橋梁同步頂升技術(shù)
　
摘要：橋梁整體頂升技術(shù)的關(guān)鍵在于保證其上部結構的整體性同步頂升，本文主要介紹橋梁同步頂升技術(shù)。
關(guān)鍵詞：PLC系統、同步頂升、監測傳感、稱(chēng)重
隨著(zhù)海河兩岸改造工程的啟動(dòng)，位于市內跨海河的橋梁的改造開(kāi)始提上議事日程，這些橋梁具有結構完整，功能完好等特點(diǎn)，部分橋梁更是見(jiàn)證了天津市的歷史，但是這些橋梁由于建造時(shí)間比較長(cháng)，已經(jīng)顯得不能滿(mǎn)足城市進(jìn)一步發(fā)展的需要，特別是通航高度的不足更是如此。而采用同步頂升橋梁的上部結構是解決通航凈空不足的一個(gè)很好的方法。一方面這種方法能夠不損壞現有橋梁結構，另一方面在頂升過(guò)程中能盡可能的減少中斷交通的時(shí)間。
橋梁頂升的重點(diǎn)在于保持橋梁上部結構的完整性，要保證橋梁上部結構完整，方法就是保持橋梁上部結構在現有狀況下同步頂升。這就要求我們采用先進(jìn)的技術(shù)方法----PLC控制液壓千斤頂同步頂升系統。
一、PLC系統工作原理
PLC壓控制液壓同步系統由液系統（油泵、油缸等）、監測傳感器、計算機控制系統等幾個(gè)部分組成。
（一）液壓系統
液壓系統由計算機控制，可以全自動(dòng)完成同步位移，實(shí)現力和位移的控制、位移誤差的控制、行程的控制、負載壓力的控制；誤操作自動(dòng)保護、過(guò)程顯示、故障報警、緊急停止功能；油缸液控單向閥可防止任何形式的系統及管路失壓，從而保證負載有效支撐等多種功能。該系統已在上海音樂(lè )廳整體頂升與平移工程中成功運用。
A2F型高壓柱塞泵,單向閥、蓄能器、壓力傳感器及電磁溢流閥組成電子卸荷節能供油回路，穩定地為系統提供30.00-31.5 MPa的油壓（尖峰壓力值35Mpa）。在每一個(gè)頂升缸的下腔接有減壓閥，根據實(shí)測到的各頂荷重壓力，將減壓閥的零背壓出口壓力調至比實(shí)際荷重壓力低2.0MPa；即減壓閥的零背壓出口壓力=實(shí)測到的各頂荷重壓力-2.0MPa。減壓閥共有三個(gè)油口；進(jìn)油口、出油口、回油口，如果減壓閥的調定壓力為P0，而回油口的壓力為Pc，則出油口的壓力為Po+Pc，從圖一可知回油口壓力受比例伺服閥控制，當比例伺服閥的出口壓力Pc為2.0 Mpa時(shí)，頂升缸的總推力與頂升物的自重平衡，當Pc>2.0 MPa時(shí)頂升物將起升，而當Pc<2.0 MPa時(shí)頂升物將回落。于是由若干個(gè)減壓閥、一個(gè)比例伺服閥、一個(gè)壓力傳感器組成的力閉環(huán)回路與若干個(gè)頂升缸一起，組成了一個(gè)比例受控組件，這個(gè)組件與外部的位移傳感器構成位置閉環(huán)系統，依靠位置閉環(huán)系統可實(shí)現精確的位置控制。
為了避免Pc變化范圍過(guò)大，造成舉升過(guò)快，比例伺服閥的進(jìn)油口油壓降至8.0-10.0 MPa，它由減壓閥將主回路的油壓降壓后供給。為了提高比例伺服閥的閉環(huán)穩定性在比例伺服閥的供油回路接有蓄能器。
在每一個(gè)頂升缸的下腔，另接有液控單向閥和測壓接頭，只要電磁閥一斷電，液控單向閥立即關(guān)閉，確保頂升缸不至帶載下滑。通過(guò)測壓接頭可向頂升缸內少量補油。
正常工作時(shí)，電磁閥的電磁鐵A始終通電。電磁閥的中位，用于頂升油缸完成一步頂升時(shí)進(jìn)行支墊，當電磁閥處于中位時(shí)，頂升缸上下腔油壓均為零，關(guān)閉液控單向閥后，可以拆裝油管。當電磁鐵B通電時(shí)，頂升缸處于空載快速回縮狀態(tài)。為避免舉升或回縮時(shí)速度過(guò)快，在電磁閥的進(jìn)油口接有調速閥，它可控制頂升缸的最大運動(dòng)速度。
除單向閥、壓力傳感器、壓力表、測壓接頭裝在千斤頂以外，其他的元件包括控制電器組裝在一個(gè)液壓泵站內，液壓站與千斤頂之間用3根軟管相連接，分別是進(jìn)油管、回油管、控制油管，這樣就組成了一個(gè)完整的液壓系統。
比例閥、壓力傳感器和電子放大器組成壓力閉環(huán)，根據每個(gè)頂升缸承載的不同，調定減壓閥的壓力，若干個(gè)千斤頂組成一個(gè)頂升組，托舉起橋梁上部結構，但是如果僅有力平衡，則橋梁的舉升位置是不穩定的，為了穩定位置，在每組中間安裝監測傳感系統進(jìn)行位置反饋，組成位置閉環(huán)，一旦測量位置與指令位置存在偏差，便會(huì )產(chǎn)生誤差信號，該信號經(jīng)放大后疊加到指令信號上，使該組總的舉升力增加或減小，于是各油缸的位置發(fā)生變化，直至位置誤差消除為止。由于各組頂升系統的位置信號由同一個(gè)數字積分器給出，因此可保持各個(gè)頂升組同步頂升，只要改變數字積分器的時(shí)間常數，便可方便地改變頂升或回落的速度。
技 術(shù) 指 標
液壓系統工作壓力 31．5Mpa
頂升缸推力 200T
頂升缸行程 140mm
偏載能力 5。
最大頂升速度 10mm/min
組內頂升缸控制形 壓力閉環(huán)控制、控制精度≤5%
組與組間控制形式 位置閉環(huán)控制、同步精度 ±5.0 mm
（二）監測傳感系統
監測傳感系統在整個(gè)頂升平移系統中非常重要，是我們獲得數據信息的主要來(lái)源。它的靈敏度將直接影響到頂升的同步精度。監測傳感系統主要是由光柵尺、信號放大器、傳感線(xiàn)路及計算機組成，其中最重要的就是光柵尺，它的分辨率能達到0.005 mm。
光柵尺的主要作用是監測頂升的相對位移，然后將測得的位移數據通過(guò)信號放大器的處理，把經(jīng)過(guò)放大后的信號通過(guò)傳感線(xiàn)路傳送到計算機，由計算機進(jìn)一步處理所收集到的數據信息。光柵尺的布設直接影響到監測的準確性，合理的布設光柵尺能客觀(guān)地反映出整體的位移姿態(tài)。所以在劃分控制區域時(shí)，要考慮到光柵尺的架設的位置是否能客觀(guān)地反映該控制區域的整體位移。當然，光柵尺架設時(shí)應保證它的垂直度，盡量減少人為造成誤差，保證光柵尺的精度。
（三）計算機系統
核心控制裝置是西門(mén)子S7-200系列的CPUS7-224，采用按鈕方式操作，并通過(guò)觸摸屏顯示各個(gè)頂升油缸的受力參數，還可連接打印機，記錄頂升過(guò)程數據。系統安裝了UPS電源，即使意外斷電，也可確保數據和工程的安全。
計算機系統是整個(gè)PLC系統的核心，他把由監測傳感系統所收集到的數據進(jìn)行分析處理，并把處理后的數據反饋給液壓系統，由液壓系統調節各千斤頂油壓，從而保證整個(gè)頂升系統同步性。

二、頂升系統控制原理
（一）控制區域劃分
首先我們對橋梁結構作初步的受力分析，通過(guò)對橋梁結構的分析計算橋梁各支座的支座反力，初步估算出橋梁的重量，根據各支座的支座反力來(lái)確定千斤頂的分布，以及選用相應級別的千斤頂，并確定光柵尺的布設。例如獅子林橋抬升工程：
首先分析橋梁的結構形式老橋為簡(jiǎn)支懸臂中間掛孔形式，在只有4個(gè)光柵尺和4臺泵站，只能組成4個(gè)閉環(huán)回路的情況下，如果采用每墩布設一個(gè)光柵尺和由一臺泵站控制的閉環(huán)回路，容易產(chǎn)生橫向傾覆.這就要求我們對橋梁的荷載分布進(jìn)行分析。根據老橋的設計施工圖紙的分析，初步確定出各支座的荷載分布（見(jiàn)下表）
獅子林橋老橋（1974年）支座反力表
支座位置 一期恒載 (kN) 二期恒載(kN) 活載 合計(kN)
汽—15(kN) 掛車(chē)100 4列汽車(chē) 1*掛
邊墩 2737.5 180 354 943 1090.32 1037.3 4007.82
中墩 10313.5 2202 791 1641 2436.28 1805.1 14951.78
從而確定橋梁的荷載主要分布在中墩，這就要求光柵尺的布設要準確地反映整個(gè)橋梁的整體姿態(tài)，從而保證中間掛孔的安全性。在這種情況下我們只能把光柵尺架設在中墩保證中墩的位移姿態(tài)，這就要求在劃分控制區域時(shí)保證中墩的姿態(tài)，即將中墩和邊墩從縱向一分為二，來(lái)劃分區域邊讀采取人工監測，起到人工校核的作用，并通知總控人員及時(shí)調整液壓系統，具體劃分見(jiàn)圖
根據初步的受力分析，可以確定千斤頂的分布，是否可以滿(mǎn)足該頂升點(diǎn)荷載壓力.在確定千斤頂的分布滿(mǎn)足頂升要求后，通過(guò)稱(chēng)重來(lái)確定各頂升點(diǎn)的實(shí)際荷載，從而確定各千斤頂的設定荷載值。
（二）稱(chēng)重
根據對設計施工圖紙初步受力分析，確定荷載的大致分布，按荷載的分布計算各千斤頂的理論負載油壓設定千斤頂的初始油壓，采用逐級加載的方式進(jìn)行稱(chēng)重。初始值按50%和在加壓，按10%的荷載逐級加壓，根據各頂升點(diǎn)產(chǎn)生的實(shí)際位移量，來(lái)確定出各頂升點(diǎn)的荷載是否分布均勻，從而有主控人員來(lái)確定對各千斤頂油壓的調節使各頂升點(diǎn)位移量相對平均，從而保證頂升過(guò)程的同步進(jìn)行。當整個(gè)橋梁的頂升高度在5~10mm時(shí)，即整個(gè)橋梁處于懸浮狀態(tài)，就證明各頂升點(diǎn)處的荷載與該千斤頂的負載值相一致。在此基礎上是頂升1-2cm以確定是否可以以改廁定制進(jìn)行頂升，該千斤頂的油壓值，就是我們最終的稱(chēng)重結果。根據所測得的油壓值可以計算出橋梁的實(shí)際重量：
G橋=Σσ*S/9.8
σ----千斤頂油壓值(Mpa)
S----千斤頂油缸的截面面積(mm2)
（三）頂升
根據稱(chēng)重結果設定好千斤頂的初始工作值后，即所測得的油壓值-2Mpa，開(kāi)始由PLC系統進(jìn)行自動(dòng)控制，即控制壓力>2Mpa時(shí)系統進(jìn)行頂升工作，控制壓力<2Mpa時(shí)進(jìn)行落梁工作，當控制壓力=2Mpa時(shí)橋梁處于懸浮狀態(tài)。
當然，PLC系統是根據光柵尺反映的位移量來(lái)調節組與組之間頂升速度，通過(guò)速度的調節來(lái)保證位移的一直，從而保證整個(gè)橋梁的同步頂升。
光由PLC系統自行控制是遠遠不夠的。因為在頂升過(guò)程中意想不到的事情有很多，這就要由主控人員根據實(shí)際情況來(lái)決定是否調整各千斤頂的油壓值，以便輔助PLC系統達到同步頂升。
因為光柵尺反映的位移是點(diǎn)位移，并不能反映多點(diǎn)位移，所以還要有人工布設多點(diǎn)進(jìn)行位移監測，并及時(shí)報告主控人員，以便主控人員可以更全面地掌握頂升的位移及姿態(tài)。
當然權威的橋梁檢測部門(mén)，在頂升過(guò)程中對橋梁的應力、應變情況的全程檢測的監測數據，也是主控人員要掌握的數據信息之一。以便對頂升過(guò)程是否對橋梁結構產(chǎn)生影響，并合理評價(jià)結構受外力作用的影響，以便及時(shí)、主動(dòng)地采取措施降低或消除不利因素的影響，確保結構的安全。
三、結束語(yǔ)
橋梁同步頂升技術(shù)的應用對于在保持橋梁上部結構的完整性的同時(shí)，抬升橋梁來(lái)滿(mǎn)足通航要求，有著(zhù)非常重要的意義。它既節省了投資的成本，又縮短了施工工期，對交通的壓力影響較小。