大跨懸索橋全覆蓋巡檢維養設備研究及布局分析

張萬澤，張聰正，徐源慶*，徐 軍，張太科，吳玲正，吳明龍

（1.中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司，北京 100032；2.中交公路規劃設計院有限公司，北京100088；3.廣東灣區交通建設有限公司，廣東 廣州 510000；4.成都市新筑路橋機械股份有限公司，四川 成都611400）

近30 年來，我國在跨江跨海的超大跨度橋梁建設方面取得了快速的發展，逐漸開始引領全球超大跨度橋梁設計建造的發展。2021 年開工建設的獅子洋大橋，主跨為2 180 m，建成后將創造“主跨跨徑、車道數量、主塔塔高、錨碇基礎、主纜規模”5 項世界第一。我國已成為世界上跨徑超千米懸索橋最多的國家，懸索橋建設技術已步入了世界領先水平。然而國內外許多橋梁建成后在較短的時間內就不同程度地出現了病害，盡管病害是多種原因造成的，但是對橋梁結構的精心養護不到位無疑是重要原因之一[1]。

傳統的人工巡檢維養方法效率低、成本高、安全風險突出、主觀性強，巡檢作業不系統、巡檢記錄不完備，而且部分復雜結構構件部位難以到達，難以滿足超大跨徑橋梁智能化、全覆蓋的巡檢維養要求。部分學者和設計人員提出了提出了針對超大跨懸索橋的檢修設備及方法。何林桐[2]等以港珠澳大橋青州索塔橋為例，完成了大型索塔橋檢查車的結構設計。史衛朝[3]設計了矮寨特大懸索橋的檢查車，結合吊欄式和桁架式兩種結構的特點，檢查車由作業吊欄、走行裝置、驅動機構、減速機構等組成。常志軍[4]根據嘉紹大橋的鋼結構特點，將鋼箱梁左右幅分為四大檢修區域，各個檢修區域內的檢查車通過變軌轉體實現過塔或墩以及檢修索塔X 托架盲區的功能。秦海偉[5]等研發一套軌道式攀爬機器人系統，并提出一種檢測圖像處理方法。

諸多學者針對國內特大型橋梁巡檢維養設備進行了創新設計研究，但其研究范圍僅限于單個結構的巡檢設備及其布局，未系統針對懸索橋所有結構構件進行全覆蓋的巡檢維養設備研發和設施布局進行分析研究。

有鑒于此，本文以以獅子洋大橋為背景，提出檢養分離、輕量化、裝配化的設備研發思路，以期解決現有巡檢設備設施存在的痛點。

1 工程概況

獅子洋通道路線全長約35 km，其中雙層橋長約12.5 km，主橋采用主跨2 180 m 雙層鋼桁梁懸索橋，過江段為雙向16 車道高速公路標準。獅子洋大橋總體布置圖見圖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需求分析

2.1 主塔

獅子洋大橋主塔采用鋼殼混凝土結構，塔頂布置鞍座并設置鞍罩。需巡查橋塔內外表面有無裂紋、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，鋼梁維護保養的內容包括焊縫缺陷、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

錨室內通風照明、恒溫恒濕維持設備等需日常巡檢檢查，保證其運轉正常，需及時處理雨水滲漏積水。側錨室內主纜與錨頭的連接狀態、錨桿、散索鞍有無銹蝕破損等需定期巡查養護。

2.4 主纜

主纜巡檢維養的重點是外包層破損，纜芯內部是否有積水，膩子干、硬、開裂、脆化失效等。必要時需打開防護層檢查主纜內鋼絲銹蝕情況。

2.5 吊索

鎖夾滑移、鎖夾螺桿松動、吊桿疲勞破壞是懸索橋的一大常見病害。定期檢查吊桿的防護層有無裂紋、破損、老化和積水，根據外觀檢查情況，適時抽檢吊索端部防水及橡膠老化情況并及時養護維修[6]。

3 巡檢維養盲區、難點分析

3.1 巡檢維養路徑不暢通

主橋位于海面航道之上，養護人員到達困難，梁底維養困難。橫向抗風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，人員難以進入。塔外由于景觀及安全需求，一般不設置固定設施，在主塔高度達330 m 時，人工巡檢維養安全風險大。

3.2 巡檢維養操作難度大

主塔高度約350 m，塔底尺寸約為18×15 m，塔身巡檢面過大，全覆蓋難度極大。主梁為雙層鋼桁梁，采用上板下箱結構，桿件種類多、結構形式多樣，操作空間受限因素較多，巡檢難度大。主纜為柔性構件，主纜坡度陡、風荷載、車輛荷載作用下引起振動，養護人員掛安全風險極高。吊索因工作空間受限，檢測及補張困難。

3.3 巡檢維養信息管理混亂

因巡檢維養人員素質參差不齊，造成巡檢過程不系統、信息記錄不全面、巡檢結果主觀性強等問題。同時在橋梁養護維修時，面臨施工質量不可控、養護效果評估困難的問題。

4 巡檢維養設備研究

綜合考慮覆蓋率、安全性、經濟性、作業效率等因素，研發合理的結構類型，對全橋巡檢維養作業至關重要。

4.1 主梁梁外巡檢維養設備

4.1.1 主梁載人維養設備

常規載人檢查車速度慢（Vmax=10 m/min），且行車不平順，車輛抖動顯著。增設無人駕駛系統，巡檢維養作業人員利用無線控制裝置遙控檢查車行走，到達維養點時駐車，作業人員通過檢查車豎向通道下行至檢查車。行走速度和行走方式均實現無人控制[7]，有效降低檢修人員安全風險，提高檢修效率。梁底巡檢平臺布置方案如圖2-a。

圖2 主橋梁體巡檢維養設備

4.1.2 主梁無人巡檢機器人

無人巡檢機器人主要由工作平臺、車架、驅動、控制系統、信號傳輸系統組成。無人巡檢機器人具備自動運行和人工遠程操控運行功能，與載人維養檢查車共用軌道，沿梁縱向運行，并通過可橫移的多組攝像設備，采集橋梁信息并傳輸至總控平臺。梁底無人巡檢平臺如圖2-b。

4.2 主塔巡檢維養檢查設備

獅子洋大橋主塔采用鋼殼混凝土塔，根據塔柱截面結構形式，塔柱外側采用機械臂架+吊船組合方式方案進行檢養。塔柱內側、橫梁底采用懸掛式軌道車+吊船組合方式進行檢養。搭載遠程控制系統和自適應路徑規劃系統，用于實現機器人的人工遙控和預設程序控制，由手持遙控終端和機器人車載端組成[8]。主塔檢查車布局如圖3 所示。

圖3 主塔巡檢維養設備

4.3 主纜巡檢維養設備

4.3.1 主纜載人維養設備

主纜載人檢查車使用時在現場裝配并掛載，根據機器人的巡檢結果完成對主纜的定點維養。為避免常規檢查車驅動輪反壓于主纜表面而造成主纜損傷，將主纜檢查車驅動輪掛載在扶手繩上，夾緊輪夾緊扶手繩，實現行走輪姿態糾正。兩側檢修平臺分別在上端與主車體鉸接，以便于運輸、安裝、拆卸及維修。主纜檢查車布局如圖4-a。

圖4 主纜巡檢維養設備

4.3.2 主纜無人巡檢設備

主纜巡檢機器人結構構件通過接頭實現裝配化、輕量化設計，以提升巡檢效率。機器人結構搭載4 組攝像頭實現對主纜360°的外觀巡檢記錄。搭載漏磁檢測設備，可對主纜內部銹蝕或斷絲進行探傷。主塔無人巡檢機器人布局如圖4-b 所示。

4.4 檢修爬梯通道

爬梯通道設置在錨碇內外部、主塔內壁、下塔柱、繞塔平臺、橫梁頂、塔頂、牛腿等處，實現橋梁各構件的人工全覆蓋巡檢維養的可達可維。主梁內設置共同溝，滿足電力、通信、給排水管線安裝需求的同時，具備檢修通道和景觀通道功能。檢修爬梯通道示意見圖5。

圖5 檢修通道設備

5 結論

（1） 國內外學者針對橋梁養護智能化、信息化的關鍵技術進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、全覆蓋巡檢維養技術體系尚任重道遠。

（2） 大多數得以應用的橋梁巡檢維養設備（載人/無人）仍處于人工操作下的單機工作模式和半自動化工作狀態，距離完全的智能化尚有較大差距。橋梁巡檢專用裝備、多源數據融合分析方法、機器人自主巡檢檢測、病害自動分析決策等仍有諸多空白。

（3） 本文以獅子洋大橋重點構件為研究對象，分析巡檢維養需求，通過將巡檢作業和維養作業分離，分別設置裝配化、輕量化的載人和無人設備，實現雙層大跨橋梁結構全覆蓋的巡檢維養作業。研究結果能應用于同類型雙層超大跨懸索橋的管養。