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讲解.docx
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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讲解
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：
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=
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’=
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：
＞2.08m（0.4m）
（3）若采用额定压力为0.8Mpa的高压气囊
则每节台车上气囊的顶升宽度：
B=
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’=
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：
＞1.57m（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=
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’=
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：
＞1.25m（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=
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，气囊的总顶升高度为0.25m。
①气囊不伸长使用时校核气囊的直径：
B’=
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：
＞1.05m（0.4m）
②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
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’=
=0.6594m
使用时须膨胀至1.05m宽。
不膨胀气囊的周长（不变）为：
L=πD=3.14×0.67=2.10m
需膨胀后的气囊周长为：
L1=0.25×2+1.05×2=2.60m
气囊的伸长率为：
=
=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=
=0.238×5.4×10000=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=
=
=0.005Mpa=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=1.205Mpa
结论：
在①、②两种气囊方案中，第②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①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②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1.5Mpa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：
①能否做到额定压强为0.8Mpa以上的高压气囊，额定压强为0.8Mpa在六面约束的情况下是否可使用到1Mpa？
②能否加工时做到如图所示的气囊充气口在顶（底）部？
③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？
）
④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？
⑥气囊的使用寿命是多少？
⑦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=2.38m，2列14节台车的气囊有效长度为L=2.38×14=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=
=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力（设计压强）
L=2.38×12=28.56m
P2=
=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=2.38m，2列18节台车的气囊有效长度为L=2.38×18=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=
=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=2.38×16=38.08m
P2=
=158t/m2=1.58Mpa
（10）校核伸长与不伸长使用时气囊的直径
①气囊不伸长使用时校核气囊的直径：
B’=
则：
D=0.89m
自然状态气囊的宽度为：
＞1.0m（0.4m）
②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1.0m时）
A：
校核气囊的直径
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’=
=0.608m
使用时须膨胀至1.0m宽。
不膨胀气囊的周长（不变）为：
L=πD=3.14×0.637=2.0m
需膨胀后的气囊周长为：
L1=0.25×2+1.0×2=2.50m
气囊的伸长率为：
=
=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=
=0.25×5.4×10000=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=
=
=0.0054Mpa=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）+P1=1.4（1.8）+0.0054=1.4054（1.8054）Mpa
结论：
在①、②两种气囊方案中，第②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①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②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1.5Mpa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：
①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φ25×φ25，@250；底版厚0.7m。
②此次校核沉箱底板的厚度为0.55m即h0=0.5m，底板钢筋φ25×φ25，@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=
=514.29t=5142900N
F1u=
εftumh0
×0.7×1.5×〔（b+500）×2+（2380+500）×2〕×500=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=
=575t=5750000N
F1u=
εftumh0
×0.7×1.5×〔（b+500）×2+（2380+500）×2〕×500=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=
=400t=4000000N
F1u=
εftumh0
×0.7×1.5×〔（b+500）×2+（2380+500）×2〕×500=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=
=431.25t=4312500N
F1u=
εftumh0
×0.7×1.5×〔（b+500）×2+（2380+500）×2〕×500=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1.138m＜1.15m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，所以须在纵移时钢箱的侧壁上端从两端放置方木保护支垫。
在台座间运移沉箱沉箱若发生气囊全部破裂或一边全部破裂的情况，可以气囊全部放气而撤出台车（最好也放置方木保护支垫，保护沉箱不受损坏）。
对以上的偶然情况，校核沉箱能抵抗冲切的钢箱侧壁的支撑宽度：
荷载不均衡系数K=1.13，18节钢箱侧壁承担6000t沉箱，则每节台车承担的荷重F1u=
=376.7t=3767000N
F1u=
εftumh0
×0.7×1.5×〔（b+500）×2+（2380+500）×2〕×500=3767000
0.9545×（2b+6760）=7534
b=567mm=0.567m，需钢箱侧壁每边的宽度为b/2=283mm，设计钢箱侧壁每边的宽度为310-10×2=290mm满足要求。
对以上的偶然情况，校核方木的承压强度（顺纹承压）
根据常用木材的强度设计值表知：
决大部分木材的顺纹承压强度设计值fc≥10Mpa，取fc=10Mpa。
顺纹使用的木材承压为F=10×290×2380×2×18=248472000N=24847.2t＞6000×1.2=7200t满足要求。
C：
若校核沉箱底板的厚度为0.70m即h0=0.65m，校核横移时的底版抗冲切宽度b，计算同上A，B
a:
集中荷载不在支座（隔墙）处：
ε=0.7
P1=1.879Mpa（K=1.2）即共14节台车承担6000t沉箱，则：
b=1708mm＞1150mm不满足
P2=2.1Mpa（K=1.15）即共12节台车承担6000t沉箱，则：
b=2344mm＞1150mm不满足
b:
集中荷载在支座（隔墙）处：
ε=0.85
P1=1.879Mpa（K=1.2）即共14节台车承担6000t沉箱，则：
b=757mm＜1150mm满足
P2=2.1Mpa（K=1.15）即共12节台车承担6000t沉箱，则：
b=1281mm＞1150mm不满足
（刘总说不够可加钢筋）。
（12）校核沉箱底版的抗弯承载力：
经港湾设计院贺工核算，在4.5m×4.5m（计算跨度），1.15m×2.40mP=1.576Mpa，在荷载宽度（1.15m）边缘距隔墙0.2m的集中荷载作用的情况下，底板钢筋φ25×φ25，@250；底版厚0.6m，即可满足抗弯承载力的要求；在P=1.827Mpa时底板厚0.7m可满足抗弯承载力的要求，但P=2.1Mpa时底板厚0.7m不能满足抗弯承载力的要求。
如果集中荷载在计算跨度中间的最不利情况，以上计算都不满足，需重新核算。
（刘总说不够可加钢筋）。
（13）校核气囊的额定压力
①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=2.38m，2列14节台车的气囊有效长度为L=2.38×14=33.32m，沉箱重量按6000t计。
气囊厚度10mm，充气嘴法兰厚度6mm，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1.15m，校核顶升沉箱需的额定压力（计算压强）
P1=
=156.6t（187.9）/m2=1.566（1.879）Mpa
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=2.38×12=28.56m
P2=
=182.7（210）t/m2=1.827（2.10）Mpa
②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=2.38m，2列18节台车的气囊有效长度为L=2.38×18=42.84m，沉箱重量按6000t计。
气囊厚度10mm，充气嘴法兰厚度6mm，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1.15m，校核顶升沉箱需的额定压力（计算压强）
P1=
=121.8（146.1）t/m2=1.218（1.461）Mpa
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=2.38×16=38.08m
P2=
=137（157.6）t/m2=1.37（1.576）Mpa
（14）校核伸长与不伸长使用时气囊的直径
①气囊不伸长使用时校核气囊的直径：
B’=
则：
D=0.98m
自然状态气囊的宽度为：
＞1.15m（0.4m）
②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1.15m时）
A：
校核气囊的直径
则：
D=0.732m
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’=
=0.757m
使用时须膨胀至1.15m宽。
不膨胀气囊的周长（不变）为：
L=πD=3.14×0.732=2.3m
需膨胀后的气囊周长为：
L1=0.25×2+1.15×2=2.80m
气囊的伸长率为：
=
=21.7%
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0.217时所需的轴向拉力N=
=0.217×5.4×10000=11739N
设定该轴向拉力N全部由气囊内的气体压力产生，则气压：
P3=
=
=0.0042Mpa=0.042Kg/cm2
纵移时气囊的顶升宽度为1.15m时，要顶起沉箱需要的额定压力：
P=1.218（1.37）+P3=1.218（1.37）+0.0042=1.2222（1.3742）Mpa
结论：
在①、②两种气囊方案中，第②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①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②种方案须高2倍气囊的壁厚约20mm）。
（15）校核实际设计使用中的气囊的额定压力
根据气囊生产厂家的生产工艺情况，气囊需制作成2400mm×1150mm×100mm的方形，其中顶盖厚15mm，侧壁厚40mm、高70mm，底盖厚10mm。
气囊在钢腔内的总高度不超过100mm。
需气囊顶盖宽度膨胀使用后充满顶升后250mm高的钢腔，其它面不膨胀。
①气囊在自然状态的顶盖宽度为L1=1150mm，膨胀使用后顶盖宽度为L2=1150+150×2=1450mm
气囊的伸长率为：
=
=26.1%
设定气囊橡胶的弹性模量E=5.4MPa
设定气囊的橡胶壁厚b=15mm，则设定单位宽度a=1000mm的气囊橡胶壁的面积A=15000mm2。
根据虎克定律，气囊单位宽度a=1000mm，伸长率为0.261时所需的轴向拉力N=
=0.261×5.4×15000=21141N
设定该轴向拉力N全部由气囊内的气体压力产生（其它面不膨胀），则气压：
P3=
=
=0.0146Mpa=0.146Kg/cm2
纵移时气囊的顶升宽度为1.15m时，要顶起沉箱需要的额定压力：
P=1.218（1.37）+P3=1.218（1.37）+0.0146=1.2326（1.3846）Mpa
②气囊在自然状态的顶盖长度为L1=2400mm，膨胀使用后顶盖宽度为L2=2400+150×2=2700mm
气囊的伸长率为：
=
=12.5%
设定气囊橡胶的弹性模量E=5.4MPa
设定气囊的橡胶壁厚b=15mm，则设定单位宽度a=1000mm的气囊橡胶壁的面积A=15000mm2。
根据虎克定律，气囊单位宽度a=1000mm，伸长率为0.125时所需的轴向拉力N=
=0.125×5.4×15000=10125N
设定该轴向拉力N全部由气囊内的气体压力产生（其它面不膨胀），则气压：
P3=
=
=0.00375Mpa=0.0375Kg/cm2
纵移时气囊的顶升宽度为1.15m时，要顶起沉箱需要的额定压力：
P=1.218（1.37）+P3=1.218（1.37）+0.00375=1.2218（1.3738）Mpa
（16）校核实际设计使用中的气囊顶盖膨胀后的厚度
根据气囊生产厂家的生产工艺情况，气囊需制作成2400mm×1150mm×100mm的方形，其中顶盖厚15mm，侧壁厚40mm、高70mm，底盖厚10mm。
气囊在钢腔内的总高度不超过100mm。
需气囊顶盖宽度膨胀使用后充满顶升后250mm高的钢腔，其它面不膨胀。
由于气囊顶盖膨胀后和膨胀前的体积不变，则：
气囊顶盖膨胀前的体积V1=2400×1150×15=41400000mm2
气囊顶盖膨胀后的体积V2=〔（2400+150×2）×（1150+150×2）〕×H
∵V1=V2
∴气囊顶盖膨胀后的厚度H=10.57mm
（17）校核实际设计使用中的气囊侧壁膨胀后的伸长和高度
设定侧壁厚b=40mm、高L1=70mm，气囊侧壁橡胶的弹性模量E=5.4MPa
根据虎克定律，气囊单位宽度a=1000mm，伸长率为
所需的轴向拉力：
N=
=
×5.4×40000×2=21141N
=0.054
ΔL=0.054L1=0.054×70≈4.0mm
即膨胀后气囊侧壁的高度为L2=70.4mm
（18）计算侧壁摩擦力对顶升力的减少（温度的变化）
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