桥梁预应力智能张拉设备检测体系研制

叶建波，王建立，齐广超，张志国

(1.石家庄铁道大学 石家庄市 050043；2.河北省公路工程质量安全监督站 石家庄市 050091)

1 概述

桥梁预应力施工质量的控制直接关系到桥梁建设的成败。影响预应力混凝土桥梁施工质量的因素之一就是有效预应力的控制，常见问题一种为有效预应力不足，另一种为有效预应力过度。预应力不足可能会导致梁体刚度不足下挠而开裂；预应力过度会导致桥梁上拱过度或预应力筋提前断裂，甚至出现脆性破坏。《公路桥涵施工技术规范》实施手册中对预应力控制不准带来的危害进行了明确说明，并从使用和安全角度出发，指出：“为使预应力能最有效地发挥作用，就必须在结构中建立与设计值相符的、准确的预应力值。”

关系到桥梁预应力施工质量的因素很多，就施工工艺而言，除梁体强度要求达到规定的龄期及弹性模量外，预应力筋弹性模量的取值、锚具的质量、管道摩阻系数的准确度、张拉设备自身的精度等级以及张拉工艺的合理性等都会影响到预应力施工的质量，对影响施工质量的因素逐一进行控制就成了桥梁施工行业急待解决的问题。

通过对桥梁预应力诸多影响因素分析，目前影响其质量的关键是预应力的施加过程，无论是现行规范规定的传统人工控制张拉方法，还是近几年出现并普遍运用的“智能张拉”，都没有很好地解决有效预应力控制的问题。

目前市场上张拉设备混杂，有传统的张拉作业方式，也有国内新发展的采用“智能张拉”设备施工的方式。传统的张拉作业方式与采用“智能张拉”设备施工的方式都是在供油端单点测量液压系统压力转换为张拉力的方式。传统的张拉方式，掺入了大量的人工干预，操作过程繁杂，测量精度低，难以保证张拉的质量，张拉效率低下。“智能张拉”方式避免了人工干预，测出的数据比传统的张拉方式更为精准。但无论传统的张拉作业方式还是“智能张拉”方式，多是采用液压系统压力进行张拉力的换算，存在着张拉力的测量方式受千斤顶摩阻变化及液压系统稳定性影响较大的问题，需要频繁标定，现场长期使用稳定性不好等诸多缺陷。为改进目前“智能张拉”存在的技术缺陷，最近开始采用由测力传感器直接控制张拉力的新一代产品，这项技术随生产实践日趋走向成熟。但与推广应用不相协调的是，目前还缺少对智能张拉体系进行检验的统一规定和检验方法，施工单位也不熟悉，缺少现场检验验证环节，出现了张拉数据不稳定，可靠性难以得到保证，甚至因盲从推广而导致个别工地出现因预应力张拉失控而造成的严重工程事故，因此，有必要建立一套智能张拉设备现场检验的体系和方法，以促使该项技术逐步走向规范化。

2 智能张拉设备检验体系

2.1 体系组成

智能张拉设备各精度检验在钢制模拟梁上进行，钢梁两端安装有轮辐式测力传感器，组装件按图1的装置进行安装，钢绞线数量应根据张拉力的预设目标值选定，钢绞线有效长度不少于3m，钢绞线应平行顺直，工具夹片应均匀预紧。安装时千斤顶应预伸长适当长度，以便卸顶。通过待检验的智能张拉系统进行自动全过程加载和持荷，并记录数据，由传感器记录同时张拉力。

2.2 检测用传感器

根据规范对后张法桥梁预应力张拉施工质量要求的规定，要求自动张拉系统控制精度要在1%以上，国家常规的计量检定规程要求传感器的精度最少要高于系统显示精度2倍以上，所以传感器的精度要求大于0.5%。检测用传感器至少应比张拉用传感器再高一个等级，因此采用轮辐式测力传感器作为标准器具，精度0.3%F.S，量程 3000kN。传感器必须经过国家计量部门的检定，并在有效期内。为考察传感器工作性能的稳定性，通过试验进行了研究。

(1)轮辐传感器升降温试验

试验方法：

①将轮辐传感器放入干燥箱或冰柜，升温最高温度设定为50℃，降温最低温度设定为-20℃。

②传感器整体均匀达到设定温度后取出，并快速与千斤顶进行组装。

③组装完毕加载与500t柱式传感器反力架进行数值比对，每次进行三个循环加载。

升降温加载对比试验结果分别见表1和表2。

表2 降温对比试验(单位：kN)

由以上升温、降温试验可以得出，最大相对误差均在±1.0%以内，表明传感器具有良好的温度稳定性。

(2)张拉精度试验

试验在模拟钢梁上进行，将两个千斤顶A1、B1分别安装到模拟钢梁两端，穿入9根钢绞线，两端同步张拉，分3个阶段进行张拉，分别为0.4级(600kN)、0.6级(900kN)、1.0级(1500kN)，每个阶段的保压时间为60s，记录读数，试验结果见表3。

试验结果表明：轮辐式测力传感器的力值示值与实际力值的偏差的平均值为0.71%，最大值为0.89%，其荷载准确性在1.0%以内。

表3 张拉阶段对比

(3)测力传感器偏载性试验

分别在不同角度上，设置5mm、10mm、15mm、20mm、25mm偏心值，对应的荷载偏心系数分别为0.11%、0.16%、0.23%、0.32%、0.44%，在偏心状态下进行加载试验，考察轮辐式测力传感器在偏载工况下的可靠性，加载结果见表4。

表4 偏载工况下试验对比

试验结果表明： 偏心加载下，穿心轮辐式传感器测力示值与标准值之间的相对误差最大在0.72%以内，表明偏载加载其仍具有较好的稳定性。

通过以上试验表明：采用穿心轮辐式传感器，具有低外型结构，测试数据稳定可靠，对作用力位置的变化不敏感，抗偏载能力较强等优点，可以在智能张拉设备检测中应用。

3 检测方法

3.1 张拉力示值精度检测

张拉力示值精度表示张拉设备控制数据与目标值之间的差值，是保证张拉过程数据可靠的前提。检测张拉力示值精度的预设目标值为不低于张拉设备额定荷载0.8倍，按预设目标值20%、40%、60%、80%、100%分5级逐级加载，其中，前4级加载到位后持荷15s，第5级加载到位后持荷3min。张拉系统自动记录全过程的张拉力数据。重复试验3次，分别进行示值精度评价。

智能张拉设备张拉力的示值精度通过张拉力值偏差率表示，为持荷过程中张拉力示值与目标值偏差的最大值除以目标值的百分数，用δc表示，其计算方法如下：

δc=│Xi-Pi│max/Pi×100%

式中：Xi—第i测点待校验张拉系统的张拉力显示值，单位：kN；

Pi—第i测点测力传感器示值，单位：kN。

张拉力示值精度应能满足在±0.5%以内。

3.2 张拉设备控制精度及重复性检测

张拉设备控制精度是张拉数据稳定、不漂移波动，在重复多次加载后仍能保持稳定的性能。其间接反映的是智能张拉系统的稳定性和可靠性。在模拟钢梁上设备安装完毕后，输入模拟张拉工艺参数，启动自动张拉设备加载，模拟三阶段张拉过程，进行张拉设备控制精度测试，重复5次以上。测试过程中实时记录各阶段系统张拉力值和测力传感器的最小和最大力值，智能张拉设备张拉力指示器(测力仪示值)最小或最大示值与设计张拉力目标示值的差值的最大值除以设计张拉力目标值为控制精度。张拉设备控制精度应在±1.5%以内，判定时有一个阶段不合格，即判定设备为不合格。

4 结语

根据提出的检测及判定方法，对河北省在建高速公路开展了预应力智能张拉设备的检测工作，通过检测发现在用的以油压传感器反推张拉力的智能张拉设备无法满足精度要求，必须采用测力传感器方式进行控制才能达到现行《公路桥涵施工技术规范》精度要求，促进了厂家设备的升级换代，为预应力施工质量控制提供了保障。