湖南大学桥梁技术创新助力国家重大工程建设

  近些年来，湖南大学在桥梁工程领域取得了重大的技术创新和贡献，涉及柔性桥梁风致振动理论与控制技术、新型电涡流阻尼减振技术和UHPC高性能桥梁结构新体系三大方面的创新。这些创新不仅引领了行业技术发展，还在多个国内外重大工程中得到成功应用，取得了一系列的国内外奖项与认可。

  世界上没有绝对的刚体，看似坚不可摧的钢筋混凝土大桥，同样会产生形变和振动。桥梁的颤振及涡振是大跨度桥梁抗风中最重要的两个问题。

  如何让悬索桥“淡定”？湖南大学在桥梁颤振、悬索桥涡振等抗风理论与技术方面有多项创新成果，解决了多种风振病害问题，其中吊杆大攻角颤振理论填补了国际空白，悬索桥的多阶涡振理论与应用位于国际领先水平。

  1992年在国际上提出了三维颤振分析的多模态单参数自动搜索法，开发了能精确识别全部颤振导数的全数控三自由度强迫振动试验系统，解决了大跨度桥梁颤振临界风速稳定、快速和准确计算的难题；其中相应核心技术被同济大学引进应用。2006年进一步在ANSYS商业软件中开发了三维颤振分析模块，完全解决了颤振分析通用性问题，已被国内外同行大范围的应用；2008年建立了拱桥刚性吊杆大攻角风致颤振理论，填补了结构抗风设计的一个空白。国际同行评价成果“代表了拱桥吊杆抗风研究的最新水平”。

  自2010年始，湖南大学聚焦悬索桥涡振问题，在桥梁涡振，特别是在悬索桥多阶涡振方面取得了世界领先的成果，系统创建了悬索桥多阶涡振理论体系和减振技术：在国际上首次提出了多点弹性支撑连续梁气弹模型，揭示了悬索桥多阶模态涡振的响应特征，提出了基于行车视距的涡振振幅容许限值确定方法，形成了系统的悬索桥多阶涡振的抗风设计理论体系；研发了塔梁阻尼器直接减振系统，有效解决了在役悬索桥多阶涡振控制的难题，并成功应用于武汉鹦鹉洲长江大桥涡振治理工程。成果纳入我国桥梁抗风规范，被国际知名学者评价为“涡振研究的实质性进展”，并用于土耳其三桥等桥梁的多阶涡振研究。

  虎门大桥、江阴长江大桥、苏通长江大桥、矮寨大桥、舟山西堠门大桥、杭瑞高速洞庭湖大桥……湖南大学相关成果等我国一批重大桥梁工程中得到成功应用，并获得国家科学技术进步奖二等奖3项，教育部自然科学奖二等奖2项，教育部技术发明奖二等奖1项，湖南省技术发明奖一等奖1项，湖南省科技进步奖一等奖3项，对我国桥梁风工程研究由技术引进到逐步超越做出了重要贡献。

  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，全部的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，湖南大学陈政清带领团队开始了“攻坚之路”，通过系统深入研究，成功地将永磁电涡流阻尼用于大型结构的减振和缓冲。

  他们研发了一系列的电涡流阻尼技术，包括板式电涡流阻尼单元，以及大行程、低频和微型等多种电涡流调谐质量减振装置，以满足多种行业和性能需求。此外，他们还发明了旋转管式轴向永磁电涡流阻尼器，最大阻尼力超过2000kN，最大轴向速度超过1m/s，满足高烈度地区结构抗震要求，达到国际顶配水平。他们还创新了多种特殊形式的电涡流阻尼器，进行了电涡流TMD拓扑结构优化设计方法的开发，以及永磁电涡流阻尼器高速非线性特性的电磁学-热力学-动力学耦合仿真与参数优化设计方法的创新，使电涡流阻尼装置的耗能密度达到国际最高水平。

  团队共研发出3大类12种系列的电涡流阻尼器产品，大范围的应用于国内外大型工程建设项目，并逐渐替代了国外进口的高端油阻尼器。他们孵化了国内第一家电涡流阻尼技术的国家高新技术企业。电涡流阻尼减振（震）技术已在江阴长江大桥、苏通长江大桥和摩洛哥Noor Ⅲ太阳能集热塔等国内外重大工程中成功应用，近3年可统计的直接经济效益超4亿元，获得2020年湖南省技术发明一等奖和2014年教育部技术发明二等奖。

  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持续健康发展发挥重要作用。

  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。

  湖南大学的开发团队针对此问题，通过多年攻关和工程实践，采用超高性能混凝土（UHPC）等材料，研发了以钢-UHPC轻型组合桥面结构、钢-UHPC矮肋板组合梁、单向预应力薄壁UHPC箱梁、装配式UHPC桥梁等为代表的原创性高性能桥梁结构新体系，解决了关键性技术难题。

  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”。

  他们首次提出了钢-薄层超高韧性混凝土（STC）轻型组合桥面结构，大幅度提高了桥面的局部抗弯刚度，大大降低了疲劳开裂风险，将钢桥面沥青铺装转化为经济的混凝土桥面铺装。此技术已成功应用于多个国内外大跨度钢桥项目，取得了显著的社会经济效益。

  湖南大学还自主开发了钢桥面专用的STC材料，建立了智能化施工装备，大幅度的提升了施工效率。他们进行了千余个模型试验，为轻型组合桥面结构的设计与计算提供了理论和方法支持。

  这些创新的桥梁结构新体系已大范围的应用于沪苏通长江大桥、杭瑞洞庭大桥、武汉君山长江大桥、宜昌长江大桥、中马友谊大桥、越南河内升龙大桥等国内外100余座国内外大桥工程，取得了巨大的经济效益，全寿命成本节约达160亿元。研发成果获2017年教育部技术发明一等奖、中国公路学会一等奖，入选交通运输部重大科学技术创新成果库。