研究立足國家所需 科學(xué)保障橋梁壽命

孟小雪

楊鷗在美國圣地亞哥參加學(xué)術(shù)會(huì)議

中國古代的橋梁成就舉世矚目，曾在東西方橋梁發(fā)展史上占有崇高的地位，為世人所公認(rèn)。新中國成立之后，特別是改革開放以來隨著我國公路交通的迅速發(fā)展，橋梁的發(fā)展也進(jìn)一步擴(kuò)大，它已不再局限于河流之上，大峽谷、城市路面以上以及島路連接都開始修建橋梁，對橋梁的技術(shù)和外形也有了更嚴(yán)格的要求。建筑材料、設(shè)備、建筑技術(shù)的較快發(fā)展，特別是電子計(jì)算技術(shù)的廣泛使用，為廣大技術(shù)人員提供了快捷、高精度的計(jì)算分析手段，廣大的橋梁工程師和工作者，不斷推進(jìn)我國公路橋梁建設(shè)事業(yè)的發(fā)展。湖南大學(xué)土木工程學(xué)院橋梁工程系副教授楊鷗就是其中的一員。

現(xiàn)如今,中國現(xiàn)代橋梁總數(shù)超過100萬座，21世紀(jì)人類新建的世界前100名高橋中，中國有90座。而一直以來，橋梁的安全性能都是其不可忽視的關(guān)鍵問題。目前，我國的橋梁設(shè)計(jì)中對建設(shè)期安全、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、初期投入和業(yè)主成本較重視，卻忽視了橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命和全壽命成本及社會(huì)成本，存在較大的缺陷和局限性，不符合以人為本的橋梁建設(shè)可持續(xù)發(fā)展要求。而楊鷗的研究方向就直指橋梁建設(shè)中的痛點(diǎn)，多年來在鋼筋混凝土橋梁全壽命性能評估中展開了一系列創(chuàng)新性科研探索。

初心不移，扎根土木工程領(lǐng)域

從小，家里人對于知識(shí)的重視，以及母親對于楊鷗辛勞的付出、殷切的鞭策，對他的性格形成與人生道路選擇產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。從小品學(xué)兼優(yōu)的他，在求學(xué)的道路上從未停止過努力，最終于1999年9月，成功考入中國礦業(yè)大學(xué)（北京）土木工程專業(yè)，開啟了全新的人生旅程。

在這里，楊鷗的學(xué)習(xí)涉及土木工程領(lǐng)域宏觀性的學(xué)科知識(shí)，對整個(gè)領(lǐng)域有了更加全面的認(rèn)識(shí)。在4年后，他以優(yōu)異的成績被保送到哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院攻讀碩士和博士學(xué)位，獲得了結(jié)構(gòu)工程專業(yè)碩士學(xué)位和工程力學(xué)博士學(xué)位。通過碩博期間的研究學(xué)習(xí)，楊鷗在理論基礎(chǔ)與工程實(shí)踐領(lǐng)域不斷打磨錘煉，為他后期從宏觀逐步深入到工程領(lǐng)域具體研究內(nèi)容中打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也讓他逐漸確定了自己在橋梁工程領(lǐng)域的研究方向。

在楊鷗看來，橋梁工程是一門歷史悠久并具有濃厚技術(shù)積淀的學(xué)科。因此，對于領(lǐng)域知識(shí)的積累十分重要。從本科到博士，從最初基本概念的把握到對整體科研領(lǐng)域的了解，讓楊鷗更能清醒地認(rèn)識(shí)到領(lǐng)域內(nèi)最為需要的研究技術(shù)是什么，并矢志為此而奮斗下去。

安全性可以說是橋梁建設(shè)的生命，也是橋梁建設(shè)的根本出發(fā)點(diǎn)。橋梁作為溝通各個(gè)地區(qū)的紐帶，其安全性不僅僅是保證橋梁的暢通性，更是連接兩個(gè)地區(qū)經(jīng)濟(jì)、文化和情感的樞紐。因此，橋梁建設(shè)安全性問題必須受到重點(diǎn)關(guān)注?！耙?yàn)闃蛄汗こ痰耐顿Y，一般都比較大，大型橋梁都在億元以上，因此使用年限也比較長，通常設(shè)計(jì)使用年限都是100年。在長期運(yùn)行的過程中承受各種各樣的荷載，會(huì)積累一些損傷，導(dǎo)致其整體的性能退化。”楊鷗說。

目前，楊鷗的研究主要偏向于橋梁的全壽命周期研究。一方面研究橋梁在整體的壽命期內(nèi)的運(yùn)行是否滿足其承載預(yù)期，另一方面為橋梁的維修保養(yǎng)提供數(shù)據(jù)積累和建議，盡量在橋梁出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)之前，提前做好規(guī)劃與預(yù)測。多年來，他在這一方向上不斷探索實(shí)踐，積累了豐富的科研經(jīng)驗(yàn)。

科研開拓，橋梁建筑的全壽命探索

近些年來，因?yàn)闃蛄喊踩珕栴}造成的事故屢見不鮮。楊鷗深知，要解決橋梁工程領(lǐng)域的主要問題，就要認(rèn)準(zhǔn)主要矛盾。在他的介紹下，記者了解到：鋼筋混凝土橋梁在長期自然環(huán)境和使用條件下，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工及養(yǎng)護(hù)管理上存在的問題，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)逐漸老化，損傷甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞,直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的使用功能和安全。因此，對現(xiàn)有鋼筋混凝土橋梁耐久性進(jìn)行評估和預(yù)測已成為一個(gè)迫切需要解決的問題。

在此之前，楊鷗曾分別于2005年3月—2005年12月、2016年12月—2017年12月，前往美國伊利諾斯大學(xué)厄巴納-香檳分校、美國密蘇里科技大學(xué)進(jìn)行訪問交流。兩次研究交流，讓他在橋梁工程的整體結(jié)構(gòu)抗震以及鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)性能研究中進(jìn)行了深度學(xué)習(xí)，為他在橋梁工程領(lǐng)域研究視野的開拓以及研究方式的學(xué)習(xí)，提供了極大幫助。

“雖然，鋼筋混凝土一直作為組合出現(xiàn)。但事實(shí)上，它們作為橋梁工程的兩種主要材料，應(yīng)該作為兩個(gè)獨(dú)立的個(gè)體看待。在長期使用的過程中，鋼筋和混凝土界面的性能退化會(huì)導(dǎo)致橋梁的承載力或整體性能的退化?！睏铤t說。

如今，基于湖南大學(xué)土木工程學(xué)院這一研究平臺(tái)，楊鷗就在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性分析、大跨度橋梁結(jié)構(gòu)極限承載力分析及安全評定、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗火性能等方向中展開了攻關(guān)。

在國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目等的支撐下，楊鷗就和研究團(tuán)隊(duì)成員通過實(shí)驗(yàn)研究，提出了基于定期檢測和健康監(jiān)測技術(shù)的斜拉橋結(jié)構(gòu)服役期內(nèi)主梁整體失效模式及其極限承載力演化規(guī)律的分析方法，為結(jié)構(gòu)的全壽命設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)安全預(yù)警的分級提供理論依據(jù)。利用上述方法，他們對我國北方某座干線斜拉橋在運(yùn)營期內(nèi)的4個(gè)典型狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析，研究該橋在運(yùn)營期內(nèi)的失效模式及其極限承載力的演化規(guī)律。結(jié)果表明，他們所提出的方法可以獲得在車輛荷載作用下斜拉橋主梁整體失效模式和相應(yīng)的極限承載力；斜拉橋在服役過程中主梁開裂、鋼筋銹蝕、邊界條件變化等導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)損傷、甚至結(jié)構(gòu)體系及其相應(yīng)的力學(xué)模型發(fā)生較大的變化，使結(jié)構(gòu)失效模式及其極限承載力發(fā)生較大的變化。

除此之外，在高溫下鋼筋與混凝土的黏結(jié)性能試驗(yàn)與分析、高溫下鋼筋與混凝土粘結(jié)錨固性能試驗(yàn)研究中，他們也做了許多探索性嘗試，為橋梁建筑的安全性能保駕護(hù)航。

理論研究之外，楊鷗還將研究緊貼社會(huì)實(shí)際，并展開了一系列面向社會(huì)應(yīng)用的創(chuàng)新探索。

2020年虎門大橋事件的發(fā)生，讓橋梁渦振現(xiàn)象出現(xiàn)在了公眾的視野。事實(shí)上，渦振是大跨度橋梁在低風(fēng)速下出現(xiàn)的一種風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象?！帮L(fēng)振問題主要是一個(gè)氣動(dòng)性能，其對整個(gè)橋梁的外形結(jié)構(gòu)十分敏感。雖然每個(gè)橋的很多參數(shù)比較接近，但是只要有一個(gè)細(xì)微的改動(dòng)就會(huì)對橋梁結(jié)構(gòu)的整體風(fēng)振性能產(chǎn)生很大的影響?！睏铤t說。而他和研究團(tuán)隊(duì)就針對避免在橋梁的設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)較大的渦振開展了一系列探索性工作，以服務(wù)于橋梁的安全性設(shè)計(jì)。

教書育人，尋求領(lǐng)域的下一個(gè)突破

幾乎每一個(gè)在科研道路上摸爬滾打的人都會(huì)遇到自己的瓶頸期，楊鷗也不例外。但在他看來，科研之路困難是常在的，想要在這一領(lǐng)域中做出更多創(chuàng)新性成果，就需要持續(xù)的投入以及長期的堅(jiān)持。每當(dāng)遇到困難時(shí)，他總是這樣鼓勵(lì)自己。

參加第一屆土木工程計(jì)算與仿真技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議

一路走來，楊鷗在科研征程中遇到了多位良師益友，特別是自己的博士生導(dǎo)師歐進(jìn)萍院士，其對待科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)、堅(jiān)持與熱愛，以及腳踏實(shí)地做科研的精神對楊鷗的科研之路產(chǎn)生了潛移默化的影響。如今作為研究生導(dǎo)師，他也希望能夠?qū)⒆约簭氖驴蒲泄ぷ鞯慕?jīng)驗(yàn)與態(tài)度，傳遞給學(xué)生們。

從事科研工作從來都不是單打獨(dú)斗，在楊鷗看來，一個(gè)人的研究興趣和特長要和團(tuán)隊(duì)整體研究需求相平衡，且更要注重團(tuán)隊(duì)成員之間的交叉合作。在學(xué)生進(jìn)入科研團(tuán)隊(duì)之前，楊鷗會(huì)將團(tuán)隊(duì)的整體情況做出簡單的介紹，讓學(xué)生在整體了解之后，選擇自己感興趣且較為擅長的科研方向堅(jiān)持做下去。多年來在教學(xué)崗位兢兢業(yè)業(yè)，楊鷗取得了一系列成果。由他指導(dǎo)的學(xué)生在第九屆亞洲地區(qū)校際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)邀請賽以及第十屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽中，都取得了優(yōu)異的成績。

輪勢隨天度,橋形跨海通?！皬奈覀儑业陌l(fā)展來說，橋梁領(lǐng)域的研究仍有很強(qiáng)的可持續(xù)性?！睏铤t說。在今后的研究之路中，他還將基于之前的研究基礎(chǔ)，針對橋梁長期運(yùn)營所出現(xiàn)的極端災(zāi)害問題，開展極端荷載下橋梁的安全性評估，用科學(xué)為國家橋梁工程的未來保駕護(hù)航！