傳感器技術(shù)可以使公路橋更安全

盡管調(diào)查人員仍在努力恢復(fù)受害者，并查明周三明尼阿波利斯密西西比河35W州際公路大橋災(zāi)難性倒塌的原因，但有一個話題得到了更多關(guān)注，即是否有系統(tǒng)可以幫助公路官員更好地判斷橋梁的健康狀況。

監(jiān)測公路橋梁鋼和混凝土健康狀況的傳感器技術(shù)已經(jīng)存在，并已在該國許多地區(qū)使用，而各種研究實驗室和大學(xué)仍在不斷發(fā)展新的和改進(jìn)的監(jiān)測系統(tǒng)。

包括新澤西州普林斯頓的物理聲學(xué)公司和艾伯塔省卡爾加里的純技術(shù)有限公司(Pure Technologies Ltd.)在內(nèi)的供應(yīng)商已經(jīng)提供了復(fù)雜的便攜式系統(tǒng)，使用的傳感器可以“聽到”橋梁電纜或鋼構(gòu)件的裂縫，這樣工程師就可以更好地評估結(jié)構(gòu)的狀況。

與此同時，包括密蘇里大學(xué)一所大學(xué)在內(nèi)的工程研究項目已經(jīng)在本周的橋梁倒塌前很長一段時間，以推進(jìn)橋梁監(jiān)測的科學(xué)。在學(xué)校，正在進(jìn)行大規(guī)模的傳感器系統(tǒng)的工作，該系統(tǒng)將被緊固到跨越跨度的幾個混凝土橋墩上，以提醒官員們，即使有輕微的傾斜或擺動的關(guān)鍵橋墩支撐橋梁。

“有許多研究項目著眼于橋梁的健康監(jiān)測，”該校土木工程助理教授、該領(lǐng)域的專家格倫·瓦希爾(Glenn Washer)說。“目前正在使用的一些技術(shù)是監(jiān)控橋梁。”

明尼蘇達(dá)州交通部的官員今天上午無法確定是否有這樣的系統(tǒng)在倒塌的橋梁上使用，或者在該州的任何其他跨度上使用。

洗衣機(jī)說，現(xiàn)有的物理聲學(xué)和純技術(shù)監(jiān)測系統(tǒng)收集“聲音發(fā)射”由壓裂金屬。

“如果一片鋼在力作用下斷裂，它會以聲波的形式釋放出大量的能量，傳感器系統(tǒng)可以檢測和解釋這些聲波。”

他說，一些構(gòu)成橋梁電纜的鋼絞線會隨著時間的推移而斷裂，這種情況并不少見。在需要維修之前，官員們可以使用聲音傳感系統(tǒng)來跟蹤電纜中數(shù)千股中有多少被損壞。

Washer團(tuán)隊所做的不同之處在于對橋梁支持問題的監(jiān)控。他說，一個原型預(yù)計將在大約6個月內(nèi)準(zhǔn)備好進(jìn)行測試，并將在該領(lǐng)域投入使用。“我認(rèn)為，在明尼阿波利斯大橋倒塌的情況下，人們將更加關(guān)注這類技術(shù)，并增加投資”。

該系統(tǒng)被設(shè)計為使用10至20個傾斜計，其將附接到特別定位的橋墩，以監(jiān)測其垂直位置。傾斜計使用便宜的、易于獲得的傳感器，其工作在與液體填充的氣泡水平相同的原理上。

當(dāng)傳感器傾斜時，液體在電極之間移動，產(chǎn)生電子信號。該信號可由傳感器上的10至20個電子通道收集，并由團(tuán)隊開發(fā)的特殊算法和軟件進(jìn)行分析。

然后可以將來自監(jiān)控器的數(shù)據(jù)發(fā)送到高速公路官員進(jìn)行評估。系統(tǒng)將在典型的基于MicrosoftWindows的PC上運行。

橋梁通常每兩年進(jìn)行一次視覺檢查，但這種檢查并不能深入了解結(jié)構(gòu)的狀況。因此，雖然檢查人員可以看到外部損害的跡象，但他們看不到更深的問題在混凝土，鋼支撐，甚至在橋下水下的底座和樁中。根據(jù)結(jié)構(gòu)的大小，橋梁檢查可能需要幾天到兩周的時間。

“我們正在努力開發(fā)能夠改進(jìn)這一過程的技術(shù)，”Washer說，并指出全國各地的研究人員都在研究這些問題。

他說，已經(jīng)被認(rèn)為是明尼阿波利斯大橋倒塌的潛在因素之一的疲勞裂紋，可以通過X光和超聲波檢測找到，但這些方法對于大跨度來說是昂貴和緩慢的，而且通常不用于定期的定期檢查。

“對于直徑只有一英寸的傳感器來說，有太多的橋需要覆蓋，所以你永遠(yuǎn)不會做所有的事情，”沃希爾說。

此外，他說，疲勞裂紋的簡單存在不會自動觸發(fā)警報，因為裂紋的形成需要時間，通常是固定的，不會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)立即失效。他說，即使是超聲波檢測也不能隨時隨地使用，因為檢查一座橋需要時間。“必要時使用。”

沃斯特的研究團(tuán)隊也在研究如何在橋梁建成時將聲傳感器嵌入到加固道路的鋼筋周圍的濕水泥中。這將使官員能夠跟蹤桿的內(nèi)部腐蝕隨著橋梁的老化。

純正技術(shù)公司(Pure Technologies)銷售總監(jiān)泰瑞·塔穆圖斯(Terry Tamutus)表示，該系統(tǒng)可以評估橋梁中的電線、鋼絞線或電纜發(fā)出的聲音。他說：“(它)可以看出，在表面出現(xiàn)裂縫之前，已經(jīng)有很多個月了。”

Tamutus說，聲波在固體物體中的傳播比通過空氣傳播更有效，使任何聲音更容易被聽到。

“這并不令人驚奇。很簡單。醫(yī)生總是用聽診器。如果你把耳朵放在火車軌道上，你就能聽到火車從遠(yuǎn)處駛來的聲音。“

聲音打印系統(tǒng)是便攜式的，可以根據(jù)需要從一座橋移到另一座橋，通常每個系統(tǒng)的成本在20，000美元到幾十萬美元之間。通常，評估需要一天到一周的時間。

然而，從長遠(yuǎn)來看，技術(shù)、檢查和維護(hù)只能做這么多，Washer說。“你永遠(yuǎn)不能完全消除橋梁倒塌的風(fēng)險，”他說。“總有失敗的可能。”