1 引言
随着交通建设的不断发展，公路工程已步入预制拼装时代。张拉作业耗时长是影响小箱梁生产效率的一大因素。以下将从结构形式、施工便携、作业速率、原材损耗等方面对比前卡式千斤顶和穿心式千斤顶的差异，通过实际施工数据和工效，评估2种类型的设备在小箱梁张拉施工中的优势和不足，并通过优化措施提高施工效率，缩短工期，降低施工成本，为后续类似工程提供借鉴和参考。
2 工程概况
S3公路（周邓公路-G1503公路两港大道立交）新建工程全长26km，全线分为7个主体标段。S3-3标和S3-4标2个主体标的立柱、盖梁、小箱梁预制生产任务由中交三航局上海综合构件预制厂承担。本次预制工作涉及2000余片小箱梁，结构形式为单箱单室截面，梁高1.6m，匝道梁底宽1.2m，主线梁底宽1.5m，腹板端部板厚320mm，腹板中部板厚190mm，跨径22～31m不等，桥梁分为简支、简支转连续2种形式，简支端采用深埋锚工艺。预制阶段，小箱梁配置正弯矩钢束，钢束规格为Φs15.20-3孔～Φs15.20-7孔，采用圆形预应力管道。
本项目工期短，进度快，面对多型锚具的大体量小箱梁预制工作，提升张拉效率成为缩短生产周期的关键。为此在试生产阶段，将本项目拟采用的前卡式千斤顶与本市构件厂常用的穿心式千斤顶在结构、工效等方面进行了对比分析，为后续高效大规模生产打下基础。
3 预应力张拉施工
3.1 千斤顶结构对比
前卡式千斤顶与传统穿心式千斤顶的整体结构及工作原理类似，两者均通过千斤顶推动工具锚拉伸钢绞线，工作锚锁紧钢绞线确保预应力持久有效。传统的穿心式千斤顶在张拉过程中，工具锚位于张拉设备的尾部，如图1所示；前卡式千斤顶则与之相反，其工具锚位于千斤顶筒心内，整体处于靠前位置，张拉轴向长度更短，如图2所示。除千斤顶结构存在差异外，两者工具锚的形式也有所不同，穿心式千斤顶工具锚一般采用锚板+夹片形式，每次使用需人工组装，如图3所示；前卡式千斤顶则采用一体式自动工具锚，集成于千斤顶筒心内，无需频繁拆卸，如图4所示。就结构而言，一体式自动工具锚较传统工具锚具有操作便捷、施工高效、故障率低等优势。
图1 传统穿心式千斤顶结构示意图
图2 前卡式千斤顶结构示意图
图3 工具锚（锚板+夹片）
图4 一体式自动工具锚
使用前卡式千斤顶进行张拉作业，只需钢绞线穿入前卡式千斤顶内部的自动工具锚内，确保夹片正常，1min即可完成钢绞线单束的装顶过程，过程中工具夹片自动夹紧自动退锚，避免夹片没打紧出现滑丝，较为安全。张拉符合要求后回油泄压，待自动工具锚的夹片松开后即可将千斤顶及自动工具锚总成直接抽出，孔道的张拉施工完成。短时间内可完成不同孔位锚具更换，自动工具锚总成与千斤顶配套无需每次拆取和安装，张拉结束后检查自动工具锚及夹片完整性和脱落情况，如有故障则立即更换，检查完成后即可进行下一次张拉作业。
传统穿心式千斤顶由于未采用整体化的工具锚，在张拉前需单独安装夹片，效率较低，穿钢绞线单束耗时12min，安装及拆卸工具夹片均需人为手动操作并依次敲紧，若未打紧会出现滑丝，较为危险，且整体操作较为繁琐，不同规格工具锚更换时间长。
3.2 张拉设备选型
由S3公路的图纸设计说明可知，预应力钢绞线采用Φs15.20高强度低松弛钢绞线，fpk（标准强度）=1860MPa，Ep（弹模）=1.95×105MPa，钢绞线锚下张拉控制应力为ΔK=0.75fpk（标准强度）=1395MPa，锚圈口摩阻损失3%（一般规定不大于3%，也可根据《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T 3650-2020）附录G-9测得，本文取3%）。计算千斤顶张拉力P=0.75fpk（标准强度）×钢绞线截面积×（1+锚圈口摩阻损失率）=1395×140×(1+3%)=201.159kN/根。本项目锚具最多为7孔，因此需选用150t级以上千斤顶。
图5 不同底宽预制小箱梁张拉端工况图
S3公路预制小箱梁单孔正弯矩钢束最多为7束，箱梁腹板厚度为160+160=320mm，如图5所示，箱梁张拉施工需满足D/2≤160mm，即D≤320mm（D为千斤顶外径）。由于前卡式千斤顶相比传统穿心千斤顶的直径更大、结构复杂，市场上常规的200T-200型前卡式千斤顶（外形尺寸：φ350mm×430mm）无法满足施工要求。因此，预制厂和张拉系统制造厂家共同研发了一种适用于S3公路项目的轻量型的设备——180T-200型轻量智能液压千斤顶（外形尺寸：φ305mm×430mm），该型千斤顶采用了更高规格的材料以及更为先进的油路系统，如图6所示。
图6 180T-200型轻量智能液压千斤顶
图7 ZNB智能张拉系统
采用的ZNB智能张拉系统如图7所示，该系统在张拉过程中可以精准控制油压及千斤顶位移。
S3公路工程中的预制小箱梁厂内正弯矩采用的是两泵四顶对称张拉，施工时仅由现场作业人员调取该梁的型号及对应的预应力束号，同步控制2台泵站、张拉4个千斤顶，进行“一键张拉”。实现张拉、保压、卸荷、回程一系列动作的自动化完成，避免了人工操作的失误，同时每台设备均装有触摸屏，如若现场不满足电脑操作的工况，可在触摸屏上进行张拉操作，张拉完成后再通过U盘将数据拷回电脑进行整理储存，实时张拉数据和工况同步发送至预制构件厂智慧工地。
3.3 安装与施工
以底宽1500mm小箱梁为例，进行安装与施工的介绍。
1）钢绞线下料及穿束：在预应力施工过程中，采用新型一体化钢绞线穿束设备进行钢绞线精准下料、高效率穿束作业；
2）组装千斤顶：将千斤顶与对应经标定的油泵、压力表等配套设备组装，并与智能张拉系统主、副机连接，确保张拉系统油路形成回路；
3）安装工作锚具、工作夹片：根据张拉锚具孔数选择对应工作锚具并用夹片固定；
4）安装限位板：提前准备好对应型号的限位板，对准并安装，安装时应注意不同型号的锚具配套相对应的限位板，不可混用；
5）工具锚安装在千斤顶前端，在穿心套内通过转动与工作锚对位安装，拆换时仅需转动便可取出工具锚；
6）安装千斤顶：制作简易小龙门架，将千斤顶提升至张拉槽口，并进行对位安装。通过尺寸定制，千斤顶直径305mm，预留15mm空间，便于安装及快速对位，如图8所示。
图8 安装前卡式千斤顶
7）操作智能张拉系统通过液压油路对称同步推动张拉缸体，油缸顶出带动工具锚拉伸钢绞线完成张拉。钢绞线束采用两端对称张拉，张拉顺序为N1→N3→N2→N4号钢束，如图9所示，钢绞线束张拉采用应力与应变双控，智能张拉系统的设定为：0→初应力10%σcon→100%σcon（持荷5min后锚固），其中σcon为张拉控制应力。
图9 现浇箱梁钢绞线分布图
3.4 工效情况对比
在材料损耗方面，根据前卡式与传统穿心式千斤顶的结构对比可以看出，传统穿心式千斤顶在张拉作业中，由于工具锚与工作锚间存在较长距离，张拉完成后工作锚端存在较长钢绞线预留，多余的预应力钢绞线须割除，钢绞线损耗较大。通过多次试验得出的数据及实际施工张拉情况计算，使用传统穿心式千斤顶张拉，钢绞线需预留750～1050mm；采用前卡式千斤预留长度仅需250～550mm，节省钢绞线500mm，钢束规格以Φs15.20计算，1.1kg/m，每孔可节省0.55kg钢绞线。
在施工效率方面，本工程针对2种不同形式千斤顶在不同孔数锚具的钢绞线张拉的工作情况进行了工效统计，如表1所示。
表1 前卡式千斤顶与穿心式千斤顶施工工效对比
通过工效对比分析以及前卡式千斤顶的工作特点，对比如下：
1）前卡式千斤顶在张拉施工时采用“活塞静止、缸体活动”的方式，即活塞保持静止，油缸腔体注油后带动穿心缸套移动，工作锚锁定于缸套上在张拉过程中与缸套运动保持一致，工具锚在千斤顶筒芯前端，缩短了工作锚与工具锚之间的距离，加快了张拉作业的效率，提升了作业便携度；
2）前卡式千斤顶工具锚前置，在穿心套内可以随意转动，因此便于其与工作锚进行对位，有利于提升穿束速度。穿心式千斤顶外伸钢绞线较长，钢绞线需要逐一穿过工具锚的预留孔，因此当锚具孔数较少时，前卡式千斤施工便利，具有优势；
3）为了最大化前卡式千斤顶的经济效益，预留外伸钢绞线较短；因此工具锚安装时需同时对准完成穿束，因此随着锚具孔数增多，施工时间越长，当进行6孔及以上的张拉施工时，前卡式千斤顶优势已不明显；
4）由于前卡千斤顶所采用的自动锚无需每次人工安装夹片，虽省去了频繁拆卸流程，但是当夹片损坏需更换时易造成锁死，难以拆卸，增加了维修难度；
5）预制厂高峰期箱梁日产能要求为8片箱梁，非高峰期日产能为6片箱梁，考虑最多的锚具孔数4组7孔施工，一套设备至少需要120min完成一片箱梁的张拉，此时每日仅可完成5.5片箱梁的张拉，不满足生产需求。
4 优化施工
4.1 优化措施
综上所述，减少工具锚穿束难度、缩短耗材更换时间、简化设备操作流程是进一步提升工效、发挥前卡式千斤顶效益的重心，经过项目团队讨论研究，提出以下改进措施：
1）由于自动工具锚为一体化设计，夹片损坏后更换繁琐，因此向厂家订制高规格合金夹片以延长夹片更换周期，并在锚具夹片上预涂退锚润滑油，保证夹片出现损耗时不易抱死，易于拆卸，便于更换，缩短维保时间；
2）借鉴穿心式千斤顶的施工方法，为应对较多孔数（5孔以上）锚具施工，同一锚具对应每组钢绞线外伸长度错落布置（图10），使得工具锚安装时可以类似穿心式千斤顶逐根进行穿束，每断面仅需穿1-2孔钢绞线，可大幅提升穿束效率；
3）厂家张拉设备控制系统原先采用西门子操作系统，操作流程复杂，个别界面为全英文，增加了作业人员的操作难度，降低了张拉效率。为此中交三航局上海综合构建预制厂联合设备制造单位对张拉系统进行了全新开发，采用全中文操作系统并简化操作流程，同时与中国移动公司开发的城投智慧工地S3公路信息化管理平台，做到前场施工后台实时监控，张拉质量可追溯，如图11所示。
图10 钢绞线外伸长度错落布置图
图11 S3公路智慧工地信息化管理平台
4.2 优化效果
通过上述优化措施，切实有效提升了前卡式千斤顶的施工效率，较传统穿心式千斤顶已形成明显优势，优化后工效如表2所示。
表2 优化后前卡式千斤顶施工工效
本工程中最多孔数的箱梁为4组7孔，优化前张拉施工耗时112min，经上述优化后可在72min完成1片箱梁张拉，可将原先5片梁的日产能提升至8.5片，满足箱梁8片的高峰期需求，为S3公路新建工程顺利完成通车目标打下了坚实基础。
5 结语
前卡式千斤顶相较于穿心式千斤顶工作性能更为稳定，前置张拉系统可有效节省钢绞线，内嵌的一体化工具锚可极大减少锚具安装时间，但也存在结构复杂、体积过大等问题。在S3公路新建工程小箱梁张拉施工中，通过定制千斤顶尺寸克服了前卡式千斤顶体积大的问题，并采取改良工具锚、优化穿孔工艺等措施进一步缩短了张拉施工耗时，按时顺利完成了小箱梁预制任务。该工程中，新型前卡式千斤顶的成功应用，可为类似工程提供一定的参考。
摘自《上海隧道》