让斜拉桥“生命线”触手可及——斜拉索智能载人检修车的研制与应用

斜拉桥是现代大跨度桥梁的重要结构型式，受力体系包括梁体所在的桥面体系、支承桥面体系的缆索体系、支承缆索体系的桥塔体系。缆索体系主要包括斜拉索及配套结构设施，斜拉索作为缆索体系的最重要结构，也是整个桥梁重要的承力构件，更兼顾结构受力与美观景观效果。

根据体系不同，斜拉索主要分为钢绞线斜拉索和平行钢丝斜拉索。其中平行钢丝斜拉索在国内应用较多，其主要结构组成包括锚具、钢丝束、PE护套等。PE护套作为斜拉索防护的“软猬甲”，是斜拉索保持长使用寿命的重要保障，相对于钢丝束、混凝土等结构，材质软、硬度低又往往成为限制斜拉索寿命的一个要因。据统计，在我国运营时间超过10年的斜拉桥及拱桥中，70%以上的桥梁拉索索体PE护套表面出现不同程度的裂纹及微裂纹，在运营期间对斜拉索的检修已成为保持斜拉索长寿命的重要措施。而斜拉索呈长细结构分布在空间区域内，除上、下锚头可方便抵达外，绝大部分区域内人员不能到达，只能远远观望。即使通过蜘蛛人、搭设脚手架或简易的爬索挂篮等方式抵近高空中拉索区域，仍然存在抵达区域不能全覆盖、安全及稳定性差等问题。

鉴于此，本文基于正向设计的思路，从斜拉索的特点、养护需求出发，充分运用新技术新材料，研制出基于斜拉索行走的全新斜拉索智能载人检修装备，并进行实桥试验和应用验证。

装备定位

要实现斜拉索全断面可达可检可修，必然涉及超高空作业，随着技术水平的进步和以人为本的理念深入，在满足上述基本要求的条件下，在安全性、可靠性、人性化、智能化、低影响、多功能等诸多方面也提出了更高要求。因此对此装备的定位及要求如下——

1. 基本要求：能够搭载作业人员和必要设备设施，实现斜拉索全断面可达可检可修。

2. 安全性：具备装备自身安全、作业人员安全、作业环境安全、既有结构安全、应急工况安全的要求和功能。

3. 可靠性：装备采用先进、成熟的技术，结构科学合理，各项功能可靠。

4. 人性化：装备内的作业平台随斜拉索的倾角变化而变化，使人员的作业姿态、作业空间范围始终符合常规的作业习惯和要求。

5. 智能化：具备一定的自我保护功能，关键参数、信息可实时监控，作业画面实时显示。

6. 低影响：利用装备检修应对桥梁交通的影响、对既有桥梁结构的影响最小。

7. 多功能：此装备既可载人作业，还可作为载体搭载其他检测检修仪器进行作业。

斜拉索智能载人检修车的研制过程

总体设计

根据装备定位及需求，斜拉索载人检修装备主要是由斜拉索上的检修车及牵引检修车用的主动力系统2部分组成。其中检修车包括集成载人篮体和防风摆装置2套组件，主动力系统包括纤维绳卷扬机和转向系统2套组件。其详细装备组成原理如图1所示，装备在桥梁上的布置位置如图2所示。

图1 斜拉索载人检修装备组成原理图

图2 斜拉索载人检修装备现场布置示意图

1.检修车

检修车主要包括集成载人篮体和防风摆装置2套组件，其中集成载人篮体包括载人篮体、行走及制动结构、导向机构和液压及电控系统，四部分组装于一体安装在待检修的斜拉索索体上，防风摆装置为具有一定配重作用的导向轮，设置在待检修斜拉索相邻的一根索上。集成载人篮体与防风摆装置之间通过高强纤维绳连接，总体布置如图3所示。

1检修车；2 待检修斜拉索；

3 防风摆装置；4 相邻待检修的斜拉索

图3检修车总体布置图

（1）载人篮体：主要包括封闭式防护网、防护框架等，采用铝合金整体式结构设计，便于现场装配式安装及转运。

（2）行走及制动机构：行走及制动机构由推力油缸与推力油缸2端配套的夹持制动机构组成。每套制动机构包括各自的制动油缸。制动油缸通过控制可实现独立夹持/放松于索体；推力油缸通过控制可推/拉一端的制动机构沿斜拉索运动。

（3）导向机构：导向机构安装在检修车的前端，连同制动一起用于稳定检修车在斜拉索上的姿态。

（4）液压及电控系统：液压系统主要是执行电控系统对推力油缸、制动油缸等的动作指令，主要包括集成泵站、相关阀门及连接油管等。电控系统的主控制器采用可编程微电脑控制模块，由车规级别电池供电。其具有相序保护装置，能够有效确保电控系统自身的稳定性和可靠性。

（5）防风摆装置：由配重轮、导向轮及相关调节结构组成。经理论计算，在防风摆装置作用下，检修车正常（卷扬机牵引行走）行走突发8级风的风荷载时，检修车的最大偏转角小于10°，无明显晃动。根据国家相关规定高空作业风速不得大于5级，抗风稳定性良好。

2.主动力系统

主动力系统包括纤维绳卷扬机和转向系统部分。

（1）纤维绳卷扬机：纤维绳卷扬机包括机械结构（电机、滚筒、底座支架等）、电控系统及纤维绳，设计牵引为0～10m/min。配备载荷显示与出绳长度显示系统，能够实时显示荷载状态。总立面布置图如图4所示。

图4 纤维绳卷扬机总立面布置图

牵引绳由超高分子量聚乙烯材质制成，选用直径φ16mm，最小破断力23.5t。纤维绳参考的规范为《超高分子量聚乙烯纤维8股、12股编绳和复编绳索》（GB/T 30668-2014）。纤维绳端头编制成环，通过销轴与检修小车连接。

（2）转向系统：主要包括桥面转向轮和塔顶转向轮，纤维绳出绳后，依次穿过桥面转向轮和塔顶转向轮与检修车连接。

关键结构分析

1.载人篮体

载人篮体结构材质为6061-T6铝镁硅合金，根据设计图几何尺寸，建立结构模型，其余物理参数如表1。

载人篮体结构在空间姿态与斜拉索的倾斜程度相对应，利用Ansys分析吊篮呈水平和竖直两个方向的极限状态。本次计算考虑极限工况下的紧急制动，约束与制动机构连接的轴孔，并在泵站、油箱、电控箱安装位置施加2倍(冲击载荷系数)的载荷，在吊篮中部施加2倍额定载荷。根据表2的计算结果，载人篮体结构强度及变形均满足要求，其中水平状态结构应力和变形云图如图5所示。

（a）结构应力云图

（b）结构变形云图

图5 载人篮体水平状态计算云图

2.行走及制动机构

行走及制动机构由闸瓦、框架结构及连接闸瓦与框架结构的板式连杆组成，三个组件的有限元模型如图6所示。运用有限元软件Ansys考虑极限状态下紧急制动对三个组件的应力计算结果见表3，各组件强度及变形均满足要求。

（a）闸瓦

（b）框架结构

（c）板式连杆

图6 部分组件有限元模型图

对斜拉索影响分析

1.检修车制动对斜拉索影响

斜拉索倾角越大，所需要的制动力也越大，以某大桥最大倾角（71°）的斜拉索为试验索，开展制动状态试验。经现场测量，断绳后0.2s开始制动，到完成刹车总下落距离为300mm，其制动力计算模型如图7所示。经计算在短绳0.2s内，检修车自由下滑，位移190mm，则制动阶段位移为110mm。计算得到制动状态下小车的制动加速度为：a制动=16.4m/s2。对应的制动力F制动=45200N。

图7 斜拉索检修车制动夹持斜拉索受力模型

检修小车的制动力与小车制动器内部夹持材料与斜拉索PE之间的摩擦力以及制动器对小车PE表面的正压力有关。根据试验夹布橡胶与斜拉索PE（光滑表面）的摩擦系数为0.25，计算时保守取值按照0.2计，则对应的制动器对小车PE表面的正压力值为：FN=226000N

夹持机构为哈弗式结构，单个制动器由2片长380mm、宽（弧度长度）90mm的哈弗片内衬夹布橡胶组成，根据上述数据，计算得到在断绳后制动器工作时对斜拉索PE的正压应力值为3.16MPa。

2.正常行走对斜拉索影响

以某大桥最小倾角（23°）的斜拉索为分析基础，当检修车在23°斜拉索牵引行走时，拉索受轮压最大，受力分析如图8所示。

图8 检修车正常行走对斜拉索轮压受力模型

拉索最小倾斜角23°时，结构重力在y方向，即与斜拉索正交方向的分力G0y=16.1kN。

轮压F1距重心距离L1=835mm，F2距重心距离L2=2320mm，F1处有双轮承压，单轮承压面积A1=110×5=550mm2，则单位面积承压力为：

综上分析，检修车在夹持制动和正常行走工况下，对斜拉索PE产生的附加应力最大值为10.9Ma，小于斜拉索PE的屈服应力。

特点

此套系统最大特点是具有“纤维绳牵引”和“液压驱动”双动力系统，正常沿斜拉索行走时,由纤维绳卷扬机提供牵引力，当纤维绳卷扬机突发断绳时,检修车能够立即制动，夹持住斜拉索，避免突发状况；制动后，检修车内作业人员就能够借助检修车自身的“液压驱动”系统沿斜拉索下降，从而保障了安全；同时“液压驱动”系统可使得检修车空中姿态调整更精准。该系统还具有以下特点——

（1）检修车结构采用轻型铝合金篮体整体式结构，现场安装仅需要进行简单的转配连接。

（2）主牵引采用纤维绳，自重轻（同等直径钢丝绳的1/6）、破断力大（同直径钢丝绳的1.4-1.8倍）、结构软不伤索，有效避免了检修过程对斜拉索的二次伤害。

（3）具有抗风自稳定性，在相邻的斜拉索上安装了防风摆系统，与检修车同步升降，保证了在运行过程中检修车的稳定性；系统集成风速监控、视频监控、牵引力、牵引距离等监控系统，可实现作业安全的实时监测。

（4）检修车内的作业平台可调，从而满足斜拉索不同倾角的斜拉索修复需要。

（5）以“零坠落”为安全设计理念，在检修车侧壁预留足够多的连接孔和挂钩，将维修、检测的工具仪器均与检修车进行软连接。

实桥实验及应用

实桥实验

某跨越珠江的双塔双索面混合梁斜拉桥，跨径组合为144m+360m+144m =648m，主塔高128.45米，共18×4×2=144根平行钢丝斜拉索，大桥于1998年建成通车。2019年检测斜拉索存在PE开裂严重、锚具锈蚀严重等病害，经专项设计与施工，大桥于2021年完成了全桥斜拉索更换。

结合大桥现场和施工情况，在该桥东塔边跨下游9#号旧索开展试验工作，规格PES7-163，拉索直径115mm，倾角为55.74°，总长度约95m，试验索位置见图9所示。

图9 斜拉索载人检修车试验现场照片

主要试验在卷扬机牵引和载人检修车自行走空载和负载工况的不同工况条件下，检修车对斜拉索PE产生的附加应力和PE的外观状况、检修车的整体稳定性；牵引绳突发断绳情况下小车滑移情况和对斜拉索PE产生的附加应力情况。其中负载按250kg考虑。

经现场记录，行走过程中总体平稳，变化平缓，斜拉索PE表观良好，无明显变化。检修车自行走试验显示，在无外部牵引力作用，检修车依靠自身的动力系统、行走及制动机构的作用，能够可靠地沿斜拉索进行上升和下降。

实桥应用

该装备于2022年8月在苏通大桥上开展了实桥应用。苏通大桥桥面总宽41m，两侧设置有宽度1.5m检修通道。斜拉索为空间双索面扇形布置，共计34×4×2=272根。采用平行钢丝成品拉索，共八种规格，最小为PES7-139，最大为PES7-313。最长索为577m。

选择大桥北塔中跨最长的34#斜拉索进行实桥试验，总体施工工艺流程如图10。

图10 斜拉索智能载人检修车实桥应用工艺流程

其中检修车按照“制动器安装→导向轮安装→篮体安装→液压及电控系统调试→检修车整体调试”的总体顺序安装在对应斜拉索上；纤维绳卷扬机为相对独立的设备，采用焊接压板的形式固定在桥面预定位置；转向系统分为塔顶转向系统和桥面转向系统，可根据结构形式采用植筋锚固或者焊接形式与既有结构可靠连接。最后通过连接绳将纤维绳从桥面牵引至塔顶，穿过塔顶转向轮后从塔顶牵引至桥面与检修车连接。连接完成后即可按照预定方案进行整体的系统调试，以保障设备的功能正常、完好。

图11 斜拉索载人检修车安装

现场载人对34#斜拉索进行了检测及PE修复，经检测斜拉索在255m、277m和416m三处存在PE病害，随即对其进行了修复，达到了预期的试验效果。实桥应用现场照片如图12所示。

图12 斜拉索载人检修车实桥应用现场照片

结论与展望

斜拉索智能载人检修车相对于传统的斜拉索检修设施，在设计理论、可靠性等方面都具有较大改进，有效地克服了高空侧向风力、拉索振动等因素的影响，解决了传统人工检测维修的局限性，降低了检测过程中出现安全事故的可能性，发挥了巨大的经济和社会效益。

随着我国建桥技术的不断发展，桥梁进入“管养并重”甚至“以养为主”的阶段，对大桥难以抵达的位置，尤其是斜拉索、主塔等日常的养护设备需求也将越来越多。为提升现代化管养水平，苏通大桥公司将以“一流的设施、一流的技术、一流的管理、一流的保障”为管养目标，以科研技术攻关为驱动，实现养护管理持续向更科学、更精准、更高效发展，进一步解决管养工作中的各类难点、痛点问题，实现真正成为世界级长大桥梁运营养护领跑者的愿景。

本文刊载 / 《大桥养护与运营》杂志

2023年 第2期 总第22期

作者 / 刘勇 胡先朋 刁璐通

作者单位 / 江苏苏通大桥有限责任公司

中交二航局建筑科技有限公司

编辑 / 陈晨

美编 / 赵雯

责编 / 李诗韵

审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲

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