舟山复杂环境中的桥梁智能养护

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从1999年正式动工，2009年全面通车，到2019年以来的整整20年，浙江舟山5座跨海大桥从无到有、从弱到强，是中国现代桥梁和跨海工程发展的里程碑和见证者。实际上，连岛工程的建设和养护，一直在探索一些与智能相关的思路。

由江及海：从钱塘江大桥到舟山连岛工程

从1937年茅以升先生主持建成钱塘江大桥到现在，浙江依然如火如荼地建设大型桥梁，浙江的桥梁建设历时已久。钱塘江大桥是我国自主建设的第一座大桥，有很多创新之处。钱塘江到杭州湾海域，在杭州附近已建成十桥两隧，还有一座跨江大桥正在建设。其中钱江四桥是一座大规模拱桥，其下游是嘉绍大桥和杭州湾大桥。

杭州湾大桥是建设较早的一座跨海大桥，海上施工的梁上架梁技术便是在建设杭州湾大桥时提出来的。从1937年至今，利用该技术建成了很多桥梁，其中包括舟山跨海大桥一期工程。一期工程的第一座大桥岑港大桥于2001年建成，此后，2003年舟山建设完成了580米钢混混合梁斜拉桥桃夭门大桥，2009年建成了世界上在复杂外海环境中建造的最大跨径斜拉桥金塘大桥。金塘大桥包含主通航孔桥、东通航孔桥、西通航孔桥、非通航孔桥等多种桥型、不同结构，加上连续刚构桥跨境也比较大，在建设的过程中，展示了钱塘江上不同时期的不同技术水平，以及未来可能提升的目标。目前，这些桥梁都在养护运营中。

钱塘江大桥到舟山入海口大桥的建设过程，也是我国自主研发桥梁的过程。目前舟山正准备建设连岛工程，修建一座公铁两用的跨海大桥，投资200亿元左右。

在这些桥梁的建设过程中，有很多创新工法，比如在钱塘江大桥建设的过程中，茅以升先生用涉水法打桩，沉箱法做基础，浮运法架梁。面对钱塘江潮水汹涌、江底淤泥较深的恶劣环境，做基础和架梁对海江上施工都有很多挑战，茅以升先生采用了几个很有效的创新手段完成了大桥的建设，在这个过程中可以看到工程创新的思维。在舟山桥梁建设过程中，依然要面临深水桩基础问题和海上架梁问题，除此之外，还面临着如何落实工艺设计的要求。随着技术和装备不断提升，在这个过程中有了大型的起吊设备、打桩船、钢管桩等，同时创新思维也在不断延续，在发展中还会遇到新的问题，面对新问题，解决的手段有很多种，其中之一就是通过智能手段解决问题。

舟山跨海连岛三桥

过去修建桥梁的手段相对较人工化和机械化，连岛工程的建设则更多考虑采用信息化的手段。首先要考虑的是工程管理过程中信息和工程的关系问题。大桥的工程建设是由建设部和所有的相关单位组织形成的，需要通过规范要求、自然条件等客观规律获得工程信息，获得的信息有外部的信息和内部的信息。其中，内部的信息是可控的，诸如结构的受力性能等。外部信息是一些突发的信息，包括灾害、地质条件等的影响，还有政策性的信息，比如立即要架梁施工，但个别部门通知该时间段不能施工，或是县委通知需要调整工期，这些外部信息都是不可控的。所以，无论是管理单位还是项目指挥部，都需要通过这些信息做出合理的决策，选出最优的方案，把人、机械设备和资金按时间窗口、空间窗口有效地投入到工程中，规避工程风险。

完整的工程建设是将意识变成物质的过程，是将蓝图变成钢筋混凝土结构的过程。这一过程可以有很多途径，但无论通过怎样的途径，信息都发挥着重要作用。在实际的建设过程中，可以采用很多信息化的手段。

例如与海事和通航的关系，建设时期需要海事和通航基站的支持，了解更多的海上信息，避免出现事故。在专项工程桥梁施工过程中发生过两次碰撞，一次是台州籍的船由于错拿了过期海图，撞到正在建设的桥墩。另外一次是韩国籍船只在锚地上，由于风浪雨都很大，船只顺流撞到桥墩。两次事故虽然损失不大，但都是由于对信息掌握不明造成的，所以在整个建设和运营过程中，海事信息化是桥梁建设的重要支撑。

另一方面，要与气象站建立合作关系。气象站会定期发送天气预报，因为在混凝土施工时，有可能每隔半小时就有大风侵袭，天气预报可以让相关部门在暴雨、台风等恶劣天气来临之前及时采取措施。

西堠门大桥

信息化运营：复杂服役环境下跨海桥梁的智能化管养

海水的冲刷、海洋环境的腐蚀等对桥架结构的影响非常大，而且很难把握。一座大跨径桥梁就是一个系统空间，空间里各种因素的状态都会影响桥梁的结构，桥梁在部分构件受损时，其受力特性会发生改变，并且与其他构件表现出较大的差异性。这些差异可以通过数字化巡检和人工巡检监测到，从而为后期养护找到要点，找到问题关键。目前，舟山跨海大桥、中小型跨海大桥、珠江大桥等都做了养护评估和现场调查，结果显示，从状态监测获得的信息还远远不够。面对复杂的服役环境，舟山连岛工程建立了“车-桥-环境-船”一体化的智能监测系统。通过远程感知、系统控制、防护决策、车桥环协同高度智能化方式，对结构位移、结构冲刷、结构应力、风场、潮位、海浪、车流量和船舶等进行检测。

从信息的角度出发，桥梁养护工作可描述成数据采集至数据应用的过程。这些数据应该包括一切与桥梁相关的数据，如桥梁健康及环境监测数据、规范设定及参数量化数据、数值模型及模拟计算数据、人工采集及性能评价数据、桥梁档案及施工控制数据等。面对如此数量庞大、种类多样、实时性强的数据，基于大数据的桥梁智能养护平台应运而生。它集成了数据库技术、多媒体技术、虚拟现实技术、网络技术的桥梁数字智能化养护管理平台，将有力地促进桥梁管养系统标准化、智能化、时效化、便捷化、信息化、一体化的实现。

获得的信息越多，预测结构的状态越准确。前几年，通过在金塘大桥建立的局部监测系统，可以监测振动位移，真实了解锁震与哪些因素有关。健康监测是通过一系列传感器从运营状态的结构系统中实时、周期性采样以获取数据，抽取对损伤敏感的特征因子并统计分析这些特征因子，从而评估结构当前的健康状况，为桥梁的养护提供数据基础。

监测系统可监测台风，分析监测数据发现海上风与内陆风有很大不同，并且风期更长。结合舟山长期有风且风向幅度较大较宽的环境特点，制作了湍流强度分析，结果显示与规范建议值较相近，但是离散度较大，说明台风的湍流度较高。

除此之外，为降低水下撞击风险，研发了跨海桥梁桩基冲刷监测装置和安全性评估系统。此前这类研究是针对清水模型，认为流速是一定的，经过一定的冲刷之后会平衡。在实际的海上工程中，冲淤变化会随时间而变，围垦对其影响明显，将海上架梁改为梁上架构，对以后运营期会有非常大的影响。所以，要观察流速参数的演化趋势，实际监测冲刷深度的变化，与原来的用数模计算离散不同，数模在实际工程中受很多其他因素影响。新研发的装置申请了专利，将其放到海里监测杭州湾海域的情况，包括海上桩基的冲刷，以及冲刷之后造成的桩侧土压力的损失和冲刷深度的变化。

船舶碰撞、船撞桥的智能监测也是重要研究方向，目前我国有几个项目正在推进，通过参考航空领域的反导系统，希望可以真正做到防灾害控制。实现智能化的综合主动防撞需要做很多方面的研究：首先是建立识别船舶偏航的风险模型。通过相关的动力算法研究船和桥的风险关系，估计全海域近桥侧的船桥安全态势，最后完成船舶拦截或一些风险控制。其次是对海洋环境下混凝土结构的腐蚀和耐久性氯离子渗透做风险概率研究。以前在桥上做过相关的测试，但是一直没有很好的规范来拟核氯离子渗透，实际上影响氯离子渗透的因素比较多，连岛工程也对氯离子的分布量进行了一些测定。

聪明的桥梁：智慧海洋背景下的大型跨海工程养护

舟山海域正在建设智慧海洋，智慧海洋将为未来跨海工程的桥区海域环境信息获取和智能化管控提供重要支撑，支持“海-桥-车-环境”一体化智能信息获取和系统控制。

目前，舟山正在创建国家智慧海洋示范区，示范区掌握很多与海洋相关的智能监测和数据，要让智慧交通和智慧桥梁实现最优嫁接，就要将车路协同智能材料和智能机器全面渗透到跨海大桥的管理中。浙江正在对全省高速公路开展智能化改造，信息技术全面融入到高速公路和跨海工程中，未来的跨海工程不仅是钢筋混凝土，更是信息的载体，车路协同、智能桥和智能车从建设到运营融合得更加紧密。目前跨海大桥存在缺乏海上信息、救援能力薄弱、无法通行危化品、智能化管理不足等问题，一旦灾害发生，将难以做好控制和救援。这仅是其中的几个方面，更为关键的是如何提高算法？如何分析信息和监测数据？如何保养传感器设备？如何精确预测桥梁的状态，是否还能成核载？未来还能使用几年？是否可修？是否要修？这些问题分析得远远不足。

从结构层面来说，信息技术硬件设施全面融合基础设施，桥梁不再是单纯的受力构件；智能化材料和感知元件大量使用，桥梁的自感知和生产信息能力更强；车路协同的发展带来了革命性的变化，不智能的桥梁基础设施可能会被淘汰。从数字层面来说，“海-桥-车-环境”一体化信息获取，需要桥梁建设养护的数字化和智能化；在建设运维全过程，对“海-桥-车-环境”系统进行建模、预测和控制的需求越来越高；数据关联驱动和状态预测算法精度控制的运营养护。

（本文根据作者在2019世界交通运输大会上所作报告整理，有删减，题目为编者所加。）