橋梁鋼索檢測首創－中華顧問攜手大同大學開發爬索車，將有助於橋梁管養檢測作業人員安全
2022-11-10
交通發展促進經濟發展，南來北往東西向的道路不斷興建，就是為了讓城鄉距離縮短，更多的目的是為了促使國內進出口產業順利通暢，也讓全台民眾出行得以更為便利。因此交通的主要基礎「橋」與「路」為我國產業發展升級與民生最為關鍵的基礎建設，其中橫亙於河川之上的橋為重中之重。
臺灣因屬於海島地形，其上有著數百條東西向河川流經地表，這些大小不一的河川，分隔了兩地，造成交通的不便，因此自早臺灣住民為了生活與經濟活動，於河川上興建各式橋梁成為打通交通阻礙的惟一解法。而隨著建築材料、技法、設計以及工法的進步，橋梁也進行世代交替，由傳統短跨距的水泥橋，演變成更為便利施工且強度、跨度更大的新世代橋。
觀察臺灣近代橋梁設計興造的技法、結構，已經與過往有極大的不同。近年新落成橋梁，常使用「鋼索吊繩」形式進行建造（如纜索拱橋、斜張橋、脊背橋），鋼索橋其原理是透過編織而成的鋼纜，組成數組吊索，從橋面將整座橋拉起，達到支撐效果，與傳統的橋墩橋梁相比，優點是除了美觀，也能有效減少落墩量，進而達到減少阻礙河道與節省施工經費等優點。
橋梁安全為首要
臺灣因處於環太平洋地震帶，更為颱風密集區，地震加上颱風，大幅減損了公路設備的使用年限，其中對橋梁的影響最為嚴重，對於維護用路安全而言，橋梁的養護成為重點。細數臺灣橋梁中，拱橋、脊背橋與斜張橋等形式都依賴拉索的張力提供強度，若拉索鏽蝕造成有效截面積減少，將有產生崩塌的風險。
2019年10月1日，為宜蘭南方澳地標的南方澳大橋突然崩塌，橋體包括橋面板、橋拱等向下墜落掉落到南方澳漁港航道內。這次事故共造成6名船員罹難；受傷人員共13名。究其崩塌主要關鍵因素，為南方澳大橋位於漁港出海口，屬重鹽害、高濕度區域。大橋於使用多年後，吊索系統防水設施逐漸劣化，中央分隔島金屬箱體與高密度聚乙烯（HDPE）套管的防水接縫封條發生硬質破壞，雨水沿HDPE套管滲入槽狀之錨定機構而產生積水現象，橋面端錨與鋼絞線長時間處於具鹽分的積水環境中，造成積水線附近之鋼絞線嚴重?蝕，吊索有效殘餘截面積僅剩約22%至27%，再經過不停歇的載重造成的晃動，終於發生難以挽回的憾事。
然事故發生前，我國橋梁維護管理相關法規尚未完善，特殊性橋梁檢測方式及規範指引不完備，且未落實執行，導致該橋於竣工後執行過之7次橋梁檢測皆為定期目視檢測，且因橋梁所有權歸屬不明，事故前3年7個月間，未有針對該橋進行任何橋梁檢測作業。
回顧以往鋼索吊繩為主的橋梁，在進行橋梁檢測時，尤其是具有高度的鋼索檢測，往往要出動大型吊車，頂著河海口因為地形或天後造成的強風下進行目視檢測，不僅危險且只能憑藉鋼索外觀進行辨識，若要深入鋼纜內部檢測，則需花費更多人力與時間，並採用專業設備方能進行，難度不僅增加，經費也將會隨之大幅調升。
為提升橋梁鋼纜檢測及監測作業的速度，以及提升作業人員作業安全與交通衝擊性，以機器輔助人力的構思便浮出檯面。
宜蘭縣南方澳大橋崩塌樣貌
新聞圖片來源：中央社 https://www.cna.com.tw/news/firstnews/202011255004.aspx
克服萬難進行研發
金門大橋於今（111）年10月30日完工通車，讓大小金門的往來更為便利，完工之後，成為當地熱門地標景點，確實體現出七分觀光三分交通的興建目標，雖然橋梁建設完成並通車，但其後續管養維護的重要性則不可輕忽，其中支撐金門大橋本體之鋼索更為管養項目的重點。
金門大橋主橋段橋面至塔頂高度31.5公尺，現今關於斜張橋或脊背橋的鋼纜索力檢測（振動法），係以人力使用高空作業車安裝感測器方式量測為主，收集到之數據再分析其振動模態、有效振動長度及頻率計算鋼纜現有索力。
高空作業加上強風之工作環境，以人力裝設感測器的過程風險極高。此外，對於鋼纜HDPE外套管的定期檢測，以UAV（無人航空載具）檢測之方便性雖遠高於人力檢測，但同樣可能受強風環境影響，使得UAV難以貼近HDPE（高密度聚乙烯）套管取得影像，並且UAV機體運轉時產生之震動也會影響影像品質。考量HDPE套管或拉索本身外型單純，可能以專用自動化爬行裝置攀爬，搭載所需感測器至定位進行索力量測，並附加攝影設備以最貼近HDPE套管之狀態下取得高解析度影像。目前各國皆有類似檢測設備，對於橋梁養護而言，應以此類設備降低檢測門檻，與提高檢測品質維護橋梁使用安全。
中華顧問與大同大學機械與材料工程學系林晨光助理教授共同合作，自去年起攜手開發國內首台執行鋼纜索力檢測之爬索車，期能以機器代替人力裝設感測器至鋼纜上進行量測，免除人員搭乘舉高車高空作業之風險，以及通車後使用舉高車所需之交維或封橋措施。為配合金門大橋通車前使用該爬索車執行索力量測，開發期程緊迫，本次開發整合「機械結構、機電控制、程式設計」等技術，以符合金門大橋鋼纜套管尺寸之規格進行研製，使爬索車具備足夠的爬升能力承載一組三軸向速度計攀爬橋梁現地不同角度之鋼纜，不僅可輕易使用平板遠端操控，使其爬升至指定位置進行鎖固動作，還可自動調整速度計水平校正的能力，以貼近傳統人工鎖固治具的量測方式。除此之外，本團隊於第一部爬索車搭載四支遠端傳輸功能的攝影模組，以利爬升過程中可一併檢視鋼纜套管各角度的狀態。
爬索車開發階段，用相同材質套管進行爬升模擬
機器取代人工，效率大增
爬索車開發階段，本工程司與大同大學研究團隊多次前往台中豐原國道四號豐潭段斜張橋進行測試，因該橋鋼纜外套管尺寸與金門大橋鋼纜套管尺寸接近，以降低往返金門交通時間提升研究效率。
於現地使用爬索車承載三軸向速度計及傳統治具將三軸向速度計鎖固於同一根鋼纜上，並同時進行振動量測實驗。爬索車以豐原斜張橋測試斜度約36度鋼纜爬升能力並無問題(金門大橋鋼纜最大傾斜角度為25度)。由現地實驗所蒐集到兩種量測方式的振動速度值資料進行頻譜分析，對比後發現兩者所量測到的各模態頻率相當一致，精度可達0.01Hz以上，惟兩者所量測得振動能量會有所些微的差異，將待後續進一步鋼纜振態分析，評估其有無顯著的影響。
由目前的實驗成果來看，爬索車與傳統治具所量測的結果無太大的差異，訊號蒐集及判讀上也無困難處。未來使用爬索車實際於金門大橋進行110根鋼纜的模態試驗，可大幅縮短前置作業及增加現場作業空間的靈活性。
爬索車於國四豐潭段現地測試
爬索車於金門大橋上進行現地測試
爬索車於金門大橋上進行現地測試（爬升至頂）
未來應用及發展
近年因南方澳大橋的崩塌事件，引發國人及政府單位對於橋梁健康監測及檢測的重視。台灣的百川地形造就了大量的橋梁誕生，又因應現代對於結構造型美觀的需求，懸索橋梁更是被廣泛的應用。為加速鋼索檢測及監測作業的進行，能以自動化進行檢測的作業，且具有安全性與精密性的爬索車研製勢在必行，預期也將成為世界各國橋梁檢測發展趨勢。就現況而言，國內目前尚未有正式量產的爬索車產品問世，本工程司本於技術研發與推廣應用使命，積極與大同大學機械與材料工程學系密切合作，目前產出的第一代爬索車已具備鋼纜爬升、鎖固、感測器水平校正及即時影像傳輸紀錄等功能，但礙於時程緊迫的情況下，目前爬索車適用鋼纜規格是以金門大橋鋼纜HDPE套管外徑所打造，仍無法適用所有尺寸的鋼纜。
現地使用舉高車與爬索車對比
本工程司將持續精進爬索車的研發，提升爬升能力、攝影性能、軟硬體穩定性及續航力等功能，使其可應用於各種尺寸及角度較陡的鋼纜。未來爬索車亦能延伸改良應用至不同設施結構之檢測作業，如離岸風機柱體檢測。透過使用自動化爬升機器進行高空作業，均可大幅降低人員長時間於高空工作的風險，進而提升維護管理作業之工作效率及人員生命安全。
爬索車於金門大橋實地進行驗證
3105