架橋機的風險防范及檢驗技術研究

池永兵

北京市特種設備檢驗檢測研究院 北京 100029

0 引言

隨著我國“一帶一路”倡議的實施及國內經濟建設的需要，高速鐵路和公路迅速發展，橋梁施工越來越多，橋梁建設不再依山傍水。架橋機作為橋梁施工的重載特種設備，極大提高了整體施工進度和勞動生產率，對減少施工難度、提高施工質量等具有重要的作用，已經成為橋梁工程中不可或缺的關鍵性設備。

20 世紀50 年代末期，架橋機首先在德國得到應用與發展，國內最初是通過引進國外架橋機架設橋梁。1996 年國內企業研究生產出大噸位架橋機，2003 年開始采用輪軌式架橋機架設高速鐵路客運專線。經濟高速發展促進了架橋機的飛躍式發展，設計人員不斷研制出多種型號的高性能架橋機，目前，國內架橋機主要包括適用于高速鐵路的900 噸級架橋機，如SLJ900/32 型（見圖1）；適用于城際鐵路單線550 噸級架橋機，以及廣泛使用公路鐵路兩用的320 噸級以下架橋機等多種類型，如JQ320-50 型（見圖2），目前已研發制造出1 000 噸級大跨徑大噸位運架一體架橋機。

1 架橋機現狀分析

架橋機在國內設計、制造、使用起步較晚，最初的制造和使用依據鐵道部行業標準，作為公路施工機械管理。依據《特種設備安全監察條例》的規定，2004年《特種設備目錄》把架橋機作為橋式起重機的一個品種列入了特種設備，2014 年進行修訂時將架橋機列入門式起重機。現行架橋機的國家標準有GB 26469—2011《架橋機安全規程》，GB/T 26470—2011《架橋機通用技術條件》。2 個標準于2012 年發布實施，涵蓋了架橋機的設計、制造、安裝、使用、維護、報廢、檢驗等方面的基本要求，適用于所有架橋機[1]，一直未更新。目前廣泛用于公路架橋施工的200 t 以下的小噸位架橋機，制造難度低，產品質量參差不齊，很多老舊架橋機帶病作業情況突出，退出機制缺乏政策支持，安全隱患較大。

2018 年～2022 年全國起重機械基本情況及安全狀況如表1 所示，由此可見近年起重機械事故頻發，架橋機由于作業環境及作業環節的特殊性，極易造成重特大事故。2006 年8 月，武漢某架橋機由于支腿液壓油管破裂發生傾斜傾覆。2006 年10 月，廣水市某架橋機吊梁扁擔體焊縫斷裂導致架橋機側翻，造成重大的傷亡事故。2007 年1 月，某高速公路架橋機因軌道問題導致橋梁墜落。2008 年5 月，某高速公路運梁橫移時橫向軌道失衡致使架橋機傾斜、扭曲而報廢。2009 年9 月，某高速公路大橋架橋機發生事故，造成5 人死亡。2015 年4 月，某鐵路施工現場一臺架橋機吊運預制梁時發生坍塌傾覆，造成重大傷亡。2019 年7 月，某國道改擴建工程架橋機在吊裝過程中發生了解體傾覆、多人死傷的較大事故。

表1 2018 年～2022 年全國起重機械基本情況及安全狀況統計

架橋機造成的事故主要有整機失穩傾覆、擠壓碰撞、人員高處墜落、吊物墜落砸人等幾個主要類型，涉及到架橋機的各個環節。架橋機結構龐大，工作環境惡劣，施工流動性大，安裝拆除頻繁，施工單位不能嚴格按照相關標準規范施工，由此產生的安全隱患較多。一旦發生事故，嚴重影響橋梁架設及工程建設進度，造成機毀人亡的嚴重后果，如何保證架橋機安全運行是亟待解決的重要課題。從檢驗檢測的角度出發，對架橋機的各個環節進行研究，從架橋機本質安全的角度分析存在的問題，并提出防范措施和建議，意義重大。

2 架橋機的風險分析

2.1 設計制造環節

設計、制造環節主要問題是出廠技術文件缺乏相應規范的要求，主要體現在：1）產品質量證明書未按架橋機的參數特點提供，體現不出架橋機的特殊功能和要求以及相應的技術參數、零部件等信息；2）不能提供專屬吊具的合格證、探傷報告等詳細規格參數的質量證明文件；3）安裝及其使用維護保養說明書差別較大，簡繁不一，有的單位能詳盡說明安裝施工的操作，而有的單位不能針對架橋機特殊環境、特殊用途特殊環節進行安裝使用指導，施工單位無法按照說明書進行正確施工，尤其在拆裝過程，安裝人員一般憑經驗施工，發生風險的概率較大。

2.2 使用管理環節

2.2.1 主體責任界定

架橋機產權單位、安裝單位和使用單位在架橋全過程中主體責任不明確。通常使用單位租賃產權單位架橋機，由安裝單位完成安裝并經檢驗合格后交付使用單位，使用單位分包給架橋單位進行橋梁架設。許多架橋單位法律意識淡薄，并沒有特種設備安裝維修資質，借用或掛靠具有資質的起重機械安裝單位承攬安裝工作，弄虛作假應付監檢、監察。架橋機特殊性在于每次過孔過程都有安裝的環節，而進行架橋施工作業是否需要安裝資質沒有明確規定，架橋機安裝和架橋施工界限不清。架橋作業是否需要安裝資質要求值得商榷。

2.2.2 管理制度落實

TSG Q7016—2016《起重機械安裝改造重大修理監督檢驗規則》（以下簡稱監檢規）明確要求：結合施工過程的監檢，對安裝單位的質保體系運轉執行情況進行抽查[2]。安裝單位一是不能落實現場施工質量控制系統的責任人，保證特種作業人員持證上崗；二是體系運轉情況異常，沒有針對不同類別架橋機，從安裝、調式、運行、運輸、儲存等環節建立完善的管理制度，保證架橋機始終處于良好的技術狀況；并且不能落實注冊登記制度，施工告知制度，非法借用特種設備安裝資質。

2.3 安裝修理環節

2.3.1 設備基礎失效

設備基礎是設備安裝過程的最關鍵要素，地面基礎土質松軟沉陷、作業場所地面坡度過陡，很多倒塌事故均因支腿失穩或基礎失效而造成。基礎完好是實現架橋機整體功能的前提，是保證安全施工的最關鍵因素。架橋機允許按照一定的坡度架梁，調整橋機水平度靠支腿的高低進行，支腿支墊多使用鋼墩支座和硬木組合，材料和安裝固定沒有明確的標準要求。2015 年架橋機事故中，架設下坡梁時支腿無法調整水平，依靠加墊橡膠墊調整高度，但未采取固定措施，由于橡膠墊年久老化，破損變形產生滑移，導致事故發生。

2.3.2 金屬結構損壞

主梁、支腿等主要受力構件多是分段拼接而成，由于頻繁轉場拆卸，拼裝環節的條件差，節段梁隨意安裝和替代[3]，造成主梁的整體直線度與對中性不符合要求，最終影響主梁的承載能力。運輸或安裝過程中野蠻作業造成結構變形、焊縫撕裂等缺陷，引起局部失穩破壞，受力狀態發生變化。維護保養不到位，產生腐蝕銹蝕，強度減弱。

專用吊具、定位銷軸等是關鍵受力結構件，存在不同批次混用，長期重復使用等情況。無質量合格證明和探傷報告，不按規定檢驗檢測，不按時限報廢。

2.3.3 安全保護裝置失效

安全保護裝置是防止架橋機事故的必要措施。架橋機涉及到的安全保護裝置有制動器、起重量限制器、起升高度限位器、行程限位器、緩沖器和端部止擋、緊急停止開關、連鎖保護裝置、偏斜顯示裝置、軌道清掃器、抗風防滑裝置、風速儀、防護罩防護欄、防碰撞裝置及報警裝置等14 項。

1）制動器《架橋機安全規程》5.2.13 規定：起升機構的每一套獨立的驅動裝置至少應裝設一個支持制動器和安全制動器。安全制動器應裝設在起升機構的低速軸側。制動器失效因素很多，造成的危害較大。許多公路架橋機小車起升機構使用普通卷揚機，未配備安全制動器。一些架橋機雖配備安全制動器，但對安全制動器的控制達不到設計規范的要求，且起升機構未設置超速保護裝置，發生事故無法逆轉。

2）連鎖保護《架橋機安全規程》7.4 規定：①架橋機工作時只能進行一個動作，吊梁小車起升機構的升降、吊梁小車的縱向運行和橫向運行、架橋機橫向運行應相互聯鎖；②在過孔狀態下，不得進行有關架梁動作；架橋機架梁狀態各機構應與架橋機過孔作業機構聯鎖。現實情況一是電氣設計考慮不全，缺少對上述運行狀態的連鎖保護。二是由于架橋機運行速度較低，違規加裝遙控裝置，或是操作多個機構同時運行，尤其在設備空載狀態，形成事故隱患。

2.3.4 安全監控管理系統未配置或失效

GB/T 28264—2017《起重機械安全監控管理系統》規定：安全監控管理系統是對起重機械工作過程進行監控，并能夠對重要運行參數和安全狀態進行記錄并管理的系統[4]。系統主要由軟件和硬件組成，功能單元包括信息采集單元、信息處理單元、控制輸出單元、信息存儲單元、信息顯示單元、信息輸出接口單元等（見圖3），能實現安全保護，實時顯示，危險預警。但并不是一種獨立的產品，只是作為起重機電氣控制系統當中重要的組成部分。監檢規要求架橋機必須安裝該系統，由于架橋機現場組裝的特點，一些架橋機甚至在新安裝時仍未配備安全監控管理系統，多次轉場拆裝后監控系統的損失率很大，監控系統要求的精度和控制點不能符合標準的要求。

圖3 架橋機安全監控管理系統結構

3 架橋機風險防范

3.1 本質安全

《中華人民共和國特種設備安全法》的實施有效保證了特種設備安全管理的法律地位，促進地方不斷完善地方特種設備使用安全管理規范。使起重機能從根本上減少發生事故，或發生故障時能自動向安全狀態轉變，使各種危害因素減小或處于受控狀態，進而使架橋機趨近本質安全目標。本質安全管理是在本質安全理念和技術基礎之下的安全管理模式，強化預先防控，從設計初始要求設備和環境本身具有安全性，最終杜絕各種可能隱患和事故的發生。

本質安全設計首先要通過安全分析辨識出起重機運行過程中可能出現的危險源，然后選擇消除或控制危險源效果最好的技術方案。要結合作業環境，在保證功能的情況下，增加設備的檢測和控制以及故障問題報警的可靠性。同時還要滿足維護和修理的供應要求，為特種設備的安全和可靠做好安全的預前設計工作。

3.2 實時監管，全過程跟蹤

通過加裝安全監控系統可以實時監測現場數據，利用先進的傳感技術可對架橋機的關鍵部位進行實時監測，觀察受力情況，隨時發現超載超限風險，立即發出警報。有效防止施工作業發生破壞，及時發現問題進行處理。傳感技術為架橋機作業提供了更多的保障，提高了施工效率和質量。

通過安全監控管理系統實時采集起重量、起升高度、傾斜角度、現場風速等多項安全作業指標數據，同時采集起重量限制器及設備運行狀態信號，把全工作參數記錄分類存儲，通過GPRS 無線通信網絡實時傳回監控管理平臺，實現遠程實時監控如圖4 所示。

圖4 遠程全過程跟蹤

3.3 促進設計改進

檢驗工作和架橋機生產的全過程歷來是統一的，通過推廣檢驗工作在全過程中本質安全理念，促進設計生產更合理，減少錯誤，提高效率。在架橋機調整曲率施工過程中，原設計架橋機在起升小車調整角度時，小車結構需要落地調整，重新拆除螺栓，調整角度，重新拼裝，費時費工，且角度有限，如圖5a 所示。在實地檢驗過程中，提出由螺栓孔調節改為旋轉軸承調節，如圖5b 所示，并同樣改進主梁連接端梁結構，依靠電動機驅動直接調整主梁角度，大大提高工作效率，減少了安全隱患。

圖5 設計改進小車結構

3.4 科學依規進行安全評估

當架橋機使用接近設計壽命，架橋機的故障頻度增加，或架橋機的工作狀況明顯惡化時，應進行架橋機使用狀態的安全評估來監控架橋機的安全狀況[6]。另外，架橋機達到設計規定的架梁片數、轉場次數、使用年限都應進行安全評估。GB/T 41510—2022《起重機安全評估規范》規定，安全評估可以由安全評估機構通過安全技術檔案編制、審核、現場檢查、試驗和數據采集、剩余壽命理論估算等方法，對起重機械的結構、機構、液壓、電氣及其零部件等可能存在的安全隱患進行分析判斷,對起重機械的安全狀態做出綜合性評價[7]。

3.5 安全監控系統開發應用

充分利用安全監控管理系統的監測功能，開發設計新的監測數據，不增加成本的情況下獲得更多的狀態參數，有效避免可能存在的安全隱患。架橋機要求采集的監控信息包括起重量、起升高度、大小車行程、連鎖保護、風速、超速、制動器和過孔狀態等，對水平度和垂直度沒有強制要求，但并不代表二者可以忽略。

1）提高監控參數測量精度 位置信息是監控采集最多的信息，采用計程輪+編碼器能夠精確地測量和控制各個位置，計算距離和速度。由于頻繁轉場拆卸，起重機械大小車輪可能會產生滑移問題，增加了檢測設備檢測結果和實際測量距離的誤差，導致測量的精度不準確。采用行程開關和激光雷達融合的方式對小車行程進行校準，當激光雷達和編碼器測量的結果偏差較大時進行預警，通過固定位置的行程開關對編碼器行程進行檢查標定，提高監控參數測量精度。

2）增加監控裝置 公路架橋機由于加裝水平檢測裝置難度較大，監檢規對架橋機水平度監測要求是宜裝。實際使用中，架橋機2 根主梁存在單側主梁傾斜或2 梁不在同一水平面的可能，檢驗過程中建議加裝承載面水平面檢測裝置，不僅可以檢測每一側主梁的傾斜度，更能確保2 根主梁在同一水平面，真正起到水平度監測的作用[8]。實踐中可以增加多處水平監測裝置，判斷架橋機是否存在傾斜風險。

垂直度監測同理，架橋機支腿或支承發生傾斜均會引發安全隱患，每處支腿和支承均應安裝支腿垂直度監測裝置才能真正確保所有受力支腿和支承的垂直。實踐中通過增加監測支腿的水平傾角，調整支腿頂升的高度達到一致，架橋機整體平穩，避免由于支腿的傾斜而引發整機傾覆。

4 檢驗風險及防范研究

4.1 加強資料審核

技術資料審查是監檢項目的首項內容，是設備進行正確安裝使用的前提，雖然監檢規要求施工單位對起重機械的施工質量和提供的技術資料、施工工作見證的真實性負責，并經甲乙雙方確認簽字蓋章進行承諾。但并不能排除由于資料錯誤或缺失造成判斷上的失誤，是檢驗風險的第一關。在某架橋機傾覆事故中，施工單位惡意造假，偷刻施工資質單位的印章，編造虛假的產品出廠資料，嚴重違反了法律法規的規定，造成了極其嚴重的后果。檢驗人員因此承擔相應事故責任。

4.2 優化檢驗作業程序，檢驗工作前置

吊具、主梁連接銷軸、支腿支撐定位銷軸是關鍵受力結構件，不進行檢驗檢測，無質量合格證明和檢驗報告都是嚴重的安全隱患。GB 26469—2011《架橋機安全規程》規定，吊桿、吊桿螺母應有制造單位的合格證、探傷報告等技術證明文件，方可投入使用。否則應經檢驗，查明性能合格后方可使用。先行安裝造成既成事實是檢驗面臨的兩難節點。架橋機檢驗應對專用吊具、連接銷軸、定位銷軸的無損探傷等工作前置，設立監檢停止點，確保未經檢驗和檢驗不合格的零部件不得進入施工現場。要求使用單位提供零部件使用記錄，及時淘汰超期超次服役部件。

4.3 全站型電子測距儀代替經緯儀

如圖6 所示，使用全站型電子測距儀可以測量水平角、垂直角、距離、高差，功能強大。可以調整不同測量模式，可在一個或多個位置不間斷測量多個目標，多組數據。勞動強度低、效率高、數據準確可靠。尤其對架橋機這種危險性很高的區域，可在遠處測量主梁變形，規避了人員登高作業帶來的風險。

圖6 全站儀測量

4.4 量化金屬結構檢測

應力測試是研究結構強度、故障診斷的重要手段，金屬結構從出現故障到發生破壞很難在工作狀態下直觀檢查發現。檢驗前可提前選擇結構應力值較大且復雜的點，布置固定應變測試點也是檢驗前置的思路（見圖7）。施工過程中可隨時對金屬結構應力測試，把理論值與測試值比較和分析結果，從應力值異常來發現故障，排除隱患，驗證測試結果的可靠性，減少宏觀檢測的不確定性。

圖7 粘貼應變片

4.5 使用有限元技術判斷撓度

由于架橋機主梁在現場拼接，主梁長度較大，測量主梁上拱度及撓度是十分繁瑣的工作，現場環境復雜，工作難度大。利用現場預制橋梁進行額定載荷試驗，尤其是動載試驗和靜載試驗的工作十分困難。通過有限元計算分析，完成對主梁應力以及撓度變形的監測，撓度變形選用傾角傳感器監測傾角的變化，應力則選用應變儀來進行測量。在架梁工況下，小車起吊額定荷載到跨中，受正常工作狀態下的風荷載，考慮縱向水平慣性力。主梁下蓋板跨中部分以及與前、后支腿連接處的應力較大，主梁前端以及跨中位置撓度變形較大，故可以在這些位置安裝應變片以及傾角傳感器去實時采集數據保證符合監檢規撓度值的要求。主梁豎向變形如圖8 所示，主梁最大撓度為127 mm。應力分布如圖9 所示。

圖8 架梁工況主梁豎向變形

圖9 架梁工況主梁應力

在自重和跨中額定載荷時，監檢規主梁的豎向撓度不得超過L/400，L為主梁的跨度[10]。通過不同載荷組合計算主梁豎向變形，各個工況下主梁整體剛度驗算如表2 所示。在安全監控系統中設定各個工況的邊界值，一旦觸發便引起報警（見圖10），極大拓展了監控系統的使用功能。

表2 主梁剛度驗算

圖10 實時監控主梁應力及撓度

表2 中，工況1-1 為正常過孔狀態（2 輛空載小車），架橋機處于最大懸臂狀態；工況 1-2 為正常工作狀態下，架橋機過孔后直接吊梁，小車起吊額定荷載重物到跨中50%，考慮縱向水平慣性力；工況1-3 為正常工作狀態下，小車起吊額定荷載重物到邊梁處，橫向水平移動偏載80%；工況2-1 為正常過孔狀態（2 輛空載小車），架橋機處于最大懸臂狀態，受正常工作狀態下風荷載（不含吊運的物品上的風荷載PHWQ）；工況2-2 為正常工作狀態下，架橋機過孔后直接吊梁，小車起吊額定荷載重物到跨中，受正常工作狀態下風荷載，考慮縱向水平慣性力；工況2-3 為正常工作狀態下，小車起吊額定荷載重物到邊梁處，受正常工作狀態下風荷載，考慮橫向水平慣性力。

4.6 強化過程檢驗

起重機械的安裝監督檢驗是在施工單位自檢合格的基礎上，由檢驗機構對施工過程進行的強制性、驗證性檢驗。監檢規強調過程監檢，要求檢驗檢測機構設計完善的架橋機檢驗方案，科學設置監檢停止點，實現監檢全過程參與，保證架橋機在施工中始終處于正常運轉狀態。

5 結論

架橋機從設計制造、使用管理及安裝修理等全過程環節存在著安全風險，技術資料、質保體系不健全；主體責任不明確，金屬結構腐蝕變形損壞，安全保護裝置失效等風險因素。從本質安全的思路實時監管，全過程跟蹤，不斷提高設計改進，科學依規做好安全評估，利用安全監控管理系統開發更多使用功能。檢驗檢測機構通過檢驗手段前置，改變關鍵部件的檢測方法，增加結構應力測試，有限元技術預設變形邊界等技術應用，及時判斷風險，減少架橋機事故發生。