大噸位先張法預(yù)應(yīng)力混凝土薄壁“U”形梁全自動(dòng)智能張拉技術(shù)

胡存堅(jiān)

（中鐵二十三局集團(tuán)軌道交通工程有限公司，上海 201300）

1. 工程概述

2010年，我國引進(jìn)法國的城市軌道交通先張法大噸位預(yù)應(yīng)力橋梁技術(shù)-“U”形薄壁梁，該梁型是一種全新的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，目前在國際上應(yīng)用廣泛。在引進(jìn)該梁型時(shí)研發(fā)出大噸位預(yù)應(yīng)力整體先張梁的生產(chǎn)技術(shù)，在大噸位U梁預(yù)制中引入“牽引式”工藝，但技術(shù)仍不夠成熟，人為操作流程多，影響工期工效。基于工程需要研發(fā)大噸位先張“U”形薄壁梁全自動(dòng)智能張拉系統(tǒng)，張拉噸位2000t以上，通過在深圳地鐵6號(hào)線工程上的應(yīng)用，該技術(shù)成熟先進(jìn)。

2. 傳統(tǒng)工藝概況及問題分析

（1）預(yù)應(yīng)力先張法混凝土梁預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)及施工概述。預(yù)應(yīng)力先張法混凝土梁的設(shè)計(jì)一般采用多束鋼絞線布置，由夾具固定在臺(tái)座上。在澆筑混凝土前提前給預(yù)應(yīng)力筋兩端一個(gè)設(shè)計(jì)拉應(yīng)力并固定在兩端專用承力墩臺(tái)上，待梁體混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度和齡期，放松預(yù)應(yīng)力鋼筋，預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力傳遞給混凝土梁體，以達(dá)到預(yù)應(yīng)力效果。先張法預(yù)應(yīng)力施工傳統(tǒng)工藝采用臺(tái)座兩端預(yù)設(shè)承力墩臺(tái)，使用2臺(tái)或2臺(tái)以上頂推式千斤頂尾部支撐在承力墩臺(tái)外側(cè)，千斤頂活塞缸一端頂推鋼絞線錨固橫梁。（2）傳統(tǒng)工藝存在的問題。通過對(duì)類似工程先張法工藝進(jìn)行了大量的調(diào)查和資料收集，調(diào)查過程中，我們發(fā)現(xiàn)在目前的張拉系統(tǒng)存在的問題主要有2個(gè)方面：一方面，所有的控制系統(tǒng)均設(shè)置在現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)應(yīng)的張拉臺(tái)座指定位置，且小頂初張和大頂終張的系統(tǒng)都是獨(dú)立分開的，這讓現(xiàn)場(chǎng)操作變得煩瑣，不方便現(xiàn)場(chǎng)管理，資源整合難度較大。另一方面，由于牽引式千斤頂采用液壓傳感器，油缸行程不足造成大跨度結(jié)構(gòu)或長線法施工時(shí)滿足不了預(yù)應(yīng)力筋的設(shè)計(jì)應(yīng)力伸長量，只能實(shí)現(xiàn)第二階段大頂整體張拉，張拉結(jié)束后依靠穿心式小千斤頂逐根張拉到設(shè)計(jì)噸位，延長工作時(shí)間。當(dāng)人工對(duì)每根預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行最后一階段小頂終張時(shí)，因單根預(yù)應(yīng)力筋初始力值較大，長線施工單根預(yù)應(yīng)力筋錨具和連接器較多，張拉頻率不穩(wěn)定等因素，有可能出現(xiàn)脫錨情況，存在安全隱患。

3. 全自動(dòng)智能張拉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 張拉設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

梁體預(yù)制張拉臺(tái)座主體結(jié)構(gòu)形式為水平軸壓柱式臺(tái)座，由預(yù)制臺(tái)座底板和兩側(cè)傳力柱組成。底板主要作用為使地基受力均勻，避免預(yù)制臺(tái)座不均勻沉降的發(fā)生。兩側(cè)傳力柱傳遞水平軸向壓力。預(yù)制臺(tái)座基座水平布置在彈性地基上，周圍由提梁機(jī)道路路基土體包圍，在土體的幫助下形成三維約束。結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析應(yīng)確定為側(cè)梁的偏心受壓和底板的彎曲，整體結(jié)構(gòu)是彈性地基梁的受壓彎曲構(gòu)件[1]。

梁體預(yù)制臺(tái)座總長為75m，有效長度70m。考慮到經(jīng)濟(jì)性和可用性，臺(tái)座底板為變厚度板。兩側(cè)傳力梁附近底板厚為550mm，中間厚為320mm，因?yàn)閮蓚?cè)傳遞的壓力荷載較大，中間的相對(duì)較小。兩側(cè)傳力梁截面尺寸為B（寬）×H（高）=1000mm×2060mm，既要滿足受力要求又要滿足間隙要求，以便于吊梁機(jī)吊運(yùn)梁體。由于張拉力較大，張拉鋼梁設(shè)計(jì)為箱形截面。張拉端固定鋼梁主要承受2個(gè)集中大荷載，其斷面為1000mm（寬）×1960mm（高），其主要結(jié)構(gòu)由鋼板法蘭板、厚鋼板腹板、中間2塊加強(qiáng)筋板組成，其總長度為8.0m，凈跨度（兩側(cè)傳力梁中心距）為7.0m。張拉端活動(dòng)鋼梁承受鋼絞線均布荷載，其斷面為1050mm（寬）×1500mm（高），其主要結(jié)構(gòu)由鋼板法蘭板、鋼板腹板、中間2塊加強(qiáng)筋板，鋼梁總長度為5.6m，凈跨度（2個(gè)千斤頂?shù)闹行木啵?.0m。

每個(gè)臺(tái)座均采用2個(gè)1500t千斤頂用于拉動(dòng)鋼梁。由于鋼絞線張拉力與底板水平中心線存在偏心，為了使張拉力均勻，避免鋼梁轉(zhuǎn)動(dòng)傾斜，必須先計(jì)算鋼絞線合力中心線，根據(jù)平行力系的平衡和簡化，假定合力中心位于底板的任何位置，然后所有力都向該線施加力矩以找到合力中心線。例如，可假定中心線在距第一層鋼絞線上方х處，單根張拉力設(shè)為N，則：

下矩 ：34Nх ；上矩 ：40N(75-х)+10N(150-х)+6N(225-х)。

上矩 = 下矩即 34Nх=40N(75-х)+10N(150-х)+6N(225-х)。

即90х=5850；解得：х=65mm。

亦即牽引螺桿中心線應(yīng)該與張拉力中心線相重合，張拉鋼橫梁形心也應(yīng)該通過張拉力中心線。牽引螺桿的中心線應(yīng)與張拉力的中心線重合，張拉鋼梁的質(zhì)心也應(yīng)穿過張拉力的中心線。該預(yù)制梁臺(tái)座主要承受水平方向的偏心軸向壓力，結(jié)構(gòu)受力計(jì)算模型簡化為支撐在彈性地基梁上的壓彎構(gòu)件。在結(jié)構(gòu)受力驗(yàn)算中主要是驗(yàn)算臺(tái)座及傳力柱整體穩(wěn)定性。采用有限元法分析建立模型，如圖1所示。

圖1 制梁臺(tái)座有限元分析模型

邊界條件：一般支撐中間節(jié)點(diǎn)，DX=0，DY=0，RX=0，RZ=0；所有節(jié)點(diǎn)在Z方向上加上關(guān)節(jié)彈性支撐，通過將地基（黏土）反應(yīng)系數(shù)乘以節(jié)點(diǎn)面積，得到剛度系數(shù)dZ=607500N/mm。

荷載：偏心節(jié)點(diǎn)荷載F=1.25＊16290kN=20362.5kN，自重，考慮混凝土收縮徐變影響，按規(guī)范輸入。經(jīng)穩(wěn)定性分析，制梁臺(tái)座屈曲極限載荷為189F，受壓穩(wěn)定性滿足要求。

A壓應(yīng)力驗(yàn)算：軸壓下最大壓應(yīng)力為9.9MPa，小于混凝土抗壓強(qiáng)度，滿足要求。

B變形驗(yàn)算：始節(jié)點(diǎn)的變形量為2.96mm，終節(jié)點(diǎn)變形量為2.93mm，則制梁臺(tái)座總壓縮量為5.89mm，考慮鋼筋對(duì)其約束后壓縮量小于5mm，滿足變形要求。

對(duì)于該偏心受壓構(gòu)件，梁底部產(chǎn)生彎矩，要保證U型張拉臺(tái)座的整體穩(wěn)定性，首先應(yīng)保證梁底部不發(fā)生受彎破壞。彎矩大小為：M=20362.5×0.386=7859.925kNm，每邊承受7859.925kNm/2=3929.96kNm

地梁斷面尺寸為寬度B=1000mm，高度H=2060mm。根據(jù)承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)鋼筋面積，公式如下：

式中，系數(shù)α=0.99；h0=h-as=2060-65=1995mm，as為鋼筋截面中心至混凝土受拉邊緣距離，這里取65mm；b=10000mm，?c=25.3N/mm2，?y=435N/mm2

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算得αs=0.044；

需要鋼筋截面積 As=M/(γsh0?y)=4954.03mm2，選用15Ф28,供給 As=11084mm2。

界限相對(duì)受壓區(qū)高度：

為偏于安全起見，圖集取22Ф28。按混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)e0/h0≤0.55的偏心受壓構(gòu)件可不驗(yàn)算裂縫寬度。

3.2 全自動(dòng)智能張拉系統(tǒng)原理

全智能張拉系統(tǒng)分解如表1所示。

表1 全智能張拉系統(tǒng)分解表

3.3 分級(jí)對(duì)稱張拉方案

通過初張小千斤頂對(duì)錨固在活動(dòng)剛橫梁上所有鋼束從兩端到中部對(duì)稱均勻張拉，一次性張拉到目標(biāo)力值。張拉結(jié)束后對(duì)鋼筋骨架內(nèi)的預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行障礙排查，對(duì)存在干擾的鋼筋清障后進(jìn)行初張目標(biāo)值補(bǔ)張，實(shí)現(xiàn)了基準(zhǔn)面受力均勻。

3.4 創(chuàng)新型雙頂集中同步張拉方案

通過在廠家訂制的2臺(tái)1500t取代傳統(tǒng)式多頂張拉，依據(jù)有限元受力分析，以固定剛橫梁和傳立柱取代傳統(tǒng)式剪力墻結(jié)構(gòu)，通過采用大噸位、高精度荷載傳感器和磁致式伸縮位移傳感器實(shí)現(xiàn)智能化同步張拉。

3.5 PLC主控系統(tǒng)研發(fā)

利用以太網(wǎng)結(jié)合遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控和PLC綜合控制系統(tǒng)，利用PLC穩(wěn)定可靠、價(jià)格低廉、功能齊全及操作維護(hù)簡便等優(yōu)點(diǎn)設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)獨(dú)立的張拉控制室。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和要求開發(fā)了專業(yè)的預(yù)應(yīng)力施工PLC控制系統(tǒng)。PLC液壓同步系統(tǒng)基于力和位移的雙閉環(huán)控制。千斤頂根據(jù)實(shí)際荷載準(zhǔn)確平穩(wěn)張拉，確保張拉過程中結(jié)構(gòu)安全。控制系統(tǒng)由軟件和硬件組成。硬件包括上位機(jī)、下位機(jī)、電控箱和視頻監(jiān)控系統(tǒng)。智能張拉系統(tǒng)通過電腦計(jì)算機(jī)控制張拉油泵和張拉千斤頂，利用自研軟件在計(jì)算機(jī)上可視化操作、窗口簡潔、簡單易用。系統(tǒng)中測(cè)力傳感器和位移傳感器實(shí)時(shí)反饋傳輸數(shù)據(jù)，系統(tǒng)同步存儲(chǔ)施工過程數(shù)據(jù)。按規(guī)范要求應(yīng)以張拉力值為控制為主，以鋼絞線伸長量為為輔校核，達(dá)到雙控制目的。智能張拉系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取張拉設(shè)備的張拉力值和鋼絞線的伸長量，經(jīng)分析計(jì)算后再把控制指令發(fā)送給張拉設(shè)備，各子系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)，根據(jù)預(yù)設(shè)的張拉力值和施工步驟自動(dòng)完成整個(gè)張拉過程，無需人為過多干預(yù)。上位機(jī)安裝在主控制室內(nèi)，并在計(jì)算機(jī)配置界面上監(jiān)控所有張拉系統(tǒng)，它有手動(dòng)和自動(dòng)操作。在自動(dòng)模式下整個(gè)千斤頂可同步調(diào)整。可實(shí)現(xiàn)各千斤頂張緊的精確自動(dòng)或手動(dòng)控制，位移同步或壓力同步控制，具有千斤頂壓力和位移顯示，可設(shè)定壓力和位移值，可設(shè)定壓力和位移誤差范圍，并具有報(bào)警功能和誤操作聯(lián)鎖。 預(yù)應(yīng)力自動(dòng)張拉控制力值精度可達(dá)±1.5%。

3.6 智能油泵研發(fā)

該泵站由高壓閥組、低壓閥組、高壓泵組、低壓泵組、電動(dòng)機(jī)、濾油器、液位計(jì)、油箱、壓力表、壓力傳感器、分控柜等組成。泵站同時(shí)滿足小頂初張和大頂終張，終張拉千斤頂由高壓閥組控制，初張拉千斤頂由低壓閥組控制。將小頂?shù)牡蛪洪y組、低壓泵組、電動(dòng)機(jī)和大噸位千斤頂高壓閥組、高壓泵組合并，同時(shí)控制，泵站同時(shí)滿足小頂初張和大頂終張，終張拉千斤頂由高壓閥組控制，初張拉千斤頂由低壓閥組控制。通過與PLC控制柜兼容，設(shè)置液晶可觸摸顯示屏實(shí)現(xiàn)泵站獨(dú)立智能操控。通過無線遙控簡化初張煩瑣的張拉過程。

4. 方案實(shí)施驗(yàn)證

在研發(fā)團(tuán)隊(duì)的共同努力下整套系統(tǒng)于2016年04月26日正式投產(chǎn)使用，成功解決了第三階段人工手動(dòng)張拉的問題，縮短了張拉時(shí)間，減少了施工人員數(shù)量。實(shí)現(xiàn)了全過程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和整合，杜絕人為改動(dòng)，確保張拉數(shù)據(jù)真實(shí)有效，解決了預(yù)應(yīng)力筋脫錨情況的發(fā)生，杜絕了安全事故的發(fā)生，確保了施工質(zhì)量。通過專業(yè)化管理實(shí)現(xiàn)了張拉作業(yè)人員只需在主控室就可對(duì)整個(gè)梁場(chǎng)進(jìn)行張拉施工作業(yè)。

5. 成果應(yīng)用

本技術(shù)已在深圳市城市軌道交通6號(hào)線6101標(biāo)U梁預(yù)制工程中成功應(yīng)用，已經(jīng)申請(qǐng)了多項(xiàng)實(shí)用新型專利。研發(fā)團(tuán)隊(duì)這次攻關(guān)解決了傳統(tǒng)大噸位先張法張拉的專業(yè)化、智能化問題，形成了可復(fù)制可推廣的寶貴經(jīng)驗(yàn)。應(yīng)用項(xiàng)目作為第一家在深圳工廠化生產(chǎn)預(yù)制先張“U”形薄壁梁的項(xiàng)目，而且又是第一次實(shí)現(xiàn)如此大噸位全自動(dòng)智能化張拉施工，得到業(yè)主單位深圳地鐵集團(tuán)以及中國鐵建南方投資有限公司的高度肯定，在深圳衛(wèi)視新聞聯(lián)播中傾力推廣。