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?yàn)?zāi)難性倒塌的原因，但有一個(gè)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(cè)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(guó)許多地區(qū)使用，而各種研究實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)仍在不斷發(fā)展新的和改進(jìn)的監(jiān)測(cè)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(tīng)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(píng)估結(jié)構(gòu)的狀況。

與此同時(shí)，包括密蘇里大學(xué)一所大學(xué)在內(nèi)的工程研究項(xiàng)目已經(jīng)在本周的橋梁倒塌前很長(zhǎng)一段時(shí)間，以推進(jìn)橋梁監(jiān)測(cè)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(gè)混凝土橋墩上，以提醒官員們，即使有輕微的傾斜或擺動(dòng)的關(guān)鍵橋墩支撐橋梁。

“有許多研究項(xiàng)目著眼于橋梁的健康監(jiān)測(cè)，”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(shuō)。“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(wú)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(shuō)，現(xiàn)有的物理聲學(xué)和純技術(shù)監(jiān)測(cè)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(huì)以聲波的形式釋放出大量的能量，傳感器系統(tǒng)可以檢測(cè)和解釋這些聲波。”

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

Washer團(tuán)隊(duì)所做的不同之處在于對(duì)橋梁支持問(wèn)題的監(jiān)控。他說(shuō)，一個(gè)原型預(yù)計(jì)將在大約6個(gè)月內(nèi)準(zhǔn)備好進(jìn)行測(cè)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(jì)為使用10至20個(gè)傾斜計(jì)，其將附接到特別定位的橋墩，以監(jiān)測(cè)其垂直位置。傾斜計(jì)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(shí)，液體在電極之間移動(dòng)，產(chǎn)生電子信號(hào)。該信號(hào)可由傳感器上的10至20個(gè)電子通道收集，并由團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的特殊算法和軟件進(jìn)行分析。

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

橋梁通常每?jī)赡赀M(jìn)行一次視覺(jué)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(wèn)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(shí)間。

“我們正在努力開(kāi)發(fā)能夠改進(jìn)這一過(guò)程的技術(shù)，”Washer說(shuō)，并指出全國(guó)各地的研究人員都在研究這些問(wèn)題。

他說(shuō)，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(guò)X光和超聲波檢測(cè)找到，但這些方法對(duì)于大跨度來(lái)說(shuō)是昂貴和緩慢的，而且通常不用于定期的定期檢查。

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

此外，他說(shuō)，疲勞裂紋的簡(jiǎn)單存在不會(huì)自動(dòng)觸發(fā)警報(bào)，因?yàn)榱鸭y的形成需要時(shí)間，通常是固定的，不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)立即失效。他說(shuō)，即使是超聲波檢測(cè)也不能隨時(shí)隨地使用，因?yàn)闄z查一座橋需要時(shí)間。“必要時(shí)使用。”

沃斯特的研究團(tuán)隊(duì)也在研究如何在橋梁建成時(shí)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(píng)估橋梁中的電線、鋼絞線或電纜發(fā)出的聲音。他說(shuō)：“(它)可以看出，在表面出現(xiàn)裂縫之前，已經(jīng)有很多個(gè)月了。”

Tamutus說(shuō)，聲波在固體物體中的傳播比通過(guò)空氣傳播更有效，使任何聲音更容易被聽(tīng)到。

“這并不令人驚奇。很簡(jiǎn)單。醫(yī)生總是用聽(tīng)診器。如果你把耳朵放在火車軌道上，你就能聽(tīng)到火車從遠(yuǎn)處駛來(lái)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(gè)系統(tǒng)的成本在20，000美元到幾十萬(wàn)美元之間。通常，評(píng)估需要一天到一周的時(shí)間。

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