超大型箱梁多點(diǎn)支撐移運(yùn)技術(shù)研究

魯慶 寧曉冬

摘 要：廣深沿江高速公路（深圳段）機(jī)場特大橋60m箱梁采用整體預(yù)制、整體架設(shè)方案。箱梁為單箱雙室結(jié)構(gòu)，頂板寬19.65m，底板寬10.35m，高3.5m，重2400t。箱梁采用整體液壓內(nèi)模，為滿足內(nèi)模出模的要求，梁端端隔墻將進(jìn)行二次澆筑。為縮短箱梁的預(yù)制周期，需在橫隔墻未施工的情況下將箱梁移出預(yù)制臺座，就需要有可靠的工藝和工藝設(shè)備。本文將對此進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：超大型箱梁；多點(diǎn)支撐；同步頂升；移運(yùn)

1 概 述

機(jī)場特大橋是廣深沿江高速公路深圳段中部的一段海上橋梁，橋梁東側(cè)為寶安國際機(jī)場，西側(cè)為內(nèi)伶仃洋大鏟灣水道，全長6.84km。上部結(jié)構(gòu)采用60m整體預(yù)制箱梁，箱梁采用先簡支后連續(xù)形式，五孔為一聯(lián)。

箱梁為單箱雙室結(jié)構(gòu)，頂板寬19.65m，底板寬10.35m，高3.5m，預(yù)制段梁長58.5m，重2400t。為縮短箱梁的預(yù)制周期，需在橫隔墻未施工的情況下將箱梁移出預(yù)制臺座。因橫隔墻未施工，箱梁的橫向剛度較小，若采取杭州灣海灣大橋四點(diǎn)支撐移梁的方案，箱梁將可能出現(xiàn)裂紋。

2 箱梁運(yùn)輸中支撐方案研究

本項目箱梁運(yùn)輸中支撐方案的技術(shù)重點(diǎn)是：怎樣保證箱梁在超靜定支撐狀態(tài)下移運(yùn)，而不發(fā)生扭曲、開裂。

2.1 箱梁四點(diǎn)支撐運(yùn)輸方案研究

圖1 箱梁豎向位移云圖 （單位：m）

圖2 箱梁主拉應(yīng)力云圖 （單位：MPa）

60m箱梁在橫隔板未施工的狀態(tài)下，進(jìn)行四點(diǎn)支撐移運(yùn)。計算采用通用有限元程序Ansys 10.0，經(jīng)計算得知箱梁主拉應(yīng)力最大值為12.7MPa，大于規(guī)范規(guī)定的C50混凝土容許拉應(yīng)力1.89MPa。

由計算結(jié)果云圖1可知，四支點(diǎn)移梁時箱梁端部最大豎向位移約4mm。

由計算結(jié)果云圖2可知，箱梁主拉應(yīng)力最大值為12.7MPa，大于規(guī)范規(guī)定的C50混凝土容許拉應(yīng)力1.89MPa。最大拉應(yīng)力位置發(fā)生在箱梁端部底板底面靠近中腹板的位置，應(yīng)力超過4.02MPa的區(qū)域面積為3.0m*3.0m。箱梁端部底板頂面拉應(yīng)力最大值也達(dá)到10.4MPa，發(fā)生在底板與邊腹板交接的角點(diǎn)處位置，該位置應(yīng)力超過4.89MPa區(qū)域面積達(dá)到1.2m*1.0m。

因此，箱梁在未施工端部橫隔板的情況下采用四點(diǎn)支撐移梁作業(yè)將導(dǎo)致箱梁出現(xiàn)受力裂紋，影響箱梁的耐久性，甚至可能出現(xiàn)重大安全事故，故箱梁四點(diǎn)支撐的運(yùn)輸方案不能滿足60m箱梁移運(yùn)要求。

2.2 箱梁六點(diǎn)支撐運(yùn)輸方案研究

箱梁在未施工端隔墻的狀態(tài)下，進(jìn)行六點(diǎn)支撐移梁作業(yè)，即在梁端每個腹板下均設(shè)支撐點(diǎn)。計算采用通用有限元程序Ansys 10.0。

圖3 箱梁豎向位移云圖 （單位：m）

圖4 箱梁主拉應(yīng)力云圖 （單位：Pa）

由計算結(jié)果云圖3可知，6支點(diǎn)移梁時箱梁端部最大豎向位移為1.7mm，且位移分布比較均勻。

圖4為應(yīng)力限值在3MPa的主拉應(yīng)力云圖，由圖可知，箱梁主拉應(yīng)力超過3.0MPa的區(qū)域主要有3個地方，第一處區(qū)域在箱梁3個腹板端部斷面的4個縱向預(yù)應(yīng)力錨固位置，第二處區(qū)域在箱梁底板左中右3個支座位置，第三處區(qū)域在底板6個縱向預(yù)應(yīng)力錨固點(diǎn)位置，這些區(qū)域應(yīng)力較大均為應(yīng)力集中現(xiàn)象導(dǎo)致。其他區(qū)域主拉應(yīng)力值均小于1.67Mpa，小于規(guī)范允許的1.89MPa。

根據(jù)計算，若能實現(xiàn)在起升、移運(yùn)、下放的過程中，六個支撐點(diǎn)全過程都能提供可靠的支點(diǎn)反力，則廣深高速機(jī)場特大橋60m箱梁移運(yùn)的難題便迎刃而解。若采用六點(diǎn)支撐移梁，首先就存在支撐的超靜定問題。此外，考慮到運(yùn)輸過程中軌道不平度以及移梁滑道基礎(chǔ)的變形等問題，頂升、移運(yùn)及下放過程中就必須保證油缸能給箱梁提供我們所需要的支撐力，避免梁體出現(xiàn)裂紋。

2.2.1 六點(diǎn)電腦控制同步頂升系統(tǒng)

2.2.1.1 總體情況介紹

為滿足箱梁移運(yùn)要求，同步頂升設(shè)備中共使用了6臺CLL8004大噸位機(jī)械鎖緊油缸，在梁的縱向兩端各布置3臺，靠外側(cè)的兩個為主頂升油缸，中間為輔助頂升油缸。共4臺主頂升缸，2臺輔助頂升缸。

圖表 1 現(xiàn)場布置情況

2.2.1.2 布置說明

整個頂升液壓系統(tǒng)可分為主頂升系統(tǒng)和輔助頂升系統(tǒng)兩個部分，兩部分均由同步控制器集中遠(yuǎn)程控制。主頂升系統(tǒng)包括CY1，CY3，CY4和CY6油缸，分別安放在箱梁的4個支撐點(diǎn)之下；輔助頂升系統(tǒng)包括CY2和CY5油缸。

下圖為頂升設(shè)備布置俯視圖。

圖表 2 設(shè)備布置俯視圖

2.2.1.3 功能簡介

1）油缸下腔均安裝壓力傳感器，用來測量油缸內(nèi)部的壓力。

2）CY1，CY3在平移過程中通過電控系統(tǒng)保證兩個支撐點(diǎn)在移運(yùn)過程中支撐力始終相同，而且不會存在油缸頂部脫開梁體的問題，屬于主頂升系統(tǒng)內(nèi)的浮動支撐。CY4，CY6在平移過程中機(jī)械鎖緊、防止墜失，屬于主頂升系統(tǒng)的固定支撐，壓力傳感器僅用于顯示油缸內(nèi)的壓力（載荷重量）不參與控制。屬于輔助頂升系統(tǒng)的CY2，CY5油缸部位同樣安裝有壓力傳感器，用來檢測油缸下腔壓力，在上升和平移過程中這兩個油缸會保持設(shè)定的力值跟隨梁體上升或下降，起到輔助托舉的作用。

3）每個主頂升油缸部位都安裝有拉繩位移傳感器。傳感器一端固定在臺車底座上，一端與梁體底面相連用來檢測梁體4個支撐點(diǎn)的位移，通過PLC系統(tǒng)的比較運(yùn)算控制對應(yīng)泵站電磁閥開關(guān)來保證梁體兩端同步上升。

2.2.1.4 液壓系統(tǒng)及工作原理闡述

1）主頂升系統(tǒng)和輔助頂升系統(tǒng)在液壓元件構(gòu)成上完全一致。每個頂升點(diǎn)都包括機(jī)械鎖緊油缸、升降閥組、三位四通電磁換向閥、溢流閥、柱塞泵。

油缸上升：柱塞泵供油，壓力油經(jīng)三位四通電磁換向閥左位進(jìn)入升降閥組，再進(jìn)入油缸工作腔，梁體開始上升。

油缸下降：柱塞泵供油，壓力油經(jīng)三位四通電磁換向閥右位進(jìn)入升降閥組的液控口，將閥組打開，油缸工作腔的油液則通過升降閥組，經(jīng)三位四通電磁閥流回油箱。

2）液壓系統(tǒng)原理圖

圖表 3 液壓原理圖

3）液壓系統(tǒng)動作描述

預(yù)頂升過程：按下預(yù)頂升按鈕后，所有電磁鐵左位得電，六個油缸開始上升，當(dāng)控制臺檢測到每個油缸均建立起10MPa壓力后系統(tǒng)控制電磁鐵失電，油缸停止進(jìn)油，此時箱梁沒有被頂起但油缸柱塞與箱梁之間的間隙被消除，可將位移傳感器數(shù)值置零。

同步頂升過程：按下頂升按鈕后，各個泵站繼續(xù)上壓，其中CY2，CY5輔助頂升油缸的壓力會始終保持設(shè)定值，并跟隨梁體上升。CY1，CY3，CY4，CY6的油缸運(yùn)動則會根據(jù)位移傳感器的反饋，經(jīng)主站PLC比較運(yùn)算后發(fā)出打開或關(guān)斷相應(yīng)的電磁閥的指令，進(jìn)行同步控制調(diào)節(jié)。

平移過程：在平移過程中所有油缸由升降閥組鎖定保壓。同步控制器上當(dāng)“頂升/平移”選擇開關(guān)轉(zhuǎn)向“平移”的瞬間記錄了主頂升CY1和CY3的壓力，當(dāng)這兩個油缸中的一個油缸發(fā)送壓力變動超過允許值時，CY1和CY3根據(jù)PLC判斷進(jìn)行相反方向的運(yùn)動（即一個頂升，另一個下降）直至恢復(fù)頂升前的力值范圍。而另一端的主頂升油缸CY4和CY6在這個過程中通過機(jī)械鎖緊保持起升高度不變。而CY2，CY5輔助頂升油缸則依據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的壓力，隨著梁體的升降自動給油缸補(bǔ)油或溢油，保持頂升力不變。

同步下降過程：按下同步下降按鈕后，壓力油經(jīng)電磁換向閥右位，打開升降閥組液壓鎖，CY1，CY3，CY4，CY6的油缸運(yùn)動則會根據(jù)位移傳感器的反饋，經(jīng)主站PLC比較運(yùn)算后發(fā)出打開或關(guān)斷相應(yīng)的電磁閥的指令，進(jìn)行同步控制調(diào)節(jié)；而CY2，CY5輔助頂升油缸的壓力會始終保持設(shè)定值，并跟隨梁體下降

2.2.2 電控系統(tǒng)及工作原理

2.2.2.1 從控制器

每臺泵站配置一個從控制器，可以獨(dú)自操控泵站，也可以通過總控制器遠(yuǎn)程操控。從控制器核心部分為PLC，PLC的數(shù)字量輸入端連接按鈕，數(shù)字量輸出端連接繼電器，繼電器連接電機(jī)和三位四通電磁換向閥的電磁鐵，PLC的模擬量輸入端連接位移傳感器和壓力傳感器。

泵站啟動：『急?！凰砷_，選擇開關(guān)置于『本地』，按下『啟動』按鈕，PLC根據(jù)內(nèi)部邏輯程序運(yùn)算，輸出Q0.0=1，繼電器KA1得電，電機(jī)啟動；

上升：按住并保持『上升』，PLC根據(jù)內(nèi)部邏輯程序運(yùn)算，輸出Q0.1=1，繼電器KA2得電，上升電磁鐵得電，油液進(jìn)入油缸無桿腔，油缸上升。

下降：按住并保持『下降』，PLC根據(jù)內(nèi)部邏輯程序運(yùn)算，輸出Q0.2=1，繼電器KA3得電，下降電磁鐵得電，油液進(jìn)入油缸有桿腔，油缸下降。

泵站關(guān)閉：按下『關(guān)閉』按鈕，PLC根據(jù)內(nèi)部邏輯程序運(yùn)算，輸出Q0.0=0，繼電器KA1失電，電機(jī)停止。

圖表4 從控制器電氣連接圖

2.2.2.2 總控制器

6個從控制器通過現(xiàn)場總線串行連接到總控制器，將從控制器的現(xiàn)在開關(guān)置于『遠(yuǎn)程』位置，可以通過總控制器發(fā)送控制指令到從控制器，從控制器通過接收到的指令輸出控制信號，控制泵站開啟和關(guān)閉、油缸上升和下降。

泵站開啟：松開『急?！唬瑥目刂破鞯倪x擇開關(guān)置于『遠(yuǎn)程』，按下『泵站啟動』按鈕，總控制器發(fā)送控制指令至從控制器，從控制器運(yùn)算內(nèi)部邏輯控制程序，輸出Q0.0=1，繼電器KA1得電，泵站啟動。

泵站關(guān)閉：從控制器的選擇開關(guān)置于『遠(yuǎn)程』，按下『泵站關(guān)閉』按鈕，總控制器發(fā)送控制指令至從控制器，從控制器運(yùn)算內(nèi)部邏輯控制程序，輸出Q0.0=0，繼電器KA1失電，泵站停止。

預(yù)頂升：觸摸屏設(shè)置參數(shù)，按下『參數(shù)確認(rèn)』按鈕確認(rèn)參數(shù)設(shè)置，選擇開關(guān)置于『聯(lián)動』和『升降』，按下并保持聯(lián)動按鈕『預(yù)頂升』，總控制器根據(jù)從控制器發(fā)送的各個壓力傳感器的數(shù)值，運(yùn)行內(nèi)部比較程序，輸出控制指令至從控制器，從控制器根據(jù)接收到的指令，控制輸出Q0.1= 1，上升繼電器KA2得電，由此控制不同油缸的升降，直至壓力達(dá)到預(yù)頂升壓力。

同步上升：觸摸屏設(shè)置參數(shù)，按下『參數(shù)確認(rèn)』按鈕確認(rèn)參數(shù)設(shè)置，選擇開關(guān)置于『聯(lián)動』和『升降』，按下并保持聯(lián)動按鈕『上升』，總控制器根據(jù)從控制器發(fā)送的各個位移傳感器的數(shù)值，運(yùn)行內(nèi)部比較程序，輸出控制指令至從控制器，從控制器根據(jù)接收到的指令，控制輸出Q0.1=1或0，上升繼電器KA2得電或失電，由此控制不同油缸的同步上升。

同步下降：觸摸屏設(shè)置參數(shù)，按下『參數(shù)確認(rèn)』按鈕確認(rèn)參數(shù)設(shè)置，選擇開關(guān)置于『聯(lián)動』和『升降』，按下并保持聯(lián)動按鈕『下降』，總控制器根據(jù)從控制器發(fā)送的各個位移傳感器的數(shù)值，運(yùn)行內(nèi)部比較程序，輸出控制指令至從控制器，從控制器根據(jù)接收到的指令，控制輸出Q0.2=1或0，下降繼電器KA3得電或失電，由此控制不同油缸的同步下降。

單動上升：選擇開關(guān)置于『單動』和『升降』，按下并保持單動按鈕『上升』，總控制器根據(jù)輸入命令，發(fā)送控制指令至相應(yīng)的從控制器，從控制器根據(jù)接收到的指令，控制輸出Q0.1=1，上升繼電器KA2得電，油缸上升。

單動下降：選擇開關(guān)置于『單動』和『升降』，按下并保持單動按鈕『下降』，總控制器根據(jù)輸入命令，發(fā)送控制指令至相應(yīng)的從控制器，從控制器根據(jù)接收到的指令，控制輸出Q0.2=1，下降繼電器KA3得電，油缸下降。

平移：選擇開關(guān)置于『聯(lián)動』和『平移』，在進(jìn)入平移狀態(tài)時，總控制器記錄CY1和CY3的壓力，計算平均值P及其允許的上下偏差，在平移過程中CY1和CY3保持壓力在P的上下偏差范圍內(nèi)，CY4和CY6保持不動，CY2和CY5始終保持在輔助支撐壓力的上下偏差范圍內(nèi)。

2.2.2.3 位移傳感器的工作原理

60米箱梁移運(yùn)設(shè)備中采用拉繩式位移傳感器，又稱拉繩電子尺，拉繩電子尺的功能是把機(jī)械運(yùn)動轉(zhuǎn)換成可以計量，記錄或者傳送的電信號。拉繩式電子尺由可拉伸的不銹鋼繞在一個輪轂上，此輪轂與一個精密旋轉(zhuǎn)電位計連接在一起。操作上，拉繩式位移傳感器安裝在固定位置上，拉繩末端的掛鉤掛在移動物體上。拉繩直線運(yùn)動和移動物體運(yùn)動軸線對準(zhǔn)。運(yùn)動發(fā)生時，拉繩伸展和收縮。一個內(nèi)部彈簧保證拉繩的張緊度不變。輪轂帶動精密旋轉(zhuǎn)電位計旋轉(zhuǎn)，輸出一個與拉繩移動距離成比例的電流信號，測量輸出電流信號可以得出運(yùn)動物體的位移。

2.2.2.4 壓力傳感器工作原理

壓電效應(yīng)是壓力傳感器的主要工作原理，當(dāng)應(yīng)變片受到的壓力不同時，輸出的電信號就不同。60m箱梁移運(yùn)工程中采用的是輸出電流信號的壓力傳感器。壓力傳感器安裝于油缸無桿腔的油路回路中，用于測量油缸壓力，即被測油缸的負(fù)載。壓力傳感器連接到泵站上控制器的模擬量輸入端，泵站控制器通過工業(yè)現(xiàn)場總線通信系統(tǒng)連接到總控制器。

3 結(jié) 語

廣深高速機(jī)場特大橋60m箱梁的移運(yùn)方案是采用計算機(jī)作中央處理器、高技術(shù)的電子元器件作控制裝置、液壓頂作施力裝置、機(jī)械式橫移臺車作底座的綜合性方案。計算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、液壓技術(shù)、機(jī)械技術(shù)在此方案中得到了協(xié)調(diào)合理的利用。根據(jù)此種方案，我們可將之?dāng)U展開來。60m箱梁移運(yùn)采用的是電腦控制6點(diǎn)同步頂升移梁，若將此種方案經(jīng)過一定的改進(jìn)后，選擇合適的支點(diǎn)及控制支撐力，將同樣可以發(fā)展成為電腦控制8點(diǎn)、10、12等多點(diǎn)同步頂升移運(yùn)重物的裝置。此方案，在液壓頂?shù)倪x型（行程大小可變、噸位大小可變、單雙作用頂可變、機(jī)械鎖的有無）、液壓泵站的選型（流量可變、作業(yè)壓力可變）方面均可靈活變動，在對液壓頂進(jìn)行選型時，我們應(yīng)將液壓頂?shù)脑几叨燃{入選型的考慮范疇，液壓頂在同時選擇雙作用頂、帶機(jī)械鎖時，液壓頂?shù)脑几叨葘⑦h(yuǎn)高于同行程其它類型液壓頂?shù)母叨?。合理的利用此種方案，那么此種方案將實用于各種大型箱梁、船舶、鋼構(gòu)件等各種大型重物的陸上頂升或運(yùn)輸。

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