“破风者”领衔!这个院士团队“稳住”了一座座桥!

湖南大学  |  2022-11-23

在祖国广袤的大地上,伫立着一座座桥梁,它们通江达海、跨越天堑。


然而,大风来袭,桥梁受到摇摆和振动该怎么办?桥梁容易受损,威胁结构安全、维修成本高,有没有办法可以延长桥梁使用寿命?


针对这些国家急需解决的问题,湖南大学土木工程学院陈政清院士领衔的风工程与桥梁工程教师团队,对制约桥梁工程领域的一系列工程难题进行攻关,在电涡流阻尼技术、高性能桥梁结构、结构安全监控系统等领域取得了一系列原创性教学科研成果,实现了人才培养与科技创新的双丰收,并于今年获评第二批“全国高校黄大年式教师团队”荣誉称号。

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用电涡流阻尼技术“稳”住一座座桥


上海中心大厦、苏通长江大桥、北京大兴国际机场、冬奥会国家体育馆速滑馆……这些重大工程项目能在大风、地震中“岿然不动”,归功于陈政清团队研发的电涡流阻尼技术。


早在21世纪初时,我国大跨桥梁减振领域研究尚处于起步阶段,早期修建的几座跨长江大桥都不同程度受到振动问题困扰,国内公司没有相应的大型阻尼器设计、制造能力,所有产品只能依赖德国和美国公司进口。然而,这些国外进口的大型油压阻尼器在使用3至5年后,往往因机械摩擦而漏油失效,不仅需要耗费大量资金维修与更换,也对重大基础设施的安全构成威胁。


“油阻尼器是从国外引进的技术,在抑制桥梁振动方面遇到了实质性困难。我们应抓住契机,开发出具有完全自主知识产权的新技术,让中国人在工程结构减振领域做出一项新贡献。”瞄准这一实际工程急需解决的重大问题,陈政清带领团队开始了“攻坚之路”。


早在1992年,陈政清在英国学习期间就了解到用于风洞试验中调节阻尼的技术,即电涡流阻尼技术,对这种技术的无机械摩擦、无工作流体、不需外接电源的优越性留下了深刻印象。


2006年,因一项大跨度人行桥急需一种长期可靠的阻尼器,陈政清开始思考将电涡流阻尼技术应用于大跨桥梁减振的可行性。由于其工作寿命可与我国桥梁结构的设计使用年限相当,使用期间无需维护,不仅能极大降低大跨桥梁的维修成本,而且可以大幅提高结构安全。


研究一开始,一个显而易见的问题就摆在眼前:既然电涡流阻尼技术相比现在实际应用的油阻尼技术具有更多的优点,为什么此前在全世界土木工程领域都没有电涡流阻尼器这个品类呢?


经过大量的文献调研和理论分析后,陈政清认识到,由于土木结构的质量大,振动速度低,减振控制所需的阻尼力极其巨大。在机械系统中运用的电涡流阻尼技术耗能密度太低,根本无法用于控制大型结构的有害振动。陈政清将当时电涡流阻尼器的应用情况,形象地归纳为“减速不能减振”。如何提高永磁电涡流的耗能密度,是解决问题的关键,也是最大的难题。


为解决这一难题,陈政清带领团队潜心扑在了电涡流阻尼技术的研究中,带头并组织大家学习电磁、机械相关技术,通过学科交叉融合方法,经过十多年的持续研究,在国际上最早成功研发出了适用于大型工程结构减振的电涡流阻尼器并形成了系列化产品,取得了多项原始创新,主要包括:发明了板式电涡流模式,开发了系列电涡流调谐质量减振器(TMD);将板式电涡流与运动加速机构结合,发明了大吨位轴向电涡流阻尼器;发挥电涡流阻尼无需密封的优点,发明了扭转型、同轴高速缓冲器型等多样化适用于不同场景的新型阻尼器。研发的电涡流阻尼器性能远超国外油压阻尼器,不仅是具有我国自主知识产权的大型结构电涡流阻尼全套技术,也是一项国际减振领域的原创技术。

现在,当我们走在张家界大峡谷玻璃桥“云天渡”中间时,除了刺激和惊讶之外,不禁会想,这座主跨四百三十米、桥面长三百七十五米,距谷底相对高度约三百米的全透明玻璃桥是如何保证游客安全的?此项工程,陈政清团队功不可没。


电涡流阻尼技术的应用,使这座大桥不仅能抵抗十七级风,也可以保证即使桥上游客上下,也不会有明显的晃动。目前,国内已有几十座桥梁和建筑应用了电涡流阻尼技术,并且走出国门,用于世界最高吸热塔——摩洛哥NoorIII的250m高塔减振。


电涡流阻尼技术在土木结构减振领域取得成功后,陈政清团队并未就此止步,而是继续探索将电涡流阻尼技术应用于更多领域:重要建筑工程、电力工程、新能源工程、航天科工等,并赢得了业内交口称赞。


如今,电涡流阻尼技术的相关发明专利获得了国际发明专利申请优先权,相继获得日本、欧盟和美国专利,确立了电涡流阻尼新技术的国际领先地位。

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以“时髦”高性能技术为大桥“治病”


一座座大桥连接着祖国的大江南北,为促进我国交通网络完善和经济社会发展发挥重要作用。


然而,进入2000年之后,大跨径桥梁钢桥面病害问题频发。比如,钢桥面板易疲劳开裂,通常不到10年便出现疲劳裂缝;钢桥面沥青铺装极易破损,需频繁维修,导致桥面铺装翻修成本飙升。


“我们做科研,要面向国家的重大需求,解决实际的工程难题。”为破解正交异性钢桥面疲劳开裂和铺装层易损这两大难题,风工程与桥梁工程教师团队成员邵旭东教授带领团队打起了钢桥面病害难题攻坚战。


超高性能混凝土(UHPC)是一种超高韧性、超长耐久性的水泥基复合材料,有望解决桥面开裂、能耗巨大、寿命不长等桥梁病害难题。这对新桥来说是病害“疫苗”,对旧桥来说则是治愈“良药”。


然而将UHPC应用于钢桥面存在两个难题:一是UHPC收缩大,铺在钢桥面上极易因收缩而开裂,国外曾尝试先将UHPC预制成板,再安装在钢桥面上,但这样做导致桥面出现大量薄弱的接缝;二是铺在钢桥面上的UHPC需承受重载车引起的高频高拉应力,如何确保UHPC百年不疲劳开裂是另一难题。


以UHPC材料为突破口,邵旭东率领团队进行大量实验,不断完善调配方法,不断改进结构形式。邵旭东坦言:“我们初期的研究工作是不成功的,提出的各种各样的方案几乎都被否定了。但是,我们没有想过放弃,坚信任何问题都是可以克服的,肯定是能做出来的。”


终于在2010年,邵旭东团队在国际上首次研发成功钢-UHPC轻型组合桥面新体系,攻克了包括矮栓钉传剪、接缝等强化、桥面抗疲劳能力提升等多项关键技术,填补了薄层组合桥面结构的多个技术空白,创建了相关的设计理论、施工方法及技术标准,用“时髦”的高性能桥梁技术为钢桥面穿上了“永久防护衣”。


“组合桥面的疲劳寿命较传统钢桥面可延长50年;铺装更换成本可降低80%。”邵旭东介绍,2011年该技术首次应用于广东肇庆马房大桥第11跨,经过重载交通、夏季高温的双重考验,组合桥面在同期施工的5种其他方案中脱颖而出,成为该桥至今唯一不开裂的方案。

邵旭东团队并没有停下探索的脚步。2017年,轻型组合桥面首次应用在千米级特大跨径钢桁梁悬索桥——杭瑞高速岳阳洞庭湖二桥。


2018年,建成于2001年年底的武汉某大桥钢桥面板疲劳开裂严重,钢桥面沥青铺装层破损严重,技术状况评定为“四级”,面临着报废的风险。针对原钢桥面的病害现状,邵旭东率领团队通过大量分析、计算,反复研究、论证,最终原创研发出了钢桥面疲劳裂缝无需修复的钢-UHPC轻型组合桥面结构加固技术。实桥采用该方案加固后,六类典型疲劳细节中的应力幅均明显下降,其中钢面板降幅高达86%,由此可基本消除疲劳裂缝继续萌生及扩展的风险,大大延长钢桥面的使用寿命。


当前,团队研究的“严酷服役状态下UHPC强化钢桥面新技术”取得了一系列创新性成果:首创了在疫重度开裂桥面UHPC加固新结构,首创了能够兼顾强震区钢桥安全与舒适双重需求的组合梁桥面连续新结构,首创了海洋、寒区等严酷服役状态下耐久性提升的多种UHPC抗裂新技术,为严酷服役状态下新型桥面结构的长期性能提升提供了好的技术方案。


邵旭东带领团队不断创新技术为大桥“治病”,目前所取得的系列原创研究成果已应用于全国26省市100余座实桥,包括沪苏通长江大桥、杭瑞高速洞庭湖大桥、海文跨海大桥、武汉军山长江大桥等大型桥梁工程。

03

秉持身体力行的态度培育土木英才


编写教材内容,夯实学生知识基础;加强师生交流,了解学生所需;教师队伍身体力行,奋战在教学科研第一线……风工程与桥梁工程教师团队始终以身体力行的态度坚守讲台,教书育人,培养土木英才。


教材承载着育人的重要功能,里面有知识,有家国,有灵魂塑造。团队教师把自己的科研心得与理论实践编入一部部教材当中。依托学科在电涡流减振技术、UHPC高性能桥梁结构、智能检测与监测等方面的优势,不断更新课程教材、课件及教辅书籍,确保课程内容的前沿性、先进性和高阶性。


近年来,团队出版各类著作及教材29部,教材深入浅出、贴近实际、始终与桥梁科技发展同步。其中《桥梁风工程》和《桥梁工程》等教材广受好评。《桥梁工程》15年间修订5版,销量居同类书籍首位,被包括28所“双一流”高校在内的100余所高校采用,支撑所在学院获得2021年首届全国教材建设奖全国教材建设先进集体。

为了保证所编著教材的质量,在编写《结构动力学》教材时,70多岁的陈政清不仅多次与编写团队研讨,确保书中概念和公式的准确性,而且逐字逐句修改全书三稿,历时5年方予以出版,出版后得到同行广泛关注和好评。


时常连续多天泡在实验室,和学生一起设计、准备和测试技术改造方案是团队教师的日常。近些年来,团队教学成果颇丰。2020年,团队负责的“桥梁工程”课程入选首批国家级一流本科课程。团队先后获得湖南省高等教育教学成果奖特等奖1项、二等奖2项,湖南大学教学成果一等奖4项,所指导的研究生多次获得湖南省优秀博士学位和硕士学位论文等。


对于棘手的科研难题,团队教师总是冲锋陷阵,坚持奋战在一线。2013年,为了解决舟山西堠门大桥吊索的大幅风致振动问题,当时66岁的陈政清爬上了桥面以上六米多高的脚手架,在实桥现场研究吊索阻尼器的安装问题。当时,桥面风比较大,同行的博士研究生雷旭和其他工作人员都担心他的安全,劝他不要上去。陈政清果断拒绝了:“阻尼器的安装很关键,我一定要上去看看才放心”。这件事给雷旭留下了刻骨铭心的印象,“陈老师的榜样力量,始终是我在科研工作中前行的巨大动力!”

在教学之余,团队教师与学生密切交流沟通,解答他们的疑惑,传授他们做人的道理。


周帅是陈政清指导的2010级博士研究生,毕业时他打算去企业闯一闯,但又担心以后的发展不如在高校工作。于是,周帅怀着忐忑不安的心情找到陈政清。


当时,陈政清语重心长地跟他说:“不管你选择在哪里工作,一个人一辈子能办好一件事就可以了。我是改革开放以后的第一届大学生,30多岁上大学,是班上年纪最大的学生。大学毕业以后只做一件事,就是从事力学专业的研究和教学,主攻桥梁这一块。”这次谈话让周帅放下了心中的顾虑,而陈老师“一个人一辈子能办好一件事就可以了”也被周帅当成人生信条,激励他前行。

责任编辑:曹竞