桥梁高墩辊模升降液压自动平衡控制系统的设计与应用

张长青

(中交一公局北京建筑分公司，北京 100024)

0 引 言

随着时代的飞速发展，中国东西部、南北方之间的经济、文化往来更加紧密，四海进一步融合，对现代交通提出更高的要求，各种高速公路、铁路拔地而起。高墩施工作为桥梁施工的关键一环，经历了从传统的翻模、爬模到滑模、辊磨的改进，实现了由简单的人工到机械化施工的变革，大大减少了人工和起吊设备的作业。常规高墩模板的尺寸较大，多油缸同步顶升难以实现，且模板升降需要人为操控，提升精度差，很容易造成模板倾斜，进而引发严重的安全、质量事故。本文在阐述桥梁高墩模板升降液压自动平衡调整系统的设计与应用的同时，将智能控制技术与辊模施工相结合，解决模板同步升降控制及位移精度控制问题，实现高墩模板升降的自动平衡调整，提高高墩辊模整体施工质量。

1 行业背景

由于中国地形复杂，山地以及江河所占面积大，越来越多的高墩、大跨桥梁建设在地形险峻的地区，建设难度系数越来越大。现如今道路桥梁建设速度日益加快，工期变短，桥墩作为高架安全的基础，是整个高架施工的重点和难点，对建设工期影响很大。为确保高墩施工的安全和整体质量,必须根据工程的实际情况，选择与之相适应的施工工艺。目前国内高墩模板施工中常采用的施工方法有以下几种[1-2]。

(1)翻模。需要在现场搭支撑支架，然后一节一节安装高墩模板，采用塔式起重机分块提升模板。由于翻模模板提升需要塔吊或吊车与人工配合，垂直度校正困难且墩柱成型后垂直度差，而且模板接缝错台、漏浆、拉杆孔多也导致墩柱外观差。

(2)爬模。爬模技术是在翻模支架系统的基础上进行改进，将爬升模板依附在建筑结构上，随着结构施工而逐层上升的一种模板。它将模板、支撑平台与爬升架连接成一个整体，当结构混凝土达到拆模强度而脱模后，模板不落地，通过预埋在墩柱内的导轨，利用机械设备和支承体将模板和爬模装置向上爬升一层，定位紧固，依靠导轨埋件承担竖向荷载，反复循环施工。爬模施工存在的问题有:工序繁琐，模板垂直度调整难度大，拉杆孔、错台漏浆现象严重，混凝土表面质量难以保证[3]。

图1 高墩模板的翻模和爬模施工

(3)滑模。滑模是在爬模基础上进一步改进模板提升工艺：利用自身提升动力系统(主要是液压油缸顶升)，通过预埋在墩柱混凝土内的导轨支撑和液压油缸进行顶升，同步提升钢模及系统平台，顺墩柱混凝土侧面滑动到上一层浇筑位置。由于钢模板与混凝土直接接触，混凝土浇筑时关系模板顶升阻力大，局部顶升阻力不均匀，而且滑模使用顶升油缸作为单向步进油缸(猴爬杆)，只能向上不能向下，所以造成模板模架姿态调整困难，墩身垂直度和直线度难以保证；同时，滑模模板与混凝土直接接触，在滑升的过程中墩身表面混凝土容易拉裂，造成混凝土外观质量差。滑模具有机械化程度高、结构整体性好、施工速度快、节约材料和人工等优点，既降低了安全风险，同时也保证了浇筑的连续性，大大提升工作效率；但是由于其工况复杂、顶升机构简单、操作难度大、模板模架姿态调整难度大，墩柱垂直度和直线度难以保证[4]。

(4)辊模。辊模爬升系统是在滑模提升系统的基础上进一步改进模板模架提升和质量隐患问题。辊模提升动力系统(主要是液压油缸顶升)通过预埋在墩柱混凝土内的导柱支撑液压油缸进行顶升，同步提升模框和工作系统平台，顺墩柱混凝土侧面连续爬升。辊模模框内布置高分子内衬模板，内衬模以甲板槽形式互相连接，采用翻升方式接高，避免接缝漏浆，使辊模模架与墩柱混凝土侧面部分分离，有效地减少了外模框与系统平台提升过程中的阻力，进一步提高了混凝土外观质量。模架提升系统采用电脑自动同步顶升，自动模框水平或垂直调整控制，模架顶升后无需再进行调整，具有机械化程度高、结构整体性好、施工速度快、节约材料和人工等优点，既降低了安全风险，同时也保证了浇筑的连续性，大大提升工作效率。

图2 高墩模板的滑模和辊模施工

综上所述，爬模、辊模更具有高墩施工的适应性，且辊模在模板系统提升时实现了内衬模板与混凝土侧面的分离，减少了摩擦和扰动，提升了墩柱的观感质量和施工效率。

然而，反观爬模和辊模的自身提升动力系统，均存在一个共性难题，即单纯地以液压油缸通过人工操作控制提升模板，模板的升降需要人为操作控制并重复进行模板位置的复核和调整，高墩的垂直度很大程度上决定于工人的操作水平。由于高墩模板尺寸较大，需要多个油缸共同顶升，单纯依靠人工无法实现多油缸的同步监控，很容易造成模板倾斜，导致墩柱表面不垂直，严重时会造成平台倾斜过大、导轨弯曲、混凝土表面拉裂等后果；而且由于人工控制有随意性强和精确度低的特点，很难及时发现模板倾斜，目前常用做法是依靠测量人员反复进行模板位置的复核来控制偏差，消耗大量的人力和时间，却无法从根本上解决此问题，严重影响墩身施工质量。

高墩的施工质量和施工效率难以得到保证，这也成为目前业内普遍认为此种工艺控制要求较高的主要原因，极大地限制了该工艺的推广普及。想要进一步提高施工质量和施工效率，就需要寻找一种更科学的高墩模板施工方法。桥梁高墩模板升降液压自动平衡调整系统由于很好地适应了这些需求，能够在各种地形环境下使用，实现安全、高效、高质量的施工，从而在根本上解决了上述难题。

2 核心技术原理

液压千斤顶的同步顶升机械化在爬模、辊模施工中得到广泛的运用，大大减少了人工和起吊设备的使用，实现了高墩模板机械化作业，但高墩的施工质量和施工效率难以保证又限制了该技术的推广。

传统人工操作法只能适应1～2个油缸同时工作的情况，而目前常见的高墩尺寸达12.5 m×6.5 m，至少要配置4～6套液压千斤顶；且人工无法同时准确监控并协调多组油缸顶升，一旦油缸顶升不同步，也很难及时发现并作出正确处理，容易导致质量和安全事故的发生。高墩模架升降液压自动平衡调整系统运用智能化技术，通过油缸位移传感器、模架垂直度传感器、模架水平传感器和智能中控系统控制模板升降，将人工无法完成的多单元协同监测作业交给计算机来处理，利用高精度电子传感器代替传统测量仪器，大大提高了监测精度，有效地解决模板同步升降控制及位移精度控制问题,保证了模板顶升过程中的垂直度，实现高墩模架升降液压智能化自动平衡调整，提高了模板运作效率和墩柱施工质量。

3 系统组成

高墩模架升降液压自动平衡调整系统主要由模板系统、工作台、升降动力系统、油缸位移传感器、模架垂直度传感器、模架水平传感器以及PLC工控、中控系统组成，如图3所示。

图3 系统结构示意

3.1 模板系统

模板系统沿用辊模结构中的框架结构和辊动系统，通过预埋在已浇筑完成的墩柱内的导轨支撑。模板系统既可承担竖向力，也可抵抗较大的水平荷载，因此安全性相对较高。模板系统采用外框架与内衬模分离的技术，外模板自动滑升，内衬模板人工翻升，整个外框架则起到模板支撑作用以及施工操作平台的作用，如图4所示。

图4 模板系统

模板系统由专业厂家统一定制，外模板一次安装就位，并在墩柱四周形成闭合体系，从墩底可一直提升至墩顶，提高了周转材料的利用率；模板操作平台与装修平台全部闭合连接，安装精度偏差能够控制在 5 mm以内，施工安全性高。

在顶升过程中，高分子内衬模板相对于混凝土表面是相对静止的，而外框架沿预埋的导轨支撑辊动上升，确保混凝土在外框架提升过程中不受到扰动和摩擦，提高混凝土观感质量的同时保证了混凝土的耐久性。内衬模板采用高分子PVC板，轻便、易安装和拆除、强度高、表面光滑，减少了工人作业强度，降低了施工安全风险。

3.2 升降动力系统

图5 液压原理

升降动力系统采用液压千斤顶结构，液压部分包括油泵、顶升油缸、电控组合多路阀、上下锁紧油缸，如图5所示，油泵和顶升油缸为整个模板提升系统提供升降动力。根据墩柱的不同尺寸，选用4～6套液压千斤顶作为升降动力系统可具有较好的机械化性能。

升降动力系统的运行原理：首先在墩身上预埋导轨，将空心油缸套在导轨上，利用油缸横梁将模板及工作台吊挂；油缸在导轨上逐步爬升，带动模架上升(灌注混凝土后再顶升)，实现连续浇注混凝土。整个过程的重点是要求顶升油缸带动面板同步水平上升，保证浇筑墩身的垂直度。油缸在顶升工作前，下锁紧油缸锁紧，上锁紧油缸松开；工作中上下锁紧油缸同时锁紧；油缸回程时，上锁紧油缸锁紧不动，下锁紧油缸再次松开，油缸缩回，完成顶升作业，同时为下一次顶升作业做好准备。千斤顶布置见图6。

图6 液压千斤顶布置

油缸顶升速度均匀控制在50 mm·min-1；4～6套顶升油缸可单独手动控制，也可由自动系统联动控制。在自动顶升过程中各油缸行进同步，模板平衡上升，确保墩柱垂直度及工作平台的水平度。

3.3 自动顶升控制系统

油缸位移传感器是一种线性传感器，对结构的位置移动数据进行收集和传输。WYDC系列位移传感器基于变压器原理，通过一次线圈与二次线圈弱电磁耦合，使得铁芯的位移变化量与输出电讯号变化量呈精密线性关系，可以直接把机械变化量转变为标准电讯号供给PLC系统进行过程控制。竖直位移传感器配置4～6组(与液压千斤顶数量相同)，行程为0～200 mm，供电电压为24VDC，工作输出电流为4～20 mA，控制精度为2‰。在各油缸机构上分别安装WYDC位移传感器。

水平和垂直传感器各配置4套，水平传感器固定在模架平台四边中部，垂直传感器对称安装在模架2个立面的交角竖向外框架上。水平传感器选用MA-2A传导式双轴倾角传感器，量程为双轴各±30°，工作温度为-40 ℃～85 ℃，供电电压为24VDC，工作输出电流为4～20 mA，采用总线接口数字输出。垂直传感器选用HVT120T双轴数字倾角传感器，量程为双轴±30°，供电电压为24VDC，工作输出电流为15～40 mA。

上述2种传感器可通过系统软件对波特率、传输速度及零点进行编辑控制，具有行程大、精度高、稳定性好、安装使用方便等优点。水平、竖直及油缸位移传感器布置如图7所示。

图7 传感器布置

模板上升时，3种类型传感器同时工作，水平、竖直或油缸位移传感器同步监控，当传感器检测到模板工作平台在任意方向上发生倾斜，并达到预定的报警阈值时(蜂鸣报警器开启)，PLC中控系统会自动识别顶升速度过快的油缸，暂停该油缸的电磁阀，使其停止顶升作业，其他油缸继续顶升至各油缸达到同一位置，中控系统发出信号，再次同步顶升。

3.4 PLC中控系统

采用世界先进的日本三菱PLC 中控系统进行信号采集、运算处理以及逻辑控制。PLC控制系统(Programmable Logic Controller)，即可编程逻辑控制器，是一种数字运算操作的电子系统，采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟方式控制各种类型机械的输入/输出或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，与工业控制系统联成一个整体，具有通用性好、灵活性强、抗干扰能力强、可靠性高、与外部设备连线方便、功能扩展能力强、控制系统设计调试周期短等特点，在当今工业控制系统中广泛应用。

通用微机系统功能强大，但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰、电源波动、机械振动、温度和湿度的变化，都可能导致一般通用微机不能正常工作。采用PLC微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和繁杂连线被软件程序所取代，故寿命及可靠性大大提高，从实际使用情况来看，PLC控制系统的平均无故障时间一般可达4～5万h。PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，能适应各种强烈干扰的工业现场，并具有故障自诊断能力。信号检测及闭环控制架构见图8。

图8 信号检测及闭环控制架构

图10 系统控制流程

施工过程中由各传感器将监测的信号实时传输给PLC中控系统，PLC根据运算公式进行PID调节，保证水平度、垂直度以及速度按着设定的曲线进行。因为每个现场桥墩的生产工作环境错综复杂，导致控制参数需要根据现场进行设置，本系统充分考虑现场施工设置问题，开发了简洁明了的人机交互界面，通过无线网络桥接技术，在施工现场覆盖无线互联网信号，使用平板电脑进行远程操控，操作员在监控室通过人机交互界面即可对施工现场进行控制，及时下达命令调整运行参数，见图9。同时，施工过程所有数据资料统一上传至云端数据库，实现了过程数据的可追溯，有利于工程师进行大数据分析。

控制流程为触摸屏输入命令，按键确定启动后，油缸同步升降； PLC中控系统接收模架状态信号；通过水平、竖直、油缸位移传感器同步监测模板系统是否倾斜(由于模具摩擦系数及质量不同，各油缸升降阻力可能不一样，会造成各油缸顶升速度不同步，从而导致模板系统发生倾斜)，一旦倾斜度超过报警限值，PLC中控系统接收警报信号控制蜂鸣器报警，确定顶升速度过快油缸的位置，发出信号暂停此油缸的电磁阀，等待其他油缸顶升至同一位置后再接通电磁阀继续同步升降，从而实现整个模板平台的同步升降，如图10所示，主要元器件参数见表1。

表1 主要元器件参数

4 功能特点

桥梁高墩模架采用液压千斤顶作为升降动力系统，很好地利用了机械顶升的动力机构，实现了机械化作业；利用多重传感监控和智能中控系统控制模板升降，实现了精确控制、自动调平的智能化作业，相比传统工艺技术具有以下优势。

(1)自动平衡系统解决了高墩施工安装模板中垂直度控制的难题，垂直精度高。

(2)通过水平/竖直传感器的合理布置，中控系统能够即时检测到平台是否发生倾斜，及时报警，有效避免了平台顶升不同步导致模架和导轨发生刚性变形，降低安全风险。

(3)通过自动平衡系统，无需再反复复核模板位置，简化了操作工艺，提高了施工效率，推动了高墩模板施工技术向智能化的方向发展。

(4)运用智能化中控系统，省去人工和设备投入,缩短了高空中作业时间，降低了操作人员的安全风险，减少了能源的消耗，节约施工成本。

(5)模架系统形成闭合的、全方位的操作平台，可重复利用，易周转，施工单位不必为重新搭设操作平台而浪费材料和劳动力，实现了绿色施工。

(6)通过自动平衡系统实现了整体结构同步顶升，稳定性好，在模板安装、拆除及钢筋安装作业过程中安全风险低。

(7)模架一次组装后，一直到顶不落地，节省了施工场地，而且减少了模板的损耗,特别是重复吊运造成的面板碰伤损毁。

(8)运用该施工技术可明显提高高墩混凝土外观质量。

(9)该系统改善了常规高墩施工中人工操作困难、劳动强度大、施工效率低、施工精度差、施工安全保障差、高空施工作业条件差等不利因素。

5 结 语

高墩施工技术不断由翻模到爬模、辊模等的优化和改进，也是由简单的人工和设备配合施工进阶为机械化、智能化施工的过程，从而提升了作业效率、生产质量，降低了安全隐患和施工风险。桥梁高墩辊模模架升降液压自动平衡控制系统将智能控制技术与辊模施工相结合，解决了模板同步升降控制及位移精度控制问题，实现了高墩模板升降的自动平衡调整，提升了模板安装的精度，减少了人为的误差，提高了高墩辊模整体施工质量。

本技术目前已在荣乌高速、沿德高速及重庆长江驸马大桥高墩施工中进行了应用，效果显著，取得了良好的社会效益和经济效益。