舟山復雜環境中的橋梁智能養護

文|

從1999年正式動工，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，是中國現代橋梁和跨海工程發展的里程碑和見證者。實際上，連島工程的建設和養護，一直在探索一些與智能相關的思路。

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在，浙江依然如火如荼地建設大型橋梁，浙江的橋梁建設歷時已久。錢塘江大橋是我國自主建設的第一座大橋，有很多創新之處。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。其中錢江四橋是一座大規模拱橋，其下游是嘉紹大橋和杭州灣大橋。

杭州灣大橋是建設較早的一座跨海大橋，海上施工的梁上架梁技術便是在建設杭州灣大橋時提出來的。從1937年至今，利用該技術建成了很多橋梁，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雜外海環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、不同結構，加上連續剛構橋跨境也比較大，在建設的過程中，展示了錢塘江上不同時期的不同技術水平，以及未來可能提升的目標。目前，這些橋梁都在養護運營中。

錢塘江大橋到舟山入海口大橋的建設過程，也是我國自主研發橋梁的過程。目前舟山正準備建設連島工程，修建一座公鐵兩用的跨海大橋，投資200億元左右。

在這些橋梁的建設過程中，有很多創新工法，比如在錢塘江大橋建設的過程中，茅以升先生用涉水法打樁，沉箱法做基礎，浮運法架梁。面對錢塘江潮水洶涌、江底淤泥較深的惡劣環境，做基礎和架梁對海江上施工都有很多挑戰，茅以升先生采用了幾個很有效的創新手段完成了大橋的建設，在這個過程中可以看到工程創新的思維。在舟山橋梁建設過程中，依然要面臨深水樁基礎問題和海上架梁問題，除此之外，還面臨著如何落實工藝設計的要求。隨著技術和裝備不斷提升，在這個過程中有了大型的起吊設備、打樁船、鋼管樁等，同時創新思維也在不斷延續，在發展中還會遇到新的問題，面對新問題，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較人工化和機械化，連島工程的建設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系問題。大橋的工程建設是由建設部和所有的相關單位組織形成的，需要通過規范要求、自然條件等客觀規律獲得工程信息，獲得的信息有外部的信息和內部的信息。其中，內部的信息是可控的，諸如結構的受力性能等。外部信息是一些突發的信息，包括災害、地質條件等的影響，還有政策性的信息，比如立即要架梁施工，但個別部門通知該時間段不能施工，或是縣委通知需要調整工期，這些外部信息都是不可控的。所以，無論是管理單位還是項目指揮部，都需要通過這些信息做出合理的決策，選出最優的方案，把人、機械設備和資金按時間窗口、空間窗口有效地投入到工程中，規避工程風險。

完整的工程建設是將意識變成物質的過程，是將藍圖變成鋼筋混凝土結構的過程。這一過程可以有很多途徑，但無論通過怎樣的途徑，信息都發揮著重要作用。在實際的建設過程中，可以采用很多信息化的手段。

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

另一方面，要與氣象站建立合作關系。氣象站會定期發送天氣預報，因為在混凝土施工時，有可能每隔半小時就有大風侵襲，天氣預報可以讓相關部門在暴雨、臺風等惡劣天氣來臨之前及時采取措施。

西堠門大橋

信息化運營：復雜服役環境下跨海橋梁的智能化管養

海水的沖刷、海洋環境的腐蝕等對橋架結構的影響非常大，而且很難把握。一座大跨徑橋梁就是一個系統空間，空間里各種因素的狀態都會影響橋梁的結構，橋梁在部分構件受損時，其受力特性會發生改變，并且與其他構件表現出較大的差異性。這些差異可以通過數字化巡檢和人工巡檢監測到，從而為后期養護找到要點，找到問題關鍵。目前，舟山跨海大橋、中小型跨海大橋、珠江大橋等都做了養護評估和現場調查，結果顯示，從狀態監測獲得的信息還遠遠不夠。面對復雜的服役環境，舟山連島工程建立了“車-橋-環境-船”一體化的智能監測系統。通過遠程感知、系統控制、防護決策、車橋環協同高度智能化方式，對結構位移、結構沖刷、結構應力、風場、潮位、海浪、車流量和船舶等進行檢測。

從信息的角度出發，橋梁養護工作可描述成數據采集至數據應用的過程。這些數據應該包括一切與橋梁相關的數據，如橋梁健康及環境監測數據、規范設定及參數量化數據、數值模型及模擬計算數據、人工采集及性能評價數據、橋梁檔案及施工控制數據等。面對如此數量龐大、種類多樣、實時性強的數據，基于大數據的橋梁智能養護平臺應運而生。它集成了數據庫技術、多媒體技術、虛擬現實技術、網絡技術的橋梁數字智能化養護管理平臺，將有力地促進橋梁管養系統標準化、智能化、時效化、便捷化、信息化、一體化的實現。

獲得的信息越多，預測結構的狀態越準確。前幾年，通過在金塘大橋建立的局部監測系統，可以監測振動位移，真實了解鎖震與哪些因素有關。健康監測是通過一系列傳感器從運營狀態的結構系統中實時、周期性采樣以獲取數據，抽取對損傷敏感的特征因子并統計分析這些特征因子，從而評估結構當前的健康狀況，為橋梁的養護提供數據基礎。

監測系統可監測臺風，分析監測數據發現海上風與內陸風有很大不同，并且風期更長。結合舟山長期有風且風向幅度較大較寬的環境特點，制作了湍流強度分析，結果顯示與規范建議值較相近，但是離散度較大，說明臺風的湍流度較高。

除此之外，為降低水下撞擊風險，研發了跨海橋梁樁基沖刷監測裝置和安全性評估系統。此前這類研究是針對清水模型，認為流速是一定的，經過一定的沖刷之后會平衡。在實際的海上工程中，沖淤變化會隨時間而變，圍墾對其影響明顯，將海上架梁改為梁上架構，對以后運營期會有非常大的影響。所以，要觀察流速參數的演化趨勢，實際監測沖刷深度的變化，與原來的用數模計算離散不同，數模在實際工程中受很多其他因素影響。新研發的裝置申請了專利，將其放到海里監測杭州灣海域的情況，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、船撞橋的智能監測也是重要研究方向，目前我國有幾個項目正在推進，通過參考航空領域的反導系統，希望可以真正做到防災害控制。實現智能化的綜合主動防撞需要做很多方面的研究：首先是建立識別船舶偏航的風險模型。通過相關的動力算法研究船和橋的風險關系，估計全海域近橋側的船橋安全態勢，最后完成船舶攔截或一些風險控制。其次是對海洋環境下混凝土結構的腐蝕和耐久性氯離子滲透做風險概率研究。以前在橋上做過相關的測試，但是一直沒有很好的規范來擬核氯離子滲透，實際上影響氯離子滲透的因素比較多，連島工程也對氯離子的分布量進行了一些測定。

聰明的橋梁：智慧海洋背景下的大型跨海工程養護

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

目前，舟山正在創建國家智慧海洋示范區，示范區掌握很多與海洋相關的智能監測和數據，要讓智慧交通和智慧橋梁實現最優嫁接，就要將車路協同智能材料和智能機器全面滲透到跨海大橋的管理中。浙江正在對全省高速公路開展智能化改造，信息技術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，車路協同、智能橋和智能車從建設到運營融合得更加緊密。目前跨海大橋存在缺乏海上信息、救援能力薄弱、無法通行危化品、智能化管理不足等問題，一旦災害發生，將難以做好控制和救援。這僅是其中的幾個方面，更為關鍵的是如何提高算法？如何分析信息和監測數據？如何保養傳感器設備？如何精確預測橋梁的狀態，是否還能成核載？未來還能使用幾年？是否可修？是否要修？這些問題分析得遠遠不足。

從結構層面來說，信息技術硬件設施全面融合基礎設施，橋梁不再是單純的受力構件；智能化材料和感知元件大量使用，橋梁的自感知和生產信息能力更強；車路協同的發展帶來了革命性的變化，不智能的橋梁基礎設施可能會被淘汰。從數字層面來說，“海-橋-車-環境”一體化信息獲取，需要橋梁建設養護的數字化和智能化；在建設運維全過程，對“海-橋-車-環境”系統進行建模、預測和控制的需求越來越高；數據關聯驅動和狀態預測算法精度控制的運營養護。

（本文根據作者在2019世界交通運輸大會上所作報告整理，有刪減，題目為編者所加。）