高桩码头PHC桩水上沉桩用组合式导向定位装置及施工方法与流程

本发明涉及水上沉桩施工。更具体地说，本发明涉及一种高桩码头phc桩水上沉桩用组合式导向定位装置及施工方法。

背景技术：

1、高桩码头是港口工程中常见的结构形式，其基础通常采用phc桩（预应力高强混凝土管桩）。在水上沉桩施工中，由于风浪、水流等外部环境因素的干扰，以及地质条件的复杂性，phc桩的沉桩精度和桩身质量控制是施工中的关键技术难题。

2、现有的水上沉桩导向定位装置主要包括拆卸式导向装置、固定式导向装置和骑跨式导向装置等类型。其中，拆卸式导向装置主要适用于波浪条件较好的水域和陆域施工，但其需配合辅助桩使用，效率不高，且在深水高流速的河流及风浪条件恶劣的海域，辅助桩受水流力或波浪力影响会产生晃动，定位精度难以保证；而固定式导向装置一般与打桩船装配使用，但其适用范围受打桩船影响，施工效率不高且难以适应恶劣海况条件；骑跨式导向装置虽然无需单独施工支撑桩且定位较快，但为悬臂结构，单次定位桩位数量较少，当工程桩受水流力或波浪力影响产生晃动时，同样难以保证定位精度。

3、在现有的导向架结构中，通常为体积重量较大的钢桁架式导向架，通过定位桩以牛腿或抱箍等方式进行固定。这种导向架为悬空结构，受力主要依靠钢桁架或钢梁的自身强度及刚度，在结构设计时需要进行复杂的受力计算，对设计人员的素质要求较高，同时，钢桁架或钢梁形式的导向架用钢量大，制作成本较高，制作周期较长，且安装时对吊装设备及人员要求较高，移动安装时间较长。

4、此外，在龙口导向架的设计方面，现有技术中通常在龙口内部设置橡胶护舷或滚轮装置，以减少桩体与导向结构的摩擦阻力，但这种被动导向方式在沉桩过程中无法根据桩身的实际姿态和约束状态进行自适应调节，当桩身受到不均匀的侧向力时，容易产生垂直度偏差，甚至导致桩身开裂。

5、因此，亟需一种能够实时感知桩身约束状态、自动调节约束力分布的水上沉桩导向定位装置及方法，以提高沉桩精度和桩身质量。 技术实现要素：

6、本发明的一个目的是提供了一种高桩码头phc桩水上沉桩用组合式导向定位施工方法，包括以下步骤：

7、s1、在待沉入的phc桩外围安装包括多个独立的微调机构的导向装置，并使各微调机构与phc桩的外壁接触，形成多点柔性约束；

8、s2、沉桩过程中，通过闭环控制系统，持续执行以下约束自动调节过程：

9、s2a、在各微调机构上安装的振动传感器和力传感器，被动采集phc桩在沉桩锤击或振动作用下产生的被动振动响应信号，被动振动响应信号包括各微调机构接触点处的力响应与位移响应；同时，在phc桩桩身安装加速度传感器，采集桩身的被动整体振动模态响应；

10、2b、基于力响应与位移响应，实时辨识出每个微调机构与phc桩接触点的当前局部动态刚度值ki，其中i为微调机构编号，并基于整体振动模态响应，识别桩身当前的弯曲模态与扭转模态参数，生成表征桩身约束均匀性的模态阻尼比指标zm；

11、2c、计算当前所有局部动态刚度值的平均刚度值kavg，并确定每个ki与kavg的刚度偏差δki，并确定模态阻尼比指标zm与预设的最佳阻尼比z0之间的模态偏差δz；

12、2d、当最大绝对偏差max(|δki|)＞第一预设阈值t1，或模态偏差δz大于模态阈值tz时，启动联合优化调整过程:

13、根据所有微调机构的δki、δz，通过预训练的约束力优化模型，生成针对所有微调机构的调整指令向量δp，其中δp=[δp1,δp2,...,δpn]t，其中，n为微调机构的总数量，t为矩阵转置符号，表示此数组为竖向排列的列向量，调整指令向量用于同时最小化刚度分布的不均匀性；

14、执行调整指令后，等待控制单元响应周期，再次被动采集振动响应信号

15、并同步更新ki和zm，重复上述2a~2d的过程，进行迭代，直至max(|δki|)＜第二预设阈值t2，且δz＜模态收敛阈值tzc，其中t2＜t1，tzc＜tz，完成phc桩在导向装置内的约束状态全局最优联合均衡化；

16、s3、维持约束刚度均衡化后的导向装置状态，继续进行phc桩的沉桩作业。

17、优选的是，步骤s2d中生成调整指令向量δp的具体步骤包括：

18、对于每个微调机构，其调整量δpi根据该点的刚度偏差δki通过预存储的线性或分段线性控制律计算：δpi=α×δki，其中α为预设的比例系数，比例系数根据导向装置的机械特性和液压系统响应特性预先标定；

19、构建模态阻尼补偿逻辑：当模态偏差δz大于模态阈值tz时，对所有微调机构施加一个统一的附加调整量δpmode=β×δz，其中β为预设的模态补偿系数，用于整体调节约束刚度水平以优化模态阻尼特性；

20、将刚度均衡调整量与模态补偿调整量叠加，得到每个微调机构的最终调整指令δpi=α×δki+β×δz/n，其中n为微调机构总数，确保模态补偿指令均匀分配至所有微调机构。

21、优选的是，被动振动响应信号的采集时机根据沉桩锤击或振动的间歇期进行同步触发：

22、当检测到沉桩锤击或振动设备的停机间歇期时，控制单元触发一次被动振动响应信号的采集与处理；

23、每次采集窗口的时长固定为预设值ta，确保采集到的信号长度足以满足模态参数识别的频率分辨率要求。

24、优选的是，步骤2b中实时辨识出局部动态刚度值ki的方法为：

25、对采集到的力响应与位移响应进行快速傅里叶变换，得到频响函数h(ω)；

26、提取频响函数h(ω)在预设特征频率ω0处的幅值，作为该微调机构的所述局部动态刚度值ki，其中ki=|f(ω0)/x(ω0)|，f(ω0)为力响应频谱在ω0处的幅值，x(ω0)为位移响应频谱在ω0处的幅值。

27、优选的是，在闭环控制过程中，控制单元还监测各微调机构接触压力的变化率dp/dt，若任一微调机构的变化率dp/dt超过预设的突变阈值rmax，则控制单元立即暂停当前的差异化调整，并触发紧急缓冲模式，控制所有微调机构同步降低接触压力至安全水平，待变化率dp/dt恢复至正常范围后，再恢复闭环控制过程。

28、优选的是，在闭环控制过程中，控制单元还执行传感器自检步骤：

29、当检测到某个微调机构上的力传感器或位移传感器信号异常时，则控制单元将该微调机构标记为失效单元，并基于与该失效单元相邻的微调机构的局部动态刚度值ki，并估算出替代刚度值k，以替代所述失效单元的ki参与均衡评估与差异化调整。

30、优选的是，通过以下步骤估算替代刚度值k：

31、以被标记为失效单元的微调机构为中心，确定其圆周方向上左右各相邻的m个正常工作的微调机构，m为预设的正整数，形成一个由2m个参照微调机构组成的局部插值区域；

32、从局部插值区域中，获取每个参照微调机构当前稳定的局部动态刚度值kj，及其与失效单元之间的圆心角θj，其中j为参照微调机构编号，j=1,2,...,2m；

33、若存在任意一个其圆心角θj为零的参照微调机构，则将替代刚度值k直接赋值为该参照微调机构的局部动态刚度值kj；否则，按计算，其中，wj=1/θj；

34、将所述替代刚度值k赋值给失效单元，作为其局部动态刚度值kj，并保持失效单元的标记状态，在后续迭代中持续使用替代刚度值，直至传感器信号恢复正常或人工干预。

35、优选的是，在步骤s2d的迭代过程中，控制单元还执行以下迭代稳定性控制步骤：

36、计算当前迭代步的调整指令向量δp(t)与前一次迭代步的调整指令向量δp(t-1)之间的指令偏差向量δp(t)=δp(t)-δp(t-1)；

37、计算指令偏差向量δp(t)的无穷范数||δp(t)||∞，并将其与预设的震荡检测阈值tosc进行比较：

38、当||δp(t)||∞≥tosc时，则判定当前迭代过程存在震荡趋势；

39、当||δp(t)||∞

40、当判定存在震荡趋势时，控制单元触发迭代阻尼机制：

41、对当前迭代步生成的调整指令向量δp(t)施加阻尼因子γ，得到修正后的调整指令向量δp'(t)：δp'(t)=δp(t-1)+γ×δp(t)，其中，γ为固定的基础阻尼系数，取值为0.5；

42、使用修正后的调整指令向量δp'(t)替代δp(t)执行联合优化调整，并继续进行后续迭代，直至满足收敛条件。

43、提供一种高桩码头phc桩水上沉桩用组合式导向定位装置，采用所述的高桩码头phc桩水上沉桩用组合式导向定位施工方法，所述装置包括：

44、导向框架，其由至少两个半环形框架单元通过铰接件和锁定机构可开合地连接而成；

45、多个安装座，多个安装座沿导向框架的内周面均匀间隔设置，每个安装座上设有沿导向框架径向延伸的调节长孔；

46、多个微调机构，每个微调机构包括：

47、液压油缸，其缸体端固定于安装座上，其活塞杆端沿径向朝向phc桩延伸；

48、摆动式接触头，其通过球铰连接于活塞杆的端部；

49、柔性衬垫，其固定于摆动式接触头与phc桩接触的表面上；

50、多个集成式的传感器组件，每个传感器组件包括：

51、力传感器，其设于液压油缸的活塞杆上或摆动式接触头与活塞杆的连接处；

52、振动传感器，其设于液压油缸的缸体与活塞杆之间或安装座上；

53、至少一个加速度传感器，其设于导向框架或phc桩桩身上；

54、控制单元，其与力传感器、振动传感器、加速度传感器及微调机构的液压控制阀组电连接，其中，微调机构的液压控制阀组为比例伺服阀或高速开关阀。

55、优选的是，还包括：

56、多个定位导向滑轮组，多个定位导向滑轮组沿导向框架的周向均匀分布，每个定位导向滑轮组包括至少两个沿竖直方向排列的导向轮，导向轮的轮面与所述phc桩的外壁滚动接触；

57、无线通信模块，其设于控制单元内，用于将控制单元采集的实时数据上传至岸基监控中心，并接收岸基监控中心下发的远程控制指令。

58、本发明至少包括以下有益效果：

59、第一、本发明通过振动传感器、力传感器和加速度传感器被动采集桩身在沉桩过程中的振动响应信号，实时辨识各微调机构接触点的局部动态刚度值和桩身的整体模态阻尼比指标，并基于刚度偏差和模态偏差自动生成调整指令，通过闭环迭代使各接触点的约束刚度分布趋于均匀，解决了现有固定式导向架或龙口导向架在沉桩过程中无法根据桩身姿态自适应调节约束力的问题，避免了因约束不均导致的桩身垂直度偏差，有效提高了沉桩精度。

60、第二、本发明采用球铰连接的摆动式接触头和柔性衬垫与phc桩外壁接触，实现了接触面的自适应贴合，并通过控制单元实时监测各微调机构接触压力的变化率。当检测到压力突变时，控制单元立即触发紧急缓冲模式，同步降低所有微调机构的接触压力至安全水平，有效解决了现有导向装置中因刚性接触导致的局部应力集中问题，以及因外部扰动（如波浪、水流）引起的约束力突变对桩身的冲击损伤，显著降低了phc桩在沉桩过程中的开裂风险。

61、第三、本发明采用分体式导向框架，由至少两个半环形框架单元通过铰接件和锁定机构可开合地连接而成，安装座上设有沿径向延伸的调节长孔，能够灵活调整微调机构与phc桩外壁的间距，适应不同直径的phc桩，同时，定位导向滑轮组的设置减小了桩身与导向装置之间的摩擦阻力，相较于现有技术中体积庞大、制作成本高的钢桁架式导向架或需要辅助桩固定的拆卸式导向装置，本发明的结构更为紧凑、拆装方便，无需大型船机设备一次性吊装就位，降低了施工准备时间和成本，提高了对不同桩径、不同施工环境的适应能力。

62、第四、本发明在闭环控制过程中引入了传感器自检和故障容错机制，当某个微调机构上的传感器信号异常时，控制单元自动将其标记为失效单元，并基于相邻正常工作的微调机构的刚度值通过加权平均法估算替代刚度值，使系统能够继续稳定运行，克服了现有导向装置在恶劣水上施工环境中传感器容易因高湿度、高振动而失效、导致控制系统瘫痪的缺陷，保障了沉桩作业的连续性和可靠性。

63、本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

技术实现思路