智能張拉技術(shù)在高鐵預(yù)應(yīng)力箱梁施工中的應(yīng)用

楚沖沖

(中鐵十八局集團第一工程有限公司，河北 涿州 072750)

1 前 言

為滿足智能化高鐵建設(shè)需要，高鐵橋梁箱梁施工研發(fā)了智能化張拉系統(tǒng)，可以安全快捷實現(xiàn)橋梁預(yù)應(yīng)力自動化、精準化控制[1]。以鄭(州)阜(陽)高鐵淮陽南梁場預(yù)應(yīng)力預(yù)制箱梁施工為研究對象，全面介紹從智能張拉應(yīng)用優(yōu)勢、構(gòu)成、施工工藝、操作關(guān)鍵點，并通過相關(guān)數(shù)據(jù)研究分析得出，該技術(shù)具有操作方便、效率高、節(jié)省成本、精度高、誤差小、降低勞動強度等技術(shù)優(yōu)點。

2 智能張拉工藝原理

高鐵箱梁預(yù)應(yīng)力智能張拉系統(tǒng)由控制電腦和預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備構(gòu)成，見圖1。該智能張拉系統(tǒng)整個張拉施工過程全部由計算機主控完成，首先借助人工將張拉設(shè)計數(shù)據(jù)輸進主控電腦程序中，然后電腦發(fā)出相關(guān)張拉指令后開始進行施工[2]。

圖1 智能張拉流程圖

智能張拉系統(tǒng)通過自動泵站數(shù)據(jù)釆集中心釆集，主控電腦實時分析和處理數(shù)據(jù)，然后把結(jié)果借助輸出模塊進行輸出，按照實時數(shù)據(jù)智能化地對張拉設(shè)備進行張拉信息的回應(yīng)，對張拉的速度和拉力進行精準調(diào)控[3]。

3 智能張拉應(yīng)用優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的人工張拉及壓漿進行比較，此工藝施工時通過智能化、標(biāo)準化操作，避免人為因素的干擾，施工比較規(guī)范化、便捷化，整個過程自動生成數(shù)據(jù)，施工效率和質(zhì)量高。具體優(yōu)點如下：

(1)測量精度高。測量伸長量用位移傳感器替換傳統(tǒng)鋼尺鋼束，可以確保精準到0.01mm以上；位移傳感器能夠把產(chǎn)生的電流信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，能夠有效防止人為因素干擾而產(chǎn)生的誤差；高精度位移傳感器能夠?qū)撌扉L量直接反映出來，確保鋼束伸長量測量精度得到極大提高；如果鋼束伸長量超出規(guī)定范圍，系統(tǒng)將會自動發(fā)出報警并及時終止張拉，技術(shù)人員根據(jù)系統(tǒng)報警提示，積極制定相應(yīng)辦法將問題解決以后再繼續(xù)施工[4]。

(2)張拉精度高。智能張拉通過電腦智能管控調(diào)整，能夠?qū)埨^程進行全方位自動控制，在智能張拉系統(tǒng)中通過高精度傳感器精準控制張拉應(yīng)力，并對位移變化進行合理控制，有效提高了張拉的質(zhì)量。通過壓力傳感器替換傳統(tǒng)壓力表，可以確保精準到0.01MPa以上；壓力傳感器能夠把產(chǎn)生的電流信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，防止了人為因素干擾導(dǎo)致的張拉誤差，張拉精度可達±1%；高精度壓力傳感器放置在千斤頂內(nèi)部，能夠把張拉應(yīng)力直接顯示出來，對張拉力的控制切實進行了提高；系統(tǒng)事先處理持荷荷載、持荷時間和加載速率等相關(guān)參數(shù)，加載的時候，對各項指標(biāo)和規(guī)范要求十分契合，防止出現(xiàn)超拉和欠拉等質(zhì)量通病，避免削弱預(yù)應(yīng)力[5]。

(3)實現(xiàn)同步張拉。借助現(xiàn)場配置的2臺相同功率大小的油泵控制千斤頂，能夠同時對多個千斤頂進行同步張拉；如果系統(tǒng)位移傳感器及壓力傳感器實測值符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，就繼續(xù)開始張拉施工，如果系統(tǒng)位移傳感器和壓力傳感器實測值不符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，那么必須對問題進行仔細并解決后重新開始張拉；持荷階段系統(tǒng)可以自動校核加載速率、持荷壓力和持荷時間等相關(guān)參數(shù)，如果規(guī)定值大于測量值，智能張拉系統(tǒng)將會把補張命令進行傳遞，一直到測量值符合規(guī)定值而且漸漸恒定后，標(biāo)志著完成張拉[6]。

4 案例分析

4.1 工程概況

鄭(州)阜(陽)高鐵淮陽南制梁場地處河南省周口市淮陽縣豆門鄉(xiāng)張集村，淮陽南制梁場總占地面積大約為145 318.8m2，承擔(dān)設(shè)計時速滿足350km/h的周淮特大橋、淮沈特大橋共597孔“巨無霸”箱梁預(yù)制施工任務(wù)，箱梁混凝土澆筑320m3，總重量達900t?；搓柲现屏簣鲎疃嗑邆?60孔的存放預(yù)制箱梁的能力。

箱梁智造通過智能張拉施工工藝以及圓錨錨固系統(tǒng)，通過主控電腦提前把箱梁預(yù)應(yīng)力施工各項參數(shù)輸入，并借助無線網(wǎng)絡(luò)把各控制設(shè)備進行連接，然后把釆集的數(shù)據(jù)自動錄入進主控電腦。

4.2 智能張拉系統(tǒng)構(gòu)成和詳細功能

4.2.1 智能張拉設(shè)備和智能張拉組成

淮陽南制梁場引入TYZ/60-Ⅶ/TK型鐵路橋梁智能張拉系統(tǒng)(見圖2)。該系統(tǒng)由張拉動力子系統(tǒng)、限位控制子系統(tǒng)、信號傳感子系統(tǒng)、配套輔助子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)子系統(tǒng)等若干子系統(tǒng)單元模塊聯(lián)合構(gòu)成。

圖2 智能張拉設(shè)備示意圖

4.2.2 功能介紹

智能張拉系統(tǒng)具有自動調(diào)控、自動診斷故障、斷電智能恢復(fù)、智能保護回頂、智能控制油溫、荷載智能復(fù)核、無線智能傳輸?shù)瘸瑥姽δ?。把張拉參?shù)信息向智能張拉系統(tǒng)輸入并啟動系統(tǒng)以后，預(yù)應(yīng)力的張拉、持續(xù)荷載及錨固能夠借助智能張拉系統(tǒng)施作。智能張拉流程圖詳見圖3。

圖3 智能張拉流程圖

4.3 智能張拉步驟及控制點

4.3.1 操作準備

張拉前準備階段：作業(yè)人員培訓(xùn)合格并進行完整的技術(shù)交底以后，持證上崗；確保安全警示牌、警戒線等安全防護設(shè)施齊備；檢驗錨具、鋼絞線、夾具的強度、尺寸、外形和力學(xué)性能等確保100%合格；校驗油壓表等張拉設(shè)備確保100%合格，而且沒有超出使用期限；檢查混凝土彈性模量和齡期是否符合規(guī)定要求。安排2-3人在預(yù)制場操作設(shè)備，另外安排1人在控制站進行電腦操作[7]。

為了方便同時觀測梁板兩端張拉過程，控制站的位置通常設(shè)置于待張拉梁板的旁邊位置，最好沒有陽光直接照射的地方。

4.3.2 施工關(guān)鍵工序要求

梁場施工技術(shù)人員對梁號、張拉順序、張拉數(shù)據(jù)進行復(fù)核確保精準后，并智能檢測主、副機和各相關(guān)傳感器的情況。

鋼絞線的下料和穿束時，為防止產(chǎn)生“毛頭”和“散頭”質(zhì)量通病，引進薄榀砂輪機對鋼絞線進行切割，要求千斤頂?shù)膶嶋H工作長度比鋼絞線外露之長短0.2m。然后套上工作錨板并推到錨墊板處進行固定。為便于操作潤滑，最好事先在錨板錐孔內(nèi)加注黃油潤滑。必須把每副夾榀通過鋼圈進行綁箍后，接著輕推入錨板錐孔中。

安裝限位板時，要防止鋼絞線出現(xiàn)交叉扭結(jié)現(xiàn)象。安裝好工作夾榀以后，通過工具將夾榀卡緊。

通過配備張拉操作臺以及防護板，可以確保設(shè)備進行張拉的穩(wěn)定和安全?？梢詫⒕o靠梁體兩端的鐵架制作成操作臺，千斤頂通過導(dǎo)鏈懸掛于上部。防護板通常設(shè)置在千斤頂周圍2m內(nèi)，避免錨具彈出出現(xiàn)意外。

前面工序正常時，配置無線網(wǎng)絡(luò)后，智能張拉系統(tǒng)通過傳感系統(tǒng)和動力系統(tǒng)控制開始進行張拉。

全自動內(nèi)卡式千斤頂在工具錨里把工具夾榀固定好，通過壓板和彈簧可以靈活將其打開或鎖緊，從而防止在退回工具錨時，對工具夾榀進行拆裝的步驟。借助工具錨的前置，將拉鋼絞線的預(yù)留長度有效縮短，不僅大大節(jié)省材料成本，而且精度高。全自動內(nèi)卡式千斤頂見圖4。

注：1.千斤頂工作錨板；2鋼絞線；3千斤頂限位板；4.千斤頂工作錨板；5.千斤頂工具夾榀；6.千斤頂油缸；7.千斤頂活塞；8.千斤頂穿心套

圖4 全自動內(nèi)卡式千斤頂示意圖

進行張拉作業(yè)的時候，需要對取夾榀外露量進行測量，將測量數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)后，依次分段通過加載應(yīng)力張拉鋼束。

進行在張拉時，智能張拉系統(tǒng)會借助千斤頂上的精密傳感器依次監(jiān)測并實時采集伸長量、張拉力、油壓以及位移等相關(guān)數(shù)據(jù)，以此對誤差率進行分析并生成相對應(yīng)的曲線。如果系統(tǒng)監(jiān)測到實際伸長量和理論值偏差超過允許范圍時會及時預(yù)警并終止張拉；如果當(dāng)張拉力小于90%張拉控制應(yīng)力的時候，系統(tǒng)又可以實現(xiàn)自動補張。從而實現(xiàn)“雙控”的目的。

以ZF6號現(xiàn)澆梁作為例子，進行張拉以后，鋼絞線設(shè)計伸長量和實際伸長量之間誤差率大多控制在2%以內(nèi)，大大小于6%的限值，效果非常顯著。

4.4 智能張拉質(zhì)量控制要點

(1)通過雙拉雙控進行操作，其中伸長量△L=100%預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力張拉時對應(yīng)的伸長值+20%預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力張拉時對應(yīng)的伸長值-2 ×10%預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力張拉時對應(yīng)的伸長值-千斤頂工具夾榀回縮值；

(2)位移、壓力和液壓傳感器示值精度都必須控制在5%之內(nèi)；張拉施工必須完成波紋管、錨墊板、鋼絞線安裝以后再開展，另外，務(wù)必保證齡期為27d的混凝土強度大于設(shè)計混凝土強度的85%；

(3)智能張拉系統(tǒng)的張拉力值的偏差控制在±1%范圍以內(nèi)；張拉施工務(wù)必遵守“兩同步三同心”的原則，即張拉時兩邊和兩端確?！皟伞蓖綄ΨQ進行張拉，錨具與千斤頂、錨下墊板錨口與預(yù)應(yīng)力管道、錨墊板錨口與錨具確?！叭蓖摹埨^程中,數(shù)據(jù)釆集頻率要超過5Hz。

4.5 智能張拉技術(shù)分析

通過仔細分析智能張拉和人工張拉相關(guān)的數(shù)據(jù)，可以非常直觀地分析出前者的效果更好。從數(shù)據(jù)庫中隨機選取外部溫度條件、齡期、尺寸、重量都完全相同的5榀智能張拉和5榀人工張拉預(yù)制箱梁，對伸長量實際偏差、耗時先關(guān)張拉數(shù)據(jù)進行對比分析。詳見表1。

從經(jīng)濟效益方面分析，考慮到傳統(tǒng)的張拉設(shè)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(shù)據(jù)，至少需要7人同時作業(yè)。而本工程中采用智能張拉技術(shù)只需安排1人操作電腦、1-2人輔助監(jiān)測即可實現(xiàn)雙束同步張拉。不僅在施工速度上提高了30%-50%，還能節(jié)約4個人施工。如果按照人工的單價300元/d進行計算，每篇箱梁張拉張平均節(jié)約工期0.5d，本節(jié)采用597榀箱梁計算，共可節(jié)省人工費300×0.5×597×4=35.82萬元。單根鋼絞線的截短長度減少了0.69m左右，15.2mm鋼絞線1.12kg/m，32m 900t鐵路箱梁大概用10t鋼角線，597榀梁節(jié)省了鋼絞線114.93t，按4 300元/t計，可節(jié)省材料成本約49.42萬元。

表1 預(yù)應(yīng)力箱梁人工張拉與智能張拉數(shù)據(jù)對比分析

從成本控制方面計算,通過引入具有操作便捷、節(jié)省材料成本、而且精度高等優(yōu)點的全自動內(nèi)卡式千斤頂，每榀梁至少節(jié)約鋼絞線約30m。

4.6 注意事項

施工前要進行培訓(xùn)，安全專業(yè)技術(shù)人員進行電腦操作，防止因操作不當(dāng)造成質(zhì)量隱患。對張拉各項參數(shù)進行設(shè)置時，要和圖紙要求一致，防止出錯。另外確保油泵上的安全閥不要超出規(guī)定范圍。張拉力保持平穩(wěn)后再錨固鋼絞線。千斤頂升進行卸壓和加壓的時候，務(wù)必確保均衡、平緩、安全，防止猛然卸壓或加壓。對側(cè)彎要十分精確控制，避免箱梁出現(xiàn)傾覆或折斷。

5 結(jié)束語

智能張拉系統(tǒng)智能化、自動化地把液壓、機械、計算機、自動控制、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)綜合運用到高鐵橋梁的預(yù)應(yīng)力張拉施工，智能張拉系統(tǒng)規(guī)范化操作有效減少人工張拉人為因素的影響，減緩并降低鋼絞線銹蝕，提高張拉效果，防止欠拉和超拉，減少預(yù)應(yīng)力損失和材料消耗，節(jié)約成本，提升張拉質(zhì)量，有效降低預(yù)應(yīng)力箱梁下?lián)?、開裂等風(fēng)險出現(xiàn)，增強梁體安全耐久性，可以有效延長箱梁的使用壽命。特別是能精準控制千斤頂?shù)念A(yù)應(yīng)力，經(jīng)濟效益更明顯，實現(xiàn)“多控”目的。