大跨桥梁监测与控制研究所

通知公告

通知公告

当前位置: 首页 > 通知公告 > 正文

转发桥梁杂志公众号--解读美国最“智慧”桥梁

2021-08-11   作者:Michael Whalen等 桥梁杂志   点击:


2020年,随着一声鸣笛,位于纽约州的马里奥·科莫州长大桥(Mario M. Cuomo Bridge)成功通车。作为全美重要的桥梁工程,该桥是美国有史以来最“智慧”的桥梁,在应用新技术和新系统方面堪称典范。目前,大桥应用的先进技术系统包括:结构健康监测(SHM)系统、交通管理系统、照明系统、全电子收费(AETC)系统、建筑信息建模(BIM)系统和资产管理系统。

新科莫大桥的高科技系统

新科莫州长大桥位于纽约市北部,全长3.1英里,横跨哈德逊河,是一个体量庞大的平行双桥结构,机动车道长约30公里。全桥包括8条普通车道和公交车专用车道,其中北桥还包含一条自行车和行人两用车道。该项目于2020年夏天完工,工程设计施工承包商为Tappan Zee Constructors,其运营和维护工作由桥梁业主单位——纽约州高速公路管理局(NYSTA)负责。

当公众赞赏某座标志性桥梁结构时,通常不会第一时间想到桥梁结构本身安装的各种系统,但是这些系统对于桥梁的安全和高效运营至关重要。其中,有部分桥梁系统安装在桥梁结构表面,可以被轻易看到,例如交通管理系统、道路照明以及收费系统等。另外,像桥梁安全系统和结构健康监测等管理工具,安装在桥梁结构内部,不能被直接看到。还有一些系统,如建筑信息模型(BIM)等,它的使用贯穿整个桥梁设计和施工过程,在桥梁的运营和资产管理阶段,该系统也将一直得到应用。

今天的基础设施在进行设计时,不仅要经久耐用,而且还需适应当地的自然环境,同时还需要在出现任何问题时,能够向业主发出警报。新科莫大桥的设计使用寿命是100年,依靠这些高科技系统,纽约州高速公路管理局可以在养护和交通运营方面做出明智的决策。

图1 结构健康监测系统是桥梁的“中枢神经系统”,能够传输一些重要的桥梁指标。

图片提供:纽约州高速公路管理局

实时决策支持

科莫州长大桥拥有美国最庞大、最复杂的结构健康监测系统,这也是养护工程师监测结构性能并做出实时决策的基础。全桥共安装有300个传感器,用于监测缆索温度、应力变化和裂缝、伸缩缝移动以及混凝土内部和桥面的正常腐蚀。因此,运营单位可以更好地了解并追踪桥梁的老化过程,以及在荷载和季节性温度发生变化时做出合适的决策。

整个系统也是智能的,当诸如地震或船舶撞击等破坏发生时,桥梁监测系统会自动给桥梁运营单位发送电子邮件,提醒桥梁运营单位及时做好防范。同时,该系统还可以对传感器传回的全桥梁数据进行比较和分析,并展示不同影响因素是如何在破坏触发事件下引起反应,而且,所有传感器同步报告的时间标记也降至毫秒级。另外,监测系统除了分析触发事件的周期外,还可以通过对支座寿命、伸缩缝寿命和腐蚀情况等关键指标进行监测并出具相关报告,以此比较桥梁结构每年的性能变化,从而改进养护计划,这也反过来影响桥梁保持更快速和更稳健的投资回报率。

适应性和安全性提升

桥梁智慧交通系统(ITS)结合结构健康监测系统(SHM)同时工作,接收来自结构健康监测系统(SHM)传感器传回的温度、风速等数据,可以有效地帮助桥梁运营单位做出正确的交通管理决策。数百种通过预先编程的算法,可以让运营单位操作人员只需按动一个按钮,就可以改变交通模式和速度限制。同时,还可以通过数字高速公路指示牌将信息传达给过往司机。这些数字高速公路指示牌可以告知过往司机哪里发生了事故,引导他们远离封闭车道,避免在最后时刻变道,从而导致交通事故。在冬季的几个月,先进的监测系统可以对路面状况进行实时监测,从而使路面养护和除雪工作更加高效。这些功能性提升,可以最大限度地减少过往司机的交通延误状况,让民众从公共基础设施投资中获得最大收益。

图片 面向未来

随着科技的快速发展,应用于科莫大桥的任何系统,其设计使用寿命都需要和大桥一样长,并且这些系统要能够在不需要增加额外基础设施成本的情况下,轻松完成未来升级和扩展,这一点非常重要。例如:汽车互联技术,汽车、卡车、公交车内部将安装相关设备,从而实现附近车辆的识别、通信,同时能够接收通知。科莫大桥基础设施系统在设计之初就已经考虑到了这种未来技术,并且为未来接入车辆网络系统所需的额外硬件、电力和数据宽带需求做好了准备。

对于高效和监控的追求,一直延续到道路照明系统。大桥所有的照明系统均采用LED节能灯具。大约在十年前,一条典型的高速公路或桥梁都普遍采用高压钠或汞蒸汽路灯,每盏路灯瓦数大约在250-300W,但是现在采用LED节能路灯以后,每盏灯的瓦数大约是之前的一半。作为一项先进技术的革新,这里的每一盏路灯顶部都加装了一个无线中继器节点,这样就可以实现路灯之间相互通信,以及向远处操作控制台发送实时信号的功能。这些典型信号包括路灯状态、定点灯光调节、维护需求、寿命终结评估和常规安排,所有这些操作,都是工作人员通过所掌握的事实数据和电力使用情况而进行的主动维护,而且这些操作也都是远程操控。

与道路照明一样,美学照明也使用了LED灯具。整个大桥共使用超过2500盏美学灯具,远处控制台可以通过光纤网络找到每一盏灯具。这些灯具照亮了整个引桥墩柱、主跨缆索和主跨桥塔。所选的LED灯光照明系统一共可以产生超过1600万种颜色组合,预计寿命超过10万小时。为了能够保证灯光均匀的分布在立柱和桥塔上,每一个灯具都有各自不同的照射角度,同时这些灯光还根据立柱高度和距离地面位置的不同进行了明暗调整。

这些新技术、传感器和节能设备的使用让大桥运营单位能够以更安全、更高效的方式对桥梁进行养护和运营。正是因为桥梁安装了大量的传感器、智能设备,桥梁运营单位在未来的养护过程中,就更加需要一个全面的数字化资产管理系统来存储这些操作规范、养护记录、竣工图纸和其他相关信息。因此,BIM技术应运而生。

一项成功的试验

为了满足桥梁未来养护和规划的需要,纽约州高速公路管理局(NYSTA)要求桥梁设计-施工单位在竣工时提交一个交叉数据库,并同时作为交付项目文件的工具,设计-施工单位可以通过这个工具提交竣工图纸、工厂认证、检测报告、操作规范、施工图片等。所有这些数据都必须安排有序并且可以相互关联,以便桥梁相关单位可以及时获取桥梁生命周期管理信息。

资产管理系统的第一个构建模块是在设计阶段创建数字模型。设计师可以使用该模型详细了解桥梁的上部结构和下部结构,包括猫道、公共设施、标识和其他桥梁设施。

下一个构建模块是将数据连接到设计模型当中。为了实现这些数据连接,所有的设计模型都包含了关于它们是什么(梁、桥墩、桥面板)和它们的位置(单元、跨径、方向)的信息。因为这项设计是通过不同软件开发而成,所以设计模型都导出为开放的标准格式工业基础类(IFC)。

在开发桥梁BIM模型过程中,使用IFC导出模型和嵌入数据的方法是实验性的。当时,IFC在搭建架构时还没有包含桥接单元。该项目是世界上第一批使用IFC进行完整项目交付的桥梁之一,HDR公司也因此在2017年获得了building SMART国际运营和养护大奖。

从那以后,美国国家公路与运输协会(AASHTO)桥梁和结构委员会和设计委员会采用IFC作为AASHTO所有州3-D交付格式的标准。一个名为桥梁和结构BIM TPF-5(372)联合基金项目,目前正在专门针对桥梁领域开发IFC可交付成果。现在,使用3-D模型,特别是IFC技术已经成为世界各地桥梁工程的普遍趋势。

智能、主动养护和优化资产寿命

对新科莫大桥这种规模的基础设施进行运营和养护是一项艰巨的任务,要知道,仅仅是了解桥梁的每一个构件、每一个单元已经是一个极大的挑战了,但是桥梁养护工程师通过交叉数据库自动访问养护记录,极大地提高了他们的工作效率和生产力。从历史角度看,桥梁养护一直是被动的,常规的定期检测出了问题,桥梁工程师才会深入的研究设计方案、过去的桥梁检测报告和规范,从而分析原因,然后才设计和执行养护方案。

桥上的智慧系统-结构健康监测系统(SHM)、智慧交通系统(ITS)和建筑信息建模系统(BIM)为桥梁运营单位提供了智慧、主动维护的能力。BIM系统将数据转化为信息,这些信息涵盖桥梁的每一个部分,无论是梁体还是灯具;同时,这些信息也涵盖不同阶段,不仅包括设计、竣工、检测报告、规范阶段,还包括当前性能条件下的实时数据。养护工程师不仅知道这些桥梁构件都分布在哪里,而且也可以深入了解每一个桥梁构件的使用寿命趋势。如果某一个桥梁构件没有达到预期服役情况,他们就可以及时采取行动,及时进行养护维修,调整养护计划。只有这样,一个设计使用寿命为100年的桥梁才能获得最佳的养护管理状态,才能获得更长的使用寿命。

上一条:连续刚构桥健康监测系统的一个标准化解决方案(转发学社风清 检师学社)
下一条:李杰教授和梁岩副教授被认定为2022年博士研究生导师