淺談PLC同步頂升技術(shù)在支座更換調(diào)整中的實(shí)例運(yùn)用

■何祖強(qiáng)

(福建武夷高新技術(shù)園區(qū)開發(fā)建設(shè)有限公司，南平 353000)

1 前言

在現(xiàn)代交通體系中，橋梁工程是道路交通重要的組成部分。其中梁式橋是最常見的橋梁結(jié)構(gòu)型式，在橋梁數(shù)量中比重最大，橋梁支座因承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載成為梁式橋中最重要、也最薄弱的構(gòu)件。目前，橋梁支座使用最廣泛、數(shù)量最多的是橡膠支座，但在橋梁施工和日常運(yùn)營過程中，均發(fā)現(xiàn)橡膠支座存在老化、破壞等現(xiàn)象。為保證橋梁的安全使用，需要對橡膠支座進(jìn)行更換或調(diào)整。本文以新嶺河橋右幅支座更換調(diào)整施工項(xiàng)目為例，選用PLC計(jì)算機(jī)控制的液壓同步頂升技術(shù)，通過分析病害原因分析和結(jié)構(gòu)受力計(jì)算，嚴(yán)格把控施工關(guān)鍵工藝，為類似支座更換調(diào)整施工提供相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

2 工程概況

新嶺河橋位于線路直線段，跨徑組合(3×20)m，橋?qū)?5.5m。上部結(jié)構(gòu)采用20m跨徑C50預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁105片，單片梁重約35t。支座采用Φ250×41mm圓板式橡膠支座，全橋共設(shè)置420塊。通過設(shè)置臺階狀支座墊石以及梁底楔形鋼板來實(shí)現(xiàn)橋梁橫縱向線形，并確保橡膠支座成水平放置狀態(tài)。梁體預(yù)埋鋼板規(guī)格尺寸14×300×300mm，楔形找平鋼板 30×250×250mm。 橋梁縱斷面圖見圖1。橫斷面圖見圖2。

圖1 橋梁縱斷面圖

圖2 橋梁支座橫斷面圖(單位：cm)

3 支座存在的問題及原因分析

3.1 支座存在的問題

施工過程中發(fā)現(xiàn)橋梁右幅多個(gè)橡膠支座出現(xiàn)剪切變形、偏壓、錯(cuò)位、脫空等現(xiàn)象(如圖3和圖4所示)。

圖3 支座剪切、錯(cuò)位示意圖

圖4 支座存在剪切、錯(cuò)位現(xiàn)象

3.2 原因分析

由于單片空心板梁采用的是四個(gè)支座承載設(shè)計(jì)，梁底預(yù)埋鋼板與梁底呈平行設(shè)置，通過楔形鋼板實(shí)現(xiàn)橫縱向找平調(diào)整。四條“腿”板凳式的設(shè)計(jì)，雖然支座結(jié)構(gòu)體系較為簡單，但施工難度極高，因梁底預(yù)埋鋼板在板梁澆筑時(shí)出現(xiàn)上浮、或支承墊石標(biāo)高控制不嚴(yán)等問題，極易出現(xiàn)梁體安裝之后，出現(xiàn)橡膠支座放置不水平導(dǎo)致剪切變形、偏壓，甚至脫空。

4 支座受力計(jì)算及調(diào)整施工

總體方案：由于發(fā)現(xiàn)支座存在剪切、偏壓問題時(shí)，右幅橋面系已經(jīng)施工完成，不具備單片梁頂升調(diào)整條件。為避免對右幅橋面企口縫、橋面的破壞，需對橋梁整體進(jìn)行整體頂升施工，再采用結(jié)構(gòu)膠在楔型鋼板下部黏貼不銹鋼找平鋼板，并將橡膠支座調(diào)整至與支座下鋼板位置重合，使橡膠支座呈水平受力及滿壓狀態(tài)。

橋梁同步頂升、更換支座工程，同步頂升是關(guān)鍵，是核心。PLC同步頂升系統(tǒng)能夠順利將橋梁結(jié)構(gòu)托起來，頂升過程中不僅保證頂升系統(tǒng)、橋梁結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，而且頂升高度除了要滿足結(jié)構(gòu)安全的允許限值，還要有足夠的操作空間，保證支座能順利拆卸和安裝，最后梁體要下落到頂升前的標(biāo)高處，避免給橋梁造成附加內(nèi)力。同時(shí)，為保證結(jié)構(gòu)受力安全，施工操作不能造成結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分配，頂升前、后梁體的相對位置不變。頂升施工前和落梁后需要測量其標(biāo)高，保證支座更換完畢，梁底標(biāo)高不變。

4.1 臺帽、蓋梁受力驗(yàn)算

橋臺根據(jù)設(shè)計(jì)圖得知支反力約4500kN左右，采用17個(gè)100t千斤頂進(jìn)行頂升，每個(gè)千斤頂最大頂升力為1000kN，頂升保險(xiǎn)系數(shù)為3.78。

中墩根據(jù)設(shè)計(jì)圖得知支反力約9000kN左右，采用34個(gè)100t千斤頂進(jìn)行頂升，每個(gè)千斤頂最大頂升力為1000kN，頂升保險(xiǎn)系數(shù)為3.78。

混凝土構(gòu)件局部承壓驗(yàn)算計(jì)算公式見公式(1)所示，公式左式側(cè)為頂升力，右式側(cè)為局部承壓承載力。

式中，F(xiàn)ld——局部受壓面積上的局部壓力設(shè)計(jì)值，頂升力取為1.2倍的支反力，最大頂升力γ0Fld＝1.2×4500=5400kN；

fcd——混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，此時(shí)混凝土強(qiáng)度等級為 C50，取值23.1MPa；

ηs——混凝土局部承壓修正系數(shù)，混凝土強(qiáng)度等級為 C50及以下時(shí)，取1.0；

Ab——局部受壓時(shí)的計(jì)算底面積，按混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中的7.8.2條規(guī)定：“局部受壓計(jì)算底面積Ab，可由局部受壓面積與計(jì)算底面積按同心、對稱的原則確定”，本次設(shè)計(jì)中 Ab 可取(3×200)×(3×200)=360000mm2；

Aln，Al——混凝土局部受壓面積，當(dāng)局部受壓面積有孔洞時(shí)，Aln為扣除孔洞后的面積，Al為不扣除孔洞的面積；本次設(shè)計(jì) Aln=Al=200×200=40000mm2；

β——混凝土局部承壓強(qiáng)度提高系數(shù)，根據(jù)以上數(shù)據(jù)本次設(shè)計(jì)β=3。

(1)橋臺伸縮縫處支座

該工程臺帽的最大支反力為4500kN，頂升力取為1.2倍的支反力，每個(gè)千斤頂位置最大頂升力γ0Fld=1.2×4500/17=318kN。

1.3ηsβfcdAln=1.3×1×3×23.1×40000=3604kN＞γ0Fld=318kN。滿足規(guī)范要求。

(2)中墩非伸縮縫處支座

該類型中墩蓋梁的最大支反力為9000kN，頂升力取為1.2倍的支反力，每個(gè)千斤頂位置最大頂升力γ0Fld=1.2×9000/34=318kN。

1.3ηsβfcdAln=1.3×1×3×23.1×40000=3604kN＞γ0Fld=318kN。滿足規(guī)范要求。

4.2 橋梁頂升

4.2.1 PLC計(jì)算機(jī)控制的液壓同步頂升系統(tǒng)

PLC計(jì)算機(jī)控制的液壓同步頂升系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)(油泵、油缸等)、檢側(cè)傳感器、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等幾部分組成。液壓系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制，可以全自動(dòng)完成同步移位，實(shí)現(xiàn)力和位移控制、操作閉談、過程顯示、故降報(bào)協(xié)等多種功能。這種力和位移綜合控制方法，建立在力和位移雙閉環(huán)的控制基礎(chǔ)上，可消除油缸不同步對頂升構(gòu)件產(chǎn)生的附加內(nèi)力的技術(shù)難題。PLC同步頂升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 PLC同步頂升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

頂升系統(tǒng)控制原理：由控制閥、位移傳感器和控制單元(PLC)組成壓力閉環(huán)，根據(jù)每個(gè)液壓缸承載的不同，通過控制閥調(diào)整壓力，將幾個(gè)千斤頂組成一個(gè)頂升組，托舉起梁體。但是如果僅有力平衡，則梁體的舉升位置是不穩(wěn)定的。為了穩(wěn)定位置，在每組千斤頂處安裝光柵尺作精密位置測量，進(jìn)行位置反饋，組成位置閉環(huán)，一旦測量位置與指令位置存在偏差，便會(huì)產(chǎn)生誤差信號。該信號經(jīng)放大后疊加到指令信號上，使該組總的舉升力增加或減小，于是各千斤頂頂桿的位置發(fā)生變化，直至位置誤差消除為止。由于組間頂升系統(tǒng)的位置信號由PLC控制單元給出，因此可保持頂升組同步頂升，只需改變PLC控制單元參數(shù)，便可方便地改變頂升或回落的速度。

4.2.2 橋梁頂升方案

考慮到橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用“縱向逐墩、橫向同步頂升梁體”的方式進(jìn)行右幅全橋面同步頂升。將梁體頂升到位后，對支座、墊石以及梁底進(jìn)行更換和維修改造。即在更換支座施工過程中，采用沿著縱向逐一對各墩臺上需要更換的支座進(jìn)行同步頂升(落梁)的方式進(jìn)行。為保證更換支座過程中梁體結(jié)構(gòu)，梁體頂升(或落梁)過程中，同一墩臺上各支點(diǎn)必須同步頂升(或落梁)。

對橋梁結(jié)構(gòu)在頂升、抬高過程中，進(jìn)行位移和頂升力雙控，能確保構(gòu)件在重載頂升中的安全。必須進(jìn)行試頂升以檢驗(yàn)各支點(diǎn)處的頂升力量值是否與設(shè)計(jì)相符，頂升力的總體分配是否正常，應(yīng)根據(jù)試頂升稱重的實(shí)際情況調(diào)整千斤頂布置方式和油路連接方式，同步頂升設(shè)備必須具備稱重功能；根據(jù)千斤頂?shù)男谐桃皂斏?～2mm作為一個(gè)階段，緩慢、平穩(wěn)頂升，控制各墩、臺處的頂升量不大于5mm；根據(jù)實(shí)際監(jiān)測位移情況，在監(jiān)理方和監(jiān)控方監(jiān)督下進(jìn)行施工，一旦出現(xiàn)位移超限或其他異常情況時(shí)，立即停止施工，及時(shí)查找原因。

配置51個(gè)千斤頂噸位時(shí)大于“恒載+活載”的理論支反力的2倍；千斤頂及臨時(shí)支撐的布置確保梁體在同步頂升過程中的平衡；事先準(zhǔn)備10個(gè)性能完好的千斤頂作為備用。

在梁體頂起時(shí)，對裂縫變化情況進(jìn)行觀測，如果有裂縫等異常情況出現(xiàn)則停止頂升，查找原因，經(jīng)采取措施和查出原因后，再進(jìn)行頂升。對各支點(diǎn)的支撐情況細(xì)致觀察，如有松動(dòng)或移位立即停止。對監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)變控制有急劇變化等異常狀況，立即停上頂升，查明并解決問題后再頂升。

4.3 支座更換主要施工步驟

當(dāng)頂升至合適高度后，安置臨時(shí)支撐，臨時(shí)支撐與板梁底面、墩帽頂面之間放置10mm厚鋼墊板。臨時(shí)支撐應(yīng)可以微調(diào)，且采用機(jī)械鎖定，防止鎖定松動(dòng)。具體步驟如下：

施工準(zhǔn)備→搭設(shè)施工平臺等→施工準(zhǔn)備安裝千斤頂及同步設(shè)施→設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)→ 試頂升、稱重→整體同步頂升梁體→ 頂升就位后自鎖式千斤頂鎖定(臨時(shí)支撐)→第一次落梁→支座更換和調(diào)整施工→再次同步頂升→自鎖式千斤頂解鎖(拆除臨時(shí)支撐)→ 落梁確保梁體平整。

4.4 支座更換與標(biāo)高調(diào)整

在梁體同步頂升到位后，對梁底預(yù)埋鋼板進(jìn)行打磨除銹處理。然后采用支座調(diào)平結(jié)構(gòu)膠安裝調(diào)平不銹鋼板進(jìn)行調(diào)平安裝處理。

支座墊石處理完畢且達(dá)到要求后，在各支座墊石上放置相應(yīng)類型的需更換支座，相關(guān)注意要點(diǎn)如下：

(1)梁體頂升前后，測量各支座處梁底標(biāo)高，保證支座更換完畢梁底標(biāo)高與頂升前標(biāo)高一致；支座更換之前需要對原有支座在蓋梁上的位置進(jìn)行標(biāo)記，新支座安裝時(shí)，按照原有位置安放。若原有支座出現(xiàn)明顯偏位，應(yīng)在梁體同步頂升到位后根據(jù)梁底預(yù)埋鋼板位置重新確定新支座的安裝位置。

(2)在同一墩(臺)上的同一排支座，其橫向位置成一條線，且到墩臺橫向中心線的垂直距離一致，以原預(yù)埋鋼板為準(zhǔn)；在同一橋墩上的兩排支座，各自與橋墩橫向中心線的垂直距離必須相等，避免在支座位置出現(xiàn)偏心受壓現(xiàn)象。

(3)安裝支座時(shí)，支座外圍距離支座墊石邊緣最小距離應(yīng)≥5cm；注意橋梁墩臺設(shè)置的非滑動(dòng)和滑動(dòng)支座不能有誤和相互混淆：橋臺處設(shè)置滑動(dòng)支座；橋墩處設(shè)置非滑動(dòng)支座。

橡膠支座更換成功的關(guān)鍵在于梁體、墩帽頂與支座接觸面的調(diào)平，只有接觸面完全水平，才能確保支座更換后與梁體、墩帽頂墊石密貼，均勻受力，避免以后發(fā)生剪切變形、鼓脹開裂等病害。更換支座時(shí)，要保證支座的承載能力不能低于現(xiàn)有支座的承載能力，在承載力滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，按照改造設(shè)計(jì)的要求布置新支座，這樣更利于保證支座更換前、后結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)不發(fā)生變化，確保結(jié)構(gòu)受力安全。支座更換示意圖見圖6。支座調(diào)整后示意圖見圖7。

圖6 支座更換示意圖

圖7 支座調(diào)整后示意圖

4.5 落梁施工

落梁過程采用頂升力和位移雙控。落梁前，檢查新支座頂面與梁底楔形塊底面之間的實(shí)際高度，并與理論計(jì)算值進(jìn)行核對。先卸除臨時(shí)鎖塊支撐，再同步進(jìn)行千斤頂回油。

落梁過程中，嚴(yán)格控制同一橋墩相鄰頂升點(diǎn)之間的頂升高差在0.3mm之內(nèi)。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)以及設(shè)計(jì)要求，縱橋向相鄰墩之間的頂升高差在5mm之內(nèi)。

為減小頂升誤差，保證落梁后支座不脫空，采取分級落梁，即落梁前調(diào)平結(jié)構(gòu)膠與墊石強(qiáng)度度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，然后再分級落梁。落梁時(shí)，各千斤頂同步回油，嚴(yán)格控制同一墩、臺上的各支點(diǎn)同步落梁，由計(jì)算機(jī)控制同步下降液壓系統(tǒng)完成。落梁過程中按照每級1mm的順序進(jìn)行，同樣實(shí)行頂升力和位移雙控的原則，保證梁體回落到頂升前的標(biāo)高處。

4.6 橋梁頂升過程的同步監(jiān)控

橋梁的同步頂升需分級、緩慢完成，因此對橋梁頂升過程中的整個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡、整體姿態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控是關(guān)乎橋梁結(jié)構(gòu)安全的重要環(huán)節(jié)。監(jiān)控重點(diǎn)是位移監(jiān)控，通過位移監(jiān)控了解橋梁的實(shí)時(shí)姿態(tài)(在終端上顯示)，通過同步控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位移與頂升力(油壓)之間的協(xié)調(diào)，使得各頂升點(diǎn)處位移同步。

監(jiān)控內(nèi)容包括橋梁整體姿態(tài)、位移等，監(jiān)控工作要貫穿于頂升、持荷和落梁的整個(gè)施工過程中。根據(jù)簡梁橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮在墩、臺處同步頂升板梁對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，在頂升和更換支座過程中，必須對梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)控。

主要監(jiān)控內(nèi)容有位移監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測、裂縫監(jiān)測。

(1)位移監(jiān)測

為便于實(shí)時(shí)監(jiān)測頂升過程中的梁體豎向位移，本工程支座更換位移采用支座更換專用位移傳感器進(jìn)行測試，在需整體起頂?shù)亩张_蓋梁上布設(shè)位移計(jì)，每片梁布設(shè)1個(gè)位移測點(diǎn)。在頂升過程中派專業(yè)測試人員實(shí)時(shí)采集豎向位移數(shù)據(jù)，將橫向頂升量偏差控制在0.3mm，并確保豎向位移不超過5mm，以保障頂升過程中梁體受力安全，且不損壞橋面鋪裝。

(2)應(yīng)力監(jiān)測

應(yīng)力監(jiān)控主要是在頂升、持荷和梁體回落過程中對關(guān)鍵截面(支點(diǎn)附近、橫隔板、絞縫、中墩截面)監(jiān)控，將實(shí)測應(yīng)力數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。在施工過程中出現(xiàn)實(shí)測與理論值差異較大的情況，立即停止施工，查找原因并及時(shí)調(diào)整。應(yīng)力監(jiān)測采用振弦式傳感器和配套的讀數(shù)儀進(jìn)行測量，具體測試截面和測點(diǎn)現(xiàn)場布置。

(3)裂縫監(jiān)測

頂升前對一些關(guān)鍵受力部位進(jìn)行外觀檢查，對梁體已有裂縫(如有)進(jìn)行長度、寬度的測量，并作好記錄。除在頂升前進(jìn)行詳細(xì)檢查外，在頂升、落梁期間加強(qiáng)對裂縫的觀測，對頂升前的已有裂縫進(jìn)行長度、寬度的觀測與記錄，同時(shí)一旦發(fā)現(xiàn)有原裂縫發(fā)展或新生裂縫立即中止頂升，查明原因后再做處理。

5 同步頂升更換調(diào)整支座施工注意事項(xiàng)

(1)蓋梁頂面未能提供足夠空間安放千斤頂及臨時(shí)支撐，應(yīng)根據(jù)千斤頂、臨時(shí)支撐構(gòu)件的幾何尺寸及布置位置進(jìn)行綜合確定；為確保橋梁結(jié)構(gòu)安全，千斤頂和臨時(shí)支撐的布置位置應(yīng)與蓋梁中線的距離必須一致，防止蓋梁和墩柱因偏心受力而造成損傷。

(2)為避免頂升過程中各支點(diǎn)處因應(yīng)力過大造成局部損傷，落梁到臨時(shí)支撐上之后，如果有足夠的施工操作空間，可讓部分千斤頂仍然保持一定的壓力，即支座拆除過程中以及拆除之后，由自鎖千斤頂鎖塊鎖定和持荷千斤頂保壓共同支承梁體重量。

圖8 裂縫監(jiān)測示意圖

(3)根據(jù)同步頂升的需要，需對同步頂升進(jìn)行過程監(jiān)控，施工監(jiān)控的重點(diǎn)是：梁體豎向位移、應(yīng)力、裂縫等。施工監(jiān)控包括在頂升、持荷、落梁期間的連續(xù)監(jiān)測、控制。

板梁頂升監(jiān)控不同于箱梁頂升，同一墩、臺處的頂升點(diǎn)較箱梁橋更多。因橋面連續(xù)、鉸縫等構(gòu)造特點(diǎn)，每一墩臺處的頂升量不可能大，尤其在橋墩處頂升時(shí)，要求順橋向兩排頂升點(diǎn)之間的頂升量差異不得大于0.3mm，對設(shè)備及監(jiān)控系統(tǒng)的精度要求非常高；同時(shí)，鉸縫對強(qiáng)迫位移的影響也是非常敏感的，如果在橋面通車情況下進(jìn)行頂升施工更為嚴(yán)重。這就要求在整個(gè)頂升或者落梁的過程中，必須以位移同步作為控制目標(biāo)，平穩(wěn)、緩慢地頂升或落梁到位。

在各墩、臺頂升點(diǎn)附近，采用百分表和位移計(jì)、應(yīng)變計(jì)(可連續(xù)測試?yán)塾?jì)位移量并自動(dòng)輸入同步控制系統(tǒng))，盡量靠近頂升點(diǎn)豎向設(shè)置，頂升、落梁過程中由 PLC梁體同步頂升控制系統(tǒng)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，監(jiān)測板梁的豎向位移情況。通過豎向位移監(jiān)測，嚴(yán)格控制各頂升點(diǎn)之間的相對頂升位移差。

6 結(jié)語

隨著公路交通建設(shè)的發(fā)展，橋梁頂升技術(shù)在新建橋梁施工和舊橋維修改造中已經(jīng)開始普遍采用。本項(xiàng)目采用PLC同步頂升技術(shù)調(diào)整了支座角度和位置，確保支座呈水平受力狀態(tài)。施工中，項(xiàng)目加強(qiáng)了位移、應(yīng)力、裂縫等監(jiān)測控制，避免了應(yīng)力的重分配，經(jīng)監(jiān)測未發(fā)現(xiàn)企口縫、橋面系等位置出現(xiàn)明顯裂縫，取得了良好了整治效果。