高速鐵路橋梁大直徑高強(qiáng)螺栓數(shù)控技術(shù)

曹會(huì)芹

(中鐵十七局集團(tuán)第三工程有限公司，河北 石家莊 050081)

0 引 言

近年來(lái)，交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展對(duì)行車的舒適性、平穩(wěn)性以及安全提出了更高的要求。鋼橋連接部位的質(zhì)量極大地制約了鋼橋本身的質(zhì)量和強(qiáng)度，其連接過(guò)程不易控制，從而成為鋼橋連接的薄弱環(huán)節(jié)。高強(qiáng)度螺栓以其承載能力高，受力性能好，施工時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度低、可有效改善勞動(dòng)條件，施工速度快、安裝簡(jiǎn)便、拆換靈活的突出優(yōu)點(diǎn)，在高速鐵路橋梁鋼梁連接中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

京沈客專的京津冀段東郊重載試車Ⅰ線大橋是為新建的京沈客專線試車工程試驗(yàn)以及列車行駛參數(shù)采集而設(shè)，其對(duì)行車平穩(wěn)性，對(duì)數(shù)據(jù)采集精準(zhǔn)度要求更高。本工程鋼板橋連接采用大直徑高強(qiáng)度螺栓，施工中探索性地引入了機(jī)床常用的定扭矩電動(dòng)扳手及信息管理系統(tǒng)，在現(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn)記錄和控制高強(qiáng)螺栓的施工扭矩，從而實(shí)現(xiàn)了施工擰緊過(guò)程的可視化、數(shù)字化精準(zhǔn)控制。本文系統(tǒng)總結(jié)了施工控制關(guān)鍵點(diǎn)，以期為高強(qiáng)螺栓的廣泛應(yīng)用提供可參考的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 工程概況

京沈客專京津冀段東郊重載試車Ⅰ線大橋橋梁長(zhǎng)413.77 m，主要是為新建的京沈客專試車工程試驗(yàn)以及列車行駛參數(shù)采集而設(shè)?？卓绮贾脼榛炷梁?jiǎn)支箱梁和鋼板梁相結(jié)合的形式，其中16 m跨為單線上承式簡(jiǎn)支明橋面鋼板梁。鋼梁為單箱單室箱型斷面，長(zhǎng)16.5 m，計(jì)算跨徑為15.7 m。明橋面鋼板梁重36.0 t。鋼梁下平聯(lián)、橫聯(lián)與主梁之間連接采用M36的大直徑耐候型高強(qiáng)螺栓，強(qiáng)度等級(jí)為10.9S。高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力施擰采用數(shù)控定扭矩電動(dòng)扳手及信息集成管理系統(tǒng)進(jìn)行控制。通過(guò)二維碼識(shí)別與無(wú)線傳輸技術(shù)對(duì)施工信息進(jìn)行采集、關(guān)聯(lián)與分析，實(shí)現(xiàn)操作人員、施擰工具及施擰任務(wù)3項(xiàng)信息的協(xié)同與關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)控制和資料同步傳輸，以精準(zhǔn)控制預(yù)拉力。

2 大直徑高強(qiáng)螺栓特點(diǎn)

高強(qiáng)螺栓的全稱叫高強(qiáng)度螺栓連接副，一般簡(jiǎn)稱為高強(qiáng)螺栓。根據(jù)受力狀態(tài)可將高強(qiáng)螺栓分為摩擦型和承壓型；按施工工藝的不同可劃分為扭剪型高強(qiáng)螺栓和大六角高強(qiáng)螺栓，如圖1所示。

圖1 大六角高強(qiáng)螺栓(左)和扭剪型高強(qiáng)螺栓(右)

東郊重載試車Ⅰ線大橋結(jié)合試驗(yàn)需要選用摩擦型大六角耐大氣腐蝕的耐候鋼高強(qiáng)螺栓。就其材質(zhì)而言，因在鋼材中添加了少量的銅、鎳等耐腐蝕元素，故這種螺栓的強(qiáng)韌、磨蝕及抗疲勞等性能都更優(yōu)；耐候性為普碳鋼的2～8倍，涂裝性為普碳鋼的1.5～10倍。同時(shí)，它還具有耐銹，使構(gòu)件抗腐蝕延壽、減薄降耗，省工節(jié)能等特點(diǎn)，可長(zhǎng)期暴露在大氣中使用。從受力狀態(tài)看，摩擦型高強(qiáng)螺栓的連接使板件整體受力，應(yīng)力傳遞比較均勻，以板層間出現(xiàn)滑動(dòng)作為承載能力極限狀態(tài)，具有承載能力高，受力性能好和施工方便等特點(diǎn)[1]；耐候鋼高強(qiáng)螺栓相對(duì)于普通鋼在大氣中具有更優(yōu)良的抗蝕性能，與采用涂裝防腐的鋼結(jié)構(gòu)相比，不但能夠減少環(huán)境污染，且后期維護(hù)費(fèi)用低，能夠取得較好的經(jīng)濟(jì)效益[2]。本工程采用的高強(qiáng)螺栓直徑為36 mm，是現(xiàn)行規(guī)范中直徑最大的高強(qiáng)螺栓，在連接施工中所需扭矩也比常規(guī)扭矩大。人工操作大直徑的扭矩扳手時(shí)很難持續(xù)穩(wěn)定施加扭矩，操作手勞動(dòng)強(qiáng)度太大，且難以達(dá)到平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)的效果，因此需要對(duì)螺栓連接過(guò)程進(jìn)行精準(zhǔn)控制，以達(dá)到連接的最佳狀態(tài)。

3 高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力影響因素

高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力與施工方法、施工工具及試驗(yàn)方法都會(huì)對(duì)施工質(zhì)量造成影響。

3.1 施工方法及工具

高強(qiáng)螺栓連接的施工方法主要包括扭矩法、加熱螺栓法、螺母轉(zhuǎn)角法和液壓張拉法等，其中扭矩法操作簡(jiǎn)便、成本低廉，是使用最多的施工方法[3]。

在實(shí)際使用中扭矩的施加和精準(zhǔn)控制非常關(guān)鍵，選用可進(jìn)行定值參數(shù)設(shè)置的電動(dòng)扳手，能在施工過(guò)程中通過(guò)采集滑移荷載，計(jì)算滑移系數(shù)獲取高強(qiáng)螺栓的精準(zhǔn)控制扭矩。數(shù)控定扭矩電動(dòng)扳手體積小、重量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、無(wú)振動(dòng)、無(wú)沖擊、噪音小、操作者勞動(dòng)強(qiáng)度低；且集合了扭矩傳感器技術(shù)、數(shù)控和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、工作參數(shù)輸入和顯示技術(shù)、二維碼掃描等先進(jìn)技術(shù)，相對(duì)具有更高地扭矩精度和穩(wěn)定性，更適合大直徑、工程量大、勞動(dòng)強(qiáng)度高和質(zhì)量控制嚴(yán)的大型鋼結(jié)構(gòu)工程。

3.2 試驗(yàn)方法

高強(qiáng)螺栓的試驗(yàn)主要是抗滑移系數(shù)檢驗(yàn)，需對(duì)連接副成套進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)先組裝連接，試驗(yàn)機(jī)應(yīng)標(biāo)定且誤差在1%以內(nèi)，試驗(yàn)用的貼有電阻片的高強(qiáng)度螺栓、壓力傳感器和電阻應(yīng)變儀也應(yīng)在試驗(yàn)前用試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，誤差在2%以內(nèi)。通過(guò)試驗(yàn)可以實(shí)測(cè)取得滑移荷載的數(shù)值，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算得到抗滑移系數(shù)，再對(duì)高強(qiáng)螺栓的連接緊固及抗滑移能力進(jìn)行檢驗(yàn)。

試件組裝順序：先將沖釘打入試件孔定位，然后逐個(gè)換成裝有壓力傳感器或貼有電阻片的高強(qiáng)度螺栓，或換成同批經(jīng)預(yù)拉力復(fù)驗(yàn)的扭剪型高強(qiáng)度螺栓。

試件組裝完成后在側(cè)面畫出觀察滑移的直線，試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)滑移情況進(jìn)行觀察和對(duì)比。將組裝好的試件置于拉力試驗(yàn)機(jī)上，試件的軸線應(yīng)與試驗(yàn)機(jī)夾具中心嚴(yán)格對(duì)中。

緊固高強(qiáng)度螺栓應(yīng)分初檸、復(fù)擰和終擰3個(gè)步驟，最終達(dá)到擰緊效果。初擰應(yīng)達(dá)到螺栓預(yù)拉力標(biāo)準(zhǔn)值的50%左右。終擰后，螺栓預(yù)拉力應(yīng)符合下列規(guī)定。

(1)裝有壓力傳感器或貼有電阻片的高強(qiáng)螺栓，采用電阻應(yīng)變儀實(shí)測(cè)控制試件每個(gè)螺栓的預(yù)拉力值在0.95～1.05P(P為高強(qiáng)度螺栓設(shè)計(jì)預(yù)拉力值)之間。

(2)不實(shí)測(cè)時(shí)，扭剪型高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力(緊固軸力)可按同批復(fù)驗(yàn)預(yù)拉力的平均值取用。

試驗(yàn)加荷載時(shí)，不可1次加載至設(shè)計(jì)值，應(yīng)分階段勻速加載。先加10%的抗滑移設(shè)計(jì)荷載值，停1 min以平穩(wěn)加載，加荷載的速度控制在3～5 kN·s-1。直拉至滑移破壞，測(cè)得滑移荷載 。

在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，所對(duì)應(yīng)的荷載可定為試件的滑移荷載：

(1)試驗(yàn)機(jī)發(fā)生回針現(xiàn)象;

(2)試件側(cè)面畫線發(fā)生錯(cuò)動(dòng);

(3)X-Y記錄儀上變形曲線發(fā)生突變;

(4)試件突然發(fā)生“嘣”的響聲。

抗滑移系數(shù)μ應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)所測(cè)得的滑移荷載和螺栓預(yù)拉力P的實(shí)測(cè)值，按下式計(jì)算，宜取小數(shù)點(diǎn)后二位有效數(shù)字。

4 數(shù)控施擰技術(shù)的應(yīng)用

高強(qiáng)螺栓的扭矩?cái)Q緊控制非常關(guān)鍵，擰不緊會(huì)導(dǎo)致螺栓的連接強(qiáng)度不足或容易松動(dòng)，施擰過(guò)緊易造成螺栓疲勞滑移破壞。在施加預(yù)拉力和扭矩時(shí)經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)，采用電動(dòng)扭矩扳手，預(yù)先設(shè)置參數(shù)，精準(zhǔn)控制高強(qiáng)螺栓的扭矩施加過(guò)程，達(dá)到了對(duì)施擰過(guò)程采取數(shù)字化可視化的精準(zhǔn)控制，可其發(fā)揮最大效用。

4.1 施工工藝流程

高強(qiáng)螺栓連接施工工藝流程如圖2所示。

圖2 高強(qiáng)螺栓連接施工工藝流程

4.2 施工參數(shù)設(shè)定

數(shù)控定扭矩電動(dòng)扳手，是按照預(yù)先設(shè)定的扭矩值進(jìn)行自動(dòng)施擰，通過(guò)設(shè)備操控面板直接進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。終擰扭矩根據(jù)現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范要求進(jìn)行計(jì)算，其中M36耐候螺栓扭矩系數(shù)K取0.116，設(shè)計(jì)預(yù)拉力、施工預(yù)拉力應(yīng)符合表1的規(guī)定。

表1 高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力10.9S

4.3 扭矩扳手標(biāo)定

數(shù)控定扭矩電動(dòng)扳手的標(biāo)定：依靠產(chǎn)品自帶配套檢測(cè)儀，可輕松完成標(biāo)定工作。檢測(cè)儀可同時(shí)測(cè)得電動(dòng)扳手施加在螺栓上的扭矩和軸力，分屏顯示，快捷高效，如圖3所示。比其他扭矩扳手在班前班后標(biāo)定工序上節(jié)約大量時(shí)間、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)省螺栓消耗，從而大大減輕了一線工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和施工成本。

圖3 數(shù)控定扭矩扳手標(biāo)定

4.4 數(shù)控施擰控制系統(tǒng)

東郊重載試車Ⅰ線大橋的高強(qiáng)螺栓擰緊過(guò)程采用數(shù)控定扭矩電動(dòng)扳手及信息集成系統(tǒng)進(jìn)行控制。系統(tǒng)包括數(shù)控定扭矩電動(dòng)扳手和信息化管理系統(tǒng)，通過(guò)二維碼識(shí)別與無(wú)線傳輸技術(shù)對(duì)施工過(guò)程信息進(jìn)行采集、關(guān)聯(lián)與分析，實(shí)現(xiàn)操作人員、施擰工具和施擰任務(wù)3項(xiàng)信息的協(xié)同與關(guān)聯(lián)，從施擰工具、操作人員、螺栓扭矩和文檔等多方面對(duì)螺栓施工過(guò)程進(jìn)行管控，可兼容 GPRS、WIFI等無(wú)線傳輸方式，可在施工現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不穩(wěn)定的情況下使用。

高強(qiáng)度螺栓管理系統(tǒng)由動(dòng)力及傳動(dòng)子系統(tǒng)、傳感子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)與輔助子系統(tǒng)組成。如圖4所示。

圖4 高強(qiáng)度螺栓連接施工質(zhì)量管理系統(tǒng)架構(gòu)

4.5 擰緊施工

高強(qiáng)度螺栓連接施工扭矩可根據(jù)設(shè)計(jì)值隨時(shí)設(shè)定，并且可實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度螺栓施工扭矩實(shí)時(shí)采集并自動(dòng)生成定制化的記錄表，現(xiàn)場(chǎng)信息通過(guò)掃描二維碼方式輸入，快捷方便、不易出錯(cuò)。扭矩法施擰步驟如圖5所示，為初擰、復(fù)擰和終擰。每次施擰后分別用不同顏色在螺母上標(biāo)記。擰緊順序應(yīng)從螺栓群中央向外擰緊和從節(jié)點(diǎn)中剛度大的部位向約束力小的方向進(jìn)行。

圖5 施擰步驟

4.6 緊固質(zhì)量檢驗(yàn)

按施工圖設(shè)計(jì)和現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范要求進(jìn)行檢驗(yàn)，先用小錘(約0.3 kg)敲擊法進(jìn)行普查，然后按10%節(jié)點(diǎn)數(shù)且不少于10個(gè)，10%螺栓數(shù)(被抽查節(jié)點(diǎn))且不少于2個(gè)螺栓，采用先松(60°)后緊法施加檢查扭矩進(jìn)行檢查。

5 結(jié) 語(yǔ)

高強(qiáng)度螺栓是鋼結(jié)構(gòu)橋梁的重要受力構(gòu)件，其產(chǎn)品性能與安裝質(zhì)量同等重要。實(shí)際施工中過(guò)程不易控制，安裝質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的情況時(shí)有發(fā)生，因此施工高強(qiáng)度螺栓的扭矩扳手盡可能采用性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠的產(chǎn)品，以提高施工質(zhì)量。本工程采用數(shù)控定扭矩電動(dòng)扳手并配合使用質(zhì)量信息管理系統(tǒng)，通過(guò)記錄和控制高強(qiáng)螺栓的施工扭矩從而達(dá)到對(duì)其精準(zhǔn)控制，可為后續(xù)類似工程提供參考。