基于位移控制的LZQS同步頂升技術(shù)在橋梁頂升中的應(yīng)用研究

劉德坤

（湖南聯(lián)智橋隧技術(shù)有限公司，湖南長沙 410019）

0 前言

由于施工不規(guī)范、材料老化、車輛超載等原因，橡膠支座易發(fā)生脫空、異常變形、不能正?；瑒?、開裂等情況，由此改變了上部結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，造成局部應(yīng)力過大，危及橋梁結(jié)構(gòu)安全，因此，必須更換橋梁支座[1]；同時路網(wǎng)改造中往往需要提高橋面高程，不得不將上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行頂升，以加厚支座或者接長墩柱，以滿足路網(wǎng)高程銜接的要求。

該類工程施工時，需要將結(jié)構(gòu)物整體頂升和下降，且技術(shù)指標(biāo)相對苛刻。如在頂升施工過程中，同一聯(lián)中兩跨高差超過2 mm，相當(dāng)于不均勻沉降，將會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的連續(xù)部分出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞；同一跨中兩相鄰梁體之間的高差超過2 mm，將會導(dǎo)致梁體之間的現(xiàn)澆翼板或者鉸縫出現(xiàn)破壞；將結(jié)構(gòu)物頂升之后需要下降，如下降時速率過快將會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體跌落造成沖擊，使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞。普通的橋梁同步頂升技術(shù)并不能滿足多點(diǎn)位移同步在1 mm以內(nèi)，致使眾多工程在頂升施工過程中出現(xiàn)了不同程度的二次損傷。

本文介紹了基于位移控制的同步頂升技術(shù)及其在橋梁頂升中的應(yīng)用情況，結(jié)果表明基于位移控制的同步頂升技術(shù)在現(xiàn)場施工應(yīng)用中具有上升下降全過程行程可控、同步精度高、安全可靠、操作簡便等優(yōu)點(diǎn),適宜于橋梁同步頂升的應(yīng)用工況。

1 LZQS同步頂升技術(shù)原理

LZQS同步頂升技術(shù)運(yùn)用PLC控制液壓回路系統(tǒng)進(jìn)行頂升或下降。利用位移傳感器采集各點(diǎn)位移數(shù)據(jù)，壓力傳感器采集各點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)，PLC依據(jù)各點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行同步判斷，依據(jù)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行力值判斷，然后進(jìn)行各點(diǎn)位移、壓力的調(diào)整。

頂升過程中，設(shè)定好頂升量，調(diào)節(jié)數(shù)字溢流閥加壓，此時壓力大于稱重時的臨界壓力，結(jié)構(gòu)物上升，當(dāng)頂升到設(shè)定位移時系統(tǒng)停止供油，頂升停止。液壓系統(tǒng)不可避免的存在泄漏，當(dāng)位移量因泄漏而有所降低時，系統(tǒng)會自動向降低的千斤頂供油直到回復(fù)到設(shè)定位移量停止。

下降過程中，當(dāng)頂升結(jié)束結(jié)構(gòu)物需要下降時，數(shù)字溢流閥將壓力調(diào)整到稱重臨界壓力以下，液壓系統(tǒng)處于正常頂升進(jìn)油狀態(tài)，打開泄壓電磁球閥，油液只能由節(jié)流口流回，如果某一個頂下降過快會關(guān)閉電磁球閥進(jìn)行調(diào)整。液壓原理見圖1。

圖1 同步頂升液壓原理圖

2 技術(shù)設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)硬件組成

LZQS同步頂升技術(shù)硬件由控制主站、控制從站（多個）、高壓油管、千斤頂、位移采集系統(tǒng)、壓力采集系統(tǒng)等組成。一個主站一個從站可以實(shí)現(xiàn)16點(diǎn)同步頂升、同步下降，同步精度0.5 mm，每增加一個控制從站，控制點(diǎn)數(shù)增加16個。系統(tǒng)組成見圖2。

圖2 LZQS型智能同步頂升系統(tǒng)

頂升系統(tǒng)設(shè)備配置見表1。

表1 智能頂升系統(tǒng)設(shè)備配置表

2.2 控制流程設(shè)計(jì)

頂升施工現(xiàn)場基本工藝流程：施工準(zhǔn)備（包括支架搭設(shè)、設(shè)備選型進(jìn)場等）→頂升系統(tǒng)安裝（包括液壓系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試）→稱重→試頂升→正式頂升→主梁臨時支撐→更換支座和墊石→主梁回落（標(biāo)高、位置復(fù)核）→拆除頂升設(shè)備，見圖3。S和C分別表示數(shù)據(jù)或指令的輸入和反饋控制。

2.3 主要技術(shù)特點(diǎn)

LZQS智能同步頂升系統(tǒng)由PLC主站、PLC從站和系統(tǒng)控制軟件組成。PLC主站接受和發(fā)出各種指令控制頂升過程并提供動力，PLC從站采集各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)并按PLC主站命令控制連接的千斤頂升降。

LZQS智能頂升系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)精確同步頂升（同步位移精度±0.5mm），并實(shí)現(xiàn)頂升速率和各點(diǎn)壓力可調(diào)。

圖3 LZQS智能同步頂升施工控制流程圖

（2）超強(qiáng)可擴(kuò)展性，基本配置為32個同步節(jié)點(diǎn)，每增加一個控制從站可以增加同步節(jié)點(diǎn)16個。

（3）可帶載下降，對下降過程速度、同步性進(jìn)行精確控制。

（4）頂升過程數(shù)據(jù)自動存儲、實(shí)現(xiàn)頂升過程數(shù)據(jù)回放。

（5）位移、壓力超限報(bào)警（限值可預(yù)設(shè)）。

LZQS型智能同步頂升系統(tǒng)軟件演示見圖4。

圖4 LZQS型智能同步頂升系統(tǒng)軟件演示

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

本文以K1793+724.7泉溪洞小橋（20 m簡支空心板）和K1803+837.6天池地大橋（30 m連續(xù)T梁）為例，介紹頂升工藝。何家灣小橋建成于2001年，上部結(jié)構(gòu)為簡支空心板，采用C40混凝土，下部結(jié)構(gòu)為重力式橋臺，仿毛肋式伸縮縫，板式橡膠支座。橋梁與路面縱斷面聯(lián)接采用頂升橋梁上部構(gòu)造的方式完成，設(shè)計(jì)凈空抬升為15 cm。天池地大橋6×30 m跨連續(xù)梁T梁，下部構(gòu)造樁柱式基礎(chǔ)接蓋梁的形式，板式支座，任務(wù)為更換支座。

3.2 準(zhǔn)備工作

3.2.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算

本文運(yùn)用midas/civil建立梁格模型，模擬簡支空心板和連續(xù)T梁的頂升受力情況。結(jié)構(gòu)模型見圖5、圖6。

圖5 30 m連續(xù)T梁模型

圖6 空心板模型

通過仿真計(jì)算得出如下結(jié)論：

（1）對于簡支空心板，單點(diǎn)1 mm頂升差對頂升反力、鉸縫剪力影響可達(dá)到40%，為避免橋面和鉸縫開裂，必須控制相鄰點(diǎn)高差在1 mm以內(nèi)。

（2）對于連續(xù)T梁，采用“縱向逐墩整體頂升”技術(shù)可實(shí)現(xiàn)支座更換。單逐墩頂升20 mm時，頂升力增加不大，但也必須控制橫向的同步性。

根據(jù)空心板重量及抬升高度，選用大行程千斤頂，單個千斤頂最大頂升力40 t，行程為200 mm，橋梁每跨設(shè)置22個千斤頂，總頂升力為880 t，根據(jù)結(jié)構(gòu)圖計(jì)算，梁體單跨總重約350 t，遠(yuǎn)大于單跨橋梁的重量，頂升系數(shù)為2.5倍，滿足頂升要求。T梁支座更換采用單跨橫向同步形式，選取6個500 t千斤頂。

3.2.2 頂升前準(zhǔn)備工作

（1）斷開周圍聯(lián)系，布置千斤頂，見圖7、圖8。

圖7 頂升平臺及頂升設(shè)備安放示意圖

圖8 千斤頂布置圖

（2）試頂。試頂主要是為了消除支承本身的非彈性變形，保證各千斤頂均勻受力，同時驗(yàn)證頂升系統(tǒng)的工作性能。一般情況下，將主梁結(jié)構(gòu)提升并離開支座1～2 mm左右，靜置2～3 h，期間組織人員定時對結(jié)構(gòu)觀測。

3.3 測點(diǎn)布置

根據(jù)橋型特點(diǎn)及設(shè)備特點(diǎn)，簡支梁凈空提升時，LZQS同步頂升設(shè)備可直接顯示頂升高度。而對于連續(xù)T梁，則需在頂升處主梁上緣布設(shè)應(yīng)變片，并安排專人每半小時讀取應(yīng)變數(shù)據(jù)。連續(xù)T梁應(yīng)變測點(diǎn)布置見圖9。

圖9 預(yù)應(yīng)力T梁應(yīng)變測點(diǎn)布置圖

3.4 頂升操作

啟動智能頂升系統(tǒng)，系統(tǒng)自動運(yùn)行，如果各頂升點(diǎn)同步誤差超過控制系統(tǒng)的“設(shè)定誤差”（為±0.5 mm），系統(tǒng)將自動調(diào)整；如果頂升點(diǎn)同步誤差超過控制系統(tǒng)設(shè)定的“最大誤差”（±1.0 mm），系統(tǒng)將自動進(jìn)入緊急停機(jī)，等待調(diào)整；調(diào)整完畢，進(jìn)入預(yù)備頂升狀態(tài)，再次啟動自動頂升；每頂升高2mm就將相應(yīng)厚度臨時鋼板或支墩放置在梁體下方；當(dāng)主梁結(jié)構(gòu)頂升到就位后，臨時固定；頂升過程應(yīng)隨時監(jiān)控千斤頂負(fù)荷狀態(tài)、結(jié)構(gòu)受力；清理支承面，抬升凈空并更換支座；支座更換完成后，千斤頂頂起主梁，一旦上部結(jié)構(gòu)離開臨時支撐即停止頂升，鎖緊千斤頂閘門，逐步撤除臨時鋼墊板后，啟動智能同步下降系統(tǒng)，緩慢回落梁板至更換好的支座。

4 頂升結(jié)果與結(jié)論

4.1 簡支梁頂升

何家灣小橋（20 m簡支空心板）凈空抬升工程中，一個橋墩設(shè)置千斤頂11個。頂升過程中每1秒采集一個頂升位移數(shù)據(jù)，鑒于頂升數(shù)據(jù)量大，為清楚顯示出某一時刻位移變化情況，選取每30 min數(shù)據(jù)作為參考，其一個墩11臺千斤頂頂升位移見表2。表2中“D1-1”表示1#墩1號千斤頂。

從表2可知，頂升過程中同步頂升差均可控制在0.3～0.36mm，小于設(shè)定誤差±0.5 mm，千斤頂同步精度高。全程僅用3.5 h即可完成15 cm頂升量。

表2 關(guān)鍵時刻千斤頂頂升位移數(shù)據(jù)表（單位：mm）

4.2 連續(xù)T梁頂升

天池地大橋主要任務(wù)為更換中墩支座。按照施工經(jīng)驗(yàn)，頂升2 cm即可有足夠操作空間。利用LZQS智能頂升系統(tǒng)，可設(shè)定每一級頂升量為5mm，則全程分四級頂升，每一級頂升完成后應(yīng)變實(shí)測數(shù)據(jù)見表3。

表3 各級頂升完成后梁體應(yīng)變數(shù)據(jù)（單位：με）

從表3可知，各梁體應(yīng)變數(shù)據(jù)相差極小，說明頂升設(shè)備頂升同步精度高，頂升完成時，梁體應(yīng)力增量為1.3 MPa。小于理論值1.54 MPa，且落梁到位后，應(yīng)變?nèi)炕謴?fù)，結(jié)構(gòu)接近彈性工作受力，頂升未對結(jié)構(gòu)造成損傷。

5 結(jié)論

在耒陽之宜章高速橋梁提質(zhì)改造過程中，運(yùn)用了基于位移控制的LZQS同步頂升技術(shù)，僅用時56 d就完成10座橋支座更換和凈空提升任務(wù)，在眾多工程應(yīng)用中設(shè)備表現(xiàn)穩(wěn)定，施工過程中未對橋梁造成進(jìn)一步損壞和出現(xiàn)安全事故。實(shí)踐證明：LZQS同步頂升系統(tǒng)是安全可靠、優(yōu)質(zhì)快捷、科學(xué)經(jīng)濟(jì)的選擇。在大噸位、復(fù)雜受力頂升過程中，其優(yōu)勢將更加明顯。

[1]喬乃洪,陳向輝.公路橋梁板式橡膠支座的病害及維修方法[J].交通運(yùn)輸工程與信息學(xué)報(bào),2006(1):104-109.