陳一舉，張巨勇，陳志平，李春光，陳強(qiáng)強(qiáng)

(杭州電子科技大學(xué)， 浙江 杭州 310018)

一種大跨度懸臂式橋梁檢測(cè)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

陳一舉，張巨勇，陳志平，李春光，陳強(qiáng)強(qiáng)

(杭州電子科技大學(xué)， 浙江 杭州 310018)

橋梁檢測(cè)平臺(tái)是一種用于搭載橋梁維護(hù)與安全檢測(cè)儀器的特種設(shè)備，其便捷性、安全性和通用性的要求越來(lái)越高。為滿足中小型混凝土道路橋梁檢測(cè)的快速和經(jīng)濟(jì)性要求，設(shè)計(jì)了一種可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)快速組裝的翻轉(zhuǎn)伸縮式大跨度橋梁檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)，解決了大跨度懸臂、快速翻轉(zhuǎn)和輕便伸縮的問(wèn)題，對(duì)關(guān)鍵的懸臂橫向臂部件進(jìn)行了詳細(xì)的輕型化設(shè)計(jì)與有限元仿真校核。所設(shè)計(jì)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)輕巧、撓度小、穩(wěn)定性好，較好地滿足了橋梁檢測(cè)平臺(tái)便攜性與通用性的工程需求。

橋梁檢測(cè)平臺(tái)；大跨度懸臂梁；模塊化設(shè)計(jì)；有限元分析

引 言

隨著交通運(yùn)輸?shù)母咚侔l(fā)展，我國(guó)道路橋梁建設(shè)的數(shù)量得到了飛躍式增長(zhǎng)，據(jù)2015年《交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)公路橋梁約有80萬(wàn)座，其中，中小型鋼混道路橋梁約占總橋梁數(shù)的85%。隨著橋齡的增長(zhǎng)，在車(chē)輛通行載荷和自然環(huán)境等因素作用下，橋梁混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)破損和裂縫等結(jié)構(gòu)性損傷，降低橋梁的安全性能，危害橋梁的正常安全通行。為此，道路橋梁監(jiān)管部門(mén)需定期對(duì)橋梁進(jìn)行安全檢測(cè)與損傷治理維護(hù)。

目前，鋼混橋梁結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)主要有CMOS成像探測(cè)、超聲波探測(cè)和聲發(fā)射探測(cè)等技術(shù)方法。各檢測(cè)儀器進(jìn)行安全檢測(cè)的搭載操作平臺(tái)主要有傳統(tǒng)的腳手架[1]、懸吊平臺(tái)[2]以及近年來(lái)發(fā)展的各式橋梁專(zhuān)用檢測(cè)車(chē)等[3]。

對(duì)于雙向兩車(chē)道及以下的中小型鋼混道路橋梁，因其一般所處的環(huán)境空間有限、橋拱下方地形復(fù)雜，橋基承載能力偏弱使得腳手架或懸吊平臺(tái)等傳統(tǒng)檢測(cè)操作平臺(tái)存在搭建不便、操作安全性較差、效率較低等不足，已很不適用。另一方面，新近現(xiàn)有的各式大型橋梁專(zhuān)用檢測(cè)維護(hù)車(chē)，存在運(yùn)行成本高、自重過(guò)大、檢測(cè)占道等問(wèn)題，又不宜在中小型橋梁安全檢測(cè)中應(yīng)用[1,4]。因此，就中小型道路橋梁的安全檢測(cè)而言，工程中更需要一種輕型便攜、可快速操作的檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)。

為此，本文對(duì)中小型鋼混道路橋梁安全檢測(cè)操作平臺(tái)進(jìn)行了詳細(xì)的功能需求調(diào)研，并據(jù)此設(shè)計(jì)了一款輕型模塊組裝的大跨度懸臂伸縮式橋梁安全檢測(cè)平臺(tái)，以滿足中小型鋼混橋梁通用快速的安全檢測(cè)及經(jīng)濟(jì)與便攜的工程所需。

1 檢測(cè)平臺(tái)的功能需求與分析

經(jīng)調(diào)查分析，中小型鋼混橋梁安全檢測(cè)平臺(tái)的主要功能需求可歸納如下：

1)檢測(cè)橫向跨度。我國(guó)中小型道路以二、三、四級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)定義。本文主要以設(shè)計(jì)時(shí)速60～80 km的雙向兩車(chē)道二級(jí)公路橋梁等級(jí)以下道路橋梁為設(shè)計(jì)目標(biāo)。雙向兩車(chē)道二級(jí)公路橋梁橋?qū)挼膰?guó)家標(biāo)準(zhǔn)為10～13 m。為能全程檢測(cè)橋拱內(nèi)表面，采用橋梁雙側(cè)分別檢測(cè)方式，考慮到平臺(tái)結(jié)構(gòu)的自身操作空間，平臺(tái)結(jié)構(gòu)的橫向不宜少于7 m。

2)平臺(tái)搭載載荷。用于橋梁安全檢測(cè)的各類(lèi)CMOS成像探測(cè)儀、超聲波探測(cè)儀和聲發(fā)射探測(cè)儀等檢測(cè)儀器，重量一般小于5 kg?；诎踩钥紤]，設(shè)計(jì)時(shí)選取的搭載載荷為7 kg。

3)橋拱探入方式。在中小型鋼混道路橋梁中，主拱跨度較大，平臺(tái)從橋側(cè)面探入可采用旋轉(zhuǎn)式和伸縮式運(yùn)動(dòng)。但橋梁主拱一般還設(shè)有小孔拱，其截面相對(duì)橋梁的橫向跨度太過(guò)窄小，平臺(tái)難以旋轉(zhuǎn)探入，只能以伸縮式運(yùn)動(dòng)將儀器送入孔拱內(nèi)表面進(jìn)行檢測(cè)。

4)檢測(cè)能力需求。中小型鋼混道路橋梁安全檢測(cè)中，橋面檢測(cè)無(wú)需平臺(tái)輔助搭載檢測(cè)儀。但平臺(tái)搭載檢測(cè)儀后，能實(shí)現(xiàn)橋梁拱側(cè)面及拱內(nèi)表面的全程檢測(cè)。

5)橋梁通行需求。因中小型橋梁的車(chē)道不超過(guò)2條，道路橋梁監(jiān)管部門(mén)希望橋梁安全檢測(cè)操作時(shí)，減小或不影響橋梁的正常通行。因此，檢測(cè)平臺(tái)檢測(cè)操作時(shí)應(yīng)不占用車(chē)道。

6)移動(dòng)便攜性需求。由于中小型道路橋梁大多

位于較為偏遠(yuǎn)的地區(qū)，為移動(dòng)運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性，道路橋梁安全檢測(cè)部門(mén)期待檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)體積較小，重量較輕，組件長(zhǎng)度較短，以便實(shí)現(xiàn)人工搬運(yùn)和工具車(chē)輛的運(yùn)輸轉(zhuǎn)移。因此，平臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)輕巧。

7)通用性需求。中小型橋梁橫向跨度不同，橋拱型式或截面尺寸相異，平臺(tái)需較好的通用性，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)等級(jí)及以下道路橋梁的安全檢測(cè)。

此外，道路橋梁安全檢測(cè)部門(mén)希望平臺(tái)檢測(cè)操作簡(jiǎn)便、快速，造價(jià)經(jīng)濟(jì)等。

2 檢測(cè)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)中小型鋼混橋梁安全檢測(cè)平臺(tái)的功能需求，本文采用模塊化設(shè)計(jì)方法及輕型化的模塊部件可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行快速組裝與拆卸的大跨度懸臂伸縮式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

總體結(jié)構(gòu)方案的模塊結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。整個(gè)檢測(cè)平臺(tái)分為移動(dòng)底座、支撐臂、豎向伸縮臂、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、橫向伸縮臂及儀器平臺(tái)等6 個(gè)模塊。各模塊結(jié)構(gòu)組成及其功能實(shí)現(xiàn)如圖2所示。

圖1 檢測(cè)平臺(tái)模塊結(jié)構(gòu)布局示意圖

圖2 檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成及其功能框圖

各模塊結(jié)構(gòu)中，移動(dòng)底座用于實(shí)現(xiàn)橋梁全路程檢測(cè)；支撐臂主要支撐與平衡整個(gè)檢測(cè)平臺(tái)，起著承載和平衡作用；豎向伸縮臂帶動(dòng)橫向臂的豎向移動(dòng)，使之搭載的檢測(cè)儀能對(duì)橋拱側(cè)面進(jìn)行檢測(cè)；翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)橫向臂機(jī)構(gòu)由初始豎向翻轉(zhuǎn)為水平方向；橫向伸縮臂初始組裝時(shí)為豎向狀態(tài)，經(jīng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)操作，翻轉(zhuǎn)為水平狀態(tài)，且能在驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)下，伸縮探入橋拱，實(shí)現(xiàn)拱洞內(nèi)表面的安全檢測(cè)；儀器平臺(tái)用于安裝檢測(cè)儀器，能沿著橫向臂移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)儀器大跨度范圍的檢測(cè)。

為使結(jié)構(gòu)模塊可在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)快速組裝與拆卸，在各結(jié)構(gòu)模塊的連接中，支撐臂與移動(dòng)底座采用螺栓連接；支撐臂與豎向伸縮臂采用彈性連接結(jié)構(gòu)固連，如圖3所示，使其連接穩(wěn)定，裝拆方便；在各伸縮移動(dòng)結(jié)構(gòu)模塊的運(yùn)動(dòng)副中，采用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)自鎖設(shè)計(jì)方案。

圖3 彈性連接結(jié)構(gòu)示意圖

為減輕結(jié)構(gòu)重量，支撐臂采用桁架結(jié)構(gòu)，豎向伸縮臂采用桁架與箱型型材組合結(jié)構(gòu)，箱型型材臂在桁架內(nèi)伸縮，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用框式關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，橫向伸縮臂采用工字型標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組合結(jié)構(gòu)，且整個(gè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)采用硬鋁合金材料。

通過(guò)模塊化、輕型化設(shè)計(jì)，平臺(tái)結(jié)構(gòu)較好地實(shí)現(xiàn)了功能需求的設(shè)計(jì)目標(biāo)，總設(shè)計(jì)重量約為100 kg(不含移動(dòng)底座內(nèi)的平衡塊)，最重單個(gè)模塊結(jié)構(gòu)的重量約為35 kg，拆分的單件最長(zhǎng)為2.5 m。該檢測(cè)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 檢測(cè)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)圖

3 輕型化大跨度懸臂式橫向臂設(shè)計(jì)

檢測(cè)平臺(tái)在模塊化、輕型化的具體設(shè)計(jì)中，由于橫向檢測(cè)的伸縮最大懸臂跨度達(dá)7 m、未端儀器設(shè)備的載荷達(dá)7 kg、橫向臂未端的撓度不大于150 mm及總重量限制等設(shè)計(jì)要求的制約，橫向臂模塊設(shè)計(jì)成為整個(gè)檢測(cè)平臺(tái)輕型化大跨度懸臂檢測(cè)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

首先，橫向臂懸臂梁的長(zhǎng)度不低于7 m，若采用單根梁結(jié)構(gòu)，將不便于運(yùn)輸轉(zhuǎn)移，使整個(gè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的便攜性大為下降，滿足不了設(shè)計(jì)目標(biāo)的功能需求。因此，橫向臂結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)采用分段為3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的組合結(jié)構(gòu)類(lèi)型。每段標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長(zhǎng)度均為2.5 m，各標(biāo)準(zhǔn)節(jié)可通過(guò)螺栓快速連接，并可在橋梁安全檢測(cè)作業(yè)時(shí)，根據(jù)橋面寬度組合選用。

其次，橫向臂懸臂梁結(jié)構(gòu)的截面形狀選用，應(yīng)有利于結(jié)構(gòu)的輕型化。在工程實(shí)踐中，該類(lèi)懸臂梁的截面常常采用工字型、矩形及圓形截面設(shè)計(jì)。由于本橫向臂需在驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)下以懸臂方式向橋梁拱洞內(nèi)作伸縮移動(dòng)，若采用圓形截面，將給驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)帶來(lái)較大困難。在工字型和矩形截面的選用中，由于工字梁在節(jié)省材料減輕重量的同時(shí)，能獲得幾乎相近于外輪廓一樣的矩形截面的慣性矩的材料力學(xué)原理[5]，從結(jié)構(gòu)輕型化的角度，橫向臂設(shè)計(jì)中選取工字梁截面，材料為6061硬質(zhì)鋁合金。

最后，如何在滿足結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度約束條件下進(jìn)行截面尺寸的設(shè)計(jì)，使橫向臂的懸臂梁體積最小、重量最輕成為橫向臂設(shè)計(jì)中要優(yōu)化的問(wèn)題[6]。

從剛強(qiáng)度的約束條件看，本橫向臂受力的抗彎強(qiáng)度一般不會(huì)超過(guò)材料的許用應(yīng)力。在進(jìn)行截面尺寸參數(shù)的優(yōu)選設(shè)計(jì)中，為便于計(jì)算，主要以剛度的約束條件進(jìn)行截面參數(shù)尺寸的優(yōu)選試算，即橫向臂懸臂長(zhǎng)度為7 m，且在未端搭載檢測(cè)儀器工況時(shí)，進(jìn)行橫向臂截面參數(shù)系列離散尺寸的撓度簡(jiǎn)化理論計(jì)算，優(yōu)選出橫向臂截面參數(shù)尺寸。

橫向臂工字懸臂梁截面如圖5所示，其慣性矩求解公式為：

(1)

(2)

圖5 橫向臂工字懸臂梁受力及其截面

在結(jié)構(gòu)自重G與儀器負(fù)載F的作用下，橫向臂產(chǎn)生的撓度求解公式為：

f=f1+f2

(3)

式中：f1表示端部負(fù)載對(duì)橫向臂產(chǎn)生的撓度；f2表示結(jié)構(gòu)自重對(duì)橫向臂產(chǎn)生的撓度。所以橫向臂撓度的具體計(jì)算公式為：

(4)

式中，E為材料的彈性模量。

根據(jù)式(4)，本文以橫向臂工字型截面尺寸參數(shù)H、B及W為變量，進(jìn)行工字型截面尺寸參數(shù)的人工優(yōu)化計(jì)算。通過(guò)系列計(jì)算，最終選用了截面尺寸為110 mm × 60 mm × 5 mm的工字梁，其未端撓度為122 mm，小于結(jié)構(gòu)所需最大撓度的150 mm，橫向臂模塊的重量約為35 kg，能滿足設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)采用組合設(shè)計(jì)方法、截面形式分析選用及截面尺寸參數(shù)優(yōu)選之后，橫向臂的具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 橫向臂結(jié)構(gòu)

4 橫向臂有限元分析與校核

為保證大跨度懸臂式橫向臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果的可靠性，需在實(shí)際工況下對(duì)橫向臂進(jìn)行有限元仿真分析，以驗(yàn)證上節(jié)所做的撓度簡(jiǎn)化理論的計(jì)算結(jié)果，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核。

同樣以橫向臂受力極限工況為準(zhǔn)，即最大懸臂長(zhǎng)度為7 m，且在未端搭載檢測(cè)儀器的檢測(cè)工況，如圖7所示，進(jìn)行有限元建模。其邊界約束條件見(jiàn)表1，進(jìn)行有限元仿真計(jì)算。

圖7 橫向臂受力極限工況

ABCDUX√———UY√√√√UZ√√√√ROTX√———ROTY————ROTZ√———

注：√表示約束；—表示未約束。

有限元計(jì)算分析結(jié)果如圖8所示。最大撓度位于末端，其值為122.6 mm，與理論計(jì)算基本一致，小于結(jié)構(gòu)要求的150 mm；最大應(yīng)力發(fā)生在圖7所示的D處，大小為31.5 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料彎曲許用應(yīng)力的173 MPa。因此，橫向臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合檢測(cè)平臺(tái)所需的力學(xué)性能要求。

圖8 有限元力學(xué)仿真結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)對(duì)我國(guó)目前中小型道路鋼混橋梁檢測(cè)平臺(tái)工程需求的調(diào)查與分析，本文設(shè)計(jì)了一種輕巧的大跨度伸縮懸臂式橋梁檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)。

檢測(cè)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)方案采用了模塊化與輕型化的設(shè)計(jì)方法，使所設(shè)計(jì)的檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)輕巧，可在橋梁檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)快速組裝與拆卸。文中對(duì)關(guān)鍵的大跨度懸臂式的橫向臂模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的輕型化設(shè)計(jì)，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了有限元分析驗(yàn)證與校核。

目前，該檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)已獲得國(guó)家專(zhuān)利，樣機(jī)已加工完畢，正在進(jìn)行調(diào)試與檢測(cè)應(yīng)用試驗(yàn)。該檢測(cè)平臺(tái)的成功研制，將能較好地滿足中小型橋梁檢測(cè)便攜性與通用性的工程需求。

[1] LI G, HE S, JU Y, et al. Long-distance precision inspection method for bridge cracks with image processing[J]. Automation in Construction, 2013, 41(5): 83-95.

[2] 杜細(xì)春, 余朝陽(yáng). 簡(jiǎn)易橋梁檢測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 中國(guó)水運(yùn)(下半月刊), 2010, 10(12): 221-223.

[3] 龔棟梁. 橋梁檢測(cè)車(chē)的研究與開(kāi)發(fā)[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué), 2009.

[4] 蔡釗雄. 基于多足爬墻機(jī)器人平臺(tái)的橋梁裂縫檢測(cè)方法研究[D]. 廣州: 華南理工大學(xué), 2012: 83.

[5] 夏云. 基于ANSYS的矩形截面等強(qiáng)度懸臂梁的設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)西部科技, 2010, 9(23): 26-27, 32.

[6] 劉凱, 萬(wàn)會(huì)寶, 楚留聲. 工字梁和箱型梁截面塑性抵抗矩分析[J]. 河南科學(xué), 2013, 31(5): 621-624.

陳一舉(1992-)，男，在讀研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程。

Structure Design on a Platform for Large-span Cantilever Bridge Inspection

CHEN Yi-ju，ZHANG Ju-yong，CHEN Zhi-ping，LI Chun-guang，CHEN Qiang-qiang

(HangzhouDianziUniversity,Hangzhou310018,China)

Bridge inspection platform is a kind of special equipment used to carry bridge inspection and maintenance equipment. In view of engineering′s special inspection requirements of portable, modular, general-purpose for small/medium sized concrete road bridge, a large-span inspection platform structure with the features of quick on-site module assembly and easy flip are designed. Then the mechanical analysis and finite element simulation verification at the key cantilever components are carried out. The platform not only has a lightweight structure and small deflection, but also it can better meet the engineering requirements of portability and versatility for the bridge inspection platform.

bridge inspection platform; large-span cantilever; modular design; finite element analysis

2016-09-07

浙江省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(Y200804882)

U446

A

1008-5300(2017)01-0015-04