市政桥梁预应力张拉施工智能化监测与误差控制方法研究

一、引言

1.1 研究背景

随着城市化进程以前所未有的速度推进，市政桥梁作为城市交通网络中不可或缺的关键节点，其建设规模与日俱增，数量也呈现出爆发式增长态势。预应力技术凭借其能够显著增强桥梁结构承载能力、大幅提升抗裂性能以及有效延长耐久性等诸多优势，已然成为市政桥梁建设领域广泛应用的核心技术手段。在整个预应力技术体系中，预应力张拉施工无疑是最为关键的环节，其施工质量的优劣直接决定了桥梁结构受力性能的好坏，更是与桥梁的安全性紧密相连。

然而，传统的预应力张拉施工模式高度依赖人工操作，并且在很大程度上依靠操作人员的经验判断。这种施工方式存在着诸多难以忽视的弊端。施工误差问题十分突出，由于人工操作的不稳定性，张拉力控制难以达到精准要求，伸长量测量也极易出现较大误差；数据记录缺乏规范性和精确性，导致施工数据难以准确反映实际施工情况；监测的滞后性更是一大隐患，无法对施工过程进行实时监控，一旦出现问题，往往难以及时察觉和处理，严重影响预应力张拉施工的准确性和一致性。一旦张拉施工误差积累到一定程度，就会致使桥梁结构应力分布失衡，进而引发裂缝等病害，对桥梁的安全运行构成严重威胁。

1.2 研究意义

深入开展市政桥梁预应力张拉施工智能化监测与误差控制方法的研究，对于推动市政桥梁建设事业的高质量发展、切实保障桥梁结构安全稳定运行具有不可估量的重要意义。智能化监测技术的引入，能够实现对预应力张拉施工过程的全方位、实时动态监测，确保施工过程中的任何异常情况都能被及时捕捉；而科学有效的误差控制方法，则能够从根本上减少施工误差，使预应力张拉施工精准地达到设计标准。这一系列举措不仅能够显著提升市政桥梁的工程质量，有效延长其使用寿命，还能够大幅降低后期维护成本，为城市交通的安全、高效、有序运行提供坚实保障，具有重要的社会和经济价值。

1.3 国内外研究现状

国外在预应力张拉施工智能化监测与误差控制领域起步较早，经过多年的研究与实践，已经取得了一系列丰硕的成果。以美国、日本为代表的发达国家，充分融合传感器技术、先进的无线通信技术以及高性能计算机技术，成功研发出一系列功能强大、技术先进的预应力张拉施工监测系统。这些系统不仅实现了对张拉过程的自动化精准控制，还能够进行实时、全面的监测，为预应力张拉施工提供了强有力的技术支撑。

相比之下，国内在该领域的研究虽然也取得了一定的进展，但与国外先进水平相比，仍存在明显差距。在智能化监测系统方面，集成化程度较低，各子系统之间的协同工作能力有待加强；智能化水平也相对不足，在数据分析、处理和决策支持等方面与国外存在较大差距。在误差控制方法上，精确性和可靠性还有待进一步提高，难以满足当前市政桥梁建设日益增长的高质量要求。目前，国内仍有相当一部分市政桥梁预应力张拉施工项目沿用传统施工方法，智能化监测与误差控制技术的推广应用范围和深度都亟待拓展和加强。

二、市政桥梁预应力张拉施工现状分析

2.1 预应力张拉施工流程

市政桥梁预应力张拉施工是一个复杂且严谨的过程，主要涵盖施工准备、穿束、张拉、锚固和孔道压浆等多个关键环节。在施工准备阶段，施工人员需要对张拉设备进行全面细致的检查，确保其性能完好；同时，严格检验预应力筋和锚具等材料的质量，杜绝不合格材料进入施工现场；此外，还需按照相关标准和规范对张拉设备进行精准校准，为后续施工奠定基础。

穿束环节要求施工人员将预应力筋准确无误地穿入预留孔道，这一过程需要严格控制预应力筋的位置和走向，避免出现扭曲、缠绕等问题。张拉过程则是整个施工的核心，施工人员必须严格按照设计要求确定张拉顺序和张拉力，分阶段、循序渐进地对预应力筋进行张拉操作。每一个张拉阶段都需要精确控制张拉速度和持荷时间，确保预应力筋能够均匀受力。

张拉完成后，要及时进行锚固操作，将预应力筋牢固地固定在设计位置，防止预应力损失。最后进行孔道压浆，通过向孔道内压注水泥浆，使预应力筋与混凝土之间形成良好的粘结，保证两者协同工作，共同承担荷载。

2.2 传统施工存在的问题

人工操作误差大：在传统张拉施工中，张拉力的精准控制和伸长量的准确测量是决定施工质量的关键环节，但这些工作主要依赖人工操作。由于不同操作人员的技术水平参差不齐，工作状态也存在波动，即便经验丰富的工人，在长时间工作后也容易出现操作失误。在张拉力控制方面，人工手动调节油泵压力难以精确达到设计要求的张拉力数值，微小的压力偏差在累积后可能导致张拉力与设计值出现较大误差；在伸长量测量时，人工使用量具读数容易受到视线角度、量具精度等因素影响，导致测量结果不准确，从而严重影响预应力张拉施工质量。

监测不及时：传统的监测方式大多是人工定期检查，这种方式存在严重的滞后性。施工过程是一个动态变化的过程，在两次检查的间隔时间内，可能会出现各种突发情况，如设备故障导致张拉力异常、预应力筋出现局部损伤等。由于无法实时获取施工数据，施工管理人员难以及时察觉这些异常情况，一旦问题发现不及时，就可能引发连锁反应，导致施工事故的发生，造成不可挽回的损失。

数据记录与分析困难：人工记录数据的方式存在诸多弊端，一方面，记录过程缺乏统一规范，不同人员记录的数据格式、内容详略程度各不相同，导致数据的完整性和准确性难以保证；另一方面，大量的人工记录数据在整理和分析时需要耗费大量的时间和精力，效率极低。而且，由于数据记录的不规范，很难运用数据分析工具从这些数据中提取有价值的信息，总结施工规律，无法为后续施工提供有效的指导。

三、市政桥梁预应力张拉施工智能化监测系统构建

3.1 系统总体架构

市政桥梁预应力张拉施工智能化监测系统是一个高度集成、功能强大的综合性系统，主要由数据采集层、数据传输层、数据处理层和应用层四个核心部分组成。数据采集层作为系统的“感知器官”，通过部署在施工现场的各类传感器，实时、准确地采集张拉力、伸长量、油压等关键施工数据；数据传输层则充当数据的“运输通道”，利用无线网络（如4G/5G）或有线网络（如光纤），将采集到的数据快速、稳定地传输至数据处理层；数据处理层是系统的“大脑”，负责对数据进行清洗、存储、深入分析和处理；应用层则是系统与用户交互的“窗口”，将处理结果以直观、易懂的界面展示给施工管理人员，并提供预警、决策支持等实用功能，实现对预应力张拉施工过程的智能化管理。

3.2 数据采集模块

传感器选型：在传感器选型过程中，充分考虑预应力张拉施工的特殊需求和实际工况，精心挑选高精度、高可靠性的传感器。选用的压力传感器采用先进的压阻式传感原理，测量精度可达 ±0.5%FS ，能够在复杂的施工现场环境下，稳定、准确地测量张拉力；位移传感器采用光栅位移传感技术，精度达到 ±0.1mm ，可精确捕捉预应力筋的微小伸长变化；油压传感器采用陶瓷压阻式传感器，精度为 ±1% ，能够实时、准确地监测张拉设备的油压变化。这些传感器均具备良好的抗干扰能力和环境适应性，能够在高温、潮湿、振动等恶劣条件下正常工作，满足预应力张拉施工监测的严格要求。

传感器安装：压力传感器的安装位置直接影响张拉力测量的准确性，将其安装在千斤顶与锚具之间的受力轴线上，确保传感器能够直接、准确地测量预应力筋所受的张拉力；位移传感器通过特制的夹具牢固地固定在预应力筋上，夹具的设计充分考虑了预应力筋的材质和形状，保证传感器与预应力筋能够同步移动，从而精确测量伸长量；油压传感器则安装在张拉设备的油路系统关键节点处，确保能够实时、准确地监测油压变化，为张拉力控制提供可靠依据。在传感器安装过程中，严格按照安装规范进行操作，并进行多次校准和调试，确保传感器安装位置准确、连接牢固、测量数据可靠。

参考文献：

[1]许强,郭成超,张广泰,等.预应力智能张拉系统在桥梁施工中的应用[J].交通世界,2023(08):104-106.

[2]刘俊伟.桥梁预应力智能张拉施工控制技术探讨[J].工程建设与设计,2022(16):169-171.