面向全生命周期管理的高強度螺栓施工管理系統

潘永杰

（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）

高強度螺栓連接強度高、施工方便，是鐵路鋼橋架設的主要連接方式之一。我國鐵路鋼橋高強度螺栓連接主要采用扭矩法施工，該方法技術成熟，應用廣泛。目前扭矩法施工以第2代定扭矩電動扳手為主，通過控制輸入電流強度來控制輸出扭矩。為保證螺栓施擰扭矩的準確，必須在操作前（班前）及操作后（班后）對扳手進行標定，終擰后規定時間內進行終擰扭矩檢查。TB 10415—2018《鐵路橋涵工程施工質量驗收標準》［1］規定施工單位應全部進行扭矩檢查，實際執行過程中按螺栓總數的100%進行終擰扭矩檢查［2］。高強度螺栓連接施工工序復雜，無法獲取螺栓施擰扭矩值，存在超欠擰情況。螺栓施工信息以紙質記錄為主，過程管控信息化程度低，不利于全過程的高效管理及追溯查詢，使得施擰關鍵信息無法傳遞至運營階段，給后期的養護帶來諸多不便。

伴隨信息化技術和施擰工具［3］的發展，中國鐵道科學研究院集團有限公司研發了鐵路橋梁高強度螺栓施擰扭矩智能控制系統［4］，又稱螺栓連接施工管理系統（以下簡稱管理系統），升級再造了現有施擰流程，不僅實現了螺栓施擰扭矩的精準控制和全過程的有效管控，而且實現了全生命周期管理成本效益的最優化。

1 高強度螺栓連接施工管理系統

1.1 系統組成及架構

管理系統由數控定扭矩電動扳手和應用系統2部分組成，具體模塊如圖1所示。

圖1 高強度螺栓連接施工管理系統組成

數控定扭矩電動扳手內置扭矩和角度傳感器、數據傳輸模塊和二維碼掃描模塊，其輸出扭矩穩定性好，精度較高。應用系統包括基礎信息管理、施工計劃管理、信息查詢、庫存管理、設備管理和文檔管理功能，涵蓋了施擰全工序、全要素管理，為工程部、試驗室和物資部間的信息高效傳遞和有機協作提供有利支撐。

管理系統支持B/S和安卓端M/S，其系統架構包括數據采集層、網絡傳輸層、數據中心層和業務應用層，如圖2所示。

螺栓現場施擰信息基于GPRS/4G技術實時上傳至管理系統，保證了信息的真實性和可靠性，提升了質量管控能力。

圖2 系統架構

1.2 管理系統功能及特點

1.2.1 管理系統功能

①對螺栓施工全過程和“人（施擰人員）、機（施擰工具）、料（螺栓）、法（施擰流程）、環（施擰環境）”全要素進行有效管控；②螺栓施工扭矩實時無線采集，并對超欠擰自動報警；③基于二維碼實現操作人員、施擰工具、施擰計劃的協同與關聯；④自動生成定制化的施工聯系單和記錄表；⑤使用壽命不小于30 000次正常施擰；⑥若橋位傳輸網絡信號差，未上傳數據將自動存儲，施擰完畢的當天手動一鍵補傳。

1.2.2 管理系統特點

①形成集實時性、全面性與真實性于一體的施工質量管控模式；②穩定性好，提高了扭矩控制精度；③通過二維碼方式關聯多項內容，基于派工單快捷調整施工設定扭矩，提高了施擰信息化和智能化水平；④施擰全過程信息的良好追溯性，多部門業務流程的有機協同性；⑤為高強度螺栓的全生命周期管理和信息無損流轉提供了條件。

2 螺栓施擰流程的再造升級

2.1 基于全要素的流程再造

2.1.1 人員

管理系統基于試驗室人員、現場技術人員、現場操作人員的身份、權限等信息生成員工個人二維碼。掃描二維碼成為施擰作業的前提工序，為施擰信息與責任人員的關聯追溯提供了基礎。

2.1.2 數控定扭矩扳手

首次取消了班前班后標定，改為班前點檢校準，達到了減員增效目的。管理系統對扳手出廠、維護與保養、型號編碼等基礎信息，領用歸還、施擰次數、施擰區域等使用信息進行有效記錄和管理；未經管理系統認證的扳手施擰數據無法上傳，確保施擰機具的數據安全性、使用穩定性和作業內容追溯。

2.1.3 高強度螺栓

首次將螺栓的入庫、領用及損耗有機融合到整個施擰流程：管理系統自動生成出入庫單、高強度螺栓領用單，實現了施擰計劃與螺栓批號、規格的關聯。當某規格螺栓庫存量少于50套時，系統將自動進行標識提醒。同時對螺栓試驗損耗、現場報廢及不合格情況進行記錄管理，為螺栓損耗率的統計控制提供了條件。

2.1.4 施擰作業

構建了新的施擰流程，首次工程化實現每一個螺栓與其對應施擰信息的一一關聯。根據螺栓規格劃分螺栓區域，并對螺栓施擰順序進行編號?；趧澐值穆菟▍^域制定施工計劃，自動同步試驗室確認的施工扭矩，生成以二維碼方式承載關鍵信息的派工單（圖3），直接應用在不同螺栓區域的施擰操作。當出現超擰等非正常情況時自動報警并停止工作，現場技術人員查明原因，妥善處理后方可繼續施擰。施擰作業流程如圖4所示。

圖3 管理系統生成的派工單示例

針對施擰扭矩不同的螺栓區域，通過掃描派工單的二維碼，管理系統自動更新施擰扭矩設定值，無需更換扳手即可直接進行后續操作。

2.1.5 環境

橋位現場放置溫濕度傳感器，設定2 h時間間隔持續上傳溫度和濕度信息，不僅為螺栓扭矩系數的調整提供依據［5］，而且豐富了螺栓現場施擰的采集信息，為高強度螺栓施擰記錄單內容的完整性提供了條件。

2.2 基于部門分工的管理升級

管理系統主要涉及項目部中的試驗室、工程部和物資部3個部門，各部門的任務分工基于系統進行了精準定位，形成了管理與作業的有機協同機制，升級了管理模式，如圖5所示。

表1 管理系統應用前后各項內容對比

試驗室對各批次螺栓施擰扭矩量值的確定和數控定扭矩扳手的穩定性負責，工程部確定螺栓區域，編制施擰順序，制訂施工計劃，對螺栓施擰的合規性負責，物資部對出入庫螺栓負責。各部門基于線上通知單進行流程協作，實現了各環節的信息化處理，減少了不必要的中間環節影響，權責明確、信息來源可溯實現了網絡跟蹤和協同管理，構建的數據中心為螺栓施擰流程的優化調整提供決策支持。

施擰扭矩的準確性、施擰信息的完整性大大減少了終擰扭矩檢查的必要性。目前實際操作層面暫按5%或3%［6］的比例檢查，相比現有規范要求，大大降低了檢查比例，減少了人力成本的投入。未來推廣中可再繼續減少檢查比例直至取消終擰扭矩檢查工序，終擰檢查側重在施工記錄的完整性、合理性方面，這是施擰流程的進一步升級。

2.3 應用效果分析

管理系統實現了螺栓施擰流程的升級再造：實時獲取、監控和查詢每一個螺栓的施擰扭矩，對螺栓施擰規格、現場溫濕度、施工人員、施擰時間等進行全面管理，提升了施工質量管控能力，降低了延遲斷裂的概率，為螺栓的全生命周期管理提供了基礎和可實施的途徑。

經過現場應用反饋，該系統與傳統施擰流程相比，其工效有較大提高，節約了人力資源，規范性大大提高。系統應用前后各項內容對比見表1。

管理系統應用效益可分為有形效益、準有形效益和無形效益。有形效益主要指減員增效，成本降低、效率提升，如表中的序號2，3和6；準有形效益主要指減少了人工錄入工作量，提高了施擰質量的穩定性，保證了施擰數據的真實性、可用性和追溯性，實現了設計、施工和運營全生命周期決策的反饋優化，如表中序號1，4，5，7，8和9；無形效益主要指施擰流程的升級重構，各部門之間的流程協同，施工風險的有效管控，這是整個管理系統應用的綜合體現。

3 螺栓連接全生命周期成本分析

3.1 螺栓連接全生命周期成本計算模型

結合螺栓連接全生命周期的不同階段［8］劃分，考慮有形效益，螺栓連接全生命周期成本的計算模型為

式中：CT，CD，CC，CO，CF分別為螺栓連接施工的總成本、設計成本、施工成本、運營成本和失效成本。失效成本為螺栓斷裂病害導致結構功能失效或結構失效的成本，即導致運營列車降速或者結構本身安全受到影響。此種情況不允許發生，該項假定為0。

螺栓的施工成本CC和運營成本CO計算式為

式中：CL，CB，CE分別為施工人員成本、螺栓材料本身成本及施工機具成本；ClabL，CteL，CinL分別為試驗室人員、工程技術及現場操作人員、檢查人員成本；CDBolt，CLBolt分別為基于實橋設計使用量的螺栓費用和過程損耗造成的螺栓費用；CI，CM，CR分別為運營期螺栓檢查費用、養護費用和修補費用；q為運營期螺栓缺失數；CR1為補擰單個螺栓發生的費用，不考慮折現率，根據調研可取0.5萬元/個。

3.2 運營期螺栓斷裂量分析

假定施工期螺栓出現超擰為事件T（特指施工原因），運營期螺栓斷裂為事件w，施工超擰和螺栓斷裂同時發生的概率P(w∩T)為

式中：P(w)為螺栓斷裂概率；P(T|w)為螺栓斷裂情況下施工超擰的概率，由于不能完全排除螺栓材質因素影響，則P(T|w)=0.5。因此，只要獲取螺栓斷裂概率P(w)，就能得到由于施工超擰和螺栓斷裂同時發生的概率。

文獻［9］調研了11座存在螺栓斷裂的鐵路鋼橋，僅有1座鋼橋螺栓斷裂比例接近1%，其余斷裂比例均較低。不考慮螺栓總量，其中螺栓斷裂小于10套的占比46%，大于10套的占比54%，取其中位數，即每座鋼橋運營期將斷裂10套螺栓，則施工超擰原因造成螺栓斷裂的有5套。

3.3 案例分析

某大橋共有21萬套螺栓，螺栓連接施工工期為10個月，技術人員月工資按1萬元計，現有2個對比工藝方案，方案1為采用現有施擰流程，結合現場經驗每1萬套螺栓采購1把定扭矩扳手，每把扳手成本設定為單位1；方案2為采用管理系統進行施擰，每3萬套螺栓采購1把數控定扭矩扳手，每把扳手折合成本為n。采用方案2后綜合減少1.5人工作量，其他施工成本2種方案假定一致。

1）施工期成本分析

2種方案的施工成本CC1，CC2分別為

當2種方案施工總成本相等時，可得n=7.2，即當管理系統折合到每把扳手成本是原定扭矩扳手7.2倍時，在僅考慮有形效益條件下，2種方案的成本效益比一致。結合產生的無形效益或準有形效益，管理系統的投入產出比合理。

2）運營期成本分析

螺栓超擰造成的延遲斷裂一般發生在橋梁服役早期，施工原因造成5套螺栓斷裂，假定發生在橋梁投入運營前3年。由于采用了該管理系統，5套螺栓斷裂事件可避免。假定大橋承載4線鐵路，跨度為1 000 m，按每百橋隧換算米0.05人配置檢查人員，則需6人。由于螺栓施擰操作的重構，假定運營期可減少0.5人投入，檢查人員年成本按10萬元計，方案2相比方案1運營期減少的成本為

計算結果表明3年內可節約檢查和修復成本共計17.5萬元，即采用螺栓連接施工管理系統后，螺栓病害不是大橋運營關注的主要問題，則大橋螺栓檢查和維修成本皆可明顯節約。

結合施工期和運營期的成本分析可知，管理系統的應用實現了全生命周期管理的效益最優化，具有推廣價值。

4 結論

1）搭建了基于B/S，M/S的高強度螺栓連接施工信息管理系統，系統由數控定扭矩電動扳手和應用系統組成，不僅為螺栓連接施工管理信息化、智能化提供了基礎，也為螺栓連接的全生命周期管理提供了條件。

2）管理系統重構了螺栓施擰流程：減少班前班后標定，通過二維碼識別與無線傳輸技術實現高強度螺栓施工全過程和人（施擰人員）、機（施擰工具）、料（螺栓）、法（施擰流程）、環（施擰環境）全要素信息的采集、分析和可追溯；明確了各部門的權責和任務分工，實現了基于業務流程的有機協作，形成了集實時性、全面性與真實性于一體的螺栓施擰管理新模式。

3）螺栓連接全生命周期成本可分成設計成本、施工成本、運營成本和失效成本。施工成本包括施工人員成本、螺栓本身成本及施工機具成本，運營成本包括運營期螺栓檢查費用、養護費用和修補費用，并給出了施工原因引起運營期螺栓斷裂的計算公式。

4）管理系統實際應用中產生了顯著的有形效益、無形效益和準有形效益，實現了全生命周期成本效益最優化，具有推廣價值。