大噸位先張“U”形薄壁梁全自動智能張拉系統研發XXXX工程有限公司“U”形梁預制QC小組二○一六年十一月在技術質量方面，U梁采用大噸位先張工藝。施工過程中對梁體應力應變控制提出較高要求，而且在應力損失控制上要求的輔助工藝更高、更先進，同時也對先張制梁墩臺的設計、施工、工裝配置等均提出了更高的質量要求。梁場占地面積約160畝，共分制梁區、存梁區、鋼筋加工區、拌合站、辦公生活區等5個功能區域。根據線路特點和工期要求，我們采用三條“一串二”加兩條單線法制梁方案，配備5線8套模板對應制梁臺座周轉。梁場三維效果圖2、QC小組簡介2.1、小組概況我QC小組自2015年項目成立之后起成立，由管理干部、技術人員及工班操作人員等組成。針對項目預應力長線法施工的工藝特點和技術要求，本QC小組開展了對預應力長線施工預應力鋼筋伸長、回縮量過大以及多頂同步協調的問題研發出“大噸位預應力施工及同步控制技術”。在“U”梁預制施工過程中，得到應用。按照攻關特點及活動要求，對本小組的組成人員作了認真的調整（見表二：小組成員概況表），對活動制度和方式、方法進行了研究，并制定相關文件。活動制度：1、緊緊圍繞生產，根據施工中出現的難題，一般情況下每周活動一次；2、活動時，小組成員開動腦筋，暢所欲言，各述己見；3、每次活動作好討論記錄，分工專人負責落實。活動的方式、方法：活動地點以施工現場為主；活動中，廣泛發揚民主，可口頭發言，也可寫出書面意見；小組活動形成統一意見后以書面形式通知有關人員執行。小組名稱“U”形梁預制QC小組課題類型創新型課題名稱大噸位先張“U”形薄壁梁全自動智能張拉系統研發小組編號QC-ZT-SZ-2016-002注冊時間2016年01月15日課題注冊編號QC-ZT-SZ-2016-002注冊時間2016年01月20日活動日期2016年01月20日～2016年06月28日小組人數10人活動次數11次平均年齡32歲活動出勤率100%培訓情況本小組成員人均接受QC知識培訓56小時制表：XX日期2016年01月15日2.2、小組成員簡介序號姓名工作崗位文化程度職稱組內分工1XX組長本科工程師總體籌劃、技術攻關2XX副組長本科工程師實施及質量檢查3XX副組長本科工程師組內分工、協調落實4XX副組長本科工程師技術控制5XX副組長本科工程師數據調查分析6XX組員本科助理工程師措施實施7XX組員本科助理工程師資料整理8XX組員本科助理工程師現場測量9XX組員本科助理工程師措施實施10XX組員本科助理工程師措施實施制表：XX日期2016年01月15日2.3、本課題活動計劃制表：XX日期：2016年01月19日小組采取定期活動與專題活動相結合的方式，具體活動情況如下：活動情況統計表活動內容次數人次出勤率（%）定期活動440100%專題活動220100%現場分析220100%座談、交流330100%小計11110100%制表：XX日期2016年6月25日2.4、活動照片，會議紀要QC小組在活動計劃圖的指導下，積極的開展各項工作，每項QC活動完成后都進行小組討論、分析及總結，以確保各項QC項目結論真實，代表性強。定期開QC小組會議，每次會議都有專人記錄。圖為專題分析會議3、課題選擇3.1、課題背景2010年我公司承建XXXX16號線梁預制工程，預應力先張“U”形梁為XX內首條引進法XX的城市XX先張法預應力薄壁梁。是引進法XXSYSTRA設計理念，該梁已成功運用在印度、韓XX、XX以及XX，這對于公司來說是一次巨大的挑戰，也是一次技術革新。為此，我公司立即成立攻關小組，參照法XX和臺灣高鐵先張箱梁技術和XX內現行技術規范，歷時5個月，成功自主研發了大噸位臺座法先張同步控制系統、牽引式預應力承力臺座和牽引式預應力施工技術。牽引式方案效果圖由于橋梁的先張法預應力混凝土預制梁因其耐久性好，結構受力合理、經濟性好、質量性能穩定以及線路平順性好控制等優點已逐漸取代預應力后張混凝土梁，預應力先張法混凝土結構梁現已廣發被運用。隨著混凝土強度等級的不斷提高，高強鋼筋的進一步使用，大噸位先張法預應力混凝土目前已在各大工程中推廣。我項目承建的薄壁“U”型梁預制工程是XX市首次采用預制結構件對橋梁的施工，影響重大且技術和質量要求極高。3.2、傳統工藝概況及問題分析1、預應力先張法混凝土梁預應力設計及施工概述預應力先張法混凝土梁的設計一般采用多束鋼絞線布置，由夾具固定在臺座上。在澆筑混凝土前提前給預應力筋兩端一個設計拉應力并固定在兩端專用承力墩臺上，待混凝土達到設計強度和齡期，以保證具有足夠的粘結力和避免徐變值過大后，放松預應力鋼筋，在預應力筋回縮的過程中利用其與混凝土之間的粘結力，對混凝土施加預壓應力。使預應力筋的預使應力傳遞給混凝土梁體達到預應力效果。工藝流程圖如下：先張法預應力施工傳統工藝采用臺座兩端預設承力墩臺，使用兩臺或兩臺以上頂推式千斤頂尾部支撐在承力墩臺外側，千斤頂活塞缸一端頂推鋼絞線錨固橫梁。如下示意圖：2、傳統工藝存在的問題通過QC小組對類似工程先張法施工工藝進行了大量的調查和數據收集，調查過程中，我們發現在目前的張拉系統主要存在兩方面的問題：一、所有的控制系統均設置在現場相對應的張拉臺座指定位置，且小頂初張和大頂終張的系統都是獨立分開的，這讓現場操作變得繁瑣，不便于現場管理，資源整合難度較大。二、由于牽引式千斤頂采用液壓傳感器，油缸行程不足造成大跨度結構或長線法施工時滿足不了預應力筋的設計應力伸長量，只能實現第二階段大頂整體張拉，張拉結束后依靠穿心式小千斤頂逐根張拉到設計噸位，延長工作時間。最后階段，人工對每根預應力筋進行小頂終張時，因單根預應力筋力值較大，預應力筋錨具和連接器較多，張拉頻率不穩定等因素，隨時都有可能出現脫錨情況，存在安全隱患。經QC小組對XX16號線預制U梁預制工程、青島11預制U梁預制工程以及傳統頂推式張拉預制等工程進行分析和研究，得出以下數據。制表人：XX審核人：XX制表日期：2016年01月26日制表人：XX審核人：XX制表日期：2016年01月26日從以上統計結果可以看出，由于預應力施工時小頂終張時間較長，張拉施工次數較多，千斤頂工具夾片消耗較大，單頂張拉脫錨情況較嚴重。傳統工藝延長施工作業時間，對材料的消耗極大，對現場安全、進度以及質量控制還存在一定的問題。3.3、確定課題通過對現階段預應力先張“U”形薄壁梁在實際生產過程中的比對、分析，就目前我們公司第一次步入XX這片市場的良好開端，且我QC小組的組成成員大多為原XX16號線的QC小組成員和青島11號線的技術成員，我們以事實數據為依據，以專業技能水平為前提，以專業化生產為目標，對于實現“U”形薄壁梁專業化智能同步張拉系統是必要的。所以，我們選擇“大噸位先張“U”型薄壁梁全自動智能張拉系統研發”作為本次QC小組活動的課題。4、設定目標4.1目標的設定通過本次QC活動，研發新型先張法全自動智能張拉系統，提煉總結編制工法，形成施工工藝。以滿足工期要求為前提，在確保整體式張拉施工質量的同時提高先張法專業化生產要求。4.2、目標分解目標一：確保實現牽引式全自動智能張拉系統目標二：實現工廠化專業生產4.3、目標可行性分析能否實現這個目標，小組對目標的可行性進行了分析：本QC小組技術力量強。小組本QC小組技術力量強。小組成員大多為原XX16號線的QC小組成員和青島11號線的技術骨干，曾參與過先張施工工藝革新，理論基礎好，創新能力強，小組成員能熟練運用QC工具解決工程問題。先張法預應力施工是我公司的主要引領行業技術之一，是公司技術研究與積累的焦點，在資金、技術力量等方面能首先得到集團和公司的支持，具備成功實施的資源條件。本工程是XX市首次引入先張法預制軌道梁，政府及社會各界關注度高。業主對工藝革新給予充分支持，課題實施有良好的外部條件。有利條件一：有利條件二：有利條件三：本工程無相同可借鑒的施工經驗，具有一定的不可預見性以及風險因素存在。本工程無相同可借鑒的施工經驗，具有一定的不可預見性以及風險因素存在。多個大頂依靠活動鋼橫梁同步張拉，且伸長量誤差控制在±6%難度較大，傳感器精度控制要求極高。不利條件一：不利條件二：通過以上的可行性分析，QC小組最終確定目標可以實現！5、提出方案并確定最佳方案5.1、提出方案2016年02月17日QC小組在項目部會議室組織召開了關于“大噸位先張法“U”型薄壁梁全自動智能張拉系統研發”專題討論會。與會人員集思廣益，詳細分析了智能張拉系統的各個組成部分和張拉臺座的穩定性。特邀相關廠家對液壓系統和數控屏顯的實現進行了深化討論，并結合本工程的實際情況，運用“頭腦風暴法”，共提出了4種對策方案。研制大噸位先張法全自動智能張拉系統研制牽引式全自動智能張拉系統研制大噸位先張法全自動智能張拉系統研制牽引式全自動智能張拉系統研制工廠化專業生產流水機組PLC兼容泵站組合控制系統PLC獨立控制系統整體單穿式測力張拉整體集中式測力張拉每根預應力筋張拉錨固端設置穿心式負荷控制儀結合大頂位移傳感器實現智能雙控通過大噸位液壓千斤頂的伸縮和穿心式牽引原理實現應力、應變雙控通過PLC直接顯示、控制及存儲整個工藝過程PLC微電腦和油泵觸摸屏組合方式控制智能泵站和智能千斤頂的張拉小組成員對4個方案進行綜合論證，具體如下：⑴整體單穿式測力張拉：采用牽引式張拉施工工藝，通過在張拉端活動鋼橫梁上分絲板預應力筋錨固處一對一設置穿心式負荷控制儀，監測每根預應力筋的應力。通過小頂初張實現每根預應力筋的應力同步，以大頂同步張拉實現應力、應變雙控。其優點：1、通過對每根預應力筋直接監測，減少其他因素的干擾；2、數據直觀、真實；3、便于查找力值未同步問題的根源。缺點：1、預應力筋之間的間距有限，對于穿心式負荷傳感器的尺寸有要求，需廠家訂制。2、本工程梁體張拉鋼束較多，所需負荷傳感器數量較大，工程投入成本較大。3、由于每次監測目標較多，數據分析較為復雜，不便于系統管理。效果示意圖⑵整體集中式測力張拉：通過對傳力桿兩端固定錨鎖，置高精度大噸位荷載傳感器于大千斤頂前端，通過千斤頂的伸縮，帶動錨固在活動鋼梁上的預應力筋，從而實現應力控制。設置磁致伸縮位移傳感器監測大頂位移伸長量，以此來實現張拉過程中應變控制。其優點：1、制作及安裝（拆卸）方便；2、相對于以往采用的液壓式傳感器更穩定，精度更高；3、傳感器和大頂配套使用，數量較少，造價成本低。缺點：1、其受力變形要求質量高，體積大，市場無標準件，需定制加工；2、臺座基礎施工時預留孔洞位置精度要求高。⑶PLC獨立控制系統：通過PLC微電腦可編程邏輯控制器，直接對現場各個泵站進行控制，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新。在整個運行期間，可編程邏輯控制器的CPU以一定的掃描速度重復執行上述三個階段。結合現場各區間的無線監控，實現張拉操作人員只需在張拉控制室就可對整個施工現場進行張拉施工作業。其優點：1、使用方便，編程簡單；2.功能強，性能價格比高；3.硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強；4.可靠性高，抗干擾能力強；5.系統的設計、安裝、調試工作量少；6.維修工作量小，維修方便；7、施工作業環境相較于以前得到很大改善；8、現場施工人員數量減少，功效提高。缺點：1、現場控制點較多，系統程序出現超負荷運作；2、大噸位張拉對于現場危險性較大，安全管控有待提升。⑷PLC兼容泵站組合控制系統：該系統相對于PLC獨立控制系統增設了智能化液壓泵站，現場施工作業可通過對應的智能泵站進行獨立操作，同時張拉控制室PLC系統統一控制現場各個智能泵站。其優點：1、通過增設智能化液壓泵站，減緩主控系統的運行負荷；2、分級控制對于系統的檢修提供很大的方便；3、在出現緊急故障的情況下，主控系統和智能化泵站都可任意控制，確保作業安全。缺點：1、智能化泵站是首次提出，無實例參考，開發難度大；2、PLC兼容智能泵站組件復雜，前期設計難度較大。5.3、方案實施過程中必須解決的問題通過對上述4種研制方案進行論證，結合我項目部的施工范圍、成本、質量、工期和環境影響，確定1、3號研制方案不予采用，2、4號研制方案為可采用方案。在方案2中，要實現先張法全自動智能張拉，第三階段大頂智能張拉取代傳統的人工手動補張還需解決初張結束后每束預應力筋是否均勻受力、大頂同步張拉液壓系統的穩定性、大噸位高精度力學傳感器的研發這兩方面問題，可簡稱為基準受力面和高精度同步控制。在方案4中，要實現先張系統的工廠化、專業化面臨著主控系統和智能油泵的研發。經過小組成員的分析討論，提出控制方案如下：第2方案的控制方案：⑴基準受力面的控制方案選定優、缺點分析結論一次性對稱張拉通過初張小千斤頂對錨固在活動剛橫梁上所有鋼束從兩端到中部對稱均勻張拉，一次性張拉到目標力值。張拉結束后對鋼筋骨架內的預應力筋進行障礙排查，對有干擾的鋼筋清障后，進行初張目標值補張。優點：作業時間短，縮短工作時長。缺點：由于預應力筋受力較大，清障難度大，清障時存在安全隱患；2、清障后導致相對預應力筋力值松懈，由于清障對象位置不固定，導致活動剛橫梁位置存在偏移，整體力值發生變化，影響施工質量。該方案對現場施工質量影響較大，存在安全隱患，較難滿足施工質量要求。分級對稱張拉通過初張小頂對錨固在活動剛橫梁上所有鋼束對稱均勻張拉，分兩個階段張拉到目標力值。第一階段，根據臺座實際情況設定固定目標力值，使得骨架內部預應力筋方便排查，排查完畢后進入第二階段初張目標力值張拉。優點：基準面均勻受力，活動剛橫梁位置不偏移，質量得到保障；2、方便排查、清障。缺點：增加了換頂工序，延長作業時間30分鐘。該方案雖然相較于一次性張拉延長作業時間。但確保了現場施工安全質量。經小組成員于2016年2月20日在現場進行試驗，決定采用分級對稱張拉控制。⑵高精度同步控制方案選定優、缺點分析結論傳統方式集中同步張拉鋼絞線錨固在反力墻前的鋼制張拉橫梁，通過四個傳力桿穿過反力墻上預留的孔洞，在反力墻后利用四臺600噸穿心式千斤頂通過分油閥同步控制器整體張拉。優點：1、技術已經成熟，方案可立即投入使用；2、穿心式千斤頂油缸行程不受預應力筋的長度要求。缺點：1、牽引螺桿和鎖定螺母受力變形要求質量高，長度長，市場無標準件，需定制加工；2、滿足大位移量要求，但4頂同時作業，所以同步性要求高；3、成本造價較高均需委外訂制。造價成本較高，滿足不同生產線和跨度，但對于4頂同步張拉的控制難度系數較大。現場效果圖創新型雙頂集中同步張拉在秉承傳統方式集中同步張拉施工的基礎上，由4臺600噸穿心式千斤頂升級為2臺1200。以固定剛橫梁取代原設計的反力墻，重新優化張拉臺座間的傳立柱，通過研制油泵于千斤頂之間的高壓溢流閥，實現智能化同步張拉。優點：徹底解決大噸位同步張拉問題；提高了精度控制，確保了施工質量；減少大型設備投入、重大危險源。缺點：需重新設計大噸位千斤頂及固定鋼梁；前期研發投入成本較高。該方案可有效解決大噸位先張法智能同步控制，雖研發成本較高，但結合實情，適合推廣運用。效果圖經小組成員于2016年2月17日在方案專題會研究決定，采用創新型雙頂集中同步張拉方案。第4方案的控制方案通過社會調研以及市場調查，結合項目自身情況，選擇PLC兼容泵站組合控制系統是是公司發展的方向，也項目迫切的需要。QC小組負責提出技術要求，主控系統及智能化油泵的研發由相關專業廠家負責實施。要實現PLC兼容泵站組合控制系統，有以下幾個控制方案：其一，油箱和電機需同時滿足初張小頂和終張大頂的使用；其二，簡化初張操作流程，以遙控裝置取代傳統的移動電腦操作；其三，初張時，系統應當滿足對每根鋼絞線張拉過程的監控及記錄，初張結束后張拉力值需合并到主控界面，便于大頂終張；其四，遠程張拉操控室和單個獨立控制機組具備同等控制能力。5.4確定最佳方案6、制定對策序號方案對策目標措施地點完成時間負責人1基準受力面的控制分級對稱張拉基準受力面實現受力均勻，誤差在1KN范圍內通過初張小頂對錨固在活動剛橫梁上所有鋼束對稱均勻張拉，分兩個階段張拉到目標力值。第一階段，根據臺座實際情況設定固定目標力值，使得骨架內部預應力筋方便排查，排查完畢后進入第二階段初張目標力值張拉施工現場2016.04.25XX、白旭2高精度同步控制創新型雙頂集中同步張拉實測總張拉力與設計值偏差不應＞2.0%，實測伸長量與設計值偏差不應大于5%通過升級千斤頂的噸位，以滿足施工要求。固定鋼橫梁取代原設計的反力墻，重新優化張拉臺座間的傳立柱，荷載傳感器取代傳統的液壓傳感器加工廠、施工現場2016.05.20黃靜、XX3PLC主控系統研發研發確保系統穩定，滿足規范要求和使用要求，實現遠程操作通過設立獨立張拉操控室，針對每個生產臺座一對一設立智能監控，主控系統采用有線連接方式，確保系統穩定加工廠2016.04.28孫施建、張召4智能油泵研發研發同時滿足大頂終張和小頂初張，液晶顯可觸摸示屏，可獨立施工采用柜式組合方式，將高壓閥、溢流閥、電機和PLC控制機組以及液晶顯示可觸摸屏融為一體，將小頂初張和大頂終張合理組合，統一管理。加工廠2016.04.11XX、XX7、對策實施7.1、實施一：分級對稱張拉通過初張小頂對錨固在活動剛橫梁上所有鋼束對稱均勻張拉，分兩個階段張拉到目標力值。第一階段，根據臺座實際情況設定固定目標力值，使得骨架內部預應力筋方便排查，排查完畢后進入第二階段初張目標力值張拉。兩頂階段性張拉排查干擾情況張拉末端受力情況對策效果檢查對策內容確認方法確認標準負責人完成時間用小頂分兩階段對稱張拉，過程中排查鋼絞線干擾情況，實現目標力值用穿心式測力儀測定實際單根力值張拉力值與設計圖紙相符，精度偏差＜1kN白旭2016.04.15調查、驗證、分析情況：經現場實際施工，并經現場檢測，梁體鋼絞線初張力值受力均勻，基準面單根鋼絞線受力誤差＜1kN，抽查的鋼絞線受力合格率100%結論鋼絞線受力合格率100%，滿足基準受力面控制要求，對策目標實現制表人：XX制表日期：2016年04月15日

7.2、實施二：創新型雙頂集中同步張拉通過在廠家訂制的2臺1200噸取代傳統式多頂張拉，依據有限元受力分析，以固定剛橫梁和傳立柱取代傳統式剪力墻結構，通過采用大噸位、高精度荷載傳感器和磁致式伸縮位移傳感器，實現智能化同步張拉。壓應力圖受壓變形圖經有限元分析制梁臺座屈曲極限載荷為191F，受壓穩定性滿足要求。軸壓力作用下最大壓應力為9.85MPa，小于混凝土抗壓強度，滿足要求。始節點1的變形量為2.98mm，終節點135變形量為2.94mm，則制梁臺座總壓縮量為5.92mm，考慮鋼筋對其約束后壓縮量小于5mm。驗算合格，滿足使用要求。施工現場檢測圖牽引式雙頂同步張拉方案1:1三維效果圖現場實物圖對策效果檢查對策內容確認方法確認標準負責人完成時間優化張拉臺座，采用兩臺1500噸大頂同步控制，配置應變荷載傳感器通過對結構有限元分析及施工現場檢測；具備相關資質的單位出具證明有限元分析報告，現場實測數據分析報告；中XX科學計量院標定報告黃靜2016.04.06調查、驗證、分析情況：經理論分析和現場實際檢測，張拉臺座滿足使用要求，兩頂同步控制滿足設計噸位需求，應力、應變可控。結論滿足規范要求，滿足設計要求，滿足施工要求，對策目標實現制表人：XX制表日期：2016年04月04日7.3、實施三：PLC主控系統研發通過運用以太網，結合遠程監控和PLC集成控制系統，依據PLC穩定可靠、價格便宜、功能齊全、應用靈活方便、操作維護方便的優點，設立現場獨立張拉操控室。根據現場工況和要求，經QC小組與液壓設備廠技術人員研究討論開發出專業預應力施工PLC控制系統。

新型同步控制系統完成后，QC小組經部門審批，于2016年4月16日在現場施工調試安裝應用。系統結構示意圖PLC控制柜張拉主控室對策效果檢查對策內容確認方法確認標準負責人完成時間研發穩定、高效的PLC系統，設立獨立的張拉操控室，增設遠程監控，實現專業化生產現場確認、技術測評由業主單位現場驗收，對系統及設備出具合格證明孫施建2016.04.20調查、驗證、分析情況：經現場實際操作，系統平穩可控，設備使用過程無異常，實現了規范化施工作業。結論滿足規范要求，滿足設計要求，滿足施工要求，對策目標實現制表人：XX制表日期：2016年04月20日7.4、實施四：智能油泵研發將小頂的低壓閥組、低壓泵組、電動機和大噸位千斤頂高壓閥組、高壓泵組合并，同時控制，泵站同時滿足小頂初張和大頂終張，終張拉千斤頂由高壓閥組控制，初張拉千斤頂由低壓閥組控制。通過調整溢流閥的壓力來控制主油路與回程油路的最高壓力，通過旋轉安全閥的調節旋鈕(右旋調大或左旋調小）來設定系統的安全壓力，當系統超過此壓力時，安全閥打開，壓力油通過安全閥流回油箱。通過與PLC控制柜兼容，設置液晶可觸摸顯示屏實現泵站獨立智能操控。通過無線遙控簡化初張繁瑣的張拉過程。2016年5月16日高壓油閥出現爆閥現象，經現場分析，是因陶瓷閥芯在換向時自身剛度達不到要求，導致斷裂。后更換高壓油閥閥芯為鐵芯，解決了問題。經過運行實踐檢驗，采用牽引式預應力方案在輔助同步控制系統不僅很好解決了傳統工藝無法解決的問題，而且也是一種創新工藝，使先張法預應力這項重點難點以及危險源工藝不再危險，安全質量得到了切實保證。8、效果檢查8.1、目標完成情況在QC小組的共同努力下，整套系統于2016年04月26日正式投產使用，成功解決了第三階段人工手動張拉的問題，縮短了張拉時間，減少了施工人員數量。實現了全過程數據存儲和整合，杜絕人為改動，確保張拉數據真實有效。解決了預應力筋脫錨情況的發生，杜絕了安全事故的發生，確保了施工質量。通過專業化管理，實現了張拉作業人員只需在主控室就可對整個梁場進行張拉施工作業。我們小組對常態化生產后人員的配置與所需施工時間進行了單個臺座平均