6級(jí)大風(fēng)下“紋絲不動(dòng)”
斜拉橋、懸索橋這種橋型，因跨度大、造型美觀、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等特點(diǎn)，被越來越廣泛應(yīng)用。但這種橋型抗風(fēng)、抗振性能較弱，如果安全措施不到位，就會(huì)影響橋梁自身的舒適性、耐久性。
1940年建成通車的美國塔科馬橋，開通使用后僅4個(gè)月就被風(fēng)吹毀，成為世界橋梁史上的一場悲劇。塔科馬橋全長1810米，主跨853米，寬12米，離水面高59米，只有兩個(gè)車道，是那個(gè)年代最長的懸索大橋。大橋通車后不久，人們就發(fā)現(xiàn)此橋有一個(gè)很特別的地方，就是每當(dāng)大風(fēng)起時(shí)，橋就會(huì)“迎風(fēng)跳舞”，當(dāng)時(shí)很多人還把這當(dāng)奇景專門跑來觀看。可是好景不長。1940年11月7日，河上的風(fēng)突然變了方向和速度，以至于引發(fā)了橋梁的扭曲共振。最終，橋面在經(jīng)過了40多分鐘的振蕩后解體。
此后，世界斜拉橋、懸索橋的建設(shè)一度停滯。上世紀(jì)80年代末，有人提出設(shè)想，能否在斜拉橋、懸索橋上安置一些構(gòu)件，幫助橋梁提高抗風(fēng)能力？
然而，就在這個(gè)設(shè)想提出后僅僅幾年，中鐵大橋局橋科院的技術(shù)人員們便成功地研發(fā)了榮獲國家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)的“大橋減振器”，將設(shè)想變成了現(xiàn)實(shí)。有關(guān)專家介紹，將橋科院研發(fā)的“減振器”安裝在斜拉索或懸索上，可以有效化解風(fēng)力產(chǎn)生的振動(dòng)。
剛剛于9月28日正式建成通車的鄂東長江大橋，被稱為世界第二大混合梁斜拉橋，其中最長斜拉索長達(dá)494米，極易在風(fēng)雨、地震及交通等外界作用下產(chǎn)生大幅發(fā)散振動(dòng)。橋科院為大橋較長的200根斜拉索，安裝上了外置式粘性剪切型阻尼減振器，經(jīng)過測(cè)試，在六級(jí)左右的大風(fēng)作用下，肉眼看不到斜拉索振動(dòng)。
目前，橋科院根據(jù)不同的橋梁結(jié)構(gòu)、不同需求，先后研發(fā)了六種不同種類的“減振器”，并且均取得國家專利授權(quán)，已在武漢長江二橋、武漢天興洲長江大橋、杭州灣跨海大橋、京滬高鐵南京大勝關(guān)長江大橋、九江長江大橋、深圳仿艾菲爾鐵塔、印尼蘇馬拉都大橋等幾十座大型橋梁結(jié)構(gòu)上應(yīng)用，成為這些橋梁抗擊外力振蕩的“安全閥”。
大橋“腦電波”和“心電圖”近在咫尺
遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)呵護(hù)健康
一名工作人員打開電腦，輸入密碼后，很快，武漢陽邏大橋的各項(xiàng)數(shù)據(jù)便清晰地呈現(xiàn)在眼前。“這些數(shù)據(jù)就好像是人的‘腦電波’、‘心電圖’、‘肝功能’一樣，清楚地顯示陽邏大橋目前‘身體’的各項(xiàng)指標(biāo)均很健康。”工作人員指著電腦上不斷閃爍的光標(biāo)和數(shù)據(jù)告訴記者。
這套能遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)大橋健康狀況的系統(tǒng)，被稱為“橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，其開發(fā)者正是中鐵大橋局橋科院。該院一位專家告訴記者，普通路面如果受外力損傷，頂多是路面坑洼，而橋梁一旦內(nèi)部有損傷出現(xiàn)隱患，后果則不堪設(shè)想。以往針對(duì)橋梁的檢測(cè)大多是日常巡查，僅能通過目測(cè)發(fā)現(xiàn)橋的表面?zhèn)椋荒芗皶r(shí)了解“內(nèi)傷”狀況，而定期的專業(yè)勘查，則動(dòng)輒需要封橋封路，影響交通。
橋梁長期健康監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)新興技術(shù)，它是通過在橋梁各主要構(gòu)件的關(guān)鍵部位布置高可靠性和耐久性的各類傳感器，包括空氣溫度、濕度、加速度傳感器，以及振動(dòng)式索力計(jì)等裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，大橋一旦有“風(fēng)吹草動(dòng)”——比如因車輛超載超限或因撞擊等外力作用，導(dǎo)致橋面、索桿等結(jié)構(gòu)受力發(fā)生異常等，設(shè)在橋梁現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集工作站就會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)指標(biāo)，發(fā)出橙色或紅色預(yù)警，技術(shù)人員在辦公室內(nèi)即可發(fā)現(xiàn)，保證及時(shí)做出反應(yīng)，確保橋梁運(yùn)營安全。
橋科院從上世紀(jì)90年代，就開始研究橋梁健康監(jiān)測(cè)相關(guān)的測(cè)試技術(shù)、分析評(píng)估技術(shù)，基本完成了橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究。目前，該院已為陽邏大橋、軍山大橋等十余座大橋建立了長期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在研究陽邏長江大橋長期健康監(jiān)測(cè)平臺(tái)時(shí)，橋科院自主研發(fā)了溫度測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集，全橋2000米范圍內(nèi)88個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，可以在1分鐘之內(nèi)全部采集并記錄。
十多年開出700萬字“處方”
橋梁醫(yī)院力保“亞洲第一大橋”
橋科院有關(guān)專家介紹，當(dāng)前我國路橋建設(shè)正進(jìn)入跨越式發(fā)展時(shí)期，投資額逐年遞增。 然而由于車輛大幅度超載現(xiàn)象普遍，再加上一些政府部門重建輕修，使得道路上橫亙著不計(jì)其數(shù)的病橋和危橋。近年來，各地頻繁發(fā)生的橋梁垮塌事故，給國家和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成了重大損失。國家交通部門的統(tǒng)計(jì)顯示：截至2008年底，我國共有各類大小橋梁30多萬座，其中近半數(shù)正在帶病運(yùn)行。
此外，國內(nèi)有大量運(yùn)營了幾十年甚至近100年的老橋，由于年代久遠(yuǎn)、荷載等級(jí)提高等原因，使得一些橋梁的剩余使用年限和承載能力成為未知，而安全運(yùn)營又要求這些指標(biāo)滿足一定要求。
那么，怎樣才能準(zhǔn)確診斷橋梁病情？病橋是否已病入膏肓需要拆除，還是經(jīng)過強(qiáng)筋健骨的康復(fù)療法后可以繼續(xù)使用？這些需要通過哪些條件進(jìn)行判斷？
從上世紀(jì)90年代初開始，橋科院便在國內(nèi)率先開展了這方面的研究，并于2002年底成立名為“橋科院橋梁建筑結(jié)構(gòu)診治有限公司”的“專業(yè)橋梁醫(yī)院”，對(duì)橋梁建筑結(jié)構(gòu)提供檢測(cè)、評(píng)估、加固設(shè)計(jì)與施工一條龍服務(wù)。這也是國內(nèi)首家可以提供一條龍服務(wù)的橋梁加固公司。
對(duì)病橋進(jìn)行診斷，同樣需要在橋上安裝各種傳感器，就像醫(yī)生使用聽診器等對(duì)病人身體進(jìn)行檢測(cè)一樣，然后對(duì)檢測(cè)得來的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行會(huì)診，并通過各項(xiàng)模擬試驗(yàn)，為橋梁開出詳細(xì)的處方和治療方案。
1995年，濟(jì)南洛口黃河大橋邀請(qǐng)國內(nèi)專家對(duì)大橋進(jìn)行剩余壽命評(píng)估。當(dāng)時(shí)，多數(shù)評(píng)估單位都認(rèn)為大橋使用壽命已到，應(yīng)該立刻拆除。而橋科院經(jīng)過各項(xiàng)科學(xué)評(píng)估后認(rèn)為，這座大橋經(jīng)過康復(fù)療法進(jìn)行改造加固后可以繼續(xù)使用。最終，有關(guān)單位采納了橋科院的方案，使這座有“亞洲第一大橋”之譽(yù)的老橋避免了拆除的命運(yùn)。至今，濟(jì)南洛口黃河大橋仍在安全使用。“對(duì)病橋的診斷一定要科學(xué)并立足實(shí)際，不能搞簡單化的休克療法。挽救病橋如同挽救病人的生命，就像醫(yī)生在面對(duì)是否截肢的選擇時(shí)一定要慎重，不到萬不得已不要輕易動(dòng)刀。”一位專家告訴記者。
十幾年來，武漢“橋梁醫(yī)院”派出多個(gè)小分隊(duì)奔赴大江南北，先后為錢塘江大橋、杭州灣跨海大橋、武漢陽邏長江大橋、廣州珠江黃浦橋、汕頭海灣大橋等幾百座橋梁進(jìn)行體檢，開出總計(jì)約700萬字的養(yǎng)護(hù)處方。
2000年，橋科院對(duì)我國自行設(shè)計(jì)、建造的第一座公鐵兩用橋——錢塘江一橋，開展了病害、承載力檢測(cè)評(píng)估及維修加固設(shè)計(jì)和施工，使這座飽經(jīng)戰(zhàn)火摧殘的大橋又煥發(fā)了青春。
“臨床試驗(yàn)”阻斷設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)
仿真模型為建橋提供科學(xué)依據(jù)
在中鐵大橋局橋科院的陳列廳里，武漢長江二橋、九江長江大橋、杭州灣跨海大橋……這些橋梁試驗(yàn)?zāi)Ｐ停察o地聳立著。那逼真的斜拉索、精巧的鋼制橋身，仿佛向人們展示著一座又一座橋梁在誕生之前的最原始形態(tài)。身處這里，仿佛是在一個(gè)橋梁搖籃中徜徉。
一座橋梁在設(shè)計(jì)完成后，設(shè)計(jì)中是否存在缺陷，哪些設(shè)計(jì)在具體施工中會(huì)遇到困難等，都需要通過模型試驗(yàn)，進(jìn)行全仿真性科學(xué)驗(yàn)證。就好比一種新藥或新的診療技術(shù)問世后，都需要先進(jìn)行臨床試驗(yàn)一樣。
橋科院的專家向記者介紹，模型試驗(yàn)是橋科院最具特色的項(xiàng)目，上世紀(jì)在長江黃河上修建的大橋，幾乎都由橋科院進(jìn)行過整體或局部模型試驗(yàn)。通過制作橋梁模型，模仿橋梁結(jié)構(gòu)受力狀況，可以真實(shí)地反映出結(jié)構(gòu)在受力狀態(tài)下可能出現(xiàn)的問題，從而有針對(duì)性地解決設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題。
2007年3月，由橋科院承擔(dān)的天興洲大橋鐵路混凝土板結(jié)合橋面模型試驗(yàn)研究，歷時(shí)11個(gè)月后結(jié)束。天興洲公鐵兩用長江大橋，采用雙塔三索面斜拉橋結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)荷載大、結(jié)構(gòu)新穎。橋科院依據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果，針對(duì)實(shí)橋的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和施工提出合理化建議，為設(shè)計(jì)、施工提供科學(xué)依據(jù)。
