初秋的青島，綿綿細(xì)雨伴著海風(fēng)悄然而至。預(yù)計(jì)還有不到一年的時(shí)間，這里就將誕生一座全長(zhǎng)超過41.58公里的“世界第一跨海長(zhǎng)橋”——青島海灣大橋。9月8日至10日，在這座大橋的故鄉(xiāng)青島，“全國(guó)大型橋梁工程耐久性技術(shù)發(fā)展研討會(huì)”隆重舉行。此次會(huì)議由中國(guó)公路學(xué)會(huì)主辦、山東高速集團(tuán)有限公司承辦，吸引了來自全國(guó)各地橋梁管理、建設(shè)及科研單位的近200名代表參加。
國(guó)際橋梁與結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì)主席康寶特，中國(guó)公路學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)李居昌、專家委員會(huì)主任王玉、秘書長(zhǎng)劉文杰，交通運(yùn)輸部科技司副司長(zhǎng)張延華，山東高速集團(tuán)董事長(zhǎng)孫亮、副總經(jīng)理周勇，山東省交通運(yùn)輸廳總工程師伊大邁，青島市交通運(yùn)輸委副主任韓守信以及中交公路養(yǎng)護(hù)工程技術(shù)有限公司董事長(zhǎng)楊儉存等領(lǐng)導(dǎo)出席了開幕式。山東高速集團(tuán)技術(shù)工程部部長(zhǎng)朱偉、山東高速青島海灣大橋建設(shè)指揮部指揮長(zhǎng)姜言泉等也出席了會(huì)議。
在為期3天的會(huì)議中，國(guó)際橋梁與結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì)主席康寶特，中國(guó)工程院院士、中國(guó)科學(xué)院海洋研究所研究員侯保榮，加拿大工程院院士、香港工程院院士張慕圣，香港理工大學(xué)教授倪一清，日本本州四國(guó)聯(lián)絡(luò)橋高速公路股份有限公司技術(shù)總監(jiān)帆足博明，清華大學(xué)教授路新瀛，同濟(jì)大學(xué)教授陳艾榮，浙江大學(xué)教授金偉良，以及山東高速青島公路有限公司研究員邵新鵬等15位中外知名專家、學(xué)者，為與會(huì)代表們奉獻(xiàn)了一場(chǎng)場(chǎng)精彩的報(bào)告。專家們圍繞實(shí)現(xiàn)橋梁建設(shè)與運(yùn)營(yíng)的成本最優(yōu)配置，降低橋梁結(jié)構(gòu)全壽命周期的經(jīng)濟(jì)投入，節(jié)約橋梁設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的資源消耗等議題，闡述了各自最新的設(shè)計(jì)理念、科研成果和技術(shù)應(yīng)用。
近年來，我國(guó)沿江、沿海建設(shè)了一大批世界級(jí)的大跨徑橋梁。與此同時(shí)，圍繞這些大型橋梁工程的耐久性研究，正越來越引起各國(guó)專家的廣泛關(guān)注。特別是跨海大橋，由于在腐蝕、抗風(fēng)以及健康檢測(cè)等方面的情況更為復(fù)雜，一直都是業(yè)界的熱議話題。“正如同這個(gè)浮躁的社會(huì)，工程建設(shè)領(lǐng)域的浮躁比比皆是，人們普遍關(guān)注的是眼前成果。”中國(guó)公路學(xué)會(huì)秘書長(zhǎng)劉文杰評(píng)價(jià)此次會(huì)議“圍繞橋梁耐久性這個(gè)課題展開討論和交流，應(yīng)該說是一種遠(yuǎn)見”。
橋梁壽命周期：設(shè)計(jì)賦予其生命
我國(guó)有許多已經(jīng)建成的大型橋梁工程項(xiàng)目，如：上海盧浦大橋、重慶朝天門大橋、廣州黃埔大橋、江蘇蘇通大橋等，還有許多正在建設(shè)的橋梁，如：
泰州長(zhǎng)江大橋、港珠澳大橋等，刷新了一項(xiàng)項(xiàng)世界紀(jì)錄。
同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系教授陳艾榮提出，除了擴(kuò)大橋梁跨徑以外，我們還需要思考更多的問題，比如：橋梁的耐久性、持續(xù)性和安全性等。與此同時(shí)，將這些“理念”通過“技術(shù)”的手段轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;工具”。
橋梁的壽命周期理論被討論了多年，該理論起源于歐美，主要是針對(duì)橋梁的維修與優(yōu)化，周期的概念一般只考慮橋梁的管養(yǎng)階段。那么，如果將設(shè)計(jì)和施工過程包含其中，橋梁的壽命周期理論將會(huì)變得更為復(fù)雜，而這正是我們需要思考的問題。
陳艾榮教授認(rèn)為，壽命周期的設(shè)計(jì)不能也不是單純的數(shù)字，工程師才是設(shè)計(jì)的靈魂。他們應(yīng)該知道什么是需要考慮的以及如何考慮。壽命周期理論最重要的目標(biāo)就是給工程師們提供一個(gè)清晰的框架和一些有用的工具。具體來說，所有的設(shè)計(jì)工作都基于一個(gè)給定的橋梁使用壽命。設(shè)計(jì)過程可分為具有代表性的六部分：壽命給定、造型設(shè)計(jì)、性能設(shè)計(jì)、生態(tài)設(shè)計(jì)、管養(yǎng)設(shè)計(jì)和壽命周期成本分析。
其中，耐久性設(shè)計(jì)是橋梁性能設(shè)計(jì)的一部分，目的是確保橋梁在其壽命周期內(nèi)能夠良好地發(fā)揮性能。然而，現(xiàn)行的混凝土耐久性試驗(yàn)方法并不能滿足實(shí)際工程的需要，一是試驗(yàn)設(shè)備昂貴，二是試驗(yàn)周期較長(zhǎng)。因此，這其實(shí)是一個(gè)設(shè)計(jì)問題，而不僅僅是選擇哪一種“高性能材料”。“我的夢(mèng)想之一就是，在不久的將來，設(shè)計(jì)者能夠像今天作結(jié)構(gòu)分析一樣清晰地計(jì)算有關(guān)耐久性的所有細(xì)節(jié)。” 陳艾榮教授滿懷憧憬地說道。
預(yù)防性養(yǎng)護(hù)：防患于未然
國(guó)際橋梁與結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì)主席康寶特在專題報(bào)告中，詳細(xì)介紹了加拿大聯(lián)邦大橋在工程設(shè)計(jì)、養(yǎng)護(hù)管理等方面的成就和經(jīng)驗(yàn)。
加拿大聯(lián)邦大橋是一條長(zhǎng)達(dá)12.9公里，連接愛德華王子島與新不倫瑞克省之間的跨海公路大橋。1997年正式通車時(shí)，大橋最初的養(yǎng)護(hù)作業(yè)組只有3個(gè)人。此后，這個(gè)數(shù)字不斷增長(zhǎng)，無數(shù)經(jīng)驗(yàn)表明對(duì)大橋進(jìn)行季節(jié)性養(yǎng)護(hù)和經(jīng)常性養(yǎng)護(hù)的重要性。隨著工作量的增加，養(yǎng)護(hù)作業(yè)組現(xiàn)已配備了8名全職工作人員。
一方面，工作人員要定期對(duì)各項(xiàng)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，以便制定出更加有效的養(yǎng)護(hù)管理辦法；另一方面，他們還要通過對(duì)大橋的基本參數(shù)和數(shù)據(jù)等實(shí)施監(jiān)控，從而驗(yàn)證相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的合理性。
此外，一些具體信息的反饋，如：腐蝕率、凍融耐久性等，都為制定未來的養(yǎng)護(hù)計(jì)劃提供了極為重要的依據(jù)。
正是這些定期的檢測(cè)及數(shù)據(jù)信息反饋，才保證了聯(lián)邦大橋在13年中得以實(shí)施預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的策略，事實(shí)證明取得了很好的效果。當(dāng)然，像這種長(zhǎng)期的大型橋梁養(yǎng)護(hù)工程所需要的支出也很高昂，目前看來，并不適用于小型橋梁的養(yǎng)護(hù)。但隨著科技的發(fā)展和觀念的更新，橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的需求將不斷增加，與此同時(shí)，更加專業(yè)化的公司和組織、團(tuán)體也將應(yīng)運(yùn)而生，到那時(shí)候，先進(jìn)的技術(shù)及團(tuán)隊(duì)將大大降低預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的成本。
青島海灣大橋：長(zhǎng)壽命運(yùn)營(yíng)管理理念先行
由山東高速集團(tuán)投資建設(shè)的青島海灣大橋是我國(guó)目前國(guó)有獨(dú)資單一企業(yè)投資建設(shè)的最大規(guī)模的交通基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，是我國(guó)北方冰凍海域首座特大型橋梁集群工程，加上引橋和連接線，全長(zhǎng)超過41.58公里，為世界第一跨海長(zhǎng)橋。截至目前，累計(jì)完成投資79.2億元，大橋的下部結(jié)構(gòu)已基本完成，上部結(jié)構(gòu)完成了93%。大沽河航道橋、紅島航道橋、滄口航道橋的主體工程已基本完工，橋面鋪裝施工陸續(xù)展開。大橋自2007年5月開工，預(yù)計(jì)今年年底全線貫通，明年上半年正式通車。
據(jù)山東高速青島公路有限公司研究員邵新鵬介紹，青島海灣大橋受環(huán)保、通航、航空、氣候、水文、地形和地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件的制約，建設(shè)條件復(fù)雜、工程技術(shù)難度大。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外橋梁的服役狀態(tài)，地處冰凍海域的青島海灣大橋不僅要延緩由氯鹽侵入導(dǎo)致的鋼筋腐蝕，還要防止混凝土在自然凍融循環(huán)條件下的過快劣化。因此，綜合考慮大橋的結(jié)構(gòu)型式和設(shè)計(jì)使用年限、材料劣化規(guī)律、防腐措施的有效性等方面，通過系統(tǒng)深入的研究，科學(xué)、合理的大橋長(zhǎng)壽命運(yùn)營(yíng)管養(yǎng)技術(shù)方案最終被確定下來。
將長(zhǎng)壽命運(yùn)營(yíng)管理理念貫穿主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、混凝土材料設(shè)計(jì)、施工過程控制和實(shí)體結(jié)構(gòu)服役的整個(gè)過程，使青島海灣大橋結(jié)構(gòu)耐久性技術(shù)真正覆蓋了全壽命周期。工作人員深入研究了施工工藝對(duì)早齡期混凝土耐久性的影響，明確了冰凍海域跨海大橋的結(jié)構(gòu)耐久性演變規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)耐久性關(guān)鍵參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)。通過對(duì)青島海灣大橋的使用壽命實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)評(píng)估和科學(xué)預(yù)測(cè)，提出了確保大橋安全耐用的管養(yǎng)技術(shù)，對(duì)未來北方沿海地區(qū)長(zhǎng)大跨海大橋的設(shè)計(jì)、建設(shè)與管養(yǎng)提供了重要的參考依據(jù)。
邵新鵬告訴記者，“我國(guó)有些海港、橋梁工程，在正常使用后十幾年甚至幾年就開始修復(fù)，遠(yuǎn)沒有達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限的要求。”造成橋梁過早劣化的原因可以歸納為三點(diǎn)，一是設(shè)計(jì)階段對(duì)橋梁服役環(huán)境的嚴(yán)酷性以及結(jié)構(gòu)材料功能退化的規(guī)律認(rèn)識(shí)不足，防腐蝕技術(shù)措施選用不當(dāng)；二是施工階段沒有采取有效保障結(jié)構(gòu)耐久性的施工工藝和技術(shù)措施；三是運(yùn)營(yíng)階段沒有實(shí)時(shí)評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性狀態(tài)并及時(shí)采取相應(yīng)的維護(hù)措施。
杭州灣大橋：百年設(shè)計(jì)壽命的科學(xué)論證
2008年，《杭州灣跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性成套技術(shù)研究與應(yīng)用》榮獲“中國(guó)公路學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)”特等獎(jiǎng)。在本次會(huì)議上，浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院院長(zhǎng)金偉良教授向與會(huì)代表們介紹了杭州灣大橋百年設(shè)計(jì)壽命的科學(xué)論證與措施。
他在發(fā)言中，首先對(duì)橋梁的可靠性進(jìn)行了界定，即橋梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，在正常設(shè)計(jì)、施工、使用和維護(hù)的條件下，完成安全性、適用性和耐久性的能力。其中，耐久性是表征結(jié)構(gòu)抵御性能劣化的能力，它包含了三大基本要素：一是環(huán)境要素，橋梁結(jié)構(gòu)處于某一特定環(huán)境（包括自然環(huán)境、使用環(huán)境、長(zhǎng)期作用）中，并受其侵蝕；二是功能要素，橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性是一個(gè)結(jié)構(gòu)多種功能（安全性、適用性等）與使用時(shí)間相關(guān)聯(lián)的多維函數(shù)空間；三是經(jīng)濟(jì)要素，橋梁結(jié)構(gòu)在正常使用過程中不需要大修。
混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是結(jié)構(gòu)抵御長(zhǎng)期作用（環(huán)境、循環(huán)、荷載等）性能劣化的能力。據(jù)金偉良教授介紹，M E T S方法解決了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究的真實(shí)性和有效性，以及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與實(shí)際工程耐久性時(shí)間相關(guān)性的技術(shù)難題，明確了混凝土耐久壽命預(yù)測(cè)的定量實(shí)驗(yàn)方法，為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的壽命預(yù)測(cè)提供了科學(xué)依據(jù)。
杭州灣跨海大橋主要結(jié)構(gòu)部位的耐久性壽命均滿足設(shè)計(jì)使用要求，即使用壽命100年混凝土中鋼筋不銹蝕的基本要求。其中，海上現(xiàn)澆墩身是決定跨海大橋耐久性壽命的關(guān)鍵部位，海上承臺(tái)和濕接頭是受到海洋環(huán)境條件下氯離子侵蝕最嚴(yán)重的部位，其次是墩身。此外，采用多種耐久性防護(hù)附加措施，如：塑料波紋管和真空輔助壓漿、鋼筋阻銹劑、混凝土表面涂層等，均能起到延長(zhǎng)跨海大橋使用壽命的作用。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：讓安全預(yù)警的夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)
橋梁在營(yíng)運(yùn)過程中，由于過載、疲勞效應(yīng)、外來沖擊等作用，以及材料自身性能的不斷退化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)各部分在沒有達(dá)到設(shè)計(jì)年限前就產(chǎn)生不同程度的損壞和劣化。對(duì)于這些損傷，傳統(tǒng)的方法是通過人工檢測(cè)的方法進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)評(píng)估，但是這種方法存在著主觀性強(qiáng)、難以量化、缺少連續(xù)性和整體性、影響正常交通運(yùn)行、需要大量人力并有諸多檢查盲點(diǎn)等問題。為確保大型橋梁的結(jié)構(gòu)安全、及時(shí)掌握橋梁運(yùn)營(yíng)狀況、實(shí)現(xiàn)安全經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究與評(píng)估系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)運(yùn)而生。會(huì)上，東海大橋、江陰大橋、潤(rùn)揚(yáng)大橋等單位的專家結(jié)合實(shí)際工作，與大家交流了各自在大型橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及養(yǎng)護(hù)管理技術(shù)方面的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。
東海大橋軸線水域位于杭州灣北部海域，自然條件受杭州灣強(qiáng)潮和長(zhǎng)江口泥沙運(yùn)動(dòng)的牽制，海床演變較為復(fù)雜，在大橋水下構(gòu)筑物與水流、泥沙和波浪的相互作用下，軸線水域沖刷和橋墩沖刷坑十分明顯。東海大橋的橋墩由不同大小和形狀的鋼混凝土承臺(tái)及簇樁群組成，在水流、泥沙動(dòng)力學(xué)的作用下，形成的橋墩沖刷坑也有所不同。因此，為保證東海大橋整體結(jié)構(gòu)安全和百年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)的正常運(yùn)營(yíng)，上海東海大橋管理有限公司委托上海海事局海測(cè)大隊(duì)，分別于2002年和2008年至2009年三次采用多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)軸線水域進(jìn)行了全面掃測(cè)，查清了東海大橋軸線水域海床沖刷變化和橋墩沖刷坑的情況。專家認(rèn)為，這些專業(yè)檢測(cè)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，針對(duì)橋墩沖刷的安全防護(hù)提供了可靠的依據(jù)。按目前狀況，尚處于橋墩樁基的設(shè)計(jì)深度安全系數(shù)范圍內(nèi)，無需采取水下工程維護(hù)措施。對(duì)個(gè)別沖刷較大的區(qū)域，應(yīng)進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，必要時(shí)進(jìn)一步采取多方法驗(yàn)證。
自上世紀(jì)80年代中后期，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的概念被明確提出，并先后在許多重要的大跨徑橋梁上建立了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。然而，目前國(guó)內(nèi)外的大部分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)僅限于數(shù)據(jù)的采集和保存，在對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)管理、建立合理的橋梁健康狀態(tài)指標(biāo)、應(yīng)用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)橋梁健康狀況進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估等方面還很欠缺。此外，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，沒有充分考慮后期橋梁結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)與管理的需要，導(dǎo)致建成后的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與橋梁養(yǎng)護(hù)管理工作嚴(yán)重脫節(jié)。基于此，江蘇揚(yáng)子大橋股份有限公司借助于江陰大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)升級(jí)改造工程，依據(jù)江陰大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與各組成部分的監(jiān)測(cè)需求，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的選擇，確立了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)、系統(tǒng)框架、層次結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)構(gòu)成，從而建立了一套基于管養(yǎng)需求的實(shí)用型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。并借助于該系統(tǒng)提供的及時(shí)、客觀的數(shù)據(jù)信息，將監(jiān)測(cè)取得的成果成功應(yīng)用于主橋阻尼器安裝評(píng)價(jià)、主梁受船撞擊后的損傷狀況評(píng)估、大橋結(jié)構(gòu)模態(tài)和動(dòng)力特性分析等具體養(yǎng)護(hù)管理工作中。
大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是對(duì)橋梁服役期間的運(yùn)營(yíng)環(huán)境和結(jié)構(gòu)健康狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)的一種完整的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其主要功能是通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析，及時(shí)捕捉橋梁在實(shí)際交通負(fù)荷與自然蛻化條件下的異常特征信息并發(fā)出預(yù)警信號(hào)，為橋梁維護(hù)、維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。江蘇潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江公路大橋是我國(guó)目前規(guī)模最大、技術(shù)難度最高、在我國(guó)建橋史上規(guī)模空前的特大型索支承型橋梁，潤(rùn)揚(yáng)大橋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立是保證大橋安全運(yùn)營(yíng)的重大措施，具有技術(shù)性和社會(huì)性雙重意義。潤(rùn)揚(yáng)大橋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中使用加速度傳感器對(duì)地震、船撞進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在震驚世界的5.12四川汶川大地震中，雖然潤(rùn)揚(yáng)大橋離震源很遠(yuǎn)，仍強(qiáng)烈地感受到了大橋?qū)Φ卣鸬姆磻?yīng)，成功地獲取了地震的信息。潤(rùn)揚(yáng)大橋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是世界上首次實(shí)現(xiàn)對(duì)地震即時(shí)報(bào)警的橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之一，我們有理由相信，人類在重大災(zāi)變事件來臨時(shí)，對(duì)重大基礎(chǔ)設(shè)施安全預(yù)警夢(mèng)想的實(shí)現(xiàn)指日可待。
