带测力传感器和测活塞伸缩位移量装置的智能千斤顶研究及其工程应用

苏庆勇

（柳州欧维姆机械股份有限公司，广西 柳州545000）

1 桥梁预应力施工张拉设备发展现状及相关标准

传统后张法预应力施工均采用普通油泵驱动千斤顶进行张拉，人工测读油压表、千斤顶伸长值进行双控的传统施工工艺，施工过程全部采用人工操作，缺乏有效的质量控制手段，难以实现预施应力准确控制，施工效率低。传统张拉施工中常见问题：（1）张拉工艺精度控制不准确，张拉力控制误差过大；（2）人工协调，不准确，不及时，同步精度低，无法实现同步张拉；（3）张拉过程需要至少6人同时作业，效率低；（4）人为控制持荷时间，加载速率随意性大，直接导致预应力损失较大；（5）张拉报表人工整理、填写，难以保证数据的真实性、缺乏有效的质量控制。

随着JB/T 13462—2018《建筑施工机械与设备 预应力用智能张拉机》[1]的颁布和执行，公路智能张拉设备已被普遍认可及接受，已经逐步取代人工手动张拉设备。公路智能张拉设备对预应力筋张拉力的控制主要靠液压系统管路中安装液压传感器或在液压系统管路中安装压力表，根据液压传感器反馈的压力数值及压力表显示的数值，再按照压力与张拉力的对照表，换算出张拉力力值。

国内各大预应力实验室也陆续引入智能张拉设备，铁路市场上，随着BIM技术的应用，智能化施工和管理成为未来发展的必然趋势，2017年中国铁路总公司发布执行的企标QCR 586—2017《铁路预应力混凝土桥梁自动张拉系统》，要求张拉千斤顶配置高精度的称重测力传感器，张拉力是测力传感器直接测量得出的，无需换算，但是对测力传感器、位移传感器精度和适应使用环境等要求非常高，设备价格也比较高。

目前无论人工手动张拉设备，还是公路和铁路智能张拉设备，都需满足JTG/T F50—2011《公路桥涵施工技术规范》的技术规定：（1）张拉力控制精度。7.12.2第2款规定张拉力控制应力的精度宜为±1.5%；（2）对称同步张拉控制。7.12.2第1款规定各千斤顶之间同步张拉力的允许误差为±2%；（3）预应力损失控制、避免人为疏忽。7.12.2第1款规定各千斤顶之间同步张拉力的允许误差为±2%；（4）长量控制精度。7.6.3第3款规定实际伸长值与理论伸长值的偏差应控制在±6%以内），否则应暂停张拉，待查明原因并采取措施予以调整后方可继续张拉[2]。

2 带测力传感器和测活塞伸缩位移量装置的智能千斤顶组成

该智能千斤顶主要由YCWC型千斤顶、测活塞伸出量装置、测力传感器、内部连接电缆等组成，除了作为张力的执行元器件外，还负责将张拉过程的实时位移数据、张拉力值传输到泵站上的控制系统，实时监控。智能千斤顶组成图如图1所示。

图1 智能千斤顶组成图

2.1 智能千斤顶主要组件介绍

2.1.1 YCWC型千斤顶

（1）基本构造

YCWC型千斤顶主要由四大部分组成：（1）油缸、穿心套、定位螺母、大堵头、后密封板、压紧环及其密封件组成的“不动体”；（2）活塞及其密封件组成的“运动体”；（3）便于吊运的提手部分；（4）起回程保护作用的回程限压阀。YCWC型千斤顶构造如图2所示。

图2 YCWC千斤顶构造

（2）主要技术性能

目前配套智能张拉系统的YCWC系列千斤顶有1 000~5 000 kN等8种规格，行程均为200 mm。可根据张拉力和张拉空间等来选型，千斤顶应符合JG/T 321—2011《预应力用液压千斤顶》的规定，千斤顶的额定吨位不应小于最大张拉控制力的1.2倍[3]。

2.1.2 测活塞伸缩位移量装置

如图3所示，测活塞伸缩位移量装置由固定座、保护筒、导向筒、拉杆式位移传感器、压螺母、连接板等构成，采用螺钉联接将固定座和导向座固定在千斤顶油缸上，将连接垫环固定在活塞上。根据千斤顶吨位和行程等匹配该装置，要求位移传感器的额定量程不应小于单次张拉最大伸长值的1.2倍，位移传感器应符合JJF 1305—2011的规定，示值精度应≤0.5%。

图3 测活塞伸缩位移量装置构造图

测活塞伸缩位移量装置采用导向筒8和导向护套12间隙配合结构形式，在导向筒8内采用拉杆式位移传感器11，一端固定于尾部端盖13上，尾部端盖13通过螺钉III14线缆盒15连接起来，另外一端固定于前端盖板6上，前端盖板6与连接板4螺钉连接起来，连接板4卡连接垫环1的凹槽里，随着千斤顶活塞的伸缩带着在拉杆式位移传感器11运动，测量出活塞的位移量。线缆盒15采用空壳形式和导向筒8可以对拉杆式位移传感器11和数据线接头进行有效保护。通过弹簧拉杆I5、弹簧拉杆II21的压缩弹簧10，保证在任何状态，将连接板4的底面压在连接垫环1凹槽的底面上，为了避免过定位采用2个万向球3将面接触变为2点接触，提高测量精度，在张拉过程中活塞被动转动时，连接板4与连接垫环1凹槽进行相对的滚动，有效防止卡死现象。

2.1.3 测力传感器

根据YCWC千斤顶吨位来匹配，要求测力传感器的额定载荷不应小于最大张拉力的1.2倍，测力传感器应符合JJG 391—2009和JJG 455—2000的规定，示值精度应≤0.5%。

测力传感器结构图如图4所示，弹性体结构图如图5所示。

图4 测力传感器结构图

图5 弹性体的结构图

基本构造：（1）该测量预应力筋张拉力的轮辐式传感器，包括弹性体2及设于弹性体上构成惠斯通电桥的应变计10和电缆线6，所述弹性体2为加工成型的辐条式结构，成剪切梁结构，每根辐条7的两侧形成均匀的应变区9；弹性体的中间沿轴向开设有通孔11辐条7有6～12根、间隔均匀分布，辐条的两侧呈对称内凹的弧形，应变区9的应变孔呈腰形孔结构；应变计10通过粘贴的方式设置在辐条7的左右两侧应变区9上；压头4上表面有一个凹槽用于安装张拉锚具的限位板以及螺钉，压头4底面安装于弹性体2上表面，通过连接螺钉Ⅱ5与弹性体2固定连接，压头4上表面作为轮辐式传感器的受力面；弹性体2下端面安装于底座1上、轮辐式传感器整体安装在YCWC千斤顶的定位螺母上[4]。

（2）压头主要是保证测力传感器的外圆与梁的边缘不发生干涉，同时兼做延长筒。

（3）底座主要是将千斤顶的张拉力均布传递给测力传感器，保证力值的准确性。

3 带测力传感器和测活塞伸缩位移量装置的智能千斤顶工程应用

带测力传感器和测活塞伸缩位移量装置的智能千斤顶作为OVM·SPT1B2D-60铁路智能张拉系统重要组成部分，先后在山东德州石济客运专线中铁十八局平原梁场项目，中铁上海工程局青岛平度制梁场项目，中铁十一局牡佳客专五标段项目经理部，中铁广州工程局集团有限公司金坛制梁场等十几个项目上进行应用，2019年通过中国铁道科学研究院集团有限公司高速铁路系统试验国家工程实验室认证后，完全满足QCR 586—2017《铁路预应力混凝土桥梁自动张拉系统》的要求。

4 结束语

带测力传感器和测活塞伸缩位移量装置的智能千斤顶作为铁路预应力混凝土桥梁自动张拉系统的重要组成部件，具有下列优点：（1）YCWC系列千斤顶是第三代通用型预应力用穿心式千斤顶，具有结构紧凑、密封性能好、重量轻、体积小等特点。（2）测活塞伸缩位移量装置，采用了封闭空腔结构设计，有效地对拉杆式位移传感器和数据线的接头等进行保护；采用了压缩弹簧有效解决了张拉回程时活塞回缩位移量测量难题。（3）测力传感器采用的轮辐式传感器结构合理、测量精度高、重复性好及抗偏载能力强，增加的底座解决了直接安装在千斤顶定位螺母上导致的轮辐式传感器大载荷测量精度低及一致性差的问题。

目前，带测力传感器和测活塞伸缩位移量装置的智能千斤组成的预应力智能张拉系统在中国桥梁预应力施工中得到广泛推广和应用。实践证明，该智能千斤顶的设计成功地、有效地保证了工程质量。