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...
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 1－1 所示， 3000t 广顺号油 轮下水如图 1－2 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 1－1中港四航局第一工程公司东江口预制厂 2212t 沉箱搬运
图 1－2 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 1－3 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：20m×20m 平台共 8 个；吊机： DQM540/30 型 2 台，吊力 10t(变幅 18－37m)；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 1－3 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 m3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 Q235－A。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 0.05－0. 7m/s，有的高达 1－3m/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 200～3500t 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 200～3500t 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 2－1 所示。现将其中主要的功能简述如下：
图 2－1 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 2－2 所示。
图 2－2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 2－3 所示
图 2－3 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 2－4 所示，顶升沟槽的结构详图如图 2－5 所示。
图 2－4 顶升系统结构图图中， a －顶升沟槽间距，m
图 2－5 顶升沟槽结构详图图中 H1 －顶升沟槽支承肩的高度，~
H2 －顶升沟槽深度，mm
H3 －顶升沟槽基础厚度，mm
B1 －顶升沟槽支承肩的宽度，mmB2 －顶升沟槽宽度，mm
B3 －顶升沟槽基础宽度，mm
2.2.2.2 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/T3795－1996)和《船舶用气囊上排、下水工艺要求》标准(CB/T3837－1998)。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 3－6 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：
Q = PS 103
式中 Q －每米囊体承载力，kNP －气囊公称压力， MPa
S－气囊受压后的横截面积， mm2
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l的选择
气囊长度l是指气囊囊体的长度，不包括气囊头部分的尺寸。气囊长度l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 3－7所示。
图 3－7 顶升气囊顶升大型构件的示意图图中 B－承载面宽度，mm
H－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：B = π (D H ) / 2
承载面积
S = Bl = π (D H )l / 2单根气囊的承载力
F = SP = π (D H )lP / 2所需气囊的总长度
Ltotal= G / F =
式中l －单根气囊的承压长度， mm
G－大型构件的重量，kN
2.2.4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 3－8 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。
3－8 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 3－1。
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 3－1 行走气囊参数表
气 囊 类 气囊直径（ m ） 公 称 压 力 气 囊 试 验 压 力 工作高度(m)型 (MPa) (MPa)
0.8 0.26 0.30 0.40
1 0.20 0.24 0.50高 压 气 1.2 0.18 0.22 0.60囊1.5 0.16 0.20 0.70
1.8 0.14 0.18 0.80
2 0.14 0.18 0.90
0.8 0.13 0.18 0.40
2 0.10 0.15 0.50
中 压 气 1.2 0.09 0.15 0.60囊1.5 0.08 0.13 0.70
1.8 0.07 0.10 0.80
2 0.07 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 3－2 所示。
表 3－2 行走气囊内外层橡胶力学性能表
2.5.5.3 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：
Q = PS 103
式中 Q －每米囊体承载力，kN
P －气囊公称压力， MPa
S－气囊受压后的横截面积， mm2
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l的选择
气囊长度l是指气囊囊体的长度，不包括气囊头部分的尺寸。气囊长度l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：
N = k2GπPl(D H )
式中，G-大型构件的重量，kN
N－滚动气囊的数量k－系数，k=1.2~1.3
l－单根气囊的承压面长度，mm
H－囊承载面高度，mmP－气囊公称压力，MPa
D－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 3－9。
图 3－9 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 3－9 牵引装置布置图
2.2.6.2 牵引力的计算
F = kGf +kGVgT
式中， F－搬运沉箱的牵引力，kNG－沉箱自重，kNg－重力加速度，g=10 m / s 2f－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0.03~0.05V－沉箱移动速度， m / sT－起动时间，从 O 至设计移动速度k－安全系数，取 k=l.2
2.3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 3－3，具体形状和行走气囊的布置方式参见图 3－8 所示。.表 3－3箱梁基本技术参数表(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 3－10 所示。
图 3－10 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 3－11 所示。
图 3－11 某箱梁重心坐标图在 X－Y 平面内，设箱梁的重心坐标为 C( Xc ， Yc )，根据物体的重心坐标公式Xc=AxdA / A
Yc= A ydA / A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 3－12 所示：
3－12箱梁受力图图中 Fi－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
β - 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F = Px L xb= Px L xπ x (D - H ) / 2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FΔh = Px L xπ x政 23) 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 Fr 为支点，建立箱梁的 3 个受力方程：Σ Fr= 0F1 + F2 + F3 + F4 + F5= N / 2ΣM( F1)= 0（3－14）1026F2+ 2 x1026F3+ 3x1026F4+ 4 x1026F5+1520f - (1026+ 513+1520tgβ)N / 2 = 0
f < 气囊滚动阻力其中，由公式 3－14 得出：F2= F1 - (Px L xπ x1026x tgβ) / 2 = F1 - 513πPLx tgβ
F3= F1 - (Px L xπ x 2 x1026x tgβ) / 2 = F1 - 513πPLx tgβ
F4= F1 一 (Px L xπ x 3x1026x tgβ) / 2 = F1一 513πPLx tgβF5= F1 一 (Px L xπ x 4 x1026x tgβ) / 2 = F1一 513πPLx tgβ设 A = 513πPL ，可得5F1 一 10Ax tgβ = Gx cos β / 2
1026F1 一 3x1026Atgβ 一 154尝 2G 尝 cos β = 0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：5F1 一 10Ax tgβ = G / 2
10F1 一 30Ax tgβ = 1.5G / 2可得 ：tgβ = 0.25G /10A =(0.25x1400x1000) /10x 513x 3.14x1.22x12x100 = 0.148所以β = 0.85。，可得
箱梁下滑力 f = Gx sin β = 15250xsin 0.85 = 200kN
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 3－13。
(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 3－13 沉箱结构参数图(3)沉箱横移初始状态简图
图 3－15 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系，建立沉箱力学模型如下：
图 3－16受力图图中，箭头－气囊对沉箱的起重分布力
q－气囊集度，取 172kNG－沉箱自重，kN
f－沉箱下滑力，kN
β -沉箱与地面的水平夹角1）单条气囊增加承载面积 S
S = (B 一 b) xL 尝 2
=(1256－942)x 9050 尝 2 =1420580 mm2
式中，B-气囊变形后的宽度，mmb－气囊变形前的宽度，mmL－气囊长度，mm
增加的承载形状为三角形，其受力中心为距底边的 1/3 处，其值为：L/3=3016mm
则增加的承载力ΔFΔF = S x q = 244kN
增加抗反转力矩 M
M = ΔF X (9.050一 3.016) = 1472kN . m
2)总的抗反转力矩=MX 8 = 2166784 kN . m2.4本章小结
本章的主要工作是根据顶升和搬运系统要求进行系统结构设计与气囊选用。主要包括：
(1)气囊集群的布置方式直接影响系统的大小和能耗的多少，根据顶升出运大型构件的要求，首先需要确定气囊集群的布置方式；
(2)气动顶升系统的结构是气动顶升工艺的基础和平台，顶升沟槽的详细结 构直接影响整个系统的结构， 根据气囊集群的布置方式确定顶升系统结构的各参数；
(3)气囊集群是系统中最主要的执行元件，所以气囊的选择是系统设计的关 键所在。气囊的技术参数关系到系统的工作性能，确定气囊的公称直径、工作高度、长度、承载力及其气囊数量的计算模型。
(4)为保证所建模型的准确性，结合工程实际进行了试验，并对试验情况进行了气囊受力、稳定性等性能评估分析。
第 3 章 控制系统的规划与设计3.1 控制系统的任务与要求
气动顶升搬运系统涉及大型构件的顶升气囊集群、行走气囊集群、牵引设备 和气动系统，为保证系统能够达到设计目的，实现系统运行安全、可靠、性能稳 定、适应性强、技术经济性高的要求，确定控制系统的任务一是控制气动系统进 行顶升、搬运作业，二是控制牵引系统实现构件的前进、后退动作，三是保证顶升搬运过程中构件安全。
（1）高压气囊集群作业
以高压气囊作为整体顶升搬运设备， 主要应用于大型构件的顶升与搬运。考 虑到大型构件的特点构件的重量大，通常在数百吨到数千吨构件的外形尺寸大， 一般在数米到数十米。因此， 气动顶升搬运系统可以根据大型构件的特点和施工 现场的条件灵活布置与组合，构成受力合理、动力足够的施工作业系统，因此常 用于各种大型、复杂的结构件的陆上移动工作。根据各中大型构件的具体情况和 移动的要求，将若干中高压气囊与气动阀组、泵站等组合成高压气囊集群。大型 构件整体顶升时采用顶升气囊集群， 整体移位时采用行走气囊集群，一般是一个作业区配置一套顶升气囊集群或行走气囊集群。
（2）实现同步作业与负荷均衡
高压气囊集群应保证顶升搬运移动过程中各气囊同步作业， 才能实现各气囊 的负荷均衡， 达到使大型结构件的姿态平稳的目的，从而顺利完成大型构件顶升 或搬运任务。同步作业，是指各气囊在工作时，应当使气动顶升与搬运时各高压 气囊工作的气囊内压力相同、承载的工作面面积相同，即各气囊的承载长度、承载宽度均应相同，这样就可保证在顶升搬运大型构件时，各气囊的负荷均衡。
（3）实现运动同步控制
大型构件整体顶升作业、搬运作业易受到外部环境的影响， 这就要求在顶升搬运系统应具有实现运动方向的控制。在顶升时，既能通过同时供气，实现顶升
的动作， 通过卸压放气，实现降落的动作在搬运时，通过牵引装置位置的合理设置实现水平移动方向的控制。
（4）卷扬机同步传动要求钢丝绳的线速度和张力恒定
对于这样一个非线性、变参数耦合系统，国内目前通常采用摩擦传动或机械 调速方法以近似实现恒线速度控制，且以直流电机作为主传动轴。近年来，随着 交流变频调速技术的不断发展，交流电机结构简单、适应性强的特点越显突出， 交流传动已成为发展趋势，依据卷扬机成形理论和卷扬机同步控制系统的特点， 设计了一种以为控制系统核心，不使用张力传感器，用交流变频调速实现恒线速度调节的新型卷绕同步控制系统。
3.2运动同步控制系统规划与设计
3.2.1 控制系统功能分析
要实现大型构件的搬运需做到所有高压气囊能够同步动作，整个搬运系统 能够按施工工艺所要求的流程和步骤工作， 而且， 大型构件要始终保持合适的姿 态， 使施工负载稳定性各项参数和偏差均符合设计要求，因此， 控制系统的功能如下：
（1）实现卷扬机的同步协调动作，包括整体联动、局部联动、单点单动等。
（2）按工艺规定的作业流程进行连续平移，并能自动或半自动地根据不同工况修正作业流程。
（3）将平移过程中各点的高度偏差限制在设计允许范围内
（4）在各点负载差异很大时，气动系统采用不同气压组合配置进行负载的均衡控制
（5）自动采集存储搬运过程中产生的大量数据，并能进行各种检索和分析，辅助工程技术人员做好系统调试、技术分析和技术总结。
3.2.2 控制系统构成及工作原理
卷扬机主体的物理模型如图 3－1 所示。 图中卷辊和卷辊分别通过机械传动系统与台三相交流感应电动机相连接。2 台电动机中当 M1 为收卷时，为主令机， 带动驱动辊收卷，自身为光电编码器速度闭环控制。M 2 为从动机， 带动放卷辊， 其功能是跟随主令电机运行，收卷钢丝绳， M 2 也为光电编码器速度闭环控制。反之，当 M 2 为收卷时， M 2 为主令机， M1 为从动机，M1 放卷。M1 和 M 2的工作状态切换，大型构件的搬运方向会自动地改变一次，调节、运行速度，使大型构件的移动速度保持恒定， 大型构件就在合适的张力和恒速运动状态下实现了搬运。 G1 、G2 为光电编码器，装在导辊轴端。如图 3－1 系统，设牵引钢丝绳张力为 F， M1 单元钢丝绳线速度为V1 ， M 2 单元运行的线速度为V2。显而易见，当V2 <V1 时，钢丝绳松弛悬吊胜； V2 >V1 时，则钢丝绳张紧。根据胡克定律，钢丝绳内张力为
F收卷 ＝Ff+ F + (V2- V1 )dt= Ff+ F放卷 ＋(r2 k2负r 2- r1k1负r1)
图 3－1 卷扬机主体的物理模型式中
E—钢丝绳弹性模量A—钢丝绳截面积， mm2L—导辊传动点之间的距离， mnpi 一第 1 台、第 2 台电机极对数， i = 1,2
负ri 一第 1 台、第 2 台转子电气角速度， i = 1,2
ki 一第 1 台、第 2 台卷筒的速比， i = 1,2ri —第 1 台、第 2 台卷筒的半径， mmt—机器启动时间， sF放卷 —放卷辊的钢丝绳的内张力， NF收卷 —收卷辊钢丝绳的内张力， N
Fr 一 大型构件的滚动摩擦力， N由式 3－1 可知，张力大小与钢丝绳弹性模量、钢丝绳横截面积、导辊传动点之间的距离及两导辊的速差有关。对于某一系统钢丝绳弹性模量、钢丝绳横截面积、 导辊传动点之间的距离都可认为是常量，都可通过控制器系统参数设定而设定， 卷扬机的张力主要由收卷辊的速度和放卷辊的速度的速差产生， 因此速度控制是本系统设计的关键所在。
3.2.3电机变频控制器的 DSP 系统硬件的实现
电机变频控制器主要模块包括整流模块、逆变模块、保护模块、信号检测模块、通讯模块、辅助功能模块等。控制器的硬件组成如图 3－2 所示。控制核心系统选用 TMS320LF2407A，它是专门为电机控制和运动控制而设计的一种数字信号处理器， 其内核是定点 16 位 DSP，具有 4 级流水线结构， 频率可达 40MHz， 内置有 32K 的 FLASH ROM，片内可产生 12 路的 PMW 输出，有 16 路高速 10位 A/D 转换接口。本系统中的电机控制器硬件设计可满足电机电流和速度的双闭环控制需要，经霍尔电流互感器检测的电流值放大滤波后由 DSP 的 10 位 A/D 转换为数字信
号，实现电流闭环控制。光电编码器检测的信号经光隔离接入 DSP 的正交编码 器接口，可实现速度闭环控制。空间矢量算法生成的 SVPWM 控制信号由 DSP 的事件管理模块 EVA的 PMW1—PMW6 输出，经高速光耦隔离，带动 IR的 IR2132S 输出驱动信号， 驱动 ST 公司的 STGW20NB60KDIGBT 实现交流电机的 高性能控制。CAN 通讯由 DSP 的 CAN 接口，经光耦隔离驱动，系统同步控制 信号的传输由 CAN 通讯实现。在电机变频控制器中设计了欠压、过流等保护电 路。为提高系统的可靠性和抗干扰性，在系统设计中采用了光耦隔离和拉高、拉低等设计方法。本系统主令电机和从动机的变频控制器的硬件设计相同。
图 3－2电机控制系统硬件结构图
3.3系统的控制模式和软件设计
3.3.1同步控制模式的建立
本卷绕控制系统采用独立电机同步驱动策略， 各电机均具有独立的包括电流 反馈和速度反馈的双闭环反馈控制系统。系统控制原理结构如图 4－3 所示。各 个电机闭环回路中控制器的控制规律和控制参数按常规电机控制系统设计。控制系统对不同电机的反馈转速进行同步监测， 并根据存在的转速差来确定同步补偿
量，进行补偿控制。
3.3.2主令电机控制模型的建立
如前所述， 主令机的转速应随着收卷辊的直径的增加而减小，由于直径不断 增加，其转动惯量也会不断增加，所以，驱动部分是时变结构，时变量为卷辊直径和转动惯量。主令机的给定速度V . np1r1 r1k1式中： V—工作台给定的线速度，m/sK—钢丝绳的最大收卷的层数
图 3－3同步控制系统图要使线速度恒定，需不断调节从动电机的电气角速度 负r1 ，使得负r1 1/ r1
考虑钢丝绳的直径较大，每增加一层，卷扬机卷筒的半径也随之变化，这两者的关系式如下：
r1= r0+ 0.866j1d
式中 d－钢丝绳的直径，
j1 －主令机的卷辊的收卷层数
j1 的取值可通过编码器的输出脉冲数计算：
j1= -m式中：
P1 －主令机卷筒轴编码器输出的脉冲数；
m －编码器每层应输出的脉冲数；可得
V . np1 V . np1负 == r2 r1k1 (r0+ 0.866j1d)k2
将由式 4－5 计算得到的角速度作为主令机的给定转速，从而实现转速的闭环控制。
3.3.3从动电机控制模型的建立
从动机的转速应随着放卷辊的直径的减小而升高， 由于放卷辊的直径不断减 小，其转动惯量也会不断减小，所以，从动机放卷部分也是时变结构，时变量是卷筒的直径和转动惯量。
3.3.4转动惯量分析
主令机和从动机转动惯量都是时变参数，主令机的卷辊转动惯量随卷筒直 径减少逐渐减小， 从动机卷辊的转动惯量随卷筒直径增加逐渐增加。尽管钢丝绳 是密度较大、较粗的卷绕材料， 但是其在同一层中转动惯量的变化可以近似忽略不计，本系统中将其视为一种扰动，在控制算法中进行了适当的补偿。
3.3.5系统软件设计
主动机与从动机控制软件的实现均以转子磁场定向理论为基础，采用空间 矢量控制。为提高系统中的电机控制精度和响应速度， 系统软件设计采用了中断 服务控制， 将闭环控制程序置于中断服务程序中实现，同时系统软件设计中为提 高系统的性能和鲁棒性， 系统软件设计采用了目前在工业控制系统中广泛使用的离散递推增量式 PID 控制算法。
3.4气源系统的功能分析
根据大型构件气动顶升搬运系统的要求，需要具备顶升与搬运任务。顶升时各气囊只有弹性变形，通过充填压缩空气实现变形，因此， 要求合适供气的速度与供气压力同时，由于顶升的工作区域大， 对供气的管路提出了要求。搬运时， 各气囊既需要足够快的充放气速度，以满足搬运速度的要求。由于本系统使用气囊的数量较多、用气量大并且分布范围大，需要采用空压机、气阀、压力表、空气分配器及供气管路等组成气源系统，来满足用气要求。具体要求如下：
1）气囊工作高度：0～500mm
2）气囊最大单位顶升力：600kN/m
3)工作周期：5min
4)安装高度： 250 mm其它要求
1)顶升时可实现各气囊同步供气与独立供气
2)搬运时各气囊的气压调节作用，保证构件水平3)系统工作可靠，造价低，易于操作
3.5本章小结
本章介绍了基于实现卷扬机交流同步控制的方法，实现了以为核心的控制系统设计。
(1)通过分析卷扬机工作过程中卷筒的特点，提出了卷扬机专用的交流电机 控制和同步控制策略，具有非常强的针对性，也大大提高了系统的性能和控制精度。
(2)系统的硬件采用了高性能的数字处理芯片，提高了系统的通用性，使该系统既可作为单个交流电机的控制器，也可以实现多台电机的控制。
(3)电机具有独立的电流反馈与速度反馈双闭环反馈控制系统，便于电机独立同步控制，也容易实现多台电机的同步控制。
(4)气源系统简洁方便，保障了同步控制的可靠性，建立了空气压缩机与管道设计计算模型。
第 4 章 沉箱出运施工
本章作者将结合某实际工程， 介绍沉箱的施工工艺以及在施工中要注意的问题。
某燃气－蒸汽联合循环机组循环取排水工程，工程范围包括：取水口、 引水箱涵水上段、取水口管标志、引水箱涵闸门井及人孔、排水口、排水箱涵水上段、排水口管标志、排水箱涵闸门井及人孔。
取排水箱涵水上段采用预制安装的施工方法， 其中取水箱涵水上段箱涵总长约 1125 米，排水箱涵总长约 1940 米。预制箱涵的类型分为取水单孔、取水双孔、 取水三孔、单孔排水、双孔排水(浅埋)、双孔排水(深埋)及其它异型构件。预制箱涵标准件分节长度为 15 米，包括一部分异型构件，共有预制件约 220 件，最大的三孔预制箱涵重达 800 吨，出运安装的工作量和技术难度均很大。
总平面布置图如下图：
图 4－1总体平面布置图
4.1 箱涵陆上出运
本工程预制箱涵陆上采用气囊横、纵向牵引到出运码头， 在箱涵内部及两侧安装好浮运气囊后牵引到水里浮运。气囊水平出运重件，已有较成熟的施工工艺，其方法即是把气囊放在需要移动的箱涵下面， 气囊充气后将箱涵顶升， 然后用小牵引力拉动箱涵， 使气囊滚动，从而使箱涵水平移动达到箱涵的水平运输目的地。
4.1.1 气囊的选择
一、箱涵横移气囊规格：直径φ 0.8；有效工作长度 16m；总长度：17.39m工作压力：0.2MPa 试验压力：0.25MPa气囊起重高度为 0.4m 条件下，气囊承载宽度为 0.63m，总宽度 1.03m每米气囊承载能力=0.2 根0.63 根1000=126 KN每条气囊承载能力＝126 根15 ＝1890 KN表 4－1
二、箱涵纵移气囊规格：直径φ 1m；有效工作长度按箱梁宽度；工作压力：0.2Mpa试验压力：0.25Mpa气囊起重高度为 o.4m 条件下，气囊承载宽度为 0.79m，总宽度 1.29m每米气囊承载能力=0.2x 0.79 x1000 =158kN
表 4－2注：表中“气囊数量”是指有效载荷的气囊数量，为满足移动需要，必须要有足够数量的接应气囊。
4.1.2 牵引力
Fd= Q.g .sinC + u.Q.g .cosC
式中：Fd－绞车牵引力，NK；Q－重物自重， tg－重力加速度， m / s 2C －坡道倾角，度u －坡道摩擦系数。箱涵是在平坦的地面上移运，坡道倾角 C 为零，阻力系数 u 取 0.03所以 Fd= Q . g .sinC + u . Q . g .cosC= 789.5x 0.03= 24t
4.1.3 供气系统
供气系统采用 DVY－6/7 型空压机一台，排气量 6 m3 /min，排气压力 0.7MPa， 为了使多个气囊同时充气， 设置具有多管路接头的空气分配器一个， 另有输气管多条。
4.1.4 箱涵移运稳定性
箱涵的重心很低，底面积大，稳定性极好，不存在倾斜的可能。
4.1.5 箱涵移运过程中的启动与制动
箱涵移运方向前用两部卷扬机牵引， 其后用两部卷扬机牵制。可通过调整气 囊气压来达到箱涵启动时牵引力减小和制动的要求。前端气囊气压减小， 箱涵前 倾，牵引力就小，反之亦然；移运中减小气压，即可增加滚动阻力，实现减速；在箱涵前摆放充气的气囊达到制动的目的。
4.1.6 移运中偏移的纠正措施
纠正物体移运过程中的偏移有多种方法，通常采用的方法有：
A.调整两侧卷扬机的牵引速度和先后启动顺序；B.调整气囊摆放角度。
4.1.7 箱涵出运使用设备和配置
箱涵出运使用设备和配置详见表 4－3
表 4－3 箱涵出运使用设备一览表
4.1.8 风险分析与安全保障
气囊损坏：在箱涵移运时，气囊有被尖锐物扎破、划伤的可能，会因气囊漏气使箱涵失去平衡。气囊的设计制造保证具有四倍的安全系数，一旦发生气囊受损漏气，其他气 囊有足够的能力分担徒然增加的载荷， 通过调整气囊位置和气压， 可使箱涵恢复平衡。风力的影响：若在箱涵移运时遇到较强的风力，箱涵会发生摇摆。气囊具有自稳性，箱涵 倾斜时， 倾斜边的气囊与箱涵底部的接触面积增大， 气囊给底部的作用力随之增加，使箱涵恢复平衡。
4.2 箱涵下水
箱涵下水是一个重要、关键的环节。箱涵下水的方法与纵(横)移的过程类同，但要求高、难度大。本工程预制箱涵的水上运输采用气囊浮运。箱涵下水是一关
键环节。设平均潮位高 lm。修建下水坡道宽 30m；长 56m，其中水面以上长度约 17m；坡度 7 。，坡底标高为－3.5m。箱梁移到坡道上，摆放好接应气囊，调整适当的气压，通过牵引把箱涵拖下水。箱涵下滑前面的接应气囊主要起支撑和减速作用，按坡度 7 。，最大的构件 780 吨，产生的下滑力达到 95 吨，但由于前边接应气囊内部剪切力和水阻力的作用，己经抵消了大部分的力，后方只需考虑 1%的牵引力进行制动。为减少下滑力过大，亦可以调整气囊的气压，使构件的重心转移，减少下滑力。一、起浮力计算1、箱涵下水前应进行起浮能力计算。浮力计算和助浮气囊布置：根据现场的水深条件，箱涵的吃水深度按 3 米控制。以此作为箱涵下水浮运的主要控制指标。详见箱涵基本参数表 4－4。表 4－4 箱涵起浮力基本参数表
注：这里的吃水深是指箱涵中填充了气囊后的。二、箱涵助浮气囊布局设计考虑气囊未能全部填满空腔，助浮力取 1.1 倍，表中的“助浮力”能使箱涵的吃水深度保持在 3m 位。在箱涵两侧分别用捆绑带固定住助浮气囊，箱涵两侧底部分别预埋 8 个拉环，其抗拉强度根据助浮力的大小设定在 10～2OOkN，可用于固定气囊， 亦可用来牵引箱涵横移、纵移； 捆绑带的抗拉强度不小于 200kN， 它可使多个气囊捆在一起，气囊充气后，气囊组会具有良好的刚性。具体见表 4-5。表 4－5
4.2.1箱涵下水流程
箱涵下水的过程分四个主要的步聚： 一是由水平的纵移通道进入倾斜的下水 坡道(7 度)；二是拆除前拉钢丝绳和水下摆放移运气囊；三是箱涵由陆上溜放进入水中；四是拆除后拉钢丝绳，系拖带缆，开始浮运。详细的工艺流程如下图：
图 4－2 箱涵下水工艺流程图
4.2.2 人机配备
配备的主要机具主要有：充气泵站 1 座、卷扬机 3 台(前拉一台、后拉 2 台)、 移运气囊 13 条(水上 8 条、水下 4 条，备用 l 条)、填充式助浮气囊每孔 9 条、侧挂式助浮气囊 10 条、拖轮两艘，交通艇 2 艘。配备的人员如下：指挥长 1 名、充气泵站 2 人、每台卷扬机操作员 l 人共 3人、气囊作业组 20 人，潜水员 2 名，船员 12 人，其它作业人员 3 名。
4.2.3 作业方法
当箱涵纵移至出运码头后方时，即把箱涵座落在摆放好的枕木上，然后进行以下各工序的作业：一、安装前牵钢丝绳和后拉钢丝绳前牵和后拉钢丝绳一端连接在箱涵顶部吊环上，另一端连接在滑车上，然后 滑车组连接到卷扬机上， 通过操作卷扬机来控制箱涵的前牵和后拉。安装钢丝绳时要注意避免损坏箱涵的止水带和助浮气囊。二、安装助浮气囊助浮气囊包括填充气囊和侧挂气囊。安装气囊时先预先叠好再一层一层安装。充气时先充上层气囊，再充下层气囊，而且一个气囊不能一次充满，而应待各气囊均充有一定的气体， 让各气囊处于预定的位置后， 再进一步把各气囊充满。 充气时同时观测气压表，气压达到 0.lMPa 时，停止充气。助浮气囊的安装详见图 3－8“取水箱涵填充气囊、侧挂气囊安装示意图”、图 3－9“排水箱涵填充气囊、侧挂气囊安装示意图”。填充气囊充完气后，再连接一根 5m 长的高压气管，气管都用管卡紧紧固定在气囊上， 因为有气管上设有倒牙， 因此气管不会脱落。管子的另一端连接浮子，箱涵下水后气管能浮出水面便于气囊补气和放气。气管不宜连接在气囊远离海的一端， 以防箱涵下水时，水下移运气囊从箱涵后端突然冒出水面时对气管造成破坏。三、摆放移运气囊接应气囊按 6 米的间距摆放，由于气囊与箱涵的移动速度比为 1： 2，箱涵
移运至气囊上方后，气囊的间距变成 3 米，如此箱涵底部有 4－5 条气囊支承箱涵。摆放移运气囊使用现有的 l 吨卷扬机牵引，使用钢管固定卷扬机横穿气囊。 气囊摆放位置要尽量居中， 让两端超出箱涵的长度要大致相等，同时保证充气一端的顺利操作。当现场无合适的条件便于卷扬机作业时，则采用人工摆放气囊。气囊的摆放应在箱涵进入斜坡前完成， 避免在箱涵进入斜坡后在箱涵前面摆放气囊的做法，以防止箱涵后拉系统发生意外时形成箱涵下冲伤人事件。在水中预先安装好定位桩，直接将气囊固定在定位桩上。气囊两头安有 360 度旋转快接头，在快接头上连接高压气管，用管卡紧紧固定，接头有倒牙，可以 防止气管脱离，气管大约 5m 长，另一端连接一个浮子，使之能够在水面上浮起便于充气和放气。四、移运气囊充气，箱涵顶升，准备出运1.气囊充气气囊充气要逐次加气，先充前面的，当气囊有一定的压力时，再充中间，最 后充后面， 预充后再按照前面的顺序依次将气囊加气， 直至气囊把箱涵顶起离开枕木，即将气囊的泄气阀关闭，停止供气，拆除枕木。2.气囊放气拆除所有的充气管，再打开各个气囊的排气阀，进行缓慢放气，当气囊高度降至移运的适宜高度时，关闭排气阀，并检查调查各个气囊的压力基本一致。五、下水1、牵引箱涵进入出运码头陆上段在指挥长的统一指挥下， 启动前牵卷扬机，拉动箱涵缓慢向前移动。当箱涵下面第一个气囊离箱涵前端空出一定的距离，并且箱涵前端到达接应气囊(未充气)上方时，即停止牵引，对接应气囊进行充气并达到预定压力后，再重新牵引。重复上面的程序直至箱涵由水平的纵移通道进入出运码头陆上段。2、拆除前引钢丝绳。箱涵进入出运码头陆上段后， 其下滑力大于摩擦力，不需要前牵引力即能自动下滑。所以应在箱涵下水前解除前引钢丝绳。
3、箱涵进入水中箱涵在自重力作用下继续下滑进入水中，其操作步骤和方法与陆上移运类同，但由于水下作业的特殊性，必须注意以下几个方面：必须保证出运码头水下斜坡段的表面平整度， 且不能有各种会对气囊造成损 坏的杂物。每一件箱涵下水前都必须做好这一项工作， 这一项工作通过潜水员来 进行检查。箱涵完全起浮前如果发生栽头、触底，将是非常难处理的的问题，而 箱涵栽头、触底的现象只会在气囊破损漏气的情况下才会发生， 所以在箱涵下水 过程中， 必须保证自始至终有 4 条以上的气囊支承箱涵。当万一有某一条气囊漏 气时， 尚有 3 条以上气囊支承箱涵，能保证箱涵保持平衡状态。此时箱涵必须马 上停车，对漏气的气囊进行维修。如果气囊无法维修，则必须更换气囊，更换气 囊主要由潜水员完成， 但潜水员绝对不能潜入箱涵底部，只能通过水下潜水员穿线，陆上卷扬机拖拉的方法摆放气囊。如此处置妥当之后，才能继续溜放箱涵。箱涵开始入水后，禁止任何人员，船机停留、经过箱涵后方水域，防止移运气囊从水中冒起时掀翻船机，造成船坏人伤(亡)事故的发生。箱涵完全起浮前，必须系好拖缆，箱涵完全起浮后，才能解除后拉钢丝绳， 以防箱涵起浮后无足够的牵引系统，引起箱涵在风流压作用下漂流，造成箱涵靠岸搁浅、损坏气囊，甚至碰撞海上其它船舶的安全事故。
4.3 箱涵浮运
4.3.1概述
由于施工现场附近海域海滩平缓，大型船舶如 500t 浮吊， 2000t 驳船、万吨 半潜驳航行作业困难或不具备作业条件。通过现场详细考查和周密分析，决定采取水上浮运的方法将大型构件运至现场，然后采用气囊放气的方法沉放施工。构件浮运主要利用海水浮力将构件浮起， 通过分析起浮方式有两种，一种为将箱 涵两端封口后起浮，安放好后潜水员水下拆除，一种为气囊充气起浮，安放好后 放气抽出胶囊。通过周密分析、计算和试验，决定采用胶囊充气浮运，其主要优点有：1、原理简单，施工方便，一般不需要潜水员水下作业。
2、发生意外，中途沉管后，可采取补救措施即给备用胶囊充气，可继续起浮浮运，而采用封端口时若发生意外中途沉管后难以处理。3、沉放时接口容易处理，安放质量好，并可随时充气再次安放，因胶囊端头没有伸出涵箱，对涵箱安放的端头处理没有影响。4、碰到台风或其它突发事件可随时放气沉放，安全后可再次充气继续浮运和其它工序的施工。5、满足水深要求的水域不需特别大，仅沿挖好的基槽拖运即可，不需要加宽基槽。
4.3.2 施工船机选择
表 4－6 箱涵浮运、陈放船机设备配置表
4.3.3 施工工艺流程
见图 4－3，箱涵浮运和安装放工艺流程框图：
.图 4－3 箱涵浮运、安装工程图
4.3.4箱涵起浮试验和计算
一、概述：将气囊放入混凝土构件孔中充气(如不满足，外挂助浮气囊)，当气囊的充气 体积(排水量)十构件自身浮力 构件的自身重量时，构件即会浮在水面。将构件 牵引浮运至安装位置，将气囊放气，构件即沉入水中，然后将气囊抽出，以备下次再用。二、起浮计算经过箱涵利用气囊起浮的理论，通过对各种构件的自身浮力、自重、 以及气 囊的浮力计算，论证了构件起浮的气囊的个数、充气量的要求，充气的气囊对箱涵构件硅壁的影响，气囊充气量与箱涵构件的起浮的线性关系。表 4－7箱涵基本技术参数
箱涵断 面混 凝重量箱涵箱涵箱涵箱 涵吃水助浮助 浮
类型面 积土 体(t)长宽高体积深后吃力
( m2 )积
( m3 )
(m)(m)(m)( m3 )(m)水深(m)(t)
三孔引水20.64309.6789.51513.84.5931.53.83168.5
双孔引水14.66219.9560.7159.44.5634.54.03137.7
双孔排水18.44276.6705.31510.45.2811.24.53237.3
单孔引水8.68130.2332.01554.5337.54.43107.0
单孔排水9.68145.2370.3155.55412.54.53122.8
表 4－8 箱涵的助浮、填充气囊布局箱 涵 助浮 助浮气囊规格 填充气囊规格类型 力1.1 倍 直径 长度 体积 每 侧 总数 直径 长度 每 孔 总数 （t） (m) (m) ( m3 ) 条数 (m) (m) 数量
三 孔 185.4 1.4 20.42 29 3.2 6.0 1.6 14.5 9.0 27引水双 孔 151.5 1.4 20.42 29 2.6 6.0 1.6 14.5 9.0 18引水双 孔 261.0 1.4 20.42 29 4.5 10.0 1.6 14.5 12.0 24排水单 孔 118.5 1.4 20.42 29 2.0 4.0 1.6 14.5 9.0 9引水单 孔 135.1 1.4 20.42 29 2.3 6.0 1.6 14.5 12.0 12排水考虑气囊未能全部填满空腔，助浮力取 1.1 倍，表中的“助浮力”能使箱涵 的吃水深度保持在 3m 位，在箱涵两侧分别用捆绑带固定住助浮气囊(见附图)， 箱涵两侧底部分别预埋 8个拉环，其抗拉强度根据助浮力的大小设定在10~ 2OOkN，可用于固定气囊，亦可用来牵引箱涵横移、纵移；捆绑带的抗拉强度 不小于 200kN，它可使多个气囊捆在一起，气囊充气后，气囊组会具有良好的刚 性。具体见图 4－11《引水箱函助浮、填充气囊布局示意图》、图 4－12《排水箱函填充助浮气囊布局示意图》。三、试验论证做内孔长 8m，宽 2m，高 1.75m，壁厚 0.25m(相当于 A 构件一孔尺寸的 1/2)模具，内装φ 1.O 根7m 气囊 6 只，共两层，每层 3 只，先充下层气囊，气囊开始鼓起并互相靠扰时暂停， 再充上层气囊， 气囊鼓起并相互靠扰时暂行， 再充下层、 上层，循环均匀充气 2－3 次，至 0.0lMPa 气囊与模具四壁及气囊之间己基本靠紧， 再充至 0.02MPa，气囊与模具四壁己密切接触， 气囊相互之间也己塞的很紧，只有模具四角和气囊之间有很小空隙。充填量能达到 95%以上。
四、结论通过试验证明， 试验结果与理论计算基本相符， 所以混凝土构件采用气囊浮运和安装是完全可行的，而且是安全可靠的。
4.3.5 箱涵浮运拖带力计算
临时码头与沉放现场相距约 3km，计划 1 小时拖到，平均船速 3km/小时，即 0.83m/s。根据有关资料，本海区的海流以潮流为主，潮流为不规则半日潮流， 平均潮流流速为 0.02m/s，最大值即v=0.24m/s。拖带力按下式计算，拖带力为37.2kN。
F = K.A. rw .V 2 / 2g式中： A=B(T+δ )B—构件宽度(m)，即 B=13.80m；T—构件吃水(m)；δ —浮运时涌水高度(m)；浮运时按构件前端被水覆盖，即 T+δ =4.5mrw= 10.25kN / m3k 为挡水形状系数，对矩形取 k=1.0。
4.3.6拖缆和拖轮选择
为保护构件，便于施工，本方案的拖缆拟采用合成纤维的尼龙缆或锦纶缆。根据公式：Ps= K2 d1.83 g / K
W = k1d 2式中： Ps－安全强度；W－重量；D－纤维缆直径(mm)；g－9.81；
K－安全系数；K1、K2－分别为重量和强度系数见表 4－9。
表 4－9各种合成纤维缆的 K1、K2 系数表取安全系数 K ＝6 时，按锦纶 K2 ＝0.0303，K1=0.1210则拖带力X 安全系数＝37.2x6 ＝223(KW)取 破 断力 达235KN 的8 股锦 纶缆 ， ( 直径d=50mm) 则Ps=63.6(KN)>F，W=302(kg/200m)。根据有关船舶资料显示：400hp 拖轮的安全拖航时最大拖力为 0.37NK，考虑到本工程距离短，故选用我们 600hp 的拖轮。
4.3.7浮运航道的选择
1、水深要求箱涵的吃水深度和出运保证率决定航道的深度。箱涵的吃水深度为 3.5 米(包 括富裕深度 o.5m)，根据进度要求，出运保证率必须达到 75%，对应的潮位为-0.02m，所以浮运航道的底高程应为(－0.02－3.5)=－3.52m(黄海 56 基准面)。2、平面要素要求由于箱涵体积大， 重量大， 所以惯性很大， 根据船泊拖拉运输的特点和要求， 浮运航道的转弯半径不应小于150米。在满足航道吃水深度和转弯半径的前提下，航道尽可能直线布置。浮运航道的布置详见图 21“箱涵浮运航道平面布置图” 。3、浮标浮标每 50 米设置一个。4、其它
浮运航道的布置须经过海洋部门的审批。
4.3.8 拖运要点
1、拖轮要求前拉拖轮功率为 600HP，船长 1 名，船员 4 名，负责向前拖拉箱涵。2、箱涵出运到位起浮后，具备拖航条件及正浮状态下，由水上拖运作业人员接拖缆，接缆联接点为箱涵顶面预埋吊环，用拉力 30T 的卡环连接。3、拖轮拖缆(尼龙缆)约放长 60－70 米(具体视海上风浪情况)调整至拖缆绷 紧约 30 米，以利拖航控制。工作锚艇与拖轮配备对讲机联络，由指挥员与拖轮船长协调配合，确保拖运过程中采取的措拖满足安全要求。4、箱涵由一艘 600hp拖轮拖运，为确保箱涵稳定，拖轮速度应控制在 20米/分钟左右。5、当箱涵拖至取(排)水基槽海堤内时，由工作锚艇接脱后才能将拖轮解缆， 拖轮解缆， 注意提前减速控制箱涵惯性，防止箱涵偏离入口航道碰到堤岸，并充分考虑潮流风压的影响。进入基槽航道口时由工作锚艇(80hp)，接拖(旁拖)随之进入安装点。6、拖至离陆上卷扬机可接钢缆的地方时，陆上卷扬机接钢缆，然后工作锚艇解缆进行接卷扬机牵引缆工作。7、连接好卷扬机缆后，由水上安装组指挥陆上卷扬机动作，使箱涵继续前进。8、当箱涵接近停泊的工程方驳时，由工程方驳及陆上的卷扬机出钢缆连接箱涵， 控制箱涵的左右横移。前牵引力利用两岸的卷扬机与已安装好的箱涵两侧吊环，通过设置转角轮联接至安装箱涵的底侧捆绑吊环上(潜水员水下装卸扣)， 主要控制安装箱涵前部的左右、前进方向； 后八字锚由就位驳船上的卷扬机牵引，控制安装箱涵后部的左右方向。
4.4 箱涵的安装
4.4.1 人机配备
配备的主要机具主要有：方驳一艘，拖轮一艘，交通艇 2 艘、陆上卷扬机 6台、测量仪器一套。方驳和拖轮均作为牵拉箱涵定位用。配备的人员如下：指挥长 1 名、船员 15 人、陆上动力操作组 12 人、潜水员2 名、测量组 3 人、其它作业人员 3 名。
4.4.2 施工工艺流程
见图 4－4，箱涵浮运和安装工艺流程框图。
4.4.3作业方法
一、安装用卷扬机的布置根据安装的需要，现场准备 6 台卷扬机， 卷扬机的布置见附图“预制箱涵水上安装示意图”。二、安装就位1、水上安装组指挥纵横卷扬机动作，将箱涵牵引至靠近安装位置，由测量员通过仪器直接观测进行指挥就位，直至箱涵联接，实现粗定位。2、箱涵粗定位后，控制箱涵正浮平衡状态下，气囊排气使箱涵慢慢下沉，下落速度控制在 10cm～50cm/分钟。3、当箱涵下沉至离基床面 15～20cm 时，保持浮稳时，由潜水员水下检查。通过各种调整和与己预埋安装箱涵吊环紧固控位，实现精确定位控制。三、沉放安装1、精确定位后，由施工人员校核安装位置无误时，继续排放气囊内气体， 使箱涵缓慢下沉， 此时待安装的箱涵与已安装的箱涵相靠拢接触， 但必须避免产生大的压力，以免箱涵下沉时扯坏止水带。
箱涵下水
系拖带缆绳
警戒船维持海面交通 拖轮拖运
拖轮拖至取水口，排水口（水上段）
岸上地锚系缆
驳船上卷扬机系缆
拖轮解缆
锚艇就位 沿基槽拖运
拖运至沉放点
潜水员水下系缆绳
底部气囊放气
陆上地锚收缆 定位箱涵、自然沉放
.复核位置
解缆放气
图 4－4 箱涵浮运、沉放施工工艺流程图
2、当箱涵底离基床顶的距离小于 5cm 时，即在沉放的同时逐渐收紧前拉钢丝绳，放松后拉钢丝绳，以压缩箱涵之间的止水带，使得箱涵间的接缝紧密。3、当箱涵沉放在基床顶面，经检测合格后潜水员水下解除卸扣，最后抽出所有气囊并吊放于驳船上，完成一个箱涵的安装工序。箱涵之间是否紧贴，是决定箱涵止水质量的关键工作。由于卷扬机的拉力为 5 吨，通过滑轮组后其拉力达 30 吨，两门前拉卷扬机的拉边共 60 吨，如此大的拉力足可以把箱涵之间的止水带压紧，能保证止水质量。
4.5本章小结
气囊应用于水工工程中虽有一定的施工经历， 但主要局限在陆上搬运预制构 件， 而且目前还处于半理论半经验状态，没有达到最优的经济效果。在港口码头 及其它水工工程中，构件预制和安装是一种很常用、很重要的施工内容，其中构 件的安装更是一项技术难度较大的施工内容， 不同的安装方法也在很大程度上影响工程成本，因此研究先进、实用、高效的安装施工技术，具有重大的意义。本章针对这一问题， 深入探索、研究和开发利用气囊进行构件顶升、 构件陆 上水平搬运、构件下水、水上构件浮运和安装等一系列的水工工程的作业，这与 常规的构件安装方法有着很大的区别。这一科研项目的开发应用，可极大地促进大型构件安装方法的发展，在水工工程中充分发挥良好效益。
第 5 章 系统性能评价与结论5.1系统性能评价
依据气动顶升搬运系统的设计理论的系统已经成功应用于山东某港口， 该大 型沉箱气动顶升搬运系统， 经过近一年的试用，各项指标性能均较好达到了系统设计要求。使用该系统的具体情况如下：(1)拟建预制场场地是某电厂北侧的一块狭长地带，长度 135m，宽度 60m， 在场地东北角有一宽 40m 的码头，该区域基础都为码头后方陆域回填土，没有 经过地基处理。特点是狭长、宽度小，且长度方向平行于海岸线，拟建预制场场地平面如图 5－1 所示。
图 5－1 沉箱预制场地平面图(2)沉箱预制场平面布置根据建设需要布置 20m 14m 平面尺度沉箱预制平台， 根据该部分的场地情况， 考虑了沉箱垂直于海岸线摆放和沉箱平行于海岸线摆放两种布置方案， 沉箱
垂直于海岸线摆放的布置方案能够安排 20 个沉箱台座，沉箱平行于海岸线的布 置方案能够安排 24 个沉箱合座。这两种平面布置的方案，在安排预制沉箱台座 的数量上相差不大， 且都能够留有沉箱出运通道， 所不同的是沉箱上浮船坞时存 在着顺上和平上的差别。据此设计了气动顶升搬运系统，系统布置图如图 5－2所示。
图 5－2 预制厂气动顶升搬运系统布置图(3)沉箱预制场出运采用气动顶升搬运系统后， 沉箱出运工艺也进行了调整， 采用气囊集群顶升 沟槽进行顶升的新工艺：它是在施工沉箱预制台座时，设置 3 道顶升沟槽作为顶 升气囊集群通道，并在顶升沟槽上设置硅顶升托架作为沉箱预制平面台座。沉箱预制完成后， 将气囊集群放置在顶升沟槽内适当位置， 气囊集群充气将沟槽的硅
顶升托架和沉箱同时顶升 30cm 左右，放置上支垫木，给顶升气囊集群各气囊放气，使沉箱缓慢的回落到支垫木上。当沉箱在支垫木落实后， 顶升气囊继续放气， 待混凝土顶升托架落回顶升沟槽处， 沉箱顶升动作完成。采用行走气囊进行沉箱出运， 在沉箱顶升子系统完成后，在沉箱下方支垫木之间放置行走气囊，利用牵引系统使沉箱与行走气囊产生相对滚动，利用气囊滚动实现大型沉箱水平移动， 这样既减少了牵引力， 又可充分发挥行走气囊的优势， 采用气囊接力的方式将大型沉箱出运到所需位置。
5.1.1安全可靠性
使用本系统平移沉箱等大型构件时， 工作高度一般为 30~40cm，工作重心低； 在大型构件水平方向移动时， 在移运方向前部用两部卷扬机牵引， 其后用两部卷扬机牵制， 并且采用卷扬机同步控制， 避免了沉箱由于惯性作用突然的前倾或后倾，确保了沉箱移动过程中的安全。沉箱顶升时，顶升高度为 30~40 厘米，顶升高度相对构件的自身高度来说， 构件的重心在高度方向上改变较小，故沉箱顶升和座底过程都非常平稳，安全可靠。在沉箱行走过程中，如遇上坡或下坡，可通过调整气囊气压来达到沉箱牵引 力减小和增大的要求。上坡时，降低前端气囊的工作压力，沉箱略微前倾，牵引 力就减小；下坡时增大前端气囊的工作压力，沉箱略微后倾，牵引力就增大，或 在下坡过程中减小气囊的工作压力，即通过增加承载面积的方法增加滚动阻力，实现减速。
5.1.2 适应性与操作性分析
在沉箱等大型构件的顶升过程中，操作简易安全，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起来，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， 即完成一次顶升操作， 因此， 可以说沉箱的气动顶升作业非常简便，同时， 采用本系统后可以利用沉箱预制场原后方回填区域，不需要进行地基处理，直接施工混凝土地沟及面层，减
少了基础建设的工程量， 进一步扩大了应用的范围， 本系统具有非常强的适应性。 在沉箱行走过程中，如需要斜向行走，可通过摆放在前端的气囊进行控制方向， 气囊摆放的倾斜角度可以决定沉箱行走的斜度。另外通过摆放在前端的气囊充气也可达到沉箱制动的目的，实现了沉箱的横移纵移。
5.1.3成本与场地利用率分析
采用本系统后降低了对地基承载力的要求，如：本工程中重达 2200t 沉箱，使用 3 条 1 米直径的顶升气囊，每条气囊底部承载力为 35t/m2 ，左右，而通过顶升沟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 10 t/m2 左右， 完全能够满足了码头后方地基承载力的要求。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。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，节省了处理液压千斤顶专用顶升基础的费用，只需施工预制场 25cm 混凝土面层的费用，故采用本系统的成本低廉。提高了场地的利用率，可以一次布置沉箱 24 个。沉箱预制场共布置台座 10 个， 设有专门的沉箱通道， 可以将已经预制完成的沉箱横移到沉箱通道以后进行 出运， 沉箱出运过程中不耽误沉箱预制。这样就实现了边出运边预制，最大限度 的发挥沉箱预制场的作用。而且在施工中可以根据浮船坞的情况进行调整。如果 浮船坞不外出出运其他沉箱， 可以随时进行沉箱出运；如果浮船坞暂时不能到达 现场进行出运，在台座上预制完成之后，将沉箱移动到沉箱通道上存放，等浮船 坞到达后一次性进行出运， 这样就最大限度的减少了因为船机设备不到位而引起的工期延误。
5.1.4 系统的技术经济性分析
我们对使用本系统的新工艺与现有的工艺从顶升功能、出运功能两大主要指标进行了分析比较，具体情况如下：(1)顶升工艺比较按照具备 20m 14m 平面尺度 8 个沉箱预制台座的预制场建设所需配置顶升系统， 采用气动顶升搬运系统储运大型构件—沉箱， 沉箱预制场按照同时预制
8 个 2500T 沉箱进行设计，经过检测，原地基承载力都为 12T，所以无需对地基 进行处理，直接在原地基上施工地沟及面层。沉箱预制场施工 800 立方米硷，托 架 280 立方米硷， 总成本 45 万元， 施工工期仅 20 天。按照预制同等规模的沉箱 场地测算， 使用千斤顶工艺需要对地基进行强夯施工及扩大基础， 预制场强夯工 程需混凝土 2800m2 ，千斤顶基础及轨道基础需要混凝土 2600 立方米，面层 600 立方米混凝土，钢轨道 320 米，成本 155 万元。以上两种工艺比较，仅沉箱预制 场费用即可节省 l10 万元，再加上气囊出运和干斤顶、轨道滑车费用比较，沉箱出运节省费用为 150 万元左右。采用本系统工期比千斤顶顶升工艺大幅缩短， 至少缩短 83%，顶升周期仅有 气囊顶升冲沙工艺的百分之一，基础建设成本可节省达 90%，综合以上分析采用本系统经济成本低，工作周期短，适应能强。(2)出运工艺比较根据陆地上出运沉箱工艺要求，从系统的可维护性、适应性、受力特点、成本、操作方便性等为五个方面进行了分析与对比。系统的可维护性： 对于气囊出运， 行走气囊与沉箱为柔性接触， 在陆上行走， 存在磨损，需经常检查囊；对于轨道出运，钢轨、滑轮、沉箱全部为刚性接触，很容易产生不均匀受力，设备损坏率高，需要经常检查更换。适应性： 气囊出运对行走地面适应性强，气囊为柔性结构，在滚动行走过程 中对地面平整度要求低；轨道出运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， 都需要对预制场及出运设备进行相应调整。沉箱上浮船坞时对搭岸结构的要求高，限制了所使用的浮船坞的船型。受力特点： 气囊出运对地基承载力要求低，受力均匀；轨道出运对轨道水平平面要求高，在使用过程中维修率高，有时需要将轨道梁定期翻修。系统成本：气囊出运只需要购置行走气囊、卷扬机、空压压机等设备，投资 费用低而且造价较低，只需 200 万元；轨道出运需要设置轨道梁、钢轨、平移滑车等设备，投资费用高造价将在 1000 万元以上。场地利用率：气囊出运气囊行走灵活方便，可进行横移、纵移、曲线移动， 无需固定的行走轨轨轨道， 可以利用这种灵活性将沉箱移动进行存放，能够实现利用最小的空间预制更多的沉箱，场地利用率高，一次性预制 15 个沉箱；轨道
出运需要固定的行走轨道与沉箱存放场地， 场地利用率低， 现场只能建造一个一次性出运 10 个沉箱以上的预制场。
5.2 结论与展望
利用气囊搬运大型沉箱避免了传统施工工艺的不足， 解决了在无大型专业沉箱预制厂条件下的重力式码头工程施工的关键技术问题。该技术的创新点为：1)无需大型专业预制厂和大型起重设备，也无需占用较长的码头岸线。利用 现场的预制场及简易的起重设备和配套设施即可进行大型沉箱的预制， 对堆放场地及运输通道的适应性强，工程成本低，工期也容易得到保证。2)气囊的承载力大，耗能小。气囊承载力最大可达 352kN/m，且气囊是利用压缩空气作为工作介质，消耗的能量低。3)易于操作，安全可靠。只需对气囊充气，顶升沉箱，开启牵引系统，即可实现沉箱的水平移动。从经济角度来看， 采用高压气囊搬运大型沉箱技术可使重力式沉箱结构的码 头建设成本大幅度降低。从沉箱预制直到安装，其费用仅为其他方案的 60%~ 85%。它的应用也大大降低了利用轨道平车运输沉箱上船的技术难度和工程费用。综合多个工程项目的实践情况，高压气囊搬运沉箱技术的应用是非常成功 的。该技术是一项技术先进、经济实用的工程技术。解决了大型沉箱的陆上运输 和上驳的技术难题。也为在现场建造大型沉箱预制场扫除了关键的技术障碍， 使远离大型港工预制厂的地区建造深水重力式码头的设想成为现实。根据该技术特点和经济成本方面的优势， 可推广应用至码头工程的其他大型 预制构件的搬运，以及其他行业的重型构件、设备的陆上搬运或装驳。因此，高压气囊搬运大型沉箱技术具有很好的应用和发展前景。
声明：以上有关船用气囊和橡胶护舷的资料部分会青岛永泰长荣工厂技术资料，也有网络上搜集下载所得，本着气囊护舷行业资料共享的精神，我们拿出来分享，如有侵权，请联系0532-84592888删除，谢谢
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