不封閉交通情況下橋梁同步頂升研究

劉興祖，楊思傲，余敦旻

[上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司，上海市 200433]

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通量急劇增大，大型車輛、超載車輛給橋梁帶來極大挑戰(zhàn)。支座作為連接橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，能否在使用過程中正常發(fā)揮作用，是影響橋梁結(jié)構(gòu)耐久性和安全性的重要因素。

常規(guī)頂升工藝更換橋梁支座需要封閉交通，對車輛通行造成極大影響，如何在不封閉交通情況下更換橋梁支座就成了亟待解決的問題。針對該問題，計(jì)算機(jī)控制同步頂升更換支座系統(tǒng)提供了解決方案，該方案最大限度地減少施工的不良影響，特別是將成本和對環(huán)境的影響降至最小，具有其他工藝不可比擬的優(yōu)越性[1]。

1 現(xiàn)狀調(diào)查與研究重點(diǎn)

經(jīng)市場調(diào)查，現(xiàn)有超薄型千斤頂規(guī)格種類較多，其中最薄厚度38mm，直徑170mm，頂升行程15mm，頂升力100t。該千斤頂頂身高度和頂升力都滿足需求，但在以往支座更換工程應(yīng)用中存在以下缺陷：（1）該千斤頂為單作用千斤頂，只可液壓控制頂升，無法實(shí)現(xiàn)液壓控制下落；（2）該千斤頂?shù)膸Ш上陆抵荒芡ㄟ^板梁自重下壓實(shí)現(xiàn)，落梁過程無法采用電腦同步控制，有可能對板梁間的鉸縫造成損壞；（3）該千斤頂為單作用千斤頂，由于高度限制，千斤頂活塞無法控制不脫離缸體；（4）該千斤頂?shù)耐耆崭仔枰柚饬?；?）該千斤頂?shù)捻斏谐滩粔蚋挥唷?/p>

因此，將以上問題作為本次研究重點(diǎn)，主要實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：（1）頂升多點(diǎn)可控；（2）防止千斤頂活塞脫離缸體可控；（3）帶荷下降可控；（4）自動完全收缸功能。

2 系統(tǒng)研發(fā)

研發(fā)階段一共經(jīng)歷了3個(gè)階段，經(jīng)不斷改進(jìn)后，研發(fā)出油量控制頂升系統(tǒng)。

2.1 第一階段

第一階段的主要任務(wù)是：在超薄千斤頂與液壓泵站之間增設(shè)中間液壓控制器。

泵站通過中間液壓控制器控制超薄千斤頂?shù)捻斏旄缀拖陆凳崭椎膭幼?，使超薄千斤頂變成該控制器的一個(gè)終端。中間液壓控制器為一個(gè)類似千斤頂?shù)囊簤航Y(jié)構(gòu)，它與超薄千斤頂串聯(lián)，通過液壓控制超薄頂進(jìn)行有效可控的頂升、下降和回油的動作。

該方案經(jīng)過工廠試驗(yàn)后得出以下結(jié)論：（1）通過增設(shè)中間液壓控制器后，可控制千斤頂?shù)耐巾斏徒德洳僮?。在最后收缸操作中，完全收缸效果不?00%可靠，部分千斤頂活塞需借助外力完全收缸。（2）超薄千斤頂活塞脫離缸體的情況無法在本方案中得到有效控制。（3）對單個(gè)千斤頂?shù)捻斏徒德淇刂埔蕾囉谥虚g液壓控制器和位移傳感器，要保證每個(gè)千斤頂?shù)捻斏徒德涞耐娇煽匦?，需對每個(gè)千斤頂配套一個(gè)控制器和位移傳感器，所需設(shè)備數(shù)量龐大，造價(jià)高昂。

由上述結(jié)論可知，該方案未全部滿足設(shè)備升級改造要點(diǎn)中的要求。

2.2 第二階段

第二階段的主要任務(wù)是：對單作用超薄千斤頂進(jìn)行改造升級。

針對千斤頂進(jìn)行創(chuàng)新改造，增大千斤頂?shù)捻斏谐獭Ｔ谝酝暮喼О辶褐ё鼡Q案例中，每塊板梁下安裝超薄千斤頂?shù)目障恫槐M相同，需加塞不同厚度的鋼板墊實(shí)。由于加塞鋼板厚度的不同和人工安裝的誤差，在同步頂升的要求下，每個(gè)千斤頂伸出量不盡相同。同時(shí)由于千斤頂行程偏小，個(gè)別千斤頂易出現(xiàn)活塞脫離缸體，導(dǎo)致漏油后頂升失敗的后果。

此次研發(fā)大行程超薄千斤頂，并維持千斤頂本體高度不變，設(shè)計(jì)出雙面活塞式千斤頂，即在千斤頂上下兩面均帶有活塞，單面活塞的行程同以往千斤頂?shù)男谐?，雙面的行程總和為原來千斤頂?shù)?倍，達(dá)到30mm。

該方案工廠試驗(yàn)后得出以下結(jié)論：（1）千斤頂可實(shí)現(xiàn)單面獨(dú)立加壓、先單面預(yù)壓再另一面正式頂升的操作。（2）千斤頂通過PLC控制可實(shí)現(xiàn)同步頂升，但同步降落受控制系統(tǒng)限制，無法實(shí)現(xiàn)。（3）千斤頂活塞面積遠(yuǎn)小于原千斤頂，導(dǎo)致在同樣的荷載情況下，活塞的壓強(qiáng)過大，超過了蓋梁和板梁的抗壓承載力，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生破壞。（4）活塞脫離缸體的情況得到一定程度的避免，但無法杜絕。

由上述結(jié)論可知，該方案未全部滿足設(shè)備升級改造要點(diǎn)中的要求。

2.3 第三階段

第三階段的主要任務(wù)是：對千斤頂和頂升控制設(shè)備同時(shí)改造升級，研發(fā)出雙級可控超薄千斤頂和油量控制頂升泵站。

（1）雙級可控超薄千斤頂。為滿足頂升行程大、活塞面積不能太小的雙重要求，此次研發(fā)的千斤頂為雙級可控超薄千斤頂，即千斤頂活塞分兩級，一級嵌套在另一級內(nèi)，采用分級頂升的操作方式實(shí)現(xiàn)大行程的頂升施工。同時(shí)活塞面積夠大，壓強(qiáng)不超過結(jié)構(gòu)物的抗壓強(qiáng)度。

（2）油量控制頂升泵站。以往先進(jìn)的頂升控制系統(tǒng)均采用PLC液壓同步控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過位移傳感器控制每個(gè)頂升點(diǎn)的頂升同步性。但在簡支板梁更換支座的工程中，千斤頂為單作用千斤頂，無法實(shí)現(xiàn)同步落梁可控；且單次頂升的千斤頂數(shù)量較多，所需位移傳感器數(shù)量較多，才能滿足多點(diǎn)同步的要求。此外，單作用千斤頂?shù)幕钊摳赚F(xiàn)象無法通過控制系統(tǒng)監(jiān)控杜絕。

為解決上述問題，研發(fā)出一種油量控制頂升泵站，即通過精確計(jì)量液壓油進(jìn)出泵站的體積來實(shí)現(xiàn)頂升和降落的同步控制。該泵站通過記錄油壓泵電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)來計(jì)量液壓油的流量體積，理論綜合誤差不超過5%。

將雙級可控超薄千斤頂和油量控制頂升泵站連通實(shí)施頂升，形成油量控制頂升系統(tǒng)，如圖1所示。該頂升系統(tǒng)解決了此次設(shè)備研發(fā)要點(diǎn)的全部要求。

圖1 油量控制頂升系統(tǒng)

3 項(xiàng)目應(yīng)用與二次開發(fā)

油量控制頂升系統(tǒng)在該高架項(xiàng)目上通過同步頂升的方式完整地更換了所有支座，但在應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)存在2個(gè)問題需要進(jìn)一步改進(jìn)：

（1）蓋梁與板梁之間空間不足3.5cm，導(dǎo)致千斤頂不能放入，而需要鑿蓋梁頂面。

（2）頂升過程中通過油量來對千斤頂?shù)南侣溥M(jìn)行控制，以進(jìn)多少油出多少油的原理進(jìn)行操作，但沒有考慮到油管的膨脹性等問題，導(dǎo)致進(jìn)油量與出油量不能對等，從而沒有真正做到下落同步可控。

故針對以上問題，對千斤頂和頂升系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步開發(fā)。

3.1 側(cè)掛式千斤頂

開發(fā)新型側(cè)掛式千斤頂，以彌補(bǔ)現(xiàn)有頂升高度小于3.5cm的不足，如圖2所示。該千斤頂?shù)奶卣魅缦拢海?）可用于大于15mm的頂升空間；（2）側(cè)掛本體高度為250mm，頂升高度為30mm；（3）能與其他千斤頂混合使用；（4）控制精度為0.5mm。

圖2 側(cè)掛式千斤頂

3.2 位移控制頂升系統(tǒng)

該系統(tǒng)是一種以位移控制為主、受力控制為輔的頂升方法，設(shè)計(jì)結(jié)合了板式橋梁狹窄縫隙施工的特點(diǎn)，采用了新型外掛式超薄油缸和新型超薄型油缸，可以在狹窄空間條件下對老舊的板式梁進(jìn)行多點(diǎn)的同步頂升來更換支座，采用遠(yuǎn)端的可調(diào)小孔流量閥控，結(jié)合基站PLC全閉環(huán)反饋，通過全數(shù)字控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)液壓同步頂升，實(shí)現(xiàn)對油缸頂升位移控制、系統(tǒng)保壓、位置保持。系統(tǒng)設(shè)計(jì)精度達(dá)到±0.5mm，同步精度達(dá)到±0.5mm，如圖3所示。

4 結(jié)語

支座作為橋梁工程中承上啟下的重要構(gòu)件，關(guān)系著橋梁的結(jié)構(gòu)安全和運(yùn)營安全。采用傳統(tǒng)封閉交通或限流來更換支座，會帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失，并影響交通出行。與傳統(tǒng)工藝相比，計(jì)算機(jī)控制同步頂升系統(tǒng)具有不中斷交通、施工工藝大為縮短、施工成本低等優(yōu)點(diǎn)[2]。

圖3 位移控制頂升系統(tǒng)

總之，計(jì)算機(jī)控制同步頂升系統(tǒng)的成功研發(fā)，不僅解決了不封閉交通施工的難題，也緩解了傳統(tǒng)施工方式與社會影響之間的矛盾，具有極高的社會推廣意義。