智能张拉压浆施工工艺在桥梁施工中的应用

用

摘 要:预应力张拉和压浆是混凝土桥梁箱梁施工的关键工序,其质量的优劣决定着桥梁的使用寿命和安全性.传统人工张拉压浆施工由于自身的局限性,施工质量难以保证,导致桥梁安全事故频频发生,而智能张拉和智能压浆施工不但能够保证构件结构的安全性和耐久性,而且还能降低施工成本,提高施工效率,被广泛应用到大型桥梁建设中.针对桥梁存在的主要病害及成因,分析智能张拉和智能压浆的应用优势,阐述智能张拉和智能压浆施工原理,最后以某桥梁箱梁施工实际为例,通过应用智能张拉和智能压浆施工工艺,不但提高施工效率和施工质量,而且节约材料成本和人力成本,经济效益显著. 关键词:箱梁施工;预应力;智能张拉;智能压浆

随着我国社会的进步和经济的发展,国家对交 通运输工程项目的投资不断扩大,从而也带动了桥梁建设事业蓬勃发展,施工水平得到大幅提高.桥上桥、桥接桥等施工技术难度大、结构复杂、造型新颖、富含高科技的桥梁不断涌现.预应力张拉和压浆是混凝土桥梁箱梁施工的关键工序,传统人工张拉和压浆施工,人工操作误差较大,滑丝、断丝、浆液不饱满等情况时有发生,最终导致桥梁质量无法保证,为桥梁使用埋下安全隐患.如何提高预应力张拉和压浆技术水平成为业内人士近年来研究的热点问题.智能张拉和智能压浆施工全程电脑操作,自动化控制,不仅能够提高张拉精确度和灌浆密实度,增强桥梁的安全性和耐久性,而且操作简便、施工效率高、经济效益好,应用优势非常明显.

1 桥梁存在的主要病害及成因

桥梁身处自然环境,不可避免地会受到阳光、气候、雨水、冰雪、温度等自然因素和长期荷载的影响,导致预应力衰减、结构损伤及老化,出现梁体开裂、过度下挠、钢筋或钢束、锚头锈蚀等病害.梁体开裂通常是由于水泥水化反应、温度

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荷载、风荷载、雨雪带来的化学物质等对梁体结构造成的损伤,导致出现裂缝,削弱构件承载力,缩短桥梁使用寿命.从以往桥梁出现裂缝的实际情况来看,主要发生在桥梁铺装层、梁体部位和墩柱部位,其中箱梁顶板和底板纵向裂缝最为常见,宽度0.15～0.50 mm,造成的危害性也最大,而腹板和横隔板裂缝较少见.过度下

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挠不但会破坏桥面铺装层,降低行车舒适度和缩短桥梁使用寿命,而且会给通行带来安全隐患.钢筋或钢束、锚头锈蚀是指由于施工时对其保护不足或环境影响导致的梁体内外钢筋或钢束、锚头出现生锈现象.导致桥梁病害除了上述的客观因素外,主观的设计和施工造成的预应力不合格、管道压浆不密实是其关键影响因素.此外,施工材料质量不达标、材料之间的混合比例不科学等也是造成桥梁病害

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的又一重要原因.

2 智能张拉和智能压浆的应用优势

2.1 智能张拉的应用优势

1)张拉精度高.用压力传感器代替传统压力表,可精确至0.01 MPa;压力传感器可将产生的电流信号转变为数字信号,避免了人为因素干扰导致的张拉误差,张拉精度可达±1%;千斤顶内置高精度压力传感器,可直接表征张拉应力,提高了张拉力的控制;系统提前将加载速率、持荷荷载、持荷时间等参数进行编辑,加载时各项指标与规范要求完全契合,避免了超拉欠拉现象,减少了预应力损失.

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2)钢束伸长量测量精度高.用位移传感器代替钢尺,可精确至0.01 mm 以上;位移传感器可将产生的电流信号转变为数字信号,避免了人为因素干扰导致的张拉误差;高精度位移传感器可直接表征钢束伸长量,提高了钢束伸长量测量精度;当钢束伸长量超过规定范围时,系统会自动发出警报并停止张拉,施工人员根据系统提示采取相应措施解决问题后再继续施工.

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3)实现了多个千斤顶同步张拉.通过现场配置同样功率的2台油泵控制千斤顶,可以实现多个千斤顶同步张拉;当系统压力传感器和位移传感器实测值满足相关技术规范要求时,则继续张拉,当系统压力传感器和位移传感器实测值不满足相关技术规范要求时,则查找问题解决后继续张拉;持荷阶段系统能够对加载速率、持荷压力、持荷时间等参数进行自动校核,当测量值＜规定值时,系统将传递补张命令,直至测量值满足规定值并趋于稳定,张拉过程完毕.

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2.2 智能压浆的应用优势

1)能够实现对压浆全程的动态化、精确化控制,利用主控电脑来控制压浆过程,不仅解放了施工人员的双手,而且还能够对水胶混合比、灌浆压力、浆液流量、稳压时间等实现自动控制.

2)保证了灌浆的密实度、充盈度,浆液在管道中持续重复流动可完全排除管道中的杂质和空气,同时又能有效降低钢绞线锈蚀程度,提高结构耐久性.

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3)智能压浆施工操作简单,数据自动生成,有效提高了灌浆效率和灌浆质量,并且能够通过对原始压浆数据的分析研究,为进一步改进压浆施工工艺提供参考.

3 智能张拉和智能压浆的施工原理

3.1 智能张拉系统施工原理

智能张拉系统是由张拉设备和主控电脑组成的智能系统,主要包括主控电脑、油泵、千斤顶三大部分.首先由操作人员将张拉参数输入主控电脑,然后主控电脑发出相关指令进行张拉.张拉过程严格遵循“双拉双控”原则,系统通过传感技术将自动采集的张拉设备实时信号(千斤顶工作压力、钢绞线伸长量及回缩量)传输给主控电脑,主控电脑对传输信号加工处理后将判断结果反馈给张拉设备(油泵),油泵按照系统指令实时调整变频电机工作参数,实现对油泵电机转速的调控,从而用以精确控制张拉的加载速度及拉力,确保千斤顶的张拉力值与伸长量同步平衡增长,实现智能化张拉.其中压力传感器负责采集千斤顶压力值,位移传感器负责

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采集钢绞线伸长量及回缩量,二者均借助下位机传给主控电脑.智能张拉系统工

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作原理,如图1所示.

图1 智能张拉系统工作原理

3.2 智能压浆系统工作原理

智能压浆系统是由制浆系统、压浆系统、测控系统、循环系统、主控电脑所组成的智能系统,压浆全程电脑智能化、动态化、自动化控制,如自动上料、自动称料、高速搅拌、低速储浆罐储备待用、压浆作业等.当管道有杂质堵塞时,系统

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会自动加大压力将孔道内杂质予以清除,以提高灌浆密实度.为了提高测试的准确

性,需要在管道进出口位置安装测试管道压力及压浆流量的高精度传感器,系统将自动采集的灌浆压力、浆液流量等实时信号传输给主控电脑,主控电脑对两端浆液压力差的稳定性分析处理后将判断结果反馈给压浆系统并进行压力大小、稳压时间等指标调整,以确保灌浆饱满和密实,提高构件使用寿命.智能压浆系统工作

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原理,如图2所示.

图2 智能压浆系统工作原理

4 案例分析

4.1 工程概况

某桥梁分双幅布置,跨线全长1 155 m,每幅桥宽12.50～17.25 m,双向六车道设计,桥间净间距1 m.主线桥分37跨十一联布置,跨径25～35 m,结构为钢筋混凝土预制箱梁,由梁厂生产完成.主梁纵向设后张法预应力钢绞线,采用高强度低松弛二类钢绞线,强度约为1 880 MPa,塑料波纹管制孔成型,施工采用智能张

拉和智能压浆施工工艺以及圆锚锚固系统.提前将箱梁预应力施工各项参数输入主控电脑,通过无线网络连接各控制设备,自动将采集的数据记录到主控电脑.

4.2 智能张拉施工

4.2.1 设备配置

智能张拉设备包括YCWZ-150B 型千斤顶、与锚具配套的限位板(限位6mm)、油泵、与油泵及千斤顶匹配的高压橡胶油管(工作压力≥40 MPa)、油表的读数≥60 MPa、精度±2%以内、刻度盘直径≥150 mm、精度≥1.5级、每台千斤顶配两块油表.千斤顶和油表使用前需要进行校核,并在国家指定机构进行标定,建立油表读数与张拉力之间的关系式.

4.2.2 工艺流程

智能张拉施工工艺包括施工前准备、张拉设备安装和实施智能张拉三个步骤.具体而言,施工前准备包括:锚具、夹片等检查验收,合格后方可使用;进行混凝土试块张拉试验,混凝土强度大于等于设计强度的85%;检查孔道内是否存在异物,若存在异物用高压水冲出;对钢绞线、锚具、夹片进行千斤顶、油表配套校验,计算施加10%σ、20%σ、100%σ后对应的油表读数,计算钢绞线伸长量及回缩

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量并报监理工程师确认.张拉设备安装包括:安装限位板并用止口与锚板定位;安装专用千斤顶并使千斤顶止口对准限位板;安装工具锚并使孔位排列一致,钢绞线不得发生交叉,锚圈表面、锚孔及夹片均不得有杂物,安装时确保锚环与孔道对正;将千斤顶油管与油表连接并接通油泵电源;开动油泵以排除千斤顶缸体中残存空气.实施智能张拉包括:启动智能张拉程序,系统平台发出信号给张拉仪系统,千斤顶按顺序进行对称均衡张拉;油泵按10%、20%、100%三级加载上升油压给千

斤顶供油;系统平台实时测量和记录每一级的张拉数据及活塞伸长值读数,并自动检查分析伸长值与计算值是否存在偏差;系统平台自动控制千斤顶加载速度,确保千斤顶给油平稳,持荷稳定;系统平台自动进行测量数据校核,当实际伸长值与理论伸长值比较超过±6%时,发出警报并停止张拉,施工人员解决问题后再继续张拉;采用两端对称同时张拉,0→10%(持荷1 min)→20%(持荷1 min)→100%(持荷5 min).智能张拉施工工艺,如图3所示.

图3 智能张拉施工工艺

4.2.3 张拉质量控制要点

一是张拉施工需在波纹管、锚垫板、钢绞线等安装完成后进行,同时确保钢筋混凝土强度大于等于设计强度的85%,龄期≥7 d.二是施工采用双拉双控,以应力控制为主,以伸长量校验为辅,实际伸长值与理论伸长值对比,误差控制在±6%以内,其中伸长量ΔL=Lcon

100%

+L-2×L-ζ,L、L、L分别表示100%σ、20%σ、

20%

10%

100%

20%

10%

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10%σ张拉时钢绞线对应的伸长值,ζ表示夹片回缩值.三是张拉过程中预应力值误差控制在±1%以内.四是张拉施工必须确保三同心两同步,预应力管道与锚下垫板锚口同心、锚垫板锚口与锚具同心、锚具与千斤顶同心、张拉时两端及两边同步对称施张.五是断丝及滑丝总数≤钢绞线总数的1.0%,且每束钢绞线断丝≤1.六是张拉完成后采用砂轮机切割端头多余钢绞线,外露长度≥30 mm.

4.2.4 注意事项

1)进行张拉时,作业区内无关人员禁止入内,且千斤顶后方不得站人. 2)主控电脑由专人负责,避免因操作失误造成损失.

3)设置的张拉各项参数应与图纸要求完全相符,尽可能避免出现输入错误. 4)确保油泵上的安全阀处于规定范围.

5)千斤顶升降压时应缓慢、均匀,禁止突然加压或卸压. 6)张拉力处于稳定后再进行钢绞线锚固. 7)更换夹片时两端都应装上千斤顶. 8)严格控制侧弯,以预防箱梁折断或倾覆.

4.3 大循环智能压浆施工

4.3.1 设备配置

智能压浆系统包括智能压浆台车和主控电脑两部分,其中智能压浆台车又包括制浆系统、压浆系统、进浆口测控系统、出浆口测控系统等.智能压浆系统能自动监控和记录浆液水胶比、压浆压力、稳压压力、稳压时间、浆液流速及流量等数据,并与系统设置的相应参数进行比较,分析判断后自动控制压浆过程,确保压浆饱满和密实,同时也能够实现远程监控,便于监理人员等监控压浆施工质量.

4.3.2 工艺流程

智能压浆施工工艺包括施工前准备和实施智能压浆两个步骤.具体而言,施工前准备包括:张拉完毕后,要求压浆在24 h内进行,同时用水泥浆对锚塞周围预应力筋间隙封锚,且封锚水泥浆抗压强度≥10 MPa后再进行压浆;压浆前用高压水对孔道进行清洁并湿润孔壁,若孔道内存在油污,可用稀释后的中性洗涤剂或皂液进行冲洗,并用压缩空气排除孔内积水;压浆前全面检查排气孔、排水孔、压浆设备密封情况、仪表等是否正常.实施智能压浆包括:浆液出口接密封阀门,真空泵接非压浆端阀门,连接压浆泵与压浆端阀门;关闭排气阀门,启动真空泵,真空泵压力为-0.1 MPa,如未达到此值则需检查波纹管密封性;真空泵运转的同时打开阀门开始压浆,压浆压力0.5～0.7 MPa,当排气孔流出的浆液形态、稠度与压浆端基本一致时则关闭真空泵;当出浆口排出的浆液流动度与进浆口的浆液流动度一致后,关闭出浆口阀门,以0.5 MPa稳压,持续3～5 min;关闭压浆机和压浆端阀门,孔道内浆液初凝后拆除孔道两端阀门,并及时进行端口封锚;拆真空管、卸真空泵、拆空气滤清器和灌浆胶管、清洗压浆工具.智能压浆施工工艺,如图4所示.

图4 智能压浆施工工艺

4.3.3 压浆质量控制要点

材料方面:普通硅酸盐水泥强度≥42.5 MPa,且不含结块;水采用清洁饮用水,按配比加入,严禁采用通过加水的方式用以增加浆液流动性;外加剂要求与水泥相容性好,不含氯盐、亚硝酸盐等具有预腐蚀应力筋的成分,其中减水剂的减水率≥20%;水泥净浆标号M50,氯离子含量≤0.06%,比表面积≥350 m/kg,三氧化硫含

2

量≤6.0%,水胶比0.26～0.28,初始流动度10～17 s,其凝结时间、泌水率、膨胀率应满足规范要求;为避免浆液沉淀,储料罐的浆液储存时间≤30 min.机械方面:活塞式压浆泵压力采用0.5～0.7 MPa恒压;专用搅拌机转速≥1 000 r/min;低速搅拌储料罐设置的过滤网网格尺寸≤3 mm;水泥浆搅拌前加水空转数分钟后倒

净,目的是湿润搅拌机内壁;搅拌机卸出水泥浆之前不允许再投新料,更不允许边出料边进料;搅拌加料根据浆液配比,先加入部分水泥、外加剂及80%的水搅拌均匀,之后边搅拌边继续缓慢加入剩余水泥,最后加入剩余的水直至搅拌均匀;储浆桶内浆液充足,以保证每根管道压浆一次性完成;采用真空泵抽吸管道中的空气,真空度达到80%以上后用≥0.7 MPa的压力将浆液压入管道.

4.3.4 注意事项

1)智能压浆台车应放置在管道注浆端,主控电脑距离智能压浆台车5～50 m,且主控电脑配置专人负责.

2)智能压浆系统运行前应仔细检查仪器仪表、管路连接、供水、供电等是否正常,一旦发现问题应及时处理.

3)压浆时施工人员应佩戴防护眼镜,以免浆液喷溅损伤眼睛.

4)压浆时浆液应不间断搅拌,若中间接管停顿,则浆液在搅拌机和灌浆泵之间循环流动.

5)浆液从拌制至压入管道时间一般在30～45 min,若需二次压浆则时间间隔≥30 min.

6)一次压浆完成后选用高流量低压力挡进行管路自动冲洗,当返浆口与溢流口流出清水时间≥5 min,则表明管路冲洗干净.

5 结语

实践证明,智能张拉和智能压浆施工工艺在桥梁箱梁施工中应用,降低了操作过程人为因素的影响,可精确控制张拉应力,避免超拉或欠拉,建设预应力损失,管

道压浆饱满密实,可有效控制钢绞线锈蚀,提高箱梁耐久性和安全性,确保施工的质量和效率,整体经济效益较好,社会效益显著.