大型结构整体安装计算机控制技术

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一、 概述 
    钢结构安装是公司的主要业务之一。针对近年来高、重、大、特殊钢结构的不断涌现，传统的结构安装施工工艺与设备往往难以胜任，公司通过反复研究与实践，采用计算机、信息处理、自动控制、液压控制等高新技术与结构吊装技术相结合，自行开发了大型结构整体安装计算机控制技术，自行研制了大型结构整体安装计算机控制系统，完成了一系列重大工程，取得较好的经济效益和社会效益。同时也发展了我国钢结构施工技术，并使企业在国内大型、特殊钢结构施工领域保持了领先地位。 
    二、 技术原理 
    大型结构整体安装计算机控制技术的原理是“钢铰线承载、计算机控制、液压千斤顶集群作业”。 
    1、液压千斤顶集群作业 
    以液压千斤顶作为施工作业的动力设备。由于液压千斤顶可以灵活布置与组合，可以根据大型结构的特点和施工现场的条件，构成受力合理、动力足够的施工作业系统，因此可以用于各种大型、特殊、复杂的结构安装工程。 
    根据各作业点提升力的要求，将若干液压千斤顶与液压阀组、泵站等组合成液压千斤顶集群，大型结构整体提升时称为液压提升器，大型结构整体移位时称为液压牵引器。一般是1个作业点配置1套液压提升器或牵引器。液压千斤顶集群在计算机控制下同步作业，使提升或移位过程中大型结构的姿态平稳、负荷均衡，从而顺利安装到位。 
    2、钢绞线承载 
    液压千斤顶通过集束的钢绞线提升或牵引大型结构。 
    3、计算机控制 
    施工作业由计算机通过传感器和信息传输电路进行智能化的闭环控制。 
    计算机控制主要是3项作用，首先是控制液压千斤顶集群的同步作业，其次是控制施工偏差，再次是对整个作业进行监控，实现信息化施工。计算机控制具有智能化功能，可以在施工过程中自动对施工系统进行自适应调整，进行故障的自动检测与诊断，并能模仿与代替操作人员的部分工作，提高施工的安全性和自动化程度。 
    三、 控制系统 
    1、系统功能 
    系统的主要作用是以液压作业方式进行大型结构的整体提升、整体移位等，并始终保持大型结构的合理姿态，使施工负载、稳定性、各项参数和偏差均符合设计要求。 
    控制系统的主要功能有千斤顶集群控制、作业流程控制、施工偏差控制、负载均衡控制、操作台实时监控，以及单点微调控制等。 
    2、系统构成 
    大型结构整体安装计算机控制系统由控制和执行两部分组成。 
    a) 控制部分 
    控制部分包括计算机子系统和电气控制子系统。控制部分的核心是计算机控制，外层是电气控制。计算机子系统通过电气子系统驱动液压执行系统，并通过电气子系统采集液压系统状态和作业点工作数据，作为控制调节的依据。电气子系统还要负责整个施工作业系统的启动、停车、安全联锁，以及供配电管理。 
    计算机子系统由下列模块组成： 
    ⑴ 顺序控制：进行千斤顶集群动作控制和施工作业流程控制。 
    ⑵ 偏差控制：进行结构姿态(高度、水平度、垂直度)偏差控制和施工负载均衡控制。 
    ⑶ 操作台控制：对施工作业进行操作和监控，并完成工作数据的采集、存储、打印输出等。 
    ⑷ 自适应控制：对施工作业系统进行自适应控制、故障诊断与检测等。 
    电气控制子系统由总控台、电液控制台、总电气柜、作业点控制柜、泵站控制箱，以及传感检测电路、液压驱动电路等组成。 
    b) 执行部分 
    执行部分包括液压子系统和支承导向子系统。 
    液压子系统由下列部分组成： 
    ⑴ 液压千斤顶集群：布置在各作业点，根据作业点要求，由若干台液压千斤顶、液压控制阀组构成。 
    ⑵ 液压泵站：为液压千斤顶提供动力，一般1个或几个作业点配置1台液压泵站。 
    ⑶ 钢铰线：采用高强度低松驰钢铰线。 
    支承导向子系统用于大型结构整体安装过程中的支承、导向或加固、稳定作用，例如整体提升中的提升柱、整体移位中的滑道、导轨，以及结构的临时加固设施等。 
    3、系统的性能 
    a) 作业能力：施工作业系统的规模根据工程需要确定，通过组合液压千斤顶集群，作业能力可满足超大型工程的需要。已应用的工程中最大起重荷载3200吨，最大起重力6600吨，共使用86个液压千斤顶。 
    b) 作业点数：标准配置的系统最多可控制30个作业点(一般工程作业点为4～8个，迄今为止最大的工程中作业点为26个)。超过30个作业点时可以增设额外的控制模块来扩容。 
    c) 作业对象规模：原则上只受工程结构和施工现场条件限制。已应用的工程中，最大结构尺寸为150×90×20米，提升高度29米。 
    d) 控制策略：可同时控制作业对象的姿态偏差、速度偏差、压力(提升力或牵引力)偏差，并可根据各个工程的不同特点和要求，确定不同的多因素控制策略。 
    e) 控制精度：各作业点与基准点的高度或位移偏差可控制在2～3毫米以内。 
    f) 液压系统工作方式：液压千斤顶间歇伸缸和连续伸缸两种方式。前者用于垂直提升；后者用于水平牵引，优点是作业稳定性好、作业速度快，但是液压千斤顶的配置数量较大。 
    g) 操作方式：具有自动作业、半自动作业、单点调整、手动作业等多种操作方式。 
    h) 可靠性、适应性：可以承受一般建筑施工现场的露天日晒、小雨、5级风、连续作业、电磁干扰、电网波动等工况。
    四、 应用实例与效益 
    1、东方航空公司双机位机库3200吨钢屋盖整体提升工程 
    钢屋盖网架的跨度150米，纵深90米，高18米，重量3200吨。采用“地面拼装、整体提升”的施工工艺，即在地面上将网架拼装好，然后整体提升到25高的砼柱顶上。不设临时的提升承载柱，利用机库26根永久结构柱的柱顶，设置液压千斤顶集群进行提升。由于机库东、西、北三面有柱，南面无柱，屋盖南端总量又占总重量三分之二，因此提升点分布和负载分布极不均匀，对网架变形控制和结构柱承载控制很不利，提升控制难度很大 
    1996年6月下旬，经过4天共32小时的提升作业，将3200吨的钢屋盖网架从地面整体提升25米，顺利完成安装工程。 
    在提升过程中做到了：⑴ 各吊点与基准点的高度差不超过5毫米，确保了网架的变形小于设计限定值；⑵ 各吊点动载始终保持均衡(静载悬殊达20倍)，确保了被用作提升承载柱的机库结构柱的荷载安全值；⑶ 屋架定位偏差小于2毫米，施工质量优良。 
    该工程节约施工费用710万元，并且创造了两项国内记录：⑴ 一次提升跨度最大：150米；⑵ 超大型屋盖整体提升不设辅助的提升承载柱。 
    2、浦东国际机场航站楼钢屋盖区段整体移位施工 
    钢屋盖为连续三跨，跨度分别为80、42和48米，长度为412米，高30～39米，总重1.6万余吨。在钢屋盖安装之前，航站楼的现浇混凝土框架结构已先期完成，因而起重机无法进入跨内施工，难以用常规方法吊装，故采用“屋架节间地面拼装、柱梁屋盖跨端组合，区段整体纵向移位”的施工方案，即在地面拼装屋架，再将屋架和柱、梁等吊到砼结构楼面的边端组合成屋盖区段，然后应用本系统将区段向楼面中央水平移位到安装位置。 
    1998年2-8月钢屋盖安装完成，其中钢屋盖区段移位14次(每次距离50-200m，重量1200-1400吨)，累计移位重量2万余吨，累计移位距离2200m，累计移位时间400小时。 
    在牵引过程中做到了：⑴ 屋盖滑移速度控制良好，加速度值小于设计限定值；⑵ 各牵引点与基准点的位移差不超过10毫米，确保了屋盖滑移中的正确姿态，杜绝了“卡轨”可能性。 
    由于采用以屋盖水平滑移为主要特点的新工艺，钢屋盖的安装工程节约了建设投资1000万元。 
    3、南阳鸭河口电厂干煤棚网架整体展开提升工程 
    网架横向跨度108米、纵向深度90米，高度约39米，重量505吨，提升高度约29米。该网架结构分为铰接的5块，地面拼装后呈折叠状，通过整体提升，使它展开为无柱拱形网架。这种结构与施工方法在国内尚无先例，是一项重大创新。它首先由设计单位提出，得到业主和施工总包单位的支持，并由我公司采用本系统予以实施。2001年5～6月经过5天共40小时的提升，顺利地将网架提升到位。提升过程中各提升点高度差控制在3毫米以内，施工偏差控制和安装定位质量均符合设计要求，在国内空间结构和钢结构行业有效大影响。