桥梁预应力智能张拉压浆施工技术

桥梁预应力智能张拉压浆施工技术

主要内容1.研究、研制背景2.预应力智能张拉技术3.预应力智能压浆技术4.预应力远程监控技术5.智能张拉压浆应用案例6.预应力智能技术发展趋势1.研究、研制背景最近15年的桥梁安全事故统计

从1999年到2009年，10年间全国发生的较大桥梁垮塌事件为30起。

2007年～2011年5年来，全国共有37座桥梁垮塌，其中13座在建桥梁发生事故，共致使182人丧生，177人受伤。平均每年有7.4座“夺命桥”，即平均不到两个月就会有一起事故发生。桥梁事故逐年增长。

在这37座桥梁中有60%的桥龄不足20年，有些桥梁寿命还不足12年，引起了全国震惊。世界桥梁安全趋势

2004年6月10日早晨7时许，某大桥突然发生垮塌。专家组认定，该桥在超限车辆长期作用下，内部预应力严重受损。重载冲击力使大桥第9孔悬臂端预应力结构瞬间脆性断裂、坍塌。

生命！

国内某大桥运行仅10年后，主桥箱梁腹板开裂，中间三跨跨中底板横向贯穿开裂，跨中下挠严重。大桥最终于2005年拆除。桥梁拆除后的截面预应力管道压浆质量存在严重缺陷某桥爆破拆除后的照片

纵向主梁预应力管道压浆严重不饱满，50%孔道钢束完全未被水泥浆包裹，30%孔道存在部分空洞。某市二环路改造工程某立交桥拆除现场-现浇连续箱梁拆除剖面图

对某大桥（主跨7×96.0m预应力混凝土箱梁）进行检测：每跨箱梁内腹板存在裂缝，共发现裂缝194条，裂缝宽度大部分在0.1mm～0.5mm，裂缝长度在0.3m～3.0m。与桥梁行车方向夹角为30°～60°。

1.部分简支空心板梁端部腹板有百余条斜裂缝；2.部分预应力简支梁底中部、端部存在1条或多条的纵向或斜向裂缝；3.肋板式连续梁底板均有1～6条纵向、斜向裂缝；4.肋板式连续梁横隔板均有1～6条斜裂缝，呈“八”字型。14结构受损桥梁垮塌产生结构裂缝钢绞线锈蚀留下质量隐患威胁桥梁安全的关键因素如下张拉质量差施工质量通病压浆不饱满15

原因一：预应力张拉不合格

在使用的预应力桥梁中发现，有相当数量的箱梁在顶板、腹板、底板、横隔板以及齿块等部位出现了各种不同形式的裂缝，其中箱梁腹板裂缝最为普遍和严重。同样，预应力简支梁板在运行中大量出现底板、腹板裂缝，承载能力下降。16有效预应力偏小，预应力度不足，结构过早出现裂缝，下挠超限。有效预应力偏大，可能导致预应力筋安全储备不足，结构过大变形或裂纹，甚至脆性破坏。▲有效预应力精度不够17重力活载作用结构下挠开裂施加预应力使梁体上拱实际运营中受组合作用18概念：孔道内各绞线受力不均匀和同一断面各孔道受力不均。有效预应力不均匀将导致预应力筋的早期疲劳，危及桥梁使用寿命。有效预应力大的钢筋承受了本应该所有预应力筋承受的力，这样有效预应力大的钢筋在使用阶段逐渐屈服，梁体也随之下挠。▲有效预应力不均匀度大19原因二：孔道压浆不密实1、压浆工艺不能保证管道充盈；2、浆液质量差，水胶比大，泌水；3、管道堵塞。20电化学腐蚀坏蛆效应应力腐蚀承载能力下降甚至散失锈蚀21

张拉导致碳晶体重新分布，晶体间隙变大，空气和水极易进入，引起钢绞线锈蚀，是为应力腐蚀。一旦发生锈蚀，锈蚀速度约是非应力状态下的6倍。原电池反应22电化学腐蚀，空气和水，氧化还原反应。原因三：预应力施工质量通病

预应力施工质量通病主要体现在：张拉强度和时间失控；断丝、滑丝；锚下开裂、下陷；绞线在孔道内缠绕；多穿或少穿绞线；锚夹具质量差；砼质量、材料质量等问题。有问题并不可怕，可怕的是这些问题被隐瞒，将给结构留下了很大质量、安全隐患。这些原因导致了我们的桥梁如此“短命”和“脆弱”，给我们留下了一个难题。？？？如何让中国桥梁更安全25

据此，2011年，由交通运输部公路科学研究院、交通运输部工程质量监督局牵头，湖南联智桥隧技术有限公司参加的西部科技项目《公路工程质量安全过程控制智能化与远程监控技术研究》将智能张拉和压浆技术作为子课题进行深入研究，研发预应力张拉与压浆智能化成套技术，提高桥梁安全性和耐久性。

2012年5月20日，课题成果在昆明通过了由交通部组织科学技术成果鉴定，成果被认定为“国际先进水平”。2012年10月至2013年7月，中铁一局物贸公司与湖南联智桥隧在沪昆高铁进行铁路预应力桥梁智能张拉应用课题研究，得到了技术中心领导的高度重视和支持并取得阶段性成果。

2014年5月，铁路总公司委托中国铁道科学研究院、湖南联智桥隧技术有限公司、郑徐铁路客运专线有限公司等相关单位进行《铁路桥梁预应力自动张拉系统应用技术研究》。目前，专项课题研究已经取得初步成果并得到总公司领导大力支持和高度认可。结合课题研究成果，课题组正在编制铁路桥梁预应力自动张拉技术条件和验收标准，下一步将在全路范围进行推广应用。同时，制定基于梁场的预应力施工质量数据接入总公司BIM平台的解决方案。2.预应力智能张拉技术2.1传统张拉工艺压力表读取张拉力手动驱动油泵钢尺测量伸长值人工记录张拉数据

量测伸长值，存在安全隐患记录数据，人为因素影响数据32

通过大量的预应力检测数据分析，发现传统的张拉工艺存在如下主要问题：伸长值测量不及时不准确张拉力误差过大，±10%张拉过程不规范，损失大人工记录，隐患被掩盖

施工过程存在安全隐患33

最新《公路桥涵施工技术规范》（JTG/TF50-2011)关于预应力张拉施工与旧规范的区别:1、对张拉控制应力的精度提出了具体要求（第7.12.2条第2款，±1.5％）；2、对对称同步张拉工况张拉力提出了允许误差要求（见第7.12.2条第1款，±2％）；3、注重结构建立合格的有效预应力，对有效预应力偏差提出了具体要求（见第7.12.2条第3款，±5％；第7.6.3条第2款）；4、延长了锚固持荷时间，由以前的2分钟延长到5分钟（见第7.12.2条第2款）；5、重视有效预应力的均匀度，强调采用梳编整体穿束工艺防止钢绞线缠绕。（见第7.12.2条第3款；第7.2.7条；第7.8.3条第2款）34系统结构图2.2预应力智能张拉技术概要工作原理

预应力智能张拉技术是指采用计算机、通信、控制、液压等现代技术对预应力整个张拉过程进行控制，不受人为因素干扰，全过程按规范要求自动完成的预应力张拉工艺。其中预应力智能张拉系统以张拉力控制为主，伸长量误差为校对指标。36

系统能精确控制施加的预应力力值，将误差范围由传统张拉的±10％缩小到±1％。（2011版桥涵施工技术规范7.12.2第2款规定“张拉力控制应力的精度宜为±1.5％”该系统具有两个独立的力值测量系统，能够相互矫正，保证测力精度）

（1）、精确施加张拉控制应力张拉方式数据总量误差1.5%以内数据个数（百分比%）误差1.5%以外数据个数（百分比%）张拉力相对误差均值张拉力相对误差均方差传统张拉602（3.3%）58（96.70%）4.68%1.32%智能张拉7272（100%）00.70%0.42%张拉力精度对比分析（2）、实时校核伸长值误差

智能系统可实时采集钢绞线伸长量，自动计算伸长量，及时校核实际伸长量与理论伸长值偏差是否在±6%范围内，实现应力与伸长量同步“双控”。（规范规定“实际伸长值与理论伸长值的偏差应控制在±6%以内)

伸长值准确度对比分析数据总数（组）最大偏差（mm）最小偏差（mm）平均值（mm）均方差（mm）2641.50.00.480.39（3）、精确实现多顶同步张拉

一台计算机控制两台或多台千斤顶同时、同步对称张拉，实现“多顶同步张拉”工艺。（规范规定“各千斤顶之间同步张拉力的允许误差为±2％）

（4）、消除张拉过程中预应力损失

张拉程序智能控制，不受人为、环境因素影响；停顿点、加载、卸载速率、持荷时间等张拉过程要素完全符合桥梁设计和施工技术规范要求。（规范规定持荷时间为5分钟）最大限度减少了张拉过程的预应力损失。张拉过程再现，张拉加载力、伸长量、加载速率、停顿点、持荷时间等张拉要素真实记录，一览无余，永久追溯。

（5）、精确智能锚固功能

张拉结束后，缓慢卸载，自动测量锚固回缩值，计算预应力损失。降低了传统瞬间卸载带来的一系列安全隐患，如滑丝、断丝等风险。（6）、远距离施工质量同步管理功能

预应力张拉施工关键数据，实时、在线、高标准控制。采用B/S架构设计的数据平台，用户根据权限可随时查看管理相应的施工情况，及时动态掌握现场情况。（7）、远程故障诊断维护功能

核心部件采用工备结合设计模式，可远程实时掌握设备的运行状态，提前发现问题，提前解决问题，保障顺利施工。

张拉力值、伸长值、伸长值误差、回缩值、同步率等关键数值在记录表中均有记录。减少了内业整理资料的工序。（8）、自动生成张拉记录表千斤顶类型介绍（1）、普通穿心式千斤顶（2）、自动上夹下夹前卡式千斤顶钢索过度套工具锚工具夹片活塞杆缸筒（3）、前置式千斤顶51

技术经济比较表比较内容传统手工张拉智能张拉系统1张拉力精度±10%±1%2自动补张拉无此功能张拉力下降1%时，锚固前自动补拉至规定值。3伸长量测量与校核人工测量，不准确，不及时，未能及时校核，未实现规范规定“双控”自动测量，及时准确，及时校核，与张拉力同步控制，实现真正“双控”4对称同步人工控制，同步精度低，无法实现多顶对称张拉同步精度达±2%，计算机控制实现多顶对称同步张拉。5加载速度与持荷时间随意性大，加载过快，持荷时间过短按程序设定速度加载和持荷，排除人为影响6卸载锚固瞬时卸载，回缩时对夹片造成冲击，回缩量大可缓慢卸载，避免冲击损伤夹片，减少回缩量2.3技术经济比较52

技术经济比较表比较内容传统手工张拉智能张拉系统7回缩量测定无法准确测定锚固后回缩量可准确测定实际回缩量8预应力损失张拉过程预应力损失大由于张拉过程规范，损失小9张拉记录人工记录，可信度低自动记录，真实再现张拉过程10安全保障边张拉边测量延伸量有人身安全隐患操作人员远离非安全区域，人身安全有保障11质量管理与远程监控真实质量状况难以掌握，缺乏有效的质量控制手段便于质量管理，质量追溯，提高管理水平、质量水平，实现质量远程监控12经济效益张拉过程需要6人同时作业只需要2人同时作业，一年节约人工费用20万元左右532.4智能张拉应用效果从上图可以看出，延伸量超过±6％的情况客观存在，只是以前没有被发现，随着加强施工管理，施工质量得到了控制，趋势向好，到3月底时，延伸量误差基本控制在±6％（红线）范围内，说明应用智能张拉系统让张拉质量显著提升。2月份好转，3月底完全受控3.预应力智能压浆技术3.1传统压浆工艺单缸压浆泵进浆管手持搅拌器搅拌桶传统压浆工艺左端进右端出575859普通压浆工艺真空压浆工艺位于梁底部的两根管位于梁顶部的两根管高度较大的高点出现空洞真空工艺明显优于传统工艺倾角处的先流现象无法克服真空负压不易实现真空辅助压浆工艺的缺点：61

最新《公路桥涵施工技术规范》（JTG/TF50-2011)关于预应力孔道压浆施工与旧规范的区别:1、将压浆质量问题提到了前所未有的高度，强调从压浆材料、设备、工艺、组织管理等方面全面提升来保证压浆密实度。2、大幅度提出了对压浆材料的质量要求，并要求采用专用压浆料或专用压浆剂。概括起来就是：“低水胶比、高流动度、零泌水率”。（见第7.9.2和7.9.3条）3、对拌浆和压浆设备提出了更高的要求（见第7.9.4条）桥涵施工技术规范，将压浆质量提高到了前所未有

的高度。从4个方面来保证压浆密实度：

合理的压浆设备

高性能压浆材料

先进的压浆工艺

精细的施工管理

63系统结构图3.2循环智能压浆技术概要结合工程实际，湖南联智桥隧技术有限公司自主研发了循环智能压浆系统。工作原理：循环智能压浆系统由系统主机、测控系统、循环压浆系统组成。通过带压力浆液在回路内持续循环以排净管道内空气，及时发现管道堵塞等情况，消除致压浆不密实的因素。在管道进、出浆口设置精密传感器实时进行压力、流量与浆液水胶比等各个参数监测。使孔道在规范要求的浆液质量、压力大小、稳压时间等重要指标约束下完成压浆过程，确保压浆饱满和密实。主机判断管道充盈的依据为进出浆口浆液体积是否大于孔道内空隙体积，同时压力差是否恒定来进行校核。（1）浆液带压持续循环，排除管道空气和杂质气泡排出（2）一次压浆双孔，工效提高1倍循环回路出浆口进浆口

对于长大预应力孔道，如单束管道长度大于95m,可采用两台压浆台车。（3）精确控制压浆压力和流量1）精确调节和保持灌浆压力2）当压力差保持稳定后，可判定管道充盈3）通过调节阀对流量和压力进行自动调整4）持压状态下持续补充浆液

按施工配合比数量自动加水，准确控制加水量，从而保证水胶比符合要求。（2011版桥涵施工技术规范7.9.3条规定“浆液水胶比宜为0.26～0.28）（4）精确控制水胶比大小采用高速制浆机，将水泥、压浆剂和水进行高速搅拌，其转速为1420r/min，叶片线速度>10m/s，能完全满足规范要求。（2011版桥涵施工技术规范7.9.4条规定“搅拌机的转速应不低于1000r/min,其叶片的线速度不宜小于10m/s。）

（5）保证浆液搅拌质量压浆完成后出浆口灌浆过程由计算机程序控制，不受人为因素影响，准确计量加水量，实时监测灌浆压力、稳压时间、浆液温度、环境温度各个指标，自动记录，并打印报表。无线传输将数据实时反馈至相关部门，实现预应力管道压浆的远程监控。（6）规范压浆过程，实现远程监控72技术经济比较表序号比较内容传统压浆循环智能测控压浆1排净管道空气普通压浆靠浆液自流排气，真空辅助压浆因封锚问题难以达到真正负压循环回路让浆液在管道内持续循环以排净管道内空气和杂质2压力大小及稳压时间控制较随意，往往导致出浆口没压力，致压浆不密实自动调整压力大小，以保证全管路按规范要求的大小和时间持压3水胶比控制现场材料比控制不严，往往通过加水改善流动性电脑自动加水，切实控制浆液性能水胶比4测试管道实际压力损失无此功能实时测试得到管道压力损失便于调整灌浆压力3.3技术经济比较73技术经济比较表（续）序号比较内容传统压浆大循环智能测控压浆5压浆工艺低进高出，压浆过程不得中断，排气孔要依次打开，操作难度大封闭循环回路解决这些难题，工艺简单，易操作6工效一次压一孔两孔同时压注，工效提高一倍7压浆记录人工记录，可信度低自动记录，可真是再现整个压浆过程8质量管理真实质量状况难以掌握，压浆密实与否难以查验可进行质量追溯，还原压浆全过程，提高管理水平74山西某高速箱梁预应力管道截面压浆密实度对比

左4孔智能压浆右4孔传统压浆3.4智能压浆应用效果75铁丝插入从以上测量可知：传统压浆梁孔道空隙深度约为：

2.5m+0.5m=3m管道内空隙深度测量

76湖北某高速试验过程及结果77传统工艺循环工艺某厂设备联智工艺循环工艺联智工艺从以上测量可知：传统压浆梁孔道空隙深度约为：

0.5m+0.4m=0.9m79

河南某高速试验传统工艺在循环智能压浆前面3天完成压浆，切开后孔道内浆液未完全硬化，智能压浆的已经完全硬化传统工艺智能工艺智能工艺安徽某高速公路试验结果（东九）81成都市某环线改造项目箱梁切梁试验4.智能张拉及压浆系统远程监控技术4、预应力施工质量远程监控系统

远程监控系统实现了预应力施工关键工序关键参数的实时、在线、高标准控制。参建各方可实时跟踪、远程控制。现场拍照，确保监理、施工人员到位，实现远程监控管理。

“实时跟踪、及时预警、及时纠错”。远程监控系统功能特点

参加各方连成有机整体远程质量跟踪、信息预警实现信息化管理，提高效率建立区域性质量监管网络可针对特定集团用户进行单独定制开发5.智能张拉压浆应用案例90目前已在港珠澳大桥、中朝鸭绿江大桥、湖南多条高速公路、湖北省十房高速公路、古竹高速公路、福建省建泰高速公路、江西省吉莲高速公路、抚吉高速公路、甘肃省雷西、成武高速公路和四川丽攀高速等全国30个省市高速项目进行了一系列的推广应用。

91港珠澳大桥

CB05标预制场和海上张拉压浆盖梁92中朝鸭绿江大桥中朝鸭绿江界河大桥属于五跨双塔双索面钢箱梁斜拉桥，全长3030米，该桥是长江以北最大跨度的斜拉索桥。93大桥“H”索塔高达197米，采用预应力智能张拉系统和循环智能压浆系统进行上下横