大型跨線橋轉體就位全自動控制系統初步應用效果分析

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

(中電建路橋集團有限公司, 北京100048)

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大型跨線橋轉體就位全自動控制系統初步應用效果分析

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

(中電建路橋集團有限公司, 北京100048)

青白江北環達成鐵路立交工程跨線橋梁，采用轉體施工，自重大，時間窗口小，施工難度大，為克服這些困難，研發及監控、控制、可視化一體的全自動控制系統，并與現場傳統轉體施工結合，成功進行應用驗證，為后續類似橋梁轉體施工的全自動控制提供可能。青白江上跨北環達成鐵路立交橋工程，采用平轉施工跨越繁忙既有線，轉體重量大，角度寬，時間長，技術難度高。文章以該橋為對象，研發集遠地、近地集中控制、轉體動態實時監測和現場遠程可視化為一體的自動控制系統，并與傳統的轉體施工和現場監測相結合，對機電一體化控制系統進行驗證。實踐表明該控制系統智能化程度高，通用性強，適用性好，與傳統的轉體施工相比，能極大地提高施工效率，在將來可以更廣泛地投入市場應用。

自動控制； 轉體； 激光測距； 全站儀

青白江上跨北環達成鐵路立交橋(圖1)孔跨布置為2×45 m T構單幅橋，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。梁體采用變截面預應力混凝土箱梁，單箱四室截面，梁體根部梁高5.2 m，邊支點處梁高2.5 m，梁頂寬23 m，梁底寬18.5 m。本橋采用轉體施工工藝，沿平行于鐵路方向搭設支架現澆梁體，待達到設計要求強度后施加預應力、脫架轉體就位。該橋所跨成達鐵路運輸繁忙，運輸安全性要求高，可用于跨越鐵路施工的時間窗口小[1]，項目技術難度大，施工風險控制要求高。如果人工監控頻度不夠將會造成施工控制措施不能及時采取，將嚴重影響鐵路運輸，引起較大工程事故。再加上鐵路輔助設施的限制，只有采用可行的轉體施工方法和監控措施才能保證施工的順利進行。

圖1 北環達成鐵路立交工程轉體橋梁現場

1 大型跨線橋梁轉體就位難點分析

從技術上看，這種橋在旋轉時面臨五個技術難點：第一，自重大、重心點和橋墩高，旋轉軸一旦偏離垂線，重力形成的傾覆力矩立刻出現，危險性極大，因此對球鉸支座的制作精度、潤滑均勻性以及應力傳感系統的靈敏度要求高，一般也要求很大的導軌半徑；第二，大寬度橋梁旋轉過程中摩阻力變化大，導致旋轉速度不易精確控制，甚至出現脈沖式前行，容易出現超過設定角度的情況；第三，橋梁寬度大時，對旋轉后底面的水平度要求高，為了縮短調整時間，減少凈空占用，需要隨時監控橋梁橫向高差，使其不超過某個臨界值。這不僅是經濟上的考量，也是對運動中傾覆風險控制的需要，因此要求準確測定球面鉸阻力以及旋轉力矩的對稱性；第四，旋轉中，局部混凝土處于雙向應力狀態；第五，本橋自重大，橋墩系非圓形截面，旋轉面出現較大阻力時，橋墩的某些部位會受扭，應力狀態極為不利。所以對轉體施工采用全自動控制系統的研究就變得非常有意義。

2 轉體橋系統原理概述

2.1 轉體橋系統描述

轉體橋即采用轉體法施工的橋梁。橋梁轉體施工是指將橋梁結構在非設計軸線位置制作(澆筑或拼接)成形后，通過轉體就位的一種施工方法[2]。它可以將在障礙上空的作業轉化為岸上或近地面的作業。根據橋梁結構的轉動方向，它可分為豎向轉體施工法、水平轉體施工法(簡稱豎轉法和平轉法)以及平轉與豎轉相結合的方法。其中以平轉法應用最多，主要應用于上跨峽谷、河流、鐵路、高速公路等不能做支撐的情況。轉體系統由下轉盤、上轉盤、球鉸、滑道、牽引系統組成，轉體過程一般通過千斤頂對拉牽引索，形成旋轉力偶實現。

采用轉體施工的橋梁一般具有轉體重量大、轉動角度大、梁體較長、橋型復雜的特點，主塔、主梁線型、斜拉索索力及轉體重量如何精確定位和平穩轉動是轉體中的主要難點。因此在轉動過程中的各項數據記錄對轉體橋系統的優化和補充有十分重要的作用，它是后期的轉體施工的數據儲備，也是轉體橋技術標準修訂的依據。

2.2 監控系統描述

轉體橋體積較大，且運行時間較長，通過監控設備對轉體橋的轉動數據(含轉動角度、轉動速度、橋體震動、力矩、油泵壓力、溫濕度、風力等)進行記錄，可實現較大密度的記錄頻率，以及后期數據調用及場景再現等應用。

監控系統可實現現場控制千斤頂油泵動作，并根據監控系統的實時數據及時制定較佳的轉動方案。

監控系統拓撲概念如圖2所示。

圖2 監控系統拓撲概念

2.3 GPS位置測量裝置測量

利用GPS定位衛星，在全球范圍內實時進行定位和導航的系統，稱為全球衛星定位系統，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、全時段和高精度的衛星導航系統，能為全球用戶提供低成本、高精度的三維位置、速度和精確定時等導航信息，是衛星通信技術在導航領域的應用典范，它極大地提高了全社會的信息化水平，有力地推動了數字經濟的發展。28顆衛星(其中4顆備用)早已升空，分布在6條交點互隔60°的軌道面上，距離地面約20 000 km。已經實現單機導航精度約為10 m，綜合定位精度可達厘米級和毫米級。但民用領域開放的精度約為10 m。安裝示意如圖3所示。

在本系統中，考慮到民用領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設備可實現對橋梁的所有數據進行實時監控，根據實時數據計算出橋體所在的真實位置和水平高度。

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目標的距離進行準確測定的儀器。激光測距儀在工作時向目標射出一束很細的激光，由光電元件接收目標反射的激光束，計時器測定激光束從發射到接收的時間，計算出從觀測者到目標的距離。激光測距儀重量輕、體積小、操作簡單速度快而準確，其誤差僅為其它光學測距儀的五分之一到數百分之一[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點橋墩原點OB測點到原點水平距離∠ο定位軸與OB線夾角A-A″點旋轉點軌跡AB測點到旋轉點測距∠α轉動軸與OB線夾角B點測控點CB測點到目標點測距∠β旋轉余角→0°C點目標點OA-OC1/2橋梁長度

其中測量原理如圖4所示，各符號定義如表1所示，系統計算包含五個步驟。

(1)第一步：設置測控點B。

測控點設置在橋梁旋轉區的外側；建議測點距目標點不小于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；測試點在測控全程必須滿足與A、C點無盲區。

(2)第二步：設置旋轉點標靶A、C。

標靶用于激光測距的激光束反射，可選用鉆石級反光貼膜，反光性能越好，檢測精度越高；靶標可用100左右(定義為D)鋼管制作，固定在轉梁軸線端點上，原則上其他位置亦可，但檢測結果需修正；設置高度以貼膜區在測控全程必須滿足與B點間無盲區，貼膜50高圓周，做中心區標志，檢測中盡量讓光點落在標志區域；實際上C點是A點旋轉到位后的虛擬點，周邊無支撐點時可按工程圖計算確定。

(3)第三步：標定測控基數。

B、A(C)點確定后，利用經緯儀測定原點O到測控點B的水平距離L，旋轉點標靶中心到測距儀中心的高程差H，根據工程圖計算C點到測控點B點的空間距離S(設C點標靶的話可直接測得)，到將旋轉體半長度L″、L、H、S、D值輸入。

(4)第四步：系統計算規則。

測控基數標定后，系統會自動計算出∠ο，此值不變化；根據實測的空間距離AB，系統按三角函數計算出水平距離AB″(高程差已知為H)并校準為AB″+D/2；仍用三角函數可計算出∠α(L″、L、AB″+D/2均已知)和∠β=∠α-∠ο。

(5)第五步：檢測控制。

系統按∠β=0或實測AB=S為測控結點，輸出完成信號，亦可兩個值互為校準，差分輸出結果。

2.5 全站儀測量

全站型電子測距儀集光、機、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。與光學經緯儀相比電子經緯儀將光學度盤換為光電掃描度盤，自動記錄和顯示讀數代替人工光學測微讀數，使測量操作簡單化，并且可以避免讀數誤差的產生[6-7]。

全站儀的計算方式和上述激光測距儀相同，運行過程中全站儀采用手動測量，實時數據通過RS232通訊傳遞到控制PLC,得到角度和距離等信息存入測量數據庫，在和激光測距儀得到的數據進行綜合分析計算，得到更為精準的實時數據。

2.6 數據采集及設備控制PLC

可編程邏輯控制器，是一種采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。具有可靠性高、抗干擾能力強、維修工作量小和維修使用方便等眾多優點。

本系統中PLC主要功能如下：PLC系統負責采集數據信息；接受現場控制指令(現場人員在更換完鎖具后請求千斤頂動作)；輸出運行信號，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；計算實際數據；向上位機輸出有效數據。

2.7 控制計算機系統

控制計算機系統即為人機交換界面，是人與控制PLC交互的中心，可以直接觀察到我們需要的數據，并對數據進行分析、記錄以及記錄運行過程等；可對控制權限進行設置，在緊急狀況下停止運行等功能；人機交互界面使用計算機高級語言VS編輯完成，全部程序代碼為自主開發，在工程應用中，僅需要修改環境參數和更改工程現場即可應用。

3 初步應用分析

通過將全自動控制系統應用于上跨北環達成鐵路立交橋工程中，并結合傳統施工控制技術順利完成該橋轉體就位。圖5為現場顯示大屏界面，通過顯示大屏可以清楚的觀察到整個轉體過程中梁體平面位置的變化。與傳統頂推控制方法相比自動控制系統的觀測結果可靠，操作也更加便捷。同時，由于機電一體化控制系統可以通過精確控制千斤頂油量來實現轉體過程數字化操作，從而避免了以往對專業人員經驗和技術上的依賴。

自1987年我國完成首座轉體橋梁的施工，至今已建成100余座。交通事業高速發展和城市建設步伐的加快，使得現階段供施工的場地越來越少，需跨線修建的橋梁越來越多，轉體施工由于其獨特的優勢將被廣泛應用[8-9]。對于跨度大、限制因素多的橋梁，全自動控制系統具有不可替代的意義。所以該系統可以移植到其它橋梁轉體施工中，改變現有轉體施工自動化成度較低、施工步驟間協調周期較長的局面。同時可以避免人為疏忽和監控頻度不夠造成的不安全狀態，也可與動力廠家(千斤頂等)聯合，開發軟硬件結合的商用產品，因此其應用前景十分廣泛。

[1] 董琴亮. 跨既有鐵路線大跨連續梁橋轉體施工與控制技術[J]. 中外公路,2014(4):143-147.

[2] 杜嘉俊. T型剛構橋轉體法施工[J]. 鐵道建筑技術,1994(2):5-12.

[3] 陳磊,梁強.GPS原理及應用簡介[J]. 科技信息(學術研究),2008(22).

[4] 林盈侃,郭穎,黃庚華,等. 激光測距儀距離模擬源技術研究與精度分析[J]. 紅外與激光工程,2009(6):1089-1093.

[5] 任愛芝,鮮浩. 激光測距儀數據采集[J]. 華北工學院學報,2003(1):51-53.

[6] 張智韜,黃兆銘,楊江濤. 全站儀三角高程測量方法及精度分析[J]. 西北農林科技大學學報:自然科學版,2008(9):229-234.

[7] 李巍,趙亮,張占偉,等. 常用全站儀放樣方法及精度分析[J]. 測繪通報,2012(5):29-32.

[8] 程飛,張琪峰,王景全. 我國橋梁轉體施工技術的發展現狀與前景[J]. 鐵道標準設計,2011(6):67-71.

[9] 陳寶春,孫潮,陳友杰. 橋梁轉體施工方法在我國的應用與發展[J]. 公路交通科技,2001(2):24-28.

馬福民(1966～)， 男，本科，高級工程師。

U445.465

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[定稿日期]2016-12-06