中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團企業(yè)。
作為交通基礎(chǔ)設(shè)施生命線的咽喉，長大橋梁具有服役環(huán)境惡劣、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、病害問題突出、垮塌后果嚴重的特點，其可靠運營與人民群眾生命財產(chǎn)安全息息相關(guān)。因此，有必要對長大橋梁在持久狀況和偶然狀況下的承載能力進行及時評估，進而為運營維護的科學(xué)決策提供技術(shù)支撐。橋梁荷載試驗是長大橋梁通車前的最后一道“體檢”，其通過等效模擬運營車輛荷載，現(xiàn)場測試橋梁各關(guān)鍵部位響應(yīng)，來判斷結(jié)構(gòu)承載能力是否符合設(shè)計和規(guī)范要求，并為后續(xù)交工驗收、管理養(yǎng)護、加固改造等提供基礎(chǔ)技術(shù)資料。
近些年，隨著先進傳感、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)日臻成熟，橋梁健康監(jiān)測技術(shù)日益受到行業(yè)重視。其科學(xué)內(nèi)涵是利用現(xiàn)場的、無損的、實時的方式采集結(jié)構(gòu)的輸入與輸出信息，分析結(jié)構(gòu)性能的波動、劣化或損傷特征，并為管理和養(yǎng)護提供決策支持。因該技術(shù)具有實時采集外部環(huán)境荷載、在線把握結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征、識別結(jié)構(gòu)可能損傷形式、揭示結(jié)構(gòu)倒塌破壞機理、優(yōu)化結(jié)構(gòu)養(yǎng)護維修計劃、驗證發(fā)展既有設(shè)計理論的獨特優(yōu)勢，而被業(yè)界廣泛認可。然而，目前一些橋梁管養(yǎng)部門尚存在“重系統(tǒng)建設(shè)，輕數(shù)據(jù)分析”的現(xiàn)象，使得寶貴的橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)淪為了擺設(shè)，無法評估結(jié)構(gòu)的服役安全。
數(shù)字孿生（Digital twin）實現(xiàn)了真實物理系統(tǒng)與賽博空間（Cyberspace）數(shù)字化模型的相互反饋，亦被稱為數(shù)字雙胞胎或數(shù)字化映射。通俗來講，該技術(shù)是要構(gòu)建一個與真實物理系統(tǒng)在全壽命周期，能夠?qū)崟r更新和雙向交互的仿真模型。因此，它的重要性不僅在于可以反映真實物理系統(tǒng)，更重要的是它實現(xiàn)了物理系統(tǒng)與孿生模型之間數(shù)據(jù)的雙向流動，即通過孿生模型可以向物理系統(tǒng)反饋信息，甚至反向控制物理系統(tǒng)。借助該模型，工程技術(shù)人員能以極低的成本對其開展分析、研究和試錯，進而可在線評估物理系統(tǒng)的健康狀況、預(yù)測其剩余使用壽命，并對各種突發(fā)狀況或持久狀況制定預(yù)案。
將數(shù)字孿生理念引入到橋梁工程，是破解橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)難以發(fā)揮作用的有效途徑。筆者認為，橋梁數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)由動態(tài)仿真、虛擬評估和決策反饋三部分組成，其標志性特征是建立的數(shù)值模型能與實橋保持實時自演化，其關(guān)鍵核心是對動態(tài)演化模型進行虛擬加載快速檢算，其最終目的是將評估結(jié)果及時反饋給管養(yǎng)部門，最終實現(xiàn)橋梁的“治小病、防大病”。
橋梁孿生模型構(gòu)建技術(shù)包括多尺度建模、全方位修模和動態(tài)化校模，基于此才可實現(xiàn)全壽期孿生模型精細、準確、高效的實時自演化。
1、多尺度建模技術(shù)
為同時滿足孿生模型的計算精度和效率，應(yīng)采用不同尺度的單元對橋梁建立一個精細的多尺度模型。這需要突破兩項技術(shù)瓶頸，一是如何確定細觀單元的建模長度？二是如何耦合宏細觀單元的邊界？筆者通過引入圣維南原理確定了宏細觀單元的合理長度，并提出了分析界面應(yīng)力穩(wěn)定的宏細觀單元多點變形協(xié)調(diào)耦合技術(shù)，實現(xiàn)了不同尺度單元之間的可靠連接。
2、全方位修模技術(shù)
由于建模參數(shù)取值、邊界條件設(shè)置等誤差，初始模型與實橋之間尚存在較大差異，因此需進行合理修正。既有模型修正技術(shù)需開展荷載試驗，以獲取輸入和輸出的對應(yīng)信息，這在工程實際中難以操作。有鑒于此，文章提出了基于監(jiān)測數(shù)據(jù)概率等效重構(gòu)的橋梁輸入-輸出映射技術(shù)，通過將荷載試驗中荷載與響應(yīng)的一一對應(yīng)關(guān)系，轉(zhuǎn)化為長期監(jiān)測中荷載與響應(yīng)概率模型的對應(yīng)關(guān)系，從而實現(xiàn)了模型預(yù)測響應(yīng)與實橋響應(yīng)的精準匹配。
3、動態(tài)化校模技術(shù)
橋梁在全壽命期間性能會發(fā)生動態(tài)演化，包括周期性波動、漸變性劣化和突發(fā)性損傷。修正好的模型若保持固化不變，將無法反映此種演化特征。因此，需對其進行快速高效的動態(tài)校準。然而，模型修正時長隨修正參數(shù)個數(shù)的增加呈指數(shù)型增長，且隨機車流加載為動態(tài)批量加載，耗時極長。為此，本文提出了基于自適應(yīng)代理模型訓(xùn)練擬合的橋梁模型參數(shù)高效校準技術(shù)，有效規(guī)避了對整個模型迭代加載而耗時過長的難題。
綜上，長大橋梁評估應(yīng)遵循“安全可靠、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理”的三大原則，依據(jù)工程需求和現(xiàn)場條件，靈活選擇最適宜的技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)進步，荷載試驗不應(yīng)再是橋梁承載能力評估的唯一選項，面向工程需求的監(jiān)測評估技術(shù)將代表未來發(fā)展趨勢。
中交路橋科技依托勘察、檢測（含特檢）、設(shè)計等傳統(tǒng)行業(yè)能力，可提供“檢、診、修、應(yīng)”的全生命周期綜合一體化服務(wù)，推動城市安全風(fēng)險管理技術(shù)創(chuàng)新、模式創(chuàng)新、應(yīng)用創(chuàng)新，提升城市安全運行風(fēng)險隱患發(fā)現(xiàn)、防范、化解、管控的智能化水平，為推動城市安全發(fā)展提供堅實保障。在邁向智慧城市的新時代征程中，中交路橋科技有限公司將始終堅守安全底線，不斷完善和優(yōu)化城市安全運行綜合服務(wù)平臺，為城市的平穩(wěn)運行貢獻科技力量。
