異型鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝精度控制技術(shù)分析

唐寅兵

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004）

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的體積比較大、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上也比較復(fù)雜，具有更好的抗震性能和可靠性，如今，在人們的日常生活和現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著十分重要的作用，也被廣泛應(yīng)用到建筑、工業(yè)廠房、機(jī)場以及大型海洋石油平臺(tái)等領(lǐng)域中[1]。在異型鋼結(jié)構(gòu)的制作以及安裝過程中，通常采用從下到上的建造方法，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的施工時(shí)間變長，因此，在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中，異型鋼結(jié)構(gòu)分層同時(shí)建造、最后以整體的方式組裝早已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的主要流行趨勢[2]。

異形鋼結(jié)構(gòu)在制作過程中，上層與下層甲板、鋼結(jié)構(gòu)的層間立柱都存在一定的制造誤差，為了保證異型鋼結(jié)構(gòu)在制作和安裝過程中符合精度要求，需要適當(dāng)調(diào)整異型鋼結(jié)構(gòu)的定位位置和安裝誤差[3]。在異形鋼結(jié)構(gòu)的施工過程中，通過調(diào)整甲板片所處的位置，來判斷異型鋼結(jié)構(gòu)所處的位置是否滿足其制作和安裝精度要求，還要將甲板片與安裝位置吊離，校正甲板片和立柱的同時(shí)，還要經(jīng)過反復(fù)的吊裝和測量，直到異型鋼結(jié)構(gòu)的制作和安裝精度滿足技術(shù)要求[4]。對(duì)于異形鋼結(jié)構(gòu)來講，可以通過事先裝配的方式，減少安裝位置上的返修，提高異型鋼結(jié)構(gòu)制作以及安裝的精度，但是對(duì)于異形多層鋼結(jié)構(gòu)而言，事先裝配是很難實(shí)現(xiàn)的，因此，可以看出異型鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝精度控制是異形鋼結(jié)構(gòu)在整體組裝方面的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

1 異型鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝精度控制技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝變形的有限元分析

采用ANSYS軟件對(duì)各層鋼結(jié)構(gòu)安裝變形進(jìn)行分析計(jì)算。鋼結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、構(gòu)件眾多的特點(diǎn)，細(xì)長桿結(jié)構(gòu)是其主要結(jié)構(gòu)[5]。針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的規(guī)模及以構(gòu)件作為主體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，一般采用梁單元進(jìn)行建模。梁單元是一種基于一維簡化的三維結(jié)構(gòu)，采用梁軸變形運(yùn)動(dòng)代替實(shí)體變形運(yùn)動(dòng)；相對(duì)于實(shí)體單元和板殼單元，計(jì)算效率有很大提高，因此，采用APDL語言對(duì)ANSYS進(jìn)行參數(shù)化建模，實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝變形的有限元分析。

假設(shè)鋼結(jié)構(gòu)的施工區(qū)域?yàn)橐粔K強(qiáng)夯土區(qū)域，根據(jù)施工場地的巖土勘察報(bào)告，將強(qiáng)夯土地基劃分為四個(gè)層次，每一個(gè)層次的參數(shù)如表1所示。

表1 鋼結(jié)構(gòu)施工場地強(qiáng)夯地基的各層參數(shù)

將SRID 92和SRID65應(yīng)用到強(qiáng)夯地基建模過程中，利用Solid65能較好地模擬鋼結(jié)構(gòu)施工土體的非線性特征，而Solid92能較好地劃分施工場地的不規(guī)則網(wǎng)格。用Drucker-Prager理想彈塑性模型計(jì)算土料的特性，由內(nèi)摩擦角φ、膨脹角β和粘聚力℃定義，其中β是由φ決定的。鋼結(jié)構(gòu)施工地基的約束條件為：底部約束垂直方向，不允許基礎(chǔ)橫向位移[6]。

經(jīng)過鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝變形的有限元分析，鋼結(jié)構(gòu)在前三層甲板片安裝時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)比較大的變形，因此，在施工過程中，需要在設(shè)備的下方增加一個(gè)臨時(shí)的支撐點(diǎn)，以此來加固鋼結(jié)構(gòu)[7]。

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的規(guī)模及特點(diǎn)，采用APDL語言對(duì)ANSYS進(jìn)行參數(shù)化建模，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)施工場地強(qiáng)夯地基的各層參數(shù)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝變形進(jìn)行了有限元分析，接下來通過建立異形鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝精度控制模型，來消除脈沖頻率對(duì)異型鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝精度的影響。

1.2 建立異型鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝精度控制模型

異型鋼結(jié)構(gòu)在制作及安裝過程中，采用計(jì)數(shù)法來建立精度控制模型，計(jì)數(shù)法的原理是采用相同的自變量對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率進(jìn)行離散化變形，鋼結(jié)構(gòu)制作設(shè)備的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為f(t )，鋼結(jié)構(gòu)安裝設(shè)備的轉(zhuǎn)軸頻率為f(s )，設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為θ，設(shè)備的行進(jìn)步數(shù)為s ，那么異型鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝精度控制階段在離散化變形前后的f(s )-f(t )模型如圖1所示。

從圖1的模型中可以看出，f(t )異型鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)過離散化變形后，將變得更加緊湊，說明異形鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝精度控制有所加強(qiáng)。在控制過程中，精度控制的時(shí)間間隔是越來越小的，這樣可以有效避免精度控制指令由于設(shè)備轉(zhuǎn)速比較低而出現(xiàn)失效現(xiàn)象。

圖1 離散化變形前后的f(s )-f(t )模型

采用函數(shù)來表示異形鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝精度的控制模型，將脈沖設(shè)為自變量，異型鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝過程中產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，都會(huì)使鋼結(jié)構(gòu)施工設(shè)備產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)和步數(shù)[8]。假設(shè)異型鋼結(jié)構(gòu)在制作和安裝中一共產(chǎn)生N 個(gè)脈沖信號(hào)，采用k 表示脈沖當(dāng)量，設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)角度可以表示為θ=Nk ，那么制作及安裝設(shè)備逆向轉(zhuǎn)動(dòng)速度與轉(zhuǎn)動(dòng)角度之間的函數(shù)關(guān)系為：

根據(jù)設(shè)備逆向轉(zhuǎn)動(dòng)速度ω與轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ之間的函數(shù)關(guān)系，可以求出設(shè)備逆向轉(zhuǎn)動(dòng)速度ω 對(duì)異型鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝中負(fù)載的運(yùn)動(dòng)模型，表示為：

其中，J 表示負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，KT表示負(fù)載的轉(zhuǎn)矩因子，T0表示磁力轉(zhuǎn)矩。

初始化異型鋼結(jié)構(gòu)的制作及安裝工作，設(shè)精度的控制是從0時(shí)刻開始的，分析圖1可以求解得到異型鋼結(jié)構(gòu)負(fù)載運(yùn)動(dòng)模型的解，將其表示為：

以上通過對(duì)異型鋼結(jié)構(gòu)在制作及安裝精度控制階段進(jìn)行離散化處理，得到了離散化變形前后的模型，根據(jù)制作及安裝設(shè)備逆向轉(zhuǎn)動(dòng)速度與轉(zhuǎn)動(dòng)角度之間的函數(shù)關(guān)系，求出逆向轉(zhuǎn)動(dòng)速度對(duì)異型鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝中負(fù)載的運(yùn)動(dòng)模型，利用異型鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝精度控制模型的函數(shù)，建立了異型鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝精度控制模型，接下來通過異型鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝精度控制流程，來實(shí)現(xiàn)異型鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝精度的控制。

1.3 控制異形鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝精度

基于異型鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝精度控制模型，需要采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)的控制方法，來實(shí)現(xiàn)異型鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝精度的控制。細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制的原理如圖2所示。

圖2 細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制原理圖

細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)是利用分片驅(qū)動(dòng)，將制造安裝設(shè)備的旋轉(zhuǎn)角度劃分為小范圍進(jìn)行控制的一種技術(shù)。該控制技術(shù)的控制效果顯著、穩(wěn)定性強(qiáng)，可有效減少制造及安裝設(shè)備中低頻振蕩對(duì)精度控制指令的影響[9]。利用單片機(jī)控制器來調(diào)用濾波電路，消除制造安裝設(shè)備旋轉(zhuǎn)信息中的滯后角，實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制。濾波器電路可以去除的最大噪聲對(duì)比表見表2。

表2 濾波器電路可以去除的最大噪聲對(duì)比表

消除了制作安裝設(shè)備的滯后角，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)制作及安裝設(shè)備旋轉(zhuǎn)信息的雙向操作。濾波電路將制造安裝設(shè)備無遲滯角的旋轉(zhuǎn)信息反饋給單片機(jī)控制器，通過細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制，將制造安裝設(shè)備的旋轉(zhuǎn)角度細(xì)分為N個(gè)區(qū)域進(jìn)行精度控制，得到N個(gè)交流電信號(hào)。將N個(gè)交流電訊信號(hào)進(jìn)行電壓放大，并將電壓放大傳送至存儲(chǔ)器；另一方面，濾波電路需要在制造安裝設(shè)備的旋轉(zhuǎn)信息的MCM電路中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行差分放大，最后傳送到存儲(chǔ)器[10]。

以上提出的精度控制方法對(duì)制作及安裝精度的控制結(jié)果，將與細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制指令的結(jié)果呈現(xiàn)出一種正弦規(guī)律或余弦規(guī)律，那么異型鋼結(jié)構(gòu)制作精度控制指令信號(hào)和安裝精度控制指令信號(hào)分別為：

綜上所述，通過對(duì)鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝變形進(jìn)行有限元分析，建立了異型鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝精度控制模型，結(jié)合異型鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝精度控制流程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了異型鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝精度的控制。

2 實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

2.1 異型鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝精度控制速度對(duì)比測試

實(shí)驗(yàn)以脈沖頻率為自變量，分別采用提出的精度控制技術(shù)、傳統(tǒng)精度控制技術(shù)測試了異型鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝精度控制速度情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 精度控制速度對(duì)比結(jié)果

從表3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用傳統(tǒng)精度控制技術(shù)來控制異型鋼結(jié)構(gòu)的制作及安裝精度時(shí)，由于該技術(shù)缺少對(duì)鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝變形的有限元分析，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性變?nèi)酰瑥亩鴾p慢了精度控制速度；采用提出的精度控制技術(shù)來控制異型鋼結(jié)構(gòu)的制作及安裝精度時(shí)，該方法不僅對(duì)鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝變形進(jìn)行了有限元分析，還建立了精度控制模型，使得異型鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝精度的控制速度明顯比傳統(tǒng)精度控制技術(shù)快。

2.2 異型鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝精度控制誤差對(duì)比測試

實(shí)驗(yàn)以脈沖頻率為自變量，分別采用提出的精度控制技術(shù)、傳統(tǒng)精度控制技術(shù)測試了異型鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝精度控制誤差情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 精度控制誤差對(duì)比結(jié)果

從表4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在異型鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝精度控制誤差方面，提出的精度控制技術(shù)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)精度控制技術(shù)，經(jīng)計(jì)算，提出的精度控制技術(shù)得到的控制誤差平均值為8.743 kHz，而傳統(tǒng)精度控制技術(shù)得到的控制誤差平均值為353.63 kHz，因此，可以得出提出的精度控制技術(shù)可以有效減小異型鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝精度的控制誤差。

3 結(jié)語

本文提出了異型鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝精度控制技術(shù)分析，通過對(duì)鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝變形進(jìn)行有限元分析，建立了異型鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝精度控制模型，結(jié)合異型鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝精度控制流程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了異型鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝精度的控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，提出的異型鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝精度控制技術(shù)具有較高的控制性能。