走近桥梁大师 | 专访耿波:强化韧性设计研究 保障既有桥梁安全运维

2025-04-15 2050 0

目前,我国基建市场已进入紧缩期,但存量市场巨大。中国已建成桥梁数量位居世界之首,如何保障这些桥梁的运营安全?将智能化技术运用于桥梁全产业链上,尤其是桥梁建造和运维中,需要实现哪些突破?本期让我们一起走近桥梁工程安全及韧性全国重点实验室执行副主任耿波,听听他的看法。


记者

您从同济大学桥梁系毕业后就投入到桥梁安全研究领域,如今成为深耕桥梁防灾减灾领域的专家,求学过程中有哪位导师对您的学术和职业方向产生了深远影响? 

耿波

我博士期间就开始了桥梁船撞冲击以及桥梁抗震方面的研究。那时是本世纪初,国内桥梁船撞领域研究刚刚起步。那几年,中国发生了多起船舶撞击桥梁的事故,包括大家熟悉的2007年发生于广东佛山的九江大桥船舶撞击桥梁事故、金塘大桥船舶撞击事故等等。这些事故当时引起了工程界的极大关注,而那时我国在桥梁船撞方面没有相应的规范来指导设计,所以在写毕业论文时,我的导师王君杰教授就建议我作桥梁船撞冲击领域的研究。

我在论文里主要分析了如何评估桥梁的船撞风险,以及如何计算桥梁结构在船撞作用下的响应,并提出相应的主动、被动保护措施,以最大程度减少损失。工作后,我对这个方向也非常感兴趣,一直在从事该领域的相关研究工作。


记者

您能否围绕某一座桥梁,介绍一下“桥梁结构安全监测与评估”在解决桥梁运维安全隐患方面的应用? 

耿波

厦漳跨海大桥是我毕业后参与的第一个桥梁设计项目,因此印象最为深刻。厦漳跨海大桥是连接厦门和漳州的重要通道,全长9.33公里,桥梁主要由北汊桥和南汊桥两座主桥构成。桥梁临近台湾海峡地震区域,多次跨越地震断层,地震设防烈度7至9度。桥梁跨越的航道处于繁忙的通航区域,通航密度大、船舶吨位高,大桥面临着较高的船撞风险。



厦漳跨海大桥


针对这些特点,我们对桥梁减振抗震进行了深入研究。当时国内高烈度区跨海桥的设计经验还不是特别丰富,我们在调研国内外尤其是日本许多类似桥梁设计、建设、管养经验的基础上,对桥梁采取了许多减隔震措施,包括采用当时国内最大吨位2500吨的铅芯减隔震橡胶支座。目前这些减隔震支座已经使用了16年,对于提升整座桥梁的抗震韧性来说,效果非常好。



铅芯橡胶支座


另外在桥梁船撞方面,因为通航密度大,北汊桥规划船舶的通航吨位3万吨左右,南汊桥是5000至8000吨,如此大吨位的船舶安全通行,对桥梁撞击防护提出了很大挑战。基于多方面考虑和实际需要,我们研发了施工与防撞两用的钢套箱,这在当时是国内首例。这种钢套箱既能用于施工过程中,又能在运营期间转为防护结构,对于提高桥梁抗撞韧性发挥了重要作用。


记者

您认为目前中国桥梁的“韧性设计”与国外相比有哪些特色技术路径? 

耿波

“韧性”(英文:Resilience)最早就是从国外引进的一个词。“韧性”的内涵是什么呢?对于桥梁来说,一是抵抗灾害的能力,二是灾后桥梁结构快速恢复的能力。增强桥梁抵抗灾害的能力,我们可以在结构上下功夫,比如安装减隔震或者防止船撞的一些装置。我们还可以在结构上考虑加强或增加冗余措施,保证灾害发生以后桥梁不至于倒塌或中断交通,造成更为严重的后果,并且能够快速恢复交通通行。

中国基建高峰期比国外晚,上世纪七八十年代左右,国外很多发达国家就走过了建设高峰,而中国的基建高峰期是在2000年以后,尤其是2005年到2020年之间,建设了许多大型基础设施。我国基建高峰来临的初期,关于“韧性”的很多设计理念都是借鉴于欧美的一些规范。



杨泗港长江大桥


二七长江大桥


西堠门大桥


嘉绍大桥


杭州湾跨海大桥


港珠澳大桥


但如今伴随我国桥梁技术的不断发展,我们也有了许多自己的发展思想与理念。

经过建设高峰期之后,很多桥梁会进入养护运维阶段。如何保障既有桥梁安全运营,这是一个非常大的研究方向。我国已从三个方面做好相关应对工作。一是新材料研发,即研发使用更加轻质高强、更耐腐蚀的新材料来提升桥梁结构的强度和耐久性,增强抵抗自然灾害的能力。二是新结构体系的研究,在桥梁结构体系研究中增加韧性结构或构造,让桥梁结构在应对灾害时,不发生连锁倒塌。三是在运维过程中,引入许多与人工智能相关的监测和预警手段,一旦发生事故后立即响应,不至于造成非常大的二次伤害。这些也都是我们今后在桥梁领域需要持续关注的重要方面。


记者

在桥梁全产业链上,可以说桥梁安全维护是智能化运用得最为深入的领域。在您看来,现在以及未来一段时间,要将智能化技术运用于桥梁全产业链上,我们还需要在哪些方面努力实现突破? 

耿波

智能建造是目前非常热门的一个方向,也是将来的发展趋势。要更好地推进智能建造,我认为需要在三个方面努力实现突破。

首先是政策层面,需要国家有相应的政策支持或引导,因为推广智能建造,前期需要大量投入,可能造成初期成本上升,比如建设“智能建造工厂”或者“智慧工厂”。但一旦形成规模或定式之后,成本就会大幅度下降。

第二方面是标准规范层面,也相应得有配套的技术规范来支撑装配式或者智能化建造的投用。如果我们把桥梁看作一个工业产品的话,相应的标准规范就需要继续完善健全,否则工厂生产出来的产品到底以什么样的标准投入市场,目前还有点难界定。

第三个方面就是实践层面,目前许多桥梁在建设过程中已经采用了装配式结构,这些结构的使用也取得了非常好的效果。但目前装配式技术在使用阶段,大家非常关心的一个问题依旧是成本造价。可能在我国东南部经济相对发达的地区,情况好一些。但在西部地区,装配式结构的应用较低,若没有大规模复制推广,要想降低成本是很难的。所以如果一个省或者一个区域能进行统筹谋划,规划建设一些标准化梁场或工厂来辐射一定的范围,把成本降下来,装配式施工将会有很大的发展应用空间。



京港澳改扩建5标项目智能梁场


记者

您所任职的桥梁工程安全及韧性全国重点实验室,在推动产学研用协同创新方面有哪些经验可以与其他同级别实验室分享?

耿波

我所工作的实验室原来叫桥梁工程结构动力学国家重点实验室,2019年响应国家科技部要求进行重组,历时3年完成重组,重组后的名称叫桥梁工程安全及韧性全国重点实验室。实验室由招商局重庆交科院牵头,联合湖南大学陈政清院士的抗风团队、北京工业大学杜修力院士的抗震团队,三家优势互补、强强联合,形成产、学、研、用的全链条体系。交科院代表“产”和“研”,两家高校代表“学”,一起做好了就是“用”了。过程中由企业出题,提出桥梁实际需求问题,实验室来解题,一起把实验室的科研成果推向市场,真正发挥产学研用全链条体系的优势。



桥梁检测与评估创新型装备体系


依托实验室的运行,我们孵化了不少企业,涵盖拉索研制、钢桥面铺装、桥梁防撞、桥梁检测、桥梁监测、桥梁养护维修等多方面。如果说实验室是平台,那么过程中我们有专业的研发团队做相应的研发工作,下属的公司在面向市场时,会反馈遇到的问题,再由实验室进行研发改进,来解决这些实际问题。经过技术升级迭代后,我们再将新产品或新装备推向市场,从而形成以研促产、以产养研的良性循环机制,来保证实验室的运行。


记者

桥梁工程安全及韧性全国重点实验室未来的发展方向是什么?

耿波

大家已经明显感受到,如今我国的基建市场已处于紧缩时期,但存量市场却是巨大的。就拿桥梁来说,现在我国的存量桥梁已达120万座,是世界数量最多的。如何保证这120万座桥梁的运营安全,是未来非常艰巨的任务。同时,我国幅员辽阔,桥梁的服役环境复杂,比如东部的海洋气候环境、西部高原的冻土环境、西北戈壁的风沙环境等。另外,部分地区自然灾害频发,桥梁遭受强震、强风、洪水侵袭以及撞击的可能性非常高,这些都给桥梁运维带来很大挑战。

我们实验室的主要定位就是解决桥梁在地震、强风、冲击等典型动力荷载下的防灾减灾以及全寿命期间的长期性能监测与保障等问题。

现在国家正在制定“十五五”发展规划,其中一个重要的方面就是交通基础设施的运营维护,我们实验室正在智能防灾和智能运维这两个领域积极进行准备工作。同时,我们的团队在主导编制很多标准规范,包括交通部行标《公路斜拉桥设计规范》《公路桥梁抗震设计规范》等,可以说这些都将对中国桥梁行业的行稳致远发挥重要作用。


耿波

招商局重庆交通科研设计院有限公司桥梁研究所所长、桥梁工程安全及韧性全国重点实验室执行副主任。致力于桥梁防灾减灾、振动控制、抗冲击及结构安全工作,主持或参与了3项国家重点研发计划项目,牵头或关键参与了30余项省部级科研项目。在结构振动控制与抗冲击技术领域的贡献,为他赢得了2项省部级特等奖、5项一等奖及10余项二等奖。发表论文100余篇,专著5部,拥有80余项专利,并对8项国家(行业)标准和7项地方标准的制定作出重要贡献。获得多项荣誉,包括中央企业劳动模范、重庆市杰出青年专家、交通运输行业重点科研平台创新人物等。


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