據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國(guó)公路橋梁總數(shù)達(dá)73.53萬(wàn)座,各類鐵路橋梁總數(shù)達(dá)18萬(wàn)座,已成為世界第一橋梁大國(guó),但同時(shí)也進(jìn)入了橋梁垮塌等安全事故高發(fā)期。目前我國(guó)公路路網(wǎng)中在役橋梁40%服役超20年,技術(shù)等級(jí)為三、四類的帶病橋梁達(dá)30%,15%的橋梁(約10萬(wàn)座)為危橋,存在嚴(yán)重的安全隱患。此外,由于我國(guó)高速鐵路建設(shè)運(yùn)營(yíng)時(shí)間不長(zhǎng),運(yùn)營(yíng)階段橋梁檢測(cè)、評(píng)估、管養(yǎng)相關(guān)的技術(shù)和規(guī)范還很不完善,迫切需要研究相關(guān)技術(shù),并研發(fā)相應(yīng)的裝備,以確保高速鐵路的安全運(yùn)營(yíng)。
實(shí)驗(yàn)室主任劉自明稱,未來(lái)5年,該重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室將結(jié)合國(guó)家重大橋梁工程項(xiàng)目實(shí)踐,并將特別關(guān)注高速鐵路橋梁的安全運(yùn)營(yíng)和橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力安全,形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的橋梁健康與安全成套關(guān)鍵技術(shù),提升產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新能力和核心競(jìng)爭(zhēng)力,形成該領(lǐng)域國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際一流的研發(fā)平臺(tái),為國(guó)家橋梁產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐和服務(wù)。
揭牌儀式后舉辦了首屆學(xué)術(shù)委員會(huì)第一次會(huì)議,中國(guó)工程院秦順全、聶建國(guó)、杜彥良、歐進(jìn)萍四位院士以及設(shè)計(jì)大師馬庭林、武廣客專有限責(zé)任公司總經(jīng)理王志堅(jiān)等十余名專家以及實(shí)驗(yàn)室相關(guān)負(fù)責(zé)人參加了會(huì)議。實(shí)驗(yàn)室主任劉自明為學(xué)術(shù)委員會(huì)主任、副主任以及各位委員正式頒發(fā)了聘書。隨后劉自明就實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)規(guī)劃向?qū)W術(shù)委員會(huì)作了工作報(bào)告,學(xué)術(shù)委員會(huì)對(duì)工作報(bào)告、學(xué)術(shù)委員會(huì)工作條例等內(nèi)容進(jìn)行了審議并形成了決議。
一、為什么要建設(shè)橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?
橋梁工程是陸路交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與社會(huì)生活的正常運(yùn)行乃至國(guó)防安全的保障均發(fā)揮著關(guān)鍵性作用,因此橋梁工程被認(rèn)定為生命線工程,在交通基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域具有舉足輕重的地位。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),全國(guó)公路橋梁總數(shù)達(dá)73.53萬(wàn)座,其中特大橋數(shù)量達(dá)3075座,大橋67677座,小橋66.5萬(wàn)座,共3100萬(wàn)延米(以上數(shù)據(jù)尚不含城市橋梁);全國(guó)各類鐵路橋梁總數(shù)達(dá)18萬(wàn)座,約44萬(wàn)孔(其中普通鐵路橋梁有14萬(wàn)孔,高鐵橋梁有近30萬(wàn)孔),總長(zhǎng)880萬(wàn)延米;最近20年來(lái),我國(guó)建造的橋梁數(shù)量比世界上任何國(guó)家都要多,我國(guó)已成為名副其實(shí)的橋梁大國(guó)。
但是,近年來(lái)不斷發(fā)生的橋梁垮塌事故,說明我國(guó)橋梁建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理方面存在不少問題,與世界發(fā)達(dá)國(guó)家也存在不小的差距,且安全事故的發(fā)生有加速趨勢(shì),已經(jīng)進(jìn)入安全事故高發(fā)期,橋梁安全形勢(shì)十分嚴(yán)峻。
除了引起人們高度關(guān)注的橋梁垮塌事故以外,我國(guó)在建和服役橋梁的健康狀況也不容樂觀,很多橋梁存在安全隱患。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前我國(guó)公路路網(wǎng)中在役橋梁40%服役超20年,技術(shù)等級(jí)為三、四類的帶病橋梁達(dá)30%,15%的橋梁(約10萬(wàn)座)為危橋,存在嚴(yán)重的安全隱患。
在橋梁安全與健康領(lǐng)域建立國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,開展相關(guān)科學(xué)問題的理論和應(yīng)用研究,對(duì)保障我國(guó)橋梁的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)安全、保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)及社會(huì)公共財(cái)富、推動(dòng)橋梁行業(yè)可持續(xù)性發(fā)展、提升產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新能力和核心競(jìng)爭(zhēng)力具有重大意義。
二、橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為什么落戶中鐵大橋局?
有“中國(guó)建橋最多的企業(yè)”之稱的中鐵大橋局集團(tuán)是集科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)、建筑施工、裝備研發(fā)于一體的科技型企業(yè),“風(fēng)雨一甲子、彩虹兩千座”,獲得了300多項(xiàng)國(guó)家和省部級(jí)以上獎(jiǎng)項(xiàng),其中國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)3項(xiàng),一等獎(jiǎng)6項(xiàng),取得了315項(xiàng)國(guó)家專利,先后培育了中國(guó)科學(xué)院院士1名、中國(guó)工程院院士3名,全國(guó)勘察設(shè)計(jì)大師5名,國(guó)家級(jí)、省部級(jí)專家200余名。
60年來(lái),中鐵大橋局在橋梁建設(shè)及健康與安全研究領(lǐng)域中一直處于領(lǐng)先地位,引領(lǐng)著中國(guó)橋梁事業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展:
它推動(dòng)了新中國(guó)橋梁結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展。首創(chuàng)了新中國(guó)橋梁的主要基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)形式,如采用連續(xù)鋼桁梁的“萬(wàn)里長(zhǎng)江第一橋”——武漢長(zhǎng)江大橋,采用斜拉橋型式的天津永和橋,采用剛性桁柔性拱型式的九江長(zhǎng)江大橋,采用預(yù)應(yīng)力混凝土加勁梁懸索橋型式的汕頭海灣大橋,采用三索面、三主桁斜拉橋型式的武漢天興洲公鐵兩用長(zhǎng)江大橋,采用三主桁桁架拱橋型式的南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋。
它引領(lǐng)了新中國(guó)橋梁建造技術(shù)的發(fā)展。發(fā)明了適用于深水基礎(chǔ)的雙壁鋼圍堰施工技術(shù),至今該技術(shù)仍是橋梁深水基礎(chǔ)的主要施工方法。開創(chuàng)了鋼桁梁整節(jié)段架設(shè)和鋼桁梁多點(diǎn)連續(xù)同步頂推技術(shù),引領(lǐng)了中國(guó)鋼桁梁建造技術(shù)的發(fā)展方向。
它引領(lǐng)了橋梁運(yùn)營(yíng)期安全與健康技術(shù)的發(fā)展。是國(guó)內(nèi)最早開展橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究的單位之一,擁有全國(guó)唯一一家以橋梁科學(xué)研究為主體的科學(xué)研究院,成立了國(guó)內(nèi)首家“橋梁結(jié)構(gòu)安全與健康”領(lǐng)域的省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,搭建了國(guó)內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的“橋梁結(jié)構(gòu)安全與健康云計(jì)算數(shù)據(jù)中心”,推動(dòng)了我國(guó)橋梁運(yùn)營(yíng)期健康與安全領(lǐng)域技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,并依托數(shù)千座重大橋梁工程的科研、設(shè)計(jì)、建造、檢測(cè)及加固中積累的橋梁基礎(chǔ)信息和科研數(shù)據(jù),建立了龐大的橋梁病害特征數(shù)據(jù)庫(kù)及橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù),為重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
它推動(dòng)了新中國(guó)橋梁新材料的發(fā)展。在承建的幾座里程碑式工程中進(jìn)行了新一代的橋梁用鋼的研發(fā),從南京長(zhǎng)江大橋的16Mnq鋼、九江長(zhǎng)江大橋的15MnVNq鋼、蕪湖長(zhǎng)江大橋的14MnNbq鋼,到南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋的Q420qE鋼,使國(guó)家橋梁規(guī)范中鋼種強(qiáng)度提升到新的高度。
中鐵大橋局一直秉承“跨越天塹,超越自我”的企業(yè)精神,以“架橋鋪路、造福人類”為己任,有志于將實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成為聚集培養(yǎng)優(yōu)秀科技人才、開展高水平科學(xué)研究和高層次國(guó)際學(xué)術(shù)交流、引領(lǐng)行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新、促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的重要基地,為解決橋梁健康與安全領(lǐng)域所面臨的重大科學(xué)技術(shù)問題做出更大貢獻(xiàn)。
三、橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究方向及主要研究?jī)?nèi)容有哪些?
橋梁的健康和安全涉及設(shè)計(jì)、建造、檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、管養(yǎng)及加固等方面,實(shí)驗(yàn)室從這條主線出發(fā),并特別關(guān)注高速鐵路橋梁的安全運(yùn)營(yíng)和橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力安全兩個(gè)方向,主要從6個(gè)方向開展研究:
1、超大跨度橋梁及橋梁結(jié)構(gòu)全壽命周期設(shè)計(jì)理論研究
當(dāng)前橋梁技術(shù)迅猛發(fā)展,跨度不斷超越,豐富和完善超大跨度橋梁設(shè)計(jì)理論和方法是當(dāng)前世界橋梁科技發(fā)展的需求。開展橋梁結(jié)構(gòu)全壽命周期健康設(shè)計(jì)理論研究,是橋梁健康與安全課題的基礎(chǔ)性工作。
?、俪罂缍葮蛄航Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法:橋梁構(gòu)件和結(jié)構(gòu)體系的可靠度分析方法,超大跨度橋梁結(jié)構(gòu)型式。
?、跇蛄航Y(jié)構(gòu)全壽命周期健康設(shè)計(jì)理論:橋梁結(jié)構(gòu)全壽命健康設(shè)計(jì)理論和方法。
③橋梁新材料研究:超高性能混凝土及其在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用;纖維復(fù)合材料及其在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。
2、復(fù)雜環(huán)境下橋梁安全建造關(guān)鍵技術(shù)
復(fù)雜環(huán)境下建造橋梁必然會(huì)遇到各種各樣的難題,因此,針對(duì)復(fù)雜環(huán)境下在建、擬建或前瞻性的橋梁結(jié)構(gòu),進(jìn)行超前研究是橋梁安全建造的前提和保證,總結(jié)歸納后研究?jī)?nèi)容如下:
?、?gòu)?fù)雜環(huán)境下橋梁深水基礎(chǔ)建造技術(shù):大型沉井設(shè)計(jì)與施工新技術(shù),大直徑鋼斜樁的施工技術(shù),深水設(shè)置基礎(chǔ)建造技術(shù)。
②海洋橋梁深水基礎(chǔ)波浪力:波浪力理論、數(shù)值模擬和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
?、蹣蛄菏┕S么笮脱b備研發(fā)。
3、橋梁健康診斷評(píng)估及數(shù)字化養(yǎng)護(hù)
準(zhǔn)確地診斷評(píng)估結(jié)構(gòu)的健康狀況、科學(xué)地進(jìn)行養(yǎng)護(hù)決策、避免橋梁出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)、降低使用維護(hù)成本,是保障服役橋梁安全與健康需要解決的核心技術(shù)問題。服役橋梁的病害和缺損往往處于隱蔽部位,受交通荷載及環(huán)境的影響較大,劣化機(jī)理復(fù)雜,給橋梁安全和健康因素的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、識(shí)別和養(yǎng)護(hù)決策方面帶來(lái)較大的難度,需要分別開展專項(xiàng)研究。
?、俳Y(jié)構(gòu)損傷識(shí)別和壽命評(píng)估:荷載與環(huán)境耦合作用下混凝土構(gòu)件的功能退化機(jī)理;腐蝕和交變應(yīng)力共同作用下鋼結(jié)構(gòu)的功能退化及疲勞損傷機(jī)理;基于多學(xué)科交叉的橋梁結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理與評(píng)估理論。
?、跈z測(cè)新技術(shù)與裝備:橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部隱蔽缺陷與損傷檢測(cè)技術(shù);橋梁外觀圖像識(shí)別檢測(cè)技術(shù);索結(jié)構(gòu)損傷自動(dòng)檢測(cè)機(jī)器人;橋梁結(jié)構(gòu)快速檢測(cè)系統(tǒng)集成。
?、刍谖锫?lián)網(wǎng)和云計(jì)算的橋梁健康監(jiān)測(cè)及數(shù)字化養(yǎng)護(hù)技術(shù):基于物聯(lián)網(wǎng)的新型智能傳感技術(shù);基于大數(shù)據(jù)分析的健康狀態(tài)預(yù)測(cè)和報(bào)警;橋梁安全云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)研發(fā)與應(yīng)用;基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng);橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)指南和標(biāo)準(zhǔn);橋梁數(shù)字化養(yǎng)護(hù)技術(shù)。
4、橋梁結(jié)構(gòu)功能恢復(fù)及提升
針對(duì)病害橋梁開展結(jié)構(gòu)功能恢復(fù)及針對(duì)承載能力不足的橋梁進(jìn)行功能提升,是維持及提升橋梁使用功能,預(yù)防和避免橋梁垮塌安全事故發(fā)生的必要手段,在資金效率最優(yōu)的條件下,確保橋梁的使用安全,延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。大量既有橋梁存在各種不同病害,不僅需對(duì)大量常見病害處治技術(shù)進(jìn)行研究,而且還需對(duì)特殊典型橋梁病害處治新技術(shù)進(jìn)行深入研究。我國(guó)大型深水橋梁建設(shè)正逐漸增多,進(jìn)行深水基礎(chǔ)改造技術(shù)的研究是非常必要的。古舊文物類橋梁通常地處鬧市中心,技術(shù)和環(huán)保要求都很高,在“修舊如舊”的總體要求下需要開展其功能恢復(fù)和提升技術(shù)研究。因此,結(jié)構(gòu)功能恢復(fù)和提升是橋梁健康與安全的重要研究課題。
①橋梁功能恢復(fù)與提升新材料和新技術(shù):橋梁結(jié)構(gòu)加固高性能復(fù)合材料;橋梁結(jié)構(gòu)加固關(guān)鍵技術(shù)。
?、诘湫蜆蛄汗δ芑謴?fù):大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)體系結(jié)構(gòu)下?lián)暇C合修復(fù)技術(shù);基于剛度匹配的多重材料正交異性鋼橋面板修復(fù)技術(shù);城市橋梁快速修復(fù)成套技術(shù);火災(zāi)致?lián)p橋梁評(píng)估及修復(fù)成套技術(shù);文物橋梁修繕技術(shù)。
③既有鐵路重載化與提速改造的橋梁功能提升技術(shù):重載化改造典型橋梁承載力綜合提升技術(shù);既有鐵路提速改造典型橋梁橫向剛度增強(qiáng)技術(shù);預(yù)應(yīng)力加固系統(tǒng)靜力及疲勞性能。
5、高速鐵路橋梁安全運(yùn)營(yíng)關(guān)鍵技術(shù)
我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程數(shù)已躍居世界首位,高速鐵路建設(shè)取得了舉世矚目的成就,但是,由于高速鐵路橋梁數(shù)量眾多、橋型多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,而我國(guó)高速鐵路建設(shè)運(yùn)營(yíng)時(shí)間不長(zhǎng),運(yùn)營(yíng)階段橋梁檢測(cè)、評(píng)估、管養(yǎng)相關(guān)的技術(shù)和規(guī)范還很不完善,迫切需要建立高速鐵路橋梁安全運(yùn)營(yíng)指標(biāo)體系,制定管養(yǎng)相關(guān)的規(guī)范,研究高速鐵路橋梁檢測(cè)、管養(yǎng)、防護(hù)方面的技術(shù),并研發(fā)相應(yīng)的裝備,以確保高速鐵路的安全運(yùn)營(yíng)。
?、俑咚勹F路橋梁安全運(yùn)營(yíng)指標(biāo)體系及養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn):高速列車荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)功能退化機(jī)理研究;高速鐵路橋梁高應(yīng)力構(gòu)件及高強(qiáng)螺栓延遲斷裂機(jī)理研究;高速鐵路橋梁健康與安全運(yùn)營(yíng)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系;高速鐵路橋梁檢定與養(yǎng)護(hù)研究。
?、诟咚勹F路橋梁檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)及裝備:高速鐵路橋梁靜動(dòng)力特性非接觸檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù);高速鐵路路橋過渡段沉降監(jiān)測(cè)技術(shù);高速鐵路橋梁伸縮縫及軌道伸縮調(diào)節(jié)裝置監(jiān)測(cè)技術(shù);橋上軌道溫變機(jī)理及變形監(jiān)測(cè)技術(shù);高速鐵路異物侵入智能復(fù)合預(yù)警技術(shù)。
③高速鐵路橋梁養(yǎng)護(hù)、快速修復(fù)技術(shù)及裝備:高速鐵路橋梁自動(dòng)化養(yǎng)護(hù)及修復(fù)技術(shù);高速鐵路橋梁標(biāo)準(zhǔn)梁段的快速更換技術(shù)。
6、橋梁結(jié)構(gòu)防護(hù)及動(dòng)力安全控制技術(shù)
隨著新材料、新工藝的應(yīng)用,橋梁結(jié)構(gòu)日益向高、大、輕、柔的方向發(fā)展,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度與阻尼減小。橋梁結(jié)構(gòu)在風(fēng)、海浪、列車、地震等動(dòng)力荷載作用下,會(huì)產(chǎn)生明顯的振動(dòng)。大幅振動(dòng)輕則引起行車、行人不適,影響其使用功能,重則因過大響應(yīng)的累積使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞損傷,乃至疲勞破壞,強(qiáng)烈的振動(dòng)甚至?xí)箻蛄航Y(jié)構(gòu)動(dòng)力失穩(wěn)而導(dǎo)致垮塌。因此,為保證大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的健康與安全,必須對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力安全控制技術(shù)與裝備的研究。我國(guó)橋梁基礎(chǔ)遭遇船舶撞擊的事故也多次發(fā)生,應(yīng)研究新材料新構(gòu)造的橋墩基礎(chǔ)防撞裝置,提高橋梁基礎(chǔ)防撞效果。處于室外自然狀態(tài)中的橋梁要經(jīng)受各種惡劣氣候的交替作用,加上大氣污染物排放導(dǎo)致的酸雨等腐蝕因素,橋梁的防腐技術(shù)顯得尤為重要。
①橋梁防護(hù)技術(shù):橋梁防撞技術(shù);橋梁防腐技術(shù)。
?、跇蛄航Y(jié)構(gòu)動(dòng)力安全控制技術(shù):被動(dòng)、半主動(dòng)及主動(dòng)控制方法及效率的比較研究;橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力安全控制多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化方法;時(shí)變橋梁結(jié)構(gòu)高效振動(dòng)控制系統(tǒng)的魯棒控制策略。
③橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力安全控制裝備:超低頻調(diào)諧式減振器;主動(dòng)、半主動(dòng)及智能魯棒控制器與作動(dòng)器;高承載力與多功能耐久抗震裝備。
四、什么是國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?
國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是依托法人單位建設(shè)、具有相對(duì)獨(dú)立的人事權(quán)和財(cái)務(wù)權(quán)的科研實(shí)體,作為國(guó)家科技創(chuàng)新體系的重要組成部分,是國(guó)家組織高水平基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究、聚集和培養(yǎng)優(yōu)秀科學(xué)家、開展高層次學(xué)術(shù)交流的重要基地,實(shí)驗(yàn)室實(shí)行“開放、流動(dòng)、聯(lián)合、競(jìng)爭(zhēng)”的運(yùn)行機(jī)制。在科學(xué)前沿的探索中具有創(chuàng)新思想;或滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展及國(guó)家安全需求,在重大關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新和系統(tǒng)集成方面成果突出;或積累基本科學(xué)數(shù)據(jù)、資料和信息,并提供共享服務(wù),為國(guó)家宏觀決策提供科學(xué)依據(jù)。
國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃于1984年由國(guó)家計(jì)委制定開始實(shí)施,1998年交給科技部。截至2008年上半年,國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室共計(jì)220個(gè),覆蓋了中國(guó)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究的大部分學(xué)科領(lǐng)域。