复杂环境下缆索承重桥梁运营可靠性保障关键技术及应用

该项目属于土木建筑工程领域。缆索承重桥梁具有高柔性、强非线性及构造极复杂等特点，在车辆、温度和风等多场复杂运营环境下，作用效应具有强烈耦合特征。而现有计算分析多采用作用效应线性叠加方法，同时，缆索承重桥梁运营维护普遍存在“重建设监测系统、轻分析监测数据”的情况。针对海量监测数据的数据处理技术和信息挖掘方法严重滞后，未充分发挥监测数据在结构状态感知中的能力。

产生上述问题的根源在于缺乏耦合作用效应精确推演方法、缺少有效利用监测数据的结构状态精准感知技术，导致缆索承重桥梁运营可靠性评估与预警严重滞后、失真乃至误判。

针对上述科学难题，该项目在国家及重大工程项目资助下，历经14年攻关，取得了3项突破，主要体现在：

1. 创建了缆索承重桥梁复杂作用与耦合效应高效推演方法。针对车载、温度、风等缆索承重桥梁的复杂运营环境，首创了三维非平稳随机车流荷载模拟方法，解决了现有车流模型无法捕捉实际车流空间相关性和持续增长的问题，实现了缆索承重桥梁交通分级管控；创建了钢主梁多维时空温度作用模型，率先提出了温度-车辆作用下钢主梁耦合应力分析方法；发展了风-车-桥耦合振动效应的高效算法，计算效率提高50倍以上。

2. 发展了缆索承重桥梁服役状态演化与智能感知技术。发明了精准感知缆索钢丝腐蚀疲劳耦合效应的试验装置，提出了缆索钢丝腐蚀疲劳损伤概率的跨尺度演化模型；率先发现了铺装层温度变化对主梁钢桥面板疲劳应力的显著影响，创建了多因素影响下钢桥面全空间疲劳损伤预测模型；首次揭示了桥梁温度场-响应时滞效应机理，建立了基于深度学习的缆索承重桥梁结构响应时空感知的鲁棒性增强方法，成功将感知的敏感度从小时级拓展到分钟级。

3. 构建了缆索承重桥梁运营可靠性评估与多层次预警体系。创建了可考虑桥梁和车辆特征参数及实际交通规则的风-车-桥时变振动分析模型，形成了针对桥梁安全性与行车舒适性的多级评估技术；构建了综合考虑环境条件变化、车桥耦合振动、密集车流效应、车流量非平稳增长的大跨桥梁车载效应极值预测框架；首次制定了考虑行车舒适性指标的桥梁多层次可靠性预警指标集及阈值标准，并纳入了行业标准，形成了缆索承重桥梁安全性能评价准则及多层次预警技术体系。

项目成果在宜宾长江大桥、南溪长江大桥等20余座大跨度缆索桥梁中成功应用，近三年新增直接经济效益2.26亿元，其它经济效益1.80亿元。获授权发明专利14项、实用新型专利14项，软件著作权12项，发表SCI/EI论文84篇。出版中英文专著8部，成果纳入3部行业/省级标准。项目研究成果支持申报并获批了国家发改委“南方地区桥梁长期性能提升技术国家地方联合工程实验室”，被以陈政清院士、刘永梅院士为首的专家组评价为“成果总体上达到国际先进水平，其中三维非平稳随机车流荷载模型及温度梯度时空演化规律的研究达到了国际领先水平”，显著推动了行业科技进步。

该项目属于土木建筑工程领域。缆索承重桥梁具有高柔性、强非线性及构造极复杂等特点，在车辆、温度和风等多场复杂运营环境下作用效应具有强烈耦合特征，而现有计算分析多采用作用效应线性叠加方法，同时，缆索承重桥梁运营维护普遍存在“重建设监测系统、轻分析监测数据”的情况，针对海量监测数据的数据处理技术和信息挖掘方法严重滞后，未充分发挥监测数据在结构状态感知中的能力。产生上述问题的根源在于缺乏耦合作用效应精确推演方法、缺少有效利用监测数据的结构状态精准感知技术，导致缆索承重桥梁运营可靠性评估与预警严重滞后、失真乃至误判。针对上述科学难题，该项目在国家及重大工程项目资助下，历经14年攻关，取得了3项突破，主要体现在： 1.创建了缆索承重桥梁复杂作用与耦合效应高效推演方法。针对车载、温度、风等缆索承重桥梁的复杂运营环境，首创了三维非平稳随机车流荷载模拟方法，解决了现有车流模型无法捕捉实际车流空间相关性和持续增长的问题，实现了缆索承重桥梁交通分级管控；创建了钢主梁多维时空温度作用模型，率先提出了温度-车辆作用下钢主梁耦合应力分析方法；发展了风-车-桥耦合振动效应的高效算法，计算效率提高50倍以上。 2.发展了缆索承重桥梁服役状态演化与智能感知技术。发明了精准感知缆索钢丝腐蚀疲劳耦合效应的试验装置，提出了缆索钢丝腐蚀疲劳损伤概率的跨尺度演化模型；率先发现了铺装层温度变化对主梁钢桥面板疲劳应力的显著影响，创建了多因素影响下钢桥面全空间疲劳损伤预测模型；首次揭示了桥梁温度场-响应时滞效应机理，建立了基于深度学习的缆索承重桥梁结构响应时空感知的鲁棒性增强方法，成功将感知的敏感度从小时级拓展到分钟级。 3.构建了缆索承重桥梁运营可靠性评估与多层次预警体系。创建了可考虑桥梁和车辆特征参数及实际交通规则的风-车-桥时变振动分析模型，形成了针对桥梁安全性与行车舒适性的多级评估技术；构建了综合考虑环境条件变化、车桥耦合振动、密集车流效应、车流量非平稳增长的大跨桥梁车载效应极值预测框架；首次制定了考虑行车舒适性指标的桥梁多层次可靠性预警指标集及阈值标准，并纳入了行业标准，形成了缆索承重桥梁安全性能评价准则及多层次预警技术体系。 项目成果在宜宾长江大桥、南溪长江大桥等20余座大跨度缆索桥梁中成功应用，近三年新增直接经济效益2.26亿元，其它经济效益1.80亿元。获授权发明专利14项、实用新型专利14项，软件著作权12项，发表SCI/EI论文84篇。出版中英文专著8部，成果纳入3部行业/省级标准。项目研究成果支持申报并获批了国家发改委“南方地区桥梁长期性能提升技术国家地方联合工程实验室”，被以陈政清院士、刘永梅院士为首的专家组评价为“成果总体上达到国际先进水平，其中三维非平稳随机车流荷载模型及温度梯度时空演化规律的研究达到了国际领先水平”，显著推动了行业科技进步。