鐵路箱梁預(yù)應(yīng)力自動(dòng)張拉技術(shù)研究

肖祥淋，馬林，朱希同，王樂(lè)然

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

鐵路箱梁預(yù)應(yīng)力自動(dòng)張拉技術(shù)研究

肖祥淋，馬林，朱希同，王樂(lè)然

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

為克服傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力施工方法的缺陷，研制了鐵路橋梁預(yù)應(yīng)力自動(dòng)張拉系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力自動(dòng)化平衡張拉及精確施加，并用伸長(zhǎng)量來(lái)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)和調(diào)控，具有張拉、持荷、錨固全過(guò)程智能控制，數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸?shù)裙δ堋，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明:張拉力偏差＜0.5%、伸長(zhǎng)值偏差＜6%、兩端不平衡力＜5 kN。與傳統(tǒng)張拉工藝相比，應(yīng)用該系統(tǒng)可顯著提高工作效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

鐵路橋梁 預(yù)應(yīng)力 自動(dòng)張拉 控制

混凝土橋梁的預(yù)應(yīng)力施工質(zhì)量決定了橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性和運(yùn)營(yíng)安全性。預(yù)應(yīng)力張拉控制出現(xiàn)偏差會(huì)引起梁端錨固端局部開(kāi)裂、梁體中部橫向開(kāi)裂、沿縱向扭曲不均勻起拱、預(yù)應(yīng)力筋斷裂等現(xiàn)象，進(jìn)而造成預(yù)應(yīng)力失效甚至結(jié)構(gòu)破壞。

我國(guó)鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土梁主要采用后張法施工，采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線和夾片式錨固體系。傳統(tǒng)施工工藝為預(yù)應(yīng)力筋兩端的張拉設(shè)備獨(dú)立工作，通過(guò)人工測(cè)讀液壓表手動(dòng)操控油泵進(jìn)行張拉。通過(guò)讀取壓力表的油壓換算出張拉力;使用鋼板尺人工測(cè)量張拉伸長(zhǎng)值。傳統(tǒng)后張法基本為人工操作，施工過(guò)程復(fù)雜，由于受到張拉系統(tǒng)測(cè)力方式、系統(tǒng)摩阻、控制精度、作業(yè)人員操作差異等的影響，預(yù)應(yīng)力控制精度低、施工數(shù)據(jù)離散度大、記錄數(shù)據(jù)真實(shí)性差、張拉效率低，難以保證預(yù)制梁的施工質(zhì)量。另外，千斤頂、油表校正周期短，需在監(jiān)督部門頻繁進(jìn)行校正，即增加施工成本又影響生產(chǎn)進(jìn)度。為了徹底克服傳統(tǒng)后張法的諸多弊端，研制了高精度、智能化的預(yù)應(yīng)力自動(dòng)張拉系統(tǒng)。此外，施工信息化管理已成為鐵路橋梁現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展方向，自動(dòng)張拉系統(tǒng)提供了施工數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、傳輸功能，能夠?qū)崿F(xiàn)與鐵路工程管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 組成及功能

1.1 系統(tǒng)組成

預(yù)應(yīng)力自動(dòng)張拉系統(tǒng)包括機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)、傳感器測(cè)量系統(tǒng)、智能張拉控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)5部分，具體組成如圖1所示。

圖1 自動(dòng)張拉系統(tǒng)組成

所研制的預(yù)應(yīng)力自動(dòng)張拉系統(tǒng)采用穿心輪輻式壓力傳感器測(cè)量張拉力，拉線式位移傳感器測(cè)量伸長(zhǎng)值，配置高性能電磁閥的液壓系統(tǒng)作為動(dòng)力加載。該系統(tǒng)應(yīng)用工業(yè)可編程控制器(PLC)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并輔助于計(jì)算機(jī)進(jìn)行過(guò)程控制和數(shù)據(jù)管理。此外，該系統(tǒng)還具有油溫控制、油壓保護(hù)、智能診斷及報(bào)警等功能。張拉系統(tǒng)的主機(jī)柜、副機(jī)柜分設(shè)于梁體兩端，機(jī)柜之間以總線型數(shù)據(jù)線連接并通訊，通過(guò)計(jì)算機(jī)預(yù)設(shè)張拉工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程智能預(yù)應(yīng)力張拉。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 系統(tǒng)功能

預(yù)應(yīng)力自動(dòng)張拉系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)橋梁預(yù)應(yīng)力施工的張拉、靜停、錨固全過(guò)程自動(dòng)化;對(duì)預(yù)應(yīng)力施工過(guò)程進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)控制，精準(zhǔn)控制張拉力和預(yù)應(yīng)力筋的伸長(zhǎng)值;對(duì)施工結(jié)果進(jìn)行信息化管理，數(shù)據(jù)自動(dòng)儲(chǔ)存且不可更改，確保施工數(shù)據(jù)真實(shí)有效，保證預(yù)施應(yīng)力準(zhǔn)確和結(jié)構(gòu)安全，提高施工管理水平和勞動(dòng)效率。預(yù)應(yīng)力自動(dòng)張拉系統(tǒng)的主要功能包括:①梁體兩端自動(dòng)平衡、同步張拉，精確調(diào)控張拉力值;②張拉力與伸長(zhǎng)值的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)控，嚴(yán)格執(zhí)行雙控標(biāo)準(zhǔn);③施工數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)記錄、圖表分析，歷史數(shù)據(jù)查看與追溯;④通過(guò)無(wú)線傳輸系統(tǒng)及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，遠(yuǎn)程傳輸施工數(shù)據(jù);⑤與鐵路工程管理平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和指令控制;⑥通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)，對(duì)張拉系統(tǒng)進(jìn)行智能標(biāo)定;⑦智能化人機(jī)交互功能，便于參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)分析;⑧輔助控制系統(tǒng)確保設(shè)備安全和施工安全。

圖2 自動(dòng)張拉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)研發(fā)

2.1 機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)

機(jī)械動(dòng)力液壓系統(tǒng)主要包括液壓泵站和千斤頂兩部分。液壓站是獨(dú)立的液壓裝置，通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置控制供油的方向、壓力和流量;千斤頂為液壓驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力作用裝置。液壓系統(tǒng)核心部件包括高壓截止閥、電磁閥和徑向柱塞泵。液壓系統(tǒng)的工作壓力＞35 MPa，采用超高壓截止閥的模式解決液壓系統(tǒng)的可靠性和耐久性問(wèn)題。已有研究及應(yīng)用情況表明，超高壓截止閥液壓系統(tǒng)具有控制精度高、持荷穩(wěn)壓性能好、耐久、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。其關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)如下:

1)截止式換向閥性能較穩(wěn)定，不受液壓系統(tǒng)中常見(jiàn)的微小雜質(zhì)影響，滿足張拉過(guò)程的加載、穩(wěn)壓、持荷、回頂?shù)炔僮饕?。截止閥的壓力儲(chǔ)備較大，零位時(shí)，靜態(tài)過(guò)載壓力可達(dá)最大工作壓力的2倍。截止閥的油路通、斷連續(xù)過(guò)渡，保證了壓力輸出的穩(wěn)定性。

2)徑向柱塞泵比軸向柱塞泵耐沖擊，壽命長(zhǎng)，控制精度高，控制壓力高，最大壓應(yīng)力為70 MPa。

2.2 傳感器測(cè)量系統(tǒng)

傳感器測(cè)量系統(tǒng)的核心部件主要包括力傳感器、位移傳感器，輔助部件包括液壓傳感器、溫度傳感器。力傳感器直接測(cè)量張拉力的大小，位移傳感器測(cè)量預(yù)應(yīng)力筋的伸長(zhǎng)量。輔助測(cè)量系統(tǒng)的液壓傳感器作為張拉力的校核，溫度傳感器用來(lái)測(cè)量液壓油溫和環(huán)境溫度。各傳感器均通過(guò)PLC控制的智能模塊相對(duì)獨(dú)立地工作，工業(yè)電腦對(duì)各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，實(shí)現(xiàn)張拉系統(tǒng)的過(guò)程控制和安全輔助功能。

1)力傳感器

通過(guò)比選、室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試，力傳感器采用新研制的穿心輪輻式傳感器，其安裝在千斤頂頂部直接測(cè)量力值大小。

穿心輪輻式傳感器主要由輪轂、輪箍、輪輻、應(yīng)變片、膠封、傳感器信號(hào)接頭等組成。測(cè)力方式上，通過(guò)測(cè)量輪轂和輪箍間受到的純剪切力并經(jīng)換算得到外力大小。該測(cè)力方式不受徑向力影響，對(duì)一定范圍內(nèi)位置變化的作用力不敏感，抗偏載能力強(qiáng)，測(cè)試準(zhǔn)確。其具有結(jié)構(gòu)合理、測(cè)試精準(zhǔn)、重復(fù)性好、性能穩(wěn)定、過(guò)載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。性能參數(shù)如表1所示。輪輻式測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為:①具有低高度外形結(jié)構(gòu)，基本不增加鋼絞線的下料長(zhǎng)度，整體剛度大，彈性變形小。②穿心孔徑較大，適用于不同根數(shù)的預(yù)應(yīng)力筋穿束。

表1 穿心輪輻式測(cè)力傳感器性能參數(shù)

2)位移傳感器

位移傳感器采用拉線式傳感器，安裝在千斤頂外側(cè)直接測(cè)量鋼絞線伸長(zhǎng)量。其具有測(cè)量精度高、測(cè)量行程長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)緊湊、適應(yīng)高溫高壓環(huán)境等特點(diǎn)。

位移傳感器主要由拉繩、拉繩纏繞器、信號(hào)控制器、復(fù)位裝置等組成。拉線位移傳感器在位移發(fā)生時(shí)拉繩伸長(zhǎng)或縮短，螺紋狀的輪轂帶動(dòng)精密旋轉(zhuǎn)感應(yīng)器旋轉(zhuǎn)，輸出與拉繩移動(dòng)距離成比例的電信號(hào)，以此計(jì)算位移的大小、方向及速度。位移傳感器可將機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成可以計(jì)量、記錄或傳送的電信號(hào)。預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)，由于千斤頂?shù)幕钊麜?huì)有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)，在測(cè)量位移時(shí)通過(guò)研制專門的配套工裝可以消除該轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)位移測(cè)量精度的影響。拉線式位移傳感器性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 拉線式位移傳感器性能參數(shù)

2.3 控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)包括主控系統(tǒng)和輔控系統(tǒng)，主輔系統(tǒng)通過(guò)總線型串聯(lián)實(shí)現(xiàn)智能控制和協(xié)同工作?？刂葡到y(tǒng)中的硬件由工業(yè)電腦、可編程邏輯控制器(PLC)、外圍低壓控制開(kāi)關(guān)元件、變壓器、開(kāi)關(guān)電源、A/D轉(zhuǎn)換模塊、測(cè)力儀表等組成，工作關(guān)系如圖3所示。軟件為VB和C++兩種編程語(yǔ)言編寫的多功能張拉控制程序。智能控制系統(tǒng)具有功能完善、適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠、人機(jī)交互、動(dòng)態(tài)智能判斷等特點(diǎn)。

以簡(jiǎn)支箱梁為例，預(yù)應(yīng)力張拉施工需要4個(gè)泵站和千斤頂，由1套主控系統(tǒng)和3套輔控系統(tǒng)組成，如圖4所示。

圖3 控制系統(tǒng)工作關(guān)系示意

圖4 簡(jiǎn)支箱梁智能控制系統(tǒng)示意

2.4 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

1)過(guò)程控制

張拉過(guò)程中由PLC控制的采集模塊對(duì)張拉力、伸長(zhǎng)值等參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)采集，基于橋梁技術(shù)條件編寫的分析軟件對(duì)張拉過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行智能計(jì)算分析，對(duì)A1，A2，B1，B2端分別生成張拉力與時(shí)間、伸長(zhǎng)值與時(shí)間、張拉力與伸長(zhǎng)值關(guān)系曲線以控制張拉過(guò)程，如圖5所示。

圖5 張拉過(guò)程張拉力、時(shí)間、伸長(zhǎng)量關(guān)系曲線

2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

張拉施工數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。數(shù)據(jù)庫(kù)具有便捷的數(shù)據(jù)查詢和篩選功能，考慮到鐵路工程管理平臺(tái)對(duì)施工數(shù)據(jù)信息的高效管理需求，選用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)性能可靠具有可擴(kuò)充性，適用于大型聯(lián)機(jī)事務(wù)處理、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)等方面。

3)數(shù)據(jù)傳輸

通過(guò)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸模式實(shí)現(xiàn)張拉數(shù)據(jù)從施工現(xiàn)場(chǎng)到工程建設(shè)管理平臺(tái)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳輸。張拉過(guò)程或結(jié)果數(shù)據(jù)通過(guò)設(shè)備的數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)射模塊和施工現(xiàn)場(chǎng)的互聯(lián)網(wǎng)無(wú)線數(shù)據(jù)交換機(jī)將數(shù)據(jù)上傳至Internet公網(wǎng)。工程建設(shè)管理平臺(tái)通過(guò)公網(wǎng)接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)施工數(shù)據(jù)的傳輸和訪問(wèn)。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在一新建鐵路預(yù)制梁場(chǎng)，對(duì)跨度32 m預(yù)制T梁進(jìn)行了自動(dòng)張拉系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。共進(jìn)行了6片梁的張拉。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果(表3)，實(shí)際張拉力與設(shè)計(jì)值的偏差值＜0.5%;鋼絞線實(shí)測(cè)伸長(zhǎng)值與設(shè)計(jì)值的偏差＜6.0%;實(shí)測(cè)預(yù)應(yīng)力筋兩端不平衡力＜5 kN。

表3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文所介紹的預(yù)應(yīng)力自動(dòng)張拉系統(tǒng)具有以下主要特點(diǎn):①預(yù)應(yīng)力自動(dòng)化平衡張拉，梁端不平衡力＜5 kN;②預(yù)施應(yīng)力控制精確，張拉力偏差＜0.5%;③張拉過(guò)程中以伸長(zhǎng)量進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)和調(diào)控，預(yù)應(yīng)力筋伸長(zhǎng)值偏差＜6%;④輔助控制系統(tǒng)確保設(shè)備的安全運(yùn)行。

自動(dòng)張拉控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)張拉、持荷、錨固過(guò)程智能控制，張拉數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和存儲(chǔ)，結(jié)果圖表自動(dòng)生成并無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸。研制的預(yù)應(yīng)力自動(dòng)張拉系統(tǒng)適用于鐵路橋梁的預(yù)應(yīng)力施工，與傳統(tǒng)張拉工藝相比，可顯著提高工作效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

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(責(zé)任審編李付軍)

U448.21+3;U448.35

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.05

1003-1995(2015)05-0015-04

2015-01-13;

2015-03-10

肖祥淋(1981—)，男，福建三明人，助理研究員。