悬索桥机器人巡检技术研究

针对悬索桥大尺度、结构复杂、检测盲区问题，采用BIM技术对悬索桥的机器人巡检技术进行探讨。根据悬索桥结构特点、机器人特点分析了悬索桥检测要点及机器人总的巡检实施流程，研究了机器人在巡检中坐标系建立、路径规划问题，利用Matlab开展了巡检仿真模拟，通过悬索桥BIM模型获得待检区域索塔的基本信息并建立栅格地图，推演无人机、爬壁检测机器人等的合理检测路径，进而探讨了主梁及主缆的检测路径。研究表明，采用BIM技术有助于实现悬索桥多机器人检测的全局规划，可提高巡检效率和覆盖率，从而保证检测数据的完整性，是机器人巡检的必要方法。     

悬索桥主缆的内部检测

悬索桥主缆检测分为3个级别:日常巡查及维护、2年1次的全主缆定期巡检和主缆的内部检查.结合美国国家公路合作研究计划(NCHRP)534指南,以及在该指南指导下进行的英国M48塞文桥主缆检测的报告,介绍在对主缆进行内部检查时如何确定检测的位置、检测的具体步骤、需要记录的数据以及钢丝样本的提取方法.通过介绍的主缆检测方法,可以获得悬索桥主缆的基本健康状况,对提取出的样本钢丝进行张拉试验,可为主缆强度的评估以及剩余寿命的计算提供数据资料.     

蠕动式悬索桥主缆检测机器人研制

针对悬索桥主缆坡度大、直径大，索夹及附属结构障碍和人工检测存在作业难度大、效率低、盲区多、安全风险高的工程难题，设计了一种可实现主缆智能化检测的蠕动式悬索桥主缆检测机器人。该机器人通过模拟生物攀爬动作，以主缆检修道扶手绳为攀爬载体，一组抱靴夹紧扶手绳，一组抱靴松开向前移动，2组抱靴交替开合，实现蠕动攀爬，并通过携带的视觉传感器阵列，对悬索桥主缆进行全覆盖检测；同时，分析研究了主缆检测机器人沿扶手绳攀爬的力学特点和运动功能，对其适应性和可靠性进行了实桥测试。结果表明，机器人可沿主缆平稳运行，顺利越过索夹，获得主缆全覆盖检测图像数据。     

基于改进Mask R-CNN的钢桥多病害智能识别

钢桥在现代交通基础设施中扮演着重要的角色,然而,由于长期服役与环境影响,钢桥可能出现涂层锈蚀、螺栓脱落等病害。为解决传统的钢桥病害检测需要人工参与,费时费力且主观性强的问题,提出了一种基于深度学习的钢桥病害检智能识别方法。利用无人机在图像采集方面的优势,采集大量高清病害图像,经图像增强、标注后建立钢桥病害图像库,用于模型的训练和测试;引入掩膜区域卷积神经网络(Mask R-CNN)构建钢桥病害识别模型,实现钢桥病害的自动识别;并通过更换骨干网络的方式进一步提升模型性能。研究结果表明：将骨干网络由传统的ResNet101替换为VoVNet后模型性能显著提升,交并比阈值为0.5与0.5∶0.95时,优化后模型的识别平均精确率分别为0.84与0.59;相同交并比阈值下较之优化前有约10%的提升。将改进的模型应用于上莘桥表观病害检测,其对涂层锈蚀、螺栓锈蚀与螺栓脱落的识别准确率分别达到了89.3%、85.7%、73.1%;改进的Mask R-CNN模型在钢桥病害识别任务中表现出了优异的性能,无人机与深度学习相结合的方法能够实现钢桥病害的高精度、自动化检测,具有重要的科学研究和工程应用价值。     

悬索桥主缆锈蚀机理和防护方法

日本几座悬索桥的主缆已发生锈蚀.为了弄清锈蚀机理,调查了主缆内部的环境状况,并进行了镀锌钢丝的锈蚀模拟试验.研究表明,主缆横截面不同部位的锈蚀环境状况不同,侧面最容易锈蚀.研制出一种采用S形截面缠绕钢丝和改性腻子的新防腐蚀系统.对采用新系统的主缆和采用传统方法防护的主缆进行了长期暴露对比试验,显示出新系统具有更好的防腐蚀性能.初步试验表明,新系统在提高主缆防腐蚀性能方面很有发展前景.     

悬索桥主缆全寿命管理

主缆是悬索桥的"安全生命线",也是无法更换的易腐蚀结构。为了保证桥梁的安全并达到其使用寿命,必须对主缆进行防腐保护。该文提出了主缆全寿命管理的概念,根据腐蚀类型和悬索桥主缆腐蚀现状,从结构设计、施工设计和运营维护三阶段论述了主缆全寿命期管理要点。     

悬索桥空中纺线法架设主缆施工技术

悬索桥主缆空中纺线法,简称AS法,是通过循环牵引系统往复拽拉高强钢丝,在猫道上现场制作平行钢丝索股的主缆施工方法。为解决悬索桥主缆AS法架设的难题,基于国内外技术调研,详细介绍了AS工法架设主缆的施工原理及施工工艺,并深入研究了施工设备和施工工艺,建立了悬索桥AS法架设的施工工法。将该工法成功用于贵黄高速阳宝山特大桥的主缆架设工程中,为国内悬索桥主缆设计、架设提供了一种新的工法选择,同时可供“一带一路”中的海外悬索桥工程及超大跨径悬索桥(主跨2 500 m以上)建设推广应用。     

悬索桥主缆的锈蚀机理及其防护措施

日本几座悬索桥的主缆被发现受到了锈蚀.为确定其锈蚀机理,对主缆内的环境进行了调查,并进行了镀锌钢丝锈蚀模拟试验.研究表明,锈蚀环境与钢丝在主缆内的位置有关,主缆侧面的钢丝最易发生锈蚀.一种采用S形缠绕钢丝和改进涂料的新型方法解决了这一问题,对采用这一方法与常规方法保护的主缆作了长期的露天测试,表明这种方法提高了主缆的防锈性能.另一种新方法是在主缆中输入干燥空气,初步试验表明,这对于提高主缆的防锈性能前景乐观.     

悬索桥主缆成桥线形的迭代算法

大跨度悬索桥主缆成桥线形是进行结构分析、计算和指导施工的关键控制因素,采用有限位移理论可较全面地考虑大位移引起的悬索桥几何非线性.利用通用有限元程序,建立全桥平面有限元模型,实现了悬索桥施工过程的模拟计算,并且使用悬索桥施工理想初态及成桥状态的迭代算法来确定主缆成桥线形.结果表明,悬索桥主缆的线形是介于抛物线与悬链线之间的索多边形.     

大跨度悬索桥非线性地震反应响应规律探讨

以简支单跨体系的润扬悬索桥和双塔双跨的舟山西侯门大桥为工程背景,建立了非线性动力分析有限元模型。以悬索桥的主要承重构件主缆与主塔的响应为研究对象,选取四类场地共31条地震波对不同类型悬索桥进行非线性地震反应分析。分析表明,悬索桥桥塔在不同地震作用下的位移曲线以及弯矩响应具有良好的一致性,与悬索桥桥型、地震震级无关;地震波中的长周期成分对具有长周期特性的悬索桥的结构响应有重要的影响;主缆动轴力比其恒载轴力小一个数量级,在结构的简化模型中可考虑忽略。     

空间异形索面悬索桥主缆成桥线形计算方法

空间异形索面悬索桥的主缆受到吊索三个方向的作用力,由于空间吊索与空间主缆相互耦合作用,主缆成桥线形计算尤为复杂。鉴于此,基于分段悬链线理论,提出一种"空间问题正向平面化,平面问题逆向空间化"的新思路,推导出可同时考虑空间主缆与空间吊索相互耦合作用的空间异形索面悬索桥主缆成桥线形解析表达式。结合MATLAB软件编制空间异形索面悬索桥主缆成桥线形迭代分析主程序,并基于APDL参数化语言开发主缆平衡态分析验证子程序。以空间索面悬索桥——韩国永宗大桥、空间异形索面悬索桥——河南省宜阳县骏马大道跨洛河大桥为例,采用所提出的方法分别开展主缆成桥线形分析。结果表明:所提出的方法计算精度高、收敛速度快,可适用于各种索面悬索桥主缆成桥线形分析。     

独塔自锚式悬索桥动力特性参数灵敏度分析研究

自锚式悬索桥以其优美的造型、良好的跨越能力、对桥址条件适用性强等优点,被广泛的应用于城市桥梁中。自锚式悬索桥的结构设计参数对其动力特性影响显著。为明晰其结构设计参数对自锚式悬索桥动力特性(振型、频率等)的参数影响规律,以某典型的独塔自锚式悬索桥为研究背景,基于有限元软件MIDAS Civil建立全桥空间有限元模型,采用子空间迭代法进行动力分析计算,研究了边跨长度比,恒载比率,主梁、主缆及吊索刚度等参数的变化对自锚式悬索桥基本动力特性的影响规律。结果表明:自锚式悬索桥整桥振型排列较合理,频谱分布密集;边跨比对独塔自锚式悬索桥主梁竖弯振型频率和主缆横弯振型频率影响显著;恒载比率对独塔自锚式悬索桥各阶模态振型频率影响显著,其中主缆一阶侧弯和主梁的一阶竖弯振型受恒载比率影响最为显著;主缆抗拉刚度的变化对主缆侧移振型频率,以及主梁竖弯振型频率影响较为显著,主缆抗拉刚度的增加有利于提高结构的整体刚度,可以一定程度上减小主缆水平拉力对主梁刚度的影响;吊索抗拉刚度对结构振型频率的影响基本可以忽略;自锚式悬索桥的竖向弯曲振型受主梁的抗弯刚度影响较大,主缆振动频率受主梁抗弯刚度影响较大,但当主梁抗弯刚度达到一定数值后,其对主缆频率影响减小。     

某钢桁架悬索桥的病害检测与分析

以某病害较严重的钢桁架悬索桥为工程案例,重点介绍了对主缆及钢桁架加劲梁变形的测量及数据对比分析结果,以及重要构件锈蚀状况的检测结果。数据对比分析中,采用了频率法和千斤顶法对吊杆索力进行测量及修正,并利用空间节点平衡理论计算出主缆各段索力,结果表明,主缆、主桁架的空间变形与主缆及吊杆索力之间存在一定的关联性。此外,对频率法检测索力的局限性及适用性进行了总结,并依据疲劳损伤度理论对吊杆进行了预期剩余使用寿命计算。结论中提及了该桥养护及维修加固需要特别考虑的问题,可为同类桥梁的检测、养护、管理工作提供参考依据。     

大跨径悬索桥主缆安全系数的研究

为研究主跨1 000m以上大跨径悬索桥主缆安全系数的取值问题,建立西堠门大桥(主跨1 650m的两跨连续梁悬索桥)空间几何非线性有限元模型,分别按照各国的荷载标准对模型进行加载,计算结构在荷载作用下的内力及位移,并根据相应的规范进行荷载组合,计算出主缆相应的安全度,采用Wyatt公式进一步计算模型考虑主缆二次应力后的安全系数。计算分析结果表明,大跨径悬索桥主缆安全系数可由2.5降低至2.3,从而给出了大跨径悬索桥主缆容许应力安全系数2.3的建议值。     

宽箱梁自锚式悬索桥主缆锚固区受力分析

自锚式悬索桥通过主缆与加劲梁锚固结合的方式,形成闭合传力路径。主缆的水平分力通过锚固区,逐渐传递到主跨加劲梁;竖向分力则主要通过边跨自重平衡。现以太原市通达街跨汾河的四跨单塔自锚式悬索桥为背景工程,针对其锚固区梁段宽度大、锚固构造复杂等特点,建立主缆锚固区的板壳实体有限元模型,并计算分析了主缆力作用下,宽箱梁段支座间的荷载分配关系、锚固区局部受力情况、主缆力在锚固区的传递机理等,为今后同类型结构的设计提供依据。     

优化参数型大跨径悬索桥模型修正方法研究

基于传统参数型模型修正方法,通过将悬索桥主缆划分为多段,并将每段主缆的弹性模量均作为独立的模型修正参数,提出了一种针对大跨径悬索桥有限元模型修正的改进方法——优化参数型模型修正方法。首先,根据对拟定参数的灵敏度计算选定灵敏度较大的参数;然后,进行多次有限元计算求取参数灵敏度矩阵;最后,优化参数识别条件,识别模型修正参数值。依托世界第一大跨径分体式钢箱梁悬索桥——西堠门大桥,建立桥梁结构有限元模型,并采用优化参数型方法进行模型修正。结果表明:修正所得模型各测点误差均小于5%,模型整体和局部响应与桥梁实际状态十分吻合,该方法可推广应用于大跨径悬索桥的模型修正。     

基于初弯曲梁单元的大跨度悬索桥主缆弯曲刚度分析

针对大跨度悬索桥主缆的精细化分析中不能同时考虑主缆弯曲刚度、主缆初始弯曲、索鞍及缠丝等因素的影响,提出了一种新型的初弯曲梁单元来模拟主缆的弯曲刚度和初始弯曲,通过虚功增量方程推导其切线刚度矩阵,并编制了主缆非线性有限元程序,建立大跨度悬索桥主缆施工过程的有限元模型,计算中考虑了索鞍处主缆线形的修正及由缠丝引起的主缆弯曲刚度的变化.结果表明:弯曲刚度使主缆在恒载作用下的竖向变形减小,成桥状态时由此引起的主缆线形计算偏差没有超过工程精度的要求;成桥状态时靠近桥塔的吊索吊点处主缆的弯矩及弯曲应力显著,需要在大跨度悬索桥主缆设计和施工中加以考虑.     

悬索桥结构分析中鞍座单元的研究及应用

在悬索桥的有限元计算中往往忽略鞍座对主缆的影响而直接采用成桥理论IP点建模,这种简化会对主缆线形计算带来误差。为提高有限元计算悬索桥主缆线形的精度,提出一种能精确模拟主缆和鞍座约束关系的3节点单元——鞍座单元。采用该单元可基于弹性悬链线的解析解迭代出主缆与鞍座的切点坐标,再根据该单元刚度矩阵元素的含义并利用静力平衡条件直接推导出其切线刚度矩阵。以国内某主跨1 650 m的悬索桥为例,将鞍座单元的切线刚度矩阵引入到该桥有限元整体计算中,计算结果表明,鞍座单元能精确模拟主缆与鞍座的实际情况,将其引入悬索桥的结构计算中能大幅度提高计算精度。     

不等主跨三塔空间缆索悬索桥主缆线形解析计算方法

为精确求解地锚式不等主跨三塔空间缆索悬索桥的主缆线形,提出了基于分段悬链线理论和非线性GRG法、结合静力平衡条件和几何相容条件的悬索桥主缆线形解析计算方法.计算成桥线形时,建立与基本未知量数量相等的控制方程并规划求解基本未知量的合适取值,依次求解主跨、次主跨、边跨、锚跨线形.其中,求解主跨线形时需给定首末端及跨中点坐标...     

CFRP主缆自锚式悬索桥静动力性能及其地震响应研究

为了研究CFRP材料作为主缆应用于自锚式悬索桥的静动力特性,以一独塔自锚式悬索桥为例,建立三维有限元模型,分别应用CFRP材料和高强钢材作为其主缆进行对比分析,其中CFRP主缆按照与钢材等强度和等刚度的原则设计,在汽车荷载和风荷载的工况下,比较其静力特性,在横向、纵向和竖向3个方向的地震激励工况下,比较其地震响应特性。分析结果表明:将采用等刚度原则设计的CFRP材料作为自锚式悬索桥的主缆后,主梁弯矩、主缆拉力均有所减小,结构内力有了明显改善,桥梁自身的偏位也较钢主缆的自锚式悬索桥有了大幅度的减小,桥梁结构的振动频率却呈现出增加的状态,这些对于桥梁是非常有利的,而采用了CFRP主缆的自锚式悬索桥表现出更好的地震响应。因此,从静、动力特性及其地震响应而言,采用等刚度原则设计的CFRP主缆的自锚式悬索桥的性能最优。