帶測力傳感器和測活塞伸縮位移量裝置的智能千斤頂研究及其工程應用

蘇慶勇

（柳州歐維姆機械股份有限公司，廣西 柳州545000）

1 橋梁預應力施工張拉設備發展現狀及相關標準

傳統后張法預應力施工均采用普通油泵驅動千斤頂進行張拉，人工測讀油壓表、千斤頂伸長值進行雙控的傳統施工工藝，施工過程全部采用人工操作，缺乏有效的質量控制手段，難以實現預施應力準確控制，施工效率低。傳統張拉施工中常見問題：（1）張拉工藝精度控制不準確，張拉力控制誤差過大；（2）人工協調，不準確，不及時，同步精度低，無法實現同步張拉；（3）張拉過程需要至少6人同時作業，效率低；（4）人為控制持荷時間，加載速率隨意性大，直接導致預應力損失較大；（5）張拉報表人工整理、填寫，難以保證數據的真實性、缺乏有效的質量控制。

隨著JB/T 13462—2018《建筑施工機械與設備 預應力用智能張拉機》[1]的頒布和執行，公路智能張拉設備已被普遍認可及接受，已經逐步取代人工手動張拉設備。公路智能張拉設備對預應力筋張拉力的控制主要靠液壓系統管路中安裝液壓傳感器或在液壓系統管路中安裝壓力表，根據液壓傳感器反饋的壓力數值及壓力表顯示的數值，再按照壓力與張拉力的對照表，換算出張拉力力值。

國內各大預應力實驗室也陸續引入智能張拉設備，鐵路市場上，隨著BIM技術的應用，智能化施工和管理成為未來發展的必然趨勢，2017年中國鐵路總公司發布執行的企標QCR 586—2017《鐵路預應力混凝土橋梁自動張拉系統》，要求張拉千斤頂配置高精度的稱重測力傳感器，張拉力是測力傳感器直接測量得出的，無需換算，但是對測力傳感器、位移傳感器精度和適應使用環境等要求非常高，設備價格也比較高。

目前無論人工手動張拉設備，還是公路和鐵路智能張拉設備，都需滿足JTG/T F50—2011《公路橋涵施工技術規范》的技術規定：（1）張拉力控制精度。7.12.2第2款規定張拉力控制應力的精度宜為±1.5%；（2）對稱同步張拉控制。7.12.2第1款規定各千斤頂之間同步張拉力的允許誤差為±2%；（3）預應力損失控制、避免人為疏忽。7.12.2第1款規定各千斤頂之間同步張拉力的允許誤差為±2%；（4）長量控制精度。7.6.3第3款規定實際伸長值與理論伸長值的偏差應控制在±6%以內），否則應暫停張拉，待查明原因并采取措施予以調整后方可繼續張拉[2]。

2 帶測力傳感器和測活塞伸縮位移量裝置的智能千斤頂組成

該智能千斤頂主要由YCWC型千斤頂、測活塞伸出量裝置、測力傳感器、內部連接電纜等組成，除了作為張力的執行元器件外，還負責將張拉過程的實時位移數據、張拉力值傳輸到泵站上的控制系統，實時監控。智能千斤頂組成圖如圖1所示。

圖1 智能千斤頂組成圖

2.1 智能千斤頂主要組件介紹

2.1.1 YCWC型千斤頂

（1）基本構造

YCWC型千斤頂主要由四大部分組成：（1）油缸、穿心套、定位螺母、大堵頭、后密封板、壓緊環及其密封件組成的“不動體”；（2）活塞及其密封件組成的“運動體”；（3）便于吊運的提手部分；（4）起回程保護作用的回程限壓閥。YCWC型千斤頂構造如圖2所示。

圖2 YCWC千斤頂構造

（2）主要技術性能

目前配套智能張拉系統的YCWC系列千斤頂有1 000~5 000 kN等8種規格，行程均為200 mm。可根據張拉力和張拉空間等來選型，千斤頂應符合JG/T 321—2011《預應力用液壓千斤頂》的規定，千斤頂的額定噸位不應小于最大張拉控制力的1.2倍[3]。

2.1.2 測活塞伸縮位移量裝置

如圖3所示，測活塞伸縮位移量裝置由固定座、保護筒、導向筒、拉桿式位移傳感器、壓螺母、連接板等構成，采用螺釘聯接將固定座和導向座固定在千斤頂油缸上，將連接墊環固定在活塞上。根據千斤頂噸位和行程等匹配該裝置，要求位移傳感器的額定量程不應小于單次張拉最大伸長值的1.2倍，位移傳感器應符合JJF 1305—2011的規定，示值精度應≤0.5%。

圖3 測活塞伸縮位移量裝置構造圖

測活塞伸縮位移量裝置采用導向筒8和導向護套12間隙配合結構形式，在導向筒8內采用拉桿式位移傳感器11，一端固定于尾部端蓋13上，尾部端蓋13通過螺釘III14線纜盒15連接起來，另外一端固定于前端蓋板6上，前端蓋板6與連接板4螺釘連接起來，連接板4卡連接墊環1的凹槽里，隨著千斤頂活塞的伸縮帶著在拉桿式位移傳感器11運動，測量出活塞的位移量。線纜盒15采用空殼形式和導向筒8可以對拉桿式位移傳感器11和數據線接頭進行有效保護。通過彈簧拉桿I5、彈簧拉桿II21的壓縮彈簧10，保證在任何狀態，將連接板4的底面壓在連接墊環1凹槽的底面上，為了避免過定位采用2個萬向球3將面接觸變為2點接觸，提高測量精度，在張拉過程中活塞被動轉動時，連接板4與連接墊環1凹槽進行相對的滾動，有效防止卡死現象。

2.1.3 測力傳感器

根據YCWC千斤頂噸位來匹配，要求測力傳感器的額定載荷不應小于最大張拉力的1.2倍，測力傳感器應符合JJG 391—2009和JJG 455—2000的規定，示值精度應≤0.5%。

測力傳感器結構圖如圖4所示，彈性體結構圖如圖5所示。

圖4 測力傳感器結構圖

圖5 彈性體的結構圖

基本構造：（1）該測量預應力筋張拉力的輪輻式傳感器，包括彈性體2及設于彈性體上構成惠斯通電橋的應變計10和電纜線6，所述彈性體2為加工成型的輻條式結構，成剪切梁結構，每根輻條7的兩側形成均勻的應變區9；彈性體的中間沿軸向開設有通孔11輻條7有6～12根、間隔均勻分布，輻條的兩側呈對稱內凹的弧形，應變區9的應變孔呈腰形孔結構；應變計10通過粘貼的方式設置在輻條7的左右兩側應變區9上；壓頭4上表面有一個凹槽用于安裝張拉錨具的限位板以及螺釘，壓頭4底面安裝于彈性體2上表面，通過連接螺釘Ⅱ5與彈性體2固定連接，壓頭4上表面作為輪輻式傳感器的受力面；彈性體2下端面安裝于底座1上、輪輻式傳感器整體安裝在YCWC千斤頂的定位螺母上[4]。

（2）壓頭主要是保證測力傳感器的外圓與梁的邊緣不發生干涉，同時兼做延長筒。

（3）底座主要是將千斤頂的張拉力均布傳遞給測力傳感器，保證力值的準確性。

3 帶測力傳感器和測活塞伸縮位移量裝置的智能千斤頂工程應用

帶測力傳感器和測活塞伸縮位移量裝置的智能千斤頂作為OVM·SPT1B2D-60鐵路智能張拉系統重要組成部分，先后在山東德州石濟客運專線中鐵十八局平原梁場項目，中鐵上海工程局青島平度制梁場項目，中鐵十一局牡佳客專五標段項目經理部，中鐵廣州工程局集團有限公司金壇制梁場等十幾個項目上進行應用，2019年通過中國鐵道科學研究院集團有限公司高速鐵路系統試驗國家工程實驗室認證后，完全滿足QCR 586—2017《鐵路預應力混凝土橋梁自動張拉系統》的要求。

4 結束語

帶測力傳感器和測活塞伸縮位移量裝置的智能千斤頂作為鐵路預應力混凝土橋梁自動張拉系統的重要組成部件，具有下列優點：（1）YCWC系列千斤頂是第三代通用型預應力用穿心式千斤頂，具有結構緊湊、密封性能好、重量輕、體積小等特點。（2）測活塞伸縮位移量裝置，采用了封閉空腔結構設計，有效地對拉桿式位移傳感器和數據線的接頭等進行保護；采用了壓縮彈簧有效解決了張拉回程時活塞回縮位移量測量難題。（3）測力傳感器采用的輪輻式傳感器結構合理、測量精度高、重復性好及抗偏載能力強，增加的底座解決了直接安裝在千斤頂定位螺母上導致的輪輻式傳感器大載荷測量精度低及一致性差的問題。

目前，帶測力傳感器和測活塞伸縮位移量裝置的智能千斤組成的預應力智能張拉系統在中國橋梁預應力施工中得到廣泛推廣和應用。實踐證明，該智能千斤頂的設計成功地、有效地保證了工程質量。