基于PLC 多點同步頂升液壓系統的施工工藝及在橋梁中的應用

黃俤俤

(福建工大巖土工程研究所有限公司，福州 350011)

1 引言

隨著頂升技術尤其是同步頂升液壓技術的飛速進步和日趨完善，頂升技術獲得了更多的利用，該技術廣泛應用于橋梁維修、更換支座、大型建筑物的移動糾偏、坑道支撐、 電力設備的安裝和平臺稱重等領域。 在橋梁工程中， 不管是更換維修有缺陷的支座還是對舊橋進行改造和加固，大多利用同步頂升技術。這種技術有著獨特的優勢， 在保證橋梁上部結構安全穩定的同時升高橋梁以滿足工程施工的要求。

目前，國內同步頂升系統存有不足，在橋梁頂升過程中自動監測和自動調整控制功能不夠完善， 而本文介紹的PLC 多點同步頂升液壓系統可以實現多點智能同步頂升、同步回落，操作簡單、精度高、適用范圍廣，且可以實時反饋位移和壓力的監測數據，保證工程安全[1-3]。

本文結合福鼎彎橋同步頂升工程， 詳細介紹了采用PLC 多點同步頂升液壓系統施工工藝及優點， 以期為其他類似工程提供參考。

2 工程概況

海西高速公路網沈海復線福鼎貫嶺至柘榮段A1標段，BKO+364.800 B 匝道橋。 本橋平面位于R=70 m圓曲線和緩和曲線上，橋面設超高，墩臺等角度正交布置。 橋梁荷載等級為公路-Ⅰ級，橋面凈寬度為9.5 m。上部結構采用2×35 m 鋼箱梁，下部結構橋墩采用柱式墩，橋臺采用肋板臺，墩臺采用樁基礎，橋梁上、下結構如圖1 所示。

圖1 橋梁結構

由于該匝道橋下跨的邦福天橋原址重建，B 匝道橋需作為邦福天橋保通道路，需臨時抬高B 匝道橋50 cm，待邦福天橋施工完成后，B 匝道橋落梁至原設計。現需要對該段橋梁進行整體頂升取出臨時支撐(鋼墊塊，厚度分別為兩層11 cm，兩層14 cm)，使得梁體落到預定蓋梁標高處，實現橋梁正常使用，同時不影響橋下的交通。 該工程選用12 點單作用脈寬的PLC 多點同步頂升液壓系統進行同步頂升施工。

3 PLC 多點同步頂升液壓系統及原理

3.1 系統簡介

PLC 多點同步頂升液壓系統(圖2) 由液壓動力源、CPU 控制系統、液壓終端站、人機操作系統、壓力傳感器、位移傳感器六個部分組成，可以應用在橋梁維修、更換支座、建筑的同步頂升、建筑平移糾偏、電力設備的智能安裝、大型建筑物的移動、橋梁鋼絞線提高和海洋石油平臺稱重等領域。

圖2 PLC 多點同步頂升液壓系統

3.2 系統組成及主要原理

12 點系統是由1 臺高壓泵站、12 套控制閥組、12 套壓力檢測裝置、12 套位移檢測裝置和1 套電氣控制裝置組成。系統通過液壓的推動，壓力和位移智能反饋控制的形式，達到多點控制同步頂升、同步回落、稱重等功能。

系統中液壓泵站通過改變開關閥開關頻率的方式控制油泵的輸出油量，使得油泵輸出量可連續調整，加上合適的電器控制和檢測反饋系統， 達到壓力和位移閉環自動控制， 能夠準確調整各油缸在起落時的同步和頂升過程當中的負載平衡。

構件底面不一定平坦， 在頂升構件前要保證千斤頂均勻接觸構件，首先要讓多頂貼合構件，使得多點負荷相同， 把多頂貼合構件的這一狀態當作多頂同步運行的起始標準。 首先設定貼合壓力值為5 MPa，啟動貼合功能，此時多頂同步上升， 當千斤頂接觸構件， 該頂停止上升，直到千斤頂都接觸構件為止，然后多頂均勻升壓至一定的噸位，直至多頂停止，將該狀態作為同步頂升的初始點。

通過操控界面給每個監控點設置理論噸位、 指令位移、頂升誤差、頂升速度、位移上限和位移下限。系統將自動控制每個監控點輸出壓力小于理論噸位， 以保證不超過千斤頂的承載能力； 當某個監控點位移誤差達到頂升誤差時，系統停止該點頂升并自動調整其他各點，使得每個監控點的位移同步； 位移上下限控制頂升的最大升降高度，到達設定值時系統自動停止，位移上限和下限每設置1 mm，千斤頂最多升或降100 mm。同時監控界面可以實時顯示監控點的理論噸位、實際噸位、實際位移、位移誤差等數據，便于操控人員觀測數據，實現系統和人工的雙重監控。

3.3 結構簡述

液壓系統泵站選用柱塞泵， 泵站上安設一個雙向截止閥，雙向截止閥能夠固定住油缸，確保在突然斷電的情況下油缸不會降落，導致油缸負載超過極限荷載。該系統還配備壓力傳感器和位移檢測裝置，在油缸運動時，壓力檢測裝置就可以實時準確地確定油缸承擔的壓力， 位移檢測裝置可實時確定油缸的升降高度。

電氣控制系統的特點是全部采用控制信號， 控制器主要是由西門子PLC 可編程控制器組成，每個油缸的壓力傳感器和位移傳感器將負荷和位移信息送至可編程控制器。系統根據控制界面發出的操縱命令，輸送壓力油使油缸運動。 在運行時出現異常狀況可以自動處理并報警提示，使操作更加簡單和安全。基于傳感器檢測的頂升壓力和頂升位移信息，可編程控制器連續校正誤差，并使每個油缸負載保持同步和平衡[4]。

3.4 技術參數

工作電源：AC380V/50Hz (三相五線制)； 系統功率：5.5 kW；系統流量：5 L/min；顯示模式：人機界面；工作壓力：630 bar；最高壓力：700 bar；控制模式：脈寬閉環控制；控制精度：≤±0.5 mm；工作油溫：-10℃～70℃；環境溫度：-25℃～+45℃；操作方式：按鈕操作及觸摸屏操作。

3.5 系統界面簡述

系統界面上部包括監控界面、設置界面、控制點界面和通訊狀態六個可切換界面，系統界面下部有貼合、同步升、同步、同步降、單動升、單動、單動降和位移誤差八個功能鍵，界面中部顯示各控制點的壓力、實際位移、同步位移、位移誤差、負載噸位和位移上下限等數據。 圖3 為系統控制界面內容。

圖3 控制界面內容

4 同步頂升施工

頂升施工工序按照施工準備、傳感器布置、制作臨時墊塊、預頂、頂升和檢查驗收的順序進行。 橋梁頂升移位施工前，應進行施工現場調查，編制施工方案和橋上橋下的交通組織方案， 頂升液壓油缸及泵站等設備應有備用方案。

施工準備： 清理施工場地→搭設施工作業平臺→現場布管，布線→搬運設備→檢查設備→接管和接電。

4.1 千斤頂布置

在0 號和2 號墩臺兩支座間各布置3 個千斤頂，在1 號墩臺兩支座間布置4 個千斤頂，支座邊各一處，共12個千斤頂，千斤頂的安放不能影響墊層的取出，見圖4。千斤頂有100T 和200T 兩種型號，可以組合使用，輸入的理論噸位由千斤頂的組合方式確定， 系統將控制輸出壓力小于理論噸位。 頂升前要保證千斤頂位置處的墩頂面和梁底面處理平坦， 必要時用相應厚度鋼板墊層調整至平坦、密貼，確保較好的貼合。 在工程施工中還需要準備必要的備用千斤頂，保證工程施工的連貫和進度。

圖4 0 號、1 號、2 號墩(臺)

4.2 監測傳感器布置

在頂升施工前先進行位移監測的測點和儀器的設置，以獲得相應的數據信息。 全橋共設置6 個監控點，在各墩臺處設置2 個監控點， 每個點使用位移傳感器和壓力傳感器進行頂升行程的監測， 并應根據監控結果對施工方案作相應的調整。 部分傳感器布置見圖5。

圖5 位移傳感器

4.3 制作臨時支座、墊塊

圖6 臨時墊塊

圖7 千斤頂布置

制作臨時支座、墊塊。采用不同高度的鋼墊塊作為臨時支撐(圖6)，每個橋墩支座間安置兩處臨時支撐，支撐體系應對稱布置。 要保證墊塊高度滿足千斤頂頂升高度的要求，保證墊塊之間有可靠的連接，同時準備一部分薄鋼板進行高度和角度的測量和調整。 在頂升停止時將臨時支撐的上下部分分別與鋼梁和橋墩連接固定， 同時測量記錄墊塊總高度，并保證墊塊頂盡量貼近梁底。

4.4 實施頂升

(1)頂升前結構檢查。 內容包括：①頂升支架和臨時墊塊是否可靠；②千斤頂安裝是否豎直、牢固；③頂升的橋梁結構與其他結構是否相互獨立， 結構頂升空間是否存在障礙物；④對頂升有干擾的設備是否都已移除。

(2)頂升系統檢查調試。 ①檢查泵站和油缸之間的液壓是否正常，加油時使用濾油器過濾，無油負載運行時，保證液壓系統正常運行，并且油路中無油阻塞或泄漏；②系統安裝到位，控制裝置接線和安裝正確，數據通信線路正確，PLC 控制系統運行正常，各傳感器系統信號正確傳輸，系統自由舉升，各閥工作狀態正常；③設置初始值，并讀取系統的初始載荷。 同時讀取控制系統壓力傳感器和位移傳感器的初始值[5]。

(3)預頂。貼合完成后，輸入頂升速度、指令位移、位移上下限和頂升誤差等數據，啟動同步升按鈕，每次頂升高度不超過千斤頂工作行程，觀察監測數據，預頂分段頂升完成后，評估此時狀態并確定是否進行正式頂升。預頂的作用是保證各千斤頂的同步和頂升系統的可靠， 在預頂過程中需同時對梁橋面板、千斤頂等進行監測，觀察監測數據有無異常變化[6]。

(4)正式頂升，取出第一層墊層。 重復預頂升的步驟，輸入頂升速度、指令位移、位移上限等數據，進行分段加載和頂升，當各千斤頂的位移滿足要求時停止。進行測量工作并實時反映測量數據， 對比實測數據與系統顯示數據的差異， 如有較大偏差需及時進行分析并制定調整方案。 若當前工作狀態正常，則取出第一層墊層，再進行下一步操作。

(5)同步降、落梁。同步降前，應檢查臨時支撐的高度，并與鋼墊層高度進行比較， 確定卸下臨時支撐墊塊的高度，滿足同步降的高度要求后，設置要頂升指令位移和位移下限等數據，再進行千斤頂回油降落。一般采用分段降落，且每段降落指令位移不大于30 mm，以保證降落過程的穩定安全。

(6)再分兩步取出第二、三層墊層和最后一層墊層，施工方式同上，頂升過程見圖8。 最終實現梁體落到蓋梁標高處，完成施工。

圖8 頂升過程(取第二層墊層)

(7)頂升過程監控

系統具備智能監控功能， 可以對壓力和位移進實時行監控，并顯示在控制顯示屏上。圖9 為系統監測數據面板，此時顯示的是施工過程中某時間點的各項監測數據，包括預先輸入的頂升誤差、頂升速度、位移上限和位移下限等數據。當超過預先設定值時，系統自動處理并報警提示，改變輸出壓力修正誤差，以保持頂升同步，是對頂升調控的主要方式。

圖9 系統監測數據面板

(8)檢查驗收。施工需遵守《橋梁頂升位移改造技術規范》GB/T 51256-2017 的要求[7]。 頂升過程及結果符合預期設計要求，梁體落到預定蓋梁標高處。

5 結語

PLC 多點同步頂升液壓系統適用于橋梁整體改造、橋梁糾偏、橋梁支座更換以及凈空不足的橋梁等。其優點是相比以往施工方案既節省成本又能縮短施工工期，使用方式便捷，對交通影響較小，及對環境的污染也較小。本文結合工程實例，詳細說明了應用PLC 多點同步頂升液壓系統施工工藝流程，相比其他頂升工藝，其具有施工便捷、適用范圍廣、精度高等優點，為解決此類橋梁頂升問題提供了良好的解決方法。