浅谈机电一体化在U梁预制施工中的应用

李春莉

摘要：随着城市轨道交通的深入推进，高架施工越来越多，U梁具有降噪效果好、外观美观、断面利用率高、造价低等优点，正在逐步推广，但同时对设计和施工提出了较高的要求。本文通过阐述在U梁预制施工，特别是张拉作业中的机电一体化技术应用，对该技术的工程实际运用方式进行探索。

关键词：机电一体化；U梁；自动张拉

中图分类号：TH-39 文献标识码：A 文章编号：1674—3024（2017）06—0167—02

引言

在现代城市建设过程中，轨道交通对缓解城市交通压力起到十分重要的作用。U型轨道梁最为一种新型高架梁型具备降噪效果好、外观美观、断面利用率高、造价低等优点，正在逐步推广。为进一步提高生产效率、提高产品质量，本项目部对U型梁预制过程中探索性的运用机电一体化技术，实现智能化生产。

1机电一体化技术简介

机电一体化是一门交叉性科学技术，它是由机械、电子技术及计算机科学等多个学科互相渗透而发展出来的。它的核心技术有机械本体技术、驱动技术、信息处理技术、接口技术等。

2 U梁预制施工简介

2.1U梁的结构介绍

目前国内开始使用u梁的城市有上海、南京、广州、青岛、天津等，以上海轨道交通十六号线为例，该工程采用的u梁上部结构采用单线开口薄壁形式（图1）。梁体基本外形尺寸：梁高1.8m，梁下口宽4.005m，上口宽5.205m，底板厚0.26～0.28m，跨径有25、27、30、35m四种，除标准梁外，还有变截面梁、加宽梁等非标准梁。两腹板为非对称形式，分别为弧形和直线折斜腹式，除纵向采用预应力外，横向与竖向不设置预应力，30m及以下梁采用先张法施工，混凝土强度等级为C55，30m以上，不大于35m的梁采用先、后张两种工艺相结合进行施工，混凝土强度等级为C60。

2.2U梁预制的特点与难点

与其他轨道交通工程一样，U梁预制的质量是工程成败的决定性因素，但因为采用了薄壁开口结构，相较于传统梁型，U梁预制工艺变得更为复杂。在U梁整个生产过程中的难点主要有以下几点：

（1）梁型多。标准直线梁有25、27、30、35m四种跨度，为降低造价，减少模型投入，模具采用了模数化设计，同一套模型可以兼顾所有跨度梁型的生产；非标准梁采用弧形结构，模具设计难度更大。

（2）设计配筋率为235kg/m3，局部钢筋密集，这就要求对钢筋进行高精度定位，加大了绑扎难度。

（3）U梁采用开口薄壁形式，腹板厚26～28cm，底板厚23cm，导致梁体抗扭刚度较一般结构弱，对预制、吊装、存放、运输提出了更高要求。

（4）采用先张法（30m以上梁采用先后张结合）预应力施工，整体梁力学性能受制于预应力施工质量，必须严格控制张拉质量。

（5）梁体外表面要求为清水混凝土效果，对混凝土质量要求较高，由于u梁局部钢筋密集，须保证混凝土连续浇筑并振捣密实，确保外观质量，对浇捣的要求高。

在这些施工难点中，预应力施工是关键工序，属于重中之重。传统张拉工艺可概括为：

（1）人工手动驱动油泵；

（2）根据压力表数值调整张拉力；

（3）压力表数值达到设计值时，测量张拉伸长值；

（4）人工记录张拉数据。

在整个过程中人为与设备对质量影响风险较大，极易造成超张或欠张，容易带来产品质量问题。

3机电一体化在U梁预制施工的应用实例——自动张拉设备介绍

为加强对U梁预制过程中的关键工序——预应力施工环节进行更为有效的质量控制，通过科技攻关，本项目率先采用了具有自主知识产权的全自动张拉设备，该套设备在机电一体化领域主要涉及了以下几个方面的技术运用：

（1）机械本体技术：除去钢筋混凝土台座以外，该套设备的机械部分主要由张拉油缸、泵站、油管、牵引座、牵引杆组成，电气部分包括同步控制器、同步子站、压力传感器、位移传感器、触摸屏等。在该部分设计过程中主要考虑功能要求和力学性能要求。在设计时，运用三维设计软件对系统进行了虚拟试验和力学计算。

（2）驱动技术：采用液压驱动，通过同步控制器控制同步子站的电磁阀的通断电，从而控制张拉油缸的动作和停止，由此来控制张拉油缸的同步，张拉油缸通过牵引杆带动牵引座运动，由此来控制固定在牵引座上的钢绞线的同步张拉。该子系统主要满足张拉工艺以及设备安全的要求，需要达到张拉所需的应力值。

（3）信息处理技术：压力传感器获取张拉应力值，位移传感器获取张拉位移数据，输入通过触摸屏实现，由同步控制器完成信息处理过程，信息输出主要通过数据接口输出。整个过程实现信息收集、处理的自动化和智能化。

（4）接口技术：系统通过标准数据接口将工艺参数和系统参数（工艺参数包括千斤顶号、梁号、张拉时间等参数，系统参数主要是位移精度、力偏差、油缸面积、油缸行程、阀开时间、阀关时间和存储区等参数）实时传递给场内信息管理平台，可以实现远程控制。

整个系统的工作流程如图2所示。

4运用机电一体化技术后的优点

相比于采用传统人工控制张拉过程，运用机电一体化技术后具有以下优点：

（1）真正实现“多顶同步”张拉所有钢绞线，使钢绞线的张力时刻保持一致，提高先张法预制梁的生产速度和质量，进而加快生产节奏，减少人工与模型投入，同时缩短施工周期；

（2）精确控制张拉应力。采用计算机控制，应力值精度控制可以达到0.1MPa，而传统手工控制一般在1MPa，精度提高了10倍。

（3）精确控制伸长值。位移传感器的精度可以达到0.01mm，传统人工读数一般在1mm，精度提高100倍，并且在伸长值不达标时，系统还可自动报警，实现“双控”目的。

（4）同步子站通過现场总线连接至同步控制器，可进行远程操作控制，避免危险作业区域的意外人身伤害，提高了施工过程的本质安全系数，为信息化生产和管理提供了硬件基础；

（5）使用闭环控制理念，实现自动化作业，减轻作业人员的工作负荷、提高作业效率，并提供数据输出打印功能，减少人为记录的差错并提高效率，使整个张拉过程可追踪，便于查询和存档，提升了管理水平。

由此可以看出，机电一体化产品是多门专业技术交叉融合的结果，是科学技术演进的方向。它带动现代工业发生跨越式的变革。大力发展和运用机电一体化技术，可以显著的提高施工生产的自动化程度，改变了传统施工作业方式，是促使机械产品向智能化演进，实践“中国制造2025”的有力推手。