橋梁頂升施工中千斤頂頂升距離與頂升力的無線實時測量系統*

王海迪 李孝茹 蔡忠明 朱堅民 金東華

1. 上海理工大學機械工程學院 上海 200093；2. 上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002

0 引言

橋梁頂升裝置多用于橋梁架設施工或既有橋梁改造中，其中千斤頂輔助架橋機進行橋梁定位和作為臨時支撐[1]，施工工藝要求每個千斤頂支撐點能夠準確定位并均衡承擔橋梁的自重，在橋梁準確定位并均衡受力后，再對橋梁下的支座進行注漿。因此，橋梁頂升施工中千斤頂的實時頂升位置與頂升力大小的測量與控制對橋梁架設的施工質量至關重要。

現階段國內傳統的橋梁頂升施工大都以手動操作、人工現場監測、總指揮協調的方式進行[2-9]，頂升施工中千斤頂頂升距離的測量方法多為人工測量。該測量方法落后，測量精度不高，施工效率低，且一般難以測量千斤頂的頂升力，更不用說對橋梁上4 個支撐千斤頂上頂升力的受力均衡性進行判斷。近年來出現了有自動檢測和控制功能的橋梁輔助頂升系統，如文獻[10]采用整體同步頂升系統更換橋梁支座，該自動測控系統配套有千斤頂液壓同步頂升系統和計算機控制系統，實現了對橋梁進行整體抬高；文獻[11]介紹了在鄭州黃河公鐵兩用大橋的頂推施工中，采用14 臺水平千斤頂、84 臺豎向千斤頂同步施工作業的頂升系統；文獻[12-15]為采用工控機、可編程控制器和液壓控制系統組成的分布式頂升控制系統，既實現了多液壓缸載荷不均衡的同步升降，又能夠對各頂升點的壓力和位移進行實時監控。但是這些監測方法靈活性差、設備多，且多為有線連接測量方式，設備間連線繁瑣，影響橋梁施工的效率。

針對上述問題，本文設計了一種橋梁頂升施工中千斤頂頂升距離與頂升力的無線實時測量系統，實現了橋梁頂升施工中千斤頂頂升距離與頂升力的無線實時測量。基于該系統，施工操作人員對施工中支撐橋梁的4 個支撐千斤頂的頂升位置與頂升力一目了然，使得4 個千斤頂之間頂升位置與頂升力的協同調整成為可能，保證了橋梁架設的施工質量。

1 測量系統設計及工作原理

本文設計的測量系統以無線路由器為核心，由位移傳感器、壓力傳感器、無線信號傳輸模塊、數據采集設備、手持終端等組成。測量系統的設計包括橋梁頂升施工中各千斤頂上的位移傳感器、壓力傳感器的信號采集以及與手持終端間的無線實時數據傳輸與通訊。無線實時通訊由數據采集設備、具有無線收發功能的無線信號傳輸模塊、無線路由器和具有無線收發功能的手持終端共同作用來實現。如圖1所示，測量系統的工作原理為：位移傳感器、壓力傳感器信號通過數據采集設備與無線信號傳輸模塊相連接；無線信號傳輸模塊把數據采集設備采集到的位移傳感器、壓力傳感器數字信號發送到無線網絡中，無線網絡再將位移傳感器、壓力傳感器的數字信號傳輸到手持終端，并通過手持終端實時顯示。

在圖1中，測量系統分為2 個組件，分別在2 個相鄰的橋墩上進行測量，2 個測量組件之間通過無線路由器進行信號傳輸。每個橋墩上有1 臺手持終端、數據采集設備、千斤頂及壓力和位移傳感器。2 個橋墩上每個千斤頂的壓力和位移傳感器的信號通過各自數據采集設備采集和無線路由器實現2 個相鄰橋墩上千斤頂頂出位置與頂升力的數據交互，并傳輸到2 臺手持終端。每臺手持終端上同步顯示4 個千斤頂的壓力和位移信息，經過測量系統軟件計算處理后，顯示出所需調整千斤頂的標號、實際位移量、實時荷重和所需調整的行程量，并通過圖形化顯示和報警信號燈輔助操作人員對千斤頂進行調整操作。

圖1 測量系統原理

圖1中，4 個千斤頂為手動液壓式千斤頂，4 個拉線式位移傳感器1a、2a、3a、4a的本體分別焊接在對應千斤頂的側壁上，拉線連接到與千斤頂活塞頂端固接的伸出螺釘上，4 個壓力傳感器1b、2b、3b、4b分別安裝在對應千斤頂的進油口，根據壓力傳感器信號和千斤頂活塞面積可計算出千斤頂的頂升力。每個千斤頂上壓力傳感器和位移傳感器的布置如圖2所示。

圖2 傳感器

圖1中，數據采集設備為NI公司的9215四通道同步采樣模擬量輸入模塊，無線信號傳輸模塊為便攜式的NI cDAQ-9191 Wi-Fi單槽機箱，可以創建具有模擬量輸入、模擬量輸出、數字I/O或計數器/定時器的無線測量系統。無線網絡由無線路由器5搭建，無線信號傳輸模塊1d、2d和手持終端1f、2f均接入無線網絡，無線信號傳輸模塊1d、2d發送的傳感器信號經無線網絡傳輸到手持終端1f、2f上同步顯示，本文設計的測量系統的配置如表1所示。

表1 測量系統配置表

在橋梁頂升施工中，通過無線網絡，4 個千斤頂頂升距離、頂升力等信息經過處理后被實時直觀地顯示在2 個橋墩上施工人員的手持終端上，4 個頂升千斤頂的實時頂升狀態一目了然，方便施工人員進行協同調整，施工中的各種數據信息被實時記錄在手持終端中。

2 測量系統軟件設計

2.1 軟件總體設計

千斤頂頂升距離與頂升力的無線實時測量方法集無線通信、硬件控制、數據顯示、存儲及分析于一體，采用LabVIEW開發環境進行軟件設計，設計采用“菜單+界面”兩種顯示形式，創建圖形化的用戶界面。圖3為測量系統軟件的總體結構，設計時將不常用的軟件功能設計在菜單中，例如：用戶信息登錄界面、標定模塊、幫助信息模塊；把常用的軟件功能設計在界面上，例如理論值輸入模塊、實測數據顯示模塊和報警狀態提示模塊。

圖3 測量系統軟件架構

用戶信息登錄界面輸入的用戶信息暫時保存到全局變量中，測試完成后生成在報表中，以方便查詢工作人員信息。傳感器第一次使用或無線實時測量系統使用年久時，需要對傳感器進行標定，以找出傳感器輸出和輸入之間的對應關系，為此測量系統設計了傳感器標定模塊。測量系統的軟硬件設計過程和使用說明被制作成html文件，可以通過菜單里的幫助文件調出，方便查找。橋梁頂升施工過程中，2 個相鄰橋墩的理論標高由施工人員設定。相鄰2 個橋墩上的手持終端之間的界面顯示完全一致，利用網絡傳輸技術，編制理論標高值設定模塊，只要手持終端1f上理論值發生改變，手持終端2f上的理論值隨之發生改變。無線實時測量系統提供實時數據更新和狀態提示模塊，測量系統對位移傳感器和壓力傳感器采集的信號進行處理，通過報警指示燈指導操作人員進行施工。測量系統監控程序流程如圖4所示，首先打開數據采集通道，配置通道的采樣頻率和采樣點數，開始采集，根據實際位移差值和位移允差之間的關系對千斤頂進行粗調。當兩兩千斤頂之間的位移差值以及每個千斤頂實際值和理論標高的差值都小于位移允差時，再對千斤頂進行微調，使得每個千斤頂受力均衡，部分采集程序的LabVIEW框圖如圖5所示。

圖4 測量系統監控程序流程

圖5 測量軟件部分程序框圖面板

2.2 位移傳感器數據分析處理方法

如圖7所示，軟件界面的最左邊一列要求輸入橋梁理論標高、位移和壓力報警允差；緊隨的4 列分別顯示1#至4#千斤頂的頂升位置和頂升力實時狀態。其中，在高度部分，最上方的報警燈表示當前時刻該支撐點上千斤頂上升后的最終位置是否超出允許范圍（理論標高H±高度允差Eh），若在該范圍之內則顯示綠色，即正常狀態，否則為紅色，表示超出允許誤差范圍，需要調整。誤差數值代表位置誤差，是實測千斤頂頂端位置與理論標高的差值，用Wh表示。若該值小于0，則表示當前時刻千斤頂頂端的實際高度小于理論標高；該值大于0，則表示千斤頂頂端的實際高度大于理論標高。高度調節的理想結果是使4 個千斤頂的位置誤差均接近于0。實測數值和其下方的圖表共同顯示當前時刻地面至千斤頂頂端的實測高度，用Ch表示。以上各顯示項目與設置項目之間的相互關系可用以下公式來表示：

其中，m表示千斤頂的本體高度；h表示橋墩平面的實際測量高度；L代表千斤頂頂升距離，由位移傳感器直接測量得到。

高度誤差：Wh=Ch－H=h+m+L－H

報警燈顯示綠色的條件為：H－Eh＜Ch＜（H+Eh）

即：－Eh＜Wh=（h+m+L－H）＜Eh

否則報警燈顯示為紅色。

橋梁頂升過程中，測量計算所得千斤頂位置誤差值可指導施工人員進行橋梁的初步位置調整，使得絕對誤差值逐漸減小，橋梁逐漸趨于目標位置。

圖6 千斤頂頂升距離相關參數之間的關系

2.3 壓力傳感器數據分析處理方法

壓力部分數據的處理與高度部分相似，其中，實測壓力即壓力傳感器的實際測量值，代表各千斤頂支撐點的實時頂升力，用Fi（i=1，2，3，4）表示。

壓力誤差：Wf i=Fi－T/4

T=（F1＋F2＋F3＋F4）/4

其中，T代表橋梁的總重。壓力報警燈顯示綠色的條件為：

否則報警燈顯示為紅色。

各千斤頂間壓力差值指導施工人員協同調整各千斤頂，使得相對誤差值逐漸減小，頂升力趨于均衡。

圖7最右側一欄顯示千斤頂之間實際測量值的相對差值，以方便施工人員實時了解4 個千斤頂頂升位置及頂升力的總體平衡情況。該內容同樣分為高度和壓力2 部分顯示，以公式表示如下：

高度i－j=Chi－Chj（i≠j）

壓力i－j=Cf i－Cfj（i≠j）

其中，i，j代表千斤頂編號，i，j=1，2，3，4。施工人員可借助相對誤差報警信號對各千斤頂分別進行調整，使得橋梁被頂升到預期位置，并保證每個千斤頂的頂升力相對均衡。

3 應用研究

本文設計的無線測量系統具有3 個特點：千斤頂頂升力和頂升位移的無線實時檢測和顯示；操作界面直觀，報警信號燈輔助操作人員對千斤頂的操作；操作界面上顯示每2 個千斤頂之間實際測量值的相對差值，以方便操作者實時了解4 個千斤頂之間的總體平衡情況。

在搭建好測量系統硬件，完成測量軟件編制后，應用該無線實時測量系統在上海軌道交通12號線的施工現場進行了應用，圖7為使用無線實時測量系統進行調整前的軟件界面，可看出，高度方向，雖然橋梁兩兩實際高度之間差值在報警允差之內，但每個橋墩的實際高度都小于理論標高，需要增加千斤頂的頂出距離。頂升壓力方面，4 個橋墩的實測壓力值都超出了理論值，報警指示燈全部是紅色，除了千斤頂1和2間的壓力差值在報警允差內，其他兩兩實際壓力差值也超出了報警允差，需對千斤頂進行調整。

圖7 調整前無線實時測量系統的軟件界面

圖8為使用無線實時測量系統調整后的軟件界面，整個調試過程非常短暫，可以看出經過測量系統調整后，誤差都在允許范圍之內。

4 結語

圖8 調整后無線實時測量系統的軟件界面

橋梁頂升施工中千斤頂頂升距離與頂升力的無線實時測量系統，采用傳感器測量橋梁頂升施工中千斤頂的頂升距離和頂升力，實現對橋梁頂升情況的實時高精度監測；采用無線網絡實時傳輸傳感器的信號，避免了繁瑣的測量設備間布線，便于橋梁頂升的施工操作；采用2 臺手持終端分別在2 個相鄰橋墩上實時顯示4 個千斤頂的頂升距離和頂升力參數，方便施工人員協同作業；手持終端不僅顯示理論標高和壓力與實際橋梁高度和頂升力之間的差值，還顯示4 個千斤頂頂升位置之間的相對誤差和頂升力之間的相對誤差，并通過報警信號協助施工人員定位橋梁位置，均衡各千斤頂上的頂升力；本文設計的測量系統體積小、重量輕、攜帶和操作使用方便，可有效保證橋梁架設施工的質量和效率。