超大型箱梁多点支撑移运技术研究

鲁庆 宁晓冬

摘 要：广深沿江高速公路（深圳段）机场特大桥60m箱梁采用整体预制、整体架设方案。箱梁为单箱双室结构，顶板宽19.65m，底板宽10.35m，高3.5m，重2400t。箱梁采用整体液压内模，为满足内模出模的要求，梁端端隔墙将进行二次浇筑。为缩短箱梁的预制周期，需在横隔墙未施工的情况下将箱梁移出预制台座，就需要有可靠的工艺和工艺设备。本文将对此进行探讨。

关键词：超大型箱梁；多点支撑；同步顶升；移运

1 概 述

机场特大桥是广深沿江高速公路深圳段中部的一段海上桥梁，桥梁东侧为宝安国际机场，西侧为内伶仃洋大铲湾水道，全长6.84km。上部结构采用60m整体预制箱梁，箱梁采用先简支后连续形式，五孔为一联。

箱梁为单箱双室结构，顶板宽19.65m，底板宽10.35m，高3.5m，预制段梁长58.5m，重2400t。为缩短箱梁的预制周期，需在横隔墙未施工的情况下将箱梁移出预制台座。因横隔墙未施工，箱梁的横向刚度较小，若采取杭州湾海湾大桥四点支撑移梁的方案，箱梁将可能出现裂纹。

2 箱梁运输中支撑方案研究

本项目箱梁运输中支撑方案的技术重点是：怎样保证箱梁在超静定支撑状态下移运，而不发生扭曲、开裂。

2.1 箱梁四点支撑运输方案研究

图1 箱梁竖向位移云图 （单位：m）

图2 箱梁主拉应力云图 （单位：MPa）

60m箱梁在横隔板未施工的状态下，进行四点支撑移运。计算采用通用有限元程序Ansys 10.0，经计算得知箱梁主拉应力最大值为12.7MPa，大于规范规定的C50混凝土容许拉应力1.89MPa。

由计算结果云图1可知，四支点移梁时箱梁端部最大竖向位移约4mm。

由计算结果云图2可知，箱梁主拉应力最大值为12.7MPa，大于规范规定的C50混凝土容许拉应力1.89MPa。最大拉应力位置发生在箱梁端部底板底面靠近中腹板的位置，应力超过4.02MPa的区域面积为3.0m*3.0m。箱梁端部底板顶面拉应力最大值也达到10.4MPa，发生在底板与边腹板交接的角点处位置，该位置应力超过4.89MPa区域面积达到1.2m*1.0m。

因此，箱梁在未施工端部横隔板的情况下采用四点支撑移梁作业将导致箱梁出现受力裂纹，影响箱梁的耐久性，甚至可能出现重大安全事故，故箱梁四点支撑的运输方案不能满足60m箱梁移运要求。

2.2 箱梁六点支撑运输方案研究

箱梁在未施工端隔墙的状态下，进行六点支撑移梁作业，即在梁端每个腹板下均设支撑点。计算采用通用有限元程序Ansys 10.0。

图3 箱梁竖向位移云图 （单位：m）

图4 箱梁主拉应力云图 （单位：Pa）

由计算结果云图3可知，6支点移梁时箱梁端部最大竖向位移为1.7mm，且位移分布比较均匀。

图4为应力限值在3MPa的主拉应力云图，由图可知，箱梁主拉应力超过3.0MPa的区域主要有3个地方，第一处区域在箱梁3个腹板端部断面的4个纵向预应力锚固位置，第二处区域在箱梁底板左中右3个支座位置，第三处区域在底板6个纵向预应力锚固点位置，这些区域应力较大均为应力集中现象导致。其他区域主拉应力值均小于1.67Mpa，小于规范允许的1.89MPa。

根据计算，若能实现在起升、移运、下放的过程中，六个支撑点全过程都能提供可靠的支点反力，则广深高速机场特大桥60m箱梁移运的难题便迎刃而解。若采用六点支撑移梁，首先就存在支撑的超静定问题。此外，考虑到运输过程中轨道不平度以及移梁滑道基础的变形等问题，顶升、移运及下放过程中就必须保证油缸能给箱梁提供我们所需要的支撑力，避免梁体出现裂纹。

2.2.1 六点电脑控制同步顶升系统

2.2.1.1 总体情况介绍

为满足箱梁移运要求，同步顶升设备中共使用了6台CLL8004大吨位机械锁紧油缸，在梁的纵向两端各布置3台，靠外侧的两个为主顶升油缸，中间为辅助顶升油缸。共4台主顶升缸，2台辅助顶升缸。

图表 1 现场布置情况

2.2.1.2 布置说明

整个顶升液压系统可分为主顶升系统和辅助顶升系统两个部分，两部分均由同步控制器集中远程控制。主顶升系统包括CY1，CY3，CY4和CY6油缸，分别安放在箱梁的4个支撑点之下；辅助顶升系统包括CY2和CY5油缸。

下图为顶升设备布置俯视图。

图表 2 设备布置俯视图

2.2.1.3 功能简介

1）油缸下腔均安装压力传感器，用来测量油缸内部的压力。

2）CY1，CY3在平移过程中通过电控系统保证两个支撑点在移运过程中支撑力始终相同，而且不会存在油缸顶部脱开梁体的问题，属于主顶升系统内的浮动支撑。CY4，CY6在平移过程中机械锁紧、防止坠失，属于主顶升系统的固定支撑，压力传感器仅用于显示油缸内的压力（载荷重量）不参与控制。属于辅助顶升系统的CY2，CY5油缸部位同样安装有压力传感器，用来检测油缸下腔压力，在上升和平移过程中这两个油缸会保持设定的力值跟随梁体上升或下降，起到辅助托举的作用。

3）每个主顶升油缸部位都安装有拉绳位移传感器。传感器一端固定在台车底座上，一端与梁体底面相连用来检测梁体4个支撑点的位移，通过PLC系统的比较运算控制对应泵站电磁阀开关来保证梁体两端同步上升。

2.2.1.4 液压系统及工作原理阐述

1）主顶升系统和辅助顶升系统在液压元件构成上完全一致。每个顶升点都包括机械锁紧油缸、升降阀组、三位四通电磁换向阀、溢流阀、柱塞泵。

油缸上升：柱塞泵供油，压力油经三位四通电磁换向阀左位进入升降阀组，再进入油缸工作腔，梁体开始上升。

油缸下降：柱塞泵供油，压力油经三位四通电磁换向阀右位进入升降阀组的液控口，将阀组打开，油缸工作腔的油液则通过升降阀组，经三位四通电磁阀流回油箱。

2）液压系统原理图

图表 3 液压原理图

3）液压系统动作描述

预顶升过程：按下预顶升按钮后，所有电磁铁左位得电，六个油缸开始上升，当控制台检测到每个油缸均建立起10MPa压力后系统控制电磁铁失电，油缸停止进油，此时箱梁没有被顶起但油缸柱塞与箱梁之间的间隙被消除，可将位移传感器数值置零。

同步顶升过程：按下顶升按钮后，各个泵站继续上压，其中CY2，CY5辅助顶升油缸的压力会始终保持设定值，并跟随梁体上升。CY1，CY3，CY4，CY6的油缸运动则会根据位移传感器的反馈，经主站PLC比较运算后发出打开或关断相应的电磁阀的指令，进行同步控制调节。

平移过程：在平移过程中所有油缸由升降阀组锁定保压。同步控制器上当“顶升/平移”选择开关转向“平移”的瞬间记录了主顶升CY1和CY3的压力，当这两个油缸中的一个油缸发送压力变动超过允许值时，CY1和CY3根据PLC判断进行相反方向的运动（即一个顶升，另一个下降）直至恢复顶升前的力值范围。而另一端的主顶升油缸CY4和CY6在这个过程中通过机械锁紧保持起升高度不变。而CY2，CY5辅助顶升油缸则依据系统设定的压力，随着梁体的升降自动给油缸补油或溢油，保持顶升力不变。

同步下降过程：按下同步下降按钮后，压力油经电磁换向阀右位，打开升降阀组液压锁，CY1，CY3，CY4，CY6的油缸运动则会根据位移传感器的反馈，经主站PLC比较运算后发出打开或关断相应的电磁阀的指令，进行同步控制调节；而CY2，CY5辅助顶升油缸的压力会始终保持设定值，并跟随梁体下降

2.2.2 电控系统及工作原理

2.2.2.1 从控制器

每台泵站配置一个从控制器，可以独自操控泵站，也可以通过总控制器远程操控。从控制器核心部分为PLC，PLC的数字量输入端连接按钮，数字量输出端连接继电器，继电器连接电机和三位四通电磁换向阀的电磁铁，PLC的模拟量输入端连接位移传感器和压力传感器。

泵站启动：『急停』松开，选择开关置于『本地』，按下『启动』按钮，PLC根据内部逻辑程序运算，输出Q0.0=1，继电器KA1得电，电机启动；

上升：按住并保持『上升』，PLC根据内部逻辑程序运算，输出Q0.1=1，继电器KA2得电，上升电磁铁得电，油液进入油缸无杆腔，油缸上升。

下降：按住并保持『下降』，PLC根据内部逻辑程序运算，输出Q0.2=1，继电器KA3得电，下降电磁铁得电，油液进入油缸有杆腔，油缸下降。

泵站关闭：按下『关闭』按钮，PLC根据内部逻辑程序运算，输出Q0.0=0，继电器KA1失电，电机停止。

图表4 从控制器电气连接图

2.2.2.2 总控制器

6个从控制器通过现场总线串行连接到总控制器，将从控制器的现在开关置于『远程』位置，可以通过总控制器发送控制指令到从控制器，从控制器通过接收到的指令输出控制信号，控制泵站开启和关闭、油缸上升和下降。

泵站开启：松开『急停』，从控制器的选择开关置于『远程』，按下『泵站启动』按钮，总控制器发送控制指令至从控制器，从控制器运算内部逻辑控制程序，输出Q0.0=1，继电器KA1得电，泵站启动。

泵站关闭：从控制器的选择开关置于『远程』，按下『泵站关闭』按钮，总控制器发送控制指令至从控制器，从控制器运算内部逻辑控制程序，输出Q0.0=0，继电器KA1失电，泵站停止。

预顶升：触摸屏设置参数，按下『参数确认』按钮确认参数设置，选择开关置于『联动』和『升降』，按下并保持联动按钮『预顶升』，总控制器根据从控制器发送的各个压力传感器的数值，运行内部比较程序，输出控制指令至从控制器，从控制器根据接收到的指令，控制输出Q0.1= 1，上升继电器KA2得电，由此控制不同油缸的升降，直至压力达到预顶升压力。

同步上升：触摸屏设置参数，按下『参数确认』按钮确认参数设置，选择开关置于『联动』和『升降』，按下并保持联动按钮『上升』，总控制器根据从控制器发送的各个位移传感器的数值，运行内部比较程序，输出控制指令至从控制器，从控制器根据接收到的指令，控制输出Q0.1=1或0，上升继电器KA2得电或失电，由此控制不同油缸的同步上升。

同步下降：触摸屏设置参数，按下『参数确认』按钮确认参数设置，选择开关置于『联动』和『升降』，按下并保持联动按钮『下降』，总控制器根据从控制器发送的各个位移传感器的数值，运行内部比较程序，输出控制指令至从控制器，从控制器根据接收到的指令，控制输出Q0.2=1或0，下降继电器KA3得电或失电，由此控制不同油缸的同步下降。

单动上升：选择开关置于『单动』和『升降』，按下并保持单动按钮『上升』，总控制器根据输入命令，发送控制指令至相应的从控制器，从控制器根据接收到的指令，控制输出Q0.1=1，上升继电器KA2得电，油缸上升。

单动下降：选择开关置于『单动』和『升降』，按下并保持单动按钮『下降』，总控制器根据输入命令，发送控制指令至相应的从控制器，从控制器根据接收到的指令，控制输出Q0.2=1，下降继电器KA3得电，油缸下降。

平移：选择开关置于『联动』和『平移』，在进入平移状态时，总控制器记录CY1和CY3的压力，计算平均值P及其允许的上下偏差，在平移过程中CY1和CY3保持压力在P的上下偏差范围内，CY4和CY6保持不动，CY2和CY5始终保持在辅助支撑压力的上下偏差范围内。

2.2.2.3 位移传感器的工作原理

60米箱梁移运设备中采用拉绳式位移传感器，又称拉绳电子尺，拉绳电子尺的功能是把机械运动转换成可以计量，记录或者传送的电信号。拉绳式电子尺由可拉伸的不锈钢绕在一个轮毂上，此轮毂与一个精密旋转电位计连接在一起。操作上，拉绳式位移传感器安装在固定位置上，拉绳末端的挂钩挂在移动物体上。拉绳直线运动和移动物体运动轴线对准。运动发生时，拉绳伸展和收缩。一个内部弹簧保证拉绳的张紧度不变。轮毂带动精密旋转电位计旋转，输出一个与拉绳移动距离成比例的电流信号，测量输出电流信号可以得出运动物体的位移。

2.2.2.4 压力传感器工作原理

压电效应是压力传感器的主要工作原理，当应变片受到的压力不同时，输出的电信号就不同。60m箱梁移运工程中采用的是输出电流信号的压力传感器。压力传感器安装于油缸无杆腔的油路回路中，用于测量油缸压力，即被测油缸的负载。压力传感器连接到泵站上控制器的模拟量输入端，泵站控制器通过工业现场总线通信系统连接到总控制器。

3 结 语

广深高速机场特大桥60m箱梁的移运方案是采用计算机作中央处理器、高技术的电子元器件作控制装置、液压顶作施力装置、机械式横移台车作底座的综合性方案。计算机技术、电子技术、液压技术、机械技术在此方案中得到了协调合理的利用。根据此种方案，我们可将之扩展开来。60m箱梁移运采用的是电脑控制6点同步顶升移梁，若将此种方案经过一定的改进后，选择合适的支点及控制支撑力，将同样可以发展成为电脑控制8点、10、12等多点同步顶升移运重物的装置。此方案，在液压顶的选型（行程大小可变、吨位大小可变、单双作用顶可变、机械锁的有无）、液压泵站的选型（流量可变、作业压力可变）方面均可灵活变动，在对液压顶进行选型时，我们应将液压顶的原始高度纳入选型的考虑范畴，液压顶在同时选择双作用顶、带机械锁时，液压顶的原始高度将远高于同行程其它类型液压顶的高度。合理的利用此种方案，那么此种方案将实用于各种大型箱梁、船舶、钢构件等各种大型重物的陆上顶升或运输。

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