一种钢结构桥梁螺栓施工质量管控及养护方法

技术领域

本发明涉及钢结构桥梁施工技术领域，尤其涉及一种钢结构桥梁螺栓施工质量管控及养护方法。

背景技术

一座钢结构桥梁高强螺栓有几十甚至上百万颗高强螺栓，钢结构桥梁的施工质量关系着整座桥梁的安全，《钢结构高强度螺栓连接技术规程(JGJ82-2011)规定高强螺栓终拧扭矩应按节点数抽查10％，且不应少于10个节点，但是该抽检方法存在以下两个缺点：

(1)抽检数量有限，只能体现一部分螺栓的质量；

(2)现有的松扣法终拧扭矩检查方法，对高强螺栓存在一定的损伤。

施工现场普遍使用电流控制扭矩扳手作为高强螺栓施拧工具，该种扳手无法记录输出扭矩和终拧转角。目前，智能定扭矩扳手可以记录终拧转角，加装数字化组件后，扳手重量变重，增加了工人的负担，且成本有所提高，记录的终拧转角与现场螺栓一一对应较为麻烦。一座桥梁的使用寿命在100年左右，高强螺栓后期的管养成本占全寿命周期成本很大的一部分，如果合理运用施工过程中记录的数据，对螺栓进行有针对性的管养及维护将有效降低这一成本。

随着信息化技术的发展，高强螺栓施工质量数字化管理已成为可能。经检索，申请公布号为CN111622108B公开了一种基于BIM的桥梁高强度螺栓施工方法，所述方法包括：将螺栓施工工点划分为若干个螺栓区域；每个工点包括多个施工部位，同一施工部位可划分多个螺栓区域；对不同螺栓区域的所有施拧螺栓按照施拧顺序规则进行编号；每个螺栓施拧值根据数控定扭矩智能扳手上传的时间顺序进行对应；利用校准后的数控定扭矩智能扳手完成所有螺栓的终拧施工；基于“螺栓区域+施拧顺序”的编号规则对螺栓区域的螺栓BIM模型进行命名，实现单个螺栓施拧扭矩值与对应螺栓BIM模型的关联。本发明的方法制定了螺栓区域施拧顺序编号规则，重新构建了桥梁高强度螺栓施拧流程，将每个螺栓施拧扭矩值与对应的螺栓BIM模型进行关联，简化了施工流程，减少了螺栓损耗。

然而，上述技术方案虽然能够实现桥梁高强螺栓施工质量的数字化管理，但是需要改造现有施拧设备，成本高，且需培训工人使用信息化设备，推广难度大。

目前的图像识别螺栓松动技术，多为角点识别或轮廓识别，应用于维护阶段，没有发掘出在螺栓施工阶段，高强螺栓从初拧到终拧阶段螺栓转角对于施工质量管控的重要价值，且尚未见在螺栓施工阶段，采用图像识别技术对全桥螺栓终拧转角数据进行数字化记录并用与提高施工质量的案例。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的技术缺陷和不足之处，本发明提出一种钢结构桥梁螺栓施工质量管控及养护方法，通过图像识别技术识别现场螺栓的终拧角度，确定高强螺栓终拧角度合理阈值，准确判断螺栓是否存在超拧与欠拧的现象，将螺栓终拧转角信息进行数字化记录，提高了螺栓施拧的整体质量。

技术方案：为了实现上述目的，本发明钢结构桥梁螺栓施工质量管控及养护方法包括以下步骤：

(1)在对螺栓初拧后，沿划线工装开槽处，在螺栓表面涂画一条延伸至安装端面的直线；

(2)对螺栓进行终拧作业，终拧作业完成后，对螺栓节点拍照，采用图像识别技术，识别螺母端面与安装端面的涂画直线，并计算直线夹角，得到终拧角度；

(3)按照桥梁上螺栓节点的分布规律，对螺栓节点及螺栓进行编号，并按照编号存储记录螺栓终拧角度及对应的施工信息；

(4)对桥梁上部分节点的螺栓终拧角度数据进行shapiro-wilk或kolmogorov-Smirnov正态检验，设定螺栓终拧转角平均值加上n个标准差或减去n个标准差为螺栓施拧合格的阈值；

(5)采用超声波法检测步骤(4)中判定为不合格的高强螺栓预拉力，对预拉力不合格的螺栓进行替换，若螺栓合格数大于期望值，将步骤(4)的阈值范围扩大，若螺栓合格数低于期望值，将步骤(4)的阈值范围缩小，直到达到期望值；

(6)对于桥梁上的其他螺栓节点，依据步骤(5)中确定的螺栓施拧合格的阈值，对超出阈值的螺栓节点进行替换或补拧处理；

(7)清除螺栓表面在步骤(1)画的直线，并对螺栓进行防腐涂装，待涂装完成后，再次在螺栓表面涂画一条延伸至安装端面的直线。

步骤(1)中的划线工装为与螺母形状相同的模具，模具上方有封盖，封盖开圆孔，模具封盖及侧边开槽用于螺栓划线，沿开槽两侧有侧边延伸至安装端面。

步骤(2)中采用的图像识别技术为，采用目标检测算法识别图像中的所有螺栓位置，采用图像形态学方法，对目标螺栓周围图像先进行腐蚀操作，再进行膨胀操作，使图像中划线部分轮廓清晰，采用霍夫变换提取螺栓及钢板上的划线轮廓，进一步提取出轮廓的中心线，将螺栓与钢板上涂画直线的中心线投影到同一平面。

步骤(2)中计算直线夹角的方法为，对霍夫变换得到的数据进行遍历，遍历得到螺栓划线上两点(x1,y1)、(x2,y2),安装端面划线上两点(x3,y3)、(x4，y4)，终拧转角θ按照下式计算：

步骤(3)3中对螺栓节点的编号方法为：首先将螺栓施工地点划分为若干个工段，其中每个工段由多个施工部位组成，最后对施工部位中的所有螺栓以从上至下、从左至右，以n行m列的形式，由(1,1)开始按照正整数规则对螺栓进行编号。

步骤(3)中对应的施工信息包括：施工日期、高强螺栓扭矩系数、高强螺栓施工时的温湿度。

本发明钢结构桥梁螺栓施工质量管控及养护方法，还包括以下步骤：

采用步骤(3)中图像识别技术定期检测钢结构桥梁上螺栓的松动情况，并记录螺栓松动角度，当出现多螺栓松动时，参照步骤(3)中所记录的终拧转角，并依据松动螺栓的终拧角度，修正步骤(3)中转角合理阈值。

修正步骤(3)中转角合理阈值时，重点对终拧转角在阈值外的螺栓进行管理养护以及复检。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明通过图像识别技术，识别现场螺栓的终拧角度，不需改造现有的高强螺栓施拧工具，也无需培训，成本小，便于实施。

(2)本发明通过统计学方法和超声测轴力的方法，确定高强螺栓终拧转角合理阈值，准确判断螺栓是否存在超拧与欠拧的现象，及时对出现问题的螺栓节点进行处理，提升螺栓施拧的整体质量。

(3)本发明通过将终拧转角数据及施工信息进行数字化记录，便于工作人员重点对终拧转角在阈值外的螺栓进行管理养护以及复检。同时数字化记录相较于传统的手动记录，数据更易保存与调用，减少了数据被篡改的可能性。

附图说明

图1为本发明钢结构桥梁螺栓施工质量管控及养护方法的流程图；

图2为本发明的划线工装立体图；

图3为本发明的划线工装底视图；

图4为本发明划线工装放置在待划线螺栓上的示意图；

图5为本发明螺栓初拧划线后的示意图；

图6为本发明螺栓终拧划线后的示意图；

图7为某节点螺栓编号的示意图；

图8为本发明的实施例中的终拧转角分布图；

图9为本发明的实施例的流程图；

图10为本发明的实施例中的终拧转角正态分布图；

图11为高强螺栓轴力值及终拧转角对照图。

具体实施方式

实施例1

在某新建钢桥进行了3000多高强螺栓连接副的施拧，螺栓施拧过程中采取以下步骤：

在螺栓施拧前制作一种与螺母形状相同的模具，模具的上方有封盖，封盖开有圆孔，模具封盖及侧边开槽用于螺栓划线，沿开槽两侧有侧边延伸至安装端面，其立体图如图2所示，其底视图如图3所示。

在某节点高强螺栓完成初拧后，使用记号笔沿划线工装开槽处，在螺栓表面涂画一条延伸至安装端面的直线，如图4所示。

初拧划线完成后，对该节点螺栓进行终拧作业。终拧作业完成后螺母发生转动，螺母上的划线与钢板表面的划线形成一个夹角，如图6所示。

该节点终拧作业完成后，采用目标检测算法识别图像中的所有螺栓位置，采用图像形态学方法，对目标螺栓周围图像先进行腐蚀操作，再进行膨胀操作，使图像中划线部分轮廓清晰，采用霍夫变换提取螺栓及钢板上的划线轮廓，进一步提取出轮廓的中心线，将螺栓与钢板上涂画直线的中心线投影到同一平面。

对霍夫变换得到的数据进行遍历，遍历得到螺栓划线上两点(x1,y1)、(x2,y2),安装端面划线上两点(x3,y3)、(x4，y4)，终拧转角θ按照下式计算：

按照钢结构桥梁上螺栓节点的分布规律，对螺栓节点进行编号，首先将螺栓施工地点划分为若干个工段，其中每个工段由多个施工部位组成，最后对施工部位中的所有螺栓以从上至下、从左至右，以n行m列的形式，由(1,1)开始按照正整数规则对螺栓进行编号，如图7所示。

螺栓编号完成后，将螺栓终拧转角数据与施工信息与螺栓编号进行关联，其中对应的施工信息包括：施工日期、高强螺栓扭矩系数、高强螺栓施工时的温湿度。

3000颗螺栓施拧完成后，通过上述方法记录的数据，如图8所示。

当高强螺栓采用扭矩法施工时，终拧角度受螺杆长度、温湿度、扭矩系数因素影响，难以一个较小范围的终拧转角判定高强螺栓施工质量。

参照图9，对螺栓的终拧转角数据进行处理。

对桥梁上部分节点的螺栓终拧角度数据进行shapiro-wilk检验后，螺栓终拧转角符合正态分布，并对其进行标准化处理，假设判定螺栓施拧合格的阈值为螺栓终拧转角平均值加上1个标准差或减去1个标准差，如图10所示。

将终拧转角数据与轴力测量值、现场的施工质量记录对比后发现，当终拧转角小于均值加1个标准差，95％以上的高强螺栓轴力、施拧过程符合规范要求，如图11所示。

通过查询标准正态分布表可知，任意一个数小于均值加标准差的概率为0.84，故该钢桥高强螺栓施拧质量整改之前的，施拧合格率已达到84％，若不合格部分整改时的施拧合格率也为84％，整改后钢桥整体高强螺栓施拧合格率达97.4％。

更深入研究发现，当螺栓终拧转角大于均值加标准差时，高强螺栓终拧扭矩一部分被螺杆或垫圈的转动所消耗，此时高强螺栓的预拉力值小于螺栓设计预拉力值，而这部分高强螺栓需要更换。

当螺栓终拧转角小于均值加标准差时，主要原因为螺栓初拧扭矩过大。本实施例中将均值加标准差作为高强螺栓施拧质量的转角控制值，随着样本量的积累，在标准差基础上进一步精确控制值范围。

清除螺栓表面涂画直线，并对螺栓进行防腐涂装，待涂装完成后，再次在螺栓表面涂画一条延伸至安装端面的直线。在桥梁后期运维管理阶段，采用上述的图像识别技术定期检测钢结构桥梁上螺栓的松动情况，并记录螺栓松动角度。

当出现较多螺栓松动时，调用施工阶段记录的终拧转角数据，并依据松动螺栓施工阶段的终拧转角数值，修正施工阶段确定的转角合理阈值，重点对施工阶段终拧转角在阈值外的螺栓进行复检及管理养护。

实施例2：

某钢桥在运营过程中，通过拍照采集螺栓图像，通过图像识别技术发现多颗螺栓螺母表面的划线出现错位现象，由此判定这几颗螺母出现松动现象，并记录松动角度和螺栓松动节点的编号。

依据松动节点的编号，调取了高强螺栓终拧完成后的图片或记录的终拧转角。根据记录的终拧转角发现5颗螺栓终拧角度在60°至70°范围内。

通过试验和有限元分析发现，终拧转角偏大时，螺栓施拧过程中，通常出现跟转的情况，导致螺栓预紧力不足，在剪切荷载作用下，高强螺栓螺纹产生塑性变形，接触面间的微动滑移不断累积引起螺栓松动。当松动达到临界值时，螺栓发生自松动。

调取同一批次螺栓节点终拧转角大于60°螺栓的位置，采用超声法重点抽查其螺栓预拉力是否满足要求，并对紧固扭矩不足的螺栓进行补拧或替换。

当螺栓出现较多断裂现象时，若是施工阶段超拧造成的，应调出记录的终拧转角数据，对于终拧转角在此范围内的节点内的其他螺栓进行缺陷检测或预紧力检测，对不符合要求的螺栓进行替换。