接受健康監(jiān)測的世界著名橋梁

接受健康監(jiān)測的世界著名橋梁

20世紀(jì)橋梁工程領(lǐng)域的成就不僅體現(xiàn)在預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展和大跨度索支承橋梁的建造以及對超大跨度橋梁的探索，而且反映于人們對橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)施智能控制和智能監(jiān)測的設(shè)想與努力。近20年來橋梁抗風(fēng)、抗震領(lǐng)域的研究成果以及新材料、新工藝的開發(fā)推動了大跨度橋梁的發(fā)展；同時，隨著人們對大型重要橋梁安全性、耐久性與正常使用功能的日漸關(guān)注，橋梁健康監(jiān)測的研究與監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)運(yùn)而生。由于橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)可以為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)分析模型、計(jì)算假定和設(shè)計(jì)方法提供反饋信息，并可用于深入研究大跨度橋梁結(jié)構(gòu)及其環(huán)境中的未知或不確定性問題，因此，橋梁設(shè)計(jì)理論的驗(yàn)證以及對橋梁結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)環(huán)境未知問題的調(diào)查與研究擴(kuò)充了橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)涵。

80年代中后期開始建立各種規(guī)模的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。例如，英國在總長522m的三跨變高度連續(xù)鋼箱梁橋Foyle橋上布設(shè)傳感器，監(jiān)測大橋運(yùn)營階段在車輛與風(fēng)載作用下主梁的振動、撓度和應(yīng)變等響應(yīng)，同時監(jiān)測環(huán)境風(fēng)和結(jié)構(gòu)溫度場。該系統(tǒng)是最早安裝的較為完整的監(jiān)測系統(tǒng)之一，它實(shí)現(xiàn)了實(shí)時監(jiān)測、實(shí)時分析和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享。建立健康監(jiān)測系統(tǒng)的典型橋梁還有挪威的Skarnsundet斜拉橋（主跨530m）、美國主跨440m的SunshineSkywayBridge斜拉橋、丹麥主跨1624m的GreatBeltEast懸索橋、英國主跨194m的Flintshire獨(dú)塔斜拉橋以及加拿大的ConfederatiotBridge橋。我國自90年代起也在一些大型重要橋梁上建立了不同規(guī)模的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，如香港的青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋，內(nèi)地的上海徐浦大橋以及江陰長江大橋等。

近年來，國內(nèi)發(fā)生的幾起大橋坦塌和局部破壞事故，使人們逐漸認(rèn)識到橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的必要性和迫切性。以下是《ScientificAmerican》給出的工程師們正在部署傳感器監(jiān)測一些世界上最有名的橋梁

01紐約——布魯克林大橋；THEBROOKLYNBRIDGE,NEWYORK,USA

TheBrooklynBridge,openedtotrafficin1883,isoneofNewYorkCity'siconicbridgesandconnectslowerManhattantoBrooklyn.The126-year-oldbridgenowhasfiberopticsensorsthatmeasuredisplacementandtemperature,saysBojidarYanev,executivedirectorofbridgeinspectionandbridgemanagement,NewYorkCityDepartmentofTransportation.

02利川——金剛大橋；GEUMDANGBRIDGE,ICHEON,SOUTHKOREA

TheGeumdangBridgeinSouthKoreaisoneoftheworld’sfirsttoemploylowcostwirelesssensorstomonitorthebridge’sresponsetospeedingandoverloadedtrucks.

03臺灣——集鹿斜拉橋；GI-LUCABLESTAYBRIDGE,TAIWAN

TheGi-LuCable-StayBridgeinTaiwanhaswirelesssensorsandaccelerometersthatmonitoritsstructuralhealth.ItspanstheJuoSheui,thelongestriverinTaiwan,andfeaturesasingleconcretepylonrising190feet(58meters)abovethedecksupporting68steelcables.Thebridgeis787feet(240meters)longwiththepyloninthecenterofthemainspan.ThestructuralhealthmonitoringisdonebyaninternationalgroupofresearchersledbyC.H.LohofNationalTaiwanUniversity.

04舊金山——金門大橋；THEGOLDENGATEBRIDGE,CALIFORNIA,USA

TheGoldenGateBridgespanstheopeningofSanFranciscoBayintothePacificOcean.TheSanAndreasFaultrunscloseby,andtheareaissusceptibletomajorearthquakes.WhiletheGoldenGateBridgedoesnothaveanoverallsensor-basedhealthmonitoringsystemlikethenewI-35AnthonyFallsBridgeinMinneapolis,itdoeshaveearthquakesensors.Itisalsocurrentlybeingseismicallyretrofitted,withaplannedcompletiondatein2012.

05明尼蘇達(dá)州——圣安東尼瀑布I35大橋；STANTHONY'SFALLSI-35BRIDGE,MINNEAPOLIS,USA

TheSt.Anthony'sFallsBridge,thenewI-35bridgethatreplacedthebridgethatcollapsedinMinneapolisin2007,hasanembeddedearlywarningsystemmadeupof323networkedsensors—wireandfiberopticstrainanddisplacementgauges,accelerometers,potentiometers,andcorrosionsensors.Theyarebuiltintothespanandmonitoritforstructuralweaknesssuchascorrodedconcreteandoverlystrainedjoints.Temperaturesensorsembeddedintheroadwaysetoffananti-icingsystemthatsprayspotassiumacetateonthesurfacewhentheweatherturnscold.AtrafficmonitoringsystemalertstheMinnesotatransportationdepartmenttoreroutetrafficoverthe10-lanebridgeincaseofanaccidentorovercrowdingonthespan.Thecostforalltheelectronicsandtechnologywasabout$1million,asmallfractionofthebridge's$234millionpricetag.

06香港——汲水門大橋；KAPSHUIMUNBRIDGE,HONGKONG,CHINA

TheKapShuiMunBridgeisthesecondlongestcable-stayedbridgeintheworld.LiketheTsingMaBridge,ithastwodecksandisheavilymonitoredusingsensors,includingaccelerometers,straingauges,anemometers,weigh-in-motionandtemperaturesensors.

07希臘——里翁-安提里翁大橋；RIO-ANTIRIOCHARILAOSTRIKOUPISBRIDGE,GREECE

Thesix-laneCharilaosTrikoupisBridgeinGreecelinksthetownofRiotothemainland,acrosstheGulfofCorinth.

Thetwo-mile(three-kilometer)bridgehasroughly300sensorsthatmonitoritsconditionandalertoperatorsifanearthquakeorhighwindswarrant

shuttingitdowntotraffic.SoonafteropeninginAugust2004,thesensorsdetectedabnormalvibrationsinthecablesholdingthebridge,whichledengineerstoinstalladditionalweighttodampenthecables.

08香港——青馬大橋；TSINGMABRIDGE,HONGKONG,CHINA

TheTsingMaBridgeinHongKong—theworld'sseventhlongestsuspensionbridge,withtwodeckscarryingbothroadandrailtraffic—isoneofthemostheavilymonitoredbridgesintheworld.TheTsingMaBridgehasthemostloadedcablesofanybridgeintheworldandislocatedinanareasusceptibletotropicaltyphoons.Assuch,itisdesignedtoswayandbendandcanhandlewindspeedsupto212miles(341kilometers)perhour.GPSsensorsmountedonthetowersandcablesmeasurewindspeed.About100photonicsensorsareusedtomonitorthestrainonthebridge’scables.Thebridgehasacompletestructuralhealthmonitoringsystem.延伸閱讀——<清溪長河>的《智能外衣確保橋梁安全》

當(dāng)夏季越來越近的時候，準(zhǔn)備出行的美國家庭也逐漸增多了起來，他們中的很多人都對途徑橋梁的穩(wěn)定性非常關(guān)心。

確保全美600,000座橋梁的安全，絕不是一件輕松的事情。這就是為什么工程師們正準(zhǔn)備在交通量最大的結(jié)構(gòu)上測試傳感器的原因，這會使他們得到潛在風(fēng)險的預(yù)報。

2007年8月，密西西比河上的明尼蘇達(dá)I35大橋垮塌，給許多人以啟示。這座在出行高峰期坍塌的橋梁事先沒有任何預(yù)兆，13人死亡145人受傷。這座建于1967年，是一條八車道高速公路的一部分，預(yù)期壽命50年。開發(fā)者將責(zé)任歸咎于連接鋼梁之間的鋼構(gòu)件失效問題。

傳感器或許會避免類似事件的發(fā)生。國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中心(NIST)和密歇根州運(yùn)輸部投資1900萬美元，研究下一代橋梁監(jiān)控系統(tǒng)?！坝蟹浅Ｉ俚臉蛄簩儆贒級安全等級”，NIST高級技術(shù)負(fù)責(zé)人，“智能橋梁”的推廣者M(jìn)arcStanley如是說。

密歇根大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院的首席研究員JeromeLynch副教授認(rèn)為，傳感器技術(shù)因給橋梁“體檢”而確保健康，會給橋梁的安全保障帶來很大的不同。

Lynch和他的同事們