关于桥梁高墩外观检查装置调研报告.docx
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武汉二航路桥特种工程有限责任公司预研究科技研发项目
CCCCROADANDBRIDGECONSULTANTS
桥梁高墩外观检查装置调研报告
负责人：
黎子明
桥梁高墩外观检查装置预研究调研报告
摘要：
当前桥梁高墩外观检查已成为世界各国关注的研究热点，检查装置的发展为高墩检查提供了有效的技术手段。
本文在对国内外桥梁检查设备的现状进行调研后，着重论述了新研制的轻型可移动拼装式桥梁检查装置。
该检查工作架主要解决了人工检测时的费时费工，实现了检查全程机械设备化。
关键词：
桥梁工程高墩病害外观检查设备
1、背景介绍
桥梁是交通的枢纽，关系到社会经济发展的命脉。
但桥梁结构在长期使用中难免会发生各种各样的损伤，造成桥梁结构抗力衰减和安全隐患。
桥梁使用超过25年则进入老化期。
据统计，我国桥梁中的40%属于“老龄”桥梁。
为保证桥梁的安全运营，必须经常对桥梁结构进行检测，桥梁结构检测已成为桥梁结构安全养护和保障正常使用的主要技术手段，在目前的桥梁检测中，对上部结构以及桥梁基础比较重视，作为桥梁重要承重构件的桥墩则经常被忽视；而且对于一些高墩桥梁，桥梁养护机构即使想对桥墩进行详细检查也缺少有效的墩柱外观病害检查装置。
2、国内外研究现状
对桥梁高墩表面进行准确检测，这是目前世界各国在桥梁检测领域的一个研究热点。
目前，一般情况下有两种主要方法被工程技术人员用来检测桥梁的安全性，一种是实时检测，即通过在桥梁上安装一个检测设备用来时时刻刻对桥梁进行检测，另一种是通过用传统方法来对桥梁进行检测。
2.1、通过桥梁上安装检测装置进行检测
这一种检测措施，在20世纪80年代的时候，许多欧美国家就已经开始在其国内的各种大型桥梁上进行实时桥梁检测。
列如美国弗罗里达州的SunshineSkyway斜拉桥，桥梁检测技术人员在桥上安装了一种可以测量桥梁温度、位移以及表面裂缝情况，该设备在远近两个方向都可以进行数据采集；苏格兰Kingston桥上的桥梁检测设备不仅可以检测桥梁的温度、位移外，而且可以感知桥梁周围外部风力大小的变化；工程技术人员在挪威的Skamsundat大桥、墨西哥的Tampico大桥、丹麦Faroe大桥上进行过大量的桥梁检测，收集了很多关于桥梁结构和相关构件的数据，如应变、位移、表面情况等，这些数据可以用来分析环境因素对桥梁结构影响的大小。
桥梁工程师可以用这些采集到的监测数据用来指导桥梁维护人员修复桥梁相应的部位，这些措施有效的避免了桥梁倒塌事故的发生。
另外，如香港青马大桥以及广东的虎门大桥等桥梁在施工期间均安装了可以用来在桥梁运行期间进行桥梁监测的检测装置。
2.1-1香港青马大桥
2.2、利用传统方法对桥墩进行检测
2..1.2、近距离检测
观察者可以通过搭建临时脚手架或者乘坐小艇用裂缝宽度对比尺、裂缝显微镜等来进行桥墩的表面检测，这种方法比较简单，具有较强的灵活性。
但是这种方法也有一些显著的缺点。
首先，肉眼判别桥梁表面会存在着很大的误差，长时间观察造成的视觉疲劳，会极大程度的影响观察的准确性；另外这种方法，费时耗力，机动性差，严重限制了检测的范围，会造成一些检测“死角“问题，以此数据提出的检测报告在客观性、准确性、权威性方面存在着一定的缺陷。
2.2-1用裂缝宽度仪进行桥墩检测
2..2.2、远距离裂缝检测仪
目前远距离裂缝检测仪已经发展到了可自动识别裂缝并予以记录的程度，这种方法比较简单，具有较强的灵活性。
但这种方法也有一些显著的缺点。
首先，肉眼判别桥梁表面会存在着很大的误差，特别是在远距离观察的时候，或者长时间观察造成的视觉疲劳，这些都会极大程度的影响观察的准确性:
另外这种方法，费时耗力，机动性差，严重限制了检测的范围，会造成一些检测“死角”问题。
在国内很多经济不是很发达的地区，主要还是依靠这些效率地下的方法来进行桥梁检测。
2.2-2常见的远距离裂缝检测仪
2..3.2、桥梁检查车
通常大家所说的桥梁检测车实际上是一种可以为桥梁检测人员在检测过程中提供作业平台的专用汽车。
作业平台装备在汽车底盘上，可以随时移动位置，能安全、快速、高效地让作业人员进入作业位置。
桥梁检测车最早出现在欧美，用于桥梁流动检测或维修作业，技术含量很高。
经常使用的桥梁检测车（以下简称桥检车）从结构形式上主要分为2种：
吊篮式桥检车和桁架式桥检车。
（1）吊篮式桥检车
吊篮式桥检车也叫臂架式桥检车（如图1、图2），其结构小巧，可有线、无线操作，灵活方便，有时候还可以做为高空作业车使用，价格（相对桁架式桥检车）低。
一般是采用一级伸缩、二级回转、三级变幅机构，形成三维空间、6个自由度的空间运动体系，可以安全、快捷地将工作人员和设备送到桥下幅度允许的任意位置。
桥下水平作业范围为0-16.37m，桥下垂直作业范围为0-20m，地面上升高度为10-11m，第一回转转动角度为0-900。
第二回转转动角度为0-2250。
在桥下为点阵式检测，但作业平台是装在臂架顶端的一个吊斗，面积较小，只可容纳2名人员作业，载重一般有200-300kg，作业效率相对较低。
该结构形式的桥检车，国内目前已经有徐工集团随车起重机有限公司以及湖北省随州市东风专用特种汽车有限公司等几家企业制造成功，并已经向市场提供产品。
2.2-3吊篮式桥检车
（2）桁架式桥检车
代表行业先进水平的桁架式桥梁检测车结构比较复杂，价值昂贵；但工作稳定，能够实现连续不间断作业，所提供的是一个相对较大的作业面，检测范围广、承载能力强、作业效率高。
图2.2-4、图2.2-5为浙江沪杭甬高速公路养护中心拥有的意大利百灵公司制造的BARINABC20L/E型桁架式桥检车作业照片。
该车为奔驰重型卡车底盘，工作装置为意大利百灵公司制造，作业范围最大水平横向伸展20m，垂直伸展11m，同时可容纳5人在桁架上进行检查或维护作业，承载能力可达500kg。
该车配备液压式支腿和平衡行走实心轮，可保证车身及工作台的水平及稳定性；同时配有桥梁检测车同步液压移动系统，当工作平台在桥底下操作时，可使用液压马达驱动整车及平台同时向前或向后慢速移动，有效保证了车辆行驶的稳定性，提高了作业效率。
2.2-4桁架式桥检车作业一
2.2-5桁架式桥检车作业二
（3）吊篮式检测车有伸缩范围大的优势，可灵活的对桥侧壁和底面各处进行检测。
但是由于需要支撑，检测车车型庞大，会较大占用桥上的空间，影响桥上正常的通行。
桁架式检测车提供给工作人员更多的移动空间，但是与吊篮式一样占用桥上大量的空间，同时由于机构庞大，造成检测车移动的不便，机动性较差，但是桁架式的操作效率要高于吊篮式，在实际的工作中比吊篮式能够实现更好更稳定的操作，其工作范围更加广泛。
2.3、利用其它先进设备进行桥梁检测
2..1.3、桥梁检测爬壁机器人
桥墩检测，属于高空作业范畴，工作环境恶劣。
爬壁机器人能够在垂直柱面及梁底上移动，通过爬壁机器人无线传输回来的现场图片，专业人员可以远程进行实时的裂缝检测工作。
不仅可以节约成本，降低工人工作的危险性，而且可以提高工作效率，带来可观的社会效益和经济效益。
桥梁检测中的爬壁机器人必须具有三个基本功能：
吸附功能、移动功能和载物功能。
（1）吸附功能
爬壁机器人的主要工作环境是与地面成一定角度或者垂直于地面的壁面上，吸附机构的目的就是产生一个能够平衡机器人重力的向上的力，从而保证其能吸附在壁面上。
2.3-1爬壁机器人常见的吸附方式
吸附方式
优点
缺点
真空
吸附
单吸盘
结构简单，允许移动程度泄漏面积，使用范围广
吸盘无冗余性，断电时易丧失吸附力
多吸盘
密封性能好，壁面适应能力强，断电时有一定的冗余度
机构复杂，辅助系统重量大
磁吸附
永磁体
维持吸附力无需耗能，安全可靠
行走时磁铁与壁面阻力大，壁面必须是磁性材料
电磁体
磁体与壁面离合容易，对壁面形状无要求，且吸附力可控
维持吸附力需要耗能，电磁体自重大
推力吸附
无泄漏，对壁面形状适用性强，越障容易
噪音大，体积大，效率低，控制复杂，技术尚不成熟
（2）移动功能
机器人运动系统主要包括移动机构和驱动装置。
运动系统的结构形式和驱动方式的选择对机器人的运动性能有着决定性的影响。
1）爬壁机器人最常用的移动方式有轮式、足式、履带式、框架式、轨道式等，各种移动方式的原理和优缺点如下表所示。
2.3-2机器人移动方式
移动方式
原理
优点
缺点
车轮式
一个或多个轮子有电机等驱动装置驱动
速度较快，控制简单，机动性强
接触面积小，越障能力差，维持吸附力困难
足式
多个脚按一定次序反复吸附脱离移动
机动性较好，越障及壁面适用能力强
结构复杂，行走速度慢，控制困难
履带式
两个或多个无轨履带推动机器人行走
壁面适应性强，速度快，承载能力大
体积大，结构复杂，不易转向
框架式
多层框架交替吸附或移动
越障能力和承载能力强，吸附力大
结构复杂，行走速度较慢
轨道式
利用车轮与轨道间摩擦力移动
容易实现，运行可靠
壁面需铺设导轨，移动方向受限制
上述各种移动机构的主要性能分析可以看出，轮式移动方式控制灵活，移动速度快，行走控制简单，而且在凹缝沟槽较多，平面度极差的工作环境下，该种机器人可采用“两轮差速驱动机构“或“2驱动轮+1脚轮机构“，一旦一个驱动轮陷入沟槽，另一个驱动轮可能无法行进，导致机器人无法正常移动。
而采用四轮驱动结构，其中一个轮子陷入凹槽中，其他三个驱动轮也能很轻松的运行出来。
这种小型爬壁机器人非常适合桥梁高墩检测。
2）常见的爬壁机器人驱动方式主要有液压驱动、气压驱动、电机驱动等。
各驱动方式的特点如下表所示。
2.3-3机器人驱动方式比较
特点
液压移动
气压移动
电机传动
结构重量
轻
重
一般
控制距离
中短
短
不限
信号转换
容易
较难
很容易
技术成熟性
好
好
好
构造难度
方便
一般
一般
负载能力
一般
较大
较大
可靠性
好
好
好
可控性
一般
好
好
2..2.3、用于桥梁检测的多旋翼飞行器
3、高墩外观检查方案设计
3.1、可上下滑移检查架
3.2、四驱遥控检查小车
4、总结
5、参考文献
9
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