桥梁与隧道技术国家地方联合工程实验室建设

耿铁锁，谭岩斌，檀永刚，邱文亮，覃 晖，张 哲

（大连理工大学 土木工程学院，辽宁 大连 116023）

1 工程实验室建设意义

在经济社会快速发展的今天，桥梁与隧道工程技术的发展作为经济发展的重要组成部分，将直接决定和带动包括机械制造业等多产业的发展，对东北整体产业发展及结构调整产生深远的影响[1]。

目前，国内对于桥梁隧道工程技术的发展投入了大量的精力，给予了足够的重视和支持。而随着计算能力的提高及新材料、新工艺的研发，新的科研项目也随之应运而生，桥梁与隧道工程实验室的建立也将为东北桥梁与隧道技术水平的发展提供技术支持。

作为桥梁与隧道技术国家地方联合工程实验室（以下简称“工程实验室”）建设的主体单位大连理工大学桥隧研发基地由桥隧工程研究所（包括桥隧结构实验室和风洞实验室）、桥隧设计分院、桥隧检测所、桥隧咨询所组成。具有设计、施工监控、检测、审图、咨询等相关最高技术资质及认证资质。可从事设计、施工监控、检测、加宽加固设计、图纸审查、复杂结构的实验研究以及培养桥隧专业硕士、博士等工作。2014年5月，由中国工程院、中国土木工程学会主办的“中国土木工程学会第十六届年会暨第二十一届全国桥梁学术会议”在大连召开，会议选择以大连理工大学桥隧研发基地设计的大连市星海湾跨海大桥为工程背景，与会的600余名专家参观了在建的星海湾跨海大桥工地和实验室，专家、学者高度肯定了我校桥隧实验室的建设，同时赞扬了桥隧研发团队出色的工程技术能力。桥梁与隧道技术国家地方联合工程实验室将进一步促进“产—学—研—用”紧密结合，提升东北乃至全国在桥梁与隧道工程技术领域的自主创新能力和国际竞争力，建设国内一流的桥梁与隧道工程实验室；加速桥隧安全技术科技成果转化和加快产业升级，创新产业价值链和转变经济增长方式[2]。

2 工程实验室建设目标与思路

2.1 建设目标

建设工程实验室，主要希望解决以下几方面问题。

2.1.1 桥梁向超大跨径发展，将会出现一系列新问题有待研究

由于我国正处于交通基础设施与市政工程设施建设的高峰，大跨度斜拉桥和悬索桥应用发展迅猛，同时主跨越来越大。进入21世纪以来，为了避开超深水基础的施工困难以及满足超大型船舶的顺利通航要求，工程中必将出现超大跨度桥梁。对于超大跨度桥梁的结构受力性能、施工工艺和要求及成桥运营管理等方面有更高的要求。因此从国家经济发展的角度考虑，有必要对未来的交通基础设施的建设中超大跨度桥梁的安全技术进行深层次的研究。

2.1.2 桥梁结构新体系不断出现，其结构合理性和安全性有待深入研究

桥梁结构体系除了传统的梁桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥外，还不断出现一些新的结构体系，如斜拉—悬索协作体系、斜拉桥T构协作体系、异性拱桥等。这些桥梁体系，多数是空间结构，构造复杂，其计算分析理论和施工方法均与传统的桥梁体系不同，需要对其结构合理性和安全性进一步展开研究。主要包括：研究超大跨度桥梁的合理结构体系，并针对纵向、横向桥梁结构约束体系进行系统分析；针对桥梁的结构非线性问题，建立相应的超大跨度桥梁几何非线性分析理论和动力非线性理论，为超大跨度桥梁的结构非线性分析奠定基础；建立以新材料为基础的碳纤维拉索、超高性能混凝土主梁和索塔新型斜拉桥结构设计关键理论与方法。

2.1.3 桥梁施工过程中的安全问题有待研究

桥梁在施工过程中发生垮塌的事故屡有发生，如何保证桥梁的施工安全，是亟待解决的一个问题。除了提高施工队伍的水平，按章操作之外，通过理论分析和实验研究，给出合理的施工方案也是非常关键的。随着桥梁结构新体系和复杂桥梁结构的出现，通过理论分析和实验研究来指导安全施工尤为重要。

2.1.4 桥梁使用过程中的安全问题有待研究

最近20年，全球发生了多次大地震，造成了非常惨重的生命财产损失。在这几次地震中，由于桥梁工程遭到严重破坏，切断了震区交通生命线，造成救灾工作的巨大困难，使次生灾害加重，导致了巨大的经济损失。

风灾是自然灾害中发生最频繁的一种，桥梁的风害事故屡见不鲜。风与结构的相互作用是一个十分复杂的现象，它受风的自然特性、结构的外型、结构的动力特性以及风与结构的相互作用等多方面因素的制约。

桥梁结构中大量存在疲劳裂纹并导致灾难性事故的报导也屡见不鲜。因此，研究桥梁结构在使用过程中由疲劳引起的安全问题是必要的。

腐蚀是引起桥梁使用状态恶化的重要原因之一。钢桥上的高强度螺栓处于露天大气腐蚀介质之中。我国气候条件较为严酷，所建桥梁普遍处于恶劣的腐蚀环境下，环境污染又显著地加速腐蚀。因此我国钢桥的腐蚀问题非常突出。

2.1.5 隧道施工过程中安全问题有待研究

隧道建设过程中，塌方是最为常见的工程灾害，约占各类重大地质灾害出现概率的90%以上。塌方一旦发生，一方面造成工期延误、机械设备毁坏、工程费用增加和施工企业信誉降低等严重后果；另一方面对现场施工人员的生命安全构成巨大威胁。随着我国基础设施建设的蓬勃发展，隧道施工中所遇到的塌方灾害越来越多，每年投入到塌方治理的费用呈逐年增加趋势，塌方的机制和防治问题引起学术界的极大关注。

2.1.6 水下隧道修建新技术有待研究

近10年来，随着国家经济实力的不断增强，水下隧道建设发展迅速。由于其位于江河湖海之下，与其他隧道工程相比，更具有隐蔽性、复杂性、不确定性等突出特点，其设计、施工技术水平要求高，面临的风险大。

2.1.7 隧道抗震新技术有待研究

隧道埋设在岩土之中，相较地面结构有着天然良好的抗震性能。但是在一定地震强度和特定地质条件下，隧道结构可能遭受严重破坏。

2.2 建设思路

工程实验室将发挥我校桥隧学科的整体优势，以设计、工程实践带动教学科研，重点打造一个集设计、施工监控、检测、科研实验为一体的技术队伍。利用工程项目营收的资金着力发展工程实验室建设，力争建成国内一流的桥隧工程实验室，服务于东北乃至全国的经济建设及社会发展。在发展思路的指引下，工程实验室重点建设内容涉及以下几个方面。

2.2.1 桥梁隧道结构新材料、新工艺和新体系技术

高强、轻质、耐久混凝土材料实验研发及工程应用；快捷、经济、实用施工新工艺新技术实验研究及工程应用；先进、合理、美观桥梁及隧道结构体系力学性能理论研究、实验验证及工程应用。在目前的科研成果的支撑下，继续完成新型抗震支座及大规格拉索的科研实验工作。依托现有实验条件，争取在新型阻尼器研究及新型组合体系桥梁研究方面有所突破。力争每年能有至少一项研发成果投入使用。

2.2.2 桥梁隧道结构检测、健康监测与损伤预警技术

建立结构定期检测数据的综合分析处理与结构安全评价体系，开展新型桥梁隧道结构检测和监测技术与装备的研发，建立适合于桥梁隧道结构的健康监测系统的架构理论，建立剔除环境、边界条件等不确定性因素影响的有效结构损伤识别理论，编写结构检测、健康监测与损伤预警系统的设计指南、规程和标准。

2.2.3 桥梁隧道结构安全可靠性评价和加固技术

建立合理有效的桥梁隧道结构耐久性评估理论和方法；在建立桥梁隧道结构抗力退化时变模型时，综合考虑各影响参数耦合作用的影响；提出桥梁隧道结构承载力影响因素损伤程度的明确界限，准确评价桥梁隧道结构的承载能力和安全可靠性；提出合理有效的大型复杂桥梁隧道结构模糊可靠性评价的计算理论和方法；研发快速加固修复材料和施工工艺及施工设备，并形成加固成套技术成果。

2.2.4 桥梁隧道结构安全监控技术集成与物联网系统

开展桥梁隧道结构安全监测控制物联网技术研发，形成一批拥有自主知识产权的新技术、新装置、新产品、新软件和新系统，为相关企业提供高端产品核心技术支撑，形成较为完整的产业链。

3 工程实验室建设内容

国家地方联合创新平台下的工程实验室将直接服务于桥梁与隧道技术研发，保证桥梁与隧道在设计、建造和使用过程中的安全、桥梁结构体系的安全、桥梁结构动力安全性能，保证桥梁和隧道结构在施工和使用过程中的安全，形成世界顶尖的桥梁与隧道工程实验室，拉动整个公路交通运输行业的发展。桥隧工程的发展，将有利于拓展城市发展空间，更好发挥辐射带动作用，提升区域经济实力，符合国家整体发展战略需求[3-5]。

（1）为满足本工程实验室的研发需要，对现有的研究人员进行合理组织，根据工程实验室的研发任务，组建6个相应的研究技术团队。每个技术团队由若干教授（研究员）、副教授、讲师、博士（后）和硕士生等组成研究梯队，每个团队的研究人员不少于10人。

（2）投资共5 000万元建设桥隧结构实验室（见图1），占地面积约2 800 m2，总建筑面积约5 000 m2，

总高度15.5 m，采用钢结构形式，拥有跨度32.5 m、长度60 m的实验大厅。

图1 桥隧结构实验室全景

（3）建立了风洞实验室（见图 2），该实验室是一座全钢结构单回流闭口式边界层风洞，采用全自动化的测量控制系统，风洞气动轮廓长43.8 m，宽13.1 m，最大高度为6.18 m；实验段长18 m，横断面宽3 m，高2.5 m。

图2 风洞实验室内景

4 工程实验室建设成果

实验室目前在土木工程安全技术领域已承担 100余项国家自然科学基金、国家重点科技攻关、国家攀登计划和省部级重点基金项目，成果丰硕。先后获得国家级科技进步奖多项，省部级科技进步奖多项。授权发明专利和实用新型专利100余项。出版编著近30部。在国际期刊发表论文被SCI收录200余篇，在国内一级学术期刊《土木工程学报》《中国公路学报》《建筑结构学报》《水利学报》《工程力学》《计算力学学报》《振动与冲击》等发表论文300余篇。

在工程实践方面，拥有桥隧设计甲级资质，国家计量认证、实验室认可和桥梁检测资质，施工图审查一级资质。完成了100余座大型桥梁设计工作，积累了大量的设计和施工经验，很多桥梁设计科研成果在国内处于领先水平，部分达到国际先进水平。完成了百余座大型桥梁施工监控和健康检测工作。

工程实验室建设对于提高教育教学质量具有重要意义。教育教学质量不仅体现在拔尖创新人才培养、科技创新上，还体现在高水平的社会服务上。实验室投入大量资金，设备日趋完善，研究能力日益提高，已毕业硕士生230余名、博士生30余名[6-7]。

工程实验室的建设将为科研成果转化提供平台[8]。工程实验室依托大连理工大学，将会形成了一个科技创新、工程化开发的基地，在培养人才、科学研究的同时，实现产学研的良好结合，提高我国在桥梁与隧道技术领域的自主创新能力[9-11]。

目前以实验室为主体，与不同领域拥有“国家认定企业技术中心”的多家大型企业签订校企合作共建协议书。包括在国内土建施工领域技术领先的中交第一航务工程局有限公司和在桥隧工程产品研发生产上处于国内一流水平的巨力索具股份有限公司。合作内容主要体现在以下4个方面：

（1）产品研发、工艺改进，共建研发平台；

（2）共建“生产实习”中心；

（3）就业推荐，优先录用优秀毕业生；

（4）建立信息互通平台。

截至目前，工程实验室与中交一航局在大型桥梁施工监控、荷载试验等项目上进行了多次合作，同时为一航局在施工新工艺、新技术方面提供必要的技术支持，如大跨度悬索桥的猫道设计方案等。工程实验室与巨力索具股份有限公司合作主要是在大规格拉索方面。

5 结语

工程实验室的建设坚持以目标为导向，围绕国家、省重大战略任务、重点工程，有重点地持续推进。依托其建立博士后流动站，培养高级技术研究和开发人才，每年向社会输送高素质工程技术人才，开发和转让先进技术装备成果，开发相关软件等。

通过市场机制实现技术转移和扩散，持续不断地为桥梁结构设计、施工、维护和维修加固提供成熟的先进技术、工艺和产品装备，并不断推出具有国际市场前景的原创性、新概念、高技术含量与高附加值的先进技术与新产品。持续地进行共性和关键的桥梁隧道结构安全技术研究及其工程化验证，不断提高先进检测技术，加固技术成果的转化水平，能够承接有国际影响力的大型桥梁隧道工程的设计、施工监控、检测工作，成为国内领先、国际一流的工程实验室。