被動行走式主纜檢修平臺設(shè)計要點

何少陽

（中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100088）

0 引言

近年來，我國橋梁建設(shè)快速發(fā)展，橋梁養(yǎng)護維修問題也日益增多，其中大跨度纜索體系橋梁尤為突出。懸索橋主纜距離橋面的高差絕大多數(shù)在100m左右，特大跨徑懸索橋甚至超過200m，主纜的可檢可達性非常差，這就給主纜、索夾和吊索的檢測維修工作帶來了極大的挑戰(zhàn)。目前，國內(nèi)懸索橋主要的檢修方式是人工巡檢[1]，即人工通過攀爬到達主纜頂面，然后行走目視檢查主纜的外觀狀況。這種檢修方式的特點是存在檢修盲區(qū)，容易遺漏死角，純?nèi)斯じ呖兆鳂I(yè)安全風險大、檢修工作效率低。為此，有必要研究主纜檢修平臺的設(shè)計，為實橋應用提供參考。

1 國內(nèi)外主纜檢修平臺現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)對于主纜檢修平臺的研究較少，應用實例少，整體上處于前期探索階段。已應用的主纜檢修平臺也都有自身的優(yōu)缺點，通過調(diào)研，根據(jù)檢修平臺行走方式的不同可以歸納為兩類。

（1）牽引式主纜檢修平臺

該類平臺通常在鋼絲繩的牽引下行走，檢修平臺放置于扶手繩上，塔頂安裝固定式卷揚機，檢修平臺與塔頂卷揚機之間通過鋼絲繩連接。這種檢修平臺的特點是結(jié)構(gòu)自重較輕、行走方便、操作簡單、不會對主纜造成二次傷害，缺點是承載能力和穩(wěn)定性較差。

（2）自行式主纜檢修平臺

根據(jù)不同橋梁的實際需求，國內(nèi)已經(jīng)研發(fā)制造了幾款具備自行走能力的主纜檢修平臺，設(shè)備本身安裝電機驅(qū)動以實現(xiàn)自行走的功能。設(shè)備的優(yōu)點是具備主動行走能力，同時因在主纜表面行走設(shè)置了行走輪和糾偏裝置，行走穩(wěn)定性得到明顯提升且對行走路線具備一定的糾偏能力；缺點是設(shè)備自身重量大，比較笨重，行走速度慢，工作效率較低，爬坡能力差，且爬坡過程中平臺與主纜之間摩擦力較大，主纜涂裝層易遭到破壞。

1.2 國外現(xiàn)狀

國外對于主纜檢修平臺的應用相比國內(nèi)較多，有代表性的有亨伯大橋主纜高空作業(yè)平臺和福斯大橋履帶式可移動主纜高空作業(yè)平臺。

（1）亨伯大橋主纜高空作業(yè)平臺

英國的亨伯大橋采用主纜高空作業(yè)平臺對大橋主纜進行檢查與維修養(yǎng)護工作?？梢苿邮街骼|高空作業(yè)平臺的結(jié)構(gòu)長度為27m，按照英國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范BS 5950—1中的設(shè)計規(guī)則進行輔助設(shè)計。亨伯大橋的主纜檢修平臺主要用于主纜除濕系統(tǒng)安裝項目。該項目原計劃2年，實際僅用12個月就全部完成，檢修平臺的使用大大提高了工作效率。

（2）福斯大橋履帶式可移動主纜高空作業(yè)平臺

福斯大橋位于蘇格蘭東海岸，主纜高空作業(yè)平臺的設(shè)計初衷是用于索夾和螺栓更換。該作業(yè)平臺對亨伯大橋的主纜作業(yè)平臺進行了升級改造，使其適用于索夾和螺栓的更換工作。在后續(xù)主纜除濕系統(tǒng)增設(shè)項目中也用到了主纜高空作業(yè)平臺，在福斯大橋主纜檢測維修工作中起到了重要的作用。

2 設(shè)計內(nèi)容

本文以國內(nèi)某懸索橋為例，針對其主纜結(jié)構(gòu)開展主纜檢修平臺設(shè)計研究，采用有限元分析軟件ANSYS構(gòu)建了參數(shù)化模型，運用數(shù)學軟件MATLAB模擬了脈動風速時程，并對檢修平臺的抗風性能和行走安全性進行了研究，具體如下：

（1）檢修平臺總體設(shè)計。根據(jù)主纜檢修平臺的設(shè)計要求和大橋檢修內(nèi)容，提出主纜檢修平臺的設(shè)計方案，明確了整體結(jié)構(gòu)布局及組成部分的功能。將模塊化設(shè)計應用于檢修平臺，可根據(jù)邊跨、中跨不同鎖夾間的距離任意調(diào)整結(jié)構(gòu)形式，實現(xiàn)了2個索夾之間主纜的整體檢測。

（2）檢修平臺關(guān)鍵機構(gòu)設(shè)計與計算。針對主纜結(jié)構(gòu)形式，摒棄了依靠主纜作為主要承重構(gòu)件的方式，選用最上部扶手繩作為主要承重構(gòu)件，使得在檢修平臺行走時，對主纜造成的損傷最低，并對主框架進行了靜力有限元計算。

（3）檢修平臺抗風性能研究。研究了檢修平臺在脈動風載荷作用下的動態(tài)響應，得到檢修平臺在不同工況下的各向位移及最大復合應力的時程曲線，并對計算結(jié)果進行對比分析。

3 方案比選

根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)主纜檢修平臺的調(diào)研結(jié)果，考慮到檢修平臺的行走方式區(qū)分為主動行走式和被動行走式，且兩種形式的檢修平臺在國內(nèi)外均有應用實例，故在進行檢修平臺設(shè)計前，首先要進行方案比選，確定設(shè)計方向，因為不同的設(shè)計方案，其車架系統(tǒng)、行走系統(tǒng)和安全系統(tǒng)的設(shè)計差別較大。

方案比選除了要考慮每種設(shè)計方案的優(yōu)缺點外，還要結(jié)合項目自身特點，包括項目的工作需求、所在地區(qū)橋面的交通量、溫濕度和風荷載等情況，經(jīng)綜合分析比選后確定平臺的設(shè)計方案。

3.1 優(yōu)缺點對比

3.1.1 主動行走式檢修平臺

（1）以主纜作為檢修車的主要承重部件，該檢修車自動化水平高，擁有自行走功能，且檢修車具備自動過索夾、吊索能力[3]。

（2）作業(yè)時，檢修車具有自鎖裝置，安全保障高；可抵抗20m/s的風速（相當于地面8級風速），工作空間覆蓋整個主纜截面。

（3）缺點是該檢修車自重較大，結(jié)構(gòu)復雜，行走時對主纜會造成一定的損害，且進口價格昂貴，維修、維護成本較高。

3.1.2 被動行走式檢修平臺

（1）自動化水平較低，一般依靠卷揚機牽引提供行走能力；作業(yè)時，工作空間有時無法覆蓋整個主纜截面；檢修車安全保障相對不夠高，多數(shù)不具備20m/s風速（相當于地面8級風速）下作業(yè)能力。

（2）優(yōu)點是自重較小、行動較靈活，作業(yè)時不會對主纜造成損害，且結(jié)構(gòu)簡單，維修、維護成本較低。

3.2 比選結(jié)果

主動行走式檢修平臺雖有諸多優(yōu)勢，但其在作業(yè)時會對大橋主纜造成一定的損害，不適用于該項目開纜檢修計劃的目的，故舍棄主動行走式檢修平臺方案。

被動行走式檢修平臺雖有諸多不足之處，但檢修車自重較輕、行動靈活，且在作業(yè)時不會對大橋主纜造成二次損害，故建議改進國內(nèi)現(xiàn)有的檢修平臺，借鑒國外檢修平臺的自身優(yōu)勢，提高我國檢修車的作業(yè)空間和操作安全性。

4 總體設(shè)計要求及思路

4.1 總體設(shè)計要求

懸索橋主纜檢查車是一種為橋梁檢修人員在檢測過程中提供作業(yè)平臺，用于流動檢測和（或）維修作業(yè)的專用設(shè)備[4]。根據(jù)主纜開纜檢查內(nèi)容及任務，本項目所選用的主纜檢修平臺應滿足以下幾點：

（1）不應在檢修平臺作業(yè)時對纜造成二次損害，且擁有行走能力。

（2）每次作業(yè)工作空間應在2個索夾之間，且工作空間覆蓋整個主纜截面。

（3）應具備在風速13.3m/s（相當于6級風速）下，滿足多人同時作業(yè)的能力。

（4）靜止鎖定無人狀態(tài)抗風能力可以達到25m/s以上（相當于10級風速）。

（5）檢修人員在高空作業(yè)平臺時，檢修平臺應有自鎖裝置，以保證工人安全，整車結(jié)構(gòu)要具有足夠的強度和剛度。

（6）檢修平臺在行走過程中具備檢測和跨越索夾及吊索的能力，避免出現(xiàn)干涉問題，且自重應輕便靈活[5]。

（7）由于扶手繩鋼絲相對較細，檢修平臺行走時，會在偏載和風載荷的作用下走偏，所以要求檢修平臺能夠檢測和糾正跑偏的情況。

4.2 設(shè)計思路

（1）主纜檢修平臺為桁架結(jié)構(gòu)，采用模塊化形式設(shè)計，以一個單節(jié)作為最小工作平面，可任意組合和自由拆合，以適應不同吊索間距。單節(jié)長度9m，采用串聯(lián)形式組合成不同長度的檢修平臺。16m吊索間距采用2臺單元節(jié)車串聯(lián)，25m索夾間距采用3臺串聯(lián)。檢修平臺結(jié)構(gòu)由耐腐蝕材料6082鋁合金焊接而成，結(jié)構(gòu)不僅空間大，而且單個節(jié)段質(zhì)量僅為3 000kg。

（2）該主纜檢修平臺可選主動行走車頭，在實際操作中相當于“行走的貓道”，通過計算得知，可抵抗各種高強度施工作業(yè)，其承載能力可承受1 000kg以上的均布荷載。該主纜檢修平臺也可作為移動實驗室，其內(nèi)部中空結(jié)構(gòu)可以抗風遮雨。

（3）每組單元節(jié)檢修平臺前后設(shè)有4組可調(diào)尼龍行走輪，小車以主纜?36mm扶手繩為承重繩，通過塔頂5t卷揚機牽引行走。當走輪行走至索夾扶手繩立桿位置時，通過走輪上方的可調(diào)絲桿壓緊后輪，放松前輪，直至前輪脫離承重繩可以通過扶手立桿后，繼續(xù)牽引小車通過立柱。通過這種方式，行走輪依次通過扶手立柱。

（4）單元節(jié)串聯(lián)時，上口通過銷軸連接，下口采用鋼絲繩環(huán)或卸扣連接，以適應主纜的角度變化。

（5）小車橫向?qū)?.57m。操作平臺橫向分3段設(shè)計，行走時，將中間節(jié)段手動翻轉(zhuǎn)后通過吊索位置，行走到位后放倒并扣緊連接銷軸，手動調(diào)整抱緊機構(gòu)的夾持絲桿，使其抱緊主纜，以穩(wěn)定小車。

（6）檢修主纜至抱緊結(jié)構(gòu)時，松開絲桿至滿足纏帶機通過空間。當遇臺風等惡劣天氣時，可增加鋼絲繩纏繞吊緊主纜，以增加檢修平臺穩(wěn)定性。

（7）檢修平臺下行可通過卷揚機逐漸下放行走，當行走至自重無法克服運行阻力時，連接另一側(cè)塔頂卷揚機鋼絲繩進行牽引。

5 設(shè)計效果

懸索橋主纜檢修平臺是用于懸索橋主纜、索夾、吊桿和扶手索等結(jié)構(gòu)的清潔、檢查及維修的專用作業(yè)平臺。檢修平臺為裝配式框架結(jié)構(gòu)，整體尺寸約為35.58m×2.78m×3.185m（長×寬×高），重約11t，適用于主纜直徑600～1100mm，索夾間距≤25m的懸索橋主纜檢修。平臺移動采用卷揚機牽引，凹面橡膠輪騎跨在主纜上做上下移動，移動時依靠檢修平臺自重，保證沿主纜移動過程中自動沿主纜移動。在容許范圍的偶發(fā)干擾（如突發(fā)強風）下，停止移動，確保平臺安全。后續(xù)移動應能使檢修平臺自行復位。主纜檢修平臺總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計如圖1所示。

圖1 主纜檢修平臺總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計

主纜檢修平臺按照上述總體設(shè)計效果進行了制造安裝，在實際項目中應用效果良好，為國內(nèi)主纜檢修平臺設(shè)計、制造提供了良好的參考案例，為國內(nèi)懸索橋主纜的養(yǎng)護維修提供了較大便利。

6 結(jié)語

本文以國內(nèi)某懸索橋主纜檢修平臺的設(shè)計為例，詳細介紹了主纜檢修平臺的設(shè)計要求及設(shè)計思路，主要得出如下結(jié)論：

（1）懸索橋主纜作為高聳結(jié)構(gòu)物，檢查檢修可達性難度大，設(shè)計制造安全適用的主纜檢修平臺非常重要。

（2）主動行走式主纜檢修平臺自動化程度高，但是機械自動化要求高，制造難度大，且容易對主纜防護造成損傷，相比而言被動行走式主纜檢修平臺自身重量輕，可拼接，靈活性強，更適用于高空作業(yè)。

（3）本文懸索橋檢查項目案例，在滿足各項安全指標和適用性指標的要求下，設(shè)計出了國內(nèi)第一臺可拼接式主纜檢修平臺，并在實際應用中取得了良好的效果。