大吨位先张法预应力混凝土“U”型梁全自动智能张拉系统研发

大吨位先张“U”形薄壁梁全自动智能张拉系统研发XXXX工程有限公司“U”形梁预制QC小组二○一六年十一月在技术质量方面，U梁采用大吨位先张工艺。施工过程中对梁体应力应变控制提出较高要求，而且在应力损失控制上要求的辅助工艺更高、更先进，同时也对先张制梁墩台的设计、施工、工装配置等均提出了更高的质量要求。梁场占地面积约160亩，共分制梁区、存梁区、钢筋加工区、拌合站、办公生活区等5个功能区域。根据线路特点和工期要求，我们采用三条“一串二”加两条单线法制梁方案，配备5线8套模板对应制梁台座周转。梁场三维效果图2、QC小组简介2.1、小组概况我QC小组自2015年项目成立之后起成立，由管理干部、技术人员及工班操作人员等组成。针对项目预应力长线法施工的工艺特点和技术要求，本QC小组开展了对预应力长线施工预应力钢筋伸长、回缩量过大以及多顶同步协调的问题研发出“大吨位预应力施工及同步控制技术”。在“U”梁预制施工过程中，得到应用。按照攻关特点及活动要求，对本小组的组成人员作了认真的调整（见表二：小组成员概况表），对活动制度和方式、方法进行了研究，并制定相关文件。活动制度：1、紧紧围绕生产，根据施工中出现的难题，一般情况下每周活动一次；2、活动时，小组成员开动脑筋，畅所欲言，各述己见；3、每次活动作好讨论记录，分工专人负责落实。活动的方式、方法：活动地点以施工现场为主；活动中，广泛发扬民主，可口头发言，也可写出书面意见；小组活动形成统一意见后以书面形式通知有关人员执行。小组名称“U”形梁预制QC小组课题类型创新型课题名称大吨位先张“U”形薄壁梁全自动智能张拉系统研发小组编号QC-ZT-SZ-2016-002注册时间2016年01月15日课题注册编号QC-ZT-SZ-2016-002注册时间2016年01月20日活动日期2016年01月20日～2016年06月28日小组人数10人活动次数11次平均年龄32岁活动出勤率100%培训情况本小组成员人均接受QC知识培训56小时制表：XX日期2016年01月15日2.2、小组成员简介序号姓名工作岗位文化程度职称组内分工1XX组长本科工程师总体筹划、技术攻关2XX副组长本科工程师实施及质量检查3XX副组长本科工程师组内分工、协调落实4XX副组长本科工程师技术控制5XX副组长本科工程师数据调查分析6XX组员本科助理工程师措施实施7XX组员本科助理工程师资料整理8XX组员本科助理工程师现场测量9XX组员本科助理工程师措施实施10XX组员本科助理工程师措施实施制表：XX日期2016年01月15日2.3、本课题活动计划制表：XX日期：2016年01月19日小组采取定期活动与专题活动相结合的方式，具体活动情况如下：活动情况统计表活动内容次数人次出勤率（%）定期活动440100%专题活动220100%现场分析220100%座谈、交流330100%小计11110100%制表：XX日期2016年6月25日2.4、活动照片，会议纪要QC小组在活动计划图的指导下，积极的开展各项工作，每项QC活动完成后都进行小组讨论、分析及总结，以确保各项QC项目结论真实，代表性强。定期开QC小组会议，每次会议都有专人记录。图为专题分析会议3、课题选择3.1、课题背景2010年我公司承建XXXX16号线梁预制工程，预应力先张“U”形梁为XX内首条引进法XX的城市XX先张法预应力薄壁梁。是引进法XXSYSTRA设计理念，该梁已成功运用在印度、韩XX、XX以及XX，这对于公司来说是一次巨大的挑战，也是一次技术革新。为此，我公司立即成立攻关小组，参照法XX和台湾高铁先张箱梁技术和XX内现行技术规范，历时5个月，成功自主研发了大吨位台座法先张同步控制系统、牵引式预应力承力台座和牵引式预应力施工技术。牵引式方案效果图由于桥梁的先张法预应力混凝土预制梁因其耐久性好，结构受力合理、经济性好、质量性能稳定以及线路平顺性好控制等优点已逐渐取代预应力后张混凝土梁，预应力先张法混凝土结构梁现已广发被运用。随着混凝土强度等级的不断提高，高强钢筋的进一步使用，大吨位先张法预应力混凝土目前已在各大工程中推广。我项目承建的薄壁“U”型梁预制工程是XX市首次采用预制结构件对桥梁的施工，影响重大且技术和质量要求极高。3.2、传统工艺概况及问题分析1、预应力先张法混凝土梁预应力设计及施工概述预应力先张法混凝土梁的设计一般采用多束钢绞线布置，由夹具固定在台座上。在浇筑混凝土前提前给预应力筋两端一个设计拉应力并固定在两端专用承力墩台上，待混凝土达到设计强度和龄期，以保证具有足够的粘结力和避免徐变值过大后，放松预应力钢筋，在预应力筋回缩的过程中利用其与混凝土之间的粘结力，对混凝土施加预压应力。使预应力筋的预使应力传递给混凝土梁体达到预应力效果。工艺流程图如下：先张法预应力施工传统工艺采用台座两端预设承力墩台，使用两台或两台以上顶推式千斤顶尾部支撑在承力墩台外侧，千斤顶活塞缸一端顶推钢绞线锚固横梁。如下示意图：2、传统工艺存在的问题通过QC小组对类似工程先张法施工工艺进行了大量的调查和数据收集，调查过程中，我们发现在目前的张拉系统主要存在两方面的问题：一、所有的控制系统均设置在现场相对应的张拉台座指定位置，且小顶初张和大顶终张的系统都是独立分开的，这让现场操作变得繁琐，不便于现场管理，资源整合难度较大。二、由于牵引式千斤顶采用液压传感器，油缸行程不足造成大跨度结构或长线法施工时满足不了预应力筋的设计应力伸长量，只能实现第二阶段大顶整体张拉，张拉结束后依靠穿心式小千斤顶逐根张拉到设计吨位，延长工作时间。最后阶段，人工对每根预应力筋进行小顶终张时，因单根预应力筋力值较大，预应力筋锚具和连接器较多，张拉频率不稳定等因素，随时都有可能出现脱锚情况，存在安全隐患。经QC小组对XX16号线预制U梁预制工程、青岛11预制U梁预制工程以及传统顶推式张拉预制等工程进行分析和研究，得出以下数据。制表人：XX审核人：XX制表日期：2016年01月26日制表人：XX审核人：XX制表日期：2016年01月26日从以上统计结果可以看出，由于预应力施工时小顶终张时间较长，张拉施工次数较多，千斤顶工具夹片消耗较大，单顶张拉脱锚情况较严重。传统工艺延长施工作业时间，对材料的消耗极大，对现场安全、进度以及质量控制还存在一定的问题。3.3、确定课题通过对现阶段预应力先张“U”形薄壁梁在实际生产过程中的比对、分析，就目前我们公司第一次步入XX这片市场的良好开端，且我QC小组的组成成员大多为原XX16号线的QC小组成员和青岛11号线的技术成员，我们以事实数据为依据，以专业技能水平为前提，以专业化生产为目标，对于实现“U”形薄壁梁专业化智能同步张拉系统是必要的。所以，我们选择“大吨位先张“U”型薄壁梁全自动智能张拉系统研发”作为本次QC小组活动的课题。4、设定目标4.1目标的设定通过本次QC活动，研发新型先张法全自动智能张拉系统，提炼总结编制工法，形成施工工艺。以满足工期要求为前提，在确保整体式张拉施工质量的同时提高先张法专业化生产要求。4.2、目标分解目标一：确保实现牵引式全自动智能张拉系统目标二：实现工厂化专业生产4.3、目标可行性分析能否实现这个目标，小组对目标的可行性进行了分析：本QC小组技术力量强。小组本QC小组技术力量强。小组成员大多为原XX16号线的QC小组成员和青岛11号线的技术骨干，曾参与过先张施工工艺革新，理论基础好，创新能力强，小组成员能熟练运用QC工具解决工程问题。先张法预应力施工是我公司的主要引领行业技术之一，是公司技术研究与积累的焦点，在资金、技术力量等方面能首先得到集团和公司的支持，具备成功实施的资源条件。本工程是XX市首次引入先张法预制轨道梁，政府及社会各界关注度高。业主对工艺革新给予充分支持，课题实施有良好的外部条件。有利条件一：有利条件二：有利条件三：本工程无相同可借鉴的施工经验，具有一定的不可预见性以及风险因素存在。本工程无相同可借鉴的施工经验，具有一定的不可预见性以及风险因素存在。多个大顶依靠活动钢横梁同步张拉，且伸长量误差控制在±6%难度较大，传感器精度控制要求极高。不利条件一：不利条件二：通过以上的可行性分析，QC小组最终确定目标可以实现！5、提出方案并确定最佳方案5.1、提出方案2016年02月17日QC小组在项目部会议室组织召开了关于“大吨位先张法“U”型薄壁梁全自动智能张拉系统研发”专题讨论会。与会人员集思广益，详细分析了智能张拉系统的各个组成部分和张拉台座的稳定性。特邀相关厂家对液压系统和数控屏显的实现进行了深化讨论，并结合本工程的实际情况，运用“头脑风暴法”，共提出了4种对策方案。研制大吨位先张法全自动智能张拉系统研制牵引式全自动智能张拉系统研制大吨位先张法全自动智能张拉系统研制牵引式全自动智能张拉系统研制工厂化专业生产流水机组PLC兼容泵站组合控制系统PLC独立控制系统整体单穿式测力张拉整体集中式测力张拉每根预应力筋张拉锚固端设置穿心式负荷控制仪结合大顶位移传感器实现智能双控通过大吨位液压千斤顶的伸缩和穿心式牵引原理实现应力、应变双控通过PLC直接显示、控制及存储整个工艺过程PLC微电脑和油泵触摸屏组合方式控制智能泵站和智能千斤顶的张拉小组成员对4个方案进行综合论证，具体如下：⑴整体单穿式测力张拉：采用牵引式张拉施工工艺，通过在张拉端活动钢横梁上分丝板预应力筋锚固处一对一设置穿心式负荷控制仪，监测每根预应力筋的应力。通过小顶初张实现每根预应力筋的应力同步，以大顶同步张拉实现应力、应变双控。其优点：1、通过对每根预应力筋直接监测，减少其他因素的干扰；2、数据直观、真实；3、便于查找力值未同步问题的根源。缺点：1、预应力筋之间的间距有限，对于穿心式负荷传感器的尺寸有要求，需厂家订制。2、本工程梁体张拉钢束较多，所需负荷传感器数量较大，工程投入成本较大。3、由于每次监测目标较多，数据分析较为复杂，不便于系统管理。效果示意图⑵整体集中式测力张拉：通过对传力杆两端固定锚锁，置高精度大吨位荷载传感器于大千斤顶前端，通过千斤顶的伸缩，带动锚固在活动钢梁上的预应力筋，从而实现应力控制。设置磁致伸缩位移传感器监测大顶位移伸长量，以此来实现张拉过程中应变控制。其优点：1、制作及安装（拆卸）方便；2、相对于以往采用的液压式传感器更稳定，精度更高；3、传感器和大顶配套使用，数量较少，造价成本低。缺点：1、其受力变形要求质量高，体积大，市场无标准件，需定制加工；2、台座基础施工时预留孔洞位置精度要求高。⑶PLC独立控制系统：通过PLC微电脑可编程逻辑控制器，直接对现场各个泵站进行控制，即输入采样、用户程序执行和输出刷新。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。结合现场各区间的无线监控，实现张拉操作人员只需在张拉控制室就可对整个施工现场进行张拉施工作业。其优点：1、使用方便，编程简单；2.功能强，性能价格比高；3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强；4.可靠性高，抗干扰能力强；5.系统的设计、安装、调试工作量少；6.维修工作量小，维修方便；7、施工作业环境相较于以前得到很大改善；8、现场施工人员数量减少，功效提高。缺点：1、现场控制点较多，系统程序出现超负荷运作；2、大吨位张拉对于现场危险性较大，安全管控有待提升。⑷PLC兼容泵站组合控制系统：该系统相对于PLC独立控制系统增设了智能化液压泵站，现场施工作业可通过对应的智能泵站进行独立操作，同时张拉控制室PLC系统统一控制现场各个智能泵站。其优点：1、通过增设智能化液压泵站，减缓主控系统的运行负荷；2、分级控制对于系统的检修提供很大的方便；3、在出现紧急故障的情况下，主控系统和智能化泵站都可任意控制，确保作业安全。缺点：1、智能化泵站是首次提出，无实例参考，开发难度大；2、PLC兼容智能泵站组件复杂，前期设计难度较大。5.3、方案实施过程中必须解决的问题通过对上述4种研制方案进行论证，结合我项目部的施工范围、成本、质量、工期和环境影响，确定1、3号研制方案不予采用，2、4号研制方案为可采用方案。在方案2中，要实现先张法全自动智能张拉，第三阶段大顶智能张拉取代传统的人工手动补张还需解决初张结束后每束预应力筋是否均匀受力、大顶同步张拉液压系统的稳定性、大吨位高精度力学传感器的研发这两方面问题，可简称为基准受力面和高精度同步控制。在方案4中，要实现先张系统的工厂化、专业化面临着主控系统和智能油泵的研发。经过小组成员的分析讨论，提出控制方案如下：第2方案的控制方案：⑴基准受力面的控制方案选定优、缺点分析结论一次性对称张拉通过初张小千斤顶对锚固在活动刚横梁上所有钢束从两端到中部对称均匀张拉，一次性张拉到目标力值。张拉结束后对钢筋骨架内的预应力筋进行障碍排查，对有干扰的钢筋清障后，进行初张目标值补张。优点：作业时间短，缩短工作时长。缺点：由于预应力筋受力较大，清障难度大，清障时存在安全隐患；2、清障后导致相对预应力筋力值松懈，由于清障对象位置不固定，导致活动刚横梁位置存在偏移，整体力值发生变化，影响施工质量。该方案对现场施工质量影响较大，存在安全隐患，较难满足施工质量要求。分级对称张拉通过初张小顶对锚固在活动刚横梁上所有钢束对称均匀张拉，分两个阶段张拉到目标力值。第一阶段，根据台座实际情况设定固定目标力值，使得骨架内部预应力筋方便排查，排查完毕后进入第二阶段初张目标力值张拉。优点：基准面均匀受力，活动刚横梁位置不偏移，质量得到保障；2、方便排查、清障。缺点：增加了换顶工序，延长作业时间30分钟。该方案虽然相较于一次性张拉延长作业时间。但确保了现场施工安全质量。经小组成员于2016年2月20日在现场进行试验，决定采用分级对称张拉控制。⑵高精度同步控制方案选定优、缺点分析结论传统方式集中同步张拉钢绞线锚固在反力墙前的钢制张拉横梁，通过四个传力杆穿过反力墙上预留的孔洞，在反力墙后利用四台600吨穿心式千斤顶通过分油阀同步控制器整体张拉。优点：1、技术已经成熟，方案可立即投入使用；2、穿心式千斤顶油缸行程不受预应力筋的长度要求。缺点：1、牵引螺杆和锁定螺母受力变形要求质量高，长度长，市场无标准件，需定制加工；2、满足大位移量要求，但4顶同时作业，所以同步性要求高；3、成本造价较高均需委外订制。造价成本较高，满足不同生产线和跨度，但对于4顶同步张拉的控制难度系数较大。现场效果图创新型双顶集中同步张拉在秉承传统方式集中同步张拉施工的基础上，由4台600吨穿心式千斤顶升级为2台1200。以固定刚横梁取代原设计的反力墙，重新优化张拉台座间的传立柱，通过研制油泵于千斤顶之间的高压溢流阀，实现智能化同步张拉。优点：彻底解决大吨位同步张拉问题；提高了精度控制，确保了施工质量；减少大型设备投入、重大危险源。缺点：需重新设计大吨位千斤顶及固定钢梁；前期研发投入成本较高。该方案可有效解决大吨位先张法智能同步控制，虽研发成本较高，但结合实情，适合推广运用。效果图经小组成员于2016年2月17日在方案专题会研究决定，采用创新型双顶集中同步张拉方案。第4方案的控制方案通过社会调研以及市场调查，结合项目自身情况，选择PLC兼容泵站组合控制系统是是公司发展的方向，也项目迫切的需要。QC小组负责提出技术要求，主控系统及智能化油泵的研发由相关专业厂家负责实施。要实现PLC兼容泵站组合控制系统，有以下几个控制方案：其一，油箱和电机需同时满足初张小顶和终张大顶的使用；其二，简化初张操作流程，以遥控装置取代传统的移动电脑操作；其三，初张时，系统应当满足对每根钢绞线张拉过程的监控及记录，初张结束后张拉力值需合并到主控界面，便于大顶终张；其四，远程张拉操控室和单个独立控制机组具备同等控制能力。5.4确定最佳方案6、制定对策序号方案对策目标措施地点完成时间负责人1基准受力面的控制分级对称张拉基准受力面实现受力均匀，误差在1KN范围内通过初张小顶对锚固在活动刚横梁上所有钢束对称均匀张拉，分两个阶段张拉到目标力值。第一阶段，根据台座实际情况设定固定目标力值，使得骨架内部预应力筋方便排查，排查完毕后进入第二阶段初张目标力值张拉施工现场2016.04.25XX、白旭2高精度同步控制创新型双顶集中同步张拉实测总张拉力与设计值偏差不应＞2.0%，实测伸长量与设计值偏差不应大于5%通过升级千斤顶的吨位，以满足施工要求。固定钢横梁取代原设计的反力墙，重新优化张拉台座间的传立柱，荷载传感器取代传统的液压传感器加工厂、施工现场2016.05.20黄静、XX3PLC主控系统研发研发确保系统稳定，满足规范要求和使用要求，实现远程操作通过设立独立张拉操控室，针对每个生产台座一对一设立智能监控，主控系统采用有线连接方式，确保系统稳定加工厂2016.04.28孙施建、张召4智能油泵研发研发同时满足大顶终张和小顶初张，液晶显可触摸示屏，可独立施工采用柜式组合方式，将高压阀、溢流阀、电机和PLC控制机组以及液晶显示可触摸屏融为一体，将小顶初张和大顶终张合理组合，统一管理。加工厂2016.04.11XX、XX7、对策实施7.1、实施一：分级对称张拉通过初张小顶对锚固在活动刚横梁上所有钢束对称均匀张拉，分两个阶段张拉到目标力值。第一阶段，根据台座实际情况设定固定目标力值，使得骨架内部预应力筋方便排查，排查完毕后进入第二阶段初张目标力值张拉。两顶阶段性张拉排查干扰情况张拉末端受力情况对策效果检查对策内容确认方法确认标准负责人完成时间用小顶分两阶段对称张拉，过程中排查钢绞线干扰情况，实现目标力值用穿心式测力仪测定实际单根力值张拉力值与设计图纸相符，精度偏差＜1kN白旭2016.04.15调查、验证、分析情况：经现场实际施工，并经现场检测，梁体钢绞线初张力值受力均匀，基准面单根钢绞线受力误差＜1kN，抽查的钢绞线受力合格率100%结论钢绞线受力合格率100%，满足基准受力面控制要求，对策目标实现制表人：XX制表日期：2016年04月15日

7.2、实施二：创新型双顶集中同步张拉通过在厂家订制的2台1200吨取代传统式多顶张拉，依据有限元受力分析，以固定刚横梁和传立柱取代传统式剪力墙结构，通过采用大吨位、高精度荷载传感器和磁致式伸缩位移传感器，实现智能化同步张拉。压应力图受压变形图经有限元分析制梁台座屈曲极限载荷为191F，受压稳定性满足要求。轴压力作用下最大压应力为9.85MPa，小于混凝土抗压强度，满足要求。始节点1的变形量为2.98mm，终节点135变形量为2.94mm，则制梁台座总压缩量为5.92mm，考虑钢筋对其约束后压缩量小于5mm。验算合格，满足使用要求。施工现场检测图牵引式双顶同步张拉方案1:1三维效果图现场实物图对策效果检查对策内容确认方法确认标准负责人完成时间优化张拉台座，采用两台1500吨大顶同步控制，配置应变荷载传感器通过对结构有限元分析及施工现场检测；具备相关资质的单位出具证明有限元分析报告，现场实测数据分析报告；中XX科学计量院标定报告黄静2016.04.06调查、验证、分析情况：经理论分析和现场实际检测，张拉台座满足使用要求，两顶同步控制满足设计吨位需求，应力、应变可控。结论满足规范要求，满足设计要求，满足施工要求，对策目标实现制表人：XX制表日期：2016年04月04日7.3、实施三：PLC主控系统研发通过运用以太网，结合远程监控和PLC集成控制系统，依据PLC稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点，设立现场独立张拉操控室。根据现场工况和要求，经QC小组与液压设备厂技术人员研究讨论开发出专业预应力施工PLC控制系统。

新型同步控制系统完成后，QC小组经部门审批，于2016年4月16日在现场施工调试安装应用。系统结构示意图PLC控制柜张拉主控室对策效果检查对策内容确认方法确认标准负责人完成时间研发稳定、高效的PLC系统，设立独立的张拉操控室，增设远程监控，实现专业化生产现场确认、技术测评由业主单位现场验收，对系统及设备出具合格证明孙施建2016.04.20调查、验证、分析情况：经现场实际操作，系统平稳可控，设备使用过程无异常，实现了规范化施工作业。结论满足规范要求，满足设计要求，满足施工要求，对策目标实现制表人：XX制表日期：2016年04月20日7.4、实施四：智能油泵研发将小顶的低压阀组、低压泵组、电动机和大吨位千斤顶高压阀组、高压泵组合并，同时控制，泵站同时满足小顶初张和大顶终张，终张拉千斤顶由高压阀组控制，初张拉千斤顶由低压阀组控制。通过调整溢流阀的压力来控制主油路与回程油路的最高压力，通过旋转安全阀的调节旋钮(右旋调大或左旋调小）来设定系统的安全压力，当系统超过此压力时，安全阀打开，压力油通过安全阀流回油箱。通过与PLC控制柜兼容，设置液晶可触摸显示屏实现泵站独立智能操控。通过无线遥控简化初张繁琐的张拉过程。2016年5月16日高压油阀出现爆阀现象，经现场分析，是因陶瓷阀芯在换向时自身刚度达不到要求，导致断裂。后更换高压油阀阀芯为铁芯，解决了问题。经过运行实践检验，采用牵引式预应力方案在辅助同步控制系统不仅很好解决了传统工艺无法解决的问题，而且也是一种创新工艺，使先张法预应力这项重点难点以及危险源工艺不再危险，安全质量得到了切实保证。8、效果检查8.1、目标完成情况在QC小组的共同努力下，整套系统于2016年04月26日正式投产使用，成功解决了第三阶段人工手动张拉的问题，缩短了张拉时间，减少了施工人员数量。实现了全过程数据存储和整合，杜绝人为改动，确保张拉数据真实有效。解决了预应力筋脱锚情况的发生，杜绝了安全事故的发生，确保了施工质量。通过专业化管理，实现了张拉作业人员只需在主控室就可对整个梁场进行张拉施工作业。我们小组对常态化生产后人员的配置与所需施工时间进行了单个台座平均