项目名称-哈尔滨工业大学深圳

附件1：

2019年国家科学技术奖提名项目公示内容

（技术发明奖）

项目名称: 长大桥梁灾变前兆综合预判多级预警技术

提名者: 辽宁省

一、提名意见

二、项目简介

该项目研究属于土木建筑领域。我国长大桥梁的在役规模高居世界第一，其运营安全一直受到桥梁工程界的广泛关注。近年来，众多长大桥梁均安装了结构健康监测系统，分别对环境与运营荷载、以及结构响应等进行实时监测，然而一个突出的瓶颈问题是目前绝大多数监测系统无法实现预警功能，严重制约了结构健康监测技术的发展。本项目立足这一重大工程需求，依托在国家自然科学基金委创新研究群体项目、国家优秀青年科学基金等国家重大科研项目的资助，针对长大桥梁的安全预警技术开展了多单位协同攻关，取得了系统性的创新成果。主要发明点包括：1）研发出高精度、耐候好、价格低的桥梁监测传感元件，提出了传感元件材料参数、结构参数和电学参数优化设计方法，建立了包括振动信号最强、重构效果最佳、识别误差最小等桥梁局部和整体性态测点优选准则，实现了桥梁运营状态长寿命、全方位、高性能感知；2）给出了基于贝叶斯估计的广义极值分布、广义帕累托分布等复杂概率建模技术，建立了基于极大似然估计的桥梁随机荷载场概率分布模型，建立了桥梁多病害耦合极限状态方程，弥补了长大桥梁长寿命服役性能失效分析的技术不足；3）率先将基于主成分分析的霍特林T2统计量表达为其广义形式，从理论上推导出了敏感因子，用于量化每个主方向对某测量变量异常的敏感性。依据敏感因子的大小为每个主方向赋予不同权值，以计算相应加权统计量，进而显著提升了其对该测量变量异常的预警能力，并采用贝叶斯推理将所有测量变量对应的加权统计量融合为一个指标，实现了桥梁监测数据的偶然异常预警。4）创新性地提出一种新颖的时-空相关性建模方法，该方法对当前测量数据和过去测量数据建立典型相关分析模型。在此基础上，提出了一种典型相关生成算子，通过典型相关系数是否为零将算子划分为系统相关与系统无关两部分，分别定义两类统计量，从而实现了桥梁监测数

据的连续异常预警。该项目研究成果发表学术论文被SCI收录47篇，获授权专利48项，成果被纳入行业标准《T/CECS529-2018》、《CECS333:2012》等，在安庆长江大桥、南京大胜关长江大桥、沈阳伯官大桥、宁波招宝山大桥等重大桥梁工程得到成功应用，取得了良好的经济效益与社会效益。

三、客观评价

1. 澳大利亚工程院院士H.Hao论文论价：提出了基于能量损伤的多级损伤诊断方法（.... presented a multi-stage structural damage diagnosis method based on "energy-damage" theory...）。

2. 中国工程院院士欧进萍教授论文，正面评述了项目研发的具有自传感特性的水泥基材料，适用于土木工程结构长期健康监测(“Smart cement-based composites with strain self-sensing ability were attractive for the structural health monitoring for civil infrastructures in long-term service. …cement-based piezoelectric composites were also developed for health monitoring”)。

3. 美国纽约州立大学布法罗分校首席教授DDL. Chung、布鲁塞尔自由大学知名教授 A. Deraemaeker发表在《Smart Mater. Struct.》的文章作为应用案例引用了项目组成果“In particular, the piezoelectric material can be embedded in an aggregate [62,63].”，“(iii) concrete cracking [18–22], (iv) water seepage [23–25] and (v) mechanical properties of concrete [26]”。

…等等。

四、推广应用情况

1. 该项目技术通过监测桥梁风场可以为桥梁安全和路过车辆的行驶安全提供保障，通过在桥塔顶部和跨中安装了两个风速计。风速、风向等可以用于桥梁管理，警告行驶车辆控制车速，小心驾驶。当风速超过阈值时，屏幕显示控制车速信息、注意驾驶安装的信息，大大减少了高速发生事故的可能性。

2. 该项目发明了红外温度仪，可用于实时温度，用于路面温度预警。桥面温度是桥梁运营中的一个重要参数。夏天，桥面温度可以达到接近60°C，比空气温度高约20°C。高温度会导致沥青路面损坏，车辙会引起路面的永久变形。因此，在高温期间需要进行喷水为路面降温。在冬天，潮湿多雪的天气可以使路面结冰。路面结冰容易造成交通事故，所以除冰实施可以避免交通事故。

3. 该项目发明了伸缩缝纵向累计位移用于判断伸缩缝的运行异常预警，根据监测数据及数值模型分析结果，得到了主梁跨中挠度和伸缩缝应变的相关关系，提出了伸缩缝性能的评估方法和防止伸缩缝滑动支撑破坏的改进措施，成果为桥梁伸缩缝的日常维护提供了管养建议。

4. 该项目揭示了悬索桥跨中短吊索发生病害的机理，即重车经过时导致主梁过大纵向位移会引起短吊索应力增加，繁忙交通量和重车占比造成吊索的衬套和销轴连接提前磨损破坏。车辆通行的影响线实验、正常交通荷载下的监测挠度以及数值分析计算均验证了这一结果。此外，针对病害严重的跨中短吊索，提出了吊索的预警方法。

…等等。

五、主要知识产权和标准规范等目录（不超过10件）

六、主要完成人情况表

七、完成人合作关系说明

该项目由大连理工大学、哈尔滨工业大学（深圳）、深圳大学、中铁大桥勘测设计院集团有限公司、苏交科集团股份有限公司五家单位协同合作，紧密围绕“长大桥梁灾变前兆综合预判多级预警”中的关键技术问题，长期开展产-学-研-用的合作研究，是一个有机的协作整体。项目组伊廷华，刘铁军，梅大鹏，刘华，孙震共同编制了中国工程建设标准化协会《大跨度桥梁结构健康监测系统预警阈值标准》（T/CECS 529-2018）；项目组刘铁军和董必钦共同发表国际期刊论文In-situ crack propagation monitoring in mortar embedded with