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2012/6/19 9:55:12 有2635人阅读
浦东国际机场是本世纪上海最大的基础设施项目，机场航站楼那宛如海鸥展翅的巨型钢屋盖，造型新颖，气势恢宏。其中主楼和高架进厅的钢屋盖为连续三跨，东西横向跨度分别为80、42和48m；南北纵向长度412m，高30～39m；登机长廊为52m跨度的单跨，纵向长度1384m，高27m。钢屋盖的安装面积约16万m2，总重3.3万余t。
然而，在钢屋盖安装之前，航站楼的现浇混凝土多层框架结构已先期完成，安装钢屋盖时，起重机械无法进入跨内施工。经过多方案比较和优化组合，分别制定了主楼和高架进厅的“屋架节间地面拼装，柱梁屋盖跨端组合，区段整体纵向移位”、登机长廊的“地面组装、四机抬吊、高位负荷、远程吊运”的施工技术路线和相应的施工方案，使钢屋盖安装的施工难题得以迎刃而解。其中主楼和高架进厅的“区段整体纵向移位”这一关键工序，是由我们自行研制的计算机控制整体移位系统来实施的。整体移位系统的研究开发历时1年，又经过8个月的工程应用，顺利地完成施工任务。
1 整体移位基本原理
1.1 钢屋盖安装原理
主楼和高架进厅的钢屋盖分别由11个区段组成。区段是2～4个节间组成的独立的结构单元。按施工技术路线的规定，钢屋盖安装的工序是：①在地面上拼装屋架；②将屋架和柱、梁等吊到混凝土框架结构楼面的边端组合成屋盖区段；③将区段向楼面中央水平位移，一直移到它所处的位置，①、②工序采用的设备为300t级和150t级的履带式起重机各1台，以及160t*m的塔式起重机2台；③工序即用整体移位系统实施。3个工序可以平行施工。
1.2 钢屋盖区段整体移位原理
(1)在混凝土框架结构的楼面中央布置整体移位系统，将组合在南北两个边端的钢屋盖区段分别向中央牵引，使其依次到位合成。
(2)整体移位系统以集群的液压千斤顶为动力，以钢绞线承载，即液压千斤顶通过钢绞线来牵引钢屋盖区段。
(3)牵引点设在钢屋盖的柱脚根部，每跨2个。主楼钢屋盖采用两跨并行同时移位的方法，牵引点为4个。高架进厅是一跨，为保持不对称结构的稳定和负载均衡，移位时增设一套平衡机构，因此牵引点为3个。
(4)钢屋盖移位以滑道滑块为支承导向，即钢屋盖的钢柱以及滑块为脚掌，支撑在滑道上滑动移位。
(5)整体移位系统由计算机通过传感器实现闭环控制，以保证移位时钢屋盖结构稳定和施工质量，并提高施工作业的自动化程度和安全性。
2 控制要求
钢屋盖系统是采用大量拉索的刚柔结合体系；其屋架与托架梁的连接采取分段嵌入方式，在安装过程中难以及时形成整体强度；屋架的搁置又是非对称的高低形式，高端支承在向外倾斜度最大达26°的斜钢柱上，低端则是短直柱，高低端的顶部高差7～16m，根部高差却是-3～-14m，整个系统的重心远离中心线而偏向斜钢柱。因此，不仅整体移位施工，而且移位时钢屋盖的结构稳定都很难。施工中，除要求采取主楼两跨间设水平拉索以抵消两跨外侧斜钢柱的水平力、高架进厅屋架低端设平衡机构、所有柱脚间用临时拉杆连接、斜柱之间设临时拉索作柱间支撑等稳定措施外，对整体移位施工还应有平稳、同步、进度、安全等方面的控制要求。
2.1 平稳要求
(1)移位作业必须不停顿地连续进行，不能因液压千斤顶的伸缸、缩缸而一拉一停，为此要开发并应用液压千斤顶连续行程、连续作功的新技术。
(2)作业时尽可能恒速，尤其要控制启动、停车的加速度，并应具备多种调速功能。
(3)钢屋盖移位时应保持各牵引点的负载均衡，具有在异常情况下仍然维持均衡或报警的功能。
2.2 同步要求
钢屋盖移位时各牵引点必须同步移动，以保持合理的移位姿态，防止滑道滑块系统发生“卡轨”现象。为此，各牵引点与基准点的位移误差不应大于设计限定值。
2.3 进度要求
移位速度不低于5m/h。
2.4 安全要求
(1)较为完备的防止误操作和抗干扰措施。
(2)现场各种设施的保护措施。
(3)故障自动检测与诊断功能。
(4)基本上实行自动化作业，也要有安全可靠的手动控制功能。
3 开发目标
根据工程特点和控制要求，为完成钢屋盖安装工程，并进一步发展大型构件和设备的整体安装技术，在我公司近几年开发的整体提升技术和设备(见本刊1998年第4期“超大型钢结构整体提升计算机控制系统”)的基础上，提出如下开发目标：①将单一的垂直提升功能发展为可以水平牵引或顶推的全方位功能；②将液压千斤顶往复行程、间歇做功的作业特点，发展为可以不间歇地连续作业；③将作业对象的姿态、负载双目标控制，发展为姿态、负载、速度等多目标控制，辅之以综合平衡策略，并具有加速度控制、恒速控制，以及自动变速、无级调速等功能；④开发和应用智能化控制技术，增设系统自适应控制功能和故障自动诊断功能，提高设备的自动化程度和可靠性。
4 关键技术
4.1 机电一体化和柔性控制技术
为实现水平作业、垂直作业等全方位功能，并且能适应不同工况、不同规模的施工要求，同时也为了使系统集成完整、装拆运输方便，在整体移位系统的设计上采用机电一体化技术，通过结构模块化、连接电气化、控制软件化，在系统的集成、部件和功能等方面实现柔性化。
整体移位系统所有控制和作业机构均按模块化设计，彼此之间都以电缆连接，没有机械的传动、联锁等装置，因此系统的集成不是刚性的，而是柔性的，控制规模和能力可分可合、可扩展。
整体移位系统主要的控制面板、显示装置，以及部分控制元件(如继电器电路)，做到软件化或者是可编程的，因此是柔性的，其形式和内容是可以修正甚至改变的，尤其适用于开发、调试阶段。
整体移位系统所有控制逻辑和功能均以计算机软件实现，不仅在静态时是可变的，而且在系统运行时也可以自动、半自动或手动地修正或改变，甚至完全改变功能(例如由垂直提升改为水平移位)，因此系统功能也是柔性的，为实现系统的自适应控制和自动化运行，提供了技术基础。
4.2 电脑控制的液压连续作业技术
为使往复行程的液压千斤顶能够进行不间歇的连续作业，开发了多缸串联和群缸异步时序等技术。多缸串联技术是指每套牵引器由两个行程相反的油缸串接而成，运行时任一时刻总有一个缸在伸缸，因而通过双缸“接力”实现连续作业。通过编程还能改变液压行程的相位和时序，实现助推、加力等特殊功能。通过群缸异步时序，使各套牵引器的前后缸的“接力点”在时间上错开，避免了前后缸“接力”可能对运行稳定性造成的影响，有利于液压连续作业的恒速、平稳。
4.3 智能控制技术
为了实现整体移位系统的自适应控制和运行自动化，开发了模仿操作人员思维方式、基于专家经验之上的计算机两级控制、模糊控制、故障诊断和虚拟运行等智能控制技术。
(1)计算机两级控制技术 第1级控制是控制作业和作业对象的。第2级控制是代替操作人员来监控整体移位系统本身，主要作用是监视系统运行状态和作业情况，必要时修正或改变系统的控制参数、控制策略或控制算法，在异常情况时及时报警并自动转入适当的处理流程，直至紧急停机。因此，采用两级控制技术做到了运行自动化。
(2)模糊控制技术 在整体移位的偏差控制方面用模糊控制代替传统的PID控制。根据现场施工情况复杂、变数多等特点，对传感器采集的信息做“数值分区、时长分段、频次分级”的三维模糊化处理，并依据基于技术人员知识和操作经验的规则库和决策表进行判断和控制。
通过模糊控制，克服了传统控制难免的超调、欠调、惯性过大或灵敏过度等缺点，系统性能可以自动调整以适应实际工况，较好地实现了自适应功能。
(3)故障的自动检测，诊断与处理技术 实现故障自动检测、诊断与处理的关键是通过机电一体化设计，使移位系统各部分均受制于监督控制子系统，并采用基于专家知识的诊断逻辑，以及适当的处理策略。
(4)虚拟运行技术 研制若干能模仿液压作业系统和钢屋盖区段对控制系统作出响应的虚拟信号发生器，使控制系统脱开作业对象或液压系统时也能作闭环运转。这一技术可用于控制系统的静态闭环调试、控制流程演示、技术分析和技术培训等。
5 整体移位系统的构成
整体移位系统由液压子系统、计算机子系统、电气子系统、支承导向子系统及辅助子系统构成。
5.1 液压子系统
液压子系统由液压牵引器、液压泵站、钢绞线、反力架、平衡横梁等构成。液压牵引器由32台液压千斤顶和16套液压控制阀组构成8套液压牵引器，配置于8个牵引点(在牵引区南端和北端，又称A向和B向，各布置4点)。液压泵站共有4台，为8套牵引器提供动力。采用高强度低松弛钢绞线，共计250m×96根。反力架共为14套，液压牵引器安装在反力架上牵引钢屋盖。牵引平衡横梁共有10套，是钢绞线与钢屋盖柱脚的连接装置，以平衡每个牵引点左、右钢绞线的移位负载。
5.2 电气子系统
电气子系统由传感检测、液压驱动、安全联锁、配电电路等构成。
5.3 计算机子系统
计算机子系统由两级控制、4个模块组成。第1级控制为直接数字控制，对移位对象进行控制，由顺序控制模块、偏差控制模块、操作台控制模块组成。第2级为自动监督控制模块，模仿操作员对系统本身进行控制。
5.4 支承导向子系统
支承导向子系统主要是滑道滑块。滑道用20号槽钢铺设，共有200m长的滑道14根，其中主楼8根(A、B向各4根)、高架进厅6根(A、B向各3根)。钢屋盖移位的阻尼形式采取滑动摩擦，而不用滚动摩擦。这是因为钢屋盖移位到位后，滑块可以转化为钢柱的底座而无需拆除，免去二次拆装定位工作量，对工程进度和质量都较有利。
5.5 安全措施(见2.4节，安全要求)
6 工程实施情况
6.1 模拟实验
整体移位系统的研制调试完成后，1997年9～11月进行了模拟移位实验。
(1)以TQ60/80台车2台作为模拟屋架，分别加80t和60t配重作为移位负载，模拟主楼两跨同时移位的工况。
(2)设4个牵引点，每个牵引点使用一组牵引器。因负载小，故每组牵引器由2个千斤顶组成。
(3)实验内容包括：系统总调试；控制参数和控制算法的测试与修正；移位阻尼试验；移位加速度测试等。
通过模拟试验，验证了工程技术路线的正确性，掌握了移位阻尼、加速度等技术参数，也进一步改善了移位技术和设备，并对施工组织、通讯联络等作了试运转，为工程实施作好技术准备。
6.2 进场安装与空载试车
1998年1月，系统进入施工现场安装。2月下旬，经过严格的安全检查后，进行了空载试车。空载试车一次成功，试车的实际运转时间为1.5h，完成了所有调整、校验工作，达到最佳状态。
6.3 带载试运行
1998年2月28日，主楼钢屋盖的第1个空间节间的首次移位，作为系统的带载试运行，移位距离18m。虽然模拟试验时的一系列参数与实际工况差异很大，但是系统具有智能化的自适应功能，试运行开始后系统就自动进行动态调整。在偏差控制良好的前提下，在30min内千斤顶伸缸速度从1mm/s逐渐上升到2mm/s，使牵引速度达到预定目标值：5m/h，表明控制系统已适应实际工况。带载试运行3h多(扣除停机时间)，完成了18m的移位任务，由于试运行非常成功，移位技术方案和系统无需再做调整，接着就进入了正式移位阶段。
6.4 正式移位施工
主楼钢屋盖的移位于1998年2月28日～5月28日完成。高架进行钢屋盖的移位于1998年8月1日～10月23日完成。累计移位次数48次(其中14次是区段整体移位，34次是区段组装时的节间移位)，累计移位距离2200m左右，累计移位重量近2万t，系统累计运转400h左右(扣除停机时间)。
在施工过程中，由于控制系统的自适应调整功能，使系统性能和参数逐渐适合实际工况，动态调整量逐步减少，稳定运行时间比增大，因而系统能力上的“损失”减小，在控制效果良好的前提下使移位速度从5m/h上升到10m/h，最快达到12m/h，为设计目标值的240%，加快了施工进度。各牵引点与基准点的位移偏差和到位后的定位偏差均小于设计限定值，各项施工参数都符合设计要求，施工质量良好。
7 经济效益与社会效益
(1)采用计算机控制整体移位技术进行钢屋盖区段整体移位施工，避免了混凝土框架结构加固，节约施工费用1000万元以上。
(2)在整体移位技术的支持下，钢屋盖安装做到了“工厂化生产、流水式作业”，提高了生产效率，加快了工程进度，创造了月安装6700t钢结构的高速度。同时，后续工序可以平行施工，有利于总工期的顺利完成。
(3)整体移位技术和设备的开发与应用，也为企业的技术进步和市场开拓作出了贡献，同时也为我国大型构件和设备整体安装技术的发展作出了贡献。