橋梁與隧道技術國家地方聯合工程實驗室建設

耿鐵鎖，譚巖斌，檀永剛，邱文亮，覃 暉，張 哲

（大連理工大學 土木工程學院，遼寧 大連 116023）

1 工程實驗室建設意義

在經濟社會快速發展的今天，橋梁與隧道工程技術的發展作為經濟發展的重要組成部分，將直接決定和帶動包括機械制造業等多產業的發展，對東北整體產業發展及結構調整產生深遠的影響[1]。

目前，國內對于橋梁隧道工程技術的發展投入了大量的精力，給予了足夠的重視和支持。而隨著計算能力的提高及新材料、新工藝的研發，新的科研項目也隨之應運而生，橋梁與隧道工程實驗室的建立也將為東北橋梁與隧道技術水平的發展提供技術支持。

作為橋梁與隧道技術國家地方聯合工程實驗室（以下簡稱“工程實驗室”）建設的主體單位大連理工大學橋隧研發基地由橋隧工程研究所（包括橋隧結構實驗室和風洞實驗室）、橋隧設計分院、橋隧檢測所、橋隧咨詢所組成。具有設計、施工監控、檢測、審圖、咨詢等相關最高技術資質及認證資質。可從事設計、施工監控、檢測、加寬加固設計、圖紙審查、復雜結構的實驗研究以及培養橋隧專業碩士、博士等工作。2014年5月，由中國工程院、中國土木工程學會主辦的“中國土木工程學會第十六屆年會暨第二十一屆全國橋梁學術會議”在大連召開，會議選擇以大連理工大學橋隧研發基地設計的大連市星海灣跨海大橋為工程背景，與會的600余名專家參觀了在建的星海灣跨海大橋工地和實驗室，專家、學者高度肯定了我校橋隧實驗室的建設，同時贊揚了橋隧研發團隊出色的工程技術能力。橋梁與隧道技術國家地方聯合工程實驗室將進一步促進“產—學—研—用”緊密結合，提升東北乃至全國在橋梁與隧道工程技術領域的自主創新能力和國際競爭力，建設國內一流的橋梁與隧道工程實驗室；加速橋隧安全技術科技成果轉化和加快產業升級，創新產業價值鏈和轉變經濟增長方式[2]。

2 工程實驗室建設目標與思路

2.1 建設目標

建設工程實驗室，主要希望解決以下幾方面問題。

2.1.1 橋梁向超大跨徑發展，將會出現一系列新問題有待研究

由于我國正處于交通基礎設施與市政工程設施建設的高峰，大跨度斜拉橋和懸索橋應用發展迅猛，同時主跨越來越大。進入21世紀以來，為了避開超深水基礎的施工困難以及滿足超大型船舶的順利通航要求，工程中必將出現超大跨度橋梁。對于超大跨度橋梁的結構受力性能、施工工藝和要求及成橋運營管理等方面有更高的要求。因此從國家經濟發展的角度考慮，有必要對未來的交通基礎設施的建設中超大跨度橋梁的安全技術進行深層次的研究。

2.1.2 橋梁結構新體系不斷出現，其結構合理性和安全性有待深入研究

橋梁結構體系除了傳統的梁橋、拱橋、斜拉橋和懸索橋外，還不斷出現一些新的結構體系，如斜拉—懸索協作體系、斜拉橋T構協作體系、異性拱橋等。這些橋梁體系，多數是空間結構，構造復雜，其計算分析理論和施工方法均與傳統的橋梁體系不同，需要對其結構合理性和安全性進一步展開研究。主要包括：研究超大跨度橋梁的合理結構體系，并針對縱向、橫向橋梁結構約束體系進行系統分析；針對橋梁的結構非線性問題，建立相應的超大跨度橋梁幾何非線性分析理論和動力非線性理論，為超大跨度橋梁的結構非線性分析奠定基礎；建立以新材料為基礎的碳纖維拉索、超高性能混凝土主梁和索塔新型斜拉橋結構設計關鍵理論與方法。

2.1.3 橋梁施工過程中的安全問題有待研究

橋梁在施工過程中發生垮塌的事故屢有發生，如何保證橋梁的施工安全，是亟待解決的一個問題。除了提高施工隊伍的水平，按章操作之外，通過理論分析和實驗研究，給出合理的施工方案也是非常關鍵的。隨著橋梁結構新體系和復雜橋梁結構的出現，通過理論分析和實驗研究來指導安全施工尤為重要。

2.1.4 橋梁使用過程中的安全問題有待研究

最近20年，全球發生了多次大地震，造成了非常慘重的生命財產損失。在這幾次地震中，由于橋梁工程遭到嚴重破壞，切斷了震區交通生命線，造成救災工作的巨大困難，使次生災害加重，導致了巨大的經濟損失。

風災是自然災害中發生最頻繁的一種，橋梁的風害事故屢見不鮮。風與結構的相互作用是一個十分復雜的現象，它受風的自然特性、結構的外型、結構的動力特性以及風與結構的相互作用等多方面因素的制約。

橋梁結構中大量存在疲勞裂紋并導致災難性事故的報導也屢見不鮮。因此，研究橋梁結構在使用過程中由疲勞引起的安全問題是必要的。

腐蝕是引起橋梁使用狀態惡化的重要原因之一。鋼橋上的高強度螺栓處于露天大氣腐蝕介質之中。我國氣候條件較為嚴酷，所建橋梁普遍處于惡劣的腐蝕環境下，環境污染又顯著地加速腐蝕。因此我國鋼橋的腐蝕問題非常突出。

2.1.5 隧道施工過程中安全問題有待研究

隧道建設過程中，塌方是最為常見的工程災害，約占各類重大地質災害出現概率的90%以上。塌方一旦發生，一方面造成工期延誤、機械設備毀壞、工程費用增加和施工企業信譽降低等嚴重后果；另一方面對現場施工人員的生命安全構成巨大威脅。隨著我國基礎設施建設的蓬勃發展，隧道施工中所遇到的塌方災害越來越多，每年投入到塌方治理的費用呈逐年增加趨勢，塌方的機制和防治問題引起學術界的極大關注。

2.1.6 水下隧道修建新技術有待研究

近10年來，隨著國家經濟實力的不斷增強，水下隧道建設發展迅速。由于其位于江河湖海之下，與其他隧道工程相比，更具有隱蔽性、復雜性、不確定性等突出特點，其設計、施工技術水平要求高，面臨的風險大。

2.1.7 隧道抗震新技術有待研究

隧道埋設在巖土之中，相較地面結構有著天然良好的抗震性能。但是在一定地震強度和特定地質條件下，隧道結構可能遭受嚴重破壞。

2.2 建設思路

工程實驗室將發揮我校橋隧學科的整體優勢，以設計、工程實踐帶動教學科研，重點打造一個集設計、施工監控、檢測、科研實驗為一體的技術隊伍。利用工程項目營收的資金著力發展工程實驗室建設，力爭建成國內一流的橋隧工程實驗室，服務于東北乃至全國的經濟建設及社會發展。在發展思路的指引下，工程實驗室重點建設內容涉及以下幾個方面。

2.2.1 橋梁隧道結構新材料、新工藝和新體系技術

高強、輕質、耐久混凝土材料實驗研發及工程應用；快捷、經濟、實用施工新工藝新技術實驗研究及工程應用；先進、合理、美觀橋梁及隧道結構體系力學性能理論研究、實驗驗證及工程應用。在目前的科研成果的支撐下，繼續完成新型抗震支座及大規格拉索的科研實驗工作。依托現有實驗條件，爭取在新型阻尼器研究及新型組合體系橋梁研究方面有所突破。力爭每年能有至少一項研發成果投入使用。

2.2.2 橋梁隧道結構檢測、健康監測與損傷預警技術

建立結構定期檢測數據的綜合分析處理與結構安全評價體系，開展新型橋梁隧道結構檢測和監測技術與裝備的研發，建立適合于橋梁隧道結構的健康監測系統的架構理論，建立剔除環境、邊界條件等不確定性因素影響的有效結構損傷識別理論，編寫結構檢測、健康監測與損傷預警系統的設計指南、規程和標準。

2.2.3 橋梁隧道結構安全可靠性評價和加固技術

建立合理有效的橋梁隧道結構耐久性評估理論和方法；在建立橋梁隧道結構抗力退化時變模型時，綜合考慮各影響參數耦合作用的影響；提出橋梁隧道結構承載力影響因素損傷程度的明確界限，準確評價橋梁隧道結構的承載能力和安全可靠性；提出合理有效的大型復雜橋梁隧道結構模糊可靠性評價的計算理論和方法；研發快速加固修復材料和施工工藝及施工設備，并形成加固成套技術成果。

2.2.4 橋梁隧道結構安全監控技術集成與物聯網系統

開展橋梁隧道結構安全監測控制物聯網技術研發，形成一批擁有自主知識產權的新技術、新裝置、新產品、新軟件和新系統，為相關企業提供高端產品核心技術支撐，形成較為完整的產業鏈。

3 工程實驗室建設內容

國家地方聯合創新平臺下的工程實驗室將直接服務于橋梁與隧道技術研發，保證橋梁與隧道在設計、建造和使用過程中的安全、橋梁結構體系的安全、橋梁結構動力安全性能，保證橋梁和隧道結構在施工和使用過程中的安全，形成世界頂尖的橋梁與隧道工程實驗室，拉動整個公路交通運輸行業的發展。橋隧工程的發展，將有利于拓展城市發展空間，更好發揮輻射帶動作用，提升區域經濟實力，符合國家整體發展戰略需求[3-5]。

（1）為滿足本工程實驗室的研發需要，對現有的研究人員進行合理組織，根據工程實驗室的研發任務，組建6個相應的研究技術團隊。每個技術團隊由若干教授（研究員）、副教授、講師、博士（后）和碩士生等組成研究梯隊，每個團隊的研究人員不少于10人。

（2）投資共5 000萬元建設橋隧結構實驗室（見圖1），占地面積約2 800 m2，總建筑面積約5 000 m2，

總高度15.5 m，采用鋼結構形式，擁有跨度32.5 m、長度60 m的實驗大廳。

圖1 橋隧結構實驗室全景

（3）建立了風洞實驗室（見圖 2），該實驗室是一座全鋼結構單回流閉口式邊界層風洞，采用全自動化的測量控制系統，風洞氣動輪廓長43.8 m，寬13.1 m，最大高度為6.18 m；實驗段長18 m，橫斷面寬3 m，高2.5 m。

圖2 風洞實驗室內景

4 工程實驗室建設成果

實驗室目前在土木工程安全技術領域已承擔 100余項國家自然科學基金、國家重點科技攻關、國家攀登計劃和省部級重點基金項目，成果豐碩。先后獲得國家級科技進步獎多項，省部級科技進步獎多項。授權發明專利和實用新型專利100余項。出版編著近30部。在國際期刊發表論文被SCI收錄200余篇，在國內一級學術期刊《土木工程學報》《中國公路學報》《建筑結構學報》《水利學報》《工程力學》《計算力學學報》《振動與沖擊》等發表論文300余篇。

在工程實踐方面，擁有橋隧設計甲級資質，國家計量認證、實驗室認可和橋梁檢測資質，施工圖審查一級資質。完成了100余座大型橋梁設計工作，積累了大量的設計和施工經驗，很多橋梁設計科研成果在國內處于領先水平，部分達到國際先進水平。完成了百余座大型橋梁施工監控和健康檢測工作。

工程實驗室建設對于提高教育教學質量具有重要意義。教育教學質量不僅體現在拔尖創新人才培養、科技創新上，還體現在高水平的社會服務上。實驗室投入大量資金，設備日趨完善，研究能力日益提高，已畢業碩士生230余名、博士生30余名[6-7]。

工程實驗室的建設將為科研成果轉化提供平臺[8]。工程實驗室依托大連理工大學，將會形成了一個科技創新、工程化開發的基地，在培養人才、科學研究的同時，實現產學研的良好結合，提高我國在橋梁與隧道技術領域的自主創新能力[9-11]。

目前以實驗室為主體，與不同領域擁有“國家認定企業技術中心”的多家大型企業簽訂校企合作共建協議書。包括在國內土建施工領域技術領先的中交第一航務工程局有限公司和在橋隧工程產品研發生產上處于國內一流水平的巨力索具股份有限公司。合作內容主要體現在以下4個方面：

（1）產品研發、工藝改進，共建研發平臺；

（2）共建“生產實習”中心；

（3）就業推薦，優先錄用優秀畢業生；

（4）建立信息互通平臺。

截至目前，工程實驗室與中交一航局在大型橋梁施工監控、荷載試驗等項目上進行了多次合作，同時為一航局在施工新工藝、新技術方面提供必要的技術支持，如大跨度懸索橋的貓道設計方案等。工程實驗室與巨力索具股份有限公司合作主要是在大規格拉索方面。

5 結語

工程實驗室的建設堅持以目標為導向，圍繞國家、省重大戰略任務、重點工程，有重點地持續推進。依托其建立博士后流動站，培養高級技術研究和開發人才，每年向社會輸送高素質工程技術人才，開發和轉讓先進技術裝備成果，開發相關軟件等。

通過市場機制實現技術轉移和擴散，持續不斷地為橋梁結構設計、施工、維護和維修加固提供成熟的先進技術、工藝和產品裝備，并不斷推出具有國際市場前景的原創性、新概念、高技術含量與高附加值的先進技術與新產品。持續地進行共性和關鍵的橋梁隧道結構安全技術研究及其工程化驗證，不斷提高先進檢測技術，加固技術成果的轉化水平，能夠承接有國際影響力的大型橋梁隧道工程的設計、施工監控、檢測工作，成為國內領先、國際一流的工程實驗室。