技术领域
[0001] 本
发明涉及建筑工程的技术领域，尤其涉及一种基于形心跟踪和缝宽控制的预制装配式构件张拉方法。
背景技术
[0002] 预制拼装技术在地下结构应用中通常采用
橡胶密封垫作为拼装构件纵向和环向接缝的关键防
水材料。此种材料通常由一种非线性弹性材料构成，在拼装千斤顶张拉顶
力的作用下，可追随构件间接缝缝宽的变化而
变形，一方面可确保构件接缝间的防水
密封性能，另一方面为构件在拼装及完成阶段提供缓冲作用，从而避免因磕碰导致的构件开裂等
质量下降问题。
[0003] 预制装配式构件橡胶密封垫在拼装张拉过程中
接触并被压缩后，应尽量保证拼装构件间接缝宽度均匀，橡胶密封垫受到相同的压缩量，弹性反力值一致，橡胶密封垫的反力形心与其平面形心一致，从而保证拼装质量。但由于在拼装构件间接缝宽度由于各种因素往往是不均匀的，构件不同部位的橡胶密封垫弹性不同，弹性反力值也不相同，将出现橡胶密封垫的反力形心与平面形心不一致的情况。因此，需要通过对
螺栓孔位对应的张拉千斤顶的张拉力进行实时监测，并反算确定不同拼装状态下的橡胶密封垫的反力和反力形心，通过调整张拉千斤顶的张拉力，尽量保证橡胶密封垫的反力形心与平面开心重合，从而保证拼装质量。
[0004] 装配式构件拼装时，每一个构件都需要利用若干千斤顶进行多点张拉，为实现预制构件拼装过程中橡胶密封垫均匀受压，且尽量保证橡胶密封垫的反力形心与橡胶密封垫几何形心重合，保证拼装质量，需要建立一种预制装配式构件张拉方法，通过动态跟踪橡胶密封垫的反力形心
位置与橡胶密封垫几何形心位置的关系，确定若干张拉千斤顶下一时刻的张拉荷载，以逐步逼近装配式构件张拉的目标位置，并达到事先设定的接缝宽度且保证接缝宽度均匀。
[0005] 如图1A、图1B和图1C所示，前一组构件B-2的接触面4与待拼构件B-1的接触面5上各对称布置密封垫7、6，而两构件之间的接缝宽度受到多个穿过张拉孔1的千斤顶张拉力、密封垫的弹性反力和相邻构件及垫层滑动
摩擦力作用大小和位置的影响。在多组不同位置千斤顶张拉力的作用下，密封垫6、7受到
挤压，产生弹性反力，但是由于构件形状和密封垫6、7形状的不规则，多组千斤顶作用力的形心可能与密封垫几何形心不重合，使得密封垫产生的弹性反力形心也与其几何形心不重合，从而导致接缝各处密封垫压缩变形程度不一。
[0006] 为此，本发明的设计者有鉴于上述
缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种基于形心跟踪和缝宽控制的预制装配式构件张拉方法，以克服上述缺陷。
发明内容
[0007] 本发明的目的在于提供一种基于形心跟踪和缝宽控制的预制装配式构件张拉方法，其能实现预制构件张拉时，橡胶密封垫受到均匀压缩，接缝各处的缝宽相同，从而提高大型预制构件拼装
精度和预制装配式结构的建造质量。
[0008] 为解决上述问题，本发明公开了一种基于形心跟踪和缝宽控制的预制装配式构件张拉方法，其特征在于包括如下步骤：
[0009] 步骤一：建立橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集Ω以及螺栓孔位中心点坐标集Π；
[0010] 步骤二：分别计算得到橡胶密封垫几何形心和橡胶密封垫反力形心；
[0011] 步骤三：计算千斤顶张拉力形心；
[0012] 步骤四：基于缝宽控制进行预制装配式构件的张拉；
[0013] 步骤五：基于形心跟踪进行预制装配式构件张拉。
[0014] 其中：步骤二中由于橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集Ω的任何一点都代表了一个正方形的橡胶密封垫微段，各橡胶密封垫微段的长度与密封垫宽度λ等长，正方形的橡胶密封垫微段的面积均为A0＝λ2，对橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集Ω的所有点的坐标及面积对X轴、Y轴求面积距，从而计算橡胶密封垫的几何形心(X,Y)，几何形心(X,Y)在XOY平面的坐标通过公式1和2得到：
[0015]
[0016]
[0017] 其中：步骤二中待拼装预制构件与已拼装预制构件接触面完全接触后，在千斤顶张拉静止平衡状态下，通过对预制构件n个不同位置的接触面间的接缝宽度进行实时监测，获取n个待拼装预制构件与已拼装预制构件接触面的接缝宽度监测值Zi，其中i＝1,2,...,n，由于待拼装预制构件与已拼装预制构件接触面都存在两条形状完全一样的橡胶密封垫，且相同位置橡胶密封垫的压缩量一致，因此，橡胶密封垫的实际压缩量为橡胶密封垫的初始厚度Z0与实际接缝宽度实测值的1/2即 的减值，为 根据监测得到的n个橡胶密封垫的压缩量实测值，并在橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集Ω对应的同一平面
坐标系内建立面方程，并根据每一个点的坐标计算接缝宽度及其变形量，并按时间顺序建立动态
数据库ZS，对橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集Ω的所有点计算橡胶密封垫的弹性反力对所有点的弹性反力Fi对坐标系X轴，Y轴求力矩，根据合力力矩与微段力矩之和相等的原则，计算橡胶密封垫的反力形心(Xk,Yk)的坐标通过公式3和4得到：
[0018]
[0019]
[0020] 其中：步骤三中千斤顶张拉力的形心(XP,YP)，其坐标
算法为公式5和6：
[0021]
[0022]
[0023] 其中：步骤四中对每个千斤顶张拉点相对应的接缝宽度测量点进行实时监测，获取不同千斤顶张拉点对应的接缝宽度测量点的监测值，记为Zi，其中i＝1,2,...,n，设n个千斤顶张拉点对应n个接缝宽度测量点，设接缝宽度测量点最终控制目标值为Z0，采取多点协同张拉的方法，通过m次连续多次等值张拉的方法以达到最终控制目标，n个不同位置千斤顶张拉点每次张拉控制值为 其中i＝1,2,...,n，通过不同位置千斤顶张拉点1需要张拉的距离换算千斤顶张拉力，并控制液压控制中心的油压与油速。
[0024] 其中：预制构件千斤顶张拉孔位置的设计应满足以下原则：
[0025] ①一组构件仅设置一组千斤顶张拉孔时，张拉孔位应在橡胶密封垫几何形心位置；
[0026] ②一组构件设置两组千斤顶张拉孔时，张拉孔位应在橡胶密封垫几何形心两侧，且在同一条直线上；
[0027] ③一组构件设置三组及多组千斤顶张拉孔时，张拉孔位需围绕在橡胶密封垫几何形心位置四周布置。
[0028] 其中：步骤五中由于千斤顶作用大小和位置不同，使得千斤顶张拉力形心与橡胶密封垫几何形心不重合，从而导致密封垫压缩程度不一致，使得橡胶密封垫反力形心与橡胶密封垫几何形心也不重合，为达到橡胶密封垫反力形心与密封垫几何形心重合的目标，调整各组千斤顶张拉力，使千斤顶张拉力形心、橡胶密封垫反力形心以橡胶密封垫几何形心为中心相互对称，使橡胶密封垫反力形心产生逐渐向靠近密封垫几何形心的方向移动的趋势，使千斤顶张拉力形心也相应地调整到与橡胶密封垫反力形心位置对称。
[0029] 其中：步骤一中通过摄像设备拍摄橡胶密封垫所在构件平面，得到构件的图像，并经图像畸变和倾斜失真校正后，通过人工引导校正图像内信息，利用
图像识别技术识取图像中橡胶密封垫的骨架轮廓线，并对橡胶密封垫图像的骨架轮廓线的中心线和螺栓孔位中心点进行识别，选择图像中的任一点为原点建立坐标系，定义为XOY平面坐标系。
[0030] 通过上述内容可知，本发明的基于形心跟踪和缝宽控制的预制装配式构件张拉方法具有如下效果：
[0031] 1、实现预制构件拼装过程中橡胶密封垫均匀受压，接缝各处的缝宽相同，从而提高大型预制构件拼装精度和预制装配式结构的建造质量。
[0032] 2、基于形心跟踪和缝宽控制的预制装配式构件张拉方法能够提高拼装的效率。
[0033] 3、可应用在如
铁路和城市轨道交通车站、区间、出入口、
风道等装配式结构、大型地下空间开发装配式结构、地
下管线和综合管廊装配式结构、城市地下人行通道、地下行车隧道装配式结构、其他采用预制装配方式建造的类似工程，具有广泛的推广意义。
[0034] 本发明的详细内容可通过后述的说明及所
附图而得到。
附图说明
[0035] 图1A和图1B显示了本发明的基于形心跟踪和缝宽控制的预制装配式构件张拉方法的其中一种构件示意图。
[0036] 图1C显示了图1B中的部分放大示意图。
[0037] 图1D和图1E显示了图1B中关键轮廓信息以及密封垫局部放大后的压缩变形关系示意图。
[0038] 图2显示了用于密封垫反力计算的关键轮廓信息计算点集以及千斤顶作用力形心、密封垫反力形心和密封垫几何形心的位置关系示意图。
[0039] 图3显示了本发明的基于形心跟踪和缝宽控制的预制装配式构件张拉方法的原理示意图。
[0040] 图4A和图4B显示了本发明单孔千斤顶合理布置范围示意图。
[0041] 图5A和图5B显示了本发明双孔千斤顶合理布置范围示意图。
[0042] 图6A和图6B显示了本发明三孔及多孔千斤顶合理布置范围示意图。
[0043] 附图标记：
[0044] 107为橡胶密封垫中心线微段中心点；13为橡胶密封垫微段；1为千斤顶张拉点；8、9、10为接缝宽度测量点；11为橡胶密封垫几何形心；12为橡胶密封垫反力形心；14为千斤顶张拉力形心。
具体实施方式
[0045] 参见图1A至图6B，显示了本发明的基于形心跟踪和缝宽控制的预制装配式构件张拉方法。
[0046] 所述基于形心跟踪和缝宽控制的预制装配式构件张拉方法包括如下步骤：
[0047] 步骤一：确定橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集与构件螺栓孔位中心坐标集，其中，可通过图像信息识别橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集与构件螺栓孔位中心坐标集。
[0048] 具体而言，通过摄像设备拍摄橡胶密封垫所在构件B-2的平面，参见图1D和图1E得到构件的图像，并经图像畸变和倾斜失真校正后，通过人工引导校正图像内信息，利用图像识别技术识取图像中橡胶密封垫的骨架轮廓线，并对橡胶密封垫图像的骨架轮廓线3的中心线和螺栓孔位1的中心点进行识别，选择图像中的任一点为原点建立坐标系，为方便使用，可选择图像
角点作为坐标原点，建立二维平面坐标系，定义为XOY平面坐标系，参见图2所示。
[0049] 利用
图像处理技术建立橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集Ω107、螺栓孔位中心点坐标集Π101和构件结构外轮廓线点坐标集Γ103，并利用计算机数据库进行存储。若有两条或两条以上的橡胶密封垫，分别建立橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集，并利用计算机数据库进行存储。
[0050] 步骤二：得到橡胶密封垫几何形心和橡胶密封垫反力形心。
[0051] (1)计算橡胶密封垫几何形心，由于橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集Ω的任何一点都代表了一个正方形的橡胶密封垫微段，各橡胶密封垫微段的长度与密封垫宽度λ等长，正方形的橡胶密封垫微段的面积均为A0＝λ2。对橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集Ω的所有点的坐标及面积对X轴、Y轴求面积距，从而计算橡胶密封垫的几何形心K，微段中心点坐标集Ω有n个点，几何形心K在XOY平面的坐标通过公式1和2得到：
[0052]
[0053]
[0054] (2)计算橡胶密封垫反力形心，利用激光或其他测量技术对待拼装预制构件与已拼装预制构件接触面间的间距进行实时监测，当待拼装预制构件与已拼装预制构件接触面完全接触后，在千斤顶张拉静止平衡状态下，通过对预制构件n个不同位置的接触面间的接缝宽度进行实时监测，获取n个待拼装预制构件与已拼装预制构件接触面的接缝宽度监测值Zi，其中i＝1,2,...,n，由于待拼装预制构件与已拼装预制构件接触面都存在两条形状完全一样的橡胶密封垫，且相同位置橡胶密封垫的压缩量一致，因此，橡胶密封垫的实际压缩量为橡胶密封垫的初始厚度Z0与实际接缝宽度实测值的1/2即 的减值，为 根据监测得到的n个橡胶密封垫的压缩量实测值，并在橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集Ω对应的同一平面坐标系内建立面方程，并根据每一个点的坐标计算接缝宽度及其变形量，并按时间顺序建立动态数据库ZS，以便后续每一次张拉从数据库调取使用(也可通过在结构轮廓接缝处实际测出非共线三点位置的接缝宽度，确定密封垫的压缩平面，根据密封垫所在平面上(xi,yi)坐标位置信息与压缩平面上对应位置的相同的(xi,yi)坐标位置信息以及平面和压缩平面之间的夹角关系，按相似三角形法则反算确定每个密封垫中心线微段中心点(xi,yi)坐标对应的接缝宽度Zi值)。
[0055] 1)根据预制构件所采用的橡胶密封垫材料实验数据，建立橡胶密封垫在不同压缩量下对应的变形模量数量集Es，并利用计算机数据库进行存储。
[0056] 2)对橡胶密封垫中心线微段中心点坐标集Ω的所有点计算橡胶密封垫的弹性反力 对所有点的弹性反力Fi对坐标系X轴，Y轴求力矩，根据合力力矩与微段力矩之和相等的原则，计算橡胶密封垫的反力形心KF的坐标通过公式3和4得到：
[0057]
[0058]
[0059] 橡胶密封垫的反力形心是动态变化的，不同的张拉平衡状态下，橡胶密封垫的反力形心的坐标不同。
[0060] 步骤三：计算千斤顶张拉力形心。
[0061] 预制构件拼装时，一般为多点协同张拉且张拉力均不同，假设张拉点数量为n个，张拉点的张拉力记为Pi，其中i＝1,2,...,n。千斤顶张拉力的形心KP，其坐标算法为公式5和6：
[0062]
[0063]
[0064] 步骤四：基于缝宽控制进行预制装配式构件的张拉。
[0065] 参见图2，预制构件拼装时，对每个千斤顶张拉点3相对应的接缝宽度测量点4进行实时监测，获取不同千斤顶张拉点对应的接缝宽度测量点的监测值，记为Zi，其中i＝1,2,...,n，假设n个千斤顶张拉点对应n个接缝宽度测量点。假设接缝宽度测量点最终控制目标值为Z0，采取多点协同张拉的方法，通过m次连续多次等值张拉的方法以达到最终控制目标，n个不同位置千斤顶张拉点每次张拉控制值为 其中i＝1,2,...,n。通过不同位置千斤顶张拉点3需要张拉的距离换算千斤顶张拉力，并控制液压控制中心的油压与油速。
[0066] 另外，预制构件千斤顶张拉孔位置的设置应尽量满足以下原则：
[0067] ①一组构件仅设置一组千斤顶张拉孔时，张拉孔位应设计在橡胶密封垫几何形心位置，如图4A和图4B所示。
[0068] ②一组构件设置两组千斤顶张拉孔时，张拉孔位应设计在橡胶密封垫几何形心两侧，且在同一条直线上，如图5A和图5B所示。
[0069] ③一组构件设置三组及多组千斤顶张拉孔时，张拉孔位需围绕在橡胶密封垫几何形心位置四周布置，如图6A和图6B所示。
[0070] 步骤五：基于形心跟踪进行预制装配式构件张拉。
[0071] 预制构件的千斤顶张拉点与接缝宽度测量点的位置宜尽量靠近，但受各种因素制约，无法保证所有接缝宽度测量点都与千斤顶张拉点位置对应，通常需要利用测点实测数据来推算千斤顶张拉点的接缝宽度，因此基于缝宽控制的预制装配式构件张拉可能导致张拉质量与效率问题。这种情况下，可以采用基于形心跟踪的预制装配式构件张拉方法完成拼装张拉工作。
[0072] 如图3所示，由于千斤顶作用大小和位置不同，使得千斤顶张拉力形心14与橡胶密封垫几何形心12不重合，从而导致密封垫压缩程度不一致，使得橡胶密封垫反力形心11与橡胶密封垫几何形心12也不重合，为达到橡胶密封垫反力形心11与密封垫几何形心12重合的目标(在此状态下，密封垫各位置压缩厚度均一致，表示接缝各处缝宽一致，达到拼装理想状态。)可调整各组千斤顶张拉力，使千斤顶张拉力形心14、橡胶密封垫反力形心11以橡胶密封垫几何形心12为中心相互对称，如图中的a与a'所示位置，这样能使橡胶密封垫反力形心11产生沿11与14的连线aa'逐渐向靠近密封垫几何形心12的方向移动的趋势。当千斤顶张拉力调整后，橡胶密封垫的变形也随之变化，其反力形心11位置会产生相应变化至如b'处，通过调整千斤顶张拉力，使千斤顶张拉力形心14也相应地调整到与橡胶密封垫反力形心11位置对称的b处。通过重复上述形心跟踪的方法，橡胶密封垫反力形心11不断沿a'→b'→c'→d'逼近橡胶密封垫几何形心12位置，千斤顶张拉力形心14也不断随着密封垫反力形心11位置的变化，不断沿a→b→c→d逼近密封垫几何形心12位置，最终实现千斤顶张拉力形心14、密封垫反力形心11和密封垫几何形心12三心重合，密封垫各处压缩程度一致，构件拼接完成时，各接缝宽度相等。
[0073] 在构件拼装过程中，根据步骤二和步骤三的算法实时计算橡胶密封垫的几何形心12、反力形心11以及千斤顶张拉力形心14的坐标。通过对密封垫的几何形心12、反力形心11以及千斤顶张拉力形心14的坐标进行比对，需要保障反力形心11和千斤顶张拉力形心14的坐标分布在密封垫的几何形心12的两侧，一旦反力形心11和千斤顶张拉力形心14的坐标分布在密封垫的几何形心12的同侧，可通过
计算机程序自动提醒，通过程序自动优化调整或人工调整，以保证能够准确且高质量地完成拼装。
[0074] 由此，本发明的优点在于：
[0075] 1、实现预制构件拼装过程中橡胶密封垫均匀受压，接缝各处的缝宽相同，从而提高大型预制构件拼装精度和预制装配式结构的建造质量。
[0076] 2、基于形心跟踪和缝宽控制的预制装配式构件张拉方法能够提高拼装的效率。
[0077] 3、可应用在如铁路和城市轨道交通车站、区间、出入口、风道等装配式结构、大型地下空间开发装配式结构、地下管线和综合管廊装配式结构、城市地下人行通道、地下行车隧道装配式结构、其他采用预制装配方式建造的类似工程，具有广泛的推广意义。
[0078] 显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在
实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的
说明书和所附的
权利要求的任何实施例。
