橋梁專家是如何像醫(yī)生一樣實時監(jiān)測著大橋健康的
2014-04-08 來源：360文庫
浩浩江河之上，越來越多的橋梁飛跨兩岸。這些橋梁的安全性如何保障？“健康”狀況由誰診斷？中鐵大橋局橋科院，作為國內(nèi)唯一專門從事橋梁科學研究的單位，擁有豐富的護橋經(jīng)驗和先進的安全檢測技術，更有諸多令人稱奇的高科技“尖板眼”。比如，一個看似不起眼的大橋“減振器”，是如何讓懸索橋梁不再“風吹草動”的？橋梁專家又是如何像醫(yī)生一樣實時監(jiān)測著大橋健康的……近日，記者專程來到中鐵大橋局橋科院進行探秘。
懸索橋上加裝“減振器”
6級大風下“紋絲不動”
斜拉橋、懸索橋這種橋型，因跨度大、造型美觀、經(jīng)濟實用等特點，被越來越廣泛應用。但這種橋型抗風、抗振性能較弱，如果安全措施不到位，就會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個月就被風吹毀，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，只有兩個車道，是那個年代最長的懸索大橋。大橋通車后不久，人們就發(fā)現(xiàn)此橋有一個很特別的地方，就是每當大風起時，橋就會“迎風跳舞”，當時很多人還把這當奇景專門跑來觀看。可是好景不長。1940年11月7日，河上的風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。汀軒
此后，世界斜拉橋、懸索橋的建設一度停滯。上世紀80年代末，有人提出設想，能否在斜拉橋、懸索橋上安置一些構件，幫助橋梁提高抗風能力？
然而，就在這個設想提出后僅僅幾年，中鐵大橋局橋科院的技術人員們便成功地研發(fā)了榮獲國家科技進步三等獎的“大橋減振器”，將設想變成了現(xiàn)實。有關專家介紹，將橋科院研發(fā)的“減振器”安裝在斜拉索或懸索上，可以有效化解風力產(chǎn)生的振動。
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494米，極易在風雨、地震及交通等外界作用下產(chǎn)生大幅發(fā)散振動。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)過測試，在六級左右的大風作用下，肉眼看不到斜拉索振動。ps中國
目前，橋科院根據(jù)不同的橋梁結構、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，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構上應用，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
遠程監(jiān)測系統(tǒng)呵護健康
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’的各項指標均很健康。”工作人員指著電腦上不斷閃爍的光標和數(shù)據(jù)告訴記者。
這套能遠程監(jiān)測大橋健康狀況的系統(tǒng)，被稱為“橋梁健康監(jiān)測系統(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，后果則不堪設想。以往針對橋梁的檢測大多是日常巡查，僅能通過目測發(fā)現(xiàn)橋的表面?zhèn)?，不能及時了解“內(nèi)傷”狀況，而定期的專業(yè)勘查，則動輒需要封橋封路，影響交通。
橋梁長期健康監(jiān)測是一項新興技術，它是通過在橋梁各主要構件的關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，以及振動式索力計等裝置，實時監(jiān)測橋梁的動態(tài)數(shù)據(jù)，大橋一旦有“風吹草動”——比如因車輛超載超限或因撞擊等外力作用，導致橋面、索桿等結構受力發(fā)生異常等，設在橋梁現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集工作站就會根據(jù)預設指標，發(fā)出橙色或紅色預警，技術人員在辦公室內(nèi)即可發(fā)現(xiàn)，保證及時做出反應，確保橋梁運營安全。
橋科院從上世紀90年代，就開始研究橋梁健康監(jiān)測相關的測試技術、分析評估技術，基本完成了橋梁健康監(jiān)測系統(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)測系統(tǒng)。在研究陽邏長江大橋長期健康監(jiān)測平臺時，橋科院自主研發(fā)了溫度測試系統(tǒng)實現(xiàn)計算機自動采集，全橋2000米范圍內(nèi)88個測點的數(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”
橋科院有關專家介紹，當前我國路橋建設正進入跨越式發(fā)展時期，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產(chǎn)安全造成了重大損失。國家交通部門的統(tǒng)計顯示：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)正在帶病運行。
此外，國內(nèi)有大量運營了幾十年甚至近100年的老橋，由于年代久遠、荷載等級提高等原因，使得一些橋梁的剩余使用年限和承載能力成為未知，而安全運營又要求這些指標滿足一定要求。
那么，怎樣才能準確診斷橋梁病情？病橋是否已病入膏肓需要拆除，還是經(jīng)過強筋健骨的康復療法后可以繼續(xù)使用？這些需要通過哪些條件進行判斷？
從上世紀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“橋科院橋梁建筑結構診治有限公司”的“專業(yè)橋梁醫(yī)院”，對橋梁建筑結構提供檢測、評估、加固設計與施工一條龍服務。這也是國內(nèi)首家可以提供一條龍服務的橋梁加固公司。
對病橋進行診斷，同樣需要在橋上安裝各種傳感器，就像醫(yī)生使用聽診器等對病人身體進行檢測一樣，然后對檢測得來的數(shù)據(jù)信息進行會診，并通過各項模擬試驗，為橋梁開出詳細的處方和治療方案。
1995年，濟南洛口黃河大橋邀請國內(nèi)專家對大橋進行剩余壽命評估。當時，多數(shù)評估單位都認為大橋使用壽命已到，應該立刻拆除。而橋科院經(jīng)過各項科學評估后認為，這座大橋經(jīng)過康復療法進行改造加固后可以繼續(xù)使用。最終，有關單位采納了橋科院的方案，使這座有“亞洲第一大橋”之譽的老橋避免了拆除的命運。至今，濟南洛口黃河大橋仍在安全使用。“對病橋的診斷一定要科學并立足實際，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)生在面對是否截肢的選擇時一定要慎重，不到萬不得已不要輕易動刀。”一位專家告訴記者。
十幾年來，武漢“橋梁醫(yī)院”派出多個小分隊奔赴大江南北，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行體檢，開出總計約700萬字的養(yǎng)護處方。
2000年，橋科院對我國自行設計、建造的第一座公鐵兩用橋——錢塘江一橋，開展了病害、承載力檢測評估及維修加固設計和施工，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”阻斷設計風險
仿真模型為建橋提供科學依據(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……這些橋梁試驗模型，安靜地聳立著。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，仿佛是在一個橋梁搖籃中徜徉。
一座橋梁在設計完成后，設計中是否存在缺陷，哪些設計在具體施工中會遇到困難等，都需要通過模型試驗，進行全仿真性科學驗證。就好比一種新藥或新的診療技術問世后，都需要先進行臨床試驗一樣。
