基于智能建造的裝配式T梁智能張拉流程優化研究

摘要 文章依托安徽交控工業化建造有限公司工程實例，對其T梁構件在預應力束智能張拉過程中的張拉質量進行理論與試驗研究，得出合理的控制張拉流程。介紹了預應力智能張拉系統的工作原理及其實施過程，指出采用智能張拉系統是保證張拉質量的主要控制因素，并開展預制T梁構件的單梁張拉試驗，研究不同張拉流程對構件起拱度的影響程度，通過建立有限元模型進行起拱度校核，得到最佳的張拉施工控制參數，使得T梁構件的張拉質量滿足要求。

關鍵詞 裝配式T梁；預應力；智能張拉；施工技術；起拱度；試驗研究

中圖分類號 U445.4 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）13-0005-04

0 引言

目前，我國正在向交通強國邁進，公路橋梁建造技術也迎來了新發展。裝配式建造技術因其施工簡便、周期短、低碳環保的顯著特點深受橋梁工程師們青睞，尤其是裝配式T梁現已在大型公路橋梁建設中得到廣泛應用[1-2]。在構件的整個預制流程中，作為對預制T梁構件整體質量影響極為重大的預應力張拉工序，不僅要保證張拉控制的精度，確保構件內部有效預應力數值滿足規范與設計要求，還需要保證構件的耐久性滿足施工以及運營要求，選取合理的預應力張拉流程與工藝，使得預制構件由預應力張拉引起的起拱度處于合理范圍內。因此，為提高構件的整體質量，有必要開展裝配式T梁的智能張拉控制工藝研究。

目前，相比于人工張拉預應力束而言，智能張拉的方法避免了張拉過程中控制數值實施不精準、張拉效率低下、各片預制構件間起拱度偏差過大等問題。我國學者對智能張拉控制系統在橋梁工程中的應用持續開展了大量研究[1-5]。智能張拉系統也已逐漸成為橋梁工程領域中預應力張拉的主流方法，但是對智能張拉的流程及工藝進行優化使預制構件的耐久性和質量提高這方面的研究仍然較少，對智能張拉流程進行優化對指導實際工程具有較大的研究必要。

該文以安徽省交控工業化建造有限公司工程為例。該公司先后建立了一批國內先進的、高精度橋梁混凝土預制構件智能化生產線，如舒城和桐城高速公路智能化梁廠。為了研究智能張拉流程工藝的改變對預制T梁構件質量的影響關系，該文在介紹該項目在智慧梁場中所采用的智能張拉系統的基礎上，選取6片25 m預制T梁進行試驗，研究不同的張拉流程以及張拉順序對起拱度數值的影響大小，以防止起拱度過大或過小導致的預制構件質量，并與有限元模型進行相互校核，對張拉流程工藝進行優化，得到最優的張拉方案，并應用在預制混凝土T梁生產中。

1 工程概況

德州至上饒高速公路合肥至樅陽段項目北接德州至上饒高速公路淮南至合肥段，南連池州長江公路大橋段，項目路線全長134.158 km，采用全立交、全封閉、高速公路等級；設計速度為120 km/h；雙向4車道設計標準，橋涵設計汽車荷載等級均采用公路－Ⅰ級，由于全線橋梁較多，故輕型T梁等構件采用集中預制，其中輕型T梁生產線預制廠建成智能化梁場，依托質控平臺與智慧梁場進行預制T型梁構件的協同質量控制。與傳統梁場相比，采用全工廠化集中生產，施工快捷；技術成果在合樅高速上全線應用56座，長度近15 km，較傳統結構節約造價約5 300萬元。

如圖1所示，該預制混凝土T梁，跨徑為25 m，每一標準斷面上布置4片，梁高為1.6 m，采用直徑15.2 mm低松弛高強度預應力鋼絞線。共有4類共6束鋼束，其中N1采用8×15.2 mm的鋼絞線，N2采用4×15.2 mm的鋼絞線，N3采用6×15.2 mm的鋼絞線，N4采用4×

15.2 mm的鋼絞線。

智慧梁場同時采用了智能化張拉設備，排除了張拉過程中人工干預及量測誤差的影響，大大提高了張拉工作效率。但整束張拉完成后預應力束實際損耗率為多少并沒有去檢測，因此為進一步提高試件質量，需對智能張拉流程工藝進行深入優化。

2 智能張拉施工技術

2.1 智能張拉控制系統

智能張拉系統可分為智能千斤頂、智能張拉儀以及控制計算機3部分，其施工張拉流程如圖2所示。該系統以預應力束的張拉力為控制指標，并同時以預應力束的伸長值作為檢驗指標，以達到“雙控”目的。

智能張拉系統中的控制流程如圖2所示，整個智能張拉系統控制流程只需人工輸入雙控數值以及張拉方案，其余步驟皆由智能張拉系統自主完成，操作簡單，界面人性化，適應各種施工場地環境。

2.2 預制T梁構件智能張拉質量控制

在預應力混凝土張拉工藝這一環節中，因為張拉過程流程較長，各因素之間的影響相互耦合，導致張拉過程中各預應力束應力變化情況復雜，難以通過目視或設備對各預應力束的最終有效預應力值進行檢測，故而必須針對預制T梁梁場設備與場地的實際情況，通過必要的規范操作來保證張拉質量。主要的規范操作如下：

（1）預應力管道的位置必須嚴格按坐標定位并用定位鋼筋固定，嚴防錯位和管道下垂。澆筑前應檢查波紋管是否密封，防止澆筑混凝土時阻塞管道。

（2）預制輕型T梁必須待預制梁混凝土立方體強度達到設計強度的90%時，且齡期不少于7 d后，方可張拉預應力鋼束。

（3）鋼束張拉完畢后，孔道用專用壓漿料或專用壓漿劑配制的漿液，制成40 mm×40 mm×160 mm棱柱試體，標準養護28 d后測得抗壓強度不低于50 MPa。

（4）預制輕型T梁采用深埋錨施工前需預埋鋼套筒，且應核實套筒未堵住壓漿孔。

（5）施加預應力應采用張拉力與引伸量雙控。當預應力鋼束張拉達到設計張拉力時，實際引伸量值與理論引伸量值的誤差應控制在6%以內。

（6）輕型T梁預應力鋼束張拉必須采取措施以防梁體發生側彎，案例工程采用兩端張拉，張拉順序為N1-N2-N3-N4-N3-N4鋼束，按照從中間往兩側交替對稱張拉。

3 智能張拉流程優化試驗設計研究

3.1 試驗設計

為了使預制T梁構件在預應力張拉這一重要制作步驟中具有更好的質量，保證構件間的起拱度偏差不致過大從而削弱整體性能，保證不影響后續橋面鋪裝層的施工以及正常運營時的耐久性，為此設計單梁張拉試驗，以研究不同張拉流程與起拱度值的關系，從而確定最適合的智能張拉工藝流程。參考相關文獻以及以往工程實際經驗，共設計了2種不同的張拉流程方案，每個方案各設計3片梁試驗。在確保兩個方案的有效預應力值都符合規范要求的前提下，方案一張拉流程采用一次張拉到位；方案二采用三級張拉的張拉流程。

3.2 起拱度測點布置

張拉方案設計如表1所示，為了準確地分析張拉過程中起拱度的變化情況，在單梁梁底的l/4、跨中、3l/4以及地壟處各布置2個百分表，其測點布置如圖3所示，布置位置距單梁截面中心線0.4 m，共計10個試驗測點。

在張拉鋼束前記錄百分表的初始數據，并分別在N1、N2、N3、N4鋼束張拉后記錄一次數據，之后則在每30 d的8：00以及20：00時刻記錄一次起拱度數據，共計記錄90 d。

3.3 有限元模型建立

用Midas Civil軟件建立單梁有限元模型，在施工階段分步激活預應力束來模擬實際張拉過程，添加不同的天數時間來模擬存梁階段。邊界條件按照簡支支撐來設置。有限元模型所得結果設置為反拱度理論值，后續與實測值之間進行對比分析。輕型預制T梁的起拱度模型如圖4所示。

4 試驗結果分析

4.1 鋼束張拉反拱值

如圖5所示，首先進行鋼束張拉過程中兩種張拉工況的反拱度值對比分析。

在前述實驗設計中，為了避免試驗中的各種誤差對結果產生干擾，每種工況都使用了3片梁進行試驗。該節的各個測點反拱度最終取值皆為將同一工況下3片梁的各個測點結果取均值而得來。在求均值計算的過程中發現，一次張拉到位工況下3片梁之間的數據方差較大，而分級張拉工況下3片梁之間的數據方差則較小。由此可以說明對預應力采用分級張拉可以減小各片梁之間的反拱度偏差值，使各單梁間的反拱度趨于一致，有助于保證預制T梁在安裝完成后，各T梁間因變形差距引發的內力不致過大。

由圖5可知，反拱度 值隨著各個預應力束的張拉在持續變大，其中張拉N1、N2、N3時反拱度變化較小，張拉N4后起拱值明顯增大，說明隨著已張拉鋼束數目的增加，越往后張拉鋼束導致的反拱度變化會越來越明顯，且分階段張拉所引發的反拱度值始終大于一次性張拉，兩種工況間的反拱度差值也隨著已張拉鋼束的增加而增加。在其他條件相同的前提下，兩種工況之間分階段張拉工況的反拱度數值較大，說明分階段張拉工況下預應力束的有效預應力值大于一次張拉工況。

4.2 累計反拱值

從圖6可以看出，隨著存梁時間的增加，兩種張拉流程下輕型預制T梁的反拱度實測值與理論值變化規律都是先快速增長，隨后在30 d后逐漸趨于平緩。整體而言，分級張拉工況下反拱度與存梁天數之間的斜率要緩于一次張拉。

對比存梁0 d時的反拱值與存梁9 d天時的反拱值之差，發現分級張拉試驗梁的反拱度差值稍大于一次張拉的情況，達7.2%，說明分級張拉的有效預應力值大于一次張拉，從而導致混凝土的徐變收縮量更大，反拱度更大。

對比一次張拉以及分級張拉兩種工況的反拱度值變化情況，不難發現一次張拉下l/4與3l/4處的反拱度差值較大，而分級張拉工況下l/4與3l/4處的反拱度差值較小，這都說明分級張拉可以有效減小鋼束的預應力損失，使得鋼束應力在整個長度上分布得更加均勻。

由于有限元模型的局限性，無法完全模擬實際工程情況，從而理論值大于實測值10%左右，可認為有限元模型的模擬較為貼合實際情況。

a）一次張拉工況下實測反拱度與理論反拱度對比

b）分級張拉工況下實測反拱度與理論反拱度對比

4.3 不同工況反拱值對比

如圖7所示，為存梁90 d后兩種張拉工況下試驗梁全長范圍下的反拱度變化對比情況。

從圖7可以直觀看出，存梁90 d后分階段張拉工況下的反拱度值要稍大于一次張拉工況的反拱度值，表明存梁90 d后分階段工況的有效預應力值要更大；一次張拉會導致預應力損失量變大，從而不利于結構在實際正常使用中的承載能力，降低結構的耐久性。

5 結論

（1）相比于傳統人工張拉預應力束，智能張拉減小了張拉誤差，降本增效。

（2）預制T梁隨著預應力鋼束已張拉數目的增加，之后的預應力束張拉引起的反拱度會逐漸增大，建議采取一定措施以減小該影響。

（3）對比一次張拉以及分階段張拉兩種工況的反拱度值，發現兩個工況間的分階段張拉的反拱度值稍大，但兩者間相差比例僅在7.2%以內，且分階段張拉工況無論是在反拱線形以及反拱誤差上均優于一次性張拉工況，故在梁場預制時均采用3階段張拉的方法來指導預應力束張拉錨固。

（4）跨徑25 m預制T梁反拱度若超過10 mm，應采取控制措施，故在存梁期通過壓重的方式來設置向下的二次拋物線反拱。

參考文獻

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