CN108239937B - 拱桥塔架自平衡控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种拱桥塔架自平衡控制方法，设置实时监测塔架的偏移情况的塔架偏移监测机构、对塔架的偏移进行纠偏的纠偏机构，将塔架偏移监测机构、纠偏机构与总控中心建立联系，形成由塔架偏移监测机构将实时监测的数据传送到总控中心系统，由总控中心根据控制策略实时控制纠偏机构对塔架进行纠偏的总控中心系统，以控制扣索索力与锚索索力的水平合力趋向于零的策略来实现，动态控制千斤顶使得扣索索力与锚索索力的水平合力趋向于零和控制塔架偏移量的双控策略实时控制千斤顶的动作对塔架进行实时纠偏。可实时监测塔架偏移情况，可自动计算扣索、锚索所需索力并动态调整索力，实现水平力合力为零，控制精度高，同步性好，可有效实现塔架施工中的自平衡。

Description

拱桥塔架自平衡控制方法
技术领域
本发明涉及桥梁施工技术领域，特别涉及一种拱桥塔架自平衡控制方法。
背景技术
在拱桥施工中，扣塔是承担扣索、锚索传力作用的载体；其原理是将拱圈浇注过程中由混凝土及挂蓝等产生的重力，通过扣塔上扣索与安装的锚索将力传递至锚碇，只有扣索与锚索相互产生的水平合力为零时，扣塔始终保持垂直状态，才能确保拱桥浇注过程中拱圈保持线性且混凝土不受拉应力的影响，这样可以保证施工安全，由于拱圈浇注过程中扣索拉力会随混凝土重量的增加而增加，塔架会随桥拱圈中心纵向偏移，扣塔偏移过大将影响拱圈标高和应力控制，因此塔架在施工过程中保持自平衡是拱桥施工的关键性控制工艺。
传统的施工方法中，一是采用卷扬机对扣锚索进行施力，该方法不能精确控制力；二是利用千斤顶对扣索和锚索进行单根、分级张拉的，或不同的人操作不同的设备分别张拉，人工操作，人工读数，效率低，同步性控制不准确；特别是锚索、扣索与水平面的夹角通常是不一致的，很难保证张拉过程水平合力为零。
发明内容
本发明的目的就是提供一种可实时监测塔架偏移情况，可自动计算扣索、锚索所需索力并动态调整索力，实现水平力合力为零，控制精度高，同步性好，可有效实现塔架施工中的自平衡的拱桥塔架自平衡控制方法。
本发明的解决方案是这样的：
一种拱桥塔架自平衡控制方法，包括步骤：
（1）总控中心系统搭建步骤：设置实时监测塔架的偏移情况的塔架偏移监测机构、对塔架的偏移进行纠偏的纠偏机构，将塔架偏移监测机构、纠偏机构与总控中心建立联系，形成由塔架偏移监测机构将实时监测的数据传送到总控中心，由总控中心根据控制策略实时控制纠偏机构对塔架进行纠偏的总控中心系统；
（2）总控中心的控制参数设定步骤：
1）1） 设定塔架最大偏移允许值s，以及偏移控制理想值范围0－s1，其中s1是偏移控制理想值的最大值；
2）设定扣索与锚索索力的比值Ｆ扣/Ｆ锚控制允许值范围，包括最大允许值Nmax和最小允许值Nmin；
3）设定扣索与锚索索力的比值Ｆ扣/Ｆ锚控制理想值范围:Ｎ１－Ｎ２ （Ｎ１<cosβ/cosα<Ｎ2）；其中N1为扣索力和锚索力比值理想范围的最小值，N2为扣索力和锚索力比值理想范围的最大值；α为扣索与水平面的夹角，β为锚索与水平面的夹角；
（3） 扣锚索预张拉步骤：在拱圈浇注前，将扣索、锚索张拉到设计的要求的索力，并使
（4）Ｆ扣/Ｆ锚＝cosβ/cosα，该比值的允许误差范围与工程设计精度要求一致；
（5）监测步骤：在拱圈浇注过程中，塔架偏移监测机构实时对塔架偏移情况进行实时监测，并将监测到的数据实时传输到总控中心；同时压力传感器实时监测扣索和锚索的索力并传输到总控中心；
（6）总控中心对索力、偏移的控制策略：
1）在塔架的偏移量≤s时的情况下，以索力控制为优先：当Ｎ１≤Ｆ扣/Ｆ锚≤Ｎ2时，处于理想状态，此时不必进行索力调整；当Nmin≤Ｆ扣/Ｆ锚<Ｎ１或Ｎ2<Ｆ扣/Ｆ锚≤Nmax时，虽非最理想状态但属于允许范围，可不进行索调整；当Ｆ扣/Ｆ锚<Nmin时，扣索索水平分力远小于锚索索力水平分力，总控中心发出指令，泵站驱动千斤顶动作，张拉扣索，放张锚索，直至达到Ｎ１≤当Ｆ扣/Ｆ锚≤Ｎ2停止；当Ｆ扣/Ｆ锚>Nmax时，扣索索水平分力远大于锚索索力水平分力，总控中心发出指令，泵站驱动千斤顶动作，张拉锚索，放张扣索，直至达到Ｎ１≤当Ｆ扣/Ｆ锚≤Ｎ2停止；
2）当塔架的偏移量>s时，以偏移量控制为优先，无论Ｆ扣/Ｆ锚是否大于Nmax，或是否小于Nmin，均进行调整：当塔架往拱圈方向偏移时，总控中心发出指令，泵站驱动千斤顶动作，张拉锚索，直到偏移量回到偏移控制理想值0-s1内停止；当塔架往锚碇方向偏移时，总控中心发出指令，泵站驱动千斤顶动作，放张锚索，张拉扣索，直到偏移量回到偏移控制理想值0-s1内停止。
本发明的优点是通过一个总控中心同时对多根扣索、锚索的索力进行调索，可自动计算扣索、锚索所需索力并动态调整索力，实现水平力合力为零，控制精度高，同步性好。
附图说明
图1是本发明的拱桥塔架自平衡系统总体布置图。
图2是本发明的千斤顶和扣、锚索安装示意图。
图3是本发明的塔架纠偏机构实施例1安装示意图。
图4是本发明塔架纠偏机构实施例２安装示意图。
图5是图4的顶视图。
图6为塔架偏离状态图。
图中附图标记为：１.塔架 ２.扣索 3.锚索 4.激光测距仪 5.反射板 6.千斤顶 7.锚板 8.液压泵站 9.总控中心 10.蓝牙 11、压力传感器 12.锚箱 13.拱圈 14.锚碇 Ａ.纠偏机构安装位置。
具体实施方式
本发明拱桥塔架自平衡控制方法，采用索力控制和塔架偏移控制双控的解决方案，所述索力控制方法，是以控制扣索索力与锚索索力的水平合力趋向于零的策略来实现，可实时监测塔架偏移情况，可自动计算扣索、锚索所需索力并动态调整索力，实现水平力合力为零，控制精度高，同步性好，可有效实现塔架施工中的自平衡。
本发明拱桥塔架自平衡控制方法，包括步骤：
（1）总控中心系统搭建步骤：设置实时监测塔架的偏移情况的塔架偏移监测机构、对塔架的偏移进行纠偏的纠偏机构，将塔架偏移监测机构、纠偏机构与总控中心建立联系，形成由塔架偏移监测机构将实时监测的数据传送到总控中心系统，由总控中心根据控制策略实时控制纠偏机构对塔架进行纠偏的总控中心系统；
（2）总控中心的控制参数设定步骤：
1）如图6所示，设定塔架最大偏移允许值s，以及偏移控制理想值范围0-s1；其中s1是偏移控制理想值的最大值；；
2）设定扣索与锚索索力的比值Ｆ扣/Ｆ锚控制允许值范围，包括最大允许值Nmax和最小允许值Nmin；
3）设定扣索与锚索索力的比值Ｆ扣/Ｆ锚控制理想值范围:Ｎ１－Ｎ２（Ｎ１<cosβ/cosα<Ｎ2）；其中N1为扣索力和锚索力比值理想范围的最小值，N2为扣索力和锚索力比值理想范围的最大值；α为扣索与水平面的夹角，β为锚索与水平面的夹角；
（3）扣锚索预张拉步骤：在拱圈浇注前，将扣索、锚索张拉到设计的要求的索力，并使
Ｆ扣/Ｆ锚＝cosβ/cosα，该比值的允许误差范围与工程设计精度要求一致；
（4）监测步骤：在拱圈浇注过程中，塔架偏移监测机构实时对塔架偏移情况进行实时监测，并将监测到的数据实时传输到总控中心；同时压力传感器实时监测扣索和锚索的索力并传输到总控中心；
（5）总控中心对索力、偏移的控制策略：
1）在塔架的偏移量≤s时的情况下，以索力控制为优先：当Ｎ１≤Ｆ扣/Ｆ锚≤Ｎ2时，处于理想状态，此时不必进行索力调整；当Nmin≤Ｆ扣/Ｆ锚<Ｎ１或Ｎ2<Ｆ扣/Ｆ锚≤Nmax时，虽非最理想状态但属于允许范围，可不进行索调整；当Ｆ扣/Ｆ锚<Nmin时，扣索索水平分力远小于锚索索力水平分力，总控中心发出指令，泵站驱动千斤顶动作，张拉扣索，放张锚索，直至达到Ｎ１≤当Ｆ扣/Ｆ锚≤Ｎ2停止；当Ｆ扣/Ｆ锚>Nmax时，扣索索水平分力远大于锚索索力水平分力，总控中心发出指令，泵站驱动千斤顶动作，张拉锚索，放张扣索，直至达到Ｎ１≤当Ｆ扣/Ｆ锚≤Ｎ2停止；
2）当塔架的偏移量>s时，以偏移量控制为优先，无论Ｆ扣/Ｆ锚是否大于Nmax，或是否小于Nmin，均进行调整：当塔架往拱圈方向偏移时，总控中心发出指令，泵站驱动千斤顶动作，张拉锚索，直到偏移量回到偏移控制理想值范围0-s1内停止；当塔架往锚碇方向偏移时，总控中心发出指令，泵站驱动千斤顶动作，放张锚索，张拉扣索，直到偏移量回到偏移控制理想值范围0-s1内停止。
实现拱桥塔架自平衡控制方法的控制系统，在塔架1上通过千斤顶6分别连接扣索2、锚索3的一端，所述扣索2的另一端固定于拱圈13，所述锚索3的另一端固定于锚碇14，所述塔架1在位于锚索一侧安装在激光测距仪4，在塔架1上端固定有反射板5，激光测距仪４通过测量激光测距仪４与反射板５之间的距离变化，通过光学三角测量原理测量出塔架１偏移情况，并将偏移数据传输到纠偏机构，激光测距仪４与总控中心９通过无线蓝牙或其它无线通讯通讯协议建立无线通讯连接，可实时将测量出的无线数据传输到总控中心９；所述纠偏机构负责对偏移的塔架实施纠偏，确保扣塔保持垂直状态；所述千斤顶6与总控中心连接、所述激光测距仪4与总控中心无线蓝牙或其它无线通讯方式连接，所述总控中心实时接收塔架偏移数据，由总控中心根据设置的通过动态控制千斤顶6使得扣索索力与锚索索力的水平合力趋向于零和控制塔架偏移量的双控策略实时控制千斤顶6的动作对塔架1进行实时纠偏。
液压泵站８是系统的动力机构，所述液压泵站包括油箱、电箱、控制阀组、压力传感器１１，所述控制阀组包括阀体、电磁换向阀、安全阀，所述控制阀组设置有多个进油口、回油口，每个进油口、回油口配有一个电磁换向阀，可控制一台千斤顶。所述液压泵站８根据控制中心９的指令驱动千斤顶６调整扣索２、锚索３的索力进行纠偏，一个泵站可同时调整多根扣索或多根锚索。所述压力传感器１１用于测量扣索、锚索的索力。不同泵站之间通过蓝牙实现数据传输。
下面通过具体的实例对本发明进行详细说明：
一种拱桥塔架自平衡系统及控制其方法，设置有总控中心、塔架偏移监测机构、纠偏机构，所述塔架偏移监测机构用于实时监测塔架的偏移情况，并将偏移数据传输到纠偏机构；所述纠偏机构负责对偏移的塔架实施纠偏，确保扣塔保持垂直状态。
如图6所示，偏移监测机构设有激光测距仪４，激光测距仪设置在塔架1一侧，在塔架上固定设置有反射板５，激光测距仪４通过测量激光测距仪４与反射板５之间的距离变化，通过光学三角测量原理即可测量出塔架１偏移情况。所述激光测距仪４与总控中心９通过通讯协议建立联系，可实时将测量出的无线数据传输到总控中心９。
纠偏机构设置锚箱１２、液压泵站８、千斤顶６；所述锚箱１２设置在塔架１上，并开有穿索孔，以便扣索２和锚索３穿过。
总控中心９负责整套系统工作的指挥和控制，其根据接收到的塔架偏移监测机构采集到的偏移数据和压力传感器采集的压力数据，通过计算后对液压泵站８发出指令，从而驱动千斤顶６调整扣索２、锚索３的索力进行纠偏。所述总控中心９可以是独立主机，也可以集成在所述液压泵站８上。
总控中心可以是独立主机，也可以集成在所述液压泵站上。所述总控中心设有电控箱、操作中心或操作平台、触摸屏、PLC控制单元、变频器、模拟采集模块等。
在图1所示的系统中，扣索２索力为Ｆ扣，锚索３索力为Ｆ锚，扣索２与水平面的夹角为α，锚索３与水平面的夹角为β，则
扣索索力水平分力f扣＝Ｆ扣cosα，
锚索索力水平分力f锚＝Ｆ锚cosβ。
f扣和f锚方向相反。f扣和f锚的绝对值越接近，水平合力越小，塔架越安全。
当f扣＝f锚，即Ｆ扣cosα＝Ｆ锚cosβ时，水平合力为零。此时，Ｆ扣/Ｆ锚=cosβ/cosα。因此，只要控制Ｆ扣/Ｆ锚为cosβ/cosα，即可实现塔架保持垂直状态。
基于上述技术方案，本发明有如下具体实施例：
实施例１（适合铁筋混凝土塔架）：
1、如图１所示，安装激光测距仪、反射板；如图２、３所示，安装千斤顶６、液压泵站８、控制中心９，安装并预紧好锚索３、扣索２。
2、从总控中心９设置如下参数：
（1）塔架最大偏移允许值s，以及偏移控制理想值范围0-s1；
（2）扣索与锚索索力的比值Ｆ扣/Ｆ锚控制允许值范围，包括最大允许值Nmax和最小允许值Nmin；
（3）设置扣索与锚索索力的比值Ｆ扣/Ｆ锚控制理想值范围:Ｎ１－Ｎ２ （Ｎ１<cosβ/cosα<Ｎ2）；
3、在拱圈１３浇注前，先将扣索２、锚索３张拉到设计的要求的索力，并使
Ｆ扣/Ｆ锚＝cosβ/cosα（允许误差范围根据工程设计精度要求而定）；
4、在拱圈浇１３注过程中，塔架偏移监测机构实时对塔架偏移情况进行实时监测，并将监测到的数据实时传输到总控中心９；同时压力传感器１１实时监测扣索２和锚索３的索力并传输到总控中心９；
5、索力控制：
在塔架１的偏移量≤s时的情况下，仅进行索力控制：
（1）当Ｎ１≤Ｆ扣/Ｆ锚≤Ｎ2时，处于理想状态，此时不必进行索力调整；
（2）当Nmin≤Ｆ扣/Ｆ锚<Ｎ１或Ｎ2<Ｆ扣/Ｆ锚≤Nmax时，虽非最理想状态但属于允许范围，可不进行索调整；
（3）当Ｆ扣/Ｆ锚<Nmin时，扣索２索力水平分力远小于锚索３索力水平分力，总控中心９发出指令，泵站８驱动千斤顶６动作，张拉扣索２，放张锚索３，直至达到Ｎ１≤当Ｆ扣/Ｆ锚≤Ｎ2停止；
（4）当Ｆ扣/Ｆ锚>Nmax时，扣索２索力水平分力远大于锚索３索力水平分力，总控中心９发出指令，泵站８驱动千斤顶６动作，张拉锚索３，直至达到Ｎ１≤当Ｆ扣/Ｆ锚≤Ｎ2停止；
如此，通过索力控制实现塔架的平衡；
6、偏移控制：当塔架１的偏移量>s时，无论Ｆ扣/Ｆ锚是否大于Nmax，或是否小于Nmin，均进行调整：
（1）当塔架１往拱圈１３方向偏移时，总控中心９发出指令，泵站８驱动千斤顶６动作，张拉锚索３，直到偏移量回到偏移控制理想值0－s1内停止；
（2）当塔架１往锚碇１４方向偏移时，总控中心９发出指令，泵站８驱动千斤顶６动作，放张锚索３，张拉扣索２，直到偏移量回到偏移控制理想值0－s1内停止。
实施例2（适合钢结构塔架）：
当塔架结构为钢结构时，由于钢结构抗拉能力强，可采取如图４、图５所示的方式安装千斤顶，从而使得安装更为方便，工作空间更小。控制方法同实施例１。

Claims (1)

1.一种拱桥塔架自平衡控制方法，其特征在于：包括步骤：
（1）总控中心系统搭建步骤：设置实时监测塔架的偏移情况的塔架偏移监测机构、对塔架的偏移进行纠偏的纠偏机构，将塔架偏移监测机构、纠偏机构与总控中心建立联系，形成由塔架偏移监测机构将实时监测的数据传送到总控中心系统，由总控中心根据控制策略实时控制纠偏机构对塔架进行纠偏的总控中心系统；
（2）总控中心的控制参数设定步骤：
1） 1设定塔架最大偏移允许值s，以及偏移控制理想值范围0－s1；其中s1是偏移控制理想值的最大值；
2）设定扣索与锚索索力的比值Ｆ扣/Ｆ锚控制允许值范围，包括最大允许值Nmax和最小允许值Nmin；
3）设定扣索与锚索索力的比值Ｆ扣/Ｆ锚控制理想值范围:Ｎ1－Ｎ２（Ｎ1<cosβ/cosα<Ｎ2），其中N1为扣索力和锚索力比值理想范围的最小值，N2为扣索力和锚索力比值理想范围的最大值；α为扣索与水平面的夹角，β为锚索与水平面的夹角；
（3）扣锚索预张拉步骤：在拱圈浇注前，将扣索、锚索张拉到设计的要求的索力，并使Ｆ扣/Ｆ锚＝cosβ/cosα，该比值的允许误差范围与工程设计精度要求一致；
（4）监测步骤：在拱圈浇注过程中，塔架偏移监测机构实时对塔架偏移情况进行实时监测，并将监测到的数据实时传输到总控中心；同时压力传感器实时监测扣索和锚索的索力并传输到总控中心；
（5）总控中心对索力、偏移的控制策略：
在塔架的偏移量≤s时的情况下，以索力控制为优先：当Ｎ1≤Ｆ扣/Ｆ锚≤Ｎ2时，1）处于理想状态，此时不必进行索力调整；当Nmin≤Ｆ扣/Ｆ锚<Ｎ1或Ｎ2<Ｆ扣/Ｆ锚≤Nmax时，虽非最理想状态但属于允许范围，可不进行索调整；当Ｆ扣/Ｆ锚<Nmin时，扣索索水平分力远小于锚索索力水平分力，总控中心发出指令，泵站驱动千斤顶动作，张拉扣索，放张锚索，直至达到Ｎ1≤Ｆ扣/Ｆ锚≤Ｎ2停止；当Ｆ扣/Ｆ锚>Nmax时，扣索索水平分力远大于锚索索力水平分力，总控中心发出指令，泵站驱动千斤顶动作，张拉锚索，放张扣索， 直至达到Ｎ1≤当Ｆ扣/Ｆ锚≤Ｎ2停止；
2）当塔架的偏移量>s时，以偏移量控制为优先，无论Ｆ扣/Ｆ锚是否大于Nmax，或是否小于Nmin，均进行调整：当塔架往拱圈方向偏移时，总控中心发出指令，泵站驱动千斤顶动作，张拉锚索，直到偏移量回到偏移控制理想值0－s1内停止；当塔架往锚碇方向偏移时，总控中心发出指令，泵站驱动千斤顶动作，放张锚索，张拉扣索，直到偏移量回到偏移控制理想值0－s1内停止。
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