后张预应力混凝土桥梁自动张拉设备的发展与应用

北方交通—11 —DOI: 10.15996/j. cnki. bfjt. 2019.09.004后张预应力混凝土桥梁自动张拉设备的发展与应用王建立1 ,齐广超1 ,叶建波2 ,张志国$(1.河北省公路工程质量安全监督站 石家庄市050091 ； 2.石家庄铁道大学 石家庄市050043)摘要：分析了传统张拉技术预应力控制存在的问题，重点介绍了新一代传感器测力自动张拉系统的组成、功 能特点和技术优势，通过现场测试统计验证了传感器测力自动张拉系统的适用性，张拉控制的可靠性和使用的便

捷性，该自动张拉系统具有广阔的推广应用前景。关键词：桥梁;预应力；自动张拉系统;传感器中图分类号：U44& 35 文献标识码：B预应力的建立是通过张拉设备来控制的，自上 自动质量控制手段，难以实现对预施应力的准确控

世纪50年代，我国开始在桥梁工程中引入预应力技 制，施工效率也较低。术，主要通过泵站向张拉千斤顶供油，千斤顶活塞驱 动工具锚拉伸钢绞线实现预应力施加，当两端或多

传统预应力张拉技术本身控制存在明显不足, 直接导致预应力控制精准度不高，主要有以下6种

点对称同步张拉时，要靠对讲设备进行控制UT。 其控制取决于操作人员水平，质量稳定性相对较差。

因素『\"°(1) 张拉力控制本身存在不确定性高速铁路桥梁由于耐久性以及线路平顺性控制要 传统预应力张拉是通过人工读取机械式油压表 读数来控制预应力筋张拉力。张拉过程中主要存在 压力表读数精度低且不稳定，加压控制操作误差大、

求，对预应力控制提出了严格要求。在此背景下，基 于信息化的自动张拉技术得以发展,课题组先是在

大西铁路建设中提出了在油压系统中设置传感器的 分辨率低，受张拉环境温度影响千斤顶套筒摩阻变 化明显,以及张拉力与压力表的标定误差，人为操作 影响等实际难于精确控制张拉力。(2) 张拉伸长值测量误差较大智能控制张拉系统，后又总结经验进一步发展了轮

辐式传感器测力系统，直接用于张拉控制，并被铁路 工程推广使用。主要结合自动张拉控制系统方面的 研究成果，重点阐述新一代利用力传感器进行张拉 控制的基本体系和应用效果，以推动先进的自动张 拉系统得到更为广泛的应用。1传统张拉技术预应力控制存在的问题实际施工中，预应力筋的张拉伸长值一般是通

过人工用钢尺直接测量油缸活塞的伸出量再通过修

正而得到的。这种测量方法受人为影响因素较大, 操作时钢尺的平直影响、读数都存在较大误差,而且

后张预应力混凝土桥梁传统的预施应力方法普 遍采用普通油泵驱动千斤顶进行张拉,根据张拉系 统校验的回归方程、锚外设计张拉控制力反算出油

读数记录和张拉不能实现实时快速反馈，实际工程

中也存在现场测量计数回去计算核对,难以实现对 张拉值双控的目标。(3) 未能实现张拉力和张拉伸长值同步控制压表读数，再由人工测读油压表读数实现对张拉力 的控制；同时由人工实测千斤顶伸长值，通过计算出

预应力张拉作业时,规范要求采用张拉应力和 伸长量双控的方法，以期保证有效预应力。但油压

相对于理论伸长值的偏差不超过±6%进行辅助控 制,张拉过程全部采用人工操作及控制，缺乏有效的

表读数和预应力筋伸长量测量一般分别由不同人一

※基金项目：河北省交通运输厅资助项目(2013-1-9,Y - 2012034)—12 —北方交通2019年第9期先一后操作,无法保证张拉力和张拉伸长值同步控 制，一旦出现数据异常，实际补救困难。(4) 不能实现同步张拉规范要求对同一钢束两端应同步张拉,控制不 同步率不超过5%。但实际张拉过程中，两端完全

由人工操作控制进油来施力，本身就不可能实现同 步同速，时常出现两端伸长值较大差异，也说明同步 性较差，从而影响到跨中控制截面的预应力值的精

度。(5) 张拉过程不规范在目前预应力张拉过程中，预应力的加载速率 和持荷时间受人为影响较大。而加载速率过快和持 荷时间过短将直接增大预应力损失，使得锚下应力 达不到设计要求。(6) 预应力筋实际应力值检验存在困难现行《公路桥涵施工技术规范》对预应力值偏 差进行了规定,但是实际预应力值检测难度较大,有 效预应力受张拉工艺和材料本身特性影响等原因，

预应力筋的张拉力必然存在一定的损失，在使用过

程中也可能会持续不断的降低。在张拉过程中及时 检测产生预应力损失后的力筋应力并进行张拉控 制，在传统人工操作通过油表读数进行张拉力控制

情况下是难以实现的，而且现有测试方法复杂，很难 得以推广大范围应用。2预应力自动张拉技术发展根据自动化张拉设备的预应力控制方式不同，

目前又经历了两代不同的产品阶段。2.1第一阶段:液压式自动张拉设备的发展随着对预应力控制精度要求的提高，推动了自

动控制张拉设备研制。其中早期的自动张拉设备都

是通过在传统张拉设备液压油路上安装一套液压传 感器，根据传感器压力值换算张拉力,实现所谓的自

动控制。这种方法存在的主要问题如下：(1)液压式自动张拉设备都是在供油端单点测

量液压系统压力转换为张拉力的方式,模拟手动控

制泵站压力表测读方式:只在泵站出油口安装压力 传感器,由于测量部位距离油泵近,开关电磁阀时对

传感器的冲击很大,如果测量点离千斤顶顶头远,就 无法真实反映千斤顶的受力状态，测量精度无法保

证。(2) 标定问题：① 张拉力标定时无法与试验测力机进行点对点

的标定：由于液压系统在高压时无法定值保压,张拉 力校正只能采用过程读数记录然后反算校正系数的

方式进行，甚至有些还是采用传统的用油表读数校 正张拉力的方式，引用误差大，校正后的系统误差较 大。② 频繁标定：由于千斤顶的使用频率、油封的磨 损程度会造成千斤顶的工作状态发生变化，需要频

繁标定。《公路桥涵施工技术规范》第7.6. 1中规

定，当“张拉次数超过300次”需要重新标定。(3) 千斤顶摩阻变化影响：对于静止不动的油压系统受力截面而言，所承

受的力=油压x截面积。而在千斤顶进行张拉作业

时，千斤顶缸套与活塞之间必须有相对运动,即活塞 向外伸出才能完成张拉作业。油压升高产生的力还 需要克服活塞(密封圈)与缸套之间产生的摩擦力，

才为实际输出的张拉力，即张拉力=(油压x截面 积)-千斤顶摩擦阻力。千斤顶的标定一般都在15 ~25£的室内环境

下进行,而实际使用为野外环境温度下，环境温度和 油温对张拉力影响很大。具体表现为：① 环境温度过低:液压油呈胶着状态,不能形成 良好的润滑油膜，增大摩阻。尤其是冬季施工，早上

设备刚运转时，由于液压油的粘着，会造成摩阻很 大，张拉力损失很大。② 环境温度过高:会导致油膜变稀，加上油温升 高带来的缸套热胀，造成摩阻减小。由于上述因素影响，即使同一天的不同时段，千 斤顶的摩阻都在发生不同的变化，直接影响预应力

的控制精度。(4) 单点测控:一旦测量传感器或者电磁阀发

生故障，系统就会失控。轻者张拉力施加不足造成

施工质量不达标，重者可能拉断预应力钢束,造成梁 体损坏甚至人身伤亡。(5) 液压系统设计及控制方式不合理:张拉过

程中控制同步张拉时无法保持连续加压，造成张拉

力及位移曲线呈波浪或锯齿状，违反了规范要求匀 速连续加压的要求。(6) 没有液压油温度测控系统:液压油的使用

2019年第9期王建立等:后张预应力混凝土桥梁自动张拉设备的发展与应用—13 —过程中，由于频繁动作所产生的热功，会使油温升 该系统通过其中的1个中心泵站,3个辅助泵站可

高,液压油变质，产生胶质、乳化等现象,均导致形不 成良好的润滑油膜,加速液压系统损坏。(7)系统设计上缺乏在线监测及故障诊断功

同时控制4台千斤顶同步张拉作业,构成平衡的双 向张拉体系,可以满足箱梁两侧对称同步张拉。通 过系统内置的微电脑预设张拉工艺参数后，一键启

能，没有控制过程中的安全保护措施，容易造成张拉 质量事故。动操作,即可实现张拉全过程的自动控制，并自动记 录存储张拉过程的张拉力、伸长值等,实时采集张拉

2.2第二阶段:传感器测力自动张拉系统数据并生成曲线，自动完成校核与报警，张拉数据可 直接传输或通过网络传输到管理平台，实现了信息 化管理。该系统在张拉力控制方面采用测力传感

2.2.1系统组成新一代传感器测力自动张拉系统主要由4台穿

心式千斤顶,4台电动液压泵站、8个压力传感器、4 器，并通过油压传感器比对、自动实测伸长值校核, 实现了对张拉力的双校核,具有力值控制精度高、可

个轮辐式测力传感器、4个拉线式位移传感器、4个 温度传感器、1套完整的工业可编程控制器(1主3

靠性高和使用寿命长等显著优势,具有广泛的应用

辅)、一体化工作站主机等组成⑷，具体组成如图1。

前景。—|斷仪表卜iffifg措号槪缩号LAW® 2?LCggS 3,A/DOIft 功斷仪表 5*1® Mis &,嶋 血鼬襁图1系统结构框图2.2.2功能特点(1)便捷的操作功能③ 持荷阶段：自动控制持荷时间,持荷阶段自动 补压控制张拉力保持在目标值上下1 %范围内，持

① 参数设置:可在操作界面上输入保存梁体的 编号、型号、张拉力设计目标值及伸长量理论值、张

荷完成后系统自动记录实际张拉力和伸长量。④ 力值、位移值显示及存储:由高精度轮辐式测 力传感器直接测力并显示张拉力值，由高精度拉线 式位移传感器直接测量钢绞线伸长量，可实时显示 和存储，并自动生成张拉力及伸长值曲线。拉过程及各级持荷时间等。然后只需一键启动张

拉，自动完成整个张拉过程,免去人工干扰。② 同步张拉:张拉过程中,可设置先由预应力钢 束两端伸长量一致进行控制,在接近张拉控制目标 值时，自动转换为由张拉力控制最终力值，实现了自

⑤ 自动计算张拉结果并打印:张拉完成后系统

自动计算张拉结果,并打印完整的张拉结果记录表。(2)强大的辅助控制功能动平衡同步张拉，且实现了对力值的准确控制。—14 —北方交通2019年第9期① 断电数据自动存储恢复功能:张拉过程中若 突然停电,系统将自动锁定，并保存当前张拉阶段数

据,重新接电后不需要回油重新张拉,可直接由断点 处继续完成自动张拉过程。② 自动油液温控系统:张拉用油泵受环境温度 和张拉过程发热影响，致使油缸活塞摩阻不断改变,

严重影响了液压系统在炎热或寒冷气候及长期工作

状态下的稳定性，为此，系统配备自动温控系统，在

油温升高时自动降温，在温度较低时自动加热升温, 以保证液压系统工作效能,提高控制能力。③ 千斤顶回顶保护功能：自动监测千斤顶回油

压力，防止回油压力过高造成爆顶。(3)全面的安全防护功能① 在线故障诊断系统:系统能实时监测全部工

作过程及各部件工作状态，并及时进行故障诊断。② 报警功能:系统具有工作异常或张拉数据超 差时自动停止张拉并进行报警功能。③ 动态伸长值预警:系统实时计算当前钢绞线 伸长值与当前的理论伸长值进行比对。可有效地防 止因数据输入错误、测力或位移传感器失准、钢绞线

滑丝断丝而出现张拉质量事故。④ 张拉力复核:通过系统自身测力传感器与液

压传感器之间相互校核，防止因传感器异常导致张

拉质量事故。3传感器测力自动张拉系统现场应用目前，研制的新一代的传感器测力自动张拉系 统已在高速铁路和高速公路中得到了应用，取得了

较好的效果，其完善的功能减轻了操作人员的工作

强度，得到了现场操作人员的认可。在系统使用之 初，进行了大量现场测试验证，下面对其部分应用进 行统计说明。对该系统在郑徐客专、石济客专、京沈客专使用

中的66片梁,进行了功能性和现场适用性试验。并 对张拉力与设计值的偏差值、两端不平衡力以及两 端伸长值不同步率分别进行样本分析，分别如图2 ~

图4所示。现场使用统计试验数据表明：(1) 实测张拉力偏差在0. 1% -0.6%范围内，

均小于1.0% ；张拉力控制准确。(2) 实测两端不平衡力最大值为6kN,均小于100輪张拉力与设计值的偏差0.10.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7偏差值图2张拉力与设计值偏差统计图100 8060離两端不平衡力40 ■20 -02 3 4 5不平衡力/kN图3两端不平衡力统计图60504030翳两端伸长值不同步率2010010不同步率/%图4两端伸长值不同步率统计图20kN；两端平衡张拉。(3) 实测两端不同步率W5%的样本比例占

94.0% ；张拉力施加均匀。(4) 实测伸长值偏差W6%的样本比例占97. 8%。(5) 实测钢绞线回缩量在2 ~ 10mm范围内，回

缩量数值W6mm、W7mm、W8mm的样本比例分另为

49.9% ,75.0%、93.6%。4结语阐述了自动张拉系统的发展历程，重点分析了

目前普遍使用的液压式自动张拉系统存在的技术缺

陷，以及新研制的传感器测力张拉系统，并通过现场 应用统计，证明了新一代测力自动张拉系统的先进 性。表明新一代传感器测力自动张拉系统适应于现 场施工环境，功能齐全、设备可靠、数据可信，自动张

2019年第9期王建立等:后张预应力混凝土桥梁自动张拉设备的发展与应用[4]

—15 —拉管理平台可进行张拉施工数据的信息化管理，且

杨肖委.预应力自动张拉系统的研究[D].贵州：贵州大学，

可明显降低人力成本及设备管理成本，提高劳动效

2016.[5]

郭全全.预应力数字化张拉技术及预应力结构中环境温度效 应的研究[D].太原:太原理工大学,2003.率，该张拉控制系统具有推广应用前景。参考文献[1]

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验研究[J].公路,2012(4) ： 144-147.[J].铁道建筑,2014(11)：11 -13.Development and Application of Automatic Tensioning Equipment for

Post 一 tensioned Prestressed Concrete BridgeWANG Jian-li1, QI Guang-chao1, YE Jian-bo2, ZHANG Zhi-guo2(1. Hebei Provincial Highway Engineering Quality and Safety Supervision Station, Shijiazhuang 050091,China；2. Shijiazhuang Railway University, Shijiazhuang 050043, China)Abstract The existing problem in prestress control of traditional tension technology is analyzed, and the

composition, functional characteristics and technical advantages of the new generation of automatic tension system for sensor force measurement are introduced emphatically. The applicability of automatic tension system for sensor force measurement, reliability of tension control and convenience of usage are verified through the field test

statistics. The automatic tension system has broad application prospects.Key words Bridge ； Prestress ； Automatic tension system ； Sensor(上接第10页)

整个项目的顺利实施均起到至关重要的作用,通过

对大桥设计过程中的特点、难点的总结，为今后同类型桥梁设计提供一定的参考。Design of Shijiuhu Super 一 large Bridge over Nanjing 一 Gaochun New ChannelTANG Yuan-hua(JSTI Group Co. ,Ltd. , Nanjing 210000, China)Abstract Combining with the design example of a super 一 large bridge over the lake, the overall design

scheme of super 一 large long bridge and the technical characteristics of binding design of highway bridge and track

bridge are introduced, and the environmental protection design scheme of the super 一 large bridge over sensitive water area is summarized. The design of this bridge is special and complex, which can provide reference for the

design of similar bridges.Key words Corridor belt ； Large water area ； Super 一 large long bridge ； Rail binding