超大型箱梁多點支撐移運技術研究

魯慶 寧曉冬

摘 要：廣深沿江高速公路（深圳段）機場特大橋60m箱梁采用整體預制、整體架設方案。箱梁為單箱雙室結構，頂板寬19.65m，底板寬10.35m，高3.5m，重2400t。箱梁采用整體液壓內模，為滿足內模出模的要求，梁端端隔墻將進行二次澆筑。為縮短箱梁的預制周期，需在橫隔墻未施工的情況下將箱梁移出預制臺座，就需要有可靠的工藝和工藝設備。本文將對此進行探討。

關鍵詞：超大型箱梁；多點支撐；同步頂升；移運

1 概 述

機場特大橋是廣深沿江高速公路深圳段中部的一段海上橋梁，橋梁東側為寶安國際機場，西側為內伶仃洋大鏟灣水道，全長6.84km。上部結構采用60m整體預制箱梁，箱梁采用先簡支后連續形式，五孔為一聯。

箱梁為單箱雙室結構，頂板寬19.65m，底板寬10.35m，高3.5m，預制段梁長58.5m，重2400t。為縮短箱梁的預制周期，需在橫隔墻未施工的情況下將箱梁移出預制臺座。因橫隔墻未施工，箱梁的橫向剛度較小，若采取杭州灣海灣大橋四點支撐移梁的方案，箱梁將可能出現裂紋。

2 箱梁運輸中支撐方案研究

本項目箱梁運輸中支撐方案的技術重點是：怎樣保證箱梁在超靜定支撐狀態下移運，而不發生扭曲、開裂。

2.1 箱梁四點支撐運輸方案研究

圖1 箱梁豎向位移云圖 （單位：m）

圖2 箱梁主拉應力云圖 （單位：MPa）

60m箱梁在橫隔板未施工的狀態下，進行四點支撐移運。計算采用通用有限元程序Ansys 10.0，經計算得知箱梁主拉應力最大值為12.7MPa，大于規范規定的C50混凝土容許拉應力1.89MPa。

由計算結果云圖1可知，四支點移梁時箱梁端部最大豎向位移約4mm。

由計算結果云圖2可知，箱梁主拉應力最大值為12.7MPa，大于規范規定的C50混凝土容許拉應力1.89MPa。最大拉應力位置發生在箱梁端部底板底面靠近中腹板的位置，應力超過4.02MPa的區域面積為3.0m*3.0m。箱梁端部底板頂面拉應力最大值也達到10.4MPa，發生在底板與邊腹板交接的角點處位置，該位置應力超過4.89MPa區域面積達到1.2m*1.0m。

因此，箱梁在未施工端部橫隔板的情況下采用四點支撐移梁作業將導致箱梁出現受力裂紋，影響箱梁的耐久性，甚至可能出現重大安全事故，故箱梁四點支撐的運輸方案不能滿足60m箱梁移運要求。

2.2 箱梁六點支撐運輸方案研究

箱梁在未施工端隔墻的狀態下，進行六點支撐移梁作業，即在梁端每個腹板下均設支撐點。計算采用通用有限元程序Ansys 10.0。

圖3 箱梁豎向位移云圖 （單位：m）

圖4 箱梁主拉應力云圖 （單位：Pa）

由計算結果云圖3可知，6支點移梁時箱梁端部最大豎向位移為1.7mm，且位移分布比較均勻。

圖4為應力限值在3MPa的主拉應力云圖，由圖可知，箱梁主拉應力超過3.0MPa的區域主要有3個地方，第一處區域在箱梁3個腹板端部斷面的4個縱向預應力錨固位置，第二處區域在箱梁底板左中右3個支座位置，第三處區域在底板6個縱向預應力錨固點位置，這些區域應力較大均為應力集中現象導致。其他區域主拉應力值均小于1.67Mpa，小于規范允許的1.89MPa。

根據計算，若能實現在起升、移運、下放的過程中，六個支撐點全過程都能提供可靠的支點反力，則廣深高速機場特大橋60m箱梁移運的難題便迎刃而解。若采用六點支撐移梁，首先就存在支撐的超靜定問題。此外，考慮到運輸過程中軌道不平度以及移梁滑道基礎的變形等問題，頂升、移運及下放過程中就必須保證油缸能給箱梁提供我們所需要的支撐力，避免梁體出現裂紋。

2.2.1 六點電腦控制同步頂升系統

2.2.1.1 總體情況介紹

為滿足箱梁移運要求，同步頂升設備中共使用了6臺CLL8004大噸位機械鎖緊油缸，在梁的縱向兩端各布置3臺，靠外側的兩個為主頂升油缸，中間為輔助頂升油缸。共4臺主頂升缸，2臺輔助頂升缸。

圖表 1 現場布置情況

2.2.1.2 布置說明

整個頂升液壓系統可分為主頂升系統和輔助頂升系統兩個部分，兩部分均由同步控制器集中遠程控制。主頂升系統包括CY1，CY3，CY4和CY6油缸，分別安放在箱梁的4個支撐點之下；輔助頂升系統包括CY2和CY5油缸。

下圖為頂升設備布置俯視圖。

圖表 2 設備布置俯視圖

2.2.1.3 功能簡介

1）油缸下腔均安裝壓力傳感器，用來測量油缸內部的壓力。

2）CY1，CY3在平移過程中通過電控系統保證兩個支撐點在移運過程中支撐力始終相同，而且不會存在油缸頂部脫開梁體的問題，屬于主頂升系統內的浮動支撐。CY4，CY6在平移過程中機械鎖緊、防止墜失，屬于主頂升系統的固定支撐，壓力傳感器僅用于顯示油缸內的壓力（載荷重量）不參與控制。屬于輔助頂升系統的CY2，CY5油缸部位同樣安裝有壓力傳感器，用來檢測油缸下腔壓力，在上升和平移過程中這兩個油缸會保持設定的力值跟隨梁體上升或下降，起到輔助托舉的作用。

3）每個主頂升油缸部位都安裝有拉繩位移傳感器。傳感器一端固定在臺車底座上，一端與梁體底面相連用來檢測梁體4個支撐點的位移，通過PLC系統的比較運算控制對應泵站電磁閥開關來保證梁體兩端同步上升。

2.2.1.4 液壓系統及工作原理闡述

1）主頂升系統和輔助頂升系統在液壓元件構成上完全一致。每個頂升點都包括機械鎖緊油缸、升降閥組、三位四通電磁換向閥、溢流閥、柱塞泵。

油缸上升：柱塞泵供油，壓力油經三位四通電磁換向閥左位進入升降閥組，再進入油缸工作腔，梁體開始上升。

油缸下降：柱塞泵供油，壓力油經三位四通電磁換向閥右位進入升降閥組的液控口，將閥組打開，油缸工作腔的油液則通過升降閥組，經三位四通電磁閥流回油箱。

2）液壓系統原理圖

圖表 3 液壓原理圖

3）液壓系統動作描述

預頂升過程：按下預頂升按鈕后，所有電磁鐵左位得電，六個油缸開始上升，當控制臺檢測到每個油缸均建立起10MPa壓力后系統控制電磁鐵失電，油缸停止進油，此時箱梁沒有被頂起但油缸柱塞與箱梁之間的間隙被消除，可將位移傳感器數值置零。

同步頂升過程：按下頂升按鈕后，各個泵站繼續上壓，其中CY2，CY5輔助頂升油缸的壓力會始終保持設定值，并跟隨梁體上升。CY1，CY3，CY4，CY6的油缸運動則會根據位移傳感器的反饋，經主站PLC比較運算后發出打開或關斷相應的電磁閥的指令，進行同步控制調節。

平移過程：在平移過程中所有油缸由升降閥組鎖定保壓。同步控制器上當“頂升/平移”選擇開關轉向“平移”的瞬間記錄了主頂升CY1和CY3的壓力，當這兩個油缸中的一個油缸發送壓力變動超過允許值時，CY1和CY3根據PLC判斷進行相反方向的運動（即一個頂升，另一個下降）直至恢復頂升前的力值范圍。而另一端的主頂升油缸CY4和CY6在這個過程中通過機械鎖緊保持起升高度不變。而CY2，CY5輔助頂升油缸則依據系統設定的壓力，隨著梁體的升降自動給油缸補油或溢油，保持頂升力不變。

同步下降過程：按下同步下降按鈕后，壓力油經電磁換向閥右位，打開升降閥組液壓鎖，CY1，CY3，CY4，CY6的油缸運動則會根據位移傳感器的反饋，經主站PLC比較運算后發出打開或關斷相應的電磁閥的指令，進行同步控制調節；而CY2，CY5輔助頂升油缸的壓力會始終保持設定值，并跟隨梁體下降

2.2.2 電控系統及工作原理

2.2.2.1 從控制器

每臺泵站配置一個從控制器，可以獨自操控泵站，也可以通過總控制器遠程操控。從控制器核心部分為PLC，PLC的數字量輸入端連接按鈕，數字量輸出端連接繼電器，繼電器連接電機和三位四通電磁換向閥的電磁鐵，PLC的模擬量輸入端連接位移傳感器和壓力傳感器。

泵站啟動：『急停』松開，選擇開關置于『本地』，按下『啟動』按鈕，PLC根據內部邏輯程序運算，輸出Q0.0=1，繼電器KA1得電，電機啟動；

上升：按住并保持『上升』，PLC根據內部邏輯程序運算，輸出Q0.1=1，繼電器KA2得電，上升電磁鐵得電，油液進入油缸無桿腔，油缸上升。

下降：按住并保持『下降』，PLC根據內部邏輯程序運算，輸出Q0.2=1，繼電器KA3得電，下降電磁鐵得電，油液進入油缸有桿腔，油缸下降。

泵站關閉：按下『關閉』按鈕，PLC根據內部邏輯程序運算，輸出Q0.0=0，繼電器KA1失電，電機停止。

圖表4 從控制器電氣連接圖

2.2.2.2 總控制器

6個從控制器通過現場總線串行連接到總控制器，將從控制器的現在開關置于『遠程』位置，可以通過總控制器發送控制指令到從控制器，從控制器通過接收到的指令輸出控制信號，控制泵站開啟和關閉、油缸上升和下降。

泵站開啟：松開『急停』，從控制器的選擇開關置于『遠程』，按下『泵站啟動』按鈕，總控制器發送控制指令至從控制器，從控制器運算內部邏輯控制程序，輸出Q0.0=1，繼電器KA1得電，泵站啟動。

泵站關閉：從控制器的選擇開關置于『遠程』，按下『泵站關閉』按鈕，總控制器發送控制指令至從控制器，從控制器運算內部邏輯控制程序，輸出Q0.0=0，繼電器KA1失電，泵站停止。

預頂升：觸摸屏設置參數，按下『參數確認』按鈕確認參數設置，選擇開關置于『聯動』和『升降』，按下并保持聯動按鈕『預頂升』，總控制器根據從控制器發送的各個壓力傳感器的數值，運行內部比較程序，輸出控制指令至從控制器，從控制器根據接收到的指令，控制輸出Q0.1= 1，上升繼電器KA2得電，由此控制不同油缸的升降，直至壓力達到預頂升壓力。

同步上升：觸摸屏設置參數，按下『參數確認』按鈕確認參數設置，選擇開關置于『聯動』和『升降』，按下并保持聯動按鈕『上升』，總控制器根據從控制器發送的各個位移傳感器的數值，運行內部比較程序，輸出控制指令至從控制器，從控制器根據接收到的指令，控制輸出Q0.1=1或0，上升繼電器KA2得電或失電，由此控制不同油缸的同步上升。

同步下降：觸摸屏設置參數，按下『參數確認』按鈕確認參數設置，選擇開關置于『聯動』和『升降』，按下并保持聯動按鈕『下降』，總控制器根據從控制器發送的各個位移傳感器的數值，運行內部比較程序，輸出控制指令至從控制器，從控制器根據接收到的指令，控制輸出Q0.2=1或0，下降繼電器KA3得電或失電，由此控制不同油缸的同步下降。

單動上升：選擇開關置于『單動』和『升降』，按下并保持單動按鈕『上升』，總控制器根據輸入命令，發送控制指令至相應的從控制器，從控制器根據接收到的指令，控制輸出Q0.1=1，上升繼電器KA2得電，油缸上升。

單動下降：選擇開關置于『單動』和『升降』，按下并保持單動按鈕『下降』，總控制器根據輸入命令，發送控制指令至相應的從控制器，從控制器根據接收到的指令，控制輸出Q0.2=1，下降繼電器KA3得電，油缸下降。

平移：選擇開關置于『聯動』和『平移』，在進入平移狀態時，總控制器記錄CY1和CY3的壓力，計算平均值P及其允許的上下偏差，在平移過程中CY1和CY3保持壓力在P的上下偏差范圍內，CY4和CY6保持不動，CY2和CY5始終保持在輔助支撐壓力的上下偏差范圍內。

2.2.2.3 位移傳感器的工作原理

60米箱梁移運設備中采用拉繩式位移傳感器，又稱拉繩電子尺，拉繩電子尺的功能是把機械運動轉換成可以計量，記錄或者傳送的電信號。拉繩式電子尺由可拉伸的不銹鋼繞在一個輪轂上，此輪轂與一個精密旋轉電位計連接在一起。操作上，拉繩式位移傳感器安裝在固定位置上，拉繩末端的掛鉤掛在移動物體上。拉繩直線運動和移動物體運動軸線對準。運動發生時，拉繩伸展和收縮。一個內部彈簧保證拉繩的張緊度不變。輪轂帶動精密旋轉電位計旋轉，輸出一個與拉繩移動距離成比例的電流信號，測量輸出電流信號可以得出運動物體的位移。

2.2.2.4 壓力傳感器工作原理

壓電效應是壓力傳感器的主要工作原理，當應變片受到的壓力不同時，輸出的電信號就不同。60m箱梁移運工程中采用的是輸出電流信號的壓力傳感器。壓力傳感器安裝于油缸無桿腔的油路回路中，用于測量油缸壓力，即被測油缸的負載。壓力傳感器連接到泵站上控制器的模擬量輸入端，泵站控制器通過工業現場總線通信系統連接到總控制器。

3 結 語

廣深高速機場特大橋60m箱梁的移運方案是采用計算機作中央處理器、高技術的電子元器件作控制裝置、液壓頂作施力裝置、機械式橫移臺車作底座的綜合性方案。計算機技術、電子技術、液壓技術、機械技術在此方案中得到了協調合理的利用。根據此種方案，我們可將之擴展開來。60m箱梁移運采用的是電腦控制6點同步頂升移梁，若將此種方案經過一定的改進后，選擇合適的支點及控制支撐力，將同樣可以發展成為電腦控制8點、10、12等多點同步頂升移運重物的裝置。此方案，在液壓頂的選型（行程大小可變、噸位大小可變、單雙作用頂可變、機械鎖的有無）、液壓泵站的選型（流量可變、作業壓力可變）方面均可靈活變動，在對液壓頂進行選型時，我們應將液壓頂的原始高度納入選型的考慮范疇，液壓頂在同時選擇雙作用頂、帶機械鎖時，液壓頂的原始高度將遠高于同行程其它類型液壓頂的高度。合理的利用此種方案，那么此種方案將實用于各種大型箱梁、船舶、鋼構件等各種大型重物的陸上頂升或運輸。

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