舟山復(fù)雜環(huán)境中的橋梁智能養(yǎng)護(hù)

文|

從1999年正式動(dòng)工，2009年全面通車，到2019年以來的整整20年，浙江舟山5座跨海大橋從無到有、從弱到強(qiáng)，是中國現(xiàn)代橋梁和跨海工程發(fā)展的里程碑和見證者。實(shí)際上，連島工程的建設(shè)和養(yǎng)護(hù)，一直在探索一些與智能相關(guān)的思路。

由江及海：從錢塘江大橋到舟山連島工程

從1937年茅以升先生主持建成錢塘江大橋到現(xiàn)在，浙江依然如火如荼地建設(shè)大型橋梁，浙江的橋梁建設(shè)歷時(shí)已久。錢塘江大橋是我國自主建設(shè)的第一座大橋，有很多創(chuàng)新之處。錢塘江到杭州灣海域，在杭州附近已建成十橋兩隧，還有一座跨江大橋正在建設(shè)。其中錢江四橋是一座大規(guī)模拱橋，其下游是嘉紹大橋和杭州灣大橋。

杭州灣大橋是建設(shè)較早的一座跨海大橋，海上施工的梁上架梁技術(shù)便是在建設(shè)杭州灣大橋時(shí)提出來的。從1937年至今，利用該技術(shù)建成了很多橋梁，其中包括舟山跨海大橋一期工程。一期工程的第一座大橋岑港大橋于2001年建成，此后，2003年舟山建設(shè)完成了580米鋼混混合梁斜拉橋桃夭門大橋，2009年建成了世界上在復(fù)雜外海環(huán)境中建造的最大跨徑斜拉橋金塘大橋。金塘大橋包含主通航孔橋、東通航孔橋、西通航孔橋、非通航孔橋等多種橋型、不同結(jié)構(gòu)，加上連續(xù)剛構(gòu)橋跨境也比較大，在建設(shè)的過程中，展示了錢塘江上不同時(shí)期的不同技術(shù)水平，以及未來可能提升的目標(biāo)。目前，這些橋梁都在養(yǎng)護(hù)運(yùn)營中。

錢塘江大橋到舟山入?？诖髽虻慕ㄔO(shè)過程，也是我國自主研發(fā)橋梁的過程。目前舟山正準(zhǔn)備建設(shè)連島工程，修建一座公鐵兩用的跨海大橋，投資200億元左右。

在這些橋梁的建設(shè)過程中，有很多創(chuàng)新工法，比如在錢塘江大橋建設(shè)的過程中，茅以升先生用涉水法打樁，沉箱法做基礎(chǔ)，浮運(yùn)法架梁。面對(duì)錢塘江潮水洶涌、江底淤泥較深的惡劣環(huán)境，做基礎(chǔ)和架梁對(duì)海江上施工都有很多挑戰(zhàn)，茅以升先生采用了幾個(gè)很有效的創(chuàng)新手段完成了大橋的建設(shè)，在這個(gè)過程中可以看到工程創(chuàng)新的思維。在舟山橋梁建設(shè)過程中，依然要面臨深水樁基礎(chǔ)問題和海上架梁問題，除此之外，還面臨著如何落實(shí)工藝設(shè)計(jì)的要求。隨著技術(shù)和裝備不斷提升，在這個(gè)過程中有了大型的起吊設(shè)備、打樁船、鋼管樁等，同時(shí)創(chuàng)新思維也在不斷延續(xù)，在發(fā)展中還會(huì)遇到新的問題，面對(duì)新問題，解決的手段有很多種，其中之一就是通過智能手段解決問題。

舟山跨海連島三橋

過去修建橋梁的手段相對(duì)較人工化和機(jī)械化，連島工程的建設(shè)則更多考慮采用信息化的手段。首先要考慮的是工程管理過程中信息和工程的關(guān)系問題。大橋的工程建設(shè)是由建設(shè)部和所有的相關(guān)單位組織形成的，需要通過規(guī)范要求、自然條件等客觀規(guī)律獲得工程信息，獲得的信息有外部的信息和內(nèi)部的信息。其中，內(nèi)部的信息是可控的，諸如結(jié)構(gòu)的受力性能等。外部信息是一些突發(fā)的信息，包括災(zāi)害、地質(zhì)條件等的影響，還有政策性的信息，比如立即要架梁施工，但個(gè)別部門通知該時(shí)間段不能施工，或是縣委通知需要調(diào)整工期，這些外部信息都是不可控的。所以，無論是管理單位還是項(xiàng)目指揮部，都需要通過這些信息做出合理的決策，選出最優(yōu)的方案，把人、機(jī)械設(shè)備和資金按時(shí)間窗口、空間窗口有效地投入到工程中，規(guī)避工程風(fēng)險(xiǎn)。

完整的工程建設(shè)是將意識(shí)變成物質(zhì)的過程，是將藍(lán)圖變成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的過程。這一過程可以有很多途徑，但無論通過怎樣的途徑，信息都發(fā)揮著重要作用。在實(shí)際的建設(shè)過程中，可以采用很多信息化的手段。

例如與海事和通航的關(guān)系，建設(shè)時(shí)期需要海事和通航基站的支持，了解更多的海上信息，避免出現(xiàn)事故。在專項(xiàng)工程橋梁施工過程中發(fā)生過兩次碰撞，一次是臺(tái)州籍的船由于錯(cuò)拿了過期海圖，撞到正在建設(shè)的橋墩。另外一次是韓國籍船只在錨地上，由于風(fēng)浪雨都很大，船只順流撞到橋墩。兩次事故雖然損失不大，但都是由于對(duì)信息掌握不明造成的，所以在整個(gè)建設(shè)和運(yùn)營過程中，海事信息化是橋梁建設(shè)的重要支撐。

另一方面，要與氣象站建立合作關(guān)系。氣象站會(huì)定期發(fā)送天氣預(yù)報(bào)，因?yàn)樵诨炷潦┕r(shí)，有可能每隔半小時(shí)就有大風(fēng)侵襲，天氣預(yù)報(bào)可以讓相關(guān)部門在暴雨、臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣來臨之前及時(shí)采取措施。

西堠門大橋

信息化運(yùn)營：復(fù)雜服役環(huán)境下跨海橋梁的智能化管養(yǎng)

海水的沖刷、海洋環(huán)境的腐蝕等對(duì)橋架結(jié)構(gòu)的影響非常大，而且很難把握。一座大跨徑橋梁就是一個(gè)系統(tǒng)空間，空間里各種因素的狀態(tài)都會(huì)影響橋梁的結(jié)構(gòu)，橋梁在部分構(gòu)件受損時(shí)，其受力特性會(huì)發(fā)生改變，并且與其他構(gòu)件表現(xiàn)出較大的差異性。這些差異可以通過數(shù)字化巡檢和人工巡檢監(jiān)測(cè)到，從而為后期養(yǎng)護(hù)找到要點(diǎn)，找到問題關(guān)鍵。目前，舟山跨海大橋、中小型跨海大橋、珠江大橋等都做了養(yǎng)護(hù)評(píng)估和現(xiàn)場調(diào)查，結(jié)果顯示，從狀態(tài)監(jiān)測(cè)獲得的信息還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。面對(duì)復(fù)雜的服役環(huán)境，舟山連島工程建立了“車-橋-環(huán)境-船”一體化的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過遠(yuǎn)程感知、系統(tǒng)控制、防護(hù)決策、車橋環(huán)協(xié)同高度智能化方式，對(duì)結(jié)構(gòu)位移、結(jié)構(gòu)沖刷、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、風(fēng)場、潮位、海浪、車流量和船舶等進(jìn)行檢測(cè)。

從信息的角度出發(fā)，橋梁養(yǎng)護(hù)工作可描述成數(shù)據(jù)采集至數(shù)據(jù)應(yīng)用的過程。這些數(shù)據(jù)應(yīng)該包括一切與橋梁相關(guān)的數(shù)據(jù)，如橋梁健康及環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、規(guī)范設(shè)定及參數(shù)量化數(shù)據(jù)、數(shù)值模型及模擬計(jì)算數(shù)據(jù)、人工采集及性能評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)、橋梁檔案及施工控制數(shù)據(jù)等。面對(duì)如此數(shù)量龐大、種類多樣、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的數(shù)據(jù)，基于大數(shù)據(jù)的橋梁智能養(yǎng)護(hù)平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生。它集成了數(shù)據(jù)庫技術(shù)、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的橋梁數(shù)字智能化養(yǎng)護(hù)管理平臺(tái)，將有力地促進(jìn)橋梁管養(yǎng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、時(shí)效化、便捷化、信息化、一體化的實(shí)現(xiàn)。

獲得的信息越多，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)越準(zhǔn)確。前幾年，通過在金塘大橋建立的局部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以監(jiān)測(cè)振動(dòng)位移，真實(shí)了解鎖震與哪些因素有關(guān)。健康監(jiān)測(cè)是通過一系列傳感器從運(yùn)營狀態(tài)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中實(shí)時(shí)、周期性采樣以獲取數(shù)據(jù)，抽取對(duì)損傷敏感的特征因子并統(tǒng)計(jì)分析這些特征因子，從而評(píng)估結(jié)構(gòu)當(dāng)前的健康狀況，為橋梁的養(yǎng)護(hù)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)，分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)海上風(fēng)與內(nèi)陸風(fēng)有很大不同，并且風(fēng)期更長。結(jié)合舟山長期有風(fēng)且風(fēng)向幅度較大較寬的環(huán)境特點(diǎn)，制作了湍流強(qiáng)度分析，結(jié)果顯示與規(guī)范建議值較相近，但是離散度較大，說明臺(tái)風(fēng)的湍流度較高。

除此之外，為降低水下撞擊風(fēng)險(xiǎn)，研發(fā)了跨海橋梁樁基沖刷監(jiān)測(cè)裝置和安全性評(píng)估系統(tǒng)。此前這類研究是針對(duì)清水模型，認(rèn)為流速是一定的，經(jīng)過一定的沖刷之后會(huì)平衡。在實(shí)際的海上工程中，沖淤變化會(huì)隨時(shí)間而變，圍墾對(duì)其影響明顯，將海上架梁改為梁上架構(gòu)，對(duì)以后運(yùn)營期會(huì)有非常大的影響。所以，要觀察流速參數(shù)的演化趨勢(shì)，實(shí)際監(jiān)測(cè)沖刷深度的變化，與原來的用數(shù)模計(jì)算離散不同，數(shù)模在實(shí)際工程中受很多其他因素影響。新研發(fā)的裝置申請(qǐng)了專利，將其放到海里監(jiān)測(cè)杭州灣海域的情況，包括海上樁基的沖刷，以及沖刷之后造成的樁側(cè)土壓力的損失和沖刷深度的變化。

船舶碰撞、船撞橋的智能監(jiān)測(cè)也是重要研究方向，目前我國有幾個(gè)項(xiàng)目正在推進(jìn)，通過參考航空領(lǐng)域的反導(dǎo)系統(tǒng)，希望可以真正做到防災(zāi)害控制。實(shí)現(xiàn)智能化的綜合主動(dòng)防撞需要做很多方面的研究：首先是建立識(shí)別船舶偏航的風(fēng)險(xiǎn)模型。通過相關(guān)的動(dòng)力算法研究船和橋的風(fēng)險(xiǎn)關(guān)系，估計(jì)全海域近橋側(cè)的船橋安全態(tài)勢(shì)，最后完成船舶攔截或一些風(fēng)險(xiǎn)控制。其次是對(duì)海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕和耐久性氯離子滲透做風(fēng)險(xiǎn)概率研究。以前在橋上做過相關(guān)的測(cè)試，但是一直沒有很好的規(guī)范來擬核氯離子滲透，實(shí)際上影響氯離子滲透的因素比較多，連島工程也對(duì)氯離子的分布量進(jìn)行了一些測(cè)定。

聰明的橋梁：智慧海洋背景下的大型跨海工程養(yǎng)護(hù)

舟山海域正在建設(shè)智慧海洋，智慧海洋將為未來跨海工程的橋區(qū)海域環(huán)境信息獲取和智能化管控提供重要支撐，支持“海-橋-車-環(huán)境”一體化智能信息獲取和系統(tǒng)控制。

目前，舟山正在創(chuàng)建國家智慧海洋示范區(qū)，示范區(qū)掌握很多與海洋相關(guān)的智能監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)，要讓智慧交通和智慧橋梁實(shí)現(xiàn)最優(yōu)嫁接，就要將車路協(xié)同智能材料和智能機(jī)器全面滲透到跨海大橋的管理中。浙江正在對(duì)全省高速公路開展智能化改造，信息技術(shù)全面融入到高速公路和跨海工程中，未來的跨海工程不僅是鋼筋混凝土，更是信息的載體，車路協(xié)同、智能橋和智能車從建設(shè)到運(yùn)營融合得更加緊密。目前跨海大橋存在缺乏海上信息、救援能力薄弱、無法通行?；贰⒅悄芑芾聿蛔愕葐栴}，一旦災(zāi)害發(fā)生，將難以做好控制和救援。這僅是其中的幾個(gè)方面，更為關(guān)鍵的是如何提高算法？如何分析信息和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)？如何保養(yǎng)傳感器設(shè)備？如何精確預(yù)測(cè)橋梁的狀態(tài)，是否還能成核載？未來還能使用幾年？是否可修？是否要修？這些問題分析得遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。

從結(jié)構(gòu)層面來說，信息技術(shù)硬件設(shè)施全面融合基礎(chǔ)設(shè)施，橋梁不再是單純的受力構(gòu)件；智能化材料和感知元件大量使用，橋梁的自感知和生產(chǎn)信息能力更強(qiáng)；車路協(xié)同的發(fā)展帶來了革命性的變化，不智能的橋梁基礎(chǔ)設(shè)施可能會(huì)被淘汰。從數(shù)字層面來說，“海-橋-車-環(huán)境”一體化信息獲取，需要橋梁建設(shè)養(yǎng)護(hù)的數(shù)字化和智能化；在建設(shè)運(yùn)維全過程，對(duì)“海-橋-車-環(huán)境”系統(tǒng)進(jìn)行建模、預(yù)測(cè)和控制的需求越來越高；數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)驅(qū)動(dòng)和狀態(tài)預(yù)測(cè)算法精度控制的運(yùn)營養(yǎng)護(hù)。

（本文根據(jù)作者在2019世界交通運(yùn)輸大會(huì)上所作報(bào)告整理，有刪減，題目為編者所加。）