馬福民， 陳 釩， 陳正林， 孫軍柱， 舒萬華, 高 偉, 程廣杰, 羅 琦

(中電建路橋集團(tuán)有限公司, 北京100048)

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大型跨線橋轉(zhuǎn)體就位全自動(dòng)控制系統(tǒng)初步應(yīng)用效果分析

馬福民， 陳 釩， 陳正林， 孫軍柱， 舒萬華, 高 偉, 程廣杰, 羅 琦

(中電建路橋集團(tuán)有限公司, 北京100048)

青白江北環(huán)達(dá)成鐵路立交工程跨線橋梁，采用轉(zhuǎn)體施工，自重大，時(shí)間窗口小，施工難度大，為克服這些困難，研發(fā)及監(jiān)控、控制、可視化一體的全自動(dòng)控制系統(tǒng)，并與現(xiàn)場傳統(tǒng)轉(zhuǎn)體施工結(jié)合，成功進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，為后續(xù)類似橋梁轉(zhuǎn)體施工的全自動(dòng)控制提供可能。青白江上跨北環(huán)達(dá)成鐵路立交橋工程，采用平轉(zhuǎn)施工跨越繁忙既有線，轉(zhuǎn)體重量大，角度寬，時(shí)間長，技術(shù)難度高。文章以該橋?yàn)閷?duì)象，研發(fā)集遠(yuǎn)地、近地集中控制、轉(zhuǎn)體動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測和現(xiàn)場遠(yuǎn)程可視化為一體的自動(dòng)控制系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)體施工和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合，對(duì)機(jī)電一體化控制系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)踐表明該控制系統(tǒng)智能化程度高，通用性強(qiáng)，適用性好，與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)體施工相比，能極大地提高施工效率，在將來可以更廣泛地投入市場應(yīng)用。

自動(dòng)控制； 轉(zhuǎn)體； 激光測距； 全站儀

青白江上跨北環(huán)達(dá)成鐵路立交橋(圖1)孔跨布置為2×45 m T構(gòu)單幅橋，橋面縱坡為2.55 %，橋面橫坡為雙向坡，最大坡度2 %，橋梁全長90 m。梁體采用變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，單箱四室截面，梁體根部梁高5.2 m，邊支點(diǎn)處梁高2.5 m，梁頂寬23 m，梁底寬18.5 m。本橋采用轉(zhuǎn)體施工工藝，沿平行于鐵路方向搭設(shè)支架現(xiàn)澆梁體，待達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度后施加預(yù)應(yīng)力、脫架轉(zhuǎn)體就位。該橋所跨成達(dá)鐵路運(yùn)輸繁忙，運(yùn)輸安全性要求高，可用于跨越鐵路施工的時(shí)間窗口小[1]，項(xiàng)目技術(shù)難度大，施工風(fēng)險(xiǎn)控制要求高。如果人工監(jiān)控頻度不夠?qū)?huì)造成施工控制措施不能及時(shí)采取，將嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)輸，引起較大工程事故。再加上鐵路輔助設(shè)施的限制，只有采用可行的轉(zhuǎn)體施工方法和監(jiān)控措施才能保證施工的順利進(jìn)行。

圖1 北環(huán)達(dá)成鐵路立交工程轉(zhuǎn)體橋梁現(xiàn)場

1 大型跨線橋梁轉(zhuǎn)體就位難點(diǎn)分析

從技術(shù)上看，這種橋在旋轉(zhuǎn)時(shí)面臨五個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：第一，自重大、重心點(diǎn)和橋墩高，旋轉(zhuǎn)軸一旦偏離垂線，重力形成的傾覆力矩立刻出現(xiàn)，危險(xiǎn)性極大，因此對(duì)球鉸支座的制作精度、潤滑均勻性以及應(yīng)力傳感系統(tǒng)的靈敏度要求高，一般也要求很大的導(dǎo)軌半徑；第二，大寬度橋梁旋轉(zhuǎn)過程中摩阻力變化大，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)速度不易精確控制，甚至出現(xiàn)脈沖式前行，容易出現(xiàn)超過設(shè)定角度的情況；第三，橋梁寬度大時(shí)，對(duì)旋轉(zhuǎn)后底面的水平度要求高，為了縮短調(diào)整時(shí)間，減少凈空占用，需要隨時(shí)監(jiān)控橋梁橫向高差，使其不超過某個(gè)臨界值。這不僅是經(jīng)濟(jì)上的考量，也是對(duì)運(yùn)動(dòng)中傾覆風(fēng)險(xiǎn)控制的需要，因此要求準(zhǔn)確測定球面鉸阻力以及旋轉(zhuǎn)力矩的對(duì)稱性；第四，旋轉(zhuǎn)中，局部混凝土處于雙向應(yīng)力狀態(tài)；第五，本橋自重大，橋墩系非圓形截面，旋轉(zhuǎn)面出現(xiàn)較大阻力時(shí)，橋墩的某些部位會(huì)受扭，應(yīng)力狀態(tài)極為不利。所以對(duì)轉(zhuǎn)體施工采用全自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究就變得非常有意義。

2 轉(zhuǎn)體橋系統(tǒng)原理概述

2.1 轉(zhuǎn)體橋系統(tǒng)描述

轉(zhuǎn)體橋即采用轉(zhuǎn)體法施工的橋梁。橋梁轉(zhuǎn)體施工是指將橋梁結(jié)構(gòu)在非設(shè)計(jì)軸線位置制作(澆筑或拼接)成形后，通過轉(zhuǎn)體就位的一種施工方法[2]。它可以將在障礙上空的作業(yè)轉(zhuǎn)化為岸上或近地面的作業(yè)。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，它可分為豎向轉(zhuǎn)體施工法、水平轉(zhuǎn)體施工法(簡稱豎轉(zhuǎn)法和平轉(zhuǎn)法)以及平轉(zhuǎn)與豎轉(zhuǎn)相結(jié)合的方法。其中以平轉(zhuǎn)法應(yīng)用最多，主要應(yīng)用于上跨峽谷、河流、鐵路、高速公路等不能做支撐的情況。轉(zhuǎn)體系統(tǒng)由下轉(zhuǎn)盤、上轉(zhuǎn)盤、球鉸、滑道、牽引系統(tǒng)組成，轉(zhuǎn)體過程一般通過千斤頂對(duì)拉牽引索，形成旋轉(zhuǎn)力偶實(shí)現(xiàn)。

采用轉(zhuǎn)體施工的橋梁一般具有轉(zhuǎn)體重量大、轉(zhuǎn)動(dòng)角度大、梁體較長、橋型復(fù)雜的特點(diǎn)，主塔、主梁線型、斜拉索索力及轉(zhuǎn)體重量如何精確定位和平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)是轉(zhuǎn)體中的主要難點(diǎn)。因此在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)記錄對(duì)轉(zhuǎn)體橋系統(tǒng)的優(yōu)化和補(bǔ)充有十分重要的作用，它是后期的轉(zhuǎn)體施工的數(shù)據(jù)儲(chǔ)備，也是轉(zhuǎn)體橋技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)修訂的依據(jù)。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)描述

轉(zhuǎn)體橋體積較大，且運(yùn)行時(shí)間較長，通過監(jiān)控設(shè)備對(duì)轉(zhuǎn)體橋的轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)(含轉(zhuǎn)動(dòng)角度、轉(zhuǎn)動(dòng)速度、橋體震動(dòng)、力矩、油泵壓力、溫濕度、風(fēng)力等)進(jìn)行記錄，可實(shí)現(xiàn)較大密度的記錄頻率，以及后期數(shù)據(jù)調(diào)用及場景再現(xiàn)等應(yīng)用。

監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場控制千斤頂油泵動(dòng)作，并根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及時(shí)制定較佳的轉(zhuǎn)動(dòng)方案。

監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)涓拍钊鐖D2所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)涓拍?/p>

2.3 GPS位置測量裝置測量

利用GPS定位衛(wèi)星，在全球范圍內(nèi)實(shí)時(shí)進(jìn)行定位和導(dǎo)航的系統(tǒng)，稱為全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，簡稱GPS[3]。GPS是由美國國防部研制建立的一種具有全方位、全天候、全時(shí)段和高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能為全球用戶提供低成本、高精度的三維位置、速度和精確定時(shí)等導(dǎo)航信息，是衛(wèi)星通信技術(shù)在導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用典范，它極大地提高了全社會(huì)的信息化水平，有力地推動(dòng)了數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。28顆衛(wèi)星(其中4顆備用)早已升空，分布在6條交點(diǎn)互隔60°的軌道面上，距離地面約20 000 km。已經(jīng)實(shí)現(xiàn)單機(jī)導(dǎo)航精度約為10 m，綜合定位精度可達(dá)厘米級(jí)和毫米級(jí)。但民用領(lǐng)域開放的精度約為10 m。安裝示意如圖3所示。

在本系統(tǒng)中，考慮到民用領(lǐng)域精度不能滿足橋梁定位的要求，所以將GPS作為工程位置記錄工具。如果在未來精度能夠滿足要求的情況下，通過橋體四周的GPS設(shè)備可實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算出橋體所在的真實(shí)位置和水平高度。

圖3 GPS位置測量安裝示意

2.4 激光測距儀測量原理

激光測距儀是利用激光對(duì)目標(biāo)的距離進(jìn)行準(zhǔn)確測定的儀器。激光測距儀在工作時(shí)向目標(biāo)射出一束很細(xì)的激光，由光電元件接收目標(biāo)反射的激光束，計(jì)時(shí)器測定激光束從發(fā)射到接收的時(shí)間，計(jì)算出從觀測者到目標(biāo)的距離。激光測距儀重量輕、體積小、操作簡單速度快而準(zhǔn)確，其誤差僅為其它光學(xué)測距儀的五分之一到數(shù)百分之一[4-5]。激光測距儀與控制PLC的接口為RS232串口通訊(圖4、表1)。

圖4 測量原理

O點(diǎn)橋墩原點(diǎn)OB測點(diǎn)到原點(diǎn)水平距離∠ο定位軸與OB線夾角A-A″點(diǎn)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)軌跡AB測點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)點(diǎn)測距∠α轉(zhuǎn)動(dòng)軸與OB線夾角B點(diǎn)測控點(diǎn)CB測點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)測距∠β旋轉(zhuǎn)余角→0°C點(diǎn)目標(biāo)點(diǎn)OA-OC1/2橋梁長度

其中測量原理如圖4所示，各符號(hào)定義如表1所示，系統(tǒng)計(jì)算包含五個(gè)步驟。

(1)第一步：設(shè)置測控點(diǎn)B。

測控點(diǎn)設(shè)置在橋梁旋轉(zhuǎn)區(qū)的外側(cè)；建議測點(diǎn)距目標(biāo)點(diǎn)不小于15 m，但AB+15<測距儀最大工作范圍；原則上距離越大，測控精度越高；測試點(diǎn)在測控全程必須滿足與A、C點(diǎn)無盲區(qū)。

(2)第二步：設(shè)置旋轉(zhuǎn)點(diǎn)標(biāo)靶A、C。

標(biāo)靶用于激光測距的激光束反射，可選用鉆石級(jí)反光貼膜，反光性能越好，檢測精度越高；靶標(biāo)可用100左右(定義為D)鋼管制作，固定在轉(zhuǎn)梁軸線端點(diǎn)上，原則上其他位置亦可，但檢測結(jié)果需修正；設(shè)置高度以貼膜區(qū)在測控全程必須滿足與B點(diǎn)間無盲區(qū)，貼膜50高圓周，做中心區(qū)標(biāo)志，檢測中盡量讓光點(diǎn)落在標(biāo)志區(qū)域；實(shí)際上C點(diǎn)是A點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到位后的虛擬點(diǎn)，周邊無支撐點(diǎn)時(shí)可按工程圖計(jì)算確定。

(3)第三步：標(biāo)定測控基數(shù)。

B、A(C)點(diǎn)確定后，利用經(jīng)緯儀測定原點(diǎn)O到測控點(diǎn)B的水平距離L，旋轉(zhuǎn)點(diǎn)標(biāo)靶中心到測距儀中心的高程差H，根據(jù)工程圖計(jì)算C點(diǎn)到測控點(diǎn)B點(diǎn)的空間距離S(設(shè)C點(diǎn)標(biāo)靶的話可直接測得)，到將旋轉(zhuǎn)體半長度L″、L、H、S、D值輸入。

(4)第四步：系統(tǒng)計(jì)算規(guī)則。

測控基數(shù)標(biāo)定后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出∠ο，此值不變化；根據(jù)實(shí)測的空間距離AB，系統(tǒng)按三角函數(shù)計(jì)算出水平距離AB″(高程差已知為H)并校準(zhǔn)為AB″+D/2；仍用三角函數(shù)可計(jì)算出∠α(L″、L、AB″+D/2均已知)和∠β=∠α-∠ο。

(5)第五步：檢測控制。

系統(tǒng)按∠β=0或?qū)崪yAB=S為測控結(jié)點(diǎn)，輸出完成信號(hào)，亦可兩個(gè)值互為校準(zhǔn)，差分輸出結(jié)果。

2.5 全站儀測量

全站型電子測距儀集光、機(jī)、電為一體，具備水平角、垂直角、距離(斜距、平距)和高差測量功能的測繪儀器。與光學(xué)經(jīng)緯儀相比電子經(jīng)緯儀將光學(xué)度盤換為光電掃描度盤，自動(dòng)記錄和顯示讀數(shù)代替人工光學(xué)測微讀數(shù)，使測量操作簡單化，并且可以避免讀數(shù)誤差的產(chǎn)生[6-7]。

全站儀的計(jì)算方式和上述激光測距儀相同，運(yùn)行過程中全站儀采用手動(dòng)測量，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過RS232通訊傳遞到控制PLC,得到角度和距離等信息存入測量數(shù)據(jù)庫，在和激光測距儀得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析計(jì)算，得到更為精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

2.6 數(shù)據(jù)采集及設(shè)備控制PLC

可編程邏輯控制器，是一種采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、維修工作量小和維修使用方便等眾多優(yōu)點(diǎn)。

本系統(tǒng)中PLC主要功能如下：PLC系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)信息；接受現(xiàn)場控制指令(現(xiàn)場人員在更換完鎖具后請(qǐng)求千斤頂動(dòng)作)；輸出運(yùn)行信號(hào)，控制千斤頂輸出；輸出控制指令，控制激光測距儀追蹤測量目標(biāo)；計(jì)算實(shí)際數(shù)據(jù)；向上位機(jī)輸出有效數(shù)據(jù)。

2.7 控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)即為人機(jī)交換界面，是人與控制PLC交互的中心，可以直接觀察到我們需要的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、記錄以及記錄運(yùn)行過程等；可對(duì)控制權(quán)限進(jìn)行設(shè)置，在緊急狀況下停止運(yùn)行等功能；人機(jī)交互界面使用計(jì)算機(jī)高級(jí)語言VS編輯完成，全部程序代碼為自主開發(fā)，在工程應(yīng)用中，僅需要修改環(huán)境參數(shù)和更改工程現(xiàn)場即可應(yīng)用。

3 初步應(yīng)用分析

通過將全自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用于上跨北環(huán)達(dá)成鐵路立交橋工程中，并結(jié)合傳統(tǒng)施工控制技術(shù)順利完成該橋轉(zhuǎn)體就位。圖5為現(xiàn)場顯示大屏界面，通過顯示大屏可以清楚的觀察到整個(gè)轉(zhuǎn)體過程中梁體平面位置的變化。與傳統(tǒng)頂推控制方法相比自動(dòng)控制系統(tǒng)的觀測結(jié)果可靠，操作也更加便捷。同時(shí)，由于機(jī)電一體化控制系統(tǒng)可以通過精確控制千斤頂油量來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)體過程數(shù)字化操作，從而避免了以往對(duì)專業(yè)人員經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)上的依賴。

自1987年我國完成首座轉(zhuǎn)體橋梁的施工，至今已建成100余座。交通事業(yè)高速發(fā)展和城市建設(shè)步伐的加快，使得現(xiàn)階段供施工的場地越來越少，需跨線修建的橋梁越來越多，轉(zhuǎn)體施工由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)將被廣泛應(yīng)用[8-9]。對(duì)于跨度大、限制因素多的橋梁，全自動(dòng)控制系統(tǒng)具有不可替代的意義。所以該系統(tǒng)可以移植到其它橋梁轉(zhuǎn)體施工中，改變現(xiàn)有轉(zhuǎn)體施工自動(dòng)化成度較低、施工步驟間協(xié)調(diào)周期較長的局面。同時(shí)可以避免人為疏忽和監(jiān)控頻度不夠造成的不安全狀態(tài)，也可與動(dòng)力廠家(千斤頂?shù)?聯(lián)合，開發(fā)軟硬件結(jié)合的商用產(chǎn)品，因此其應(yīng)用前景十分廣泛。

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馬福民(1966～)， 男，本科，高級(jí)工程師。

U445.465

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[定稿日期]2016-12-06