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长寿命桥梁设计----适应性设计

专家
2020-10-15 07:40:21    评分

Cowi的Mackenzie观察到,当一座桥梁“在交通的重压下呻吟”时,一个常见的抱怨就是为什么在建造时没有考虑到交通量的增长。通常的答案是钱不够。另一个挑战是,结构的作用可能会发生变化,荷载、环境限制和法率也可能发生变化;现在可接受的事情在未来可能就不接受了。

 

但有时会在适当的时候升级。澳大利亚维多利亚州EJ Whitten大桥最近完成的加宽工程得益于最初设计时的规定。

 

这座桥于1995年作为墨尔本M80环路的一部分开通,作为双幅高架桥建造。客户VICROADS始终知道,在某些阶段交通量会增长,因此采取了不同寻常的步骤,确保原始设计便于桥梁加宽的设计,即通过预留空间(在两个梁之间预留第三个混凝土箱梁的空间),基础和桥墩设计成有助于在墩顶之间增加盖梁,盖梁用于支撑加宽的第三个箱梁。图片5.png

 

然而,自从这座桥建成以来,标准已经发生了变化。很明显,混凝土箱梁很难用顶推施工到两个已有车道之间,而且它也很重,特别是随着交通量和地震需求的增加。Cowi设计了一种可行方案。MacKenzie说:“钢混组合箱梁可以减轻重量,并且可以在原桥面板边缘安装龙门吊。”新的设计得益于原设计人员的远见,例如为框架横梁后张法施工提供足够的管道,并预留下桥面板搭接钢筋,使新桥面板能与原桥面板成为一体。他说:“这是一个优秀的客户长期思考的例子。”

 

在美国的一座新桥上也有类似的规定。“纽约州的Governor Mario M Cuomo大桥的设计包括一个未来的铁路桥面板,它将被组合到现有的两个桥面板之间,” MacKenzie说。“这是由积极主动的桥梁业主推动的未来发展的前瞻性规划的又一个例子。”

 

图片4.png

 

澳大利亚维多利亚州EJ Whitten大桥拓宽项目

得益于最初设计时的要求(COWI

 

 

结构健康监测

 

使用塑性方法、屈服线分析或拉压杆方法等方法对桥梁进行设计表明,桥梁具有一定的强度储备,但是强度储备在常规方法分析中并不明显。Denton说:“我们的桥梁的实际性能往往比我们建模所能预测性能的要好。”“我们倾向于谨慎假设,而事实上,我们的结构中隐藏着性能和强度的储备。因此,另一种概念性设计方法是思考我们如何理解真实的力学行为。”

 

这就是结构健康监测可以发挥作用的地方。更好地理解这种行为可能意味着对其需求的改变——例如,重型车——可能不需要任何升级。Denton说:“这有可能使我们能够推迟或完全避免干预。”

 

SHMS的前期投资通常重要,因此也越来越需要证明客户将在短期内获得回报。最明显的方式是以更好的桥梁运行和更好的维护的形式,但它也可以涉及设计的改进和桥梁的评估。

 

Ramboll的高级专家Torben Bangsgaard说,从历史上看——比如说,早在罗马时代——人们就从一座坍塌的桥梁中学到了经验,并优化下一座桥。然而,50年或100年的设计寿命使得学习周期非常缓慢——我们不再接受那些作为循环一部分而坍塌的桥梁。他建议,设计师需要能够在不超过20年左右的短得多的时间内汲取知识。而SHMS可以以桥梁在活荷载下产生的数据为基础,使工程师重新评估桥梁在整个生命期内的状态。

 

Bangsgaard说:“如果你要有一个智能的、长寿命的设计,你必须要进行SHMS,因为SHMS可以生成数据,随着时间的推移可以用来重新评估桥梁。”对于大型桥梁,规定SHMS所需要的招标文件可能长达数百页,并需要安装1000个或更多传感器。他说:“这张图完整地显示了这座桥所承受的荷载。”他说,对这些数据的研究肯定会导致新的分析模型的开发,这些模型将为设计过程提供信息,有助于实现未来桥梁的长寿命。

 

SHMS的信息也可以用来支持这样的论点——在满足设计寿命的同时,可以建造更便宜的结构——也许是更纤细的设计。例如,从其他桥梁获得的数据可以用来证明,混凝土的耐久性比预期的要长,疲劳和开裂也不太可能是一个问题。

 

Bangsgaard说:“如果我们能够证明这一点并在设计中加以考虑,那么SHMS在降低桥梁成本方面就变得很有价值。”他补充说,能源部门已经开始利用过去通过SHMS收集的数据,这种方法也开始渗透到桥梁领域。

 

长寿还可能得益于通过“数字孪生”产生的数据和理解。“数字孪生”是一个总括性术语,涵盖了在信息化平台运行计算机模型的情况。Bangsgaard说,来自SHMS的数据将导致建立先进的数字孪生。Ramboll正率先为福斯三桥开发先进的数字孪生。

 

数字孪生也允许使用桥梁设计时使用的底层计算机模型。Bangsgaard说:“我们可以引入测量数据,例如不同位置的应力和应变,并查看其他位置的应力情况。”“我们还可以校准各种数字孪生和融合数据。本质上,我们正在进行模型修正以匹配现实中的结构。然后我们得到更好的预测。在Ramboll,这些被称为“真正的数字孪生”。

 

小型桥梁也采用了SHMS,尽管对于小型结构,它可能集中在特定区域。“在某个时候,我们将开始监测一些有代表性的桥梁,以便从中吸取教训,并指导我们如何设计和运营类似的桥梁,”Bangsgaard说。一个国家可能一年建造两座大桥,其余的由更小的桥梁组成,小桥们的总价可能比大桥的总价大十倍。

 

并非所有的监控都涉及到在结构上附加一些东西。Atkins的Hendy说:“我们最近取得了巨大成功的一件事是有关于数字图像的,即利用照片完全远程测量应变和位移。”数字图像利用模式识别技术、摄像机和图像相关算法从不同图像之间识别出的微小变化中确定信息。Hendy说:“我们在近一公里上用它测量了Humber大桥的挠度,精度为毫米。”

 

图片3.png

Atkins在包括Humber桥在内的结构上使用数字图像相关技术

对数百米外的位移进行精确测量

 

 

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关键词: 寿命     桥梁     设计     适应性    

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