基于智能建造的裝配式T梁智能張拉流程優(yōu)化研究

摘要 文章依托安徽交控工業(yè)化建造有限公司工程實(shí)例，對(duì)其T梁構(gòu)件在預(yù)應(yīng)力束智能張拉過程中的張拉質(zhì)量進(jìn)行理論與試驗(yàn)研究，得出合理的控制張拉流程。介紹了預(yù)應(yīng)力智能張拉系統(tǒng)的工作原理及其實(shí)施過程，指出采用智能張拉系統(tǒng)是保證張拉質(zhì)量的主要控制因素，并開展預(yù)制T梁構(gòu)件的單梁張拉試驗(yàn)，研究不同張拉流程對(duì)構(gòu)件起拱度的影響程度，通過建立有限元模型進(jìn)行起拱度校核，得到最佳的張拉施工控制參數(shù)，使得T梁構(gòu)件的張拉質(zhì)量滿足要求。

關(guān)鍵詞 裝配式T梁；預(yù)應(yīng)力；智能張拉；施工技術(shù)；起拱度；試驗(yàn)研究

中圖分類號(hào) U445.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2023）13-0005-04

0 引言

目前，我國正在向交通強(qiáng)國邁進(jìn)，公路橋梁建造技術(shù)也迎來了新發(fā)展。裝配式建造技術(shù)因其施工簡便、周期短、低碳環(huán)保的顯著特點(diǎn)深受橋梁工程師們青睞，尤其是裝配式T梁現(xiàn)已在大型公路橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。在構(gòu)件的整個(gè)預(yù)制流程中，作為對(duì)預(yù)制T梁構(gòu)件整體質(zhì)量影響極為重大的預(yù)應(yīng)力張拉工序，不僅要保證張拉控制的精度，確保構(gòu)件內(nèi)部有效預(yù)應(yīng)力數(shù)值滿足規(guī)范與設(shè)計(jì)要求，還需要保證構(gòu)件的耐久性滿足施工以及運(yùn)營要求，選取合理的預(yù)應(yīng)力張拉流程與工藝，使得預(yù)制構(gòu)件由預(yù)應(yīng)力張拉引起的起拱度處于合理范圍內(nèi)。因此，為提高構(gòu)件的整體質(zhì)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(yù)應(yīng)力束而言，智能張拉的方法避免了張拉過程中控制數(shù)值實(shí)施不精準(zhǔn)、張拉效率低下、各片預(yù)制構(gòu)件間起拱度偏差過大等問題。我國學(xué)者對(duì)智能張拉控制系統(tǒng)在橋梁工程中的應(yīng)用持續(xù)開展了大量研究[1-5]。智能張拉系統(tǒng)也已逐漸成為橋梁工程領(lǐng)域中預(yù)應(yīng)力張拉的主流方法，但是對(duì)智能張拉的流程及工藝進(jìn)行優(yōu)化使預(yù)制構(gòu)件的耐久性和質(zhì)量提高這方面的研究仍然較少，對(duì)智能張拉流程進(jìn)行優(yōu)化對(duì)指導(dǎo)實(shí)際工程具有較大的研究必要。

該文以安徽省交控工業(yè)化建造有限公司工程為例。該公司先后建立了一批國內(nèi)先進(jìn)的、高精度橋梁混凝土預(yù)制構(gòu)件智能化生產(chǎn)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(duì)預(yù)制T梁構(gòu)件質(zhì)量的影響關(guān)系，該文在介紹該項(xiàng)目在智慧梁場中所采用的智能張拉系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，選取6片25 m預(yù)制T梁進(jìn)行試驗(yàn)，研究不同的張拉流程以及張拉順序?qū)ζ鸸岸葦?shù)值的影響大小，以防止起拱度過大或過小導(dǎo)致的預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量，并與有限元模型進(jìn)行相互校核，對(duì)張拉流程工藝進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)的張拉方案，并應(yīng)用在預(yù)制混凝土T梁生產(chǎn)中。

1 工程概況

德州至上饒高速公路合肥至樅陽段項(xiàng)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(xiàng)目路線全長134.158 km，采用全立交、全封閉、高速公路等級(jí)；設(shè)計(jì)速度為120 km/h；雙向4車道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，橋涵設(shè)計(jì)汽車荷載等級(jí)均采用公路－Ⅰ級(jí)，由于全線橋梁較多，故輕型T梁等構(gòu)件采用集中預(yù)制，其中輕型T梁生產(chǎn)線預(yù)制廠建成智能化梁場，依托質(zhì)控平臺(tái)與智慧梁場進(jìn)行預(yù)制T型梁構(gòu)件的協(xié)同質(zhì)量控制。與傳統(tǒng)梁場相比，采用全工廠化集中生產(chǎn)，施工快捷；技術(shù)成果在合樅高速上全線應(yīng)用56座，長度近15 km，較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)節(jié)約造價(jià)約5 300萬元。

如圖1所示，該預(yù)制混凝土T梁，跨徑為25 m，每一標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度預(yù)應(yīng)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(shí)采用了智能化張拉設(shè)備，排除了張拉過程中人工干預(yù)及量測(cè)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(yù)應(yīng)力束實(shí)際損耗率為多少并沒有去檢測(cè)，因此為進(jìn)一步提高試件質(zhì)量，需對(duì)智能張拉流程工藝進(jìn)行深入優(yōu)化。

2 智能張拉施工技術(shù)

2.1 智能張拉控制系統(tǒng)

智能張拉系統(tǒng)可分為智能千斤頂、智能張拉儀以及控制計(jì)算機(jī)3部分，其施工張拉流程如圖2所示。該系統(tǒng)以預(yù)應(yīng)力束的張拉力為控制指標(biāo)，并同時(shí)以預(yù)應(yīng)力束的伸長值作為檢驗(yàn)指標(biāo)，以達(dá)到“雙控”目的。

智能張拉系統(tǒng)中的控制流程如圖2所示，整個(gè)智能張拉系統(tǒng)控制流程只需人工輸入雙控?cái)?shù)值以及張拉方案，其余步驟皆由智能張拉系統(tǒng)自主完成，操作簡單，界面人性化，適應(yīng)各種施工場地環(huán)境。

2.2 預(yù)制T梁構(gòu)件智能張拉質(zhì)量控制

在預(yù)應(yīng)力混凝土張拉工藝這一環(huán)節(jié)中，因?yàn)閺埨^程流程較長，各因素之間的影響相互耦合，導(dǎo)致張拉過程中各預(yù)應(yīng)力束應(yīng)力變化情況復(fù)雜，難以通過目視或設(shè)備對(duì)各預(yù)應(yīng)力束的最終有效預(yù)應(yīng)力值進(jìn)行檢測(cè)，故而必須針對(duì)預(yù)制T梁梁場設(shè)備與場地的實(shí)際情況，通過必要的規(guī)范操作來保證張拉質(zhì)量。主要的規(guī)范操作如下：

（1）預(yù)應(yīng)力管道的位置必須嚴(yán)格按坐標(biāo)定位并用定位鋼筋固定，嚴(yán)防錯(cuò)位和管道下垂。澆筑前應(yīng)檢查波紋管是否密封，防止?jié)仓炷習(xí)r阻塞管道。

（2）預(yù)制輕型T梁必須待預(yù)制梁混凝土立方體強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%時(shí)，且齡期不少于7 d后，方可張拉預(yù)應(yīng)力鋼束。

（3）鋼束張拉完畢后，孔道用專用壓漿料或?qū)Ｓ脡簼{劑配制的漿液，制成40 mm×40 mm×160 mm棱柱試體，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后測(cè)得抗壓強(qiáng)度不低于50 MPa。

（4）預(yù)制輕型T梁采用深埋錨施工前需預(yù)埋鋼套筒，且應(yīng)核實(shí)套筒未堵住壓漿孔。

（5）施加預(yù)應(yīng)力應(yīng)采用張拉力與引伸量雙控。當(dāng)預(yù)應(yīng)力鋼束張拉達(dá)到設(shè)計(jì)張拉力時(shí)，實(shí)際引伸量值與理論引伸量值的誤差應(yīng)控制在6%以內(nèi)。

（6）輕型T梁預(yù)應(yīng)力鋼束張拉必須采取措施以防梁體發(fā)生側(cè)彎，案例工程采用兩端張拉，張拉順序?yàn)镹1-N2-N3-N4-N3-N4鋼束，按照從中間往兩側(cè)交替對(duì)稱張拉。

3 智能張拉流程優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了使預(yù)制T梁構(gòu)件在預(yù)應(yīng)力張拉這一重要制作步驟中具有更好的質(zhì)量，保證構(gòu)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(xù)橋面鋪裝層的施工以及正常運(yùn)營時(shí)的耐久性，為此設(shè)計(jì)單梁張拉試驗(yàn)，以研究不同張拉流程與起拱度值的關(guān)系，從而確定最適合的智能張拉工藝流程。參考相關(guān)文獻(xiàn)以及以往工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，共設(shè)計(jì)了2種不同的張拉流程方案，每個(gè)方案各設(shè)計(jì)3片梁試驗(yàn)。在確保兩個(gè)方案的有效預(yù)應(yīng)力值都符合規(guī)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(jí)張拉的張拉流程。

3.2 起拱度測(cè)點(diǎn)布置

張拉方案設(shè)計(jì)如表1所示，為了準(zhǔn)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(gè)百分表，其測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示，布置位置距單梁截面中心線0.4 m，共計(jì)10個(gè)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)。

在張拉鋼束前記錄百分表的初始數(shù)據(jù)，并分別在N1、N2、N3、N4鋼束張拉后記錄一次數(shù)據(jù)，之后則在每30 d的8：00以及20：00時(shí)刻記錄一次起拱度數(shù)據(jù)，共計(jì)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(yù)應(yīng)力束來模擬實(shí)際張拉過程，添加不同的天數(shù)時(shí)間來模擬存梁階段。邊界條件按照簡支支撐來設(shè)置。有限元模型所得結(jié)果設(shè)置為反拱度理論值，后續(xù)與實(shí)測(cè)值之間進(jìn)行對(duì)比分析。輕型預(yù)制T梁的起拱度模型如圖4所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 鋼束張拉反拱值

如圖5所示，首先進(jìn)行鋼束張拉過程中兩種張拉工況的反拱度值對(duì)比分析。

在前述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，為了避免試驗(yàn)中的各種誤差對(duì)結(jié)果產(chǎn)生干擾，每種工況都使用了3片梁進(jìn)行試驗(yàn)。該節(jié)的各個(gè)測(cè)點(diǎn)反拱度最終取值皆為將同一工況下3片梁的各個(gè)測(cè)點(diǎn)結(jié)果取均值而得來。在求均值計(jì)算的過程中發(fā)現(xiàn)，一次張拉到位工況下3片梁之間的數(shù)據(jù)方差較大，而分級(jí)張拉工況下3片梁之間的數(shù)據(jù)方差則較小。由此可以說明對(duì)預(yù)應(yīng)力采用分級(jí)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(yù)制T梁在安裝完成后，各T梁間因變形差距引發(fā)的內(nèi)力不致過大。

由圖5可知，反拱度 值隨著各個(gè)預(yù)應(yīng)力束的張拉在持續(xù)變大，其中張拉N1、N2、N3時(shí)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(shù)目的增加，越往后張拉鋼束導(dǎo)致的反拱度變化會(huì)越來越明顯，且分階段張拉所引發(fā)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(shù)值較大，說明分階段張拉工況下預(yù)應(yīng)力束的有效預(yù)應(yīng)力值大于一次張拉工況。

4.2 累計(jì)反拱值

從圖6可以看出，隨著存梁時(shí)間的增加，兩種張拉流程下輕型預(yù)制T梁的反拱度實(shí)測(cè)值與理論值變化規(guī)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(jí)張拉工況下反拱度與存梁天數(shù)之間的斜率要緩于一次張拉。

對(duì)比存梁0 d時(shí)的反拱值與存梁9 d天時(shí)的反拱值之差，發(fā)現(xiàn)分級(jí)張拉試驗(yàn)梁的反拱度差值稍大于一次張拉的情況，達(dá)7.2%，說明分級(jí)張拉的有效預(yù)應(yīng)力值大于一次張拉，從而導(dǎo)致混凝土的徐變收縮量更大，反拱度更大。

對(duì)比一次張拉以及分級(jí)張拉兩種工況的反拱度值變化情況，不難發(fā)現(xiàn)一次張拉下l/4與3l/4處的反拱度差值較大，而分級(jí)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(jí)張拉可以有效減小鋼束的預(yù)應(yīng)力損失，使得鋼束應(yīng)力在整個(gè)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(shí)際工程情況，從而理論值大于實(shí)測(cè)值10%左右，可認(rèn)為有限元模型的模擬較為貼合實(shí)際情況。

a）一次張拉工況下實(shí)測(cè)反拱度與理論反拱度對(duì)比

b）分級(jí)張拉工況下實(shí)測(cè)反拱度與理論反拱度對(duì)比

4.3 不同工況反拱值對(duì)比

如圖7所示，為存梁90 d后兩種張拉工況下試驗(yàn)梁全長范圍下的反拱度變化對(duì)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(yù)應(yīng)力值要更大；一次張拉會(huì)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失量變大，從而不利于結(jié)構(gòu)在實(shí)際正常使用中的承載能力，降低結(jié)構(gòu)的耐久性。

5 結(jié)論

（1）相比于傳統(tǒng)人工張拉預(yù)應(yīng)力束，智能張拉減小了張拉誤差，降本增效。

（2）預(yù)制T梁隨著預(yù)應(yīng)力鋼束已張拉數(shù)目的增加，之后的預(yù)應(yīng)力束張拉引起的反拱度會(huì)逐漸增大，建議采取一定措施以減小該影響。

（3）對(duì)比一次張拉以及分階段張拉兩種工況的反拱度值，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)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(nèi)，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(yōu)于一次性張拉工況，故在梁場預(yù)制時(shí)均采用3階段張拉的方法來指導(dǎo)預(yù)應(yīng)力束張拉錨固。

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

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