橋梁頂升施工中千斤頂頂升距離與頂升力的無(wú)線實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)*

王海迪 李孝茹 蔡忠明 朱堅(jiān)民 金東華

1. 上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 上海 200093；2. 上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002

0 引言

橋梁頂升裝置多用于橋梁架設(shè)施工或既有橋梁改造中，其中千斤頂輔助架橋機(jī)進(jìn)行橋梁定位和作為臨時(shí)支撐[1]，施工工藝要求每個(gè)千斤頂支撐點(diǎn)能夠準(zhǔn)確定位并均衡承擔(dān)橋梁的自重，在橋梁準(zhǔn)確定位并均衡受力后，再對(duì)橋梁下的支座進(jìn)行注漿。因此，橋梁頂升施工中千斤頂?shù)膶?shí)時(shí)頂升位置與頂升力大小的測(cè)量與控制對(duì)橋梁架設(shè)的施工質(zhì)量至關(guān)重要。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的橋梁頂升施工大都以手動(dòng)操作、人工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、總指揮協(xié)調(diào)的方式進(jìn)行[2-9]，頂升施工中千斤頂頂升距離的測(cè)量方法多為人工測(cè)量。該測(cè)量方法落后，測(cè)量精度不高，施工效率低，且一般難以測(cè)量千斤頂?shù)捻斏?，更不用說(shuō)對(duì)橋梁上4 個(gè)支撐千斤頂上頂升力的受力均衡性進(jìn)行判斷。近年來(lái)出現(xiàn)了有自動(dòng)檢測(cè)和控制功能的橋梁輔助頂升系統(tǒng)，如文獻(xiàn)[10]采用整體同步頂升系統(tǒng)更換橋梁支座，該自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)配套有千斤頂液壓同步頂升系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)橋梁進(jìn)行整體抬高；文獻(xiàn)[11]介紹了在鄭州黃河公鐵兩用大橋的頂推施工中，采用14 臺(tái)水平千斤頂、84 臺(tái)豎向千斤頂同步施工作業(yè)的頂升系統(tǒng)；文獻(xiàn)[12-15]為采用工控機(jī)、可編程控制器和液壓控制系統(tǒng)組成的分布式頂升控制系統(tǒng)，既實(shí)現(xiàn)了多液壓缸載荷不均衡的同步升降，又能夠?qū)Ω黜斏c(diǎn)的壓力和位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。但是這些監(jiān)測(cè)方法靈活性差、設(shè)備多，且多為有線連接測(cè)量方式，設(shè)備間連線繁瑣，影響橋梁施工的效率。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種橋梁頂升施工中千斤頂頂升距離與頂升力的無(wú)線實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了橋梁頂升施工中千斤頂頂升距離與頂升力的無(wú)線實(shí)時(shí)測(cè)量?；谠撓到y(tǒng)，施工操作人員對(duì)施工中支撐橋梁的4 個(gè)支撐千斤頂?shù)捻斏恢门c頂升力一目了然，使得4 個(gè)千斤頂之間頂升位置與頂升力的協(xié)同調(diào)整成為可能，保證了橋梁架設(shè)的施工質(zhì)量。

1 測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作原理

本文設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)以無(wú)線路由器為核心，由位移傳感器、壓力傳感器、無(wú)線信號(hào)傳輸模塊、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、手持終端等組成。測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括橋梁頂升施工中各千斤頂上的位移傳感器、壓力傳感器的信號(hào)采集以及與手持終端間的無(wú)線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸與通訊。無(wú)線實(shí)時(shí)通訊由數(shù)據(jù)采集設(shè)備、具有無(wú)線收發(fā)功能的無(wú)線信號(hào)傳輸模塊、無(wú)線路由器和具有無(wú)線收發(fā)功能的手持終端共同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，測(cè)量系統(tǒng)的工作原理為：位移傳感器、壓力傳感器信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集設(shè)備與無(wú)線信號(hào)傳輸模塊相連接；無(wú)線信號(hào)傳輸模塊把數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集到的位移傳感器、壓力傳感器數(shù)字信號(hào)發(fā)送到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)再將位移傳感器、壓力傳感器的數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)绞殖纸K端，并通過(guò)手持終端實(shí)時(shí)顯示。

在圖1中，測(cè)量系統(tǒng)分為2 個(gè)組件，分別在2 個(gè)相鄰的橋墩上進(jìn)行測(cè)量，2 個(gè)測(cè)量組件之間通過(guò)無(wú)線路由器進(jìn)行信號(hào)傳輸。每個(gè)橋墩上有1 臺(tái)手持終端、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、千斤頂及壓力和位移傳感器。2 個(gè)橋墩上每個(gè)千斤頂?shù)膲毫臀灰苽鞲衅鞯男盘?hào)通過(guò)各自數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集和無(wú)線路由器實(shí)現(xiàn)2 個(gè)相鄰橋墩上千斤頂頂出位置與頂升力的數(shù)據(jù)交互，并傳輸?shù)? 臺(tái)手持終端。每臺(tái)手持終端上同步顯示4 個(gè)千斤頂?shù)膲毫臀灰菩畔?，?jīng)過(guò)測(cè)量系統(tǒng)軟件計(jì)算處理后，顯示出所需調(diào)整千斤頂?shù)臉?biāo)號(hào)、實(shí)際位移量、實(shí)時(shí)荷重和所需調(diào)整的行程量，并通過(guò)圖形化顯示和報(bào)警信號(hào)燈輔助操作人員對(duì)千斤頂進(jìn)行調(diào)整操作。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)原理

圖1中，4 個(gè)千斤頂為手動(dòng)液壓式千斤頂，4 個(gè)拉線式位移傳感器1a、2a、3a、4a的本體分別焊接在對(duì)應(yīng)千斤頂?shù)膫?cè)壁上，拉線連接到與千斤頂活塞頂端固接的伸出螺釘上，4 個(gè)壓力傳感器1b、2b、3b、4b分別安裝在對(duì)應(yīng)千斤頂?shù)倪M(jìn)油口，根據(jù)壓力傳感器信號(hào)和千斤頂活塞面積可計(jì)算出千斤頂?shù)捻斏ΑＣ總€(gè)千斤頂上壓力傳感器和位移傳感器的布置如圖2所示。

圖2 傳感器

圖1中，數(shù)據(jù)采集設(shè)備為NI公司的9215四通道同步采樣模擬量輸入模塊，無(wú)線信號(hào)傳輸模塊為便攜式的NI cDAQ-9191 Wi-Fi單槽機(jī)箱，可以創(chuàng)建具有模擬量輸入、模擬量輸出、數(shù)字I/O或計(jì)數(shù)器/定時(shí)器的無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由無(wú)線路由器5搭建，無(wú)線信號(hào)傳輸模塊1d、2d和手持終端1f、2f均接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線信號(hào)傳輸模塊1d、2d發(fā)送的傳感器信號(hào)經(jīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)绞殖纸K端1f、2f上同步顯示，本文設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)的配置如表1所示。

表1 測(cè)量系統(tǒng)配置表

在橋梁頂升施工中，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，4 個(gè)千斤頂頂升距離、頂升力等信息經(jīng)過(guò)處理后被實(shí)時(shí)直觀地顯示在2 個(gè)橋墩上施工人員的手持終端上，4 個(gè)頂升千斤頂?shù)膶?shí)時(shí)頂升狀態(tài)一目了然，方便施工人員進(jìn)行協(xié)同調(diào)整，施工中的各種數(shù)據(jù)信息被實(shí)時(shí)記錄在手持終端中。

2 測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件總體設(shè)計(jì)

千斤頂頂升距離與頂升力的無(wú)線實(shí)時(shí)測(cè)量方法集無(wú)線通信、硬件控制、數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)及分析于一體，采用LabVIEW開發(fā)環(huán)境進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)采用“菜單+界面”兩種顯示形式，創(chuàng)建圖形化的用戶界面。圖3為測(cè)量系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)將不常用的軟件功能設(shè)計(jì)在菜單中，例如：用戶信息登錄界面、標(biāo)定模塊、幫助信息模塊；把常用的軟件功能設(shè)計(jì)在界面上，例如理論值輸入模塊、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示模塊和報(bào)警狀態(tài)提示模塊。

圖3 測(cè)量系統(tǒng)軟件架構(gòu)

用戶信息登錄界面輸入的用戶信息暫時(shí)保存到全局變量中，測(cè)試完成后生成在報(bào)表中，以方便查詢工作人員信息。傳感器第一次使用或無(wú)線實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)使用年久時(shí)，需要對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，以找出傳感器輸出和輸入之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為此測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)了傳感器標(biāo)定模塊。測(cè)量系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)過(guò)程和使用說(shuō)明被制作成html文件，可以通過(guò)菜單里的幫助文件調(diào)出，方便查找。橋梁頂升施工過(guò)程中，2 個(gè)相鄰橋墩的理論標(biāo)高由施工人員設(shè)定。相鄰2 個(gè)橋墩上的手持終端之間的界面顯示完全一致，利用網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，編制理論標(biāo)高值設(shè)定模塊，只要手持終端1f上理論值發(fā)生改變，手持終端2f上的理論值隨之發(fā)生改變。無(wú)線實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新和狀態(tài)提示模塊，測(cè)量系統(tǒng)對(duì)位移傳感器和壓力傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)報(bào)警指示燈指導(dǎo)操作人員進(jìn)行施工。測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)控程序流程如圖4所示，首先打開數(shù)據(jù)采集通道，配置通道的采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)，開始采集，根據(jù)實(shí)際位移差值和位移允差之間的關(guān)系對(duì)千斤頂進(jìn)行粗調(diào)。當(dāng)兩兩千斤頂之間的位移差值以及每個(gè)千斤頂實(shí)際值和理論標(biāo)高的差值都小于位移允差時(shí)，再對(duì)千斤頂進(jìn)行微調(diào)，使得每個(gè)千斤頂受力均衡，部分采集程序的LabVIEW框圖如圖5所示。

圖4 測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)控程序流程

圖5 測(cè)量軟件部分程序框圖面板

2.2 位移傳感器數(shù)據(jù)分析處理方法

如圖7所示，軟件界面的最左邊一列要求輸入橋梁理論標(biāo)高、位移和壓力報(bào)警允差；緊隨的4 列分別顯示1#至4#千斤頂?shù)捻斏恢煤晚斏?shí)時(shí)狀態(tài)。其中，在高度部分，最上方的報(bào)警燈表示當(dāng)前時(shí)刻該支撐點(diǎn)上千斤頂上升后的最終位置是否超出允許范圍（理論標(biāo)高H±高度允差Eh），若在該范圍之內(nèi)則顯示綠色，即正常狀態(tài)，否則為紅色，表示超出允許誤差范圍，需要調(diào)整。誤差數(shù)值代表位置誤差，是實(shí)測(cè)千斤頂頂端位置與理論標(biāo)高的差值，用Wh表示。若該值小于0，則表示當(dāng)前時(shí)刻千斤頂頂端的實(shí)際高度小于理論標(biāo)高；該值大于0，則表示千斤頂頂端的實(shí)際高度大于理論標(biāo)高。高度調(diào)節(jié)的理想結(jié)果是使4 個(gè)千斤頂?shù)奈恢谜`差均接近于0。實(shí)測(cè)數(shù)值和其下方的圖表共同顯示當(dāng)前時(shí)刻地面至千斤頂頂端的實(shí)測(cè)高度，用Ch表示。以上各顯示項(xiàng)目與設(shè)置項(xiàng)目之間的相互關(guān)系可用以下公式來(lái)表示：

其中，m表示千斤頂?shù)谋倔w高度；h表示橋墩平面的實(shí)際測(cè)量高度；L代表千斤頂頂升距離，由位移傳感器直接測(cè)量得到。

高度誤差：Wh=Ch－H=h+m+L－H

報(bào)警燈顯示綠色的條件為：H－Eh＜Ch＜（H+Eh）

即：－Eh＜Wh=（h+m+L－H）＜Eh

否則報(bào)警燈顯示為紅色。

橋梁頂升過(guò)程中，測(cè)量計(jì)算所得千斤頂位置誤差值可指導(dǎo)施工人員進(jìn)行橋梁的初步位置調(diào)整，使得絕對(duì)誤差值逐漸減小，橋梁逐漸趨于目標(biāo)位置。

圖6 千斤頂頂升距離相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系

2.3 壓力傳感器數(shù)據(jù)分析處理方法

壓力部分?jǐn)?shù)據(jù)的處理與高度部分相似，其中，實(shí)測(cè)壓力即壓力傳感器的實(shí)際測(cè)量值，代表各千斤頂支撐點(diǎn)的實(shí)時(shí)頂升力，用Fi（i=1，2，3，4）表示。

壓力誤差：Wf i=Fi－T/4

T=（F1＋F2＋F3＋F4）/4

其中，T代表橋梁的總重。壓力報(bào)警燈顯示綠色的條件為：

否則報(bào)警燈顯示為紅色。

各千斤頂間壓力差值指導(dǎo)施工人員協(xié)同調(diào)整各千斤頂，使得相對(duì)誤差值逐漸減小，頂升力趨于均衡。

圖7最右側(cè)一欄顯示千斤頂之間實(shí)際測(cè)量值的相對(duì)差值，以方便施工人員實(shí)時(shí)了解4 個(gè)千斤頂頂升位置及頂升力的總體平衡情況。該內(nèi)容同樣分為高度和壓力2 部分顯示，以公式表示如下：

高度i－j=Chi－Chj（i≠j）

壓力i－j=Cf i－Cfj（i≠j）

其中，i，j代表千斤頂編號(hào)，i，j=1，2，3，4。施工人員可借助相對(duì)誤差報(bào)警信號(hào)對(duì)各千斤頂分別進(jìn)行調(diào)整，使得橋梁被頂升到預(yù)期位置，并保證每個(gè)千斤頂?shù)捻斏ο鄬?duì)均衡。

3 應(yīng)用研究

本文設(shè)計(jì)的無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)具有3 個(gè)特點(diǎn)：千斤頂頂升力和頂升位移的無(wú)線實(shí)時(shí)檢測(cè)和顯示；操作界面直觀，報(bào)警信號(hào)燈輔助操作人員對(duì)千斤頂?shù)牟僮?；操作界面上顯示每2 個(gè)千斤頂之間實(shí)際測(cè)量值的相對(duì)差值，以方便操作者實(shí)時(shí)了解4 個(gè)千斤頂之間的總體平衡情況。

在搭建好測(cè)量系統(tǒng)硬件，完成測(cè)量軟件編制后，應(yīng)用該無(wú)線實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)在上海軌道交通12號(hào)線的施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了應(yīng)用，圖7為使用無(wú)線實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整前的軟件界面，可看出，高度方向，雖然橋梁兩兩實(shí)際高度之間差值在報(bào)警允差之內(nèi)，但每個(gè)橋墩的實(shí)際高度都小于理論標(biāo)高，需要增加千斤頂?shù)捻敵鼍嚯x。頂升壓力方面，4 個(gè)橋墩的實(shí)測(cè)壓力值都超出了理論值，報(bào)警指示燈全部是紅色，除了千斤頂1和2間的壓力差值在報(bào)警允差內(nèi)，其他兩兩實(shí)際壓力差值也超出了報(bào)警允差，需對(duì)千斤頂進(jìn)行調(diào)整。

圖7 調(diào)整前無(wú)線實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的軟件界面

圖8為使用無(wú)線實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)調(diào)整后的軟件界面，整個(gè)調(diào)試過(guò)程非常短暫，可以看出經(jīng)過(guò)測(cè)量系統(tǒng)調(diào)整后，誤差都在允許范圍之內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

圖8 調(diào)整后無(wú)線實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的軟件界面

橋梁頂升施工中千斤頂頂升距離與頂升力的無(wú)線實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，采用傳感器測(cè)量橋梁頂升施工中千斤頂?shù)捻斏嚯x和頂升力，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁頂升情況的實(shí)時(shí)高精度監(jiān)測(cè)；采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸傳感器的信號(hào)，避免了繁瑣的測(cè)量設(shè)備間布線，便于橋梁頂升的施工操作；采用2 臺(tái)手持終端分別在2 個(gè)相鄰橋墩上實(shí)時(shí)顯示4 個(gè)千斤頂?shù)捻斏嚯x和頂升力參數(shù)，方便施工人員協(xié)同作業(yè)；手持終端不僅顯示理論標(biāo)高和壓力與實(shí)際橋梁高度和頂升力之間的差值，還顯示4 個(gè)千斤頂頂升位置之間的相對(duì)誤差和頂升力之間的相對(duì)誤差，并通過(guò)報(bào)警信號(hào)協(xié)助施工人員定位橋梁位置，均衡各千斤頂上的頂升力；本文設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)體積小、重量輕、攜帶和操作使用方便，可有效保證橋梁架設(shè)施工的質(zhì)量和效率。