邵旭东:创新成就桥梁梦,立足需求攀高峰

时间:2021-01-14 11:04 点击:

邵旭东。

1968年9月30日,南京城里万人空巷,5万多人相继挤上了刚刚落成的南京长江大桥,桥下的路上、树上也都是人,随着一列7节车厢的火车从南京长江大桥铁路桥平稳驶过,这些人欢呼、庆祝……对很多老一辈的南京人来说,这一幕场景成了刻在心里一辈子难忘的记忆。

成长于浙江富阳的邵旭东虽然没有亲眼见证这场庆祝南京长江大桥开通的盛况,但这却成了他梦想的开端。当时7岁的邵旭东深深震撼于这项伟大的工程,他小小的脑袋里随即蹦出一个问题:人们到底是怎样在水上建起了这样一座大桥?伴随着这个问题的出现,一个桥梁梦悄悄在他的心里扎了根、发了芽。

几十年后的今天,邵旭东已经成长为一位首席桥梁专家。当初困扰着他的那个问题,他也早就知道了答案。答案之外,他通过不断创新,在攻克钢桥主要技术瓶颈、消除大跨径箱梁桥开裂顽症、研发桥梁结构新体系等方面做出了突出的贡献。从梦想萌生到梦想成长为参天大树,邵旭东顶天立地、一心一意,持续为中国的桥梁事业奉献青春,输出技术,培育人才。

十年磨一剑,攻克钢桥面的世界性难题

2020年7月1日,沪苏通铁路开通运营,列车必经的沪苏通长江公铁大桥同步建成通车。沪苏通长江公铁大桥正桥长5827米,南北岸引桥长5245米,主跨1092米,是我国自主设计建造的世界上首座4线铁路+6车道公路、主跨超千米的公铁两用斜拉桥。其铁路桥钢桥面大规模应用的正是邵旭东团队自主研发的“钢-超高性能混凝土(UHPC)轻型组合桥面结构”技术。

钢桥面,是大桥的“门面”,具有自重轻、承载力高、施工便利等优点。20世纪90年代以后,随着我国大跨径悬索桥、斜拉桥的大量修建,钢桥面得到了普遍应用。然而,国内外大量工程实践表明,这种常规桥面方案存在两大难题且长期得不到有效解决:一是钢桥面板易疲劳开裂,通常不到10年便出现疲劳裂缝,危及桥梁安全;二是钢桥面沥青铺装极易破损,需频繁维修,社会反响强烈,个别桥梁甚至遭遇过“10年24修”,导致桥面铺装翻修成本飙升。这两种病害是公认的世界性难题,国内外学者研究了诸多解决方案,均无法治本。

2000年前后,我国大跨径桥梁的钢桥面病害问题开始频发。邵旭东在充分了解和分析了大量国内外桥梁工程领域的情况后,将研究方向定位在大跨与新型桥梁结构研究及桥梁检测与加固技术上,并开始了长达10年的钢桥面病害难题攻坚之路。

与此同时,邵旭东的“老搭档”——湖南大学黄政宇教授已经在UHPC材料方面展开了很多研究工作并取得了一系列进展。邵旭东联想到:是否可以将这种材料应用到钢桥面上?于是,他和黄政宇教授及团队成员对这种可能性展开了探讨,并提出了很多想法和方案。

什么是UHPC材料?邵旭东解释道,这是一种抗压强度在120MPa以上,同时具有超高韧性、超长耐久性的水泥基复合材料,最早由法国学者于1993年研发成功,主要由水泥、硅灰、细骨料、减水剂及钢纤维等材料组成,依照最大密实度原理构建,从而可使材料内部的缺陷(孔隙与微裂缝)减至最少。UHPC材料组分内不包含粗骨料,颗粒粒径一般小于1mm,因高度的致密性而具有超高强度及优异的耐久性。研究表明,UHPC抗压强度可达200MPa以上,同时材料耐久性可达200年以上。此外,由于UHPC中分散的细钢纤维可大大减缓材料内部微裂缝的扩展,从而使材料表现出超高的韧性和延性性能。

以UHPC材料为突破口,邵旭东率领团队经过大量的实践,不断调配方法,不断调整结构形式,终于在2010年研发出了强化UHPC抗拉和收缩性能的钢桥面专用超高韧性混凝土(STC),并首创提出钢-STC轻型组合桥面结构。研究表明,STC可提高钢桥面局部刚度超30倍,降低车载作用下钢桥面应力平均可达50%,从而为根治两大病害难题提供了可能性。邵旭东坦言道:“我们初期的研究工作是不成功的,提出的各种各样的方案几乎都被否定了。但是,我们没有想过放弃,总觉得有什么问题都是可以克服的,肯定是能做出来的。”

“超薄组合结构”在国际上并无研究先例,基本属于空白。经过艰苦攻关,邵旭东团队解决了其中诸多科学问题,形成了设计理论,编制并颁布了STC轻型组合桥面地方标准。2011年,该技术首次应用于广东肇庆马房大桥第11跨,经过重载交通、夏季高温的双重考验,STC在同期施工的5种铺装方案中脱颖而出,成为该桥至今唯一不开裂的方案。其后,该技术陆续应用到广东、北京、天津、湖南、湖北、浙江、江苏、山东、福建、四川、贵州、吉林、甘肃等地的实桥中。

学术团队合影。

履行科研承诺,实现桥面终身无需大修

邵旭东带领团队,用“一个10年”取得了钢桥面病害难题的突破性进展,也致力于用更多的“10年”,不断优化方案,兑现“桥面终身无需大修”的科研承诺。与此同时,他们也从来没有停下科研成果应用推广的脚步,一直在积极探索钢-STC轻型组合桥面结构在各种极端条件下的适用性。

2017年年底,杭瑞高速岳阳洞庭湖二桥通车运营。该桥为主跨1480m的特大型悬索桥,投资巨大,若运营中钢桥面及其铺装频繁出现病害,不仅带来安全隐患,而且还会造成巨大的社会负面影响。因此,为防患于未然,在大桥专家组的一致推荐下,2016年8月,湖南省交通运输厅批复采用STC轻型组合桥面技术。这是STC轻型组合桥面首次应用在千米级特大跨径钢桁梁悬索桥上,可实现终身无需大修的超长寿命。

由于岳阳洞庭湖二桥STC的浇筑规模空前,需要有高效、可靠的规模化施工技术作为支撑。对此,邵旭东团队联合施工单位开发了智能化成套施工装备,大幅提高了施工效率。2017年9月1日,岳阳洞庭湖二桥试验段STC施工完成。以中铁大桥设计院徐恭义设计大师为首的专家组对试验段进行验收,一致认为施工设备先进,技术可靠,质量满足设计及规范要求。同年9月16日开始了STC的大规模施工,采用分幅分块交叉作业,全桥共分12块,每次约浇筑5500平方米,6.5万平方米STC历时48天完成全部浇筑。

浇筑过程中,来自政府部门、设计院、高校、科研单位和施工单位的200多位领导、专家和同行纷纷前往大桥考察,其中包括中国工程院王景全院士、郑皆连院士和陈政清院士,美国国家工程院院士、邓文中院士,交通运输部专家委员会主任、原总工程师周海涛,原总工程师杨盛福等。

王景全院士认为,“该项目技术是新材料与新结构的高度融合,是解决钢桥面世界性难题的革命性突破”;郑皆连、陈政清两位院士近些年来一直对轻型组合桥面予以深切的关心,已在多个采用STC的桥梁上考察指导,当见到该技术在如此规模的桥梁上成功应用时,深表欣慰;邓文中院士表示,“如果早20年在钢桥上使用这种新材料,我们就可以省下很多钱,而不用去买国外昂贵的材料,我是一个中国人,还是希望用我们自己的东西”;周海涛总工由衷地说,“感谢邵旭东教授的科研团队多年来坚持不懈的努力,为解决我国公路钢桥面疲劳和铺装早期破坏探索出一条新的路径。几年来,洞庭湖二大桥采用STC轻型组合桥面,一直牵挂着我的心,今天看了工程现场以后,心里终于踏实了”;杨盛福总工表示,“20多年来,为解决钢桥面疲劳开裂的难题,我们借鉴了欧美和日本的技术,但效果都不够理想,现在我们有了自主研发的STC技术,通过大幅度提高桥面刚度降低开裂风险,是很好的思路,如果成功,将是一个很大的贡献”。

除此之外,著名钢结构专家周绪红院士、著名组合结构专家聂建国院士也对STC技术予以高度重视,两位院士多次在全国性的学术会议主旨发言中称赞这一研究成果。

2018年,邵旭东团队又为武汉某长江大桥钢桥面加固改造提供了核心技术支持。武汉某长江大桥建成于2001年年底,是国家干线公路网中“一纵一横”两条高速公路主干道——京港澳高速公路和沪渝高速公路共用的跨长江特大型高速公路桥梁,也是武汉绕城高速公路的重要节点。由于大桥交通量大、重载车比例高,长期运营中,钢桥面板疲劳开裂严重,钢桥面沥青铺装层破损严重,技术状况评定为“四级”,面临着报废的风险。

当时,很多桥梁修补单位实地考察以后都认为武汉长江大桥的病害无法“根治”,于是相关单位找到邵旭东团队,希望用他们的原创技术进行修补。邵旭东坦言,这一挑战对当时的他们而言也非常艰难,因为要采用STC技术进行修补,有一个前提,那就是要保证底面的钢板是完好的,钢板要参与受力。然而,大桥的底部钢板已经出现了严重的开裂情况,如果直接应用STC铺装技术或钢筋网支撑,无法达到STC不开裂的要求。

顶着压力,邵旭东率领团队针对原钢桥面的病害现状,通过大量分析、计算,反复研究、论证,最终研发出了原创性的钢桥面疲劳裂缝无需修复的钢-超高韧性混凝土(STC)轻型组合桥面结构加固技术。与团队先前研发的钢-STC轻型组合桥面结构所不同的是,因大桥钢桥面存在大量疲劳裂缝,钢面板对STC底面失去了保护,因此,需采取特殊措施对STC进一步强化,同时有效阻止原有病害的继续发展。

采用新方案加固后,计算和试验结果表明:六类典型疲劳细节中的应力幅均明显下降,其中钢面板降幅高达92%,由此可基本消除疲劳裂缝继续萌生及扩展的风险,大大延长钢桥面的使用寿命;STC层按“等强度”原理设计,具有非常高的静力和疲劳抗裂强度,今后只要超载车没把原钢桥面压屈服,STC层就不会开裂;STC层与钢桥面之间连接牢固,经历了两千多万次疲劳循环,界面未出现滑移裂缝。

目前,在强震区、高寒区、高腐蚀性地区和严重疲劳开裂的钢桥上,相关技术也已打造出多项成功案例。在2010年至2020年的10年间,邵旭东团队发表论文180余篇,出版该领域国内外首部专著《钢-超高性能混凝土轻型组合桥梁结构》等3部著作,获授权国家发明专利20项。其相关成果获高等学校科学研究优秀成果奖技术发明奖一等奖1项、中国公路学会科学技术奖一等奖2项,入选交通运输部“重大科技创新成果库”。邵旭东本人的首发论文位列权威刊物《中国公路学报》“桥梁工程栏目”2008—2017年度高被引论文个人作者第1名,国际首发论文位列ASCE Journal of Bridge Engineering近3年来高被引论文前10名(唯一入围的中国学者论文),他还在第五届国际正交异性钢桥大会(美国)上主旨演讲介绍了该技术,受到了高度评价,研究成果属国际领先水平。

目前,成果已应用于我国25个省市100多座实桥(竣工50余座),涵盖了梁桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥等各类基本桥型。可以说,这一科研成果为解决钢桥面板易疲劳开裂、沥青铺装极易破损的“世界性难题”找到了根治途径,采用这一先进技术维修后的桥梁在寿命周期内不再需要大修维护,将彻底告别钢桥面屡修屡坏的历史。

助力强国梦,做顶天立地的科研工作

2020年7月11日,中国公路学会在北京主持召开了“混凝土箱梁桥二次张拉钢绞线高效竖向预应力新体系研发与应用”项目成果评价视频会议,评价委员会由郑皆连院士、张喜刚院士、韩振勇设计大师等9位权威专家组成。评价委员会在听取视频汇报和质询评议后,一致认为:该项目研究成果达到国际领先水平。这是邵旭东带领团队完成的又一重大科研突破,解决了历时久远、量大面广的预应力混凝土箱梁桥腹板开裂严重、安全隐患突出这一“世界性难题”。

“腹板开裂现象十分严重的主要原因是有效竖向预应力不足。”为了解决这一难题,邵旭东率领团队自2002年起,通过新型锚具研发、室内模型试验、理论与数值分析、现场测试反馈、标准化研究等手段,形成了二次张拉钢绞线高效竖向预应力新体系,取得了一系列创新性成果。

团队首次研发成功二次张拉钢绞线高效竖向预应力体系,填补了钢绞线短索锚固体系的空白,大幅提高了预应力效率和工程质量,显著降低了箱梁腹板开裂的风险;发明了短索二次张拉智能控制系统,实现了张拉效果可测可控,确保了张拉质量的稳定;研制了专用的压浆系统,确保竖向预应力管道压浆饱满密实,提高了耐久性;首次提出了二次张拉的预应力损失计算理论及相应的腹板竖向预应力设计方法,为新预应力体系的工程应用奠定了坚实的理论基础。

与传统精轧螺纹钢竖向预应力体系相比,二次张拉钢绞线高效竖向预应力具有张拉应力高、延伸量大、回缩损失小、施工简便、质量可控、验收有据等显著技术优势。张拉效率提高60%,短期预应力损失降至5%、总预应力损失可控制在15%以内,节省竖向预应力造价15%。目前,相关成果已应用于重庆鱼洞长江大桥(主跨260米预应力混凝土连续刚构桥)等270余座大型混凝土箱梁桥中,最长应用14年,箱梁腹板均未发现开裂现象,显著降低了桥梁运营期的腹板开裂风险和加固投入,具有广阔的推广应用前景。

立足项目研究形成的一批原创性成果,邵旭东团队发表论文7篇,授权发明专利4项,编制地方标准1部,出版指南1部、专著3部。部分成果列入了交通运输部发布的《2012年度交通运输建设科技成果推广目录》。

学术团队合影。

百尺竿头需进步,保证科研教学工作两不误

投身桥梁领域几十年,邵旭东一直脚踏实地践行着“桥梁强国梦”。

超高性能混凝土(UHPC)作为最先进的土木结构材料之一,将成为未来桥梁结构的主要发展方向。邵旭东的团队长期专注于UHPC桥梁结构相关研发工作,在多种高性能桥面板、装配式UHPC桥梁、特大跨径UHPC箱梁桥、斜拉桥和拱桥等方面,形成了一批原创技术,大部分成果已付诸实施。邵旭东表示:“我们的科研理念可以用现在比较时髦的一句话来表示,那就是顶天立地做科研。力求研发更先进的技术,解决我国桥梁工程的难题,脚踏实地地服务于祖国。”作为桥梁建设路上的引路人,邵旭东也将自己的科研心得和理论实践编著成《桥梁工程》一书。该教材深入浅出、贴近实际、易教易学,始终与桥梁科技发展同步。自2004年1月第一版问世以来,广受读者欢迎,销量一直稳居人民交通出版社同类书籍首位,至今已推出五版。据不完全统计,《桥梁工程》已被包括浙江大学、东南大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学、中南大学、大连理工大学、华南理工大学、北京工业大学等27所“双一流”高校在内的至少98所大学采用,使用效果反应良好。

在实际教学中,邵旭东无论是在学习工作中,还是在生活中,都对学生十分关怀。他会组织学生每月进行一次研究进展报告,及时了解学生的研究动态,确保学生在规定时间内完成任务;他会定期组织一些课外活动,放松学生们的心态,加强师生交流,并尽力在生活中给予学生帮助;他鼓励和资助博士生到海外进行学术交流、联合培养,极大地拓宽了学生们的视野。在他看来,他是学生的老师,也是学生的“战友”,他甘愿竭尽全力帮助学生走得更远、更高。

如今,中国正由桥梁大国走向桥梁强国,这关乎祖国的百年复兴之梦,也关乎这个行业的每一个人。当时代的重任分摊到这些人的肩上时,他们每一个人都在为这个梦想奋力奔跑。而奔跑在人群中的邵旭东,一直那样勇毅而笃行。

来源:科学中国人

实习编辑:张萌萌

责任编辑:蒋鼎邦

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