CN102561217A - 基于模块式液压升降动力平板车的旧桥改造施工控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于模块式液压升降动力平板车的旧桥改造施工控制方法，该方法通过模块化箱梁运输设备实现旧桥“移旧换新”的施工工序及配套的桥梁移位及安装状态监测与操纵系统。本发明方法能够有效缩短旧桥和危桥改造的施工周期，并保证箱梁在运输和架设过程中受力及变形满足其所允许的范围的施工工序。本发明提出的模块化箱梁运输设备包括两台自力行走模块式运输车，设置在运输车上方的均载梁，安装在均载梁上的多组高度调节液压缸及其液压传动与控制系统组成。通过对液压升降平台承载力和姿态以及车组速度及转向角度的监测，液控系统对运输车悬挂机构、液压升降平台进行均载和接地比压均衡控制以及行走速度协同控制，将平台上的载荷及装备的自重载荷均匀地传到路面，保证箱梁承载均匀，实现桥梁移旧换新改造方案的施工工序。

Description

基于模块式液压升降动力平板车的旧桥改造施工控制方法

技术领域

本发明为一种基于模块式液压升降平台动力平板车的模块化并车、液压升降平台支承力与姿态控制和悬挂行走机构路面接触均载与行走速度控制实现的桥梁改造施工方法。属于土木工程机械、桥梁施工、结构监测、电液比例系统计算机控制交叉的技术领域。

背景技术

在城市交通工程建设和使用维护过程中，经常会遇到对一些因超期服役或长期超载服役而造成病害危旧桥梁的改造问题。目前对这类危旧桥梁进行改造常用的施工方案有：①强力满膛支架、拆旧板(旧梁)、架新梁；②破碎炮拆旧板(旧梁)，临时支架架新梁。这两种施工方案存在的共同问题是都会对桥上桥下道路造成长时间中断，严重影响原有道路的通行。为了最大限度地减少拆除旧梁和更换新梁对原有道路正常交通的影响，将桥梁改造时间限制在有限的几个交通非繁忙时间段完成，迫切需要改变传统的桥梁改造施工方法。通过在异地破碎旧桥箱梁和制造新桥箱梁，然后采用专用重型结构件搬运装备和配套的新型的施工控制方法快速完成旧梁拆除和新梁更换，从而使桥梁改造施工时间压缩在几个非繁忙交通段完成。显然，这种新型的桥梁改造施工方案可以大幅度缩短交通繁忙的旧桥和危桥的施工改造周期，具有重要的工程应用价值。

发明内容

本发明的目的正是针对传统的现场拆旧建新施工方案所存在的问题，提出一种能快速拆除和移走旧桥然后置换新桥的“异地制梁，移旧换新”的新型施工方法及配合新施工方法的特种重型结构件整体搬运、升降及架装施工装备。

本发明的一种基于模块式液压升降动力平板车的旧桥改造施工控制方法，所述旧桥改造施工控制方法包括旧桥拆除、旧桥移位、异地制造新桥板、运送新桥板至桥墩和新桥板在桥墩上安装就位的五步法；

所述旧桥拆除根据旧桥的形状、质量、两台平板车机均载升降机构的承载能力确定旧桥是整个桥板拆除移位还是分割拆除移位；接着在待运桥梁四角设置顶升液压支架建立临时支撑，利用液压支架的千斤顶将旧桥板预先顶推脱离桥墩至无障碍横移位置；

所述旧桥移位平板车的刚性托架与顶升液压缸间采用球形铰连接，达到平面约束，竖向自由的作用。平板车入桥位，在均载升降机构的作用下使得旧桥板安放在托架上；下降辅助顶升机构，完成旧桥板就位。在升降机构同步顶升过程中通过监测均载梁上各处的液压缸的压力和结构的相对位移和控制电液比例方向流量控制阀确保桥板各承载点的变形和承载力在允许的范围，从而保证旧桥板在顶升移位过程中病害不会进一步扩大；

所述异地制造新桥板根据施工场地和平板车的行走、爬坡和搬运能力，选择一合适位置在临时支架上制造新桥板，桥板制造完成后在搬运至桥墩前要进行必要的养护；

所述运送新桥板至桥墩采用双平板车并车驮运新桥板从新桥板码放处至桥墩；

所述新桥板在桥墩上安装就位接近桥墩时，运梁车以最低的微动速度行走至规定的位置后起升升降机构将桥板升至规定高度就位，通过对行走机构的直斜行和起升机构的升降控制实现新桥板在桥墩上就位以及托架上的万向千斤顶的高精度就位纠偏技术的准确安放。

本发明的技术原理是将目前的现场拆除旧桥后再建新桥的传统施工方式，以“异地制桥和移旧换新”的新型旧桥改造施工方法代替，实现该技术原理需要的特种桥梁施工装备即自力行走模块式运输车，以及设置在运输车上方的均载梁，和安装在均载梁上的多组顶升液压缸。

运梁车为采用模块化设计的重型自行式具有多轴独立转向和升降功能的载运工具(以下简称运架设备)，通过两个单运架设备并车运行完成所拆除旧桥板和新安装的新桥板的移位。平板车采用电液比例负载敏感液压系统和独立转向悬挂机构实现每轴绕回转支承中心回转和整车多模式转向，适应狭窄路面的转向操纵。采用多轴液压悬挂装置和液压缸并联实现组内均载和平升平降，通过切换阀切换悬挂液压系统实现三点或四点支承方式的编组选择。两运架设备并车行走时，其中一台运架设备的液压悬挂分为前后两组，另一台运架设备的液压悬挂按需要设为一组或两组，形成两台运架设备组成整体的“三点”或“四点”支撑。并车时，通过行走系统多传感器信息融合技术和电液比例协调控制实现两运架设备同步，如果两台运架设备之间没有影响并车行走的路障，可以同时设置刚性连接辅助同步。

均载梁布置在运梁车上，它可把所驮运桥梁的重力均匀的分布在运梁车的各个悬挂，以避免某些悬挂出现局部过载现象。均载梁上布置有多组顶升液压缸，液压缸由一台液压泵站供油。根据每个支点设计受力要求，预先调定每个液压缸工作压力，液压缸压力低于规定承载力对应的设定压力减小对应比例阀的流量，液压缸压力高于规定承载力对应的设定压力增加对应比例阀的流量，同时，设置蓄能器辅助工作。液压系统保证施加在桥梁上支撑力与设计支撑力一致，从而保证，旧梁的病害在运输状态下不会进一步扩大以至影响整个施工进程，新梁的应力应变状态在运输状态下与设计值一致，不会对新梁造成损害。

“异地制桥和移旧换新”的旧桥改造方法包括旧桥拆除、旧桥移位、异地制造新桥板、运送新桥板至桥墩和新桥板在桥墩上安装就位的五步法，其中步骤三需要在步骤一前完成，并对待安装的新桥板进行规定的力学及材料性能检验，如果是钢筋混凝土桥板还需要进行一定时间的实效及养护处理。

拆除旧桥前，应根据施工场地规划好准备旧桥临时放置场地和搭建制造新梁(新桥板)的临时支架、搬运旧桥移位的行走路线、新桥制桥点和搬运新桥至桥墩的行走路线。然后按后面所述的“五步施工法”具体实施。

附图说明

图1A是模块化箱梁运输设备的正视图。

图1B是模块化箱梁运输设备的俯视图。

图2是模块化箱梁运输设备顶升液压缸回收的前视图。

图3是模块化箱梁运输设备顶升液压缸伸出的前视图。

图4是施工第一步旧桥拆除的液压支架建立临时支撑示意图。

图5A是施工第二步旧桥移位的运输设备在桥位示意图。

图5B是施工第二步旧桥移位的运输设备出桥位示意图。

图6A是施工第四步箱梁运输在正常路面上的示意图。

图6B是施工第四步箱梁运输在路面不平上的示意图。

图7是施工第四步箱梁运输的俯视图。

图8是车组行走和转向协调控制原理简化图。

图9是运输过程中受力及姿态监测系统方框图。

图10是施工第五步新桥板精确安装示意图。

图11是桥板精确就位的托架结构示意图。

具体实施方式

本发明基于模块式液压升降动力平板车的旧桥改造施工控制方法，是一种采用模块式“移旧换新”桥梁施工装备(模块式液压升降动力平板车)，所述施工装备由两台或两台以上模块式液压升降动力平板车并行排列构成，模块式液压升降动力平板车的上方安装有均载梁，均载梁上安装有多组液压缸升降机构及其液压传动机构。本发明使用两台自行式平板运输车，通过液压、电控系统控制两者行走机构和升降机构协调作业，整体顶起待拆除旧梁将其运输到拆装场地，再将新梁整体运输到架设工位，整体落位至支墩上，完成整个施工过程。

采用模块化设计，然后根据实际负载需要将若干个模块组装成一个单车，采用两个单车并车完成所拆除旧桥板和新安装的新桥板的移位。每台平板车采用电液比例负载敏感液压系统和独立转向悬挂机构实现每轴绕回转支承中心回转和整车多模式转向，适应狭窄路面的转向操纵。采用多轴液压悬挂装置和液压缸并联实现组内均载和平升平降，通过切换阀切换悬挂液压系统实现三点或四点支承方式的编组选择。

根据每个支点设计受力要求，预先设定每个液压缸工作压力，实际工作压力低于设定值时减小该支点液压缸的流量，高于设定值时增加该支点液压缸的流量；同时，设置蓄能器辅助工作。通过控制液压系统使施加在桥梁上支撑力与设计支撑力一致，实现旧梁的病害在运输状态下不会进一步扩大以至影响整个施工进程，和新梁的应力应变状态在运输状态下与设计值一致，不会对新梁造成损害。液压系统采用电液比例控制，其微控特性可以桥板的在高度和姿态方向精确就位。

两平板车并车行走时，其中一台设备的液压悬挂分为前后两组，另一台设备液压悬挂按需要设为一组或两组，形成两设备的整体“三点”或“四点”支撑。并车时，通过行走系统多传感器信息融合技术和电液比例协调控制实现两车同步，同时设置刚性连接辅助同步。

本发明是一种基于模块式液压升降动力平板车的旧桥改造施工控制方法，该旧桥改造施工控制方法包括有下列五个步骤；

步骤一：旧桥拆除

根据旧桥的形状、质量、两台平板车机均载升降机构的承载能力确定旧桥是整个桥板拆除移位还是分割拆除移位；接着在待运桥梁四角设置顶升液压支架建立临时支撑(见图4)，利用液压支架的千斤顶将旧桥板预先顶推脱离桥墩至无障碍横移位置(一般顶起100～200毫米)。

步骤二：旧桥移位

平板车的刚性托架与顶升液压缸间采用球形铰连接，达到平面约束，竖向自由的作用。平板车入桥位，在均载升降机构的作用下使得旧桥板安放在托架上；下降辅助顶升机构，完成旧桥板就位。在升降机构同步顶升过程中通过监测均载梁上各处的液压缸的压力和结构的相对位移和控制电液比例方向流量控制阀确保桥板各承载点的变形和承载力在允许的范围，从而保证旧桥板在顶升移位过程中病害不会进一步扩大。采用双平板车并车方式驮运旧桥板出桥位，驶离桥位后顶升液压缸回落并将桥板运至旧桥临时安放场地(见图5A、图5B)。

步骤三：异地制造新桥板

根据施工场地和平板车的行走、爬坡和搬运能力，选择一合适位置在临时支架上制造新桥板，桥板制造完成后在搬运至桥墩前要进行必要的养护。

步骤四：运送新桥板至桥墩

采用双平板车并车驮运新桥板从新桥板码放处至桥墩。运输过程中为保证箱梁姿态及受力均衡，按照理想状态支反力顶起，同步运输过程各支点支撑力变化范围不得超过预警值范围，否则立即停车找出问题，调整满足要求后方可继续行走(见图6A、图6B)。其监控准则为根据每组支撑系统检测到的液压系统的压力F_i＝mP_iS_i，式中m为每组支撑缸的个数，P_i为各点压力值，S_i顶升液压缸工作腔内液压油的有效作用面积，i表示支撑点的标识号。然后判断运输车的支撑液压缸的压力是否满足(1+α)F_imin＜F_i＜(1-α)F_imax，式中F_imin为设定各个顶升液压缸工作时的最小压力值，F_imax为设定各个顶升液压缸工作时的最大压力值，α为设定偏差值。

为适应在不平路面的均载支撑和良好的通过性要求(见图7)，每车采用2点编组，两台车共同组合为一个4点支撑的运输平台。

行走时，要通过并车方式将两台车控制成一台车进行行走和转向。

并车时，通过行走系统多传感器信息融合技术和电液比例协调控制实现两车同步，同时设置刚性连接辅助同步。

速度及转向的协调控制有助于避免所运载的梁在运输过程中产生内力而造成桥板损害。其车组协调控制设定原理(见图8、图9所示)对具有独立转向驱动功能车轮的纯滚动约束使得沿轮子平面方向的运动必定伴随着适量的轮子转动，使得在接触点存在纯滚动，也即对独立转向驱动轮的纯滚动约束为式中，

为搬运机器人局部坐标系中三自由度运动分量；β为轮系相对于机器人坐标系X_r轴方向的夹角，逆时针为正，当轮系不具有转向功能时为固定值，当轮系具有独立转向功能时为时变值β(t)；

为搬运机器人整体转动角速度；r为驱动轮半径；

为驱动轮角速度；L为两虚拟轮中心间距离，L₁为车轮轴线相对于车体中心的距离。O_ICR为并车后整车的转向中心，V_Li为左车第i个车轮的轮速，V_Ri为右车第i个车轮的轮速，其中i表示车轮的标识，β_L为左车轮系相对于坐标系X_r轴方向的夹角，β_R为右车轮系相对于坐标系X_r轴方向的夹角。已知期望转向角度β(t)及期望速度V，根据各车轮相对于转向中心角速度相同，求解得到各轮的转向角度及速度值。

正常行驶时β(t)＝0。同时设定车组驱动轮车速偏差预警值和转向角度的预警值及相应的锁定值，式中v_e为期望的车速、θ_e为期望的转角，Δv_max为设定车速相应偏差的锁定值、Δθ_max为设定转角相应偏差的锁定值。实际速度v与实际转角θ满足关系 $\left\{\begin{array}{c}|v-v_e|<{\mathrm{\&Delta;v}}_{\max }\\ |\mathrm{\&theta;}-{\mathrm{\&theta;}}_e|<{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{\max }\end{array}\right..$ 若偏差超出范围，则警示灯提示并发出警示音；超过设置的锁定值则对系统进行锁定，直至调整到规定范围以内。从而保证新桥板在运输过程中的受力和变形低于工作时的允许值，不会对新桥板(梁)造成初期损害。

步骤五：新桥板在桥墩上安装就位

接近桥墩时，运梁车以最低的微动速度(一般为30～50cm/min)行走至规定的位置后起升升降机构将桥板升至规定高度就位(见图10)，通过对行走机构的直斜行和起升机构的升降控制实现新桥板在桥墩上就位以及托架上的万向千斤顶的高精度就位纠偏技术的准确安放(见图11)。桥板精确就位后托架跟随顶升液压缸下落，解除托架次梁间高强螺栓，箱梁运输设备驶离施工现场进行下一次操作。

本发明采用的模块式“移旧换新”桥梁施工装备，所述施工装备由两台或两台以上自力行走模块式运输车车组，设置在运输车上方的均载梁，安装在均载梁上的多组液压缸升降机构及其液压传动与控制系统等组成。使用两台自行式平板运输车，通过液压、电控系统控制两者行走机构和升降机构协调作业，整体顶起待拆除旧梁将其运输到拆装场地，再将新梁整体运输到架设工位，整体落位至支墩上，完成整个施工过程。

在本发明中，自行式动力平板运输车车组(其结构如图1A、图1B、图2、图3所示)采用模块化设计，然后根据实际负载需要将若干个模块组装成一个单车，采用两个单车并车完成所拆除旧桥板和新安装的新桥板的移位。每台平板车采用电液比例负载敏感液压系统和独立转向悬挂机构实现每轴绕回转支承中心回转和整车多模式转向，适应狭窄路面的转向操纵。采用多轴液压悬挂装置和液压缸并联实现组内均载和平升平降，通过切换阀切换悬挂液压系统实现三点或四点支承方式的编组选择。

在本发明中，均载梁上的多组液压缸升降机构，根据每个支点设计受力要求，预先设定每个液压缸工作压力，实际工作压力低于设定值时减小该支点液压缸的流量，高于设定值时增加该支点液压缸的流量；同时，设置蓄能器辅助工作。通过控制液压系统使施加在桥梁上支撑力与设计支撑力一致，实现旧梁的病害在运输状态下不会进一步扩大以至影响整个施工进程，和新梁的应力应变状态在运输状态下与设计值一致，不会对新梁造成损害。液压系统采用电液比例控制，其微控特性可以桥板的在高度和姿态方向精确就位。

在本发明中，两台自行式动力平板车并车行走时，其中一台设备的液压悬挂分为前后两组，另一台设备液压悬挂按需要设为一组或两组，形成两设备的整体“三点”或“四点”支撑。并车时，通过行走系统多传感器信息融合技术和电液比例协调控制实现两车同步，同时设置刚性连接辅助同步。

Claims (5)

1.一种基于模块式液压升降动力平板车的旧桥改造施工控制方法，其特征在于：所述旧桥改造施工控制方法包括旧桥拆除、旧桥移位、异地制造新桥板、运送新桥板至桥墩和新桥板在桥墩上安装就位的五步法；

所述旧桥拆除根据旧桥的形状、质量、两台平板车机均载升降机构的承载能力确定旧桥是整个桥板拆除移位还是分割拆除移位；接着在待运桥梁四角设置顶升液压支架建立临时支撑，利用液压支架的千斤顶将旧桥板预先顶推脱离桥墩至无障碍横移位置；

所述旧桥移位平板车的刚性托架与顶升液压缸间采用球形铰连接，达到平面约束，竖向自由的作用。平板车入桥位，在均载升降机构的作用下使得旧桥板安放在托架上；下降辅助顶升机构，完成旧桥板就位。在升降机构同步顶升过程中通过监测均载梁上各处的液压缸的压力和结构的相对位移和控制电液比例方向流量控制阀确保桥板各承载点的变形和承载力在允许的范围，从而保证旧桥板在顶升移位过程中病害不会进一步扩大；

所述异地制造新桥板根据施工场地和平板车的行走、爬坡和搬运能力，选择一合适位置在临时支架上制造新桥板，桥板制造完成后在搬运至桥墩前要进行必要的养护；

所述运送新桥板至桥墩采用双平板车并车驮运新桥板从新桥板码放处至桥墩；

所述新桥板在桥墩上安装就位接近桥墩时，运梁车以最低的微动速度行走至规定的位置后起升升降机构将桥板升至规定高度就位，通过对行走机构的直斜行和起升机构的升降控制实现新桥板在桥墩上就位以及托架上的万向千斤顶的高精度就位纠偏技术的准确安放。

2.根据权利要求1所述的基于模块式液压升降动力平板车的旧桥改造施工控制方法，其特征在于：车组协调控制对具有独立转向驱动功能车轮的纯滚动约束使得沿轮子平面方向的运动必定伴随着适量的轮子转动，使得在接触点存在纯滚动，也即对独立转向驱动轮的纯滚动约束为

式中，为搬运机器人局部坐标系中三自由度运动分量；β为轮系相对于机器人坐标系X_r轴方向的夹角，逆时针为正，当轮系不具有转向功能时为固定值，当轮系具有独立转向功能轮系时为时变值β(t)；

为搬运机器人整体转动角速度；r为驱动轮半径；

为驱动轮角速度；L为两虚拟轮中心间距离，L₁为车轮轴线相对于车体中心的距离。O_ICR为并车后整车的转向中心，V_Li为左车第i个车轮的轮速，V_Ri为右车第i个车轮的轮速，其中i表示车轮的标识，β_L为左车轮系相对于坐标系X_r轴方向的夹角，β_R为右车轮系相对于坐标系X_r轴方向的夹角。。已知期望转向角度β(t)及期望速度V，根据各车轮相对于转向中心角速度相同，求解得到各轮的转向角度及速度值。正常行驶时β(t)＝0。同时设定车组驱动轮车速偏差预警值和转向角度的预警值及相应的锁定值，式中v_e为期望的车速、θ_e为期望的转角，Δv_max为设定车速相应偏差的锁定值、Δθ_max为设定转角相应偏差的锁定值。实际速度v与实际转角θ满足关系 $\left\{\begin{array}{c}|v-v_e|<{\mathrm{\&Delta;v}}_{\max }\\ |\mathrm{\&theta;}-{\mathrm{\&theta;}}_e|<{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{\max }\end{array}\right..$

3.根据权利要求1所述的基于模块式液压升降动力平板车的旧桥改造施工控制方法，其特征在于：均载梁上的多组液压缸升降机构，根据每个支点设计受力要求，预先设定每个液压缸工作压力，实际工作压力低于设定值时减小该支点液压缸的流量，高于设定值时增加该支点液压缸的流量。

4.根据权利要求1所述的基于模块式液压升降动力平板车的旧桥改造施工控制方法，其特征在于：两台自行式动力平板车并车行走时，其中一台设备的液压悬挂分为前后两组，另一台设备液压悬挂按需要设为一组或两组，形成两设备的整体“三点”或“四点”支撑。并车时，通过行走系统多传感器信息融合技术和电液比例协调控制实现两车同步，同时设置刚性连接辅助同步。

5.根据权利要求1所述的基于模块式液压升降动力平板车的旧桥改造施工控制方法，其特征在于：运梁车以30～50cm/min的微动速度行走至规定的位置后起升升降机构将桥板升至规定高度就位。

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