張家界大峽谷玻璃橋檢修車的設(shè)計與應(yīng)用

陳鳳

摘 要：張家界大峽谷玻璃橋為我國著名的景觀橋，游客量大，橋梁載荷頻率高，因此橋梁本身的結(jié)構(gòu)安全尤為重要。橋梁檢修車，作為一種橋梁維護保養(yǎng)設(shè)施，其本身結(jié)構(gòu)安全及使用功能對玻璃橋景區(qū)的安全運行具有較大影響。因張家界玻璃橋為三維變寬結(jié)構(gòu)，檢修車結(jié)構(gòu)及功能的設(shè)計也需結(jié)合實際。張家界大峽谷玻璃橋創(chuàng)新性采用折疊式設(shè)計，有效解決了一臺檢修車實現(xiàn)全橋檢查的功能，為類似項目提供了較好的經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：鋼梁;檢修車;梁底;橋梁檢測;橋梁維修

中圖分類號：U44? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2022）06-0056-03

1 工程簡介

張家界大峽谷玻璃橋主跨主纜跨度采用430 m，加勁梁跨度采用373 m。兩根主纜為空間索面，北側(cè)主纜跨度布置為：55 m+430 m+51 m=536 m，南側(cè)主纜跨度布置為：80 m+430 m+82 m=592 m。西側(cè)兩橋塔柱橫向中心距為45 m，東側(cè)兩橋塔柱橫向中心距為50 m，主纜矢跨比采用1/10，位于兩主塔間的主梁布置在直線上，從西向東設(shè)1.5%單向縱坡。橋型如圖1所示。

整橋鋼梁為變寬度形式，中部最窄梁寬6 m，兩側(cè)最寬處為15 m。在玻璃橋正中底部設(shè)置有倒掛門架式蹦極平臺，蹦極平臺寬度僅為5.5 m。整橋鋼梁截面如圖2所示。

張家界大峽谷玻璃橋配置梁底檢修車，主要是用于對橋梁鋼結(jié)構(gòu)進行全面的檢查和維護，為橋梁安全提供保障。檢修內(nèi)容可包括鋼梁構(gòu)件是否扭曲變形、局部損傷;螺栓有無松動、脫落和斷裂，節(jié)點是否滑動、錯裂;焊縫邊緣有無裂紋或脫開;防腐層、裝飾層有無裂紋、起皮、脫落，構(gòu)件有無銹蝕。

原有梁底檢修車無法實現(xiàn)全橋檢修。新檢修車要求能實現(xiàn)整橋全斷面的檢查及維修工作，且沿橋長度方向走行時，能通過中部最窄位置的蹦極平臺。

2 檢修車設(shè)計方案

張家界大峽谷玻璃橋檢修車設(shè)計遵循安全、耐久、快捷、環(huán)保的原則。

原有檢修車設(shè)計采用人力驅(qū)動，效率低，且為保證檢修車能通過中部蹦極平臺，檢修車總寬度為5.4 m，僅能對橋梁寬度方向中間5.4 m范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)進行檢查維修，無法實現(xiàn)全寬度范圍的維保。

新制的橋梁檢修車，要求能實現(xiàn)最寬15 m范圍的檢查，最窄不大于5.4 m，能通過中部蹦極平臺，整體走行采用電力驅(qū)動，整機重量不大于3 t。

根據(jù)以往國內(nèi)及國外項目經(jīng)驗，橋梁檢修車的檢修寬度變化，采用伸縮式設(shè)計。但采用伸縮式設(shè)計，需要檢修車桁架有重疊部分，以承受連接部位的各種載荷傳遞[1]。在本橋中，如采用伸縮設(shè)計，可實現(xiàn)最寬15 m，但為保證機械結(jié)構(gòu)強度，無法實現(xiàn)最窄5.4 m的要求。為實現(xiàn)橋梁全寬度范圍內(nèi)的檢修，檢修車創(chuàng)新式采用三折疊設(shè)計，充分利用最窄5.4 m的空間限制，設(shè)計三段式桁架，通過折疊，實現(xiàn)檢修車主結(jié)構(gòu)的變寬，如圖3所示。

3 檢修車主要技術(shù)參數(shù)

檢修車設(shè)計最大載荷：500 kg;

最大集中載荷：150 kg;

整機運行功率：4×0.4 kW

整機走行速度：0～10 m/min;

驅(qū)動方式：電動+手動（備份）;

制動方式：電磁剎車+手動釋放;

動力源：電纜供電

整機重量：不大于3 t;

工作溫度：0 ℃～40 ℃

設(shè)計最大工作風(fēng)速：6級;

結(jié)構(gòu)計算最大風(fēng)速：8級。

4 檢修車主要結(jié)構(gòu)

張家界玻璃橋檢修車選用布置在梁底的固定軌道工字鋼25b，選用上承式桁架檢修平臺。檢修車主要中部桁架、邊部桁架、折疊機構(gòu)、走行機構(gòu)和電氣系統(tǒng)組成。檢修車邊部桁架采用鋁合金結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為6061-T6管材和板材;檢修車中部桁架采用Q235B鋼結(jié)構(gòu)，主要承受自重、操作人員和維護檢查設(shè)備等荷載[2]。銷軸材料采用40Cr、齒輪、車輪等材料采用40Cr鋼。主要結(jié)構(gòu)如圖4所示。

中部固定桁架。中部桁架為主要承力結(jié)構(gòu)，采用Q235B方管焊接制造。主管為100 mm×100 mm×5 mm的方鋼管。支管為50 mm×50 mm×4 mm的方鋼管。桁架底部鋪設(shè)3 mm花紋鋼板。

折疊桁架。左右兩側(cè)折疊桁架采用2段式，折疊連接部位采用鋼結(jié)構(gòu)制造。主管為100 mm×100 mm×5 mm的方鋼管。支管為50 mm×50 mm×4 mm的方鋼管。邊桁架主體結(jié)構(gòu)為減重，采用6061-T6鋁合金結(jié)構(gòu)焊接制造。主管為100 mm×100 mm×5 mm的鋁合金方管。支管為50 mm×50 mm×4 mm的鋁合金方管。桁架底部鋪設(shè)3 mm厚度的鋁合金花紋板。

折疊桁架通過轉(zhuǎn)銷同中部固定桁架連接。

走行機構(gòu)。檢修車的走行驅(qū)動，采用4臺制動電機。走行速度為0～10 m/min。爬坡能力2%。電源由橋頭的配電箱進行供電。電纜收卷后堆放在檢修車內(nèi)部。

走行驅(qū)動分為固定端走行機構(gòu)和活動端走行機構(gòu)。固定端走行機構(gòu)直接通過銷軸和中部桁架連接。活動端走行機構(gòu)，設(shè)置反鉤輪，通過反鉤輪同中部桁架連接，當(dāng)檢修車軌距不標(biāo)準(zhǔn)時，通過檢修車走行，軌道對走行機構(gòu)產(chǎn)生側(cè)向力，被動自適應(yīng)調(diào)節(jié)軌距。避免因檢修車軌道安裝時的軌距偏差造成走行卡死。

檢修車走行機構(gòu)兩端設(shè)置走行限位裝置。

折疊驅(qū)動機構(gòu)。檢修車兩側(cè)的折疊驅(qū)動動作，采用手動渦輪蝸桿驅(qū)動減速機驅(qū)動。折疊桁架伸展到位后，采用臨時銷固定。

當(dāng)兩側(cè)折疊桁架完全折疊到位后，可更換臨時銷位置，將折疊桁架同中部固定桁架的位置鎖定，避免折疊桁架因風(fēng)力造成晃動，影響走行。

折疊驅(qū)動機構(gòu)整體如圖5所示。

當(dāng)檢修車需要走行通過橋梁中部的蹦極平臺時，施工人員站位于中部固定桁架，拆除臨時固定銷后，通過操作兩側(cè)的折疊驅(qū)動機構(gòu)，使兩側(cè)的折疊平臺繞逆時針旋轉(zhuǎn)，達(dá)到折疊縮短長度的目的。折疊平臺旋轉(zhuǎn)折疊180°后，檢修車總寬度可縮短為原有的1/3，小于5.4 m，可直線走行通過中部蹦極平臺，到達(dá)另一側(cè)進行橋梁的檢修維護工作。

檢修車電氣系統(tǒng)。檢修車供電為現(xiàn)場橋頭電纜供電，380 v，50 Hz。主供電進入車內(nèi)配電箱后通過斷路器為各機構(gòu)分配電源。控制系統(tǒng)電源采用DC24V供電。在檢修車上設(shè)電氣控制柜，通過控制柜上的控制臺與控制柜內(nèi)給電氣元件之間的連接，構(gòu)成了檢修車電氣系統(tǒng)。

照明系統(tǒng)采用單相220 V電源。共設(shè)有兩處燈：柜內(nèi)照明和柜外照明。每處燈的操作開關(guān)都在相應(yīng)的面板上。

系統(tǒng)的控制部分采用旋鈕開關(guān)加繼電器來實現(xiàn)。采用DC24電源，旋鈕開關(guān)為走行控制信號，包括走行的方向、速度信號。變頻器故障時可發(fā)出報警信號提示操作人員，到達(dá)限位開關(guān)可以切斷走行動作[3]。

大車走行機構(gòu)由4臺功率為0.4 KW電機驅(qū)動，其速度可通過電位器調(diào)節(jié)。

整機設(shè)置：電氣過、欠壓保護和過流保護;各機構(gòu)動作聯(lián)鎖安全裝置;報警蜂鳴器。

5 檢修車主要結(jié)構(gòu)受力計算

檢修車在實施檢修的過程中，施工人員站位于檢修車桁架內(nèi)部，下方為深達(dá)300 m的峽谷，因此，檢修車主體結(jié)構(gòu)的安全尤為重要，為保證結(jié)構(gòu)安全，本次設(shè)計要求檢修車主體結(jié)構(gòu)強度安全系數(shù)不小于3（常規(guī)1.5）。

通過實體建模，采用有限元軟件，對檢修車主結(jié)構(gòu)各部位進行模擬計算。

中部固定桁架按最危險工況：6級風(fēng)、兩側(cè)邊桁架折疊至垂直狀態(tài)時進行計算[4]。

計算結(jié)果顯示：當(dāng)承受最大載荷時，中部桁架最大應(yīng)力為17.4 MPa，結(jié)構(gòu)最大變形為2 mm，邊部折疊桁架最大應(yīng)力為42.3 MPa，最大變形為19 mm。

檢修車的結(jié)構(gòu)強度及剛度，均能滿足人員安全施工的需求。

6 檢修車制造及安裝

檢修車主桁架一部分為鋼結(jié)構(gòu)，一部分為鋁合金結(jié)構(gòu)，鋁合金結(jié)構(gòu)的焊接，為檢修車結(jié)構(gòu)制造職工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。檢修車桁架結(jié)構(gòu)制造時，先進行鋼結(jié)構(gòu)桁架的總拼及焊接工作，之后將鋁合金節(jié)段及鋼結(jié)構(gòu)節(jié)段之間的連接法蘭進行匹配連接。鋁合金結(jié)構(gòu)桁架拼裝后先進行點焊固定，之后同鋼結(jié)構(gòu)桁架進行栓接，通過鋼結(jié)構(gòu)部分桁架的剛性約束，減少鋁合金桁架焊接過程中的變形。

檢修車整體制造完成后，進行走行機構(gòu)的空運轉(zhuǎn)試驗，確認(rèn)無誤后，采用汽車運輸至現(xiàn)場進行安裝工作。

汽車可直接達(dá)到玻璃橋一側(cè)橋頭下方的施工便道，施工便道距離鋼梁底面約2 m。將檢修車走行機構(gòu)單獨先人工提升安裝在鋼梁下方的軌道上，檢修車桁架運輸至軌道下方并卸車后，在軌道下方設(shè)置4個倒鏈葫蘆，分別吊掛檢修車的4個角，采用導(dǎo)鏈葫蘆人工將檢修車整體提升至軌道高度后，完成走行機構(gòu)同車體的連接。即可完成檢修車同軌道的連接工作。檢修車同軌道連接好后，進行通電調(diào)試。并在小范圍內(nèi)進行走行試驗。確保走行及折疊機構(gòu)能正常工作后，即可進行現(xiàn)場的載荷試驗及相關(guān)工作。

7 檢修車特點及現(xiàn)場使用

通過針對性設(shè)計，張家界大峽谷玻璃橋檢修車達(dá)到了如下要求：

在所服務(wù)區(qū)域具備可達(dá)、可檢、可維，安全、耐久、環(huán)保，操作便捷的特點。

檢修車具備直線同步行走、折疊過蹦極平臺的功能。檢修車能夠自動適應(yīng)2 根軌道之間±100 mm的軌距變化，保證左、右同步運行。

檢修車為智能檢測儀器、維護保養(yǎng)人員以及一些常規(guī)型檢測維修設(shè)備提供平臺，建立安全、可靠的檢修人員工作環(huán)境。

檢修車具有可靠的機械結(jié)構(gòu)、充分且冗余的安全保護及抱緊機構(gòu)，保障即使控制系統(tǒng)發(fā)生故障，車體也不會有脫軌、掉車的風(fēng)險。在現(xiàn)場橋梁的檢修過程中能100%實現(xiàn)全范圍的安全檢修。

8 結(jié)語

張家界大峽谷玻璃橋檢修車在現(xiàn)場的成功應(yīng)用，有效的保證了該橋主結(jié)構(gòu)的正常維護保養(yǎng)工作。對景區(qū)的安全運行也系統(tǒng)了保障。同時，為國內(nèi)外類似的相關(guān)橋梁的檢修維護，也提供了經(jīng)驗。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉俊，游冰.復(fù)合多功能橋梁檢查車[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2021（4）：1-5.

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[3] 史衛(wèi)朝.矮寨特大懸索橋鋼桁梁檢查車的設(shè)計與實現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化，2015，37（5）：154-156.

[4] 張質(zhì)文，王金諾，程文明，等.起重機設(shè)計手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2013.