大跨懸索橋全覆蓋巡檢維養(yǎng)設(shè)備研究及布局分析

張萬(wàn)澤，張聰正，徐源慶*，徐 軍，張?zhí)?，吳玲正，吳明?/p>

（1.中交公路長(zhǎng)大橋建設(shè)國(guó)家工程研究中心有限公司，北京 100032；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京100088；3.廣東灣區(qū)交通建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510000；4.成都市新筑路橋機(jī)械股份有限公司，四川 成都611400）

近30 年來(lái)，我國(guó)在跨江跨海的超大跨度橋梁建設(shè)方面取得了快速的發(fā)展，逐漸開(kāi)始引領(lǐng)全球超大跨度橋梁設(shè)計(jì)建造的發(fā)展。2021 年開(kāi)工建設(shè)的獅子洋大橋，主跨為2 180 m，建成后將創(chuàng)造“主跨跨徑、車道數(shù)量、主塔塔高、錨碇基礎(chǔ)、主纜規(guī)模”5 項(xiàng)世界第一。我國(guó)已成為世界上跨徑超千米懸索橋最多的國(guó)家，懸索橋建設(shè)技術(shù)已步入了世界領(lǐng)先水平。然而國(guó)內(nèi)外許多橋梁建成后在較短的時(shí)間內(nèi)就不同程度地出現(xiàn)了病害，盡管病害是多種原因造成的，但是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的精心養(yǎng)護(hù)不到位無(wú)疑是重要原因之一[1]。

傳統(tǒng)的人工巡檢維養(yǎng)方法效率低、成本高、安全風(fēng)險(xiǎn)突出、主觀性強(qiáng)，巡檢作業(yè)不系統(tǒng)、巡檢記錄不完備，而且部分復(fù)雜結(jié)構(gòu)構(gòu)件部位難以到達(dá)，難以滿足超大跨徑橋梁智能化、全覆蓋的巡檢維養(yǎng)要求。部分學(xué)者和設(shè)計(jì)人員提出了提出了針對(duì)超大跨懸索橋的檢修設(shè)備及方法。何林桐[2]等以港珠澳大橋青州索塔橋?yàn)槔?，完成了大型索塔橋檢查車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。史衛(wèi)朝[3]設(shè)計(jì)了矮寨特大懸索橋的檢查車，結(jié)合吊欄式和桁架式兩種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，檢查車由作業(yè)吊欄、走行裝置、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、減速機(jī)構(gòu)等組成。常志軍[4]根據(jù)嘉紹大橋的鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將鋼箱梁左右幅分為四大檢修區(qū)域，各個(gè)檢修區(qū)域內(nèi)的檢查車通過(guò)變軌轉(zhuǎn)體實(shí)現(xiàn)過(guò)塔或墩以及檢修索塔X 托架盲區(qū)的功能。秦海偉[5]等研發(fā)一套軌道式攀爬機(jī)器人系統(tǒng)，并提出一種檢測(cè)圖像處理方法。

諸多學(xué)者針對(duì)國(guó)內(nèi)特大型橋梁巡檢維養(yǎng)設(shè)備進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究，但其研究范圍僅限于單個(gè)結(jié)構(gòu)的巡檢設(shè)備及其布局，未系統(tǒng)針對(duì)懸索橋所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行全覆蓋的巡檢維養(yǎng)設(shè)備研發(fā)和設(shè)施布局進(jìn)行分析研究。

有鑒于此，本文以以獅子洋大橋?yàn)楸尘?，提出檢養(yǎng)分離、輕量化、裝配化的設(shè)備研發(fā)思路，以期解決現(xiàn)有巡檢設(shè)備設(shè)施存在的痛點(diǎn)。

1 工程概況

獅子洋通道路線全長(zhǎng)約35 km，其中雙層橋長(zhǎng)約12.5 km，主橋采用主跨2 180 m 雙層鋼桁梁懸索橋，過(guò)江段為雙向16 車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)。獅子洋大橋總體布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 獅子洋大橋橋型布置圖(單位：cm)

2 超大跨度懸索橋巡檢維養(yǎng)需求分析

2.1 主塔

獅子洋大橋主塔采用鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)，塔頂布置鞍座并設(shè)置鞍罩。需巡查橋塔內(nèi)外表面有無(wú)裂紋、表面缺損情況、涂層剝落及橋塔是否有偏位等。

2.2 加勁梁

獅子洋主橋加勁梁采用雙層鋼桁梁，鋼梁維護(hù)保養(yǎng)的內(nèi)容包括焊縫缺陷、鋼梁防腐涂裝缺陷、栓接缺陷以及鋼梁表面的污染等。

2.3 錨碇

錨室內(nèi)通風(fēng)照明、恒溫恒濕維持設(shè)備等需日常巡檢檢查，保證其運(yùn)轉(zhuǎn)正常，需及時(shí)處理雨水滲漏積水。側(cè)錨室內(nèi)主纜與錨頭的連接狀態(tài)、錨桿、散索鞍有無(wú)銹蝕破損等需定期巡查養(yǎng)護(hù)。

2.4 主纜

主纜巡檢維養(yǎng)的重點(diǎn)是外包層破損，纜芯內(nèi)部是否有積水，膩?zhàn)痈?、硬、開(kāi)裂、脆化失效等。必要時(shí)需打開(kāi)防護(hù)層檢查主纜內(nèi)鋼絲銹蝕情況。

2.5 吊索

鎖夾滑移、鎖夾螺桿松動(dòng)、吊桿疲勞破壞是懸索橋的一大常見(jiàn)病害。定期檢查吊桿的防護(hù)層有無(wú)裂紋、破損、老化和積水，根據(jù)外觀檢查情況，適時(shí)抽檢吊索端部防水及橡膠老化情況并及時(shí)養(yǎng)護(hù)維修[6]。

3 巡檢維養(yǎng)盲區(qū)、難點(diǎn)分析

3.1 巡檢維養(yǎng)路徑不暢通

主橋位于海面航道之上，養(yǎng)護(hù)人員到達(dá)困難，梁底維養(yǎng)困難。橫向抗風(fēng)支座位于主梁和主塔接觸處，巡檢空間狹小。豎向支座位于牛腿和主梁之間，人員難以進(jìn)入。塔外由于景觀及安全需求，一般不設(shè)置固定設(shè)施，在主塔高度達(dá)330 m 時(shí)，人工巡檢維養(yǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)大。

3.2 巡檢維養(yǎng)操作難度大

主塔高度約350 m，塔底尺寸約為18×15 m，塔身巡檢面過(guò)大，全覆蓋難度極大。主梁為雙層鋼桁梁，采用上板下箱結(jié)構(gòu)，桿件種類多、結(jié)構(gòu)形式多樣，操作空間受限因素較多，巡檢難度大。主纜為柔性構(gòu)件，主纜坡度陡、風(fēng)荷載、車輛荷載作用下引起振動(dòng)，養(yǎng)護(hù)人員掛安全風(fēng)險(xiǎn)極高。吊索因工作空間受限，檢測(cè)及補(bǔ)張困難。

3.3 巡檢維養(yǎng)信息管理混亂

因巡檢維養(yǎng)人員素質(zhì)參差不齊，造成巡檢過(guò)程不系統(tǒng)、信息記錄不全面、巡檢結(jié)果主觀性強(qiáng)等問(wèn)題。同時(shí)在橋梁養(yǎng)護(hù)維修時(shí)，面臨施工質(zhì)量不可控、養(yǎng)護(hù)效果評(píng)估困難的問(wèn)題。

4 巡檢維養(yǎng)設(shè)備研究

綜合考慮覆蓋率、安全性、經(jīng)濟(jì)性、作業(yè)效率等因素，研發(fā)合理的結(jié)構(gòu)類型，對(duì)全橋巡檢維養(yǎng)作業(yè)至關(guān)重要。

4.1 主梁梁外巡檢維養(yǎng)設(shè)備

4.1.1 主梁載人維養(yǎng)設(shè)備

常規(guī)載人檢查車速度慢（Vmax=10 m/min），且行車不平順，車輛抖動(dòng)顯著。增設(shè)無(wú)人駕駛系統(tǒng)，巡檢維養(yǎng)作業(yè)人員利用無(wú)線控制裝置遙控檢查車行走，到達(dá)維養(yǎng)點(diǎn)時(shí)駐車，作業(yè)人員通過(guò)檢查車豎向通道下行至檢查車。行走速度和行走方式均實(shí)現(xiàn)無(wú)人控制[7]，有效降低檢修人員安全風(fēng)險(xiǎn)，提高檢修效率。梁底巡檢平臺(tái)布置方案如圖2-a。

圖2 主橋梁體巡檢維養(yǎng)設(shè)備

4.1.2 主梁無(wú)人巡檢機(jī)器人

無(wú)人巡檢機(jī)器人主要由工作平臺(tái)、車架、驅(qū)動(dòng)、控制系統(tǒng)、信號(hào)傳輸系統(tǒng)組成。無(wú)人巡檢機(jī)器人具備自動(dòng)運(yùn)行和人工遠(yuǎn)程操控運(yùn)行功能，與載人維養(yǎng)檢查車共用軌道，沿梁縱向運(yùn)行，并通過(guò)可橫移的多組攝像設(shè)備，采集橋梁信息并傳輸至總控平臺(tái)。梁底無(wú)人巡檢平臺(tái)如圖2-b。

4.2 主塔巡檢維養(yǎng)檢查設(shè)備

獅子洋大橋主塔采用鋼殼混凝土塔，根據(jù)塔柱截面結(jié)構(gòu)形式，塔柱外側(cè)采用機(jī)械臂架+吊船組合方式方案進(jìn)行檢養(yǎng)。塔柱內(nèi)側(cè)、橫梁底采用懸掛式軌道車+吊船組合方式進(jìn)行檢養(yǎng)。搭載遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和自適應(yīng)路徑規(guī)劃系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的人工遙控和預(yù)設(shè)程序控制，由手持遙控終端和機(jī)器人車載端組成[8]。主塔檢查車布局如圖3 所示。

圖3 主塔巡檢維養(yǎng)設(shè)備

4.3 主纜巡檢維養(yǎng)設(shè)備

4.3.1 主纜載人維養(yǎng)設(shè)備

主纜載人檢查車使用時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)裝配并掛載，根據(jù)機(jī)器人的巡檢結(jié)果完成對(duì)主纜的定點(diǎn)維養(yǎng)。為避免常規(guī)檢查車驅(qū)動(dòng)輪反壓于主纜表面而造成主纜損傷，將主纜檢查車驅(qū)動(dòng)輪掛載在扶手繩上，夾緊輪夾緊扶手繩，實(shí)現(xiàn)行走輪姿態(tài)糾正。兩側(cè)檢修平臺(tái)分別在上端與主車體鉸接，以便于運(yùn)輸、安裝、拆卸及維修。主纜檢查車布局如圖4-a。

圖4 主纜巡檢維養(yǎng)設(shè)備

4.3.2 主纜無(wú)人巡檢設(shè)備

主纜巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)構(gòu)件通過(guò)接頭實(shí)現(xiàn)裝配化、輕量化設(shè)計(jì)，以提升巡檢效率。機(jī)器人結(jié)構(gòu)搭載4 組攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)主纜360°的外觀巡檢記錄。搭載漏磁檢測(cè)設(shè)備，可對(duì)主纜內(nèi)部銹蝕或斷絲進(jìn)行探傷。主塔無(wú)人巡檢機(jī)器人布局如圖4-b 所示。

4.4 檢修爬梯通道

爬梯通道設(shè)置在錨碇內(nèi)外部、主塔內(nèi)壁、下塔柱、繞塔平臺(tái)、橫梁頂、塔頂、牛腿等處，實(shí)現(xiàn)橋梁各構(gòu)件的人工全覆蓋巡檢維養(yǎng)的可達(dá)可維。主梁內(nèi)設(shè)置共同溝，滿足電力、通信、給排水管線安裝需求的同時(shí)，具備檢修通道和景觀通道功能。檢修爬梯通道示意見(jiàn)圖5。

圖5 檢修通道設(shè)備

5 結(jié)論

（1） 國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)橋梁養(yǎng)護(hù)智能化、信息化的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了卓有成效的探索性研究，取得了可喜的研究成果。但距離完備的大跨度橋梁智能化、全覆蓋巡檢維養(yǎng)技術(shù)體系尚任重道遠(yuǎn)。

（2） 大多數(shù)得以應(yīng)用的橋梁巡檢維養(yǎng)設(shè)備（載人/無(wú)人）仍處于人工操作下的單機(jī)工作模式和半自動(dòng)化工作狀態(tài)，距離完全的智能化尚有較大差距。橋梁巡檢專用裝備、多源數(shù)據(jù)融合分析方法、機(jī)器人自主巡檢檢測(cè)、病害自動(dòng)分析決策等仍有諸多空白。

（3） 本文以獅子洋大橋重點(diǎn)構(gòu)件為研究對(duì)象，分析巡檢維養(yǎng)需求，通過(guò)將巡檢作業(yè)和維養(yǎng)作業(yè)分離，分別設(shè)置裝配化、輕量化的載人和無(wú)人設(shè)備，實(shí)現(xiàn)雙層大跨橋梁結(jié)構(gòu)全覆蓋的巡檢維養(yǎng)作業(yè)。研究結(jié)果能應(yīng)用于同類型雙層超大跨懸索橋的管養(yǎng)。