图①：科研人员正在实验室对一桥梁关键节点进行力学试验。
图②：大型索缆静载与拉弯耦合疲劳试验系统。
图③：大型桥梁地震台试验。
实验室名片
桥梁工程结构动力学国家重点实验室，重点研究桥梁结构抗震基础理论与应用技术、桥梁结构振动基础理论与振动控制技术、桥梁工程建设与运营安全监控检测技术等方面内容，拥有世界上首个由两个六自由度地震台组成的地震模拟试验台阵系统、大型索缆静载与拉弯耦合疲劳试验系统、3000吨桥梁支座试验系统等先进设备，是我国交通行业设备最先进、实验能力最强的桥梁抗震实验室。
当地震来临时，桥梁能否扛得住？可以先在桥梁工程结构动力学国家重点实验室做个试验。
结构动力学，是研究结构在动力荷载作用下振动问题的力学分支，包含材料性能的测定、结构动力相似模型的研究、结构固有（自由）振动参量的测定、振动环境试验等研究课题，是大型项目建设必要测试过程和方法中的基础性学科。桥梁工程结构动力学国家重点实验室就是专门致力于桥梁结构抗震基础理论与应用技术、桥梁结构振动基础理论与振动控制技术、桥梁工程建设与运营安全监控检测技术等方面研究的实验室，参与了我国众多桥梁的设计和抗震研究工作。世界最长的跨海大桥——港珠澳大桥，当时亚洲最大的山区悬索桥——云南龙江大桥等诸多大型桥梁的抗震试验，都是在这个实验室完成的。
日前，记者走进桥梁工程结构动力学国家重点实验室，去探寻撑起大桥“铁骨钢脊”的秘密。
桥梁抗震试验系统台阵工作模式及轨道移动方式均属世界首创
能模拟汶川地震峰值加速度三倍强度的地震
桥梁工程结构动力学国家重点实验室位于招商局重庆交通科研设计院一栋不起眼的楼房里。
记者看到，约五层楼高的试验大厅一侧，矗立着一个“大家伙”：地上一个长方形“巨坑”长约36米，坑里有2个长方形台面，台面四周有空隙，隐藏着4个蓝色的“杠杆”，即加载用的伺服液压作动器，“杠杆”上的“螺丝”足有手掌大。
这个“大家伙”就是世界上首个轨道移动式双台阵地震模拟振动台试验系统。
据实验室主任唐光武介绍，大型桥梁使用年限基本上是按照百年设计，这就要求其首先得过“抗震”这一关。该台阵系统的作用正是模拟地震波，通过模拟地震来临时的情景，找出桥梁在结构设计上的薄弱点。
我国众多科研项目和桥梁抗震试验，就是在这里完成的。比如，港珠澳大桥的隔震桥梁振动台试验、非通航孔支座性能抗震模拟试验、大型高阻尼隔震支座试验、大型铅芯隔震支座试验等抗震试验，就是借助这个“大家伙”开展的。
据了解，该系统的台阵工作模式及轨道移动方式均属世界首创。“台阵”是指放置测试模型的机械台面。“双台阵”就是该机械台面有两个。测试时，工程师会按一定缩尺比例设计桥梁模型，在台阵上输入地震波外力来测试模型的振动状态。“传统抗震测试采用单台面。单台面用来测试按比例缩小的房屋等矩形模型比较方便，但用在桥梁测试上就有很大局限。”唐光武介绍，通常，一座桥长数百米、宽几十米，如果放在单台面测试，模型就会做得很小，既不利于制作，测试数据也不够准确。
实验室创新研发出轨道移动式双台阵地震模拟振动台试验系统，单个台面尺寸为3×6米，一个台面位置固定，一个台面可移动，每个台面自重20吨，可承载最重达70吨的桥梁模型，通过周围和底部的“杠杆”即伺服液压作动器协同工作，模拟地震带来的破坏力。不同跨度的桥梁，可以通过调整两个台面之间的间距，来制作合适尺寸的测试模型。此外，两个台面还可以模拟3轴向6个自由度的多维多点地震波复杂环境，让测试数据更准确。
轨道移动式双台阵地震模拟振动台试验系统的诞生，让大跨度结构的桥梁抗震试验和多维多点地震模拟试验成为可能。
那它能模拟多大强度的地震呢？唐光武说，汶川地震峰值的加速度约为1g，而台面最大加速度可以达到3g。
千米级跨径大桥索缆试验系统最大加载能力6000吨
加载能力和试验效率在国际上处于领先地位
在试验大厅另一侧，摆放着大型索缆静载与拉弯耦合疲劳试验系统。“这个设备主要用来测试桥梁用索缆的受力强度，通俗说，就是看桥梁索缆结不结实。”唐光武说，该系统的诞生还得从当时世界最大跨径的千米级斜拉桥——苏通大桥说起。
苏通大桥建设时，大桥建设指挥部找到实验室，希望能够完成大桥索缆静载与拉弯耦合疲劳试验，而这也正是国家重点研发计划项目的研究内容之一。
“苏通大桥主跨跨径1088米，索缆静载试验要求加载能力达到2000多吨，疲劳试验加载能力也要达到1000多吨，实验室当时的条件远远不能满足试验要求。”回忆起当时的情况，唐光武记忆犹新，“当时实验室的索缆静载试验能力只有1200吨，疲劳试验能力只有240吨。”
在原有试验作动器结构基础上，实验室加强科研攻关，研制出了双向双束、动静载分离的3000吨级大型索缆静载与拉弯耦合疲劳试验系统，并获得国家发明专利。
据介绍，在此之前，实验室只能做按比例缩小之后的索缆疲劳试验。该系统诞生后，则可以进行1∶1原型索缆试验，最大加载能力达到3000吨。
“新系统大幅提升了装备的试验能力和试验效率，其在该领域的试验能力一举跃升为世界最强，使我国具备了完成跨径千米级斜拉桥拉索静载和疲劳足尺试验的能力。”唐光武介绍，以前做一次索缆疲劳试验约需要十秒或数十秒，一根索要做超百万次试验，耗时超半年。如今，新系统1秒可以做多次，且可双索同时进行，不到一个月就能做完两根索的疲劳试验。
随着我国千米级跨径大桥和公铁两用桥的增多，实验室又研发了加载能力更大的索缆试验系统，为跨度更大的斜拉索桥提供更有保障的技术支撑。
“最大加载能力可达6000吨。”唐光武说，科研人员对设备构造等进行了优化，进一步提高了试验效率。该系统就在3000吨试验系统旁边，外形与3000吨试验系统相似，但体积更大，长度达16米，重超300吨。“目前该系统的加载能力和试验效率在国际上处于领先地位。”
记者了解到，实验室已为苏通大桥、武汉天兴洲大桥、青岛海湾大桥、湖南矮寨大桥和厦漳跨海大桥等近百座特大桥提供了相应的测试，为981海洋钻井平台锚链系统提供了试验服务。
机器人智能桥检系统装备“上岗”试用
多机器人协同作业破解大跨度桥梁管养难题
8月3日，工作人员来到重庆市牛角沱嘉陵江大桥下，将一个箱形模样的设备放入水中，对水下桥墩和基础进行检测。
研究员陈斌介绍：“这是该实验室参与研发的桥梁水下结构检测机器人首次‘上岗’试用，通过机器人实时传送到智能检测平台的检测画面，成功进行了水中低能见度条件下的结构表观病害检测。”
这是该实验室针对大跨度桥梁研发的机器人智能桥检系统装备中的一种。
据介绍，在现代桥梁管养中，人工桥检手段面对高空、深水、宽幅、结构复杂的大跨度桥梁时，存在检测难度大、效率低、盲区多等难题。而普通桥检机器人也在一定程度上存在自主性差、环境适应性低、跨机器人集成度弱等问题。
为解决现有人工桥检和普通机器人桥检存在的不足，全面提升我国大跨度桥梁的运营安全和检测智能化水平，实验室研发了机器人智能桥检系统装备——大跨度桥梁检测作业机器人。
“包含多款桥检特种机器人和一个集成控制评估移动平台，可针对桥梁表面关键部位损伤进行多机器人协同下的高效初检、全面详检、数据分析、损伤评估一体化服务。目前正处于成熟度测试及应用验证阶段。”提及此，陈斌打开了话匣子。
经过研究团队两年半努力，机器人智能桥检系统装备已初步实现指挥车与多款检测机器人的协同工作。除在牛角沱嘉陵江大桥“上岗”的桥梁水下结构检测机器人外，拉索检测机器人、爬壁检测机器人、桥检无人机等也分别在重庆多座大桥“上岗”试用。
机器人智能桥检系统装备投用后将带来哪些变化？据介绍，不仅可以直达常规手段难以触及的区域，如桥梁主塔部分，方便检测单位、管理部门全面掌握桥梁运行状况，而且还可提高检测效率、降低检测成本。
陈斌算了一笔账：根据2021年交通运输行业发展统计公报，2021年末全国公路桥梁96.11万座，其中特大桥梁7417座。如果采用大跨度桥梁检测作业机器人检测，每座桥梁的检测费用预计可节省40%，检测效率可提高1倍。“节约的成本十分可观。”
据介绍，随着研究深度的不断拓展，实验室在桥梁结构抗震基础理论与应用技术、桥梁结构振动基础理论与振动控制技术、桥梁工程建设与运营安全监控检测技术等方面，得到长足发展。
近年来，在桥梁健康监测和桥梁防撞等领域也有了新突破。比如，研发了国内首套基于云平台的桥梁健康监测系统，具有部署效率高、成本低等特点，可用于我国量大面广的中小跨径桥梁的健康监测。目前，我国已有近200座桥梁搭载了这一健康监测系统。实验室科研团队还为国内不少桥梁设计、制造和安装了防撞系统，港珠澳大桥桥梁主动防撞系统经实验室科研团队安装调试，如今已投入应用。
“我们的主业虽然是桥梁，但事实上涉及整个土木工程领域，为我国核电行业、特高压输变电行业、高铁行业、建筑行业和石油行业等提供技术咨询服务等，为我国重大工程建设项目提供重要科技支撑和技术保障。”唐光武说。（作者：乔子轩孙晓燕舒永兵）
