高鐵預制箱梁靜載試驗中智能化自控系統(tǒng)的應用

關(guān)乾駒

（中鐵十一局集團有限公司橋梁分公司，江蘇無錫 214105）

1 系統(tǒng)原理

靜載試驗智能化自控系統(tǒng)踐行的是模塊化設(shè)計理念，各模塊可提供特定的功能，彼此間協(xié)同運行，具體有：

（1）主控模塊是核心組成，其運行特定的算法完成對數(shù)據(jù)的一系列操作，首先對其進行計算與分析，再傳輸，以生成相應的數(shù)據(jù)報告。

（2）加載模塊的運行得到主控模塊的引導，在指令的驅(qū)動作用下施加力。

（3）校核、荷載測量模塊，適配的是具有高精度和高穩(wěn)定性的輪輻量傳感器，主要是采集試驗加載的力值并對該值進行校驗，從而反饋至主控模塊。

（4）撓度測量模塊，核心裝置為光柵位移計，根據(jù)試驗要求設(shè)定加載力，由該儀器測定撓度變形量并完整記錄數(shù)據(jù)，將該部分反饋至主控模塊，針對數(shù)據(jù)展開計算與分析。

（5）裂縫檢測模塊，應用的是現(xiàn)階段較為前沿的振弦檢測及圖像識別技術(shù)，基本功能在于檢測受力裂縫，重點檢測對象為梁體下緣底面和側(cè)面，形成相關(guān)數(shù)據(jù)信息及圖像資料。

試驗過程中主控模塊向加載模塊發(fā)送指令，以便施加特定的力，同時其余各模塊將檢測的數(shù)據(jù)反饋至主控模塊。

2 預制箱梁智能化施工總體思路

箱梁預制場施工由傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械作業(yè)，自動化程度越來越高。目前，充分利用信息化數(shù)據(jù)的管控技術(shù)、BIM建模技術(shù)等，實現(xiàn)智能化施工[1-2]。經(jīng)過施工設(shè)備的不斷改造，使其具備信息管理系統(tǒng)，并結(jié)合BIM可視化技術(shù)，從箱梁預制的材料進場、試驗檢測、具體施工、成品檢測、箱梁出庫等流程進行信息管控，實現(xiàn)箱梁的智能化生產(chǎn)。

3 系統(tǒng)應用

3.1 準備工作

在應用該智能化自控系統(tǒng)之前，需要認真做好以下幾方面的準備工作：

（1）終壓試驗結(jié)束30d 后組織靜載試驗。

（2）梁兩端支座的高差應控制在10mm 以內(nèi)，相同支座的高差需在2mm 內(nèi)，要求箱梁具有穩(wěn)定性，不平整度在2mm 內(nèi)。

（3）對試驗梁進行靜載試驗時，將梁的腹板中心線作為靜載的中心線。

（4）支座中心線應當與梁體的跨度線相重合，安裝至試驗臺撤除臨時聯(lián)結(jié)板。

（5）反力架的強度、剛度等性能應滿足設(shè)計和施工需求，并可以提供最大試驗荷載值1.5～2 倍以上的反力。

（6）分別配備6 只與光柵位移計量程相同的百分表以及6 個用于固定位移計的支架。

3.2 設(shè)備安裝

3.2.1 機械千斤頂

機械千斤項的安裝步驟有：于加載點鋪設(shè)墊層，利用水平尺檢查，根據(jù)實際結(jié)果合理調(diào)平；組織鋼座板的鋪設(shè)作業(yè)，依然需檢查并調(diào)平，經(jīng)此操作后要求鋼座板與“十”字標線的中心重合；利用吊車將機械千斤頂平穩(wěn)的放置，嚴禁在放置過程中破壞已調(diào)平的鋼座板和墊層；確保機械千斤頂?shù)闹行呐c加載點中心重合，偏差應控制在10mm 以內(nèi)；通過吊車將分控柜和變頻柜吊至試驗梁頂?shù)囊粋?cè)，安放在上部橫梁附近；各千斤頂放置后應統(tǒng)一調(diào)速和馬達朝向。

3.2.2 反力架

反力架的安裝步驟如下：全面檢查試驗臺架，要求其上、下橫梁兩部分可以維持平行的位置關(guān)系；千斤頂中心與反力架加載橫梁中心的偏差在10mm 以內(nèi)；千斤頂?shù)捻斆媾c反力架加載橫梁的下表面一般情況下通過鋼板或者錨墊板進行填充，常用的鋼板厚度有 200mm×200mm×20mm 或 200mm×200mm×10mm，但應保留大約10mm 的間隙；以梁體底面為參照基準，要求精軋螺紋鋼與之呈垂直的位置關(guān)系；精軋螺紋鋼的外露長度至少達100mm，采用雙螺母安裝，由專員用專用扭矩扳手擰緊，以提高其穩(wěn)定性；此后逐一檢查，盡可能減小受力偏差。

3.2.3 撓度測量光柵位移計

在應用光柵位移計時輔以百分表，以便完成對數(shù)據(jù)的校核工作。兩類儀器的量程為10mm 時可用于測量支座支點的沉降量；量程為50mm 時可用于測量梁體跨中的位移量。在實際操作中，光柵位移計與百分表的金屬桿均要與支座表面呈垂直的位置關(guān)系，同時在觸頭部位預留1～2mm 的壓縮量；條件允許時，可以在觸頭部位穩(wěn)定粘貼玻璃片，通過此途徑提高測量水平，保證結(jié)果具有更高的準確性。

3.2.4 裂縫檢測設(shè)備

（1）圖像識別裂縫檢測儀：通過真空吸盤的應用能夠有效固定檢測儀，使其穩(wěn)定在梁體的下方，在此前提下開啟高清攝像機，然后掃描梁體下表面的變化。

（2）振弦應變裂縫檢測儀：通過振弦傳感器測量梁體的應變，且“工”字形布設(shè)牢固粘貼于梁體底部。

3.2.5 電氣連線

電氣連線是智能化自控系統(tǒng)得以有效運行的重要環(huán)節(jié)，應確保線材、接口準確對應，任何錯誤的連線都會導致系統(tǒng)不能識別相關(guān)傳感器信息。

（1）靜載試驗過程中，主控柜所處位置應當為梁翼緣板下跨中處，并在梁及鄰近試驗臺架的上部橫梁處分別設(shè)置分控柜和變頻柜。

（2）配電箱中的380V 交流電應與分控柜進行連線。

（3）分控柜可引出220V 航空插頭，以滿足主控柜的用電需求，在獲得穩(wěn)定的電力支持后穩(wěn)壓系統(tǒng)可高效運行，進一步向計算機以及試驗所用的各監(jiān)測儀供電。

（4）為保證分控柜和主控柜的運行穩(wěn)定性，在兩者間用急停電纜連接。

（5）分控柜有380V 交流電，其能夠輸送至變頻柜，為之提供穩(wěn)定的電力供應。

（6）電氣連線具有明顯的秩序性，高壓動力線纜不可隨意堆放，且需重點關(guān)注電機電源線，加強對該部分的防護，例如用金屬絲網(wǎng)包裹并采取接地措施。

3.3 應用流程

（1）靜載試驗前，首先啟動主控軟件，將試驗梁的各項參數(shù)存儲于計算機內(nèi)，全方位核對計算數(shù)據(jù)，在滿足要求后方可進入后續(xù)作業(yè)環(huán)節(jié)。

（2）以操作手冊為準，根據(jù)要求完成自檢和調(diào)試工作，確保操作系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行。

（3）加載時先點擊主控軟件界面的“開始”按鈕，啟動智能化自控系統(tǒng)，運行過程中密切關(guān)注千斤頂加載、傳感器運行數(shù)據(jù)、撓度數(shù)據(jù)等，對其做出判斷，即是否存在異常。當發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常是，及時點擊“暫停”按鈕，查明成因，采取針對性的處理措施，待恢復至正常試驗狀態(tài)后方可繼續(xù)試驗。

（4）試驗過程中，主控程序?qū)崟r接收各模塊傳送的數(shù)據(jù)并將荷載值、產(chǎn)生的位移等顯示出來，綜合考慮位移數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)計算撓度和彎矩，基于所得數(shù)據(jù)創(chuàng)建跨中彎矩-撓度曲線，通過圖形的方式更直觀地呈現(xiàn)出加載進度。振弦傳感器運行期間將產(chǎn)生一系列數(shù)據(jù)，其會被轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性相關(guān)系數(shù)，通過顯示屏顯示，以便根據(jù)數(shù)據(jù)進行判斷，明確是否合格。

4 試驗結(jié)果輸出

經(jīng)過靜載試驗后，智能化自控系統(tǒng)將完整地記錄各項數(shù)據(jù)，并按照數(shù)據(jù)處理機制生成“靜載試驗報告”，該部分結(jié)果可以同步傳輸至橋梁靜載試驗系統(tǒng)中，供鐵路工程管理工作人員展開分析。“靜載試驗計算單”及“靜載試驗報告”的內(nèi)容、格式應遵守《簡支梁試驗方法預應力混凝土梁靜載彎曲試驗（TB/T 2092—2018）》[3]中的相關(guān)規(guī)定。

“靜載試驗計算單”涵蓋彎矩、荷載等關(guān)鍵的數(shù)據(jù)，“靜載試驗報告”則是對試驗全過程中時間、撓度、加載量等信息的全面整合。各項試驗結(jié)果均可以被高效傳輸至鐵路工程管理平臺，由此對試驗結(jié)果展開信息化的管理，工作人員可便捷查詢特定階段內(nèi)的信息，以滿足管理工作中對于數(shù)據(jù)的需求。

5 對比傳統(tǒng)試驗方法

將傳統(tǒng)的箱梁靜載試驗方法與智能化自控系統(tǒng)的靜載試驗方法進行對比，可以看出智能化自控系統(tǒng)具有突出的優(yōu)勢。比如，在傳統(tǒng)的靜載試驗模式中，各油泵均要安排司泵與監(jiān)表2人，在10 個加載點的試驗中則需20 人，此外還需在百分表記錄、現(xiàn)場指揮、計時等工作中配備15 名人員，因此完成靜載試驗大約需要35 人。

人工操作時容易出現(xiàn)視度誤差、反應速度慢等問題，造成加載不能同步進行、加載誤差大，同時傳統(tǒng)方法下需要人工讀取并計算試驗數(shù)據(jù)、加載值、對試驗結(jié)果進行判斷，該過程中也會不同程度的影響數(shù)據(jù)信息的精確度，且難以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的高精度傳輸。相較之下，通過智能化自動控制系統(tǒng)的應用有效解決了靜載試驗人員配置過多的問題，只需要主控、觀察、指揮3 人便能完成整個試驗。另一方面，機械千斤頂在測力傳感器的監(jiān)控下更利于控制加載力，保證試驗梁受力均勻。同時“開始”按鈕按下后即可啟動試驗，系統(tǒng)能夠以自動化的方式計算各模塊的數(shù)據(jù)，并完成后續(xù)的試驗結(jié)果輸出、傳送等操作。

6 結(jié)束語

綜上所述，信息化管理無疑是高鐵制梁場在未來的重點發(fā)展方向，靜載試驗通過智能化自控系統(tǒng)完成能夠采集更加精確的信息，對于高鐵預制梁箱的制作有著重要作用。智能化自控系統(tǒng)的應用能夠降低人工成本投入，減少人工誤差，保證試驗結(jié)果的可靠性，也有利于高鐵預制箱梁朝著信息化、模塊化的方向發(fā)展。