上海音乐厅顶升和平移工程的液压同步系统
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上海音乐厅顶升和平移工程的液压同步系统
吴定安
6 美国实用动力上海有限公司8上海 (//*4*7
摘 要 # 本文以上海音乐厅的平移为例 ! 介绍了顶升和平移工程的液压同步系统 " 该系统建立在力和位移双闭环控制的基础 上 ! 由 !" 个高压液压缸精确地按照各点建筑的实际荷重 ! 平稳地顶举建筑物 ! 使顶升过程中建筑物的内应力下降到最低 ! 并 使顶升 # 平移过程中由于建筑物重量分布不均而造成的基础沉降大部分得到抵消 " 关键词 # 建筑物 % 平移 % 顶升 % 力 % 位移 % 闭环控制 % 液压系统 % 同步 中图分类号 #9:*4$;&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 文献标识码 #<&&!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 文章编号 #*//"=/"*4 &(//! ’/*>//(!?/4
上海音乐厅整体刚性较差 $ 重量分布不均 % 舞台部 分的柱子 ! 长细比大 ! 中间无拉结 ! 是强度 $ 刚度最差的 部分 " 观众厅内无柱少梁 !大面积的空旷结构极易在顶 升 $ 平移时变形 " 检测发现屋架上的 (1 $$2 东上弦 木 $%3 西上弦木 $45 东下弦木已有开裂现象 " 上海音乐厅是混合结构 ! 基础复杂 ! 采用了现浇钢 筋混凝土单柱 $ 多柱独立基础及现浇钢筋混凝土箱型 基础 " 建筑物整体刚性差 ! 抬升建筑的支点不能太少 ! 经再三压缩实际仍用了 )+ 个 6图 *7 "
图#
" 液压控制系统
为了实现多点施力同步顶升的技术要求 ! 选用三 油口减压阀作主要控制元件 " 液压系统原理如图 A" 减 压阀的输出压力 BC&0 等于减压阀手柄调定压力 BD 与泄 油口背压 BE 之和 " 同时 ! 采用一只比例阀和一只压力传 感器组成快速闭环调压回路 ! 调节泄油口压力 BE! 使每 一只减压阀变成了手动和自动双重受控的元件 " 这里 泄油控制压力 BE 可表示为平均控制压力 BEC 与增量控 制 压 力 !B 之 和 ! 通 过 调 节 减 压 阀 手 柄 ! 使 BDFBECGBH! 这里 !BH 是某一顶升点建筑物的实际荷重压力 ! 那么只 要通过比例伺服阀调节控制压力 BE! 当使 !BI:< 时 ! 建 筑便会抬升 ’ 当使 !BJ:< 时 ! 建筑物便会回落 ’ 而当
+,%" 为了提高 +,% 的闭环稳定性 !在 +,% 供油回路接 有蓄能器 -." 方向阀 /,% 用于强制收缸 " 油源采用自
动卸荷回路 ! 以节省能耗 " 这样的顶升系统一共四套 ! 可以组成四点位置闭环 " 图 0 是顶升系统的组成示意图 " 顶升施工的第一 步是建筑物的称重1 通过调节减压阀的出口油压 2345! 缓 慢地分别调节每一个液压缸的推力 !使建筑抬升 ! 当建 筑物与原地基刚发生分离时 ! 液压缸的推力 ! 就是建筑 物在这一点的重量6 称出建筑物的各顶升点的荷重 !并 把减压阀的手轮全部固定在 2/723458293 的位置 ! 便可转 入闭环顶升 !依靠位置闭环 !建筑物可以高精度地按控 制指令被升降或悬停在任何位置 "
整个工程的难点是如何在顶升 $ 平 移过程中确保古建筑的安全 " 古建筑强 度差 ! 长距离平移中地基沉降不均 ! 平 移定位精度高 ! 这三个困难是以往建筑 平移中从未遇到过的 "
收稿日期 #(//4-*(-*) 作者简介 # 吴定安 ! 男 ! 美国实用动力上海有限公司总工程师 " 图!
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液压气动与密封 !"#$% 年第 & 期
"BR<+ 抬升 #B+G+< 悬停
图"
音乐厅新址已在地下扩建了地下车库 & 空调机房 等辅助地下建筑 ! 原音乐厅移至新址后 ! 必须使新老建 筑结构的梁柱准确对接 ! 因此平移中要使建筑物的姿 态 ! 始终处于受控状态 ! 最后精确地一次到位 ! 这又大 大增加了工程的难度 "
$BS< 回落
! 顶升 !平移方案
针对上述特点 ! 提出了一种力和位移综合控制的 顶升方案 ! 这种力和位移综合控制方法 ! 建立在力和位 移双闭环的控制基础上 " 由 ?@ 个高压液压缸 ! 精确地 按照各点建筑的实际荷重 ! 平稳地顶举建筑物 ! 使顶升 过程中建筑物受到的内应力下降至最低 ! 同时 ?@ 个液 压缸根据分布位置分成四组 ! 与建筑物四角的位移传 感器组成位置闭环 ! 以便控制建筑物顶升的位移和姿 态 ! 这样 ! 顶升 & 平移过程中由于建筑物重量分布不均 而造成的基础沉降 ! 可被大部分抵消 "
图"
# 结束语
作为一项高水平 # 高科技的顶升 # 平移工 程 ! 施 工 装备的作用功不可没 ! 工程的关键技术 ! 正是通过设备 的技术方案和制造水平体现出来的 " 据悉 ! 像上海音乐 厅这样大型 # 复杂的平移工程在世界建筑史上也很少 见 " 带有传奇色彩的上海音乐厅顶升 # 平移工程 # 必将 为世界建筑史添上精彩的一笔 "
! 计算机控制系统
无论是顶升过程还是顶推过程 !整个操纵控制 !都 通过操纵台实现 ! 操纵台全部采用计算机控制 ! 通过工 业总线 ! 施工过程中的位移 #载荷等信息 ! 被实时直观 地显示在控制室的彩色大屏幕上 !使人一目了然 ! 施工 的各种信息被实时记录在计算机中 !长期保存 " 由于 实现了实时监控 ! 工程的安全性和可靠性得到保证 !施 工的条件也大大改善 " 图 : 为顶升系统的计算机控制
Fra Baidu bibliotek图$
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液压气动与密封 !"#$% 年第 & 期
:@ABCDEFG;H@IGJBKIKDH;H@H0L’;MF0JFI;0JL;NCGO&DP& CIA&0BCIHEC0FKI&PBKNLG0&FI&0JL&QJCIRJCF&SKIGLB0
TU&VFIR-CI &,G0DCI0&SJFIC&W0A#8&QJCIRJCF&(//*4*8&SJFIC ’
图 = 是本次音乐厅顶升实际使用 的 液 压 系 统 图 " 在液压缸承载腔 ! 接有液控单向阀 ,ELM 当外控电磁阀
DL; 失电时 ! 液控单向阀便会关闭 ! 防止停泵时建筑物 回落 " 在每一个顶升点的下腔接有减压阀 NL! 根据实 测到的各点荷重压力 BH! 将减压阀的零背压出口压力 B< 调 至 比 实 际 荷 重 压 力 低 ;8<+ O,4 " 即 B7 PBH Q;8<+ O,% " 从图 = 可知 !当比例伺服阀的出口压力 BE 为 ;8<+ O,% 时 ! 顶升缸的总推力与建筑物的自重平衡 ! 当 BE 在 ;8<+O,% 左右变化时 ! 便可控制建筑物起落 " 于是由 9? 个减压阀 NL& 一个比例伺服阀 3L9& 一个压力传感 器 ,3E 组成的力闭环回路 !就将 9? 个顶升液压缸变成
音乐厅平移距离长 ! 自延安东路龙门路口推移至 宁海路龙门路口 !总长 >>8=>:/" 由于滑道长 !软土地基 上的滑道在建筑物的重压下不可避免会产生变形 !这 种变形 ! 如果得不到补偿 ! 必然造成建筑物开裂 #图 ; $%
图!
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BE 变化范围过大 ! 造成举升过快 ! 减 压 阀 ,NL 将 主 回
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路 的 油 压 降 至 !"# $%#&#’ ()* 后 ! 供 给 比 例 伺 服 阀
框图 " 顶推控制系统为传统的位置闭环系统 " 图 ; 为顶升 # 顶推系统的计算机组态框图 ! 由于设 备分布分散 ! 控制 # 检测点多 ! 本控制系统采用了工控 网络 ! 检测和操纵信号 ! 通过总线传至控制室 !< 个顶升 子站和一个顶推子站各由西门子控制器 +;8.%<=)> 组 成 ! 主控制器由西门子 +;8?%0/) 构成 ! 主站与子站 之 间使用 )-@ABC>+ 工控总线连接 ! 在 )D= 控制系统上 另挂接有工控机 ! 以便记录和监视顶升 # 顶推全过程的 参数变化 "
上海音乐厅长 !"#$%&’! 宽 ($#)%&’ ! 层高 (*&’ ! 三 层 ! 局部四层 " 外墙采用了汰石子和红釉砖清水墙面 ! 建筑物总体上以欧洲传统风格为主 ! 结构上为混合结 构 " 进门门厅正中设大旋梯 !转向两面 ! 前为走马廊 !后 为休息厅 !四周有 *% 根奥尔尼式圆柱 ! 气势恢弘 " 观众 厅平面为钟形 ! 穹顶较高 ! 观众厅内采用柱式装饰和古 希腊花饰 !色彩淡雅庄重 " 上海音乐厅有着世界级的音响效果 ! 是上海的近 代优秀建筑 " 在 *+"+ 年被公布为上海市优秀近代建筑 保护单位 ! 市级文物保护建筑 ! 编号 ,-
.-/*(! 保 护 级 别 为 二 级 ! 保 护 要 求 为
二类 " 为满足上海市政改造工程和文 物保护的需要 ! 重约 )"//&0 的上海音乐 厅要被整体搬迁并向上抬升 " 整个工程 分三个阶段 # 首先原地顶升 *#$&’! 然后 平移 %%#!%&’! 最后再次顶升 *#%"&’"
! 工程施工难点
了一组比例受控组件 ! 这个组件与外部的位移传感器 构成位置闭环后 ! 便可实现精确的位置控制 " 为了避免
!BK< 时 ! 建筑物便可处于悬停状态 ! 依靠位移传感器
进行反馈 ! 就可实现多点力控制的位置闭环控制 "
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吴定安
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上海音乐厅整体刚性较差 $ 重量分布不均 % 舞台部 分的柱子 ! 长细比大 ! 中间无拉结 ! 是强度 $ 刚度最差的 部分 " 观众厅内无柱少梁 !大面积的空旷结构极易在顶 升 $ 平移时变形 " 检测发现屋架上的 (1 $$2 东上弦 木 $%3 西上弦木 $45 东下弦木已有开裂现象 " 上海音乐厅是混合结构 ! 基础复杂 ! 采用了现浇钢 筋混凝土单柱 $ 多柱独立基础及现浇钢筋混凝土箱型 基础 " 建筑物整体刚性差 ! 抬升建筑的支点不能太少 ! 经再三压缩实际仍用了 )+ 个 6图 *7 "
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" 液压控制系统
为了实现多点施力同步顶升的技术要求 ! 选用三 油口减压阀作主要控制元件 " 液压系统原理如图 A" 减 压阀的输出压力 BC&0 等于减压阀手柄调定压力 BD 与泄 油口背压 BE 之和 " 同时 ! 采用一只比例阀和一只压力传 感器组成快速闭环调压回路 ! 调节泄油口压力 BE! 使每 一只减压阀变成了手动和自动双重受控的元件 " 这里 泄油控制压力 BE 可表示为平均控制压力 BEC 与增量控 制 压 力 !B 之 和 ! 通 过 调 节 减 压 阀 手 柄 ! 使 BDFBECGBH! 这里 !BH 是某一顶升点建筑物的实际荷重压力 ! 那么只 要通过比例伺服阀调节控制压力 BE! 当使 !BI:< 时 ! 建 筑便会抬升 ’ 当使 !BJ:< 时 ! 建筑物便会回落 ’ 而当
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整个工程的难点是如何在顶升 $ 平 移过程中确保古建筑的安全 " 古建筑强 度差 ! 长距离平移中地基沉降不均 ! 平 移定位精度高 ! 这三个困难是以往建筑 平移中从未遇到过的 "
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音乐厅新址已在地下扩建了地下车库 & 空调机房 等辅助地下建筑 ! 原音乐厅移至新址后 ! 必须使新老建 筑结构的梁柱准确对接 ! 因此平移中要使建筑物的姿 态 ! 始终处于受控状态 ! 最后精确地一次到位 ! 这又大 大增加了工程的难度 "
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! 顶升 !平移方案
针对上述特点 ! 提出了一种力和位移综合控制的 顶升方案 ! 这种力和位移综合控制方法 ! 建立在力和位 移双闭环的控制基础上 " 由 ?@ 个高压液压缸 ! 精确地 按照各点建筑的实际荷重 ! 平稳地顶举建筑物 ! 使顶升 过程中建筑物受到的内应力下降至最低 ! 同时 ?@ 个液 压缸根据分布位置分成四组 ! 与建筑物四角的位移传 感器组成位置闭环 ! 以便控制建筑物顶升的位移和姿 态 ! 这样 ! 顶升 & 平移过程中由于建筑物重量分布不均 而造成的基础沉降 ! 可被大部分抵消 "
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! 计算机控制系统
无论是顶升过程还是顶推过程 !整个操纵控制 !都 通过操纵台实现 ! 操纵台全部采用计算机控制 ! 通过工 业总线 ! 施工过程中的位移 #载荷等信息 ! 被实时直观 地显示在控制室的彩色大屏幕上 !使人一目了然 ! 施工 的各种信息被实时记录在计算机中 !长期保存 " 由于 实现了实时监控 ! 工程的安全性和可靠性得到保证 !施 工的条件也大大改善 " 图 : 为顶升系统的计算机控制
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