橋梁預應力智能張拉設備檢測體系研制

葉建波，王建立，齊廣超，張志國

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

1 概述

橋梁預應力施工質量的控制直接關系到橋梁建設的成敗。影響預應力混凝土橋梁施工質量的因素之一就是有效預應力的控制，常見問題一種為有效預應力不足，另一種為有效預應力過度。預應力不足可能會導致梁體剛度不足下撓而開裂；預應力過度會導致橋梁上拱過度或預應力筋提前斷裂，甚至出現脆性破壞。《公路橋涵施工技術規范》實施手冊中對預應力控制不準帶來的危害進行了明確說明，并從使用和安全角度出發，指出：“為使預應力能最有效地發揮作用，就必須在結構中建立與設計值相符的、準確的預應力值。”

關系到橋梁預應力施工質量的因素很多，就施工工藝而言，除梁體強度要求達到規定的齡期及彈性模量外，預應力筋彈性模量的取值、錨具的質量、管道摩阻系數的準確度、張拉設備自身的精度等級以及張拉工藝的合理性等都會影響到預應力施工的質量，對影響施工質量的因素逐一進行控制就成了橋梁施工行業急待解決的問題。

通過對橋梁預應力諸多影響因素分析，目前影響其質量的關鍵是預應力的施加過程，無論是現行規范規定的傳統人工控制張拉方法，還是近幾年出現并普遍運用的“智能張拉”，都沒有很好地解決有效預應力控制的問題。

目前市場上張拉設備混雜，有傳統的張拉作業方式，也有國內新發展的采用“智能張拉”設備施工的方式。傳統的張拉作業方式與采用“智能張拉”設備施工的方式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。傳統的張拉方式，摻入了大量的人工干預，操作過程繁雜，測量精度低，難以保證張拉的質量，張拉效率低下。“智能張拉”方式避免了人工干預，測出的數據比傳統的張拉方式更為精準。但無論傳統的張拉作業方式還是“智能張拉”方式，多是采用液壓系統壓力進行張拉力的換算，存在著張拉力的測量方式受千斤頂摩阻變化及液壓系統穩定性影響較大的問題，需要頻繁標定，現場長期使用穩定性不好等諸多缺陷。為改進目前“智能張拉”存在的技術缺陷，最近開始采用由測力傳感器直接控制張拉力的新一代產品，這項技術隨生產實踐日趨走向成熟。但與推廣應用不相協調的是，目前還缺少對智能張拉體系進行檢驗的統一規定和檢驗方法，施工單位也不熟悉，缺少現場檢驗驗證環節，出現了張拉數據不穩定，可靠性難以得到保證，甚至因盲從推廣而導致個別工地出現因預應力張拉失控而造成的嚴重工程事故，因此，有必要建立一套智能張拉設備現場檢驗的體系和方法，以促使該項技術逐步走向規范化。

2 智能張拉設備檢驗體系

2.1 體系組成

智能張拉設備各精度檢驗在鋼制模擬梁上進行，鋼梁兩端安裝有輪輻式測力傳感器，組裝件按圖1的裝置進行安裝，鋼絞線數量應根據張拉力的預設目標值選定，鋼絞線有效長度不少于3m，鋼絞線應平行順直，工具夾片應均勻預緊。安裝時千斤頂應預伸長適當長度，以便卸頂。通過待檢驗的智能張拉系統進行自動全過程加載和持荷，并記錄數據，由傳感器記錄同時張拉力。

2.2 檢測用傳感器

根據規范對后張法橋梁預應力張拉施工質量要求的規定，要求自動張拉系統控制精度要在1%以上，國家常規的計量檢定規程要求傳感器的精度最少要高于系統顯示精度2倍以上，所以傳感器的精度要求大于0.5%。檢測用傳感器至少應比張拉用傳感器再高一個等級，因此采用輪輻式測力傳感器作為標準器具，精度0.3%F.S，量程 3000kN。傳感器必須經過國家計量部門的檢定，并在有效期內。為考察傳感器工作性能的穩定性，通過試驗進行了研究。

(1)輪輻傳感器升降溫試驗

試驗方法：

①將輪輻傳感器放入干燥箱或冰柜，升溫最高溫度設定為50℃，降溫最低溫度設定為-20℃。

②傳感器整體均勻達到設定溫度后取出，并快速與千斤頂進行組裝。

③組裝完畢加載與500t柱式傳感器反力架進行數值比對，每次進行三個循環加載。

升降溫加載對比試驗結果分別見表1和表2。

表2 降溫對比試驗(單位：kN)

由以上升溫、降溫試驗可以得出，最大相對誤差均在±1.0%以內，表明傳感器具有良好的溫度穩定性。

(2)張拉精度試驗

試驗在模擬鋼梁上進行，將兩個千斤頂A1、B1分別安裝到模擬鋼梁兩端，穿入9根鋼絞線，兩端同步張拉，分3個階段進行張拉，分別為0.4級(600kN)、0.6級(900kN)、1.0級(1500kN)，每個階段的保壓時間為60s，記錄讀數，試驗結果見表3。

試驗結果表明：輪輻式測力傳感器的力值示值與實際力值的偏差的平均值為0.71%，最大值為0.89%，其荷載準確性在1.0%以內。

表3 張拉階段對比

(3)測力傳感器偏載性試驗

分別在不同角度上，設置5mm、10mm、15mm、20mm、25mm偏心值，對應的荷載偏心系數分別為0.11%、0.16%、0.23%、0.32%、0.44%，在偏心狀態下進行加載試驗，考察輪輻式測力傳感器在偏載工況下的可靠性，加載結果見表4。

表4 偏載工況下試驗對比

試驗結果表明： 偏心加載下，穿心輪輻式傳感器測力示值與標準值之間的相對誤差最大在0.72%以內，表明偏載加載其仍具有較好的穩定性。

通過以上試驗表明：采用穿心輪輻式傳感器，具有低外型結構，測試數據穩定可靠，對作用力位置的變化不敏感，抗偏載能力較強等優點，可以在智能張拉設備檢測中應用。

3 檢測方法

3.1 張拉力示值精度檢測

張拉力示值精度表示張拉設備控制數據與目標值之間的差值，是保證張拉過程數據可靠的前提。檢測張拉力示值精度的預設目標值為不低于張拉設備額定荷載0.8倍，按預設目標值20%、40%、60%、80%、100%分5級逐級加載，其中，前4級加載到位后持荷15s，第5級加載到位后持荷3min。張拉系統自動記錄全過程的張拉力數據。重復試驗3次，分別進行示值精度評價。

智能張拉設備張拉力的示值精度通過張拉力值偏差率表示，為持荷過程中張拉力示值與目標值偏差的最大值除以目標值的百分數，用δc表示，其計算方法如下：

δc=│Xi-Pi│max/Pi×100%

式中：Xi—第i測點待校驗張拉系統的張拉力顯示值，單位：kN；

Pi—第i測點測力傳感器示值，單位：kN。

張拉力示值精度應能滿足在±0.5%以內。

3.2 張拉設備控制精度及重復性檢測

張拉設備控制精度是張拉數據穩定、不漂移波動，在重復多次加載后仍能保持穩定的性能。其間接反映的是智能張拉系統的穩定性和可靠性。在模擬鋼梁上設備安裝完畢后，輸入模擬張拉工藝參數，啟動自動張拉設備加載，模擬三階段張拉過程，進行張拉設備控制精度測試，重復5次以上。測試過程中實時記錄各階段系統張拉力值和測力傳感器的最小和最大力值，智能張拉設備張拉力指示器(測力儀示值)最小或最大示值與設計張拉力目標示值的差值的最大值除以設計張拉力目標值為控制精度。張拉設備控制精度應在±1.5%以內，判定時有一個階段不合格，即判定設備為不合格。

4 結語

根據提出的檢測及判定方法，對河北省在建高速公路開展了預應力智能張拉設備的檢測工作，通過檢測發現在用的以油壓傳感器反推張拉力的智能張拉設備無法滿足精度要求，必須采用測力傳感器方式進行控制才能達到現行《公路橋涵施工技術規范》精度要求，促進了廠家設備的升級換代，為預應力施工質量控制提供了保障。