高压气囊搬运大型沉箱技术在港口工程中的研究和应用毕业论文.doc

同济大学工程硕士论文高压气囊搬运大型沉箱技术在港口工程中的研究和应用毕业论文76第一章 绪论1.1本课题的理论意义和应用价值随着我国综合国力的提高和融入世界进程的加快，港口建设快速蓬勃发展，码头建设越来越朝大泊位、深水泊位方向发展；同时，与之相适应的沉箱也逐渐向大型化发展，沉箱尺度规模越来越大，沉箱的自重、跨度和体积也越来越大。这些大型建筑构件的安装与运输就成为一个越来越迫切解决的问题，特别是大型建筑构件的陆上搬运需求就越来越迫切。这些港口用建筑结构件沉箱的自重大、体积大、跨度大、高度高，无疑对陆上搬运技术提出了更高更严格的要求，因此，大型建筑结构件气动搬运系统的研究对加快我国港口的现代化进程，具有十分重要的现实意义。随着生产工艺和要求及设备制造业的发展，出现的这些大型甚至超大型的建筑构件，由于现场条件的局限，设备的重量远远超出了常规起重设备的额定承载能力，因此气动提升装置在这方面突显优势，在吊装市场占有重要地位。气动技术是流体传动及控制技术的一个重要分支。近年来，随着工业的飞速发展，在工业自动化领域机电一体化技术得到了广泛应用，随着工业自动化程度的提高，气动技术以其成本低廉、工作效率高、干净且不污染环境、节约能源、使用和维修方便、对环境要求不高等一系列优点，己在各个领域得到越来越广泛的应用，气动技术已经成为当今实现自动化的重要手段之一。气动搬运设备是液压系统的延续和发展，陆上水平移动系统由滚动气囊和卷扬机组成，气动提升设备由超高压气囊集群组成，比液压系统技术更经济、更环保，是超高超重设备吊装的重要工具之一。气动搬运设备的起重搬运能力可达数千吨级，常用于超重、超高、大跨度的构件安装。其主要工作特点：(1)起重量不受限制，通过气动提升系统的扩展组合，能满足千吨级甚至万吨级构件的吊装。(2)同步控制，安全受控。(3)可操作性好，气动提升系统体积大，重量轻。(4)顶升过程平稳，无附加冲击载荷。(5)对起重搬运的基础要求低，特别适合临时预制场的工程。(6)有利于保护建筑构件，采用分布荷载，避免了液压起重的集中载荷。气动顶升搬运系统的关键技术是气囊制造技术以及同步控制技术，其发展经历了气囊出运、气囊顶升及同步顶升搬运阶段，目前发展成为连续式同步顶升搬运控制技术。系统实现完全同步控制、负载均衡、姿态校正、操作闭锁、过程显示等工作，大大提高了工程实施的安全可靠性，保证工程质量。这类装置不仅在船舶建设工程中，而且在国内港口工程建设中也发挥着重要的作用，例如中港四航局第一工程公司东江口预制厂2212t沉箱搬运如图11所示，3000t广顺号油轮下水如图12所示。因此，大型建筑构件的陆上顶升搬运需求量大，特别是我国北方地区的许多港口、防潮坝建设需要大量大型建筑构件，同时，由于这些港口属于沉积土质，易沉降，这就加大了对气动顶升搬运系统的需求，其应用前景良好。图11 中港四航局第一工程公司东江口预制厂2212t沉箱搬运图12 3000t广顺号油轮气囊下水1.2我国大型构件常用陆地上的顶升搬运方法1.2.1千斤顶顶升大型构件中港第一航务局第五工程公司在秦皇岛港煤四期码头工程中对长26.26m、宽9.92m、高18.5m，的超长沉箱，采取在陆域进行预制、溜放和水上接高的方法施工。使用10台500t油压千斤顶，东西两侧对称，每侧各布置5台，顺利进行了此超长沉箱的顶升作业。莆田八重洲饲料有限公司商住楼顶升平移施工，顶升要求受力梁规格大强度高，由基础梁承受结构荷载。天津港北大防波堤一期工程采用4台专用的100t千斤顶放入顶升槽内进行支顶半圆体结构。千斤顶顶升工艺即预先在预制台座上布置千斤顶基础，然后设置顶升沟槽，大型构件预制完成后从顶升沟槽放置千斤顶，利用千斤顶将沉箱顶升。大型构件一般需要使用多个数百吨的千斤顶，地基处理需要采用强夯、加大的基础，造价高，地基处理时间长。在沉箱顶升过程中，诸如需要人员钻入地沟，放置千斤顶时位置必须准确，顶升时各千斤顶操作必须同步、顶升过程时间长等，操作起来比较繁琐。1.2.2采用轨道滑车出运沉箱 轨道滑车施工工艺是比较传统的施工工艺，如图13所示，已经有几十年的历史，有着成熟的施工技术，如：中港第一航务局第五工程公司在秦皇岛港煤四头工程中对长26.26m、宽9.92m、高18.5m超长沉箱，采取轨道与纵横移结合的出运工艺。横移车乘载沉箱的全部重量，轨道应满足横移车的线荷载，由力矩平衡和虎克定律可知：根据横移车的线荷载决定沉箱在平台上的最制高度。实现沉箱横移需要配置如下设施：预制平台：20m20m平台共8个；吊机：DQM540/30型2台，吊力10t(变幅1837m)；横移车：两列，自重23.5t/列，中心轨距为8m；纵移车：两列自重26.18 t/列，中心轨距为9 m；斜架车：一架.限重2000t；绞车：30t绞车2台，10t绞车2台；电绞盘：5t，1台；油压千斤顶：顶力500t，10台。可以看出采用轨道出运大型构件存在如下缺点：(1)该工艺需要设置轨道梁、钢轨、平移滑车等设备，投资费用高，往往为单位所不能接受，在投标中也处于不利地位。(2)钢轨、滑轮、沉箱全部为刚性接触，很容易产生不均匀受力，设备损坏，需要经常检查更换。(3)对轨道水平平面要求高，在使用过程中维修率高，需要定期对轨道梁翻修。(4)沉箱上浮船坞时对搭岸结构的要求高，限制了所使用浮船坞的船型。(5)对沉箱预制适应性不强，如平面尺寸变化、沉箱重心发生变化等，都需要对预制厂及相应设备进行相应调整。图13 轨道式出运大型建筑构件1.2.3 采用高压气囊搬运大型构件采用顶升平移法整体搬迁2000自重60t的大型拱顶油罐，大型油罐的技术参数如下：油罐高14.3m、直径14.5m、罐的上部壁厚6mm，罐的中间壁厚8mm，罐的下部壁厚10mm，罐底板的厚度8mm，材质为Q235A。在上海东方明珠广播电视塔刚天线桅杆、北京西客站主站放钢制门楼、北京首都机场四机位机库的网架屋顶以及6000吨上海大剧院钢屋架等工程中，这些大跨度钢珩架结构采用滑移法整体提升技术，并且采用脉宽调制方法实现同步控制。采用气囊搬运大型沉箱、实现船舶上排与下水、克服了以往中小型船厂修造船能力受制于固定式下水滑道的弊端，发展成为极具灵活性的下水技术，可节省大笔修造大型船舶下水滑道的资金。由此可见，大型构件的顶升搬运可应用于各个行业。1.3国外大型构件和设备顶升搬运的现状(1)大型移动式起重机的发展情况 为实现整体吊装，对起重设备的起重能力、作业空间、安全可靠性都有很高要求，如果是多机同时吊装，还需要具备协调控制能力。为此大型移动起重机在吊装方面有很大的施展空间，也因此而得以不断发展。当前大型移动起重机的主要有：1)最大吨位已超过10O0t履带起重机，例如Derrag公司的CC12600型起重量为1600t、Liebherr公司的LR11200起重量为1000t。2)轮式起重机主要包括全地面起重机、汽车起重机和越野轮胎起重机，其中全地面起重机的吨位跃居三者榜首。受其伸缩臂结构自重和伸缩机构等限制，与履带起重机相比，起重吨位相对小些，不过也接近千吨级。如：Liebherr公司最大吨位LTM1800型800t，Defrag公司的AC700型700t和Tadano公司的550t都是全地面起重机。3)采用超起装置的超大型起重机，如：Manitowoc公司的2250型履带起重机，标准型起重量为272t，增设超起臂架和超起配重后，起重量为450t，而增设环轨超起装置，并改用重型臂架后，起重量可达到1300t。(2)起重业的专业分工更细有些公司专门从事港口集装箱起重设备的安装，有些公司专门从事钢屋架的液压顶升，有些公司专门从事超高超重设备的吊装，他们充分利用液压提升设备的特点用于超重、超高、大跨度的构件安装。这些液压提升设备的主吊均采用大吨位的液压千斤顶，其主要工作特点：1)起重量不受限制，通过液压提升系统的扩展组合，能满足千吨级甚至万吨级构件的吊装。2)同步控制，安全受控，可手动控制和完全自动控制。3)可操作性好，液压提升系统体积小，重量轻。4)吊装过程平稳，无明显附加冲击载荷。(3)大量采用扩大作业空间的新结构、新工艺为实现大顶升高度和大幅度，大型起重机的起重臂广泛采用主副臂的组合结构。主臂、主臂与固定副臂、主臂与塔式副臂等这三种结构组合己成为大型起重机的必备组合方式。除此以外，履带起重机又出现了新的臂架组合方式：副臂通过过渡节直接与主臂连接，副臂上连接副臂，使其作业空间得到了有效扩大，最大作业范围可达到200m以上，现已应用于 Liobherr和Manitowoc公司的起重机上。直升机吊装工件比较普遍对于一般起重机械不能够完成的吊装工作往往考虑使用直升机进行吊装，有些直升机的起吊能力达到几十吨。例如：世界第一高塔加拿大多伦多电视塔其发射天线钢桅杆就是采用直升机分段吊装而成的。(4)注重信息化的集成和设备自动化，强化安全报警系统液压传动是目前移动式起重机普遍采用的传动方式，装备了先进的微电子智能功率控制系统。这些控制系统的不断更新，为提高起重机的调速性能、降低操作强度、延长设备使用寿命、降低使用成本提供了保证。而数据总线控制技术在起重机上的应用，将发动机控制、液压控制、安全监测状态监控和极限载荷限制集为一体，通过总线方式进行信息传递与控制，实现了控制上真正意义的自动化与智能化。同时借助图形化的显示屏显示起重机的所有信息，例如系统状态、技术参数等，甚至可协助操作者进行故障诊断，显示故障原因、部位及处理方法。这种先进的控制系统显著提高了控制系统的可靠性、作业安全性、操作舒适性和工作效率。例如Defrag和Liebherr公司。一般的起重机械都采用计算机控制，能够准确计算出工件的重量，监控机械的工作状态，并有报警与自锁功能以及其它辅助功能。1.4大型构件气囊搬运系统的提出1.4.1气动顶升搬运技术分析(1)气动技术的发展历程、趋势和特征气动技术是以气体为工作介质传递信号和动力以实现生产机械化和自动化的一项技术。工业气动是采用压缩空气来实现动作和控制的功能，约有50年的历史。在二次世界大战后不久，由于各国科技迅速进步和经济繁荣，迫切需要提高生产机械化和自动化的水平，以提高产品质量和增加劳动生产率。工业界在寻求高效率、低成本、安全可靠又有较长使用寿命的自动化元件和技术。气动技术应运而生：元件简单可靠并容易掌握，可采用高效生产工艺大批制造，适合生产空间各种复杂动作，可与电控装置和计算机配套使用等，促使气动技术在各行各业广泛应用。1)气动技术的发展历程 是从单个元件到控制系统，从单纯机械制品到机电一体的复杂高科技产品的历程。由风动技术和液压技术演变、发展而成为独立技术门类的气动技术，己经在自动化控制领域内得到广泛的应用，显示出强大的生命力，成为20世纪应用最广、发展最快、也最易被接受及重视的技术之一。工业各领域如机械、电子、钢铁、运行车辆及其制造、橡胶、纺织、轻工、化工、食品、包装、印刷、烟草等，气动技术己成为不可缺少的基本部分。在尖端技术领域如核工业或宇航，气动技术占据了重要地位，在农林、园艺、楼宇自动化等范畴，也得到了应用。2)气动技术的发展趋势近10来年内自动化技术经历了令人瞩目的飞跃性发展，突出表现在：自动化设备的应用覆盖面越来越广，从原先只应用于简单、重复的工艺过程扩大到复杂的工艺过程：自动化机器在性能和功能上都有显著的提高，机器的节拍时间更短，运动精度更高，同时能与计算机直接联接，从而更快和更准确地进行生产管理；由于产品的多样化使柔性生产设备得到越来越广泛的应用，这类设备要求能非常快捷地对之进行重新编程，以实现同一机器对不同种类或尺寸工件进行加工，从而大幅度地降低设备投资并实现小批量产品的生产自动化；要求越来越短的设备设计、制造、调试周期和设备停机维修时间。3)气动技术持续发展的重要特征科学技术、材料、工艺的新发展和人们观念的变化以及市场的需求，带动气动技术飞跃地发展，建立了具有明显特色的技术方法。气动的持续发展必须体现在一些比较重要的特征上：通过小型化设计，提高元件功效，尺寸不断小型化和功能不断强化是气动元件发展的必然趋势；发展装配简易性及高性能的连接技术，在一定应用条件下，都具有或多或少的随意组合性。集成化充分兼顾模块化，即在设计时必须考虑集成模块或单元的兼容性；部件应用性能的扩展性强；结构维护保养方便；系统能力的概念；气动集成到包括其它各种技术的整个系统的集成能力；具有长的使用寿命。4)气动作为普遍应用的传动和控制方式，为全世界各个工业部门所接受并泛应用，也是由于具有以下许多优点：气动技术以空气为工作介质，空气随处可取，且粘性小，在管内流动阻力小，便于集中供气和远距离输送。因而，大多数工厂有方便的压缩空气气源。作为工作介质的压缩空气的物理性质，使气动技术在广泛的各种应用中具有安全、方便和费用低的优点。压缩空气没有产生火花的危险。因此，适宜于有易燃或爆炸潜在危险的工况。气动元件结构简单，价格低廉，用过的空气可向大气排放，处理方便，不必使用回收管道。气动系统清洁，即使有泄漏，也不会像液压系统那样污染产品和环境。不受电磁千扰，电子系统则有之。气动系统维护不复杂，也不需要特殊的培训和试验设备。适应性强，现有的机器可方便的改为气动传动，气动执行元可以直接安装在要求出力的地方。便于进行能量储存，可以进行应急或系统需要用。气压传动本身有过载保护性能。气动执行元件能长期在满负荷下工作，在过载时会自动停止。气动元件运动速度高。普通气动执行元件运动速度一般为0.050. 7m/s，有的高达13m/s。(2)气动搬运技术该技术是近年来在我国施工行业逐步发展起来的新兴的大型构件出运新技术，气囊搬运大型构件新工艺是受气囊船舶下水工艺的启发，于1997年利用起重气囊搬运技术在福建深沪港临时预制场首次搬运重480t沉箱成功，随后在2000年和2003年广西防城港和汕头港广澳一期工程的施工中，采用该工艺又分别顺利搬运了500t和900t重的沉箱，从而为预制混凝上构件的出运开辟了新的途径。这一技术由于采用气动技术，传递动力采用压缩空气，从而可以保证生产施工的绿色特性，实现了生产的环保性：同时，由于该技术采用气动传动，加大了承载面积，降低了单位面积承载力，有利于企业降低生产成本；显示了该技术的巨大顶升能力和其他优越性能，因而受到工程界的广泛关注。这种新颖的起重技术在大吨位、大体积构件顶升方面的特点和优越性，是传统的液压式起重技术不能比拟的，随着气动顶升技术应用的推广和发展，并且由于控制技术发展，使这种新工艺的科技含量日益提高。1.4.2大型构件气动顶升搬运系统的提出大型构件气动顶升搬运系统的设计就是在气囊搬运大型构件新工艺的基础上，从系统论的观点，就气动顶升技术、气动搬运、变频调速技术、供气系统等进行优化组合，形成了集顶升与搬运于一体的气动新系统。由于其内容涉及到气动技术、起重技术、变频调速、建筑工程等众多学科领域，相关性较强，是多领域的交叉融合，这更加大了设计的难度。我们通过大型构件气动顶升搬运系统的设计研究发现，该系统具有下列优势：(1)绿色设计，绿色生产在系统设计过程中就充分考虑到环境因素和预防污染的措施，将环境性能作为系统的设计目标和出发点，力求使该系统对环境的影响达到最小，这是我们采用气动技术的一个重要原因。相对于真正的清洁生产技术而言，这里所提到的清洁生产仅仅指生产施工过程。在这一环节，着眼于绿色生产进行选择绿色生产工艺技术、绿色生产工艺设备与装备等，采用气动技术、使用气囊等装备是绿色生产的集中表现。(2)系统结构简单，操作方便安全整个气动搬运顶升系统主要由顶升、搬运、供气、控制等四个子系统组成，系统的结构简单。操作简易安全，顶升时利用卷扬机将气囊拉入顶升沟，无需操作人员进入顶升沟，有利于施工操作人员的安全；利用空压机对起重气囊充气就可以将沉箱等大型构件平稳地顶升，可以有充分时间观察沉箱等大型构件姿态情况，待顶升构件到位后进行定位后，对气囊放气完成后，将气囊抽出即可。(3)系统适应强成本低气囊顶升搬运时因为荷载分布均匀，避免了因为局部荷载过大而使地基产生的不均匀沉降，避免了在顶升过程中因局部沉降过大造成对混凝土基础的损坏。对地基承载力要求低，由于气囊底部承载力受力均匀，再通过顶升沟的混凝土基础将荷载分散传递给地基，这就进一步对地基承载力的要求。这使得该系统具有更为广泛的使用范围，即可在地基础差别较大的区域使用，增强了系统的适应性。这样，在生产施工中，与普通的起重设备相比就大大简化了基础处理的工作量，降低了基础处理的成本，特别是节省了处理专用顶升沟混凝土基础的费用。(4)具有良好的应用前景目前船舶等大型金属结构件、港口建设用沉箱以及防波堤坝工程用大型水工构件等需要量非常大，我们先后对天津港、威海港、大连港、龙口港、福州港等一系列港口进行了调研，并到中港第一航局第一工程公司第十六项目部、山东港湾建设有限公司威海港四期工程项目部、大连港预制厂等相关施工企业走访，他们每年都有大量在陆上预制在水上安装的大型构件，这些大型构件需要从岸上预制厂顶升搬运到半潜舶等大型船舶上，这种大型构件的陆海间顶升搬运是这些企业生产施工的重要部分，他们对大型构件气动顶升搬运系统的需求非常迫切。1.5 本文研究的主要内容随着我国经济的发展，我国港口建设的规模越来越大，目前我国港口重力式码头的单个沉箱重量已超过1000t，有的甚至在2500t以上，这些超级沉箱若仍采用在已有的码头前沿预制，由大型起重设备出运、安装的工艺已不适应工程施工的需要，如采用陆上预制、滑道下水或坞内预制后起浮出运的传统工艺，就受到投资成本、工期、场地条件等多方面的制约。为此必需从大型沉箱陆上运输的技术加以研究，寻求科学、经济的技术工艺，对高压气囊（下简称气囊）搬运大型沉箱技术进行了重点的应用研究。形成了一套比较完整的、适应于多种规格沉箱和重型构件出运的气囊搬运技术。本文将对气囊出运大型沉箱搬运系统和施工工艺进行探讨，主要研究内容包括：气囊选型、气囊工作压力确定与控制、气囊工作高度、间距、条数设计以及沉箱移动牵引系统的设计、预制沉箱的底模、沉箱上驳工艺等关键技术，气囊的性能、气囊的承载力、沉箱预制场的平面布置、沉箱搬运牵引和充气系统、搬运的技术工艺、沉箱预制底模、堆场和运输通道、上驳工艺、经济效益分析及推广应用价值评估等。 到目前国内气囊搬运大型沉箱技术并无相关的技术规程和质量标准，国外也未见有此技术应用的公开报道。为此，我们应用研究的技术线路和目标为：气囊搬运技术的适用性，即该技术要适用于2003500t的沉箱或其他重型构件的施工，必须满足现场预制场的场地条件；确定气囊搬运技术的工艺设计和主要参数；制定技术规程和安全事项；研究并设计与气囊搬运技术相关的沉箱预制场平面布置、预制沉箱的底模、通道、堆场、供气系统、牵引系统、移动速度、沉箱上驳的码头设施、半潜驳的改造等。 根据以上讨论，本文将对以下问题作进一步的探讨与研究。(1)介绍顶升气囊布置方式的确定原则，进行超高压顶升气囊的选用，完成顶升沟槽的结构设计、顶升气囊的选用。(2)对行走气囊的选用、卷扬机及地锚的布置图设计进行讨论。(3)介绍大型构件前后牵引同步控制系统的设计。(4)探讨高压气囊搬运沉箱的施工工艺和安全措施。 (5)探讨气囊搬运的优点和经济效益分析。第2章 大型构件高压气囊搬运系统气囊搬运技术的主要内容包括：气囊的性能、气囊的承载力、沉箱预制场的平面布置、沉箱搬运牵引和充气系统、搬运的技术工艺、沉箱预制底模、堆场和运输通道、上驳工艺、经济效益分析及推广应用价值评估等。到目前国内气囊搬运大型沉箱技术并无相关的技术规程和质量标准，国外也未见有此技术应用的公开报道。为此，我们应用研究的技术线路和目标为：气囊搬运技术的适用性，即该技术要适用于2003500t的沉箱或其他重型构件的施工，必须满足现场预制场的场地条件；确定气囊搬运技术的工艺设计和主要参数；制定技术规程和安全事项；研究并设计与气囊搬运技术相关的沉箱预制场平面布置、预制沉箱的底模、通道、堆场、供气系统、牵引系统、移动速度、沉箱上驳的码头设施、半潜驳的改造等。2.1 大型构件高压气囊搬运系统的功能2.1.1大型构件气动搬运系统的功能的界定大型构件气动搬运系统的功能主要包括：顶升、搬运以及与之相联系信息的处理等功能，这几项功能也称为大型构件气动搬运系统的几个重要环节，其基本功能的组成情况见图21所示。现将其中主要的功能简述如下：大型沉箱高压气囊搬运系统的功能构成顶升功能搬运功能气动控制检测系统图21 大型沉箱高压气囊搬运系统的功能构成2.1.2顶升功能分析顶升是构件搬运系统的主要功能之一，其在构件搬运系统中的主要任务是解决物料在空间上的位移问题。顶升过程并不改变产品的实物形态，也不增加其数量，但通过顶升作业可以解决大型构件空间距离问题，创造商品的空间效用，实现其使用价值。因此，顶升是构件搬运系统的一个极为重要的环节，顶升的合理与否，在很大程度上影响着构件搬运系统是否合理的问题。2.1.3搬运功能分析搬运是随输送和仓储而产生的必要物流活动，是在统一地域范围内进行的、以改变物料的存放状态和空间位置为主要内容和目的的活动，是对运输、仓储等物流活动进行衔接的中间环节。物流各阶段的前后和统一阶段的不同活动之间，都必须进行搬运作业。可见，搬运是物的不同运动阶段之间互相转换的桥梁。正是搬运把物的运动的各个阶段联结为连续的“流”，使物流的概念名实相符。其中搬运作业具体包括：牵引、堆垛、出库以及连接以上各项动作的短程搬运。在生产物流活动的全过程中，装卸搬运活动的管理，主要是对装卸搬运方式的选择、装卸搬运机械的选择和合理配置与使用以及装卸搬运合理化，尽可能减少装卸搬运次数。2.1.4气动功能分析气动系统是一门传动和控制技术，它以气体为介质，并通过气体的压缩、膨胀、吸热和放热等过程实现能量的传递和转换。气动系统是以压缩空气为工作介质进行能量传递和信号传递的一门技术。气动控制系统的工作原理是利用空压机把电动机或其它原动机输出的机械能转换为空气的压力能，然后在控制元件的作用下，通过执行元件把压力能转换为直线运动或回转运动形式的机械能，从而完成各种动作，并对外做功。由此可知，气动传动系统是由四部分组成的，它们是：(1)气源装置是获得压缩空气的装置。其主体部分是空气压缩机，它将原动机供给的机械能转变为气体的压力能；(2)控制元件是用来控制压缩空气的压力、流量和流动方向的，以便使执行机构完成预定的工作循环，它包括各种压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀等；(3)气囊是将气体的压力能转换成机械能的一种能量转换装置。(4)辅助元件是保证压缩空气的净化、元件的润滑、元件间的连接及消声等所必须的，它包括过滤器、油雾器、管接头及消声器等。2.1.5检测功能分析检测系统主要用来获得大型构件的空间姿态信息、顶升/行走气囊的压力信息，并将这些信息通过现场实时网络传输给主控计算机，主控计算机则根据当前网络传来的气囊位置信息决定卷扬机的下一步动作，同时，主控计算机也可以根据网络传来的顶升载荷信息和构件姿态信息决定整个系统的同步调节量。2.2 高压气囊顶升与搬运系统的设计2.2.1顶升气囊集群布置方式的确定（1）顶升气囊集群布置方式的确定原则确定顶升气囊的摆放方式和顶升气囊的数量是大型构件整体顶升中一项非常重要的工作，它直接关系到大型构件在顶升过程中的稳定性、安全可靠性和施工经济性，因此，应经过慎重考虑和确定顶升气囊的布置方式。根据大型构件的出运方向、本着操作方便的原则均匀、对称摆放。根据大型构件结构特点的不同，顶升气囊集群可采用通长一列或左右两列的排放方法，方向垂直于大型构件移动的方向。大型构件的结构通常分为圆柱型和箱体型，各种类型的构件顶升集群的布置形式也有所不同。（2）圆柱型和箱体型大型构件的气囊集群布置圆柱类大型构件的顶升气囊的平面布置形式如图22所示。图22 圆柱形大型构件气囊布置图长方型大型构件的气囊布置方式如下图23所示 图23长方形大型构件气囊布置图在布置形式具体设计时，应根据大型构件的特点，选择确定气囊集群的具体布置形式。2.2.2气动顶升结构设计2.2.2.1顶升沟槽结构设计在大型构件台座预制时，设置数道顶升沟槽作为顶升气囊集群放置通道，并在顶升沟槽上设置顶升托板作为大型构件制造平面台座。大型构件预制完成后，将气囊集群各气囊依次通过顶升沟槽放置在构件下面，气囊充气将顶升托板和大型构件同时顶升到合适高度，放置垫木，当支垫木放置完毕后，气囊集群的各气囊开始放气，使大型构件下落到支垫木上。当大型构件座实后，气囊继续放气，顶升托板落回原处，抽出气囊，整个大型构件顶升动作完成。根据顶升功能，大型构件顶升系统的结构包括顶升沟槽、预制平台、沟槽基础、顶升托架、顶升气囊集群以及供气系统和检测系统，我们以大型沉箱为例设计顶升系统的硬件结构图如图24所示，顶升沟槽的结构详图如图25所示。图24 顶升系统结构图图中，a顶升沟槽间距，m图25 顶升沟槽结构详图图中顶升沟槽支承肩的高度，顶升沟槽深度，mm顶升沟槽基础厚度，mm顶升沟槽支承肩的宽度，mm顶升沟槽宽度，mm顶升沟槽基础宽度，mm2.2.2.2 顶升沟槽的结构特点该顶升沟槽结构的特点如下：(1)对地基承载力要求低。如：威海港口建设工程中的22O0t大型沉箱顶升使用3条直径的1m顶升气囊，每条气囊底部承载力为35t/m，左右，这部分载荷通过顶升沟槽的混凝土基础将荷载分散传递给地基，要求的地基承载力在10t/m，左右，完全能够满足了码头后方地基承载力的要求。(2)受力均匀。气囊顶升时因为荷载分布均匀，避免了因为局部荷载过大而使地基产生的不均匀沉降，避免了在顶升过程中因局部沉降过大造成对混凝土面层的损坏。(3)操作简单，安全高效。利用卷扬机将气囊拉入顶升沟，无需人员进入顶升沟，用空压机将3条气囊同时充气只需20分钟左右就可以将沉箱平稳的顶升，在支垫好方木后，气囊缓缓放气，可以有充分时间观察混凝土面层及沉箱的情况，放气完成后，将气囊抽出即可。(4)成本低廉。采用顶升沟槽及顶升托架其造价与单独施工混凝土地面差不多，节省了处理专用顶升沟基础费用，只需施工预制场25cm混凝土面层的费用。2.2.3 起重气囊的设计2.2.3.1 起重气囊的工况分析起重气囊为高强度尼龙缠绕橡胶气囊，其独特的整体缠绕成型工艺，使气囊囊壁成为无接缝、各向强度均衡的复合结构，再加上高强度的尼龙纤维增强材料和优质的进口橡胶，使同等的囊壁厚度具有比一般橡胶更高的强度。具有吸收冲击能量大，作用大型构件单位面积上的压力低，耐冲击疲劳性能优。我国船舶业已成功运用气囊进行船舶的上排、下水，按照船舶上排、下水用气囊标准(GB/T37951996)和船舶用气囊上排、下水工艺要求标准(CB/T38371998)。气囊分为低压、中压、高压三种，气动顶升系统应用的气囊属高压气囊类型。2.2.3.2 起重气囊结构的设计图36 气囊纵剖面图2.2.3.3 起重气囊技术参数的设计与计算(1)气囊囊体承载能力计算公式为： 式中 每米囊体承载力， 气囊公称压力， S气囊受压后的横截面积，气囊是柔性弹性体，在使用过程中其形状受构件形状、地面形状、构件宽度、气囊长度和布置位置等多种因素的影响而改变。所以，承载面积与承载力也随着变化。（2）囊公称直径D的选择气囊公称直径D是指气囊在自由状态下充填一定气压的压缩空气状态下气囊的直径。气囊的直径愈大，价格愈高，气囊的成本高；反之，气囊的直径愈小，允许的气囊工作压力愈大，同时对其配套设施(如：空压机、压力表、充气管、连接件等)要求高，操作安全性降低。综合考虑上述因素，选择气囊不仅要考虑安全可靠，同时也要考虑其经济性。气囊直径一般选取0.8m或lm为宜。(3)气囊工作高度的选择气囊工作高度是指在顶升作业时大型构件底平面至顶升沟基础表面的高度。气囊的工作高度过高或过低均不利于大型构件的顶升，若气囊的工作高度过高时，大型构件稳定性差，此外气囊囊体压力大，也不利于气囊的安全；工作高度过低时既造成气囊的取放不便，也会造成气囊体与构件和顶升槽的接触面积加大，加剧了磨损，影响了气囊的使用寿命。（4）气囊长度的选择气囊长度是指气囊囊体的长度，不包括气囊头部分的尺寸。气囊长度的选择是根据气囊的承载面长度和气囊公称直径D而定，气囊的承载面长度与大型构件的底板尺寸有关。一般设计时，应保证气囊的气囊头从大型构件的底部伸出为宜，但伸出长度不能过长。若伸长部分过长，在顶升过程中，气囊头部分受力情况复杂，易造成气囊的磨损，降低气囊的使用寿命。在顶升时，还应计算出顶升气囊集群的总长度。计算时，应先根据构件的出运边宽选择中一根气囊的长度，再确定顶升高度。由此计算出承载面积，按照气囊的公称压力计算出所需气囊的最短总长度。气囊承载面宽度B与气囊公称直径D和气囊工作高度H有关。气囊受压后，其截面可看作由直径为H的2个半圆和长度为B、H的长方形组成，见图37所示。图37 顶升气囊顶升大型构件的示意图图中B承载面宽度，mmH气囊工作高度，mm承载面宽度B是气囊公称直径和气囊工作高度H的函数，其大小为： 承载面积 单根气囊的承载力 所需气囊的总长度式中 单根气囊的承压长度，mm G大型构件的重量，kN2.2.4 行走气囊布置方式的确定(1)搬运时气囊集群布置方式的确定原则合理的气囊摆放方式和数量是大型构件整体搬运中一项非常重要的工作，它直接关系到大型构件在搬运过程中的稳定性、安全可靠性和施工经济性，因此，应经过慎重考虑和确定行走气囊的摆放方式。大型构件的结构通常为箱体型，随着大型构件外形尺寸的变化，搬运时气囊的布置形式也有所不同。主要影响因素有：大型构件结构形式和出运方向。搬运时气囊一般采用通长一列或左右两列的摆放方法，方向垂直于大型构件移动的方向。因此，搬运时气囊布置方式的确定原则为：操作方便、均匀对称摆放。(2)箱体型大型构件的气囊布置方式的选择箱体型大型构件的气囊摆放方式如图38所示，在气囊布置形式的具体设计过程中，应根据大型构件的特点，选择确定气囊集群的具体布置形式。38 行走气囊集群布置形式图2.2.5 行走气囊的选用2.5.5.1 行走气囊工况说明行走气囊搬移重物的工作原理与滚筒搬运重物的工作原理基本相同，在重物底部与地面之间有规律地支垫若干个行走气囊，通过外力牵引，使行走气囊向前滚动，从而使重物与地面产生定向相对移动，从而达到搬移大型构件的目的。与滚筒有所不同的是：滚筒与物体呈线接触，气囊与物体则为面接触。这种面接触滚动的方法，减轻了重物接触面局部的磨损，由于受力面积大、压强小，使用时气囊压力一般仅为 0.2MPa以下，也避免了大型构件支垫面积小而对重物造成损坏，且对场地要求不高。因此，行走气囊与顶升气囊结构基本相同。考虑到行走气囊移动过程中的磨损，行走气囊的气囊壁与大型构件、移动地面状况，需增加气囊壁厚度，以提高气囊的使用寿命。另外，搬运时，气囊工作气压较低，相应的气囊所需要的承载力也较小，一般采用中压气囊或高压气囊。中压、高压气囊技术参数见下表31。2.5.5.2 行走气囊结构设计行走气囊既承受大型构件的重量，又要完成滚动的功能，这就要求气囊不仅具有良好的承载能力和耐冲击性能，还需要高的耐磨损性能。根据这些要求，我们对气囊形状进行了优化设计，通过分析比较确定气囊体采用长圆柱形、气囊头为圆锥形状的气囊结构。为实现气囊结构的设计，在气囊壁材料选择上采用高强度的表31行走气囊参数表气囊类型气囊直径（m）公称压力(MPa)气囊试验压力(MPa)工作高度(m)高压气囊0.80.26 0.300.40 1 0.20 0.24 0.50 1.2 0.18 0.22 0.60 1.5 0.16 0.20 0.70 1.8 0.14 0.18 0.80 2 0.14 0.18 0.90中压气囊0.8 0.13 0.18 0.40 2 0.10 0.15 0.50 1.2 0.09 0.15 0.60 1.5 0.08 0.13 0.70 1.8 0.07 0.10 0.80 20.07 0.10 0.90龙纤维增强材料和优质的进口橡胶。气囊壁结构是整个行走气囊结构设计的关键，要实现气囊囊壁无接缝、各向强度均衡以及高的耐磨性能，通过单一纯橡胶结构、锦纶帘子布与橡胶复合结构等结构的力学性能试验、磨损试验，选定了外层橡胶、锦纶帘子布、内层橡胶3层组成的气囊囊壁复合结构。其中，锦纶帘子布相当于气囊骨架，主要用来承载，满足气囊的承载要求，根据工作压力选定；考虑到长期磨损，其内外层均为橡胶层，内外层橡胶实现耐冲击和耐磨性能；整个气囊采用高强度尼龙与橡胶整体缠绕成型，实现气囊囊壁无接缝，气囊嘴为铝合金铸件。气囊骨架材料锦纶帘子布的层数根据气囊工作压力选用，中压气囊帘子布一般为3层，高压气囊帘子布一般为6层，并要求帘子布层间附着力要不小于7kN/m，气囊囊壁的断面厚度约10mm左右。行走气囊的纵断面结构形式与起重气囊相同。气囊壁内、外层橡胶的物理机械性能要满足气囊工作时的强度、硬度、伸长率等要求，国家标准对橡胶的各项机械性能规定如表32所示。表32 行走气囊内外层橡胶力学性能表序号项目名称指 标国家标准内层橡胶外层橡胶1扯断强度(MPa)GB/T5282扯断伸长率（）GB/T5313硬度，邵式A硬度40，5050，704扯断强度老化系数（）GB/T35125扯断伸长率老化系数（）6硬度变化，邵式A硬度GB/T5312.5.5.3行走气囊工作参数的确定(1)气囊囊体承载能力计算公式为： 式中 每米囊体承载力， 气囊公称压力， S气囊受压后的横截面积，气囊是柔性弹性体，在使用过程中其形状受构件形状、地面形状、构件宽度、气囊长度和布置位置等多种因素的影响而改变。所以，承载面积与承载力也随着变化。（2）囊公称直径D的选择气囊公称直径D是指气囊在自由状态下充填一定气压的压缩空气状态下气囊的直径。气囊的直径愈大，价格愈高，气囊的成本高；反之，气囊的直径愈小，允许的气囊工作压力愈大，同时对其配套设施(如：空压机、压力表、充气管、连接件等)要求高，操作安全性降低。综合考虑上述因素，选择气囊不仅要考虑安全可靠，同时也要考虑其经济性。气囊直径一般选取0.8m或lm为宜。(3)气囊工作高度的选择气囊工作高度是指在顶升作业时大型构件底平面至顶升沟基础表面的高度。气囊的工作高度过高或过低均不利于大型构件的顶升，若气囊的工作高度过高时，大型构件稳定性差，此外气囊囊体压力大，也不利于气囊的安全；工作高度过低时既造成气囊的取放不便，也会造成气囊体与构件和顶升槽的接触面积加大，加剧了磨损，影响了气囊的使用寿命。（4）气囊长度的选择气囊长度是指气囊囊体的长度，不包括气囊头部分的尺寸。气囊长度的选择是根据气囊的承载面长度和气囊公称直径D而定，气囊的承载面长度与大型构件的底板尺寸有关。一般设计时，应保证气囊的气囊头从大型构件的底部伸出为宜，但伸出长度不能过长。若伸长部分过长，在顶升过程中，气囊头部分受力情况复杂，易造成气囊的磨损，降低气囊的使用寿命。2.5.5.4 行走气囊数量的确定 根据搬运的大型构件重量并考虑安全系数及气囊性能，即可计算出搬运单个大型构件时所需气囊数量。计算公式如下：式中，大型构件的重量，kNN滚动气囊的数量k系数，k=1.21.3l单根气囊的承压面长度，mmH囊承载面高度，mmP气囊公称压力，MPaD气囊公称直径，m经计算得出搬运沉箱所需气囊数N，并考虑各气囊间的合理净间距，最后确定实际的气囊数量。注意：气囊净间距是指搬运时两相邻气囊之间的间距，其值一般不小于0.5m。2.2.6 牵引系统设计2.2.6.1 牵引系统设备的布置牵引系统由卷扬机、动滑轮及牵引绳等组成。卷扬机是牵引系统的动力装置，其动力大小、安放位置直接关系到牵引系统的牵引能力，其安放位置需根据大型构件的移动方向布置在构件的两侧。动滑轮在大型构件在牵引系统中作用重大，主要用来减少卷扬机的牵引力，一般选择多门动滑轮，其位置在卷扬机和大型构件之间。构件的移动由数台卷扬机通过滑轮组在大型构件两侧同步牵引实现，为确保大型构件移动过程的平稳、安全，在移动的反方向上用设置同样的牵引系统进行反向牵引保护。大型构件搬运时牵引装置布置示意图见图39。图39中，牵引绳夹角是指牵引绳与移动方向的夹角，其大小由卷扬机的位置和大型构件的位置决定。牵引绳一般采用钢丝绳，大型构件牵引高度位置应低于构件重心高度，并考虑卷扬机架高度及操作方便等因素。若牵引位置高于卷扬机架高度时，牵引时产生的向下分力，增加气囊的摩擦力，影响气囊使用寿命；若捆绑位置低于卷扬机架高度时，产生的向上分力，不利于沉箱的稳定。为此，牵引高度位置一般应与卷扬机架等高。 图39 牵引装置布置图2.2.6.2 牵引力的计算式中，F搬运沉箱的牵引力，kNG沉箱自重，kNg重力加速度，g=10f气囊与地面的滚动摩擦系数，与地面情况和气囊的工作高度有关，一般取0.030.05V沉箱移动速度， T起动时间，从O至设计移动速度k安全系数，取 k=l.22.3 气囊搬运实例分析在气动搬运大型构件时气囊集群共同承受大型构件的重量，为了确保搬运安全，同一气囊中各处负载必须均衡，不同气囊间的负载也必须均衡，不能超过气囊体刚度，否则易造成大型构件的倾斜，影响搬运的安全。下面以某箱梁构件为例进行分析。2.3.1 箱梁搬运实例(1) 箱梁的技术参数 这是某工程用箱梁，箱梁重量达1525吨，根据工程要求，该构件在陆地进行预制、水上施工安装，构件的基本技术数据见表33，具体形状和行走气囊的布置方式参见图38所示。.表33 箱梁基本技术参数表箱梁长度（mm）箱梁顶宽（mm）底宽（mm）高（mm）自重（kN）60000115005800280015250(2) 箱梁横移出一只气囊时的力学模型建立l) 工况分析箱梁在水平移动过程中，只是在移动方向上受到牵引力作用，而沿箱梁长度方向不受力，根据箱梁这种受力特点，假设：同一气囊在其承载长度上各处起重高度均相等，即忽略箱梁倾斜后对气囊两边起重高度的影响。当箱梁横移过程中，一条气囊移出箱梁时状态如图310所示。图310 箱梁状态图2) 箱梁重心计算箱梁重心的位置直接关系到其自身的平衡和稳定，由于大型构件箱梁的自重大、平面尺寸大，当箱梁在移动时，由于自身的惯性大，会直接影响到搬运的安全，因此，我们对箱梁的重心位置坐标进行了确定。建立箱梁平面坐标系如图311所示。图311 某箱梁重心坐标图在XY平面内，设箱梁的重心坐标为C(，)，根据物体的重心坐标公式确定此箱梁的重心坐标C(0，1520)mm。3) 箱梁力学模型的建立以与箱梁底部垂直且通过箱梁重心的横截面做箱梁平面力系，建立箱梁力学模型如下图312所示：312 箱梁受力图图中各气囊对箱梁的起重力，kNG箱梁自重，kNN箱梁对气囊的正压力，kNf箱梁的下滑力，kN箱梁与地面的水平夹角.(3) 气囊起重力与起重高度的关系分析l)单条气囊起重力与起重高度关系 =式中，F气囊起重力，kNH气囊起重高度，mmL气囊工作长度，mmB气囊工作宽度，mmD气囊公称直径，mmP气囊工作压力，MPa2) 单条气囊起重力与起重高度增量h关系分析3) 箱梁横移出一只气囊时的稳定性校核在箱梁移动过程中，采用卷扬机和滑轮组通过钢丝绳牵引，移动速度低，一般小于3m/min，同时，箱梁前后均进行牵引，保障了箱梁以较均匀的速度前进。故箱梁稳定性校核时，可简化为箱梁稳定状态的计算。设气囊以为支点，建立箱梁的3个受力方程： （314） 气囊滚动阻力其中，由公式314得出：设，可得因为箱梁倾角很小，可以忽略重心的偏移及下滑力对箱梁的力矩，将原力学模型进行简化：可得 ：所以 ，可得箱梁下滑力2.3.2 气动搬运沉箱实例(1)基本技术参数这是某工程用沉箱，沉箱重量达2365吨，是港口用大型构件。根据工程施工要求，该构件采取在陆地预制与水上施工安装相结合的施工工艺，沉箱的具体形状与尺寸要求见图313。(2)横移沉箱时气囊集群的布置及其规格采用公称直径1.0m、长18.lm、工作压力0.30MPa、试验压力0.46MPa的气囊14条。在工作时，有效承载的气囊数量为8条，接应用气囊为6条。沉箱横移高度为0.4m时，气囊承载宽度为0.942m，每条气囊起重能力3391kN，气囊实际工作压力为：0.17MPa，气囊采用一列八行布置，各气囊的径向间距1.04m。 图313 沉箱结构参数图 (3)沉箱横移初始状态简图 图315 沉箱横移初始状态简图(4)沉箱横移时左右方向变形受力分析以与沉箱底部垂直且通过沉箱重心的横截面做沉箱平面力