特大型纜索體系橋梁梁底檢查車檢測(cè)與評(píng)估方法

鄒建波 張嘯晨

(1.江蘇潤(rùn)揚(yáng)大橋發(fā)展有限責(zé)任公司 江蘇鎮(zhèn)江 212115； 2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 北京 100026)

0 引言

公路行業(yè)發(fā)展一般要經(jīng)歷“以建為主、建養(yǎng)并重、以養(yǎng)為主”三個(gè)階段，公路橋梁目前處于“建養(yǎng)并重”的階段[1]。橋梁服役過(guò)程中，基于施工初始缺陷、材料性能退化、極端荷載和偶發(fā)事件等內(nèi)外因作用，其性能退化情況需要進(jìn)行定期跟蹤觀測(cè)，必要時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和維修加固工程[2]。因此運(yùn)營(yíng)期內(nèi)通過(guò)合理設(shè)置檢修通道，可有效地保障橋梁的運(yùn)營(yíng)安全問(wèn)題。

1 研究背景

1.1 橋梁檢修通道設(shè)置情況

美國(guó)、日本、英國(guó)等國(guó)家在設(shè)計(jì)階段已考慮工程后期養(yǎng)護(hù)維修的需求，要求設(shè)計(jì)做到結(jié)構(gòu)易檢查、易養(yǎng)護(hù)[3-5]。國(guó)內(nèi)在大跨纜索體系橋梁建設(shè)過(guò)程中，為方便后期的檢查、維養(yǎng)工作，都配備了專門(mén)的巡檢通道，如蘇通大橋、南京三橋、港珠澳工程等。隨著“三特”橋梁，尤其是特大型纜索體系橋梁管養(yǎng)需求的日益提升，對(duì)檢修通道的可及性和可操作性提出了更高的要求。該類橋梁跨度大、凈空高，跨越大江、海面、峽谷等特殊地形或交通要道，梁底檢修無(wú)法直接采用支架、登高車等傳統(tǒng)方法。經(jīng)過(guò)調(diào)研，多數(shù)橋梁在建設(shè)期配備或在運(yùn)營(yíng)期加設(shè)了梁底檢修車，以滿足主梁外表面的檢修需求。

1.2 梁底檢查車研究現(xiàn)狀

橋梁檢查車最早出現(xiàn)在歐美國(guó)家，以車載式檢查車的形式存在，用于橋梁流動(dòng)檢測(cè)或維修作業(yè)。梁底檢查車是指在梁底沿軌道行走，用于對(duì)橋梁進(jìn)行檢查、維修和養(yǎng)護(hù)工作的專用設(shè)備。梁底檢查車在日本彩虹橋、明石海峽大橋等大橋也有所應(yīng)用，主要設(shè)置為單跨、單聯(lián)。國(guó)內(nèi)對(duì)梁底檢查車的研究與大跨纜索橋梁的建設(shè)同步進(jìn)行，已形成了系統(tǒng)的檢查車技術(shù)指南。

目前主流的梁底檢查車分類有：按檢查車行走軌道設(shè)計(jì)方式分類，分為固定軌道和移動(dòng)軌道，其中固定軌道分為懸掛式和門(mén)架式；按作業(yè)人員行走位置分為上承式和下承式；按檢查車過(guò)墩方式分為單跨、兩端縮回過(guò)墩、回轉(zhuǎn)過(guò)墩和分離旋轉(zhuǎn)過(guò)墩。針對(duì)斜拉橋、懸索橋等纜索體系橋梁梁底檢查車，其常用形式為固定軌道的單跨檢查車，設(shè)置方式為門(mén)架式和懸掛式。

在現(xiàn)有的檢查中發(fā)現(xiàn)，梁底檢查車普遍存在使用頻次低、操作復(fù)雜、功能受限或缺失等情況，而目前除《公路橋梁梁底檢查車技術(shù)指南》內(nèi)對(duì)梁底檢查車檢查頻率進(jìn)行規(guī)定外，未形成系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)定等級(jí)。故本文結(jié)合江蘇省某跨江大橋梁底檢查車檢查評(píng)定工作，提出一種梁底檢查車檢查評(píng)定方法。

2 梁底檢查車檢查重點(diǎn)

2.1 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

該橋是由單跨雙鉸簡(jiǎn)支懸索橋和雙塔雙索面斜拉橋構(gòu)成的組合型橋梁。懸索橋與斜拉橋主梁均為正交異性板鋼箱梁。懸索橋在主跨設(shè)置2臺(tái)檢查車，軌道沿順橋向布置于箱梁橫斷面端部風(fēng)嘴位置，行走輪直接壓在軌道上方，驅(qū)動(dòng)箱前段設(shè)置導(dǎo)向輪進(jìn)行導(dǎo)向，檢查車采用發(fā)電機(jī)供電驅(qū)動(dòng)兩側(cè)共4臺(tái)電機(jī)帶動(dòng)檢查車沿順橋向方向行駛。主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：設(shè)計(jì)荷載包括均布荷載4.7 kN/m，集中活載4.5 kN，固定荷載4.5 kN，工作速度V=9.55 m/min。斜拉橋檢查車分左右幅布置，中跨上下游側(cè)各2臺(tái)，邊跨上下游側(cè)各2臺(tái)，全橋共8臺(tái)，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：設(shè)計(jì)荷載包括均布活載1.0 kN/m，集中活載10 kN。

2.2 橋梁檢查車改造情況

對(duì)懸索橋檢查車供電系統(tǒng)改造，原設(shè)計(jì)在箱梁底部安裝3條滑接輸電裝置以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)饋電。因環(huán)境灰塵導(dǎo)電、安全運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)等因素影響，導(dǎo)致檢查車無(wú)法運(yùn)行，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行改造，采用發(fā)電機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行供電。

斜拉橋檢查車原始結(jié)構(gòu)為橫橋向分離式，現(xiàn)場(chǎng)左右幅檢查車在箱梁中線位置利用型鋼焊接為一體，單臺(tái)檢查車共計(jì)4條軌道、8套驅(qū)動(dòng)箱，檢查車采用人力驅(qū)動(dòng)沿順橋向方向移動(dòng)，對(duì)箱梁底面進(jìn)行全斷面檢修覆蓋。表1給出檢查車的類型及停靠位置。

表1 檢查車編號(hào)及現(xiàn)場(chǎng)布置

2.3 檢測(cè)方法

根據(jù)梁底檢查車結(jié)構(gòu)組成，檢查內(nèi)容主要分為軌道系統(tǒng)、桁架系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和輔助設(shè)施。主要檢測(cè)方法及內(nèi)容如表2所示。

表2 某橋梁底檢查車主要檢查內(nèi)容

3 評(píng)估方法

3.1 檢查車功能對(duì)比

目前隨著大跨纜索體系的新建和發(fā)展，梁底檢查車的配置也相應(yīng)進(jìn)行了更新。結(jié)合嘉紹大橋、港珠澳大橋、南京二橋等項(xiàng)目檢查車主流配置，對(duì)該梁底檢查車目前具備的功能進(jìn)行對(duì)比、分析，為后續(xù)檢查車的升級(jí)改造工作提供建議，具體推薦配置如表3所示。

表3 檢查車推薦配置情況

3.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣

風(fēng)險(xiǎn)源于客觀世界的不確定性和人的主觀有限性，它是客觀存在的。在工程領(lǐng)域，工程風(fēng)險(xiǎn)可以定義為“一項(xiàng)工程在設(shè)計(jì)、施工及移交運(yùn)營(yíng)各個(gè)階段，造成實(shí)際結(jié)果與預(yù)期目標(biāo)的差異性，以及這種差異發(fā)生的概率和所造成的損失”。

結(jié)合施工工程的風(fēng)險(xiǎn)事故概率和損失(人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失、工期延誤、環(huán)境破壞)的等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，得到針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事故的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)。借鑒施工工程的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分，本文提出基于梁底檢查車工作特點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣。

基于工程風(fēng)險(xiǎn)矩陣及風(fēng)險(xiǎn)水平接受準(zhǔn)則，結(jié)合梁底檢查車結(jié)構(gòu)及功能特點(diǎn)，本文從人身安全、設(shè)備安全、檢修效率(使用功能)三方面綜合考慮，形成梁底檢查車評(píng)估矩陣，見(jiàn)表4。

表4 梁底檢查車風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定矩陣

維修建議：I級(jí)不定期檢修；II級(jí)定期檢修；III級(jí)立即修復(fù)。

同時(shí)結(jié)合第2.3節(jié)的檢測(cè)內(nèi)容，給出該橋懸索橋和斜拉橋梁底檢查車的評(píng)定等級(jí)，見(jiàn)表5和表6。

表5 懸索橋梁底檢查車風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定

表6 斜拉橋梁底檢查車風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定

3.3 梁底檢查車可靠度分析

結(jié)合前述風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定矩陣與梁底檢查車構(gòu)造特點(diǎn)與工作性質(zhì)，對(duì)人身安全造成影響的主要成因可以分為人為失誤、設(shè)備故障和不可控因素。

其中，人為失誤的主體為人，可以通過(guò)編制規(guī)范的操作指南、進(jìn)行有效的崗前(班前)培訓(xùn)來(lái)進(jìn)行規(guī)避。而設(shè)備故障既是影響人身安全的主要成因之一，同時(shí)又是評(píng)定設(shè)備安全的關(guān)鍵指標(biāo)。在檢查車設(shè)備已出現(xiàn)故障的情況下，其是否會(huì)對(duì)檢修人員人身安全造成影響在一定條件下可以進(jìn)行直觀地判斷，故梁底檢查車風(fēng)險(xiǎn)評(píng)定等級(jí)關(guān)鍵指標(biāo)在于設(shè)備安全。

梁底檢查車可以定義為機(jī)械產(chǎn)品，其可靠性定義為在規(guī)定的使用條件和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，機(jī)械產(chǎn)品完成規(guī)定功能的能力[6]。結(jié)合梁底檢查車部件組成情況，形成整機(jī)(即梁底檢查車)和零部件的可靠性度量，其度量參數(shù)用可靠度進(jìn)行定義。

定義可靠度為R(t)，失效率為λ(t)，其中t為使用時(shí)間。

根據(jù)失效率曲線(圖1)，機(jī)械產(chǎn)品在磨合期與有效壽命末期，失效率顯著高于有效壽命內(nèi)其他時(shí)期。故針對(duì)已投入使用的產(chǎn)品，對(duì)其使用壽命進(jìn)行有效評(píng)估，控制所有零部件在偶然失效期內(nèi)，可有效降低產(chǎn)品失效率。

圖1 失效率曲線

3.4 可靠度指標(biāo)分析

結(jié)合圖1中失效率與壽命的相關(guān)性，根據(jù)可靠度給出產(chǎn)品的可靠壽命，為梁底檢查車的檢查和維養(yǎng)工作提供指導(dǎo)性數(shù)據(jù)。

機(jī)械產(chǎn)品可靠度影響因素眾多，與載荷、環(huán)境、失效機(jī)理等均密切相關(guān)。其失效影響直接決定可靠度取值(表7)。針對(duì)引起不同后果的零部件和系統(tǒng)，應(yīng)結(jié)合其設(shè)計(jì)壽命選用不同的可靠度；關(guān)鍵部件應(yīng)選取高可靠度。

表7 可靠度取值依據(jù)

其中，梁底檢查車零部件包括專用件和標(biāo)準(zhǔn)件因使用環(huán)境不同其失效率非固定值，故基于梁底檢查車的建議使用壽命，采用等壽命設(shè)計(jì)方法，指導(dǎo)零部件關(guān)注指標(biāo)和更換時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合江蘇某跨江大橋?qū)嶋H情況，對(duì)梁底檢查車檢查要點(diǎn)進(jìn)行分析，提出了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)定矩陣，并對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)提出處置原則；同時(shí)針對(duì)設(shè)備安全這一關(guān)鍵評(píng)價(jià)目標(biāo)，引入可靠性指標(biāo)，以失效率曲線內(nèi)失效率迅速增長(zhǎng)的使用時(shí)間作為控制指標(biāo)，形成檢查車的組成部件及零部件進(jìn)行維修和更換的觸發(fā)條件。

后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)展梁底檢查車部件拆解工作，形成梁底檢查車組成部件數(shù)據(jù)庫(kù)；對(duì)專用件和標(biāo)準(zhǔn)件的可靠性和設(shè)計(jì)壽命進(jìn)行合理化取值；建立各使用階段關(guān)鍵零部件選擇機(jī)制。