超高空斜拉索检养智能“通道”——“登攀号”斜拉索智能载人检修车

斜拉桥是现代大跨度桥梁的重要结构形式，具体包括主梁、斜拉索及索塔结构等。其中斜拉索是整个桥梁重要的承力构件，也兼顾有美观景观的效果。

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“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，更容易受到损伤。据统计，在我国运营时间超过10年的斜拉桥及拱桥中，70%以上的缆索PE护套表面出现不同程度的裂纹或微裂纹，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直接到达。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。

目前，国内外对斜拉索的养护以检查机器人为主，在载人检修装备上尚未有较好的研究。检查机器人可以通过多角度的摄像头对斜拉索PE进行外观检查，自重轻，可较好地沿斜拉索自由上下。东南大学、无锡市市政设施养护管理有限公司等开展了斜拉索清扫机器人的研究，在斜拉索修复和PVF施工方面仍需人工进行。

斜拉索检修方式主要包括：蜘蛛人、搭设脚手架、登高车或简易的爬索检修平台。国外对检修装备的载人篮体进行了部分优化设计，但也未能很好地解决施工人员安全及斜拉索PE保护等问题。

a. 国内常规爬索检修平台

b. 国外新型检修平台

图1 部分常用斜拉索载人检修装备

针对斜拉索不可避免的病害现象及急迫的检修需求，从斜拉索的特点、养护需求出发，结合现有的新技术、新材料，研制出一种基于斜拉索自行走的全新载人检修装备，开展了装备的详细设计并进行了实桥应用。从而为斜拉索PE处治及索体检测提供了一套更安全、更人性化的作业平台，为解决了长大拉索载人检测维护的“卡脖子”问题提供新思路。

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，除了满足载人的基本需求外，针对安全性、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、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、低影响：利用装备检修应尽对桥梁交通的影响、对既有桥梁结构的影响最小。

6、多功能：此装备即可载人作业，还可作为载体搭载其他检测检修仪器进行作业。

根据装备定位及需求，此套装备主要由斜拉索上的检修车及牵引检修车的主动力系统2部分组成。其中检修包括集成篮体和防风摆装置，主动力系统包括纤维绳卷扬机和转向系统。装备组成原理如图2所示，装备在桥梁上的布置如图3所示：

图2 斜拉索载人检修装备组成原理图

图3 斜拉索载人检修装备现场布置示意图

检修车主要包括集成篮体和防风摆装置2套组件，其中集成篮体包括篮体、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4所示：

1检修车；2 待检修斜拉索；3 防风摆装置；4 相邻于待检修的斜拉索

图4 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及与推力油缸2端配套的夹持制动机构组成。制动油缸通过控制系统可实现独立夹持/放松于索体；推力油缸可推/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，连同行走及制动机构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。并具有相序保护装置，能够有效确保电控系统自身的安全性。

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：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。其总立面布置图如图5所示。

图5 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，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：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。

此套系统最大的特点为具有“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，避免突发状况的发生；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。同时其还具有以下特点：

（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装配连接；

（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2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；

（4）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。

（5）检修车内的内作业平台可调，满足斜拉索不同倾角的斜拉索修复需求；

（6）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等。

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36×4×2=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6所示。

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下，检修车依靠自身的动力系统以及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。

图6 斜拉索载人检修车试验现场照片

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，根据大桥索塔、主梁及斜拉索空间相对位置关系，将纤维绳卷扬机布置在靠近主塔的主梁检修通道上，桥面转向轮布置在塔梁结合部位的主梁检修通道上，塔顶转向轮通过悬挑梁伸出主塔侧壁30cm~50cm距离，检修小车安装在对应的斜拉索上靠近桥面的位置，然后在相邻的一根斜拉索上安装防风摆装置。

现场安装好后开展了卷扬机牵引、检修车自行走试验。试验后，现场载人对NJU34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7所示。

图7 斜拉索载人检修车实桥应用现场照片

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，解决了传统方式的局限性，具有良好的经济和社会效益。

随着我国建桥技术的不断发展以及桥梁进入“管养并重”甚至“以养为主”的阶段，对大桥的缆索、主塔等难以抵达的位置，配套的养护设备需求也将越来越多。研发团队将以科研技术攻关为驱动，持续改进，不断优化，为桥梁的养护提供更多更好的解决方案。

作者 / 王蔚 胡先朋

作者单位 / 中交第二航务工程局有限公司特种工程技术分公司

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