后張預應力混凝土橋梁自動張拉設備的發展與應用

王建立，齊廣超，葉建波，張志國

(1.河北省公路工程質量安全監督站 石家莊市 050091； 2.石家莊鐵道大學 石家莊市 050043)

預應力的建立是通過張拉設備來控制的，自上世紀50年代，我國開始在橋梁工程中引入預應力技術，主要通過泵站向張拉千斤頂供油，千斤頂活塞驅動工具錨拉伸鋼絞線實現預應力施加，當兩端或多點對稱同步張拉時，要靠對講設備進行控制[1～3]。其控制取決于操作人員水平，質量穩定性相對較差。高速鐵路橋梁由于耐久性以及線路平順性控制要求，對預應力控制提出了嚴格要求。在此背景下，基于信息化的自動張拉技術得以發展，課題組先是在大西鐵路建設中提出了在油壓系統中設置傳感器的智能控制張拉系統，后又總結經驗進一步發展了輪輻式傳感器測力系統，直接用于張拉控制，并被鐵路工程推廣使用。主要結合自動張拉控制系統方面的研究成果，重點闡述新一代利用力傳感器進行張拉控制的基本體系和應用效果，以推動先進的自動張拉系統得到更為廣泛的應用。

1 傳統張拉技術預應力控制存在的問題

后張預應力混凝土橋梁傳統的預施應力方法普遍采用普通油泵驅動千斤頂進行張拉，根據張拉系統校驗的回歸方程、錨外設計張拉控制力反算出油壓表讀數，再由人工測讀油壓表讀數實現對張拉力的控制；同時由人工實測千斤頂伸長值，通過計算出相對于理論伸長值的偏差不超過±6%進行輔助控制，張拉過程全部采用人工操作及控制，缺乏有效的自動質量控制手段，難以實現對預施應力的準確控制，施工效率也較低。

傳統預應力張拉技術本身控制存在明顯不足，直接導致預應力控制精準度不高，主要有以下6種因素[5-7]。

(1)張拉力控制本身存在不確定性

傳統預應力張拉是通過人工讀取機械式油壓表讀數來控制預應力筋張拉力。張拉過程中主要存在壓力表讀數精度低且不穩定，加壓控制操作誤差大、分辨率低，受張拉環境溫度影響千斤頂套筒摩阻變化明顯，以及張拉力與壓力表的標定誤差，人為操作影響等實際難于精確控制張拉力。

(2)張拉伸長值測量誤差較大

實際施工中，預應力筋的張拉伸長值一般是通過人工用鋼尺直接測量油缸活塞的伸出量再通過修正而得到的。這種測量方法受人為影響因素較大，操作時鋼尺的平直影響、讀數都存在較大誤差，而且讀數記錄和張拉不能實現實時快速反饋，實際工程中也存在現場測量計數回去計算核對，難以實現對張拉值雙控的目標。

(3)未能實現張拉力和張拉伸長值同步控制

預應力張拉作業時，規范要求采用張拉應力和伸長量雙控的方法，以期保證有效預應力。但油壓表讀數和預應力筋伸長量測量一般分別由不同人一先一后操作，無法保證張拉力和張拉伸長值同步控制，一旦出現數據異常，實際補救困難。

(4)不能實現同步張拉

規范要求對同一鋼束兩端應同步張拉，控制不同步率不超過5%。但實際張拉過程中，兩端完全由人工操作控制進油來施力，本身就不可能實現同步同速，時常出現兩端伸長值較大差異，也說明同步性較差，從而影響到跨中控制截面的預應力值的精度。

(5)張拉過程不規范

在目前預應力張拉過程中，預應力的加載速率和持荷時間受人為影響較大。而加載速率過快和持荷時間過短將直接增大預應力損失，使得錨下應力達不到設計要求。

(6)預應力筋實際應力值檢驗存在困難

現行《公路橋涵施工技術規范》對預應力值偏差進行了規定，但是實際預應力值檢測難度較大，有效預應力受張拉工藝和材料本身特性影響等原因，預應力筋的張拉力必然存在一定的損失，在使用過程中也可能會持續不斷的降低。在張拉過程中及時檢測產生預應力損失后的力筋應力并進行張拉控制，在傳統人工操作通過油表讀數進行張拉力控制情況下是難以實現的，而且現有測試方法復雜，很難得以推廣大范圍應用。

2 預應力自動張拉技術發展

根據自動化張拉設備的預應力控制方式不同，目前又經歷了兩代不同的產品階段。

2.1 第一階段：液壓式自動張拉設備的發展

隨著對預應力控制精度要求的提高，推動了自動控制張拉設備研制。其中早期的自動張拉設備都是通過在傳統張拉設備液壓油路上安裝一套液壓傳感器，根據傳感器壓力值換算張拉力，實現所謂的自動控制。這種方法存在的主要問題如下：

(1)液壓式自動張拉設備都是在供油端單點測量液壓系統壓力轉換為張拉力的方式，模擬手動控制泵站壓力表測讀方式：只在泵站出油口安裝壓力傳感器，由于測量部位距離油泵近，開關電磁閥時對傳感器的沖擊很大，如果測量點離千斤頂頂頭遠，就無法真實反映千斤頂的受力狀態，測量精度無法保證。

(2)標定問題：

①張拉力標定時無法與試驗測力機進行點對點的標定：由于液壓系統在高壓時無法定值保壓，張拉力校正只能采用過程讀數記錄然后反算校正系數的方式進行，甚至有些還是采用傳統的用油表讀數校正張拉力的方式，引用誤差大，校正后的系統誤差較大。

②頻繁標定：由于千斤頂的使用頻率、油封的磨損程度會造成千斤頂的工作狀態發生變化，需要頻繁標定。《公路橋涵施工技術規范》第7.6.1中規定，當“張拉次數超過300次”需要重新標定。

(3)千斤頂摩阻變化影響：

對于靜止不動的油壓系統受力截面而言，所承受的力=油壓×截面積。而在千斤頂進行張拉作業時，千斤頂缸套與活塞之間必須有相對運動，即活塞向外伸出才能完成張拉作業。油壓升高產生的力還需要克服活塞(密封圈)與缸套之間產生的摩擦力，才為實際輸出的張拉力，即張拉力=(油壓×截面積)-千斤頂摩擦阻力。

千斤頂的標定一般都在15～25℃的室內環境下進行，而實際使用為野外環境溫度下，環境溫度和油溫對張拉力影響很大。具體表現為：

①環境溫度過低：液壓油呈膠著狀態，不能形成良好的潤滑油膜，增大摩阻。尤其是冬季施工，早上設備剛運轉時，由于液壓油的粘著，會造成摩阻很大，張拉力損失很大。

②環境溫度過高：會導致油膜變稀，加上油溫升高帶來的缸套熱脹，造成摩阻減小。

由于上述因素影響，即使同一天的不同時段，千斤頂的摩阻都在發生不同的變化，直接影響預應力的控制精度。

(4)單點測控：一旦測量傳感器或者電磁閥發生故障，系統就會失控。輕者張拉力施加不足造成施工質量不達標，重者可能拉斷預應力鋼束，造成梁體損壞甚至人身傷亡。

(5)液壓系統設計及控制方式不合理：張拉過程中控制同步張拉時無法保持連續加壓，造成張拉力及位移曲線呈波浪或鋸齒狀，違反了規范要求勻速連續加壓的要求。

(6)沒有液壓油溫度測控系統：液壓油的使用過程中，由于頻繁動作所產生的熱功，會使油溫升高，液壓油變質，產生膠質、乳化等現象，均導致形不成良好的潤滑油膜，加速液壓系統損壞。

(7)系統設計上缺乏在線監測及故障診斷功能，沒有控制過程中的安全保護措施，容易造成張拉質量事故。

2.2 第二階段：傳感器測力自動張拉系統

2.2.1系統組成

新一代傳感器測力自動張拉系統主要由4臺穿心式千斤頂，4臺電動液壓泵站、8個壓力傳感器、4個輪輻式測力傳感器、4個拉線式位移傳感器、4個溫度傳感器、1套完整的工業可編程控制器(1主3輔)、一體化工作站主機等組成[8]，具體組成如圖1。該系統通過其中的1個中心泵站，3個輔助泵站可同時控制4臺千斤頂同步張拉作業，構成平衡的雙向張拉體系，可以滿足箱梁兩側對稱同步張拉。通過系統內置的微電腦預設張拉工藝參數后，一鍵啟動操作，即可實現張拉全過程的自動控制，并自動記錄存儲張拉過程的張拉力、伸長值等，實時采集張拉數據并生成曲線，自動完成校核與報警，張拉數據可直接傳輸或通過網絡傳輸到管理平臺，實現了信息化管理。該系統在張拉力控制方面采用測力傳感器，并通過油壓傳感器比對、自動實測伸長值校核，實現了對張拉力的雙校核，具有力值控制精度高、可靠性高和使用壽命長等顯著優勢，具有廣泛的應用前景。

圖1 系統結構框圖

2.2.2功能特點

(1)便捷的操作功能

①參數設置：可在操作界面上輸入保存梁體的編號、型號、張拉力設計目標值及伸長量理論值、張拉過程及各級持荷時間等。然后只需一鍵啟動張拉，自動完成整個張拉過程，免去人工干擾。

②同步張拉：張拉過程中，可設置先由預應力鋼束兩端伸長量一致進行控制，在接近張拉控制目標值時，自動轉換為由張拉力控制最終力值，實現了自動平衡同步張拉，且實現了對力值的準確控制。

③持荷階段：自動控制持荷時間，持荷階段自動補壓控制張拉力保持在目標值上下1%范圍內，持荷完成后系統自動記錄實際張拉力和伸長量。

④力值、位移值顯示及存儲：由高精度輪輻式測力傳感器直接測力并顯示張拉力值，由高精度拉線式位移傳感器直接測量鋼絞線伸長量，可實時顯示和存儲，并自動生成張拉力及伸長值曲線。

⑤自動計算張拉結果并打印：張拉完成后系統自動計算張拉結果，并打印完整的張拉結果記錄表。

(2)強大的輔助控制功能

①斷電數據自動存儲恢復功能：張拉過程中若突然停電，系統將自動鎖定，并保存當前張拉階段數據，重新接電后不需要回油重新張拉，可直接由斷點處繼續完成自動張拉過程。

②自動油液溫控系統：張拉用油泵受環境溫度和張拉過程發熱影響，致使油缸活塞摩阻不斷改變，嚴重影響了液壓系統在炎熱或寒冷氣候及長期工作狀態下的穩定性，為此，系統配備自動溫控系統，在油溫升高時自動降溫，在溫度較低時自動加熱升溫，以保證液壓系統工作效能，提高控制能力。

③千斤頂回頂保護功能：自動監測千斤頂回油壓力，防止回油壓力過高造成爆頂。

(3)全面的安全防護功能

①在線故障診斷系統：系統能實時監測全部工作過程及各部件工作狀態，并及時進行故障診斷。

②報警功能：系統具有工作異常或張拉數據超差時自動停止張拉并進行報警功能。

③動態伸長值預警：系統實時計算當前鋼絞線伸長值與當前的理論伸長值進行比對。可有效地防止因數據輸入錯誤、測力或位移傳感器失準、鋼絞線滑絲斷絲而出現張拉質量事故。

④張拉力復核：通過系統自身測力傳感器與液壓傳感器之間相互校核，防止因傳感器異常導致張拉質量事故。

3 傳感器測力自動張拉系統現場應用

目前，研制的新一代的傳感器測力自動張拉系統已在高速鐵路和高速公路中得到了應用，取得了較好的效果，其完善的功能減輕了操作人員的工作強度，得到了現場操作人員的認可。在系統使用之初，進行了大量現場測試驗證，下面對其部分應用進行統計說明。

對該系統在鄭徐客專、石濟客專、京沈客專使用中的66片梁，進行了功能性和現場適用性試驗。并對張拉力與設計值的偏差值、兩端不平衡力以及兩端伸長值不同步率分別進行樣本分析，分別如圖2～圖4所示。

圖2 張拉力與設計值偏差統計圖

圖3 兩端不平衡力統計圖

圖4 兩端伸長值不同步率統計圖

現場使用統計試驗數據表明：

(1)實測張拉力偏差在0.1%～0.6%范圍內，均小于1.0%；張拉力控制準確。

(2)實測兩端不平衡力最大值為6kN，均小于20kN；兩端平衡張拉。

(3)實測兩端不同步率≤5%的樣本比例占94.0%；張拉力施加均勻。

(4)實測伸長值偏差≤6%的樣本比例占97.8%。

(5)實測鋼絞線回縮量在2～10mm范圍內，回縮量數值≤6mm、≤7mm、≤8mm的樣本比例分別為49.9%、75.0%、93.6%。

4 結語

闡述了自動張拉系統的發展歷程，重點分析了目前普遍使用的液壓式自動張拉系統存在的技術缺陷，以及新研制的傳感器測力張拉系統，并通過現場應用統計，證明了新一代測力自動張拉系統的先進性。表明新一代傳感器測力自動張拉系統適應于現場施工環境，功能齊全、設備可靠、數據可信，自動張拉管理平臺可進行張拉施工數據的信息化管理，且可明顯降低人力成本及設備管理成本，提高勞動效率，該張拉控制系統具有推廣應用前景。