劉永健，唐志偉，肖 軍，劉 江，龔勃旭，王 壯

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路大型結(jié)構(gòu)安全教育部工程研究中心，陜西 西安 710064；3.陜西省“四主體一聯(lián)合”橋梁工程智能建造技術(shù)校企聯(lián)合研究中心，陜西 西安 710064；4.中交二公局工程設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710199)

0 引 言

縱觀中國(guó)大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁建造熱潮和發(fā)展歷程，早期建造的橋梁由于設(shè)計(jì)局限性[1]、施工質(zhì)量較差和養(yǎng)護(hù)不到位等原因，導(dǎo)致橋梁耐久性不足、安全性降低[2-3]，大量投入的維修加固資源往往治標(biāo)不治本。隨著城市化進(jìn)程加快，交通量劇增，頻繁的超載現(xiàn)象容易引發(fā)老舊橋梁安全隱患[4]，迫切需要拆除重建來(lái)滿足日益增長(zhǎng)的交通運(yùn)輸需求。同時(shí)，傳統(tǒng)橋梁拆除技術(shù)存在一定的局限性，多起橋梁拆除失敗案例[5]透視出橋梁拆除具有難度大、風(fēng)險(xiǎn)高和不確定性因素多的特點(diǎn)，對(duì)橋梁拆除技術(shù)提出了更高、更嚴(yán)的要求。

21世紀(jì)初至今，中國(guó)成功完成了錫澄運(yùn)河連續(xù)梁橋、南府河三跨連續(xù)剛構(gòu)橋和云南六曼公路跨線橋等橋梁的拆除。目前，橋梁拆除方法主要有定向爆破法、“門(mén)洞+支架拆除法”[6]、反澆筑順序的節(jié)段切割法[7-8]、液壓系統(tǒng)平移法[9]、大節(jié)段下放拆除法[10]、自行式模塊運(yùn)輸車(SPMT)快速拆除方法[11-12]和車載移動(dòng)支撐式分段提吊下放快速移除方法[13]等?，F(xiàn)有的橋梁拆除施工監(jiān)控技術(shù)[14-15]通常在拆除前根據(jù)歷年橋檢資料，分別對(duì)結(jié)構(gòu)不確定性參數(shù)按照有利和不利情況考慮，并通過(guò)仿真計(jì)算的臨界值包絡(luò)橋梁拆除監(jiān)測(cè)結(jié)果，從而建立橋梁拆除施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系[16]和大跨度舊、危橋梁的現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警控制機(jī)制[17]。鑒于橋梁檢測(cè)技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)識(shí)別具有不確定性，容易導(dǎo)致橋梁拆除施工狀態(tài)不可控，一旦發(fā)生意外狀況極易帶來(lái)災(zāi)難性的后果。例如：江都市勝利橋拆除，由于年久失修且拆除工序操作錯(cuò)誤，導(dǎo)致橋梁垮塌；杭州市德勝東路提升改造工程高架橋拆除，由于起吊過(guò)程中鋼絲繩繃斷，導(dǎo)致橋梁連環(huán)垮塌；株洲市跨越鐵路的公路廢棄橋拆除，由于梁體突然斷裂、坍塌砸中鐵軌，造成鐵路中斷等。因此，橋梁拆除前需要綜合考慮橋梁狀態(tài)、工程需求和施工環(huán)境等因素，制定橋梁拆除專項(xiàng)施工與監(jiān)控方案，確保橋梁拆除的安全可控?！豆坊炷翗蛄翰鸪夹g(shù)規(guī)程》(T/CECS G:M61-01—2019，以下簡(jiǎn)稱規(guī)程)是在全面總結(jié)國(guó)內(nèi)外橋梁拆除相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和研究成果的基礎(chǔ)上形成的通用性指導(dǎo)規(guī)程，由于橋梁拆除規(guī)模不斷增大且舊橋加固后結(jié)構(gòu)狀態(tài)愈加復(fù)雜，需要對(duì)狀態(tài)評(píng)估、結(jié)構(gòu)力學(xué)行為響應(yīng)、施工監(jiān)控閾值、實(shí)時(shí)預(yù)警機(jī)制和安全控制措施等進(jìn)行全面細(xì)致的專項(xiàng)研究，從而完善規(guī)程以滿足工程需求。

隨著數(shù)字建模、物聯(lián)網(wǎng)、結(jié)構(gòu)仿真、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、基于模型的系統(tǒng)工程、數(shù)字線程、區(qū)塊鏈和虛擬現(xiàn)實(shí)等新一代信息技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，數(shù)字孿生體與新一代信息技術(shù)深度融合，形成了數(shù)字孿生體技術(shù)。目前，該技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)制造、電力、汽車、醫(yī)療和船舶等領(lǐng)域進(jìn)行了探索應(yīng)用[18-19]。在橋梁全生命周期內(nèi)應(yīng)用數(shù)字孿生體技術(shù)，通過(guò)數(shù)字化方式建立物理實(shí)體的動(dòng)態(tài)虛擬模型來(lái)映射物理實(shí)體在真實(shí)環(huán)境中的屬性、行為、規(guī)則[20-21]，有助于實(shí)現(xiàn)橋梁全生命周期內(nèi)的自感知、自演化、自學(xué)習(xí)、自評(píng)估、自決策和自執(zhí)行。由于難以精準(zhǔn)分析橋梁拆除施工過(guò)程中的狀態(tài)評(píng)估和結(jié)構(gòu)響應(yīng)，導(dǎo)致橋梁拆除狀態(tài)存在較大的不確定性，而基于數(shù)字孿生體技術(shù)的橋梁智能拆除能夠掌握橋梁拆除全過(guò)程的真實(shí)受力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)橋梁拆除的精準(zhǔn)控制，具有較好的應(yīng)用前景。

本文對(duì)國(guó)內(nèi)外橋梁拆除技術(shù)和數(shù)字孿生體技術(shù)進(jìn)行了綜述。結(jié)合某橋拆除工程案例，全面分析了橋梁拆除技術(shù)特征，通過(guò)介紹橋梁拆除精細(xì)化仿真分析方法，對(duì)橋梁拆除前狀態(tài)評(píng)估、拆除中施工監(jiān)測(cè)與安全控制策略、拆除后構(gòu)件資源再利用進(jìn)行了分析與探討。

1 橋梁拆除的特點(diǎn)及存在的技術(shù)問(wèn)題

1.1 橋梁拆除的特點(diǎn)

對(duì)建橋與拆橋的施工特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)力學(xué)行為特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，有助于掌握橋梁拆除的特點(diǎn)，優(yōu)化施工組織方案，確保橋梁拆除的安全可控。

1.1.1 橋梁拆除施工特點(diǎn)

拆橋作為建橋的逆向施工過(guò)程，在施工目標(biāo)、施工工期、施工狀態(tài)和施工控制指標(biāo)上存在明顯的差異，具體如表1所示。

表1 建橋與拆橋施工特點(diǎn)對(duì)比分析

1.1.2 橋梁拆除結(jié)構(gòu)力學(xué)行為特點(diǎn)

預(yù)應(yīng)力體系是大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋的關(guān)鍵，在新建和拆除過(guò)程中發(fā)揮的作用和表現(xiàn)的行為均不同。

對(duì)于先張法預(yù)應(yīng)力混凝土橋，由于主梁在工廠預(yù)制，能充分保證預(yù)應(yīng)力張拉質(zhì)量和混凝土材料性能。對(duì)于后張法預(yù)應(yīng)力混凝土橋，橋梁結(jié)構(gòu)的有效預(yù)應(yīng)力和混凝土材料性能難以精確掌握。預(yù)應(yīng)力鋼束在割斷后由端頭錨變?yōu)轲そY(jié)錨，在預(yù)應(yīng)力傳遞長(zhǎng)度范圍內(nèi)通過(guò)傳遞黏結(jié)使得預(yù)應(yīng)力筋從端部零應(yīng)力狀態(tài)線性變化至有效預(yù)應(yīng)力狀態(tài)；剩余預(yù)應(yīng)力鋼束繼續(xù)對(duì)主梁提供正彎矩效應(yīng)[22]?！豆蜂摻罨炷良邦A(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362—2018)第6.1.8節(jié)中給出了先張法預(yù)應(yīng)力傳遞長(zhǎng)度的計(jì)算公式，規(guī)定了當(dāng)采用驟然放松預(yù)應(yīng)力鋼筋的施工工藝時(shí)，從構(gòu)件末端處開(kāi)始計(jì)算的預(yù)應(yīng)力傳遞長(zhǎng)度放大1.25倍，從而可以在拆除前對(duì)切割后預(yù)應(yīng)力鋼束的力學(xué)行為進(jìn)行分析。此外，根據(jù)已有學(xué)者的先張法試驗(yàn)結(jié)果可知：先張法鋼絞線預(yù)應(yīng)力傳遞長(zhǎng)度隨混凝土強(qiáng)度增加而減小，隨鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力增加而增大[23]。結(jié)構(gòu)損傷、材料性能退化、預(yù)應(yīng)力孔道灌漿施工質(zhì)量差和預(yù)應(yīng)力損失等原因，導(dǎo)致橋梁拆除前難以精準(zhǔn)預(yù)測(cè)預(yù)應(yīng)力傳遞長(zhǎng)度影響范圍。因此，在拆除過(guò)程中需要對(duì)預(yù)應(yīng)力傳遞長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)證和模型修正。

圖1 建橋與拆橋預(yù)應(yīng)力體系效應(yīng)對(duì)比

橋梁新建時(shí)的結(jié)構(gòu)力學(xué)行為是一個(gè)長(zhǎng)期累積的過(guò)程，會(huì)受到環(huán)境等諸多因素影響。主梁從懸臂澆筑到成橋合龍，經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)成型、強(qiáng)度形成和共同受力3個(gè)階段，并在施工階段不斷累積施工誤差，尤其在合龍段施工時(shí)容易受到合龍高差、合龍溫差、混凝土早期收縮和水化熱等因素的影響，部分橋梁甚至存在強(qiáng)制合龍的施工工況，導(dǎo)致成橋后結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)復(fù)雜。長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后的橋梁在混凝土收縮徐變、日照溫度作用[26]和車輛荷載等耦合作用下，常出現(xiàn)跨中下?lián)虾土后w開(kāi)裂等現(xiàn)象，從而釋放結(jié)構(gòu)的次內(nèi)力。因此，新建橋梁的結(jié)構(gòu)力學(xué)行為是恒載內(nèi)力經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期累積到結(jié)構(gòu)性能臨界值后逐步釋放的過(guò)程。

橋梁拆除時(shí)的結(jié)構(gòu)力學(xué)行為是一個(gè)瞬間釋放的過(guò)程，會(huì)受到拆除技術(shù)及工藝等因素影響。從合龍段拆除到懸臂梁段拆除，尤其在橋梁合龍口打開(kāi)瞬間，切割的底板預(yù)應(yīng)力鋼束較多且結(jié)構(gòu)發(fā)生體系轉(zhuǎn)換，在變形的同時(shí)釋放出彎矩、軸力和剪力，產(chǎn)生較大的沖擊效應(yīng)。此外，由于拆除梁段與剩余梁段解除聯(lián)系的瞬間梁段自重沖擊效應(yīng)會(huì)通過(guò)橋面吊機(jī)作用于剩余梁段，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)第4.1.10節(jié)規(guī)定，吊裝時(shí)吊機(jī)及拆除梁段的重力取1.2的放大系數(shù)。因此，在橋梁拆除前往往需要將橋面附屬設(shè)施和加固措施等提前拆除，從而調(diào)整橋梁結(jié)構(gòu)恒載內(nèi)力狀態(tài)，有助于減小合龍口打開(kāi)瞬間釋放的沖擊效應(yīng)。

1.2 橋梁拆除技術(shù)存在的問(wèn)題

1.2.1 橋梁拆除前恒載內(nèi)力狀態(tài)評(píng)估不準(zhǔn)

早期建造的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋由于設(shè)計(jì)局限性和施工質(zhì)量缺陷，普遍存在梁體超欠方、基礎(chǔ)沉降、預(yù)應(yīng)力孔道灌漿不密實(shí)和梁段接縫開(kāi)裂等問(wèn)題，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)典型病害如圖2所示。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后，跨中下?lián)虾土后w開(kāi)裂等病害凸顯，部分橋梁通過(guò)張拉體外束和粘貼鋼板來(lái)改善跨中下?lián)虾土后w裂縫的發(fā)展。隨著體外束銹蝕和粘貼鋼板脫落，橋梁加固效果退化嚴(yán)重。此外，當(dāng)前橋梁檢測(cè)技術(shù)精度不高，橋梁結(jié)構(gòu)損傷定量識(shí)別困難，且結(jié)構(gòu)病害缺陷和多種加固行為難以精細(xì)化模擬和量化分析，使得橋梁拆除前狀態(tài)評(píng)估不準(zhǔn)，拆除中施工狀態(tài)預(yù)測(cè)不確定性高，導(dǎo)致施工狀態(tài)仿真分析與實(shí)測(cè)結(jié)果偏差較大。在橋梁拆除施工狀態(tài)分析中，當(dāng)橋梁拆除狀態(tài)評(píng)估偏不利時(shí)，需要額外的加固措施來(lái)提高安全儲(chǔ)備，增加了施工成本，延長(zhǎng)了工期，不符合低碳環(huán)保的綠色發(fā)展理念；當(dāng)橋梁拆除狀態(tài)評(píng)估偏有利時(shí)，拆除過(guò)程中存在構(gòu)件二次損傷的風(fēng)險(xiǎn)，不利于橋梁拆除施工狀態(tài)安全控制和拆除后構(gòu)件資源再利用。因此，在橋梁拆除前進(jìn)行精確的恒載內(nèi)力狀態(tài)評(píng)估至關(guān)重要。

圖2 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)典型病害

1.2.2 橋梁拆除中施工技術(shù)不完善

對(duì)于有通航要求的橋梁，傳統(tǒng)定向爆破拆除法往往會(huì)造成環(huán)境污染和航道中斷，不符合當(dāng)前綠色施工的理念。另外，部分橋梁由于橋位緊張，需要在上部結(jié)構(gòu)拆除后對(duì)下部結(jié)構(gòu)加固再利用；反澆筑順序的節(jié)段切割法由于橋梁狀態(tài)評(píng)估和施工仿真分析的不確定性參數(shù)多，難以實(shí)現(xiàn)精確預(yù)測(cè)，且缺乏系統(tǒng)的安全控制措施，導(dǎo)致橋墩在拆除過(guò)程中一旦出現(xiàn)較大的偏載效應(yīng)容易產(chǎn)生局部損傷。為了提高橋梁拆除施工的工作效率和安全性能，降低能源消耗和減小環(huán)境污染，部分學(xué)者針對(duì)公路跨線橋提出了橋梁快速拆除施工技術(shù)，例如：自行式模塊運(yùn)輸車快速拆除方法[11-12]和車載移動(dòng)支撐式分段提吊下放快速移除方法[13]等。然而對(duì)于峽谷和航道的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋，這些拆除方法卻難以適用。因此，有必要加快大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋拆除施工技術(shù)研發(fā)，推動(dòng)橋梁拆除施工技術(shù)往安全、高效、適用性強(qiáng)的方向創(chuàng)新發(fā)展。

2 橋梁智能拆除的內(nèi)涵、技術(shù)發(fā)展階段與必要性

2.1 橋梁智能拆除的內(nèi)涵

橋梁智能拆除是通過(guò)數(shù)字化信息技術(shù)，對(duì)橋梁拆除前和拆除中結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)感知，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)測(cè)量、分析、儲(chǔ)存和管理，并借助新一代信息技術(shù)遠(yuǎn)程操縱機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)橋梁人機(jī)協(xié)同拆除。隨著數(shù)字孿生體技術(shù)在橋梁工程中的探索實(shí)踐，在橋梁全生命周期內(nèi)對(duì)捕捉到的靜態(tài)元素和動(dòng)態(tài)元素進(jìn)行數(shù)字孿生體的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)更新，實(shí)現(xiàn)真實(shí)橋梁與虛擬橋梁之間孿生數(shù)據(jù)的交融互通，并通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬橋梁在拆除過(guò)程中進(jìn)行自感知、自演化、自學(xué)習(xí)、自評(píng)估、自決策和自執(zhí)行，從而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析、控制橋梁真實(shí)受力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)橋梁自動(dòng)化智能拆除。

2.2 橋梁智能拆除技術(shù)發(fā)展的2個(gè)階段

根據(jù)橋梁智能拆除的技術(shù)特征、控制形式、表現(xiàn)形式和實(shí)現(xiàn)功能，將橋梁智能拆除技術(shù)發(fā)展分為2個(gè)階段：智能拆除初級(jí)階段和高級(jí)階段，如表2所示。

表2 橋梁智能拆除技術(shù)發(fā)展的2個(gè)階段

2.3 橋梁智能拆除的必要性

橋梁拆除不僅是一項(xiàng)施工工程，也是一次實(shí)橋破壞試驗(yàn)。由于橋梁拆除常面臨恒載狀態(tài)評(píng)估不準(zhǔn)確、施工狀態(tài)預(yù)測(cè)不確定性高和拆除安全風(fēng)險(xiǎn)防控難度大等問(wèn)題，需要利用智能檢測(cè)和監(jiān)測(cè)技術(shù)全面感知橋梁拆除全過(guò)程的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，實(shí)時(shí)修正數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)虛擬橋梁對(duì)物理橋梁真實(shí)狀態(tài)的映射。以精確的恒載內(nèi)力狀態(tài)為基礎(chǔ)，對(duì)橋梁拆除施工狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并在拆除過(guò)程中通過(guò)調(diào)整施工指令優(yōu)化施工狀態(tài)，保障橋梁拆除過(guò)程中對(duì)構(gòu)件的切割、吊裝和運(yùn)輸安全可控。同時(shí)，為了減輕橋位緊張壓力、縮短施工工期和提升效益，避免再利用橋墩發(fā)生局部破壞，這對(duì)橋梁拆除精細(xì)化分析及控制提出了更高的精度要求。在橋梁拆除施工過(guò)程中，需要對(duì)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存、分析和管理，為后續(xù)橋梁拆除研究提供數(shù)據(jù)支撐，對(duì)數(shù)字化信息技術(shù)提出了新的需求。此外，橋梁拆除后構(gòu)件資源再利用需要對(duì)完整的拆除梁段進(jìn)行結(jié)構(gòu)有損檢測(cè)和長(zhǎng)期性能觀測(cè)，有必要減小拆除施工對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)及損傷，對(duì)智能化機(jī)械拆除施工提出了嚴(yán)格要求。因此，隨著新一代信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，基于數(shù)字孿生體技術(shù)的橋梁智能拆除能夠有效解決傳統(tǒng)橋梁拆除技術(shù)存在的問(wèn)題，具有較好的應(yīng)用前景。

3 基于數(shù)字孿生體技術(shù)的橋梁智能拆除展望

田鋒等[27]在《數(shù)字孿生體技術(shù)白皮書(shū)(2019)》中定義了數(shù)字孿生體是現(xiàn)有或?qū)⒂械奈锢韺?shí)體對(duì)象的數(shù)字模型，通過(guò)實(shí)測(cè)、仿真和數(shù)據(jù)分析來(lái)實(shí)時(shí)感知、診斷、預(yù)測(cè)物理實(shí)體對(duì)象的狀態(tài)，通過(guò)優(yōu)化指令來(lái)調(diào)控物理實(shí)體對(duì)象的行為，并通過(guò)相關(guān)數(shù)字模型間的相互學(xué)習(xí)來(lái)進(jìn)化自身；同時(shí)改進(jìn)利益相關(guān)方在物理實(shí)體對(duì)象生命周期內(nèi)的決策。數(shù)字孿生體不僅代表著數(shù)字孿生虛擬實(shí)體，還代表著數(shù)字孿生體系，如圖3所示。

圖3 數(shù)字孿生體系架構(gòu)組成

數(shù)字孿生體技術(shù)是將具有“三化”(數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化)和“三算”(算據(jù)、算力、算法)特征的新一代信息技術(shù)[28]與數(shù)字孿生體深度集成融合形成的新技術(shù)，其核心關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)集成[29]。智能橋梁[30]以數(shù)字化為核心，運(yùn)用數(shù)字孿生體技術(shù)，建立工程項(xiàng)目全過(guò)程、全要素、全參與方的連接[31]，使產(chǎn)業(yè)鏈各方協(xié)同完成橋梁的設(shè)計(jì)、制造、施工、養(yǎng)護(hù)和拆除，實(shí)現(xiàn)橋梁全生命周期[32-33]的實(shí)時(shí)感知、孿生模擬、精準(zhǔn)分析、智能控制，從而實(shí)時(shí)掌握橋梁全生命周期內(nèi)各個(gè)階段的真實(shí)狀態(tài)[34-35]，有助于實(shí)現(xiàn)橋梁拆除前成橋內(nèi)力狀態(tài)的精確評(píng)估和拆除施工狀態(tài)的精確預(yù)測(cè)。通過(guò)構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)工程項(xiàng)目信息化管控平臺(tái)，將橋梁全生命周期中累積的大量感知數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)形成孿生數(shù)據(jù)庫(kù)，提升數(shù)據(jù)處理和信息交互的質(zhì)量和效率，從而利用功能互補(bǔ)的智能機(jī)器人完成各種復(fù)雜拆除工藝操作，減少人為操作不當(dāng)所造成的不利影響[36]，實(shí)現(xiàn)橋梁機(jī)械智能化拆除。

對(duì)于老舊橋梁，由于傳統(tǒng)橋梁管養(yǎng)系統(tǒng)缺乏完整的設(shè)計(jì)、制造、施工和檢測(cè)等數(shù)據(jù)，在橋梁拆除前難以進(jìn)行精確的狀態(tài)評(píng)估和定量的損傷識(shí)別。在拆除中會(huì)積累大量的感知數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)字資產(chǎn)的分析和管理，可以為橋梁優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、規(guī)范智能施工標(biāo)準(zhǔn)、研發(fā)智能檢測(cè)設(shè)備、完善智能管養(yǎng)系統(tǒng)和精確評(píng)估拆除狀態(tài)等提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。

基于數(shù)字孿生體技術(shù)的橋梁智能拆除對(duì)物理橋梁的狀態(tài)分析是一個(gè)從粗糙到精細(xì)化的提升過(guò)程。在橋梁智能設(shè)計(jì)階段，需要充分考慮全生命周期內(nèi)各階段的特征，組織建立和管理橋梁全生命周期內(nèi)的數(shù)字模型。此外，在橋梁全生命周期過(guò)程中，需要及時(shí)將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、制造數(shù)據(jù)、材料性能、施工數(shù)據(jù)和檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至云端孿生數(shù)據(jù)庫(kù)；通過(guò)數(shù)字線程進(jìn)行信息傳遞和交流，實(shí)現(xiàn)全生命周期內(nèi)數(shù)字孿生體的關(guān)鍵信息共享和數(shù)字模型的動(dòng)態(tài)修正，從而實(shí)時(shí)掌握橋梁結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力狀態(tài)，并不斷推動(dòng)橋梁拆除工程由不確定、不可控向確定、可控的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)橋梁拆除安全可靠、智能高效和低碳環(huán)保的目標(biāo)?；跀?shù)字孿生體技術(shù)的橋梁智能拆除過(guò)程如圖4所示。

圖4 基于數(shù)字孿生體技術(shù)的橋梁智能拆除

4 橋梁智能拆除對(duì)數(shù)字孿生體技術(shù)的需求

數(shù)字孿生體技術(shù)作為真實(shí)橋梁與虛擬橋梁在全生命周期內(nèi)連接的媒介，為橋梁智能拆除高級(jí)階段的發(fā)展道路指明了方向。根據(jù)數(shù)字孿生體架構(gòu)的六大要素，將橋梁智能拆除對(duì)數(shù)字孿生體技術(shù)的需求分為6類，如圖5所示。

圖5 橋梁智能拆除數(shù)字孿生體技術(shù)需求

4.1 數(shù)字建模技術(shù)需求

數(shù)字建模是通過(guò)虛擬的數(shù)字化橋梁模型表達(dá)物理真實(shí)橋梁結(jié)構(gòu)元素和時(shí)空關(guān)系的過(guò)程，即數(shù)化；為橋梁數(shù)字孿生體提供一個(gè)無(wú)神經(jīng)和思想的軀體[27]。橋梁智能拆除全過(guò)程施工仿真分析需要精確的數(shù)字模型，基準(zhǔn)幾何數(shù)字模型和施工階段數(shù)字模型的精確程度對(duì)橋梁損傷識(shí)別及狀態(tài)評(píng)估精度會(huì)產(chǎn)生較大影響[37]。

對(duì)于老舊橋梁的拆除，利用數(shù)字建模技術(shù)有助于解決內(nèi)力狀態(tài)不可控和恒載狀態(tài)不明確等問(wèn)題，從而得到一個(gè)真實(shí)橋梁荷載狀況的初始狀態(tài)數(shù)字模型?；跀?shù)字孿生體技術(shù)的橋梁智能拆除需要在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行橋梁全生命周期的數(shù)字模型設(shè)計(jì)、分析和管理，并在生命周期內(nèi)不斷修正模型，從而得到一個(gè)無(wú)限逼近真實(shí)橋梁狀態(tài)的數(shù)字模型。目前，橋梁結(jié)構(gòu)3D模型重構(gòu)技術(shù)主要包括“GIS+BIM”技術(shù)[38]、三維激光掃描重構(gòu)技術(shù)[39]、無(wú)人機(jī)傾斜攝影建模技術(shù)[40]、基于三維激光掃描和傾斜攝影技術(shù)的三維實(shí)景融合建模技術(shù)等[41-42]，如圖6所示。橋梁拆除是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的施工過(guò)程，橋梁智能拆除仿真分析需要利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)去感知、識(shí)別和分析橋梁真實(shí)拆除狀態(tài)，從而獲得橋梁拆除過(guò)程中各類狀態(tài)信息并傳輸至數(shù)據(jù)庫(kù)，將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為模型信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)字模型的動(dòng)態(tài)修正。

圖6 橋梁結(jié)構(gòu)3D模型重構(gòu)技術(shù)

4.2 測(cè)量與控制技術(shù)需求

測(cè)量與控制實(shí)現(xiàn)了橋梁數(shù)字孿生體與真實(shí)橋梁之間實(shí)時(shí)互傳信息和數(shù)據(jù)，即互動(dòng)；為橋梁數(shù)字孿生體提供一個(gè)沒(méi)有思考能力但能感知和驅(qū)動(dòng)物理世界的神經(jīng)系統(tǒng)[27]。橋梁智能拆除過(guò)程中需要對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步計(jì)算分析，從而精準(zhǔn)識(shí)別施工現(xiàn)場(chǎng)狀況，快捷高效做出決策。橋梁智能拆除需要對(duì)同一結(jié)構(gòu)的多元屬性和不同結(jié)構(gòu)部位的單一屬性進(jìn)行監(jiān)測(cè)評(píng)估，并對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)幾何線形、應(yīng)力、裂縫和環(huán)境變量等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)采集足夠數(shù)量和類別的結(jié)構(gòu)信息時(shí)，可為橋梁損傷識(shí)別與當(dāng)前狀態(tài)評(píng)估提供重要依據(jù)[43]。由于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法直接判別結(jié)構(gòu)狀態(tài)，需要經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)分析才能得到明確含義；同時(shí)，數(shù)據(jù)采樣的頻率高且數(shù)據(jù)量大，增加了人工數(shù)據(jù)采集和分析的難度。

目前，橋梁監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)逐步向數(shù)字化和智能化方向發(fā)展。傳統(tǒng)的幾何線形監(jiān)測(cè)技術(shù)測(cè)量精度有限，且受到人為因素和環(huán)境條件的影響。利用動(dòng)態(tài)撓度圖像識(shí)別技術(shù)[44]可以實(shí)現(xiàn)主梁和橋墩線形動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，三維激光掃描技術(shù)采用非接觸式高速激光的測(cè)量方法，可以得到精確的三維坐標(biāo)空間點(diǎn)云模型，進(jìn)而快速提取結(jié)構(gòu)線形，將兩種方法結(jié)合，可以高效且高精度測(cè)量結(jié)構(gòu)位移和變形，并大大降低外業(yè)工作難度[45-46]，如圖7所示。對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，由于結(jié)構(gòu)已經(jīng)成型，埋入式應(yīng)變儀不適用于橋梁拆除應(yīng)力監(jiān)測(cè)，可以采用表貼振弦式應(yīng)變計(jì)、電測(cè)法和光纖光柵法等方法，并通過(guò)分布式網(wǎng)絡(luò)無(wú)線采集系統(tǒng)減少橋梁拆除監(jiān)測(cè)人員數(shù)量，進(jìn)一步保障監(jiān)測(cè)安全。

圖7 橋梁線形監(jiān)測(cè)技術(shù)

對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測(cè)，主要包括人工裂縫觀測(cè)儀、基于圖像預(yù)處理技術(shù)的裂縫自動(dòng)識(shí)別[47-51]、激光掃描儀(TLS)[52]與無(wú)人機(jī)三維重建[53]和基于機(jī)敏網(wǎng)的橋梁裂縫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[54-56]等，如圖8所示。此外，橋梁結(jié)構(gòu)在拆除過(guò)程中也會(huì)受到環(huán)境因素的影響，可以設(shè)置無(wú)線傳輸氣象站進(jìn)行環(huán)境變量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如圖9所示。

圖8 裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)

圖9 無(wú)線氣象監(jiān)測(cè)站

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以將橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[57]與互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)相連，即將所有的施工、監(jiān)測(cè)、管理設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)時(shí)連接。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行識(shí)別、定位、追蹤、監(jiān)控，確保實(shí)時(shí)獲取橋梁結(jié)構(gòu)信息，進(jìn)一步提高系統(tǒng)智能化水平，降低人的工作強(qiáng)度[58-59]，如圖10所示。在橋梁拆除過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)的少人化(或無(wú)人化)，從而防止人工操作不當(dāng)造成結(jié)構(gòu)損傷，可以根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)向智能機(jī)器設(shè)備發(fā)布施工指令，如瑞典Aqaujet高壓水射流混凝土清拆機(jī)器人、瑞典Brokk公司多功能破拆機(jī)器人和中國(guó)自動(dòng)化智能無(wú)線遙控液壓繩鋸機(jī)，實(shí)現(xiàn)橋梁拆除操作人機(jī)交互沉浸式體驗(yàn)[60]，并實(shí)時(shí)掌握工程進(jìn)度，確保橋梁拆除工作的安全高效，如圖11所示。

圖10 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的橋梁智能監(jiān)控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

圖11 自動(dòng)化智能拆除設(shè)備

4.3 模擬仿真技術(shù)需求

模擬仿真實(shí)現(xiàn)了橋梁全生命周期基于完整設(shè)計(jì)、制造、施工、管養(yǎng)信息和明確機(jī)理進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真并預(yù)測(cè)橋梁拆除施工狀態(tài)，即先知；為橋梁數(shù)字孿生體提供一個(gè)具有理性思維特征的左腦[27]。為了實(shí)現(xiàn)橋梁拆除前的狀態(tài)評(píng)估與拆除中的施工階段仿真模擬，需要將精確的幾何模型轉(zhuǎn)化為仿真模型進(jìn)行精細(xì)化分析。當(dāng)前，橋梁拆除檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算理論、模擬算法不太成熟，需要在工程實(shí)踐中不斷優(yōu)化和完善。

3D模型CAE仿真計(jì)算本身存在著兩方面的局限性。一方面，數(shù)字模型無(wú)法完全考慮橋梁全生命周期內(nèi)的所有變量，導(dǎo)致計(jì)算精度和考慮問(wèn)題的全面性無(wú)法得到保證；另一方面，細(xì)節(jié)的精細(xì)化處理會(huì)增加工作量和計(jì)算量，計(jì)算機(jī)算力無(wú)法匹配數(shù)字模型的復(fù)雜程度，導(dǎo)致模擬效率低下，延遲數(shù)據(jù)的滯后性會(huì)嚴(yán)重影響實(shí)際工程的應(yīng)用。因此在進(jìn)行3D模型仿真前，需要對(duì)所有變量進(jìn)行敏感性區(qū)分，對(duì)于結(jié)構(gòu)影響較小的變量進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，同時(shí)不斷提升計(jì)算機(jī)的算力。

隨著云計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，可以有效彌補(bǔ)計(jì)算機(jī)算力不足這一關(guān)鍵問(wèn)題。云計(jì)算是以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通過(guò)虛擬化技術(shù)構(gòu)建資源池，對(duì)用戶提供動(dòng)態(tài)可伸縮的計(jì)算、存儲(chǔ)資源和網(wǎng)絡(luò)資源[61-62]。目前，云計(jì)算在橋梁長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。通過(guò)結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)和機(jī)器學(xué)習(xí)等大數(shù)據(jù)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了挖掘異常數(shù)據(jù)與橋梁可靠度計(jì)算的引擎，克服了傳統(tǒng)的離線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)法勝任海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理和分析等數(shù)據(jù)處理能力缺陷，有效解決橋梁損傷識(shí)別和模型修正計(jì)算規(guī)模大且復(fù)雜等問(wèn)題[63]，在橋梁智能拆除中具有很好的應(yīng)用前景。

4.4 數(shù)據(jù)分析技術(shù)需求

數(shù)據(jù)分析是通過(guò)數(shù)字孿生體基于橋梁不完整的設(shè)計(jì)、制造、施工、管養(yǎng)信息和不明確機(jī)理進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，并不斷修正算法模型、數(shù)據(jù)模型和機(jī)理模型，使數(shù)字模型逼近真實(shí)橋梁結(jié)構(gòu)的過(guò)程，即先覺(jué)；為橋梁數(shù)字孿生體提供一個(gè)具有感性思維特征的右腦[27]。橋梁拆除的關(guān)鍵就是要實(shí)現(xiàn)橋梁拆除前的恒載狀態(tài)精準(zhǔn)評(píng)估和拆除過(guò)程中的施工狀態(tài)安全可控。橋梁拆除前的狀態(tài)評(píng)估與拆除中的狀態(tài)預(yù)測(cè)可以采用“狀態(tài)反演”和“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”兩種方法：狀態(tài)反演的方法是基于橋梁結(jié)構(gòu)有限元建模、參數(shù)檢測(cè)、模型修正、狀態(tài)驗(yàn)證等過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)樣本的降噪處理和數(shù)字模型的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)修正；而數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法是根據(jù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)永久監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)本身的變化規(guī)律及概率分布，識(shí)別結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化模式[64]。

大數(shù)據(jù)具有大量(Volume)、高速(Velocity)、多樣(Variety)、可變性(Variability)、低價(jià)值密度(Value)的特征[65]，通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)有助于解決上述兩種方法數(shù)據(jù)分析中存在的計(jì)算能力不足、容錯(cuò)率低和價(jià)值數(shù)據(jù)提取管理能力低效等問(wèn)題。大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展將不斷驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)全面發(fā)展；同時(shí)，深度學(xué)習(xí)將推動(dòng)橋梁外觀檢測(cè)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合，通過(guò)建立數(shù)據(jù)庫(kù)并不斷地訓(xùn)練，挖掘更多數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律和結(jié)構(gòu)構(gòu)件劣化演變規(guī)律，實(shí)現(xiàn)外觀檢測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)狀態(tài)評(píng)估的有機(jī)統(tǒng)一，為結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估和損傷識(shí)別提供完備的數(shù)據(jù)支持[66]。

4.5 數(shù)字資產(chǎn)管理技術(shù)需求

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與模擬仿真得到的大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)有助于建立橋梁拆除數(shù)據(jù)庫(kù)。橋梁數(shù)字孿生體通過(guò)不斷積累、管理、追溯和共享數(shù)據(jù)形成數(shù)字資產(chǎn)，并通過(guò)傳承、協(xié)同和進(jìn)化，實(shí)現(xiàn)多個(gè)橋梁孿生體之間共享智慧和共同進(jìn)化的過(guò)程，即共智；使橋梁數(shù)字孿生體具有社會(huì)性[27]。為了在橋梁的全生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生，需要基于模型的系統(tǒng)工程技術(shù)進(jìn)行模型框架頂層設(shè)計(jì)，確定橋梁設(shè)計(jì)、制造、施工、養(yǎng)護(hù)和拆除數(shù)字模型的基本組成架構(gòu)；通過(guò)數(shù)字線程技術(shù)為各數(shù)字模型之間建立通信框架，確定信息傳輸?shù)耐緩?；利用區(qū)塊鏈技術(shù)保障橋梁數(shù)字孿生體內(nèi)部數(shù)字模型和外部數(shù)字孿生體之間通信框架的安全，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體智慧交換與共享。

不同于以自然語(yǔ)言和文本格式為主的傳統(tǒng)系統(tǒng)工程[67]，基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE技術(shù))主張以模型的形式持續(xù)貫穿系統(tǒng)建立的全過(guò)程[68]。在橋梁全生命周期內(nèi)，借助數(shù)字孿生體技術(shù)推動(dòng)數(shù)字模型對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)真實(shí)映射并不斷進(jìn)化，從而實(shí)時(shí)掌握橋梁結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀態(tài)，但面臨著仿真平臺(tái)不統(tǒng)一導(dǎo)致數(shù)字模型無(wú)法重用，核心算法底層語(yǔ)言不兼容導(dǎo)致無(wú)法整合升級(jí)，數(shù)據(jù)跨平臺(tái)不共享導(dǎo)致可信度降低等問(wèn)題。因此，需要構(gòu)建一套獨(dú)立的建模語(yǔ)言、建模思路、建模工具和建模工作組織管理方法，并為模型構(gòu)建、使用、維護(hù)和管理等提供全方位的指導(dǎo)[69]。通過(guò)MBSE技術(shù)可以確保模型開(kāi)發(fā)和管理過(guò)程規(guī)范、系統(tǒng)、可控，全方位確保模型可信[70]，超前發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中早期的錯(cuò)誤，從而最大限度地降低研發(fā)成本，降低管理的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)工程的精確度；將整個(gè)系統(tǒng)工程作為一個(gè)技術(shù)體系和方法，而不是作為一系列的事件[71-72]。

無(wú)論是橋梁拆除的基準(zhǔn)數(shù)字模型還是施工仿真數(shù)字模型，都需要根據(jù)信息數(shù)據(jù)不斷進(jìn)行仿真優(yōu)化和實(shí)時(shí)修正。數(shù)字線程技術(shù)就是要建立信息傳輸?shù)耐ㄐ趴蚣?，在橋梁全生命周期?nèi)，將孿生數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)礁鲾?shù)字模型，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化升級(jí)。一方面，橋梁設(shè)計(jì)部門(mén)需要承擔(dān)橋梁全生命周期內(nèi)初始數(shù)字模型的構(gòu)建、維護(hù)和仿真分析；另一方面，在實(shí)際施工過(guò)程中，需要將每一步的施工信息輸入模型并不斷優(yōu)化，預(yù)測(cè)和指導(dǎo)下一步施工，并對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，判斷是否達(dá)到預(yù)期，通過(guò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)修正數(shù)字模型，直到數(shù)據(jù)偏差處于允許范圍之內(nèi)[73]。此外，數(shù)字線程還提供了數(shù)字孿生體之間數(shù)字資產(chǎn)交換和共享的通道。橋梁拆除得到的數(shù)據(jù)庫(kù)不但可以為同類型橋梁拆除提供分析方法和技術(shù)手段，還可以為其他橋梁數(shù)字孿生體全生命周期內(nèi)各個(gè)階段數(shù)字模型提供寶貴的檢測(cè)數(shù)據(jù)，有助于準(zhǔn)確評(píng)估結(jié)構(gòu)狀態(tài)和掌握病害演化規(guī)律。

由于數(shù)字模型的復(fù)雜性和不確定性，在設(shè)計(jì)、制造、施工、養(yǎng)護(hù)和拆除過(guò)程中需要進(jìn)行大量的數(shù)字孿生仿真模擬，產(chǎn)生大量的孿生數(shù)據(jù)。因此，需要確保數(shù)據(jù)信息鏈條的安全可信，降低數(shù)字資產(chǎn)出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，仿真模擬也需要健壯的節(jié)點(diǎn)算力和流暢的網(wǎng)絡(luò)。區(qū)塊鏈[74-75]是由區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)共同參與維護(hù)的去中心化分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，可以形成能夠安全存儲(chǔ)簡(jiǎn)單的、有先后關(guān)系的、能在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行驗(yàn)證的數(shù)據(jù)鏈條，具有去中心化、網(wǎng)絡(luò)健壯、靈活性、安全可信等特點(diǎn)[76-77]。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)化[78]和類型擴(kuò)展[79]，目前已經(jīng)涉及數(shù)學(xué)、密碼學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等領(lǐng)域[80]。因此，將區(qū)塊鏈技術(shù)作為橋梁數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)儲(chǔ)存、同步、追蹤和傳遞的最佳媒介，可以確保橋梁數(shù)字孿生體的實(shí)時(shí)仿真分析能力和信息管理安全。

4.6 人機(jī)交互技術(shù)需求

人機(jī)交互是人類與橋梁數(shù)字孿生體交流的可視化界面，可以掌握數(shù)字模型的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，通過(guò)超前推演橋梁拆除施工過(guò)程，優(yōu)化橋梁拆除施工工藝，為橋梁數(shù)字孿生體提供一個(gè)感知世界的五官[27]。由于檢測(cè)技術(shù)的局限性和結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估的不確定性，需要在橋梁拆除前制定嚴(yán)密的施工組織計(jì)劃和預(yù)警機(jī)制，并借助虛擬仿真技術(shù)對(duì)橋梁拆除施工方案提前預(yù)演，優(yōu)化施工細(xì)節(jié)，尋求最優(yōu)解；通過(guò)遠(yuǎn)程傳輸實(shí)時(shí)掌握施工階段橋梁真實(shí)狀態(tài)，確保橋梁拆除的安全可控。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種集成了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、人工智能、傳感器、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)并行處理的最新發(fā)展成果的高技術(shù)仿真模擬系統(tǒng)，在橋梁的全生命周期內(nèi)，利用可觀察、操縱、裝配、拆卸的三維數(shù)字虛擬模型代替物理原型，使數(shù)字虛擬模型具有多感知性、沉浸感、交互性和構(gòu)想性等特征[81]。當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)處于探索應(yīng)用階段，并在橋梁智能設(shè)計(jì)[82]、橋梁虛擬制造[83]、橋梁虛擬施工[84-85]、橋梁智能養(yǎng)護(hù)[86]等方面取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果。

5 橋梁拆除案例分析

5.1 工程概況

某舊橋?yàn)樗目珙A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，在1999年進(jìn)行第一次頂板和底板體外束加固后，結(jié)構(gòu)性能得到了短期提升，有效抑制了梁段接縫處裂縫的發(fā)展，但腹板裂縫持續(xù)發(fā)展，結(jié)構(gòu)性能呈持續(xù)劣化趨勢(shì)；在2007年進(jìn)行第二次底板體外束加固后，養(yǎng)護(hù)前期結(jié)構(gòu)性能劣化得到了有效的抑制，養(yǎng)護(hù)中期結(jié)構(gòu)性能劣化速率緩慢，養(yǎng)護(hù)后期預(yù)應(yīng)力損失嚴(yán)重且交通量劇增，修補(bǔ)后結(jié)構(gòu)裂縫繼續(xù)發(fā)展，尤其在2018年，體外束齒塊豎向裂縫和齒塊附近箱室外底板縱向裂縫開(kāi)始陸續(xù)出現(xiàn)并持續(xù)發(fā)展，如圖12、13所示，結(jié)構(gòu)性能劣化速率突然加快，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)承載能力計(jì)算評(píng)定結(jié)果不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，橋梁跨徑布置及結(jié)構(gòu)性能劣化曲線如圖14、15所示。

圖12 體外束齒塊裂縫

圖13 齒塊附近底板裂縫

圖14 橋梁結(jié)構(gòu)示意圖(單位:m)

圖15 橋梁結(jié)構(gòu)性能劣化曲線

為了進(jìn)一步探究橋梁長(zhǎng)期性能劣化特征，將背景橋與同路線上的另一座三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的技術(shù)狀況進(jìn)行對(duì)比分析，研究結(jié)果表明：當(dāng)橋梁錯(cuò)過(guò)最佳養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)后，結(jié)構(gòu)病害的傳遞和惡化會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)性能加速劣化，過(guò)早進(jìn)入病害高發(fā)期。由于橋梁結(jié)構(gòu)性能的評(píng)估和預(yù)測(cè)具有較高的不確定性，如果不能針對(duì)病害根源進(jìn)行有效處治，即使花費(fèi)巨額的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用進(jìn)行大修加固能夠快速大幅提升結(jié)構(gòu)性能，但“過(guò)度醫(yī)療”的橋梁結(jié)構(gòu)在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后結(jié)構(gòu)性能劣化速率會(huì)不斷加快，將大大縮短橋梁的使用壽命。因此，在最佳的養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)采取合適的養(yǎng)護(hù)措施，可以有效延長(zhǎng)橋梁使用壽命。由于該橋交通量呈逐年增加趨勢(shì)，早已超過(guò)設(shè)計(jì)交通量，作為連接兩地的重要交通樞紐，橋位緊張且通航要求高。綜合考慮后決定將橋梁上部結(jié)構(gòu)拆除后重建，下部結(jié)構(gòu)加固后繼續(xù)使用，要求拆除時(shí)確保上部結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)突發(fā)結(jié)構(gòu)性破壞，下部結(jié)構(gòu)不發(fā)生二次損傷。

橋梁在經(jīng)過(guò)復(fù)雜的加固措施后結(jié)構(gòu)恒載內(nèi)力愈加復(fù)雜，橋梁拆除前結(jié)構(gòu)狀態(tài)難以進(jìn)行精準(zhǔn)評(píng)估，對(duì)仿真模型和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提出了更高的精度要求。在進(jìn)行拆除施工階段仿真分析時(shí)，對(duì)于橋梁檢測(cè)無(wú)法確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料屬性，可以通過(guò)狀態(tài)反演的方法初步擬定，并根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)修正。在橋梁傳統(tǒng)拆除方法的基礎(chǔ)上，探索應(yīng)用數(shù)字孿生體技術(shù)，有助于提高橋梁拆除全過(guò)程內(nèi)力狀態(tài)預(yù)測(cè)和控制精度，從而避免拆除后再利用構(gòu)件發(fā)生二次損傷。

5.2 橋梁拆除精細(xì)化仿真分析方法

本項(xiàng)目采用ABAQUS通用有限元分析軟件進(jìn)行模擬仿真分析，混凝土結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元C3D8模擬，預(yù)應(yīng)力鋼束采用桁架單元T3D2模擬，混凝土結(jié)構(gòu)與預(yù)應(yīng)力鋼束采用“埋置法”將鋼束自由度全約束，模型網(wǎng)格劃分如圖16所示。

圖16 大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋模型

大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋在拆除過(guò)程中，為了避免破壞待拆除梁段的預(yù)應(yīng)力錨具，在對(duì)拆除梁段劃分時(shí)，通常與正裝梁段接縫間隔50 cm，并對(duì)拆除吊裝梁段進(jìn)行重量校核。橋面系及附屬設(shè)施拆除時(shí)，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)施加和釋放面荷載來(lái)模擬恒載效應(yīng)，由于橋面系拆除保留了橋面鋪裝，可以通過(guò)修正彈性模量來(lái)考慮鋪裝層在拆除階段對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)剛度的影響。在橋梁拆除過(guò)程中，拆除梁段與剩余梁段解除聯(lián)系瞬間所產(chǎn)生的沖擊效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)受力不利。通過(guò)參考點(diǎn)與主梁?jiǎn)卧g耦合來(lái)模擬梁段吊裝，吊機(jī)及拆除梁段的沖擊效應(yīng)根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)第4.1.10節(jié)規(guī)定計(jì)算。橋梁結(jié)構(gòu)采用降溫法施加預(yù)應(yīng)力，通過(guò)ABAQUS中生死單元功能模擬預(yù)應(yīng)力鋼束的先張法和后張法過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)橋梁新建和拆除施工全過(guò)程模擬。

在橋梁拆除前，為了得到較為精準(zhǔn)的橋梁恒載內(nèi)力狀態(tài)，對(duì)橋梁長(zhǎng)期跨中下?lián)线M(jìn)行狀態(tài)反演，通過(guò)修正模型參數(shù)使實(shí)測(cè)跨中下?lián)现挡粩啾平碚摽缰邢聯(lián)现怠Ｒ虼?，需要借助ABAQUS子程序進(jìn)行精細(xì)化模擬，從而精準(zhǔn)分析混凝土主梁在空間效應(yīng)下長(zhǎng)期收縮徐變所產(chǎn)生的跨中變形[87-88]。

在橋梁拆除過(guò)程中，日照溫度效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的擾動(dòng)有時(shí)會(huì)超過(guò)橋梁拆除本身所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，導(dǎo)致橋梁拆除結(jié)構(gòu)響應(yīng)精準(zhǔn)識(shí)別困難，無(wú)法通過(guò)狀態(tài)反演來(lái)動(dòng)態(tài)修正模型和監(jiān)控閾值。因此，為了精確識(shí)別荷載-環(huán)境耦合作用下橋梁拆除施工階段的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，將光線追蹤技術(shù)的陰影識(shí)別算法嵌入ABAQUS軟件的自定義熱源子程序DFLUX[89-90]得到三維日照溫度場(chǎng)(圖17)，并對(duì)三維日照溫度效應(yīng)進(jìn)行精準(zhǔn)分析，從而剔除溫度效應(yīng)對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的擾動(dòng)，橋梁拆除精細(xì)化仿真分析方法如圖18所示。

圖17 大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋三維日照溫度場(chǎng)陰影對(duì)比

圖18 橋梁拆除精細(xì)化仿真分析方法

當(dāng)前，通過(guò)模擬仿真技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)橋梁拆除全過(guò)程的精細(xì)化數(shù)值仿真分析，從而預(yù)先掌握橋梁在拆除過(guò)程中的結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)；但也面臨著數(shù)字模型的細(xì)節(jié)優(yōu)化和計(jì)算效率提高等技術(shù)瓶頸，模擬仿真數(shù)據(jù)的滯后性會(huì)影響數(shù)字孿生體技術(shù)在實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用。

5.3 橋梁拆除前狀態(tài)評(píng)估

橋梁拆除前狀態(tài)評(píng)估的關(guān)鍵是對(duì)橋梁恒載內(nèi)力狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)分析。由于該橋存在設(shè)計(jì)局限性和施工質(zhì)量缺陷，導(dǎo)致跨中下?lián)虾土后w開(kāi)裂等問(wèn)題凸顯，然而橋梁檢測(cè)技術(shù)手段對(duì)于有效預(yù)應(yīng)力大小、預(yù)應(yīng)力孔道灌漿密實(shí)度和主梁節(jié)段剛度等結(jié)構(gòu)狀態(tài)難以進(jìn)行精準(zhǔn)定量識(shí)別。通過(guò)數(shù)字建模技術(shù)在橋梁拆除前進(jìn)行數(shù)字重構(gòu)，建立精準(zhǔn)的數(shù)字模型，進(jìn)行精細(xì)化數(shù)值仿真分析，系統(tǒng)研究橋梁結(jié)構(gòu)病害成因及演化規(guī)律，結(jié)合橋梁外觀病害和模擬仿真結(jié)果進(jìn)行狀態(tài)反演，動(dòng)態(tài)修正數(shù)字模型，使其不斷逼近橋梁真實(shí)結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

為了掌握精準(zhǔn)的恒載狀態(tài)及拆除梁段吊重，通過(guò)三維激光掃描儀獲取全橋點(diǎn)云，進(jìn)行降噪、處理和識(shí)別；利用全站儀測(cè)量梁段內(nèi)外輪廓特征點(diǎn)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)斷面分析，并根據(jù)各斷面的輪廓線計(jì)算梁段的真實(shí)體積和重量，橋梁結(jié)構(gòu)超欠方現(xiàn)象如圖19、20所示。對(duì)于主梁超欠方導(dǎo)致的不平衡恒載問(wèn)題，可以通過(guò)逐段修正仿真模型的重力系數(shù)來(lái)反映橋梁真實(shí)恒載內(nèi)力狀態(tài)，并在后續(xù)梁段拆除過(guò)程中精準(zhǔn)考慮不平衡吊重的偏載效應(yīng)。

圖19 左幅箱梁實(shí)測(cè)超欠方體積

橋梁有效預(yù)應(yīng)力檢測(cè)通常采用抽檢的方式，測(cè)量結(jié)果不可靠且難以準(zhǔn)確掌握橋梁整體預(yù)應(yīng)力狀態(tài)。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行參數(shù)化分析，綜合考慮基礎(chǔ)沉降、混凝土長(zhǎng)期收縮徐變和測(cè)量時(shí)的線性溫差等因素對(duì)跨中下?lián)系挠绊?，在?duì)橋梁跨中下?lián)侠碚撚?jì)算值與實(shí)測(cè)變形值對(duì)比分析后，初步推定橋梁整體有效預(yù)應(yīng)力大小，并與有效預(yù)應(yīng)力的抽檢結(jié)果進(jìn)行校核。此外，在后續(xù)拆除過(guò)程中需要不斷識(shí)別結(jié)構(gòu)響應(yīng)，從而進(jìn)一步修正剩余梁段的有效預(yù)應(yīng)力大小。

5.4 橋梁拆除中的施工監(jiān)測(cè)

由于施工資料的缺失和檢測(cè)技術(shù)的局限性，難以對(duì)橋梁拆除前的結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行精準(zhǔn)定量分析，導(dǎo)致橋梁恒載受力狀態(tài)評(píng)估不準(zhǔn)。鑒于當(dāng)前橋梁真實(shí)狀態(tài)評(píng)估的不確定性，需要通過(guò)測(cè)量與控制技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力、裂縫和環(huán)境變量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并在橋梁拆除中對(duì)仿真數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，從而驗(yàn)證仿真模型恒載狀態(tài)的合理性，將仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的分析、整理和管理，形成數(shù)字資產(chǎn)；通過(guò)識(shí)別結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行模型動(dòng)態(tài)修正，實(shí)現(xiàn)橋梁拆除全過(guò)程的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)一直都是橋梁施工監(jiān)控的工作重點(diǎn)。在橋梁拆除前需要借助水準(zhǔn)儀和全站儀對(duì)橋梁主梁線形和橋墩變形進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，并將其作為結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)的初始狀態(tài)。對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，由于結(jié)構(gòu)已經(jīng)成形，可以使用表貼振弦式應(yīng)變計(jì)，通過(guò)無(wú)線采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，減少監(jiān)測(cè)人員數(shù)量和外業(yè)工作強(qiáng)度，有助于保障施工監(jiān)測(cè)安全。此外，對(duì)橋梁拆除中的大型臨時(shí)結(jié)構(gòu)有必要進(jìn)行變形、沉降和應(yīng)力監(jiān)測(cè)，確保橋梁施工器具的使用安全。

橋梁結(jié)構(gòu)性裂縫被視為橋梁宏觀安全警戒線。一旦橋梁結(jié)構(gòu)性裂縫呈擴(kuò)大發(fā)展趨勢(shì)，勢(shì)必導(dǎo)致橋梁突發(fā)結(jié)構(gòu)性破壞。對(duì)于再利用橋墩，在拆除時(shí)不允許橋墩發(fā)生二次損傷。因此，在橋梁拆除過(guò)程中需要對(duì)橋梁重要構(gòu)件和易損部位進(jìn)行應(yīng)力和裂縫的跟蹤監(jiān)測(cè)。在橋梁拆除過(guò)程中通過(guò)無(wú)線傳輸氣象站進(jìn)行環(huán)境變量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有助于進(jìn)一步修正模型的環(huán)境變量，從而反映橋梁拆除過(guò)程中的真實(shí)施工狀態(tài)；尤其對(duì)于海岸港口的橋梁拆除，需要充分考慮臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣對(duì)橋面吊機(jī)或拆建一體機(jī)等大型臨時(shí)結(jié)構(gòu)的影響。

圖20 右幅箱梁實(shí)測(cè)超欠方體積

5.5 橋梁拆除安全控制策略

(1)橋梁拆除兩級(jí)預(yù)警機(jī)制

大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋拆除施工監(jiān)控采用兩級(jí)預(yù)警機(jī)制，如圖21所示。一般預(yù)警機(jī)制要求橋梁拆除施工狀態(tài)的應(yīng)力曲線逐漸逼近預(yù)定的設(shè)計(jì)應(yīng)力曲線，并以精細(xì)化分析的成橋狀態(tài)理論值為基礎(chǔ)，分析應(yīng)力理論增量和實(shí)測(cè)增量的差異，判別理論應(yīng)力曲線與實(shí)測(cè)應(yīng)力曲線的誤差是否處于容許誤差波動(dòng)范圍內(nèi)。當(dāng)誤差超過(guò)容許誤差波動(dòng)范圍時(shí)，應(yīng)當(dāng)分析誤差成因及影響程度，及時(shí)修正仿真模型，使理論應(yīng)力曲線接近實(shí)測(cè)應(yīng)力曲線，監(jiān)控閾值逐步逼近橋梁真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)。

圖21 橋梁拆除兩級(jí)預(yù)警機(jī)制閾值設(shè)定示意圖

安全預(yù)警機(jī)制需要判別當(dāng)前施工階段實(shí)測(cè)應(yīng)力水平與破壞特征的一致性，從而驗(yàn)證橋梁實(shí)測(cè)應(yīng)力曲線的準(zhǔn)確性，并要求橋梁拆除施工狀態(tài)的實(shí)測(cè)應(yīng)力曲線不超過(guò)安全預(yù)警警戒線。當(dāng)實(shí)測(cè)應(yīng)力水平和破壞特征不一致時(shí)，橋梁實(shí)測(cè)應(yīng)力曲線與真實(shí)應(yīng)力曲線存在一定的誤差，需要重新評(píng)估恒載內(nèi)力狀態(tài)和實(shí)測(cè)應(yīng)力增量的準(zhǔn)確度，并進(jìn)行相應(yīng)的模型修正和測(cè)量校核。當(dāng)橋梁實(shí)測(cè)應(yīng)力曲線逼近真實(shí)應(yīng)力曲線且橋梁拆除施工狀態(tài)的應(yīng)力曲線超過(guò)安全預(yù)警警戒線時(shí)，需要立即采取安全控制措施并調(diào)整橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)，確保橋梁拆除安全。

(2)設(shè)置臨時(shí)支架

該橋運(yùn)營(yíng)至今，梁體裂縫持續(xù)發(fā)展，橋墩出現(xiàn)了明顯的橫向裂縫，部分裂縫向兩側(cè)延伸。在橋梁拆除前，借助三維激光掃描儀和全站儀精準(zhǔn)識(shí)別主梁的真實(shí)體積，梁段的整體超欠方現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致橋墩承受明顯的偏載效應(yīng)。此外，在體外束解除、合龍口打開(kāi)和懸臂梁段拆除的瞬間，會(huì)對(duì)橋墩產(chǎn)生較大的沖擊效應(yīng)，梁段吊裝下放不同步所產(chǎn)生的偏載效應(yīng)也會(huì)對(duì)橋墩受力不利。因此，在橋梁拆除前，應(yīng)當(dāng)在橋墩兩側(cè)設(shè)計(jì)臨時(shí)支架，確保主梁與支架之間緊密連接，從而有效輔助橋墩受力。

(3)合龍口勁性骨架臨時(shí)鎖定

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后，橋梁內(nèi)力狀態(tài)復(fù)雜且難以進(jìn)行精確的恒載內(nèi)力狀態(tài)評(píng)估。橋梁合龍段拆除時(shí)，在合龍口打開(kāi)瞬間會(huì)發(fā)生體系轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)內(nèi)力轉(zhuǎn)換為外力，釋放出較大的彎矩、剪力和軸力，并產(chǎn)生沖擊效應(yīng)；同時(shí)，最大懸臂梁段會(huì)發(fā)生明顯的豎向和縱向變形。因此，有必要在合龍段設(shè)置勁性骨架進(jìn)行臨時(shí)鎖定，確保合龍段拆除安全可控，如圖22所示。一方面，安裝勁性骨架可以有效避免合龍口打開(kāi)瞬間梁體變形導(dǎo)致的切割卡鋸現(xiàn)象，并將合龍口打開(kāi)瞬間釋放的沖擊效應(yīng)通過(guò)勁性骨架和吊機(jī)轉(zhuǎn)移至剩余梁段，從而有效防止沖擊效應(yīng)損傷施工機(jī)械器具，實(shí)現(xiàn)合龍段拆除施工狀態(tài)由不可控轉(zhuǎn)向可控；另一方面，拆除過(guò)程中可以對(duì)勁性骨架結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而評(píng)估合龍口打開(kāi)瞬間所釋放的沖擊效應(yīng)，進(jìn)一步驗(yàn)證材料特性并修正模型參數(shù)，將合龍段拆除狀態(tài)由不確定轉(zhuǎn)向確定。

圖22 合龍段拆除勁性骨架臨時(shí)鎖定示意圖

(4)預(yù)先割斷翼緣板鋼束

在橋梁懸臂梁段拆除過(guò)程中，墩梁固接處的梁段由于頂板有效預(yù)應(yīng)力所產(chǎn)生的正彎矩與恒載負(fù)彎矩不匹配，存在底板拉裂和頂板壓潰的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致拆除梁段局部破壞，嚴(yán)重影響梁段切割和吊裝過(guò)程的施工安全。因此，在6#梁段拆除后，通過(guò)預(yù)先割斷翼緣板鋼束來(lái)釋放部分正彎矩。通過(guò)仿真分析可知，墩梁固接處頂板壓應(yīng)力將由14.0 MPa減小至7.0 MPa，可以有效減緩后續(xù)梁段拆除頂板壓應(yīng)力增長(zhǎng)速率，防止頂板壓應(yīng)力超限。由于切割后剩余梁段鋼束的預(yù)應(yīng)力傳遞長(zhǎng)度不明確，需要在拆除過(guò)程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)識(shí)別，并調(diào)整翼緣板鋼束的切割位置和次數(shù)，從而完全釋放翼緣板鋼束正彎矩，如圖23所示。此外，可以通過(guò)合理配重調(diào)整懸臂梁段恒載內(nèi)力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)拆除施工過(guò)程中預(yù)應(yīng)力正彎矩與恒載負(fù)彎矩動(dòng)態(tài)匹配的目標(biāo)。

圖23 懸臂梁段拆除時(shí)切割與不切割翼緣板鋼束預(yù)應(yīng)力效應(yīng)對(duì)比

5.6 橋梁拆除后構(gòu)件資源再利用

橋梁拆除資源再利用可以分為以下3類：系統(tǒng)級(jí)，即舊橋翻新加固改造；產(chǎn)品級(jí)，即舊橋構(gòu)件無(wú)損拆除再利用；材料級(jí)，即橋梁結(jié)構(gòu)材料破碎分離再利用。通過(guò)開(kāi)展拆除和固廢資源化研究有助于完善橋梁生命周期理論，使其拓展成閉合的循環(huán)發(fā)展生命周期[91]。橋梁拆除后構(gòu)件資源再利用要求橋梁結(jié)構(gòu)在拆除過(guò)程中避免發(fā)生局部破壞，保持梁段的完整性，有助于推動(dòng)橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別和狀態(tài)評(píng)估等相關(guān)技術(shù)及理論的創(chuàng)新發(fā)展。

由于現(xiàn)有橋梁檢測(cè)技術(shù)手段難以精準(zhǔn)掌握待拆梁段的有效預(yù)應(yīng)力，導(dǎo)致橋梁施工狀態(tài)評(píng)估困難。對(duì)拆除后的完整梁段開(kāi)展承載能力破壞性試驗(yàn)，反演梁段的有效預(yù)應(yīng)力，并對(duì)部分梁段的預(yù)應(yīng)力孔道進(jìn)行有損檢測(cè)，校核超聲波檢測(cè)儀的準(zhǔn)確度。由于數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)不太成熟且缺乏實(shí)際工程驗(yàn)證，可在橋梁拆除前借助三維激光掃描儀對(duì)拆除梁段超欠方狀況進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別，并結(jié)合拆除后構(gòu)件實(shí)測(cè)參數(shù)開(kāi)展相關(guān)技術(shù)研究，優(yōu)化復(fù)雜結(jié)構(gòu)的點(diǎn)云處理算法，從而進(jìn)一步提高三維激光掃描儀的測(cè)量精度和效率。此外，對(duì)橋梁進(jìn)行有選擇和分類等重要特征的綠色拆除能夠顯著提高拆除后構(gòu)件固廢資源化利用程度。通過(guò)開(kāi)展拆除和固廢資源化研究有助于完善橋梁生命周期理論，使其拓展成閉合的循環(huán)發(fā)展生命周期[91]。

當(dāng)前，對(duì)大量運(yùn)營(yíng)橋梁結(jié)構(gòu)病害成因及其演化規(guī)律認(rèn)識(shí)不足，橋梁加固后結(jié)構(gòu)性病害有持續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)，使得橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用壽命往往無(wú)法達(dá)到預(yù)定的使用年限。通過(guò)對(duì)橋梁拆除后典型構(gòu)件進(jìn)行耐久性試驗(yàn)和長(zhǎng)期性能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，研究橋梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期性能演化規(guī)律，有助于對(duì)老舊橋梁開(kāi)展有效的監(jiān)測(cè)、評(píng)估和加固工作，從而掌握實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下橋梁的性能表現(xiàn)，為橋梁管理提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支持，延長(zhǎng)橋梁結(jié)構(gòu)使用壽命，并使設(shè)計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)在預(yù)定的使用年限內(nèi)、在不同強(qiáng)度的外部荷載作用下達(dá)到預(yù)定的不同性能目標(biāo)[92]。

6 結(jié) 語(yǔ)

(1)大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋拆除具有恒載內(nèi)力狀態(tài)不確定和施工狀態(tài)不可控的特點(diǎn)，拆除時(shí)的結(jié)構(gòu)力學(xué)行為是一個(gè)瞬間釋放的過(guò)程，當(dāng)主梁恒載負(fù)彎矩?zé)o法匹配預(yù)應(yīng)力提供的正彎矩時(shí)，墩梁結(jié)合處梁段存在底板拉裂和頂板壓潰的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)服役橋梁在荷載和環(huán)境長(zhǎng)期耦合作用下結(jié)構(gòu)性能不斷劣化，由于養(yǎng)護(hù)不到位導(dǎo)致橋梁過(guò)早進(jìn)入病害高發(fā)期，迫切需要通過(guò)養(yǎng)護(hù)加固提升結(jié)構(gòu)性能，但是“過(guò)度醫(yī)療”的橋梁結(jié)構(gòu)在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后結(jié)構(gòu)性能劣化速率會(huì)不斷加快，將大大縮短橋梁的使用壽命，因此在最佳的養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)采取合適的養(yǎng)護(hù)措施可以有效延長(zhǎng)橋梁使用壽命；然而，一系列維修加固措施又會(huì)使得橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)精準(zhǔn)評(píng)估和預(yù)測(cè)愈發(fā)困難。橋梁智能拆除是借助新一代信息技術(shù)，實(shí)時(shí)掌握橋梁拆除全過(guò)程的真實(shí)受力狀態(tài)，通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬橋梁在拆除過(guò)程中進(jìn)行自感知、自演化、自學(xué)習(xí)、自評(píng)估、自決策和自執(zhí)行，逐步實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同拆除、自動(dòng)化智能拆除的施工創(chuàng)新模式。

(3)橋梁拆除案例分析表明，借助三維激光掃描儀和全站儀對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字重構(gòu)，精準(zhǔn)掌握橋梁恒載分布狀況及拆除梁段吊重，通過(guò)狀態(tài)反演的方法對(duì)拆除前外觀病害和拆除中結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行狀態(tài)驗(yàn)證和模型修正，明確病害成因及演化規(guī)律，掌握結(jié)構(gòu)恒載內(nèi)力狀態(tài)，動(dòng)態(tài)調(diào)整監(jiān)控閾值逐步逼近橋梁真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)，從而預(yù)先識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)工況并采取積極高效的安全控制措施，實(shí)現(xiàn)橋梁拆除過(guò)程的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和控制；對(duì)橋梁拆除后再利用構(gòu)件進(jìn)行精確測(cè)量、有損檢測(cè)、耐久性試驗(yàn)和長(zhǎng)期性能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有助于提高數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)的測(cè)量精度和效率，推動(dòng)橋梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期性能演化規(guī)律研究。

(4)基于數(shù)字孿生體技術(shù)的橋梁智能拆除研究方向應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注橋梁損傷構(gòu)件無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及定量分析方法、橋梁結(jié)構(gòu)病害和長(zhǎng)期性能演化規(guī)律、既有損傷的橋梁結(jié)構(gòu)精細(xì)化模擬仿真技術(shù)、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的橋梁智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能拆除機(jī)器人自動(dòng)化施工技術(shù)和橋梁全生命周期內(nèi)數(shù)字模型構(gòu)建、使用、維護(hù)、管理體系。