淺談機電一體化在U梁預制施工中的應(yīng)用

李春莉

摘要：隨著城市軌道交通的深入推進，高架施工越來越多，U梁具有降噪效果好、外觀美觀、斷面利用率高、造價低等優(yōu)點，正在逐步推廣，但同時對設(shè)計和施工提出了較高的要求。本文通過闡述在U梁預制施工，特別是張拉作業(yè)中的機電一體化技術(shù)應(yīng)用，對該技術(shù)的工程實際運用方式進行探索。

關(guān)鍵詞：機電一體化；U梁；自動張拉

中圖分類號：TH-39 文獻標識碼：A 文章編號：1674—3024（2017）06—0167—02

引言

在現(xiàn)代城市建設(shè)過程中，軌道交通對緩解城市交通壓力起到十分重要的作用。U型軌道梁最為一種新型高架梁型具備降噪效果好、外觀美觀、斷面利用率高、造價低等優(yōu)點，正在逐步推廣。為進一步提高生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量，本項目部對U型梁預制過程中探索性的運用機電一體化技術(shù)，實現(xiàn)智能化生產(chǎn)。

1機電一體化技術(shù)簡介

機電一體化是一門交叉性科學技術(shù)，它是由機械、電子技術(shù)及計算機科學等多個學科互相滲透而發(fā)展出來的。它的核心技術(shù)有機械本體技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)、信息處理技術(shù)、接口技術(shù)等。

2 U梁預制施工簡介

2.1U梁的結(jié)構(gòu)介紹

目前國內(nèi)開始使用u梁的城市有上海、南京、廣州、青島、天津等，以上海軌道交通十六號線為例，該工程采用的u梁上部結(jié)構(gòu)采用單線開口薄壁形式（圖1）。梁體基本外形尺寸：梁高1.8m，梁下口寬4.005m，上口寬5.205m，底板厚0.26～0.28m，跨徑有25、27、30、35m四種，除標準梁外，還有變截面梁、加寬梁等非標準梁。兩腹板為非對稱形式，分別為弧形和直線折斜腹式，除縱向采用預應(yīng)力外，橫向與豎向不設(shè)置預應(yīng)力，30m及以下梁采用先張法施工，混凝土強度等級為C55，30m以上，不大于35m的梁采用先、后張兩種工藝相結(jié)合進行施工，混凝土強度等級為C60。

2.2U梁預制的特點與難點

與其他軌道交通工程一樣，U梁預制的質(zhì)量是工程成敗的決定性因素，但因為采用了薄壁開口結(jié)構(gòu)，相較于傳統(tǒng)梁型，U梁預制工藝變得更為復雜。在U梁整個生產(chǎn)過程中的難點主要有以下幾點：

（1）梁型多。標準直線梁有25、27、30、35m四種跨度，為降低造價，減少模型投入，模具采用了模數(shù)化設(shè)計，同一套模型可以兼顧所有跨度梁型的生產(chǎn)；非標準梁采用弧形結(jié)構(gòu)，模具設(shè)計難度更大。

（2）設(shè)計配筋率為235kg/m3，局部鋼筋密集，這就要求對鋼筋進行高精度定位，加大了綁扎難度。

（3）U梁采用開口薄壁形式，腹板厚26～28cm，底板厚23cm，導致梁體抗扭剛度較一般結(jié)構(gòu)弱，對預制、吊裝、存放、運輸提出了更高要求。

（4）采用先張法（30m以上梁采用先后張結(jié)合）預應(yīng)力施工，整體梁力學性能受制于預應(yīng)力施工質(zhì)量，必須嚴格控制張拉質(zhì)量。

（5）梁體外表面要求為清水混凝土效果，對混凝土質(zhì)量要求較高，由于u梁局部鋼筋密集，須保證混凝土連續(xù)澆筑并振搗密實，確保外觀質(zhì)量，對澆搗的要求高。

在這些施工難點中，預應(yīng)力施工是關(guān)鍵工序，屬于重中之重。傳統(tǒng)張拉工藝可概括為：

（1）人工手動驅(qū)動油泵；

（2）根據(jù)壓力表數(shù)值調(diào)整張拉力；

（3）壓力表數(shù)值達到設(shè)計值時，測量張拉伸長值；

（4）人工記錄張拉數(shù)據(jù)。

在整個過程中人為與設(shè)備對質(zhì)量影響風險較大，極易造成超張或欠張，容易帶來產(chǎn)品質(zhì)量問題。

3機電一體化在U梁預制施工的應(yīng)用實例——自動張拉設(shè)備介紹

為加強對U梁預制過程中的關(guān)鍵工序——預應(yīng)力施工環(huán)節(jié)進行更為有效的質(zhì)量控制，通過科技攻關(guān)，本項目率先采用了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的全自動張拉設(shè)備，該套設(shè)備在機電一體化領(lǐng)域主要涉及了以下幾個方面的技術(shù)運用：

（1）機械本體技術(shù)：除去鋼筋混凝土臺座以外，該套設(shè)備的機械部分主要由張拉油缸、泵站、油管、牽引座、牽引桿組成，電氣部分包括同步控制器、同步子站、壓力傳感器、位移傳感器、觸摸屏等。在該部分設(shè)計過程中主要考慮功能要求和力學性能要求。在設(shè)計時，運用三維設(shè)計軟件對系統(tǒng)進行了虛擬試驗和力學計算。

（2）驅(qū)動技術(shù)：采用液壓驅(qū)動，通過同步控制器控制同步子站的電磁閥的通斷電，從而控制張拉油缸的動作和停止，由此來控制張拉油缸的同步，張拉油缸通過牽引桿帶動牽引座運動，由此來控制固定在牽引座上的鋼絞線的同步張拉。該子系統(tǒng)主要滿足張拉工藝以及設(shè)備安全的要求，需要達到張拉所需的應(yīng)力值。

（3）信息處理技術(shù)：壓力傳感器獲取張拉應(yīng)力值，位移傳感器獲取張拉位移數(shù)據(jù)，輸入通過觸摸屏實現(xiàn)，由同步控制器完成信息處理過程，信息輸出主要通過數(shù)據(jù)接口輸出。整個過程實現(xiàn)信息收集、處理的自動化和智能化。

（4）接口技術(shù)：系統(tǒng)通過標準數(shù)據(jù)接口將工藝參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)（工藝參數(shù)包括千斤頂號、梁號、張拉時間等參數(shù)，系統(tǒng)參數(shù)主要是位移精度、力偏差、油缸面積、油缸行程、閥開時間、閥關(guān)時間和存儲區(qū)等參數(shù)）實時傳遞給場內(nèi)信息管理平臺，可以實現(xiàn)遠程控制。

整個系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

4運用機電一體化技術(shù)后的優(yōu)點

相比于采用傳統(tǒng)人工控制張拉過程，運用機電一體化技術(shù)后具有以下優(yōu)點：

（1）真正實現(xiàn)“多頂同步”張拉所有鋼絞線，使鋼絞線的張力時刻保持一致，提高先張法預制梁的生產(chǎn)速度和質(zhì)量，進而加快生產(chǎn)節(jié)奏，減少人工與模型投入，同時縮短施工周期；

（2）精確控制張拉應(yīng)力。采用計算機控制，應(yīng)力值精度控制可以達到0.1MPa，而傳統(tǒng)手工控制一般在1MPa，精度提高了10倍。

（3）精確控制伸長值。位移傳感器的精度可以達到0.01mm，傳統(tǒng)人工讀數(shù)一般在1mm，精度提高100倍，并且在伸長值不達標時，系統(tǒng)還可自動報警，實現(xiàn)“雙控”目的。

（4）同步子站通過現(xiàn)場總線連接至同步控制器，可進行遠程操作控制，避免危險作業(yè)區(qū)域的意外人身傷害，提高了施工過程的本質(zhì)安全系數(shù)，為信息化生產(chǎn)和管理提供了硬件基礎(chǔ)；

（5）使用閉環(huán)控制理念，實現(xiàn)自動化作業(yè)，減輕作業(yè)人員的工作負荷、提高作業(yè)效率，并提供數(shù)據(jù)輸出打印功能，減少人為記錄的差錯并提高效率，使整個張拉過程可追蹤，便于查詢和存檔，提升了管理水平。

由此可以看出，機電一體化產(chǎn)品是多門專業(yè)技術(shù)交叉融合的結(jié)果，是科學技術(shù)演進的方向。它帶動現(xiàn)代工業(yè)發(fā)生跨越式的變革。大力發(fā)展和運用機電一體化技術(shù)，可以顯著的提高施工生產(chǎn)的自動化程度，改變了傳統(tǒng)施工作業(yè)方式，是促使機械產(chǎn)品向智能化演進，實踐“中國制造2025”的有力推手。