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养护创新 放眼未来——桥梁专家共话悬索桥养护技术发展趋势

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发表于 2017-5-6 11:53:20 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【编者按】江阴长江公路大桥于1999年9月28日建成通车,至今已运营了17年。去年,交通运输部重点桥梁监测工作,对40座特大桥梁的养护管理规范化进行检查评分,江阴大桥排名全国第一。2016年11月29日下午,多位桥梁专家、学者聚首江阴大桥,以悬索桥养护技术的创新发展为主题,畅所欲言、各抒己见,热烈探讨。《桥梁》杂志记者对这次研讨会进行了现场实录,现将与会嘉宾的观点提炼、整理成文,以期引起读者对桥梁养护的更大关注。

告别零敲碎打 进入系统管理

目前,桥梁管养的工作较为分散和琐碎,给总体统筹带来了难度。对于桥梁的历史信息、病害的发展历程、设备的维修与更替等技术档案,呈碎片化状态。此次研讨会上,有部分专家提出,要一改过去应急式、尝试性的管养方式,利用智能化、信息化技术,建立中长期的养护研究计划和综合管养平台。


董学武:目前桥梁管养的一般工作模式为:第一,结构、交安、监控、照明、除湿等,分属不同系统,各自为政,未建立综合管养平台,数据分散而琐碎,养护工作缺乏总体统筹。第二,基本信息以图纸档案的形式保存,调阅不便。第三,构件及设备技术状况以文字记录方式为主,桥检报告文件篇幅浩大,缺乏直观性。第四,病害类型、位置、程度等统计分析工作依赖手工完成,受限于人员的技术水平。第五,桥梁历史信息,如病害的发展历程、曾经的维修工程、设备的更新换代等,分布于不同的技术文件中,呈碎片化状态, 整合程度低。

鉴于以上现状,我认为有必要建立综合的桥梁运维系统,实现桥梁养护工作的整体化、标准化、可视化、可追溯化等。BIM技术在这里可以得到较为充分的应用,该技术绝不仅仅只是建立可视化三维模型,更应是建筑物信息的共享资源平台。建立建筑物从设计、施工直至养护的全过程信息数据,将成为其全生命期决策的可靠基础。根据大桥竣工资料,建立全桥三维结构模型,作为今后养护工作的基础平台、信息载体。模型中详细录入构件尺寸、机电设备等附属设施产品型号性能、管线布置等全部结构信息。将历次桥检资料录入模型,标注详细参数,并上传病害现场照片,形成构件技术状况时间轴。将桥梁历次维修措施、设备更换的详细资料上传整合,并对新增构件建立养护信息档案。

另外,利用二维码技术,对养护检修工作进行信息化管理。利用二维码将构件及设备按区域规划,与区域一一对应。在APP中扫描二维码即可得到区域内的所有信息。这种管理方式的优点为:首先,依赖性低。所有的信息是可以查询的。而且随着巡检维修的数据量增大,可以生成维修检索库,相关问题可以直接获得答案。其次,养护成本低。手机和二维码的成本都是极低的,相比较其他的电子标签需要另外采购扫描设备相比,成本大大降低。第三,养护效率高。需要完成的任务通过扫描直接可以查到,漏查会进行提醒,减少了返工的可能。



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中设设计集团副总经理 董学武

张宇峰:目前,许多桥梁都建立了自己的健康监测系统,利用健康监测系统数据分析,一定程度上帮助管养单位减少了人工投入,改善了工作条件。以最简单的桥面温度监测为例,一般对于钢桥面,在夏季高温季节,桥面温度临近60℃时应当进行洒水降温,而冬季雨雪天临近0℃时,又要考虑预撒融雪剂。以往的做法是,桥梁养护人员在最冷、最热的时候,拿着温度测枪,到桥上去测温,不仅工作环境恶劣,人工耗费大,而且存在较大的安全风险。现在,利用健康监测系统中的远红外路面温度传感器,让管养人员坐在办公室里就可以掌握现场状况,安排后续养护工作,时机把握也更为精准。

当然,这看似简单的事,实现起来其实也不简单。我们最初在南京二桥采用这套系统时,就发现很难找到适合在桥上用的远红外温度传感器,因为这类传感器以前主要用于室内物体测温和高炉测温,前者只需50℃以下,后者通常为几百摄氏度以上。而我们希望的温度范围为-40℃~80℃,精度要达到0.5℃,测温范围能达到10m,所以只能自己研发。另外,在应用中还发现, 车辆阴影会造成测温数据波动等问题,我们也采取了很多技术手段。

另外,我建议可以在桥梁运维系统中,使用一种基于机器学习的桥梁表观病害的图像识别技术,包括无人机拍摄。对现场采集的大量结构病害图像进行大批量的分类,提高人工分类效率。针对结构表面裂缝宽度与钢板锈蚀率等结构安全程度量化指标,采用数字图像处理技术实现定量分析。传统学习算法存在一定的局限性,结构病害图像随机复杂特征值的选择难度较大。可以采用机器学习算法来辅助人工进行结构病害图像分类,提高图片分类效率,使图像资料能够及时有效的管理。此外,还可以进行三维可视化桥产管理平台的研发。



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苏交科集团股份有限公司副总工程师 张宇峰

金凌:要做一个中长期的养护技术研究工作,改变过去应急式、尝试性的管养工作方式。我建议从基础研究做起。能不能选一些有代表性的部位、节段,建立一个观测基地进行观测?对标准的节段进行加密观测、全面检查,增加了隐患和病害发现的概率。



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江苏省交通运输厅副厅长 金凌


崔冰:尽管现在BIM很热,并且从上至下贯穿。我对BIM接触得比较早。我认为,或许不是每个工况都适合,因为规划和养护、施工不是一回事,不同的工况,BIM产生的结果完全不同。因此,BIM的理念在每个阶段如何去合理地运用?这是我们值得慎重思考的问题。



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中交公路规划设计院有限公司副总工程师 崔冰

新技术 新材料

悬索桥的疲劳开裂问题,一直都是养护工作的关键。此次研讨会上,部分专家不仅就现有的检测和修复手段进行了分析,还大胆提出了运用新技术、新材料,推动养护工作的提档升级。此外,对于预防主缆锈蚀、延长铺装层寿命方面,也提出了较好的方法和建议。


吉伯海:疲劳裂纹的修复问题是悬索桥养护的重点。根据检测发现,江阴大桥水平裂纹数量较多,并且均有沿U肋腹板方向扩展的趋势。如果继续扩展,是否会最终导致U肋断裂或其他事故?目前还是个未知数。从实桥检测现状来看,焊缝的数量多、长度长,且裂纹特征复杂,造成检查工作量大、成本费用高及裂纹漏检。而就目前的检测技术来看,存在设备便携性差、适用性低、对特征认识不足的问题。因此,导致大多数裂纹缺陷都以目测为主,尽管也采用了磁粉辅助检测,但隐蔽裂纹较容易被忽略。

目前,对于疲劳裂纹的修复,钻孔止裂是普遍采用的方式。这种方式在实际应用的过程中,由于箱梁空间狭窄,裂纹尖端不容易定位,再加上人员专业水平参差不齐,效果往往不尽如人意。而另外一种普遍采取的方式就是裂纹的焊合,由于现场焊接困难,裂纹去除不彻底,焊接方式难以匹配等问题,焊接质量难以得到保证。因此,探索和研究一些新的检测与修复裂纹的方法,是解决目前养护难题的关键。

举个例子,比如超声波,这种新的检测技术还在摸索阶段,它可根据有无穿透信号来判断裂纹的位置。但是由于操作复杂、技术难度大、无检测规范等原因,应用得比较少。我们也做过一些实桥试验,试验证明总体还是可行的,但检测设备尤其是探头,还需要进一步改进和优化。另外,我还建议在检测时,多采用荧光磁粉。相对于普通磁粉来说,在相同检测方法的基础上,荧光磁粉具有更高的缺陷识别度。另外还有ICR技术,通过高速冲击,产生较大塑性变形,使裂缝开口闭合;同时引入压应力,大幅延缓裂缝扩展,是一种新的疲劳裂缝修复方法。



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河海大学科技处处长 吉伯海


陈艾荣:只进行宏观尺度上的疲劳研究是不够的,而应在更小的尺度上开展疲劳损伤和开裂机理研究。目前,在修复补强技术方面,比较新的技术有:刚性铺装层,复合材料加固。现在从国际研究趋势来看,复合材料加固是一种很好的技术。一般有两种复合材料,一种是已经加工好的板;另一种是类似于橡皮泥一样的东西,又类似于石膏,一开始是软的,变硬了以后就可以用来加固。所谓的高韧性复合材料,如果这个方法找到的话,对于钢结构的裂缝加固就会非常方便。只要像抹橡皮泥一样地涂抹在裂缝上,就可以了。



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上海同济大学土木工程学院副院长 陈艾荣

饶建辉:江阴大桥于2013年初,在下游侧跨中主缆最低点处打开了400mm长的缠丝进行检查。通过主缆开缆检查分析,江阴大桥主缆部分钢丝锈蚀严重,尽管良好的密封系统阻止了外部水分的进入,但是无法排出内部的残留水汽,解决不了钢丝的锈蚀问题。2014年12月,主缆除湿系统进入运行状态,连续输送干空气至今。主缆除湿系统一方面能够将内部水分带出,另一方面同传统防护体系一起防止外部水分的进入。良好的使用效果,使主缆除湿系统成为了目前国内外新建悬索桥普遍采用的防护体系。



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江苏扬子大桥股份有限公司总经理 饶建辉


冯良平:根据分析,悬索桥和斜拉桥的桥面铺装最易损坏,平均寿命分别为4.6年和9年。目前的桥面铺装材料主要有:浇筑式沥青混凝土、环氧沥青混凝土、反应性树脂沥青混凝土和沥青玛蹄脂。我建议,要根据当地气候条件及交通量运营情况,根据类似项目的使用经验,选取铺装形式。从目前的经验来看,环氧沥青混凝土性能较优越,部分大桥现阶段桥面铺装均采用此类型, 铺装寿命较预期寿命长,可达8~10年。



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中交公路规划设计院有限公司桥梁与隧道监测养护分公司总经理 冯良平

崔冰:面临现在的疲劳损伤,我很赞成以预防的方式来提高疲劳性能, 使裂缝出现的时间尽量往后推。第二个方式就是到不得不解决时,对桥面结构进行改造。

活性粉末混凝土(RPC)与正交异性钢桥面板的结合,是从结构层面对桥梁行车面板结构进行的重构,是梁体结构的组成部分。其充分利用构成结构的各种材料的特性,不仅可有效控制结构自重,提高梁体及桥面板的整体刚度, 同时大大降低了钢正交异性板中主要连接部位的应力,可有效提高新建和已建正交异性板的抗疲劳性能,同时规避了钢桥面铺装的难题。目前,国内已做了大量的研究与开发,从效果来看还是不错的,基本上可以不用再进行“蒸汽养生”,但是需要一定的造价。目前南京五桥的计划是在粉末中引入石子和砂。随着这方面研究的推进,不单是材料的研究,还有工艺和设备的研究。


建立完善的应急处置机制

火灾、洪水、超载、船撞、车撞、地震……这些都是桥梁运维过程中, 有可能遇到的极端性突发事件,对于桥梁的结构安全会带来不同程度的损伤。此次研讨会上,部分专家对此类突发事件的应急处置提出了各自的看法。其中,火灾的影响成为新的关注点。


黄侨:根据1989~2000年间,美国503起桥梁损坏事故起因调查结果显示,洪水、冲刷、船撞车撞、超载、地震都占到了较大比例。另外,火灾占到了3.12%。桥面火灾的起因主要有:油罐车发生侧翻,或者其他车辆发生交通事故相撞,导致燃料大量泄漏,遇明火以后发生爆燃。还有船撞桥起火,烧到桥的下部结构,以及桥梁内部的电缆失火等。这些情况如果出现了,会造成什么后果?我们的桥梁有多大的抗火能力?

大家都知道“9·11”美国世贸中心倒塌,其中一个最重要的原因就是这是一座钢结构的建筑。飞机满载燃油撞击以后,就在楼里面进行燃烧,一般燃油的温度可以达到一千多度,就造成了钢结构的损伤。没有刚度的楼房,自然要倒塌。对于一座钢结构的悬索桥,会出现什么情况?如果出现交通事故,出现桥面火灾,可能是吊杆断裂,可能是主梁、主缆受损,最后的结果会不会出现桥梁倒塌?这些都是需要我们研究的。我们可以以一座桥作为案例分析,研究它的过程,看它的耐火能力,这些都是有价值的。哪些火灾我们可以不予理会?哪些火灾出现在要害部位?需要采取什么对策处理?如果桥面出现了火灾,技术和管理部门有哪些应对方法?是否来得及救?火灾后,损伤的评估和维修策略,也是一个值得研究的课题。



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东南大学交通学院土木工程系主任 黄侨

陈艾荣:应建立桥梁的极端情况构件损伤快速评价机制。根据对桥面火灾场景进行数值模拟,可以得出,如果小汽车在桥面发生火灾,最高温度在火焰根部可达700℃,200℃以上的火焰高度可达5米。客车发生火灾,最高温度在火焰根部可达到1000℃,200℃以上的火焰高度可达15米。重载卡车发生火灾,最高温度在火焰上方5米,可达1050℃,200℃以上的火焰高度可达40米。油罐车发生火灾,最高温度在火焰根部,可达1000℃,200℃以上的火焰高度

可达40米。应当评估不同类型的桥面火灾对桥塔和缆索的影响。另外,由于极端事故而引发的桥梁构件爆炸,也应采取相应的快速评价机制,以便及时进行善后与修复工作。


饶建辉:江阴大桥每年火灾平均为5到6起。自燃、相撞两种情况比较多。我们建立了一套火灾处置措施,基本上没有造成严重后果。应急消防车就停在收费站,距离大桥中心点仅需3分钟。


绿色  标准  跨界  人才

研讨会上,与会嘉宾还就养护工作的转型升级、标准化体系建立、科研方向、人才培养机制等方面,进行了深入的探讨和观点的碰撞。


金凌:根据“十三五”规划,整个行业都需向智慧发展、绿色发展转型。绿色养护技术很重要,这也是行业升级的方向。长寿命的养护技术会越来越受关注,大型基础设施的扩建,今后会越来越少,因此,做好现有基础设施的养护尤为重要。

另外,我们应主动放开视野,关注其他领域的创新,材料科学、传感技术、病害处治技术,这些技术在工业和材料部门都会有,我们可以引入交通行业。同时,要加强对国外先进技术的了解与引进。创新的目的是什么?是为了提高现有的工作质量,提升效率,解决现有工作的盲点。我认为,形式上的创新可以少一些。


冯良平:越来越多的桥梁管养单位采用了社会化管养维护服务。随着服务商服务能力的提升,将为桥梁管养单位提供更高质量、价格合理的专业化服务,让桥梁管养单位更专注于自身核心竞争力的提升,真正实现维修成本的战略管理和系统优化。

随着材料、装备、建设技术的进步,以绿色维修和再制造为特色的桥梁加固维修技术将不断发展和完善,为桥梁的管养和安全运营提供更有效的技术手段。

另外,应提倡“可维修设计”的理念。在大桥设计之初,就对桥梁检修通道进行设计,实现检修通道全覆盖,以支持后期检测养护工作。后期也要重视检修通道的维护保养,对现有通道制定维护方案,进行维修保养,消除检修通道上可能存在的病害或者安全隐患,确保可达、通畅。另外,在设计阶段, 还应考虑材料和构件的耐久性问题,易损构件全寿命设计问题,以减少大桥的后期养护成本。


吉伯海:养护工作需要标准化。例如:止裂孔是现阶段实施应用最广的一种临时性止裂措施,那么,打止裂孔要在什么情况,什么时机,什么部位, 打多大?需要制定一个统一的方案,最终形成一个标准。


陈祥辉: 我们刚刚成立了“ 工程技术养护技术中心”,把科研作为重要任务。针对高速公路和桥梁,不管是理论研究,还是技术发展,分门别类,做一些探索。要形成标准化体系,把不同桥上的课题整合在一起,形成标准化的东西。如何把桥梁所有的数据,包括建设数据、检测数据、运营管理数据,都集中起来?是一座桥一座桥来做,还是整体做?就我们江苏交通控股公司来说,所管辖的4000多公里高速公路和5000多座桥梁,如何做好体系的标准化,建立全路网的数据中心,是一个挑战,需要探索一些新的管理方法。



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江苏交通控股有限公司副总经理 陈祥辉

钟建驰:要跨界,多联合一些其他行业,比如机械行业,从提高效率的角度,研究一些小工具、小设备。在部件的保养方面,有没有可能算一个精细账?将人工成本和更换成本进行一个比较。伸缩缝延长3年使用寿命要花多少钱?其中人工成本是多少钱?直接更换的成本是多少钱? 另外,我们现在研究的都是可见裂缝,但它可能有一倍的延伸,也就是不可见裂缝,这方面我们该如何研究?



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江苏省交通运输厅副巡视员 钟建驰

周世忠:养护工作需要统筹考虑。要根据需要,找迫在眉睫的、已经发生的问题来一一解决。比如吊索的问题,今年查出来有一根需要更换,明年就要研究怎么把它取下来。理论研究非常重要。今天谈得最多的是疲劳问题,我感觉当然有应力大的问题,但更多是缺陷的问题。不单单出现在应力大的地方,其他地方也不能放松。另外,要及时观察问题的发展,实际监测很重要。



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江苏省交通运输厅巡视员 周世忠

万田保:悬索桥的具体病害主要有以下几个方面:首先是正交异性板的开裂,这是由于作用应力次数多,应力集中非常高。其次是短吊索,这是由于二次应力高,还有腐蚀。另外,伸缩缝的问题也发现很多,早期的悬索桥陆续都要更换伸缩缝。江阴大桥约在2006、2007年更换了伸缩缝。去年8月份,我到美国去采购伸缩缝,并进行了考察,实际上美国做的伸缩缝似乎没有国内做得精细。还有就是阻尼器的漏油,也是国内几座桥出现的问题。因此, 如果是新桥,可以从结构体系上有所考虑;如果是旧桥, 就需要一套成熟的养护管理体系。我很多年都在贵州山区做悬索桥,这些地区的桥梁后期管养比较薄弱,最大的问题是缺乏专业人才。



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中铁大桥勘测设计院集团有限公司副总工程师 万田保

饶建辉:我们成立了“悬索桥养护技术研究中心”, 作为一个平台。通过这个平台,和同济大学建立研究生工作站。同时定期举办论坛、学术交流、养护科研,对养护技术人员进行培训,服务于研究生工作站。延伸养护管理,吸引更多即将毕业的有志于养护的优秀人才。

桥梁养护是一个值得长久关注的话题,对于它的研究和探索,将伴随大桥的一生。可以说,养护工作永远都是“在路上”。此次“悬索桥养护技术研讨会”,经过4个小时的头脑风暴,所激发出的火花,将为今后的悬索桥养护工作指明方向、调整步伐。绿色、智慧、全寿命、可持续……这些理念将在未来的养护工作中得以体现,并成为科研与创新的源动力。




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