被動行走式主纜檢修平臺設計要點

何少陽

（中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088）

0 引言

近年來，我國橋梁建設快速發展，橋梁養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。目前，國內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，容易遺漏死角，純人工高空作業安全風險大、檢修工作效率低。為此，有必要研究主纜檢修平臺的設計，為實橋應用提供參考。

1 國內外主纜檢修平臺現狀

1.1 國內現狀

目前，國內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缺點，通過調研，根據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構自重較輕、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定性較差。

（2）自行式主纜檢修平臺

根據不同橋梁的實際需求，國內已經研發制造了幾款具備自行走能力的主纜檢修平臺，設備本身安裝電機驅動以實現自行走的功能。設備的優點是具備主動行走能力，同時因在主纜表面行走設置了行走輪和糾偏裝置，行走穩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 國外現狀

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

（1）亨伯大橋主纜高空作業平臺

英國的亨伯大橋采用主纜高空作業平臺對大橋主纜進行檢查與維修養護工作?？梢苿邮街骼|高空作業平臺的結構長度為27m，按照英國鋼結構規范BS 5950—1中的設計規則進行輔助設計。亨伯大橋的主纜檢修平臺主要用于主纜除濕系統安裝項目。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平臺

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

2 設計內容

本文以國內某懸索橋為例，針對其主纜結構開展主纜檢修平臺設計研究，采用有限元分析軟件ANSYS構建了參數化模型，運用數學軟件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）檢修平臺總體設計。根據主纜檢修平臺的設計要求和大橋檢修內容，提出主纜檢修平臺的設計方案，明確了整體結構布局及組成部分的功能。將模塊化設計應用于檢修平臺，可根據邊跨、中跨不同鎖夾間的距離任意調整結構形式，實現了2個索夾之間主纜的整體檢測。

（2）檢修平臺關鍵機構設計與計算。針對主纜結構形式，摒棄了依靠主纜作為主要承重構件的方式，選用最上部扶手繩作為主要承重構件，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，并對計算結果進行對比分析。

3 方案比選

根據國內外有關主纜檢修平臺的調研結果，考慮到檢修平臺的行走方式區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外均有應用實例，故在進行檢修平臺設計前，首先要進行方案比選，確定設計方向，因為不同的設計方案，其車架系統、行走系統和安全系統的設計差別較大。

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

3.1 優缺點對比

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，結構復雜，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，多數不具備20m/s風速（相當于地面8級風速）下作業能力。

（2）優點是自重較小、行動較靈活，作業時不會對主纜造成損害，且結構簡單，維修、維護成本較低。

3.2 比選結果

主動行走式檢修平臺雖有諸多優勢，但其在作業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，且在作業時不會對大橋主纜造成二次損害，故建議改進國內現有的檢修平臺，借鑒國外檢修平臺的自身優勢，提高我國檢修車的作業空間和操作安全性。

4 總體設計要求及思路

4.1 總體設計要求

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平臺，用于流動檢測和（或）維修作業的專用設備[4]。根據主纜開纜檢查內容及任務，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時對纜造成二次損害，且擁有行走能力。

（2）每次作業工作空間應在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，滿足多人同時作業的能力。

（4）靜止鎖定無人狀態抗風能力可以達到25m/s以上（相當于10級風速）。

（5）檢修人員在高空作業平臺時，檢修平臺應有自鎖裝置，以保證工人安全，整車結構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 設計思路

（1）主纜檢修平臺為桁架結構，采用模塊化形式設計，以一個單節作為最小工作平面，可任意組合和自由拆合，以適應不同吊索間距。單節長度9m，采用串聯形式組合成不同長度的檢修平臺。16m吊索間距采用2臺單元節車串聯，25m索夾間距采用3臺串聯。檢修平臺結構由耐腐蝕材料6082鋁合金焊接而成，結構不僅空間大，而且單個節段質量僅為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，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，其內部中空結構可以抗風遮雨。

（3）每組單元節檢修平臺前后設有4組可調尼龍行走輪，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）單元節串聯時，上口通過銷軸連接，下口采用鋼絲繩環或卸扣連接，以適應主纜的角度變化。

（5）小車橫向寬2.57m。操作平臺橫向分3段設計，行走時，將中間節段手動翻轉后通過吊索位置，行走到位后放倒并扣緊連接銷軸，手動調整抱緊機構的夾持絲桿，使其抱緊主纜，以穩定小車。

（6）檢修主纜至抱緊結構時，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，連接另一側塔頂卷揚機鋼絲繩進行牽引。

5 設計效果

懸索橋主纜檢修平臺是用于懸索橋主纜、索夾、吊桿和扶手索等結構的清潔、檢查及維修的專用作業平臺。檢修平臺為裝配式框架結構，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。在容許范圍的偶發干擾（如突發強風）下，停止移動，確保平臺安全。后續移動應能使檢修平臺自行復位。主纜檢修平臺總體結構布局設計如圖1所示。

圖1 主纜檢修平臺總體結構布局設計

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

6 結語

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

（1）懸索橋主纜作為高聳結構物，檢查檢修可達性難度大，設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。

（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，設計出了國內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。