在橋梁設(shè)計和施工過程中，適當(dāng)考慮日后如何進(jìn)行養(yǎng)護(hù)的觀念，在近幾十年才被工程師們廣泛接受。因此，許多舊橋的業(yè)主單位和運(yùn)營單位都面臨著一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，那就是如何在保證橋梁正常運(yùn)營的同時維護(hù)大橋的結(jié)構(gòu)安全。以下將以著名的澳大利亞悉尼港灣大橋為例來講述他們的養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗。
具有成本效益的激光處理方法
悉尼港灣大橋是一座單孔拱橋，1932年建成通車以后一直服役至今，曾號稱世界第一單孔拱橋，是悉尼早期的代表性建筑。
每天，悉尼港灣大橋都承載著200多輛火車、160000輛汽車和大約2000輛自行車的往返交通量。這座橋不僅是悉尼文化的象征，更是悉尼城市交通基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要的組成部分。負(fù)責(zé)這座大橋養(yǎng)護(hù)與運(yùn)營的機(jī)構(gòu)是新南威爾士州道路與海事服務(wù)公司（RMS），主要任務(wù)是對大橋的鋼結(jié)構(gòu)部分、石質(zhì)墩臺以及其他區(qū)域進(jìn)行清理和重新噴漆。
由于這座大橋的鋼結(jié)構(gòu)部分最初的防腐涂料含鉛，導(dǎo)致目前大橋鋼桁架存在普遍的老化現(xiàn)象。因此，橋梁養(yǎng)護(hù)單位決定使用更耐用、更環(huán)保的現(xiàn)代涂料替代之前的防腐涂層。清除原有防腐涂料和鋼結(jié)構(gòu)銹蝕的傳統(tǒng)做法，是使用電動工具和噴砂除銹法，但是這種方法需要耗費大量的體力勞動，而且極易造成工人受傷。不僅如此，在橋梁某些特殊位置，這些養(yǎng)護(hù)設(shè)備根本無法到達(dá)，有時甚至是操作人員也很難到達(dá)。為了解決這些難題，新南威爾士州道路和海事服務(wù)公司聯(lián)合澳大利亞國立大學(xué)共同研發(fā)了一款結(jié)構(gòu)內(nèi)部激光清洗設(shè)備，整個研發(fā)項目為期三年，由澳大利亞研究委員會資助。最近，該團(tuán)隊首次對這款最新的激光清理技術(shù)進(jìn)行測試，以確定其是否可以在悉尼港灣大橋養(yǎng)護(hù)工程中得到應(yīng)用。
使用連續(xù)激光和納秒脈沖激光技術(shù)進(jìn)行油漆剝離的方法已經(jīng)使用多年，已經(jīng)形成了一定的工業(yè)規(guī)模體系，隨處可以找到大量的供應(yīng)商。但是，納米級脈沖激光在清理結(jié)構(gòu)物體表面銹蝕時會產(chǎn)生大量的熱量，溫度足以使鋼鐵表面達(dá)到熔化的程度。因此，有些工程師擔(dān)心，如果將納秒激光脈沖技術(shù)應(yīng)用于悉尼港灣大橋，將有可能導(dǎo)致老化的鋼結(jié)構(gòu)更加脆弱，從而引起裂縫的擴(kuò)散。另外，高溫也容易造成作業(yè)工人被灼傷，而且激光處理點周圍的材料也容易被損壞。
為了解決上述問題，養(yǎng)護(hù)團(tuán)隊采用了一種鋼結(jié)構(gòu)表面清理的新技術(shù)，這種新技術(shù)是基于安德烈·羅德教授（Andrei Rode）和斯蒂芬·馬登（Stephen Madden）教授在澳大利亞國立大學(xué)的一項最新研究，這是一種在飛秒范圍內(nèi)使用的、強(qiáng)大的超短脈沖冷激光新技術(shù)，比納秒脈沖短100萬倍。
這種處理技術(shù)不僅能夠快速清理金屬和石材表面厚厚的防護(hù)底漆，達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用規(guī)模，而且對金屬和石材表面的損害也能達(dá)到最小。“飛秒級冷激光脈沖不會造成金屬表層熔化，就像啄木鳥啄掉油漆一樣，不會造成底層金屬出現(xiàn)裂縫。”悉尼道路及海事服務(wù)公司戰(zhàn)略基礎(chǔ)設(shè)施經(jīng)理皮特·曼恩（Peter Mann）說。“這項技術(shù)以及它的物理特性非常有價值，因為底部材料的粗糙度會增加防護(hù)涂料的附著性。”曼恩繼續(xù)說，“鋼結(jié)構(gòu)橋梁在養(yǎng)護(hù)過程中會遇到很多問題，比如腐蝕和疲勞載荷。因此，在運(yùn)用激光技術(shù)對橋梁進(jìn)行維護(hù)時需要格外小心，以免其對橋梁使用壽命產(chǎn)生不利影響。我們此次研究的目的是找出迄今為止最具成本效益的激光處理方法，并驗證這種方法不會對鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷。”
傳統(tǒng)的表面處理方法是噴砂處理法，但是由于悉尼港灣大橋的特殊性，噴砂處理法在該項目中無法得以應(yīng)用。原因有以下幾點：1.大橋拱門由數(shù)量龐大的中空鋼結(jié)構(gòu)桿件拼接而成，這些桿件形成了一個總長約7.2公里的密閉作業(yè)空間，無法進(jìn)行噴砂處理；2.這些桿件位于拱圈的不同位置，工程技術(shù)人員作業(yè)困難；3.桿件每6米有一個出入孔洞，但是這些孔洞直徑只有300毫米，大多數(shù)工人無法進(jìn)入；4.桿件內(nèi)部空間狹窄、位置錯綜復(fù)雜、可見度低。由于上述原因，大橋自建成以來，拱圈內(nèi)部從未進(jìn)行再噴涂。但是，隨著科技的進(jìn)步，激光清理技術(shù)逐漸成為一種可能的解決方案。
高效的超快激光清潔設(shè)備
養(yǎng)護(hù)團(tuán)隊面臨的第二個挑戰(zhàn)是鋼結(jié)構(gòu)桿件清理機(jī)器人研發(fā)，這種清理機(jī)器人不僅需要在空間狹窄的鋼結(jié)構(gòu)桿件中行走，還需要攜帶激光清理設(shè)備。雖然養(yǎng)護(hù)團(tuán)隊之前已經(jīng)開發(fā)出一款可行走機(jī)器人，但是他們還需要縮小激光處理設(shè)備，以便機(jī)器人攜帶并進(jìn)入作業(yè)區(qū)域。
曼恩表示，激光處理還沒有成為基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)技術(shù)的主流，還有一些困難需要克服。“目前的后勤部門面臨的困難，是如何在現(xiàn)場部署和使用這種激光設(shè)備，尤其是在橋梁工程上。考慮到悉尼港灣大橋的規(guī)模和桿件的難以接近性，激光設(shè)備和機(jī)器人需要足夠小才能進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部。但是對于大多數(shù)有足夠功率的既有激光器，都需要使用大型電力設(shè)備來驅(qū)動鐳射頭，比如激光掃描儀、制冷設(shè)備和真空裝置。”他說。
雖然鐳射頭上有一個用于凈化激光照射區(qū)域的小型真空吸塵器，但是設(shè)備另外還安裝了一個獨立的集塵設(shè)備，用以過濾空氣中的雜質(zhì)。在噴漆之前，機(jī)器人會使用真空吸塵器清理鋼結(jié)構(gòu)表面掉落的較大碎屑，并將把表面吹干凈。
澳洲國立大學(xué)研發(fā)團(tuán)隊的首要任務(wù)，是開發(fā)出一種在最佳激光輻射條件和最高效率情況下的超快激光清潔技術(shù)，清潔速度按照1平米/小時，激光功率按照1平米/小時瓦特，所有技術(shù)的前提是最小化殘余應(yīng)力和金屬破壞。澳大利亞核科學(xué)技術(shù)與技術(shù)組織和悉尼大學(xué)將對殘余應(yīng)力和疲勞強(qiáng)度性能進(jìn)行測試，道路及海事服務(wù)公司將為測試提供橋梁實際使用的鋼材和油漆樣本，并組織橋梁現(xiàn)場測試。堪培拉大學(xué)的專家將評估激光處理技術(shù)在橋梁主塔花崗巖部分的測試情況。
一旦激光清理技術(shù)通過測試以后，下一階段將是開發(fā)一種可以安裝在沃姆博特（Waumbot）上的特殊輔助連接設(shè)備。沃姆博特是道路與海事服務(wù)公司和悉尼理工大學(xué)（University of Technology，Sydney）經(jīng)過數(shù)年共同研發(fā)的一種橋梁養(yǎng)護(hù)機(jī)器人，目前已經(jīng)應(yīng)用于橋梁工程。這種激光清理技術(shù)不僅適用于鋼構(gòu)件內(nèi)壁清理，通過使用手持式激光器，也適用于結(jié)構(gòu)外部的維修。
假設(shè)這個研究項目能夠成功，根據(jù)現(xiàn)在的激光處理設(shè)備使用數(shù)量，對橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行清理和重新噴涂仍然需要5年時間才能完成。按照目前的估計，即使有10個功率為1千瓦的激光器每天工作24小時，每周工作7天，那么完成這項工作仍需3-5年的時間。
盡管如此，激光處理技術(shù)仍然擁有巨大的潛在市場，而且不僅僅局限于交通運(yùn)輸領(lǐng)域。單從橋梁方面說，世界范圍內(nèi)就有數(shù)以萬計的鋼結(jié)構(gòu)橋梁亟待維護(hù)。對于其他基礎(chǔ)設(shè)施，這種技術(shù)也能派上用場，比如飛機(jī)整修方面。如果一項技術(shù)可以消除基礎(chǔ)材料損壞所帶來的風(fēng)險，那這項技術(shù)將在未來大有可為。
這項新技術(shù)也有可能應(yīng)用于文物修復(fù)領(lǐng)域，因為在進(jìn)行文物修復(fù)時，技術(shù)人員不用擔(dān)心溫度過高的問題。一些實際的案例也證明使用納秒脈沖激光清理技術(shù)，對雕塑、青銅雕像、精美的陶土，甚至整個建筑立面進(jìn)行修復(fù)也是非常經(jīng)濟(jì)的。然而，對于像繪畫、鍍金表面和紡織物等不能承受溫度上升的精致物品來說，超短脈沖法也許能夠提供一些啟發(fā)。超快激光清潔已經(jīng)被用于清理復(fù)雜而且易碎的鍍金層，這在之前是無法處理的。但是，隨著大功率新技術(shù)的出現(xiàn)，這種技術(shù)的應(yīng)用范圍將會更大，比如應(yīng)用于嚴(yán)重污染的結(jié)構(gòu)。
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