浅析PLC液压控制系统在桥梁提升应用中的必要性

嵇旭红

桥梁整体顶升过程是一个包涵众多不可控因素的动态过程，其整体顶升过程中连续箱梁的每一联之间以及每个墩台的左右两边均有可能产生偏差，因此对于偏差大小需要在提升过程中及时发现并进行及时纠偏处理，基于此及时发现偏差问题以及发现偏差后的纠偏控制成为当前桥梁整体顶升过程的研究重点。

PLC液压控制系统;平移;整体顶升

 

自20世纪50年代起，顶升工艺开始出现于铁路项目桥梁的架设与移位中，此时顶升技术只是雏形，顶升重量较小，过程控制措施简陋，精度不高，偏差大。到90年代初期，随着社会快速发展，相关规划任然不成熟，有些新建不久的建筑物或者年代久远的建筑物所在位置阻碍后期建设规划，但拆之可惜。在此情况下，建筑物移位工艺得到迅速发展，并开始大量应用于桥梁顶升中，在计算机技术日趋成熟下，顶升技术被频繁运用于桥梁平移及顶升以及老桥支座更换领域，并成为了因空间限制而改造工程的主要技术手段。

南河特大桥位于江苏省溧阳市长深高速（宁杭段）新昌枢纽东南约2公里处，于2003年建成通车。本桥跨越芜申线运河高溧段，主桥为钢管混凝土系杆钢管拱桥，引桥为预应力组合小箱梁和现浇箱梁桥，全桥位于R=8500m的平曲线上，高速公路设计速度120km/h，双向六车道。北引桥纵坡为1.570%上坡，南引桥纵坡为1.570%下坡，桥梁处竖曲线半径20000m，路桥分界填土高度约6.5m，桥跨布置为10m×25m组合箱梁+130m钢管混凝土系杆拱+4×25m组合箱梁+（2×20+18+14）现浇连续箱梁+4×25m组合箱梁，组合箱梁为先简支后连续结构。桥梁总长659.44m，横向双幅布置，桥面全宽=15.75m（单幅宽度）+4.5m（中分带）+15.75m（单幅宽度）=36m，单幅桥横向布置为：0.5m（护栏）+15.25m（机动车道）+1m（护栏）=16.75m。桥位处水面宽60m，通行净高5m。

南河特大桥建成至今14年，由于桥梁航道净高不满足三级航道通航要求，对其进行整体顶升改造，整体顶升高度2.16m。

此阶段顶升过程主要采用的是人工控制液压千斤顶方式，采取该种方式较早、工艺相对成熟且记载详细的代表工程有2000年上海的吴淞大桥北引桥顶升，该工程的吴大桥北引桥与上海同济路立交桥相连接，研究发现吴淞大桥车流量大，商业街和民用住宅衔接紧张，周边场地狭小，若拆除重建，资源耗费、周边协调及交通影响等诸多压力降剧增，故采取顶升工艺最为恰当。顶升过程的控制靠“工人喊号子”的形式，统一喊，然后统一进行操作，这种控制方式极为不安全，也无法保证过程中每個点的同步，容易在顶升过程中对桥体本身造成结构损伤，因此该方式不适用于多跨的桥梁顶升施工。

该阶段已经有了长足进步，主要是采用计算机同步控制技术，由计算机控制液压千斤顶施加力，而对位移只进行监控。

例如：建于1930年的上海音乐厅，其位于上海市延安东路523号，系国内著名建筑师设计的具有西方古典韵味形式的成功案例之一，建筑总面积约为3000㎡，占地约为1254㎡，结构形式为框架-排架混合结构。因当时延安路需要拓宽和上海音乐厅需要整体改造，欲将其整体进行平移66.46m，并整体顶升，顶升高度为3.38m。这种形式风格及结构形式的建筑物进行平移、顶升，不论顶升高度还是其特殊的结构形式，均为国内首创，难度大。

该工程当时首次采用了由PLC控制的液压同步顶升系统，代表当时在国内建筑物平移领域的最高水平。该工程改造历时7个月，施工时在音乐厅的整个托盘下部布置59个顶升点，随后对每一个顶升点进行称重，然后根据相应的重量来具体设定顶升力的大小数值，将59个顶升点分成四个小组进行位移控制，该方法主要是通过事前所称重量来控制顶升力，位移只是辅助控制手段，其单个行程（10cm）顶升误差在1～5mm，精调是靠最后的支撑垫块，整个顶升误差累积在2cm以内。

该方式相对于人工喊口号控制有了大幅度的提升，属于半自动控制领域，已经基本可以满足一般性的工程顶升，但相对于跨数多、单个跨径大、结构形式多样的结构，顶升时依旧存在诸多不可控因素，甚至许多内在隐藏因素在过程中表象上无法发现，风险大且称重工序繁琐。

采用计算机同步控制技术，主要用计算机控制位移，同时对控制点的力设定一定范围，通过位移和力双控制。编程逻辑控制器，应用可编程存储器，具有“顺序控制”、“逻辑运算执行”、“计数”、“定时”等功能，在用户发出指令后，即可根据指令要求来控制生产过程。

本工程南河特大桥主桥为钢管混凝土系杆拱结构，跨径130m，引桥为先简支后连续的箱梁结构，长度529m。钢管砼系杆拱桥，柔性大，对位移误差敏感性高，现针对主桥远距离特点进行如下控制研究：针对主桥，应用8点同步控制系统来顶升，在具体操作时，针对各个控制点，都要进行详细分组。针对引桥，应用10点同步控制系统来顶升，操作方式与上述过程类似。除此之外，控制信号传输通讯模式，目前应用的多为模拟量传输方式，本工程采用了更可靠的数字信号传输模式，通过发送各项指令，在具体的操作环节中，借助人机交互形式，时刻了解顶升过程产生的误差并进行总体控制;本次研究的方法可随时作为相互补充备份的双电脑主站控制，避免出现单个总控操作平台突然失灵，而引起信号中断，并设计软件增强PLC控制系统灵敏度计算精度与频率;研究信号传输线传输率，增设设备信号增强器等措施，最终完成顶升后的误差在±5mm内，成功确保了信号传输的准确性。

為了提高大型结构同步顶升质量，常用半自动液压顶升系统，通过这一系统应用，有效解决重载顶升中存在的问题。但是，大型结构物的体积日益增大，重量越来越大，结构复杂，涉及的控制点多，对控制精度的要求也更高，为了满足操作系统，要求液压顶升系统能够做到多点同步升降，传统半自动液压顶升系统存在各类问题，为了提升工作质量，需要应用多点协调一致的处理方式。

本工程采用PLC控制下的变频调速控制（位移控制），多点同步液压升降控制系统可以很好的解决上述问题。

PLC液压同步控制系统是借助计算机技术来控制液压泵站、液压元件的一种方式，当发出指令之后，即可控制液压千斤顶的运行，再利用传感器、位移等，将各项参数的变化反馈至屏幕上，通过屏幕，操作人员即可随时了解参数的变化情况，如果其中存在异常，根据要求来调整。这种控制方式，是由计算机进行全程控制，可以确保液压千斤顶顶升运行的同步性，同时各点的力自动平衡调整，这样在顶升过程中保持各顶升力的平衡性。该种方式充分考虑到位移控制、力学控制要求。

首先，分散布置：大型建筑物体积大，在顶升时，需要合理控制执行机构，确保大型液压缸可以在各种情况下到达顶升支点。

其次，集中操作;大范围液压缸执行机构需要在大范围中进行，操作人员无法兼顾到各个问题，因此，这对操作质量提出更高要求，为此在整个过程中，需要充分考虑安全问题，由操作人员在中央控制室中进行操作。

再次，同步升降：顶升工程的结构质量常常是分布不均衡的，这样，顶升液压缸的受力情况也会出现差异，应用这一系统，可以解决液压缸出力不均的问题，避免升降环节结构变形过大，即便在带载下降的情况下，能够保证精度。针对桥梁调坡、顶升，也要满足同步运行要求。

最后，实时监控：由于操作人员要在中央控制室内对各液压缸进行遥操作，因此，在中央控制室内，操作人员不仅能够实时监控各液压缸的压力、位移大小，而且还能够检测压力、位移的变化趋势、历史纪录等;对于泵站各阀件的工作状态也能够实时监控，便于故障的排除。

传统顶升工艺在设备局限、荷载差异等因素影响下，可能会引起构件失效问题，带来一系列的安全隐患。基于此，本文推行PLC液压同步顶升技术，通过位移主控，力辅助控制的方式，解决了该领域中存在的各类问题，填补了研究空白，实践显示，设置PLC液压控制系统具有其重要意义。

[1] 中设设计集团股份有限公司.《芜申线（高溧段）航道整治工程南河特大桥施工图》等设计文件[Z].2013-12.

[2] 江苏从现代工程检测有限公司.宁杭高速公路2013年特殊结构桥梁专项检测报告[R].南京：江苏从现代工程检测有限公司，2013：12.

[3] 江苏省交通规划设计院股份有限公司工程质量检测中心.2014年度江苏省高速公路桥梁专项检测宁杭高速（一期）部分桥梁检测报告[R].南京：江苏省交通规划设计院股份有限公司工程质量检测中心，2015：01.

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部.桥梁顶升移位改造技术规范（GB/T 51256-2017）[Z].2017-07-31.

[5] 中华人民共和国交通运输部.公路桥梁加固施工技术规范规范（JTG/T J23-2008）[Z].2008-08-29.

[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构加固设计规范（GB50367-2013）[Z].2013-11-01.

[7] 中交第一公路工程局有限公司.公路桥涵施工技术规范（JTG/T F50-2011）[Z].2011-08-01.

[8] 中交公路规划设计院有限公司.公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D63-2007）[Z].2007-12-01.

[9] 中交公路规划设计院有限公司.公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2015）[Z].2015-09-09.

[10] 浙江省质量技术监督局.内河桥梁整体顶升规程（DB33/T 936-2014）[Z].2014-09-17.

The overall lifting process of the bridge is a dynamic process that contains many uncontrollable factors. During the overall lifting process， there may be deviations between each link of the continuous box girder and the left and right sides of each pier， so the size of the deviation needs to be In the process of lifting， timely detection and corrective processing is carried out. Based on this， timely detection of deviation problems and corrective control after deviations have become the research focus of the current overall lifting process of bridges.

PLC hydraulic control system; translation; overall jacking