中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
圖①：科研人員正在實(shí)驗(yàn)室對一橋梁關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)。
圖②：大型索纜靜載與拉彎耦合疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)。
圖③：大型橋梁地震臺試驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)室名片
橋梁工程結(jié)構(gòu)動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重點(diǎn)研究橋梁結(jié)構(gòu)抗震基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)、橋梁結(jié)構(gòu)振動基礎(chǔ)理論與振動控制技術(shù)、橋梁工程建設(shè)與運(yùn)營安全監(jiān)控檢測技術(shù)等方面內(nèi)容，擁有世界上首個(gè)由兩個(gè)六自由度地震臺組成的地震模擬試驗(yàn)臺陣系統(tǒng)、大型索纜靜載與拉彎耦合疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)、3000噸橋梁支座試驗(yàn)系統(tǒng)等先進(jìn)設(shè)備，是我國交通行業(yè)設(shè)備最先進(jìn)、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ψ顝?qiáng)的橋梁抗震實(shí)驗(yàn)室。
當(dāng)?shù)卣饋砼R時(shí)，橋梁能否扛得住？可以先在橋梁工程結(jié)構(gòu)動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室做個(gè)試驗(yàn)。
結(jié)構(gòu)動力學(xué)，是研究結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下振動問題的力學(xué)分支，包含材料性能的測定、結(jié)構(gòu)動力相似模型的研究、結(jié)構(gòu)固有（自由）振動參量的測定、振動環(huán)境試驗(yàn)等研究課題，是大型項(xiàng)目建設(shè)必要測試過程和方法中的基礎(chǔ)性學(xué)科。橋梁工程結(jié)構(gòu)動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室就是專門致力于橋梁結(jié)構(gòu)抗震基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)、橋梁結(jié)構(gòu)振動基礎(chǔ)理論與振動控制技術(shù)、橋梁工程建設(shè)與運(yùn)營安全監(jiān)控檢測技術(shù)等方面研究的實(shí)驗(yàn)室，參與了我國眾多橋梁的設(shè)計(jì)和抗震研究工作。世界最長的跨海大橋——港珠澳大橋，當(dāng)時(shí)亞洲最大的山區(qū)懸索橋——云南龍江大橋等諸多大型橋梁的抗震試驗(yàn)，都是在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室完成的。
日前，記者走進(jìn)橋梁工程結(jié)構(gòu)動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，去探尋撐起大橋“鐵骨鋼脊”的秘密。
橋梁抗震試驗(yàn)系統(tǒng)臺陣工作模式及軌道移動方式均屬世界首創(chuàng)
能模擬汶川地震峰值加速度三倍強(qiáng)度的地震
橋梁工程結(jié)構(gòu)動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室位于招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院一棟不起眼的樓房里。
記者看到，約五層樓高的試驗(yàn)大廳一側(cè)，矗立著一個(gè)“大家伙”：地上一個(gè)長方形“巨坑”長約36米，坑里有2個(gè)長方形臺面，臺面四周有空隙，隱藏著4個(gè)藍(lán)色的“杠桿”，即加載用的伺服液壓作動器，“杠桿”上的“螺絲”足有手掌大。
這個(gè)“大家伙”就是世界上首個(gè)軌道移動式雙臺陣地震模擬振動臺試驗(yàn)系統(tǒng)。
據(jù)實(shí)驗(yàn)室主任唐光武介紹，大型橋梁使用年限基本上是按照百年設(shè)計(jì)，這就要求其首先得過“抗震”這一關(guān)。該臺陣系統(tǒng)的作用正是模擬地震波，通過模擬地震來臨時(shí)的情景，找出橋梁在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的薄弱點(diǎn)。
我國眾多科研項(xiàng)目和橋梁抗震試驗(yàn)，就是在這里完成的。比如，港珠澳大橋的隔震橋梁振動臺試驗(yàn)、非通航孔支座性能抗震模擬試驗(yàn)、大型高阻尼隔震支座試驗(yàn)、大型鉛芯隔震支座試驗(yàn)等抗震試驗(yàn)，就是借助這個(gè)“大家伙”開展的。
據(jù)了解，該系統(tǒng)的臺陣工作模式及軌道移動方式均屬世界首創(chuàng)?！芭_陣”是指放置測試模型的機(jī)械臺面?！半p臺陣”就是該機(jī)械臺面有兩個(gè)。測試時(shí)，工程師會按一定縮尺比例設(shè)計(jì)橋梁模型，在臺陣上輸入地震波外力來測試模型的振動狀態(tài)?！皞鹘y(tǒng)抗震測試采用單臺面。單臺面用來測試按比例縮小的房屋等矩形模型比較方便，但用在橋梁測試上就有很大局限?！碧乒馕浣榻B，通常，一座橋長數(shù)百米、寬幾十米，如果放在單臺面測試，模型就會做得很小，既不利于制作，測試數(shù)據(jù)也不夠準(zhǔn)確。
實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新研發(fā)出軌道移動式雙臺陣地震模擬振動臺試驗(yàn)系統(tǒng)，單個(gè)臺面尺寸為3×6米，一個(gè)臺面位置固定，一個(gè)臺面可移動，每個(gè)臺面自重20噸，可承載最重達(dá)70噸的橋梁模型，通過周圍和底部的“杠桿”即伺服液壓作動器協(xié)同工作，模擬地震帶來的破壞力。不同跨度的橋梁，可以通過調(diào)整兩個(gè)臺面之間的間距，來制作合適尺寸的測試模型。此外，兩個(gè)臺面還可以模擬3軸向6個(gè)自由度的多維多點(diǎn)地震波復(fù)雜環(huán)境，讓測試數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。
軌道移動式雙臺陣地震模擬振動臺試驗(yàn)系統(tǒng)的誕生，讓大跨度結(jié)構(gòu)的橋梁抗震試驗(yàn)和多維多點(diǎn)地震模擬試驗(yàn)成為可能。
那它能模擬多大強(qiáng)度的地震呢？唐光武說，汶川地震峰值的加速度約為1g，而臺面最大加速度可以達(dá)到3g。
千米級跨徑大橋索纜試驗(yàn)系統(tǒng)最大加載能力6000噸
加載能力和試驗(yàn)效率在國際上處于領(lǐng)先地位
在試驗(yàn)大廳另一側(cè)，擺放著大型索纜靜載與拉彎耦合疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)?！斑@個(gè)設(shè)備主要用來測試橋梁用索纜的受力強(qiáng)度，通俗說，就是看橋梁索纜結(jié)不結(jié)實(shí)。”唐光武說，該系統(tǒng)的誕生還得從當(dāng)時(shí)世界最大跨徑的千米級斜拉橋——蘇通大橋說起。
蘇通大橋建設(shè)時(shí)，大橋建設(shè)指揮部找到實(shí)驗(yàn)室，希望能夠完成大橋索纜靜載與拉彎耦合疲勞試驗(yàn)，而這也正是國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的研究內(nèi)容之一。
“蘇通大橋主跨跨徑1088米，索纜靜載試驗(yàn)要求加載能力達(dá)到2000多噸，疲勞試驗(yàn)加載能力也要達(dá)到1000多噸，實(shí)驗(yàn)室當(dāng)時(shí)的條件遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足試驗(yàn)要求?！被貞浧甬?dāng)時(shí)的情況，唐光武記憶猶新，“當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)室的索纜靜載試驗(yàn)?zāi)芰χ挥?200噸，疲勞試驗(yàn)?zāi)芰χ挥?40噸?！?/p>
在原有試驗(yàn)作動器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)室加強(qiáng)科研攻關(guān)，研制出了雙向雙束、動靜載分離的3000噸級大型索纜靜載與拉彎耦合疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，并獲得國家發(fā)明專利。
據(jù)介紹，在此之前，實(shí)驗(yàn)室只能做按比例縮小之后的索纜疲勞試驗(yàn)。該系統(tǒng)誕生后，則可以進(jìn)行1∶1原型索纜試驗(yàn)，最大加載能力達(dá)到3000噸。
“新系統(tǒng)大幅提升了裝備的試驗(yàn)?zāi)芰驮囼?yàn)效率，其在該領(lǐng)域的試驗(yàn)?zāi)芰σ慌e躍升為世界最強(qiáng)，使我國具備了完成跨徑千米級斜拉橋拉索靜載和疲勞足尺試驗(yàn)的能力?！碧乒馕浣榻B，以前做一次索纜疲勞試驗(yàn)約需要十秒或數(shù)十秒，一根索要做超百萬次試驗(yàn)，耗時(shí)超半年。如今，新系統(tǒng)1秒可以做多次，且可雙索同時(shí)進(jìn)行，不到一個(gè)月就能做完兩根索的疲勞試驗(yàn)。
隨著我國千米級跨徑大橋和公鐵兩用橋的增多，實(shí)驗(yàn)室又研發(fā)了加載能力更大的索纜試驗(yàn)系統(tǒng)，為跨度更大的斜拉索橋提供更有保障的技術(shù)支撐。
“最大加載能力可達(dá)6000噸?！碧乒馕湔f，科研人員對設(shè)備構(gòu)造等進(jìn)行了優(yōu)化，進(jìn)一步提高了試驗(yàn)效率。該系統(tǒng)就在3000噸試驗(yàn)系統(tǒng)旁邊，外形與3000噸試驗(yàn)系統(tǒng)相似，但體積更大，長度達(dá)16米，重超300噸。“目前該系統(tǒng)的加載能力和試驗(yàn)效率在國際上處于領(lǐng)先地位?！?/p>
記者了解到，實(shí)驗(yàn)室已為蘇通大橋、武漢天興洲大橋、青島海灣大橋、湖南矮寨大橋和廈漳跨海大橋等近百座特大橋提供了相應(yīng)的測試，為981海洋鉆井平臺錨鏈系統(tǒng)提供了試驗(yàn)服務(wù)。
機(jī)器人智能橋檢系統(tǒng)裝備“上崗”試用
多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)破解大跨度橋梁管養(yǎng)難題
8月3日，工作人員來到重慶市牛角沱嘉陵江大橋下，將一個(gè)箱形模樣的設(shè)備放入水中，對水下橋墩和基礎(chǔ)進(jìn)行檢測。
研究員陳斌介紹：“這是該實(shí)驗(yàn)室參與研發(fā)的橋梁水下結(jié)構(gòu)檢測機(jī)器人首次‘上崗’試用，通過機(jī)器人實(shí)時(shí)傳送到智能檢測平臺的檢測畫面，成功進(jìn)行了水中低能見度條件下的結(jié)構(gòu)表觀病害檢測?！?/p>
這是該實(shí)驗(yàn)室針對大跨度橋梁研發(fā)的機(jī)器人智能橋檢系統(tǒng)裝備中的一種。
據(jù)介紹，在現(xiàn)代橋梁管養(yǎng)中，人工橋檢手段面對高空、深水、寬幅、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大跨度橋梁時(shí)，存在檢測難度大、效率低、盲區(qū)多等難題。而普通橋檢機(jī)器人也在一定程度上存在自主性差、環(huán)境適應(yīng)性低、跨機(jī)器人集成度弱等問題。
為解決現(xiàn)有人工橋檢和普通機(jī)器人橋檢存在的不足，全面提升我國大跨度橋梁的運(yùn)營安全和檢測智能化水平，實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了機(jī)器人智能橋檢系統(tǒng)裝備——大跨度橋梁檢測作業(yè)機(jī)器人。
“包含多款橋檢特種機(jī)器人和一個(gè)集成控制評估移動平臺，可針對橋梁表面關(guān)鍵部位損傷進(jìn)行多機(jī)器人協(xié)同下的高效初檢、全面詳檢、數(shù)據(jù)分析、損傷評估一體化服務(wù)。目前正處于成熟度測試及應(yīng)用驗(yàn)證階段?！碧峒按?，陳斌打開了話匣子。
經(jīng)過研究團(tuán)隊(duì)兩年半努力，機(jī)器人智能橋檢系統(tǒng)裝備已初步實(shí)現(xiàn)指揮車與多款檢測機(jī)器人的協(xié)同工作。除在牛角沱嘉陵江大橋“上崗”的橋梁水下結(jié)構(gòu)檢測機(jī)器人外，拉索檢測機(jī)器人、爬壁檢測機(jī)器人、橋檢無人機(jī)等也分別在重慶多座大橋“上崗”試用。
機(jī)器人智能橋檢系統(tǒng)裝備投用后將帶來哪些變化？據(jù)介紹，不僅可以直達(dá)常規(guī)手段難以觸及的區(qū)域，如橋梁主塔部分，方便檢測單位、管理部門全面掌握橋梁運(yùn)行狀況，而且還可提高檢測效率、降低檢測成本。
陳斌算了一筆賬：根據(jù)2021年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)，2021年末全國公路橋梁96.11萬座，其中特大橋梁7417座。如果采用大跨度橋梁檢測作業(yè)機(jī)器人檢測，每座橋梁的檢測費(fèi)用預(yù)計(jì)可節(jié)省40%，檢測效率可提高1倍?！肮?jié)約的成本十分可觀?！?/p>
據(jù)介紹，隨著研究深度的不斷拓展，實(shí)驗(yàn)室在橋梁結(jié)構(gòu)抗震基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)、橋梁結(jié)構(gòu)振動基礎(chǔ)理論與振動控制技術(shù)、橋梁工程建設(shè)與運(yùn)營安全監(jiān)控檢測技術(shù)等方面，得到長足發(fā)展。
近年來，在橋梁健康監(jiān)測和橋梁防撞等領(lǐng)域也有了新突破。比如，研發(fā)了國內(nèi)首套基于云平臺的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，具有部署效率高、成本低等特點(diǎn)，可用于我國量大面廣的中小跨徑橋梁的健康監(jiān)測。目前，我國已有近200座橋梁搭載了這一健康監(jiān)測系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室科研團(tuán)隊(duì)還為國內(nèi)不少橋梁設(shè)計(jì)、制造和安裝了防撞系統(tǒng)，港珠澳大橋橋梁主動防撞系統(tǒng)經(jīng)實(shí)驗(yàn)室科研團(tuán)隊(duì)安裝調(diào)試，如今已投入應(yīng)用。
“我們的主業(yè)雖然是橋梁，但事實(shí)上涉及整個(gè)土木工程領(lǐng)域，為我國核電行業(yè)、特高壓輸變電行業(yè)、高鐵行業(yè)、建筑行業(yè)和石油行業(yè)等提供技術(shù)咨詢服務(wù)等，為我國重大工程建設(shè)項(xiàng)目提供重要科技支撐和技術(shù)保障?！碧乒馕湔f。（作者： 喬子軒 孫曉燕 舒永兵）
