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邵旭東:創新成就橋梁夢,立足需求攀高峰

時間:2021-10-19 17:32:54 作者:超級管理員 分享到:


  1968年9月30日,南京城里萬人空巷,5萬多人相繼擠上了剛剛落成的南京長江大橋,橋下的路上、樹上也都是人,隨著一列7節車廂的火車從南京長江大橋鐵路橋平穩駛過,這些人歡呼、慶?!瓕芏嗬弦惠叺哪暇┤藖碚f,這一幕場景成了刻在心里一輩子難忘的記憶。

  成長于浙江富陽的邵旭東雖然沒有親眼見證這場慶祝南京長江大橋開通的盛況,但這卻成了他夢想的開端。當時7歲的邵旭東深深震撼于這項偉大的工程,他小小的腦袋里隨即蹦出一個問題:人們到底是怎樣在水上建起了這樣一座大橋?伴隨著這個問題的出現,一個橋梁夢悄悄在他的心里扎了根、發了芽。

  幾十年后的今天,邵旭東已經成長為一位首席橋梁專家。當初困擾著他的那個問題,他也早就知道了答案。答案之外,他通過不斷創新,在攻克鋼橋主要技術瓶頸、消除大跨徑箱梁橋開裂頑癥、研發橋梁結構新體系等方面做出了突出的貢獻。從夢想萌生到夢想成長為參天大樹,邵旭東頂天立地、一心一意,持續為中國的橋梁事業奉獻青春,輸出技術,培育人才。

  十年磨一劍,攻克鋼橋面的世界性難題

  2020年7月1日,滬蘇通鐵路開通運營,列車必經的滬蘇通長江公鐵大橋同步建成通車。滬蘇通長江公鐵大橋正橋長5827米,南北岸引橋長5245米,主跨1092米,是我國自主設計建造的世界上首座4線鐵路+6車道公路、主跨超千米的公鐵兩用斜拉橋。其鐵路橋鋼橋面大規模應用的正是邵旭東團隊自主研發的“鋼-超高性能混凝土(UHPC)輕型組合橋面結構”技術。

  鋼橋面,是大橋的“門面”,具有自重輕、承載力高、施工便利等優點。20世紀90年代以后,隨著我國大跨徑懸索橋、斜拉橋的大量修建,鋼橋面得到了普遍應用。然而,國內外大量工程實踐表明,這種常規橋面方案存在兩大難題且長期得不到有效解決:一是鋼橋面板易疲勞開裂,通常不到10年便出現疲勞裂縫,危及橋梁安全;二是鋼橋面瀝青鋪裝極易破損,需頻繁維修,社會反響強烈,個別橋梁甚至遭遇過“10年24修”,導致橋面鋪裝翻修成本飆升。這兩種病害是公認的世界性難題,國內外學者研究了諸多解決方案,均無法治本。

  2000年前后,我國大跨徑橋梁的鋼橋面病害問題開始頻發。邵旭東在充分了解和分析了大量國內外橋梁工程領域的情況后,將研究方向定位在大跨與新型橋梁結構研究及橋梁檢測與加固技術上,并開始了長達10年的鋼橋面病害難題攻堅之路。

  與此同時,邵旭東的“老搭檔”——湖南大學黃政宇教授已經在UHPC材料方面展開了很多研究工作并取得了一系列進展。邵旭東聯想到:是否可以將這種材料應用到鋼橋面上?于是,他和黃政宇教授及團隊成員對這種可能性展開了探討,并提出了很多想法和方案。

  什么是UHPC材料?邵旭東解釋道,這是一種抗壓強度在120MPa以上,同時具有超高韌性、超長耐久性的水泥基復合材料,最早由法國學者于1993年研發成功,主要由水泥、硅灰、細骨料、減水劑及鋼纖維等材料組成,依照最大密實度原理構建,從而可使材料內部的缺陷(孔隙與微裂縫)減至最少。UHPC材料組分內不包含粗骨料,顆粒粒徑一般小于1mm,因高度的致密性而具有超高強度及優異的耐久性。研究表明,UHPC抗壓強度可達200MPa以上,同時材料耐久性可達200年以上。此外,由于UHPC中分散的細鋼纖維可大大減緩材料內部微裂縫的擴展,從而使材料表現出超高的韌性和延性性能。

  以UHPC材料為突破口,邵旭東率領團隊經過大量的實踐,不斷調配方法,不斷調整結構形式,終于在2010年研發出了強化UHPC抗拉和收縮性能的鋼橋面專用超高韌性混凝土(STC),并首創提出鋼-STC輕型組合橋面結構。研究表明,STC可提高鋼橋面局部剛度超30倍,降低車載作用下鋼橋面應力平均可達50%,從而為根治兩大病害難題提供了可能性。邵旭東坦言道:“我們初期的研究工作是不成功的,提出的各種各樣的方案幾乎都被否定了。但是,我們沒有想過放棄,總覺得有什么問題都是可以克服的,肯定是能做出來的?!?/p>

  “超薄組合結構”在國際上并無研究先例,基本屬于空白。經過艱苦攻關,邵旭東團隊解決了其中諸多科學問題,形成了設計理論,編制并頒布了STC輕型組合橋面地方標準。2011年,該技術首次應用于廣東肇慶馬房大橋第11跨,經過重載交通、夏季高溫的雙重考驗,STC在同期施工的5種鋪裝方案中脫穎而出,成為該橋至今唯一不開裂的方案。其后,該技術陸續應用到廣東、北京、天津、湖南、湖北、浙江、江蘇、山東、福建、四川、貴州、吉林、甘肅等地的實橋中。

  履行科研承諾,實現橋面終身無需大修

  邵旭東帶領團隊,用“一個10年”取得了鋼橋面病害難題的突破性進展,也致力于用更多的“10年”,不斷優化方案,兌現“橋面終身無需大修”的科研承諾。與此同時,他們也從來沒有停下科研成果應用推廣的腳步,一直在積極探索鋼-STC輕型組合橋面結構在各種極端條件下的適用性。

  2017年年底,杭瑞高速岳陽洞庭湖二橋通車運營。該橋為主跨1480m的特大型懸索橋,投資巨大,若運營中鋼橋面及其鋪裝頻繁出現病害,不僅帶來安全隱患,而且還會造成巨大的社會負面影響。因此,為防患于未然,在大橋專家組的一致推薦下,2016年8月,湖南省交通運輸廳批復采用STC輕型組合橋面技術。這是STC輕型組合橋面首次應用在千米級特大跨徑鋼桁梁懸索橋上,可實現終身無需大修的超長壽命。

  由于岳陽洞庭湖二橋STC的澆筑規??涨?,需要有高效、可靠的規?;┕ぜ夹g作為支撐。對此,邵旭東團隊聯合施工單位開發了智能化成套施工裝備,大幅提高了施工效率。2017年9月1日,岳陽洞庭湖二橋試驗段STC施工完成。以中鐵大橋設計院徐恭義設計大師為首的專家組對試驗段進行驗收,一致認為施工設備先進,技術可靠,質量滿足設計及規范要求。同年9月16日開始了STC的大規模施工,采用分幅分塊交叉作業,全橋共分12塊,每次約澆筑5500平方米,6.5萬平方米STC歷時48天完成全部澆筑。

  澆筑過程中,來自政府部門、設計院、高校、科研單位和施工單位的200多位領導、專家和同行紛紛前往大橋考察,其中包括中國工程院王景全院士、鄭皆連院士和陳政清院士,美國國家工程院院士、中國工程院外籍院士鄧文中,交通運輸部專家委員會主任、原總工程師周海濤,原總工程師楊盛福等。

  王景全院士認為,“該項目技術是新材料與新結構的高度融合,是解決鋼橋面世界性難題的革命性突破”;鄭皆連、陳政清兩位院士近些年來一直對輕型組合橋面予以深切的關心,已在多個采用STC的橋梁上考察指導,當見到該技術在如此規模的橋梁上成功應用時,深表欣慰;鄧文中院士表示,“如果早20年在鋼橋上使用這種新材料,我們就可以省下很多錢,而不用去買國外昂貴的材料,我是一個中國人,還是希望用我們自己的東西”;周海濤總工由衷地說,“感謝邵旭東教授的科研團隊多年來堅持不懈的努力,為解決我國公路鋼橋面疲勞和鋪裝早期破壞探索出一條新的路徑。幾年來,洞庭湖二大橋采用STC輕型組合橋面,一直牽掛著我的心,今天看了工程現場以后,心里終于踏實了”;楊盛??偣け硎?,“20多年來,為解決鋼橋面疲勞開裂的難題,我們借鑒了歐美和日本的技術,但效果都不夠理想,現在我們有了自主研發的STC技術,通過大幅度提高橋面剛度降低開裂風險,是很好的思路,如果成功,將是一個很大的貢獻”。

  除此之外,著名鋼結構專家周緒紅院士、著名組合結構專家聶建國院士也對STC技術予以高度重視,兩位院士多次在全國性的學術會議主旨發言中稱贊這一研究成果。

  2018年,邵旭東團隊又為武漢某長江大橋鋼橋面加固改造提供了核心技術支持。武漢某長江大橋建成于2001年年底,是國家干線公路網中“一縱一橫”兩條高速公路主干道——京港澳高速公路和滬渝高速公路共用的跨長江特大型高速公路橋梁,也是武漢繞城高速公路的重要節點。由于大橋交通量大、重載車比例高,長期運營中,鋼橋面板疲勞開裂嚴重,鋼橋面瀝青鋪裝層破損嚴重,技術狀況評定為“四級”,面臨著報廢的風險。

  當時,很多橋梁修補單位實地考察以后都認為武漢長江大橋的病害無法“根治”,于是相關單位找到邵旭東團隊,希望用他們的原創技術進行修補。邵旭東坦言,這一挑戰對當時的他們而言也非常艱難,因為要采用STC技術進行修補,有一個前提,那就是要保證底面的鋼板是完好的,鋼板要參與受力。然而,大橋的底部鋼板已經出現了嚴重的開裂情況,如果直接應用STC鋪裝技術或鋼筋網支撐,無法達到STC不開裂的要求。

  頂著壓力,邵旭東率領團隊針對原鋼橋面的病害現狀,通過大量分析、計算,反復研究、論證,最終研發出了原創性的鋼橋面疲勞裂縫無需修復的鋼-超高韌性混凝土(STC)輕型組合橋面結構加固技術。與團隊先前研發的鋼-STC輕型組合橋面結構所不同的是,因大橋鋼橋面存在大量疲勞裂縫,鋼面板對STC底面失去了保護,因此,需采取特殊措施對STC進一步強化,同時有效阻止原有病害的繼續發展。

  采用新方案加固后,計算和試驗結果表明:六類典型疲勞細節中的應力幅均明顯下降,其中鋼面板降幅高達92%,由此可基本消除疲勞裂縫繼續萌生及擴展的風險,大大延長鋼橋面的使用壽命;STC層按“等強度”原理設計,具有非常高的靜力和疲勞抗裂強度,今后只要超載車沒把原鋼橋面壓屈服,STC層就不會開裂;STC層與鋼橋面之間連接牢固,經歷了兩千多萬次疲勞循環,界面未出現滑移裂縫。

  目前,在強震區、高寒區、高腐蝕性地區和嚴重疲勞開裂的鋼橋上,相關技術也已打造出多項成功案例。在2010年至2020年的10年間,邵旭東團隊發表論文180余篇,出版該領域國內外首部專著《鋼-超高性能混凝土輕型組合橋梁結構》等3部著作,獲授權國家發明專利20項。其相關成果獲高等學??茖W研究優秀成果獎技術發明獎一等獎1項、中國公路學會科學技術獎一等獎2項,入選交通運輸部“重大科技創新成果庫”。邵旭東本人的首發論文位列權威刊物《中國公路學報》“橋梁工程欄目”2008—2017年度高被引論文個人作者第1名,國際首發論文位列ASCE Journal of Bridge Engineering近3年來高被引論文前10名(唯一入圍的中國學者論文),他還在第五屆國際正交異性鋼橋大會(美國)上主旨演講介紹了該技術,受到了高度評價,研究成果屬國際領先水平。

  目前,成果已應用于我國25個省市100多座實橋(竣工50余座),涵蓋了梁橋、拱橋、斜拉橋和懸索橋等各類基本橋型??梢哉f,這一科研成果為解決鋼橋面板易疲勞開裂、瀝青鋪裝極易破損的“世界性難題”找到了根治途徑,采用這一先進技術維修后的橋梁在壽命周期內不再需要大修維護,將徹底告別鋼橋面屢修屢壞的歷史。

  助力強國夢,做頂天立地的科研工作

  2020年7月11日,中國公路學會在北京主持召開了“混凝土箱梁橋二次張拉鋼絞線高效豎向預應力新體系研發與應用”項目成果評價視頻會議,評價委員會由鄭皆連院士、張喜剛院士、韓振勇設計大師等9位權威專家組成。評價委員會在聽取視頻匯報和質詢評議后,一致認為:該項目研究成果達到國際領先水平。這是邵旭東帶領團隊完成的又一重大科研突破,解決了歷時久遠、量大面廣的預應力混凝土箱梁橋腹板開裂嚴重、安全隱患突出這一“世界性難題”。

  “腹板開裂現象十分嚴重的主要原因是有效豎向預應力不足?!睘榱私鉀Q這一難題,邵旭東率領團隊自2002年起,通過新型錨具研發、室內模型試驗、理論與數值分析、現場測試反饋、標準化研究等手段,形成了二次張拉鋼絞線高效豎向預應力新體系,取得了一系列創新性成果。

  團隊首次研發成功二次張拉鋼絞線高效豎向預應力體系,填補了鋼絞線短索錨固體系的空白,大幅提高了預應力效率和工程質量,顯著降低了箱梁腹板開裂的風險;發明了短索二次張拉智能控制系統,實現了張拉效果可測可控,確保了張拉質量的穩定;研制了專用的壓漿系統,確保豎向預應力管道壓漿飽滿密實,提高了耐久性;首次提出了二次張拉的預應力損失計算理論及相應的腹板豎向預應力設計方法,為新預應力體系的工程應用奠定了堅實的理論基礎。

  與傳統精軋螺紋鋼豎向預應力體系相比,二次張拉鋼絞線高效豎向預應力具有張拉應力高、延伸量大、回縮損失小、施工簡便、質量可控、驗收有據等顯著技術優勢。張拉效率提高60%,短期預應力損失降至5%、總預應力損失可控制在15%以內,節省豎向預應力造價15%。目前,相關成果已應用于重慶魚洞長江大橋(主跨260米預應力混凝土連續剛構橋)等270余座大型混凝土箱梁橋中,最長應用14年,箱梁腹板均未發現開裂現象,顯著降低了橋梁運營期的腹板開裂風險和加固投入,具有廣闊的推廣應用前景。

  立足項目研究形成的一批原創性成果,邵旭東團隊發表論文7篇,授權發明專利4項,編制地方標準1部,出版指南1部、專著3部。部分成果列入了交通運輸部發布的《2012年度交通運輸建設科技成果推廣目錄》。

  百尺竿頭需進步,保證科研教學工作兩不誤

  投身橋梁領域幾十年,邵旭東一直腳踏實地踐行著“橋梁強國夢”。

  超高性能混凝土(UHPC)作為最先進的土木結構材料之一,將成為未來橋梁結構的主要發展方向。邵旭東的團隊長期專注于UHPC橋梁結構相關研發工作,在多種高性能橋面板、裝配式UHPC橋梁、特大跨徑UHPC箱梁橋、斜拉橋和拱橋等方面,形成了一批原創技術,大部分成果已付諸實施。邵旭東表示:“我們的科研理念可以用現在比較時髦的一句話來表示,那就是頂天立地做科研。力求研發更先進的技術,解決我國橋梁工程的難題,腳踏實地地服務于祖國?!弊鳛闃蛄航ㄔO路上的引路人,邵旭東也將自己的科研心得和理論實踐編著成《橋梁工程》一書。該教材深入淺出、貼近實際、易教易學,始終與橋梁科技發展同步。自2004年1月第一版問世以來,廣受讀者歡迎,銷量一直穩居人民交通出版社同類書籍首位,至今已推出五版。據不完全統計,《橋梁工程》已被包括浙江大學、東南大學、哈爾濱工業大學、華中科技大學、中南大學、大連理工大學、華南理工大學、北京工業大學等27所“雙一流”高校在內的至少98所大學采用,使用效果反應良好。

  在實際教學中,邵旭東無論是在學習工作中,還是在生活中,都對學生十分關懷。他會組織學生每月進行一次研究進展報告,及時了解學生的研究動態,確保學生在規定時間內完成任務;他會定期組織一些課外活動,放松學生們的心態,加強師生交流,并盡力在生活中給予學生幫助;他鼓勵和資助博士生到海外進行學術交流、聯合培養,極大地拓寬了學生們的視野。在他看來,他是學生的老師,也是學生的“戰友”,他甘愿竭盡全力幫助學生走得更遠、更高。

  如今,中國正由橋梁大國走向橋梁強國,這關乎祖國的百年復興之夢,也關乎這個行業的每一個人。當時代的重任分攤到這些人的肩上時,他們每一個人都在為這個夢想奮力奔跑。而奔跑在人群中的邵旭東,一直那樣勇毅而篤行。


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