用充气胶囊在台车上顶升并运载沉箱出运方案的理论计算

1、用充气胶囊在台车上顶升并运载沉箱出运方案的理论研究（1）沉箱长 30 米，分 2 列台车出运，每列台车分四节，中间连接距离为 0.5 米。则：台车每节的长度为：7.125m 430.530设打气嘴改为如图所示的顶（底）部，则每列台车可设计为8 节。则：每节台车上气囊的有效长度约为6.0m，2 列 8 节台车的气囊有效长度为 6 8=48m ，沉箱重量按 6000t 计。气囊厚度 10mm （30mm ） ，充气嘴法兰厚度 20mm ，所以设定气囊在腔内的高度为0.1m。（2）若采用额定压力为0.6MPa的高压气囊则每节台车上气囊的顶升宽度：B=m08.2 60486000设气囊放在2.08m 的气囊钢腔内高度为0.1m，则沉箱顶升高度为 0.15m时，气囊的总顶升高度为0.25m。校核气囊的直径：B=mD08.2225.0则：D=1.58m 需采用的气囊直径为1.58m 顶升 0.25m时时气囊的自然最大宽度;=2.08+0.25=2.33（0.25m）自然状态气囊的宽度为：mD48.222.08m （0.4m）（3）若采用额定压力为0.8 Mpa 的高压气囊则每节台车上气囊的顶升宽度

2、：B=m5625.1 80486000设定气囊放在1.57m 的气囊钢腔内的高度为0.1m，则沉箱顶升高度为 0.15m时，气囊的总顶升高度为0.25m。校核气囊的直径：B=m57.1hD 2则：D=1.25m 顶升 0.25m时气囊的自然最大宽度 =1.57+0.25=1.82m （0.25m)自然状态气囊的宽度为：mD9625.121.57m （0.4m)（4）若采用额定压力为1.0MPa的高压气囊则“每节台车上的气囊的顶升宽度：B=m25.1 100486000设定气囊放在1.25m 的气囊钢腔内的高度为0.1m，则沉箱顶升高度为 0.15m 时，气囊的总顶升高度为0.25m。校核气囊的直径：B=mD25.1225.0则;D=1.05m 顶升 0.25m时气囊的自然最大宽度 =1.25+0.25=1.5m （0.25m）自然状态气囊的宽度为：mD6485.121.25m （0.4m）(5) 拟采用额定压力为1.2MPa的高压气囊则：每节台车上的气囊的顶升宽度：B=m05.1 120486000设气囊放在1.05m 的气囊钢腔内的高度为0.1m，则沉箱顶升高度为 0.15m时，气囊

3、的总顶升高度为0.25m。气囊不伸长使用时 校核气囊的直径：B=mD05.1225.0则：D=0.92m 顶升 0.25m时气囊的自然最大宽度 =1.05+0.25=1.3m （0.25m）自然状态气囊的宽度为：mD44.121.05m （0.4m）气囊膨胀伸长使用时 校核气囊的直径和额定压力： （即气囊在钢腔内平放自然状态（不折叠）的宽度为1.05m 时）A：校核气囊的直径mD05.12则：D=0.67m B：校核气囊的额定压力顶升高度 0.25m时：不膨胀时气囊顶面的宽度为：B=225.067.0=0.6594m 使用时须膨胀至1.05m宽。不膨胀气囊的周长（不变）为：L=D=3.140.67=2.10m 需膨胀后的气囊周长为：L1=0.252+1.052=2.60m 气囊的伸长率为：LL=238.0 1.21.26.2=23.8% 设定气囊橡胶的弹性模量E=5.4MPa 设定气囊的橡胶壁厚b=10mm ，则设定单位宽度a=1000mm 的气囊橡胶壁的面积 A=10000mm2。根据虎克定律，气囊单位宽度a=1000mm ，伸长率为 0.238 时所需的轴向拉力 N=EA LL=0

4、.2385.4 10000=12852N 设定该轴向拉力N全部由气囊内的气体压力产生，则气压：P1= aLN1= 1000260012852=0.005 Mpa=0.05Kg/cm2 气囊的顶升宽度为1.05m时，要顶起沉箱需要的额定压力：P=1.2+ P1=1.2+0.005=1.205 Mpa 结论：在、两种气囊方案中， 第种方案由于气囊在使用中需不断地伸缩，影响使用寿命，且气囊充气嘴必须固定在气囊正中心，所以建议采用第种方案 （缺点是气囊在钢腔内需两边各折叠0.2m，气囊的设计顶升高度比第种方案须高2 倍气囊的壁厚约20mm ） 。实际确定气囊的顶升宽度需设定沉箱底板在最不利的情况下，在1.5 Mpa的线荷载的作用下的最小宽度决定。然后反算需气囊的额定气压。（6）气囊充气需每列并联使用，且可单控；放气（水）也必须做到同时。必须达到计算压强后才能同时起升。不可在浮船坞上用气囊长久支撑沉箱出运下水。（必须放气后用支墩支垫沉箱出运下水或气囊放气后用钢腔两侧的箱壁支撑沉箱出运下水）（7）计算侧壁摩擦力对顶升力的减少（温度的变化）（8）需要探讨的问题：能否做到额定压强为0.8Mpa以上的高

5、压气囊， 额定压强为 0.8Mpa在六面约束的情况下是否可使用到1Mpa ？能否加工时做到如图所示的气囊充气口在顶（底）部？在两边折叠 0.4m 的情况下，其内部的最大高度0.1m的空间能否满足？（ 0.8Mpa的气囊的壁厚是多少？）顶升高度 0.15m 的情况下，两线支撑沉箱运行中能否失稳而需要设计支垫？ 是否需加顶升限位装置？气囊的使用寿命是多少？充气胶囊的上（下）垫可用木材或混凝土的，建议用木材的。（8）沉箱宽 22 米方向出运（横移），分 2 列台车出运，每列台车分7 节，每节 3.0m，中间连接距离为0.15 米。则：每节台车上气囊的有效长度为：3.0-0.31 2=2.38 m ，2 列 14节台车的气囊有效长度为L=2.3814=33.32m， 沉箱重量按 6000t 计。气囊厚度 10mm （30mm ） ，充气嘴法兰厚度20mm ，所以设定气囊在腔内的高度为 0.1m。设定气囊的顶升宽度为1.0m，校核顶升沉箱需的额定压力（计算压强）P1= 0.132.336000=180t/m2=1.8Mpa若在运行中每列台车各有一个气囊损坏，出运还要进行， 校核顶升沉箱需的额定压

6、力（设计压强）L=2.3812=28.56m P2= 0.156.286000=210t/m2=2.1Mpa（9）沉箱长 30 米方向出运（纵移），分 2 列台车出运，每列台车分9 节，每节 3.0m，中间连接距离可为0.375 米。则：每节台车上气囊的有效长度为：3.0-0.31 2=2.38 m ，2 列 18节台车的气囊有效长度为L=2.3818=42.84m， 沉箱重量按 6000t 计。气囊厚度 10mm （30mm ） ，充气嘴法兰厚度20mm ，所以设定气囊在腔内的高度为 0.1m。设定气囊的顶升宽度为1.0m，校核顶升沉箱需的额定压力（计算压强）P1= 0.184.426000=140t/m2=1.4Mpa若在运行中每列台车各有一个气囊损坏，出运还要进行， 校核顶升沉箱需的额定压力（设计压强）L=2.3816=38.08m P2= 0.108.386000=158t/m2=1.58Mpa（10）校核 伸长与不伸长使用时气囊的直径气囊不伸长使用时 校核气囊的直径：B=mD0.1225.0则：D=0.89m 自然状态气囊的宽度为：mD40.121.0m （0.4m）气囊膨胀

7、伸长使用时 校核气囊的直径和额定压力： （即气囊在钢腔内平放自然状态（不折叠）的宽度为1.0m 时）A：校核气囊的直径mD0.12则：D=0.637m B：校核气囊的额定压力顶升高度 0.25m时：不膨胀时气囊顶面的宽度为：B=225.0637.0=0.608m 使用时须膨胀至1.0m 宽。不膨胀气囊的周长（不变）为：L=D=3.140.637=2.0m 需膨胀后的气囊周长为：L1=0.252+1.02=2.50m 气囊的伸长率为： LL=25.0 0.20.25.2=25% 设定气囊橡胶的弹性模量E=5.4MPa 设定气囊的橡胶壁厚b=10mm ，则设定单位宽度a=1000mm 的气囊橡胶壁的面积 A=10000mm2。根据虎克定律，气囊单位宽度a=1000mm ，伸长率为 0.25 时所需的轴向拉力 N=EA LL=0.255.410000=13500N 设定该轴向拉力N全部由气囊内的气体压力产生，则气压：P1= aLN1= 1000250013500=0.0054 Mpa=0.054Kg/cm2 气囊的顶升宽度为1.00m时，要顶起沉箱需要的额定压力：P=1.4（1.8 ）+ P

8、1=1.4 （1.8）+0.0054=1.4054 （1.8054） Mpa 结论：在、两种气囊方案中， 第种方案由于气囊在使用中需不断地伸缩，影响使用寿命，且气囊充气嘴必须固定在气囊正中心，所以建议采用第种方案 （缺点是气囊在钢腔内需两边各折叠0.2m，气囊的设计顶升高度比第种方案须高2 倍气囊的壁厚约20mm ） 。实际确定气囊的顶升宽度需设定沉箱底板在最不利的情况下，在1.5 Mpa的线荷载的作用下的最小宽度决定。然后反算需气囊的额定气压。（11）校核沉箱底版的受冲切承载力：显浪沉箱的情况：沉箱重2800t ，需台车长 15m ，宽 0.6m；相当于93t/m 的线荷载（1.55Mpa的面荷载）。底版钢筋 2525 ，250 ；底版厚 0.7m。此次校核沉箱底板的厚度为0.55m 即 h0=0.5m，底板钢筋 2525 ，250 。调查气囊生产厂家的生产工艺情况，和我们的现有额定供气压力13.8Mpa 的空压机情况，决定气囊的顶升宽度为b=1.15m，长度a=2.38m（计算冲切时不计顶部钢板的扩散宽度）根据高桩码头设计与施工规范 （JTJ291-98）A：横移时：a：若荷载不均

9、衡系数K=1.2，共 14 节台车承担 6000t 沉箱，则每节台车承担的荷重F1u= 1460002.1=514.29t=5142900N F1u=d1ftumh0 1 .110.7 1.5 （b+500）2+ （2380+500）2500=5142900 0.9545（2b+6760）=10285.8 b=2008mm=2.008m 即此时混凝土底版的抗冲切宽度应为2.008m b：若荷载不均衡系数1.15 ，共 12 节台车承担 6000t 沉箱，则每节台车承担的荷重F1u=12600015.1=575t=5750000N F1u=d1ftumh0 1 .110.7 1.5 （b+500）2+ （2380+500）2500=5750000 0.9545（2b+6760）=11500 b=2644mm=2.644m 即此时混凝土底版的抗冲切宽度应为2.644m B：纵移时：a：若荷载不均衡系数K=1.2，共 18 节台车承担 6000t 沉箱，则每节台车承担的荷重F1u= 1860002.1=400t=4000000N F1u=d1ftumh0 1 .110.7 1.5 （b+500）2+ （2380+500）2500=4000000 0.9545（2b+6760）=8000 b=810mm=0.81m 即此时混凝土底版的抗冲切宽度应为0.81m b：若荷载不均衡系数K=1.15，共 16 节台车承担 6000t 沉箱，则每节台车承担的荷重F1u= 16600015.1=431.25t=4312500N F1u=d1ftumh0 1 .110.7 1.5 （b+500）2+ （2380+500）2500=4312500 0.9545（2b+6760）=8625 b=1138mm=1.138m 即此时混凝土底版的抗冲切宽度应为1.138m1.15m 满足要求c：在沉箱运移上半潜驳途中且沉箱尾部还在纵移台座上气囊全部破裂的偶然情况，需用钢箱的侧壁支撑沉箱才能保证不出现沉箱尾部落在台座上而无法移动的事故， 所以须在纵移时

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