铁路桥梁预应力自动张拉(王乐然)

第一部分铁路桥梁预应力自动张拉2017/07铁路工程信息化系统预应力施工自动化中国铁道科学研究院目录TABLEOFCONTENTS1.0

铁路桥梁预应力施工技术现状2.0

铁路桥梁预应力自动张拉技术的研发历程3.0TYZ/60型铁路桥梁预应力自动张拉系统4.0自动张拉工艺流程及实施要点5.0

张拉质量要求6.0

数据网络化管理系统7.0

知识产权及效益分析8.0

用户评价及前景展望1.0铁路桥梁预应力施工技术现状1.1

铁路桥梁预应力施工技术现状1.2目前公路上使用的自动张拉技术1.1

铁路桥梁预应力施工技术现状人工换算张拉力人工操控油泵人工测量伸长值人工记录数据

①

张拉力与压力表的标定误差和压力表读数误差较大。②

压力表读数不稳定，加压控制操作误差大、分辨率低，难于精确控制张拉力。③

预应力筋伸长量读数误差大、测量慢，信息反馈不准确。

④

千斤顶、油泵和压力表的标定频率高，标定结果不易保持。

⑤

两端张拉过程中的问题不能及时发现，张拉时间不可控，速度慢。

⑥

张拉记录人工填写，难以保证数据的真实性。1.1

铁路桥梁预应力施工技术现状1.2

目前公路上使用的自动张拉技术

目前，公路上使用的自动化张拉设备都是采用在供油端单点测量液压系统压力转换为张拉力的方式，受油温及千斤顶摩阻影响较大，存在着测量精度低，可靠性差，长期使用稳定性不好等诸多缺陷。具体情况如下:①模拟手动控制泵站压力表测量方式：只在泵站出油口（A口）安装压力传感器，由于测量部位距离油泵近，开关电磁阀时对传感器的冲击很大，测量点离千斤顶远，无法真实反映千斤顶的受力状态，测量精度无法保证。并且无法解决千斤顶摩阻变化的影响，需要频繁进行标定。②张拉力标定时无法与测力机进行点对点的标定：由于液压系统在超高压力时无法定值保压，张拉力校正只能采用过程读数记录然后反算校正系数的方式进行，甚至有的还是采用原始的用油表读数校正张拉力的方式，引用误差大，校正后的系统误差较大。1.2

目前公路上使用的自动张拉技术

③单点测控：一旦测量传感器或者电磁阀发生故障，系统就会失控。轻者张拉力施加不足造成施工质量不达标，重者可能拉断预应力钢束，造成梁体损坏甚至人身伤亡。④液压系统设计及控制方式不合理：超高压压力打不上去，张拉过程中控制同步张拉时无法保持连续加压，造成张拉力及位移曲线呈波浪或锯齿状，违反了规范要求匀速连续加载的要求。

⑤系统稳定性及可靠性差：由于张拉系统的工作压力高达50MPa，且大都在野外露天施工，环境恶劣，液压系统的冲击与磨损严重，当前在用设备大都存在故障率高、长期使用稳定性差的情况。液压系统在超高压工况工作时，经常发生卡阀或压力达不到等现象，造成张拉失控，不出顶或不回顶，钢绞线严重超张拉或拉断，甚至压裂桥梁端面，不回顶导致千斤顶无法卸荷，挂到梁上拆不下来。1.2

目前公路上使用的自动张拉技术⑥没有液压油温度测控系统：在夏季高温条件下施工时，高温会使泵站油温上升很快，当超过60℃时液压油会变得很稀，油路内泄将非常严重并与标定时的摩阻有较大的差别，甚至造成泵站压力打不上去，无法正常施工作业。相反，冬季寒冷条件下施工时，液压油粘稠度变大，油路自身摩阻和千斤顶摩阻会相应变大，测量张拉力会大于实际张拉力，造成张拉力控制不准确，预施应力不足，无法达到工艺标准要求。

⑦系统功能单一，控制精度低：仅能完成基本的张拉操作作业，误差大，张拉结果达不到规范要求。⑧系统设计上缺乏在线监测及故障诊断功能，没有控制过程中的安全保护措施，容易造成张拉质量事故。2.0研发历程2.1

立项2.2执行情况2.3现场试用2.4课题成果2.1立项总公司科技司于2014年设立科研重点课题，拟解决预应力传统后张法施工的弊端，整体提升我国铁路桥梁的预制水平和管理水平。课题名称：《新建铁路桥隧设计施工关键技术研究—铁路桥梁预应力自动张拉系统应用技术研究》合同编号：2014G004-G起止年限：2014.05-2015.12承担单位：中国铁道科学研究院参加单位：建设、施工、生产制造单位2.2

执行情况开题评审2014年5月14日方案评审2015年1月20日试用评审2015年3月24日现场试用

通过了由总公司科技管理部组织的课题阶段和成果评审。2014年11月-京沈黑山、龙城梁场2014年11月-郑徐顺河、中牟、开封梁场2015年06月-石济衡水梁场。技术评审2016年4月22日2.3

现场试用在郑徐客专、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。2.3

现场试用①实测张拉力偏差在0.1%~0.6%范围内，均小于1.0%；张拉力控制准确。②实测两端不平衡力最大值为6kN，均小于20kN；两端平衡张拉。③实测两端不同步率≤5%的样本比例占94.0%；张拉力施加均匀。④实测伸长值偏差≤6%的样本比例占97.8%。⑤实测钢绞线回缩量在2~10mm范围内，回缩量数值≤6mm、≤7mm、≤8mm的样本比例分别为49.9%、75.0%、93.6%。2.3

现场试用试用结果表明：①适应于预制梁场的现场施工环境②自动张拉系统设备可靠、功能齐全、数据可信③自动张拉管理平台可进行张拉施工数据的信息化管理④自动张拉设备可明显降低人力成本及设备管理成本，提高劳动效率。2.4

课题成果3.0TYZ/60型预应力自动张拉系统3.1

设备外观3.2

系统组成3.3

系统技术指标3.4

系统功能特点3.1

设备外观铁路桥梁预应力自动张拉设备系统3.2

系统组成3.2

系统组成3.2

系统组成

动力系统由高压泵站和千斤顶组成。1)液压泵站德国技术制造RK径向高压泵头，工作油压可高达70MP。液压泵站的组成3.2系统组成

动力系统由高压泵站和千斤顶组成。2)液压控制阀组采用独特设计的超高压截止阀模式。超高压截止阀模式具有控制精度高，持荷稳压性能好，耐久稳定的特点。3.2系统组成

动力系统由高压泵站和千斤顶组成。3)千斤顶根据张拉工艺的需求配置专用千斤顶，安装有高精度的轮辐式力传感器、液压传感器和位移测量传感器，配备9米60Mpa高压油管。3.2系统组成

传感器系统1)力传感器测量系统：采用穿心轮辐式传感器直接测力，测出的力值不受千斤顶摩阻、温度、系统压力稳定性及内泄的影响。有以下优点：

①

高度大幅减小，不增加工作钢绞线长度。

②

测得是剪应力，不受径向力影响，数据准确、一致性好。③

抗偏载能力强，对作用力位置的变化不敏感。④

刚性好，弹性变形小，工作状态稳定。3.2系统组成

传感器系统2)位移传感器测量系统：采用拉线(杆)式传感器，滑动导轨导向支撑，活塞端部与位移触头采用滑动接触，解决了张拉时千斤顶活塞旋转对位移影响的问题。3.2系统组成

传感器系统3)进口液压传感器（测量油压）：

技术特点：量程：0-60Mpa信号输出：4-20mA线性度：±0.2％FS精度：±0.3%FS零移:±0.03%FS/K长期稳定性：1年±0.2%FS环境条件：-25~85℃抗冲击:100g/11ms3.2系统组成

传感器系统4)温度传感器（油温、环境温度）：允许电流：≤5mA测量介质：与不锈钢兼容的各种液体、气体或固体表面测温范围：（-80～300）℃

精度误差：

±（0.15+0.002|t|）℃

热响应时间：≤30S

3.2系统组成

控制系统智能控制系统包括主控系统和辅控系统（箱梁一主三辅，T梁一主一辅）。主、辅控制系统通过总线型数据线串联实现信号的同步通讯。

3.2系统组成

控制系统

PLC可编程控制器及采集工业电脑电控系统3.2系统组成

数据存储和传输系统系统由无线传输模块、工业控制机、梁场服务器及数据管理软件（BIM接口）构成。

3.2系统组成

辅助系统为保证施工质量、施工安全、设备安全研制的辅助系统。主要包括：张拉力复核、智能油温控制、回顶安全防护、在线故障诊断

冷却器加热装置张拉力复核3.3系统技术指标

测力系统精度

≤0.3%F.S伸长值测量精度

≤0.2mm张拉力控制精度

≤1%不同步率

≤5%液压系统工作压力60MPa适用温度范围-10℃~+45℃

电源电压380V3.4系统功能特点

便捷的操作功能①参数设置：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伸长量保持一致，同步张拉，最终以设计张拉力为控制目标。③持荷阶段：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。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。3.4系统功能特点

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智能油液温控系统：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。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。3.4系统功能特点

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。4.0自动张拉工艺流程4.1

张拉施工前准备4.2

系统操作4.1张拉施工前准备

系统标定1）测力装置检定按铁路混凝土桥梁预应力自动张拉系统相关技术规范的有关规定执行，《Q/CR-TKT-000003-2016铁路混凝土桥梁预应力自动张拉系统》；自动张拉系统满足以下条件之一者，应重新标定：①使用时间超过6个月②使用过程中计量装置出现异常情况③计量装置检修或更换配件2）伸长量测量装置检定按照JJF1305中第7条有关规定执行。4.1张拉施工前准备

其他准备工作1）检查梁体混凝土实际强度，确保张拉前已达到设计强度、弹模和龄期要求。接到张拉通知单后方可施工，否则不允许施加应力。2）确定预应力自动张拉设备均已配套校验合格，并且在规定使用期限内。油管要连接紧密。安全警示牌、警戒围栏要安放好。3）检查梁体混凝土是否有较大缺陷，如果有，要预先修补好，方可施加预应力。4）清除锚垫板上的灰浆。5）检查预应力锚具、夹片与锚垫板是否配套使用。4.1张拉施工前准备

安装调试系统1）将自动张拉系统安装顺序要求依次移动至张拉梁的两端，摆放好后接通对应辅柜的电源，确保每台单机能够正常运行。2）按照下图示例连接各个控制系统的通讯线。3）连接完成后，在A1主机上进行查看，确保整个系统工作正常。4.1张拉施工前准备

工装安装1）安装工作锚及夹片，将工作锚安装在锚垫板的止口内。然后安装限位板，安装时检查限位板深度及夹片与钢绞线的匹配情况。2）安装过渡套及千斤顶。3）安装工具锚时，工具锚与工作锚的锚孔要同心，使预留孔道、锚具、千斤顶三者同心，工具锚与工作锚之间的钢绞线不能出现错孔交叉。工具锚夹片安装完成后，轻敲工具夹片，使其进入工具锚环内，使外露长度基本一致。4.2系统操作

开机启动开机启动进入自动化张拉设备操作界面，根据要求操作相应的按钮。4.2系统操作

桥梁信息设置主界面上点击左侧【桥梁设置】，进入桥梁参数设置界面，设置钢束编号，添加或修改梁型和项目信息，完成后点击“保存”按钮保存，或“导入”将做好的EXCEL文件直接导入，最后点击“保存”完成对应参数设置。4.2系统操作

系统参数设置主界面上点击【设置】，输入密码后进入参数设置界面，可进行对应传感器的标定和各种参数的设置，输入对应的参数，完成后点击“保存”按钮保存，最后点击“关闭”回到主界面。基本参数设置高级参数设置4.2系统操作

张拉作业主界面选择【张拉作业】进入张拉作业界面，点击“启动”按钮，弹出张拉孔道确定界面，确定后系统自动进入张拉。4.2系统操作

张拉数据结果查询点击主界面【张拉报表】按钮进入张拉报表操作界面，可方便的查看结果数据及过程曲线。4.2系统操作

张拉数据导出/导入由于多数施工现场预、初张拉和终张拉是由两套设备完成，为了使张拉系统形成完整的报表数据系统增加了加密导出导入功能，直接点击【U盘读写】，在弹出的对话界面选择张拉时间，再点【导出数据】按钮即可导出相应的张拉数据及报表，导入数据同理。4.2系统操作

张拉数据结果上传报表可导出到excel或直接打印。点击“上传”数据可直接发送到BIM系统。5.0张拉质量要求5.1

张拉质量要求5.2

计算方法5.1张拉质量要求

张拉过程中严格控制应力、伸长量和时间张拉控制应力——按照管道摩阻、锚口加喇叭口磨阻实测并调整的锚外应力来控制张拉应力。伸长量——两端伸长量相差小于5%，两端总伸长量与理论伸长值的偏差小于±6％。时间——自动控制张拉速度及各阶段持荷时间。5.1张拉质量要求

各阶段控制要求初始应力阶段：当钢绞线张拉到初始应力值时，持荷，同时松开千斤顶吊绳。自动记录伸长量，测量并记录工具夹片外露量。张拉阶段：自动控制升压速度，平稳升压，自动平衡同一束预应力钢绞线两端张拉力值及伸长值。当张拉力接近控制应力时自动减缓升压速度，精确控制，直到达到控制应力。持荷阶段：张拉力达到控制应力时静停持荷，自动补压，控制张拉力保持在控制应力±1%范围内，持荷完毕系统自动记录伸长量，测量并记录工具夹片外露量。锚固阶段：持荷时间到，控制缓释系统自动卸荷锚固，同时记录锚固时伸长量。回顶阶段：锚固结束后系统自动控制千斤顶回顶，卸除工具锚及千斤顶，测量并记录工作锚夹片的外露量，并在距离夹片端头2～3cm处的钢绞线上划出标记，观察24小时再次测量，以判断是否存在滑丝断丝情况。5.1张拉质量要求

张拉过程中出现以下情况时，应更换锚具或钢绞线重新张拉工作夹片有裂纹或破碎者；锚板存在裂纹损坏者；一孔梁中断滑丝量超过相关规定者。5.2计算方法

预应力筋理论伸长量计算公式理论伸长量应分段计算，并叠加：+…++2式中：——预应力筋的理论伸长值（mm）；——工作锚外受力区钢绞线伸长值（mm）；

——各分段预应力筋的理论伸长值（mm）。

5.2计算方法

预应力筋理论伸长量计算公式式中：——各分段预应力筋的理论伸长值（mm）；——控制张拉力（kN）；——预应力筋的分段长度（mm）；——预应力筋的截面面积（mm2）；——预应力筋的弹性模量（MPa）；——从张拉段至计算截面曲线孔道部分切线的夹角之和；——从张拉段至计算截面的孔道长度；——孔道每束局部偏差对摩擦的影响系数（1/m）,管道弯曲及直线部分全长均应考虑该影响；——预应力筋与孔道壁之间的摩擦系数,只在管道弯曲部分考虑该系数的影响。

5.2计算方法

工作锚外受力区钢绞线伸长量计算公式式中：——工作锚外受力区钢绞线伸长值（mm）；——控制张拉力（kN）；——工作锚至工具锚的长度（mm）；——预应力筋的截面面积（mm2）；——预应力筋的弹性模量（MPa）。

5.2计算方法

实测伸长量计算公式——单端实测伸长值预应力筋张拉时，应先调整到初应力(宜为张拉控制应力的10%-25%)，伸长值应从初应力时开始量测。预应力筋的实际伸长量除量测的伸长值外，必须加上初应力以下的推算伸长值。因此预应力筋张拉的单端实测伸长值的计算公式为：+式中：——初应力以下的推算长度（mm），可采用相邻级的伸长值计算；——从初应力至最大张拉应力间的实测伸长值（mm），若需分阶段张拉时为各阶段实测伸长值之和。

5.2计算方法

实测伸长量计算公式——单端实测伸长值当前张拉流程：0→15%

→30%

→100%

+式中：——单端实测伸长值；——施加应力到（15%

）时的实测油缸伸长值；——施加应力到（30%

）时的实测油缸伸长值；——施加应力到（100%

）并持荷5min后的实测油缸伸长值；——施加应力到（15%

）时的工具夹片外露量；——施加应力到（30%

）时的工具夹片外露量；——施加应力到（100%

）并持荷5min后的工具夹片外露量。

5.2计算方法

实测总伸长值计算公式式中：——实测伸长量（mm）；——A端实测伸长量（mm）；——B端实测伸长量（mm）。

5.2计算方法

单端钢绞线锚固回缩值计算公式式中：——单端锚固回缩值；——施加应力至

；——施加锚固。

5.2计算方法

偏差值和不同步率的计算公式偏差值≤6%不同步率≤5%

6.0数据网络化管理系统596.1

数据接口协议6.2

铁路工程管理平台6.3

移动终端平台工管科信函[2015]343号：《铁路预应力混凝土简支梁自动张拉系统数据接口暂行规定》6.1

数据接口协议6.2

铁路工程管理平台自动张拉管理平台为基于铁路工程管理平台下的子模块。组成：数据服务器、管理平台软件、工点及用户管理规则以及数据接口规范。6.2

铁路工程管理平台预应力张拉管理平台具有数据集成管理、统计分析、可视化展示及质量信息推送等功能。6.3

移动终端平台特点：大容量存储空间，快速高效的处理能力；数据集成管理、信息传递共享；施工进度和施工质量的动态跟踪；上、下级信息反馈；便捷的移动办公软件。7.0知识产权与效益分析647.1

知识产权7.2

技术及经济效益7.3

社会效益

7.1

知识产权获得专利9项，其中1项发明，8项实用新型。新申请专利5项，其中1项发明，4项实用新型。4.3

国家专利7.1

知识产权67混凝土桥梁预应力筋张拉力的动态实时监控方法及专用预应力施工系统发明专利铁路桥梁预应力自动张拉系统专用的内卡式千斤顶实用新型用于铁路桥梁预应力自动张拉系统预应力筋伸长量的测量装置实用新型4.3

国家专利7.1

知识产权68预应力桥梁自动化张拉测力专用轮辐式传感器与千斤顶的连接装置实用新型一种预应力张拉千斤顶的位移测量装置实用新型4.3

国家专利7.1

知识产权7.2

技术经济效益69自动张拉设备可减少4工人，节约预应力张拉施工人力成本50%。显著减少整套设备的标定频次，大幅减少校准工作，降低成本。一键式自动控制，不间断连续操控，提高作业效率，降低劳动强度。精确控制、动态调控，信息化管理，解决