鐵路橋梁高強度螺栓施擰扭矩智能控制系統(tǒng)

趙欣欣， 潘永杰，劉曉光

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2. 高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081）

高強度螺栓（簡稱：高栓）延遲斷裂是鋼結(jié)構(gòu)普遍存在的問題。我國鐵路橋梁高栓材質(zhì)從40 B，發(fā)展至20 MnTiB和35 VB[1]，推廣使用至今，40多年工程實踐表明，通過制定完善的產(chǎn)品和施工標準，可以有效控制高栓延遲斷裂的概率，以滿足鐵路橋梁使用要求。近年來，受多種因素影響，鐵路橋梁高栓延遲斷裂時有發(fā)生[2-3]，雖然導(dǎo)致節(jié)點連接失效，進而引發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)破壞的概率極低，但是位于線路限界上方的平聯(lián)或橫聯(lián)的高栓斷裂脫落，可能會侵限，對此應(yīng)特別關(guān)注。高栓延遲斷裂的誘因總體可以分為內(nèi)因和外因兩類，內(nèi)因主要包括高栓材質(zhì)和制造缺陷，以及裝配誤差等，外因主要包括溫度、濕度、酸堿度等環(huán)境因素，以及軸力超限等。其中，施工扭矩是控制高栓軸力的關(guān)鍵因素。

根據(jù)鐵路鋼橋高栓連接施工規(guī)定，高栓安裝應(yīng)采用扭矩扳手控制施工扭矩，該方法技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛。目前，施工扭矩精確與否主要取決于施工工具和相關(guān)施工規(guī)程。在工具方面，鐵路橋梁高栓施擰技術(shù)的發(fā)展與電動扳手密不可分[4]，我國第1代電動扳手通過減速器將電機最大輸出扭矩放大，作為最終輸出扭矩，存在輸出扭矩不精確，不夠大等問題，不能很好滿足施擰要求。目前，我國大范圍使用的是第2代電動扳手，通過控制輸入電流強度來控制輸出扭矩，精度有所提高，但輸出扭矩不能預(yù)先設(shè)定，穩(wěn)定性有待加強。在施工規(guī)程方面，原鐵道部頒布的《鐵路鋼橋高強度螺栓連接施工規(guī)定》（TBJ214-92）等規(guī)范，既嚴格限定了扭矩系數(shù)的標準差，又詳細規(guī)定了高栓施工的步驟和要點，是高栓施工的重要依據(jù)。2013年前后，原標準廢止，修訂為《高速鐵路橋涵施工質(zhì)量驗收標準》，綜合規(guī)范規(guī)程里高強度螺栓相關(guān)條款。隨著智能鐵路[5-6]和施擰工具的發(fā)展[7-9]，原有規(guī)程的施工步驟可以進一步優(yōu)化。

針對高栓施工過程中，由于施擰扭矩不準確而導(dǎo)致的工作軸力超過或者低于設(shè)計值的問題，基于物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)鐵路橋梁高栓施擰扭矩智能控制系統(tǒng)，通過內(nèi)置扭矩傳感器模塊的新型電動扳手，以及包含基礎(chǔ)信息、施工計劃、質(zhì)量查詢、庫存管理等功能模塊的智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)高強度螺栓施擰精準控制，避免超擰或欠擰現(xiàn)象，進一步提高施工質(zhì)量和效率，降低高栓延遲斷裂發(fā)生概率。

1 智能控制系統(tǒng)基本原理

高栓通過軸力在橋梁連接面施加軸向壓力，與連接面的摩擦系數(shù)共同作用得到摩擦力，進而實現(xiàn)鐵路橋梁節(jié)點連接。如摩擦力不足，會引發(fā)節(jié)點連接失效。為獲得足夠摩擦力，在保證連接面摩擦系數(shù)的同時，每個高栓在施工時都要施加巨大軸力。以M30高栓為例，單根施擰需施加36 t設(shè)計軸力。如何準確控制軸力至關(guān)重要，如果軸力沒有達到設(shè)計值，摩擦力就會減弱，帶來安全隱患；如果軸力超過設(shè)計值，高栓工作應(yīng)力水平過高，延遲斷裂的概率會急劇增大。

鐵路橋梁高栓施工一般是通過控制施擰扭矩控制軸力，軸力為：

式（1）中，P為軸力，T為扭矩，k為扭矩系數(shù)，d為高栓直徑。

以M30高栓為例，標準規(guī)定d應(yīng)在30.84～29.16 mm之間，k應(yīng)在0.11～0.15之間。由式知，高栓在直徑d和扭矩系數(shù)k均滿足標準要求的前提下，軸力P取決于扭矩T。T為：

式（2）中，W為電動扳手功率，n為電動扳手正常工作時的轉(zhuǎn)速。功率W主要取決于電壓和電流，轉(zhuǎn)速n取決于頻率和磁極對數(shù)[10]。通過傳感器測得電壓、電流和頻率等，可得到施工扭矩T。

由式（1）、（2）知，影響高栓軸力的重要因素是施工扭矩，它通常由輸入電壓和電流等確定。鐵路橋梁高強度螺栓施擰扭矩智能控制系統(tǒng)通過定扭矩電動扳手，在套筒內(nèi)置扭矩傳感器，可以實時測得輸出施工扭矩，實現(xiàn)電壓和電流的雙向控制，從而使得電動扳手輸出的施工扭矩更加精確。

2 智能控制系統(tǒng)組成

鐵路橋梁高強度螺栓施擰扭矩智能控制系統(tǒng)由硬件定扭矩電動扳手和軟件數(shù)控系統(tǒng)兩部分組成，如圖1所示。

圖1 鐵路橋梁高強度螺栓施擰扭矩智能控制系統(tǒng)框架圖

2.1 定扭矩電動扳手

常見扭矩扳手是通過控制輸入電流和電壓，從而控制輸出扭矩。輸出扭矩不能提前設(shè)定，必須進行施工前標定。鐵路橋梁高強度螺栓施擰扭矩智能控制系統(tǒng)的定扭矩電動扳手在套筒內(nèi)置扭矩傳感器，通過微處理芯片和扭矩傳感器實現(xiàn)數(shù)字化控制。不僅輸出扭矩精度較高，還能設(shè)定、記錄和存儲輸出扭矩，省去以往電動扳手在使用前輸出扭矩標定和施擰后的扭矩檢查。扳手還內(nèi)置溫度和濕度傳感器，以及二維碼掃描裝置，既可以實時采集環(huán)境數(shù)據(jù)，還可以通過掃描二維碼讀取施工指令。定扭矩電動扳手通過網(wǎng)絡(luò)與數(shù)控系統(tǒng)通信。

2.2 數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)主要包括基礎(chǔ)信息、施工計劃、設(shè)備控制、質(zhì)量查詢、庫存管理和文檔管理模塊。數(shù)控系統(tǒng)可錄入高栓施工的人員、設(shè)備和采購等相關(guān)信息，根據(jù)項目進展制定施工計劃，并派發(fā)給施工人員。施工人員按照施工計劃，領(lǐng)取定扭矩電動扳手和高栓，進行安裝、初擰和終擰等施工。定扭矩電動扳手實時采集施擰扭矩和溫度濕度等數(shù)據(jù)，并傳輸回數(shù)控系統(tǒng)分類存儲，以供數(shù)據(jù)查詢分析。

數(shù)控系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)和掃描二維碼將人、機（電動扳手）、料、施工方法及環(huán)境關(guān)聯(lián)起來，在高栓施工的各個階段，對施工信息進行監(jiān)測、傳輸并存入服務(wù)器，實現(xiàn)多源信息之間的關(guān)聯(lián)，可查詢高栓群的安裝相關(guān)信息。管理人員可直接下達施工計劃指令，對施工扭矩精準控制，實現(xiàn)遠程集中監(jiān)測管理和查看，及時了解高栓施工狀態(tài)，并對施工質(zhì)量進行分析，從而保證高栓施工信息記錄的完整、有效，實現(xiàn)過程可控，質(zhì)量可追溯。

3 工程應(yīng)用

圖2所示為某雙線鐵路鋼管拱橋，位于高原溫帶季風半濕潤氣候地區(qū)，山高谷深，高海拔缺氧，施工和養(yǎng)護維修條件極其惡劣，為降低由于施工扭矩誤差引起的高栓延遲斷裂概率，采用鐵路橋梁高強度螺栓施擰扭矩智能控制系統(tǒng)進行大橋主拱腹桿高栓連接施工。施工前，對每個高栓具體施工信息及設(shè)備狀況進行統(tǒng)計，編寫上傳至數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。根據(jù)上傳的施工信息及項目進展情況，制定生成相應(yīng)施工計劃，由系統(tǒng)生成派工單，并通過基礎(chǔ)信息模塊打印二維碼操作證，分派給相關(guān)施工人員。施工過程中，施工人員通過定扭矩電動扳手掃描二維碼，讀取對應(yīng)的施工人員和計劃信息，按要求領(lǐng)取高栓和定扭矩電動扳手，進行施工準備。施工人員根據(jù)施工計劃中要求的定扭矩電動扳手進行施工，過程中的施工扭矩等相關(guān)信息數(shù)據(jù)通過定扭矩電動扳手自動采集，并傳輸至數(shù)控系統(tǒng)存儲。2017年8月～2018年4月期間，共獲取約2.7萬條有效施工數(shù)據(jù)。

圖2 某大橋工程應(yīng)用示意

3.1 施工扭矩分析

由9個月的高栓施工數(shù)據(jù)知，施工輸出扭矩與設(shè)定扭矩的偏差在±4%以內(nèi)。施工輸出扭矩與設(shè)定扭矩的比值平均值為0.996，標準差為0.015。按照數(shù)據(jù)采集時間，分別統(tǒng)計分析每個月施工輸出扭矩的均值和標準差，圖3為施工輸出扭矩均值與設(shè)定扭矩的比值和施工輸出扭矩的標準差。由圖3可知，不同月份施工輸出扭矩均值與設(shè)定扭矩的比值在0.986～1.014之間，標準差在 0.002～0.032之間。采用高栓施擰扭矩智能控制系統(tǒng)施工，能夠得到高精度，且穩(wěn)定的施工輸出扭矩。

圖3 施工輸出扭矩均值與設(shè)定扭矩比值、施工輸出扭矩標準差

3.2 扭矩系數(shù)分析

《鋼結(jié)構(gòu)用高強度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術(shù)條件》（GBT 1231-2006）規(guī)定[11]，連接副扭矩系數(shù)的檢驗批抽取8套，8套連接副的扭矩系數(shù)平均值為0.110～0.150，標準偏差不大于0.010。對高栓施擰扭矩智能控制系統(tǒng)存儲的9個月的扭矩系數(shù)數(shù)據(jù)進行分析，如表1所示。由表1可知，扭矩系數(shù)在0.120～0.140之間的頻率為90.34%，表明該工程采用高栓的扭矩系數(shù)不僅滿足規(guī)范要求，而且分布更加均勻。

表1 實測扭矩系數(shù)區(qū)間頻率分布

4 結(jié)束語

（1）鐵路橋梁高強度螺栓施擰扭矩智能控制系統(tǒng)由硬件定扭矩電動扳手和軟件數(shù)控系統(tǒng)組成，通過網(wǎng)絡(luò)、扭矩傳感器、二維碼識別和溫濕度傳感器等，將人、機、料、施工方法及環(huán)境關(guān)聯(lián)起來，完整、高效地記錄高栓施工信息?？蓪崟r掌握高栓施工狀態(tài)，并隨時統(tǒng)計分析施工質(zhì)量，降低因超擰引起的延遲斷裂發(fā)生概率。

（2）鐵路橋梁高強度螺栓施擰扭矩智能控制系統(tǒng)施工輸出扭矩與設(shè)定扭矩的偏差在±4%以內(nèi),施工輸出扭矩與設(shè)定扭矩的比值平均值為0.996，標準差為0.015。采用高栓施擰扭矩智能控制系統(tǒng)施工，能夠得到高精度，且穩(wěn)定的施工輸出扭矩，基本滿足工程使用要求。

工程應(yīng)用中也遇到了一些問題，比如，目前高栓區(qū)域編號劃分對應(yīng)的是二維設(shè)計圖紙，在編制施工計劃時很難關(guān)聯(lián)設(shè)計圖紙，無法直觀對應(yīng)高栓區(qū)域和施擰扭矩。后續(xù)研究將引入BIM技術(shù)，基于BIM模型將高栓區(qū)域與施擰扭矩關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)相關(guān)信息與三維模型的直觀對應(yīng)。