科技公园文/胡月
桥梁是道路的重要组成部分,交通基础设施系统中重要的一环,在交通发展中起着非常重要的作用,同时也是一个国家或地区经济实力、科学技术、生产力发展等综合国力的体现。现如今,桥梁工程已经进入一个发展相对成熟的阶段。然而,人类社会在进入新时代以后,智慧化越来越成为衡量工程世界的新增维度。在桥梁智慧化的发展趋势下,原有的桥梁“理论大厦”已难于继续得到有效支撑,桥梁工程技术人员需要从规划、设计、施工制造、管养维护等多个方面对智慧时代的桥梁工程进行重新定义和学科建设。
来自同济大学桥梁工程系教授,博士生导师淡丹辉一直致力于桥梁的智慧化,他潜心研究桥梁结构健康系统规划设计、结构健康监测的一般性理论、结构振动控制、结构动力学、既有结构评估和诊断等。承担或参与国际级、省部、企业级科研项目30余项。淡丹辉先后发表过160余篇文章,含一作或通讯SCI论文75篇,其中有数次被高引和热点的论文,也有一篇论文被国际著名工程新闻网站ADVANCES ﻪIN ENGINEERING(AIE)遴选为对“卓越工程”有显著贡献的科学论文,并予以高亮专题报道,入选率为当年工程领域发表论文总数的1‰以内。
奇思妙想,打开桥梁监测新思路
近三十年来,我国基础设施建设尤其是桥梁建设经历了大发展,目前我国逐渐从桥梁大国向桥梁强国迈进。但在这个过程中,我们也存在着不少问题,例如虽然我们建设了许多世界级桥梁,但在桥梁管养方面,却刚刚起步。同时在已经安装监测系统的桥梁方面看,存在着获取数据后不进行分析计算,造成资源的极大浪费的现象。
同时,随着互联网技术的不断发展,越来越多的新概念新科技出现,桥梁监测方面的智慧化越来越成为必要趋势,但是部分桥梁工程仍然存在着盲目打高科技牌的情况。在这个境况下,中小跨径桥梁的管养现状与大型桥梁相比更加被动,效果并不尽如人意。来自同济大学的淡丹辉数十年如一日致力于此,为改变我国桥梁管养监测状况做出了不小的贡献。
1994年7月,淡丹辉毕业于东北大学采矿系(现资源与土木工程学院)矿山建筑专业,获得学士学位。1997年4月毕业于西安建筑科技大学土木工程学院结构工程专业,获硕士学位。1997年4月进入电子科技大学四系工民建专业任教,1999年晋升讲师,从事工民建专业教学工作。
1998年,淡丹辉一边在电子科技大学从事工民建专业教学工作,一边通过全国统一博士招生考试考入西南交通大学土木工程学院桥梁专业在职攻读博士学位。也正是在淡丹辉一边上课一边教书的这段期间,他偶然发现有学生在专业课本下放着一本C语言计算机编程的书在自学,于是他突发奇想:“能不能把IT学科的知识或者技术和土木工程结合起来,既能吸引学生的注意力,也能拓展一个新的方向?”
在这个想法的启发下,淡丹辉想到了把传感器技术和IT技术放在桥梁结构内部形成一种智能化的桥梁结构加以研究。于是他开始着手于这两部分的研究,并将此作为自己的博士论题。淡丹辉经过不懈努力,并在导师的帮助与鼓励下,最终完成了国内第一篇关于智能桥梁结构方面的博士学位论文。
也正因为如此,淡丹辉与桥梁的智慧监测结下了不解之缘。2002年10月,淡丹辉得以进入同济大学土木工程防灾国家重点实验室博士后流动站从事桥梁结构健康监测及智能土木/桥梁结构的研究,并于2005年4月正式留同济大学桥梁系任教。之后,淡丹辉在2009年8月至2010年9月,受国家留学基金委资助,赴美国佐治亚理工学院访问一年,并成为国际土木工程全寿命协会(IALCCE)及国际桥梁维护及安全管理协会(IABMAS)会员。
随着世界经济发展,大跨海大桥工程建设持续增长,潜在的涡振风险更高,大跨桥梁的涡激振动问题已成为跨海大桥工程界迫切攻克的技术难点和关键问题。大跨悬索桥重量轻、柔度大、结构阻尼小,容易发生风致振动。其中,悬索桥涡振事件在国内外时有发生。
2020年5月至6月,国内两座大跨度悬索桥相继出现较大规模的涡激振动,引起了社会的广泛关注。关于其中一座悬索桥发生涡振的诱因,专家组分析认为是维修工人在桥面两侧设置的连续水马改变了钢箱梁的气动外形,从而在特定风场条件下形成涡激共振,并发展成具有相当可观振幅的自激振动。然而在拆除了水马后相当长的一段时间内,涡振仍未见消除。进一步分析认为,这是长时间的大幅度振动导致结构阻尼显著降低所致。因此,桥梁结构动力特性的变化也被怀疑是涡振事件发生的主要原因之一。同时,部分专家认为车辆队列能够显著改变钝体断面外形,有助于抑制涡振响应。实际上,除此之外,由于车桥耦合效应,交通荷载也会影响结构整体动力特性。因此,采用智能手段和仪器对涡激振动进行智慧监测,通过监测桥梁结构的振动变化情况,做出涡振的预测、预警,从而为涡振期间桥梁的结构安全加以监控,对桥面的行车安全进行管控。
在进入同济大学后,淡丹辉就有机会参与到东海大桥的健康监测系统工程,这项工程是我国第一个真正意义上的智慧桥梁建设项目。淡丹辉全程作为技术负责之一,从项目前期的规划设计,到最后实施运营管理,全程参与了东海大桥的健康监测系统研究和建设。2006年,东海大桥的健康监测系统工程得以顺利完工并投入使用,这套分布着四百余个个传感器的桥梁“感知”系统正式运作,并成为了当时我国最先进、最复杂的监测系统之一。
自此以后,淡丹辉在国内的桥梁界打出了大名堂。淡丹辉着眼于为桥梁结构健康系统规划设计、结构健康监测的一般性理论、结构振动控制、结构动力学、既有结构评估和诊断等。承担或参与国际级、省部、企业级科研项目30余项。2013年,淡丹辉带领团队开始攻克行业内高难度的桥梁问题,包括大跨悬索桥涡振事件的智慧监测、感知和实时报警,复杂索缆结构动力学分析理论,高精度实时索力识别和疲劳状态智能感知,基于机器视觉和动态称重系统融合的桥梁全桥面交通流荷载监测,基于数字孪生模型的路网桥梁群监测,以及装配式混凝土多梁桥的云监测诊断工作等,数年间在相关领域有了突飞猛进的进展。
淡丹辉针对区域交通基础设施网络中的桥梁群,提出了基于实测交通荷载连接的桥梁网数字孪生系统。通过在目标桥梁上设置基于WIM和多源异构机器视觉信息融合的全桥面交通荷载监测系统,以及路网中桥梁群的轻量化响应监测系统,来获取物理空间中桥梁群的实测荷载和响应信息,通过建立相应数字空间中的力学分析模型,以实测荷载为连接纽带,来实现区域交通基础设施网络中的全体桥梁的工作状态感知和安全预警,为进一步的智慧交通基础设施系统形成重要支撑。
淡丹辉在智慧桥梁这一领域内潜心深耕二十余年,不仅产出了大量学术成果,同时也看重传承,作为领航者带领学生深入桥梁工程的研究,淡丹辉的学生也陆续进入行业,成为桥梁建设与检测工程的中坚力量。淡丹辉在未来也将会继续对智慧桥梁的研究,从自身出发,为我国的桥梁工程与事业添砖加瓦!
