斜拉橋施工掛籃自動(dòng)化與智能化控制技術(shù)應(yīng)用

曾憲柳

(中交第二航務(wù)工程局第五工程分公司，湖北 武漢 430040)

隨著信息化、網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代的發(fā)展，橋梁施工裝備標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化、智能化已成為施工發(fā)展的必然趨勢(shì)。在混凝土梁斜拉橋傳統(tǒng)施工中，掛籃執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)化程度低，主要靠人工配合完成掛籃一系列動(dòng)作，安全性與效率低。為改善這種狀況，研究前支點(diǎn)掛籃施工推廣應(yīng)用自動(dòng)化、信息化、智能化系統(tǒng)十分必要。在傳統(tǒng)掛籃施工工藝上，引入自動(dòng)化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程集中控制與智能同步，節(jié)省人力、物力，安全性和效率大幅提高。

該文根據(jù)多座混凝土梁斜拉橋施工經(jīng)驗(yàn)，并收集中國前支點(diǎn)掛籃施工資料，探索總結(jié)出斜拉橋施工掛籃自動(dòng)化和智能化的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)斜拉橋施工掛籃進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，開發(fā)“斜拉索套筒連接式轉(zhuǎn)換裝置”、“掛籃步履式自動(dòng)行走裝置”等專利技術(shù)，以期為斜拉橋施工掛籃標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化、智能化應(yīng)用提供參考。

1 掛籃自動(dòng)化及智能化概況

斜拉橋施工掛籃自動(dòng)化及智能化技術(shù)是將機(jī)械、液壓、程控技術(shù)、通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合一體應(yīng)用于掛籃施工的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)旨在提高掛籃施工的標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化、智能化水平。掛籃自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、液壓泵站、控制系統(tǒng)組成。掛籃執(zhí)行機(jī)構(gòu)是掛籃運(yùn)行的組成部分，主要由行走機(jī)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)、后頂升機(jī)構(gòu)、反滾輪翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、拱架升降機(jī)構(gòu)、索力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)組成,掛籃總體布置見圖1。液壓泵站是系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，為系統(tǒng)執(zhí)行元件運(yùn)行提供可靠的動(dòng)力，主要由油泵、電機(jī)、閥組合、集成塊組成?？刂葡到y(tǒng)包括主站與從站，主要包括主控制臺(tái)、泵站分控柜、信號(hào)電纜、傳感器、電源電纜、通訊電纜等。

圖1 掛籃總體布置圖

2 掛籃自動(dòng)化執(zhí)行機(jī)構(gòu)

2.1 掛籃自動(dòng)行走機(jī)構(gòu)創(chuàng)新

前支點(diǎn)掛籃行走傳統(tǒng)方法是在已澆筑節(jié)段梁設(shè)置反力架，鋪設(shè)行走鋼板，用穿心千斤頂頂推或牽引掛腿前進(jìn)。由于千斤頂行程短、間歇式作業(yè)，行走緩慢，轉(zhuǎn)換工序繁多，同步性差，掛籃行走偏差大。采用獲得國家專利技術(shù)的“前支點(diǎn)掛籃步履式自動(dòng)行走裝置”，行走速度快、自動(dòng)化程度高、同步性好、精度高。

步履式自動(dòng)行走裝置由行走軌道、行走滑靴、液壓油缸及反力座組成(圖2)。行走軌道通過預(yù)埋螺栓固定在已澆梁段上，行走油缸前端連接掛籃行走滑靴，后端連接反力座，反力座固定在行走軌道上。掛籃通過液壓油缸(行程120 cm)往復(fù)式伸縮頂推步履式前進(jìn)，同時(shí)左右側(cè)油缸通過同一臺(tái)電腦同步控制。采用掛籃自動(dòng)行走裝置操作同步性控制誤差達(dá)3 mm，掛籃單次行走可在1 h內(nèi)完成，掛籃行走操作只需3人。

圖2 掛籃步履式自動(dòng)行走圖

2.2 行走反滾輪自動(dòng)化翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

前支點(diǎn)掛籃在行走時(shí)，行走反滾輪處于直立狀態(tài)，反滾輪緊貼梁底混凝土，掛籃行走到位后，放倒行走反滾輪，處于倒立狀態(tài)。傳統(tǒng)方法是采用手拉葫蘆手動(dòng)進(jìn)行行走輪的翻轉(zhuǎn)，由于掛籃與梁底空間受限，采用手拉葫蘆操作安全風(fēng)險(xiǎn)大、施工效率低、人工占用率高。設(shè)計(jì)研發(fā)了一種行走反滾輪自動(dòng)化翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，反滾輪行走順暢、翻轉(zhuǎn)平穩(wěn)，不需要借助外力，操作簡單，施工方便，安全高效。

行走反滾輪自動(dòng)化翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由滾輪架、滾輪組、翻轉(zhuǎn)油缸、頂升油缸等部件組成，見圖3。反滾輪由直立轉(zhuǎn)換為倒立時(shí)，通過取出固定頂升撐桿油缸連接銷，拔出滾輪架內(nèi)側(cè)固定銷軸，油泵加油使擺動(dòng)油缸擺動(dòng)放倒反滾輪。反滾輪直立步驟相反。

圖3 反滾輪自動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

2.3 掛籃升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及創(chuàng)新

混凝土斜拉橋主梁施工時(shí)掛籃錨固在已澆筑梁段混凝土上，掛籃后端底模貼緊已澆筑梁段混凝土底面，掛籃行走時(shí)，需要拆除錨桿下放掛籃，使掛腿落在行走軌道上，行走反滾輪直立，行走至下一節(jié)段后，再提升掛籃錨固。傳統(tǒng)前支點(diǎn)掛籃的提升、下放采用穿心千斤頂提升前錨桿組完成。穿心千斤頂提升行程短、間歇式作業(yè)，每臺(tái)千斤頂配置一臺(tái)小型油泵，多點(diǎn)操作將存在各組千斤頂下放或提升錨桿速度不一致，掛籃下放與后端頂升機(jī)構(gòu)頂升速度不同步，存在較大的安全隱患。

施工中研發(fā)了一套掛籃自動(dòng)化提升、下放裝置，自動(dòng)化升降裝置是在每個(gè)掛腿上安裝2個(gè)(行程150 cm)150 t液壓油缸，掛籃主縱梁后端各安裝1個(gè)150 t頂升油缸，由掛腿配合頂升絲桿同步完成掛籃提升、下放動(dòng)作。油缸上安裝位移與壓力傳感器，總控制柜協(xié)調(diào)控制進(jìn)回油速度，實(shí)現(xiàn)掛籃同步自動(dòng)化升降(圖4)。

圖4 掛籃自動(dòng)升降裝置

掛籃升降自動(dòng)化機(jī)構(gòu)創(chuàng)新點(diǎn)：① 主支點(diǎn)機(jī)構(gòu)由安裝在掛腿內(nèi)的高壓油缸及安裝在滑靴上的導(dǎo)向支座所組成；② 頂升機(jī)構(gòu)是由安裝在掛籃主縱梁后部的高壓油缸及頂升支座所組成；③ 掛籃升降液壓系統(tǒng)既能每個(gè)液壓油缸單獨(dú)控制，又能實(shí)現(xiàn)多個(gè)油缸同步控制。

2.4 斜拉索索力轉(zhuǎn)換裝置創(chuàng)新

斜拉索索力轉(zhuǎn)換是將臨時(shí)錨固在掛籃前端的斜拉索，通過索力轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換到主梁上錨固。傳統(tǒng)采用的轉(zhuǎn)換方法是叉頭連接法，索力轉(zhuǎn)換需要吊車及起重設(shè)備輔助配合拆除叉頭間連接銷軸，索力轉(zhuǎn)換需要占用較大操作空間，耗費(fèi)時(shí)間長，轉(zhuǎn)換難度大。采用獲得國家發(fā)明專利技術(shù)的“套筒連接式斜拉索索力轉(zhuǎn)換裝置”，施工不需要起重設(shè)備配合，占用空間小、施工簡單，能快速完成斜拉索索力轉(zhuǎn)換。

套筒連接式斜拉索索力轉(zhuǎn)換裝置由套筒連接套、內(nèi)螺母、連接桿組成，見圖5。斜拉索與掛籃張拉桿通過套筒連接，套筒連接套內(nèi)張拉端、梁端各設(shè)有一個(gè)內(nèi)螺母，套筒梁端內(nèi)套連接桿，套筒張拉端連接張拉桿，索力轉(zhuǎn)換時(shí)，將銷軸插入連接桿銷孔內(nèi)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，連接桿從變徑頭內(nèi)退出，完成斜拉索索力轉(zhuǎn)換。

圖5 套筒連接式索力轉(zhuǎn)換裝置圖

2.5 掛籃中箱拱架升降裝置

混凝土斜拉橋主梁標(biāo)準(zhǔn)梁段為減小梁體重量，一般設(shè)計(jì)為中空箱形式，模板設(shè)計(jì)時(shí)大多采用拱架支撐的頂模。傳統(tǒng)施工采用穿心千斤頂間歇式提升、下放方式，自動(dòng)化程度低。準(zhǔn)格爾黃河大橋采用一種自動(dòng)化拱架提升、下放系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)置有4個(gè)80 kN行程200 cm油缸，油缸主體結(jié)構(gòu)采用下端法蘭與掛籃次縱梁連接，油缸活塞桿端通過銷軸與拱架分配梁連接，4個(gè)油缸通過一臺(tái)主油泵供油，總控制柜控制進(jìn)油速度實(shí)現(xiàn)中箱拱架自動(dòng)化同步升降。

掛籃中箱拱架升降裝置創(chuàng)新要點(diǎn)：① 由一臺(tái)主控柜操作控制，同步性好，自動(dòng)化程度高；② 設(shè)有位移、受力等信息反饋，有助于施工安全；③ 油缸可連續(xù)作業(yè)，無中間轉(zhuǎn)換工序，提升了施工效率。

3 掛籃液壓泵站

液壓泵站設(shè)在掛籃主縱梁與次縱梁之間，泵站長2 000 mm，寬2 000 mm，高2 140 mm，操作荷載重約4.6 t，在最大壓強(qiáng)下一個(gè)出口大約每分鐘能輸出125 L液壓油，其額定工作壓力為31.5 MPa。主缸液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)3相、380/415 V，轉(zhuǎn)速為1 000 r/min。泵的平均無故障運(yùn)行時(shí)間為4 000 h。

掛籃液壓系統(tǒng)采用比例閥+壓力補(bǔ)償器調(diào)速，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與負(fù)載無關(guān)的無極調(diào)速特性，系統(tǒng)主要組成：液壓動(dòng)力源、系統(tǒng)安全保護(hù)元件、無極調(diào)速元件、壓力補(bǔ)償元件及輔助元件。

系統(tǒng)油缸均安裝有平衡閥，以保證系統(tǒng)豎向動(dòng)作時(shí)的安全穩(wěn)定；油缸均安裝有液壓鎖，以保證系統(tǒng)保壓時(shí)的液壓鎖定；采用電磁比例閥調(diào)速，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的無極調(diào)速；采用壓力補(bǔ)償器消除負(fù)載不均對(duì)調(diào)速帶來的影響；液壓管路均具有4倍的安全系數(shù)，軟管采用公母分開的快速接頭，方便現(xiàn)場連接并不會(huì)連錯(cuò)；油箱采用全封閉式結(jié)構(gòu)，有效地防塵防水，確保系統(tǒng)安全。

4 掛籃控制系統(tǒng)

4.1 掛籃控制系統(tǒng)概述

掛籃智能化控制系統(tǒng)采用“主-分”控式結(jié)構(gòu)，PLC+工控機(jī)的組合，由主控集中監(jiān)控平臺(tái)及各分子控制系統(tǒng)組成。主控負(fù)責(zé)發(fā)送操作指令，接收各分控傳回的信息，并在屏幕上準(zhǔn)確顯示。分控負(fù)責(zé)發(fā)送各子系統(tǒng)操作控制信號(hào)，各子系統(tǒng)信號(hào)收集、數(shù)據(jù)采集、視屏監(jiān)控。主控與分控系統(tǒng)相互配合，采用電液閉環(huán)控制的方式實(shí)現(xiàn)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)在操作過程中精準(zhǔn)同步。

4.2 掛籃控制系統(tǒng)組成

(1) 主控臺(tái)。前支點(diǎn)掛籃各執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行全部由一套電腦主控臺(tái)控制，主控臺(tái)是整個(gè)液壓系統(tǒng)的中樞大腦，由它給各個(gè)執(zhí)行元件發(fā)送指令，控制各種邏輯動(dòng)作。主控臺(tái)使千斤頂同步運(yùn)行以保持平衡，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)限值時(shí),控制系統(tǒng)自動(dòng)停止升降操作。電腦控制系統(tǒng)上的操作屏幕能夠準(zhǔn)確顯示荷載大小和千斤頂?shù)耐叫阅堋?/p>

(2) 分控系統(tǒng)。分控系統(tǒng)由掛籃液壓同步控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、環(huán)境數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)組成。分控系統(tǒng)PLC通過通信電纜與掛籃被控設(shè)備進(jìn)行信息傳遞，發(fā)送泵站電機(jī)啟動(dòng)、液壓閥控制信號(hào)，采集現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)、各傳感器信號(hào)并與主控通訊。分控可以獨(dú)立控制設(shè)備，直接啟動(dòng)電機(jī)進(jìn)行操作。

(3) 傳感器。為了保證掛籃施工安全和液壓同步控制，每個(gè)油缸均安裝有一個(gè)位移傳感器和壓力傳感器，位移傳感器用于測(cè)量掛籃設(shè)備各個(gè)動(dòng)作上的位移，控制精度為0.3%FS；壓力傳感器用于測(cè)量油缸工作狀態(tài)下的實(shí)時(shí)壓力值，控制精度為0.5%FS。 傳感器接線盒用螺釘固定于油缸法蘭盤上，接線盒接頭均為防水接頭。

4.3 掛籃智能操作

掛籃智能化操作按下列步驟進(jìn)行：① 連接電源。合上電源開關(guān)，接通主控臺(tái)電源；② 開機(jī)。旋轉(zhuǎn)主控臺(tái)面板開機(jī)指示旋鈕，選擇“手動(dòng) / 自動(dòng)”旋鈕;③ 登陸系統(tǒng)。點(diǎn)擊桌面圖標(biāo)，進(jìn)入程序界面，選擇運(yùn)行程序“掛籃自動(dòng)化控制系統(tǒng)”登錄系統(tǒng)； ④ 運(yùn)行。點(diǎn)擊進(jìn)入“運(yùn)行”程序界面，在界面下進(jìn)行“參數(shù)設(shè)置”，對(duì)設(shè)備運(yùn)行速度、比例閥參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。然后進(jìn)行功能選擇，選擇執(zhí)行操作項(xiàng)目，最后進(jìn)行“啟泵”—“建壓”操作;⑤ 關(guān)閉。

5 掛籃自動(dòng)化施工工藝

掛籃自動(dòng)化施工工藝分為7個(gè)步驟：

步驟1：主梁混凝土施工完成達(dá)到強(qiáng)度后脫模，拱架由4個(gè)多節(jié)油缸同步下放1.8 m(模板降至主梁橫隔板以下)。

步驟2：拱架下放到位后，拆除掛籃錨桿、止推機(jī)構(gòu)等，利用掛腿支撐油缸和后頂升油缸將掛籃整體下放1.2 m。下放時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)控制后頂升油缸的伸長量與掛腿油缸的回縮量一致，保證掛籃整體水平，同步下降。同時(shí)，時(shí)時(shí)監(jiān)控掛籃各點(diǎn)受力，保證安全。

步驟3：掛籃下放到位后，擺動(dòng)油缸旋轉(zhuǎn)反滾輪直立，后頂升油缸回縮，反滾輪受力。

步驟4：利用行走油缸同步頂推掛籃步履式前移，前進(jìn)至下一個(gè)節(jié)段。

步驟5：后頂升油缸伸長，頂升于箱梁底面受力，反滾輪卸載后翻，成倒立狀態(tài)。

步驟6：利用掛腿頂升油缸、后頂升油缸同步提升掛籃至設(shè)計(jì)標(biāo)高，安裝錨桿組、止推機(jī)構(gòu)、張拉機(jī)構(gòu)。

步驟7：拱架提升、立模，安裝斜拉索，綁扎下一節(jié)段鋼筋，澆筑節(jié)段混凝土，完成一個(gè)主梁施工節(jié)段。

6 結(jié)語

前支點(diǎn)掛籃自動(dòng)化及智能化技術(shù)可適用于任何斷面形式的混凝土主梁，如雙邊箱斷面、多箱室斷面、π形斷面結(jié)構(gòu)。項(xiàng)目組前期施工采用傳統(tǒng)的單個(gè)千斤頂操作，掛籃下放、行走、提升錨固單循環(huán)所需時(shí)間在15 h左右，準(zhǔn)格爾黃河特大橋、楠木渡烏江大橋掛籃采用自動(dòng)化與智能化控制系統(tǒng)，單循環(huán)作業(yè)時(shí)間縮至6 h左右，操作人員由8人降低到4人；項(xiàng)目研發(fā)套筒式斜拉索索力轉(zhuǎn)換裝置索力轉(zhuǎn)換由傳統(tǒng)施工3 h縮短至0.5 h，施工操作人員由10人減少到4人。

通過對(duì)準(zhǔn)格爾黃河特大橋、楠木渡烏江大橋掛籃自動(dòng)化、智能化控制技術(shù)研發(fā)，將自動(dòng)化技術(shù)、程控控制技術(shù)成功引入掛籃系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)掛籃施工標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，節(jié)約了人力物力，提高了混凝土澆筑質(zhì)量和施工效率，降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。