高速公路桥梁板式支座PLC同步顶升-论文发表

1 概述
截至2009年底中国高速公路通车总里程达6.5万公里，通车总里程居世界第二位。随着中国经济的快速发展，通行于高速公路的交通量与重载交通骤增，作为高速公路重要组成部分的桥梁也承受着日益加重的交通压力。近年来，高速公路桥梁的病害日渐趋多，并成为高速公路维修的重要部分，其中板式橡胶支座的病害和维修也日益突出，成为业内研究的重点。高速公路日夜不停运营的特点对桥梁支座的维修或更换技术提出了较高的要求，而近年来出现的PLC大吨位同步液压顶升控制系统的出现为高速公路桥梁支座在“在运”状态下的维修或更换提供了有力的技术支持。
2.板式橡胶支座常见病害与成因分析
桥梁支座在桥梁结构中起到连接上下部分结构、传递力与变形、协调梁体上部结构变形等功能，对桥梁的正常运营与使用起到关键作用。由于板式橡胶支座构造简单、造价低廉、安装方便，故被广泛应用于各类公路桥梁中。
桥梁支座由于设计、施工及材料老化等原因，一般会出现（1）支座部分或全部脱空、（2）支座剪切变形过大、（3）橡胶老化、开裂等病害。
支座部分或全部脱空病害一般是由于施工时同一横排支座的垫石标高或梁底标高不同而引起的受力不均，甚至完全脱空而引起的。支座脱空容易引起梁体局部下沉、桥面破坏，甚至会引起严重交通事故，因此在桥梁检测与维修过程中应重点防范。
支座剪切变形过大病害一般是由施工时支座顶面梁体或垫石顶面未能完全调平，或者运营时桥墩台的不均匀沉降而产生的支座高度差而引起的。
橡胶老化开裂病害的原因较多，原因之一是在在施工阶段，支撑垫石、梁体与支座结合部不平整或不水平，导致支座受力不均匀，将使得应力集中部位过早破坏。原因之二是运营阶段大量重载、超载车辆的通行使支座承受远远超过设计承载能力的荷载，从而引起提前老化破坏。另外，支座橡胶本身的质量问题也是也是引起支座开裂的原因之一。
3.PLC多点液压同步升降控制系统
根据桥梁结构的特点，对于上述高速公路桥梁板式支座病害的维修或更换一般都需要对梁体进行整体、同步顶升，但是由于高速公路“日夜运营”的特点以及桥梁结构的整体性，传统的施工工艺和施工设备无法实现对桥梁支座在“在运”状态下的维修或更换。近年来，随着集传统顶升设备与计算机技术、PLC（可编程序控制器）技术于一体的“PLC多点液压同步升降控制系统”的出现，“在运营状态下高速公路桥梁进行支座维修或更换施工”这一施工难题便迎刃而解。
该系统可实现大重量、高精度同步顶升，单点（液压泵站）顶升重量可达2500吨，并可多点并联同步顶升，同步精度可达±0.5mm，完全可以满足工程需要。
3.1. 工作原理与构成
PLC多点液压同步控制系统通过计算机指令来控制液压千斤顶，系统通过力的平衡自动调整各台千斤顶的压力，这样在顶升过程中保持各顶升力的平衡性，各顶升点所需的顶力值与实际提供值能够相符。同时，控制系统通过位移指令来控制液压千斤顶行程，保证了各台液压千斤顶平移的同步性。
同步控制系统均由液压系统（油泵、液压千斤顶、平衡保护阀、比例阀、进出油管等）、计算机控制系统（计算机、计算机软件、操作台、电控箱等）、PLC（可编程序控制器）、检测传感器（位移传感器、力传感器）等几个部分组成。

图1. 系统构成图
3.2. 系统特点
1. 分散布置
液压终端（千斤顶）可分散布置，以满足各种桥梁跨度和总长度的要求。
2. 集中控制
操作人员可以在车载操作平台上对液压终端实施远距离操控，并能通过监视器实时观测现场各液压终端的工作状态及各种参数。
3. 同步（等比例同步）升降
对于不等跨桥梁的顶升作业，分散布置在各跨梁端下的液压终端受力也不相同，该系统可保证在此情况下实现各液压终端的同步上升。
该系统也可以实现有特殊要求的顶升作业，比如保持桥梁纵坡情况下的大高度同步顶升，实现在升降过程中不同位置处液压终端行程的等比例，满足复杂情况下的升降作业。
4. 实时监控
操作人员在车载操作平台上不仅能够实时监控各液压缸的压力、位移大小，而且还能够检测压力、位移的变化趋势、历史纪录等；对泵站各阀件的工作状态也能够实时监控，便于故障的及时发现与排除。
5. 智能管理
该系统能够在不改变硬件系统的基础上满足液压缸的任意分组布置，分组同步，以及液压缸和位移传感器的任意关联；同时，该系统既能满足液压缸的同步动作，也能满足液压缸的单独动作；操作人员在车载操作平台上只需与电脑进行人机交互便可完成所有操作。
6. Windows 操作界面
系统采用友好的Windows 用户界面，操作方便，可观性强。
7. 硬件功能
该系统的油缸平衡保护阀可防止任何形式的系统及管路失压，从而保证负载有效支撑；顶升油缸内置式位移、压力传感器、均载阀，保证了顶升系统在恶劣工作环境下的高度可靠性。

图2. 车载控制平台图3. 计算机控制平台

图4. 液压泵站图5. 控制箱

图6. 顶升控制界面

4.桥梁板式支座维修更换施工工艺
1. 搭设支架、施工平台
桥台支座更换利用桥台作为施工平台，对空间不够部位采用支架措施，以确保施工的安全实施。对于高桥墩支座的更换，可采用特制钢挂架固定于墩身或盖梁上作为施工平台。
2. 台帽、盖梁顶面清理
1) 清理台帽或盖梁顶面沉积的土石块及砼块，必要时可采用钢纤对砼垃圾进行清理。
2) 用钢丝刷或对台帽或盖梁顶面进行清洁，保证支座更换时作业面干净整洁。
3) 清理伸缩缝内沉积的垃圾和杂物，以防止顶升内梁体间互相挤压。
3. 千斤顶、百分表安放与设置
千斤顶数量应与每个桥台下的支座数量相同。为精确测量顶升高度并在梁体顶升过程中控制梁体姿态，需在梁台两侧布设百分表，顶升过程中应有专人负责记录百分表读数。
4. 顶升系统调试
PLC多点同步液压顶升控制系统的调试主要包括以下内容：液压系统检查；控制系统检查；监测系统检查；初值的设定与读取。
5. 试顶
1) 顶升系统启动后现场各组人员各就各位，密切观察桥梁是否有异常状况出现，设备、仪表是否正常工作，显示读数是否在合理范围内。
2) 控制顶升速度不超过1mm/分钟，最大顶升高度不超过5mm。
3) 顶升就位后，持荷10分钟，观察梁体及设备状况。如有异常情况，应立即回油、落梁，问题解决后再进行试顶，直至梁体受力及设备运行正常。
4) 顶升就位后，根据控制系统显示的顶升重量复核支座型号及各支座承受的压力，如有异常，则应考虑调整支座型号。
5) 试顶正常后，应平稳落梁。
6. 梁体同步顶升
1) 顶升过程中以每顶升2mm为一步，分级顶升，各顶高差严格控制在0.5mm范围内，全程采用位移传感器监测梁体顶升位移情况。实时监测整个千斤顶间位移传感器升量高差，若高差超过控制值时，必须进行适时调整后才进入下一个顶升周期，达到同步顶升的目的。
2) 箱梁两侧布设百分表监测箱梁转动的情况，同时也作为位移传感器的对比验证数据，箱梁每顶升一级百分表读数一次。观测人员随时根据监测值反馈致控制室，指导操作人员进行操作。
3) 顶升时梁每升高5～6mm，临时支撑加垫一块钢板。
4) 同步顶升高度为可拆除既有支座和安装新支座所需的工作空间，约为10～15mm。
5) 顶升到位后将梁体由千斤顶转落至临时支撑。
7. 支座更换
1) 用铁勾或人工取出旧支座，取出旧支座前应拍照记录其缺陷状况。
2) 用人工配合钢丝刷清洁支座垫石表面，如有支座下钢板，则应打磨去除铁锈。
3) 测量垫石顶面标高，如顶不平整，则用环氧砂浆抹平。
4) 在支承垫石上根据设计图纸标出支座位置中心线，使支座的中心线与墩台的设计位置中心线重合，支座就位准确。
8. 落梁
1) 落梁前在梁体两侧的桥台或桥墩挡块与梁体间加塞木板，防止落梁时梁体发生水平位移。
2) 开启同步顶升系统，平稳降落梁体。
3) 梁体就位后检查支座上下钢板与垫石、梁底之间的密贴情况，应尽量保证支座上下面全部密贴。
4) 支座检查合格后拆除千斤顶、临时支承钢板等他顶升设备。
5) 取出梁体与挡板间木板，清理施工废垃圾。

5. 结论
1. 由于施工缺陷、超载车辆、运营时间等各种原因，桥梁支座的病害已日渐突出，并严重影响高速公路桥梁的安全和耐久性。
2. 采用“PLC多点同步液压顶升控制系统”维修更换桥梁支座，不仅操作方便，节省施工成本大大缩短施工工期，而且还可以在“在运”状态下对支座进行维修更换。该方法值得在国内高速公路桥梁支座维修工程中推广使用。

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