沉箱码头计算书讲解

任务要求：
码头设计高水位12米，低水位7.4米，设计船型20000 吨，波高小于1
米，地面堆货20kpa，Mh—16—30门座式起重机，地基承载力不足，须抛石< br>基床。
一．拟定码头结构型式和尺寸
1． 拟定沉箱尺寸：
船舶吨级为20000吨，查规范得相应的船型参数：

设计船型

总长
（m）

183

即吃水为10.5米。
其自然资料不足，故此码头的前沿水深近似估算为：
型宽
（m）

27.6

满载吃水
（m）

10.5

D?kT?1.15?10.5?12.1m
，
设计低水位7.4米，则底高程：< br>7.4?12.1??4.7m
，因此定底高程-5.1m处。由于沉箱定
高程即为胸墙 的底高程，此处胸墙为现浇钢筋混凝土结构，要求满足施工水位高于设计低水
位，因此沉箱高度要高于码 头前沿水深12.1m。
综上，选择沉箱尺寸为：
l?b?h?13m?10.2m?14m
。
下图为沉箱的尺寸图：

2．拟定胸墙尺寸：

如图，胸墙的顶宽由构造确定，一般不小于0.8m，对于停靠小型内河船舶的码头不小于< br>0.5m。此处设计胸墙的顶宽为1.0m。设其底宽为5.5m，检验其滑动和倾覆稳定性要求是
否满足要求：（由于此处现浇胸墙部分钢筋直接由沉箱顶部插入，可认为其抗滑稳定性满足
要求，只需 验算其抗倾稳定性）
设计高水位时胸墙有效重力小于设计低水位时，对于胸墙的整体抗倾不利 ，故考虑设计
高水位时的抗倾稳定。
沉箱为现浇钢筋混凝土，其重度在水上为
23.5kNm
，水下为
13.5kNm
，则在设计
高水位时沉箱的自重为：
33
?
5.5?1
?
?
11.51
G?[1?1.5??1.5??< br>?
5.5?1
?
?
?23.5?{3.1?1?
?
1 .5?（5.5?1）]?3.1?}?13.5
24.64.62
则
G?227.83kN
。
自重G对O点求矩：
M
G
?7 7.1?0.5?（33.4967?5.5?10.4792）?（23?5.5?13）=733.56kN ?m
。
考虑到有门机在前沿工作平台工作时，胸墙的水平土压力最大，此处门机荷载折算为 线性荷
载为：

q?
250?10
?178.57kPa
。
14
（此处近似用朗肯土压力进行验算）朗肯主动土压力系数：
Ka?tan
2
(45
?
?
?
)?tan
2
(45
?
?35
?
)=0.27
。
则其土压力分布如上图：
如上图，其各点的土压力强度为：
P
0
=Ka
?
?
1
h?q
?
?0.27?178.57?48.21kPa;
P
a
?Ka
?
?
1
h1?q
?
?0.27?
?
18?1.5?178.57
?
?55.5kPa;

P
b
?Ka
?
?
1
h1?
?
2
h2?q
?
?0.27?
?
18?1.5?9.5?3.1?178.57
?
?63.46kPa.
则其土压力为：
E?0.5?1.5?
?
48.2 1?55.5
?
?0.5?3.1?
?
55.5?63.46
??262.17KN
。
作用点至墙底的距离为：
111
(48.21 ?4.6?2.3?7.29?3.1
2
?0.5?7.96?3.1
2
?0 .5??0.5?7.29?1.5?(?3.1))
E33
=2.20m 。
y?
则土压力对墙前O点的弯矩值为：
M?262.17?2.2?576.77KN?m
。
综上：
M
G
=733.56kN?

m?M?576.77KN?m
，即说明在高水位时胸墙能保持抗倾稳定。
即胸墙的 尺寸为：顶宽为1.0m，底宽为5.5m，高为4.6m。
则码头的结构形式及尺寸如图：

二、计算高低水位时抗滑、抗倾稳定性及地基应力
1、荷载作用分类及计算：
（1）结构自重力（永久作用）：
a、设计高水位情况：

设计高水位自重作用计算表

项目
沉箱前、后面板、纵隔墙
沉箱侧板、横隔墙
沉箱底板
沉箱前趾
沉箱内填土
胸墙
计算式
(13.05*0.3*+13.05*2)*13*15
（13.05*4.25*0.3*4+13.05
*4.25*0.2*4）*15
（9.3*0.25*13）*15
（0.45+0.85）*0.9*0.5*13*15
4.25*4*13.05*9.5*6
[(1+2.5)*1.5*0.5*23.5+(2.5+5.5)
*3.1*0.5*13.5]*13
[(4.8+7.8)*3.1*0.5*9.5+(7.8+9.3)
*1.5*0.5*18]*13

25668.3513
Gi（KN) Xi(m) Gi*Xi(KN*m)
11196.90
9151.45
4488.55
56.60
69549.98
1191.60
2035.80 5.50
1663.90 5.50
816.10
114.10
5.50
0.50
12645.45 5.50
2979.00 0.40
胸墙后填土
总计
每延米自重作用
5414.00 4.12
25668.35
1974.49


22305.68
117940.76
9072.37

b 、设计低水位情况：

设计低水位自重作用计算表

项目 计算式
2*（0.3*12.5*13*15
沉箱前面板、后面板、
纵隔墙
+0.3*1.05*13*25）
+0.2*12.5*13*15+
0.2*1.05*13*25
2*（0.3*12.4*12.5*
沉箱侧板，横隔板
15+0.3*12.4*1.05
*25）+0.2*12.4*12.5
*15+0.2*12.4*1.05*25
沉箱底板
沉箱前趾
沉箱内填石
10.2*0.45*13*15
0.85*0.9*13*15
6*（3.4*3.65*12.5*9.5
+3.4*3.65*1.05*18）
（1+5.5）*4.62*
13*23.5
(3.8+8.3)*4.62*13*18


895.05
149.18
10249.42
5.55
0.45
5.55
4967.53
67.13
56884.28
2120.40 5.55 11768.22
2223.00 5.55 12337.65
Gi(kN) Xi(m) GiXi(kN*m)
胸墙
胸墙后填土
总计
每延米自重作用
4567.23
6512.22
26716.49
2055.11
2.79
7.04


12719.72
45819.98
144564.50
11120.35

（2）、土压力标准值计算：

码头后填料为粗砂，水上水下的内摩擦角
?
=35
，沉箱以下外摩擦角?
=
?
?
35
?
3
=
3
=1 1.7
?
。
主动力系数为：
K
a
?
cos< br>2
?
?
sin(
?
?
?
)sin
?
?
?
1?
?
cos
?
??
??
2
=
cos
2
35
?
?
sin(35
??11.7
?
)sin35
?
?
?
1?
??
cos11.7
??
??
2
=0.29

K
ax
=K
a
cos
?
?0.29?cos11.7
?
?0.28
；
K
ax
=K
a
cos
?
?0.29?sin11.7
?
?0.06
。
土压力标准值按下式计算：
e
n1
?(
?
?
i< br>h
i
)K
a
cos
?

i?0
n< br>n?1
e
n2
?(
?
?
i
h
i)K
a
cos
?

i?0
其中
cos
?
=1
。

a、 码头后填料土压力（永久作用）：
设计高水位情况：
e
13.5
?0
；
e
12.0
?
?hK
a
?18?1.5?0.29?7.8kPa
；
e'
12 .0
?
?
hK
a
?18?1.5?0.28?7.56kPa
（与
e
12.0
相差很小，近似忽略）
e
-5.1
?（
?
1
h
1
+
?
2
h
2
） K
a
?（18?1.5+9.5?17.1）?0.28?54.94kPa
。
土压力强度分布图见上图高水位计算作用分布图。
土压力为：
11
En
??7.8?1.5??
?
7.8?54.94
?
?17.1 ?542.56KNm
；
22

土压力标准值的水平力：
E
Hn
?E
n
cos
?
?542.56?cos1 1.7
?
=531.29KNm
；
土压力标准值的竖向力：
E< br>Vn
?E
n
sin
?
?542.56?sin11.7
?
=110.02KNm
；
土压力引起的倾覆力矩为：
11.517. 1117.1
M
EH
??1.5?7.8?（17.1+）+7.8?17.1?+? （54.94-7.8）?17.1?
23223

=3540.73(KN
?
m)m 。
土压力引起的稳定力矩为：
M
EV
?10.2?110.02=1122.20(KN?m)m
。
设计低水位情况：
e
13.5
?0
；
e
7.4
?
?
hK
a
?0.29?18?6.1?31.84kPa
；
；
e'
7.4
?
?
hK
a
?0.2 8?18?6.1?30.75kPa
（相差不大，近似和
e
7.4
相等）< br>e
-5.1
?（
?
1
h
1
+
?2
h
2
）K
a
?（18?6.1+9.5?12.5）?0.2 8?66.28kPa
。
土压力强度分布图见上图低水位计算作用分布图。
土压力为：
11
E
n
??6.1?31.84?（31.842? 66.28）??12.5?713.76KNm
；
22
土压力标准值的水平力：
E
Hn
?E
n
cos
?
?713.76?cos1 1.7
?
=698.93KNm
；
土压力标准值的竖向力：
E< br>Vn
?E
n
sin
?
?713.76?sin11.7
?
=144.74KNm
；

土压力引起的倾覆力矩为：
16.112.5112.5
M
EH
? ?6.1?31.84?（12.5+）+31.84?12.5?+?（66.28-31.84）?12.5 ?
23223
=4795.74(KN
?
m)m 。
土压力引起的稳定力矩为：
M
EV
?10.2?144.74=1476.35(KN?m)m
。

b 、堆货荷载产生的土压力：
各种水位时，堆货荷载产生的土压力强度标准值相同。
e
13.5~8.9
?20?0.29?5.80kPa
；
（近似相等，均取5.80kPa）
e
8.9~-5.1
?20?0.28 ?5.60kPa
。
土压力强度分布图见上图高水位计算作用分布图。
堆货荷载引起的水平作用：
E
qH
?5.80?18.6?107.88KNm
；
堆货荷载引起的竖向作用：
E
qV
?E
qH
?tan11 .7
?
?107.88?tan11.7
?
=22.34KNm
；
堆货荷载引起的倾覆力矩：
M
EqH
=E
qH
?18.6 ?107.88?2006.57(KN?m)m
；
堆货荷载引起的稳定力矩：
M
EqH
=E
qH
?18.6?22.34?415.52(KN?m)m。
c、码头前沿堆货引起的竖向作用：

码头前沿堆货范围按7m计算。
G?7?20?140KNm
；
码头前沿堆货产生的稳定力矩：
7
??
M
G
?140?< br>?
(10.2?7)?
?
?938(KN
?
m)m
。
2
??
d、门机荷载产生的土压力计算（可变作用）：
沉箱长度为13m， 故考虑时仅按一台门机产生的土压力计算，在吊臂处于不同位置下各种
水位中，门机产生的土压力范围相 同。

如图情况3：A、B前腿为1100KN、400KN，C、D后腿为400KN、1100KN。
门机后退产生的附加土压力强度：
e
P
?
2P
K
ax
=2?15001310.2?0.28?6.33kPa
；
h
门机后腿产生附加土压力引起的水平作用和倾覆力矩：
1
E
qH
??6.33?10.2?32.28KNm

2
M
qH
?32.28?5.1=164.64(KN?m)m

门机后腿产生附加土压力引起的竖向作用和稳定力矩：

E
qV
?32.28?tan11.7
?
?6.68KNm

M
qV
?6.68?10.2=68.19(KN?m)m

门机前腿产生附加土压力引起的竖向作用和稳定力矩：
G?150013?115.38KNm

M
G
?115.38?2.75=317.30(KN?m)m

其 余两种情况类似，但是1和2情况下，后腿竖向荷载小于3情况，故产生的附加土压力
也小于3情况，考 虑最不利情况时，仅需考虑3情况即可。

(3)、船舶系缆力（可变作用）
N
x
?Nsin
?
cos
?
；
N
y
?Ncos
?
sin
?
。
因为此处是海港码头，按要求，则
?
=30
，
?
=15
。

??
N
x
?Nsin
?
cos
?
=500?sin30
?
?cos15
?
=241.48KN
；
系缆力引起的水平作用和倾覆力矩为：
P
RH
?
241.48
?18.58KNm
；
13
M
PR
?18.58?18.6?345.59(KN?m)m
。
（4）、码头荷载标准值汇总

码头荷载汇总表

作用
分类
自
重
永
久
作
用
力
填
料
土
压
力
堆货土压力
可
变
作
用
前沿堆货
门机作用
船舶系缆力
22.34
140.00
122.06

107.88

32.28
18.58
415.52
938.00
385.49

2006.57

164.64

设计低水位 144.74 698.93 1476.35 4795.74
设计低水位 2055.11 11120.35
荷载情况
垂直力
（KNm)
1974.49
水平力
（KNm)

稳定力矩
（KN*mm
9072.37
倾覆力矩
（KN*mm)
设计高水位
设计高水位 110.02 531.29 1122.20 3540.73

2、码头稳定性验算
（1）作用荷载效应组合
持久组合：设计高水位（永久作用）+堆货（主导可变作用）；（波浪力为0）
短暂组合：波浪力为0，故此不予考虑；
偶然组合：非正常撞击、火灾、爆炸等未考虑；
地震组合：可不进行抗震验算。
（2）码头沿基床顶面的抗滑稳定性验算：
此处无波浪作用，堆货土压力为主导可变作用时：
?
0
(
?
E
E
H
+
?
E
E
qH
+
??< br>P
P
B
)?

1
?
d
(
?
G
G+
?
E
E
v
+
?
E
E
qv
+
??
d
)f

（3）码头沿机床顶面的抗倾稳定性验算：
此处无波浪作用，考虑堆货土压力为主导可变作用时：
?
0
(
?< br>E
M
EH
+
?
E
M
EqH
+
??
P
M
PB
)?
1
?
d
((
?
G
M
G
+
?
E
M
Ev
+
?
E
M
Eqv
+
??
u
M
PBu
)

抗滑稳定性验算计算表
项目
组合
情况
r
0
r
E1

土压力为主导可变作用：
r0
(r
e1
E
H
+rE2EqH+фr
p
P< br>B
)
1r
d
(r
g
G+r
E1
E
v
+R
e2
Eqv+фr
u
P
Bu
)f
E
H
r
E2
E
qH
ф r
p
P
B
结果 r
d
rg G E
v
Eqv r
u
P
Bu
f 结果 结论
高水位 1.0 1.35 531.29 1.25 107.88 0.7 1.2 0 8 52.09 1 .1 1.0 1974.49 110.02 22.34 1.2 0 0.6 1173.24 稳定
持久
组合
低水位 1.0 1.35 698.93 1.25 107.88 0.7 1.2 0 1078.41 1.1 1.0 2055.11 144.74 22.34 1.2 0 0.6 1242.78 稳定


抗倾稳定性验算计算表
项目
组合
情况
r
0
r
E1

土压力为主导可变作用：
r
0
(r
e1
M
EH< br>+r
E2
M
EqH
+фr
p
M
PB
)
1r
d
(r
g
M
G
+r
E1
M
Ev
+R
e2
M
Eqv
+фr
u
MPBu
)
M
EH
r
E2
M
EqH
ф r
p
M
PB
结果 r
d
rg M
G
M
Ev
M
Eqv
r
u
M
PBu
结果 结论
1.25 2006.6 0.7 1.2 0 7 228.2 1.35 1.0 9072.37 1122.20 1739.0 1.2 0 9452.66 稳定
持久
高水位 1.0 1.35 3540.7
组合
低水位 1.0 1.35 4795.7 1.25 2006.6 0.7 1.2 0 8 982.4 1.35 1.0 11120.3 1476.35 1739.0 1.2 0 11323.8 稳定


（4）基床承载力验算：
持久组合：设计低水位（永久作用）+堆货（可变作用）；（波浪力为0）

短暂组合：波浪力为0，故此不予考虑；
偶然组合：非正常撞击、火灾、爆炸等未考虑；
地震组合：未进行抗震验算。
持久组合是基床顶面应力计算：
V
k
?2055.11?144.74?2 2.34?140?122.06?2484.25KNm
；
M
R
?11 120.35?1476.35?415.52?938?385.49?14335.7KN?mm
M
0
?4795.74?2006.57?164.64?6966.95KN?mm
；
?
=
M
R
?M
0
V
?
143 35.7?6995.95
?2.95m
；
k
2484.25
ξ =2.95m?
2
V
k
max
=
3
?
；
?
min
?0

则：
?
2V
k
2?
max
=
3
?
?
2484.25
3?2.95
?561.41kPa
?
?
?600kPa

?
min
?0
综上，抛石基床承载力满足强度要求。
2、地基承载力验算：
抛石基床厚度为2m，则验算地基表面应力：
?
'
max
?
B
1
?
max
Bd
?
?
d
1
?2
；

；

?
'
min
?
B
1
?
min< br>?
?
d
B
1
?2d
；
此处
?
?
B
3
,
故
B
1
?3
?
。
则：
?
'
B
1
?
max
max
?
Bd
?
?
d=
2.95?3?561.41
2.95?3?2?2
?11?2?386.65k Pa
1
?2
?
'
B
1
?
min
m in
?
B
?
?
d=0?11?2?22.00kPa
。
1
?2d
那么：
?
'
max
?386.65kP a
?
'22.00kPa
?500kPa
，
min
?
则地基承载力满足要求。

三、沉箱的浮游稳定计算
；

沉箱材料体积和体积矩的计算表
体积（m
3
）
x
i
前壁0.3*13*1454.6
后壁0.3*13*14 54.6
侧壁0.3*8.7*14*273.08
底壁0.45*8.7*12.448.5 46
纵膈腔0.2*12.4*13.0532.364
横隔墙0.2*4.25*15.05 *444.37
断内加强角
0.5*0.2
2
*13.55*4
1. 084
内加强角
0.5*0.2
2
*13.05*20
5.22底加强角
0.5*0.3
2
*（3.65+3.4）*12
3.807< br>0.5*0.4*0.9*132.34
前趾
0.45*0.9*135.265
总和325.276
构件体积计算式
无压载时沉箱重心位置（钢筋混凝土重度为25kNm< br>3
）

形心位置(m)
体积矩(m
4
)
y< br>i
v
i
x
i
v
i
y
i
1. 057.22557.33394.49
10.057.225548.73394.49
5. 557.225405.594528.003
5.550.23269.4311.17
5. 556.98179.62225.9
5.55179.62246.25309.7
5.55 6.986.0168.1
5.5526.2528.97137.71
5.557.4752 1.132.094
0.66.0161.4041.357
0.457.2252.371. 21
1766.8451914.224

vixi
1766.845
?
Xc===5.43m
vi
325.276
?
Yc=
?
viyi
=
1914.224< br>=5.88m
?
vi
325.276
不加压仓水时，沉箱的浮有稳定性验算 由于不加压仓水，沉箱重力G和中心高度cy不变。
因此:
G=325.276*25=8131.9KN
Yc=5.88m
沉箱的总排水体积 V=
8131.9
?
793.36
m
3

10.25
前趾的排水体积v=2.34+5.265=7.605 m
3

（V?v）793.36-7.605
?
5.76
m
=
A 13*10.2
(V?v)T?2?vy
793.36-7.605）*5.76*0.5?7 .605*2
（?
2.87m

浮心高度Yw==
V793.36
沉箱吃水T=
a=Yc- Ya=5.88-2.87=3.01m
定倾半径
?
?
I?
?i
V
13*14
3
?12
=
=3.75
793.36

定倾高度m=
?
-a=3.75-3.01=0.64m>0
故，满足浮游稳定性要求。