港口水工建筑物概论

港(口水)工建筑物HydraulicStructuresinPort/Harbor主讲蒋学炼（部分）课程内容课程内容第一篇码头建筑物(重点)第一章概述第三章板桩码头第四章高桩码头第二章重力式码头第二篇防波堤建筑物(重点)第七章概述第八章斜坡式防波堤第九章直立式防波堤第三篇修造船建筑物(简讲)第一章绪论第一章绪论一．我国港航建设概况二．港航工程项目建设程序三．本课程的学习内容、目的和方法•大陆海岸线约1.8万km•大小岛屿6500多个，岛屿海岸线约1.4万km•流域面积在100km2以上的江河5700余条，总长43万km一、我国港航建设概况•第一次港航建设高潮(1950-1972)：恢复和重建阶段–新中国筑港事业开始的标志：1952年，天津新港修复开港–我国自行设计施工的第一座大型港口：1956年，湛江港•第二次港航建设高潮(1973-1978)：–1973年，周总理“三年改变港口面貌”•第三次港航建设高潮(1979-2000)：大型化、机械化、专业化–2000年全国港口吞吐量22亿吨•21世纪以来的高速发展：–2013年全国港口货物吞吐量达107.5亿吨–2003年以来大陆港口货物吞吐量和集装箱吞吐量连续11年均居世界第一我国港航建设发展历程•沿海：五大港口群我国港航建设的成就•内河港航：2007年6月，《全国内河航道与港口布局规划》–内河高等级航道规划布局方案：构建通航千吨级及以上船舶的航道网络(规划内河高等级航道约１.９万公里)•三横:长江、珠江、黑龙江-松花江•一纵:京杭运河-淮河•两网:长江△洲高等级航道网、珠江△高等级航道网•十八线:１８条主要干支流高等级航道–内河主要港口规划布局方案：形成由２８个内河港口组成、以区域主要城市对外辐射的主要港口体系(长江、珠江、黑龙江、淮河、京杭运河)内河港口与航道布局①初步形成了沿海大型专业化码头建设成套技术：结构、施工及疏浚技术、装卸工艺②基本掌握了大型、高效港口机械装备核心技术：振华港机，中集集团③攻克了大型深水航道建设部分关键技术：长江口深水航道治理工程④内河水运工程技术取得重大进展：三峡船闸连续两级船闸运行的设计水头差达到45.2m⑤广泛应用信息化技术：集装箱智能化生产管理系统、大型专业化散货码头装卸自动化控制系统、船闸自动控制系统⑥基础性研究取得重大进展：基于可靠度的设计、泥沙运动规律、新材料……我国港航建设的成就•港口水工建筑物的结构型式变化：–短桩小跨→长桩大跨、实体重型→空心轻型、现场浇注→预制安装•重大技术成就和具有国际水平的创新成果：大型格型钢板桩码头结构、大直径预应力砼管桩、插入式大圆筒结构、半圆型沉箱导堤结构、大型桩式柔性靠船结构、插入式箱筒型基础等我国港航建设的成就港口航道工程的八大特殊性1.工程环境的特殊性潮位变化、基准面转换潮位高程、海水深度材料腐蚀与耐久性要求2.软土地基加固处理深水海底、吹填陆地3.外海施工测量定位GPS（沉桩定位）4.独有的重力、高桩、板桩等结构型式结构特点、施工程序5.内河浅滩、急滩、潮汐河口的整治方法和独有的整治建筑物6.海上航道疏浚、吹填造陆技术及其环保的要求挖泥船、土方量、工期、费用7.施工特殊性大型船机(大型砼构件出运)8.项目管理体现港航特点进度-有效工作日施工-水上水下作业安全-调遣防台、航行警通告①自然条件较好的海湾和海岸基本用完，今后更多在自然条件复杂的情况下筑港：浪高流急、深水软基②风暴潮、波浪、水流等复杂环境下港口及航道减淤防冲措施③新结构、新材料、新设计方法、新施工机械、新施工方法④外海大型开敞式码头的泊稳条件⑤钢结构、钢筋砼结构的耐久性问题⑥大型化、智能化、专业化港口机械装备与工艺技术开发港航建设面临的主要问题二、港口航道工程项目建设程序•预可行性研究–根据国家经济和社会发展的需要，以全国运输系统的要求及港口总体布局规划为依据，具体论证建设项目的必要性、技术可行性、经济合理性和建设规模，在此基础上向国家提出建设项目立项的建议(项目建议书)•项目建议书–项目正式开展前期工作的依据，包含建设项目的轮廓设想•可行性研究–以批准的项目建议书为依据，在必要的测量、勘探基础上对建设项目在技术和经济上是否可行进行科学论证，是技术经济的深入论证阶段(二个方案以上)项目决策立项阶段设计前的资料收集工作•自然条件资料–包括地形、地貌、地质、水文、气象、泥沙、河床演变资料等→港口选址、平面布置、结构选型•技术经济资料–货种、货物规格及包装形式、年不均衡系数、入库场系数、设计船型尺寸、空载满载吃水、排水量等→总平面布置、装卸工艺、库场面积等•使用和施工条件–业主要求→建筑物的功能→使用条件→结构作用(荷载和变形原因)、结构型式、构造要求–建筑材料供应、施工单位技术设备水平、施工期自然条件→工期、造价、结构选型航道底宽180m,底标高-15.0m港池码头岸线1200m,码头前沿底标高-15.0m新建防波堤回旋水域•自然条件资料→港口选址、平面布置、结构选型•技术经济资料→总平面布置、装卸工艺、库场面积等•使用条件和施工条件–使用条件→结构作用、结构型式、构造要求–施工条件→工期、造价、结构选型港工建筑物的可靠度设计方法•结构可靠度：–结构在规定的时间内，在规定的条件下(正常设计、正常施工和正常使用)，完成预定功能的概率•规定的时间:港口工程结构设计所依据的时间参数(设计持续期)，持久状况的设计持续期称为设计基准期；短暂状况的设计持续期称为短暂持续期；港口工程钢筋砼结构的设计基准期定为50年•规定的条件：正常设计、正常施工、正常使用•预定功能=安全性+适用性+耐久性=结构的可靠性港工建筑物的功能要求•安全性–能安全承受在使用和施工期间可能出现的各种作用(强度足够)–偶然事件发生时及发生后，结构仍能保持必需的整体稳定性•适用性–在正常使用和维护下具有合适的工作性能，不出现过大的变形和过宽的裂缝•耐久性–在正常使用和维护下具有足够的耐久性，不发生锈蚀和风化等现象结构功能的极限状态•结构的“预定功能”一般是以结构是否达到“极限状态”来标志的，并以此作为结构设计的准则•极限状态-结构或结构的一部分超过某一状态，就不能满足设计规定的某一功能要求的特定状态。实质上是结构可靠(有效)或不可靠(失效)的界限，故也称为界限状态•港工建筑物的极限状态=承载能力极限状态+正常使用极限状态承载能力极限状态•定义：对应于结构或结构构件达到最大承载能力或产生不适于继续承载的变形•当结构或结构构件出现下列状态之一，即认为超过了承载能力极限状态：①整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡(如倾覆、滑移)　②结构构件或连接部位因材料的强度极限被超过而破坏或因过度的塑性变形而不适于继续承载(如疲劳破坏)③结构转变为机动体系(如几何可变结构？)　④结构或结构构件丧失稳定(如压屈等)⑤地基丧失承载能力而破坏(如地基失稳等)正常使用极限状态•结构未超过(即未达到)正常使用或耐久性能的某项规定限值的状态•当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了正常使用极限状态：①影响正常使用或影响外观的过大变形(如梁的挠度过大)②影响正常使用或影响耐久性能的局部损坏(如钢筋砼的裂缝宽度，如桩体开裂引起钢筋锈蚀)　③影响正常使用的振动④影响正常使用或影响耐久性能的其它特定状态承载能力极限状态与正常使用极限状态的区别•当结构超过承载能力极限状态时，结构和构件丧失承载能力(安全性)•当结构超过正常使用极限状态时，结构和构件就不能满足适用性和耐久性的要求•港航工程混凝土的耐久性主要包括：①混凝土的抗冻性②混凝土防止钢筋锈蚀的性能③混凝土的抗渗性和抗海水侵蚀的性能设计状况分类•施工、使用、维修时环境条件不同，需区分不同的设计状况：①持久状况：具有与结构寿命同一数量级的持续时间的设计状况(如码头面承受堆货荷载和流动机械荷载的状况;防波堤承受波浪力的状况)②短暂状况：持续时间较短、出现的概率较高的设计状况(如防波堤施工期受波浪力作用)③地震状况：结构遭受罕遇地震作用④偶然状况：持续时间很短、出现的概率很低的设计状况(如非正常撞击、爆炸、火灾等)不同设计状况下应进行的极限状态设计设计状况承载能力极限状态正常使用极限状态持久状况应进行应进行短暂状况应进行根据需要进行地震状况应进行-偶然状况应进行（主要承重结构）-•用于描述工程结构预定功能的数学函数，可以概化为Z=g(R，S)=R-S=结构抗力-荷载效应，也可理解为结构构件扣除荷载效应后，结构内部所具有的多余抗力(“结构余力”)–当Z＞0时，结构抗力R大于作用效应S，结构处于可靠状态　–当Z＜0时，结构抗力R小于作用效应S，结构处于失效状态　–当Z=0时，结构抗力R等于作用效应S，结构处于极限状态港工建筑物的功能函数0失效域可靠域极限状态X12nZGXXX，，，功能函数示例GZ=M()puMM抗倾()ZfGUP抗滑PUG失效概率的理论解12120()(,,,)0fXnnZPPfxxxdxdxdZx12nZGXXX0，，，可靠指标的由来ZZ111()()zsfzPP202()1(0)exp22zzfzzzzPPZdzfP可靠指标的几何意义•坐标原点至极限状态曲面的最短垂线距离(最可能失效的路径)持久状况承载能力极限状态港工建筑物的目标可靠指标可靠指标与分项系数的关系•分项系数是为了使得基于可靠度的设计同现行设计准则相配合(实用化)，当按所选定的分项系数进行结构设计，所得可靠指标值与目标可靠指标值最为接近///RKGGGKQQQKRRSSSS1KGGKQQKRRSSGQRSS规范设计表达式1121,noGGkQQkoQiciQikidkkRSSSSRfa•设计(一般为二阶段设计)–初步设计：以总平面设计、工艺设计、建筑物结构方案设计为主，编制初步设计说明书(为下一步设计提供一个提纲，即五定：定总体布置、定工艺及主要设备、定主要建(构)筑物的结构方案、定工期和投资(概算)、定各项经济指标);完成稳定性验算–扩大初步设计(备选-三阶段设计)：主要针对特殊工程、复杂无经验的工程、局部的技术难关等–施工图设计：在初步设计的基础上，将工程项目设计具体化和细化，主要包括结构计算(承载、正常使用)、绘图、编制施工图预算及施工组织设计项目实施阶段初步设计阶段-定总体布置、定工艺设备、定经济指标初步设计阶段-定结构方案、定工期投资施工图设计阶段结构计算、绘施工图、编制施工图预算、施工组织设计•组织施工–“四控三管一协调”-做好费用控制、进度控制、质量控制、安全控制、合同管理、信息管理、现场管理、组织协调•竣工验收–由业主、承包商、监理、质监、设计、施工等各方验收各分部的工程质量及项目的实际生产能力和效益•施工准备–包括征地拆迁、场地准备(三通一平)、物资准备、招投标及报批开工日期等–“五落实”-投资落实、工程内容落实、施工图纸落实、材料设备落实和施工力量落实项目实施阶段六、本课程学习内容-目的-方法•什么是港口水工建筑物？建于水域中的港工建筑物•(1)港口设施-码头(Terminal)、防波堤(Breakwater)、护岸(Revetment)•(2)船厂设施-船台(Slipway)、滑道(Slideway)、船坞(Dock)等•以及海上灯塔(Beacon)和布置在水上的导标(LeadingMark)•不含航道工程：整治、疏浚、渠化、通航六、本课程学习内容-目的-方法•本课程主要讲解这些水工建筑物的设计，内容包括：①作用分析→有哪些作用？如何组合其效应？②结构选型→用什么结构？③构造设计→形式、尺度、节点④结构布置→排布⑤稳定性验算→抗滑、抗倾、基础、地基……⑥内力计算→构件M、N、Q、T→砼+筋(挠度、抗裂……)–注意：不包括构件承载力验算（构件配筋）←水运工程砼结构设计六、本课程学习内容-目的