桥梁预应力智能张拉技术的应用

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  摘要:桥梁预应力智能张拉技术以电脑智能控制为前提,施工中杜绝了因个体差异而产生的影响,从而全面实现了桥梁预应力施工的精确控制。本文以长沙市人民路东延线桥梁预应力智能张拉施工为例,介绍了智能张拉的预应力精确控制、伸长量精确控制和校核伸长率,精确实现同步张拉、减小预应力损失、自动记录张拉过程和直观的反映应力、位移、时间的关系曲线。
  关键词:预应力;智能张拉;应用;控制
  1前言
  随着科学发展的日新月异,数字化、自动化、智能等与工程建设曾经相对陌生的名词现在正悄然的走进我们的视野。随着桥梁施工技术日益成熟,预应力混凝土桥梁具有跨度大、良好的受力性能、可观的经济性而被广泛应用。同时,随着社会的进步,交通压力越来越大,许多新建桥梁不断出现早期下挠、开裂等病害。采用智能张拉系统施工提高预应力精度、伸长量精度和校核伸长率,实现同步张拉、减小预应力损失,从而确保桥梁预应力施工质量势在必行。
  笔者结合长沙市人民路东延线项目实际情况,通过对桥梁预应力智能张拉系统在工程实体中的应用,诠释了智能张拉系统让桥梁预应力张拉实现精确控制的全过程。
  2智能张拉系统工作原理
  2.1工艺原理
  智能张拉系统工艺原理如下图:
  2.2设备简述
  2.2.1智能千斤顶:将压力传感器、位移传感器和千斤顶融为一体,可实时输出张拉力值和钢绞线伸长量。张拉中智能张拉平台通过智能张拉系统控制千斤顶的加载速度确保给油稳定,持续荷载。
  2.2.2智能张拉仪:该仪器通过设置相应的阀块组,实现对进油、回油、停顿、持荷等技术要素的控制,并通过与微机控制系统的对接,实现数据的实时交互。
  2.2.3张拉软件:设置拟定的张拉参数和张拉行程,系统根据设置的张拉行程自动进油、持荷、退油,记录各个行程伸长量、计算和校核伸长率,生成应力、位移、时间关系曲线。
  2.3智能张拉控制原理
  2.3.1双控原理:智能张拉的控制原理和方法一般依据《公路桥涵施工技术规范》和经验进行,采用双控法,其以张拉力控制为主,伸长量控制为辅。其理论依据是液压技术和材料力学。
  张拉力的测量主要是测量油压的大小,间接测量出钢绞线的力值。一般千斤顶的标定公式如下:
  y=ax+b(2-1)
  式中:y—代表千斤顶的油压,单位为MPa
  a—油压与张拉力之间的线形相关系数
  x—代表张拉力值,单位为kN
  b—千斤顶自身的修正系数,单位为MPa
  其中, x=cf (2-2)
  c—代表钢绞线的根数
  f—代表每根钢绞线的力值,一般为195.3kN或者193.9kN。
  钢绞线的理论伸长量DL1的计算一般按下式计算:
  (2-3)
  式中:Pp—代表预应力钢绞线的平均张拉力,单位为kN
  L—预应力钢绞线的长度,单位mm
  Ap—预应力钢绞线的截面面积,单位mm2
  Ep—预应力钢绞线的弹性模量,单位为N/mm2
  在预应力张拉时,应先调整到初应力б0,该应力一般为张拉控制应力бcom的10%~25%,伸长量从初应力开始量测。实际伸长量除量测的伸长量外,尚应加上初应力以下的推算伸长量。预应力张拉的实际伸长量DLs(mm)按下式计算:
  DLs=DL1+DL2(2-4)
  DL1 —从初应力到最大张拉应力之间的实测伸长量(mm)
  DL2 —初应力以下的推算伸长量(mm)
  在张拉时,一般依钢绞线根数设置张拉力(式(2-2)计算),再由式(2-1)计算油压,这些计算都由软件自动计算,使用时只需要输入参数即可;伸长量的理论计算由施工单位计算,也可按式(2-3)计算,实测伸长量按式(2-4)计算,伸长量的相对误差为实测伸长量与理论伸长量的误差百分比。
  在预应力张拉时,上位机程序实时采集压力传感器的压力数据和位移传感器采集的位移数据,在张拉过程中实时将采集到的压力值与设置的目标压力值进行对比,计算压力相对误差;同时将采集到的位移数据转化成实测伸长量,并与钢绞线的理论伸长量进行对比,计算伸长量相对误差。当压力值未达到目标值,同时钢绞线伸长量与理论伸长量相对误差不超过6%时,继续进行张拉;当压力值超过目标值1%,或者钢绞线伸长量与理论伸长量相对误差超过6%时,即暂停张拉,进行持荷,如果张拉力未达到目标值则进行相应的处理后继续张拉。这就是双控的过程。
  2.3.2张拉力精确度:高精度的传感器对对千斤顶压力实时检测,能够精准的感应压力的变化,在持荷阶段千斤顶压力传感将数据发送给张拉软件,软件自动分析判断。张拉压力比目标值下降1%时系统即自动通过调节智能张拉仪油阀进油的方式进行补压,自动补油确保达到设计张拉应力值。
  2.3.3伸长量及伸长率校核:系统对千斤顶自带位移传感器检测读取伸长量,提高伸长量精度,确保测量精度达±0.1mm,自动计算伸长率并及时校核。
  2.3.4同步张拉:启动软件“开始张拉”程序,张拉软件同时控制两个或多个张拉仪对千斤顶同时进油,张拉软件分别对不同的千斤顶显示张拉数据。张拉过程中当两端张拉压力差大于3MPa时,系统自动控制千斤顶的进油速度,使张拉力达到同步,保证同步精度控制在2%以内。持荷过程中压力比目标值下降1%时自动通过进油的方式进行补压,减小预应力损失。
  2.3.5加载速度和持何时间:通过系统设定张拉行程,每个行程持何30s,最后一个行程持何300s,减小由加载速度和持何时间引起的预应力损失。
  2.3.6张拉记录及预应力、位移和时间曲线关系:系统自动生成张拉记录,直观的反映应力、位移、曲线关系,自动保存张拉过程记录,提供质量分析依据。   3工程实例
  长沙市人民路东延线共有分离式立交跨线桥3座,其中5×30m两座,(2×30+36.5+2×30)m一座。单幅宽12.5m。
  桥梁下部结构采用柱式花瓶墩、一字桥台、矩形承台。上部结构采用等截面预应力混凝土现浇箱梁,单箱双室,斜腹板,结构调横坡。桥梁名义梁高1.6m~1.8m,箱梁悬臂长2.5m,顶板厚0.25m,底板厚0.22m,腹板厚0.50m,采用满堂支架现浇一次浇筑。
  箱梁纵向采用24束15-φs15.2、8束/4束12-φs15.2高强度低松弛钢绞线,标准强度fpk=1860MPa,分别布置在腹板和底板,钢束张拉控制应力取0.7fpk,横梁采用钢筋混凝土结构。
  4施工准备
  4.1按照设计要求混凝土龄期至少达到7天,强度不小于90%,设计无特别要求时按照规范要求不小于80%。
  4.2将标定好的千斤顶、张拉仪等设备、机具和材料运抵现场,并对智能张拉设备进行调试。
  4.3预应力筋编束施工
  4.4安放工作锚、工作夹片
  4.5安放张拉设备
  张拉时,应将智能张拉仪安放在梁体两端的侧面,设备离梁体端头的距离要适宜,以方便连接千斤顶张拉为准,还应保证张拉仪直线可视。
  4.6 软件、硬件对接(无线)
  在智能千斤顶安装好之后,按照张拉仪与千斤顶的标识,连接张拉仪与千斤顶的进油管、退油管和信号线,连接张拉仪无线发射器。开启电源,预热3~5min,检测张拉仪设备自带的电压指示器(正常电压为380V),通过液压油指示器检测液压油数量,各项指标和参数合格后,打开电脑,通过局域无线网络连接张拉软件与张拉仪。多顶同步张拉时,软件只需连接其中一台张拉仪,其余张拉仪均可以自动连接。
  4.7伸长量计算
  预应力筋张拉时,实际伸长量与理论计算值之间存在一定的误差,该误差应控制在±6%以内。实际施工过程中产生误差的原因主要有预应力筋的实际弹性模量与计算取值不一致;千斤顶的误差;孔道摩阻损失变化和预应力筋截面面积的量测有误等。
  (1)根据预应力筋检测的实际弹性模量,计算理论伸长量。
  理论伸长量的计算式
  预应力平均张拉力的计算
  4-1
  预应力筋的理论伸长值计算(mm) 4-2
  式中:Pp----预应力筋平均张拉力(N);
  P----预应力筋张拉端的张拉力(N);
  x-----从张拉端至计算截面曲线孔道部分切线的夹角之和(rad);
  ----孔道每米局部偏差对摩擦的影响系数;
  ----预应力筋与孔道壁的摩擦系数;
  L----预应力筋的长度(mm);
  Ap----预应力筋的截面面积(mm2);
  Ep----预应力筋的实际弹性模量(N/ mm2)。
  其中,本项目采用塑料波纹管,k取0.0015, 。
  (2)施工时用游标卡尺抽测预应力筋截面积求平均值。
  (3)孔道摩阻损失的测试,测试方式如下:
  Ⅰ在梁的两端按装千斤顶后同时进油,保持一定数值(约4MPa)。
  Ⅱ甲端千斤顶保持4MPa,乙端张拉。张拉时分级升压,直至张拉控制应力。如此反复3次、取两端压力差的平均值。
  仍上述方法,但乙端千斤顶保持4MPa,甲端再次张拉,取两端3次压力差的平均值。
  Ⅲ取两次压力差平均值再次平均得出管道摩阻力的测定值见下表。
  摩阻损失测试记录表
  次数 甲端千斤顶读数 乙端千斤顶读数 差值(KN)
  1 2542.8 2734.2 191.4
  2 2544.5 2732.6 188.1
  3 2538.9 2735.1 196.2
  1 2734.6 2548.7 185.9
  2 2734.3 2550.2 184.1
  3 2733.2 2543.4 189.8
  平均值 189.25
  5加载、持荷
  5.1在张拉软件界面设置张拉参数和张拉行程,加载速度选项根据不同预应力筋类型选择加载速度,本项目选择20%бcom/min的加载速度有利于稳定、持续的对预应力筋施加预应力减小预应力筋松弛度造成的预应力损失。
  5.2持荷时间系统根据设定的张拉行程自动设定,系统能严格的按照设定的持荷时间持荷,在持荷时间内,智能千斤顶传感器感应压力变化,将数据发送给张拉软件,软件分析判断后自动对千斤顶补油,及时的补张,降低由预应力筋松弛造成的预应力损失。通过设置每个行程持荷载时间30s,最后一个行程持荷300s内自动补张减小预应力损失。
  5.3启动智能张拉系统,进行张拉,采集压力、位移数据。智能张拉系统配置有位移、压力传感器的智能千斤顶,传感器自动测量位移、压力值的变化,通过数字交换系统形成压力、位移曲线。在预应力张拉时,上位机程序实时采集压力传感器的压力数据和位移传感器采集的位移数据,在张拉过程中实时将采集到的压力值与设置的目标压力值进行对比,计算压力相对误差;同时将采集到的位移数据转化成实测伸长量,并与钢绞线的理论伸长量进行对比,计算伸长量相对误差。当压力值未达到目标值,同时钢绞线伸长量与理论伸长量相对误差不超过6%时,继续进行张拉;当压力值超过目标值1%,或者钢绞线伸长量与理论伸长量相对误差超过6%时,即暂停张拉,进行持荷,如果张拉力未达到目标值则进行相应的处理后继续张拉。这就是智能张拉双控的过程。
  5.4由于本项目采用千斤顶的最大行程为200mm,根据计算伸长量需要在35%бcom行程、70%бcom行程时换顶。则张拉分三级进行:   第一级张拉:15%(20%)бcom(初应力即计算伸长值的起点)持荷30s→30%бcom持荷30s→35%бcom持荷30s后退顶;
  第二级张拉:安装工具锚和夹片后开始张拉,张拉行程为 0бcom→35%бcom持荷30s→70%бcom持荷30s后退顶;
  第三级张拉:安装工具锚和夹片后开始张拉,张拉行程为0бcom→70%бcom持荷30s→100%бcom持荷300s后固锚。
  5.5数据采集、实时掌握
  完毕后系统自动计算实际伸长值与理论伸长值的偏差和张拉资料,并自动保存在系统中,杜绝了人为修改。再通过互联网实时传输到指定网址,监督人员能在不去现场的情况下对张拉施工质量实时掌握,实现“智能控制、远程跟踪、及时纠错”。
  6多顶同步张拉
  6.1同一断面安装两个或多个千斤顶,连接张拉仪与千斤顶进油管、退油管、信号线。
  6.2启动张拉软件,设定张拉参数,预应力智能张拉系统同时控制两个或多个千斤顶的张拉工作。
  6.3通过张拉软件连接张拉仪,启动软件“开始张拉”程序,张拉仪同时对两个或多个千斤顶进油,张拉软件分别对不同的千斤顶显示张拉数据。
  6.4张拉过程中软件自动对不同的千斤顶进油、退油,保证同步精度控制在2%以内。持荷过程中压力比目标值下降1%时自动通过进油的方式进行补压,减小预应力损失。
  7智能张拉系统解决的问题
  通过智能张拉系统在工程实体中的应用,我们可以发现,该系统彻底解决了传统的预应力筋张拉过程中,由于人为的过程操作存在诸多不确定因素导,所导致的以下三个方面难以精确控制的问题:
  (1)张拉力的精确控制。施加的预应力力值大小得到了精确控制,降低了由于预应力施加不足或超标引起的桥梁开裂、下挠、破坏等风险,有利于保证结构安全,提高耐久性,延长使用寿命,降低养护维修成本。
  (2)伸长量的精确控制。系统对千斤顶自带位移传感器检测读取伸长量,提高伸长量精度,确保测量精度达±0.1mm,自动计算伸长率并及时校核。
  (3)同步张拉的精确控制。保证施加应力均衡,即将断面上的所有钢束施行同步张拉,以消除混凝土弹性压缩损失和不均匀变形,并能提高锚固区混凝土的抗裂性能。
  8结束语
  实践证明,梁体预应力施工质量是完全可控的,只要我们在施工过程中科学发展观的道路,就能杜绝个体因素差异带来的影响,我们的许多桥梁通病必将全面得到解决。
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