被动行走式主缆检修平台设计要点

何少阳

（中交公路规划设计院有限公司，北京 100088）

0 引言

近年来，我国桥梁建设快速发展，桥梁养护维修问题也日益增多，其中大跨度缆索体系桥梁尤为突出。悬索桥主缆距离桥面的高差绝大多数在100m左右，特大跨径悬索桥甚至超过200m，主缆的可检可达性非常差，这就给主缆、索夹和吊索的检测维修工作带来了极大的挑战。目前，国内悬索桥主要的检修方式是人工巡检[1]，即人工通过攀爬到达主缆顶面，然后行走目视检查主缆的外观状况。这种检修方式的特点是存在检修盲区，容易遗漏死角，纯人工高空作业安全风险大、检修工作效率低。为此，有必要研究主缆检修平台的设计，为实桥应用提供参考。

1 国内外主缆检修平台现状

1.1 国内现状

目前，国内对于主缆检修平台的研究较少，应用实例少，整体上处于前期探索阶段。已应用的主缆检修平台也都有自身的优缺点，通过调研，根据检修平台行走方式的不同可以归纳为两类。

（1）牵引式主缆检修平台

该类平台通常在钢丝绳的牵引下行走，检修平台放置于扶手绳上，塔顶安装固定式卷扬机，检修平台与塔顶卷扬机之间通过钢丝绳连接。这种检修平台的特点是结构自重较轻、行走方便、操作简单、不会对主缆造成二次伤害，缺点是承载能力和稳定性较差。

（2）自行式主缆检修平台

根据不同桥梁的实际需求，国内已经研发制造了几款具备自行走能力的主缆检修平台，设备本身安装电机驱动以实现自行走的功能。设备的优点是具备主动行走能力，同时因在主缆表面行走设置了行走轮和纠偏装置，行走稳定性得到明显提升且对行走路线具备一定的纠偏能力；缺点是设备自身重量大，比较笨重，行走速度慢，工作效率较低，爬坡能力差，且爬坡过程中平台与主缆之间摩擦力较大，主缆涂装层易遭到破坏。

1.2 国外现状

国外对于主缆检修平台的应用相比国内较多，有代表性的有亨伯大桥主缆高空作业平台和福斯大桥履带式可移动主缆高空作业平台。

（1）亨伯大桥主缆高空作业平台

英国的亨伯大桥采用主缆高空作业平台对大桥主缆进行检查与维修养护工作。可移动式主缆高空作业平台的结构长度为27m，按照英国钢结构规范BS 5950—1中的设计规则进行辅助设计。亨伯大桥的主缆检修平台主要用于主缆除湿系统安装项目。该项目原计划2年，实际仅用12个月就全部完成，检修平台的使用大大提高了工作效率。

（2）福斯大桥履带式可移动主缆高空作业平台

福斯大桥位于苏格兰东海岸，主缆高空作业平台的设计初衷是用于索夹和螺栓更换。该作业平台对亨伯大桥的主缆作业平台进行了升级改造，使其适用于索夹和螺栓的更换工作。在后续主缆除湿系统增设项目中也用到了主缆高空作业平台，在福斯大桥主缆检测维修工作中起到了重要的作用。

2 设计内容

本文以国内某悬索桥为例，针对其主缆结构开展主缆检修平台设计研究，采用有限元分析软件ANSYS构建了参数化模型，运用数学软件MATLAB模拟了脉动风速时程，并对检修平台的抗风性能和行走安全性进行了研究，具体如下：

（1）检修平台总体设计。根据主缆检修平台的设计要求和大桥检修内容，提出主缆检修平台的设计方案，明确了整体结构布局及组成部分的功能。将模块化设计应用于检修平台，可根据边跨、中跨不同锁夹间的距离任意调整结构形式，实现了2个索夹之间主缆的整体检测。

（2）检修平台关键机构设计与计算。针对主缆结构形式，摒弃了依靠主缆作为主要承重构件的方式，选用最上部扶手绳作为主要承重构件，使得在检修平台行走时，对主缆造成的损伤最低，并对主框架进行了静力有限元计算。

（3）检修平台抗风性能研究。研究了检修平台在脉动风载荷作用下的动态响应，得到检修平台在不同工况下的各向位移及最大复合应力的时程曲线，并对计算结果进行对比分析。

3 方案比选

根据国内外有关主缆检修平台的调研结果，考虑到检修平台的行走方式区分为主动行走式和被动行走式，且两种形式的检修平台在国内外均有应用实例，故在进行检修平台设计前，首先要进行方案比选，确定设计方向，因为不同的设计方案，其车架系统、行走系统和安全系统的设计差别较大。

方案比选除了要考虑每种设计方案的优缺点外，还要结合项目自身特点，包括项目的工作需求、所在地区桥面的交通量、温湿度和风荷载等情况，经综合分析比选后确定平台的设计方案。

3.1 优缺点对比

3.1.1 主动行走式检修平台

（1）以主缆作为检修车的主要承重部件，该检修车自动化水平高，拥有自行走功能，且检修车具备自动过索夹、吊索能力[3]。

（2）作业时，检修车具有自锁装置，安全保障高；可抵抗20m/s的风速（相当于地面8级风速），工作空间覆盖整个主缆截面。

（3）缺点是该检修车自重较大，结构复杂，行走时对主缆会造成一定的损害，且进口价格昂贵，维修、维护成本较高。

3.1.2 被动行走式检修平台

（1）自动化水平较低，一般依靠卷扬机牵引提供行走能力；作业时，工作空间有时无法覆盖整个主缆截面；检修车安全保障相对不够高，多数不具备20m/s风速（相当于地面8级风速）下作业能力。

（2）优点是自重较小、行动较灵活，作业时不会对主缆造成损害，且结构简单，维修、维护成本较低。

3.2 比选结果

主动行走式检修平台虽有诸多优势，但其在作业时会对大桥主缆造成一定的损害，不适用于该项目开缆检修计划的目的，故舍弃主动行走式检修平台方案。

被动行走式检修平台虽有诸多不足之处，但检修车自重较轻、行动灵活，且在作业时不会对大桥主缆造成二次损害，故建议改进国内现有的检修平台，借鉴国外检修平台的自身优势，提高我国检修车的作业空间和操作安全性。

4 总体设计要求及思路

4.1 总体设计要求

悬索桥主缆检查车是一种为桥梁检修人员在检测过程中提供作业平台，用于流动检测和（或）维修作业的专用设备[4]。根据主缆开缆检查内容及任务，本项目所选用的主缆检修平台应满足以下几点：

（1）不应在检修平台作业时对缆造成二次损害，且拥有行走能力。

（2）每次作业工作空间应在2个索夹之间，且工作空间覆盖整个主缆截面。

（3）应具备在风速13.3m/s（相当于6级风速）下，满足多人同时作业的能力。

（4）静止锁定无人状态抗风能力可以达到25m/s以上（相当于10级风速）。

（5）检修人员在高空作业平台时，检修平台应有自锁装置，以保证工人安全，整车结构要具有足够的强度和刚度。

（6）检修平台在行走过程中具备检测和跨越索夹及吊索的能力，避免出现干涉问题，且自重应轻便灵活[5]。

（7）由于扶手绳钢丝相对较细，检修平台行走时，会在偏载和风载荷的作用下走偏，所以要求检修平台能够检测和纠正跑偏的情况。

4.2 设计思路

（1）主缆检修平台为桁架结构，采用模块化形式设计，以一个单节作为最小工作平面，可任意组合和自由拆合，以适应不同吊索间距。单节长度9m，采用串联形式组合成不同长度的检修平台。16m吊索间距采用2台单元节车串联，25m索夹间距采用3台串联。检修平台结构由耐腐蚀材料6082铝合金焊接而成，结构不仅空间大，而且单个节段质量仅为3 000kg。

（2）该主缆检修平台可选主动行走车头，在实际操作中相当于“行走的猫道”，通过计算得知，可抵抗各种高强度施工作业，其承载能力可承受1 000kg以上的均布荷载。该主缆检修平台也可作为移动实验室，其内部中空结构可以抗风遮雨。

（3）每组单元节检修平台前后设有4组可调尼龙行走轮，小车以主缆ϕ36mm扶手绳为承重绳，通过塔顶5t卷扬机牵引行走。当走轮行走至索夹扶手绳立杆位置时，通过走轮上方的可调丝杆压紧后轮，放松前轮，直至前轮脱离承重绳可以通过扶手立杆后，继续牵引小车通过立柱。通过这种方式，行走轮依次通过扶手立柱。

（4）单元节串联时，上口通过销轴连接，下口采用钢丝绳环或卸扣连接，以适应主缆的角度变化。

（5）小车横向宽2.57m。操作平台横向分3段设计，行走时，将中间节段手动翻转后通过吊索位置，行走到位后放倒并扣紧连接销轴，手动调整抱紧机构的夹持丝杆，使其抱紧主缆，以稳定小车。

（6）检修主缆至抱紧结构时，松开丝杆至满足缠带机通过空间。当遇台风等恶劣天气时，可增加钢丝绳缠绕吊紧主缆，以增加检修平台稳定性。

（7）检修平台下行可通过卷扬机逐渐下放行走，当行走至自重无法克服运行阻力时，连接另一侧塔顶卷扬机钢丝绳进行牵引。

5 设计效果

悬索桥主缆检修平台是用于悬索桥主缆、索夹、吊杆和扶手索等结构的清洁、检查及维修的专用作业平台。检修平台为装配式框架结构，整体尺寸约为35.58m×2.78m×3.185m（长×宽×高），重约11t，适用于主缆直径600～1100mm，索夹间距≤25m的悬索桥主缆检修。平台移动采用卷扬机牵引，凹面橡胶轮骑跨在主缆上做上下移动，移动时依靠检修平台自重，保证沿主缆移动过程中自动沿主缆移动。在容许范围的偶发干扰（如突发强风）下，停止移动，确保平台安全。后续移动应能使检修平台自行复位。主缆检修平台总体结构布局设计如图1所示。

图1 主缆检修平台总体结构布局设计

主缆检修平台按照上述总体设计效果进行了制造安装，在实际项目中应用效果良好，为国内主缆检修平台设计、制造提供了良好的参考案例，为国内悬索桥主缆的养护维修提供了较大便利。

6 结语

本文以国内某悬索桥主缆检修平台的设计为例，详细介绍了主缆检修平台的设计要求及设计思路，主要得出如下结论：

（1）悬索桥主缆作为高耸结构物，检查检修可达性难度大，设计制造安全适用的主缆检修平台非常重要。

（2）主动行走式主缆检修平台自动化程度高，但是机械自动化要求高，制造难度大，且容易对主缆防护造成损伤，相比而言被动行走式主缆检修平台自身重量轻，可拼接，灵活性强，更适用于高空作业。

（3）本文悬索桥检查项目案例，在满足各项安全指标和适用性指标的要求下，设计出了国内第一台可拼接式主缆检修平台，并在实际应用中取得了良好的效果。