短線法節段梁人工智能匹配調節施工技術研究

俞科峰,王博文,呂牧,呂泰達,王芮文

(1.常州交通建設管理有限公司,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.南京張力信息技術有限公司,江蘇 南京 210000;4.江蘇省交通技師學院,江蘇 鎮江 212028 )

短線匹配法是用于懸臂拼裝橋梁分段預制的一種施工技術,它是指將橋梁的一跨或多跨沿著橋梁的走向分成多個節段,通常使用相同且可調節的模板逐節段預制施工。節段梁施工時,模板設置與其他方法不同,在節段梁端頭有兩種模板,一端模板固定,此模板每次澆筑時均固定不動,且保證穩固、垂直和不變形。另一端則利用已澆節段作為模板,在此工藝上,通常稱為匹配梁。然后以匹配梁位置信息推導待澆梁段位置信息[1]。按序完成各跨箱梁的澆筑預制,從而獲得與設計圖紙相吻合的平縱曲線。傳統匹配調節定位采用普通的測量儀器和人工控制液壓系統,通信則采用對講機或直接對話,匹配時間為2～3 h,速度慢,易出錯,效率低,匹配精度較低。由于模板制作并未考慮調節角度偏差,通常用增貼墊片的方式調整模板的高度和角度,這樣會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,對匹配模板結構、測量系統、液壓系統等進行研究,引入高精密傳感器、高敏感度液壓千斤頂等智慧控制元素,將測量系統、傳感系統和液壓控制系統進行連接,并采用人工智能化控制進行調節。

1 技術簡介

1.1 工藝原理

本技術通過引入人工智能控制技術,解決傳統施工方法的不足之處,達到節段梁匹配調節的測量智能化、調節匹配數控自動化、匹配結果精準化。

通過開發程序和使用自動追蹤棱鏡實現測量機器人自動追蹤測量,通過開發軟件,實現數據自動處理、數據自動分析的功能,通過數據無線傳輸方式,將數據傳輸至液壓控制系統。高精度測量及自學習系統的應用提高匹配梁施工的測量精度[2]。

傳統的節段梁匹配不存在數據傳輸,主要由測量人員通過對講機或喊話的形式指令液壓控制人員,效率低,出錯率高。本技術采用測量機器人數據與液壓自動控制系統的對接,通過無線傳輸的形式將數據發送給液壓自動控制系統,液壓自動控制系統控制液壓千斤頂實現調節。本技術采用自動匹配定位補償算法,液壓自動控制系統對測量機器人傳送的數據可實現逐步向設計值收斂的功能,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[3],最終實現與設計值的吻合。

本技術系統由測量監測系統和臺車系統兩部分組成,其邏輯控制原理如圖1所示。

圖1 自動匹配定位系統邏輯控制原理

1.2 關鍵技術

1)自動追蹤測量。高精度的萊卡全自動測量機器人,具有自動追蹤引導功能的多棱鏡,對匹配梁及固定端模的姿態數據實時測量并傳輸。

2)千斤頂全智能液壓控制體系[4]。傳統的工藝只需要簡單的液壓控制器,手工實現調節,本技術開發液壓自動控制系統,可以實現遠程控制,還可以接收自動測量系統的測量數據,并對數據進行分析計算后發出指令,啟動千斤頂工作。

3)自動匹配調節。液壓控制系統啟動千斤頂實現自動匹配調節。

4)自學習技術。在模板系統內安裝高精度傳感器,實時監測模板系統匹配情況,并將監測結果反饋給液壓自動控制系統,液壓自動控制系統判斷后,決定是否啟動千斤頂工作。開發定位補償算法程序,當測量儀器對匹配梁進行檢測后,分析測量數據,若測量數據滿足預設規范,則匹配結束;如果不符合要求,測量系統將測量結果通過無線傳輸的方式傳輸給液壓控制系統,液壓控制系統控制千斤頂移動,在千斤頂移動過程中,測量系統不斷地進行測量并發出指令,同時,多傳感信息融合定位復測系統進行復核,復核數據與測量系統數據進行比較校核。此過程就是自我調節和學習過程[5]。

將“Helmert相似變換”技術用于節段梁空間線形智能匹配系統中,實現節段梁空間線形的準確匹配,誤差小于1 mm。

2 操作要點

2.1 坐標轉換與線形計算

在匹配調節之前,應建立整體坐標系統和預制臺座局部坐標系統以便于坐標轉換。坐標轉換的方法如下：

1)局部坐標至整體坐標的轉換[6]。根據設計圖紙,推算局部坐標系下坐標原點坐標和三個坐標軸的坐標軸及角度余弦,為i1、m1、n1;i2、m2、n2;i3、m3、n3,那么局部坐標原點在整體坐標系中是(X0,Y0,Z0),按式(1)轉換。

(1)

2)把將整體坐標變換為局部坐標,應按式(2)計算。

(2)

3)用式(1)、(2)實現局部坐標系間的轉換。

線形計算方法：測量局部坐標系下第一節段控制點坐標,并轉換至整體坐標系[7];計算匹配梁的整體坐標系坐標,將匹配梁坐標轉換到預制坐標系下。

當以直線代替平曲線時,線形計算方法為：根據設計線形要求,將節段梁的平曲線以直線代替曲線的方式計算2個節段之間的相對偏轉角0。確定待澆梁段控制點高程和坐標;計算匹配梁與待澆段的坐標差值;測量局部坐標系下匹配梁實際坐標及位置。

在預制場內,每一個預制節段梁應采用6個控制點控制平面位置,分別為埋在腹板頂面上的4個控制標高的螺栓(FL,FR,BL,BR)和埋于頂板中線上的兩個倒U形水平定位鋼筋(FH,BH),如圖2所示。

圖2 控制點布設

2.2 模板安設

短線法預制施工模板安裝應先將底模和側模進行安裝,然后安放骨架鋼筋,最后再將內模移入。底模應至少配備兩套,待澆梁和匹配梁各為一套,位置逐次互換。側模采用液壓式模板,使用鋼結構支撐,除設置液壓千斤頂,還設有螺旋調節件,用于模板位置調整。模板所有連接部位均應密接、平順。內?？稍趦饶Ｅ_車自由移動。鋼筋骨架安設以后,可安裝移動內模至內腔[8]。

2.3 固定端模

端模是短線法施工中的關鍵定位組件之一,端模設置在觀測塔一側固定不動,起到坐標軸的作用,因此,其位置應盡量準確,其位置準確與否直接關系到匹配精度。在待澆梁段模板安設之前,應進行端模的平面位置、轉角和垂直度再次驗證,驗證結果如有偏差應進行原因分析并予以調整。在每跨首次預制時,節段梁兩端均應設置端模,其中一端為固定端模,另外一端為移動端模。在整個模板系統中,固定端模的精度幾乎決定整個匹配工作質量,因此,在安設時應注意以下3點：

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

2)固定端模頂面上翼緣板應保持絕對水平,因此應使用精密水準測量設備進行高程復核,以保證水平度。

3)固定端模材質應具有良好的剛度,保證目標不變形,端模的支撐應穩定牢固。

節段中線測量：節段梁中心線應與觀測塔和目標塔之間的基準線相重合,固定端模頂端以及端模底精確位置分別設置一個中線控制點。

固定端模垂直度測量：應根據中線控制點與觀測塔測量基點的水平距離應相等、高程兼平面控制點與測量基點的水平距離應相等這兩個條件判斷固定端模是否與待澆梁段的中線垂直。

水平度測量：應固定端模高程控制點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。事先計算并測量匹配端面與固定端模的水平間距,采用卷揚機等驅動設備將安放在底模臺車上的匹配梁移動至預設位置,位置精確至50 mm。匹配梁段精確定位按照圖3的程序進行。

智能程序的實現方法如下：

1)根據新澆梁段檢測高程和坐標數據,結合新澆梁段在局部坐標系相對于匹配梁段位置關系,應用自主研發的軟件計算分析,得出下一節段梁澆筑前其作為匹配梁段所應處的位置。

測量機器人跟蹤匹配梁段,通過對移動目標的偵測,確定其在設定坐標內的位置,并與理論位置進行比較分析。

2)當滿足匹配要求時,測量工作停止,進行下一步工作。

3)當不滿足匹配要求時,測量系統將測量數據通過無線傳輸的方式發送給液壓控制系統,液壓控制系統指令千斤頂開始工作,實施調節。

4)在調節期間,高精度傳感器系統對模板匹配數據進行監測,并將監測數據傳輸給液壓控制系統,液壓控制系統通過自動匹配調節補償算法,持續自學習功能判斷匹配結果,確定是否繼續向千斤頂發出工作指令。同時,測量系統繼續進行移動偵測,直至目標達到規定值,停止測量。

5)匹配梁段調節完成后,還需要通過對控制點的獨立復測完成定位校核,定位校核應單獨測量2次,取平均值。校核后將數據輸入自主研發的匹配校準軟件中,自動計算待澆梁位置。

2.5 測量計算

待澆梁段混凝土澆筑完成以后,混凝土已經凝固,但在該梁作為匹配梁移動至匹配位置前,需要測量固定端模與各預埋的中線、高程控制點之間的相對位置和高程以及距離,以在下一節段預制時使用。將上述坐標和高程數據輸入軟件即可進行精度分析,軟件命令如圖4所示。

圖4 匹配數據偏差分析流程

線形匹配調整基于施工中節段梁幾何尺寸變化而形成的轉角效應。當頂板與底板長度有差異時,會使成橋線形產生凹凸[9];當左右兩側翼板長度存在差異時,會使成橋線形產生平面彎曲。根據此原理,通過對觀測點長期觀測、記錄,并通過線形控制軟件實現對懸臂拼裝橋梁線形的發展趨勢進行預測,以加強對成橋線形的控制。曲線橋則可利用頂面中心線及其橫坡表示成橋后線形。以直代曲的預制方法最終可近似組合成折線表示成橋線形。連續節段中心線組成的折線可看作成橋線形,而節段接縫頂部傾斜程度則體現為橋梁橫坡,故而,曲線懸拼橋梁的線形與姿態可用圖5表示。

圖5 空間整體坐標系內節段式曲線梁橋的線形與姿態

1)平曲線節段預制。平曲線預制可將整體坐標內橋梁折線(圖5)投影至平面,并擬合為平曲線,當節段從澆筑位置移至匹配位置時,轉動臺車形成轉動角度α,如圖6所示。

圖6 平曲線預制

2)豎曲線節段預制。同理,豎曲線預制可將整體坐標內橋梁折線(圖5)投影至立面,并擬合成豎曲線,當節段從澆筑位置移至匹配位置時,調整好位置并做好高程調整后,再在立面內豎向轉動角度α,以形成需要的折角,如圖7所示。

圖7 豎曲線預制

2.6 精度分析

模板精度控制的重點應放在對固定端模的精度控制方面。固定端模的端模應在立面上始終處于垂直狀態,且立面應保持與節段梁中心線垂直,端模的上部邊緣應相對平行。端模水平度和中線的垂直度誤差應小于2 mm。固定端模需要在每節段施工前進行精度校準,如果精度無法達到規定值應查明原因,并對端模進行修正,不應在達不到精度要求的端模上進行下一節段施工。對有超高漸變的兩端,更應注意對端模校核調整。底模精度也應重視,底模就位時,應與固定端模貼合緊密,這樣做的目的一是確保不漏漿,二是確保結構尺寸。底模中心線應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與設計夾角相同。為核準模板精度,匹配結束后,還需檢查外側模與固定端模之間的拼縫是否滿足要求[10]。

3 應用案例

3.1 項目簡介

常泰長江大橋為高速公路、干線公路、高速鐵路“三位一體”合并過江,主航道橋設計為142+490+1 176+490+142=2 440 m兩層雙塔斜拉結構,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31.972 km,其中泰興段長22.382 km、常州段長9.59 km。橋梁采用懸臂拼裝工藝,共有節段3 500片,預制精度要求高,質量管控難度大,工期要求緊。因此采用短線法智能匹配調節技術。通過對節段梁預制新型智能匹配調節設備及系統的研究開發,對關鍵技術進行規范,節段梁預制實現高智能化、高匹配精度、高安全可靠性以及較好的施工質量,同時,提高匹配效率。

3.2 效益指標和技術特點

常泰大橋采用本技術進行匹配調節,與傳統方法比較,在質量、安全、工期等方面都具有極大的優勢。本工藝施工工期得到保證,效率提高。綜合降低設備使用費,同時工序銜接緊湊,降低人員等待損失,總體降低施工成本。常泰長江大橋施工,比較兩片相同的節段梁施工,分析和智能方法在效益方面的差異。經測算,常泰大橋通過智能匹配調節改造后,節約成本233萬元。

4 結論

短線法智能匹配施工技術通過數字化智能設備的使用,解決節段梁預制施工中長期未能解決的質量問題,如匹配精度低、匹配作業持續時間長、匹配人工費用大等。

該技術適用于節段梁智能匹配調節,有利于推廣人工智能技術在大型橋梁施工中的應用,有利于提高生產率、降低生產成本,對安全、質量、進度等方面控制也有顯著提高,對產業工人培養提供實踐基地,同時在環境保護方面也有長足發展,具有十分顯著的社會效益。

在環境保護方面,本技術較傳統方法占用土地資源少。由于在封閉區域施工,無揚塵和噪聲對場地外區域造成影響,產生的廢棄物少,產生的廢水處理方便。

在安全方面,本技術所用的設備安全等級高,無發生機械安全的風險,人員用量少,減少人員的自身傷害,確保施工安全。在節能降碳方面,總體能源消耗少。