【文章內(nèi)容簡介】 ................. 79 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................................... 80 致 謝 ....................................................................................................................................... 82 第一章 緒論 1 第一章 緒論 1. 1 研究背景 隨著我國國民經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的飛速發(fā)展，像城市規(guī)劃、舊城改造、道路拓寬這樣的建筑工程劇增，尤其是各種公路、鐵路、大橋的建設(shè)與改造更是成為了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)脈。這些建筑工程在實(shí)施過程中經(jīng)常會(huì)遇到兩類問題：一類是進(jìn)行規(guī)模較大的工程建造，需要對一些體積大、重量大的工程建筑物局部 體進(jìn)行精確的整體抬升，比如橋梁建設(shè)中的橋面路段建造、提高橋梁凈空等，有時(shí)候甚至要求在不中斷交通的情況下進(jìn)行橋梁支座的更換；另一類是工程規(guī)劃與原有的建筑物發(fā)生沖突矛盾，不少建筑物因?yàn)橐?guī)劃的原因不得不拆除 [1]。但其中一些建筑物因?yàn)榻ǔ蓵r(shí)間不長，仍然具有很大的實(shí)用價(jià)值，尤其是一些古建筑，或?qū)儆谑鼙Ｗo(hù)的文物，或是具有一定象征意義的人文景觀，如果對其拆除，損失更是難以估計(jì)。有時(shí)為了減少損失，不得不修改原來的規(guī)劃，這樣就可能給城市建設(shè)造成了永久的缺憾，甚至?xí)a(chǎn)生新的問題 [2]。 同步頂升技術(shù)或稱同步移位技術(shù)的出現(xiàn)，成 為了解決這一矛盾的重要方法和手段，很好地解決了這一難題。所謂同步頂升（移位）技術(shù)，就是在保證建筑物結(jié)構(gòu)的整體性和使用功能的前提下，采用一系列機(jī)械的或者其它的手段使建筑物整體平穩(wěn)的升降、平移，從而達(dá)到建筑物整體移位的目的。同步頂升（移位）技術(shù)最早源于大型設(shè)備與建筑物移位（頂升、平移），大型建筑物整體遷移技術(shù)是指在保證大型建筑物主體結(jié)構(gòu)完整和使用功能的前提下，將其從原址遷移到新址的技術(shù)。主要包括建筑物水平方向的平移、旋轉(zhuǎn)、糾偏等；同時(shí)還包括建筑物垂直方向的頂升，如橋梁的加高或支座的更換、房屋糾傾以及頂升調(diào)坡等。 其基本原理是：首先將建筑物頂起，托換到托梁上，在托梁下安裝行走或支撐動(dòng)力系統(tǒng)，然后將建筑物與原基切斷，使建筑物成為可移動(dòng)體，通過施加動(dòng)力將建筑物整體遷移到指定位置，就位后再進(jìn)行新的連接。 1. 2 本課題在國內(nèi)外的研究動(dòng)態(tài) 近年來，國內(nèi)外已經(jīng)有大量采用頂升技術(shù)進(jìn)行大型建筑物頂升、平移及大型設(shè)備結(jié)構(gòu)的位移中的應(yīng)用成功的范例，并且應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。 河海大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 1. 2. 1 國外同步頂升技術(shù)的研究現(xiàn)狀 通過查找資料可知，國外的頂升技術(shù)在實(shí)際工程中應(yīng)用的比較早，比如古建筑物的移位、更換橋梁支座、頂推梁體等。 世界上最早 的建筑物整體移位技術(shù)出現(xiàn)在新西蘭，工程技術(shù)人員采用蒸汽機(jī)車作為牽引裝置，將新普利茅斯市的一座一層民宅移到新址 [3]。 1901 年，美國依阿華大學(xué)由于校園擴(kuò)建，將三層高、重約 6000KN 的科學(xué)館進(jìn)行了整體平移，為了繞過另一棟樓，在移動(dòng)過程中采用了轉(zhuǎn)向技術(shù)，將其旋轉(zhuǎn) 45 度，這一技術(shù)在當(dāng)時(shí)的土木工程界引起了極大的興趣和廣泛的評論，這座樓至今仍在使用，已經(jīng)經(jīng)受了 100 多年的考驗(yàn) [4]。 金門大橋是世界聞名的橋梁之一，是近代橋梁工程的一項(xiàng)奇跡。大橋雄峙于美國加利福尼亞州寬 1900 多米的金門海峽之上，歷時(shí) 4 年和 10 萬多噸 鋼材，耗資達(dá) 3550萬美元建成，大橋全長達(dá) 2020 米，橋面寬 米，造型宏偉壯觀、樸素?zé)o華。為了保證大橋能夠承受住潛在的地震威脅，在 2020 年， Balfour Betty 建筑公司和 ENERPAC公司利用液壓控制同步頂升系統(tǒng)在不中斷交通的情況下對金門大橋進(jìn)行了抗震改造。金門大橋抗震改造完成已經(jīng)有好幾年的時(shí)間了，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，其加固效果良好 [5]。 2020 年由法國總統(tǒng)希拉克親自剪彩竣工的法國米勞大橋是世界上最高的大橋，高達(dá) 343m，橋面長 2460m，寬 ，總重 36000t[6]。國內(nèi)有關(guān)專家曾經(jīng)形 象地說： “這幾乎就是在比東方明珠矮一點(diǎn)的高空建造一段長 2 公里的高架道路 ”。橋梁下面不是一馬平川的大地，而是一條深深的山谷，在如此高的位置上進(jìn)行如此大規(guī)模的施工建設(shè)對人類自身而言就是一個(gè)極大的挑戰(zhàn) [7]。為了解決在深谷中架設(shè)臨時(shí)橋墩、重型鋼結(jié)構(gòu)橋面架設(shè)等施工難題，美國實(shí)用動(dòng)力集團(tuán)公司和 ENERPAC 歐洲工程中心采用計(jì)算機(jī)控制同步頂升系統(tǒng)和以超高壓液壓為動(dòng)力的全自動(dòng)智能化控制橋面平推系統(tǒng)成功地解決了大橋建造中的技術(shù)難題 [8]，一方面采用計(jì)算機(jī)控制同步頂升系統(tǒng)輔助橋墩建造，幫助橋墩升高到 77 米到 245 米不等；另一 方面采用特殊設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)控制超高壓液壓平移系統(tǒng)，解決大橋鋼結(jié)構(gòu)橋面平移就位難題。 1. 2. 2 國內(nèi)同步頂升技術(shù)的研究現(xiàn)狀 在國外，關(guān)于先進(jìn)頂升機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用很普遍，尤其是對橋梁支座進(jìn)行更換時(shí)，第一章 緒論 3 也主要使用了整體同步頂升技術(shù)。在國內(nèi)，頂升技術(shù)從 50 年代才開始發(fā)展，起初應(yīng)用于鐵路橋梁的架設(shè)、移位和落梁；從八十年代末起，液壓同步頂升技術(shù)開始在我國迅猛發(fā)展，先后應(yīng)用于上海石洞口第二電廠、上海東方明珠廣播電視塔鋼天線桅桿整體提升、北京西客站主站房鋼門門樓整體提升、浦東機(jī)場停機(jī)庫提升以及上海大劇院鋼屋架整體提升等一 系列重大建設(shè)工程中，獲得了巨大的成功 [9]。 在公路建設(shè)方面，頂升技術(shù)最初僅僅被用于單片預(yù)制梁的架設(shè)和移位。 2020 年 9月，跨越海河的獅子林河橋和北安橋被分別頂升 米和 米，成為我國首次進(jìn)行的橋梁整體升高工程。 上海音樂廳建于 1930 年，原名南京大戲院，具有歐洲古典主義風(fēng)格的建筑，被譽(yù)為 “上海的巴黎歌劇院 ” [7]。 2020 年，為市政建設(shè)的需要對其進(jìn)行平移約 ，并且頂升 。音樂廳結(jié)構(gòu)空曠，空間剛度較差，且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度很低，將如此風(fēng)格和結(jié)構(gòu)類型的優(yōu)秀保護(hù)建筑整體移位，在國內(nèi)尚屬首例 ，在施工難度上堪稱國內(nèi)之最，頂升高度在世界上也屬罕見。音樂廳整體移位工程開發(fā)了一套具有四組共 59 臺高精度頂升液壓缸的計(jì)算機(jī)控制同步頂升和頂推系統(tǒng)，將建筑物第一次頂升 ，然后依靠有 自動(dòng)控制能力的 4 路同步頂推系統(tǒng)，將建筑物推移至預(yù)定位置，再進(jìn)行第二次頂升 [10]。 吳淞大橋是一座連續(xù)梁橋，橋墩采用的是樁柱結(jié)構(gòu)。由于北引橋的橋面高度太低，按照傳統(tǒng)的施工方法，需把北引橋全部拆掉，然后再重新建造一座高度和立交高架橋相等的引橋與之相接。但是這樣做的話不僅要封閉交通，而且經(jīng)濟(jì)損失也很大。施工技術(shù)人員經(jīng)過 3 個(gè)月的艱苦攻關(guān)最終設(shè)計(jì)出了一套整體同步頂升方案，平均將原橋頂高了 米。與房屋建筑相比，吳淞大橋是線性結(jié)構(gòu)，頂升的難度更大 [11]。施工隊(duì)將大橋立柱上的蓋梁和板梁穩(wěn)穩(wěn)托住，然后將立柱割斷，用 12 只頂力為 150 噸以上的千斤頂將橋面同步地頂升到了預(yù)定高度。利用此方案施工比拆橋重建省一半時(shí)間，不需要占用周圍的道路，并且將投資節(jié)省了 35%。經(jīng)過精密的儀器檢測，北引橋整體頂升獲得了成功，橋面沒有裂縫，對接良好。 1. 3 課題在實(shí)際應(yīng)用方面的意義、價(jià)值 青島中海油油品 1汽車裝車臺為二層混凝土框架結(jié)構(gòu)， 米標(biāo)高處為一層平臺， 米標(biāo)高處為二層平臺（二層層高為 米）， 米標(biāo)高處為檐口，檐口高度 米；河海大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 該工程共兩排柱，每排 6 根，排距 6 米，每排柱間距為 10 米；鋼筋砼獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深 米，基礎(chǔ)底標(biāo)高為 米，基礎(chǔ)頂標(biāo)高為 米，一層地面標(biāo)高為 米，屋頂為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，底層柱側(cè)面安裝有部分設(shè)備及管線。由于裝車臺凈空高度不夠，影響裝車，要求整體升高 米。 通過分析已有系統(tǒng)的利弊，結(jié)合電子技術(shù)、 PLC 控制技術(shù)，本文研制開發(fā)了一套以電液比例減壓閥 +可編程邏輯控制器 +組態(tài)軟件為核心設(shè)計(jì)的液壓同步頂 升控制系統(tǒng)。為了使得控制更加精確，本文考慮了更多可能會(huì)影響頂升效果的因素后，在控制中加入了模糊控制算法，對輸出量進(jìn)行優(yōu)化控制，并且為了 解決 模糊控制響應(yīng)時(shí)間長的問題，以及減小擾動(dòng)信號對模糊控制 造成的 不良 影響，在模糊控制的反饋環(huán)節(jié)加入了灰色預(yù)測模塊構(gòu)成灰色預(yù)測模糊控制系統(tǒng)，結(jié)合電氣和機(jī)械部分的數(shù)學(xué)模型循序漸進(jìn)地建立起仿真模型，從理論基礎(chǔ)上證明了算法的可行性，使得控制更加精確、頂升更加安全。該系統(tǒng)能全自動(dòng)完成同步頂升過程，實(shí)現(xiàn)位移控制、過程顯示、故障報(bào)警等多種功能，控制精度更高，操作更加簡單，整體安全可靠，并且提 供了遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，方便專家進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)、遠(yuǎn)程會(huì)診。 全文安排如下： 第一章：緒論，本章主要闡述了本課題的研究背景、國內(nèi)外的研究狀況和實(shí)際意義。 第二章：系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)。本章首先介紹了建筑物頂升的步驟，然后介紹了系統(tǒng)的總體框架、設(shè)計(jì)思想及監(jiān)控模式的選擇，并且繪制了系統(tǒng)電氣原理圖。 第三章：系統(tǒng)控制算法的設(shè)計(jì)。本章首先詳述了控制系統(tǒng)各種控制策略，并且將其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。針對控制要求選用了一種灰色預(yù)測模糊控制算法作為系統(tǒng)的控制算法，然后對該控制理論進(jìn)行了分析，并且進(jìn)行了控制器的設(shè)計(jì)。 第四章：控制算法的計(jì) 算機(jī)仿真。本章首先在 Matlab 環(huán)境下進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)，然后建立了控制對象的傳遞方程，利用 Simulink 工具進(jìn)行了算法仿真， 并與其他算法進(jìn)行比較， 從理論上 證明了 灰色預(yù)測模糊控制策算法的可行性 和優(yōu)越性 。 第五章：系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)。本章詳細(xì)介紹了液壓同步頂升系統(tǒng)，從液壓部分和電氣部分介紹了系統(tǒng)硬件方面的設(shè)計(jì)，并簡述了位移傳感器誤差標(biāo)定的方法及算法；第一章 緒論 5 軟件方面主要對用 網(wǎng)際組態(tài)軟件制作的監(jiān)控界面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行了上 下位機(jī)通信的設(shè)計(jì)。 第六章：總結(jié)與展望。本章主要對本文的研究成果進(jìn)行了總 結(jié)，針對本項(xiàng)目中的不足和問題，提出了以后需要進(jìn)一步提高和研究的方向。 第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 7 第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 2. 1 建筑物同步頂升 2. 1. 1 頂升工作原理 建筑物同步頂升一般分為承壓、頂升、保持和帶載下降四步 : (l)承壓 在頂升前，要將建筑物與支柱連接處打斷才可以進(jìn)行頂升操作，在打斷前要讓液壓千斤頂代替支柱來承受建筑物的重量，這就要求油泵可以單獨(dú)給某個(gè)液壓千斤頂供油使其進(jìn)行單獨(dú)頂升，根據(jù)建筑構(gòu)件圖估算出各個(gè)頂升點(diǎn)近似的載荷值，調(diào)節(jié)各頂升點(diǎn)的頂升力。為了避免計(jì)算誤差以及確保工程安全，初始頂升力應(yīng)略小于計(jì) 算的近似載荷值。待各頂升點(diǎn)調(diào)整好后，調(diào)節(jié)各電液比例減壓閥使其出口壓力逐步增加，且每次增加的壓力要固定，并根據(jù)位移傳感器的采樣數(shù)據(jù)來判斷是否產(chǎn)生位移。當(dāng)各頂升點(diǎn)由于壓力變化使其施力超過頂升點(diǎn)的載荷時(shí)，千斤頂活塞伸出使該點(diǎn)產(chǎn)生位移，壓力和位移的實(shí)時(shí)變化通過壓力傳感器和位移傳感器傳回計(jì)算機(jī)。當(dāng)位移傳感器測得微小位移時(shí)，和該位移傳感器對應(yīng)的千斤頂停止動(dòng)作，即相關(guān)的電液比例減壓閥出口壓力停止變化，當(dāng)所有的出口壓力穩(wěn)定后，建筑物的重量完全由千斤頂承載，此時(shí)建筑物處于 “懸浮 ”狀態(tài)，承壓步驟結(jié)束。 (2)頂升 在實(shí)際工程中 ，建筑物要求提升的高度往往大于千斤頂?shù)牧砍?，鑒于這種情況，通常系統(tǒng)會(huì)采用分步頂升法，即將整個(gè)頂升過程分成了很多小步，每次頂升一小步。例 如此次工程要求頂升 ，即 1200mm，液壓千斤頂?shù)牧砍虨?100mm，通過測試發(fā)現(xiàn)千斤頂在接近滿量程的部分非線性比較嚴(yán)重，因此將整個(gè)頂升過程分作 15 個(gè)小步，每次頂升 80mm，逐次完成頂升過程。開始頂升后，按照采樣周期采樣得來的位移判斷所有頂升點(diǎn)的同步情況，設(shè) R 為預(yù)先設(shè)定的千斤頂行程，即分 步 頂升每一次的高度，位于頂升點(diǎn)處的位移傳感器將頂升數(shù)據(jù) S 實(shí)時(shí)地傳回來，通過控制策略進(jìn)行 計(jì)算，輸出到電液比例減壓閥控制出口壓力，進(jìn)而控制液壓千斤頂來調(diào)節(jié)頂升的位移，從而達(dá)到控制頂升過程平穩(wěn)、順利地進(jìn)行。當(dāng) S= R 時(shí)， 相應(yīng)的 千斤頂停止工作 ， 閥門關(guān)閉，河海大學(xué)碩士學(xué)位論文 8 千斤頂鎖死 。待所有頂升點(diǎn)都完成頂升工作后，液壓泵關(guān)閉， 接下來 就可以 進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄等一系列工作，并為下一步的頂升工作做準(zhǔn)備。對于每步頂升中的位移精度，可以通過智能控制算法來提高。本步產(chǎn)生的誤差，在下一步頂升中可以消除，因此最終頂升誤差由最后一步的頂升誤差決定。此種方法控制精度較高，控制方法簡單，便于計(jì)算機(jī)控制，自動(dòng)化程度高。 (3)保持 當(dāng)頂升 工作完成 后，建筑物處于懸浮保持狀態(tài) ，為后續(xù)施工的需求，必須暫時(shí)保持頂升位置不變，而千斤頂通過高壓 油 管進(jìn)、回油，一旦 油 管受損爆裂，后果不堪設(shè)想。為確保安全，每個(gè)千斤頂都安裝了液控單向閥。保壓精度和最大保壓時(shí)間主要由液壓系統(tǒng)中所使用的液壓元件的制造精度、密封性決定 [7]。單靠液控單向閥進(jìn)行保壓，保壓時(shí)間不能太長，因?yàn)榧词怪圃炀仍俑?，密封性再好，也無法避免泄漏，可以將千斤頂上自帶的橡皮圈旋起使千斤頂不能由于壓力大而自動(dòng)回油，構(gòu)成了雙保險(xiǎn)，既決了安全問題，又為頂升作業(yè)帶來方便，允許千斤頂在任意位置停留 ，同時(shí)，施工隊(duì)伍在短 時(shí)間內(nèi)對 隔斷處進(jìn)行焊接，盡量減少施工風(fēng)險(xiǎn) 。 (4)帶載下降 帶載下降是在頂升以及后續(xù)的施工全部完成后，將建筑物降回到原始的位置的過程，一般應(yīng)用于更換橋梁支座的工程。針對此次工程不需要使用此功能，所以在系統(tǒng)中沒有