黃偉

（中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055）

0 前言

橋梁混凝土的施工質(zhì)量是橋梁結(jié)構(gòu)安全和耐久性的重要基礎(chǔ)保證，混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度（以下簡(jiǎn)稱抗壓強(qiáng)度）和彈性模量（以下簡(jiǎn)稱彈模）是衡量橋梁混凝土質(zhì)量的重要指標(biāo)。

隨著信息化和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，施工數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集和智能化管理已成為現(xiàn)代橋梁及預(yù)制混凝土構(gòu)件的迫切需要，傳統(tǒng)試驗(yàn)方式已不能適應(yīng)現(xiàn)代橋梁快速發(fā)展的要求。因此，混凝土彈性模量及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)過程的自動(dòng)化控制，最大程度的減少人為、設(shè)備、環(huán)境等外界因素影響，是確保混凝土試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、真實(shí)性和及時(shí)性的關(guān)鍵。

1 傳統(tǒng)設(shè)備弊端

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)鐵路梁場(chǎng)混凝土彈模試驗(yàn)大多數(shù)采用手動(dòng)加壓設(shè)備，人工讀取壓力表示值與百分表變形量、手動(dòng)操作油泵完成試驗(yàn)。傳統(tǒng)設(shè)備弊病主要體現(xiàn)在如下方面：

1）試驗(yàn)操作智能化水平低，試驗(yàn)過程連續(xù)性差；

2）試驗(yàn)人員配置多，人為因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響程度高；

3）試塊對(duì)中困難，試驗(yàn)周期長(zhǎng)；

4）信息化程度低，數(shù)據(jù)及圖像無法自動(dòng)采集，試驗(yàn)結(jié)果無法自動(dòng)處理與上傳，各級(jí)主管單位無法準(zhǔn)確及時(shí)的對(duì)梁體產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行了解與掌握。

2 研發(fā)設(shè)備成果展示

為解決傳統(tǒng)設(shè)備在進(jìn)行彈模試驗(yàn)時(shí)存在的弊端，課題組研發(fā)出一款智能式壓力試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)彈模、抗壓試驗(yàn)一鍵式自動(dòng)加載控制、試驗(yàn)過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、檢測(cè)報(bào)告自動(dòng)生成。

2.1 設(shè)備主要參數(shù)

表1 設(shè)備主要參數(shù)

2.2 關(guān)鍵技術(shù)及研究方法

1）使用三塊千分表檢測(cè)試塊變形，將上述數(shù)學(xué)方程，研究一套快速可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)計(jì)算的計(jì)算機(jī)軟件算法，研究相關(guān)參數(shù)的取值，使計(jì)算的壓心偏移量具有實(shí)際的指導(dǎo)意義，確保計(jì)算的彈模更加精準(zhǔn)。

2）研制配套的測(cè)力傳感器，多點(diǎn)校正數(shù)字變送器，千分表適配器，具有耐候性好，抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)（如溫度，電磁等），根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際特點(diǎn)做好相應(yīng)的防護(hù)。測(cè)力傳感器要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝使用方便，有較高的精度。

3）自動(dòng)對(duì)中免拆卸彈模檢測(cè)儀的研制，設(shè)計(jì)方便安裝，操作簡(jiǎn)單對(duì)中效果好的可行方案，免拆卸方案不應(yīng)影響彈模的檢測(cè)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)完畢后，便于存放保管。

4）PLC控制系統(tǒng)為本試驗(yàn)裝置的重要組成部分，編制能使工控機(jī)通過PLC實(shí)時(shí)控制變頻器的系統(tǒng)軟件，同時(shí)當(dāng)工控機(jī)和PLC通訊中斷后，PLC應(yīng)有自動(dòng)保護(hù)功能，防止系統(tǒng)失控照成設(shè)備損壞等安全隱患。

5）編制具有人工智能功能的PID參數(shù)整定軟件，通過研究本試驗(yàn)裝置控制因素對(duì)加載控制效果的影響，建立人工智能數(shù)學(xué)模型，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)的累積系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)能力功能，使系統(tǒng)控制加載過程越使用性能越好。

6）對(duì)試塊壓碎所產(chǎn)生的劇烈震動(dòng)，從多方面采取措施進(jìn)行減震，吸收沖擊能量裝置的研究，通過震動(dòng)的時(shí)程力學(xué)分析，研究震動(dòng)的傳導(dǎo)路徑，制定有效的隔震方法和裝置，使震動(dòng)的影響在最短的范圍內(nèi)衰減。

2.3 成果的主要?jiǎng)?chuàng)新性

1）研制設(shè)備可自動(dòng)加載、自動(dòng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，精度符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了一鍵式完成混凝土試塊彈模及強(qiáng)度試驗(yàn)，自動(dòng)化程度高，試驗(yàn)人員配置由三人減至一人，單組彈模試驗(yàn)節(jié)省60分鐘，提高功效1.5倍；

2）研發(fā)了混凝土試塊快速對(duì)中裝置，將試塊一次性對(duì)中率由50%以下提高至85%，單組彈模試塊對(duì)中時(shí)間節(jié)省20分鐘；

3）優(yōu)化了傳統(tǒng)彈模試驗(yàn)兩塊千分表的檢測(cè)方法，首次提出三塊千分表檢測(cè)方法，運(yùn)用專利《一種基于軸向壓力確定柱體承壓截面積偏移量的方法》檢測(cè)試塊偏移量及調(diào)整，提高了混凝土彈模試驗(yàn)的精度和重現(xiàn)性；

4）研發(fā)了加載力與形變量自動(dòng)采集裝置和試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理程序，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)監(jiān)控，試驗(yàn)參數(shù)、圖表自動(dòng)計(jì)算分析，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可遠(yuǎn)程傳輸至管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成管理和可視化展示；

5）研制設(shè)備一次預(yù)壓-加載試驗(yàn)可達(dá)到規(guī)范要求三次預(yù)壓-加載試驗(yàn)精度。

2.4 室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證智能式壓力試驗(yàn)機(jī)的可靠性和適用性，課題組開展了相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)，主要包括智能式壓力試驗(yàn)機(jī)的設(shè)備控制性能試驗(yàn)、荷載準(zhǔn)確性能試驗(yàn)、試驗(yàn)重復(fù)性能試驗(yàn)。

2.4.1 設(shè)備控制性能試驗(yàn)

設(shè)備控制性能是衡量系統(tǒng)設(shè)備的軟件和硬件綜合性能的重要指標(biāo)。本試驗(yàn)通過智能式壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行自動(dòng)加載和持荷，持荷時(shí)間60s，持荷結(jié)束讀取荷載力示值，重復(fù)試驗(yàn)20次。試驗(yàn)后，分析荷載力的實(shí)測(cè)示值與軟件預(yù)設(shè)目標(biāo)值的偏差，評(píng)價(jià)智能式壓力試驗(yàn)機(jī)的控制性能。實(shí)測(cè)結(jié)果如圖1，數(shù)據(jù)分析如下。

1）系統(tǒng)設(shè)備荷載力的示值與目標(biāo)值的最大偏差為0.37%，小于1%，滿足設(shè)計(jì)要求。

2）不同荷載力目標(biāo)值條件下，設(shè)備控制性能無明顯變化。

圖1 設(shè)備控制性能試驗(yàn)示值偏差

2.4.2 荷載準(zhǔn)確性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證智能式壓力試驗(yàn)機(jī)輸出荷載力的名義值與實(shí)際值的準(zhǔn)確程度，設(shè)計(jì)了此試驗(yàn)，通過分析智能式壓力試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)示值與標(biāo)準(zhǔn)傳感器的力值偏差，可綜合反映智能式壓力試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)的控制能力和觀測(cè)傳感器的計(jì)量性能。

本試驗(yàn)使用標(biāo)準(zhǔn)傳感器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，通過智能式壓力試驗(yàn)機(jī)逐級(jí)加載，荷載等級(jí)按照標(biāo)定傳感器的力值來對(duì)觀測(cè)傳感器進(jìn)行檢定，力值分別為100、300、600、900、1200、1500、1800、2000kN。

實(shí)測(cè)結(jié)果如圖2，數(shù)據(jù)分析如下：

1）智能式壓力試驗(yàn)機(jī)所施加的荷載力與實(shí)際值的絕對(duì)偏差均小于0.5%，荷載準(zhǔn)確度較高；

2）隨著試驗(yàn)荷載的增大，設(shè)備示值與實(shí)際值的偏差略有減小，即荷載準(zhǔn)確度有所升高。

圖2 載荷準(zhǔn)確性試驗(yàn)結(jié)果

2.4.3 試驗(yàn)重復(fù)性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證智能式壓力試驗(yàn)機(jī)重復(fù)性能，設(shè)計(jì)了此試驗(yàn)。同條件下，共進(jìn)行10組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)加載50次，分別計(jì)算每組試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差。通過分析試驗(yàn)結(jié)果，評(píng)價(jià)智能式壓力試驗(yàn)機(jī)的重復(fù)性能。

試驗(yàn)重復(fù)性能的標(biāo)準(zhǔn)差δ：

qk—第k次的彈模結(jié)果；

試驗(yàn)結(jié)果如圖3，試驗(yàn)結(jié)果表明：

智能式壓力試驗(yàn)機(jī)彈模試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果平均標(biāo)準(zhǔn)差δ=0.265，標(biāo)準(zhǔn)差最大值為0.292，即智能式壓力試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)重復(fù)性能較為穩(wěn)定。

圖3 重復(fù)性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差分布

2.4.4 室內(nèi)驗(yàn)證小結(jié)

對(duì)智能式壓力試驗(yàn)機(jī)的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，結(jié)論如下：

1）設(shè)備控制性能試驗(yàn)的示值偏差最大值為0.37%，小于1%，設(shè)備控制性能精確。

2）荷載準(zhǔn)確性能試驗(yàn)，系統(tǒng)荷載力與實(shí)際值的相對(duì)誤差小于0.5%，智能式壓力試驗(yàn)機(jī)荷載施加準(zhǔn)確。

3）試驗(yàn)重復(fù)性能試驗(yàn)，彈模重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果的最大標(biāo)準(zhǔn)差為0.292，表明智能式壓力試驗(yàn)機(jī)的重復(fù)試驗(yàn)性能穩(wěn)定。

2.5 新舊設(shè)備對(duì)比

現(xiàn)將新舊設(shè)備從試驗(yàn)人數(shù)、試驗(yàn)時(shí)間、資料整理方面三方面進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比如下：

表2 新舊設(shè)備對(duì)比

2.6 經(jīng)濟(jì)效益分析

2.6.1 直接經(jīng)濟(jì)價(jià)值方面

1）智能式壓力試驗(yàn)機(jī)在進(jìn)行彈模試驗(yàn)時(shí)可減少兩名試驗(yàn)人員配置；

2）按每天10個(gè)小時(shí)的有效工作時(shí)間計(jì)算，傳統(tǒng)設(shè)備可完成4組彈模試驗(yàn)，智能式壓力試驗(yàn)機(jī)可完成6-7組，提高工作效率50%。

2.6.2 間接經(jīng)濟(jì)價(jià)值方面

在提高檢測(cè)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品監(jiān)控等方面將給使用單位帶來巨大間接經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)語(yǔ)

研制的“智能式壓力試驗(yàn)機(jī)”能夠采用先進(jìn)的技術(shù)措施有效的解決傳統(tǒng)混凝土抗壓及彈模試驗(yàn)存在的控制精度低、操作復(fù)雜、人為干預(yù)等外界因素對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，不僅提高試驗(yàn)效率、節(jié)約人力成本，而且確保了混凝土試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，對(duì)混凝土質(zhì)量的評(píng)價(jià)也具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

“智能式壓力試驗(yàn)機(jī)”實(shí)現(xiàn)了人員配置精細(xì)化、過程控制標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)處理信息化，填補(bǔ)了高速鐵路橋梁彈模試驗(yàn)自動(dòng)化空白。