CN112411393A - 一种基于北斗导航系统的桥梁转体控制系统及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于桥梁建设领域，具体涉及一种基于北斗导航系统的桥梁转体控制系统的应用方法，所述控制系统包括北斗信号接收器、控制机和纠偏驱动器。所述控制系统的应用方法包括：1)设定桥墩偏角的预警阈值和纠偏值；2)启动控制系统；3)开始转体；4)监控转体进度；5)发出警报；6)缩小桥墩偏角；7)停止报警；8)结束转体。本发明用于实现桥梁转体施工过程中的自动化监控、自动纠偏和自动停转，从而能体现施工现场的信息化，显著提高施工现场的安全监管效率。

Description

一种基于北斗导航系统的桥梁转体控制系统及其应用方法

技术领域

本发明属于桥梁建设领域，具体涉及一种基于北斗导航系统的桥梁转体控制系统的应用方法。

背景技术

大型桥梁的转体系统一般分为上下两部分，上转盘包括上部球铰和撑脚，下转盘包括下部球铰、环形滑道、沙桶、转体驱动系统、承台等，通过钢销轴的连接定位两部分结合成一个完整的转体系统。大型桥梁的转体施工基本是围绕一个球铰转动，倾覆力矩通过球铰周边的滚动支撑平衡。实际转体过程中，由于风力影响、球铰的制作误差、转体质量刚度不均匀、预应力偏差等不利的情况，结构重心会偏离球铰中心，倾斜一侧的撑脚与滑道接触发挥支撑用，此时转体结构发生刚体位移，撑脚为倾覆支点。

参与转体过程的核心结构是不允许发生无组织运动的，甚至连微小侧向转动也需要受到严格控制。以往的研究，大多采用解析法或者结合有限元建模，但是并没有将其与现场施工监控相结合。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明提供一种基于北斗导航系统的桥梁转体控制系统及其应用方法。

本发明所述的一种基于北斗导航系统的桥梁转体控制系统包括：北斗信号接收器、控制机和纠偏驱动器；

所述北斗信号接收器与北斗卫星导航系统相适应，设置在待转体梁段的控制角点上；北斗信号接收器与控制机连接；

所述控制机分别与纠偏驱动器和转体桥的转体驱动系统连接；

所述纠偏驱动器为安装有千斤顶的竖向可伸缩撑脚，其上端与转体桥的上部球铰连接，下端设置在下部球铰的滑道上，与沙桶间隔均匀分布。

所述基于北斗导航系统的桥梁转体控制系统，还包括风速传感器；所述风速传感器设置在桥面上，与控制机无线连接。

所述基于北斗导航系统的桥梁转体控制系统，还包括纠偏轨道和配重轨道车；

所述纠偏轨道为设置在桥面上的车轨；

所述配重轨道车为电动力遥控车，设置在纠偏轨道上；每个配重轨道车结构与配重均相同，其驱动系统与控制机无线连接。

所述纠偏轨道由垂直设置在桥面上的两条车轨组成；两条车轨的交点在桥面上球铰轴心的对应位置处，其中平行于桥面行车方向的车轨为纵向车轨，垂直于桥面行车方向的车轨为横向车轨；所述纵向车轨由两条车轨的交点分割为相同长度的前半纵向纠偏轨道和后半纵向纠偏轨道，所述横向车轨由两条车轨的交点分割为相同长度的前半横向纠偏轨道和后半横向纠偏轨道，共有四段纠偏轨道。

所述配重轨道车有四辆，分别设置并限定在前半纵向纠偏轨道、后半纵向纠偏轨道、前半横向纠偏轨道和后半横向纠偏轨道上。

一种基于北斗导航系统的桥梁转体控制系统的应用方法，采用所述的基于北斗导航系统的桥梁转体控制系统，包括以下步骤：

步骤1，在控制机上设定桥墩偏角的预警阈值和纠偏值；所述预警阈值设置为转体桥的重力合力作用点超出桥墩与球铰接触面在水平面上的投影核心时的桥墩偏角；所述纠偏值小于实际桥墩偏角；

步骤2，启动控制系统；

控制机启动北斗信号接收器，获得各个控制角点的实时坐标变化，得出桥体在转体过程中所在的真实位置和水平高度，由此换算出转体上部结构在转体过程中与桥墩的实际桥墩偏角；

步骤3，控制机启动转体桥的转体驱动系统，开始转体，进入转体过程；

步骤4，转体过程中，控制机根据各个控制角点的横向坐标值，得出球铰转速和转体进度；如果转体进度已达到转体进度结束点，进入步骤8；否则，进入步骤5；

步骤5，继续转体过程，如果实际桥墩偏角超出预警阈值时，控制机立即关闭转体桥的转体驱动系统，并发出警报；否则，返回步骤4；

步骤6，控制机根据当前的实际桥墩偏角，控制纠偏驱动器调整上部球铰与滑道在各个位置上的间距，缩小桥墩偏角；

步骤7，当实际桥墩偏角达到纠偏值时，控制机控制纠偏驱动器停止动作，停止报警，返回步骤3；

步骤8，控制机关闭风速传感器、北斗信号接收器和转体桥的转体驱动系统，转体结束。

所述步骤1还包括：设置若干组风速阶梯区间，并分别设置与每个风速区间对应的球铰安全转速；

所述步骤2还包括：控制机启动风速传感器，获得实时风速；

所述步骤4还包括：转体过程中，控制机根据各个控制角点的横向坐标值，得出球铰转速；控制机按照实时风速确定对应的球铰安全转速，并控制转体桥的转体驱动系统使转速达到球铰安全转速。

所述步骤2还包括，通过控制机向配重轨道车的驱动系统发送驱动指令，控制配重轨道车分别停放在所属纠偏轨道的中点处；

在所述步骤6开始后，如果实际桥墩偏角继续增大，则控制机通过调整配重轨道车在所属纠偏轨道上的位置，进而调整转体上部结构的重心，从而进一步缓解转体桥的倾覆趋势，然后进入步骤7；如果实际桥墩偏角开始减小，则直接进入步骤7。

本发明的有益效果：

本发明提出一种基于北斗导航系统的桥梁转体控制系统的应用方法，用于实现桥梁转体施工过程中的自动化监控、自动纠偏和自动停转，从而能体现施工现场的信息化，显著提高施工现场的安全监管效率。

为了保证桥梁转体施工过程中不发生倾覆，基于北斗卫星导航系统对转体结构的控制角点位置坐标进行实时监测，根据转动体系的构造，确定转体发生倾覆的预警阈值，通过准确设置该值达到保障转体施工安全的目的，实现高效转体施工控制和桥梁健康监控。本控制系统没有量程限制，可以长时间永久连续监测，不受各种天气影响，而且各个控制角点之间不需要通视，这是一些常规监测手段，譬如全站仪难以实现的。

北斗导航系统解决了传统GPS精度不高、人工测量精度不高和费时费力的问题，并且其位移的实时监控可以实现转体倾覆的提前预警，可作为桥梁转体现场安全施工的重要技术管理手段。北斗导航系统的精度高，考虑到大型转体桥梁的长度一般都较大，有几十米到上百米，因此，可分辨的桥墩纵向倾角可达分及秒。

在纠偏过程中，通过控制可伸缩撑脚和配重轨道车来缩小偏角，实现快速摆正，消除倾覆风险，形成高效安全的自动纠偏控制。

本发明设计合理，易于实现，具有很好的实用价值。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中所述基于北斗导航系统的桥梁转体控制系统的连接示意图；

图2为本发明具体实施方式中所述纠偏驱动器的布置图；

图3为本发明具体实施方式中所述纠偏轨道和配重轨道车的结构示意图；

图4为本发明具体实施方式中所述基于北斗导航系统的桥梁转体控制系统的应用方法流程图。

图中：1、北斗信号接收器；2、控制机；3、纠偏驱动器；4、纠偏轨道；5、配重轨道车；6、风速传感器；7、滑道；8、沙桶；9、桥面。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明做出进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出一种基于北斗导航系统的桥梁转体控制系统，设置在转体桥上，在转体桥的转体过程中对桥体的运动状况进行监控；根据监控结果，控制转体过程的启停，并纠正桥体偏向，避免桥体倾覆；所述北斗导航系统的桥梁转体控制系统包括：北斗信号接收器1、控制机2、纠偏驱动器3、纠偏轨道4、配重轨道车5和风速传感器6；所述控制系统的连接关系如图1所示；

所述北斗信号接收器1与北斗卫星导航系统相适应，设置在待转体梁段的控制角点上，用于获取所在控制角点的空间三维坐标变化，实现对控制角点水平变形量和垂直变形量的监测；北斗信号接收器1与控制机2连接，向控制机2实时汇报控制角点的坐标变化；

所述控制机2分别与纠偏驱动器3和转体桥的转体驱动系统连接；所述转体驱动系统为转体桥的原有设施，用于牵引转体桥进行转体；

所述纠偏驱动器3为安装有千斤顶的竖向可伸缩撑脚，其上端与转体桥的上部球铰连接，下端设置在下部球铰的滑道7上，与沙桶8间隔均匀分布，如图2所示；所述纠偏驱动器3既具有撑脚的支撑功能，在转体过程中防止桥体倾覆，又具有纠偏功能，通过调整上部球铰与滑道7在各个位置上的间距，缩小桥墩偏角；

所述纠偏轨道4由垂直设置在桥面9上的两条车轨组成；两条车轨的交点在桥面上球铰轴心的对应位置处，其中平行于桥面行车方向的车轨为纵向车轨，垂直于桥面行车方向的车轨为横向车轨；所述纵向车轨由两条车轨的交点分割为相同长度的前半纵向纠偏轨道和后半纵向纠偏轨道，所述横向车轨由两条车轨的交点分割为相同长度的前半横向纠偏轨道和后半横向纠偏轨道，共有四段纠偏轨道4，如图3所示；

所述配重轨道车5有四辆，分别设置并限定在前半纵向纠偏轨道、后半纵向纠偏轨道、前半横向纠偏轨道和后半横向纠偏轨道，如图3所示；所述配重轨道车5为电动力遥控车，每个配重轨道车5结构与配重均相同，其驱动系统与控制机2无线连接；

所述风速传感器6设置在桥面9上，与控制机2无线连接。

所述基于北斗导航系统的桥梁转体控制系统的应用方法，具体应用于超大吨位双塔双索面转体斜拉桥工程项目，如图4所示，包括以下步骤：

步骤1，在控制机2上设定桥墩偏角的预警阈值和纠偏值；

所述预警阈值是抗倾覆力矩与倾覆力矩的比值；为了简化计算，假设转体桥的重力合力作用点超出桥墩与球铰接触面在水平面上的投影核心时的桥墩偏角为预警阈值；当实际桥墩偏角超出预警阈值的要求时，转体桥的倾覆趋势将会加剧；

所述纠偏值小于实际桥墩偏角；本实施例将纠偏值设为实际桥墩偏角的1/2，这个设置缓解了当前倾覆趋势，同时避免了因调整过度而造成新的倾覆趋势；

步骤2，启动控制系统；

控制机2启动北斗信号接收器1，获得各个控制角点的实时坐标变化，得出桥体在转体过程中所在的真实位置和水平高度，由此换算出转体上部结构在转体过程中与桥墩的实际桥墩偏角；

步骤3，控制机2启动转体桥的转体驱动系统，开始转体，进入转体过程；

步骤4，转体过程中，控制机2根据各个控制角点的横向坐标值，得出球铰转速和转体进度；如果转体进度已达到转体进度结束点，进入步骤8；否则，进入步骤5；

步骤5，继续转体过程，如果实际桥墩偏角超出预警阈值时，控制机2立即关闭转体桥的转体驱动系统，并发出警报；否则，返回步骤4；

步骤6，控制机2根据当前的实际桥墩偏角，控制纠偏驱动器3调整上部球铰与滑道7在各个位置上的间距，缩小桥墩偏角；

步骤7，当实际桥墩偏角达到纠偏值时，控制机2控制纠偏驱动器3停止动作，停止报警，返回步骤3；

步骤8，控制机2关闭风速传感器6、北斗信号接收器1和转体桥的转体驱动系统，转体结束。

相同的实施例中，所述步骤1还包括：设置若干组风速阶梯区间，并分别设置与每个风速区间对应的球铰安全转速；

所述步骤2还包括：控制机2启动风速传感器6，获得实时风速；

所述步骤4还包括：转体过程中，控制机2根据各个控制角点的横向坐标值，得出球铰转速；控制机2按照实时风速确定对应的球铰安全转速，并控制转体桥的转体驱动系统使转速达到球铰安全转速。

相同的实施例中，所述步骤2还包括，通过控制机2向配重轨道车5的驱动系统发送驱动指令，控制配重轨道车5分别停放在所属纠偏轨道4的中点处；

在所述步骤6开始后，如果实际桥墩偏角继续增大，则控制机2通过调整配重轨道车5在所属纠偏轨道4上的位置，进而调整转体上部结构的重心，从而进一步缓解转体桥的倾覆趋势，然后进入步骤7；如果实际桥墩偏角开始减小，则直接进入步骤7。

Claims (8)

1.一种基于北斗导航系统的桥梁转体控制系统，其特征在于，包括：北斗信号接收器、控制机和纠偏驱动器；

所述北斗信号接收器与北斗卫星导航系统相适应，设置在待转体梁段的控制角点上；北斗信号接收器与控制机连接；

所述控制机分别与纠偏驱动器和转体桥的转体驱动系统连接；

所述纠偏驱动器为安装有千斤顶的竖向可伸缩撑脚，其上端与转体桥的上部球铰连接，下端设置在下部球铰的滑道上，与沙桶间隔均匀分布。

2.根据权利要求1所述的基于北斗导航系统的桥梁转体控制系统，其特征在于，还包括风速传感器；所述风速传感器设置在桥面上，与控制机无线连接。

3.根据权利要求2所述的基于北斗导航系统的桥梁转体控制系统，其特征在于，还包括纠偏轨道和配重轨道车；

所述纠偏轨道为设置在桥面上的车轨；

所述配重轨道车为电动力遥控车，设置在纠偏轨道上；每个配重轨道车结构与配重均相同，其驱动系统与控制机无线连接。

4.根据权利要求3所述的基于北斗导航系统的桥梁转体控制系统，其特征在于，所述纠偏轨道由垂直设置在桥面上的两条车轨组成；两条车轨的交点在桥面上球铰轴心的对应位置处，其中平行于桥面行车方向的车轨为纵向车轨，垂直于桥面行车方向的车轨为横向车轨；所述纵向车轨由两条车轨的交点分割为相同长度的前半纵向纠偏轨道和后半纵向纠偏轨道，所述横向车轨由两条车轨的交点分割为相同长度的前半横向纠偏轨道和后半横向纠偏轨道，共有四段纠偏轨道。

5.根据权利要求4所述的基于北斗导航系统的桥梁转体控制系统，其特征在于，所述配重轨道车有四辆，分别设置并限定在前半纵向纠偏轨道、后半纵向纠偏轨道、前半横向纠偏轨道和后半横向纠偏轨道上。

6.一种基于北斗导航系统的桥梁转体控制系统的应用方法，其特征在于，采用权利要求3所述的基于北斗导航系统的桥梁转体控制系统，包括以下步骤：

步骤1，在控制机上设定桥墩偏角的预警阈值和纠偏值；所述预警阈值设置为转体桥的重力合力作用点超出桥墩与球铰接触面在水平面上的投影核心时的桥墩偏角；所述纠偏值小于实际桥墩偏角；

步骤2，启动控制系统；

控制机启动北斗信号接收器，获得各个控制角点的实时坐标变化，得出桥体在转体过程中所在的真实位置和水平高度，由此换算出转体上部结构在转体过程中与桥墩的实际桥墩偏角；

步骤3，控制机启动转体桥的转体驱动系统，开始转体，进入转体过程；

步骤4，转体过程中，控制机根据各个控制角点的横向坐标值，得出球铰转速和转体进度；如果转体进度已达到转体进度结束点，进入步骤8；否则，进入步骤5；

步骤5，继续转体过程，如果实际桥墩偏角超出预警阈值时，控制机立即关闭转体桥的转体驱动系统，并发出警报；否则，返回步骤4；

步骤6，控制机根据当前的实际桥墩偏角，控制纠偏驱动器调整上部球铰与滑道在各个位置上的间距，缩小桥墩偏角；

步骤7，当实际桥墩偏角达到纠偏值时，控制机控制纠偏驱动器停止动作，停止报警，返回步骤3；

步骤8，控制机关闭风速传感器、北斗信号接收器和转体桥的转体驱动系统，转体结束。

7.根据权利要6所述的基于北斗导航系统的桥梁转体控制系统的应用方法，其特征在于，所述步骤1还包括：设置若干组风速阶梯区间，并分别设置与每个风速区间对应的球铰安全转速；

所述步骤2还包括：控制机启动风速传感器，获得实时风速；

所述步骤4还包括：转体过程中，控制机根据各个控制角点的横向坐标值，得出球铰转速；控制机按照实时风速确定对应的球铰安全转速，并控制转体桥的转体驱动系统使转速达到球铰安全转速。

8.根据权利要6所述的基于北斗导航系统的桥梁转体控制系统的应用方法，其特征在于，所述步骤2还包括，通过控制机向配重轨道车的驱动系统发送驱动指令，控制配重轨道车分别停放在所属纠偏轨道的中点处；

在所述步骤6开始后，如果实际桥墩偏角继续增大，则控制机通过调整配重轨道车在所属纠偏轨道上的位置，进而调整转体上部结构的重心，从而进一步缓解转体桥的倾覆趋势，然后进入步骤7；如果实际桥墩偏角开始减小，则直接进入步骤7。

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