逆作法钢管混凝土立柱垂直度控制系统设计和应用.pdf
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1、 检测与分析GEO TECHN I CAL ENG I N EER I NG WO RLDVo l . 12No. 8 收稿日期 3 国家自然科学基金资助项目(编号5)。 逆 作 法 钢 管 混 凝 土 立 柱 垂 直 度 控 制 系 统 设 计 和 应 用 廖秋林 1 ,2 ,张玉东 3 ,曾志献 1 (1.北京城建集团,北京 100088; 2.中国科学院地质与地球物理研究所,北京 100029; 3.浙江丽水市恒鑫水电设计有限公司,丽水 323600) 摘 要 逆作法钢立柱在混凝土浇筑过程中的垂直度控制是困扰逆作法发展的一个关键技术难题;而这 一技术难题主要包括3个关键问题:钢立柱垂直度
2、的实时监测、 实时纠偏与控制系统建立 。文章 围绕上述3个关键问题进行了针对性技术分析,提出了具体的解决思路,并通过方案比选确定了 调垂系统中采用的关键元件。论文还介绍了逆作法钢管混凝土立柱垂直度控制系统的设计、 仪 器的研制与操作方法等;结合实际工程的应用表明,该系统在混凝土浇筑过程中很好地控制了钢 立柱的垂直度,具有很好的应用前景 。 关键词 逆作法 钢立柱 垂直度 控制系统 中图分类号: T V547. 5 文献标识码:A 文章编号:1009 - 5098 (2009) 08 - 0060 - 05 逆作法施工中,基坑 围护的地下连续墙与“ 一 柱一桩 ” 或“ 一柱多桩 ” 等竖向受力
3、构件是逆作法施 工的重要组成部分,也是逆作法施工阶段中最关键 的工艺 1 ,2 。 由于钢立柱在工序上是待钻孔灌注桩钻孔成孔 后安装钢立柱,之后桩柱一次浇筑混凝土而形成 “ 一柱一桩 ” 。施工中往往受工艺的局限,只能采用 吊线法、 经纬仪等在钢立柱吊装就位时进行其垂直 度控制,而钢立柱一旦在桩孔中就位后,其垂直度 就无法测量。实际上,在吊装后的桩柱混凝土浇筑 过程中,由于混凝土对钢立柱的扰动与冲击,不可避 免地要影响钢立柱吊装时的垂直度,这也是一直困 扰逆作法进一步发展的障碍之一 3, 4 。 1 技术关键与思路 如前文所述,在吊装后的桩柱混凝土浇筑多为 水下浇筑与高抛,水下浇筑的返浆或高抛
4、混凝土的 冲击力都不可避免地对钢立柱产生一定的水平推 力,钢立柱的自身重量无法与这些水平推力平衡时, 钢立柱即产生倾斜。因此,控制钢立柱在混凝土浇 筑过程中的垂直度的关键问题体现在以下3个环 节: 1)实时监测钢立柱的垂直度并获取准确信息; 2)采取措施实时对钢立柱纠偏调垂,例如液压装 置; 3)控制系统将上述两个信息建立联系,确保纠 偏能可控、 及时有效。要达到混凝土浇筑过程中钢 立柱垂直度实时控制的目的,就解决上述3个关键 问题。为此,在钢立柱实时调垂控制系统设计过程 中,作者对现有监测技术、 液压千斤顶与传动装置、 以及人机交互的PLC电路控制技术等进行了大量 检索,并结合上述3个关键问
5、题进行了不同方案的 比选,提出了解决思路。 1. 1 垂直度监测系统 钢立柱的垂直度实时监测包括监测与数据采集 两部分。垂直度监测主要是通过倾角传感器来完 成,而倾角传感器也是本系统的关键部件,系统的 精度主要由倾角传感器决定。目前常用于垂直度监 测的传感器有应变片式、 钢丝振弦式、 加速度测斜 仪、 陀螺水平仪、 电感式水平仪、 激光测斜仪等。 查询及测试发现,这些传感器或精度太差,或 设置过于复杂、 体积过大,或使用环境不适应,都 不能用于本系统。经过反复比选,确定选择性能好 且适宜各类使用环境的精密电子倾角传感器。为确 保垂直度监测的准确,本系统采用美国的NS - 5 /PI 电子倾角传
6、感器图1。 NS - 5 /PI电子倾角传感器的核心是由基于电 容原理成品陶瓷管经玻璃封胶而成的整体陶瓷元 件,传感器内置一个性能良好的精密平面电极管并 经电解液密封。当传感器绕其灵敏轴旋转时,敏感 6 2008 - 11 - 09 : 407020 2 0 岩土工程界 第12卷 第8期检测与分析 器件的电容值发生线性变化,再通过电子线路将其 转化为正比于角度值的电流值,输出的电流范围为 420 mA。输出电流的大小与垂直度的对应关系 为: 20 mA为- 5,4 mA为+5;经测试该传感器的 最大零点重复误差0101 。该传感器的结构特点既 满足了垂直度监测系统对钢立柱的垂直度实时监测 的精
7、确要求,又可适宜工程施工的各种恶劣环境 (图1)。 图1NS - 5 /PI电子倾角传感器 此外,该传感器还内置微型信息数据处理机,将 传感器电流信号直接转换为垂直度偏差量与角度, 这大大减少了电流信号经数据线传输到数据处理系 统中电流衰减所引起的系统误差。同时,考虑到钢 立柱垂直度实时监测需要专门技术人员进行全程操 纵仪器,随时进行纠偏调整,该传感器的数据采集不 设置数据存储区,以实时读数记录为主。 1. 2 垂直度纠偏液压系统 当监测系统监测到在混凝土浇筑时钢立柱出现 倾斜时,必须立即采取有效措施。因此,选择一个能 及时推动钢立柱在水平方向进行小位移调整的外力 系统是钢立柱垂直度保证的另一
8、个重要环节。这类 小位移调整的外力系统主要有伺服液压系统、 液压 系统、 气压调整式气囊装置、 以及机械千斤顶等。其 中,伺服液压系统控制精度最高,但多限于实验室环 境下使用,很难用于施工现场且成本高;气压调整式 气囊装置一般通过气囊的充气、 放气来施加作用力, 往往存在一定的滞时性,且动力较小难以推动重达 十余吨的钢管柱;机械千斤顶一般根据监测数据通 过人工使用千斤顶来给钢立柱加压,具有很大的随 意性且控制精度也较低。 液压系统的工作原理是利用液体的压力能来传 递动力的;利用执行元件将液体的压力能转换为机 械能,驱动工作部件运动。液压系统具有响应快、 功 率大且体积小又易于实现计算机控制,目
9、前已成为 重要的传动方式之一,且在建筑行业广泛应用。因 此,在钢立柱实时调垂控制系统中采用液压系统作 为钢管柱调垂的动力。液压系统工作,必须对油液 压力、 流量、 方向进行控制与调节,以满足工作部件 在力、 速度和方向上的要求。本文所采用的液压系 统由一台液压泵控制4个液压油缸,每2个油缸带 有一个比例阀,可以实现伸出、 缩回动作的切换。选 择液压泵主要依据系统内4个顶升缸的规格、 需要 的顶升速度,并充分考虑液压泵的流量对控制精度 的影响。液压系统工作原理如图2所示。 图2 液压系统工作原理图 如图2所示,系统由液压泵站为执行油缸(10) 提供液压动力和控制功能,液压泵站与油缸之间通 过带快
10、速接头的软管连接。液压泵站由电动机(1) 驱动液压泵(2)通过吸油过滤器(11)从油箱吸油, 泵输出的压力油为系统提供液压动力。溢流阀(3) 设定最高安全压力,压力表(4)显示系统的工作压 力。电磁换向阀(5)在中位时,系统卸荷,系统处于 待机状态;当电磁换向阀(5)在右位时,比例阀(7) 可以控制对应的油缸伸出和对顶调整钢柱的角度, 压力阀(6)用于调整时系统背压;当电磁换向阀(5) 在左位时,比例阀(7 )可以控制对应的油缸回缩。 比例阀(7)是保证精度控制的关键液压元件,控制 器通过检测压力传感器(8)和倾角传感器(9)信号 进行判断,发出控制信号对比例阀进行控制,达到调 整钢立柱垂直度
11、的目的。 系统工作油通过回油过滤器(12)流回油箱,吸 回过滤器使液压系统的油液保持清洁;同时油箱还 装有液位液温计用以检测指示油箱的油位和温度; 空气过滤器保证油箱内部与大气相通及空气清洁。 1. 3 控制系统 控制系统是连接倾角传感器与液压系统的中枢 系统,在本文研制的钢立柱实时调垂控制系统中采 用具备成熟技术的基于L的软硬一体化的电子 6 P C 1 检测与分析GEO TECHN I CAL ENG I N EER I NG WO RLDVo l . 12No. 8 控制系统。 电子控制系统是实现垂直度调节的关键。这里 提供的控制系统是基于闭环控制系统理论,将钢立 柱上安装的各倾角传感器
12、所采集的倾角信号作为受 控参数,各液压千斤顶受力腔内产生的压强信号作 为参考量,通过传感器采集这些信号,将这些信号传 输至控制器。控制器接受并处理这些信号,通过控 制各比例阀实现各油缸的进退动作,从而实现垂直 度的调节。当系统调整过程中的误差无法被修正 时,系统发出错误报警指令,停止各执行油缸的动 作。直到该错误被修复,并得到操作者重新工作的 指令,系统才恢复工作。 整个调垂系统是在PLC的控制下进行工作的, 也即通过控制系统实现钢立柱的调垂。控制系统是 设在液压泵站上的一个主控制箱,是一种基于PLC 的软硬一体化的人机界面。控制箱通过有线传输与 分线器、 油压千斤顶及倾角传感器连接,实现对整
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