【正文】 氣動新系統(tǒng)。由于其內(nèi)容涉及到氣動技術、起重技術、變頻調(diào)速、建筑工程等眾多學科領域，相關性較強，是多領域的交叉融合，這更加大了設計的難度。我們通過大型構件氣動頂升搬運系統(tǒng)的設計研究發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)具有下列優(yōu)勢：(1)綠色設計，綠色生產(chǎn)在系統(tǒng)設計過程中就充分考慮到環(huán)境因素和預防污染的措施，將環(huán)境性能作為系統(tǒng)的設計目標和出發(fā)點，力求使該系統(tǒng)對環(huán)境的影響達到最小，這是我們采用氣動技術的一個重要原因。相對于真正的清潔生產(chǎn)技術而言，這里所提到的清潔生產(chǎn)僅僅指生產(chǎn)施工過程。在這一環(huán)節(jié)，著眼于綠色生產(chǎn)進行選擇綠色生產(chǎn)工藝技術、綠色生產(chǎn)工藝設備與裝備等，采用氣動技術、使用氣囊等裝備是綠色生產(chǎn)的集中表現(xiàn)。(2)系統(tǒng)結構簡單，操作方便安全整個氣動搬運頂升系統(tǒng)主要由頂升、搬運、供氣、控制等四個子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)的結構簡單。操作簡易安全，頂升時利用卷揚機將氣囊拉入頂升溝，無需操作人員進入頂升溝，有利于施工操作人員的安全；利用空壓機對起重氣囊充氣就可以將沉箱等大型構件平穩(wěn)地頂升，可以有充分時間觀察沉箱等大型構件姿態(tài)情況，待頂升構件到位后進行定位后，對氣囊放氣完成后，將氣囊抽出即可。(3)系統(tǒng)適應強成本低氣囊頂升搬運時因為荷載分布均勻，避免了因為局部荷載過大而使地基產(chǎn)生的不均勻沉降，避免了在頂升過程中因局部沉降過大造成對混凝土基礎的損壞。對地基承載力要求低，由于氣囊底部承載力受力均勻，再通過頂升溝的混凝土基礎將荷載分散傳遞給地基，這就進一步對地基承載力的要求。這使得該系統(tǒng)具有更為廣泛的使用范圍，即可在地基礎差別較大的區(qū)域使用，增強了系統(tǒng)的適應性。這樣，在生產(chǎn)施工中，與普通的起重設備相比就大大簡化了基礎處理的工作量，降低了基礎處理的成本，特別是節(jié)省了處理專用頂升溝混凝土基礎的費用。(4)具有良好的應用前景目前船舶等大型金屬結構件、港口建設用沉箱以及防波堤壩工程用大型水工構件等需要量非常大，我們先后對天津港、威海港、大連港、龍口港、福州港等一系列港口進行了調(diào)研，并到中港第一航局第一工程公司第十六項目部、山東港灣建設有限公司威海港四期工程項目部、大連港預制廠等相關施工企業(yè)走訪，他們每年都有大量在陸上預制在水上安裝的大型構件，這些大型構件需要從岸上預制廠頂升搬運到半潛舶等大型船舶上，這種大型構件的陸海間頂升搬運是這些企業(yè)生產(chǎn)施工的重要部分，他們對大型構件氣動頂升搬運系統(tǒng)的需求非常迫切。 本文研究的主要內(nèi)容隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，我國港口建設的規(guī)模越來越大，目前我國港口重力式碼頭的單個沉箱重量已超過1000t，有的甚至在2500t以上，這些超級沉箱若仍采用在已有的碼頭前沿預制，由大型起重設備出運、安裝的工藝已不適應工程施工的需要，如采用陸上預制、滑道下水或塢內(nèi)預制后起浮出運的傳統(tǒng)工藝，就受到投資成本、工期、場地條件等多方面的制約。為此必需從大型沉箱陸上運輸?shù)募夹g加以研究，尋求科學、經(jīng)濟的技術工藝，對高壓氣囊（下簡稱氣囊）搬運大型沉箱技術進行了重點的應用研究。形成了一套比較完整的、適應于多種規(guī)格沉箱和重型構件出運的氣囊搬運技術。本文將對氣囊出運大型沉箱搬運系統(tǒng)和施工工藝進行探討，主要研究內(nèi)容包括：氣囊選型、氣囊工作壓力確定與控制、氣囊工作高度、間距、條數(shù)設計以及沉箱移動牽引系統(tǒng)的設計、預制沉箱的底模、沉箱上駁工藝等關鍵技術，氣囊的性能、氣囊的承載力、沉箱預制場的平面布置、沉箱搬運牽引和充氣系統(tǒng)、搬運的技術工藝、沉箱預制底模、堆場和運輸通道、上駁工藝、經(jīng)濟效益分析及推廣應用價值評估等。 到目前國內(nèi)氣囊搬運大型沉箱技術并無相關的技術規(guī)程和質(zhì)量標準，國外也未見有此技術應用的公開報道。為此，我們應用研究的技術線路和目標為：氣囊搬運技術的適用性，即該技術要適用于200～3500t的沉箱或其他重型構件的施工，必須滿足現(xiàn)場預制場的場地條件；確定氣囊搬運技術的工藝設計和主要參數(shù)；制定技術規(guī)程和安全事項；研究并設計與氣囊搬運技術相關的沉箱預制場平面布置、預制沉箱的底模、通道、堆場、供氣系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、移動速度、沉箱上駁的碼頭設施、半潛駁的改造等。 根據(jù)以上討論，本文將對以下問題作進一步的探討與研究。(1)介紹頂升氣囊布置方式的確定原則，進行超高壓頂升氣囊的選用，完成頂升溝槽的結構設計、頂升氣囊的選用。(2)對行走氣囊的選用、卷揚機及地錨的布置圖設計進行討論。(3)介紹大型構件前后牽引同步控制系統(tǒng)的設計。(4)探討高壓氣囊搬運沉箱的施工工藝和安全措施。 (5)探討氣囊搬運的優(yōu)點和經(jīng)濟效益分析。第2章 大型構件高壓氣囊搬運系統(tǒng)氣囊搬運技術的主要內(nèi)容包括：氣囊的性能、氣囊的承載力、沉箱預制場的平面布置、沉箱搬運牽引和充氣系統(tǒng)、搬運的技術工藝、沉箱預制底模、堆場和運輸通道、上駁工藝、經(jīng)濟效益分析及推廣應用價值評估等。到目前國內(nèi)氣囊搬運大型沉箱技術并無相關的技術規(guī)程和質(zhì)量標準，國外也未見有此技術應用的公開報道。為此，我們應用研究的技術線路和目標為：氣囊搬運技術的適用性，即該技術要適用于200～3500t的沉箱或其他重型構件的施工，必須滿足現(xiàn)場預制場的場地條件；確定氣囊搬運技術的工藝設計和主要參數(shù)；制定技術規(guī)程和安全事項；研究并設計與氣囊搬運技術相關的沉箱預制場平面布置、預制沉箱的底模、通道、堆場、供氣系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、移動速度、沉箱上駁的碼頭設施、半潛駁的改造等。 大型構件高壓氣囊搬運系統(tǒng)的功能大型構件氣動搬運系統(tǒng)的功能主要包括：頂升、搬運以及與之相聯(lián)系信息的處理等功能，這幾項功能也稱為大型構件氣動搬運系統(tǒng)的幾個重要環(huán)節(jié)，其基本功能的組成情況見圖2－1所示?，F(xiàn)將其中主要的功能簡述如下：大型沉箱高壓氣囊搬運系統(tǒng)的功能構成頂升功能搬運功能氣動控制檢測系統(tǒng)圖2－1 大型沉箱高壓氣囊搬運系統(tǒng)的功能構成頂升是構件搬運系統(tǒng)的主要功能之一，其在構件搬運系統(tǒng)中的主要任務是解決物料在空間上的位移問題。頂升過程并不改變產(chǎn)品的實物形態(tài)，也不增加其數(shù)量，但通過頂升作業(yè)可以解決大型構件空間距離問題，創(chuàng)造商品的空間效用，實現(xiàn)其使用價值。因此，頂升是構件搬運系統(tǒng)的一個極為重要的環(huán)節(jié)，頂升的合理與否，在很大程度上影響著構件搬運系統(tǒng)是否合理的問題。搬運是隨輸送和倉儲而產(chǎn)生的必要物流活動，是在統(tǒng)一地域范圍內(nèi)進行的、以改變物料的存放狀態(tài)和空間位置為主要內(nèi)容和目的的活動，是對運輸、倉儲等物流活動進行銜接的中間環(huán)節(jié)。物流各階段的前后和統(tǒng)一階段的不同活動之間，都必須進行搬運作業(yè)。可見，搬運是物的不同運動階段之間互相轉(zhuǎn)換的橋梁。正是搬運把物的運動的各個階段聯(lián)結為連續(xù)的“流”，使物流的概念名實相符。其中搬運作業(yè)具體包括：牽引、堆垛、出庫以及連接以上各項動作的短程搬運。在生產(chǎn)物流活動的全過程中，裝卸搬運活動的管理，主要是對裝卸搬運方式的選擇、裝卸搬運機械的選擇和合理配置與使用以及裝卸搬運合理化，盡可能減少裝卸搬運次數(shù)。氣動系統(tǒng)是一門傳動和控制技術，它以氣體為介質(zhì)，并通過氣體的壓縮、膨脹、吸熱和放熱等過程實現(xiàn)能量的傳遞和轉(zhuǎn)換。氣動系統(tǒng)是以壓縮空氣為工作介質(zhì)進行能量傳遞和信號傳遞的一門技術。氣動控制系統(tǒng)的工作原理是利用空壓機把電動機或其它原動機輸出的機械能轉(zhuǎn)換為空氣的壓力能，然后在控制元件的作用下，通過執(zhí)行元件把壓力能轉(zhuǎn)換為直線運動或回轉(zhuǎn)運動形式的機械能，從而完成各種動作，并對外做功。由此可知，氣動傳動系統(tǒng)是由四部分組成的，它們是：(1)氣源裝置是獲得壓縮空氣的裝置。其主體部分是空氣壓縮機，它將原動機供給的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的壓力能；(2)控制元件是用來控制壓縮空氣的壓力、流量和流動方向的，以便使執(zhí)行機構完成預定的工作循環(huán)，它包括各種壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥等；(3)氣囊是將氣體的壓力能轉(zhuǎn)換成機械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。(4)輔助元件是保證壓縮空氣的凈化、元件的潤滑、元件間的連接及消聲等所必須的，它包括過濾器、油霧器、管接頭及消聲器等。檢測系統(tǒng)主要用來獲得大型構件的空間姿態(tài)信息、頂升/行走氣囊的壓力信息，并將這些信息通過現(xiàn)場實時網(wǎng)絡傳輸給主控計算機，主控計算機則根據(jù)當前網(wǎng)絡傳來的氣囊位置信息決定卷揚機的下一步動作，同時，主控計算機也可以根據(jù)網(wǎng)絡傳來的頂升載荷信息和構件姿態(tài)信息決定整個系統(tǒng)的同步調(diào)節(jié)量。 高壓氣囊頂升與搬運系統(tǒng)的設計（1）頂升氣囊集群布置方式的確定原則確定頂升氣囊的擺放方式和頂升氣囊的數(shù)量是大型構件整體頂升中一項非常重要的工作，它直接關系到大型構件在頂升過程中的穩(wěn)定性、安全可靠性和施工經(jīng)濟性，因此，應經(jīng)過慎重考慮和確定頂升氣囊的布置方式。根據(jù)大型構件的出運方向、本著操作方便的原則均勻、對稱擺放。根據(jù)大型構件結構特點的不同，頂升氣囊集群可采用通長一列或左右兩列的排放方法，方向垂直于大型構件移動的方向。大型構件的結構通常分為圓柱型和箱體型，各種類型的構件頂升集群的布置形式也有所不同。（2）圓柱型和箱體型大型構件的氣囊集群布置圓柱類大型構件的頂升氣囊的平面布置形式如圖2－2所示。圖2－2 圓柱形大型構件氣囊布置圖長方型大型構件的氣囊布置方式如下圖2－3所示 圖2－3長方形大型構件氣囊布置圖在布置形式具體設計時，應根據(jù)大型構件的特點，選擇確定氣囊集群的具體布置形式。在大型構件臺座預制時，設置數(shù)道頂升溝槽作為頂升氣囊集群放置通道，并在頂升溝槽上設置頂升托板作為大型構件制造平面臺座。大型構件預制完成后，將氣囊集群各氣囊依次通過頂升溝槽放置在構件下面，氣囊充氣將頂升托板和大型構件同時頂升到合適高度，放置墊木，當支墊木放置完畢后，氣囊集群的各氣囊開始放氣，使大型構件下落到支墊木上。當大型構件座實后，氣囊繼續(xù)放氣，頂升托板落回原處，抽出氣囊，整個大型構件頂升動作完成。根據(jù)頂升功能，大型構件頂升系統(tǒng)的結構包括頂升溝槽、預制平臺、溝槽基礎、頂升托架、頂升氣囊集群以及供氣系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)，我們以大型沉箱為例設計頂升系統(tǒng)的硬件結構圖如圖2－4所示，頂升溝槽的結構詳圖如圖2－5所示。圖2－4 頂升系統(tǒng)結構圖圖中，a－頂升溝槽間距，m圖2－5 頂升溝槽結構詳圖圖中－頂升溝槽支承肩的高度，~－頂升溝槽深度，mm－頂升溝槽基礎厚度，mm－頂升溝槽支承肩的寬度，mm－頂升溝槽寬度，mm－頂升溝槽基礎寬度，mm 頂升溝槽的結構特點該頂升溝槽結構的特點如下：(1)對地基承載力要求低。如：威海港口建設工程中的22O0t大型沉箱頂升使用3條直徑的1m頂升氣囊，每條氣囊底部承載力為35t/m，左右，這部分載荷通過頂升溝槽的混凝土基礎將荷載分散傳遞給地基，要求的地基承載力在10t/m，左右，完全能夠滿足了碼頭后方地基承載力的要求。(2)受力均勻。氣囊頂升時因為荷載分布均勻，避免了因為局部荷載過大而使地基產(chǎn)生的不均勻沉降，避免了在頂升過程中因局部沉降過大造成對混凝土面層的損壞。(3)操作簡單，安全高效。利用卷揚機將氣囊拉入頂升溝，無需人員進入頂升溝，用空壓機將3條氣囊同時充氣只需20分鐘左右就可以將沉箱平穩(wěn)的頂升，在支墊好方木后，氣囊緩緩放氣，可以有充分時間觀察混凝土面層及沉箱的情況，放氣完成后，將氣囊抽出即可。(4)成本低廉。采用頂升溝槽及頂升托架其造價與單獨施工混凝土地面差不多，節(jié)省了處理專用頂升溝基礎費用，只需施工預制場25cm混凝土面層的費用。 起重氣囊的設計 起重氣囊的工況分析起重氣囊為高強度尼龍纏繞橡膠氣囊，其獨特的整體纏繞成型工藝，使氣囊囊壁成為無接縫、各向強度均衡的復合結構，再加上高強度的尼龍纖維增強材料和優(yōu)質(zhì)的進口橡膠，使同等的囊壁厚度具有比一般橡膠更高的強度。具有吸收沖擊能量大，作用大型構件單位面積上的壓力低，耐沖擊疲勞性能優(yōu)。我國船舶業(yè)已成功運用氣囊進行船舶的上排、下水，按照《船舶上排、下水用氣囊》標準(GB/T3795－1996)和《船舶用氣囊上排、下水工藝要求》標準(CB/T3837－1998)。氣囊分為低壓、中壓、高壓三種，氣動頂升系統(tǒng)應用的氣囊屬高壓氣囊類型。 起重氣囊結構的設計圖3－6 氣囊縱剖面圖 起重氣囊技術參數(shù)的設計與計算(1)氣囊囊體承載能力計算公式為： 式中 －每米囊體承載力， －氣囊公稱壓力， S－氣囊受壓后的橫截面積，氣囊是柔性彈性體，在使用過程中其形狀受構件形狀、地面形狀、構件寬度、氣囊長度和布置位置等多種因素的影響而改變。所以，承載面積與承載力也隨著變化。（2）囊公稱直徑D的選擇氣囊公稱直徑D是指氣囊在自由狀態(tài)下充填一定氣壓的壓縮空氣狀態(tài)下氣囊的直徑。氣囊的直徑愈大，價格愈高，氣囊的成本高；反之，氣囊的直徑愈小，允許的氣囊工作壓力愈大，同時對其配套設施(如：空壓機、壓力表、充氣管、連接件等)要求高，操作安全性降低。綜合考慮上述因素，選擇氣囊不僅要考慮安全可靠，同時也要考慮其經(jīng)濟性。(3)氣囊工作高度的選擇氣囊工作高度是指在頂升作業(yè)時大型構件底平面至頂升溝基礎表面的高度。氣囊的工作高度過高或過低均不利于大型構件的頂升，若氣囊的工作高度過高時，大型構件穩(wěn)定性差，此外氣囊囊體壓力大，也不利于氣囊的安全；工作高度過低時既造成氣囊的取放不便，也會造成氣囊體與構件和頂升槽的接觸面積加大，加劇了磨損，影響了氣囊的使用壽命。（4）氣囊長度的選擇氣囊長度是指氣囊囊體的長度，不包括氣囊頭部分的尺寸。氣囊長度的選擇是根據(jù)氣囊的承載面長度和氣囊公稱直徑D而定，氣囊的承載面長度與大型構件的底板尺寸有關。一般設計時，應保證氣囊的氣囊頭從大型構件的底部伸出為宜，但伸出長度不能過長。若伸長部分過長，在頂升過程中，氣囊頭部分受力情況復雜，易造成氣囊的磨損，降低氣囊的使用壽命。在頂升時，還應計算出頂升氣囊集群的總長度。計算時，應先根據(jù)構件的出運邊寬選擇中一根氣囊的長度，再確定頂升高度。由此計算出承載面積，按照氣囊的公稱壓力計算出所需氣囊的最短總長度。氣囊承載面寬度B與氣囊公稱直徑D和氣囊工作高度H有關。氣囊受壓后，其截面可看作由直徑為H的2個半圓和長度為B、H的長方形組成，見圖3－7所示。圖3－7 頂升氣囊頂升大型構件的示意圖圖中B－承載面寬度，mmH－氣囊工作高度，mm承載面寬度B是氣囊公稱直徑