创新基础设施:智能桥梁

行动中的智能桥梁

如果桥上安装了智能桥梁传感器网络，可以对各种属性进行连续监测，这场悲剧也许就可以避免。例如，六车道，2.9公里(2英里)Charilaos Trikoupis桥希腊的ion- antirion桥有100个传感器(300个频道)来监控桥的状态。2004年大桥开通后不久，传感器就检测到桥上电缆的异常振动，这导致工程师安装额外的重量来抑制电缆。

全球只有少数智能桥梁配备了各种类型的传感器，包括加速度计、应变计、风速计、动态称重设备和温度传感器。的青马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，金堂大桥:低成本的无线传感器监测大桥对超速和超载卡车的反应。
• 台湾基陆斜拉桥: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。
• 密苏里州吉拉多海角比尔·爱默生纪念大桥:强运动传感器通过以太网获取和传输数据，每个传感器的成本为15,000美元。

项目案例研究:圣安东尼瀑布大桥

的圣安东尼瀑布大桥取代坍塌的明尼阿波利斯大桥的I-35桥是由Flatiron-Manson和Figg bridge Engineers合资建造的。该桥于2008年9月完工，采用预应力混凝土箱梁，由两个平行结构组成，每个方向为一个交通方向。河跨采用预制节段结构，其余三个跨采用现浇混凝土。传感系统的总成本约为100万美元，只是大桥2.34亿美元价格的一小部分。

智能桥梁传感器的实现

超过500个现成的传感器收集关于圣安东尼瀑布大桥的结构性能和腐蚀的数据。利用195个振动丝应变片(VWSGs)、24个电阻应变片和12个光纤位移传感器测量结构变形。这些光纤传感器提供了河流跨度的整体曲率，用于计算挠度，安装在跨度2(跨越河流的中间跨度)外部箱梁的顶部和底部的六对。

桥中的温度和整个结构的热梯度是由243个热敏电阻测量的，包括集成在应变片中的那些。这些热敏电阻和振动丝应变计(VWSGs)分布在沿两个结构的不同长度的关键位置。每个箱梁中心线的顶部和底部凸缘各安装一个VWSG。

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。

甲板上有四个腐蚀传感器(由Corsensys提供)，用于确定加固层对腐蚀的敏感性。这些传感器位于钢筋束(缠有多层钢丝的电缆)中，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、水和氯化物的运输过程。异常的氟化物水平可能表明腐蚀，因此可以采取纠正措施。

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。

未来智能桥的创新

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”(一种含有传感器的油漆或涂层)。当受到电流刺激时，这些传感器将能够识别裂缝的位置或地表下的其他损伤。然而，这项技术距离商业化仍需数年时间，目前成本高得令人望而却步。

一些组织也在开发无线技术。德克萨斯大学奥斯汀分校(University of Texas at Austin)正在研究如何利用桥梁的振动产生电力，用于感知裂缝的设备。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。

另一个将有助于将智能桥梁技术变为现实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20年的项目是由罗格斯大学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)。