大吨位预应力混凝土箱梁自动张拉设备研究

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  摘要:根据铁路大吨位预应力混凝土箱梁张拉存在的弊端,设计一种自动张拉装置,能满足铁道部各项技术规范要求,节省人工,快速方便进行箱梁的自动张拉工作,并具有远程监控等功能。
   关键字:预应力混凝土箱梁;自动张拉;设备
  Abstract: according to the railway large-tonnage prestressed concrete box girder the disadvantages of tension, design a kind of automatic tension device, it can meet the requirements of the code technology mor, save manpower, and rapid convenient for box girders of automatic tension work, and has remote control, and other functions.
  Key word: prestressed concrete box bridge; Automatic tension; equipment
  
  
   中图分类号:TU528.571文献标识码:A文章编号:
  1 概述
   目前,大吨位预应力混凝土箱梁预应力在张拉时,采用油泵驱动千斤顶进行张拉,由油泵压力表读数控制张拉力,人工测量得到钢绞线张拉伸长值,这种人工控制测量张拉的方法存在许多弊端,主要问题如下:
   1)、张拉力与压力表的标定误差和压力表的读数误差较大,压力表读数不稳定,读数速度慢;
   2)、压力表读数需换算才能知道张拉力的大小,形不成张拉力的直观概念,对控制张拉力不方便;
   3)、加压操作控制误差大,分辨率低,难以精确控制张拉力;
   4)、人工用测量工具测量钢绞线张拉伸长值也存在读数误差大,测量过程慢,信息反馈不准确;
   5)、千斤顶、张拉油泵与油压表的标定所需次数多,标定结果不易保持,标定所需费用高,油压表易损坏等。
   6)、箱梁预应力束多,900t级铁路箱梁一般为27孔,每孔束钢绞线数量也不一致,一般有7、8、9和12根。工人在穿束操作过程中容易混淆出错,导致箱梁整体张拉失衡造成结构扭曲。
   7)、张拉步骤未按照规范执行,其同步性、持荷时间、加载速率随意性大,导致张拉过程中预应力损失较大,锚下预应力达不到设计要求,箱梁总体有效预应力偏小。
   8)、钢绞线缠绕,同束各根钢绞线受力不均匀。
   9)、张拉记录混乱、失真,质量状况难以掌握。
   在铁道部桥梁场认证过程静载试验中,多次发现箱梁欠张和超张的情况,箱梁如欠张,在静载试验1.2级加载过程中会观测到裂纹且挠跨比超标,而箱梁超张则表现为挠跨比偏小。不管超张还是欠张,梁体内均不能建立与设计相符的、准确的预应力,在列车运行过程中将会导致梁体开裂、下挠、破坏,并将影响箱梁结构安全和长期使用寿命,造成行车危险。
  2自动张拉设备方案
   2.1自动张拉设备特点
   一种新型的自动张拉设备主要针对铁路简支箱梁研发,其能实现预应力箱梁双端四顶全自动精确同步对称张拉,也可用于双端两顶同步张拉。它能有效解决张拉过程的各种弊端,应具备如下各项特点:
   1)、采用全过程智能控制,精确施加预应力
   自动张拉设备采用电脑程序自动控制,可实现全过程智能张拉,能够根据输入的各阶段张拉力和伸长值及张拉流程等各项工艺参数,自动进行全过程张拉,同时张拉结果自动记录、自动保存。张拉全过程在电脑上实时同步显示,并对两端对应千斤顶张拉力和伸长值等参数进行分窗口实时比较,对出现的异常情况能进行声光报警及提示功能,所有实测数据均自动保存,可根据需要形成表格或查询输出数据。根据不同梁型可制定不同的张拉程序和张拉参数。还可通过集成在油泵操作台上的触摸控制屏进行张拉作业操作。
   一键完成单孔张拉:设备自动进油、停顿、持荷、回油、计算伸长量、生成表格。提示进行下一孔道施工及张拉。
   智能张拉系统能精确控制施工过程中所施加的预应力力值,将误差范围由传统张拉的±15%缩小到±1%以下。(张拉力控制应力的精度宜为±1.5%)
   2)、及时校核伸长量,实现“双控”
   以张拉力为控制要素、以伸长量为校核指标,采用程序自动控制系统进行箱梁的预张、初张、终张,并实时显示载荷值和伸长量。系统传感器实时采集钢绞线伸长量数据,反馈到计算机,自动计算伸长量,及时校核伸长量是否在±6%范围内,实现应力与伸长量同步“双控”。(预应力筋采用应力控制方法进行张拉时,应以伸长量进行校核。……其偏差应控制在±6%以内)
   3)、同步张拉
   一台计算机控制四台千斤顶同时、同步对称张拉,实现“四顶同步张拉”工艺。(各千斤顶之间同步张拉力的允许误差为±2%)
   4)、智能控制、规范张拉过程
   实现了张拉程序智能控制,不受人為、环境因素影响;停顿点、加载速率、持荷时间等张拉过程要素完全符合桥梁设计和施工技术规范要求。(保证千斤顶具有足够的持荷时间:5分钟)
   能实时采集预应力筋张拉力和伸长值,并以二维图表的形式实时显示比较。
   自动记录张拉数据,杜绝了人为造假质量数据的可能,可进行真实的质量追溯。
   能根据需要调出任何时间点的所有相关数据,并能根据不同需要进行数据或表格输出。
   5)、交互式界面
   设置多级管理权限,允许不同授权人员进行权限范围内操作,如载入、存储张拉程序,输出数据等。
   6)、无线通讯技术
   采用无线传输、控制技术,计算机和张拉设备之间采用无线方式通讯。
   7)、具备远程实时监控功能,具有超强的质量管理功能
   具备远程监控功能,使业主、监理、施工、检测单位在同一个互联网平台,实时进行交互,突破了地域的限制,及时掌握制梁场和箱梁预应力施工质量情况,实现“实时跟踪、智能控制、及时纠错”,方便质量管理,提高管理效率。
   8)、节省了人工
   自动张拉设备只需要人工初始对位,其余工作全部为系统自动完成,节省了人力。
   以下为传统手工张拉与自动张拉设备之间的主要区别列表:
  
  
  
   2.2自动张拉设备系统组成及工作原理
   自动张拉设备智能控制系统的基本组成单元为“站”,每个“站”配备一个提升装置,一个液压站,一个千斤顶,一套数据采集原件和一个电控柜,多个“站”构成整个自动张拉系统,实现自动同步或各千斤顶单独控制。
   “站”分“主站”和“分站”,每套控制系统有且只能有一个“主站”,最多可有7个分站。 “主站”和“分站”之间通过目前工业自动化领域最流行的“Can总线”进行连接。“主站”可连接手提电脑,实现整组自动或手动运行的智能化监控。
   2.2.1 主站
   主站是整组控制系统的核心,通过它完成与各分站以及与上位机—笔记本手提电脑之间的数据交换。
   主站采用三一自主研发的SYMC控制器。它通过Can总线电缆连接分站,通过以太网电缆连接上位机。主站由一个防护等级为IP65的控制柜组成。所有进出线全部采用密封型防水插座连接,插座具有防插错功能,方便快速安装和拆卸。
   主站控制柜上安装电源和故障指示灯,方便查找故障。
   主站具有相序、漏电、缺相、过载和短路保护。
  
  
  
   图 1 主站示意图
   2.2.2 分站
   分站采用三一自主研发的SYIO通过Can总线连接主站和下一个分站。分站由一个防护等级为IP65的控制柜组成。所有进出线全部采用密封型防水插座连接,插座具有防插错功能,方便快速安装和拆卸。
   分站控制柜上安裝电源和故障指示灯,方便查找故障。
   分站具有漏电、过载和短路保护。
   2.2.3 上位机
   上位机由一台笔记本电脑组成,它通过以太网主站连接,实现整套系统运行的实时监控。
  
  
  
   图2 系统结构示意图
   2.3自动张拉设备操作系统
   2.3.1操作系统进入
   各电控柜接线完毕、千斤顶安装完毕后,各电控柜上电,上位机通过以太网连接到主站,打开上位机监控软件,进入到监控系统。
   进入自动张拉系统后,必须进行用户登录,才能进行相关操作。主界面上提供了用户管理按钮,可进行用户登录、用户注销和修改用户操作,也可进入监控界面。
   在监控画面中,显示了当前张拉的梁的一些基本参数,这些参数存储在主站的控制器中,每次上位机监控软件启动时都会读取到画面上,如果参数没有设置就需要重新设置参数。在监控软件中可以实时监测到各主站及分站的状态,如电控柜是否上电,电机是否启动,各位移值和拉力值等。当需要的各站都全部安装完毕并上电,上位机可以通过监控软件发出开始张拉的命令,各站开始同步张拉。
   2.3.2参数设置
   在进入系统后,首先要先设置系统参数。参数为梁箱的相关参数,记录在笔记本电脑的数据库中。系统启动时会自动加载上一次的参数。
   2.3.3张拉
   设置好张拉力,选择需要的站点,设置需要张拉的钢束和各站点对应的端别。参数设置好后,启动相关站点的电机。再次确认无误后,点击下达“开始张拉”命令,系统开始按照设定的参数开始张拉。张拉开始后系统会自动对位移进行清零,不需要手动清零处理。系统自动同步各站点的张拉力。到达设定张拉力后,自动保压。张拉过程中可以通过数据曲线查看各个站之间的同步情况。
   2.3.4张放
   张拉完成后,系统自动进行张放操作。以位移传感器的值为参考,当千斤顶完全收回后停止电机,此次张拉完成。
   2.3.5历史记录
   每次次张拉完成后,系统会自动记录张拉力和张拉位移到历史记录里。不同权限人员可以根据相关条件检索及打印以前的记录。
  3自动张拉施工注意事项
   1)、施工开始前,应对施工操作人员进行岗前培训,应将各个岗位的要求交底清楚;
   2)、在张拉施工前应根据工程技术要求,及结构特点作好施工方案及安全措施;
   3)、各高压胶管连接时,其连接处必须用清洗干净,以免将灰尘、杂质带入液压回路系统。工作场地不允许有尖锐物,以防划伤高压胶管。高压胶管及电气控制电缆应捆扎好,避免阻碍通行和施工作业时碰坏、砸断及大风刮落,确保安全施工;
   4)、施工作业区内的电源线、高压油管,应避免生物的碾压;
   5)、油路连接时应保证同一液压泵站所控制的两千斤顶的油路长度等长、通径相等;
   6)、自动张拉设备要由专人保管和维护。使用人员应熟悉系统结构及其动作程序;
   7)、经过使用,如发现泄漏或声音不正常,则应与制造厂联系或送专业厂家维修;
   8)、工作完成后拆卸油管时,应先使千斤顶内油压卸荷完,严禁带压力拔油管;高压胶管拆除后,应戴上各接头盖或用塑料袋包好以免灰尘微粒、杂物进入胶管;
   9)、设备长期存放应将各部件擦净,并用塑料袋罩好。若重新使用,则必须首先排除系统中积聚的空气,更换千斤顶中的易损件,检查千斤顶的动作是否正确;
   10)、严禁快速牵拉或放松各传感器的拉线;
   11)、在存放与使用过程中,保护好控制柜及传感器不受雨淋、受潮等;
   12)、液压泵站在使用一定期限后,检查液压油是否变质,如变质需清洁油箱后更换新液压油;
   13)、千斤顶标定时请与对应的压力传感器配套;
   14)、遇紧急情况时,按“急停”按钮,停止整个系统运行;
  4结语
   早在2001年,太原理工大学李珠便已完成智能控制预应力张拉装置的研发工作,并取得山西省专利。2010年,湖南联智也取得“智能型同步预应力张拉系统”的国家级专利证书。而在2008年,榆次液压也在哈大轨道板自动张拉系统上取得一定成果。柳州二千、三一重工等单位目前也在加紧研发自动张拉设备,这些厂家都推出了样机,部分投入了使用,但在试验和使用过程中,存在种种问题。目前,湖南联智推出的自动张拉仪主要是双站双顶,已在部分省公路系统进行推广,主要用于公路T梁预应力张拉。而铁路系统要求的双(或四)站四顶系统目前均没有研制成型,也不允许在铁路系统推广使用。
   导致铁路系统无法运用自动张拉设备主要原因是因为自动张拉设备还没有真正实现“双控”,以及传感器的国产化程度不够导致设备费用过高。
   预制过程中,管道存在各种不同的摩阻情形,导致部分自动张拉过程中,当伸长值超过±6%时,因为摩阻大,采用对应的±2%的张拉力差值根本无法调整伸长量,从而体现不出真正的“双控”。而解决方法需要更多在预制施工过程中寻找。
   自动张拉设备的运用有利于保障结构安全,节约桥梁建设、养护资金投入和社会资源,保护环境,直接服务于资源节约型、环境友好型社会建设,实现交通事业科学发展,社会效益巨大。我国正处于桥梁建设和预应力工程的施工高潮期,在国家基础设施建设过程中将有广阔和长远的应用前景。
  
  
   参考文献:
   1、《钢索张拉智能控制系统》,三一重工,2011年08月;
   2、《桥梁预应力智能张拉系统研究应用工作汇报》,湖南联智桥隧技术有限公司,2011年09月;
   3、《APTS3-550型后张预应力自动张拉系统》,柳州二千预应力有限公司,2011年01月;
   4、《公路桥梁预应力精细化施工技术指南》,湖南联智桥隧技术有限公司,2010年11月;
   5、《CRTSI型混凝土轨道板自动张拉系统操作手册》,榆次液压有限公司北京分公司,2009年12月 ;
   6、《实用新型专利说明书》(专利号00262315.3,专利权人:李珠,地址:030024,山西省太原理工大学建筑环境工程学院土木系),中华人民共和国国家知识产权局,2001年11月;
   7、《哈大客运专线CTRS Ⅰ型无砟轨道板自动张拉技术研究》,张先军,杜厚智,王基全,石刚强(哈大铁路客运专线有限公司,沈阳110002),《铁道标准设计》2011(4)期;
   8、《CTRS Ⅰ型轨道板自动张拉技术研究》,刘乃生、高智伟,《中国铁路》2010/02期
   9、《新型智能预应力张拉设备的研制》,钱厚亮、贾艳敏、林锦国、赵茜、梅雪,《自动化仪表》2009年12月第30卷第12期;
   10、《全自动智能预应力数字化张拉装置的初探》,李珠、高建全、贾敏智、王显耀、郭全全,《工程力学》2003年增刊。
  
  注:文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
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