智能化自控系統在高鐵預制箱梁靜載試驗中的應用

■ 劉志戰 劉玉卿 陳宏君 張金帆 郭文昌 尹曉夏

目前，我國鐵路橋梁按照TB/T 2092—2003《預應力混凝土鐵路橋簡支梁靜載彎曲試驗方法及評定標準》[1]進行靜載彎曲試驗，該試驗是評定橋梁使用性能的主要手段。鐵路橋梁靜載試驗智能化自控系統能夠自動完成評定標準所規定加載試驗的全過程，加載同步，操作簡單，結構穩定、安全，一體化程度高，實現了鐵路橋梁靜載試驗全過程的自動化和信息化。

新建鄭州—阜陽鐵路ZFZQ-2標扶溝制梁場總面積11．6萬m2（174畝），共承擔470榀預應力簡支箱梁預制及架設任務。為滿足施工需要，保證產品質量，制梁場采用JSZK-Ⅰ型靜載試驗智能化自控系統。

1 系統原理

靜載試驗智能化自控系統采用模塊化結構設計，由主控、加載、校核、荷載測量、撓度測量、裂縫檢測、BIM數據傳輸、安全應急及報警8個模塊組成（見圖1），配置對應軟件程序和接口。

圖1 智能化自控系統組成

主控模塊是加載智能化自控系統的核心，按照預定算法進行計算、分析和判斷，完成數據記錄、傳輸以及報告輸出；加載模塊按照主控模塊指令為靜載試驗提供加載動力；校核、荷載測量模塊采用輪輻測量傳感器，用于采集加載的力值并檢校，為主控模塊提供數據并形成閉環；撓度測量模塊采用光柵位移計，用于測量梁體在受力后發生的撓度變形，并將數據提供給主控模塊進行計算；裂縫檢測模塊采用振弦檢測及圖像識別，用于梁體下緣底面及側面受力裂縫的檢測，并提供裂縫的數據及影像資料；BIM數據傳輸主要通過主控模塊的軟件程序實現與信息化平臺的互聯互通；安全應急及報警模塊用于防止斷電、加載異常等突發情況對靜載試驗裝置的軟硬件造成損壞，并實施設備自檢、不合格預警、異常情況的報警及處置。

試驗啟動后，主控模塊向加載模塊發送流程控制指令，加載模塊按照指令進行自動加載。加載過程中，荷載測量模塊、撓度測量模塊、安全應急及報警模塊和裂縫檢測模塊將采集的檢測數據實時傳輸到主控模塊。

2 系統應用

2.1 準備工作

（1）試驗梁應在終張拉30 d后進行靜載試驗[1]。

（2）梁兩端支座的相對高差應不大于10 mm，同一支座兩側或同一側兩支座高差應不大于2 mm，箱梁四支點不平整度不大于2 mm。

（3）試驗梁移入靜載試驗臺座對中后，在梁頂標出腹板中心線作為梁體的加載中心線，并在每一加載點鋪設墊層及鋼座板。

（4）支座中心線與梁體跨度線位置一致，安裝到位后解除支座臨時聯結板。

（5）反力架應具有足夠的強度和剛度。反力架提供的反力應不小于最大試驗荷載值的1．5～2．0倍；反力架在最大試驗荷載情況下的上拱和試驗梁跨中位移的總變形不應超過加載千斤頂最大行程的80%。

（6）配備6只與光柵位移計相同規格的百分表和6個固定位移計的支架。

（7）保證精軋螺紋鋼豎拉桿有足夠長度，采用雙螺母安裝后，外露長度不小于100 mm。

（8）現場準備不小于25 t的長臂吊車和不小于2 t的叉車，隨時配合拆裝。

（9）現場準備便于上、下試驗梁的穩固攀爬扶梯，保證人員和運送物資安全。

（10）應具備380 V、50 Hz、100 A三相交流供電和發電或備用電源（二路供電）條件，具有綜合接地裝置[2]。

（11）應具備10M以上帶寬的網絡端口。

（12）必要時，加載試驗應設置防風、防傾支護。

2.2 設備安裝

2.2.1 機械千斤頂

按照以下步驟安裝機械千斤頂（見圖2）：

（1）梁頂各加載點鋪設墊層（細砂）及鋼座板。在每一加載點鋪設墊層，采用水平尺調平；再鋪設鋼座板，采用水平尺調平，并使鋼座板中心與“十”字標線中心一致。

（2）用吊車輕緩安放千斤頂，注意不破壞調平后的鋼座板和墊層。

（3）各千斤頂中心與梁頂加載中心線位置偏差不大于10 mm。

（4）采用吊車將分控柜和變頻柜吊至試驗梁頂一側，靠靜載試驗臺架上部橫梁安放。

（5）各千斤頂安放時宜將調速馬達朝向同一方向。

圖2 安裝機械千斤頂

2.2.2 反力架

按照以下步驟安裝反力架（見圖3）：

（1）檢查靜載試驗臺架，確保上、下橫梁平行，位置準確。

（2）各千斤頂中心與反力架加載橫梁中心線縱橫向偏差不大于10 mm。

（3）千斤頂升降頂面與反力架加載橫梁下表面之間用厚度適當的鋼板（200 mm×200 mm×20 mm或200 mm×200 mm×10 mm）或錨墊板填充，保證10 mm左右間隙。

（4）精軋螺紋鋼垂直于梁體底面，與預留靜載試驗孔對位正確，無刮擦現象。

（5）精軋螺紋鋼采用雙螺母安裝，外露長度不小于100 mm，螺母與梁體底部固定耳板的底面平齊，并用扭矩扳手擰緊固定。擰緊后逐根檢查，確保受力均勻。

（6）各循環間隔需逐一檢查精軋螺紋鋼有無螺母松動。

圖3 安裝反力架

2.2.3 撓度測量光柵位移計

按照以下步驟安裝光柵位移計，可配合百分表進行數據校核（見圖4）：

（1）量程為10 mm的光柵位移計和百分表用于測量兩側支座的支點沉降量。

（2）量程為50 mm的光柵位移計和百分表用于測量梁體跨中位移量。

（3）光柵位移計和百分表的金屬檢測桿保持鉛垂，觸頭預留1～2 mm的壓縮量。檢測桿的觸頭初始安裝不能懸空。

（4）必要時可在光柵位移計觸頭處梁面粘貼玻璃片，以提高測量精度。

圖4 安裝光柵位移計

2.2.4 裂縫檢測設備

（1）圖像識別裂縫檢測儀（見圖5）：采用真空吸盤將圖像識別檢測裝置吸附于梁體下方，高清相機鏡頭蓋開啟，準備對梁體下表面進行掃描。

（2）振弦應變裂縫檢測儀（見圖6）：將用于應變測量的振弦傳感器以“工”字形布設在梁體底部，密貼安裝，粘貼穩固、牢靠。

圖5 圖像識別裂縫檢測儀

圖6 振弦應變裂縫檢測儀

2.2.5 電氣連線

智能化自控系統的電氣連線是最重要的環節，線材、接口應一一對應，否則系統將無法識別相關傳感器位置。

（1）靜載試驗時，主控柜置于試驗梁翼緣板下面的跨中位置，分控柜和變頻柜置于試驗梁上、靠近靜載試驗臺架上部橫梁位置。

（2）配電箱中380 V交流電接入分控柜。

（3）通過分控柜中380 V空氣開關分相引出的220 V航空插頭向主控柜供電，再通過主控柜中穩壓系統向計算機及撓度測量儀表、裂縫檢測儀表等供電，同時該穩壓系統也向分控柜的各荷載、校核儀表等供電。

（4）連接分控柜和主控柜的急停電纜。

（5）分控柜中380 V交流電通過航空插頭為變頻柜供電。

（6）變頻柜通過航空插頭為千斤頂電機供電。連接千斤頂電機電源線至變頻柜輸出插頭，注意千斤頂與航空插頭按位置對應連接。使用中高壓動力線纜不可繞環堆放，關鍵部位的電機電源線必要時采用金屬絲網包裹屏蔽并可靠接地。

（7）變頻柜220 V航空插頭為千斤頂電機風扇供電。

2.3 應用流程

智能化自控系統工作流程如下（見圖7）：

（1）試驗開始前，打開主控軟件，從平臺下載提前錄入的試驗梁參數信息[3]并保存生成計算單，核對計算數據，確認無誤后進行下一步操作。

（2）加載開始前，按照操作手冊[2]對系統進行調試和自檢。

（3）準備工作就緒后，點擊主控軟件界面“開始”按鈕，智能化自控系統啟動，操作人員密切注意各千斤頂加載是否正常、測力傳感器荷載上升是否正常、各撓度測量數據是否正常、振弦應變裂縫檢測儀數據采集是否正常。若有問題，點擊“暫?！卑粹o，檢查和處理問題；處理完畢，點擊“繼續”按鈕，繼續試驗。

（4）試驗過程中，主控程序實時接收并自動顯示荷載值、位移數據，動態計算各級實際撓跨比和跨中彎矩，通過跨中彎矩-撓度曲線體現加載進度。根據振弦傳感器的實時檢測數據，自動顯示振弦應變裂縫檢測儀的線性相關系數并給出合格與否的判別提示；裂縫檢測采用圖像觀測時，第二加載循環至1．00級以上、持荷5 min后，裂縫檢測模塊對梁體下表面進行裂縫的圖像自動觀測。智能化自控系統工作界面見圖8。

2.4 注意事項

在智能化自控系統應用過程中，應注意以下事項：

（1）試驗過程中應密切觀察千斤頂的伸出長度。

（2）在第一加載循環結束后查看螺紋鋼是否松動并及時緊固。

（3）千斤頂的測力傳感器應按期進行檢定，以保證力值的準確性。

（4）在試驗梁上安裝千斤頂時，其底部鋼板細砂找平不宜過厚。

（5）千斤頂與橫梁的間隙可用小鋼板進行填充，以保證千斤頂伸出長度不超限。

圖7 智能化自控系統工作流程

圖8 智能化自控系統工作界面

3 試驗結果輸出

試驗完成后智能化自控系統自動保存試驗數據，生成“靜載試驗計算單”（可在試驗前生成），輸出“靜載試驗報告”，并將試驗結果在線自動同步至鐵路工程管理平臺的橋梁靜載試驗系統。

智能化自控系統輸出的“靜載試驗計算單”和“靜載試驗報告”的內容、格式完全符合TB/T 2092—2003《預應力混凝土鐵路橋簡支梁靜載彎曲試驗方法及評定標準》的規定?！办o載試驗計算單”包括各級加載彎矩值及各級加載荷載值等信息；“靜載試驗報告”包括時間記錄表、撓度記錄表、加載記錄表等。

智能化自控系統試驗結果可一鍵同步至鐵路工程管理平臺，實現靜載試驗信息化管理（見圖9），可在線查看靜載試驗梁的信息、試驗頻次、試驗過程數據、荷載-撓度曲線及判定結果等。

圖9 靜載試驗信息化管理界面

4 對比傳統試驗方法

將扶溝制梁場首梁投產鑒定檢驗（傳統試驗方法）與FG31．5QW-439梁采用智能化自控系統的試驗方法進行對比，發現智能化自控系統試驗方法較傳統試驗方法具有明顯優越性。

傳統試驗方法：每個油泵需配備司泵與監表2人，10個加載點共20人，百分表記錄人員6人，指揮、計時、記錄各1人，裂縫檢測等其他項目共6人，采用傳統靜載試驗配備試驗人員約35人。由于人工操作的視讀誤差和反應速度，造成加載不同步、補壓差異大、加載精度難以保證。并且試驗數據、加載力值、試驗結果及判定等需要人工計算，不能實現數據實時上傳及計算機遠程監控。

智能化自控系統試驗方法：采用智能化自控系統進行試驗僅需主控、觀察、指揮共3人。機械千斤頂與測力傳感器結合，加載均勻，測力準確。一鍵啟動試驗，自動計算試驗相關數據，自動完成試驗過程，判定試驗結果并輸出、上傳試驗報告。

5 結束語

信息集成是高鐵制梁場信息化管理的精髓，靜載試驗智能化自控系統作為信息化數據采集的末端設備，在高鐵制梁場信息化建設中發揮著重要作用。應用智能化自控系統可避免人為因素對數據的干擾，確保試驗數據的準確性，同時減少人工投入，保證試驗質量，促進制梁場信息化管理向實時性、模塊化方向發展。