国际缆索监测迎来智能机器人时代 索锚内部监测仍是技术难题

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斜拉索、主缆、吊索作为缆索承重桥梁结构主要的受力构件，长期处在高应力循环疲劳荷载作用下，其截面尺寸小，对腐蚀非常敏感。一旦因斜拉索或吊索耐久性和安全性不足出现病害与劣化，桥梁承载能力丧失会导致垮塌的恶性事故，造成恶劣的社会影响和巨大的经济损失。为确保大桥的安全运营，有必要对缆索承重桥梁的斜拉索、主缆、吊索等进行预防性维护和安全性检测，而采用先进的检测设备是确保检测效果的重要手段之一。 [本文来自：www.11jj.com]

缆索检测常用方法主要有：目视检查、超声波检测、磁通量漏磁检测、磁致伸缩导波检测、基于振动的索力测量、射线照相法等等，然而这些方法都存在不同程度的局限性。目视检查通常使用缆索检查台车进行，检查台车只能沿缆索较低速度行进，耗时较多；漏磁、导波及超声波检测法测试结果的解释要依靠检查员个人的经验和判断；射线法由于放射性对工作人员有危害，同时是在高处检查作业，所以在桥梁缆索检查中的应用也很有限。因此，世界各国都致力于开发各种先进的检测设备，尤其关注自动化程度高、非载人的无损检测装置，用于定期检测大跨桥梁的缆索，明确缆索的健康状态。 [好文分享：www.11jj.com]

斜拉索检测设备

俄罗斯INTRON公司生产的钢索检测仪，能够非破损检测钢索的金属截面积损失（LMA）和局部缺陷（LF），如断丝、锈蚀、压伤等，得出是否需要更换钢丝绳的依据。该检测仪采用漏磁法检测钢丝绳及钢索内部缺陷（图1）。采用强磁头磁化钢丝绳，通过内部的霍尔元件检测钢丝绳外部回路的磁力线，然后通过软件分析得到断丝的位置及大小。该设备能测试索径Φ10-152mm的拉索，实验室金属截面积的测量精度为2%。 国内已有桥梁工程采用该设备进行了拉索检测（图2），该设备不具备在拉索上爬行前进的功能，需要搭建卷扬机来提供动力才能完成检测。

图1 漏磁法检测原理

图2 INTRON钢丝检测仪实桥应用现场

德国高山工程技术服务有限公司（Alpin）在拉索检测及维护方面具有比较成熟的产品（图3）。该缆索检测维护装置能够自行沿索体爬行、通过有线提供电源和信号传输。其主要功能有：1.携带4个折叠摄像头检测外表面破损；2.红外热像仪检测内表面损伤；3.漏磁检测钢丝缺陷；4.自动绕缠包带；5.自动焊接修补缠包带接缝及螺旋线（主要技术参数如表1）。该产品已经在土耳其伊斯坦布尔、德国汉堡等国的桥梁项目上得到了应用，我国..的高屏溪桥检测也曾采用过此产品。

图3 德国Alpin公司研制的检测维修装置

表1 德国Alpin公司所生产缆索检测装置参数

美国AASHTO规定，每两年对桥梁进行一次外观检查。同时采用健康监测系统的检测结果，对桥梁技术状态进行评估。然而，桥梁状态评估方法存在一些技术上的限制。使用新兴的机器人技术可以较好地克服缆索检查方法的局限性。美国西南研究院（SWRI）研制的磁致伸缩超声导波检测技术（见图4），在钢索检测方面也有一定的应用，该技术在拉索无外部护套的情况下检测效果较明显。

图4 基于磁致伸缩导波检测设备原理图

..东京电力和东芝公司开发的输电线路移动检查机器人系统，由汽车、导轨、导轨机械手和平衡器组成。该机器人可以在地面行驶，机动跨越地面障碍。当机器人遇到塔时，可展开折叠式弧形臂，作为一个导轨，将附加手臂放置在塔对侧的地面。但尚未看到该系统在桥梁检测上应用的报道。

2010年，韩国制定了桥梁缆索检测机器人系统研究计划，并得到了土地、运输和海洋事务部（国土海洋部）的支持。机器人系统由3个主要的子系统组成，包括爬行机器人子系统、无损检测子系统、控制与分析子系统。

爬行机器人子系统允许机器人单元在桥梁缆索上移动。机器人由检查员无线控制，并且可以向控制和分析子系统传送感测模块收集的传感器数据。无损检测子系统包括两个传感模块：1.磁传感模块，使用MFL设备，检测由于钢丝腐蚀造成的内部LMA；2.基于图像处理的感应模块检测缆索的表面缺陷。表2给出了爬行机器人子系统和无损检测子系统的主要设计参数。这两种类型的爬行机器人系统分别用于斜拉桥、悬索桥。斜拉索的最大规格可到直径300mm，悬索桥吊索的直径最大为90mm。

表2 爬行机器人子系统和无损检测子系统的主要设计参数

目前，国内有很多单位亦开展了斜拉索检测机器人方面的探索。宁波市公路管理局研制的斜拉索检测机器人（图5），主要采用有线提供电源和传输信号，可完成斜拉索外观图像采集，已经成功应用于杭州湾跨海大桥的斜拉索检测。华南理工大学自动化学院研制了一种蛇形机器人，可沿索体螺旋上升前进，思路较新颖，形体较轻巧，室内试验效果很好，需开展进一步的实桥爬索性能试验。华中科技大学研发的基于磁致伸缩导波技术的索体损伤无损检测技术，通过在桥面附近的索体段安装激励传感器和接收传感器，即可实现一定索长范围的内部损伤检测，可适用于斜拉索和吊索的锚管区域索体检测。

图5 宁波市公路管理局拉索机器人

上海交通大学、东南大学、江苏法尔胜材料测试分析有限公司及江苏省交通科学研究院等单位也从事过该方面的研究和尝试。

长期以来，中铁大桥局桥科院一直致力于缆索检测设备的研发，在缆索检测自动传感和装备方面进行了长期的探索和技术储备。最新研制的缆索检测机器人——“探索者Ⅳ”，集机械构造、机电设备、电子通讯、无线通讯、自动控制等技术为一体（图6），通过集成先进的步进驱动系统、视频系统、雷达系统、测速系统，实现了全时四驱、爬升返回、自动导航、定向定位，远程遥控，确保了该机器人高空检测的准确性及安全性。通过搭载的高清分辨率数字式摄像头，可评判缆索外部损伤缺陷；通过电磁探伤检测技术，可评判索体断丝损伤。探索者Ⅳ缆索检测机器人的有关技术参数如表3。

图6 缆索检测机器人在桥梁作业现场

表3 缆索检测机器人技术参数

斜拉索索力的测试是斜拉桥施工中以及运营阶段必不可少的工作。目前，国内索力测试主要采用测力环和频谱分析法。索力测试产品大都是采用传感器附带数据线连接电脑进行测量，比较繁琐并且携带操作不便。中铁大桥局桥科院自主研发了便携式无线索力仪，固定方便，采用手机采集分析数据，提高了索力测量的效率和精度。

悬索桥主缆与吊索检测设备

悬索桥主要检测主缆、索夹、吊索、索鞍等部位。其中，主缆、索夹、吊索的检测尤其重要。

索夹检测主要是针对索夹螺杆预紧力的检测和补张工作。多年来，对预紧力的检测主要运用最简单的敲击方法来判断索夹螺杆的现存预紧力。实践表明，这种方法过于粗糙，准确度很低。目前，普遍使用的检测方法是超声检测，通过测量螺杆分级张拉的声时值，拟合得到螺杆的现存预紧力。该方法准确度高，但是在检测螺杆现存预紧力时，每一次都需要利用千斤顶进行分级张拉，在主缆上方操作难度较大。据相关文献报道，目前出现了一种新的测试方法，不需要千斤顶，直接通过测试螺杆长度分析螺杆的现存预紧力，力争做到操作简便，结果准确可靠。

在韩国，1973年建成了第一座悬索桥（Nam-Hae大桥）,2013年建成了韩国最大跨度的悬索桥 Yi-Sun-Shin大桥。为了对这些悬索桥在运营阶段的健康状态进行检测，特别是对主缆的检测，韩国一直在研究开发主缆检测机器人。到目前为止，韩国开发的缆索检测机器人主要用于斜拉桥的斜拉索和悬索桥的吊索检测。对于悬索桥缆索检测机器人来说，其设计目标一是机器人应适用于各种规格尺寸的吊索；二是机器人应该有足够的攀爬力来检查垂直架设的吊索，当出现不可预知的停电时，应该能有效避免机器人自重重力造成自由坠落。为了实现这些设计目标，机器人系统用直流电动机驱动，在吊索上攀爬。机器人系统应用适应各种规格吊索的缩放机构和用于停电保护的自锁机构（图7）。自锁系统的目的是要防止电动机上的反向力，和减少停电期间坠落的加速度。自锁系统应用了一套简单的齿轮系统，由差速齿轮，，包括涡杆、小齿轮和涡轮组成，附着盘式阻尼器。

图7 悬索桥吊索攀爬机器人和自锁原理

美国是现代悬索桥的发源地，已建成的大型悬索桥约有50座，其中一半运营达到50年以上。100多年来，美国已经积累了悬索桥主缆检查和维修的经验和教训，值得我们关注和借鉴。美国专业研究机构对目前的主缆防护方法和现状进行了系统调研和小结。在此基础上开发了主缆检测、取样、试验指南，开发了预测主缆强度损失的模型，提出了主缆强度评估的指南。在缆索检测的规范方面，美国已颁布《悬索桥平行钢丝主缆检查和强度评估指南》和《桥梁斜拉索系统检查和维护》。图8为美国的悬索桥主缆检查车。

图8 美国悬索桥主缆检查车

与欧美、韩国、..相比，我国在悬索桥建设方面起步相对较晚，近20年取得了较快的发展。2003年颁布的《城市桥梁养护技术规范CJJ99-2003》中的5.9节中，对拉索的外观检查内容、检查频数提出了一些指导，并专门提出“以断丝面积2%或钢丝总面积损失10%作为斜拉桥拉索是否需要换索的阈值”，该规范在拉索检测的详细实施手段和评估等方面没有提出相应的内容。2004年颁布的《公路桥涵养护规范》对主缆各索股的受力，主缆索股的锚头、锚杆以及主缆索的防护等提出了检查要求。为了实现上述检查，需要先进的主缆检测设备。

总而言之，从国内外的研究现状、进展，以及设备的研发来看，斜拉索、悬索桥吊索可采用机器人来检测，但是索体内部断丝的无损检测以及锚头内部的检测仍是国内外共同面对的技术难点，悬索桥主缆检测设备的研发更是面临诸多技术难题。以上这些问题，需要业内同仁共同努力破解。

作者 / 陈开利 王波

作者单位 / 中铁大桥局集团有限公司

编辑 / 王硕

美编 / 赵雯

责编 / 宋鸽

审校 / 盛超 廖玲

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