科技前沿:传感器技术可以使公路桥更安全
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尽管调查人员仍在努力恢复受害者,并查明周三明尼阿波利斯密西西比河35W州际公路大桥灾难性倒塌的原因,但有一个话题得到了更多关注,即是否有系统可以帮助公路官员更好地判断国家桥梁的健康状况。
监测公路桥梁钢和混凝土健康状况的传感器技术已经存在,并已在该国许多地区使用,而各种研究实验室和大学仍在不断发展新的和改进的监测系统。
包括新泽西州普林斯顿的物理声学公司和艾伯塔省卡尔加里的纯技术有限公司(Pure Technologies Ltd.)在内的供应商已经提供了复杂的便携式系统,使用的传感器可以“听到”桥梁电缆或钢构件的裂缝,这样工程师就可以更好地评估结构的状况。
与此同时,包括密苏里大学一所大学在内的工程研究项目已经在本周的桥梁倒塌前很长一段时间,以推进桥梁监测的科学。在学校,正在进行大规模的传感器系统的工作,该系统将被紧固到跨越跨度的几个混凝土桥墩上,以提醒官员们,即使有轻微的倾斜或摆动的关键桥墩支撑桥梁。
“有许多研究项目着眼于桥梁的健康监测,”该校土木工程助理教授、该领域的专家格伦·瓦希尔(Glenn Washer)说。“目前正在使用的一些技术是监控桥梁。”
明尼苏达州交通部的官员今天上午无法确定是否有这样的系统在倒塌的桥梁上使用,或者在该州的任何其他跨度上使用。
洗衣机说,现有的物理声学和纯技术监测系统收集“声音发射”由压裂金属。
“如果一片钢在力作用下断裂,它会以声波的形式释放出大量的能量,传感器系统可以检测和解释这些声波。”
他说,一些构成桥梁电缆的钢绞线会随着时间的推移而断裂,这种情况并不少见。在需要维修之前,官员们可以使用声音传感系统来跟踪电缆中数千股中有多少被损坏。
Washer团队所做的不同之处在于对桥梁支持问题的监控。他说,一个原型预计将在大约6个月内准备好进行测试,并将在该领域投入使用。“我认为,在明尼阿波利斯大桥倒塌的情况下,人们将更加关注这类技术,并增加投资”。
该系统被设计为使用10至20个倾斜计,其将附接到特别定位的桥墩,以监测其垂直位置。倾斜计使用便宜的、易于获得的传感器,其工作在与液体填充的气泡水平相同的原理上。
当传感器倾斜时,液体在电极之间移动,产生电子信号。该信号可由传感器上的10至20个电子通道收集,并由团队开发的特殊算法和软件进行分析。
然后可以将来自监控器的数据发送到高速公路官员进行评估。系统将在典型的基于MicrosoftWindows的PC上运行。
桥梁通常每两年进行一次视觉检查,但这种检查并不能深入了解结构的状况。因此,虽然检查人员可以看到外部损害的迹象,但他们看不到更深的问题在混凝土,钢支撑,甚至在桥下水下的底座和桩中。根据结构的大小,桥梁检查可能需要几天到两周的时间。
“我们正在努力开发能够改进这一过程的技术,”Washer说,并指出全国各地的研究人员都在研究这些问题。
他说,已经被认为是明尼阿波利斯大桥倒塌的潜在因素之一的疲劳裂纹,可以通过X光和超声波检测找到,但这些方法对于大跨度来说是昂贵和缓慢的,而且通常不用于定期的定期检查。
“对于直径只有一英寸的传感器来说,有太多的桥需要覆盖,所以你永远不会做所有的事情,”沃希尔说。
此外,他说,疲劳裂纹的简单存在不会自动触发警报,因为裂纹的形成需要时间,通常是固定的,不会导致结构立即失效。他说,即使是超声波检测也不能随时随地使用,因为检查一座桥需要时间。“必要时使用。”
沃斯特的研究团队也在研究如何在桥梁建成时将声传感器嵌入到加固道路的钢筋周围的湿水泥中。这将使官员能够跟踪杆的内部腐蚀随着桥梁的老化。
纯正技术公司(Pure Technologies)销售总监泰瑞·塔穆图斯(Terry Tamutus)表示,该系统可以评估桥梁中的电线、钢绞线或电缆发出的声音。他说:“(它)可以看出,在表面出现裂缝之前,已经有很多个月了。”
Tamutus说,声波在固体物体中的传播比通过空气传播更有效,使任何声音更容易被听到。
“这并不令人惊奇。很简单。医生总是用听诊器。如果你把耳朵放在火车轨道上,你就能听到火车从远处驶来的声音。“
声音打印系统是便携式的,可以根据需要从一座桥移到另一座桥,通常每个系统的成本在20,000美元到几十万美元之间。通常,评估需要一天到一周的时间。
然而,从长远来看,技术、检查和维护只能做这么多,Washer说。“你永远不能完全消除桥梁倒塌的风险,”他说。“总有失败的可能。”