王建立，齊廣超，葉建波，張志國(guó)

(1.河北省公路工程質(zhì)量安全監(jiān)督站 石家莊市 050091； 2.石家莊鐵道大學(xué) 石家莊市 050043)

預(yù)應(yīng)力的建立是通過(guò)張拉設(shè)備來(lái)控制的，自上世紀(jì)50年代，我國(guó)開(kāi)始在橋梁工程中引入預(yù)應(yīng)力技術(shù)，主要通過(guò)泵站向張拉千斤頂供油，千斤頂活塞驅(qū)動(dòng)工具錨拉伸鋼絞線(xiàn)實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力施加，當(dāng)兩端或多點(diǎn)對(duì)稱(chēng)同步張拉時(shí)，要靠對(duì)講設(shè)備進(jìn)行控制[1～3]。其控制取決于操作人員水平，質(zhì)量穩(wěn)定性相對(duì)較差。高速鐵路橋梁由于耐久性以及線(xiàn)路平順性控制要求，對(duì)預(yù)應(yīng)力控制提出了嚴(yán)格要求。在此背景下，基于信息化的自動(dòng)張拉技術(shù)得以發(fā)展，課題組先是在大西鐵路建設(shè)中提出了在油壓系統(tǒng)中設(shè)置傳感器的智能控制張拉系統(tǒng)，后又總結(jié)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)展了輪輻式傳感器測(cè)力系統(tǒng)，直接用于張拉控制，并被鐵路工程推廣使用。主要結(jié)合自動(dòng)張拉控制系統(tǒng)方面的研究成果，重點(diǎn)闡述新一代利用力傳感器進(jìn)行張拉控制的基本體系和應(yīng)用效果，以推動(dòng)先進(jìn)的自動(dòng)張拉系統(tǒng)得到更為廣泛的應(yīng)用。

1 傳統(tǒng)張拉技術(shù)預(yù)應(yīng)力控制存在的問(wèn)題

后張預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁傳統(tǒng)的預(yù)施應(yīng)力方法普遍采用普通油泵驅(qū)動(dòng)千斤頂進(jìn)行張拉，根據(jù)張拉系統(tǒng)校驗(yàn)的回歸方程、錨外設(shè)計(jì)張拉控制力反算出油壓表讀數(shù)，再由人工測(cè)讀油壓表讀數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)張拉力的控制；同時(shí)由人工實(shí)測(cè)千斤頂伸長(zhǎng)值，通過(guò)計(jì)算出相對(duì)于理論伸長(zhǎng)值的偏差不超過(guò)±6%進(jìn)行輔助控制，張拉過(guò)程全部采用人工操作及控制，缺乏有效的自動(dòng)質(zhì)量控制手段，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)施應(yīng)力的準(zhǔn)確控制，施工效率也較低。

傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù)本身控制存在明顯不足，直接導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力控制精準(zhǔn)度不高，主要有以下6種因素[5-7]。

(1)張拉力控制本身存在不確定性

傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力張拉是通過(guò)人工讀取機(jī)械式油壓表讀數(shù)來(lái)控制預(yù)應(yīng)力筋張拉力。張拉過(guò)程中主要存在壓力表讀數(shù)精度低且不穩(wěn)定，加壓控制操作誤差大、分辨率低，受張拉環(huán)境溫度影響千斤頂套筒摩阻變化明顯，以及張拉力與壓力表的標(biāo)定誤差，人為操作影響等實(shí)際難于精確控制張拉力。

(2)張拉伸長(zhǎng)值測(cè)量誤差較大

實(shí)際施工中，預(yù)應(yīng)力筋的張拉伸長(zhǎng)值一般是通過(guò)人工用鋼尺直接測(cè)量油缸活塞的伸出量再通過(guò)修正而得到的。這種測(cè)量方法受人為影響因素較大，操作時(shí)鋼尺的平直影響、讀數(shù)都存在較大誤差，而且讀數(shù)記錄和張拉不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)快速反饋，實(shí)際工程中也存在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量計(jì)數(shù)回去計(jì)算核對(duì)，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)張拉值雙控的目標(biāo)。

(3)未能實(shí)現(xiàn)張拉力和張拉伸長(zhǎng)值同步控制

預(yù)應(yīng)力張拉作業(yè)時(shí)，規(guī)范要求采用張拉應(yīng)力和伸長(zhǎng)量雙控的方法，以期保證有效預(yù)應(yīng)力。但油壓表讀數(shù)和預(yù)應(yīng)力筋伸長(zhǎng)量測(cè)量一般分別由不同人一先一后操作，無(wú)法保證張拉力和張拉伸長(zhǎng)值同步控制，一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，實(shí)際補(bǔ)救困難。

(4)不能實(shí)現(xiàn)同步張拉

規(guī)范要求對(duì)同一鋼束兩端應(yīng)同步張拉，控制不同步率不超過(guò)5%。但實(shí)際張拉過(guò)程中，兩端完全由人工操作控制進(jìn)油來(lái)施力，本身就不可能實(shí)現(xiàn)同步同速，時(shí)常出現(xiàn)兩端伸長(zhǎng)值較大差異，也說(shuō)明同步性較差，從而影響到跨中控制截面的預(yù)應(yīng)力值的精度。

(5)張拉過(guò)程不規(guī)范

在目前預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程中，預(yù)應(yīng)力的加載速率和持荷時(shí)間受人為影響較大。而加載速率過(guò)快和持荷時(shí)間過(guò)短將直接增大預(yù)應(yīng)力損失，使得錨下應(yīng)力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

(6)預(yù)應(yīng)力筋實(shí)際應(yīng)力值檢驗(yàn)存在困難

現(xiàn)行《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》對(duì)預(yù)應(yīng)力值偏差進(jìn)行了規(guī)定，但是實(shí)際預(yù)應(yīng)力值檢測(cè)難度較大，有效預(yù)應(yīng)力受張拉工藝和材料本身特性影響等原因，預(yù)應(yīng)力筋的張拉力必然存在一定的損失，在使用過(guò)程中也可能會(huì)持續(xù)不斷的降低。在張拉過(guò)程中及時(shí)檢測(cè)產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失后的力筋應(yīng)力并進(jìn)行張拉控制，在傳統(tǒng)人工操作通過(guò)油表讀數(shù)進(jìn)行張拉力控制情況下是難以實(shí)現(xiàn)的，而且現(xiàn)有測(cè)試方法復(fù)雜，很難得以推廣大范圍應(yīng)用。

2 預(yù)應(yīng)力自動(dòng)張拉技術(shù)發(fā)展

根據(jù)自動(dòng)化張拉設(shè)備的預(yù)應(yīng)力控制方式不同，目前又經(jīng)歷了兩代不同的產(chǎn)品階段。

2.1 第一階段：液壓式自動(dòng)張拉設(shè)備的發(fā)展

隨著對(duì)預(yù)應(yīng)力控制精度要求的提高，推動(dòng)了自動(dòng)控制張拉設(shè)備研制。其中早期的自動(dòng)張拉設(shè)備都是通過(guò)在傳統(tǒng)張拉設(shè)備液壓油路上安裝一套液壓傳感器，根據(jù)傳感器壓力值換算張拉力，實(shí)現(xiàn)所謂的自動(dòng)控制。這種方法存在的主要問(wèn)題如下：

(1)液壓式自動(dòng)張拉設(shè)備都是在供油端單點(diǎn)測(cè)量液壓系統(tǒng)壓力轉(zhuǎn)換為張拉力的方式，模擬手動(dòng)控制泵站壓力表測(cè)讀方式：只在泵站出油口安裝壓力傳感器，由于測(cè)量部位距離油泵近，開(kāi)關(guān)電磁閥時(shí)對(duì)傳感器的沖擊很大，如果測(cè)量點(diǎn)離千斤頂頂頭遠(yuǎn)，就無(wú)法真實(shí)反映千斤頂?shù)氖芰顟B(tài)，測(cè)量精度無(wú)法保證。

(2)標(biāo)定問(wèn)題：

①?gòu)埨?biāo)定時(shí)無(wú)法與試驗(yàn)測(cè)力機(jī)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的標(biāo)定：由于液壓系統(tǒng)在高壓時(shí)無(wú)法定值保壓，張拉力校正只能采用過(guò)程讀數(shù)記錄然后反算校正系數(shù)的方式進(jìn)行，甚至有些還是采用傳統(tǒng)的用油表讀數(shù)校正張拉力的方式，引用誤差大，校正后的系統(tǒng)誤差較大。

②頻繁標(biāo)定：由于千斤頂?shù)氖褂妙l率、油封的磨損程度會(huì)造成千斤頂?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)發(fā)生變化，需要頻繁標(biāo)定?！豆窐蚝┕ぜ夹g(shù)規(guī)范》第7.6.1中規(guī)定，當(dāng)“張拉次數(shù)超過(guò)300次”需要重新標(biāo)定。

(3)千斤頂摩阻變化影響：

對(duì)于靜止不動(dòng)的油壓系統(tǒng)受力截面而言，所承受的力=油壓×截面積。而在千斤頂進(jìn)行張拉作業(yè)時(shí)，千斤頂缸套與活塞之間必須有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即活塞向外伸出才能完成張拉作業(yè)。油壓升高產(chǎn)生的力還需要克服活塞(密封圈)與缸套之間產(chǎn)生的摩擦力，才為實(shí)際輸出的張拉力，即張拉力=(油壓×截面積)-千斤頂摩擦阻力。

千斤頂?shù)臉?biāo)定一般都在15～25℃的室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行，而實(shí)際使用為野外環(huán)境溫度下，環(huán)境溫度和油溫對(duì)張拉力影響很大。具體表現(xiàn)為：

①環(huán)境溫度過(guò)低：液壓油呈膠著狀態(tài)，不能形成良好的潤(rùn)滑油膜，增大摩阻。尤其是冬季施工，早上設(shè)備剛運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于液壓油的粘著，會(huì)造成摩阻很大，張拉力損失很大。

②環(huán)境溫度過(guò)高：會(huì)導(dǎo)致油膜變稀，加上油溫升高帶來(lái)的缸套熱脹，造成摩阻減小。

由于上述因素影響，即使同一天的不同時(shí)段，千斤頂?shù)哪ψ瓒荚诎l(fā)生不同的變化，直接影響預(yù)應(yīng)力的控制精度。

(4)單點(diǎn)測(cè)控：一旦測(cè)量傳感器或者電磁閥發(fā)生故障，系統(tǒng)就會(huì)失控。輕者張拉力施加不足造成施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，重者可能拉斷預(yù)應(yīng)力鋼束，造成梁體損壞甚至人身傷亡。

(5)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制方式不合理：張拉過(guò)程中控制同步張拉時(shí)無(wú)法保持連續(xù)加壓，造成張拉力及位移曲線(xiàn)呈波浪或鋸齒狀，違反了規(guī)范要求勻速連續(xù)加壓的要求。

(6)沒(méi)有液壓油溫度測(cè)控系統(tǒng)：液壓油的使用過(guò)程中，由于頻繁動(dòng)作所產(chǎn)生的熱功，會(huì)使油溫升高，液壓油變質(zhì)，產(chǎn)生膠質(zhì)、乳化等現(xiàn)象，均導(dǎo)致形不成良好的潤(rùn)滑油膜，加速液壓系統(tǒng)損壞。

(7)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上缺乏在線(xiàn)監(jiān)測(cè)及故障診斷功能，沒(méi)有控制過(guò)程中的安全保護(hù)措施，容易造成張拉質(zhì)量事故。

2.2 第二階段：傳感器測(cè)力自動(dòng)張拉系統(tǒng)

2.2.1系統(tǒng)組成

新一代傳感器測(cè)力自動(dòng)張拉系統(tǒng)主要由4臺(tái)穿心式千斤頂，4臺(tái)電動(dòng)液壓泵站、8個(gè)壓力傳感器、4個(gè)輪輻式測(cè)力傳感器、4個(gè)拉線(xiàn)式位移傳感器、4個(gè)溫度傳感器、1套完整的工業(yè)可編程控制器(1主3輔)、一體化工作站主機(jī)等組成[8]，具體組成如圖1。該系統(tǒng)通過(guò)其中的1個(gè)中心泵站，3個(gè)輔助泵站可同時(shí)控制4臺(tái)千斤頂同步張拉作業(yè)，構(gòu)成平衡的雙向張拉體系，可以滿(mǎn)足箱梁兩側(cè)對(duì)稱(chēng)同步張拉。通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)置的微電腦預(yù)設(shè)張拉工藝參數(shù)后，一鍵啟動(dòng)操作，即可實(shí)現(xiàn)張拉全過(guò)程的自動(dòng)控制，并自動(dòng)記錄存儲(chǔ)張拉過(guò)程的張拉力、伸長(zhǎng)值等，實(shí)時(shí)采集張拉數(shù)據(jù)并生成曲線(xiàn)，自動(dòng)完成校核與報(bào)警，張拉數(shù)據(jù)可直接傳輸或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦芾砥脚_(tái)，實(shí)現(xiàn)了信息化管理。該系統(tǒng)在張拉力控制方面采用測(cè)力傳感器，并通過(guò)油壓傳感器比對(duì)、自動(dòng)實(shí)測(cè)伸長(zhǎng)值校核，實(shí)現(xiàn)了對(duì)張拉力的雙校核，具有力值控制精度高、可靠性高和使用壽命長(zhǎng)等顯著優(yōu)勢(shì)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2.2功能特點(diǎn)

(1)便捷的操作功能

①參數(shù)設(shè)置：可在操作界面上輸入保存梁體的編號(hào)、型號(hào)、張拉力設(shè)計(jì)目標(biāo)值及伸長(zhǎng)量理論值、張拉過(guò)程及各級(jí)持荷時(shí)間等。然后只需一鍵啟動(dòng)張拉，自動(dòng)完成整個(gè)張拉過(guò)程，免去人工干擾。

②同步張拉：張拉過(guò)程中，可設(shè)置先由預(yù)應(yīng)力鋼束兩端伸長(zhǎng)量一致進(jìn)行控制，在接近張拉控制目標(biāo)值時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)換為由張拉力控制最終力值，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)平衡同步張拉，且實(shí)現(xiàn)了對(duì)力值的準(zhǔn)確控制。

③持荷階段：自動(dòng)控制持荷時(shí)間，持荷階段自動(dòng)補(bǔ)壓控制張拉力保持在目標(biāo)值上下1%范圍內(nèi)，持荷完成后系統(tǒng)自動(dòng)記錄實(shí)際張拉力和伸長(zhǎng)量。

④力值、位移值顯示及存儲(chǔ)：由高精度輪輻式測(cè)力傳感器直接測(cè)力并顯示張拉力值，由高精度拉線(xiàn)式位移傳感器直接測(cè)量鋼絞線(xiàn)伸長(zhǎng)量，可實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)，并自動(dòng)生成張拉力及伸長(zhǎng)值曲線(xiàn)。

⑤自動(dòng)計(jì)算張拉結(jié)果并打?。簭埨瓿珊笙到y(tǒng)自動(dòng)計(jì)算張拉結(jié)果，并打印完整的張拉結(jié)果記錄表。

(2)強(qiáng)大的輔助控制功能

①斷電數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)恢復(fù)功能：張拉過(guò)程中若突然停電，系統(tǒng)將自動(dòng)鎖定，并保存當(dāng)前張拉階段數(shù)據(jù)，重新接電后不需要回油重新張拉，可直接由斷點(diǎn)處繼續(xù)完成自動(dòng)張拉過(guò)程。

②自動(dòng)油液溫控系統(tǒng)：張拉用油泵受環(huán)境溫度和張拉過(guò)程發(fā)熱影響，致使油缸活塞摩阻不斷改變，嚴(yán)重影響了液壓系統(tǒng)在炎熱或寒冷氣候及長(zhǎng)期工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性，為此，系統(tǒng)配備自動(dòng)溫控系統(tǒng)，在油溫升高時(shí)自動(dòng)降溫，在溫度較低時(shí)自動(dòng)加熱升溫，以保證液壓系統(tǒng)工作效能，提高控制能力。

③千斤頂回頂保護(hù)功能：自動(dòng)監(jiān)測(cè)千斤頂回油壓力，防止回油壓力過(guò)高造成爆頂。

(3)全面的安全防護(hù)功能

①在線(xiàn)故障診斷系統(tǒng)：系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)全部工作過(guò)程及各部件工作狀態(tài)，并及時(shí)進(jìn)行故障診斷。

②報(bào)警功能：系統(tǒng)具有工作異?；驈埨瓟?shù)據(jù)超差時(shí)自動(dòng)停止張拉并進(jìn)行報(bào)警功能。

③動(dòng)態(tài)伸長(zhǎng)值預(yù)警：系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前鋼絞線(xiàn)伸長(zhǎng)值與當(dāng)前的理論伸長(zhǎng)值進(jìn)行比對(duì)。可有效地防止因數(shù)據(jù)輸入錯(cuò)誤、測(cè)力或位移傳感器失準(zhǔn)、鋼絞線(xiàn)滑絲斷絲而出現(xiàn)張拉質(zhì)量事故。

④張拉力復(fù)核：通過(guò)系統(tǒng)自身測(cè)力傳感器與液壓傳感器之間相互校核，防止因傳感器異常導(dǎo)致張拉質(zhì)量事故。

3 傳感器測(cè)力自動(dòng)張拉系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

目前，研制的新一代的傳感器測(cè)力自動(dòng)張拉系統(tǒng)已在高速鐵路和高速公路中得到了應(yīng)用，取得了較好的效果，其完善的功能減輕了操作人員的工作強(qiáng)度，得到了現(xiàn)場(chǎng)操作人員的認(rèn)可。在系統(tǒng)使用之初，進(jìn)行了大量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證，下面對(duì)其部分應(yīng)用進(jìn)行統(tǒng)計(jì)說(shuō)明。

對(duì)該系統(tǒng)在鄭徐客專(zhuān)、石濟(jì)客專(zhuān)、京沈客專(zhuān)使用中的66片梁，進(jìn)行了功能性和現(xiàn)場(chǎng)適用性試驗(yàn)。并對(duì)張拉力與設(shè)計(jì)值的偏差值、兩端不平衡力以及兩端伸長(zhǎng)值不同步率分別進(jìn)行樣本分析，分別如圖2～圖4所示。

圖2 張拉力與設(shè)計(jì)值偏差統(tǒng)計(jì)圖

圖3 兩端不平衡力統(tǒng)計(jì)圖

圖4 兩端伸長(zhǎng)值不同步率統(tǒng)計(jì)圖

現(xiàn)場(chǎng)使用統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：

(1)實(shí)測(cè)張拉力偏差在0.1%～0.6%范圍內(nèi)，均小于1.0%；張拉力控制準(zhǔn)確。

(2)實(shí)測(cè)兩端不平衡力最大值為6kN，均小于20kN；兩端平衡張拉。

(3)實(shí)測(cè)兩端不同步率≤5%的樣本比例占94.0%；張拉力施加均勻。

(4)實(shí)測(cè)伸長(zhǎng)值偏差≤6%的樣本比例占97.8%。

(5)實(shí)測(cè)鋼絞線(xiàn)回縮量在2～10mm范圍內(nèi)，回縮量數(shù)值≤6mm、≤7mm、≤8mm的樣本比例分別為49.9%、75.0%、93.6%。

4 結(jié)語(yǔ)

闡述了自動(dòng)張拉系統(tǒng)的發(fā)展歷程，重點(diǎn)分析了目前普遍使用的液壓式自動(dòng)張拉系統(tǒng)存在的技術(shù)缺陷，以及新研制的傳感器測(cè)力張拉系統(tǒng)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)，證明了新一代測(cè)力自動(dòng)張拉系統(tǒng)的先進(jìn)性。表明新一代傳感器測(cè)力自動(dòng)張拉系統(tǒng)適應(yīng)于現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境，功能齊全、設(shè)備可靠、數(shù)據(jù)可信，自動(dòng)張拉管理平臺(tái)可進(jìn)行張拉施工數(shù)據(jù)的信息化管理，且可明顯降低人力成本及設(shè)備管理成本，提高勞動(dòng)效率，該張拉控制系統(tǒng)具有推廣應(yīng)用前景。