大跨度预应力混凝土桥智能拆除技术现状与展望

刘永健，唐志伟，肖 军，刘 江，龚勃旭，王 壮

(1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；2.长安大学 公路大型结构安全教育部工程研究中心，陕西 西安 710064；3.陕西省“四主体一联合”桥梁工程智能建造技术校企联合研究中心，陕西 西安 710064；4.中交二公局工程设计研究院，陕西 西安 710199)

0 引 言

纵观中国大跨度预应力混凝土桥梁建造热潮和发展历程，早期建造的桥梁由于设计局限性[1]、施工质量较差和养护不到位等原因，导致桥梁耐久性不足、安全性降低[2-3]，大量投入的维修加固资源往往治标不治本。随着城市化进程加快，交通量剧增，频繁的超载现象容易引发老旧桥梁安全隐患[4]，迫切需要拆除重建来满足日益增长的交通运输需求。同时，传统桥梁拆除技术存在一定的局限性，多起桥梁拆除失败案例[5]透视出桥梁拆除具有难度大、风险高和不确定性因素多的特点，对桥梁拆除技术提出了更高、更严的要求。

21世纪初至今，中国成功完成了锡澄运河连续梁桥、南府河三跨连续刚构桥和云南六曼公路跨线桥等桥梁的拆除。目前，桥梁拆除方法主要有定向爆破法、“门洞+支架拆除法”[6]、反浇筑顺序的节段切割法[7-8]、液压系统平移法[9]、大节段下放拆除法[10]、自行式模块运输车(SPMT)快速拆除方法[11-12]和车载移动支撑式分段提吊下放快速移除方法[13]等。现有的桥梁拆除施工监控技术[14-15]通常在拆除前根据历年桥检资料，分别对结构不确定性参数按照有利和不利情况考虑，并通过仿真计算的临界值包络桥梁拆除监测结果，从而建立桥梁拆除施工风险评估体系[16]和大跨度旧、危桥梁的现场预警控制机制[17]。鉴于桥梁检测技术对结构状态识别具有不确定性，容易导致桥梁拆除施工状态不可控，一旦发生意外状况极易带来灾难性的后果。例如：江都市胜利桥拆除，由于年久失修且拆除工序操作错误，导致桥梁垮塌；杭州市德胜东路提升改造工程高架桥拆除，由于起吊过程中钢丝绳绷断，导致桥梁连环垮塌；株洲市跨越铁路的公路废弃桥拆除，由于梁体突然断裂、坍塌砸中铁轨，造成铁路中断等。因此，桥梁拆除前需要综合考虑桥梁状态、工程需求和施工环境等因素，制定桥梁拆除专项施工与监控方案，确保桥梁拆除的安全可控。《公路混凝土桥梁拆除技术规程》(T/CECS G:M61-01—2019，以下简称规程)是在全面总结国内外桥梁拆除相关经验和研究成果的基础上形成的通用性指导规程，由于桥梁拆除规模不断增大且旧桥加固后结构状态愈加复杂，需要对状态评估、结构力学行为响应、施工监控阈值、实时预警机制和安全控制措施等进行全面细致的专项研究，从而完善规程以满足工程需求。

随着数字建模、物联网、结构仿真、云计算、大数据、基于模型的系统工程、数字线程、区块链和虚拟现实等新一代信息技术创新发展，数字孪生体与新一代信息技术深度融合，形成了数字孪生体技术。目前，该技术已经在工业制造、电力、汽车、医疗和船舶等领域进行了探索应用[18-19]。在桥梁全生命周期内应用数字孪生体技术，通过数字化方式建立物理实体的动态虚拟模型来映射物理实体在真实环境中的属性、行为、规则[20-21]，有助于实现桥梁全生命周期内的自感知、自演化、自学习、自评估、自决策和自执行。由于难以精准分析桥梁拆除施工过程中的状态评估和结构响应，导致桥梁拆除状态存在较大的不确定性，而基于数字孪生体技术的桥梁智能拆除能够掌握桥梁拆除全过程的真实受力状态，实现桥梁拆除的精准控制，具有较好的应用前景。

本文对国内外桥梁拆除技术和数字孪生体技术进行了综述。结合某桥拆除工程案例，全面分析了桥梁拆除技术特征，通过介绍桥梁拆除精细化仿真分析方法，对桥梁拆除前状态评估、拆除中施工监测与安全控制策略、拆除后构件资源再利用进行了分析与探讨。

1 桥梁拆除的特点及存在的技术问题

1.1 桥梁拆除的特点

对建桥与拆桥的施工特点及结构力学行为特点进行对比分析，有助于掌握桥梁拆除的特点，优化施工组织方案，确保桥梁拆除的安全可控。

1.1.1 桥梁拆除施工特点

拆桥作为建桥的逆向施工过程，在施工目标、施工工期、施工状态和施工控制指标上存在明显的差异，具体如表1所示。

表1 建桥与拆桥施工特点对比分析

1.1.2 桥梁拆除结构力学行为特点

预应力体系是大跨度预应力混凝土桥的关键，在新建和拆除过程中发挥的作用和表现的行为均不同。

对于先张法预应力混凝土桥，由于主梁在工厂预制，能充分保证预应力张拉质量和混凝土材料性能。对于后张法预应力混凝土桥，桥梁结构的有效预应力和混凝土材料性能难以精确掌握。预应力钢束在割断后由端头锚变为黏结锚，在预应力传递长度范围内通过传递黏结使得预应力筋从端部零应力状态线性变化至有效预应力状态；剩余预应力钢束继续对主梁提供正弯矩效应[22]。《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)第6.1.8节中给出了先张法预应力传递长度的计算公式，规定了当采用骤然放松预应力钢筋的施工工艺时，从构件末端处开始计算的预应力传递长度放大1.25倍，从而可以在拆除前对切割后预应力钢束的力学行为进行分析。此外，根据已有学者的先张法试验结果可知：先张法钢绞线预应力传递长度随混凝土强度增加而减小，随钢绞线有效预应力增加而增大[23]。结构损伤、材料性能退化、预应力孔道灌浆施工质量差和预应力损失等原因，导致桥梁拆除前难以精准预测预应力传递长度影响范围。因此，在拆除过程中需要对预应力传递长度进行测量验证和模型修正。

图1 建桥与拆桥预应力体系效应对比

桥梁新建时的结构力学行为是一个长期累积的过程，会受到环境等诸多因素影响。主梁从悬臂浇筑到成桥合龙，经历了结构成型、强度形成和共同受力3个阶段，并在施工阶段不断累积施工误差，尤其在合龙段施工时容易受到合龙高差、合龙温差、混凝土早期收缩和水化热等因素的影响，部分桥梁甚至存在强制合龙的施工工况，导致成桥后结构内力状态复杂。长期运营后的桥梁在混凝土收缩徐变、日照温度作用[26]和车辆荷载等耦合作用下，常出现跨中下挠和梁体开裂等现象，从而释放结构的次内力。因此，新建桥梁的结构力学行为是恒载内力经过长期累积到结构性能临界值后逐步释放的过程。

桥梁拆除时的结构力学行为是一个瞬间释放的过程，会受到拆除技术及工艺等因素影响。从合龙段拆除到悬臂梁段拆除，尤其在桥梁合龙口打开瞬间，切割的底板预应力钢束较多且结构发生体系转换，在变形的同时释放出弯矩、轴力和剪力，产生较大的冲击效应。此外，由于拆除梁段与剩余梁段解除联系的瞬间梁段自重冲击效应会通过桥面吊机作用于剩余梁段，根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)第4.1.10节规定，吊装时吊机及拆除梁段的重力取1.2的放大系数。因此，在桥梁拆除前往往需要将桥面附属设施和加固措施等提前拆除，从而调整桥梁结构恒载内力状态，有助于减小合龙口打开瞬间释放的冲击效应。

1.2 桥梁拆除技术存在的问题

1.2.1 桥梁拆除前恒载内力状态评估不准

早期建造的大跨度预应力混凝土桥由于设计局限性和施工质量缺陷，普遍存在梁体超欠方、基础沉降、预应力孔道灌浆不密实和梁段接缝开裂等问题，预应力结构典型病害如图2所示。经过长期运营后，跨中下挠和梁体开裂等病害凸显，部分桥梁通过张拉体外束和粘贴钢板来改善跨中下挠和梁体裂缝的发展。随着体外束锈蚀和粘贴钢板脱落，桥梁加固效果退化严重。此外，当前桥梁检测技术精度不高，桥梁结构损伤定量识别困难，且结构病害缺陷和多种加固行为难以精细化模拟和量化分析，使得桥梁拆除前状态评估不准，拆除中施工状态预测不确定性高，导致施工状态仿真分析与实测结果偏差较大。在桥梁拆除施工状态分析中，当桥梁拆除状态评估偏不利时，需要额外的加固措施来提高安全储备，增加了施工成本，延长了工期，不符合低碳环保的绿色发展理念；当桥梁拆除状态评估偏有利时，拆除过程中存在构件二次损伤的风险，不利于桥梁拆除施工状态安全控制和拆除后构件资源再利用。因此，在桥梁拆除前进行精确的恒载内力状态评估至关重要。

图2 预应力结构典型病害

1.2.2 桥梁拆除中施工技术不完善

对于有通航要求的桥梁，传统定向爆破拆除法往往会造成环境污染和航道中断，不符合当前绿色施工的理念。另外，部分桥梁由于桥位紧张，需要在上部结构拆除后对下部结构加固再利用；反浇筑顺序的节段切割法由于桥梁状态评估和施工仿真分析的不确定性参数多，难以实现精确预测，且缺乏系统的安全控制措施，导致桥墩在拆除过程中一旦出现较大的偏载效应容易产生局部损伤。为了提高桥梁拆除施工的工作效率和安全性能，降低能源消耗和减小环境污染，部分学者针对公路跨线桥提出了桥梁快速拆除施工技术，例如：自行式模块运输车快速拆除方法[11-12]和车载移动支撑式分段提吊下放快速移除方法[13]等。然而对于峡谷和航道的大跨度预应力混凝土桥，这些拆除方法却难以适用。因此，有必要加快大跨度预应力混凝土桥拆除施工技术研发，推动桥梁拆除施工技术往安全、高效、适用性强的方向创新发展。

2 桥梁智能拆除的内涵、技术发展阶段与必要性

2.1 桥梁智能拆除的内涵

桥梁智能拆除是通过数字化信息技术，对桥梁拆除前和拆除中结构状态进行精准感知，实现结构状态数据的实时测量、分析、储存和管理，并借助新一代信息技术远程操纵机器人，实现桥梁人机协同拆除。随着数字孪生体技术在桥梁工程中的探索实践，在桥梁全生命周期内对捕捉到的静态元素和动态元素进行数字孪生体的动态实时更新，实现真实桥梁与虚拟桥梁之间孪生数据的交融互通，并通过数据驱动虚拟桥梁在拆除过程中进行自感知、自演化、自学习、自评估、自决策和自执行，从而实时监测、分析、控制桥梁真实受力状态，实现桥梁自动化智能拆除。

2.2 桥梁智能拆除技术发展的2个阶段

根据桥梁智能拆除的技术特征、控制形式、表现形式和实现功能，将桥梁智能拆除技术发展分为2个阶段：智能拆除初级阶段和高级阶段，如表2所示。

表2 桥梁智能拆除技术发展的2个阶段

2.3 桥梁智能拆除的必要性

桥梁拆除不仅是一项施工工程，也是一次实桥破坏试验。由于桥梁拆除常面临恒载状态评估不准确、施工状态预测不确定性高和拆除安全风险防控难度大等问题，需要利用智能检测和监测技术全面感知桥梁拆除全过程的结构响应，实时修正数字模型，实现虚拟桥梁对物理桥梁真实状态的映射。以精确的恒载内力状态为基础，对桥梁拆除施工状态进行预测，并在拆除过程中通过调整施工指令优化施工状态，保障桥梁拆除过程中对构件的切割、吊装和运输安全可控。同时，为了减轻桥位紧张压力、缩短施工工期和提升效益，避免再利用桥墩发生局部破坏，这对桥梁拆除精细化分析及控制提出了更高的精度要求。在桥梁拆除施工过程中，需要对大量实测数据进行储存、分析和管理，为后续桥梁拆除研究提供数据支撑，对数字化信息技术提出了新的需求。此外，桥梁拆除后构件资源再利用需要对完整的拆除梁段进行结构有损检测和长期性能观测，有必要减小拆除施工对桥梁结构的扰动及损伤，对智能化机械拆除施工提出了严格要求。因此，随着新一代信息化技术的不断发展，基于数字孪生体技术的桥梁智能拆除能够有效解决传统桥梁拆除技术存在的问题，具有较好的应用前景。

3 基于数字孪生体技术的桥梁智能拆除展望

田锋等[27]在《数字孪生体技术白皮书(2019)》中定义了数字孪生体是现有或将有的物理实体对象的数字模型，通过实测、仿真和数据分析来实时感知、诊断、预测物理实体对象的状态，通过优化指令来调控物理实体对象的行为，并通过相关数字模型间的相互学习来进化自身；同时改进利益相关方在物理实体对象生命周期内的决策。数字孪生体不仅代表着数字孪生虚拟实体，还代表着数字孪生体系，如图3所示。

图3 数字孪生体系架构组成

数字孪生体技术是将具有“三化”(数字化、网络化和智能化)和“三算”(算据、算力、算法)特征的新一代信息技术[28]与数字孪生体深度集成融合形成的新技术，其核心关键在于数据集成[29]。智能桥梁[30]以数字化为核心，运用数字孪生体技术，建立工程项目全过程、全要素、全参与方的连接[31]，使产业链各方协同完成桥梁的设计、制造、施工、养护和拆除，实现桥梁全生命周期[32-33]的实时感知、孪生模拟、精准分析、智能控制，从而实时掌握桥梁全生命周期内各个阶段的真实状态[34-35]，有助于实现桥梁拆除前成桥内力状态的精确评估和拆除施工状态的精确预测。通过构建互联网工程项目信息化管控平台，将桥梁全生命周期中累积的大量感知数据和仿真数据形成孪生数据库，提升数据处理和信息交互的质量和效率，从而利用功能互补的智能机器人完成各种复杂拆除工艺操作，减少人为操作不当所造成的不利影响[36]，实现桥梁机械智能化拆除。

对于老旧桥梁，由于传统桥梁管养系统缺乏完整的设计、制造、施工和检测等数据，在桥梁拆除前难以进行精确的状态评估和定量的损伤识别。在拆除中会积累大量的感知数据和仿真数据，通过数字资产的分析和管理，可以为桥梁优化结构设计、规范智能施工标准、研发智能检测设备、完善智能管养系统和精确评估拆除状态等提供了强有力的数据支持。

基于数字孪生体技术的桥梁智能拆除对物理桥梁的状态分析是一个从粗糙到精细化的提升过程。在桥梁智能设计阶段，需要充分考虑全生命周期内各阶段的特征，组织建立和管理桥梁全生命周期内的数字模型。此外，在桥梁全生命周期过程中，需要及时将设计数据、制造数据、材料性能、施工数据和检测数据传输至云端孪生数据库；通过数字线程进行信息传递和交流，实现全生命周期内数字孪生体的关键信息共享和数字模型的动态修正，从而实时掌握桥梁结构的真实受力状态，并不断推动桥梁拆除工程由不确定、不可控向确定、可控的方向发展，实现桥梁拆除安全可靠、智能高效和低碳环保的目标。基于数字孪生体技术的桥梁智能拆除过程如图4所示。

图4 基于数字孪生体技术的桥梁智能拆除

4 桥梁智能拆除对数字孪生体技术的需求

数字孪生体技术作为真实桥梁与虚拟桥梁在全生命周期内连接的媒介，为桥梁智能拆除高级阶段的发展道路指明了方向。根据数字孪生体架构的六大要素，将桥梁智能拆除对数字孪生体技术的需求分为6类，如图5所示。

图5 桥梁智能拆除数字孪生体技术需求

4.1 数字建模技术需求

数字建模是通过虚拟的数字化桥梁模型表达物理真实桥梁结构元素和时空关系的过程，即数化；为桥梁数字孪生体提供一个无神经和思想的躯体[27]。桥梁智能拆除全过程施工仿真分析需要精确的数字模型，基准几何数字模型和施工阶段数字模型的精确程度对桥梁损伤识别及状态评估精度会产生较大影响[37]。

对于老旧桥梁的拆除，利用数字建模技术有助于解决内力状态不可控和恒载状态不明确等问题，从而得到一个真实桥梁荷载状况的初始状态数字模型。基于数字孪生体技术的桥梁智能拆除需要在设计初期进行桥梁全生命周期的数字模型设计、分析和管理，并在生命周期内不断修正模型，从而得到一个无限逼近真实桥梁状态的数字模型。目前，桥梁结构3D模型重构技术主要包括“GIS+BIM”技术[38]、三维激光扫描重构技术[39]、无人机倾斜摄影建模技术[40]、基于三维激光扫描和倾斜摄影技术的三维实景融合建模技术等[41-42]，如图6所示。桥梁拆除是一个动态变化的施工过程，桥梁智能拆除仿真分析需要利用物联网技术去感知、识别和分析桥梁真实拆除状态，从而获得桥梁拆除过程中各类状态信息并传输至数据库，将数据信息转化为模型信息，实现数字模型的动态修正。

图6 桥梁结构3D模型重构技术

4.2 测量与控制技术需求

测量与控制实现了桥梁数字孪生体与真实桥梁之间实时互传信息和数据，即互动；为桥梁数字孪生体提供一个没有思考能力但能感知和驱动物理世界的神经系统[27]。桥梁智能拆除过程中需要对实时监测数据进行同步计算分析，从而精准识别施工现场状况，快捷高效做出决策。桥梁智能拆除需要对同一结构的多元属性和不同结构部位的单一属性进行监测评估，并对桥梁结构几何线形、应力、裂缝和环境变量等进行实时监测。当采集足够数量和类别的结构信息时，可为桥梁损伤识别与当前状态评估提供重要依据[43]。由于实时监测数据无法直接判别结构状态，需要经过结构分析才能得到明确含义；同时，数据采样的频率高且数据量大，增加了人工数据采集和分析的难度。

目前，桥梁监测技术已经逐步向数字化和智能化方向发展。传统的几何线形监测技术测量精度有限，且受到人为因素和环境条件的影响。利用动态挠度图像识别技术[44]可以实现主梁和桥墩线形动态监测，三维激光扫描技术采用非接触式高速激光的测量方法，可以得到精确的三维坐标空间点云模型，进而快速提取结构线形，将两种方法结合，可以高效且高精度测量结构位移和变形，并大大降低外业工作难度[45-46]，如图7所示。对于桥梁结构应力监测，由于结构已经成型，埋入式应变仪不适用于桥梁拆除应力监测，可以采用表贴振弦式应变计、电测法和光纤光栅法等方法，并通过分布式网络无线采集系统减少桥梁拆除监测人员数量，进一步保障监测安全。

图7 桥梁线形监测技术

对于桥梁结构裂缝监测，主要包括人工裂缝观测仪、基于图像预处理技术的裂缝自动识别[47-51]、激光扫描仪(TLS)[52]与无人机三维重建[53]和基于机敏网的桥梁裂缝实时监测系统[54-56]等，如图8所示。此外，桥梁结构在拆除过程中也会受到环境因素的影响，可以设置无线传输气象站进行环境变量的实时监测，如图9所示。

图8 裂缝监测技术

图9 无线气象监测站

物联网技术可以将桥梁健康监测系统[57]与互联网平台相连，即将所有的施工、监测、管理设备与网络平台实时连接。物联网系统自动对构件进行识别、定位、追踪、监控，确保实时获取桥梁结构信息，进一步提高系统智能化水平，降低人的工作强度[58-59]，如图10所示。在桥梁拆除过程中，为了实现施工现场的少人化(或无人化)，从而防止人工操作不当造成结构损伤，可以根据实时监测数据向智能机器设备发布施工指令，如瑞典Aqaujet高压水射流混凝土清拆机器人、瑞典Brokk公司多功能破拆机器人和中国自动化智能无线遥控液压绳锯机，实现桥梁拆除操作人机交互沉浸式体验[60]，并实时掌握工程进度，确保桥梁拆除工作的安全高效，如图11所示。

图10 基于物联网技术的桥梁智能监控监测系统

图11 自动化智能拆除设备

4.3 模拟仿真技术需求

模拟仿真实现了桥梁全生命周期基于完整设计、制造、施工、管养信息和明确机理进行实时动态仿真并预测桥梁拆除施工状态，即先知；为桥梁数字孪生体提供一个具有理性思维特征的左脑[27]。为了实现桥梁拆除前的状态评估与拆除中的施工阶段仿真模拟，需要将精确的几何模型转化为仿真模型进行精细化分析。当前，桥梁拆除检测技术、计算理论、模拟算法不太成熟，需要在工程实践中不断优化和完善。

3D模型CAE仿真计算本身存在着两方面的局限性。一方面，数字模型无法完全考虑桥梁全生命周期内的所有变量，导致计算精度和考虑问题的全面性无法得到保证；另一方面，细节的精细化处理会增加工作量和计算量，计算机算力无法匹配数字模型的复杂程度，导致模拟效率低下，延迟数据的滞后性会严重影响实际工程的应用。因此在进行3D模型仿真前，需要对所有变量进行敏感性区分，对于结构影响较小的变量进行简化处理，同时不断提升计算机的算力。

随着云计算技术的不断发展，可以有效弥补计算机算力不足这一关键问题。云计算是以网络为基础，通过虚拟化技术构建资源池，对用户提供动态可伸缩的计算、存储资源和网络资源[61-62]。目前，云计算在桥梁长期健康监测服务平台已经得到了广泛应用。通过结合数据库和机器学习等大数据技术，开发了挖掘异常数据与桥梁可靠度计算的引擎，克服了传统的离线监测系统无法胜任海量数据的存储、管理和分析等数据处理能力缺陷，有效解决桥梁损伤识别和模型修正计算规模大且复杂等问题[63]，在桥梁智能拆除中具有很好的应用前景。

4.4 数据分析技术需求

数据分析是通过数字孪生体基于桥梁不完整的设计、制造、施工、管养信息和不明确机理进行机器学习，并不断修正算法模型、数据模型和机理模型，使数字模型逼近真实桥梁结构的过程，即先觉；为桥梁数字孪生体提供一个具有感性思维特征的右脑[27]。桥梁拆除的关键就是要实现桥梁拆除前的恒载状态精准评估和拆除过程中的施工状态安全可控。桥梁拆除前的状态评估与拆除中的状态预测可以采用“状态反演”和“数据驱动”两种方法：状态反演的方法是基于桥梁结构有限元建模、参数检测、模型修正、状态验证等过程，实现对实测数据样本的降噪处理和数字模型的实时动态修正；而数据驱动的方法是根据结构振动永久监测系统中监测数据本身的变化规律及概率分布，识别结构状态的变化模式[64]。

大数据具有大量(Volume)、高速(Velocity)、多样(Variety)、可变性(Variability)、低价值密度(Value)的特征[65]，通过大数据技术有助于解决上述两种方法数据分析中存在的计算能力不足、容错率低和价值数据提取管理能力低效等问题。大数据技术的不断发展将不断驱动数据采集技术全面发展；同时，深度学习将推动桥梁外观检测和监测数据融合，通过建立数据库并不断地训练，挖掘更多数据统计规律和结构构件劣化演变规律，实现外观检测和实时监测状态评估的有机统一，为结构状态评估和损伤识别提供完备的数据支持[66]。

4.5 数字资产管理技术需求

实时监测与模拟仿真得到的大量实测数据和仿真数据有助于建立桥梁拆除数据库。桥梁数字孪生体通过不断积累、管理、追溯和共享数据形成数字资产，并通过传承、协同和进化，实现多个桥梁孪生体之间共享智慧和共同进化的过程，即共智；使桥梁数字孪生体具有社会性[27]。为了在桥梁的全生命周期内实现数字孪生，需要基于模型的系统工程技术进行模型框架顶层设计，确定桥梁设计、制造、施工、养护和拆除数字模型的基本组成架构；通过数字线程技术为各数字模型之间建立通信框架，确定信息传输的途径；利用区块链技术保障桥梁数字孪生体内部数字模型和外部数字孪生体之间通信框架的安全，实现数字孪生体智慧交换与共享。

不同于以自然语言和文本格式为主的传统系统工程[67]，基于模型的系统工程(MBSE技术)主张以模型的形式持续贯穿系统建立的全过程[68]。在桥梁全生命周期内，借助数字孪生体技术推动数字模型对桥梁结构状态真实映射并不断进化，从而实时掌握桥梁结构的真实状态，但面临着仿真平台不统一导致数字模型无法重用，核心算法底层语言不兼容导致无法整合升级，数据跨平台不共享导致可信度降低等问题。因此，需要构建一套独立的建模语言、建模思路、建模工具和建模工作组织管理方法，并为模型构建、使用、维护和管理等提供全方位的指导[69]。通过MBSE技术可以确保模型开发和管理过程规范、系统、可控，全方位确保模型可信[70]，超前发现系统设计中早期的错误，从而最大限度地降低研发成本，降低管理的复杂度，提高系统工程的精确度；将整个系统工程作为一个技术体系和方法，而不是作为一系列的事件[71-72]。

无论是桥梁拆除的基准数字模型还是施工仿真数字模型，都需要根据信息数据不断进行仿真优化和实时修正。数字线程技术就是要建立信息传输的通信框架，在桥梁全生命周期内，将孪生数据和仿真数据实时传输到各数字模型，实现优化升级。一方面，桥梁设计部门需要承担桥梁全生命周期内初始数字模型的构建、维护和仿真分析；另一方面，在实际施工过程中，需要将每一步的施工信息输入模型并不断优化，预测和指导下一步施工，并对实测结果进行分析，判断是否达到预期，通过实时动态修正数字模型，直到数据偏差处于允许范围之内[73]。此外，数字线程还提供了数字孪生体之间数字资产交换和共享的通道。桥梁拆除得到的数据库不但可以为同类型桥梁拆除提供分析方法和技术手段，还可以为其他桥梁数字孪生体全生命周期内各个阶段数字模型提供宝贵的检测数据，有助于准确评估结构状态和掌握病害演化规律。

由于数字模型的复杂性和不确定性，在设计、制造、施工、养护和拆除过程中需要进行大量的数字孪生仿真模拟，产生大量的孪生数据。因此，需要确保数据信息链条的安全可信，降低数字资产出错风险；同时，仿真模拟也需要健壮的节点算力和流畅的网络。区块链[74-75]是由区块链网络中所有节点共同参与维护的去中心化分布式数据库系统，可以形成能够安全存储简单的、有先后关系的、能在系统内进行验证的数据链条，具有去中心化、网络健壮、灵活性、安全可信等特点[76-77]。随着区块链技术进化[78]和类型扩展[79]，目前已经涉及数学、密码学、计算机科学等领域[80]。因此，将区块链技术作为桥梁数字孪生数据库实时储存、同步、追踪和传递的最佳媒介，可以确保桥梁数字孪生体的实时仿真分析能力和信息管理安全。

4.6 人机交互技术需求

人机交互是人类与桥梁数字孪生体交流的可视化界面，可以掌握数字模型的数据和状态，通过超前推演桥梁拆除施工过程，优化桥梁拆除施工工艺，为桥梁数字孪生体提供一个感知世界的五官[27]。由于检测技术的局限性和结构状态评估的不确定性，需要在桥梁拆除前制定严密的施工组织计划和预警机制，并借助虚拟仿真技术对桥梁拆除施工方案提前预演，优化施工细节，寻求最优解；通过远程传输实时掌握施工阶段桥梁真实状态，确保桥梁拆除的安全可控。虚拟现实技术作为一种集成了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、传感器、网络技术并行处理的最新发展成果的高技术仿真模拟系统，在桥梁的全生命周期内，利用可观察、操纵、装配、拆卸的三维数字虚拟模型代替物理原型，使数字虚拟模型具有多感知性、沉浸感、交互性和构想性等特征[81]。当前，虚拟现实技术处于探索应用阶段，并在桥梁智能设计[82]、桥梁虚拟制造[83]、桥梁虚拟施工[84-85]、桥梁智能养护[86]等方面取得了不错的应用效果。

5 桥梁拆除案例分析

5.1 工程概况

某旧桥为四跨预应力混凝土连续刚构桥，在1999年进行第一次顶板和底板体外束加固后，结构性能得到了短期提升，有效抑制了梁段接缝处裂缝的发展，但腹板裂缝持续发展，结构性能呈持续劣化趋势；在2007年进行第二次底板体外束加固后，养护前期结构性能劣化得到了有效的抑制，养护中期结构性能劣化速率缓慢，养护后期预应力损失严重且交通量剧增，修补后结构裂缝继续发展，尤其在2018年，体外束齿块竖向裂缝和齿块附近箱室外底板纵向裂缝开始陆续出现并持续发展，如图12、13所示，结构性能劣化速率突然加快，导致桥梁结构承载能力计算评定结果不满足现行规范要求，桥梁跨径布置及结构性能劣化曲线如图14、15所示。

图12 体外束齿块裂缝

图13 齿块附近底板裂缝

图14 桥梁结构示意图(单位:m)

图15 桥梁结构性能劣化曲线

为了进一步探究桥梁长期性能劣化特征，将背景桥与同路线上的另一座三跨预应力混凝土连续刚构桥的技术状况进行对比分析，研究结果表明：当桥梁错过最佳养护时机后，结构病害的传递和恶化会导致桥梁结构性能加速劣化，过早进入病害高发期。由于桥梁结构性能的评估和预测具有较高的不确定性，如果不能针对病害根源进行有效处治，即使花费巨额的养护费用进行大修加固能够快速大幅提升结构性能，但“过度医疗”的桥梁结构在经过长期运营后结构性能劣化速率会不断加快，将大大缩短桥梁的使用寿命。因此，在最佳的养护时机采取合适的养护措施，可以有效延长桥梁使用寿命。由于该桥交通量呈逐年增加趋势，早已超过设计交通量，作为连接两地的重要交通枢纽，桥位紧张且通航要求高。综合考虑后决定将桥梁上部结构拆除后重建，下部结构加固后继续使用，要求拆除时确保上部结构不出现突发结构性破坏，下部结构不发生二次损伤。

桥梁在经过复杂的加固措施后结构恒载内力愈加复杂，桥梁拆除前结构状态难以进行精准评估，对仿真模型和监测数据提出了更高的精度要求。在进行拆除施工阶段仿真分析时，对于桥梁检测无法确定的结构参数及材料属性，可以通过状态反演的方法初步拟定，并根据实时监测数据对模型参数进行实时动态修正。在桥梁传统拆除方法的基础上，探索应用数字孪生体技术，有助于提高桥梁拆除全过程内力状态预测和控制精度，从而避免拆除后再利用构件发生二次损伤。

5.2 桥梁拆除精细化仿真分析方法

本项目采用ABAQUS通用有限元分析软件进行模拟仿真分析，混凝土结构采用实体单元C3D8模拟，预应力钢束采用桁架单元T3D2模拟，混凝土结构与预应力钢束采用“埋置法”将钢束自由度全约束，模型网格划分如图16所示。

图16 大跨度预应力混凝土桥模型

大跨度预应力混凝土桥在拆除过程中，为了避免破坏待拆除梁段的预应力锚具，在对拆除梁段划分时，通常与正装梁段接缝间隔50 cm，并对拆除吊装梁段进行重量校核。桥面系及附属设施拆除时，通过对结构施加和释放面荷载来模拟恒载效应，由于桥面系拆除保留了桥面铺装，可以通过修正弹性模量来考虑铺装层在拆除阶段对桥梁结构刚度的影响。在桥梁拆除过程中，拆除梁段与剩余梁段解除联系瞬间所产生的冲击效应对结构受力不利。通过参考点与主梁单元之间耦合来模拟梁段吊装，吊机及拆除梁段的冲击效应根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)第4.1.10节规定计算。桥梁结构采用降温法施加预应力，通过ABAQUS中生死单元功能模拟预应力钢束的先张法和后张法过程，从而实现桥梁新建和拆除施工全过程模拟。

在桥梁拆除前，为了得到较为精准的桥梁恒载内力状态，对桥梁长期跨中下挠进行状态反演，通过修正模型参数使实测跨中下挠值不断逼近理论跨中下挠值。因此，需要借助ABAQUS子程序进行精细化模拟，从而精准分析混凝土主梁在空间效应下长期收缩徐变所产生的跨中变形[87-88]。

在桥梁拆除过程中，日照温度效应对结构应力和变形监测数据的扰动有时会超过桥梁拆除本身所产生的结构响应，导致桥梁拆除结构响应精准识别困难，无法通过状态反演来动态修正模型和监控阈值。因此，为了精确识别荷载-环境耦合作用下桥梁拆除施工阶段的结构响应，将光线追踪技术的阴影识别算法嵌入ABAQUS软件的自定义热源子程序DFLUX[89-90]得到三维日照温度场(图17)，并对三维日照温度效应进行精准分析，从而剔除温度效应对实时监测数据的扰动，桥梁拆除精细化仿真分析方法如图18所示。

图17 大跨度预应力混凝土桥三维日照温度场阴影对比

图18 桥梁拆除精细化仿真分析方法

当前，通过模拟仿真技术可以实现桥梁拆除全过程的精细化数值仿真分析，从而预先掌握桥梁在拆除过程中的结构内力状态；但也面临着数字模型的细节优化和计算效率提高等技术瓶颈，模拟仿真数据的滞后性会影响数字孪生体技术在实际工程中的广泛应用。

5.3 桥梁拆除前状态评估

桥梁拆除前状态评估的关键是对桥梁恒载内力状态进行精准分析。由于该桥存在设计局限性和施工质量缺陷，导致跨中下挠和梁体开裂等问题凸显，然而桥梁检测技术手段对于有效预应力大小、预应力孔道灌浆密实度和主梁节段刚度等结构状态难以进行精准定量识别。通过数字建模技术在桥梁拆除前进行数字重构，建立精准的数字模型，进行精细化数值仿真分析，系统研究桥梁结构病害成因及演化规律，结合桥梁外观病害和模拟仿真结果进行状态反演，动态修正数字模型，使其不断逼近桥梁真实结构状态。

为了掌握精准的恒载状态及拆除梁段吊重，通过三维激光扫描仪获取全桥点云，进行降噪、处理和识别；利用全站仪测量梁段内外轮廓特征点，进行结构断面分析，并根据各断面的轮廓线计算梁段的真实体积和重量，桥梁结构超欠方现象如图19、20所示。对于主梁超欠方导致的不平衡恒载问题，可以通过逐段修正仿真模型的重力系数来反映桥梁真实恒载内力状态，并在后续梁段拆除过程中精准考虑不平衡吊重的偏载效应。

图19 左幅箱梁实测超欠方体积

桥梁有效预应力检测通常采用抽检的方式，测量结果不可靠且难以准确掌握桥梁整体预应力状态。通过对结构预应力损失进行参数化分析，综合考虑基础沉降、混凝土长期收缩徐变和测量时的线性温差等因素对跨中下挠的影响，在对桥梁跨中下挠理论计算值与实测变形值对比分析后，初步推定桥梁整体有效预应力大小，并与有效预应力的抽检结果进行校核。此外，在后续拆除过程中需要不断识别结构响应，从而进一步修正剩余梁段的有效预应力大小。

5.4 桥梁拆除中的施工监测

由于施工资料的缺失和检测技术的局限性，难以对桥梁拆除前的结构损伤进行精准定量分析，导致桥梁恒载受力状态评估不准。鉴于当前桥梁真实状态评估的不确定性，需要通过测量与控制技术对结构变形、应力、裂缝和环境变量进行监测，并在桥梁拆除中对仿真数据和监测数据进行校核，从而验证仿真模型恒载状态的合理性，将仿真数据和实测数据进行系统的分析、整理和管理，形成数字资产；通过识别结构响应进行模型动态修正，实现桥梁拆除全过程的精准预测。

结构变形监测一直都是桥梁施工监控的工作重点。在桥梁拆除前需要借助水准仪和全站仪对桥梁主梁线形和桥墩变形进行准确的测量，并将其作为结构变形监测的初始状态。对于桥梁结构应力监测，由于结构已经成形，可以使用表贴振弦式应变计，通过无线采集系统进行实时数据采集，减少监测人员数量和外业工作强度，有助于保障施工监测安全。此外，对桥梁拆除中的大型临时结构有必要进行变形、沉降和应力监测，确保桥梁施工器具的使用安全。

桥梁结构性裂缝被视为桥梁宏观安全警戒线。一旦桥梁结构性裂缝呈扩大发展趋势，势必导致桥梁突发结构性破坏。对于再利用桥墩，在拆除时不允许桥墩发生二次损伤。因此，在桥梁拆除过程中需要对桥梁重要构件和易损部位进行应力和裂缝的跟踪监测。在桥梁拆除过程中通过无线传输气象站进行环境变量实时监测，有助于进一步修正模型的环境变量，从而反映桥梁拆除过程中的真实施工状态；尤其对于海岸港口的桥梁拆除，需要充分考虑台风等恶劣天气对桥面吊机或拆建一体机等大型临时结构的影响。

图20 右幅箱梁实测超欠方体积

5.5 桥梁拆除安全控制策略

(1)桥梁拆除两级预警机制

大跨度预应力混凝土桥拆除施工监控采用两级预警机制，如图21所示。一般预警机制要求桥梁拆除施工状态的应力曲线逐渐逼近预定的设计应力曲线，并以精细化分析的成桥状态理论值为基础，分析应力理论增量和实测增量的差异，判别理论应力曲线与实测应力曲线的误差是否处于容许误差波动范围内。当误差超过容许误差波动范围时，应当分析误差成因及影响程度，及时修正仿真模型，使理论应力曲线接近实测应力曲线，监控阈值逐步逼近桥梁真实应力状态。

图21 桥梁拆除两级预警机制阈值设定示意图

安全预警机制需要判别当前施工阶段实测应力水平与破坏特征的一致性，从而验证桥梁实测应力曲线的准确性，并要求桥梁拆除施工状态的实测应力曲线不超过安全预警警戒线。当实测应力水平和破坏特征不一致时，桥梁实测应力曲线与真实应力曲线存在一定的误差，需要重新评估恒载内力状态和实测应力增量的准确度，并进行相应的模型修正和测量校核。当桥梁实测应力曲线逼近真实应力曲线且桥梁拆除施工状态的应力曲线超过安全预警警戒线时，需要立即采取安全控制措施并调整桥梁结构内力状态，确保桥梁拆除安全。

(2)设置临时支架

该桥运营至今，梁体裂缝持续发展，桥墩出现了明显的横向裂缝，部分裂缝向两侧延伸。在桥梁拆除前，借助三维激光扫描仪和全站仪精准识别主梁的真实体积，梁段的整体超欠方现象会导致桥墩承受明显的偏载效应。此外，在体外束解除、合龙口打开和悬臂梁段拆除的瞬间，会对桥墩产生较大的冲击效应，梁段吊装下放不同步所产生的偏载效应也会对桥墩受力不利。因此，在桥梁拆除前，应当在桥墩两侧设计临时支架，确保主梁与支架之间紧密连接，从而有效辅助桥墩受力。

(3)合龙口劲性骨架临时锁定

经过长期运营后，桥梁内力状态复杂且难以进行精确的恒载内力状态评估。桥梁合龙段拆除时，在合龙口打开瞬间会发生体系转换，结构内力转换为外力，释放出较大的弯矩、剪力和轴力，并产生冲击效应；同时，最大悬臂梁段会发生明显的竖向和纵向变形。因此，有必要在合龙段设置劲性骨架进行临时锁定，确保合龙段拆除安全可控，如图22所示。一方面，安装劲性骨架可以有效避免合龙口打开瞬间梁体变形导致的切割卡锯现象，并将合龙口打开瞬间释放的冲击效应通过劲性骨架和吊机转移至剩余梁段，从而有效防止冲击效应损伤施工机械器具，实现合龙段拆除施工状态由不可控转向可控；另一方面，拆除过程中可以对劲性骨架结构内力和变形进行监测，从而评估合龙口打开瞬间所释放的冲击效应，进一步验证材料特性并修正模型参数，将合龙段拆除状态由不确定转向确定。

图22 合龙段拆除劲性骨架临时锁定示意图

(4)预先割断翼缘板钢束

在桥梁悬臂梁段拆除过程中，墩梁固接处的梁段由于顶板有效预应力所产生的正弯矩与恒载负弯矩不匹配，存在底板拉裂和顶板压溃的风险，进而导致拆除梁段局部破坏，严重影响梁段切割和吊装过程的施工安全。因此，在6#梁段拆除后，通过预先割断翼缘板钢束来释放部分正弯矩。通过仿真分析可知，墩梁固接处顶板压应力将由14.0 MPa减小至7.0 MPa，可以有效减缓后续梁段拆除顶板压应力增长速率，防止顶板压应力超限。由于切割后剩余梁段钢束的预应力传递长度不明确，需要在拆除过程中进行动态识别，并调整翼缘板钢束的切割位置和次数，从而完全释放翼缘板钢束正弯矩，如图23所示。此外，可以通过合理配重调整悬臂梁段恒载内力状态，实现拆除施工过程中预应力正弯矩与恒载负弯矩动态匹配的目标。

图23 悬臂梁段拆除时切割与不切割翼缘板钢束预应力效应对比

5.6 桥梁拆除后构件资源再利用

桥梁拆除资源再利用可以分为以下3类：系统级，即旧桥翻新加固改造；产品级，即旧桥构件无损拆除再利用；材料级，即桥梁结构材料破碎分离再利用。通过开展拆除和固废资源化研究有助于完善桥梁生命周期理论，使其拓展成闭合的循环发展生命周期[91]。桥梁拆除后构件资源再利用要求桥梁结构在拆除过程中避免发生局部破坏，保持梁段的完整性，有助于推动桥梁结构损伤识别和状态评估等相关技术及理论的创新发展。

由于现有桥梁检测技术手段难以精准掌握待拆梁段的有效预应力，导致桥梁施工状态评估困难。对拆除后的完整梁段开展承载能力破坏性试验，反演梁段的有效预应力，并对部分梁段的预应力孔道进行有损检测，校核超声波检测仪的准确度。由于数字化检测技术不太成熟且缺乏实际工程验证，可在桥梁拆除前借助三维激光扫描仪对拆除梁段超欠方状况进行精准识别，并结合拆除后构件实测参数开展相关技术研究，优化复杂结构的点云处理算法，从而进一步提高三维激光扫描仪的测量精度和效率。此外，对桥梁进行有选择和分类等重要特征的绿色拆除能够显著提高拆除后构件固废资源化利用程度。通过开展拆除和固废资源化研究有助于完善桥梁生命周期理论，使其拓展成闭合的循环发展生命周期[91]。

当前，对大量运营桥梁结构病害成因及其演化规律认识不足，桥梁加固后结构性病害有持续发展的趋势，使得桥梁结构的正常使用寿命往往无法达到预定的使用年限。通过对桥梁拆除后典型构件进行耐久性试验和长期性能实时监测，研究桥梁结构长期性能演化规律，有助于对老旧桥梁开展有效的监测、评估和加固工作，从而掌握实际运营状态下桥梁的性能表现，为桥梁管理提供科学的数据支持，延长桥梁结构使用寿命，并使设计的桥梁结构在预定的使用年限内、在不同强度的外部荷载作用下达到预定的不同性能目标[92]。

6 结 语

(1)大跨度预应力混凝土桥拆除具有恒载内力状态不确定和施工状态不可控的特点，拆除时的结构力学行为是一个瞬间释放的过程，当主梁恒载负弯矩无法匹配预应力提供的正弯矩时，墩梁结合处梁段存在底板拉裂和顶板压溃的风险。

(2)服役桥梁在荷载和环境长期耦合作用下结构性能不断劣化，由于养护不到位导致桥梁过早进入病害高发期，迫切需要通过养护加固提升结构性能，但是“过度医疗”的桥梁结构在经过长期运营后结构性能劣化速率会不断加快，将大大缩短桥梁的使用寿命，因此在最佳的养护时机采取合适的养护措施可以有效延长桥梁使用寿命；然而，一系列维修加固措施又会使得桥梁结构状态精准评估和预测愈发困难。桥梁智能拆除是借助新一代信息技术，实时掌握桥梁拆除全过程的真实受力状态，通过数据驱动虚拟桥梁在拆除过程中进行自感知、自演化、自学习、自评估、自决策和自执行，逐步实现人机协同拆除、自动化智能拆除的施工创新模式。

(3)桥梁拆除案例分析表明，借助三维激光扫描仪和全站仪对桥梁结构进行数字重构，精准掌握桥梁恒载分布状况及拆除梁段吊重，通过状态反演的方法对拆除前外观病害和拆除中结构响应进行状态验证和模型修正，明确病害成因及演化规律，掌握结构恒载内力状态，动态调整监控阈值逐步逼近桥梁真实应力状态，从而预先识别风险工况并采取积极高效的安全控制措施，实现桥梁拆除过程的精准预测和控制；对桥梁拆除后再利用构件进行精确测量、有损检测、耐久性试验和长期性能实时监测，有助于提高数字化检测技术的测量精度和效率，推动桥梁结构长期性能演化规律研究。

(4)基于数字孪生体技术的桥梁智能拆除研究方向应重点关注桥梁损伤构件无损检测技术及定量分析方法、桥梁结构病害和长期性能演化规律、既有损伤的桥梁结构精细化模拟仿真技术、基于物联网技术的桥梁智能监测系统、基于数据驱动的智能拆除机器人自动化施工技术和桥梁全生命周期内数字模型构建、使用、维护、管理体系。