胡存堅

（中鐵二十三局集團軌道交通工程有限公司，上海 201300）

1. 工程概述

2010年，我國引進法國的城市軌道交通先張法大噸位預(yù)應(yīng)力橋梁技術(shù)-“U”形薄壁梁，該梁型是一種全新的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，目前在國際上應(yīng)用廣泛。在引進該梁型時研發(fā)出大噸位預(yù)應(yīng)力整體先張梁的生產(chǎn)技術(shù)，在大噸位U梁預(yù)制中引入“牽引式”工藝，但技術(shù)仍不夠成熟，人為操作流程多，影響工期工效?；诠こ绦枰邪l(fā)大噸位先張“U”形薄壁梁全自動智能張拉系統(tǒng)，張拉噸位2000t以上，通過在深圳地鐵6號線工程上的應(yīng)用，該技術(shù)成熟先進。

2. 傳統(tǒng)工藝概況及問題分析

（1）預(yù)應(yīng)力先張法混凝土梁預(yù)應(yīng)力設(shè)計及施工概述。預(yù)應(yīng)力先張法混凝土梁的設(shè)計一般采用多束鋼絞線布置，由夾具固定在臺座上。在澆筑混凝土前提前給預(yù)應(yīng)力筋兩端一個設(shè)計拉應(yīng)力并固定在兩端專用承力墩臺上，待梁體混凝土達到設(shè)計強度和齡期，放松預(yù)應(yīng)力鋼筋，預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力傳遞給混凝土梁體，以達到預(yù)應(yīng)力效果。先張法預(yù)應(yīng)力施工傳統(tǒng)工藝采用臺座兩端預(yù)設(shè)承力墩臺，使用2臺或2臺以上頂推式千斤頂尾部支撐在承力墩臺外側(cè)，千斤頂活塞缸一端頂推鋼絞線錨固橫梁。（2）傳統(tǒng)工藝存在的問題。通過對類似工程先張法工藝進行了大量的調(diào)查和資料收集，調(diào)查過程中，我們發(fā)現(xiàn)在目前的張拉系統(tǒng)存在的問題主要有2個方面：一方面，所有的控制系統(tǒng)均設(shè)置在現(xiàn)場相對應(yīng)的張拉臺座指定位置，且小頂初張和大頂終張的系統(tǒng)都是獨立分開的，這讓現(xiàn)場操作變得煩瑣，不方便現(xiàn)場管理，資源整合難度較大。另一方面，由于牽引式千斤頂采用液壓傳感器，油缸行程不足造成大跨度結(jié)構(gòu)或長線法施工時滿足不了預(yù)應(yīng)力筋的設(shè)計應(yīng)力伸長量，只能實現(xiàn)第二階段大頂整體張拉，張拉結(jié)束后依靠穿心式小千斤頂逐根張拉到設(shè)計噸位，延長工作時間。當人工對每根預(yù)應(yīng)力筋進行最后一階段小頂終張時，因單根預(yù)應(yīng)力筋初始力值較大，長線施工單根預(yù)應(yīng)力筋錨具和連接器較多，張拉頻率不穩(wěn)定等因素，有可能出現(xiàn)脫錨情況，存在安全隱患。

3. 全自動智能張拉系統(tǒng)設(shè)計

3.1 張拉設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計

梁體預(yù)制張拉臺座主體結(jié)構(gòu)形式為水平軸壓柱式臺座，由預(yù)制臺座底板和兩側(cè)傳力柱組成。底板主要作用為使地基受力均勻，避免預(yù)制臺座不均勻沉降的發(fā)生。兩側(cè)傳力柱傳遞水平軸向壓力。預(yù)制臺座基座水平布置在彈性地基上，周圍由提梁機道路路基土體包圍，在土體的幫助下形成三維約束。結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析應(yīng)確定為側(cè)梁的偏心受壓和底板的彎曲，整體結(jié)構(gòu)是彈性地基梁的受壓彎曲構(gòu)件[1]。

梁體預(yù)制臺座總長為75m，有效長度70m。考慮到經(jīng)濟性和可用性，臺座底板為變厚度板。兩側(cè)傳力梁附近底板厚為550mm，中間厚為320mm，因為兩側(cè)傳遞的壓力荷載較大，中間的相對較小。兩側(cè)傳力梁截面尺寸為B（寬）×H（高）=1000mm×2060mm，既要滿足受力要求又要滿足間隙要求，以便于吊梁機吊運梁體。由于張拉力較大，張拉鋼梁設(shè)計為箱形截面。張拉端固定鋼梁主要承受2個集中大荷載，其斷面為1000mm（寬）×1960mm（高），其主要結(jié)構(gòu)由鋼板法蘭板、厚鋼板腹板、中間2塊加強筋板組成，其總長度為8.0m，凈跨度（兩側(cè)傳力梁中心距）為7.0m。張拉端活動鋼梁承受鋼絞線均布荷載，其斷面為1050mm（寬）×1500mm（高），其主要結(jié)構(gòu)由鋼板法蘭板、鋼板腹板、中間2塊加強筋板，鋼梁總長度為5.6m，凈跨度（2個千斤頂?shù)闹行木啵?.0m。

每個臺座均采用2個1500t千斤頂用于拉動鋼梁。由于鋼絞線張拉力與底板水平中心線存在偏心，為了使張拉力均勻，避免鋼梁轉(zhuǎn)動傾斜，必須先計算鋼絞線合力中心線，根據(jù)平行力系的平衡和簡化，假定合力中心位于底板的任何位置，然后所有力都向該線施加力矩以找到合力中心線。例如，可假定中心線在距第一層鋼絞線上方х處，單根張拉力設(shè)為N，則：

下矩 ：34Nх ；上矩 ：40N(75-х)+10N(150-х)+6N(225-х)。

上矩 = 下矩即 34Nх=40N(75-х)+10N(150-х)+6N(225-х)。

即90х=5850；解得：х=65mm。

亦即牽引螺桿中心線應(yīng)該與張拉力中心線相重合，張拉鋼橫梁形心也應(yīng)該通過張拉力中心線。牽引螺桿的中心線應(yīng)與張拉力的中心線重合，張拉鋼梁的質(zhì)心也應(yīng)穿過張拉力的中心線。該預(yù)制梁臺座主要承受水平方向的偏心軸向壓力，結(jié)構(gòu)受力計算模型簡化為支撐在彈性地基梁上的壓彎構(gòu)件。在結(jié)構(gòu)受力驗算中主要是驗算臺座及傳力柱整體穩(wěn)定性。采用有限元法分析建立模型，如圖1所示。

圖1 制梁臺座有限元分析模型

邊界條件：一般支撐中間節(jié)點，DX=0，DY=0，RX=0，RZ=0；所有節(jié)點在Z方向上加上關(guān)節(jié)彈性支撐，通過將地基（黏土）反應(yīng)系數(shù)乘以節(jié)點面積，得到剛度系數(shù)dZ=607500N/mm。

荷載：偏心節(jié)點荷載F=1.25＊16290kN=20362.5kN，自重，考慮混凝土收縮徐變影響，按規(guī)范輸入。經(jīng)穩(wěn)定性分析，制梁臺座屈曲極限載荷為189F，受壓穩(wěn)定性滿足要求。

A壓應(yīng)力驗算：軸壓下最大壓應(yīng)力為9.9MPa，小于混凝土抗壓強度，滿足要求。

B變形驗算：始節(jié)點的變形量為2.96mm，終節(jié)點變形量為2.93mm，則制梁臺座總壓縮量為5.89mm，考慮鋼筋對其約束后壓縮量小于5mm，滿足變形要求。

對于該偏心受壓構(gòu)件，梁底部產(chǎn)生彎矩，要保證U型張拉臺座的整體穩(wěn)定性，首先應(yīng)保證梁底部不發(fā)生受彎破壞。彎矩大小為：M=20362.5×0.386=7859.925kNm，每邊承受7859.925kNm/2=3929.96kNm

地梁斷面尺寸為寬度B=1000mm，高度H=2060mm。根據(jù)承載力極限狀態(tài)設(shè)計鋼筋面積，公式如下：

式中，系數(shù)α=0.99；h0=h-as=2060-65=1995mm，as為鋼筋截面中心至混凝土受拉邊緣距離，這里取65mm；b=10000mm，?c=25.3N/mm2，?y=435N/mm2

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，計算得αs=0.044；

需要鋼筋截面積 As=M/(γsh0?y)=4954.03mm2，選用15Ф28,供給 As=11084mm2。

界限相對受壓區(qū)高度：

為偏于安全起見，圖集取22Ф28。按混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對e0/h0≤0.55的偏心受壓構(gòu)件可不驗算裂縫寬度。

3.2 全自動智能張拉系統(tǒng)原理

全智能張拉系統(tǒng)分解如表1所示。

表1 全智能張拉系統(tǒng)分解表

3.3 分級對稱張拉方案

通過初張小千斤頂對錨固在活動剛橫梁上所有鋼束從兩端到中部對稱均勻張拉，一次性張拉到目標力值。張拉結(jié)束后對鋼筋骨架內(nèi)的預(yù)應(yīng)力筋進行障礙排查，對存在干擾的鋼筋清障后進行初張目標值補張，實現(xiàn)了基準面受力均勻。

3.4 創(chuàng)新型雙頂集中同步張拉方案

通過在廠家訂制的2臺1500t取代傳統(tǒng)式多頂張拉，依據(jù)有限元受力分析，以固定剛橫梁和傳立柱取代傳統(tǒng)式剪力墻結(jié)構(gòu)，通過采用大噸位、高精度荷載傳感器和磁致式伸縮位移傳感器實現(xiàn)智能化同步張拉。

3.5 PLC主控系統(tǒng)研發(fā)

利用以太網(wǎng)結(jié)合遠程視頻監(jiān)控和PLC綜合控制系統(tǒng)，利用PLC穩(wěn)定可靠、價格低廉、功能齊全及操作維護簡便等優(yōu)點設(shè)置現(xiàn)場獨立的張拉控制室。根據(jù)現(xiàn)場條件和要求開發(fā)了專業(yè)的預(yù)應(yīng)力施工PLC控制系統(tǒng)。PLC液壓同步系統(tǒng)基于力和位移的雙閉環(huán)控制。千斤頂根據(jù)實際荷載準確平穩(wěn)張拉，確保張拉過程中結(jié)構(gòu)安全。控制系統(tǒng)由軟件和硬件組成。硬件包括上位機、下位機、電控箱和視頻監(jiān)控系統(tǒng)。智能張拉系統(tǒng)通過電腦計算機控制張拉油泵和張拉千斤頂，利用自研軟件在計算機上可視化操作、窗口簡潔、簡單易用。系統(tǒng)中測力傳感器和位移傳感器實時反饋傳輸數(shù)據(jù)，系統(tǒng)同步存儲施工過程數(shù)據(jù)。按規(guī)范要求應(yīng)以張拉力值為控制為主，以鋼絞線伸長量為為輔校核，達到雙控制目的。智能張拉系統(tǒng)實時獲取張拉設(shè)備的張拉力值和鋼絞線的伸長量，經(jīng)分析計算后再把控制指令發(fā)送給張拉設(shè)備，各子系統(tǒng)實時動態(tài)聯(lián)動，根據(jù)預(yù)設(shè)的張拉力值和施工步驟自動完成整個張拉過程，無需人為過多干預(yù)。上位機安裝在主控制室內(nèi)，并在計算機配置界面上監(jiān)控所有張拉系統(tǒng)，它有手動和自動操作。在自動模式下整個千斤頂可同步調(diào)整?？蓪崿F(xiàn)各千斤頂張緊的精確自動或手動控制，位移同步或壓力同步控制，具有千斤頂壓力和位移顯示，可設(shè)定壓力和位移值，可設(shè)定壓力和位移誤差范圍，并具有報警功能和誤操作聯(lián)鎖。 預(yù)應(yīng)力自動張拉控制力值精度可達±1.5%。

3.6 智能油泵研發(fā)

該泵站由高壓閥組、低壓閥組、高壓泵組、低壓泵組、電動機、濾油器、液位計、油箱、壓力表、壓力傳感器、分控柜等組成。泵站同時滿足小頂初張和大頂終張，終張拉千斤頂由高壓閥組控制，初張拉千斤頂由低壓閥組控制。將小頂?shù)牡蛪洪y組、低壓泵組、電動機和大噸位千斤頂高壓閥組、高壓泵組合并，同時控制，泵站同時滿足小頂初張和大頂終張，終張拉千斤頂由高壓閥組控制，初張拉千斤頂由低壓閥組控制。通過與PLC控制柜兼容，設(shè)置液晶可觸摸顯示屏實現(xiàn)泵站獨立智能操控。通過無線遙控簡化初張煩瑣的張拉過程。

4. 方案實施驗證

在研發(fā)團隊的共同努力下整套系統(tǒng)于2016年04月26日正式投產(chǎn)使用，成功解決了第三階段人工手動張拉的問題，縮短了張拉時間，減少了施工人員數(shù)量。實現(xiàn)了全過程數(shù)據(jù)存儲和整合，杜絕人為改動，確保張拉數(shù)據(jù)真實有效，解決了預(yù)應(yīng)力筋脫錨情況的發(fā)生，杜絕了安全事故的發(fā)生，確保了施工質(zhì)量。通過專業(yè)化管理實現(xiàn)了張拉作業(yè)人員只需在主控室就可對整個梁場進行張拉施工作業(yè)。

5. 成果應(yīng)用

本技術(shù)已在深圳市城市軌道交通6號線6101標U梁預(yù)制工程中成功應(yīng)用，已經(jīng)申請了多項實用新型專利。研發(fā)團隊這次攻關(guān)解決了傳統(tǒng)大噸位先張法張拉的專業(yè)化、智能化問題，形成了可復(fù)制可推廣的寶貴經(jīng)驗。應(yīng)用項目作為第一家在深圳工廠化生產(chǎn)預(yù)制先張“U”形薄壁梁的項目，而且又是第一次實現(xiàn)如此大噸位全自動智能化張拉施工，得到業(yè)主單位深圳地鐵集團以及中國鐵建南方投資有限公司的高度肯定，在深圳衛(wèi)視新聞聯(lián)播中傾力推廣。