高铁预制箱梁静载试验中智能化自控系统的应用

关乾驹

（中铁十一局集团有限公司桥梁分公司，江苏无锡 214105）

1 系统原理

静载试验智能化自控系统践行的是模块化设计理念，各模块可提供特定的功能，彼此间协同运行，具体有：

（1）主控模块是核心组成，其运行特定的算法完成对数据的一系列操作，首先对其进行计算与分析，再传输，以生成相应的数据报告。

（2）加载模块的运行得到主控模块的引导，在指令的驱动作用下施加力。

（3）校核、荷载测量模块，适配的是具有高精度和高稳定性的轮辐量传感器，主要是采集试验加载的力值并对该值进行校验，从而反馈至主控模块。

（4）挠度测量模块，核心装置为光栅位移计，根据试验要求设定加载力，由该仪器测定挠度变形量并完整记录数据，将该部分反馈至主控模块，针对数据展开计算与分析。

（5）裂缝检测模块，应用的是现阶段较为前沿的振弦检测及图像识别技术，基本功能在于检测受力裂缝，重点检测对象为梁体下缘底面和侧面，形成相关数据信息及图像资料。

试验过程中主控模块向加载模块发送指令，以便施加特定的力，同时其余各模块将检测的数据反馈至主控模块。

2 预制箱梁智能化施工总体思路

箱梁预制场施工由传统的人工作业方式逐渐转变为机械作业，自动化程度越来越高。目前，充分利用信息化数据的管控技术、BIM建模技术等，实现智能化施工[1-2]。经过施工设备的不断改造，使其具备信息管理系统，并结合BIM可视化技术，从箱梁预制的材料进场、试验检测、具体施工、成品检测、箱梁出库等流程进行信息管控，实现箱梁的智能化生产。

3 系统应用

3.1 准备工作

在应用该智能化自控系统之前，需要认真做好以下几方面的准备工作：

（1）终压试验结束30d 后组织静载试验。

（2）梁两端支座的高差应控制在10mm 以内，相同支座的高差需在2mm 内，要求箱梁具有稳定性，不平整度在2mm 内。

（3）对试验梁进行静载试验时，将梁的腹板中心线作为静载的中心线。

（4）支座中心线应当与梁体的跨度线相重合，安装至试验台撤除临时联结板。

（5）反力架的强度、刚度等性能应满足设计和施工需求，并可以提供最大试验荷载值1.5～2 倍以上的反力。

（6）分别配备6 只与光栅位移计量程相同的百分表以及6 个用于固定位移计的支架。

3.2 设备安装

3.2.1 机械千斤顶

机械千斤项的安装步骤有：于加载点铺设垫层，利用水平尺检查，根据实际结果合理调平；组织钢座板的铺设作业，依然需检查并调平，经此操作后要求钢座板与“十”字标线的中心重合；利用吊车将机械千斤顶平稳的放置，严禁在放置过程中破坏已调平的钢座板和垫层；确保机械千斤顶的中心与加载点中心重合，偏差应控制在10mm 以内；通过吊车将分控柜和变频柜吊至试验梁顶的一侧，安放在上部横梁附近；各千斤顶放置后应统一调速和马达朝向。

3.2.2 反力架

反力架的安装步骤如下：全面检查试验台架，要求其上、下横梁两部分可以维持平行的位置关系；千斤顶中心与反力架加载横梁中心的偏差在10mm 以内；千斤顶的顶面与反力架加载横梁的下表面一般情况下通过钢板或者锚垫板进行填充，常用的钢板厚度有 200mm×200mm×20mm 或 200mm×200mm×10mm，但应保留大约10mm 的间隙；以梁体底面为参照基准，要求精轧螺纹钢与之呈垂直的位置关系；精轧螺纹钢的外露长度至少达100mm，采用双螺母安装，由专员用专用扭矩扳手拧紧，以提高其稳定性；此后逐一检查，尽可能减小受力偏差。

3.2.3 挠度测量光栅位移计

在应用光栅位移计时辅以百分表，以便完成对数据的校核工作。两类仪器的量程为10mm 时可用于测量支座支点的沉降量；量程为50mm 时可用于测量梁体跨中的位移量。在实际操作中，光栅位移计与百分表的金属杆均要与支座表面呈垂直的位置关系，同时在触头部位预留1～2mm 的压缩量；条件允许时，可以在触头部位稳定粘贴玻璃片，通过此途径提高测量水平，保证结果具有更高的准确性。

3.2.4 裂缝检测设备

（1）图像识别裂缝检测仪：通过真空吸盘的应用能够有效固定检测仪，使其稳定在梁体的下方，在此前提下开启高清摄像机，然后扫描梁体下表面的变化。

（2）振弦应变裂缝检测仪：通过振弦传感器测量梁体的应变，且“工”字形布设牢固粘贴于梁体底部。

3.2.5 电气连线

电气连线是智能化自控系统得以有效运行的重要环节，应确保线材、接口准确对应，任何错误的连线都会导致系统不能识别相关传感器信息。

（1）静载试验过程中，主控柜所处位置应当为梁翼缘板下跨中处，并在梁及邻近试验台架的上部横梁处分别设置分控柜和变频柜。

（2）配电箱中的380V 交流电应与分控柜进行连线。

（3）分控柜可引出220V 航空插头，以满足主控柜的用电需求，在获得稳定的电力支持后稳压系统可高效运行，进一步向计算机以及试验所用的各监测仪供电。

（4）为保证分控柜和主控柜的运行稳定性，在两者间用急停电缆连接。

（5）分控柜有380V 交流电，其能够输送至变频柜，为之提供稳定的电力供应。

（6）电气连线具有明显的秩序性，高压动力线缆不可随意堆放，且需重点关注电机电源线，加强对该部分的防护，例如用金属丝网包裹并采取接地措施。

3.3 应用流程

（1）静载试验前，首先启动主控软件，将试验梁的各项参数存储于计算机内，全方位核对计算数据，在满足要求后方可进入后续作业环节。

（2）以操作手册为准，根据要求完成自检和调试工作，确保操作系统可以稳定运行。

（3）加载时先点击主控软件界面的“开始”按钮，启动智能化自控系统，运行过程中密切关注千斤顶加载、传感器运行数据、挠度数据等，对其做出判断，即是否存在异常。当发现数据异常是，及时点击“暂停”按钮，查明成因，采取针对性的处理措施，待恢复至正常试验状态后方可继续试验。

（4）试验过程中，主控程序实时接收各模块传送的数据并将荷载值、产生的位移等显示出来，综合考虑位移数据，以此为依据计算挠度和弯矩，基于所得数据创建跨中弯矩-挠度曲线，通过图形的方式更直观地呈现出加载进度。振弦传感器运行期间将产生一系列数据，其会被转变为线性相关系数，通过显示屏显示，以便根据数据进行判断，明确是否合格。

4 试验结果输出

经过静载试验后，智能化自控系统将完整地记录各项数据，并按照数据处理机制生成“静载试验报告”，该部分结果可以同步传输至桥梁静载试验系统中，供铁路工程管理工作人员展开分析。“静载试验计算单”及“静载试验报告”的内容、格式应遵守《简支梁试验方法预应力混凝土梁静载弯曲试验（TB/T 2092—2018）》[3]中的相关规定。

“静载试验计算单”涵盖弯矩、荷载等关键的数据，“静载试验报告”则是对试验全过程中时间、挠度、加载量等信息的全面整合。各项试验结果均可以被高效传输至铁路工程管理平台，由此对试验结果展开信息化的管理，工作人员可便捷查询特定阶段内的信息，以满足管理工作中对于数据的需求。

5 对比传统试验方法

将传统的箱梁静载试验方法与智能化自控系统的静载试验方法进行对比，可以看出智能化自控系统具有突出的优势。比如，在传统的静载试验模式中，各油泵均要安排司泵与监表2人，在10 个加载点的试验中则需20 人，此外还需在百分表记录、现场指挥、计时等工作中配备15 名人员，因此完成静载试验大约需要35 人。

人工操作时容易出现视度误差、反应速度慢等问题，造成加载不能同步进行、加载误差大，同时传统方法下需要人工读取并计算试验数据、加载值、对试验结果进行判断，该过程中也会不同程度的影响数据信息的精确度，且难以实现对数据的高精度传输。相较之下，通过智能化自动控制系统的应用有效解决了静载试验人员配置过多的问题，只需要主控、观察、指挥3 人便能完成整个试验。另一方面，机械千斤顶在测力传感器的监控下更利于控制加载力，保证试验梁受力均匀。同时“开始”按钮按下后即可启动试验，系统能够以自动化的方式计算各模块的数据，并完成后续的试验结果输出、传送等操作。

6 结束语

综上所述，信息化管理无疑是高铁制梁场在未来的重点发展方向，静载试验通过智能化自控系统完成能够采集更加精确的信息，对于高铁预制梁箱的制作有着重要作用。智能化自控系统的应用能够降低人工成本投入，减少人工误差，保证试验结果的可靠性，也有利于高铁预制箱梁朝着信息化、模块化的方向发展。