鐵路橋梁高強度螺栓施擰扭矩智能控制系統

趙欣欣， 潘永杰，劉曉光

（1. 中國鐵道科學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）延遲斷裂是鋼結構普遍存在的問題。我國鐵路橋梁高栓材質從40 B，發展至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生[2-3]，雖然導致節點連接失效，進而引發橋梁結構破壞的概率極低，但是位于線路限界上方的平聯或橫聯的高栓斷裂脫落，可能會侵限，對此應特別關注。高栓延遲斷裂的誘因總體可以分為內因和外因兩類，內因主要包括高栓材質和制造缺陷，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鍵因素。

根據鐵路鋼橋高栓連接施工規定，高栓安裝應采用扭矩扳手控制施工扭矩，該方法技術成熟，應用廣泛。目前，施工扭矩精確與否主要取決于施工工具和相關施工規程。在工具方面，鐵路橋梁高栓施擰技術的發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，但輸出扭矩不能預先設定，穩定性有待加強。在施工規程方面，原鐵道部頒布的《鐵路鋼橋高強度螺栓連接施工規定》（TBJ214-92）等規范，既嚴格限定了扭矩系數的標準差，又詳細規定了高栓施工的步驟和要點，是高栓施工的重要依據。2013年前后，原標準廢止，修訂為《高速鐵路橋涵施工質量驗收標準》，綜合規范規程里高強度螺栓相關條款。隨著智能鐵路[5-6]和施擰工具的發展[7-9]，原有規程的施工步驟可以進一步優化。

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

1 智能控制系統基本原理

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共同作用得到摩擦力，進而實現鐵路橋梁節點連接。如摩擦力不足，會引發節點連接失效。為獲得足夠摩擦力，在保證連接面摩擦系數的同時，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設計軸力。如何準確控制軸力至關重要，如果軸力沒有達到設計值，摩擦力就會減弱，帶來安全隱患；如果軸力超過設計值，高栓工作應力水平過高，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，d為高栓直徑。

以M30高栓為例，標準規定d應在30.84～29.16 mm之間，k應在0.11～0.15之間。由式知，高栓在直徑d和扭矩系數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速。功率W主要取決于電壓和電流，轉速n取決于頻率和磁極對數[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通過定扭矩電動扳手，在套筒內置扭矩傳感器，可以實時測得輸出施工扭矩，實現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 智能控制系統組成

鐵路橋梁高強度螺栓施擰扭矩智能控制系統由硬件定扭矩電動扳手和軟件數控系統兩部分組成，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的定扭矩電動扳手在套筒內置扭矩傳感器，通過微處理芯片和扭矩傳感器實現數字化控制。不僅輸出扭矩精度較高，還能設定、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，既可以實時采集環境數據，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絡與數控系統通信。

2.2 數控系統

數控系統主要包括基礎信息、施工計劃、設備控制、質量查詢、庫存管理和文檔管理模塊。數控系統可錄入高栓施工的人員、設備和采購等相關信息，根據項目進展制定施工計劃，并派發給施工人員。施工人員按照施工計劃，領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據，并傳輸回數控系統分類存儲，以供數據查詢分析。

數控系統通過網絡和掃描二維碼將人、機（電動扳手）、料、施工方法及環境關聯起來，在高栓施工的各個階段，對施工信息進行監測、傳輸并存入服務器，實現多源信息之間的關聯，可查詢高栓群的安裝相關信息。管理人員可直接下達施工計劃指令，對施工扭矩精準控制，實現遠程集中監測管理和查看，及時了解高栓施工狀態，并對施工質量進行分析，從而保證高栓施工信息記錄的完整、有效，實現過程可控，質量可追溯。

3 工程應用

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，山高谷深，高海拔缺氧，施工和養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備狀況進行統計，編寫上傳至數控系統的數據庫。根據上傳的施工信息及項目進展情況，制定生成相應施工計劃，由系統生成派工單，并通過基礎信息模塊打印二維碼操作證，分派給相關施工人員。施工過程中，施工人員通過定扭矩電動扳手掃描二維碼，讀取對應的施工人員和計劃信息，按要求領取高栓和定扭矩電動扳手，進行施工準備。施工人員根據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信息數據通過定扭矩電動扳手自動采集，并傳輸至數控系統存儲。2017年8月～2018年4月期間，共獲取約2.7萬條有效施工數據。

圖2 某大橋工程應用示意

3.1 施工扭矩分析

由9個月的高栓施工數據知，施工輸出扭矩與設定扭矩的偏差在±4%以內。施工輸出扭矩與設定扭矩的比值平均值為0.996，標準差為0.015。按照數據采集時間，分別統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施工，能夠得到高精度，且穩定的施工輸出扭矩。

圖3 施工輸出扭矩均值與設定扭矩比值、施工輸出扭矩標準差

3.2 扭矩系數分析

《鋼結構用高強度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術條件》（GBT 1231-2006）規定[11]，連接副扭矩系數的檢驗批抽取8套，8套連接副的扭矩系數平均值為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存儲的9個月的扭矩系數數據進行分析，如表1所示。由表1可知，扭矩系數在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不僅滿足規范要求，而且分布更加均勻。

表1 實測扭矩系數區間頻率分布

4 結束語

（1）鐵路橋梁高強度螺栓施擰扭矩智能控制系統由硬件定扭矩電動扳手和軟件數控系統組成，通過網絡、扭矩傳感器、二維碼識別和溫濕度傳感器等，將人、機、料、施工方法及環境關聯起來，完整、高效地記錄高栓施工信息。可實時掌握高栓施工狀態，并隨時統計分析施工質量，降低因超擰引起的延遲斷裂發生概率。

（2）鐵路橋梁高強度螺栓施擰扭矩智能控制系統施工輸出扭矩與設定扭矩的偏差在±4%以內,施工輸出扭矩與設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施工，能夠得到高精度，且穩定的施工輸出扭矩，基本滿足工程使用要求。

工程應用中也遇到了一些問題，比如，目前高栓區域編號劃分對應的是二維設計圖紙，在編制施工計劃時很難關聯設計圖紙，無法直觀對應高栓區域和施擰扭矩。后續研究將引入BIM技術，基于BIM模型將高栓區域與施擰扭矩關聯，實現相關信息與三維模型的直觀對應。