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(科技进步奖) 一、 项目名称 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 二、 提名单位(专家) 及提名等级 提名单位：长沙理工大学 提名等级： 湖南省科技进步奖 二等奖 三、项目简介 本项目属于桥梁工程领域的悬索与张拉结构学科。缆索承重桥梁具有高柔性、强非线性 及构造复杂等特点，在车辆、温度和风等复杂运营环境下结构安全风险较高，运营可靠性保 障难度极大。原因在于，尚未探明缆索承重桥梁运营环境作用及效应的产生机理，缺少保障 运营可靠性的科学认知；“重监测系统建设、轻监测数据分析”的缺陷普遍存在，监测数据中 蕴含的桥梁运营状态信息未被充分挖掘，缺少保障运营可靠性的数据支撑；现有缆索承重桥 梁运营可靠性评估与预警存在滞后、失真乃至误判的瓶颈，缺乏保障运营期可靠性的技术手 段。针对缆索承重桥梁运营可靠性保障这一工程难题，本项目在国家及重大工程项目资助下， 历经10年攻关，取得3项突破，形成了国际先进的创新成果。 1.创建了缆索承重桥梁环境作用及耦合效应高效推演方法。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 了缆索承重桥梁运营期交通分级定量管控；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，克服了现行设计规范关于温度作用模型及效应 计算的局限；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，进而建立了 缆索承重桥梁运营车流管控策略。突破了车载、温度、风等环境作用及耦合效应难以精确推 演的瓶颈，为缆索承重桥梁运营可靠性保障奠定理论与计算的基础。 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 1 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。 项目成果在张花高速澧水大桥、南洞庭湖大桥、长沙银盆岭大桥、润扬长江大桥、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1.68 亿元。项目成果获授权发明专利14项、实用新型专利6项，软件著作权2项，发表SCI/EI论文92 篇，出版中英文专著5部，成果纳入4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。 四、代表作目录 知识产 权（标 知识产权（标 准）类 准）具体名称 别 发明专 利 发明专 利 一种正交异性钢 混凝土组合桥面 结构 基于横向风载效 应的桥梁加劲梁 抗侧力性能退化 报警方法 授权 证书编号 权利人 （标准 （标准批 （标准 发布） 准发布部 起草单 日期 门） 位） 1962984 长沙理 工大学 王达；刘 扬；陈春 苗；邓洁 无效 2142627 东南大 学 丁幼亮； 王高新； 宋永生 无效 国家 授权号 （地 （标准 区） 编号） 中国 ZL201 310139 725.4 2016.02 .24 中国 ZL301 310340 367.3 2016.07 .06 中国 ZL201 911077 417.7 2021.04 4373560 北京建 筑大学 2016.01 .20 1928670 东南大 学 2018.08 .21 3041996 东南大 学 发明专 利 悬索桥吊索疲劳 寿命的计算方法 及装置 发明专 利 一种确定大跨桥 梁结构主梁横向 静位移的方法 中国 ZL201 410149 343.4 发明专 利 一种高速铁路桥 梁车–桥振动性 能的安全预警方 法 中国 ZL301 610942 526.0 发明人 （标准起 草人） 邓扬；李 爱群；吴 宜峰；李 雨航 丁幼亮， 王高新， 谢辉，宋 永生 赵瀚玮 丁幼亮 王蔓亚 李爱群 发明专 利（标 准）有 效状态 有效 无效 有效 发明专 利 一种斜拉桥拉索 用保护套及其使 用方法 实用新 型专利 一种温度场模拟 装置 软件著 作 钢-UHPC 组合 桥面疲劳可靠度 分析软件 V1.0 软件著 作 随机车流与桥梁 耦合振动系统分 析软件 V1.0 论文 Numerical Study on Stress Intensity Factors for Stud Connectors of Steel–Concrete Connection 4838090 湖南工 业大 学；长 沙理工 大学 肖新辉， 鲁乃唯， 刘扬，吴 武基 有效 3329414 长沙理 工大学 王达；刘 扬；陈春 苗 无效 5861371 湖南工 业大学 罗媛, 郑 辉, 张海 萍, 鲁乃 唯, 刘扬 - 殷新锋, 刘 扬, 鲁乃 唯, 胡晓 - 王达；谭 本坤；王 磊，陈方 怀；向胜 涛 - 中国 ZL202 010501 568.7 2021.12 .07 中国 ZL 201320 449220 .3 2018.07 .26 中国 2020S R0982 675 2021.08 .25 中国 2013S R0581 45 2013.06 .14 0563907 长沙理 工大学 2021.08 .16 Internatio nal Journal of Steel Structures 长沙理 工大 学； 中南林 业科技 大学 中国 2021, 21(5): 17751789 五、主要完成人 姓名 排名 行政 技术 职务 职称 工作单位 完成单位 对本项目贡献 对主要科技创新点1、2做出了重要贡献，揭示了缆索承 重桥梁钢主梁温度场的空间概率分布特征，创建了钢主 王达 1 副院 长 教授 中南林业 长沙理工 梁多维时空温度作用模型。在本项目中投入的工作量占 科技大学 大学 本人工作总量的60%，完成国家自然科学基金项目1项 ，获发明专利1项、实用新型专利1项，发表论文10余篇 （见附件9-1、9-10、9-18、9-19）。 创新点2的总负责人，创新点1的主要参与人，研发了可 丁幼 亮 2 无 研究 员 精准感知缆索钢丝腐蚀疲劳耦合效应的试验装置，提出 东南大学 东南大学 了基于机器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。完成发明专利3项(见附件9-11、9-13、9 -14)。 对主要科技创新点1、2做出了重要贡献，创建了多因素 邓扬 3 副处 长 教授 北京建筑 北京建筑 影响下钢桥面全空间疲劳损伤预测模型。在本项目中投 大学 大学 入的工作量占本人工作总量的60%，授权发明专利1项 （附件9-12）。 殷新 4 无 教授 长沙理工 长沙理工 对主要科技创新点1、3做出了重要贡献，提出了基于影 7 锋 大学 大学 响函数的复杂风荷载与随机车流荷载联合作用下的动态 应力响应分析方法，建立了桥梁行车舒适性的评估方法 与多级评判准则。在本项目中投入的工作量占本人工作 总量的60%，完成软件著作权1项（附件9-17）。 对主要科技创新点1、2做出了重要贡献，建立了车流时 鲁乃 唯 5 副教 长沙理工 长沙理工 无 授 大学 大学 空耦联参数的概率分布模型，创建了缆索钢丝腐蚀疲劳 损伤概率的跨尺度演化模型。在本项目中投入的工作量 占本人工作总量的50%，授权发明专利1项（附件9-15） ，授权软件著作权2项（附件9-16、附件9-17）。 对主要科技创新点3做出了重要贡献，构建了综合考虑 赵瀚 玮 环境条件变化、车桥耦合振动、密集车流效应、车流量 助理 6 无 研究 东南大学 东南大学 员 非平稳增长的大跨桥梁车载效应极值预测框架，提出一 套针对大跨桥梁结构体系安全性能评价方案。在本项目 中投入的工作量占本人工作总量的40%，授权发明专利 1项（附件10-2）。 主要对科技创新点1、2做出了重要贡献，提出了综合考 张海 萍 7 系主 任 讲师 湖南工业 湖南工业 大学 大学 虑焊接残余应力、低水平应力幅、焊缝热点应力、车辆 荷载增长等多因素的全空间疲劳损伤预测模型。在本项 目中投入的工作量占本人工作总量的40%，完成软件著 作权1项（附件10-4）。 主要对科技创新点1、2做出了重要贡献，提出了综合考 肖新 辉 高级 8 无 工程 师 湖南工业 湖南工业 大学 大学 虑焊接残余应力、低水平应力幅、焊缝热点应力、车辆 荷载增长等多因素的全空间疲劳损伤预测模型。在本项 目中投入的工作量占本人工作总量的40%，完成发明专 利1项（附件10-3）。 主要对创新点3做出发重要贡献，提出了随机车流作用 罗媛 9 无 讲师 湖南工业 湖南工业 下钢桥面板疲劳可靠度分析方法，在本项目中投入的工 大学 大学 作量占本人工作总量的40%，完成软件著作权1项（附 件10-4）。 六、 主要完成单位 完成单位 对本项目主要贡献(限 600 字) 排名 本项目创新点1~3相关成果所涉技术的主要研发单位，创新点1缆索承重桥梁 复杂作用与振动效应推演的主要贡献单位，并推进相关技术在湖南、四川、 长沙理工大学 1 湖北地区的成果应用。 1. 提出大数据下随机车流作用模型，开发了随机车流模拟商业软件； 2. 主持了温度及车载随机作用下钢桥面多维疲劳损伤预测方法的研究； 3. 参与缆索承重桥加劲梁多维温度场研究，多维温度场模型被收录相关行业 标准； 4. 研发了精准捕捉缆索钢丝腐蚀疲劳耦合效应的试验装置。 对创新点1~3做出了重要贡献。具体包括： 中南林业科技 大学 1. 发展了缆索承重桥梁主梁空间温度场测试方法与数值模拟研究； 2 2. 主持复杂环境下桥梁结构服役状态智能感知技术的研究，并推进该技术的 重大工程应用； 3. 参与多源感知信息下桥梁运营可靠性的多级预警技术的研究。 本项目创新点1~3相关成果所涉技术的主要研发单位，创新点2复杂环境下缆 索承重桥梁结构服役状态演化 与智能感知技术的主要贡献单位，并推进相关技术在江苏地区的成果应用。 东南大学 3 1. 参与多维时空温度梯度作用建模方法的研究； 2. 参与腐蚀-疲劳耦合作用下缆索生命周期损伤演化技术的研究，并负责进行 试验验证； 3. 参与温度及车载随机作用下钢桥面多维疲劳损伤预测方法的研究。 本项目创新点1~2相关成果所涉技术的主要研发单位，主要贡献如下： 北京建筑大学 4 1. 创建了多因素影响下钢桥面全空间疲劳损伤预测模型； 2. 提出了运营期悬索桥钢箱梁横向和竖向的温度梯度模型。 本项目创新点1~2相关成果所涉技术的主要研发单位，并推进相关技术在湖南 、四川地区的成果应用。 1. 制定了四川南溪长江大桥多维安全的交通分级管控措施； 湖南工业大学 5 2. 提出扁平钢箱梁的横桥方向温度梯度模型； 3. 结合随机车流作用模型和多维时空温度梯度模型，形成了钢桥面多维疲劳 损伤预测方法与知识产权体系，并推广应用至南溪长江大桥； 4. 开发缆索承重桥梁结构体系失效路径分析方法，优化了嘉鱼长江大桥、宜 宾长江大桥等多座斜拉桥索力设计方案。 七、 主要完成人合作关系说明 本项目由长沙理工大学、中南林业科技大学、东南大学、北京建筑大学、湖南 工业大学共同完成，王达(1)、邓扬(3)、殷新锋(4)、鲁乃唯(5)、张海萍(7)、肖新辉(8) 、罗媛(9)属于长沙理工大学刘扬教授为负责人的课题组骨干成员；丁幼亮(2)、邓扬 (3)与赵瀚玮(6)属于北京建筑大学李爱群教授为负责人的课题组骨干成员，项目组成 员攻坚克难先后历经10余年，共同完成了复杂环境下缆索承重桥梁运营可靠性保障 关键技术及应用项目研究。主要合作关系说明如下： 王达(1)长安大学博士毕业后任职于长沙理工大学工作(2008-2021)，后因工作调 动，现就职于中南林业科技大学(2021至今)，是本项目长沙理工大学与中南林业科技 7 大学的协调联系人。丁幼亮(2)与赵瀚玮（6）师从李爱群教授，博士毕业后留任东南 大学，是本项目东南大学的协调联系人。邓扬(3)师从李爱群教授，2011年于东南大 学博士毕业后，曾任职于长沙理工大学(2012-2017)，后因工作调动，现任职于北京 建筑大学(2017至今)，是本项目北京建筑大学的协调联系人。鲁乃唯(6)、张海萍(7)、 肖新辉(8)与罗媛(9)早年师从刘扬教授与颜东煌教授，先后在王达(1)、邓扬(3)与殷新 锋(4)等老师的共同指导下完成本课题的相关研究并顺利完成学业。鲁乃唯(6) 毕业后 留任长沙理工大学，为该单位本项目的协调联系人；张海萍(7)、肖新辉(8)与罗媛(9) 毕业后先后就职于湖南工业大学，为该单位本项目的协调联系人。 2020年6月，项目完成人王达(1)、丁幼亮(2)、邓扬(3)、殷新锋(4)、鲁乃唯(5)、 赵瀚玮(6)、张海萍(7)以主要完成的身份获得 “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”项目科技成果评价报告（编号HN092020010016，湘盛评字（2 020）第0016号）。 2014年1月至2016年12月，本项目完成人王达(1)、邓扬(3)、鲁乃唯(5)，基于本 项目的前期研究成果基础，作为骨干成员参与获得国家自然科学家基金项目“多因素 耦合作用下悬索桥新型钢-混组合桥面系力学响应机制研究”资助，并顺利结题。 2018年1月至2020年12月，本项目完成人鲁乃唯(5)、王达(1)、邓扬(3)、张海萍(7) 与罗媛(9)，基于本项目的前期研究积累，共同参与获得湖南省自然科学基金项目“基 于长期监测车流数据的公路大跨桥梁设计车载模型校验” 资助，并顺利结题。 2021年12月，肖新辉(8)与鲁乃唯(5)基于本项目缆索承重桥梁服役状态演化与智 能感知技术的研究，获得发明专利“一种斜拉桥拉索用保护套及其使用方法” 授权。 2018年8月，赵瀚玮(6)与丁幼亮(2)结合本项目缆索承重桥梁运营可靠性评估与多 层次预警体系的研究，获得发明专利“一种高速铁路桥梁车–桥振动性能的安全预警 方法”授权。 2013年6月，殷新锋(4)与鲁乃唯(5) 结合本项目缆索承重桥梁运营可靠性评估与 多层次预警体系的研究，共同研发了“随机车流与桥梁耦合振动系统分析软件V1.0”， 并获软件著作授权。 2020年8月，罗媛(9)、张海萍(7)与鲁乃唯(5) 结合缆索承重桥梁环境作用及耦合 效应高效推演方法的研究，共同完成了“钢-UHPC组合桥面疲劳可靠度分析软件V1.0” 的研发，并获软件著作授权。 主要完成人合作关系情况汇总表 序号 合作 合作者 合作 方式 排名 时间 合作成果 证明 材料 王达(1) 丁 幼 亮 (2) 1 评价 邓扬(3) 成果 殷新锋(4) 登记 鲁乃唯(5) 2020 复杂环境下缆索承重桥梁运营可靠性保 障关键技术及应用评价报告 附件 9-8、 9-9 赵瀚玮(6) 张海萍(7) 2 项目 合作 王达(1) 邓扬(3) 鲁乃唯(5) 2014- 多因素耦合作用下悬索桥新型钢-混组合 附件 2016 桥面系力学响应机制研究 9-1 2018- 基于长期监测车流数据的公路大跨桥梁 附件 2020 设计车载模型校验 9-5 2021 一种斜拉桥拉索用保护套及其使用方法 鲁乃唯(5) 3 项目 合作 王达(1) 邓扬(3) 张海萍(7) 罗媛(9) 共同 4 知识 产权 共同 5 知识 产权 7 8 肖新辉(8) 鲁乃唯(5) 赵瀚玮(6) 丁幼亮(2) 软件 殷新锋(4) 开发 鲁乃唯(5) 软件 开发 2018 2013 罗媛(9) 张海萍(7) 鲁乃唯(5) 2020 附件 9-15 一种高速铁路桥梁车–桥振动性能的安 附件 全预警方法 9-14 随机车流与桥梁耦合振动系统分析软件 附件 V1.0 9-17 钢-UHPC组合桥面疲劳可靠度分析软件 附件 V1.0 9-16 7 备注