沉箱码头稳定验算和内力计算

沉箱码头稳定验算和内力计算

码头稳定性验算

（一）作用效应组合

持久组合一：设计高水位（永久作用）+堆货门机（主导可变作用）+波谷压力（非主导可变作用）

持久组合二：设计高水位（永久作用）+波谷压力（主导可变作用）+堆货门机（非主导可变作用）

短暂组合：设计高水位（永久作用）+波峰压力（主导可变作用） 不考虑地震作用去1

（二）码头延基床顶面的抗滑稳定性验算

根据《重力式码头设计与施工规范》（JTJ290-98）第3.6.1规定

应考虑波浪作用，堆货土压力为主导可变时：按（JTJ290-98）中公式（3.6.1-4）计算。

01

()()E H E qH P B G E V E qV u BU d

E E P G E E P f

γγγψγγγγψγγ++≤

+++

应考虑波浪作用，波浪力为主导可变时：

()()f E P E G E P E qV E Bu u V E G

d

qH E B P H E ψγλγγ

γψγγγ

γ+++≤

++1

o

短暂组合情况，按《防波堤设计与施工规范》（JTJ298-98）公式5.2.7计算 f P G P Bu u G B p )(0λλλλ-≤

式中：o γ——结构重要系数，一般港口取1.0； E γ——土压力分项系数；取1.35

PW γ——剩余水压力分项系数；取1.05 PR γ——系缆力分项系数；1.40

ψ——作用效应组合系数，持久组合取0.7；

V H E E 、——码头建筑物在计算面以上的填料、固定设备自重等永久作用所产生的总主动土压力的水平分力和竖向分力的标准值；

W P ——作用在计算面以上的总剩余水压力标准值； RH P ——系缆力水平分力的标准值；

qV qH E E 、——码头面上的可变作用在计算面上产生的总主动土压力的水平分力和竖向分力的标准值；

RV P ——系缆力垂直分力的标准值； G γ——结构自重力的分项系数，取1.0；

G ——计算面以上的结构自重力标准值；

f ——沿计算面的摩擦系数设计值，查表可得0.6，胸墙0.55

d γ——结构系数，不考虑波浪作用，取1.0

（三）码头延基床顶面抗倾稳定性验算 根据JTJ290-98第3.6.3规定

应考虑波浪作用，堆货土压力为主导可变时，按JTJ290-98公式3.6.3-4计算：

()()PBu u Eqv E EV E G G

d

PB P EqH E EH E o M M M M M M M ψλγγγγγγγγ+++≤

ψ++1

应考虑波浪作用，且波浪力为主导可变作用时，按JTJ290-98公式3.6.3-3计算：

()()E q V

E PBU U EV E G G

d

EqH E PB P EH E o M M M M M M M ψλγγγ

γγγγγ+++≤

ψ++1

短暂组合情况，按《防波堤设计与施工规范》（JTJ298-98）公式5.2.5计算 G G d

PBu u PB P M M M λλλλλ1

)(0≤+

抗倾稳定性见表

抗滑稳定性计算表 组合 项目

土压力为主导可变作用时

0()

E H E qH P B E E P γγγψγ++

1

()G E V E qV u BU d

G E E P f

γγγψγγ+++

结论

qH

E

ψ

P γ

B P 结果

d γ

G γ

G

f

V E

qV

E

u γ

BU P

结果

组合1

1 1.35

432.88

20.92 0.7 1.2

179 730 1.1

1 3273.23 0.6 110.7 97.21 1.3

0 1938.4

稳定

组合 项目

波压力为主导可变作用

()qH E B P H E E P E ψγγγγ++o

短暂组合

B

p P λλ0

()f

E P E G qV E Bu u V E G

d

ψγλγγ

γ+++1

f P G Bu u G )(λλ-

结论

qH

E

ψ

P γ

B P

结果

d γ

G γ

G

f

V E

qV

E

u γ

BU P

结果 组合2 1 1.35 432.88 20.92 0.7 1.2 179

818 1.1 1 3273.23 0.6 110.7 97.21 1.3 0 1917 稳定 短暂组合

1

1.35

20.92

/

1.2

172 206.4

/

1

2311

0.6

1.2

29.82

1365

稳定

γE

γH

E 0

γE

γH

E

抗倾稳定性验算计算表

组合

项目

土压力为主导可变作用时()

PB P EqH E EH E o

M M M γγγγψ++

()

PBu u Eqv E EV E G G d

M M M M ψλγγγγ+++1

结论

EH M

EqH

M

ψ

P γ

PB M

结果

d γ

G γ

G M

EV M

Eqv

M

u λ

PBu M

结果

组合1

1 1.35

3834 1027.9 0.7 1.3

2361.6 8713 1.35 1 21118.4 1439.1 271.96 1.3

0 17354.3

稳定

组合

项目

波浪力为主导可变作用时 ()

EqH E PB P EH E o M M M γγγγψ++

短暂组合 )(0PBu u PB P M M λλλ+

()

EqV E PBU U EV E G G

d

M M M M ψλγγγ

γ+++1

G

G d

M λλ1

结

论

EH M P γ

ψ

PB M

EqH

M

PBu M 结果

d γ G γ

G M

EV M

U γ

PBu M

EqV

M

结果 组合2 1

1.35

3834

1.3

0.7

2361.6 1027.9 /

9217 1.35 1

21118.4 1439.1 1.3

0 271.96 17272.7

稳定 短暂组合 1 1.35 0 1.2 / 2052.3

0 217 2723 1.25 1 15136.7

1.2 / 0 12109.4

稳定

γE

γ0

γE

γ

（四）基床承载力验算

1.基床顶面应力计算组合

持久组合情况一：设计低水位（永久作用）+波谷压力（主导可变作用）+（堆货+前沿堆货+门机情况）（非主导可变作用）

短暂组合情况：设计高水位（永久作用）+波峰期波峰压力（主导可变作用） 2.持久组合一基床顶面应力计算：

)/(28.43917.2745.1177.24139021.9722.3547m kN V K =+++++=

)/(02.30077934429096.2715.10285.152671.22951m m kN M R ?=+++++=

)/(1.805112019.10273.175185.40700m m kN M ?=+++=

3)(02.528.43911.805102.3077B

m >=-=

ξ

)(53.102.52

1.13m e =-=

kPa 600)1

.1353.161(1.1328.43915.5749.171max

min =<=?±=λσσ

3.短暂组合情况基床顶面情况计算： )/(228182.292311m kN V k =-=

)/(7.15136m m kN M R ?=

)/(3.22692173.20520m m kN M ?=+=

3)(.5228122697.15136B

m >=-=

ξ

)(91.0.52

1.13m e =-=

kPa 600)1

.1391.061(1.1322817.2469.143max

min =<=?±=λσσ

满足承载能力要求 （五）码头整体稳定性验算

按照《港口工程地基规范》第5.1.3 条规定，取设计低水位进行验算。计算采用

费伦纽斯提出的圆弧滑动法。 最危险滑动面圆心位置的确定：

最危险滑动面圆心位置是任意的，因此求得的K 值并不代表建筑物的最小稳定系 数。需计算一系列的圆心位置和半径。因此，初选圆心位置，以最小半径R(对重力 式码头而言就是圆弧通过岸壁后趾的总半径)，求出O 1 对应稳定安全系数K 1 。然后通 过O 1 作水平线，沿此直线在O 1 的左右逐次取圆心O 2 、O 3 、O 4 等，直到做出一圆心O n ，其左右的安全系数均比它大为此。通过O n 作垂线，沿此直线在O n 的上下逐次取圆心，及其对应稳定安全系数，直到做出一圆心O m 其上下的安全系数均比它大，与O m 相应的安全系数即为所求最小安全系数K min 。

初选圆心位置(?3.40, 4.4) ，以最小半径R=24.9m(对重力式码头而

言就是圆弧通过岸壁后趾的总半径)画出圆弧，圆弧中包括建筑和一部分土的体积，用垂线将圆弧分成6个条体。每个条体的自重力连同作用于其上的垂直荷载

为g。整体稳定安全系数为：

计算图示见图，计算结果见表

土坡稳定计算表

土条编号 1 2 3 4 5 6 ∑

8.58 4.99 4.32 13.1 12.76 0.748

(m

)

b

i

h

)

(m

i

γ

)

kN

(3m

/

(3m

q

kN

/

)

g

r

i

)(?

a

i

α

cos

δ

)(?

i

δ

tg

(kPa

C

)

l(m)

αtg

δ

cos

g?

cl

gr

（六）沉箱吃水及浮游稳定性计算

根据JTJ290-98《重力式码头设计与施工规范》P36中规定，近程浮运沉箱时，定倾高度0.2m m ≥，沉箱的干舷高度应满足下式：

223

B h F tg S θ≥

++ 式中：F —沉箱的干舷高度(m)；

B —沉箱在水面处的宽度(m)，此处B=11.1m ； h —波高（m ）；

θ—沉箱的倾斜角度，溜放时，采用滑道末端的坡角，浮运时采用008~6； S —沉箱干舷富裕高度，一般取m 0.1~5.0 则11.12 2.2

80.5 2.7423

F tg m ?=

++= 1.沉箱未灌水之前的浮游稳定性计算

① 沉箱重力及重心高度：

先求得沉箱各部分的重量及其形心高度计算对底板底面的重力矩，进而求得沉箱的重心高度。经计算沉箱的体积：3488.17V m =，重力：2525488.1712204G V KN ==?= 重力矩：68366KN ·m ，重心高度：68366

5.612204

c y m == ② 沉箱吃水及浮心高度

沉箱排水体积：312204

1190.610.25

V m =

= 沉箱前后趾悬臂部分的排水体积：31

(1.10.7)117.7231.862

v m =?+=

沉箱吃水：119031.86

5.11.117.7

V v T m A --===? 悬臂形心高度：

12(0.70.80.3)0.50.40.70.720.4870.5(0.7 1.1)1v y S y S y m S ?+?+÷??+?÷===?+?三角形矩形梯形

沉箱浮心高度：

()1190.631.86 5./231.860.487()/2 2.881190.6

v w V v T vy y m V -?+?-+=

==

5.6 2.88 2.72c w a y y m =-=-=

定倾半径：33/1217.711.1/12

1.691190.6I LB m V V ρ?==

== 1.69 2.72 1.030.2m a m m ρ=-=-=-<

所以沉箱浮游不稳定，需采取加水措施改善

③ 加1.5m 深的水时浮游稳定性验算

本次6个空仓均加水，通过计算得加水的总体积为2403m ，加水的重力为2460KN ，加水的重力矩为3567KN m ?

则沉箱总重力：KN G 146246012204=+= 沉箱的总重力矩：68366356771933G M KN =+=

重心高度：71933 4.9146c y m =

=，沉箱排水体积：3146

143110.25

V m == 沉箱前后趾悬臂部分的排水体积：31

(1.10.7)117.7231.862

v m =?+=

沉箱吃水：143131.86

7.1211.117.7

V v T m A --===? 悬臂形心高度：

12(0.70.80.3)0.50.40.70.72

0.4870.5(0.7 1.1)1

v y S y S y m S ?+?+÷??+?÷=

==?+?三角形矩形梯形

沉箱浮心高度：()143131.867.12/231.860.31

()/2 3.481431

v w V v T vy y m V -?+?-+=

== 4.9 3.48 1.41c w a y y m =-=-=

定倾半径：33

123317.711.144512 1.29143112LB l l I i m V V ρ-∑-∑?-??====? 定倾高度： 1.29 1.41 1.120.2m a m m ρ=-=-=-< 所以此时浮游稳定性不满足要求

④ 加2.5m 深的水时浮游稳定性验算

本次6个空仓均加水，通过计算得加水的总体积为4003m ，加水的重力为4100KN ，加水的重力矩为7995KN m ?

则沉箱总重力：KN G 16304410012204=+=

沉箱的总重力矩：68366799576361G M KN =+=

重心高度：76361 4.6816304c y m =

=，沉箱排水体积：316304

159110.25

V m == 沉箱前后趾悬臂部分的排水体积：31

(1.10.7)117.7231.862

v m =?+=

沉箱吃水：159131.86

7.9311.117.7

V v T m A --===? 悬臂形心高度：

12(0.70.80.3)0.50.40.70.72

0.4870.5(0.7 1.1)1

v y S y S y m S ?+?+÷??+?÷=

==?+?三角形矩形梯形

沉箱浮心高度：()159131.867.93/231.860.487

()/2 3.1591

v w V v T vy y m V -?+?-+=

== 4.68 3.0.78c w a y y m =-=-=

定倾半径：33

123317.711.144512 1.16159112LB l l I i m V V ρ-∑-∑?-??====? 定倾高度： 1.160.780.380.2m a m m ρ=-=-=> 所以此时浮游稳定性满足要求

第七章 沉箱结构内力计算

最不利组合：持久作用Ⅰ 沉箱前壁受由里向外作用的荷载最不利组合 持久作用Ⅱ 设计低水位，沉箱格底板受由下向上的荷载最不利组 合

短暂组合Ⅰ 施工期间沉箱箱壁受由外向里作用的荷载最不利

7.1 施工期沉箱沉放时面板所受水压力计算

经计算分析，沉箱面板所受水压力最大时是在沉箱内灌水1.5l 深度时，故只计算沉

箱下沉时，箱内灌水1.5l (4l m =)深度时的水压力。 (1). 沉箱总重：

根据设计高水位自重作用计算表中沉箱自重力计算的结果得：

=?

=∑25

11425.519042.5()15

i G KN 加入1.5L 深水后的沉箱总重为：

=+??-+-??

=2211123304560.22(45)0.22210.25822061.76G KN

(2).沉箱体积

计算：

322061.76

2152.3710.25

G V m γ

=

=

=

减去沉箱前后趾的体积则剩余体积：

'30.7 1.1

2152.372117.72120.512

V m +=-?

= (3).沉箱吃水计算：

'2120.5110.7911.117.7

V T m A ===?

（4）.沉箱面板所受水压力：

10.0910.25610.2541.92p kpa =?-?=

沉箱底板计算

设计高水位、持久状况，在永久作用、波谷浮托力、地基反力等共同作用下，底板所受作用效应最大。根据JTJ290-98《重力式码头设计与施工规范》P38中6.2.8及6.2.9规定，底板按照四边固定板计算。此处底板计算的分项系数分别取：贮仓压力：1.35；底板自重：1.20；地基反力：1.35，底板计算简图如下所示：

1.承载能力极限状态下的内力计算 前底板受力情况：

kPa p 3.847.53135.15.102.192.4135.11-=?-?+?= kPa p

85.44081.37735.15.102.192.4135.12-=?-?+?= 后底板受力情况：

kPa p 4.42859.36835.15.102.192.4135.11-=?-?+?= kPa p

96.22093.21435.15.102.192.4135.12-=?-?+?=

（1）取前底板受力状况为控制荷载，其计算见图如下：

前底板内力计算：

对于三角形荷载： kN ql 3319445.20722=?= 对于均布荷载： kN 7054485.44022=?= 三角形荷载查《建筑结构静力计算手册》表4-38可得：

8.05

4

==y x l l

对于跨中： m kN M x ?=?=8.4433190135.0 m kN M y ?=?=2433190072.0

对于支座： m kN M x ?-=?-=11033190332.00

m

kN M

m kN M y y ?-=?-=?-=?-=7.5633190171.0129

ql

331903.00

2

1

均布荷载查《建筑结构静力计算手册》表4-19可得：

对于跨中：m kN M x ?=?=19170540271.0 m kN M y ?=?=10270540144.0

对于支座： 错误！未找到引用源。 m kN M x ?-=?-=468705406.00

m kN M y ?-=?-=39470540559.00

综上所诉，在三角形和均布荷载共同作用下，前底板的弯矩： 对于跨中： m kN M x ?=+=8.2351918.44错误！未找到引用源。 m kN M y ?=+=12610224错误！未找到引用源。

对于支座： m kN M x ?-=--=5784681100错误！未找到引用源。

错误！未找到引用源。

m

kN M

m N M y y ?-=--=?-=--=7.4503947.56523

3941290

2

1

（2） 取后底板受力状况为控制荷载，其计算见图如下：

后底板内力计算：

对于三角形荷载： kN ql 3319444.20722=?= 对于均布荷载： kN ql 3093496.2202

2

=?= 三角形荷载查《建筑结构静力计算手册》表4-38可得：

8.05

4

==y x l l

对于跨中： m kN M x ?=?=8.4433190135.0 m kN M y ?=?=2433190072.0

对于支座： m kN M x ?-=?-=11033190332.00

m

kN M

m kN M y y ?-=?-=?-=?-=7.5633190171.0129

331903.00

2

1

均布荷载查《建筑结构静力计算手册》表4-19可得：

对于跨中：m kN M x ?=?=8430930271.0 m kN M y ?=?=4530930144.0

对于支座： 错误！未找到引用源。 m kN M x ?-=?-=205309306.00

m kN M y ?-=?-=173********.00

综上所诉，在三角形和均布荷载共同作用下，前底板的弯矩： 对于跨中： m kN M x ?=+=2.129848.44错误！未找到引用源。 m kN M y ?=+=694524错误！未找到引用源。

对于支座： m kN M x ?-=--=3152051100

错误！未找到引用源。

错误！未找到引用源。 m

kN M

m

N M y y ?-=--=?-=--=2301737.563021731290

2

01

2.正常使用状态下的内力计算：

地基反力系数取0.85 前底板受力情况：

kPa p 3.39947.53185.05.1092.411-=?-+= kPa p 72.26881.37785.05.1092.412-=?-+= 后底板受力情况：

kPa p 88.26059.36885.05.1092.411-=?-+= kPa

p 3.13093.21485.05.1092.412-=?-+= （1） 取前底板受力状况为控制荷载，其计算见图如下：

前底板内力计算：

对于三角形荷载： kN ql 20458.1302

2

=?= 对于均布荷载： kN ql 4300472.2682

2

=?=

三角形荷载查《建筑结构静力计算手册》P233表4-37可得

对于跨中： m kN M x ?=?=28200135.0 m kN M y ?=?=15200072.0 对于支

座： m kN M x ?-=?-=69200332.00

m

kN M

m kN M y y ?-=?-=?-=?-=36200171.081

2003.00

2

01

均布荷载查《建筑结构静力计算手册》表4-19可得：

对于跨中：m kN M x ?=?=11743000271.0 m kN M y ?=?=6243000144.0

对于支座： 错误！未找到引用源。 m kN M x ?-=?-=2830006.00

m kN M y ?-=?-=24043000559.00

综上所诉，在三角形和均布荷载共同作用下，前底板的弯矩： 对于跨中： m kN M x ?=+=14511728错误！未找到引用源。 m kN M y ?=+=776215错误！未找到引用源。

对于支座： m kN M x ?-=--=355286690错误！未找到引用源。

错误！未找到引用源。 m

kN M

m N M y y ?-=--=?-=--=27624036321

2408102

1

（2） 取后底板受力状况为控制荷载，其计算见图如下：

后底板内力计算：

对于三角形荷载： kN ql 20458.1302

2

=?= 对于均布荷载： kN ql 2085163.1302

2

=?=

三角形荷载查《建筑结构静力计算手册》P233表4-37可得

对于跨中： m kN M x ?=?=28200135.0 m kN M y ?=?=15200072.0

对于支座： m kN M x ?-=?-=69200332.00

m

kN M

m kN M y y ?-=?-=?-=?-=36200171.081

2003.00

2

1

均布荷载查《建筑结构静力计算手册》表4-19可得：

对于跨中：m kN M x ?=?=5720850271.0 m kN M y ?=?=3020850144.0

对于支座： 错误！未找到引用源。 m kN M x ?-=?-=138********.00 m kN M y ?-=?-=11720850559.00

综上所诉，在三角形和均布荷载共同作用下，前底板的弯矩： 对于跨中： m kN M x ?=+=855728错误！未找到引用源。 m kN M y ?=+=453015错误！未找到引用源。

对于支座： m kN M x ?-=--=207138690错误！未找到引用源。

错误！未找到引用源。

m

kN M

m

N M y y ?-=--=?-=--=15311736198117810

2

1

沉箱前后趾内力计算

1 承载能力极限状态下的内力计算 自重均布荷载13.5kN/m

（1）沉箱前趾的受力图示如下：

k P a p 7555.57435.15.135.11-=?-?= k P a p 71477.54335.15.135.12-=?-?=

对于三角形荷载：kPa q 41714755=-=

m m kN ql M /83.66

14162

2?-=?-=-= 对于矩形荷载：kPa q 714=

m m kN ql M /3572

1714222?-=?-=-= 综上所述： m m kN M /83.36335783.6?-=--= ()m m kN Q /5.7342/714755?=+=

2正常使用极限状态下的内力计算：

1 1.350.85574.5487p kpa =-?=-

2 1.350.85543.77461p kpa =-?=- 计算简图如下图示：

对于三角形荷载：

22

48746126261 4.3366

q kpa

ql M KN m

=-=?=-=-=-? 对于均布荷载：

22

4614611230.522

q kpa

ql M KN m

=?=-=-=-? 综上所述，在三角形荷载和均布荷载共同作用下：

k P a M 83.2345.23033.4-=--= ()m kN Q /4742/461487=+=

沉箱前面板受力情况

1 前面板承载能力极限状态的内力计算

（1）沉箱前面板受由外向里的力，由前面计算可知，沉箱下沉过程中，箱内灌水6m 时，沉箱吃水10.79，面板受力最大，此时面板水压力为41.92kPa ，静水压分项系数取1.2 kPa p 3.5092.412.1=?=

A 1.5L 以下板的内力计算