cè)摩阻力（kPa）厚度(m）樁側(cè)摩阻力（kPa）厚度(m）樁側(cè)摩阻力（kPa）厚度(m）樁側(cè)摩阻力（kPa）厚度(m）樁側(cè)摩阻力（kPa）雙直樁115.821191.1710107150200400901199.331191.17雙直樁215.341188.8110.48107150200400