新时代桥梁智能建造及智慧服务体系研究北大核心

面向数字中国建设重大战略需求,针对桥梁智慧服务、建养并重的发展态势,以物联网、标识解析、大数据、云计算等现代科学技术的深化应用为基础,总结参建的多项重点桥梁智能建造与智慧运维工程及重点科研项目的构建要素、内涵与特征,逐步构建桥梁建造的智慧服务体系。研究结果表明:可以工业互联网桥梁基础信息追溯为基础框架,以信息模型为载体实现数据共享和业务集成;可实现桥梁施工过程数智化升级,并实现数字孪生驱动的桥梁智能建造;可搭建智慧工地,以提升生产效率;可实现桥梁运营期智慧运维监测;可形成桥梁智能建造智慧服务一体化综合管理平台,从而打造我国交通基础设施数字化转型与智能化升级的先进样板。     

关于某项目上部结构通用图配束优化的研究

预制T形桥梁在高速公路中应用广泛，但预制桥梁由于标准化要求，单个项目采用标准跨径的类型有限，跨径组合在布置时常常造成浪费或者略有不足，灵活性不高，尤其在山岭重丘区情况下问题突显。结合规范变化等研究钢束布置情况，通过大量计算分析，优化钢束配置，增加常见跨径预制T形桥梁通用图的适用性，达到跨径布置合理、满足标准化要求、优良的经济性目的。     

基于静动载试验的桥梁承载能力评估研究

为了合理地评估桥梁结构的承载能力,以准跨径为13 m、横向25片空心板的三跨简支板桥为背景,采用有限元法和荷载试验方法分别分析了桥梁承载能力。试验表明:背景桥梁计算所得的挠度和应变校验系数分别在0.16～0.54和0.14～0.40之间,均满足结构强度和刚度的要求。实测挠度的横向分布规律与理论挠度的横向分布规律相吻合,说明横向刚度良好且传力正常。背景桥梁的有限元计算振型与实测振型形状吻合程度很高,验证了有限元模型的正确性;一阶竖向振型的阻尼比4.58%,属于低阻尼振动。实测振型与理论值吻合较好,实桥自振频率实测值为10 Hz,而有限元软件计算频率为9.1 Hz,其两者的误差为9%,竖向自振频率实测值与计算自振频率的比值为1.1,误差较小同时满足刚度的要求。     

长寿命高性能耐候钢桥研究进展与工程应用

系统归纳与剖析了国内外耐候钢桥的研究新进展及工程应用情况, 总结了稳定耐候锈层的形成机制、选材标准、腐蚀与疲劳损伤机理、耐候构造、耐候螺栓研发以及锈层检测与评价技术等方面的关键科技成果, 梳理并完善了耐候钢桥的适用范围和腐蚀余量设计指标, 提出了耐候钢桥锈层稳定化处理及施工技术要点; 评析了耐候钢桥锈层损伤检测与评价技术、腐蚀损伤养管技术, 结合美、日耐候钢桥工程事故经验教训和中国首批长寿命高性能耐候钢桥建设技术创新成果, 探讨了该领域的技术创新方向。研究结果表明: 耐候锈层由外层的γ-FeOOH、α-FeOOH以及内层的非晶态FeOOH化合物与Fe₃O₄构成, 稳定耐候锈层能否形成与保持, 主要受氯离子、积水和积尘等因素的影响; 建议编制中国高性能耐候钢桥选材区划图谱, 完善稳定耐候锈层构造设计准则; 现代耐候钢桥具有高性能和长寿命的技术特征, 带锈层构造细节的面内应力疲劳、面外变形疲劳试验和数值断裂力学模拟, 以及耐候高强螺栓长期耐损性能研究的推进, 将为建立完善的耐腐蚀、抗疲劳设计准则奠定基础; 人工智能技术的应用将推动长寿命高性能耐候钢桥智能运维技术的重大进步; 应加大研发投入, 建立具有中国自主知识产权的长寿命高性能耐候钢桥设计、建造和运维标准规范体系, 培养高素质的工程技术人才, 推进交通强国建设。      

基于声发射技术的钢桥面板疲劳损伤监测与评估

采用多种监测技术融合手段, 对正交异性钢桥面板开展了疲劳损伤监测与评估, 包括足尺正交异性钢桥面板节段模型疲劳试验与某公路斜拉桥正交异性钢桥面板运营阶段的疲劳损伤监测; 在正交异性钢桥面板疲劳试验中, 综合采用了美国物理声学(PAC)声发射(AE)传感器、智能锆钛酸铅压电漆(PZT)传感器和应变片进行了粘贴钢板冷加固前后的疲劳裂纹监测; 对处于运营阶段的斜拉桥钢桥面板疲劳开裂区域, 采用了粘贴角钢的冷加固方法进行加固, 并对加固前后的桥梁结构开展了AE监测和应变监测以研究疲劳裂纹状态与检验冷加固方法的效果。疲劳试验与监测结果表明: PAC的AE传感器和智能PZT传感器能有效捕捉具有突发峰值与快速衰减特征的疲劳扩展信号, 二者的协同应用实现了疲劳裂纹智能感知, PAC的AE传感器组能实时捕捉纵肋上的疲劳裂纹扩展长度和方向; 粘贴钢板冷加固后, 应力水平稳定在64.8 MPa, 直到继续循环加载至512万次仍无疲劳裂纹扩展, 验证了正交异性钢桥面板粘贴钢板疲劳冷加固措施的良好加固效果; 在疲劳试验过程中, PAC的AE传感器和智能PZT传感器监测疲劳裂纹扩展结果一致性良好, 与应变片相比可实时捕捉更丰富的疲劳裂纹动态信息。对运营阶段正交异性钢桥面板疲劳监测与评估结果表明: 加固前AE监测结果峰值能量是加固后峰值能量的5倍, AE累积信号由加固前的密集分布改变为加固后的稀散分布, 表明加固后的钢桥面板疲劳裂纹处于稳定状态; 随着加载车辆行驶通过, 冷加固后的疲劳裂纹尖端应力峰值降低40%至50%;对比加固前后的24 h疲劳应力连续监测结果, 疲劳细节附近应变片的应变水平从加固前的78 MPa下降至加固后的48 MPa; AE信号峰值能量、AE累积信号和应力水平的监测结果均证明了冷加固技术对正交异性钢桥面板疲劳开裂加固的有效性。      

UHPC纤维定向法及对受拉性能影响

基于新拌UHPC流动改变内部纤维取向的特性,采用通道流动结合振动的方法,实现UHPC的纤维定向浇筑,并采用图像分析技术测量了纤维定向浇筑对UHPC内部纤维取向的影响,利用抗折试验和轴拉试验测量了纤维取向对UHPC抗拉性能的影响,最后提出了用于定量评估纤维取向对UHPC抗拉强度影响的指标.研究结果表明:常规浇筑下UHPC的纤维取向系数为0.487,接近0.5,纤维定向浇筑的UHPC的纤维取向系数达到了 0.731;具有纤维定向效果的UHPC开裂强度提升24％,抗拉强度和抗折强度分别提升66％、71％;评估UHPC抗拉性能的指标计算出的强度提升约为69％左右,与实测值相近,可认为是一个可靠的用以定量评估纤维取向对UHPC抗拉强度影响的指标.     

超高性能混凝土深梁受剪性能

为促进超高性能混凝土(UHPC)深梁的应用, 进行了4根以混凝土强度为主要参数的UHPC深梁受剪性能试验, 并开展了C40和C80混凝土深梁的对比试验; 分析了UHPC深梁的荷载-挠度曲线、破坏模式、钢筋应变、裂缝形态与极限荷载; 为探讨现有普通混凝土深梁受剪承载力计算方法是否可用于UHPC深梁, 应用《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)对6根深梁试件进行了抗剪强度计算。研究结果表明: 混凝土强度越大, 在相同荷载下深梁的刚度越大, 在深梁开裂前的弹性阶段, UHPC试件刚度随钢纤维掺量的增大略有增大; 与C40和C80混凝土深梁一样, UHPC深梁裂缝包括弯剪裂缝和腹剪裂缝, 当荷载分别为13%~22%和18%~34%极限荷载时, 两类裂缝先后出现; UHPC深梁在加载全过程中梁、拱受力机制共存, 加载前期梁受力机制起主导作用, 后期则拱受力机制起主导作用; UHPC深梁裂缝多而密, 发生剪压破坏, 在支座上端反拱区不产生裂缝, 而C40和C80混凝土深梁出现斜压破坏, 且在支座上端反拱区产生裂缝; 试验梁受剪承载力随混凝土强度的增大约呈指数式增大, 混凝土强度从C40增大到C80、C190时, 其受剪承载力分别增大了30.76%和201.92%;采用《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)中方法计算的UHPC深梁受剪承载力与试验值比值的均值为0.89, 均方差为0.15, 在没有更精确的计算方法之前, 该计算方法暂时可用。      

预制拼装桥墩体系及其抗震性能研究进展

预制拼装桥墩体系(Pre-fabricated Concrete PierSystem, PCP)抗震性能是影响其推广、应用的关键。为加快PCP在中、高烈度等复杂恶劣工程环境中的设计、施工与建造，首先综述了PCP节点连接的接缝形式、连接构造类型及典型工程示例，指出了PCP常用3种接缝形式和6种连接构造力学性能的研究现状及其优缺点；其次，系统地梳理了PCP抗震性能的研究进展，分析了不同连接条件下PCP的抗震性能，明晰了现有PCP抗震性能研究的不足及未来研究方向；最后，详细地论述了PCP抗震性能提升方法的研究前沿，探究了耗能延性构造的设置、高性能材料的应用、新型装配式节点构造设计以及新型混合预制桥墩体系的提出等PCP抗震性能提升方法的优缺点和发展方向。结果表明：通过对装配式节点的合理设计以及薄弱区域的预处理，预制拼装桥墩体系的抗震性能能够达到“等同现浇”的设计原则。然而PCP在复杂恶劣工程环境中的推广应用仍面临以下关键问题：PCP既有节点连接方式、体系和改进措施的抗震性能研究成果亟需归纳；新型节点连接方式、新体系和新型改进措施亟待提出，相关抗震性能有待验证；既有和新型PCP抗震性能的理论分析及抗震设计方法尚需完善；适用于复杂恶劣环境的预制拼装桥墩设计、施工标准亟需制定。