桥梁预应力结构张拉、压浆智能化施工成套技术114

让中国桥梁更安全桥梁预应力结构张拉、压浆

智能化施工成套技术湖南联智桥隧技术有限公司刘德坤

主要内容1.研究、研制背景2.预应力智能张拉技术3.预应力智能压浆技术4.预应力远程监控技术5.智能张拉压浆应用案例6.预应力智能技术发展趋势1.研究、研制背景最近15年的桥梁安全事故统计

从1999年到2009年，10年间全国发生的较大桥梁垮塌事件为30起。

2007年～2011年5年来，全国共有37座桥梁垮塌，其中13座在建桥梁发生事故，共致使182人丧生，177人受伤。平均每年有7.4座“夺命桥”，即平均不到两个月就会有一起事故发生。桥梁事故逐年增长。

在这37座桥梁中有60%的桥龄不足20年，有些桥梁寿命还不足12年，引起了全国震惊。世界桥梁安全趋势

2004年6月10日早晨7时许，某大桥突然发生垮塌。专家组认定，该桥在超限车辆长期作用下，内部预应力严重受损。重载冲击力使大桥第9孔悬臂端预应力结构瞬间脆性断裂、坍塌。

生命！

国内某大桥运行仅10年后，主桥箱梁腹板开裂，中间三跨跨中底板横向贯穿开裂，跨中下挠严重。大桥最终于2005年拆除。桥梁拆除后的截面预应力管道压浆质量存在严重缺陷某桥爆破拆除后的照片纵向主梁梁预应力力管道压压浆严重重不饱满满，50%孔道钢束束完全未未被水泥泥浆包裹裹，30%孔道存在在部分空空洞。某市二环环路改造造工程某某立交桥桥拆除现现场-现浇连续续箱梁拆拆除剖面面图对某大大桥（（主跨跨7××96.0m预应力力混凝凝土箱箱梁））进行行检测测：每每跨箱箱梁内内腹板板存在在裂缝缝，共共发现现裂缝缝194条，裂裂缝宽宽度大大部分分在0.1mm～0.5mm，裂缝缝长度度在0.3m～3.0m。与桥桥梁行行车方方向夹夹角为为30°°～60°°。1.部分简简支空空心板板梁端端部腹腹板有有百余余条斜斜裂缝缝；2.部分预预应力力简支支梁底底中部部、端端部存存在1条或多多条的的纵向向或斜斜向裂裂缝；；3.肋板式式连续续梁底底板均均有1～6条纵向向、斜斜向裂裂缝；；4.肋板式式连续续梁横横隔板板均有有1～6条斜裂裂缝，，呈““八””字型型。15结构受受损桥梁垮垮塌产生结结构裂裂缝钢绞线线锈蚀蚀留下质质量隐隐患威胁桥桥梁安安全的的关键键因素素如下下张拉质质量差差施工质质量通通病压浆不不饱满满16原因一一：预预应力力张拉拉不合合格在使用用的预预应力力桥梁梁中发发现，，有相相当数数量的的箱梁梁在顶顶板、、腹板板、底底板、、横隔隔板以以及齿齿块等等部位位出现现了各各种不不同形形式的的裂缝缝，其其中箱箱梁腹腹板裂裂缝最最为普普遍和和严重重。同同样，，预应应力简简支梁梁板在在运行行中大大量出出现底底板、、腹板板裂缝缝，承承载能能力下下降。。17有效预预应力力偏小小，预应应力度度不足足，结结构过过早出出现裂裂缝，，下挠挠超限限。有效预预应力力偏大大，可能能导致致预应应力筋筋安全全储备备不足足，结结构过过大变变形或或裂纹纹，甚甚至脆脆性破破坏。。▲有效预预应力力精度度不够够18重力活活载作作用结构下下挠开开裂施加预预应力力使梁体体上拱拱实际运运营中中受组合合作用用19概念：：孔道内内各绞绞线受受力不不均匀匀和同同一断断面各各孔道道受力力不均均。有效预预应力力不均均匀将导致致预应应力筋筋的早早期疲疲劳，，危及及桥梁梁使用用寿命命。有有效预预应力力大的的钢筋筋承受受了本本应该该所有有预应应力筋筋承受受的力力，这这样有有效预预应力力大的的钢筋筋在使使用阶阶段逐逐渐屈屈服，，梁体体也随随之下下挠。。▲有效预预应力力不均均匀度度大20原因二二：孔孔道压压浆不不密实实1、压浆浆工艺艺不能能保证证管道道充盈盈；2、浆液液质量量差，，水胶胶比大大，泌泌水；；3、管道堵塞塞。21电化学腐蚀坏蛆效应应力腐蚀承载能力下下降甚至散散失锈蚀22张拉导致碳碳晶体重新新分布，晶晶体间隙变变大，空气气和水极易易进入，引引起钢绞线线锈蚀，是是为应力腐腐蚀。一旦旦发生锈蚀蚀，锈蚀速速度约是非非应力状态态下的6倍。原电池反应应23电化学腐蚀蚀，空气和和水，氧化化还原反应应。原因三：预预应力施工工质量通病病预应力施工工质量通病病主要体现现在：张拉拉强度和时时间失控；；断丝、滑滑丝；锚下下开裂、下下陷；绞线线在孔道内内缠绕；多多穿或少穿穿绞线；锚锚夹具质量量差；砼质质量、材料料质量等问问题。有问题并不不可怕，可可怕的是这这些问题被被隐瞒，将将给结构留留下了很大大质量、安安全隐患。。这些原因导导致了我们们的桥梁如如此“短命”和“脆弱”，给我们留留下了一个个难题。？？？如何何让中国桥桥梁更安全全26据此，2011年，由交通通运输部公公路科学研研究院、交交通运输部部工程质量量监督局牵牵头，湖南南联智桥隧隧技术有限限公司参加加的西部科科技项目《公路工程质质量安全过过程控制智智能化与远远程监控技技术研究》将智能张拉拉和压浆技技术作为子子课题进行行深入研究究，研发预预应力张拉拉与压浆智智能化成套套技术，提提高桥梁安安全性和耐耐久性。2012年5月20日，课题成成果在昆明明通过了由由交通部组组织科学技技术成果鉴鉴定，成果果被认定为为“国际先先进水平””。2012年10月至2013年7月，中铁一一局物贸公公司与湖南南联智桥隧隧在沪昆高高铁进行铁铁路预应力力桥梁智能能张拉应用用课题研究究，得到了了技术中心心领导的高高度重视和和支持并取取得阶段性性成果。2014年5月，铁路总总公司委托托中国铁道道科学研究究院、湖南南联智桥隧隧技术有限限公司、郑郑徐铁路客客运专线有有限公司等等相关单位位进行《铁路桥梁预预应力自动动张拉系统统应用技术术研究》。目前，专专项课题研研究已经取取得初步成成果并得到到总公司领领导大力支支持和高度度认可。结结合课题研研究成果，，课题组正正在编制铁铁路桥梁预预应力自动动张拉技术术条件和验验收标准，，下一步将将在全路范范围进行推推广应用。。同时，制制定基于梁梁场的预应应力施工质质量数据接接入总公司司BIM平台的解决决方案。2.预应力智能能张拉技术术2.1传统张拉工工艺压力表读取取张拉力手动驱动油油泵钢尺测量伸伸长值人工记录张张拉数据量测伸长值值，存在安安全隐患记录数据，，人为因素素影响数据据33通过大量的的预应力检检测数据分分析，发现现传统的张张拉工艺存存在如下主主要问题：：伸长值测量量不及时不不准确张拉力误差差过大，±10%张拉过程不不规范，损损失大人工记录，，隐患被掩掩盖施工过程存存在安全隐隐患34最新《公路桥涵施施工技术规规范》（JTG/TF50-2011)关于预应力力张拉施工工与旧规范范的区别:1、对张拉控控制应力的的精度提出出了具体要要求（第7.12.2条第2款，±1.5％）；2、对对称同同步张拉工工况张拉力力提出了允允许误差要要求（见第第7.12.2条第1款，±2％）；3、注重结构构建立合格格的有效预预应力，对对有效预应应力偏差提提出了具体体要求（见见第7.12.2条第3款，±5％；第7.6.3条第2款）；4、延长了锚锚固持荷时时间，由以以前的2分钟延长到到5分钟（见第第7.12.2条第2款）；5、重视有效效预应力的的均匀度，，强调采用用梳编整体体穿束工艺艺防止钢绞绞线缠绕。。（见第7.12.2条第3款；第7.2.7条；第7.8.3条第2款）35系统结构图图2.2预应力智能能张拉技术术概要工作原理预应力智能能张拉技术术是指采用用计算机、、通信、控控制、液压压等现代技技术对预应应力整个张张拉过程进进行控制，，不受人为因因素干扰，全过程按按规范要求求自动完成的预应力张张拉工艺。。其中预应力力智能张拉拉系统以张张拉力控制制为主，伸伸长量误差差为校对指指标。37系统能精确确控制施加加的预应力力力值，将将误差范围围由传统张张拉的±10％缩小到±1％。（2011版桥涵施工工技术规范范7.12.2第2款规定“张张拉力控制制应力的精精度宜为±1.5％”该系统统具有两个个独立的力力值测量系系统，能够够相互矫正正，保证测测力精度））（1）、精确施施加张拉控控制应力张拉方式数据总量误差1.5%以内数据个数（百分比%）误差1.5%以外数据个数（百分比%）张拉力相对误差均值张拉力相对误差均方差传统张拉602（3.3%）58（96.70%）4.68%1.32%智能张拉7272（100%）00.70%0.42%张拉力精度度对比分析析（2）、实时校核伸伸长值误差差智能系统可可实时采集集钢绞线伸伸长量，自自动计算伸伸长量，及及时校核实实际伸长量量与理论伸伸长值偏差差是否在±6%范围内，实实现应力与与伸长量同同步“双控控”。（规范规定定“实际伸伸长值与理理论伸长值值的偏差应应控制在±6%以内)伸长值准确确度对比分分析数据总数（组）最大偏差（mm）最小偏差（mm）平均值（mm）均方差（mm）2641.50.00.480.39（3）、精确实实现多顶同步张张拉一台计算机机控制两台台或多台千千斤顶同时时、同步对对称张拉，，实现“多多顶同步张张拉”工艺艺。（规范规定定“各千斤斤顶之间同同步张拉力力的允许误误差为±2％）（4）、消除张拉过程中中预应力损损失张拉程序智智能控制，，不受人为为、环境因因素影响；；停顿点、、加载、卸卸载速率、、持荷时间间等张拉过过程要素完完全符合桥桥梁设计和和施工技术术规范要求求。（规范规定定持荷时间间为5分钟）最大大限度减少少了张拉过过程的预应应力损失。。张拉过程再再现，张拉拉加载力、、伸长量、、加载速率率、停顿点点、持荷时时间等张拉拉要素真实实记录，一一览无余，，永久追溯溯。（5）、精确智智能锚固功功能张拉结束后后，缓慢卸卸载，自动动测量锚固固回缩值，，计算预应应力损失。。降低了传统统瞬间卸载载带来的一一系列安全全隐患，如如滑丝、断断丝等风险险。（6）、远距离离施工质量量同步管理理功能预应力张拉拉施工关键键数据，实实时、在线线、高标准准控制。采采用B/S架构设计的的数据平台台，用户根根据权限可可随时查看看管理相应应的施工情情况，及时时动态掌握握现场情况况。（7）、远程故故障诊断维维护功能核心部件采采用工备结结合设计模模式，可远远程实时掌掌握设备的的运行状态态，提前发发现问题，，提前解决决问题，保保障顺利施施工。张拉力值、、伸长值、、伸长值误误差、回缩缩值、同步步率等关键键数值在记记录表中均均有记录。。减少了内内业整理资资料的工序序。（8）、自动生成张张拉记录表表千斤顶类型型介绍（1）、普通穿穿心式千斤斤顶（2）、自动上夹夹下夹前卡式式千斤顶钢索过度套工具锚工具夹片活塞杆缸筒（3）、前置式千千斤顶52技术经济比较较表比较内容传统手工张拉智能张拉系统1张拉力精度±10%±1%2自动补张拉无此功能张拉力下降1%时，锚固前自动补拉至规定值。3伸长量测量与校核人工测量，不准确，不及时，未能及时校核，未实现规范规定“双控”自动测量，及时准确，及时校核，与张拉力同步控制，实现真正“双控”4对称同步人工控制，同步精度低，无法实现多顶对称张拉同步精度达±2%，计算机控制实现多顶对称同步张拉。5加载速度与持荷时间随意性大，加载过快，持荷时间过短按程序设定速度加载和持荷，排除人为影响6卸载锚固瞬时卸载，回缩时对夹片造成冲击，回缩量大可缓慢卸载，避免冲击损伤夹片，减少回缩量2.3技术经济比较较53技术经济比较较表比较内容传统手工张拉智能张拉系统7回缩量测定无法准确测定锚固后回缩量可准确测定实际回缩量8预应力损失张拉过程预应力损失大由于张拉过程规范，损失小9张拉记录人工记录，可信度低自动记录，真实再现张拉过程10安全保障边张拉边测量延伸量有人身安全隐患操作人员远离非安全区域，人身安全有保障11质量管理与远程监控真实质量状况难以掌握，缺乏有效的质量控制手段便于质量管理，质量追溯，提高管理水平、质量水平，实现质量远程监控12经济效益张拉过程需要6人同时作业只需要2人同时作业，一年节约人工费用20万元左右542.4智能张拉应用用效果从上图可以看看出，延伸量量超过±6％的情况客观观存在，只是是以前没有被被发现，随着着加强施工管管理，施工质质量得到了控控制，趋势向向好，到3月底时，延伸伸量误差基本本控制在±6％（红线）范范围内，说明明应用智能张张拉系统让张张拉质量显著著提升。2月份好转，3月底完全受控控3.预应力智能压压浆技术3.1传统压浆工艺艺单缸压浆泵进浆管手持搅拌器搅拌桶传统压浆工艺艺左端进右端出出585960普通压浆工艺艺真空压浆工艺艺位于梁底部的的两根管位于梁顶部的的两根管高度较大的高高点出现空洞洞真空工艺明显显优于传统工工艺倾角处的先流流现象无法克克服真空负压不易易实现真空辅助压浆浆工艺的缺点点：62最新《公路桥涵施工工技术规范》（JTG/TF50-2011)关于预应力孔孔道压浆施工工与旧规范的的区别:1、将压浆质量量问题提到了了前所未有的的高度，强调调从压浆材料料、设备、、工艺、组织织管理等方面面全面提升来来保证压浆密密实度。2、大幅度提出出了对压浆材材料的质量要要求，并要求求采用专用压压浆料或专用用压浆剂。概概括起来就是是：“低水胶胶比、高流动动度、零泌水水率”。（见见第7.9.2和7.9.3条）3、对拌浆和压压浆设备提出出了更高的要要求（见第7.9.4条）桥涵施工技术术规范，将压压浆质量提高高到了前所未有的高度。从4个方面来保证证压浆密实度度：合理的压浆设设备高性能压浆材材料先进的压浆工工艺精细的施工管管理64系统结构图3.2循环智能压浆浆技术概要结合工程实际际，湖南联智智桥隧技术有有限公司自主主研发了循环环智能压浆系系统。工作原理：循环智能压浆浆系统由系统统主机、测控控系统、循环环压浆系统组组成。通过带压力浆液在在回路内持续续循环以排净管道内内空气，及时时发现管道堵堵塞等情况，，消除致压浆浆不密实的因因素。在管道道进、出浆口口设置精密传传感器实时进进行压力、流流量与浆液水水胶比等各个个参数监测。。使孔道在规规范要求的浆浆液质量、压压力大小、稳稳压时间等重重要指标约束束下完成压浆浆过程，确保保压浆饱满和和密实。主机判断管道道充盈的依据据为进出浆口浆浆液体积是否否大于孔道内内空隙体积，，同时压力差差是否恒定来来进行校核。（1）浆液带压持持续循环，排排除管道空气气和杂质气泡排出（2）一次压浆双双孔，工效提提高1倍循环回路出浆口进浆口对于长大预应应力孔道，如如单束管道长长度大于95m,可采用两台压压浆台车。（3）精确控制压压浆压力和流流量1）精确调节和和保持灌浆压压力2）当压力差保保持稳定后，，可判定管道道充盈3）通过调节阀阀对流量和压压力进行自动动调整4）持压状态下下持续补充浆浆液按施工配合比比数量自动加加水，准确控控制加水量，，从而保证水水胶比符合要要求。（2011版桥涵施工技技术规范7.9.3条规定“浆液液水胶比宜为为0.26～0.28）（4）精确控制水水胶比大小采用高速制浆浆机，将水泥泥、压浆剂和和水进行高速速搅拌，其转转速为1420r/min，叶片线速度度>10m/s，能完全满足足规范要求。。（2011版桥涵施工技技术规范7.9.4条规定“搅拌拌机的转速应应不低于1000r/min,其叶片的线速速度不宜小于于10m/s。）（5）保证浆液搅搅拌质量压浆完成后出出浆口灌浆过程由计计算机程序控控制，不受人人为因素影响响，准确计量量加水量，实实时监测灌浆浆压力、稳压压时间、浆液液温度、环境境温度各个指指标，自动记记录，并打印印报表。无线线传输将数据据实时反馈至至相关部门，，实现预应力力管道压浆的的远程监控。。（6）规范压浆过过程，实现远远程监控73技术经济比较较表序号比较内容传统压浆循环智能测控压浆1排净管道空气普通压浆靠浆液自流排气，真空辅助压浆因封锚问题难以达到真正负压循环回路让浆液在管道内持续循环以排净管道内空气和杂质2压力大小及稳压时间控制较随意，往往导致出浆口没压力，致压浆不密实自动调整压力大小，以保证全管路按规范要求的大小和时间持压3水胶比控制现场材料比控制不严，往往通过加水改善流动性电脑自动加水，切实控制浆液性能水胶比4测试管道实际压力损失无此功能实时测试得到管道压力损失便于调整灌浆压力3.3技术经济比较较74技术经济比较较表（续）序号比较内容传统压浆大循环智能测控压浆5压浆工艺低进高出，压浆过程不得中断，排气孔要依次打开，操作难度大封闭循环回路解决这些难题，工艺简单，易操作6工效一次压一孔两孔同时压注，工效提高一倍7压浆记录人工记录，可信度低自动记录，可真是再现整个压浆过程8质量管理真实质量状况难以掌握，压浆密实与否难以查验可进行质量追溯，还原压浆全过程，提高管理水平75山西某高速箱箱梁预应力管道截面压浆浆密实度对比比左4孔智能压浆右4孔传统压浆3.4智能压浆应用用效果76铁丝插入从以上测量可可知：传统压压浆梁孔道空空隙深度约为为：2.5m+0.5m=3m管道内空隙深深度测量77湖北某高速试试验过程及结结果78传统工艺循环工艺某厂设备联智工艺循环工艺联智工艺从以上上测量量可知知：传传统压压浆梁梁孔道道空隙隙深度度约为为：0.5m+0.4m=0.9m80河南某某高速速试验验传统工工艺在在循环环智能能压浆浆前面面3天完成成压浆浆，切开后后孔道道内浆浆液未未完全全硬化化，智智能压压浆的的已经完完全硬硬化传统工艺智能工艺智能工艺安徽某某高速速公路路试验验结果果（东九九）82成都市市某环环线改改造项项目箱箱梁切切梁试试验4.智能张张拉及及压浆浆系统统远程程监控控技术术4、预应力力施工质质量远程程监控系系统远程监控控系统实实现了预预应力施施工关键键工序关关键参数数的实时、在在线、高高标准控控制。参建各各方可实实时跟踪踪、远程程控制。。现场拍照照，确保保监理、、施工人人员到位位，实现现远程监监控管理理。“实时跟跟踪、及及时预警警、及时时纠错””。远程监控控系统功功能特点点参加各方方连成有有机整体体远程质量量跟踪、、信息预预警实现信息息化管理理，提高高效率建立区域域性质量量监管网网络可针对特特定集团团用户进进行单独独定制开开发5.智能张拉拉压浆应应用案例例91目前已在在港珠澳澳大桥、、中朝鸭鸭绿江大大桥、湖湖南多条条高速公公路、湖北省十十房高速速公路、、古竹高高速公路路、福建建省建泰泰高速公公路、江江西省吉吉莲高速速公路、、抚吉高高速公路路、甘肃肃省雷西西、成武武高速公公路和四川丽丽攀高速速等全国国30个省市高高速项目目进行了了一系列列的推广广应用。。92港珠澳大大桥CB05标预制场场和海上上张拉压压浆盖梁梁93中朝鸭绿绿江大桥桥中朝鸭绿绿江界河河大桥属属于五跨跨双塔双双索面钢钢箱梁斜斜拉桥，，全长3030米，该桥桥是长江江以北最最大跨度度的斜拉拉索桥。。94大桥“H”索塔高达达197米，采用用预应力力智能张张拉系统统和循环环智能压压浆系统统进行上上下横梁梁的预应应力张拉拉与压浆浆施工。。95倮果金沙沙江特大大桥