PLC 同步頂升系統(tǒng)在某高速公路跨線橋上的應用

■申鐵軍

（山西路橋建設集團有限公司， 太原 030006）

近年來，我國高速公路發(fā)生多起車輛碰撞跨線橋上部結構的事件，事故嚴重威脅橋梁結構和司乘人員的安全。 如何提高現(xiàn)役橋梁運行安全，為司乘、貨物運輸提供安全、舒暢、高品質服務，推動高速公路運營高質量發(fā)展成為高速公路運營的重要課題。

本研究以某上跨高速公路的跨線橋為例，針對該橋梁上部結構出現(xiàn)的車輛碰撞現(xiàn)象進行現(xiàn)狀調查，分析原因，選擇處置方案，徹底根除了行車隱患，保證了車輛通行安全度。

1 跨線橋上部結構遭受車輛碰撞原因分析

經(jīng)過現(xiàn)場調查，跨線橋上部結構梁底出現(xiàn)橫向劃痕，與橋下車輛行進方向一致，來車方向的梁體側面出現(xiàn)混凝土破壞現(xiàn)象，局部出現(xiàn)露筋，存在很大的安全隱患（圖1、2）。

圖1 橋下車輛通行被卡

圖2 梁體側面出現(xiàn)混凝土破壞現(xiàn)象

跨線橋上部結構遭受車輛碰撞的主要原因有：橋下凈空不足、橋梁基礎沉降、超高運輸車輛通過、下行路面抬高。

1.1 橋下凈空不足

查閱某上跨天橋設計圖紙， 橋下凈空高度為5.00 m，且橋下路線為平直段，不存在豎曲線拐點對凈空的影響，對某上跨天橋南北橋臺和中間墩各選取3 個點進行橋下凈空測量（表1）。 實測凈空高度為4.64～4.67 m， 實測凈空高度小于設計凈空高度，橋下凈空不足。

表1 橋下凈空實際測量情況

1.2 橋梁基礎沉降

對某上跨天橋南北橋臺和中間墩各選取4 個點進行水準測量，并將測量數(shù)據(jù)與建設期數(shù)據(jù)進行對比，結果見表2。

表2 墩臺沉降值測量情況

通過GB50007-2011《建筑地基基礎設計規(guī)范》和沉降數(shù)據(jù)可知，橋梁墩臺最終變形允許值均不超過規(guī)范允許值200 mm。 橋梁整體線形流暢，橋頭與路基過渡段無明顯錯臺，橋臺錐坡無沉陷、無開裂。所以墩臺基礎沉降也是造成凈空不足的因素之一。

1.3 超高運輸車輛通過

對2021 年1 月至8 月期間某上跨天橋發(fā)生的碰撞橋梁上部結構的車輛進行收集， 通過數(shù)據(jù)分析， 發(fā)生的12 輛碰撞橋梁的車輛車貨總高度均超過4.5 m，但不超過凈高5 m 要求。對該上跨天橋下50 m 范圍內路面坑槽、破損及構造物設置情況進行專項調查， 發(fā)現(xiàn)某上跨天橋下來車方向50 m 范圍內無明顯坑槽、路面破損等缺陷，且該段路面未設置伸縮縫等構造物和突起標志安全設施，路面平整度較好， 基本上不會出現(xiàn)車輛顛簸跳躍的情況，說明通行車輛總高度不超過原設計凈空高度。

1.4 下行路面抬高

對某上跨天橋下前后20 m 范圍行車路面標高橫向分別取4 個點進行水準測量，并將測量數(shù)據(jù)與建設期數(shù)據(jù)進行對比，結果見表3。 經(jīng)分析，現(xiàn)路面標高較原設計路面高約25 cm，查閱相關養(yǎng)護記錄，該路面近10 年曾實施過3 次瀝青面層施工， 因未對原路面進行銑刨， 在原路面基礎上直接加高，導致跨線橋橋下凈空不足。

表3 路面標高差值記錄表

從橋下凈空、 橋梁基礎沉降、 超高運輸車輛高度、下行路面抬高4 個方面因素調查分析，跨線橋上部結構遭受車輛碰撞原因主要還是橋梁基礎沉降和下行路面墊高2 個因素造成橋下凈空高度不足，因此提升橋下凈空高度并達到設計要求至關重要。

2 跨線橋處置方案選擇和比較

經(jīng)過現(xiàn)場踏勘和相關調研，該橋處理方案主要有兩個： 一是主梁同步頂升技術提高橋梁凈空方案；二是挖除抬高路面、恢復橋梁凈空方案。。

2.1 方案1：主梁同步頂升技術提高橋梁凈空方案

包括頂升施工前準備、 反力-臨時支撐及限位體系的施工、墩（柱）的截斷與接高、頂升施力、工程監(jiān)測，具有改造成本低、施工周期短的優(yōu)點。

2.2 方案2：挖除抬高路面、恢復橋梁凈空方案

包括封閉道路交通管制、 對下穿路面進行挖除、重新路面施工、恢復交通，具有施工費用高、影響時間長的缺點。

2.3 技術方案比較

從表4 可知，對兩個方案進行對比，選擇主梁同步頂升技術提高橋梁的凈空方案，費用低、工期短、對社會交通影響小，因此，選擇該方案。

表4 技術方案比較情況

3 PLC 同步頂升系統(tǒng)原理、 控制系統(tǒng)及工藝分析

3.1 同步頂升系統(tǒng)原理分析

3.1.1 系統(tǒng)構成

PLC 同步頂升液壓系統(tǒng)分為5 部分： 液壓系統(tǒng)、PLC 計算機控制系統(tǒng)、 液壓泵站、 位移壓力檢測、人機界面操作系統(tǒng)。 此系統(tǒng)是把計算機PLC 信號處理、液壓頂升系統(tǒng)、橋梁結構分析、位移監(jiān)控技術進行集成，在集成系統(tǒng)上進行成套技術開發(fā)。 方林子[1]認為核心是在橋梁結構分析的基礎上，依據(jù)橋梁特性， 設計計算機的PLC 信號處理和液壓系統(tǒng)，輸出液壓系統(tǒng)油量控制信號，輸入外部監(jiān)控設施位移信號，利用終端多組千斤頂達到安全、平衡、高效的橋梁頂升目的，頂升和降落精度誤差小于±0.5 mm，頂升載荷范圍：50～1000 t，頂升高度范圍：10～500 mm。

3.1.2 系統(tǒng)功能

PLC 控制液壓同步系統(tǒng)是由液壓系統(tǒng)（包含檢測傳感器）、 計算機自動控制系統(tǒng)兩部分組成，朱偉[2]認為此系統(tǒng)可自動完成同步位移，實現(xiàn)操作閉鎖、 力與位移控制、 過程顯示、 故障報警4 種功能。 PLC 同步頂升系統(tǒng)，依靠調節(jié)開關閥開關頻率去改變流量大小， 液壓泵站利用開關閥來控制流量， 從而達到油泵的輸出流量可連續(xù)可調的目的，同時，配以適當電控裝置，組成位移與壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)，可控制各臺液壓千斤頂在升降時同步且稱重過程中負載均衡。

3.1.3 系統(tǒng)特點

系統(tǒng)具有2 個特點：（1）有Windows 用戶界面的計算機控制系統(tǒng)；操作簡便直觀，并可實現(xiàn)工作的俯仰、側滾等姿態(tài)的調整；實時在線顯示頂升載荷與頂升位移，可掛接彩色觸摸屏，也可掛接工控機實時記錄施工全過程[3-4]。 功能齊全，整體安全可靠。（2）集中操作與控制,油缸能同時加以控制,也可單獨控制； 液壓千斤頂?shù)耐庵檬剑ɑ騼戎茫毫Φ膫鞲衅?、位移的傳感器，保證了在惡劣工作環(huán)境下頂升系統(tǒng)工作的可靠性。 無論是高速進行置零還是低速進行頂升，升降的速度能人為進行控制。 系統(tǒng)的均載閥具有過載保護功能，避免了多缸頂升時常見的脹缸事故[5]。

3.2 中央控制系統(tǒng)

人機界面操作單元與電腦互為冗余控制，操作人員可通過計算機鍵盤實現(xiàn)攪拌設備生產(chǎn)的全過程控制與管理。 組合聯(lián)體型控制柜（包括開關柜、動力柜、儀表繼電器柜和PLC 柜），中央控制系統(tǒng)電器元件采用進口品牌優(yōu)質產(chǎn)品，主要有西門子、施耐德、歐姆龍等公司產(chǎn)品。 在生產(chǎn)過程中采用PLC 進行全自動控制、操作簡單、直觀且運行可靠。 在各種工況下均可采用手動方式進行各項干預操作，大大方便了施工。

3.2.1 全電腦+人機界面設備控制及管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括：（1）可編程控制器（顯示計量狀態(tài)及數(shù)據(jù)）；（2）人機界面動畫操作單元（顯示設備的運行狀況，進行生產(chǎn)操作）；（3）高檔工業(yè)專用計算機（19 英寸液晶監(jiān)視器）。

3.2.2 全電腦系統(tǒng)控制功能

該系統(tǒng)包括：（1）動力控制；（2）自動供給控制；（3）過程自動控制；（4）生產(chǎn)管理、過程數(shù)據(jù)監(jiān)控；（5）故障報警提示；（6）生產(chǎn)數(shù)據(jù)報表存儲打印。

3.2.3 設備視頻監(jiān)控系統(tǒng)

熱再生設備配套視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對設備的關鍵部位進行實時的視頻監(jiān)控， 確保設備運行狀態(tài)正常。 該系統(tǒng)包括：（1）19 英寸液晶監(jiān)視器；（2）4 路數(shù)字網(wǎng)絡硬盤錄像機；（3）4 個高清攝像頭。

3.3 同步頂升技術工序流程分析

現(xiàn)場施工工序流程見圖3。

圖3 工藝流程圖

4 PLC 同步頂升系統(tǒng)實施

4.1 橋墩截斷位置確定

通過有限元分析，結構在自重、整體升降溫及溫度梯度作用下，橋墩不產(chǎn)生彎矩。 橋墩彎矩僅在車輛荷載、制動力作用下產(chǎn)生，按承載能力極限狀態(tài)設計，作用基本組合下墩頂位置彎矩最大彎矩組合為678 kN·m, 墩底位置最大彎矩組合為769.4 kN·m。 根據(jù)計算結果，將橋墩切割位置選擇在彎矩組合較小的位置，即靠近墩頂100 cm 附近。在橋梁頂升時，梁體預留100 cm 橋墩混凝土，在自重作用下處于軸心受拉狀態(tài)，其最不利截面處混凝土裂縫大小為2.21×10-3 mm, 可認為其處于未開裂狀態(tài)，所以將橋墩切割位置定于墩頂100 cm 處（圖4、5）。

圖4 成橋結構分析計算模型圖

圖5 橋墩截斷位置

4.2 千斤頂參數(shù)選用與布置

采用100 t 雙作用液壓千斤頂， 液壓頂升斤頂選用參數(shù)：100 t、63 MPa、高200 mm、底徑240 mm、行程最大120 mm。 每個臨時支架上布置2 臺，可以提供200 t 頂力，單個橋臺布置3 臺千斤頂。千斤頂具有液控平衡閥， 可以防止落梁過程中的突然液壓失控。 橋梁重量約為559.75 t,全部千斤頂頂力1 400 t，千斤頂頂力安全儲備系數(shù)為2.5 倍（圖6、7）。

圖6 支架處千斤頂布置圖

4.3 臨時鋼管支架安裝

全橋共設置4 個臨時鋼管支架，單節(jié)重量約為2.5 t,為保證吊裝過程安全，本次臨時支架安裝需采用導鏈吊裝至預先澆筑的混凝土基礎上。 支架之間通過法蘭螺栓連接,采用12.6 型槽鋼設置“目”字型勁性骨架，格內分別緊密抱箍矩形墩柱和中間一排6 根φ299 鋼管（圖8、9）。

圖7 橋臺處千斤頂布置圖

圖8 臨時支架平面設計圖

圖9 現(xiàn)場臨時支架搭設

4.4 整體同步頂升

（1）墩柱混凝土鑿除工作完成后，全面對橋梁進行檢查，將約束橋梁頂升外力全部解除。

（2）將PLC 系統(tǒng)與千斤頂連接好，并現(xiàn)場進行調試，具體如下：①千斤頂可靠性確認：確認設備的密封性，將千斤頂按設計頂升力的30%頂起，并現(xiàn)場保壓5 h。②系統(tǒng)可靠性確認：為保證系統(tǒng)運行時無故障和無泄露， 對系統(tǒng)進行24 h 的滿載試驗和0～100%滿載循環(huán)試驗。

（3） 系統(tǒng)可靠性確認無誤后整體同步提升。①橋梁頂升之前需由監(jiān)控單位在橋面設置監(jiān)控點，并對監(jiān)控點的初始坐標及高程進行測量和記錄。②在機械設備和人工全部就位后， 開始對橋梁進行頂升， 頂升分7 步完成， 單步頂升高度初步確定為6 cm,每步頂升分3 次進行，即每次頂升達到2 cm后應當對現(xiàn)場的設備和橋梁進行觀測記錄，確認無誤后方可進行下一次的頂升。 ③單步最后一次頂升可將頂升高度調整至2.1～2.2 cm， 方便加墊鋼板的放置，頂升完成并確認現(xiàn)場無異常后，將加工好的加墊鋼板放置到臨時支架和橋臺蓋梁上，加墊鋼板頂面和底面必須保持水平。 ④在完成單步最后一次頂升工作后，及時將支墊鋼板放置到位，對千斤頂進行卸載工作，將橋梁整體平穩(wěn)地落至支墊鋼板上。⑤將千斤頂?shù)幕钊渴栈?，取出千斤頂后，在其下方放置加墊鋼板，加墊鋼板頂面底面須保持水平，千斤頂下方的加墊鋼板共需放置6 cm 厚。⑥重復上述步驟③～步驟⑤， 直至箱梁整體頂升升高41 cm，待第七步完成后，橋梁自重全部由鋼墊板承擔。

（4）落梁。 ①支座安裝完成后，對千斤頂下的加墊鋼板進行調整， 調整后應保證千斤頂空載時活塞頂面與梁底間距為6 cm。②調整到位后，將橋臺和臨時支架上的支墊鋼板全部撤除。 ③對千斤頂全部進行同步卸載，卸載過程按0.5 cm 為一步進行控制，待下落1 cm 時，將千斤頂油閥全部鎖死，防止產(chǎn)生豎向位移，此時千斤頂活塞行程剩余5 cm，達到設計頂升標高，橋臺處支座與箱梁底面緊密貼合，此時橋梁凈高為5.15 m，滿足規(guī)范要求。

5 注意事項

在墩柱接高和撤除設備方面注意以下：（1）將豎向豎筋恢復其原來形狀，并將下料好的新鋼防與之焊接， 焊接距離原混凝土鑿除面35 cm 以上，并采取一定的降溫措施，防止燒傷原墩柱混凝土。 焊接長度不小于10 d（圖10）。 （2）安裝綁扎其余結構鋼筋，并將加工好的鋼模板安裝到位。 （3）將拌制好的C35 高強灌漿料由鋼模板下方進料口注入，注入速度需緩慢均勻， 待上方出料口有混合料流出時，逐個封閉出料口，最終注滿后，封閉下方進料口。 敲擊鋼模板，確認內部無空洞后完成灌漿料壓注。 根據(jù)高強灌漿料產(chǎn)品說明，待混凝土強度足夠后拆除模板。（4）撤除千斤頂與PLC 設備，待墩柱強度達到設計值后，將千斤頂回油閥門打開，千斤頂同步回油，千斤頂將不再承擔梁體重量（圖11）。

圖10 墩柱接高立面圖

圖11 頂升后橋梁

6 結語

通過PLC 同步頂升系統(tǒng)在跨線橋上的實際應用，拓展了橋梁改造的新技術和新工藝。 PLC 同步頂升設備通過計算機指令來控制液壓千斤頂，頂升過程中保證各臺液壓千斤頂平移的同步性，可確保頂升時結構安全。 跨線橋同步頂升40 cm 后，凈高為5.15 m，滿足規(guī)范不小于5 m 的要求，良好地解決了跨線橋橋下凈空的不足問題，保證了公路營運安全。 同時，隨著PLC 多點同步頂升技術的逐步完善,該技術被廣泛應用于橋梁提升施工當中,且在實際工程中取得了良好的效果[6]。