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橋梁同步頂升技術(shù)

 

摘要：橋梁整體頂升技術(shù)的關(guān)鍵在于保證其上部結(jié)構(gòu)的整體性同步頂升，本文主要介紹橋梁同步頂升技術(shù)。
關(guān)鍵詞：PLC系統(tǒng)、同步頂升、監(jiān)測傳感、稱重
隨著海河兩岸改造工程的啟動，位于市內(nèi)跨海河的橋梁的改造開始提上議事日程，這些橋梁具有結(jié)構(gòu)完整，功能完好等特點，部分橋梁更是見證了天津市的歷史，但是這些橋梁由于建造時間比較長，已經(jīng)顯得不能滿足城市進(jìn)一步發(fā)展的需要，特別是通航高度的不足更是如此。而采用同步頂升橋梁的上部結(jié)構(gòu)是解決通航凈空不足的一個很好的方法。一方面這種方法能夠不損壞現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)，另一方面在頂升過程中能盡可能的減少中斷交通的時間。
橋梁頂升的重點在于保持橋梁上部結(jié)構(gòu)的完整性，要保證橋梁上部結(jié)構(gòu)完整，方法就是保持橋梁上部結(jié)構(gòu)在現(xiàn)有狀況下同步頂升。這就要求我們采用先進(jìn)的技術(shù)方法----PLC控制液壓千斤頂同步頂升系統(tǒng)。
一、PLC系統(tǒng)工作原理
PLC壓控制液壓同步系統(tǒng)由液系統(tǒng)（油泵、油缸等）、監(jiān)測傳感器、計算機(jī)控制系統(tǒng)等幾個部分組成。
（一）液壓系統(tǒng)
液壓系統(tǒng)由計算機(jī)控制，可以全自動完成同步位移，實現(xiàn)力和位移的控制、位移誤差的控制、行程的控制、負(fù)載壓力的控制；誤操作自動保護(hù)、過程顯示、故障報警、緊急停止功能；油缸液控單向閥可防止任何形式的系統(tǒng)及管路失壓，從而保證負(fù)載有效支撐等多種功能。該系統(tǒng)已在上海音樂廳整體頂升與平移工程中成功運(yùn)用。
A2F型高壓柱塞泵,單向閥、蓄能器、壓力傳感器及電磁溢流閥組成電子卸荷節(jié)能供油回路，穩(wěn)定地為系統(tǒng)提供30.00-31.5 MPa的油壓（尖峰壓力值35Mpa）。在每一個頂升缸的下腔接有減壓閥，根據(jù)實測到的各頂荷重壓力，將減壓閥的零背壓出口壓力調(diào)至比實際荷重壓力低2.0MPa；即減壓閥的零背壓出口壓力=實測到的各頂荷重壓力-2.0MPa。減壓閥共有三個油口；進(jìn)油口、出油口、回油口，如果減壓閥的調(diào)定壓力為P0，而回油口的壓力為Pc，則出油口的壓力為Po+Pc，從圖一可知回油口壓力受比例伺服閥控制，當(dāng)比例伺服閥的出口壓力Pc為2.0 Mpa時，頂升缸的總推力與頂升物的自重平衡，當(dāng)Pc>2.0 MPa時頂升物將起升，而當(dāng)Pc<2.0 MPa時頂升物將回落。于是由若干個減壓閥、一個比例伺服閥、一個壓力傳感器組成的力閉環(huán)回路與若干個頂升缸一起，組成了一個比例受控組件，這個組件與外部的位移傳感器構(gòu)成位置閉環(huán)系統(tǒng)，依靠位置閉環(huán)系統(tǒng)可實現(xiàn)精確的位置控制。
為了避免Pc變化范圍過大，造成舉升過快，比例伺服閥的進(jìn)油口油壓降至8.0-10.0 MPa，它由減壓閥將主回路的油壓降壓后供給。為了提高比例伺服閥的閉環(huán)穩(wěn)定性在比例伺服閥的供油回路接有蓄能器。
在每一個頂升缸的下腔，另接有液控單向閥和測壓接頭，只要電磁閥一斷電，液控單向閥立即關(guān)閉，確保頂升缸不至帶載下滑。通過測壓接頭可向頂升缸內(nèi)少量補(bǔ)油。
正常工作時，電磁閥的電磁鐵A始終通電。電磁閥的中位，用于頂升油缸完成一步頂升時進(jìn)行支墊，當(dāng)電磁閥處于中位時，頂升缸上下腔油壓均為零，關(guān)閉液控單向閥后，可以拆裝油管。當(dāng)電磁鐵B通電時，頂升缸處于空載快速回縮狀態(tài)。為避免舉升或回縮時速度過快，在電磁閥的進(jìn)油口接有調(diào)速閥，它可控制頂升缸的最大運(yùn)動速度。
除單向閥、壓力傳感器、壓力表、測壓接頭裝在千斤頂以外，其他的元件包括控制電器組裝在一個液壓泵站內(nèi)，液壓站與千斤頂之間用3根軟管相連接，分別是進(jìn)油管、回油管、控制油管，這樣就組成了一個完整的液壓系統(tǒng)。
比例閥、壓力傳感器和電子放大器組成壓力閉環(huán)，根據(jù)每個頂升缸承載的不同，調(diào)定減壓閥的壓力，若干個千斤頂組成一個頂升組，托舉起橋梁上部結(jié)構(gòu)，但是如果僅有力平衡，則橋梁的舉升位置是不穩(wěn)定的，為了穩(wěn)定位置，在每組中間安裝監(jiān)測傳感系統(tǒng)進(jìn)行位置反饋，組成位置閉環(huán)，一旦測量位置與指令位置存在偏差，便會產(chǎn)生誤差信號，該信號經(jīng)放大后疊加到指令信號上，使該組總的舉升力增加或減小，于是各油缸的位置發(fā)生變化，直至位置誤差消除為止。由于各組頂升系統(tǒng)的位置信號由同一個數(shù)字積分器給出，因此可保持各個頂升組同步頂升，只要改變數(shù)字積分器的時間常數(shù)，便可方便地改變頂升或回落的速度。
技 術(shù) 指 標(biāo)
液壓系統(tǒng)工作壓力 31．5Mpa
頂升缸推力 200T
頂升缸行程 140mm
偏載能力 5。
最大頂升速度 10mm/min
組內(nèi)頂升缸控制形 壓力閉環(huán)控制、控制精度≤5%
組與組間控制形式 位置閉環(huán)控制、同步精度 ±5.0 mm
（二）監(jiān)測傳感系統(tǒng)
監(jiān)測傳感系統(tǒng)在整個頂升平移系統(tǒng)中非常重要，是我們獲得數(shù)據(jù)信息的主要來源。它的靈敏度將直接影響到頂升的同步精度。監(jiān)測傳感系統(tǒng)主要是由光柵尺、信號放大器、傳感線路及計算機(jī)組成，其中最重要的就是光柵尺，它的分辨率能達(dá)到0.005 mm。
光柵尺的主要作用是監(jiān)測頂升的相對位移，然后將測得的位移數(shù)據(jù)通過信號放大器的處理，把經(jīng)過放大后的信號通過傳感線路傳送到計算機(jī)，由計算機(jī)進(jìn)一步處理所收集到的數(shù)據(jù)信息。光柵尺的布設(shè)直接影響到監(jiān)測的準(zhǔn)確性，合理的布設(shè)光柵尺能客觀地反映出整體的位移姿態(tài)。所以在劃分控制區(qū)域時，要考慮到光柵尺的架設(shè)的位置是否能客觀地反映該控制區(qū)域的整體位移。當(dāng)然，光柵尺架設(shè)時應(yīng)保證它的垂直度，盡量減少人為造成誤差，保證光柵尺的精度。
（三）計算機(jī)系統(tǒng)
核心控制裝置是西門子S7-200系列的CPUS7-224，采用按鈕方式操作，并通過觸摸屏顯示各個頂升油缸的受力參數(shù)，還可連接打印機(jī)，記錄頂升過程數(shù)據(jù)。系統(tǒng)安裝了UPS電源，即使意外斷電，也可確保數(shù)據(jù)和工程的安全。
計算機(jī)系統(tǒng)是整個PLC系統(tǒng)的核心，他把由監(jiān)測傳感系統(tǒng)所收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并把處理后的數(shù)據(jù)反饋給液壓系統(tǒng)，由液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)各千斤頂油壓，從而保證整個頂升系統(tǒng)同步性。

二、頂升系統(tǒng)控制原理
（一）控制區(qū)域劃分
首先我們對橋梁結(jié)構(gòu)作初步的受力分析，通過對橋梁結(jié)構(gòu)的分析計算橋梁各支座的支座反力，初步估算出橋梁的重量，根據(jù)各支座的支座反力來確定千斤頂?shù)姆植?，以及選用相應(yīng)級別的千斤頂，并確定光柵尺的布設(shè)。例如獅子林橋抬升工程：
首先分析橋梁的結(jié)構(gòu)形式老橋為簡支懸臂中間掛孔形式，在只有4個光柵尺和4臺泵站，只能組成4個閉環(huán)回路的情況下，如果采用每墩布設(shè)一個光柵尺和由一臺泵站控制的閉環(huán)回路，容易產(chǎn)生橫向傾覆.這就要求我們對橋梁的荷載分布進(jìn)行分析。根據(jù)老橋的設(shè)計施工圖紙的分析，初步確定出各支座的荷載分布（見下表）
獅子林橋老橋（1974年）支座反力表
支座位置 一期恒載 (kN) 二期恒載(kN) 活載 合計(kN)
汽—15(kN) 掛車100 4列汽車 1*掛
邊墩 2737.5 180 354 943 1090.32 1037.3 4007.82
中墩 10313.5 2202 791 1641 2436.28 1805.1 14951.78
從而確定橋梁的荷載主要分布在中墩，這就要求光柵尺的布設(shè)要準(zhǔn)確地反映整個橋梁的整體姿態(tài)，從而保證中間掛孔的安全性。在這種情況下我們只能把光柵尺架設(shè)在中墩保證中墩的位移姿態(tài)，這就要求在劃分控制區(qū)域時保證中墩的姿態(tài)，即將中墩和邊墩從縱向一分為二，來劃分區(qū)域邊讀采取人工監(jiān)測，起到人工校核的作用，并通知總控人員及時調(diào)整液壓系統(tǒng)，具體劃分見圖
根據(jù)初步的受力分析，可以確定千斤頂?shù)姆植?，是否可以滿足該頂升點荷載壓力.在確定千斤頂?shù)姆植紳M足頂升要求后，通過稱重來確定各頂升點的實際荷載，從而確定各千斤頂?shù)脑O(shè)定荷載值。
（二）稱重
根據(jù)對設(shè)計施工圖紙初步受力分析，確定荷載的大致分布，按荷載的分布計算各千斤頂?shù)睦碚撠?fù)載油壓設(shè)定千斤頂?shù)某跏加蛪?，采用逐級加載的方式進(jìn)行稱重。初始值按50%和在加壓，按10%的荷載逐級加壓，根據(jù)各頂升點產(chǎn)生的實際位移量，來確定出各頂升點的荷載是否分布均勻，從而有主控人員來確定對各千斤頂油壓的調(diào)節(jié)使各頂升點位移量相對平均，從而保證頂升過程的同步進(jìn)行。當(dāng)整個橋梁的頂升高度在5~10mm時，即整個橋梁處于懸浮狀態(tài)，就證明各頂升點處的荷載與該千斤頂?shù)呢?fù)載值相一致。在此基礎(chǔ)上是頂升1-2cm以確定是否可以以改廁定制進(jìn)行頂升，該千斤頂?shù)挠蛪褐?，就是我們最終的稱重結(jié)果。根據(jù)所測得的油壓值可以計算出橋梁的實際重量：
G橋=Σσ*S/9.8
σ----千斤頂油壓值(Mpa)
S----千斤頂油缸的截面面積(mm2)
（三）頂升
根據(jù)稱重結(jié)果設(shè)定好千斤頂?shù)某跏脊ぷ髦岛?，即所測得的油壓值-2Mpa，開始由PLC系統(tǒng)進(jìn)行自動控制，即控制壓力>2Mpa時系統(tǒng)進(jìn)行頂升工作，控制壓力<2Mpa時進(jìn)行落梁工作，當(dāng)控制壓力=2Mpa時橋梁處于懸浮狀態(tài)。
當(dāng)然，PLC系統(tǒng)是根據(jù)光柵尺反映的位移量來調(diào)節(jié)組與組之間頂升速度，通過速度的調(diào)節(jié)來保證位移的一直，從而保證整個橋梁的同步頂升。
光由PLC系統(tǒng)自行控制是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因為在頂升過程中意想不到的事情有很多，這就要由主控人員根據(jù)實際情況來決定是否調(diào)整各千斤頂?shù)挠蛪褐?，以便輔助PLC系統(tǒng)達(dá)到同步頂升。
因為光柵尺反映的位移是點位移，并不能反映多點位移，所以還要有人工布設(shè)多點進(jìn)行位移監(jiān)測，并及時報告主控人員，以便主控人員可以更全面地掌握頂升的位移及姿態(tài)。
當(dāng)然權(quán)威的橋梁檢測部門，在頂升過程中對橋梁的應(yīng)力、應(yīng)變情況的全程檢測的監(jiān)測數(shù)據(jù)，也是主控人員要掌握的數(shù)據(jù)信息之一。以便對頂升過程是否對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，并合理評價結(jié)構(gòu)受外力作用的影響，以便及時、主動地采取措施降低或消除不利因素的影響，確保結(jié)構(gòu)的安全。
三、結(jié)束語
橋梁同步頂升技術(shù)的應(yīng)用對于在保持橋梁上部結(jié)構(gòu)的完整性的同時，抬升橋梁來滿足通航要求，有著非常重要的意義。它既節(jié)省了投資的成本，又縮短了施工工期，對交通的壓力影響較小。