桥梁安全：长安大学王春生教授，走在时代前列的钢桥安...

     

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      在长安大学桥梁所三楼一间狭长的办公室，王春生和他的同事正坐在办公桌前工作。地板、桌面上密密麻麻地堆放着各种资料、书籍、测试设备，只留下能容一人通过的走廊。走廊尽头，王春生拾起椅子下散落的老钢桥使用的钢材，开始讲述他从事钢桥抗疲劳、防断裂研究的历史。
      王春生，长安大学公路学院教授，博士生导师，入选国家“万人计划”科技创新领军人才、科技部“创新人才推进计划”中青年科技创新领军人才，长安大学桥梁科学研究的学术带头人之一，享受国务院政府特殊津贴。长期从事桥梁耐损性设计方法与安全维护技术研究，主要研究领域包括钢桥和组合结构桥梁理论、桥梁损伤机理与安全维护技术、长寿命高性能桥梁结构理论等，科研成果获国家科技进步二等奖1项，中国公路学会科学技术奖特等奖1项（主持），以及省部级和学会科技奖励10余项。

名师指引 钢桥结缘

      我国在20世纪初至70年代曾建造了大量铆接公路与铁路钢桥，著名的武汉长江大桥、南京长江大桥就是其中的代表。它们是中国交通基础设施和城市建设历史的见证者，业已成为当地一道不可或缺的标志性建筑和城市风景线。对于这些老钢桥而言，疲劳断裂是影响其寿命和使用安全的一个主要因素，但鉴于当时的技术水平和钢材质量，疲劳断裂问题很长一段时间内没有引起桥梁界的重视。在日益繁重的交通荷载面前，这些按照旧标准设计建造的桥梁面临着失效倒塌的巨大风险。要想安全、经济地使用这些老钢桥，就必须对其剩余寿命和使用安全加以研究评估。
      18年前，刚到同济大学求学时，王春生的研究方向并不在钢桥疲劳断裂研究上。一次偶然的机会，他有幸帮助副导师完成一个钢桥疲劳评估课题。当时，既有铆接钢桥的疲劳安全评估，是一个极富挑战性的课题。我国桥梁界关于钢桥抗疲劳的研究刚刚起步，亟需相应的技术研发和科学成果的应用。项目完成后，导师便建议王春生放弃桥梁抗风研究，转而研究钢桥疲劳断裂。“当时国内从事这方面研究的人很少，这也是未来发展的一个趋势，国家需要培养这一领域的人才”，导师的高瞻远瞩，让王春生从此与钢桥结下不解之缘。
      在导师的带领下，王春生对老龄铆接钢桥做了深入的档案调查和现场测试，掌握了包括大桥原始设计文件、通行荷载历史状况、损伤与维护记录、力学状态等在内的大量一手资料，并在此基础上对老龄铆接钢桥剩余寿命与使用安全评估从理论到实践进行了系统深入的探索。如何有效评估老钢桥的剩余寿命和使用安全？首先要建立能够精确模拟大桥目前使用状况的工作模型，这样才能准确地计算出桥梁疲劳细节的损伤。针对铆接结构、构件特有的构造模式和疲劳断裂失效特点，王春生对上海市外白渡桥、浙江路桥、京九铁路赣江大桥等铆接钢桥进行了现场交通观测和应力谱实测，建立起公路和铁路的交通荷载模型，实现了公路与铁路钢桥交通荷载谱和应力谱的随机模拟。他的博士论文《铆接钢桥剩余寿命与使用安全评估》首次将结构系统疲劳可靠度理论应用于既有钢桥疲劳可靠性评估，提出了基于概率断裂力学的既有铆接钢桥剩余寿命与使用安全评估理论和方法体系，创建了完整的既有钢桥剩余寿命和使用安全评估方法体系，并在多座公路、铁路和城市钢桥的工程实践中得到了验证与应用。2007年，其在同济完成的博士论文入选“全国百篇优秀博士学位论文”，王春生成为长安大学本科毕业生中获此殊荣的第一人。
      谈及求学生涯，王春生说，自己是在清贫的环境中完成博士学业的。这位于1991年进入原西安公路学院的普通学生，本科毕业就留校担任助教，期间完成了硕士学业，2003年又在同济大学读完了在职脱产博士。2004年王春生继续到清华大学深造，2008年被破格晋升为教授。回到学校后，他在主讲学校本科至博士阶段钢桥主干课程的同时，也逐渐组建和培育了一支学科特色突出的科研团队。目前，这个团队的核心成员与研究生已达到30多人。团队中年轻的成员都是王春生从本科到博士一手带出来的，每个人的性格特点、兴趣方向、优势所在，作为导师的他十分了解。对于新加入的科研生力军，无论是项目申报书的写作还是研究报告、论文著作的撰写，还是科研能力的提升和教学水平的锤炼，团队都会给予全方位的培养、指导和引导。“大树底下要长草，最好还能长成树”，王春生对团队里的青年人寄予了厚望。

攻克难关 填补空白

      求学路漫漫，科研路就更加艰难。桥梁在建造和使用过程中，必然会受到环境、有害物质的侵蚀，还要承受来自车辆、风、地震、极端荷载等各种外来因素的作用，桥梁所采用材料的自身性能也会不断退化，这些都会导致桥梁结构细节出现不同程度的疲劳损伤。桥梁抗疲劳研究的最大难点在于，目前人类对疲劳的机理还未完全认识清楚。“材料与结构的疲劳损伤，目前还没有一个大家公认的物理模型、方程式可以表征”，王春生介绍道。
      从“全国百篇优秀博士学位论文奖”到陕西省科技进步奖，乃至国家科技进步奖，从国家中青年科技创新领军人才到“万人计划”科技领军人才，一项项荣誉、一个个重量级的项目背后，是二十年如一日的持之以恒。没有教材，他和团队成员自己编写；没有测试程序，大家就靠自己的力量研发编制；桥梁所不具备实验条件，王春生和团队成员不得不到汽车学院、机械学院，甚至西安交通大学的国家重点实验室来完成一次次实验，经年累月，疲劳试验机竟也在重复的试验中出现了疲劳断裂。同行曾经半开玩笑对他说：“你做疲劳研究很辛苦啊，桥梁模型还没疲劳，设备倒先疲劳了。”设备疲劳了，人又何尝没有疲劳的时候？不过，王春生还是凭借着对事业执着质朴的热情坚持下来了。他觉得，年轻人是有使命的，中国在过去40年中的高速发展正是由于“我们一个人做了很多人的事情，一代人做了好几代人的事情”。
      进入21世纪，我国越来越重视高品质桥梁的建设，原来的石拱桥、混凝土桥梁逐渐被现代化的钢结构桥梁、大跨度斜拉桥和悬索桥替代。但由于逐年增加的交通荷载与复杂环境耦合作用，以及设计、建造和维护中一些深层次技术环节的缺失，部分钢桥疲劳现象逐渐暴露出来。钢材的疲劳断裂是突然发生的，之前并无明显的征兆，相应的维护技术难度大、费用高。如何解决钢桥的疲劳开裂问题，确保钢桥使用安全，合理延长钢桥使用寿命与维护周期，有效降低钢桥运营安全风险和全寿命周期成本，越来越成为桥梁工程界关注的科技焦点。钢桥疲劳断裂问题暴露得越多，王春生团队的研究也就越受到关注。自2005年起，王春生作为负责人先后主持了6个国家自然科学基金项目以及多项交通运输部、教育部的基础研究、重大科技专项课题。这些项目培育出了多个领先的科研成果：率先对新型管翼缘组合梁、高性能钢桥、免涂装耐候公路钢桥进行了系统试验、理论与工程应用研究，取得的研究成果填补了我国在该领域的空白；在国内较早对带U肋的钢桥面板进行了足尺疲劳试验研究，提出了抗疲劳构造设计建议，构建了钢桥正交异性钢桥面板设计与施工的成套关键技术，为依托工程提供了技术支撑，编制了陕西省地方标准《公路钢桥正交异性钢桥面板设计施工技术规范》；对钢－混凝土组合加固新技术进行了系统基础性与工程应用研究，依托研究成果编制了陕西省首部桥梁地方标准《钢板－混凝土组合加固混凝土桥梁设计与施工技术规程》；首次对地铁U形预应力混凝土梁进行了足尺疲劳试验研究，研究成果被国家重点轨道工程设计采用；参与编制交通运输部《公路钢结构桥梁设计规范》、《公路工程可靠性设计统一标准》等3部国家行业技术标准……2014年，王春生参与了国家973计划项目“特大跨桥梁安全性设计与评定的基础理论研究”的研究工作，具体负责特大跨钢桥关键构件及连接件的疲劳、腐蚀疲劳损伤机理，以及基于体系可靠度的特大跨钢结构桥梁设计理论与方法的专题研究内容。这是长安大学桥梁学科首次参加国家重大基础性研究计划。

                               
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厚积薄发 国际领先

      钢结构桥梁具有自重轻、材质均匀、质量稳定、易于装配化施工、可回收再利用、绿色环保等突出优点。在过去的半个世纪里，我国钢结构桥梁主要用于大跨径桥梁。据王春生介绍，到目前为止，我国公路、铁路、城市桥梁中，钢桥所占的比例不到1%，而西方发达国家这一比例达到30%-40%。2016年交通运输部印发《关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》，决定推进钢箱梁、钢桁梁、钢-混组合梁等公路钢结构桥梁建设，提升公路桥梁品质，助推中国公路交通建设转型升级。钢结构桥梁在我国交通基础设施建设大潮中将迎来一个黄金发展期。
          近几年，随着新材料的研发与应用，长寿命高性能钢桥的设计、建造技术逐渐成为王春生团队研究的重点。“建设长寿命、高性能钢桥需要完善的技术支撑体系，包括新型材料、创新结构和先进的施工技术”，王春生介绍说。高性能钢等新型材料是支撑钢桥建设技术进步的基础，也是解决钢桥耐久性的根本要素。高性能钢材料具有强度高、可焊性好、断裂韧性高、抗疲劳性优越、耐候性强等诸多优势，能够大大提高钢结构桥梁的安全性和耐久性，降低后期养护的费用。“高性能钢虽然好，但不能盲目使用，要明白材料性能机理，能够解决哪些技术难题，让每一寸材料都尽最大可能发挥效能，这需要基础性研究作为保证”。