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第30期 预应力精细化施工与测控技术

2019-4-12 09:13

52监测网专家报告分享-第30期 预应力精细化施工与测控技术 王继成 重庆交通大学教授


52监测网专家报告分享-第30期

预应力精细化施工与测控技术
王继成 重庆交通大学教授

人物介绍

王继成,重庆交通大学教授,预应力工程技术专家。
自20世纪80年代以来,一直从事预应力控制与检测评估研究工作,承担过省、市级多项课题,均填补国内空白。王继成其中“预应力张拉控制自动测试仪”“预应力锚具试验台架”“预应力检测控制智能化系统”等课题,均获得鉴定专家高度评价“达到国际先进水平”,并且获得多项发明专利和实用新型专利,还在交通部主办的“预应力工程有效预应力检测控制”培训班上作过多次宣讲。最近主编了重庆交通行业地标“桥梁预应力及索力张拉施工质量检测验收规
程”。

目录

一、理念与技术体系的建立
二、传统的预应力测控技术
三、锚下预应力精细化施工体系的建立
四、预应力测控理念与技术促进规范的进步
五、标准推进中的成果与问题
六、对策与措施
七、预应力精细化施工技术体系的发展
八、预应力大小和不均匀度的严格控制为智慧桥梁奠定基础
九、结语

内容简介

一、 理念与技术体系的建立

重庆交通大学自80年代以来,通过大量的工程实践与科学试验研究,提出了桥梁预应力精细化施工理念(控制有效预应力大小和不均匀度)和“全过程、系统化、定量化、智能化”测控技术原则,倡导实施严格的预应力施工全过程跟踪控制,结合有限的结果检测验证,达到全面控制预应力施工质量的目的,进而以典型束的有效预应力沿程分佈长期监测分析,为桥梁健康诊断提供依据,从而形成了预应力桥梁建、管、养一体化的智能测控技术体系!

二、传统的预应力测控技术

2.1应变片检测
预应力筋上贴应变片检测施工中的单索有效预应力,此种方法存在可靠性差、精度低的缺陷(根据现场贴片试验,钢绞线的同一截面上6个应变片示值相对误差有的达到20%;7个截面中,各截面6个应变片示值的平均值相对误差一般在5~10%范围内)。

2.2传感器检测
整束有效预应力大小影响预应力度,其不均匀度影响桥梁线形,不均匀度过大将导致梁体产生有害变形。传统方法通过锚下(即锚垫板处)埋设空心式传感器来检测整束有效预应力,它在预应力工程中应用较为广泛。传感器以轮幅式最佳,精度、稳定性、可靠性及抗偏载能力较强,但价格昂贵,其次是电阻式压力传感器,最后是钢弦式压力传感器,后者价格最低,故应用较广,但对安装要求较高(垂直度、同轴度),否则测试误差很大(实验证明可达15%以上)。割断钢绞线上安装拉力传感器存在以下问题:一则价格高,二则不可能所有筋都割断,三则不安全因素增加。根据2005年9月25日在云南建筑科学研究院进行的压力传感器的正载、偏载(偏心3~5cm)试验,测试结果表明(表3-3、3-4,正载测力误差为2%左右,偏载3~5cm时测力偏差多数在15%左右。

正确埋设和使用传感器十分重要,特别是对于振弦式传感器埋设的对中与垂直会显著影响测试精度,这里还要强调对桥梁健康监测系统,埋设时要进行标定后的认证。长期使用后,应进行相应的精度测试,确保其测力系统的稳定性与可靠性。

2.3磁通量检测法
磁通量传感是基于铁磁性材料的磁弹效应原理制成的,当铁磁性材料受到外力作用时,其内部将产生机械应力或应变,其磁导率会发生相应的变化,从而可以通过测定磁导率的变化来反映应力的变化。该传感器由两个线圈组成,一个初级线圈,一个次级线圈。初级线圈通入脉冲电流,通电瞬间,由于铁芯试件的存在,会在次级线圈中产生瞬时电流,得到一个瞬时电压。电磁感应产生的电压大小依赖于铁芯材料的磁导率,而铁芯材料的磁导率又与铁芯应力状态有关,根据感应电压与应力的关系进行测量。磁通量传感器是非接触性测量,它与常规传感器的主要不同点在于试件是传感器的一部分,能直接感应试件的磁特性变化来测量应力,不损伤结构,不需要对被测件进行表面处理,不破坏构件原有防腐保护层,抗干扰能力强,测量精度较高,安装位置也比较灵活。另外,传感器可直接与计算机系统相连,进行多通道的数据采集和远程监控,是非常有效的一种测量手段。但是,磁通量检测法也存在如下几个缺点:
(1)目前磁通量传感器主要应用于桥梁拉索、吊杆等体外预应力束的应力监测,对体内预应力钢绞线的应力监测相对较少,与其他传感器相比,磁通量传感器成本较高。
2)磁通量传感器在测量时需要220V的电压,现场需提供电源,操作不太方便。

2.4超声导波检测法
超声导波测试法的理论根据是波动理论和声弹性理论。其原理是利用应力波传输时间对预应力钢绞线应力水平的敏感性,通过应力波的传输时间变化来评价钢绞线中的应力水平。超声导波技术是一种新兴的无损检测方法,因其具有衰减小、模态多、传播距离长、检测面广等优点,现已广泛应用于多种结构健康状况监测研究中,特别适用于管道、锚杆等多种结构中不同类型的结构检测。虽然目前超声导波技术已在国内外预应力损失试验中开始采用,但是仍然处于试验阶段,实用性还有待提高。

2.5等效质量检测法
等效质量法的基本原理是利用激励锤敲打锚头,并通过粘贴在锚头上的传感器来采集锚头的振动响应,从而推算出钢绞线的有效预应力。将锚头与垫板、垫板与后面的混凝土的接触面模型简化为弹簧支撑体系。该测试方法是一种无损检测方法,具有检测方便、测量精度高、使用范围广的优点,但是也存在一些缺点:
(1)测试原理较复杂。
(2)对同型锚具需要进行事先标定。

2.6频率法
频率检测技术是一种新型的无损检测方法,能检测出钢绞线在张拉或桥梁运营期间的有效预应力值,从而确定桥梁结构的预应力损失情况。其原理是:预应力筋在张拉及整个使用寿命期间因受力会发生钢绞线的伸长量变化,从而引起振荡频率发生变化,通过测量多谐振荡器的频率可以推测出钢绞线的应力,进而可以得到预应力筋的有效预应力,再通过与设计值进行比较就能推导出预应力钢绞线的应力损失变化规律。采用频率法的主要特点有:具有较高的灵敏度;检测系统结构简单、成本较低、方案易于实现、易于操作;对现场使用条件要求不高;检测速度快,检测效率高。虽然有以上特点,但是还是有很多不足之处:检测精度不高、技术还处于实验室研究阶段、缺乏实际工程的验证。在实际工程中推行度尚不完善。

2.7整束反拉法
锚索锚下预应力的反拉检测方法,其特征在于:包括以下步骤:
1)对锚索的外露段施加与锚下预应力方向相反的拉力,采集并记录拉伸位移数值和拉力数值,以拉伸位移为横坐标,拉力为纵坐标建立拉伸位移和拉力二维坐标系,在二维坐标系内根据拉伸位移数值和拉力数值建立拉伸位移-拉力曲线;
2)计算拉伸位移-拉力曲线的斜率,斜率为拉伸位移-拉力曲线上一点纵坐标与横坐标的比值;
3)判断斜率变化情况,如果斜率稳定,继续施加拉力,如果斜率突然变小,曲线上突变点对应的拉力数值即为锚下预应力数值。

三、锚下预应力精细化施工体系的建立

预应力精细化施与测控技术体系,主要包括锚具测控系统、梳编穿束系统、预应力张拉控制系统、有效预应力检测控制系统和智能评估系统。

3.1锚具质量测控系统(创新性)
包括静载锚固试验,避免张拉中飞锚、滑丝现象发生;锚具摩阻试验,确定超张拉系数,避免绞线折弯过大导致滑丝、断丝发生;张拉端锚具回缩试验,测试锚具对预应力损失的影响;张拉锚固工艺试验以及其后再作的绞线受力均匀性试验,确定能够满足倒顶需要,且多次张拉后,仍可确保绞线受力均匀。

3.2同束不均匀度控制系统
梳编穿束系统,成品束,单根张拉等应力衰减控制系统采用梳编穿束可有效避免单根穿束引起的绞线相互缠绕,保证单根绞线受力均匀,不会发生像传统穿束张拉,导致同束中各单根绞线受力不均而危及其使用寿命(受力大的,早期疲劳断裂,接着连锁反应,导致预应力丧失,桥梁下挠、垮塌等),这对连续刚构桥尤其重要。

3.3预应力张拉控制系统——确保有效预应力大小及其同断面不均匀度
预应力张拉控制系统主要利用张拉控制仪(自动和半自动张拉仪),在张拉过程中准确显示持荷时间5min,控制多顶张拉作到四个同步:单束钢绞线两端张拉同步性、多束钢绞线对称张拉同步性、张拉过程同步性、张拉停顿点同步性。该仪器与油压传感器和位移传感器连接并接受其信号,进行数字化显示,保证张拉的精确性;同时各仪器之间能进行无线通讯,保证张拉的同步性。该仪器可进行数据处理,显示张拉力与伸长值及相关曲线,也可连接计算机打印张拉结果,并且不受人为杜撰、油粘度、摩阻、内泄漏等的影响。

3.4有效预应力检测控制系统——对预应力施工过程进行结果验证控制
该系统利用预应力张拉锚固自动控制综合测试仪对张拉后有效预应力进行检测。该仪器由液压泵站系统、千斤顶系统、计算机控制系统组成,能准确测出单根和整束预应力筋的锚下有效预应力(精度达到1.5%)。它根据弹模效应与最小应力跟踪原理,应用多元里作用下的单一化剥离回归函数数模处理技术。当千斤顶带动绞线与夹片沿轴线移动0.5mm时,即测出锚下有效预应力值,且不会对已经形成的锚下有效预应力产生影响。该检测仪器于检测完毕后可自动评定其梳束、编束、穿束、调束的工艺水平以及张拉控制水平,做到以有限的检测达到全面控制预应力施工质量的目的。

3.5智能评估系统——实时跟踪现场过程与验收结果控制,进行建管养一体化监控,全面确保预应力施工质量
智能评估系统是在现场监测点采集到数据之后,通过有线或无线的方式传输给服务器,由服务端对数据进行智能化的分析处理,产生一系列的统计产品(报表、曲线、饼状图、柱状图等),得出整座桥的预应力施工质量,建立全面的桥梁预应力施工验收评估体系,便于业主、监理、设计等部门对预应力施工质量进行实时跟踪测控,进行建管养一体化监控,全面确保预应力施工质量。

四、预应力测控理念与技术促进规范的进步

4.1标准的创新
以桥梁预应力精细化施工全过程智能测控技术体系为支撑,在重庆市交委的支持下,我们主编了全国第一部关于预应力测控的规范——《桥梁预应力及索力张拉施工质量检测验收规程》(CQJTG/TF81-2009),并指导或参编了云南省、广东省、广西省、湖南省、甘肃省佛山市等多个省市的相应标准或指南。

4.2推动预应力施工技术进步成果研究与应用
推动预应力施工技术进步成果研究与应用是对预应力、索力张拉施工技术进步的革命性推动。对交通、建筑等行业预应力施工的精细化、规范化和信息化,起到了引领、示范和支撑作用;项目研究共培养行业技术人才50余人,在全国开展培训30余场,受众逾5000人次,有力促进了预应力施工人才队伍建设与测控设备的研发,激起了全国性的预应力施工测控设备的生产热潮,如:湖南、河南、天津、广西、重庆等,推动了预应力施工测控技术的全面产业化。成果是以高新技术改造提升传统产业的具体体现,应用前景广阔,影响深远,将为桥梁预应力施工带来可观的经济效益和社会效益。

五、标准推进中的成果与问题

由于相关标准的颁布实施,我们专著的出版以及相应的宣讲,掀起了全国性的预应力测控设备的生产热潮,推动了预应力施工技术的革命性进步,其主流是成功的,同时我们应该看到有的厂家生产的所谓全自动智能张拉仪存在质量问题,它们缺乏预应力测控技术的系统性、完整性和科学性的理念,不懂得过程控制与结果验证的紧密关系,它们的仪器只作过程控制,不作结果验证的考核,这会带来灾难性后果。如某单位作了自动张拉控制系统,自诩伸长值与力值都在合格范围内,结果所张拉的某某高速公路有效预应力同断面不均匀度合格率只有48.43%。倘若所用的检测设备只作自身精度的标定,没有进行检测精度标定,则无法判断过程控制是否恰当,客观上为这些不合格的张拉设备保驾护航。

六、对策与措施

(1)强调结果验证,不做单一的过程控制,成套推出预应力精细化施工体系。(含过程跟踪控制与结果检测验证的关键设备)
(2)过程控制设备一律要做严格的型式试验与进场验收试验,否则将带来严重后果。
(3)完善结果控制指标,尤其是在一些标准中不够明确的概念,予以澄清.比如明确张拉控制应力与张拉应力之间的关系,并对施工中的误用提供精准检测依据;有效预应力大小指标的精确化:在现行标准数据中,借助预应力损失理论计算与测试数据统计处理,未能完全适用,工地现场偶有误判。我们结合梁长和弯折角度进行分类,划分锚下有效预应力标准值的适用范围,实现对范围外的精准处理;对尚未提供量化标准的结果认证,如:灌浆密实度检测应迅速编制相应量化验收标准,便于结果认证,全面控制预应力施工质量,为此必须进一步提升无损检测的精准性。
(4)对结果验证的相应检测设备,应作自身精度和检测精度的标定工作(其标准已在质监局立项),在现有条件下可参照已发布实施的地方标准——反拉法设备的技术要求执行,设备应满足国家检测资质对预应力专项参数的要求。
(5)预应力精细化施工决不容许忽视人员素质——施工单位必须具备预应力二级专项资质,施工人员培训持证上岗!
(6)编制了《张拉控制设备进场验收规程》、《预应力管道灌浆密实度检测规程》、《灌浆控制设备验收规程》、《密实度检测设备技术与验收规程》以及《预应力检测设备技术与验收规程》等诸多规程,从而全面控制预应力施工过程与结果的精确性和稳定性。

规范的真谛是既有过程控制(锚具质量控制系统、梳编穿束系统、张拉过程控制系统),又有结果控制(有效预应力检测控制系统、智能评估系统),后者验证前者,其自身精度也需通过检测校准验证,过程控制的成败由结果控制来评定,结果控制发现存在的质量问题并及时调整过程控制。我们强调对施工过程的控制,张拉跟踪控制检测,排除了人为因素干扰,完善了双控法,作为张拉过程验收手段,可以分析施工过程中管道定位安装、摩阻状况、梳编穿束等工艺问题,也可分析绞线弹模、松弛等原材料问题,但由于这些问题对伸长值影响有的相互抵消:如摩阻增大会减小伸长值,同束不均匀度增大会增大伸长值,会造成双控合格,但有效预应力偏小和同束不均匀度偏大,故需要有锚下有效预应力检测作为结果验证控制,若只作过程控制,一旦有误,后果十分严重。但检测也只是手段,建立过程控制的成败由结果控制来评定,结果控制发现存在的质量问题并及时调整过程控制的精细化施工全过程智能测控体系是保证预应力张拉施工质量的关键。

七、预应力精细化施工技术体系的发展

规范的真谛是既有过程控制(锚具质量控制系统、梳编穿束系统、张拉过程控制系统),又有结果控制(有效预应力检测控制系统、智能评估系统),后者验证前者,其自身精度也需通过检测校准验证,过程控制的成败由结果控制来评定,结果控制发现存在的质量问题并及时调整过程控制。我们强调对施工过程的控制,张拉跟踪控制检测,排除了人为因素干扰,完善了双控法,作为张拉过程验收手段,可以分析施工过程中管道定位安装、摩阻状况、梳编穿束等工艺问题,也可分析绞线弹模、松弛等原材料问题,但由于这些问题对伸长值影响有的相互抵消:如摩阻增大会减小伸长值,同束不均匀度增大会增大伸长值,会造成双控合格,但有效预应力偏小和同束不均匀度偏大,故需要有锚下有效预应力检测作为结果验证控制,若只作过程控制,一旦有误,后果十分严重。但检测也只是手段,建立过程控制的成败由结果控制来评定,结果控制发现存在的质量问题并及时调整过程控制的精细化施工全过程智能测控体系是保证预应力张拉施工质量的关键。

真正桥梁预应力精细化施工全过程智能测控技术体系的建立,要确保体系自身各环节的可靠性、稳定性、精确性、相关性和统一性。在保证施工质量优质高效的前提下,尊重现今施工单位的良好施工习惯,配之以现代测控技术,扬长避短,使现有施工人员与施工设备充分发挥有效作用。体系的建立从一开始就立足于“全寿命”,以有效的过程控制管理、完善的结果控制手段,全面实施预应力精细化施工,将安全隐患消灭在施工过程中,减少后期使用维护费用,从而全面降低桥梁的全寿命成本。

八、预应力大小和不均匀度的严格控制为智慧桥梁奠定基础

借助梳编穿束系统,成品束、和悬浮式等应力单根张拉法对同束不均匀度的严格控制,可以做到,以根带束;
借助张拉跟踪控制系统,对同断面不均匀度的严格控制,可做到,以束带面;
在应用光纤光栅传感系统的二次仪表,不仅可以,实时跟踪,监控同一束绞线预应力的沿程分佈状态,也可以,实时监控同一断面预应力的分佈状态,从而完成桥梁全程预应力分佈状态的跟踪监控,该仪表具有24小时自动发送数据的功能,通过相应的智能化系统,进行全面分析判断桥梁健康状况。由于该系统使用寿命较长(15年以上),可靠性和稳定性好,所以能够实现桥梁建、管、养,一体化的技术功能,形成新一代的智慧桥梁体系。


九、结语

我们必须再次强调:战略上,我们的工程建设单位与质量控制监管部门应高度重视预应力施工质量的全面控制,以广东省为榜样,为我国桥梁优质高效的建设作出应有贡献;战术上,过程控制设备与结果验证设备务必遵守其相应的技术验收规范,应当经过国家认可的权威机构测试认证,以确保自身精度和控制精度的准确性,从而全面保证预应力工程施工质量,实现精细化施工测控技术的全面进步。

最后,我们强调对于重大桥梁应当采用预应力沿程分布测控系统。在精细化施工的基础上,以根代束,以束代面,进行建、管、养一体化全面监控,以确保桥梁的健康和安全,为智慧桥梁的发展奠定基础。

预应力精细化施工与测控技术
王继成 重庆交通大学教授

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  • 幺不语 2019-6-13 15:55
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