伺服系统在桥梁施工质量控制中的应用

李康建 赵曜 李巧巧 吕明磊

摘 要：伺服系统通常由比较元件、调节元件、执行元件、控制单元等组成，是一种可实现被控对象的位置、速度、状态等输出量随输入量的变化而精确变化的自动控制系统，目前已在航空、化工、冶金、机械、运输等多领域得到广泛应用，是提高工作效率、降低对人工依赖度的有效途径。本文介绍了伺服系统的原理与基本组成，重点分析了伺服系统在桥梁工程的力学试验机、预应力张拉设备和预应力孔道压浆设备上的应用。相对于传统的设备与工艺，伺服系统应用于桥梁工程的力学试验机、预应力张拉设备及预应力孔道压浆设备，实现了力学试验、预应力张拉工艺与孔道压浆工艺的自动化、智能化、精准化、同步化与可视化，并可按需设置不合格预警，有效提升了桥梁施工质量的管理水平。

关键词：伺服系统; 桥梁工程; 质量控制; 预应力张拉; 力学试验

中图分类号：TG334.9        文献标识码：A        文章編号：1006-3315（2021）11-187-002

科学技术的进步，让机械、电子、信息、网络等技术实现了深度融合，带动了不同领域协同发展，伺服技术如虎添翼。我国桥梁建设正在经历由传统向现代化的迈进，无论是施工机械装备、施工工艺，还是施工质量检测与控制手段等均取得了长足的进步。特别是以往一些受人为因素影响较大的施工工序，或对作业人员操作水平要求较高的施工工艺（例如油压、气压设备及与之相关的施工工艺与检测方法等），正逐步趋于精确化、自动化和效率化，而这些显著的进步均是得益于“伺服系统”的推广应用。

1.伺服系统简介

“伺服”—词源于希腊语，是指“奴隶”。工业领域内将机构或工具能服从控制信号的要求而做出相应动作的性能称为“伺服”性能。“伺服系统”因此而得名。伺服系统，又称随动系统，是构成自动化体系的基本环节，是指通过各种自动化控制，使被控对象的某种状态（例如位置、速度、力矩、转矩等）能自动地、连续地、精确地服从输入量（或给定值）的变化而变化^[1]。伺服系统的基本任务是按控制命令的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，保证被控对象的输出状态按输入信号的规律运动，并使输入与输出之间的偏差不超过允许的误差范围^[1]。伺服系统的性能优势主要体现在稳定性、准确性和快速性等三个方面^[2]。这也是现阶段伺服系统的应用几乎遍及社会各个领域的主要原因。

一个典型的伺服系统主要由比较元件、调节元件、执行元件、控制单元等部分组成^[2]。伺服系统的基本工作原理是：由比较元件测量系统的输入量与输出量之间的偏差，获得偏差信号;调节元件将偏差信号放大，并判断其变化趋势，确定调节节奏;然后由执行元件输出足够功率，直接对被控对象进行控制，从而保证输出量在预期误差范围内。在此过程中，控制单元就像人的大脑，通过算法完成控制功能（下达指令）。

伺服系统的结构形式多种多样，按照伺服系统中主要元件的种类、特征，可划分出不同种类的伺服系统。例如，按照执行元件的种类，伺服系统可分为电动伺服系统、液压伺服系统、电液伺服系统、起亚伺服系统和电气伺服系统等^[2]。

2.伺服系统在桥梁施工质量控制中的应用

桥梁施工中使用的一些对精度要求较高的机械设备，例如预应力张拉设备、压力机、万能试验机、预应力管道压浆设备等多采用液压控制，需要通过人工进油调节与回油调节，来实现对力（或压力）的大小与变化速度的控制，实际作业过程受人为因素影响较大。通过“伺服系统”对上述设备进行升级改造，就能使施工过程和试验过程实现按输入命令的快速、精准和稳定控制，以减少人为和外界因素对系统产生的各种干扰，对于提高桥梁施工质量、提升桥梁施工管理水平等均有着重要的现实意义。

2.1伺服系统用于材料试验机

水泥、碎石、混凝土与钢筋等是桥梁施工常用的几类原材料。其中，水泥的抗折强度、抗压强度，碎石压碎值与混凝土的抗压强度，钢筋的抗拉强度等力学指标是此类原材料质量控制的主要指标。水泥抗折强度、抗压强度试验采用抗折抗压试验机，碎石压碎值与混凝土强度试验采用压力机，钢筋抗拉强度试验采用万能试验机，虽然试验设备各不相同，但此类试验有着以下共同特点：

（1）试验过程对施加荷载大小、加荷速度、稳压时间等均具有明确要求;

（2）试验过程中需要试验人员判断试验状态，例如压力机上受压试件的破坏状态与力的峰值，万能试验机进行钢筋拉伸试验时钢筋的屈服荷载与最大荷载等^[3]。

上述试验设备均为液压设备，传统设备均需通过试验人员操作油压调节阀，调节施加荷载的大小与加载速度等，同时需要人为判断试件在试验过程中所处的状态。因此，传统试验设备难以实现对试验过程的精准控制，而因此造成的试验误差会对后续各结构构件的施工质量造成一定影响，并可能成为桥梁服役期内的安全隐患。

电液伺服阀主要用于电液伺服系统，其作用是将小功率的电信号转换为大功率的液压输出，通过液压执行机构来实现对机械设备的自动化控制。通过对上述试验设备配制电液伺服阀、精密油泵、机伺服控制器及显示器等硬件设备，同时安装数据分析软件，就可以实现以下功能：

（1）试验数据的实时自动采集、分析和处理，包括试验应力、钢筋屈服强度、时间变形量、稳压时间等，绘制试验过程曲线，并生成试验报告;

（2）试验过程的等速应力、等速应变、等速位移、荷载保持、位移保持等;

（3）试验过程的自动、精准、全过程控制;

（4）根据提前设置的“不合格”预警，对试验结果进行判断，以加强对原材料质量的监督管理;

（5）避免了试验过程中试验人员的近距离观察与全程看守，降低了因试验设备故障或操作失误而引起的安全事故发生率。

2.2伺服系统用于预应力张拉设备

水泥混凝土具有先天性抗拉力不足的缺陷，混凝土桥梁在使用一段时间后，均会出现不同程度的下挠、开裂等现象，影响桥梁的服役质量和使用寿命。因此，现代桥梁建设通常采用预应力张拉技术，在桥梁混凝土构件承受外荷载之前，对受拉模块中的钢筋、钢丝束或钢绞线，预先施加一定预压应力（即反作用力），提高构件的刚度和抗弯能力，推迟裂缝在使用期间的出现时间，从而提高构件的耐久性^[4]。

预应力张拉施工是由两个张拉千斤顶在混凝土构件两端同时张拉，以应力为控制指标、以伸长量误差作为校对指标，并要求两个张拉千斤顶同步工作。使用传统预应力张拉设备时，需要通过人工识读仪表盘数值来判断张拉力的大小，手动操作油压调节阀控制压力并使其保持恒定，并用钢尺测量千斤顶活塞外露的实际伸长值。

近几年，自动化程度较高的智能张拉系统在预应力张拉施工中逐步得到推广与应用。预应力智能张拉系统，其实质是对传统预应力张拉设备的“伺服”化改造，即在原有设备基础上，增设了伺服油源系统、压力传感器、位移传感器、控制系统及无线传输模块等。预应力张拉过程中，伺服控制器通过压力与伸长量传感器实时自动采集数据，并将数据传输给控制系统，由控制系统对数据进行分析，并与预设的目标值进行比较，计算控制的同步偏差，同时根据偏差值的大小、经比例-积分-微分（PID）控制器计算得到实际需要控制的具体数值，并实时将指令发送给伺服油源系统进行纠偏和协调控制，确保预应力张拉的同步性^[5];张拉设备（或泵站）接受来自系统的指令，同步控制每台设备的每一个机械动作，实现对张拉力和加载速度的实时精准控制，并自动完成整个张拉过程，确保预应力张拉的精确性。

“伺服系统”在预应力张拉设备中的应用，使传统预应力张拉设备得以智能化，具有以下功能优势：

（1）预应力张拉的实时自动化精确控制，包括张拉应力、伸长量、张拉同步性等;

（2）实现了张拉数据的实时传送，第一时间进行预应力张拉质量的判断，可预设“不合格”预警，加强质量管控;

（3）实现了张拉过程的全过程记录，弥补了传统预应力张拉中过程数据的缺失。可通过数据还原张拉过程，并进行张拉质量的分析以及张拉问题的追溯^[6];

（4）通过对张拉全过程数据的二次加工，可进一步挖掘分析张拉初始应力等参数，使得张拉工艺更加科学合理;

（5）自动生成施工报表，减少了报告的编制工作。

2.3伺服系统用于预应力孔道压浆设备

采用后张法施工预应力构件在预应力张拉完成后，还需要对预埋的张拉孔道进行压浆施工，使水泥浆饱满填充孔道内壁与预应力钢筋、钢丝束或钢绞线之间的空隙，并在固结后能保持较好的密实度，以确保预应力筋不会快速锈蚀、松弛，同时保证预应力筋和结构共同工作，从而有效提升桥梁整体的结构强度和耐久性。与传统预应力张拉设备一样，传统预应力孔道压浆设备在使用过程中对人工的依赖程度同样较高。例如，孔道压浆过程中需要操作人员时刻关注压力表盘数值，判断压浆状态，同时调整压浆压力和稳压时间，经验不足或操作不当时，均会造成孔道压浆不密实，不能完全均匀包裹预应力筋，进而加速预应力的松弛。除此之外，采用人工的方式记录压浆过程，数据可能被篡改，可信度不高。

通过对传统孔道压浆设备进行“伺服”化改造，采用伺服式压浆泵替代普通压浆泵，并在原有设备上增设压力传感器、流量传感器、控制系统、无线传输模块等。孔道压浆施工中，伺服控制器通过压力传感器实时采集孔道的进浆口和出浆口的压力值，并通过无线传输模块将数据传输给控制系统;控制系统对数据进行分析，计算孔道进、出口压力损失值，同时与预设的压力值进行对比，计算偏差值，并实时将指令发送给伺服压浆泵;由伺服压浆泵自动调整压浆压力，确保整个压浆施工中的压浆压力值在预设误差范围内，实现压浆压力和稳压时间的精准控制^[7]。与此同时，安装在进浆管和回流管上的流量传感器将实时采集的进浆量和回浆量数据传至控制系统，由控制系统分析对比实际进浆量与理论进浆量，并自动判断开始和结束稳压过程，实现压浆过程的全自动化。此外，控制系统根据传感器实时传送的数据，自动计算水泥浆密实度和孔道充盈度等指标，并自动生成报表，真实记录整个压浆过程^[8]。

“伺服系统”在预应力压浆设备中的应用，使传统预应力压浆设备具有以下功能优势：

（1）实时监测孔道的进、出口壓力值，实现自动调整并控制压浆压力与稳压时间，有效保证整个压浆过程精准按照标准压力和持压时间进行，避免施工过程受人为、环境等因素的影响;

（2）全过程自动记录压浆压力、压浆量、稳压时间、水泥浆密实度、孔道充盈度等数据，记录数据真实可靠、可追溯;

（3）实时监测进浆量和回浆量，自动判断压浆进程，无需人工操作。

3.结语

后张法预应力混凝土桥梁施工中，原材料、预应力构件的张拉与压浆质量控制直接影响着预应力混凝土构件的成品质量，甚至桥梁在服役期内的状态。但由于传统设备对人工的依赖程度高，经常存在因人为操作而造成施工质量问题。伺服系统因其具有稳定性好、控制精度高和响应速度快等显著优势，最初在军工领域得到大量应用，例如火炮的控制，船舰、飞机的自动驾驶，导弹发射等，后来逐渐推广至民用领域，并在桥梁施工中得到推广应用，在保证施工质量、提升工程管理水平等方面发挥重要作用。在绿色低碳、可持续发展的大背景下，随着BIM、物联网等技术的进一步发展，伺服系统在桥梁工程中的应用势必会更加广泛与深入，质量控制与管理手段也将更加智慧高效、节能低碳。

参考文献：

[1]肖英奎主编.伺服系统实用技术[M]北京：化学工业出版社， 2004

[2]袁坤，敖荣庆主编.伺服系统[M]北京：航空工业出版社，2006

[3]张永帅.伺服压力机的技术应用及发展趋势[J]锻造与冲压，2019（16）：54-56

[4]王晓波.桥梁预应力张拉精细化施工监控系统研究[D]西安：长安大学，2015

[5]邱喜华.桥梁预应力智能张拉控制系统研究[D]西安：长安大学，2017

[6]梁晓东，吴涛，刘德坤.预应力智能张拉与传统张拉的比对试验研究[J]公路，2012（4）：144-147

[7]吴军.预应力孔道大循环智能压浆技术研究[J]公路交通科技（应用技术版），2017，13（11）：205-207

[8]王文建.桥梁预应力智能张拉与压浆系统原理及施工技术[J]汉江大学学报（自然科学版），2015，43（4）：328-331

作者简介：李康建，1998年1月生，男，汉族，河南商丘人，硕士研究生在读，研究方向：环保功能型路面材料。通讯作者简介：赵曜，1986年3月生，女，汉族，四川绵阳人，副教授，博士，主要研究方向：智慧道路建设技术、固废资源化利用技术。