创新基础设施:智能桥梁

智能桥梁在行动

如果这座桥安装了智能传感器网络，可以对各种属性进行持续监控，那么这场悲剧就可以避免。例如，六车道，2.9公里(2英里)Charilaos Trikoupis桥希腊的里恩-安提里安大桥有100个传感器(300个通道)监控它的状况。在2004年开通后不久，传感器检测到桥上电缆的异常振动，这导致工程师们安装了额外的重量来抑制电缆。

全球只有少数其他智能桥梁安装了各种类型的传感器，包括加速度计、应变计、风速计、动态称重装置和温度传感器。的青马桥在世界第七长的悬索桥香港，安装了350多个传感器通道。这座桥可以承受高达每小时212英里(341公里)的风速，它使用安装在塔上和电缆上的GPS传感器来测量风速。大约有100个光子传感器被用来监测桥上电缆的应变。其他正在运行的智能桥包括以下内容。

• 韩国葛姆当大桥:低成本的无线传感器监控着大桥对超速和超载卡车的反应。
• 台湾，吉路斜拉桥:无线传感器和加速计监测其结构健康状况。
• 纽约市布鲁克林大桥:光纤传感器测量位移和温度。
• 比尔·爱默生纪念大桥，开普吉拉多，密苏里州：强震传感器，在通过以太网的每个传感器，采集并传输数据$ 15,000成本。

项目案例研究:圣安东尼瀑布桥

的圣安东尼瀑布大桥，它取代了明尼阿波利斯大桥倒塌的I-35桥，在熨斗曼森和菲格的桥梁工程师之间的合资企业构建。在2008年9月完成，桥用两个平行的结构，一个用于交通的每个方向构造，采用预应力混凝土箱梁。河跨度使用预制节段施工和使用现浇混凝土的地方，其余三个跨。对于传感系统的总成本约为$ 1百万，桥梁的$ 234万美元的价格标签的一小部分。

智能桥梁传感器实现

超过500个现成的架子传感器收集有关在圣安东尼瀑布大桥结构性能和腐蚀数据。的结构变形是由195个振弦应变计（VWSGs），24度电阻应变仪，和12光纤位移传感器测量。这些光纤传感器，其中，用于计算偏转提供河流跨度的总体曲率，被安装在顶部6对和底部跨度2（中间跨度横跨河）的外部箱梁。

在整个结构中的桥的温度和热梯度是通过热敏电阻243，包括那些集成到应变仪测得的。这些热敏电阻和振动线应变仪（VWSGs）在整个各部分沿着在关键位置的两种结构的长度方向分布。一个VWSG被安装在每个箱梁的中心线的顶部，一个在底部凸缘。

共有26个加速度计测量所述结构的模态频率来计算偏转和结构振动的是。其中一半都安装在每个箱梁每个跨度，而另一半的跨沿外箱梁南跨度2。这些13，它们分别安装来收集未来仪器仪表的附加信息的位置，可以在不同的取向方向和在顶部凸缘的角部是均匀分布的。有安装在伸缩缝，以测量电桥的整体膨胀和收缩12个线性电位计。

甲板上有四个腐蚀传感器(由Corsensys提供)，用于确定钢筋对腐蚀的敏感性。这些传感器位于钢筋钢绞线(一种缠绕在多层钢丝上的电缆)上，测量腐蚀电流、混凝土电阻率和混凝土温度，以确定腐蚀的开始、腐蚀速率、混凝土含水量以及水和氯化物的运输过程。异常的氟化物水平可能表明腐蚀，以便采取纠正措施。

智能桥梁监测

明尼苏达大学正在收集和分析收集到的数据，以更好地了解梁结构的行为，并将最终开发一个长期监测桥梁的系统。有些信息是冗余的，因此可以分析不同类型的传感器。基线行为是在手术的第一年建立的。利用有限元方法建立了模型，以便将测量数据与预测数据进行比较，并提供一个能够对长期监测作出预测的工具。有限元模型计算的模态频率与实测频率有较好的相关性。研究发现，热效应引起的应变比卡车荷载引起的应变大得多。蠕变和收缩试验结果将纳入未来的模型。

腐蚀传感器在这种情况下，可以指示在特定位置问题的唯一类型的传感器。来自其它传感器获得的全局测量值不能被用于检测局部缺陷。来自其它传感器的数据因此必须被合并，并通过使用模型来确定桥曲率和如何整个桥响应进行评价。

长期监测系统将以可由维修部门监测的预期反应为基础。响应的任何变化，如桥的曲率是由综合测量得到的，都将表明出了问题。热数据的预测响应也将与实测数据进行比较:如果出现越界情况，将通知维修部门。在发现潜在的问题后，仍然需要亲自检查，以便更仔细地检查。

未来智能桥创新

由于大多数电流传感器技术不能了解为什么在特定位置发生的事情，其他组织正在开发国家的最先进的传感器，由资助国家标准与技术研究所(NIST)和其他组织。密歇根大学正在开发一种基于碳纳米管的传感“皮肤”(一种包含传感器的涂料或涂层)。当受到电流刺激时，这些传感器将能够识别出裂缝的位置或表面下的其他损伤。然而，这项技术离商业化还有几年的时间，而且目前成本高昂。

若干组织也正在开发无线技术。德克萨斯大学奥斯汀分校正在研究如何利用桥梁的振动来为感知裂缝的设备发电。太阳能在马里兰大学，能量被用来给传感器供电。在加利福尼亚大学(圣地亚哥)，研究人员正在使用压电传感器来寻找裂缝，这种传感器可以通过一座桥发送和接收高频音调。位于罗拉的密苏里大学正在开发几个基于光纤的系统。一个系统监视总体性能和结构的健康状况，而另一个系统则询问主要结构修复的行为。

试验台结构也需要评估当前和未来的传感器系统。在伊利诺斯-芝加哥大学，研究的重点是在全尺寸桥梁结构上实施结构健康监测系统。试验台是1912年的钢桁架位于伊利诺斯州Mahomet的一座桥梁，它暴露在极端的温度波动和频繁的洪水中。自2007年1月以来，已采用最先进的有线传感器系统进行了一系列动态测试。利用实验数据进行数值模型更新，并对所开发的损伤检测算法进行验证。在不久的将来，智能传感器网络将通过这座桥上的摩托罗拉电话基站实现。

另一个有助于将智能桥梁技术应用于实际的重要项目是联邦公路管理局(FHWA)的长期桥性能(LTBP)计划。这个为期20年的项目由罗格斯大学先进基础设施和交通中心（CAIT），并涉及多个全国各地的公路桥梁的检测仪器。LTBP希望通过提供桥梁健康的更详细，更及时的画面，提高桥梁性能知识。桥性能被定义为桥接如何在各种复杂的相互关联的因素，诸如交通流量，负载和环境条件（冷冻 - 解冻循环，雨，或强风）功能和行为。