大跨悬索桥全覆盖巡检维养设备研究及布局分析

张万泽，张聪正，徐源庆*，徐 军，张太科，吴玲正，吴明龙

（1.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，北京 100032；2.中交公路规划设计院有限公司，北京100088；3.广东湾区交通建设有限公司，广东 广州 510000；4.成都市新筑路桥机械股份有限公司，四川 成都611400）

近30 年来，我国在跨江跨海的超大跨度桥梁建设方面取得了快速的发展，逐渐开始引领全球超大跨度桥梁设计建造的发展。2021 年开工建设的狮子洋大桥，主跨为2 180 m，建成后将创造“主跨跨径、车道数量、主塔塔高、锚碇基础、主缆规模”5 项世界第一。我国已成为世界上跨径超千米悬索桥最多的国家，悬索桥建设技术已步入了世界领先水平。然而国内外许多桥梁建成后在较短的时间内就不同程度地出现了病害，尽管病害是多种原因造成的，但是对桥梁结构的精心养护不到位无疑是重要原因之一[1]。

传统的人工巡检维养方法效率低、成本高、安全风险突出、主观性强，巡检作业不系统、巡检记录不完备，而且部分复杂结构构件部位难以到达，难以满足超大跨径桥梁智能化、全覆盖的巡检维养要求。部分学者和设计人员提出了提出了针对超大跨悬索桥的检修设备及方法。何林桐[2]等以港珠澳大桥青州索塔桥为例，完成了大型索塔桥检查车的结构设计。史卫朝[3]设计了矮寨特大悬索桥的检查车，结合吊栏式和桁架式两种结构的特点，检查车由作业吊栏、走行装置、驱动机构、减速机构等组成。常志军[4]根据嘉绍大桥的钢结构特点，将钢箱梁左右幅分为四大检修区域，各个检修区域内的检查车通过变轨转体实现过塔或墩以及检修索塔X 托架盲区的功能。秦海伟[5]等研发一套轨道式攀爬机器人系统，并提出一种检测图像处理方法。

诸多学者针对国内特大型桥梁巡检维养设备进行了创新设计研究，但其研究范围仅限于单个结构的巡检设备及其布局，未系统针对悬索桥所有结构构件进行全覆盖的巡检维养设备研发和设施布局进行分析研究。

有鉴于此，本文以以狮子洋大桥为背景，提出检养分离、轻量化、装配化的设备研发思路，以期解决现有巡检设备设施存在的痛点。

1 工程概况

狮子洋通道路线全长约35 km，其中双层桥长约12.5 km，主桥采用主跨2 180 m 双层钢桁梁悬索桥，过江段为双向16 车道高速公路标准。狮子洋大桥总体布置图见图1。

图1 狮子洋大桥桥型布置图(单位：cm)

2 超大跨度悬索桥巡检维养需求分析

2.1 主塔

狮子洋大桥主塔采用钢壳混凝土结构，塔顶布置鞍座并设置鞍罩。需巡查桥塔内外表面有无裂纹、表面缺损情况、涂层剥落及桥塔是否有偏位等。

2.2 加劲梁

狮子洋主桥加劲梁采用双层钢桁梁，钢梁维护保养的内容包括焊缝缺陷、钢梁防腐涂装缺陷、栓接缺陷以及钢梁表面的污染等。

2.3 锚碇

锚室内通风照明、恒温恒湿维持设备等需日常巡检检查，保证其运转正常，需及时处理雨水渗漏积水。侧锚室内主缆与锚头的连接状态、锚杆、散索鞍有无锈蚀破损等需定期巡查养护。

2.4 主缆

主缆巡检维养的重点是外包层破损，缆芯内部是否有积水，腻子干、硬、开裂、脆化失效等。必要时需打开防护层检查主缆内钢丝锈蚀情况。

2.5 吊索

锁夹滑移、锁夹螺杆松动、吊杆疲劳破坏是悬索桥的一大常见病害。定期检查吊杆的防护层有无裂纹、破损、老化和积水，根据外观检查情况，适时抽检吊索端部防水及橡胶老化情况并及时养护维修[6]。

3 巡检维养盲区、难点分析

3.1 巡检维养路径不畅通

主桥位于海面航道之上，养护人员到达困难，梁底维养困难。横向抗风支座位于主梁和主塔接触处，巡检空间狭小。竖向支座位于牛腿和主梁之间，人员难以进入。塔外由于景观及安全需求，一般不设置固定设施，在主塔高度达330 m 时，人工巡检维养安全风险大。

3.2 巡检维养操作难度大

主塔高度约350 m，塔底尺寸约为18×15 m，塔身巡检面过大，全覆盖难度极大。主梁为双层钢桁梁，采用上板下箱结构，杆件种类多、结构形式多样，操作空间受限因素较多，巡检难度大。主缆为柔性构件，主缆坡度陡、风荷载、车辆荷载作用下引起振动，养护人员挂安全风险极高。吊索因工作空间受限，检测及补张困难。

3.3 巡检维养信息管理混乱

因巡检维养人员素质参差不齐，造成巡检过程不系统、信息记录不全面、巡检结果主观性强等问题。同时在桥梁养护维修时，面临施工质量不可控、养护效果评估困难的问题。

4 巡检维养设备研究

综合考虑覆盖率、安全性、经济性、作业效率等因素，研发合理的结构类型，对全桥巡检维养作业至关重要。

4.1 主梁梁外巡检维养设备

4.1.1 主梁载人维养设备

常规载人检查车速度慢（Vmax=10 m/min），且行车不平顺，车辆抖动显著。增设无人驾驶系统，巡检维养作业人员利用无线控制装置遥控检查车行走，到达维养点时驻车，作业人员通过检查车竖向通道下行至检查车。行走速度和行走方式均实现无人控制[7]，有效降低检修人员安全风险，提高检修效率。梁底巡检平台布置方案如图2-a。

图2 主桥梁体巡检维养设备

4.1.2 主梁无人巡检机器人

无人巡检机器人主要由工作平台、车架、驱动、控制系统、信号传输系统组成。无人巡检机器人具备自动运行和人工远程操控运行功能，与载人维养检查车共用轨道，沿梁纵向运行，并通过可横移的多组摄像设备，采集桥梁信息并传输至总控平台。梁底无人巡检平台如图2-b。

4.2 主塔巡检维养检查设备

狮子洋大桥主塔采用钢壳混凝土塔，根据塔柱截面结构形式，塔柱外侧采用机械臂架+吊船组合方式方案进行检养。塔柱内侧、横梁底采用悬挂式轨道车+吊船组合方式进行检养。搭载远程控制系统和自适应路径规划系统，用于实现机器人的人工遥控和预设程序控制，由手持遥控终端和机器人车载端组成[8]。主塔检查车布局如图3 所示。

图3 主塔巡检维养设备

4.3 主缆巡检维养设备

4.3.1 主缆载人维养设备

主缆载人检查车使用时在现场装配并挂载，根据机器人的巡检结果完成对主缆的定点维养。为避免常规检查车驱动轮反压于主缆表面而造成主缆损伤，将主缆检查车驱动轮挂载在扶手绳上，夹紧轮夹紧扶手绳，实现行走轮姿态纠正。两侧检修平台分别在上端与主车体铰接，以便于运输、安装、拆卸及维修。主缆检查车布局如图4-a。

图4 主缆巡检维养设备

4.3.2 主缆无人巡检设备

主缆巡检机器人结构构件通过接头实现装配化、轻量化设计，以提升巡检效率。机器人结构搭载4 组摄像头实现对主缆360°的外观巡检记录。搭载漏磁检测设备，可对主缆内部锈蚀或断丝进行探伤。主塔无人巡检机器人布局如图4-b 所示。

4.4 检修爬梯通道

爬梯通道设置在锚碇内外部、主塔内壁、下塔柱、绕塔平台、横梁顶、塔顶、牛腿等处，实现桥梁各构件的人工全覆盖巡检维养的可达可维。主梁内设置共同沟，满足电力、通信、给排水管线安装需求的同时，具备检修通道和景观通道功能。检修爬梯通道示意见图5。

图5 检修通道设备

5 结论

（1） 国内外学者针对桥梁养护智能化、信息化的关键技术进行了卓有成效的探索性研究，取得了可喜的研究成果。但距离完备的大跨度桥梁智能化、全覆盖巡检维养技术体系尚任重道远。

（2） 大多数得以应用的桥梁巡检维养设备（载人/无人）仍处于人工操作下的单机工作模式和半自动化工作状态，距离完全的智能化尚有较大差距。桥梁巡检专用装备、多源数据融合分析方法、机器人自主巡检检测、病害自动分析决策等仍有诸多空白。

（3） 本文以狮子洋大桥重点构件为研究对象，分析巡检维养需求，通过将巡检作业和维养作业分离，分别设置装配化、轻量化的载人和无人设备，实现双层大跨桥梁结构全覆盖的巡检维养作业。研究结果能应用于同类型双层超大跨悬索桥的管养。