智能張拉與壓漿系統在后張法現澆混凝土連續箱梁施工中的應用

王 黎 陳 磊

中億豐建設集團股份有限公司 江蘇 蘇州 215131

1 智能張拉與壓漿系統的原理及構成

1.1 工作原理

智能張拉與壓漿系統分為張拉與壓漿2個系統 。

智能張拉系統是指通過計算機智能控制及無線信息技術，自動實現鋼絞線張拉的新型施工技術。計算機可預先設定好程序，同步控制每臺設備的機械動作。通過千斤頂上的精密傳感器，實時采集鋼絞線張拉應力和伸長量等數據，反饋給系統主機進行分析，并發出指令對油泵實時調控，以實現張拉過程的精確控制。由于該技術全程不依靠工人手動控制，因此大大消除了施工中的人為誤差影響。

智能壓漿系統采用真空輔助壓漿技術。先用真空泵將預應力孔道里的空氣抽走，然后用壓漿泵將水泥漿體連續壓入孔道至另一端。孔道里沒有空氣則不會使漿體產生氣泡，而壓差可進一步增大漿體密實度，從而提升強度。

1.2 系統構成

智能張拉系統由智能張拉儀、智能千斤頂和計算機控制平臺3個部分組成（圖1）。

圖1 智能張拉系統示意

智能張拉儀是整個系統的動力裝置，可同時控制2臺千斤頂。張拉儀通過無線與計算機連接，進行信息接收與反饋，精準實現預設命令。智能千斤頂搭載高精度的電子位移傳感器和壓力傳感器，可精確測量出鋼絞線伸長量及千斤頂輸出力值，確保施壓更準、誤差更小。計算機控制平臺通過網絡將張拉儀連接，可實時獲取張拉數據，并經過計算分析，及時發出控制指令。

智能壓漿系統主要由真空裝置與壓漿裝置兩部分組成（圖2）。

1.3 主要優勢

圖2 智能壓漿系統示意

1）全程自動，同步率高。傳統人工張拉時，1臺油泵只能控制1臺千斤頂，而要使用2臺以上的千斤頂進行同步張拉時，只能靠對講機聯絡，真實同步率很難保證；智能張拉技術則采用計算機同時聯網多臺設備，無線傳輸數據信息，延遲率不超過3 ms，真正實現“多頂同步”。

2）張拉應力精度更高。傳統人工張拉時，應力數據需要人工讀出，存在一定的誤差，且油表本身刻度值精度不高（1 MPa），加之機器運行時的振動會進一步影響到讀數的準確性，往往誤差在±13%左右；而智能張拉時，應力值由高精度的壓力傳感器采集并與計算機實時同步，精度可控制在1%以內，較傳統人工張拉技術提升了10倍[1-2]。

3）鋼絞線伸長量控制更精準。傳統人工張拉一般是用鋼尺來測量鋼絞線伸長量，精度最高也只能達到1 mm；智能張拉系統采用了電子位移傳感器，其精度可控制到0.01 mm，比人工張拉整整提高了百倍。同時，當系統檢測出鋼絞線伸長量不合格時還會自動報警，真正實現雙控。

4）數據真實，過程溯源。人工填寫的數據免不了有造假之嫌，且追溯性很差。智能張拉技術中的所有數據均來自系統的實時采集，計算機自動計算并記錄、打印，不僅確保了原始記錄的真實性，也可隨時回放再現張拉過程，便于存檔與調取。

5）節省成本，經濟效益高。在傳統人工張拉過程中，一般要配備6個人，2人負責操作設備，2人負責測量，另外2人負責記錄；而采用智能張拉只需單人操控計算機即可，省工省時、質量更好，經濟效益自然非常顯著。

6）漿體更密實，強度有保障。傳統壓漿工藝由于孔道中有大量空氣，與漿體混合后極易形成空隙，不僅會使水泥漿與鋼絞線的握裹力大大削弱，還會在結構內積水造成鋼筋腐蝕及凍脹裂縫，引發嚴重的安全隱患。而采用智能真空輔助壓漿系統，由于孔道內預先抽走了空氣，故漿體不會形成氣泡，而孔道與泵的壓差還會進一步使壓漿更為密實，硬化后的強度自然得到了顯著提升。

2 工程應用

2.1 工程概況

蘇州524國道城鎮化工程（相城區段）呈南北走向，橫貫相城區高鐵新城和渭塘鎮，設計范圍南起京滬高鐵北側地面道路，起點樁號K5+531.173，沿現狀524國道布線，終點至鳳陽路以南，接高鐵新城快速路連接線工程新建段，終點樁號K13+615，線路全8.084 km。

本工程計劃工期549 d，標段內共有現澆箱梁36聯，分別為主線高架橋28聯、A匝道2聯、B匝道2聯、C匝道2聯、D匝道2聯，項目共計底腹板預應力4 094束，頂板預應力6 363束。

2.2 智能張拉步驟及控制點

2.2.1 準備工作

張拉施工之前，應將所有配套的鋼絞線、錨具、夾片等材料按要求進行強度、外形、尺寸、力學性能等檢驗。油壓表等檢測設備應校驗合格。現場操作人員可配備2～3人，1人在控制站負責操作電腦，其余人負責監測張拉過程。所有人均應接受完整的技術交底。

控制站的位置宜選在不影響現場施工且無陽光直射的區域，一般可設置在待張拉梁板的側面，張拉儀和千斤頂則分別布置在兩側張拉端，便于控制站同時觀測梁板兩端張拉過程。

2.2.2 張拉設備安裝

首先將鋼絞線下料并穿束。注意鋼絞線的切割必須使用薄片砂輪機，防止“散頭”或“毛頭”，外露長度應比千斤頂的工作長度多200 mm。將工作錨板套上并推至錨墊板處固定。如果施工環境較為干燥，最好在錨板錐孔內涂上一層黃油。安裝工作夾片前，應將每副夾片用鋼圈箍起來，然后用手輕輕推進錨板錐孔。

接著是限位板的安裝，限位尺寸應根據鋼絞線的規格確定。然后裝設千斤頂，注意前端止口要與限位板對準。工具錨和工作夾片安裝時要確保與前端張拉端錨具對正，使孔位排列一致，防止鋼絞線交叉扭結。工作夾片裝好后應用工具輕敲卡緊。

為了保證張拉過程中設備的穩定及安全，還宜設置張拉操作臺和防護板。操作臺一般可以做成一個緊靠梁體兩端的鐵架，上面用導鏈懸掛千斤頂。防護板是為了防止錨具彈出傷人，應在千斤頂周圍2 m內設置。

最后將千斤頂的油管、油表與油泵電源連接，開始進行通信測試，配置無線網絡。

2.2.3 智能張拉系統的設置

在智能張拉系統中，張拉過程是完全通過程序自動控制的，因此保證張拉質量的關鍵在于參數的設置。

首先是項目信息的設置，可根據面板要求選擇性填寫工程名稱、施工單位、梁型、梁號等信息，這部分盡量填全，以保證后續報表輸出時的信息完整。

接著設置張拉參數，控制界面一般分為“基本參數”“系統參數”“橋梁參數”“回歸方程”“位移校準”和“壓強校準”等菜單頁面，可以依次在相應面板中輸入張拉模式、梁孔參數、張拉力、超張比例、理論伸長量、回歸方程、起點位置、起始壓強以及量程等參數信息。其中，張拉力與伸長量的數據尤為重要，需預先計算得出。

2.2.4 啟動張拉系統

鋼束張拉時應分段依次加載應力。在張拉過程中，智能張拉系統會通過千斤頂上的精密傳感器分別對張拉力、伸長量、油壓以及位移等數據進行監測，實時采集數據，分析誤差率并生成相應的曲線。當系統監測到實際伸長量與理論值偏差超過允許范圍時將立即報警并停止張拉；而當張拉力低于90%時，系統又會自動補張。這就實現了“雙控”。

完成張拉后，在“歷史數據”頁面中可以查看剛才張拉記錄中的詳細數據，還可以通過搜索功能查找過去保存的某一條歷史記錄數據表格，并導出表格。

2.3 智能壓漿步驟及控制點

本工程中采用智能真空輔助壓漿工藝。先將真空泵與出漿端閥門連接，并關閉入漿端閥門，抽氣至負壓 -0.06～-0.10 MPa。開啟壓漿機將積水、空氣及其他殘留物排出，并用管道與錨墊板的壓漿孔連接。開啟壓漿端閥門開始注漿，并檢查負壓容器內水泥漿的稠度，達標后暫停真空泵和壓漿機。打開排氣閥后繼續壓漿，當泥漿稠度達標后關閉排氣閥。在0.7 MPa的壓力下保持壓漿3 min，最后關閉設備完成壓漿。

為進一步保證壓漿效果，還需做好以下幾點的控制：

1）設備的選用與連接。真空泵宜選用水環式真空泵，并設氣水分離裝置和漿體過濾貯存器；壓漿泵宜采用螺桿式灌漿泵，可連續注入漿體，限制空氣的混入，而傳統活塞式壓漿泵則因為活塞缸氣密性差且出口壓力波動大而不再推薦選用；攪拌機選用的合適與否與拌制漿體的均勻性息息相關，通過多次的現場實踐發現，采用強制性攪拌機拌制的漿體均勻性更好，不易發生離析及析水；另外，所有進、出口處的閥門均必須嚴格滿足氣密性要求，連接管應采用透明管，以便隨時觀察漿體。

2）漿體材料的選擇及配比設計。漿體由水泥、水及外加劑配比而成，水泥應選用強度標號425以上的普通硅酸鹽水泥，水中硫酸鹽及氯鹽質量分數分別不得大于0.1%和0.5%，外加劑則采用專用漿體外加劑。漿體的配比設計是壓漿工序的關鍵，為確保漿體的和易性及密實度，減少孔隙及離析等現象，可適當降低水灰比（0.3～0.4），漿體攪拌或壓漿時溫度應控制在5～35℃之間，拌和3 h后泌水率應小于2%并在24 h后被完全吸收。初凝時間3～4 h，稠度以10～25 s為宜，體積變化率應控制在2%以內。

3）壓漿過程的控制。壓漿順序應先下后上，每個孔道須一次壓漿完成，不能中斷。在壓漿過程中要密切觀察出漿孔道是否飽滿出漿。每一工作班按要求制取不少于3組試件（每組3個40 mm×40 mm×160 mm樣品），標準養護28 d，抗壓強度不得低于設計規定。

2.4 效果分析

張拉完成后，系統會自動生成質量檢驗報告單，以現澆梁第七聯腹板鋼束N1為例，張拉后鋼絞線實際伸長量與設計伸長量誤差率基本控制在2%左右，遠小于6%的限值，效果還是非常顯著的。壓漿密實度檢測采用SH-GT灌漿質量檢測儀，依據彈性波檢測原理，通過分析鋼束傳播信號的參數變化，判定孔道灌漿密實度。如注漿飽滿，則阻抗增大，波形振幅將會呈現均勻衰減；反之注漿不密實，則阻抗減小，波形振幅將會畸變。通過檢測，本工程采集的彈性波呈規律性變化，未出現突變，可判定漿體密實性較好。

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6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%，更可節約人工600元/d，一年即可降低人力成本約20萬元。另外，在壓漿工藝上，傳統壓漿工藝必須采用昂貴的高性能壓漿劑，智能真空輔助壓漿工藝對特殊壓漿材料并不依賴，可減少材料成本近30萬元。

更重要的是，采用了智能張拉及壓漿系統后，能從源頭上消除預應力張拉不合格以及管道壓漿不密實導致的橋梁通病，顯著提升混凝土構件預應力體系的牢固度，延長結構使用壽命，確保橋梁結構與人民群眾的安全，這一層的效益是難以估量的。

3 結語

通過智能張拉及壓漿系統在蘇州524國道城鎮化工程（相城區段）預應力混凝土現澆箱梁施工中的應用，各項數據結果表明應用成效非常顯著。最高伸長量偏差控制在2%～3%，有效消除了傳統張拉方式下精度低、同步率差的人為影響，通過自動化保障了過程中張拉力及伸長量的精準“雙控”，施工質量得到了極大提升。而采用了智能壓漿系統后，漿體密實度得到了有效保障，消除了空隙引起的安全隱患，不僅保障了橋梁結構的安全性及耐久性，還提高了施工效率，降低了各類成本。

[1] 宗愛榮.橋梁工程施工中預應力管道壓漿工藝控制[J].科學家,2017 (17):180-181.

[2] 林路宇.預應力智能張拉系統在現澆箱梁中的應用[J].四川建材, 2015,41(2):217-218.