浅谈自动张拉系统在梁场的应用

浅谈自动张拉系统在梁场的应用

徐小峰

中交第三航务工程局有限公司交建分公司上海市201900

摘要：预应力混凝土凭借其良好的受力特性和抗拉性能在桥梁建设中得以广泛运用。在预应力混凝土结构中，预应力筋的张拉应力控制，直接影响到预应力的效果。预应力张拉工艺的好坏，是能否建立准确、符合设计要求的预应力值的关键。桥梁建设中预应力张拉技术的使用，有利于消除不利弯矩，使得结构处于较好的受压应力状态。桥梁的大数值跨径，与预应力张拉技术的进步直接相关。在传统预应力张拉的施工中，机具设备的可靠度和操作工人的施工水平及责任心都是直接影响其质量的重要因素。预应力钢筋编束、捆扎时扎丝过密或松弛，制浆不规范，水灰比不当等因素都会带来严重后果。为了切实提高预应力张拉施工控制水平，更好地保障桥梁的施工质量，近年来，国内多家科研机构及相关科技企业陆续开发出基于数控的自动化张拉设备，预应力张拉施工的标准化将逐步得以推广桥梁质量保障系统将会得到进一步的完善。

本文介绍了鲁南高铁兰山制梁场中箱梁自动张拉系统的组成及其施工工艺，分析了该系统的功能特点，结合本梁场预制箱梁预应力施工实际情况提出自动张拉过程中的注意事项。

关键词：自动张拉系统；预制箱梁；预应力施工

1、工程概况

兰山制梁场位于山东省临沂市兰山区白沙埠镇朱潘工业园，鲁南铁路右侧，梁场占地150亩。承担鲁南高铁日照至临沂段RLTJ-4标沂河特大桥（部分）和动车线特大桥2座桥梁共260孔箱梁的预制任务，其中：32m双线梁125孔，24m双线梁11孔，28m双线梁1孔，32m单线梁122孔，24m单线梁1孔。

2、自动张拉系统的简介、构成及应用背景

本梁场选用的是中国铁道科学研究院自主研发的铁路桥梁预应力自动张拉设备系统，规格型号为TYZ/60-Ⅶ/TK。该系统具有自主知识产权的软、硬件设备，掌握了自动张拉设备系统的核心技术，于2015年3月24日通过中国铁路总公司科技管理部试用评审，相继在郑徐客专、石济客专、京沈客专共6个预制梁场开展了现场试用试验，对自动张拉系统的功能性和现场适用性进行了充分验证。该系统在鲁南铁路上的推广，是鲁南铁路“四化”建设的一项重要举措，也是铁路施工信息化、自动化、标准化新时代的起点，因此具有划时代的重要意义。

整个系统由4台千斤顶、4台电动液压站、4台高精度测力传感器、4支高精度压力传感器、4支高精度位移传感器、PLC控制器、主机（平板电脑）等共同组成。可同时控制2对千斤顶同步工作，两束钢绞线4锚双向同步平衡张拉，同时根据张拉工艺不同也可单束2锚或单向1-4束同步张拉。电脑预设张拉工艺，一键操作实现张拉过程的全自动化控制、伸长值显示、张拉数据实时曲线采集及校核报警、张拉结果记录存储、无线数据传输以及网络传输、信息化管理。同时该系统已经纳入铁路总公司的铁路工程管理平台（BIM系统），实现了铁路总公司对在建铁路项目施工管理软件的信息上传对接和管理要求。

自动张拉系统由动力子系统、传感子系统、控制子系统、数据子系统和辅助子系统组成，见图：

3、系统参数

3.1液压动力系统

液压系统压力：60Mpa

流量：0.38-3.20L/min

电机功率：4.0kW

油箱容积：80L

3.2电气控制系统

适用温度范围：-10℃-+45℃

电源电压：380VAC

张拉力控制精度：≤1%F.S

不同步率：≤5%F.S

张拉力值精度：≤0.5%F.S

位移值精度：≤0.2mm

4、功能特点

4.1便捷的操作功能

①一键操作：可输入梁编号、型号、张拉力目标值及伸长量校核值、持荷时间等，一键启动张拉，自动完成整个张拉全过程。

②自动平衡、同步张拉：张拉过程中自动控制预应力钢束两端张拉力值，实现同步张拉。

③平稳、规范加载和持荷：加载过程按照预先设定的时间平稳、规范加载，消除人为不同步、不规范的因素。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、位移值实时显示及存储：由测力传感器直接测量并显示张拉力值，由位移传感器测钢绞线伸长量，直接在屏幕上显示，即时存储，并生成张拉力及伸长值曲线，消除人为修改、计算错误等因素。

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，消除人为修改、计算错误等因素。

4.2强大的辅助控制功能

①断电恢复功能：工作过程中若停电，系统自动保存当前数据，重新接电后可由断点处继续完成自动张拉过程。

②智能油温控系统：为提高液压系统在炎热或寒冷气候及长期工作状态下的稳定性，系统具备自动温控系统，以保证液压系统工作效能。

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。

4.3远程数据传输功能

张拉数据无线传输至梁场服务器，可远程传输至铁路工程管理平台（BIM系统）。管理部门可查阅张拉结果及张拉过程。

4.4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。

5、相比于手动张拉的优点

1、比较省人工：手动张拉一般要8个工人，自动张拉只需要4个工人。

2、可以实时采集张拉力与伸长值，显示张拉力与时间、伸长值与时间、张拉力与伸长值的关系曲线，实现伸长值的动态判断，在现场工人的误操作下也能及时发现问题，找到问题，解决问题。

3、可以更精确的调控张拉力与伸长值，实现预应力筋两端平衡张拉，张拉过程中两端预应力筋伸长值之差控制在5%以内。伸长值达到计算值的90%前，，以伸长值控制两端平衡张拉；伸长值达到计算值的90%后，自动转换成张拉力控制，直到达到张拉设计力，做到了不欠张、不超张。

4、自动张拉更信息化，能及时上传数据，便于实时掌控，减少出错率。

6、施工过程中的注意事项

6.1电源出现问题

系统电源是以三相四线电（三相加地线接线方式）为入线，进入系统后通过电压转换变成控制系统工作电源220V+24V，而动力系统仍为380V电源。当打开开关通电后，系统自动检测入电相序，若不能使电机正转，系统自动断电且永不能上电，需工人将外接电源的三项电任意两项对调线序，然后上电，直到电源指示灯亮为止。根据鲁南铁路兰山制梁场施工经验，建议增配一个蓄电池，保证设备在突然断电的情况下还能正常将当前正在张拉的钢束张拉完毕，一方面可以保证张拉施工质量，另一方面可以保证控制系统的安全（控制系统主要部件为电脑，若多次突然断电势必对主机造成损坏），第三方面可以避免张拉数据的丢失。

6.2连接通讯线出现问题

本梁场采用一主三辅控制系统，其中连接主控制柜和辅控制柜的通讯线如果连接不通畅、接触不良时，各控制柜屏幕会弹出对话框提示COM口通讯连接错误。正确的通讯线连接方式为：主机A1与本端辅机A2和另端辅机B1两机相连，辅机B1与本端辅机B2和另端主机A1两机相连，插头按对应通讯顺序设置好，插接不上即为错误，施工过程中应避免野蛮操作、强行接插而损坏系统零部件的情况。

6.3参数输入错误

本梁场共260孔箱梁的预制任务，其中：32m双线梁125孔，24m双线梁11孔，28m双线梁1孔，32m单线梁122孔，24m单线梁1孔。每种梁型都有直曲线，共计有8组参数，因此做好自动张拉技术交底工作尤为重要。每次张拉作业前，由技术人员调出系统已储存的参数值，对其参数进行班前复核，有效确保了张拉参数的准确。

6.4操作工人熟练程度不佳，较难适应新设备、新工艺

预应力施工是箱梁预制过程中的特殊过程和关键工序，当前进行预应力施工的作业班组，均为长期从事预应力施工的、较稳定的施工班组，操作人员有较明确的分工和配合关系。更换了自动张拉系统后，一方面操作人员要重新学习系统操作规程和设备性能要求，需要一段时间的熟练和实践过程；其次由于箱梁张拉施工不能进行试验性操作，因此每次施工之前必须进行严格的班前交底和检查复核，才能确保操作正确、过程受控、质量合格；再次自动张拉系统加载速度和持荷时间不能任意调整，每束钢绞线自动张拉时间相对传统张拉工艺耗时更长，与熟练张拉工凭经验速战速决的作业习惯有冲突，上述三方面原因造成了操作人员的不适应。这方面需要梁场管理人员通过加强质量意识教育、认真落实技术交底、严格监督施工过程等方式，扭转施工班组不良习惯，帮助他们尽快熟练掌握工艺。

6.5施工过程中和施工结束后设备维护欠缺

由于自动张拉系统的设备、零部件整体性、防护性相对较好，避免了传统手动张拉施工中设备和零部件搬运及存放较暴露和零散的情况，因此其施工过程中和施工结束后的设备维护工作常常被忽略，轻则影响设备和仪器的精度，重则可能造成损坏。根据兰山制梁场施工经验，建议加强对设备、仪器的维护，特别是位移计应经常涂抹黄油，以免张拉时卡住、被千斤顶顶弯；喂顶时要注意保护油管不被钢绞线戳破；完成张拉后，应将整个系统盖上防雨篷布以免设备淋雨受潮。

6.6预初张阶段，钢绞线伸长量偏差值偏大

理论上，自动张拉系统极大程度上减少了传统手动张拉时伸长值的读数偏差和张拉力的控制误差，因此钢绞线伸长量偏差值应比传统手动张拉时的偏差值小很多。但是鲁南铁路兰山制梁场前期在进行箱梁预初张时，得到结果却是钢绞线伸长量偏差值普遍较大。经过一系列原因分析，我们认为，在预初张阶段，由于力值均在1300KN左右，相对于本梁场最大力值2284KN甚至是本系统的最大力值3000KN而言，预初张阶段力值较小，导致出现一定的偏差。事实证明，后期进行终张拉的钢绞线伸长值偏差较小，完全达到减小和控制预应力张拉施工偏差的效果。

7、结束语

兰山制梁场首次使用自动张拉系统，与传统的张拉工艺不同，使用自动张拉系统看似操作方便，但在实际施工过程中，仍存在工人熟练程度差、抵触情绪高、突发情况处理不当、张拉后质量分析经验不足等问题。兰山制梁场通过不断学习和摸索，逐渐掌握了自动张拉工艺的控制要点，并形成了一套行之有效的施工管理机制。箱梁自动张拉系统的应用和普及，将极大地促进铁路工程建设施工的信息化、自动化、标准化、精细化程度，实现效益更优、质量更好，具有广泛的应用前景。