【正文】 、山東港灣建設(shè)有限公司威海港四期工程項目部、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)件氣動頂升搬運系統(tǒng)的需求非常迫切。為此必需從大型沉箱陸上運輸?shù)募夹g(shù)加以研究，尋求科學(xué)、經(jīng)濟的技術(shù)工藝，對高壓氣囊（下簡稱氣囊）搬運大型沉箱技術(shù)進(jìn)行了重點的應(yīng)用研究。本文將對氣囊出運大型沉箱搬運系統(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)計以及沉箱移動牽引系統(tǒng)的設(shè)計、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、沉箱搬運牽引和充氣系統(tǒng)、搬運的技術(shù)工藝、沉箱預(yù)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(yīng)用價值評估等。為此，我們應(yīng)用研究的技術(shù)線路和目標(biāo)為：氣囊搬運技術(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；確定氣囊搬運技術(shù)的工藝設(shè)計和主要參數(shù)；制定技術(shù)規(guī)程和安全事項；研究并設(shè)計與氣囊搬運技術(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。(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、頂升氣囊的選用。(3)介紹大型構(gòu)件前后牽引同步控制系統(tǒng)的設(shè)計。 (5)探討氣囊搬運的優(yōu)點和經(jīng)濟效益分析。到目前國內(nèi)氣囊搬運大型沉箱技術(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)用的公開報道。 大型構(gòu)件高壓氣囊搬運系統(tǒng)的功能大型構(gòu)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(gòu)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。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(gòu)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。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(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，是對運輸、倉儲等物流活動進(jìn)行銜接的中間環(huán)節(jié)。可見，搬運是物的不同運動階段之間互相轉(zhuǎn)換的橋梁。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。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現(xiàn)能量的傳遞和轉(zhuǎn)換。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。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(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)換成機械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。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)場實時網(wǎng)絡(luò)傳輸給主控計算機，主控計算機則根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)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(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。根據(jù)大型構(gòu)件的出運方向、本著操作方便的原則均勻、對稱擺放。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。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)計時，應(yīng)根據(jù)大型構(gòu)件的特點，選擇確定氣囊集群的具體布置形式。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。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。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。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。利用卷揚機將氣囊拉入頂升溝，無需人員進(jìn)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。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(chǔ)費用，只需施工預(yù)制場25cm混凝土面層的費用。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)。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。所以，承載面積與承載力也隨著變化。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(shè)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。(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。（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。一般設(shè)計時，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。在頂升時，還應(yīng)計算出頂升氣囊集群的總長度。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。大型構(gòu)件的結(jié)構(gòu)通常為箱體型，隨著大型構(gòu)件外形尺寸的變化，搬運時氣囊的布置形式也有所不同。搬運時氣囊一般采用通長一列或左右兩列的擺放方法，方向垂直于大型構(gòu)件移動的方向。(2)箱體型大型構(gòu)件的氣囊布置方式的選擇箱體型大型構(gòu)件的氣囊擺放方式如圖3－8所示，在氣囊布置形式的具體設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)大型構(gòu)件的特點，選擇確定氣囊集群的具體布置形式。與滾筒有所不同的是：滾筒與物體呈線接觸，氣囊與物體則為面接觸。因此，行走氣囊與頂升氣囊結(jié)構(gòu)基本相同。另外，搬運時，氣囊工作氣壓較低，相應(yīng)的氣囊所需要的承載力也較小，一般采用中壓氣囊或高壓氣囊。 行走氣囊結(jié)構(gòu)設(shè)計行走氣囊既承受大型構(gòu)件的重量，又要完成滾動的功能，這就要求氣囊不僅具有良好的承載能力和耐沖擊性能，還需要高的耐磨損性能。為實現(xiàn)氣囊結(jié)構(gòu)的設(shè)計，在氣囊壁材料選擇上采用高強度的表3－1行走氣囊參數(shù)表氣囊類型氣囊直徑（m）公稱壓力(MPa)氣囊試驗壓力(MPa)工作高度(m)高壓氣囊 1 2 中壓氣囊 2 2 龍纖維增強材料和優(yōu)質(zhì)的進(jìn)口橡膠。其中，錦綸簾子布相當(dāng)于氣囊骨架，主要用來承載，滿足氣囊的承載要求，根據(jù)工作壓力選定；考慮到長期磨損，其內(nèi)外層均為橡膠層，內(nèi)外層橡膠實現(xiàn)耐沖擊和耐磨性能；整個氣囊采用高強度尼龍與橡膠整體纏繞成型，實現(xiàn)氣囊囊壁無接縫，氣囊嘴為鋁合金鑄件。行走氣囊的縱斷面結(jié)構(gòu)形式與起重氣囊相同。表3－2 行走氣囊內(nèi)外層橡膠力學(xué)性能表序號項目名稱指 標(biāo)國家標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)層橡膠外層橡膠1扯斷強度(MPa)GB/T5282扯斷伸長率（％）GB/T5313硬度，邵式A硬度40，5050，704扯斷強度老化系數(shù)（％）GB/T35125扯斷伸長率老化系數(shù)（％）6硬度變化，邵式A硬度GB/T531(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(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。（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。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。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。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)。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。計算公式如下：式中，Ｇ－大型構(gòu)件的重量，kNN－滾動氣囊的數(shù)量k－系數(shù)，k=~l－單根氣囊的承壓面長度，mmH－囊承載面高度，mmP－氣囊公稱壓力，MPaD－氣囊公稱直徑，m經(jīng)計算得出搬運沉箱所需氣囊數(shù)N，并考慮各氣囊間的合理凈間距，最后確定實際的氣囊數(shù)量。 牽引系統(tǒng)設(shè)計 牽引系統(tǒng)設(shè)備的布置牽引系統(tǒng)由卷揚機、動滑輪及牽引繩等組成。動滑輪在大型構(gòu)件在牽引系統(tǒng)中作用重大，主要用來減少卷揚機的牽引力，一般選擇多門動滑輪，其位置在卷揚機和大型構(gòu)件之間。大型構(gòu)件搬運時牽引裝置布置示意圖見圖3－9。牽引繩一般采用鋼絲繩，大型構(gòu)件牽引高度位置應(yīng)低于構(gòu)件重心高度，并考慮卷揚機架高度及操作方便等因素。為此，牽引高度位置一般應(yīng)與卷揚機架等高。下面以某箱梁構(gòu)件為例進(jìn)行分析。.表3－3 箱梁基本技術(shù)參數(shù)表箱梁長度（mm）箱梁頂寬（mm）底寬（mm）高（mm）自重（kN）60000115005800280015250(2) 箱梁橫移出一只氣囊時的力學(xué)模型建立l) 工況分析箱梁在水平移動過程中，只是在移動方向上受到牽引力作用，而沿箱梁長度方向不受力，根據(jù)箱梁這種受力特點，假設(shè)：同一氣囊在其承載長度上各處起重高度均相等，即忽略箱梁傾斜后對氣囊兩邊起重高度的影響。圖3－10 箱梁狀態(tài)圖2) 箱梁重心計算箱梁重心的位置直接關(guān)系到其自身的平衡和穩(wěn)定，由于大型構(gòu)件箱梁的自重大、平面尺寸大，當(dāng)箱梁在移動時，由于自身的慣性大，會直接影響到搬運的安全，因此，我們對箱梁的重心位置坐標(biāo)進(jìn)行了確定。圖3－11 某箱梁重心坐標(biāo)圖在X－Y平面內(nèi)，設(shè)箱梁的重心坐標(biāo)為C(，)，根據(jù)物體的重心坐標(biāo)公式確定此箱梁的重心坐標(biāo)C(0，1520)mm。故箱梁穩(wěn)定性校核時，可簡化為箱梁穩(wěn)定狀態(tài)的計算。根據(jù)工程施工要求，該構(gòu)件采取在陸地預(yù)制與水上施工安裝相結(jié)合的施工工藝，沉箱的具體形狀與尺寸要求見圖3－13。在工作時，有效承載的氣囊數(shù)量為8條，接應(yīng)用氣囊為6條。 圖3－13 沉箱結(jié)構(gòu)參數(shù)圖 (3)沉箱橫移初始狀態(tài)簡圖 圖3－15 沉箱橫移初始狀態(tài)簡圖(4)沉箱橫移時左右方向變形受力分析以與沉箱底部垂直且通過沉箱重心的橫截面做沉箱平面力系，建立沉箱力學(xué)模型如下： 圖3－16 受力圖圖中，箭頭－氣囊對沉箱的起重分布力q－氣囊集度，取172kNG－沉箱自重，kNf－沉箱下滑力，kN－沉箱與地面的水平夾角1）單條氣囊增加承載面積S=(1256－942)=1420580式中，Ｂ－氣囊變形后的寬度，mm b－氣囊變形前的寬度，mm L－氣囊長度，mm增加的承載形狀為三角形，其受力中心為距底邊的1/3處，其值為：L/3=3016mm則增加的承載力增加抗反轉(zhuǎn)力矩M2) 總的抗反轉(zhuǎn)力矩=M 本章小結(jié) 本章的主要工作是根據(jù)頂升和搬運系統(tǒng)要求進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與氣囊選用。氣囊的技術(shù)參數(shù)關(guān)系到系統(tǒng)的工作性能，確定氣囊的公稱直徑、工作高度、長度、承載力及其氣囊數(shù)量的計算模型。第3章 控制系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計 控制系統(tǒng)的任務(wù)與要求氣動頂升搬運系統(tǒng)涉及大型構(gòu)件的頂升氣囊集群、行走氣囊集群、牽引設(shè)備和氣動系統(tǒng)，為保證系統(tǒng)能夠達(dá)到設(shè)計目的，實現(xiàn)系統(tǒng)運行安全、可靠、性能穩(wěn)定、適應(yīng)性強、技術(shù)經(jīng)濟性高的要求，確定控制系統(tǒng)的任務(wù)一是控制氣動系統(tǒng)進(jìn)行頂升、搬運作業(yè)，二是控制牽引系統(tǒng)實現(xiàn)構(gòu)件的前進(jìn)、后退動作，三是保證頂升搬運過程中構(gòu)件安全?？紤]到大型構(gòu)件的特點構(gòu)件的重量大，通常在數(shù)百噸到數(shù)千噸構(gòu)件的外形尺寸大，一般在數(shù)米到數(shù)十米。根據(jù)各中大型構(gòu)件的具體情況和移動的要求，將若干中高壓氣囊與氣動閥組、泵站等組合成高壓氣囊集群。（2）實現(xiàn)同步作業(yè)與負(fù)荷均衡高壓氣囊集群應(yīng)保證頂升搬運移動過程中各氣囊同步作業(yè)，才能實現(xiàn)各氣囊的負(fù)荷均衡，達(dá)到使大型結(jié)構(gòu)件的姿態(tài)平穩(wěn)的目的，從而順利完成大型構(gòu)件頂升或搬運任務(wù)。（3）實現(xiàn)運動同步控制大型構(gòu)件整體頂升作業(yè)、搬運作業(yè)易受到外部環(huán)境的影響，這就要求在