砼橋梁抗風(fēng)難題攻關(guān)取得重要成果

　　湖南大學(xué)風(fēng)工程試驗研究中心自2004年建成投入使用以來，來自國內(nèi)外的一些橋梁風(fēng)工程專家紛紛來這里考察。專家們對其中一臺設(shè)備特別感興趣，這就是國內(nèi)第一臺全數(shù)字控制的“節(jié)段模型三自由度強迫振動設(shè)備”。有了它，橋梁抗風(fēng)的主要參數(shù)將可以在風(fēng)洞中通過強迫振動準(zhǔn)確測試，極大增強了橋梁建設(shè)與使用的安全性。

　　從采訪中得知，這項新成果由湖南大學(xué)風(fēng)工程實驗室主任陳政清教授領(lǐng)銜的科研團隊經(jīng)過6年的研究探索得以完成。近年來，該團隊瞄準(zhǔn)橋梁抗風(fēng)的難題開展攻關(guān)，已取得了一系列重要成果。

　　陳政清介紹，由于我國國力增強，各種跨度大、外形優(yōu)美的斜拉橋、懸索橋、鋼拱橋大量修建。這種柔性結(jié)構(gòu)的橋梁，在強風(fēng)之下很容易發(fā)生顫抖，出現(xiàn)各種“風(fēng)振”現(xiàn)象，輕則橋面晃動，影響交通；重則被風(fēng)刮倒，橋毀人亡。風(fēng)，成為了大橋的頭號敵人。怎樣才能戰(zhàn)勝風(fēng)這個最大的敵人、確保橋梁安全成為橋梁界的重大研究課題。

　　柔性橋梁在施工和營運過程中發(fā)生大變形，必須采用非線性分析理論設(shè)計計算。因此，為柔性橋梁設(shè)計提供一套安全可靠的非線性計算理論和抗風(fēng)理論是陳政清多年致力研究的問題。

　　1988年，鐵道部大橋局開始設(shè)計中國第一座跨度達(dá)400米大橋——武漢長江二橋。這種采用混凝土的大跨度斜拉橋內(nèi)力變形的非線性效應(yīng)究竟有多大，國內(nèi)外都缺乏研究資料，而當(dāng)時國內(nèi)僅有的非線性分析通用程序ADINA承擔(dān)不了這種大橋的非線形分析，即使是在國外，這也是一個正在研究的課題。陳政清及時提出了空間桿系結(jié)構(gòu)大撓度問題內(nèi)力分析的UL列式法，并依據(jù)這個理論為武漢長江二橋編成實用計算程序，并計算出全橋各部位非線性影響因子，該方法比當(dāng)時的通用程序提高計算效率50倍以上。

　　陳政清注意到在橋梁設(shè)計中采用的兩參數(shù)搜索法，計算十分復(fù)雜而且需要人工干涉，難于在設(shè)計中直接應(yīng)用，便開始研究顫振臨界風(fēng)速預(yù)測方法。他在國際上最先提出了單參數(shù)搜索的思想，創(chuàng)立了預(yù)測橋梁顫振失穩(wěn)臨界風(fēng)速的三維分析方法(簡稱MS法)，大大簡化了搜索過程，而且可實現(xiàn)自動搜索。國際風(fēng)工程權(quán)威Scanlan教授曾撰文對陳政清的方法作了全面肯定。

　　1999年，在上述研究成果的基礎(chǔ)上，陳政清又開發(fā)出大跨度橋梁空間靜動力非線性分析NACS程序。這套具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的程序，解決了我國大跨度橋梁建設(shè)急需空間非線性分析程序的難題，在我國大跨度橋梁建設(shè)史上發(fā)揮了重要作用，他的這套理論與方法得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛認(rèn)同與高度評價，先后被同濟大學(xué)、鐵道部、云南省設(shè)計院、湖南省交通設(shè)計院等多家單位采用，并被評價為“根本性的改進”。1999年，該成果獲得了湖南省科技進步一等獎。NACS程序是我國第一座現(xiàn)代懸索橋設(shè)計的主要計算程序，至今已經(jīng)應(yīng)用于幾十座大橋的設(shè)計分析；該程序計算出虎門大橋和江陰大橋全部施工過程中顫振臨界風(fēng)速的變化曲線，支持了我國橋梁抗風(fēng)技術(shù)的發(fā)展；NACS程序還應(yīng)用于蘇通大橋設(shè)計復(fù)核，在多家計算結(jié)果中，NACS計算結(jié)果與國外咨詢公司計算結(jié)果一致，為國家贏得了聲譽。NACS程序不斷更新，一直在我國幾個大型橋梁設(shè)計院中應(yīng)用。目前，NACS程序又成為我國第一座三塔懸索橋的主要設(shè)計計算程序。

　　陳政清說：“科學(xué)研究僅僅有理論是不夠的，我們需要把理論成果應(yīng)用于解決實踐中的問題，把科研成果轉(zhuǎn)換成生產(chǎn)力。”

　　“拉索風(fēng)雨振”是斜拉橋常見的危害，如不抑制，將會減短拉索壽命、影響橋上交通安全。從2000年開始，經(jīng)過連續(xù)6年的研究，陳政清帶領(lǐng)科研團隊創(chuàng)造性地開發(fā)出應(yīng)用先進的磁流變阻尼器的拉索減振系統(tǒng)，應(yīng)用于洞庭湖大橋，成功地抑制了“拉索風(fēng)雨振”危害。這項成果被美國土木工程雜志評價為“世界上第一個應(yīng)用磁流變技術(shù)的拉索減震系統(tǒng)”；該項研究豐富和拓寬了國際上對“拉索風(fēng)雨振”現(xiàn)象的認(rèn)識，為控制風(fēng)雨振提供了重要的技術(shù)方法。其成果獲得了2003年國家科技進步獎二等獎。

　　在磁流變阻尼器的基礎(chǔ)上，2004年，陳政清科研團隊又發(fā)明了無須供電且容易維修的新型永磁調(diào)節(jié)式磁流變阻尼器，擺脫了磁流變技術(shù)對供電系統(tǒng)的依賴性，并在有“世界第一跨”的單索面斜塔斜拉橋的洪山大橋和瀏陽河大橋上成功應(yīng)用3年，建立了一套設(shè)計與優(yōu)化減振系統(tǒng)參數(shù)的方法。該成果獲2006年湖南省科技進步一等獎，并獲得國家發(fā)明專利。

　　近年來，陳政清及其課題組作出了7項重大創(chuàng)新成果，并都成功地直接應(yīng)用于我國幾十座大橋梁工程，其中4項獲國際同行認(rèn)可，這些成果及時地為我國上世紀(jì)80年代末以來大跨度橋梁建設(shè)提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。

　　在這些年迎“風(fēng)”造橋的過程中，陳政清冷靜地思考了一個問題：在橋梁的建設(shè)中，大風(fēng)很可能還會給我們提出各種意想不到的難題，要迎接更大的挑戰(zhàn)，就應(yīng)該擁有更好的實驗手段。2002年至2004年，他四處奔波，精心設(shè)計，終于在2004年10月建成了達(dá)到國內(nèi)一流水平的湖南大學(xué)風(fēng)洞實驗室。這個有兩項技術(shù)指標(biāo)達(dá)“國內(nèi)之最”的實驗室，可以用各種人造狂風(fēng)沖擊大橋模型和重要部件，能為大橋設(shè)計提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。他高興地說：“‘工欲善其事，必先利其器’，有了這樣好的實驗室，我們大橋設(shè)計的抗風(fēng)水平可以更上一層樓了?！?