同步顶升技术

2 同步顶升控制技术

2.1 同步顶升控制技术的历史发展

同步顶升控制技术或称同步移位控制技术，最早源于大型设备与建筑物移位（顶升、平移），建筑物平移在国外最早开始于20世纪的20年代，尤其在欧美国家应用较多。世界上第一座建筑整体平移工程是位于新西兰新普利茅斯市的一所一层农宅，使用蒸汽机车作为牵引装置（图2-1）。现代整体平移技术始于20世纪初。1901年美国依阿华大学将重约60000kN三层高的科学馆进行了整体平移（2-2），在移动过程中，为了绕过另一栋楼，采用了转向技术，这一技术在当

图2-1蒸汽机牵引农宅平移图2-2 依阿华大学科学馆平移

时的土木工程界引起了极大的兴趣和广泛的评论。1982年，英国伯明翰的一所会计事务所，由于超市扩建，被移至8.05km以外的地方。1983年英国兰开夏郡Warrington市对一座历史悠久的学校建筑进行了整体平移。1998年，美国的一所豪华别墅，建筑面积约1100m2，从波卡罗顿长途跋涉100多英里到皮斯城，这个移位工程的特殊之处在于这座别墅行进中必须要经过一条运河，在这一段路程上采用一艘特殊的船体作为运输工具（图2-3）。1999年1月25日美国明尼苏达州Minneapolis市对Shubern剧院进行了平移。1999年6月美国卡罗莱纳州为了使Hatteras角海水的一座灯塔不再遭受海水侵蚀，将其移至487.7m外的地方。1999年9月16日至19日，丹麦哥本哈根飞机场由于扩建需要而将候机厅从机

场一端移至另一端[23]（图2-4）。

图2-3 水上移位图2-4 哥本哈根飞机场平移

2.2 同步顶升控制技术在现代工程应用

大型建（构）筑物顶升平移技术在国外应用很多，如图2-5所示的法国米劳大桥的建造。米劳大桥是世界上最高的大桥，高达343米，桥面宽27.35米，长2460米，总重36000吨，国内有关专家曾经形象地说：“这几乎就是在比东方明珠矮一点的高空建造一段长2公里的高架道路”。在这个桥梁的下面是法国米劳附近一条深深的山谷，在如此高的位置上进行规模如此大的施工建设对人类本身也是一个极大的挑战。美国实用动力集团公司ENERPAC欧洲工程中心解决了大桥建造中的技术难题，一方面采用计算机控制同步顶升系统辅助桥墩建造，帮助桥墩长高到77米到245米不等；另一方面采用特殊设计的计算机控制超高压液压平移系统，解决大桥总重36000吨的钢结构桥面平移就位难题。

图2-5 法国米劳大桥

希腊雅典的奥林匹克体育场的悬浮屋顶，面积约1万平方米，由玻璃和金属

构成，将悬挂在两根80米高，直径3.5米，长304米的柱梁下面。施工中最大的难点是如何使巨大的屋顶与梁柱准确就位。最终的解决方案为采用两个液压泵站、八个双作用拉式油缸组成的两套PLC控制滑行导向液压系统。以85mm/min 的速度将有完全钢结构加固的建筑屋顶及柱梁沿着镀有聚四氟乙烯的滑道水平移动70m，最终精度控制在±2mm。如图2-6所示。

图2-6 希腊雅典奥林匹克体育场梁柱就位施工

上海音乐厅建于1930年，原名南京大戏院，具有欧洲古典主义风格的建筑，被誉为“上海的巴黎歌剧院”。其自然音响之佳，既得到建筑学专家的首肯，更为众多的中外艺术家认同。由于建筑物已趋高龄加上结构的复杂性等原因使得上海音乐厅平移工程成为上海乃至全国规模最大、技术最复杂的一次古建筑平移工程。实用动力针对音乐厅工程开发了一套具有四组共60个高精度顶升点的计算机控制同步顶升和顶推系统，将建筑物同步顶升至预定高度，然后依靠有姿态控制能力的四路同步顶推系统，将建筑物推移至需要位置。

国家体育场为2008北京奥运会主体育场，如图2-7所示，主体钢结构采用

78个临时支撑点“分段高空散装”的安装方法，在主体钢结构和立面次结构安装完毕、整体合拢后，进行支撑塔架的卸载工作，实现由支撑塔架承重向钢结构自身承重状态的转换。支撑塔架的卸载是钢结构施工的关键环节，卸载实施的成败直接关系到整体钢结构的安全和成败。国家体育场总用钢量吨位大，其中高空散装的主桁架吨位约11200吨，顶部施工总面积约20000平方米，总卸载吨位达14000吨。临时支撑的78个点需要整体同步等比卸载，且78个支撑各点因为总位移不一致，同比卸载量变化大。ENERPAC公司为该工程设计了一整套精确可靠的计算机同步卸载设备，整套设备由55套实用动力专用液压泵提供动力源，由一个中央控制器，十个区域控制器通过中央处理器和信号传输系统向156个大吨位ENERPAC双作用油缸发出指令，完成载荷转移步骤。根据卸载点相对于主结构内外的分布关系，将78个卸载点定义位外、中、内三圈（如图2-8）。卸载按照“结构整体分级同步卸载、严格进行比例控制”进行，以位移控制为主、反力控制为辅[24]。

图2-7 鸟巢钢结构卸载现场图2-8卸载点分组

葛洲坝下闸首人字闸门，其高达34m，宽19.7m，厚2.7m，每扇门叶有11层楼高，质量达600t。由于闸门在高压（闸门两侧水压差）、高强度（闸门开启频繁）、大作用力（闸门本身质量大，轴承受力大）、腐蚀性（水的作用）的复杂环境下工作，每两年的时间就需要对闸门进行彻底的检查和维修。为保证维修操作过程中的精度和稳定性采用PLC控制的液压同步顶升系统，对闸门进行移位

控制。葛洲坝现场使用数据显示各控制点同步偏差不超过0.02mm，人字门的移位精确[25]。

除此以外，同步顶升控制技术在桥梁顶升、大型设备与结构吊装、大型设备位移中也有广泛应用。

2.3 同步顶升控制系统的技术要求

综观同步顶升控制技术在大型建筑物顶升、平移及大型设备结构的位移中的应用，同步顶升控制装备应具备如下特点：

（1）能够提供足够的承载能力，国外均采用液压系统。液压系统具有功率密度高、易于实现直线运动和获得大推力、大力矩、可实现无级变速、速度刚性大、防止过载容易等突出优点[26、27]，同时随着各种标准的不断制订和完善及各类元件的标准化、系列化和通用化，使得液压系统得到广泛应用。尤其是电液控制技术的出现，电液技术的融合，使控制精度不断提高，元件体积的不断减小，更进一步推动了液压系统的应用发展[28]。

（2）既具有协调多点运动关系的整体控制能力，又能采用各种先进的控制算法分别对各点处的执行机构进行控制，并能自行解决在工程实际中遇到的各种不确定因素，避免对建筑物造成损害，达到施工要求的智能型自动控制设备。采用分布式控制系统是一种必然的选择。

基于分布式控制液压系统的建筑物顶升、平移工程装备具有如下几方面的要求：

（1）分散布置

建筑物一般体积庞大，要对其进行顶升，工程装备执行机构必须满足分散布置的特点，使大型液压缸能够分散布置在建筑物下任意指定的顶升点。

（2）集中操作

分散布置在大范围内的液压缸执行机构，不能要求操作人员去现场对每个液压缸进行直接控制，那样将需要大量的人员，且需考虑安全问题。操作人员应能在中央控制室内对液压缸进行操作，且能检测现场各液压缸的工作参数。

（3）同步升降

由于建筑物质量分布不均，分散布置在建筑物下的顶升液压缸受力也不相同，该系统应能保证各顶升液压缸出力不均的情况下同步升降，避免在升降过程