俞科峰,王博文,呂牧,呂泰達(dá),王芮文

(1.常州交通建設(shè)管理有限公司,江蘇 常州 213000;2.中交一公局第二工程有限公司,江蘇 蘇州 215028;3.南京張力信息技術(shù)有限公司,江蘇 南京 210000;4.江蘇省交通技師學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212028 )

短線匹配法是用于懸臂拼裝橋梁分段預(yù)制的一種施工技術(shù),它是指將橋梁的一跨或多跨沿著橋梁的走向分成多個(gè)節(jié)段,通常使用相同且可調(diào)節(jié)的模板逐節(jié)段預(yù)制施工。節(jié)段梁施工時(shí),模板設(shè)置與其他方法不同,在節(jié)段梁端頭有兩種模板,一端模板固定,此模板每次澆筑時(shí)均固定不動(dòng),且保證穩(wěn)固、垂直和不變形。另一端則利用已澆節(jié)段作為模板,在此工藝上,通常稱為匹配梁。然后以匹配梁位置信息推導(dǎo)待澆梁段位置信息[1]。按序完成各跨箱梁的澆筑預(yù)制,從而獲得與設(shè)計(jì)圖紙相吻合的平縱曲線。傳統(tǒng)匹配調(diào)節(jié)定位采用普通的測(cè)量?jī)x器和人工控制液壓系統(tǒng),通信則采用對(duì)講機(jī)或直接對(duì)話,匹配時(shí)間為2～3 h,速度慢,易出錯(cuò),效率低,匹配精度較低。由于模板制作并未考慮調(diào)節(jié)角度偏差,通常用增貼墊片的方式調(diào)整模板的高度和角度,這樣會(huì)造成較大的誤差或誤差累積。為了提高短線法的工作效率,提高匹配精度,對(duì)匹配模板結(jié)構(gòu)、測(cè)量系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等進(jìn)行研究,引入高精密傳感器、高敏感度液壓千斤頂?shù)戎腔劭刂圃?將測(cè)量系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行連接,并采用人工智能化控制進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1 技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 工藝原理

本技術(shù)通過引入人工智能控制技術(shù),解決傳統(tǒng)施工方法的不足之處,達(dá)到節(jié)段梁匹配調(diào)節(jié)的測(cè)量智能化、調(diào)節(jié)匹配數(shù)控自動(dòng)化、匹配結(jié)果精準(zhǔn)化。

通過開發(fā)程序和使用自動(dòng)追蹤棱鏡實(shí)現(xiàn)測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)追蹤測(cè)量,通過開發(fā)軟件,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理、數(shù)據(jù)自動(dòng)分析的功能,通過數(shù)據(jù)無線傳輸方式,將數(shù)據(jù)傳輸至液壓控制系統(tǒng)。高精度測(cè)量及自學(xué)習(xí)系統(tǒng)的應(yīng)用提高匹配梁施工的測(cè)量精度[2]。

傳統(tǒng)的節(jié)段梁匹配不存在數(shù)據(jù)傳輸,主要由測(cè)量人員通過對(duì)講機(jī)或喊話的形式指令液壓控制人員,效率低,出錯(cuò)率高。本技術(shù)采用測(cè)量機(jī)器人數(shù)據(jù)與液壓自動(dòng)控制系統(tǒng)的對(duì)接,通過無線傳輸?shù)男问綄?shù)據(jù)發(fā)送給液壓自動(dòng)控制系統(tǒng),液壓自動(dòng)控制系統(tǒng)控制液壓千斤頂實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。本技術(shù)采用自動(dòng)匹配定位補(bǔ)償算法,液壓自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)測(cè)量機(jī)器人傳送的數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)逐步向設(shè)計(jì)值收斂的功能,在模板上安裝超高精度的傳感器,判斷模板位移,通過不斷試錯(cuò)[3],最終實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)值的吻合。

本技術(shù)系統(tǒng)由測(cè)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和臺(tái)車系統(tǒng)兩部分組成,其邏輯控制原理如圖1所示。

圖1 自動(dòng)匹配定位系統(tǒng)邏輯控制原理

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

1)自動(dòng)追蹤測(cè)量。高精度的萊卡全自動(dòng)測(cè)量機(jī)器人,具有自動(dòng)追蹤引導(dǎo)功能的多棱鏡,對(duì)匹配梁及固定端模的姿態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量并傳輸。

2)千斤頂全智能液壓控制體系[4]。傳統(tǒng)的工藝只需要簡(jiǎn)單的液壓控制器,手工實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié),本技術(shù)開發(fā)液壓自動(dòng)控制系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,還可以接收自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算后發(fā)出指令,啟動(dòng)千斤頂工作。

3)自動(dòng)匹配調(diào)節(jié)。液壓控制系統(tǒng)啟動(dòng)千斤頂實(shí)現(xiàn)自動(dòng)匹配調(diào)節(jié)。

4)自學(xué)習(xí)技術(shù)。在模板系統(tǒng)內(nèi)安裝高精度傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模板系統(tǒng)匹配情況,并將監(jiān)測(cè)結(jié)果反饋給液壓自動(dòng)控制系統(tǒng),液壓自動(dòng)控制系統(tǒng)判斷后,決定是否啟動(dòng)千斤頂工作。開發(fā)定位補(bǔ)償算法程序,當(dāng)測(cè)量?jī)x器對(duì)匹配梁進(jìn)行檢測(cè)后,分析測(cè)量數(shù)據(jù),若測(cè)量數(shù)據(jù)滿足預(yù)設(shè)規(guī)范,則匹配結(jié)束;如果不符合要求,測(cè)量系統(tǒng)將測(cè)量結(jié)果通過無線傳輸?shù)姆绞絺鬏斀o液壓控制系統(tǒng),液壓控制系統(tǒng)控制千斤頂移動(dòng),在千斤頂移動(dòng)過程中,測(cè)量系統(tǒng)不斷地進(jìn)行測(cè)量并發(fā)出指令,同時(shí),多傳感信息融合定位復(fù)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)核,復(fù)核數(shù)據(jù)與測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較校核。此過程就是自我調(diào)節(jié)和學(xué)習(xí)過程[5]。

將“Helmert相似變換”技術(shù)用于節(jié)段梁空間線形智能匹配系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)節(jié)段梁空間線形的準(zhǔn)確匹配,誤差小于1 mm。

2 操作要點(diǎn)

2.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與線形計(jì)算

在匹配調(diào)節(jié)之前,應(yīng)建立整體坐標(biāo)系統(tǒng)和預(yù)制臺(tái)座局部坐標(biāo)系統(tǒng)以便于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法如下：

1)局部坐標(biāo)至整體坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換[6]。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙,推算局部坐標(biāo)系下坐標(biāo)原點(diǎn)坐標(biāo)和三個(gè)坐標(biāo)軸的坐標(biāo)軸及角度余弦,為i1、m1、n1;i2、m2、n2;i3、m3、n3,那么局部坐標(biāo)原點(diǎn)在整體坐標(biāo)系中是(X0,Y0,Z0),按式(1)轉(zhuǎn)換。

(1)

2)把將整體坐標(biāo)變換為局部坐標(biāo),應(yīng)按式(2)計(jì)算。

(2)

3)用式(1)、(2)實(shí)現(xiàn)局部坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換。

線形計(jì)算方法：測(cè)量局部坐標(biāo)系下第一節(jié)段控制點(diǎn)坐標(biāo),并轉(zhuǎn)換至整體坐標(biāo)系[7];計(jì)算匹配梁的整體坐標(biāo)系坐標(biāo),將匹配梁坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到預(yù)制坐標(biāo)系下。

當(dāng)以直線代替平曲線時(shí),線形計(jì)算方法為：根據(jù)設(shè)計(jì)線形要求,將節(jié)段梁的平曲線以直線代替曲線的方式計(jì)算2個(gè)節(jié)段之間的相對(duì)偏轉(zhuǎn)角0。確定待澆梁段控制點(diǎn)高程和坐標(biāo);計(jì)算匹配梁與待澆段的坐標(biāo)差值;測(cè)量局部坐標(biāo)系下匹配梁實(shí)際坐標(biāo)及位置。

在預(yù)制場(chǎng)內(nèi),每一個(gè)預(yù)制節(jié)段梁應(yīng)采用6個(gè)控制點(diǎn)控制平面位置,分別為埋在腹板頂面上的4個(gè)控制標(biāo)高的螺栓(FL,FR,BL,BR)和埋于頂板中線上的兩個(gè)倒U形水平定位鋼筋(FH,BH),如圖2所示。

圖2 控制點(diǎn)布設(shè)

2.2 模板安設(shè)

短線法預(yù)制施工模板安裝應(yīng)先將底模和側(cè)模進(jìn)行安裝,然后安放骨架鋼筋,最后再將內(nèi)模移入。底模應(yīng)至少配備兩套,待澆梁和匹配梁各為一套,位置逐次互換。側(cè)模采用液壓式模板,使用鋼結(jié)構(gòu)支撐,除設(shè)置液壓千斤頂,還設(shè)有螺旋調(diào)節(jié)件,用于模板位置調(diào)整。模板所有連接部位均應(yīng)密接、平順。內(nèi)?？稍趦?nèi)模臺(tái)車自由移動(dòng)。鋼筋骨架安設(shè)以后,可安裝移動(dòng)內(nèi)模至內(nèi)腔[8]。

2.3 固定端模

端模是短線法施工中的關(guān)鍵定位組件之一,端模設(shè)置在觀測(cè)塔一側(cè)固定不動(dòng),起到坐標(biāo)軸的作用,因此,其位置應(yīng)盡量準(zhǔn)確,其位置準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到匹配精度。在待澆梁段模板安設(shè)之前,應(yīng)進(jìn)行端模的平面位置、轉(zhuǎn)角和垂直度再次驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果如有偏差應(yīng)進(jìn)行原因分析并予以調(diào)整。在每跨首次預(yù)制時(shí),節(jié)段梁兩端均應(yīng)設(shè)置端模,其中一端為固定端模,另外一端為移動(dòng)端模。在整個(gè)模板系統(tǒng)中,固定端模的精度幾乎決定整個(gè)匹配工作質(zhì)量,因此,在安設(shè)時(shí)應(yīng)注意以下3點(diǎn)：

1)應(yīng)采取措施確保固定端模的立面與將要澆筑的節(jié)段梁中軸線垂直,且固定端模的立面應(yīng)處于鉛直狀態(tài)。

2)固定端模頂面上翼緣板應(yīng)保持絕對(duì)水平,因此應(yīng)使用精密水準(zhǔn)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行高程復(fù)核,以保證水平度。

3)固定端模材質(zhì)應(yīng)具有良好的剛度,保證目標(biāo)不變形,端模的支撐應(yīng)穩(wěn)定牢固。

節(jié)段中線測(cè)量：節(jié)段梁中心線應(yīng)與觀測(cè)塔和目標(biāo)塔之間的基準(zhǔn)線相重合,固定端模頂端以及端模底精確位置分別設(shè)置一個(gè)中線控制點(diǎn)。

固定端模垂直度測(cè)量：應(yīng)根據(jù)中線控制點(diǎn)與觀測(cè)塔測(cè)量基點(diǎn)的水平距離應(yīng)相等、高程兼平面控制點(diǎn)與測(cè)量基點(diǎn)的水平距離應(yīng)相等這兩個(gè)條件判斷固定端模是否與待澆梁段的中線垂直。

水平度測(cè)量：應(yīng)固定端模高程控制點(diǎn)的相互之間高差表示固定端模頂面水平度情況。

2.4 匹配梁段的智能定位

匹配梁段初步定位。事先計(jì)算并測(cè)量匹配端面與固定端模的水平間距,采用卷?yè)P(yáng)機(jī)等驅(qū)動(dòng)設(shè)備將安放在底模臺(tái)車上的匹配梁移動(dòng)至預(yù)設(shè)位置,位置精確至50 mm。匹配梁段精確定位按照?qǐng)D3的程序進(jìn)行。

智能程序的實(shí)現(xiàn)方法如下：

1)根據(jù)新澆梁段檢測(cè)高程和坐標(biāo)數(shù)據(jù),結(jié)合新澆梁段在局部坐標(biāo)系相對(duì)于匹配梁段位置關(guān)系,應(yīng)用自主研發(fā)的軟件計(jì)算分析,得出下一節(jié)段梁澆筑前其作為匹配梁段所應(yīng)處的位置。

測(cè)量機(jī)器人跟蹤匹配梁段,通過對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的偵測(cè),確定其在設(shè)定坐標(biāo)內(nèi)的位置,并與理論位置進(jìn)行比較分析。

2)當(dāng)滿足匹配要求時(shí),測(cè)量工作停止,進(jìn)行下一步工作。

3)當(dāng)不滿足匹配要求時(shí),測(cè)量系統(tǒng)將測(cè)量數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送給液壓控制系統(tǒng),液壓控制系統(tǒng)指令千斤頂開始工作,實(shí)施調(diào)節(jié)。

4)在調(diào)節(jié)期間,高精度傳感器系統(tǒng)對(duì)模板匹配數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給液壓控制系統(tǒng),液壓控制系統(tǒng)通過自動(dòng)匹配調(diào)節(jié)補(bǔ)償算法,持續(xù)自學(xué)習(xí)功能判斷匹配結(jié)果,確定是否繼續(xù)向千斤頂發(fā)出工作指令。同時(shí),測(cè)量系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行移動(dòng)偵測(cè),直至目標(biāo)達(dá)到規(guī)定值,停止測(cè)量。

5)匹配梁段調(diào)節(jié)完成后,還需要通過對(duì)控制點(diǎn)的獨(dú)立復(fù)測(cè)完成定位校核,定位校核應(yīng)單獨(dú)測(cè)量2次,取平均值。校核后將數(shù)據(jù)輸入自主研發(fā)的匹配校準(zhǔn)軟件中,自動(dòng)計(jì)算待澆梁位置。

2.5 測(cè)量計(jì)算

待澆梁段混凝土澆筑完成以后,混凝土已經(jīng)凝固,但在該梁作為匹配梁移動(dòng)至匹配位置前,需要測(cè)量固定端模與各預(yù)埋的中線、高程控制點(diǎn)之間的相對(duì)位置和高程以及距離,以在下一節(jié)段預(yù)制時(shí)使用。將上述坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)輸入軟件即可進(jìn)行精度分析,軟件命令如圖4所示。

圖4 匹配數(shù)據(jù)偏差分析流程

線形匹配調(diào)整基于施工中節(jié)段梁幾何尺寸變化而形成的轉(zhuǎn)角效應(yīng)。當(dāng)頂板與底板長(zhǎng)度有差異時(shí),會(huì)使成橋線形產(chǎn)生凹凸[9];當(dāng)左右兩側(cè)翼板長(zhǎng)度存在差異時(shí),會(huì)使成橋線形產(chǎn)生平面彎曲。根據(jù)此原理,通過對(duì)觀測(cè)點(diǎn)長(zhǎng)期觀測(cè)、記錄,并通過線形控制軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)懸臂拼裝橋梁線形的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè),以加強(qiáng)對(duì)成橋線形的控制。曲線橋則可利用頂面中心線及其橫坡表示成橋后線形。以直代曲的預(yù)制方法最終可近似組合成折線表示成橋線形。連續(xù)節(jié)段中心線組成的折線可看作成橋線形,而節(jié)段接縫頂部?jī)A斜程度則體現(xiàn)為橋梁橫坡,故而,曲線懸拼橋梁的線形與姿態(tài)可用圖5表示。

圖5 空間整體坐標(biāo)系內(nèi)節(jié)段式曲線梁橋的線形與姿態(tài)

1)平曲線節(jié)段預(yù)制。平曲線預(yù)制可將整體坐標(biāo)內(nèi)橋梁折線(圖5)投影至平面,并擬合為平曲線,當(dāng)節(jié)段從澆筑位置移至匹配位置時(shí),轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)車形成轉(zhuǎn)動(dòng)角度α,如圖6所示。

圖6 平曲線預(yù)制

2)豎曲線節(jié)段預(yù)制。同理,豎曲線預(yù)制可將整體坐標(biāo)內(nèi)橋梁折線(圖5)投影至立面,并擬合成豎曲線,當(dāng)節(jié)段從澆筑位置移至匹配位置時(shí),調(diào)整好位置并做好高程調(diào)整后,再在立面內(nèi)豎向轉(zhuǎn)動(dòng)角度α,以形成需要的折角,如圖7所示。

圖7 豎曲線預(yù)制

2.6 精度分析

模板精度控制的重點(diǎn)應(yīng)放在對(duì)固定端模的精度控制方面。固定端模的端模應(yīng)在立面上始終處于垂直狀態(tài),且立面應(yīng)保持與節(jié)段梁中心線垂直,端模的上部邊緣應(yīng)相對(duì)平行。端模水平度和中線的垂直度誤差應(yīng)小于2 mm。固定端模需要在每節(jié)段施工前進(jìn)行精度校準(zhǔn),如果精度無法達(dá)到規(guī)定值應(yīng)查明原因,并對(duì)端模進(jìn)行修正,不應(yīng)在達(dá)不到精度要求的端模上進(jìn)行下一節(jié)段施工。對(duì)有超高漸變的兩端,更應(yīng)注意對(duì)端模校核調(diào)整。底模精度也應(yīng)重視,底模就位時(shí),應(yīng)與固定端模貼合緊密,這樣做的目的一是確保不漏漿,二是確保結(jié)構(gòu)尺寸。底模中心線應(yīng)保證無論水平方向還是豎直方向與固定端模立面夾角都應(yīng)與設(shè)計(jì)夾角相同。為核準(zhǔn)模板精度,匹配結(jié)束后,還需檢查外側(cè)模與固定端模之間的拼縫是否滿足要求[10]。

3 應(yīng)用案例

3.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

常泰長(zhǎng)江大橋?yàn)楦咚俟?、干線公路、高速鐵路“三位一體”合并過江,主航道橋設(shè)計(jì)為142+490+1 176+490+142=2 440 m兩層雙塔斜拉結(jié)構(gòu),南北公路接線路線起自與滬陜高速公路交叉處的泰興東樞紐,止于與江宜高速公路交叉處的春江樞紐,路線全長(zhǎng)31.972 km,其中泰興段長(zhǎng)22.382 km、常州段長(zhǎng)9.59 km。橋梁采用懸臂拼裝工藝,共有節(jié)段3 500片,預(yù)制精度要求高,質(zhì)量管控難度大,工期要求緊。因此采用短線法智能匹配調(diào)節(jié)技術(shù)。通過對(duì)節(jié)段梁預(yù)制新型智能匹配調(diào)節(jié)設(shè)備及系統(tǒng)的研究開發(fā),對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行規(guī)范,節(jié)段梁預(yù)制實(shí)現(xiàn)高智能化、高匹配精度、高安全可靠性以及較好的施工質(zhì)量,同時(shí),提高匹配效率。

3.2 效益指標(biāo)和技術(shù)特點(diǎn)

常泰大橋采用本技術(shù)進(jìn)行匹配調(diào)節(jié),與傳統(tǒng)方法比較,在質(zhì)量、安全、工期等方面都具有極大的優(yōu)勢(shì)。本工藝施工工期得到保證,效率提高。綜合降低設(shè)備使用費(fèi),同時(shí)工序銜接緊湊,降低人員等待損失,總體降低施工成本。常泰長(zhǎng)江大橋施工,比較兩片相同的節(jié)段梁施工,分析和智能方法在效益方面的差異。經(jīng)測(cè)算,常泰大橋通過智能匹配調(diào)節(jié)改造后,節(jié)約成本233萬元。

4 結(jié)論

短線法智能匹配施工技術(shù)通過數(shù)字化智能設(shè)備的使用,解決節(jié)段梁預(yù)制施工中長(zhǎng)期未能解決的質(zhì)量問題,如匹配精度低、匹配作業(yè)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、匹配人工費(fèi)用大等。

該技術(shù)適用于節(jié)段梁智能匹配調(diào)節(jié),有利于推廣人工智能技術(shù)在大型橋梁施工中的應(yīng)用,有利于提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本,對(duì)安全、質(zhì)量、進(jìn)度等方面控制也有顯著提高,對(duì)產(chǎn)業(yè)工人培養(yǎng)提供實(shí)踐基地,同時(shí)在環(huán)境保護(hù)方面也有長(zhǎng)足發(fā)展,具有十分顯著的社會(huì)效益。

在環(huán)境保護(hù)方面,本技術(shù)較傳統(tǒng)方法占用土地資源少。由于在封閉區(qū)域施工,無揚(yáng)塵和噪聲對(duì)場(chǎng)地外區(qū)域造成影響,產(chǎn)生的廢棄物少,產(chǎn)生的廢水處理方便。

在安全方面,本技術(shù)所用的設(shè)備安全等級(jí)高,無發(fā)生機(jī)械安全的風(fēng)險(xiǎn),人員用量少,減少人員的自身傷害,確保施工安全。在節(jié)能降碳方面,總體能源消耗少。