创新基础设施:智能桥梁

智能桥接在行动中

如果桥梁已经配备了智能桥接传感器网络，则可以防止这种悲剧提供了连续监测各种性质的智能桥接传感器。例如，六车道，2.9公里（2英里）Charilaos Trikoupis桥（Rion-Antirion Bridge）在希腊有100个传感器（300个通道），监测其状况。在2004年开业后，传感器在握住桥的电缆中检测到异常振动，这使得工程师安装额外的重量以抑制电缆。

仅少数其他智能桥接遍布全球各种类型的传感器，包括加速度计，应变仪，风光测量仪，体内运动装置和温度传感器。这青马大桥在香港这座世界第七长的悬索桥上，装有350多个传感器通道。这座桥的风速可达每小时212英里(341公里)，它使用安装在塔和电缆上的GPS传感器来测量风速。大约有100个光子传感器被用来监测大桥缆索的张力。其他正在运行的智能桥梁包括以下内容。

• 韩国地理桥桥：低成本的无线传感器监控桥梁对超载和超载卡车的反应。
• Gi-Lu斜拉桥，台湾：无线传感器和加速度计监测其结构健康。
• 纽约市布鲁克林大桥:光纤传感器测量位移和温度。
• Bill Emerson Memorial Bridge，Cape Girardeau，密苏里州：强运动传感器，每种传感器15,000美元，通过以太网获取和传输数据。

项目案例研究：圣安东尼瀑布桥

这圣安东尼瀑布桥，更换折叠的明尼阿波利斯桥的I-35桥是在Flatiron-Manson和Figg桥梁工程师之间的合资企业中构建的。2008年9月完成，桥梁采用两个平行结构构建，一个用于每个交通方向，使用预应力的混凝土盒梁梁。河跨度使用预制节段结构，剩下的三个跨度使用铸造混凝土。传感系统的总成本约为100万美元，这座桥梁的一小部分是2.34亿美元的价格标签。

智能桥式传感器实施

超过500个现成的传感器收集关于St. Anthony Falls Bridge上的结构行为和腐蚀的数据。通过195振动线应变仪（VWSG），24个电阻应变仪和12个光学位移传感器测量结构变形。这些光纤传感器提供用于计算偏转的河跨度的整体曲率，安装在跨度2的外部箱梁的顶部和底部的六对上（穿过河流的中间跨度）。

在整个结构中桥梁和热梯度的温度由243热敏电阻测量，包括集成到应变仪中的热敏电阻。这些热敏电阻和振动线应变仪（VWSG）沿着关键位置的两个结构的长度分布在各种截面。一个VWSG安装在顶部，一个在每个箱梁的中心线的底部法兰中。

共有26个加速度计测量结构的模态频率，以计算挠度和结构振动。其中一半安装在每一跨中每一箱梁的跨中，另一半安装在南向跨2的外部箱梁上。安装这13个设备是为了收集未来仪表所需的额外信息，它们可以朝向不同的方向，并均匀分布在上法兰的角上。伸缩缝处安装有12个线性电位器，测量桥架的整体伸缩情况。

甲板中包含四种腐蚀传感器（由CORSENSYS提供），以确定增强件腐蚀的易感性。这些传感器位于加固股（缠绕在多层钢丝）中的传感器，测量腐蚀电流，混凝土电阻率和混凝土温度，以确定腐蚀的启动，腐蚀速率，水含量混凝土，水和氯的运输过程。异常的氟化物水平可表示腐蚀，从而可以采取纠正措施。

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，并将最终开发一个系统，以长期监测桥梁。有些信息是冗余的，因此可以分析不同类型的传感器。在第一年的操作中建立了基线行为。采用有限元方法(FEM)开发的模型可以将实测数据与预测数据进行比较，并提供一种可以对长期监测进行预测的工具。有限元模型计算的模态频率与实测频率具有良好的相关性。研究发现，热效应引起的应变比卡车负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。

在这种情况下，腐蚀传感器是唯一可以指出特定位置问题的传感器类型。从其他传感器获得的全局测量不能用于检测局部缺陷。因此，来自其他传感器的数据必须通过模型进行组合和评估，以确定桥梁的曲率和整个桥梁的响应情况。

长期监测系统将基于维修部门可以监测到的预期响应。任何响应的变化，例如由综合测量得出的桥的曲率，都将表明有些地方出了问题。热数据的预测响应同样将与测量数据进行比较:如果有超出范围的情况，将通知维修部门。在发现潜在问题后，仍然需要进行实际检查，以便更仔细地检查。

未来智能桥梁创新

由于目前的大多数传感器技术不能精确地指出特定地点正在发生的事情，其他组织正在利用美国科学院的资金开发最先进的传感器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”（一种涂装或传感器的涂料）。当用电流刺激时，这些传感器将能够识别裂缝所在的位置或表面下方的其他损坏。但是，这项技术仍然是商业化的几年，目前是经常持久的。

还在若干组织开发无线技术。奥斯汀德克萨斯大学正在研究如何使用桥梁的振动来为将感测裂缝的设备产生电力。太阳能在马里兰大学，能源被用来为传感器供电。在加州大学圣地亚哥分校，研究人员正在使用压电传感器，这种传感器可以通过桥发送和接收高频音调，从而发现裂缝。密苏里大学罗拉分校(University of Missouri at Rolla)正在开发几种基于光纤的系统。一个系统监视结构的总体性能和健康状况，而另一个系统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。伊利诺斯-芝加哥大学的研究重点是在全尺寸桥梁结构上实施结构健康监测系统。实验台是1912钢桁架这座桥处于极端的温度波动和频繁的洪水中。从2007年1月开始，使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手机基站实现。

另一个有助于将智能桥梁技术带到实际现实的另一个重要计划是联邦公路管理局（FHWA）长期桥性能（LTBP）计划。这个20年的计划是由Rutgers的领导先进基础设施和运输中心(CAIT)，涉及全国许多公路桥的测量。LTBP希望能提供更详细和及时的桥梁健康状况，并提高对桥梁性能的认识。桥梁性能定义为桥梁在各种复杂的相关因素下的功能和行为，如交通量、荷载和环境条件(冻融循环、雨水或大风)。