鐵路預制梁預應力自動張拉伸長值測控技術研究

邸 昊

(中國鐵路設計集團有限公司， 天津 300142)

作為中小跨徑橋梁最常選擇的方案之一，預應力混凝土梁以其承載能力高、成本造價低等特點，在鐵路工程中得到了廣泛應用。預應力張拉鋼束伸長值是鐵路預應力混凝土梁張拉施工質量的重要控制指標[1]，但采用傳統測控方法測量時，伸長值偏差及不同步率超出限值的情況普遍存在[2]。

目前鐵路領域仍采用人工操控張拉設備的方式進行預應力張拉施工，采用電控油泵和液壓千斤頂組成的張拉系統，其施工工藝中，張拉力油表讀數、張拉伸長值量測、張拉錨固前持荷等環節均易受人為因素影響，存在較大的隨意性和差異性，缺乏高效可靠的測控手段和評估標準，預應力施工質量的穩定性和可靠度難以保證[3-4]。與之相比，目前公路上已開始使用自動張拉設備，通過計算機控制中心實現控制預應力張拉全過程自動化[5]。借助智能張拉系統，可實現自動讀取張拉參數、自動計算張拉過程力值、實時采集油壓與位移信息、自動生成張拉記錄表等功能[3]。

由于鐵路預制梁的伸長值計算方法與公路不同，且鐵路對張拉控制的精度要求更高，因此公路領域自動張拉系統的張拉控制標準及管理流程等并不適用于鐵路橋梁施工，因此亟需研究一套適用于鐵路橋梁的自動張拉控制技術，以滿足日益增長的鐵路建設和質量控制要求[6]。

本文在對現行鐵路預應力混凝土預制梁張拉過程進行調研分析的基礎上，對預制梁鋼束伸長值增長過程進行分析，將不同伸長值測算方法進行研究對比，對伸長值實時計算方法、測量傳感技術、同步張拉控制技術等多項關鍵技術進行深入研究，以期得到更加科學精準的鐵路橋梁預應力張拉伸長值測算和控制方法，并研發與之配套的自動張拉系統以應用于鐵路橋梁施工。

1 鋼束伸長值測算方法研究

本文在某制梁場采用自主研發的鐵路預應力自動張拉系統按照規范流程進行預制梁預應力張拉，并利用系統配備的傳感器系統對每次張拉過程中的鋼束張拉力和伸長值進行實時高頻連續測量(采集頻次5 Hz)。

從自動張拉實測實時數據中選取11片梁的 133根鋼束的張拉數據，進行分析，并在此基礎上，分別運用常規測算方法和對持荷階段伸長值進行修正的推薦方法對鋼束實際伸長值進行計算，對比計算結果。

1.1 伸長值實時數據分析

不同張拉鋼束在不同張拉階段的張拉數據實時曲線，如圖1所示。從圖中可以看出，張拉過程主要分為3個階段：

(1)非線性發展階段：從開始張拉到初應力(一級控制力)持荷結束后；

(2)線性發展階段：從初應力到目標力(二級控制力)的張拉過程；

(3)垂直增長階段：到達目標力后持荷過程中補拉反復加載過程。

圖1 測試鋼絞線張拉過程張拉力-伸長值數據曲線

1.2 常規測算方法(放大持荷階段比例法)

根據調研，目前大部分鐵路預制梁場采用放大持荷階段比例法對實測伸長值進行測算，該方法的計算原理為：利用初應力至最大應力階段變形伸長值占全部伸長值比例對初應力之前的伸長值進行推算，并以此來計算預應力筋總伸長值[7]，即起訖階段量測伸長值除以本階段施加應力占全部施加應力的比值。應用此法可省略測量兩倍初應力伸長值這一環節，故張拉過程稍有簡化。

根據以上原理得出該方法計算公式：

L常規算法=(L第2級持荷結束-L第1級)/(1-F第1級/F第2級)

(1)

式中：F第1級——第1級控制力;

F第2級——第2級控制力;

L第1級——第1級控制力時鋼束伸長值;

L第2級持荷結束——第2級控制力持荷結束時鋼束伸長值。

應用計算公式對張拉鋼束的實際伸長值進行計算，并與理論伸長值進行對比，結果如表1所示。

表1 常規測算法伸長值偏差統計表

1.3 推薦測算方法(修正持荷階段比例法)

從張拉過程實時數據曲線可以看出，張拉過程中，伸長值隨張拉力線性變化的階段為初張力至到達控制張拉力的范圍，持荷階段內的伸長值并未按照線性規律變化，但該階段的伸長值確實是由于鋼絞線受力產生的，故到達目標力后，持荷階段的伸長值應單獨相加，不應參與比例計算。按照該原理對常規測算方法進行修正，得出本方法的計算公式：

L第2級持荷開始

(2)

式中：L第2級持荷開始——第二級力開始持荷時鋼束伸長值。

應用計算公式對相同的張拉鋼束實際伸長值進行計算，并與理論伸長值進行對比，結果如表2所示。

表2 推薦測算方法伸長值偏差統計表

1.4 綜合對比分析

綜合分析兩種計算方法的計算結果，如圖2和表3所示。由于本文推薦的修正持荷階段比例法消除了常規方法由持荷階段伸長值參與比例計算引起的誤差，減小了對鋼束張拉初應力階段伸長的推算值，使其較常規方法實測伸長值與理論伸長值的平均偏差減小了約3%，超限鋼束占所有統計鋼束的比例減小了15%。根據推薦方法測算的鋼束終張拉階段實測與理論伸長值的偏差全部滿足規范限制要求。因此，本文推薦的伸長值測算方法的計算原理更科學合理，數據結果更接近伸長值的實際值，使用本方法進行鐵路預應力混凝土梁張拉伸長值的測算更加準確。

圖2 常規方法與推薦方法測算鋼束伸長值偏差對比圖

表3常規方法與推薦方法綜合對比統計

測算方法初張力階段伸長值推算值/mm理論伸長值平均值/mm本方法測算伸長值平均值/mm與理論伸長值偏差平均值超限鋼束百分比放大持荷階段比例法37.80173.6184.349.15%27.8%修正持荷階段比例法33.83173.6180.36.71%13.5%

2 伸長值測量技術研究

2.1 活塞伸出量測量技術

通過測量張拉過程中千斤頂的活塞伸出量，進而得出鋼絞線的伸長值是鋼束伸長值測算的重要環節。傳統的人工測量方法使用鋼尺進行測讀，很難保證讀數的準確性和各次測量的一致性，并且無法在張拉過程中實時測量，從而導致測量精度偏低。根據測算，人工測讀方法測量誤差約占總活塞伸出量的5%～10%。

根據千斤頂的軸向伸縮特點和轉動要求，在自動張拉千斤頂(如圖3所示)的基礎上采用套筒間隙配合結構形式，在導向筒內安置高精度拉桿式位移傳感器，一端固定于千斤頂油缸上空適當的固定罩上，一端固定于千斤頂張拉端的活塞墊環上，形成活塞伸出量測量裝置，如圖4所示。該裝置能使活塞伸出量的測量精度達到1 mm，且測量數據可通過數據連接線實時傳送至智能泵站控制系統，參與鋼束伸長值的計算。

圖3 智能千斤頂組成圖

圖4 活塞伸長值測量裝置組成圖

裝置導向筒與保護筒采用O圈密封形式，可有效保護測量傳感器內部；固定罩采用空殼形式，可對多種數據線進行封閉儲藏，從而極大程度降低環境對傳感器的影響；連接板和連接墊環的連接，提高了測量精度和測量數值的穩定性。

2.2 夾片外露量測量技術

在張拉過程中，隨著張拉力的增大，工具夾片會逐漸楔緊，夾片在錨具外的露出量逐漸減小，從而導致鋼絞線出現回縮。由于夾片外露量的變化值受現場施工作業、錨具夾片型號類型及加工精度等的影響較大，忽略夾片外露量的測算將導致鋼束伸長值出現偏差。根據測算，由夾片外露量引起鋼絞線回縮量的偏差約占鋼束伸長值的1%～2%。

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在預應力張拉設備中引入夾片外露量測量裝置，該裝置與帶有位移傳感器裝置的智能千斤頂配套使用，其固定部分通過固定座安裝在智能千斤頂活塞的一端，活動部分的測量調節座搭接在工具夾片端面上，整體隨千斤頂張拉與回程，從而在張拉過程中實時測量夾片的回縮值，并通過傳感器獲取精確數值。同時配置3個探頭測量3個不同位置夾片外露量的變化值，采用平均值參與鋼束伸長值計算，可有效修正由于夾片回縮引起的伸長值測算誤差。

夾片外露量測量裝置如圖5所示。該裝置固定在活塞伸出量測量裝置位移傳感器的連接墊環上，其活塞套內部安置拉桿式位移傳感器，活塞套端部延長固定連接板，連接板上設伸縮測量板對夾片進行搭接測量，微型自恢復式位移傳感器實時測量活塞套的回縮值，該回縮值即為夾片回縮值。在預緊螺母和彈簧的壓力下，連接板可在一定力度內360°旋轉，便于多次測量和不同夾片測量的調整。在彈簧壓力下，活塞套可在一定范圍內滑動，從而使測量板有效搭接在夾片上，實時跟進夾片的回縮值，極大程度地提高測量數值的準確性和穩定性。

圖5 夾片外露量測量裝置組成圖

3 伸長值控制技術研究

3.1 控制流程

針對鐵路預應力混凝土梁雙束對稱張拉、單束對稱張拉等施工工藝，通過PLC微電腦和工業平板組合方式控制智能泵站和智能千斤頂的張拉。即將微電腦集入泵站內，利用壓力傳感器和位移傳感器(測量活塞和夾片)的測量數據反饋，智能泵站之間通過無線工業以太網通訊，進行張拉狀態和程序控制指令的交互；利用嵌入在泵站控制模塊中的計算引擎對張拉力值偏差、伸長值偏差、不同步率等控制指標進行實時計算分析，指導PLC控制模塊進行實時調節；采用變頻和液壓分流技術控制張拉速度，實現預應力張拉全過程的同步和精確控制。自動張拉控制流程如圖6所示。

運用云技術，泵站與服務器間通過無線4G網絡通訊，采用自動連接云服務器下載等多種方式獲取張拉模版和控制參數，并將現場張拉數據自動上傳到云服務器，實現對張拉數據的實時、遠程、在線查詢和控制，消除人為因素干擾，有效地保證預應力張拉施工質量。

3.2 關鍵技術

(1)運用變頻技術進行無極調速，保證張拉力的精準平穩

受預應力孔道偏差和鋼絞線穿束影響，不同的張拉環節需采用不同的張拉速度，以保證鋼絞線均勻受力。另外，在持荷階段補張拉時，瞬時油壓沖擊可能導致鋼絞線伸長值異常波動，而影響其測算精度。因此在自動張拉泵站中引入變頻調節器，通過調節泵站電機工作頻率實現供油量的精確控制，根據需求輸出適當的張拉功率，實現張拉過程中張拉力值的平穩增長，并將張拉力值精度控制在±1%以內，以保證鋼束受力的均勻性和準確性。

圖6 自動張拉控制流程圖

(2)運用液壓分流技術進行高低速張拉，實現同步張拉調節

對于箱梁張拉，自動張拉設備采用一泵兩頂形式能更好地實現左右兩側平衡張拉。但目前單純采用變頻器進行張拉調速，無法在同一泵站側的兩臺千斤頂之間進行不同張拉速度的控制，因而無法實現兩端千斤頂的同步張拉。

采用液壓分流技術，為每個千斤頂提供兩個單獨供油油路，在高速張拉時采用雙油路供油，當兩端鋼束伸長差值大于限值時，關閉伸長值較大側千斤頂的一路供油，進行低速張拉，可實現兩側伸長值同步調節。結合泵站變頻調節功能，能更好地實現兩端同步、左右平衡張拉，將鋼束伸長值不同步率有效控制在5%以內。

(3)運用傳感采集技術和數據流計算進行張拉控制指標的跟蹤計算反饋，實現張拉過程的實時控制

在快速張拉過程中，及時準確地獲取張拉控制指標并通過控制程序作出判斷和調節，是自動張拉實現過程控制的關鍵。

運用現代傳感器采集技術，借助在智能千斤頂上安裝的壓力傳感器和位移傳感器對鋼束張拉力值和伸長值進行跟蹤測量，最高測量采集頻次可達 5 Hz。利用泵站軟件系統的流對計算引擎進行實時處理，能在毫秒級的時間內得到張拉指標數據，掌握張拉控制狀態。根據優化算法將實時計算的伸長值與其所對應的理論值進行對比，按照設定限值要求進行張拉速度的調節和偏差糾正，使張拉伸長值逐漸逼近理論設計值，可極大提高張拉過程的控制效率，并在出現異常時及時報警，對過大偏差進行分析處理，保證各控制指標滿足規范要求。

(4)采用“云技術”和數據庫進行數據存儲和傳輸，實現張拉數據遠程實時查詢

張拉過程中，采集和計算產生的海量數據，需要巨大的存儲空間，采用常規的單機存儲模式無法滿足數據的存儲和查詢需求。

將互聯網云技術與大數據結合，利用濾波降噪算法對原始數據進行處理后緩存于泵站系統數據庫中，再通過4G無線網絡將數據實時上傳到云服務器上，不僅實現了海量原始數據的存儲，還可通過遠程實時監控和數據的歷史查詢，有效保證張拉數據的真實可靠，為鐵路橋梁施工管理提供有效、便捷的途徑。

4 應用試驗驗證

為驗證自動張拉控制技術的控制精度、可靠性和適用性，本文基于自動張拉測控技術研發了與之配套的鐵路預應力混凝土預制梁自動張拉控制及管理集成系統(BPS)，該系統研發完成后在石濟客運專線梁場進行了試驗驗證。

4.1 試驗內容

選取4孔鐵路用有砟軌道預制后張法預應力混凝土簡支整孔箱梁為研究對象，試驗梁型基本參數如表4所示。對試驗梁型進行BPS自動張拉與傳統人工張拉的對比試驗，通過對比分析人工張拉和自動張拉的伸長值偏差及兩端不同步率，對自動張拉系統的控制精度、張拉質量進行驗證。

表4 試驗梁型基本參數

4.2 試驗結果

(1)經過試驗對比，自動張拉的鋼束伸長值偏差超過規范限值的比例為6%，遠遠小于人工張拉的超限率(人工張拉超限率為48%)，證明自動張拉對伸長值的控制更加精準。自動張拉與人工張拉伸長值偏差分布對比，如圖7所示。

圖7 自動張拉與人工張拉伸長值偏差分布對比圖

(2)人工張拉鋼束伸長值不同步率超出規定限值的鋼束比例為51%，而自動張拉的超限比例僅為5%，表明自動張拉對鋼束張拉的同步性控制精度更高。自動張拉與人工張拉伸長值不同步率分布對比如圖8所示。

圖8 自動張拉與人工張拉伸長值不同步率分布對比圖

5 結論

通過對預應力自動張拉鋼束伸長值測控的方法的研究及驗證，可得出以下結論：

(1)常規測算方法對持荷階段鋼束伸長值的計算誤差導致鋼束總伸長值增加約3%，采用本文推薦的伸長值測算方法更為科學合理，且具有較高的可操作性。

(2)采用高精度位移傳感器對張拉過程中活塞伸出量和夾片外露量進行實時測算，可提高張拉控制的精確度和實時性。

(3)采用液壓分流和變頻調速技術進行自動張拉控制，能有效保證鋼束張拉的同步性和準確性。

(4)采用云技術和流計算，結合現代傳感測量和數字控制技術，能實現預應力張拉全過程控制的自動化、遠程化、實時化，為鐵路橋梁張拉質量控制和施工管理提供更有效、便捷的手段。

(5)通過與人工張拉試驗進行對比，基于本文測控技術研發的自動張拉系統對伸長值精度和不同步率的控制更精準，進一步驗證了本文伸長值控制技術的有效性和可靠性。