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2.东南大学 南京 210096；3.江西赣粤高速公路股份有限公司 南昌 330025
摘要：支座是桥梁上部结构和下部结构的重要连接构件，在经历多年服役后，由于种种原因，支座病害现象相当普遍，桥梁支座更换是解决桥梁支座病害直接、有效的途径。支座更换需对梁体进行顶升，选择合理的同步顶升装置可为桥梁支座顺利更换提供重要保障。本文对梁体顶升理论、典型的液压同步顶升系统的工作原理和控制策略以及顶升设备选择等进行简要阐述分析，为今后桥梁支座更换中的顶升设备系统选择和应用提供参考。
关键词：公路桥梁；支座更换；顶升设备系统；PLC控制；计算机控制桥梁分泵组多点位移同步顶升
1引言
众所周知，支座位于桥梁上部结构和下部结构之间，是桥梁上、下部结构的主要连接构件。考虑减震与滑移作用，支座的材质通常主要由橡胶组成，构成支座的橡胶随着日益增长的交通量和服役年限增长，常常会出现开裂与老化，使得支座丧失既有功能，严重影响桥梁的使用寿命。因此，必要时需对损坏支座进行更换，确保交通的安全与畅通。
近年来，随着支座更换的进行，桥梁梁体的顶升水平有了一定的提高，施工经验得以累计。但是仍存在一些不足，主要表现在缺乏梁体顶升状态和控制策略的研究[1]。目前，在位移监测和反馈控制方法上，桥梁同步顶升系统均不能满足要求。在具体实施梁体顶升过程中，存在同步精度不够高、反馈控制能力差等重要问题，使得梁体内部出现次内力，梁体薄弱部位出现裂缝等现象，大大提高了桥梁后期维护成本。因此有必要对桥梁支座更换顶升设备进行研究，针对不同的桥梁，选用不同的顶升设备系统。
2桥梁整体顶升的理论基础
作为一种复杂的空间结构体系，桥梁结构分上、下部结构，而且往往表现出顺桥向尺寸远远大于横桥向的尺寸，上部结构和下部结构通常由设置的多点支撑连接，如桥梁支座。桥梁空间受力分析中，通常采用空间杆系有限元模型，其受力特性主要受顺桥向约束影响。
因此，在保证桥梁总体受力形态不改变的情况下，在原支座附近采用合适的临时支撑装置，并通过选用合适的同步顶升设备，使得桥梁的跨径或结构体系发生临时改变，并且使桥梁上部结构提升到预先设定的高度，通过桥墩墩台或支座垫石高度的增高，即可达到提升梁体、增加桥下净空的目的。为了避免局部承压破坏，实际桥梁结构中，支座通常位于桥梁上部结构的横隔梁或腹板正下方部位，这样，横隔梁和腹板也起到了为临时支撑装置提供平台、消除局部承压破坏的作用。同时，当临时支撑装置距离原有支座较近时，即可忽略其对桥跨结构受力状态的影响[2]。
梁体顶升过程中，由于采用的顶升设备存在同步精度差等问题，使得梁体产生次内力，可能促使其产生裂缝，给支座更换梁体顶升埋下了不利的安全隐患。支座更换梁体顶升对顶升设备有以下三个方面的要求[3,4]：
①顶升力控制：桥梁上部结构的复杂性和质量分布的差异性使得各个顶升千斤顶的负载存在一定的差异，因此，同步顶升系统对各个千斤顶的顶升力应具备可调节的能力，确保顶升力与实际负载相匹配；
②位移同步控制：梁体的顶升必须防止由于顶升位移不同步造成的梁体次内力的产生而引发的裂缝，这就要求同步顶升设备必须具备位移同步控制能力；
③位移和压力实时监控：梁体顶升过程中应保持同步顶升设备的顶升力受控，位移同步，避免出现过大的应力集中现象。
3 PLC控制液压同步顶升系统
3.1系统介绍[5]
PLC是ProgrammableLogicController的首字母，是编程逻辑控制器的英文翻译。PLC控制液压位移同步顶升系统涵盖了机械设备的感应、数字信号的传输和监控、计算机数字信号的处理、液压传动控制等技术，系统较为复杂。在桥梁支座更换和梁体顶升中，通过综合运用这些技术，可为其提供安全保障。
PLC控制液压位移同步顶升系统中，计算机采集到的位移信号通过分析系统采用专业的计算机模块处理程序进行科学准确的分析判断，该过程是一个比较重要的环节。该环节首先通过对相关数字信号的采集、图像的精确分析等技术，科学的确定系统整体控制节奏，然后通过将控制信号传输到电磁阀组，并结合相关感应器件的作用，以实现液压单元同步控制。
为适应PLC控制液压位移同步顶升系统的整体功能要求，液压控制阀组配备溢流阀、精密节流阀、液控单向阀、电磁截止阀等主要部件。支座更换和梁体顶升作业时，启动液压阀组，由高压油泵提供压力，并将压力油液输送到终端精密油压千斤顶来完成系统顶升作业。
3.2系统工作原理
液压动力系统与实时监控系统构成了PLC控制液压同步顶升系统的主要部分，完成了系统的主要功能。两者组合采用“工控机+可编程控制器+液压控制系统”组成分布式控制系统，可进行单独控制液压油缸。实时监控系统通过实时采集各顶升点压力、位移和梁体应力并与安全阈值进行比较，然后确定并自动执行顶升系统各个千斤顶的下一步动作，从而实现多液压缸负载不均衡同步自动升降。
PLC液压控制同步顶升系统在实际运作过程中，首先对梁体的实际重量进行精确称重，然后使用合适的高压液压千斤顶，平稳的顶升梁体，采用这种方法可以有效降低桥梁因顶升不同步而受到的附加内应力作用，并且液压千斤顶根据分布位置分成组，与桥梁两侧的位移传感器组成位移闭环，这样就可以更好地控制桥梁顶升的位移和姿态，同步精度达到±2.0mm，在这方面，我国的施工技术工艺已达到国际先进水平[6]。
PCL液压同步顶升系统具备功能齐全、可单独控制液压油缸、可实现力—位移双闭环控制、自由设置同步控制工作点数量等特点。
4计算机控制桥梁分泵组多点位移同步顶升系统
为了克服PLC控制液压位移同步顶升系统同步误差精度不够高、缺少安全保护措施的缺点，诞生了计算机控制桥梁分泵组多点位移同步顶升系统。
4.1系统介绍
计算机控制桥梁分泵组多点位移同步顶升系统是将数字监控传输、液压传动控制、计算机数字信号处理技术进行整合，并结合了机械设备系统与传统的结构分析技术。该设备有效的避免了梁体在顶升与复位过程中由于液压千斤顶不同步而产生的次内力，防止了裂缝的产生和原有裂缝的发展，确保了梁体的安全。系统内各油路中设置独立油压传感器及独立控制电磁阀门，做到对系统各油路的反力分别掌握、调整与控制。
4.2设备特点
①分泵组多点位移同步顶升系统通过整合目前先进的位移传感、数字传输、液压控制、计算机数字信号处理等综合交叉技术，有效的解决了支座更换梁体在顶升和复位过程中各个千斤顶位移不同步的问题。由此避免了整体顶升中病害支座附近各墩台或局部顶升中同一墩台上各支点间的竖向位移不同步而引起的梁体纵横方向次内力的出现，防止新裂缝的产生和既有裂缝的发展，确保了梁体结构的安全。
②系统工作原理：在同步顶升系统中，将激光位移计采集到的位移信号通过系统计算计进行判别处理，并采用其特殊处理模块对梁体顶升的过程和步骤进行控制。经中央计算机处理后的控制数据，传输到模块并输出数字信号，然后将数字信号传输到系统的电磁阀组，借助传输到电磁阀组的数字信号来控制各液压油路的流量，最终达到实现液压单元的同步和控制。
③系统特点：多泵组位移同步顶升系统可适应任意额定顶升能力的千斤顶装置。同时，该系统采用模块式体系，各个分泵组系统通过简单的插接可实现拼接与扩展，因此在理论上可实现无限扩容，即：位移同步顶升对任意长度、宽度及任意支点数量的桥梁结构均可实现。通过连接微型激光位移计进行位移信号采集的设备具备标准化的计算机接口，该接口可与计算机连接，实现实时通讯，此外，该设备还具备现场安装方便的优点。标准配备八台分泵组单元构成标准系统模块，一个标准系统模块可同时控制16路液压同步通道，集中控制平台可对任意通道进行单独控制。各泵单元系统由液压终端工作单元、控制阀组、小型液压泵站、高压连接管路、位移传感器、压力传感器和数字信号传输控制等模块组成。分泵组单元接收来自于集中控制平台发出的指令，将各个传感器监测的信息传输至集中控制平台，通过其一定的逻辑分析和判断来进行命令操作。在系统中，各分泵单元通过以太网连接，信号传输采用数字信号电缆完成，最终由计算机控制各个模块。通过以太网实现各个分泵单元与集中式控制平台之间的互连和扩展，最后所有的通道节点的监控和控制由计算机提供人机交互界面来完成。
4.3设备主要技术指标
多泵组位移同步顶升系统具备60MPa的最大工作油压和380V的额定工作电压，其额定功率为500W；采用的位移传感器类型为激光式位移传感器，该传感器具有的分辨率可达0.1mm、最小顶升位移步长可达0.2mm，同步顶升位移差异可控制在0.2mm以内。
4.4同步顶升控制算法[7]
目前，液压同步顶升系统的控制算法通常采用PID控制算法，其中有95%以上的工业控制器采用该控制算法。PID控制的速度、精度以及稳定性可满足于大多数应用场合，并且不依赖于受控对象的数学模型。式(1)即为PID控制算法的数学表达式[8]。
式中：为控制算法的比例系数；为控制算法的积分时间常数；为控制算法的微分时间常数；为控制算法的同步位移误差；为控制算法的控制输出量。
显然，该算法具有比例、积分、微分3个控制环节。通过对同步位移误差进行增益放大，比例环节可实现系统纠偏响应的加速，并且通过调节参数，可实现系统响应速度的改变。参数越大，响应速度越快，但当参数达到一定值后会使系统超调，出现振荡现象。稳态误差的消除依赖于积分环节，通过改变参数，可改变稳态误差的消除速度。增大参数，可提高稳态误差的消除速度，但是与比例环节类似，系统会随着积分作用的增强呈现出的剧烈振荡和稳定性破坏。误差发展趋势的预判和超前控制的产生依赖于微分环节作用，与此同时，微分环节对噪声具有放大作用，使得系统的抗干扰性降低。通过三个参数，，的整定，即可完成PID控制器设计的主要工作，使系统在响应速度和稳定性二者之间达到平衡。
4.5设备的适用范围
计算机控制桥梁分泵组多点位移同步顶升系统具备无限扩容、“同步”顶升精度高、各个千斤顶可实现单独控制、位移和压力可实现双闭环控制等优点，可适用于以下场合：
①大吨位、大跨度、多孔连续箱梁桥或带有横向联系构造的各类梁式桥的支座更换和维修。由于桥梁下部净空需要增大所引起的桥梁上部结构的整体抬升。
②由于桥梁下部净空需要增大所引起的桥梁上部结构的整体抬升。
③大型结构物由于特殊施工工艺需要所带来的整体竖向落架工作；
④需对基础沉降进行位移补偿的大型现浇混凝土结构的浇筑支撑结构；
⑤顶升同步位移精度要求较高的作业场合。
5支座更换顶升设备选用
桥梁支座更换施工是在桥梁底面和桥墩之间进行，跨径较小的桥梁大多以手动操作、人工现场监测、总指挥协调的方式进行。大跨径桥梁通常采用多点自动液压同步顶升系统和载荷、位移、应力监测控制系统更换桥梁支座既安全又方便。采用手动液压机系统，总指挥协调、现场的技术管理、操作工人等岗位均需要具有相当技术素质和较丰富的桥梁加固工作经验人员。经过调研，采用PLC控制的多点同步顶升液压系统，微机控制界面简洁易用，成套设备采用闭环控制方式，稳定性好，技术力量配备主要集中在设备操作和现场观测上，技术人员可通过实时数据反馈、同时观测现场状况，通过辅助工人即可较好控制施工过程。
综合考虑，支座更换梁体顶升设备以PLC多点同步顶升液压系统为主。小跨径桥梁及现场条件不宜放置大型液压系统时，则采用便携式电动液压泵站驱动，液压油管、油路块等辅材可以通用，同时满足现有主要以T梁和预应力空心板等结构形式的桥型应用。
6结论
公路桥梁支座更换顶升施工，采用计算机控制的双控同步顶升技术可最大程度的简化施工工序、降低施工难度、节约工程投资、加快施工进度。采用液压同步控制技术对既有桥梁梁体进行改造、扩建工程，可以大大减少因桥梁梁体顶升引起的桥梁损坏，减少桥梁后期维护成本，对保证施工安全、提高交通行业施工自动化水平具有显著的优势。
参考文献
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论文作者:熬玉平,马丰博,刘静,李慧乐,吴刚
论文发表刊物:《防护工程》2018年第26期
论文发表时间:2018/12/19
标签：桥梁论文; 支座论文; 位移论文; 系统论文; 液压论文; 结构论文; 多点论文; 《防护工程》2018年第26期论文;