智能張拉技術在高鐵預應力箱梁施工中的應用

楚沖沖

(中鐵十八局集團第一工程有限公司，河北 涿州 072750)

1 前 言

為滿足智能化高鐵建設需要，高鐵橋梁箱梁施工研發了智能化張拉系統，可以安全快捷實現橋梁預應力自動化、精準化控制[1]。以鄭(州)阜(陽)高鐵淮陽南梁場預應力預制箱梁施工為研究對象，全面介紹從智能張拉應用優勢、構成、施工工藝、操作關鍵點，并通過相關數據研究分析得出，該技術具有操作方便、效率高、節省成本、精度高、誤差小、降低勞動強度等技術優點。

2 智能張拉工藝原理

高鐵箱梁預應力智能張拉系統由控制電腦和預應力張拉設備構成，見圖1。該智能張拉系統整個張拉施工過程全部由計算機主控完成，首先借助人工將張拉設計數據輸進主控電腦程序中，然后電腦發出相關張拉指令后開始進行施工[2]。

圖1 智能張拉流程圖

智能張拉系統通過自動泵站數據釆集中心釆集，主控電腦實時分析和處理數據，然后把結果借助輸出模塊進行輸出，按照實時數據智能化地對張拉設備進行張拉信息的回應，對張拉的速度和拉力進行精準調控[3]。

3 智能張拉應用優勢

與傳統的人工張拉及壓漿進行比較，此工藝施工時通過智能化、標準化操作，避免人為因素的干擾，施工比較規范化、便捷化，整個過程自動生成數據，施工效率和質量高。具體優點如下：

(1)測量精度高。測量伸長量用位移傳感器替換傳統鋼尺鋼束，可以確保精準到0.01mm以上；位移傳感器能夠把產生的電流信號轉化成數字信號，能夠有效防止人為因素干擾而產生的誤差；高精度位移傳感器能夠將鋼束伸長量直接反映出來，確保鋼束伸長量測量精度得到極大提高；如果鋼束伸長量超出規定范圍，系統將會自動發出報警并及時終止張拉，技術人員根據系統報警提示，積極制定相應辦法將問題解決以后再繼續施工[4]。

(2)張拉精度高。智能張拉通過電腦智能管控調整，能夠對張拉過程進行全方位自動控制，在智能張拉系統中通過高精度傳感器精準控制張拉應力，并對位移變化進行合理控制，有效提高了張拉的質量。通過壓力傳感器替換傳統壓力表，可以確保精準到0.01MPa以上；壓力傳感器能夠把產生的電流信號轉變成數字信號，防止了人為因素干擾導致的張拉誤差，張拉精度可達±1%；高精度壓力傳感器放置在千斤頂內部，能夠把張拉應力直接顯示出來，對張拉力的控制切實進行了提高；系統事先處理持荷荷載、持荷時間和加載速率等相關參數，加載的時候，對各項指標和規范要求十分契合，防止出現超拉和欠拉等質量通病，避免削弱預應力[5]。

(3)實現同步張拉。借助現場配置的2臺相同功率大小的油泵控制千斤頂，能夠同時對多個千斤頂進行同步張拉；如果系統位移傳感器及壓力傳感器實測值符合相關技術規范要求，就繼續開始張拉施工，如果系統位移傳感器和壓力傳感器實測值不符合相關技術規范要求，那么必須對問題進行仔細并解決后重新開始張拉；持荷階段系統可以自動校核加載速率、持荷壓力和持荷時間等相關參數，如果規定值大于測量值，智能張拉系統將會把補張命令進行傳遞，一直到測量值符合規定值而且漸漸恒定后，標志著完成張拉[6]。

4 案例分析

4.1 工程概況

鄭(州)阜(陽)高鐵淮陽南制梁場地處河南省周口市淮陽縣豆門鄉張集村，淮陽南制梁場總占地面積大約為145 318.8m2，承擔設計時速滿足350km/h的周淮特大橋、淮沈特大橋共597孔“巨無霸”箱梁預制施工任務，箱梁混凝土澆筑320m3，總重量達900t?；搓柲现屏簣鲎疃嗑邆?60孔的存放預制箱梁的能力。

箱梁智造通過智能張拉施工工藝以及圓錨錨固系統，通過主控電腦提前把箱梁預應力施工各項參數輸入，并借助無線網絡把各控制設備進行連接，然后把釆集的數據自動錄入進主控電腦。

4.2 智能張拉系統構成和詳細功能

4.2.1 智能張拉設備和智能張拉組成

淮陽南制梁場引入TYZ/60-Ⅶ/TK型鐵路橋梁智能張拉系統(見圖2)。該系統由張拉動力子系統、限位控制子系統、信號傳感子系統、配套輔助子系統、數據子系統等若干子系統單元模塊聯合構成。

圖2 智能張拉設備示意圖

4.2.2 功能介紹

智能張拉系統具有自動調控、自動診斷故障、斷電智能恢復、智能保護回頂、智能控制油溫、荷載智能復核、無線智能傳輸等超強功能。把張拉參數信息向智能張拉系統輸入并啟動系統以后，預應力的張拉、持續荷載及錨固能夠借助智能張拉系統施作。智能張拉流程圖詳見圖3。

圖3 智能張拉流程圖

4.3 智能張拉步驟及控制點

4.3.1 操作準備

張拉前準備階段：作業人員培訓合格并進行完整的技術交底以后，持證上崗；確保安全警示牌、警戒線等安全防護設施齊備；檢驗錨具、鋼絞線、夾具的強度、尺寸、外形和力學性能等確保100%合格；校驗油壓表等張拉設備確保100%合格，而且沒有超出使用期限；檢查混凝土彈性模量和齡期是否符合規定要求。安排2-3人在預制場操作設備，另外安排1人在控制站進行電腦操作[7]。

為了方便同時觀測梁板兩端張拉過程，控制站的位置通常設置于待張拉梁板的旁邊位置，最好沒有陽光直接照射的地方。

4.3.2 施工關鍵工序要求

梁場施工技術人員對梁號、張拉順序、張拉數據進行復核確保精準后，并智能檢測主、副機和各相關傳感器的情況。

鋼絞線的下料和穿束時，為防止產生“毛頭”和“散頭”質量通病，引進薄榀砂輪機對鋼絞線進行切割，要求千斤頂的實際工作長度比鋼絞線外露之長短0.2m。然后套上工作錨板并推到錨墊板處進行固定。為便于操作潤滑，最好事先在錨板錐孔內加注黃油潤滑。必須把每副夾榀通過鋼圈進行綁箍后，接著輕推入錨板錐孔中。

安裝限位板時，要防止鋼絞線出現交叉扭結現象。安裝好工作夾榀以后，通過工具將夾榀卡緊。

通過配備張拉操作臺以及防護板，可以確保設備進行張拉的穩定和安全?？梢詫⒕o靠梁體兩端的鐵架制作成操作臺，千斤頂通過導鏈懸掛于上部。防護板通常設置在千斤頂周圍2m內，避免錨具彈出出現意外。

前面工序正常時，配置無線網絡后，智能張拉系統通過傳感系統和動力系統控制開始進行張拉。

全自動內卡式千斤頂在工具錨里把工具夾榀固定好，通過壓板和彈簧可以靈活將其打開或鎖緊，從而防止在退回工具錨時，對工具夾榀進行拆裝的步驟。借助工具錨的前置，將拉鋼絞線的預留長度有效縮短，不僅大大節省材料成本，而且精度高。全自動內卡式千斤頂見圖4。

注：1.千斤頂工作錨板；2鋼絞線；3千斤頂限位板；4.千斤頂工作錨板；5.千斤頂工具夾榀；6.千斤頂油缸；7.千斤頂活塞；8.千斤頂穿心套

圖4 全自動內卡式千斤頂示意圖

進行張拉作業的時候，需要對取夾榀外露量進行測量，將測量數據輸入系統后，依次分段通過加載應力張拉鋼束。

進行在張拉時，智能張拉系統會借助千斤頂上的精密傳感器依次監測并實時采集伸長量、張拉力、油壓以及位移等相關數據，以此對誤差率進行分析并生成相對應的曲線。如果系統監測到實際伸長量和理論值偏差超過允許范圍時會及時預警并終止張拉；如果當張拉力小于90%張拉控制應力的時候，系統又可以實現自動補張。從而實現“雙控”的目的。

以ZF6號現澆梁作為例子，進行張拉以后，鋼絞線設計伸長量和實際伸長量之間誤差率大多控制在2%以內，大大小于6%的限值，效果非常顯著。

4.4 智能張拉質量控制要點

(1)通過雙拉雙控進行操作，其中伸長量△L=100%預應力筋張拉控制應力張拉時對應的伸長值+20%預應力筋張拉控制應力張拉時對應的伸長值-2 ×10%預應力筋張拉控制應力張拉時對應的伸長值-千斤頂工具夾榀回縮值；

(2)位移、壓力和液壓傳感器示值精度都必須控制在5%之內；張拉施工必須完成波紋管、錨墊板、鋼絞線安裝以后再開展，另外，務必保證齡期為27d的混凝土強度大于設計混凝土強度的85%；

(3)智能張拉系統的張拉力值的偏差控制在±1%范圍以內；張拉施工務必遵守“兩同步三同心”的原則，即張拉時兩邊和兩端確?！皟伞蓖綄ΨQ進行張拉，錨具與千斤頂、錨下墊板錨口與預應力管道、錨墊板錨口與錨具確保“三”同心。張拉過程中,數據釆集頻率要超過5Hz。

4.5 智能張拉技術分析

通過仔細分析智能張拉和人工張拉相關的數據，可以非常直觀地分析出前者的效果更好。從數據庫中隨機選取外部溫度條件、齡期、尺寸、重量都完全相同的5榀智能張拉和5榀人工張拉預制箱梁，對伸長量實際偏差、耗時先關張拉數據進行對比分析。詳見表1。

從經濟效益方面分析，考慮到傳統的張拉設備一般只能進行單束張拉，且需要在兩端各配備人員操作油泵、測量及記錄數據，至少需要7人同時作業。而本工程中采用智能張拉技術只需安排1人操作電腦、1-2人輔助監測即可實現雙束同步張拉。不僅在施工速度上提高了30%-50%，還能節約4個人施工。如果按照人工的單價300元/d進行計算，每篇箱梁張拉張平均節約工期0.5d，本節采用597榀箱梁計算，共可節省人工費300×0.5×597×4=35.82萬元。單根鋼絞線的截短長度減少了0.69m左右，15.2mm鋼絞線1.12kg/m，32m 900t鐵路箱梁大概用10t鋼角線，597榀梁節省了鋼絞線114.93t，按4 300元/t計，可節省材料成本約49.42萬元。

表1 預應力箱梁人工張拉與智能張拉數據對比分析

從成本控制方面計算,通過引入具有操作便捷、節省材料成本、而且精度高等優點的全自動內卡式千斤頂，每榀梁至少節約鋼絞線約30m。

4.6 注意事項

施工前要進行培訓，安全專業技術人員進行電腦操作，防止因操作不當造成質量隱患。對張拉各項參數進行設置時，要和圖紙要求一致，防止出錯。另外確保油泵上的安全閥不要超出規定范圍。張拉力保持平穩后再錨固鋼絞線。千斤頂升進行卸壓和加壓的時候，務必確保均衡、平緩、安全，防止猛然卸壓或加壓。對側彎要十分精確控制，避免箱梁出現傾覆或折斷。

5 結束語

智能張拉系統智能化、自動化地把液壓、機械、計算機、自動控制、互聯網等技術綜合運用到高鐵橋梁的預應力張拉施工，智能張拉系統規范化操作有效減少人工張拉人為因素的影響，減緩并降低鋼絞線銹蝕，提高張拉效果，防止欠拉和超拉，減少預應力損失和材料消耗，節約成本，提升張拉質量，有效降低預應力箱梁下撓、開裂等風險出現，增強梁體安全耐久性，可以有效延長箱梁的使用壽命。特別是能精準控制千斤頂的預應力，經濟效益更明顯，實現“多控”目的。