【正文】 氣動新系統(tǒng)。由于其內(nèi)容涉及到氣動技術(shù)、起重技術(shù)、變頻調(diào)速、建筑工程等眾多學(xué)科領(lǐng)域，相關(guān)性較強(qiáng)，是多領(lǐng)域的交叉融合，這更加大了設(shè)計(jì)的難度。我們通過大型構(gòu)件氣動頂升搬運(yùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)具有下列優(yōu)勢：(1)綠色設(shè)計(jì)，綠色生產(chǎn)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中就充分考慮到環(huán)境因素和預(yù)防污染的措施，將環(huán)境性能作為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和出發(fā)點(diǎn)，力求使該系統(tǒng)對環(huán)境的影響達(dá)到最小，這是我們采用氣動技術(shù)的一個重要原因。相對于真正的清潔生產(chǎn)技術(shù)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(jìn)行選擇綠色生產(chǎn)工藝技術(shù)、綠色生產(chǎn)工藝設(shè)備與裝備等，采用氣動技術(shù)、使用氣囊等裝備是綠色生產(chǎn)的集中表現(xiàn)。(2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便安全整個氣動搬運(yùn)頂升系統(tǒng)主要由頂升、搬運(yùn)、供氣、控制等四個子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單。操作簡易安全，頂升時利用卷揚(yáng)機(jī)將氣囊拉入頂升溝，無需操作人員進(jìn)入頂升溝，有利于施工操作人員的安全；利用空壓機(jī)對起重氣囊充氣就可以將沉箱等大型構(gòu)件平穩(wěn)地頂升，可以有充分時間觀察沉箱等大型構(gòu)件姿態(tài)情況，待頂升構(gòu)件到位后進(jìn)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(yīng)強(qiáng)成本低氣囊頂升搬運(yùn)時因?yàn)楹奢d分布均勻，避免了因?yàn)榫植亢奢d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(chǔ)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(chǔ)將荷載分散傳遞給地基，這就進(jìn)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(chǔ)差別較大的區(qū)域使用，增強(qiáng)了系統(tǒng)的適應(yīng)性。這樣，在生產(chǎn)施工中，與普通的起重設(shè)備相比就大大簡化了基礎(chǔ)處理的工作量，降低了基礎(chǔ)處理的成本，特別是節(jié)省了處理專用頂升溝混凝土基礎(chǔ)的費(fèi)用。(4)具有良好的應(yīng)用前景目前船舶等大型金屬結(jié)構(gòu)件、港口建設(shè)用沉箱以及防波堤壩工程用大型水工構(gòu)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(jìn)行了調(diào)研，并到中港第一航局第一工程公司第十六項(xiàng)目部、山東港灣建設(shè)有限公司威海港四期工程項(xiàng)目部、大連港預(yù)制廠等相關(guān)施工企業(yè)走訪，他們每年都有大量在陸上預(yù)制在水上安裝的大型構(gòu)件，這些大型構(gòu)件需要從岸上預(yù)制廠頂升搬運(yùn)到半潛舶等大型船舶上，這種大型構(gòu)件的陸海間頂升搬運(yùn)是這些企業(yè)生產(chǎn)施工的重要部分，他們對大型構(gòu)件氣動頂升搬運(yùn)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(jì)的發(fā)展，我國港口建設(shè)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(yù)制，由大型起重設(shè)備出運(yùn)、安裝的工藝已不適應(yīng)工程施工的需要，如采用陸上預(yù)制、滑道下水或塢內(nèi)預(yù)制后起浮出運(yùn)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(yùn)輸?shù)募夹g(shù)加以研究，尋求科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的技術(shù)工藝，對高壓氣囊（下簡稱氣囊）搬運(yùn)大型沉箱技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)的應(yīng)用研究。形成了一套比較完整的、適應(yīng)于多種規(guī)格沉箱和重型構(gòu)件出運(yùn)的氣囊搬運(yùn)技術(shù)。本文將對氣囊出運(yùn)大型沉箱搬運(yùn)系統(tǒng)和施工工藝進(jìn)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(shè)計(jì)以及沉箱移動牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、預(yù)制沉箱的底模、沉箱上駁工藝等關(guān)鍵技術(shù)，氣囊的性能、氣囊的承載力、沉箱預(yù)制場的平面布置、沉箱搬運(yùn)牽引和充氣系統(tǒng)、搬運(yùn)的技術(shù)工藝、沉箱預(yù)制底模、堆場和運(yùn)輸通道、上駁工藝、經(jīng)濟(jì)效益分析及推廣應(yīng)用價(jià)值評估等。 到目前國內(nèi)氣囊搬運(yùn)大型沉箱技術(shù)并無相關(guān)的技術(shù)規(guī)程和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，國外也未見有此技術(shù)應(yīng)用的公開報(bào)道。為此，我們應(yīng)用研究的技術(shù)線路和目標(biāo)為：氣囊搬運(yùn)技術(shù)的適用性，即該技術(shù)要適用于200～3500t的沉箱或其他重型構(gòu)件的施工，必須滿足現(xiàn)場預(yù)制場的場地條件；確定氣囊搬運(yùn)技術(shù)的工藝設(shè)計(jì)和主要參數(shù)；制定技術(shù)規(guī)程和安全事項(xiàng)；研究并設(shè)計(jì)與氣囊搬運(yùn)技術(shù)相關(guān)的沉箱預(yù)制場平面布置、預(yù)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(shè)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(jìn)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(jìn)行超高壓頂升氣囊的選用，完成頂升溝槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、頂升氣囊的選用。(2)對行走氣囊的選用、卷揚(yáng)機(jī)及地錨的布置圖設(shè)計(jì)進(jìn)行討論。(3)介紹大型構(gòu)件前后牽引同步控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。(4)探討高壓氣囊搬運(yùn)沉箱的施工工藝和安全措施。 (5)探討氣囊搬運(yùn)的優(yōu)點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)效益分析。第2章 大型構(gòu)件高壓氣囊搬運(yùn)系統(tǒng)氣囊搬運(yùn)技術(shù)的主要內(nèi)容包括：氣囊的性能、氣囊的承載力、沉箱預(yù)制場的平面布置、沉箱搬運(yùn)牽引和充氣系統(tǒng)、搬運(yùn)的技術(shù)工藝、沉箱預(yù)制底模、堆場和運(yùn)輸通道、上駁工藝、經(jīng)濟(jì)效益分析及推廣應(yīng)用價(jià)值評估等。到目前國內(nèi)氣囊搬運(yùn)大型沉箱技術(shù)并無相關(guān)的技術(shù)規(guī)程和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，國外也未見有此技術(shù)應(yīng)用的公開報(bào)道。為此，我們應(yīng)用研究的技術(shù)線路和目標(biāo)為：氣囊搬運(yùn)技術(shù)的適用性，即該技術(shù)要適用于200～3500t的沉箱或其他重型構(gòu)件的施工，必須滿足現(xiàn)場預(yù)制場的場地條件；確定氣囊搬運(yùn)技術(shù)的工藝設(shè)計(jì)和主要參數(shù)；制定技術(shù)規(guī)程和安全事項(xiàng)；研究并設(shè)計(jì)與氣囊搬運(yùn)技術(shù)相關(guān)的沉箱預(yù)制場平面布置、預(yù)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(shè)施、半潛駁的改造等。 大型構(gòu)件高壓氣囊搬運(yùn)系統(tǒng)的功能大型構(gòu)件氣動搬運(yùn)系統(tǒng)的功能主要包括：頂升、搬運(yùn)以及與之相聯(lián)系信息的處理等功能，這幾項(xiàng)功能也稱為大型構(gòu)件氣動搬運(yùn)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(yùn)系統(tǒng)的功能構(gòu)成頂升功能搬運(yùn)功能氣動控制檢測系統(tǒng)圖2－1 大型沉箱高壓氣囊搬運(yùn)系統(tǒng)的功能構(gòu)成頂升是構(gòu)件搬運(yùn)系統(tǒng)的主要功能之一，其在構(gòu)件搬運(yùn)系統(tǒng)中的主要任務(wù)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(shí)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(gòu)件空間距離問題，創(chuàng)造商品的空間效用，實(shí)現(xiàn)其使用價(jià)值。因此，頂升是構(gòu)件搬運(yùn)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(gòu)件搬運(yùn)系統(tǒng)是否合理的問題。搬運(yùn)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(jìn)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(yùn)輸、倉儲等物流活動進(jìn)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(jìn)行搬運(yùn)作業(yè)?？梢?，搬運(yùn)是物的不同運(yùn)動階段之間互相轉(zhuǎn)換的橋梁。正是搬運(yùn)把物的運(yùn)動的各個階段聯(lián)結(jié)為連續(xù)的“流”，使物流的概念名實(shí)相符。其中搬運(yùn)作業(yè)具體包括：牽引、堆垛、出庫以及連接以上各項(xiàng)動作的短程搬運(yùn)。在生產(chǎn)物流活動的全過程中，裝卸搬運(yùn)活動的管理，主要是對裝卸搬運(yùn)方式的選擇、裝卸搬運(yùn)機(jī)械的選擇和合理配置與使用以及裝卸搬運(yùn)合理化，盡可能減少裝卸搬運(yùn)次數(shù)。氣動系統(tǒng)是一門傳動和控制技術(shù)，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(shí)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(jìn)行能量傳遞和信號傳遞的一門技術(shù)。氣動控制系統(tǒng)的工作原理是利用空壓機(jī)把電動機(jī)或其它原動機(jī)輸出的機(jī)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(yùn)動或回轉(zhuǎn)運(yùn)動形式的機(jī)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(jī)，它將原動機(jī)供給的機(jī)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(jī)構(gòu)完成預(yù)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(jī)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(gòu)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(shí)時網(wǎng)絡(luò)傳輸給主控計(jì)算機(jī)，主控計(jì)算機(jī)則根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)傳來的氣囊位置信息決定卷揚(yáng)機(jī)的下一步動作，同時，主控計(jì)算機(jī)也可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳來的頂升載荷信息和構(gòu)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(yùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（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(gòu)件整體頂升中一項(xiàng)非常重要的工作，它直接關(guān)系到大型構(gòu)件在頂升過程中的穩(wěn)定性、安全可靠性和施工經(jīng)濟(jì)性，因此，應(yīng)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(gòu)件的出運(yùn)方向、本著操作方便的原則均勻、對稱擺放。根據(jù)大型構(gòu)件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(gòu)件移動的方向。大型構(gòu)件的結(jié)構(gòu)通常分為圓柱型和箱體型，各種類型的構(gòu)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(gòu)件的氣囊集群布置圓柱類大型構(gòu)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(gòu)件氣囊布置圖長方型大型構(gòu)件的氣囊布置方式如下圖2－3所示 圖2－3長方形大型構(gòu)件氣囊布置圖在布置形式具體設(shè)計(jì)時，應(yīng)根據(jù)大型構(gòu)件的特點(diǎn)，選擇確定氣囊集群的具體布置形式。在大型構(gòu)件臺座預(yù)制時，設(shè)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(shè)置頂升托板作為大型構(gòu)件制造平面臺座。大型構(gòu)件預(yù)制完成后，將氣囊集群各氣囊依次通過頂升溝槽放置在構(gòu)件下面，氣囊充氣將頂升托板和大型構(gòu)件同時頂升到合適高度，放置墊木，當(dāng)支墊木放置完畢后，氣囊集群的各氣囊開始放氣，使大型構(gòu)件下落到支墊木上。當(dāng)大型構(gòu)件座實(shí)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(gòu)件頂升動作完成。根據(jù)頂升功能，大型構(gòu)件頂升系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括頂升溝槽、預(yù)制平臺、溝槽基礎(chǔ)、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(shè)計(jì)頂升系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2－4所示，頂升溝槽的結(jié)構(gòu)詳圖如圖2－5所示。圖2－4 頂升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中，a－頂升溝槽間距，m圖2－5 頂升溝槽結(jié)構(gòu)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(chǔ)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(chǔ)寬度，mm 頂升溝槽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)該頂升溝槽結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)如下：(1)對地基承載力要求低。如：威海港口建設(shè)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(chǔ)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?yàn)楹奢d分布均勻，避免了因?yàn)榫植亢奢d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(yáng)機(jī)將氣囊拉入頂升溝，無需人員進(jìn)入頂升溝，用空壓機(jī)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(jià)與單獨(dú)施工混凝土地面差不多，節(jié)省了處理專用頂升溝基礎(chǔ)費(fèi)用，只需施工預(yù)制場25cm混凝土面層的費(fèi)用。 起重氣囊的設(shè)計(jì) 起重氣囊的工況分析起重氣囊為高強(qiáng)度尼龍纏繞橡膠氣囊，其獨(dú)特的整體纏繞成型工藝，使氣囊囊壁成為無接縫、各向強(qiáng)度均衡的復(fù)合結(jié)構(gòu)，再加上高強(qiáng)度的尼龍纖維增強(qiáng)材料和優(yōu)質(zhì)的進(jìn)口橡膠，使同等的囊壁厚度具有比一般橡膠更高的強(qiáng)度。具有吸收沖擊能量大，作用大型構(gòu)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(yùn)用氣囊進(jìn)行船舶的上排、下水，按照《船舶上排、下水用氣囊》標(biāo)準(zhǔn)(GB/T3795－1996)和《船舶用氣囊上排、下水工藝要求》標(biāo)準(zhǔn)(CB/T3837－1998)。氣囊分為低壓、中壓、高壓三種，氣動頂升系統(tǒng)應(yīng)用的氣囊屬高壓氣囊類型。 起重氣囊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖3－6 氣囊縱剖面圖 起重氣囊技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)與計(jì)算(1)氣囊囊體承載能力計(jì)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(gòu)件形狀、地面形狀、構(gòu)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(jià)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(shè)施(如：空壓機(jī)、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(jì)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(gòu)件底平面至頂升溝基礎(chǔ)表面的高度。氣囊的工作高度過高或過低均不利于大型構(gòu)件的頂升，若氣囊的工作高度過高時，大型構(gòu)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(gòu)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(gòu)件的底板尺寸有關(guān)。一般設(shè)計(jì)時，應(yīng)保證氣囊的氣囊頭從大型構(gòu)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(fù)雜，易造成氣囊的磨損，降低氣囊的使用壽命。在頂升時，還應(yīng)計(jì)算出頂升氣囊集群的總長度。計(jì)算時，應(yīng)先根據(jù)構(gòu)件的出運(yùn)邊寬選擇中一根氣囊的長度，再確定頂升高度。由此計(jì)算出承載面積，按照氣囊的公稱壓力計(jì)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(guān)。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(gòu)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