多点同步顶升系统（共3篇）
多点同步顶升系统 篇1
0 引言
我国目前有大量的桥梁支座需要更换。如何在不中断交通、保证运营安全的条件下,以较低的成本,实现快速在役桥梁的支座更换,成为桥梁工作者予以研究的问题。
桥梁同步顶升系统采用液压同步顶升控制技术,是建立在力和位移双闭环的精确控制基础上,在不改变既有桥梁形态和结构性能的前提下,以最短的施工期、较少的工程造价完成对桥梁的顶升和调坡等工作。
1 桥梁顶升技术
桥梁顶升技术的核心技术在于如何对不同的桥型和质量分布不均的桥梁的顶升力,液压缸的同步工作,位移同步协调的控制,保证桥梁结构整体的完好。本文具体对以下几个方面控制进行介绍。
1.1 控制顶升力
首先必须解决液压系统的自动调节。因为不同的桥梁结构形式不同,那么质量分布也不均匀,同时即使同型号桥梁质量分布也有不同,这样液压缸的承载力也就不尽相同,只有液压系统满足各液压缸压力自动调整,才能解决上述问题。系统安装调试阶段通过对顶升力合理有效控制,通过试顶升,达到使桥梁的内应力最小,力求不损伤桥梁结构。
1.2 控制位移同步
控制位移,关键是使在顶升中每一个油缸的位移相同或在误差范围,只有这样被顶升的桥梁才不会出现梁体扭曲、应力集中和开裂。尽管各顶升点的负载不均,也必须保持位移同步。
1.3 实时监控压力、位移、应力
实施对压力、位移、应力监控是为了有效或者综合控制顶升的协调和同步性,减少对梁体的破坏。通过对应力监控目的是避免内应力集中而使桥梁梁体受到破坏;通过压力的监控有助于顶升力的控制;通过对位移的监控真正实现顶升过程中液压缸变化同步,移动同步,桥梁顶升过程中,由于梁体结构产生的内应力是由各顶升点的压力和位移共同作用的结果,因此,在没有对应力监控时,也可通过对压力和位移的监控来判断梁体结构的内应力是否超过允许值,需要调整。从原理上分析,实时监控压力、位移更加重要,是整个系统的核心所在。只有解决了这个问题,同步顶升才有实际应用价值。
2 PLC控制同步顶升系统
2.1 可编程序控制器(PLC)
在我国,可编程序控制器(PLC)近几年才得以迅速发展并广泛应用,成为了近代工业自动化控制装置。随着科技的不断进步,微处理器技术获得了广泛的应用,PLC开始采用微处理器作为它的中央处理单元,极大的完善和加强了PLC的功能,它不仅具有逻辑控制功能,而且具有运算功能和对模拟量的控制功能。因此为便于区别将可编程序控制器常称为PLC。
2.2 PLC控制同步顶升系统组成
桥梁同步顶升系统主要由液压同步系统(油泵、油缸等)、PLC控制系统(主控单元)、监测系统等几个部分组成,见图1。
3 工程应用实例
3.1 工程概况
某匝道桥为四跨一联钢筋混凝土连续箱梁,全长135 m,桥跨组成为35 m+35 m+35 m+30 m,匝道宽度为8 m。
张拉结束后,在落架过程中发现:由于S0墩顶北侧顺桥向(原设计)单向支座实际安装为横桥向。由于张拉过程中梁体有一定的变形,支座处会因此产生相应的位移,而变形相对较大的S0墩顶北侧支座错放成顺桥向固定,张拉造成的支座位移造成了该处支座外侧混凝土开裂,支座钢板向东平移25 mm,墩顶混凝土开裂宽度20 mm。
同时检查出S3北侧支座也存在同样的施工错误,该处墩顶尚未出现混凝土开裂的情况。
考虑到桥梁的美观及以后的长期使用功能:
1)必须对安装错误的S0墩及S3墩北侧的两个支座进行更换;
2)必须对混凝土破损部分予以修复。
3.2 顶升方案比选
3.2.1 比例顶升
以S4桥台处的支座为轴,S1,S2,S3,S4各墩处按跨径比例顶升,保证顶升过程中梁体的整体姿态不发生变化。示意图如图2所示。
该方法的优点是避免S4桥台处的土方开挖,减少工程量,缩短工期。
缺点:
1)比例顶升同步性控制较为困难;
2)顶升过程中水平投影长度有所变化。
3.2.2 整体同步顶升
各墩台处同步顶升30 mm,示意图如图3所示。
该顶升方案优点是同步性容易实现,顶升操作时间较短。
考虑到该桥梁支座现状,对梁体投影长度的变化较为敏感,对同步性要求较高,选取方案2:整体同步顶升相同的高度,以完成支座更换。
整体顶升施工过程包括以下几个方面:
1)保压试验过程;
2)称重过程;
3)试顶升过程;
4)正式顶升的过程;
5)要注意上述过程中的控制。
3.3 系统整体调试和运行
3.3.1 安装和调试
1)由经验丰富的工程师和操作手等对油缸、油管、泵站操纵台、监测仪等进行认真安装并对安装完毕的进行系统检查达到无误为止;2)安装并经检查满足要求或符合设计,然后根据设计理论所得的计算荷载的70%～90%进行加载,这种连续对油缸加载不低于5 h,检查油缸是否保持正常,否则调整直到满足;3)检查的过程由专业工程师具体仔细的进行,主要针对整个系统的工作情况、油路等。
3.3.2 系统的协调和同步性调试
协调和同步性调试的目的就是要解决顶升过程的不同步和位移不协调,计量的误差。因此在这个过程中应进行以下工作:
1)通过测定每个顶升点处的实际荷载,分步调整以保证顶升过程的同步进行。
2)设定不同的加载方式和一定的顶升高度,依据计算顶升荷载,通过反复调整各组的油压,使每个顶点的顶升压力与其加载的荷载达到基本的平衡。
3)为了准确测定其行程,减小误差,便以观察顶升处是否脱离,其行程的测定采用精度较高的百分表。
4)根据实际测得的数据与事先设定的原理和理论计算值比较,确定其差异量,由相关工程师或负责技术的工程师分析原因,最终确定该点误差的精度是否满足顶升。如偏差较大无法满足顶升的精度要求,就要做适当调整直到满足要求。
3.4 试顶升
就像我们进行架梁一样,先要进行试顶升,包括:顶升的同步性、对称性,当然同时也校核了对称重结果,在试顶升过程中要注意观察,通过试顶升完成工作协调、发现问题及时解决,为正式工作打下坚实的基础。因此在正式顶升之前,都应进行试顶升,一般的顶升高度在10 mm。
试顶升完成后,根据试顶升设备的实际情况,提出设备的整体姿态、结构位移等报告,对存在的问题加以解决,必要时再次进行试顶升,为正式顶升提供依据。
3.5 顶升实施
只有在试顶升达到预期要求,经分析没有问题才能进行正式的顶升。防止顶升实施过程中出现偏差等,对千斤顶最大行程及每一顶升标准行程均做相应的控制,一般大约分别是140 mm和110 mm,同时对顶升的速度有所规定,最大顶升速度不应超过10 mm/min。
3.6 顶升的过程控制
顶升的过程控制非常关键,它直接保证顶升过程的安全。整个顶升过程一定要保证光栅尺的位置同步,误差在一定要求范围,同时任意一个缸的压力也要控制在合理范围。在实施过程中如果发现偏离同步误差范围或任一缸的压力误差过大,立即停止施工,进行符合矫正,查找原因,保证桥梁加固、更换的安全。
3.7 监测结果及分析
本次支座更换施工选用了光栅尺做控制,即在每一主梁顶面设一光栅尺作为高程观测点,在每级荷载施加后,随时测量各梁的竖向变位,根据变位情况随时调整下一级各千斤顶的施力大小,以保证各主梁尽量同步上升。每级荷载作用下梁体顶升的实测数据见表1。由于在第8个加载级,梁体已经整体顶起,此时数据仅供参考。
mm
通过监测数据表明,在顶升过程中监测点间最大的位移差为0.1 mm,未超出假定的最大差异位移5 mm。
4 结语
1)PLC液压整体同步控制系统在位移、顶力双控状态下完成整个顶升过程,由于PLC液压整体同步控制系统保证了在工作过程中结构位移、受力都做到了真正的受控,从而使桥梁的加固过程在安全、稳定的状态下完成位移变化、加固、支座的更换。
2)施工比较简便,实用性强。整个的实施过程不影响正常使用,顶升改造过程不需要中断交通,有利于实际的应用。
3)施工期短、适用,有利于节约资源,提高效率,具有一定的推广价值。
摘要：桥梁整体顶升技术的关键在于保证其上部结构的整体性同步顶升,结合工程实例,介绍了基于PLC控制的桥梁同步顶升技术在实际中的应用,与传统的支座更换方法相比,该方法具有中断交通时间短、工期短、造价低等突出的优点,值得推广应用。
关键词：PLC系统,同步顶升,监测传感,称重
参考文献
[1]李杨海.公路桥梁支座实用手册[M].北京:人民交通出版社,2009.
[2]魏志新.高速公路桥梁支座更换的新方法探讨[J].建筑与工程,2008(8):86-87.
多点同步顶升系统 篇2
随着我国经济的快速发展,近年来,铁路客运专线建设日益增多,站房建设随之加大,目前大部份的站房采用大跨度钢结构网架体系。为了缩短施工工期,采用立体作业方式,候车大厅地面施工和屋顶网架安装同时进行。将屋顶网架分割为多块,在一端先将一块网架拼接成形,然后向另一端滑移。网架滑移到位后需要将其顶升一定高度,将滑移施工使用的临时支撑体系和滑移设备拆除,拆除完成后网架缓缓下落,安装到抗震支座上。顶升、落架过程采用液压同步控制。
2 系统组成
同步控制是一个综合了力学系统、液压系统、电控系统、计算机控制的大系统。各个子系统在程序的控制下实现顶升、张拉、滑移等工艺要求。同步控制同时也是施工工艺的具体反映,它将复杂的同步控制流程通过计算机的强大的计算功能应用到实际的工作中。液压同步控制系统共分4部分,即:控制软件、总线通讯(数据报文的设定和拓扑结构)、数据采集单元(包括数字量输入输出和模拟量输入输出)、执行装置(液压单元)。系统结构如图1所示。
同步控制系统的性能主要包括:(1)数据处理的实时性,要求系统能实时地监视各个点的位移数据;(2)较强的纠错能力,系统需要有智能纠错能力,对操作的误操作及时地提示;(3)通讯自动修复能力,现场中的人为造成的通讯断开,待硬件连通后,需自动连接。
2.1 总线通讯
本系统是基于现场总线的控制系统,即FCS。采用CAN总线,它是目前应用比较广泛的现场总线之一,是一种多主方式的串行通信协议。其特点是高位速率,高抗电磁干扰性,自检产生的通讯错误。最高传输距离10km。CAN总线细分为3层,即应用层、数据链路层、物理层。CAN总线接线简洁,只需要CANL和CANH两条线,线的两端加终端电阻,各个节点并行连接。如图2所示。
CAN报文提供4种帧类型[1]:
数据帧:包括标识符和0～8字节数据,用于将数据从发送器发送到接收器。
远程帧:只有标识符,CAN协议对远程帧作用的定义是发送节点请求接收节点传送指定标识符的数据帧。在实际应用中,接收节点是否回发数据帧由接收节点的软件决定。
错误帧:用于标明一个节点检测到了总线/网络故障。
超载帧:在帧的发送间隔之间提供一个延时以控制数据流。
CAN总线初始化是一个不断发送数据帧、返回数据帧的过程,所有的系统故障都包含在返回的数据帧中。如图3所示。
本系统采用CAN总线中的i CAN协议标准建立通讯网络及通讯协议。数字量输入输出为8位,模拟量为16位。设备与地址的对应关系如图4所示。
系统采用主从通讯模式,主站在发送数据前要发送功能码和数据,从站根据功能码来判断是否响应请求。如图5所示。
2.2 数据流程
操作员发出操作指令,通过总线传送至下位机(从站控制器)。从站控制器将信号放大,驱动液压泵站上的电磁阀,使电磁阀产生动作,使油路打开。液压缸伸缩带动钢结构体。在液压工作的同时,位移传感器和压力传感器将位移和压力值转化为变化的电压信号传送至从站控制器。从站控制器将电压信号通过A/D转化,变为数字量信号。通过总线传送至上位机(主站控制器),上位机负责处理反馈的数据量,从而自动调整输出命令,实现同步张拉和提升。数据流如图6所示。
3 主控软件
3.1 主控软件的组成
控制软件是系统的核心,所有的操作和控制算法都通过主控软件来实现,软件系统包括6个模块:主站设定模块、从站设定模块、参数设定模块、运行/调试控制模块、界面模块、帮助。采用VS2010开发环境编写控制代码,按照i CAN通讯协议(波特率、数据位、起始停止位、报文格式)收发数据。下位机实时地向上位机发送数据报文。上位采用定时器方式读取报文内数据,定时器的设定时间由操作员根据误差精度设定。软件界面如图7所示。
1)站点操作:包括CAN总线通讯参数设定,连接状态检查和启动/停止总站控制器。CAN总线的传输速率和传送距离成反比,为了达到最佳的通讯状态,需要根据不同的现场情况来设定CAN总线参数,系统初始化时有默认的参数。主站与从站间的每次通讯前都要检查握手连接状态,以保证数据的正确传送,当发送请求失败时,系统会根据返回的功能码,提示失败原因,方便操作者解决问题。
2)参数设定:根据实际的工况设定工作参数,如设定位移的误差范围,设定压力差范围。施工过程中的各项数据(顶升过程中的压力位移值)按时间循序存储在计算机里,存储的时间间隔由操作员设定。
3)站点选择:为了提高软件的通用性,操作者可以根据工程需要选择控制点数。选择的控制点数需和硬件对应,如果控制点数大于硬件数量,系统会提示错误,直至操作者正确地选择硬件点数和控制点数。
4)运行/调试:顶升设备在安装过程中需要对每个点进行调试,在整体控制时采用同步控制。所以软件系统设定了两种工作模式。
5)数据存储:在显示器上显示各个张拉点的数据变化,包括各个点的位移量、压力值,每点液压缸的工作状态,操作者可以将所有数据存储到计算机中。
6)帮助:提供软件的操作说明和热键设置。
3.2 同步控制算法
计算机控制系统的控制算法和控制策略是保证同步顶升的关键技术。由主控计算机设定顶升速度,通过位移传感器或压力传感器测得各个作用点的位移值和压力值,通过总线反馈到计算机控制软件系统,这就构成一个闭环的控制,保证了各个作用点的同步性。不同的工艺要求不同的控制策略,主要分为位移控制和压力控制[2]。在同步顶升过程中,要求各个顶升点以相同的速率出缸,以保持被顶升钢结构网架形状稳定。所以顶升过程中设定位移值为控制参数,压力值为辅助参数。当位移值很大而压力值变化很小时,需调整工装。同步控制算法如图8所示。
4 顶升施工
南京南站站房屋盖网架结构平面投影为矩形,中间局部略高,最高点高度为58.164m,最低点高度为41.200m,倾斜角度约6°。四周悬挑于柱外,其中南北端悬挑达30m。网架南北方向长度451.200m,东西方向最大宽度为210.650m。网架厚度在0m～7.414m间均匀变化。钢结构重量约为0.8×104t,钢构件总数量约3万余件。屋盖网架结构采用两向正交正放网架结构,支撑采用周边与中间点支撑相结合的支撑方式。屋盖网架由南向北分为11块,滑移部分为9块,其中最大块为H3,重量约1200t。如图9所示。
顶升落架在4条滑移轨道上完成。两侧1轨、8轨道各布置4个顶升点,共8台60t千斤顶。中间3轨、6轨道各布置5个顶升点,共10台100t千斤顶。顶升过程要求36台千斤顶以同一速度出缸,每个顶升点两侧的千斤顶出缸量之差小于5mm,顶升点间高度之差小于10mm。拆除滑移设备和工装需顶升130mm,H3网架是9块滑移网架中重量最大一块,顶升过程在40.4m高空进行。将顶升分为4步进行,每步顶升高度分别为20mm、30mm、40mm、40mm,每步结束后需测量网架情况,确认正常后进行下一步。顶升、落架过程由计算机控制,保证各个顶升点同步出缸。顶升流程如图10所示。
5 结论
液压同步顶升控制系统已成功应用于南京南站屋盖网架施工。采用计算机控制可以缩短顶升和落架时间,简化了施工工序。整个顶升过程约为10min。控制系统各个部分运行稳定,数据传输准确,操作简便。
摘要：在大跨度、大空间结构建筑的施工过程中,液压同步控制技术得到了越来越广泛的应用。为了达到控制精度高、响应速度快和布线简单的要求,系统采用基于现场总线的液压同步控制技术。阐述了基于总线技术的液压同步控制顶升系统的设计,以及在大型钢结构滑移顶升卸载中的应用。
关键词：现场总线,控制系统,整体顶升
参考文献
[1]周立功.iCAN现场总线原理与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.
多点同步顶升系统 篇3
某高速公路跨线桥分为三联, 其中第三联为现浇箱梁, 采用单箱双室截面, 桥跨布置为40 m+40 m+25 m, 箱梁顶板宽16.75 m, 箱梁梁高2.0 m, 悬臂板长2.375 m;下部结构为柱式墩, 肋式台, 桩基础, 该桥浇筑完成, 二期恒载还未施工前, 下部桩基即产生不均匀沉降, 其中13号、14号墩沉降比较严重, 最大沉降量10.0 cm, 15号桥台最大沉降量1.0 cm, 沉降发生后采取了加桩、加承台、顶升恢复的处理方案, 见图1。
1 顶升方案论证
分级同步顶升工况如表1所示, 为了验证顶升方案的合理性, 采用平面计算软件“桥梁博士3.0”对顶升过程及正常使用的各项荷载组合进行分析计算。建模阶段将桥梁离散为111个单元, 12号、14号和15号墩为单向铰接, 13号墩为铰接, 模型见图2。计算结果表明, 每一级应力顶升的应力增量相同, 箱梁的上下缘应力均匀增加, 从最后一级顶升的累计应力值与正常使用各级工况组合后的计算结果看, 箱梁上下缘应力均为压应力, 下缘最小压应力为1.13 MPa, 满足预应力A类构件的要求, 则该顶升方案是合理的。
2 多点顶升方案空间分析
从图1的加固顶升方案示意图中可以看到, 顶升千斤顶是沿桥底板宽度均匀布置的, 每个顶升点 (13号、14号墩) 布置6台500 t液压千斤顶, 考虑到施工过程中千斤顶不可避免地存在不同步现象, 从而导致各千斤顶受力不均匀, 甚至出现千斤顶脱空的现象。
为模拟上述情况, 对13号墩的6个千斤顶分别假定以下工况:1) 边上千斤顶脱空;2) 中间千斤顶脱空;3) 对角千斤顶脱空。
各工况示意如图3所示, 对以上的脱空工况采用大型通用有限元软件ABAQUS进行分析计算, 全桥采用8节点实体等参单元, 共划分为98 796个单元, 142 731个节点;对12号墩、14号墩及15号墩施加横向及竖向约束, 对13号墩施加纵向约束。
三种千斤顶脱空情况导致的13号墩下缘横向位置纵向应力局部应力变化情况如图4所示。
从图4可以看出, 若只脱空一个千斤顶, 虽然会导致一定程度的局部应力变化, 但变化幅度不大;若对角千斤顶脱空, 结构的局部应力变化较大, 在顶升过程中, 需要避免此种情况的发生。据以上分析结果, 对本顶升施工过程提出如下的要求:
1) 顶升过程中, 要求确保13号墩首先起顶, 严禁14号墩先起顶。2) 每级顶升时, 若桥墩沉降量大于顶升量时, 停止顶升。3) 每级顶升时, 桥墩未达到稳定状态时, 不得进行下一级顶升。4) 顶升时, 要确保同一个墩上的各千斤顶同步、均匀受力, 严禁对角千斤顶同时脱空现象的出现。
3 顶升处理过程监控
为了确保顶升过程的安全性, 验证顶升方案的合理性, 在顶升过程中选取了13号、14号墩顶负弯矩控制截面和13号、14号墩之间跨中正弯矩截面作为应变监控测试截面, 在各主要测试截面上、下缘布置标距为10 cm的混凝土应变片。
顶升施工过程各工况实测应变与理论值对比如图5所示, 从图5中的数据可以看出各工况实测应变与理论值吻合较好, 这表明顶升过程中梁体应力处于可控状态, 同时也反映目前的梁体受力处于弹性状态。
整个顶升施工过程基本按预设的顶升方案实施的, 实际总顶升量与理论顶升量相差在5 mm以内, 在顶升过程中, 梁体两侧均匀抬升, 未出现千斤顶脱空情况, 各千斤顶工作正常, 各顶升过程及顶升结束后, 梁体关键受力部位未发现有肉眼可视裂缝, 梁体未发生开裂。
4 结语
桥梁发生沉降后, 梁体内力发生了改变, 但由于设计阶段的安全富余较大未发生开裂等影响桥梁正常使用的情况, 为了保证桥梁的正常使用, 施工及设计单位采取了加固基础、顶升恢复的处理方案。本文对顶升量的确定及多点顶升不平衡效应进行了详细论述, 并通过顶升过程的监控验证了各项分析结果, 得到以下主要结论:
1) 不完全恢复沉降量的顶升方案合理、可行, 既确保了桥梁结构在正常使用极限状态和承载能力极限状态下能满足相应规范的要求, 又增加了顶升施工过程的安全系数, 确保了顶升方案的顺利实施。顶升后的桥梁荷载试验结果表明:桥梁各项指标均满足相关规范要求, 可正常使用。
2) 由于墩顶处内置混凝土横梁的分配作用, 多点顶升中的千斤顶不平衡效应并不明显, 只有在对角千斤顶完全脱空的情况发生时, 才会对结构的局部应力产生较大影响。顶升过程中需严格控制两侧千斤顶的同步性。从实际顶升工艺的实施情况看, 梁体两侧均匀抬升, 未出现千斤顶脱空情况, 各千斤顶工作正常, 顶升施工工艺控制恰当。
3) 整个顶升过程中, 梁体未出现肉眼可见裂缝, 且通过监控数据分析, 桥梁结构仍处于弹性工作状态。
摘要：针对某高速公路连续梁桥浇筑完成后下部桩基产生不均匀沉降, 详细介绍了采用顶升恢复的处理方案, 对顶升方案的顶升量确定及多点顶升不平衡效应进行了详细论述, 并通过顶升过程的监控验证了各项分析结论, 为国内同类型的桥梁加固施工提供了很好的指导。
关键词：沉降,桥梁顶升,连续梁桥
参考文献
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