热那亚大桥坍塌事件及其对老化的基础设施维护的意义

随着结构不健全的桥梁、不安全的大坝和废弃的道路成为越来越常见的问题,监测不力和不安全的老化基础设施已被推到许多政治议程的前沿。最近意大利热那亚大桥倒塌的悲剧表明,为了减少对人类生命的重大风险,仍然需要对世界各地的关键--特别是老旧--资产引入更好的监测系统。莫兰迪高速公路的坍塌是由于该桥的一个结构部件,包括预应力混凝土支架和栈桥,发生了故障。现在人们的注意力转向了该桥的维护记录,有人认为对其完整性和安全性的担忧可以追溯到几十年前,有人说它早就应该被拆除和重建了。许多人还在猜测,这次坍塌不仅是在意大利基础设施老化的大背景下发生的(据《共和国报》报道,全国大约有300座桥梁和隧道处于危险之中,这是意大利在过去五年中坍塌的第五座桥梁),也是在世界其他地区发生的。

更远的地方的问题

基础设施老化的问题--以及它带来的风险--在北美也是一个紧迫的问题。美国有614,387座桥梁,其中几乎十分之四是50年或以上的。2016年,全国有56,007座--9.1%--的桥梁存在结构性缺陷,平均每天有1.88亿人次通过结构性缺陷的桥梁。虽然被认为是结构性缺陷的桥梁数量正在减少,但美国桥梁的平均年龄不断上升,许多桥梁正在接近其设计寿命的终点。根据最新的估计,全国积压的桥梁修复需求为1230亿美元。

在桥梁坏了之后再去维修,或者把维修时间拖得太长,都会使公司和政府付出更多的代价,而不是在小问题得到更经常的解决,以及在事件可能造成更多的金钱损失,更重要的是,造成生命损失之前就加以提示。

因此,迫切需要对老化的基础设施进行定期的预测性维护,以防止再次发生致命的坍塌。

而这仅仅是桥梁。想想其他重要的基础设施--从高速公路和水路到港口、码头、矿井、大坝等等--你就会意识到,在北美这样一个基础设施普遍老化的国家,风险水平是非常高的。毫不奇怪,许多私营部门的经营者和政府官员都在呼吁尽快制定战略。

今天,桥梁基础设施的维护周期是如何进行的?

当今的桥梁基础设施的维护面临着许多挑战。交通工程和维护人员必须每年为数百万人提供全天候的服务,同时还要维护分布在其设施中的数百万立方米的混凝土,包括桥梁。直到最近,只有数量有限的准确和经济的技术来测试这些结构,而且所有这些技术都需要专家亲临现场。这些人工技术曾经--现在仍然--被用来保证基础设施的完整性和安全性,同时确保其符合最初的设计规格。大多数时候,这些技术是低效的、危险的、有风险的和昂贵的,使生命处于危险之中,并通过更频繁的事故和事件使运营公司花费大量的资金。

如何才能更好地维护老化的基础设施?

实施一个基于物联网技术的无线监控系统

负责莫兰迪大桥的意大利主要公路公司Atlantia的首席执行官Giovanni Castellucci说,该公司没有收到任何关于大桥稳固性的具体报告或警报,这表明为标记突发错误而设置的系统没有充分地发挥其作用。监测关键基础设施的传统方法,如视觉、电缆、光纤和地形,都是昂贵的,不灵活的,很少允许无线监测。那些允许远程监控的方法一般没有广泛的范围,很难从远处分析数据。正如民用基础设施结构健康监测方面的学术专家J.M.W.Brownjohn所强调的,"[民用基础设施]维护和检查方案的有效性仅取决于其及时揭示问题性能的能力",解释了向实时、远程监测系统的转变。

最近出现的物联网无线监测系统有许多好处,理论上应该可以防止像热那亚塌方这样的灾难发生。它们可以安装在没有固定基础设施的偏远地区,并具有必要的范围,可以实时进行远程监控,因为它们运行在LoRa等LPWAN网络上。

LPWAN是指低功率广域网;它是一种无线电信广域网,设计用于设备或 "物"(因此是 "物联网")之间以低比特率进行长距离通信,如电池操作的传感器。

这种实时监测使当局和私营部门的公路和桥梁运营商能够随着时间的推移建立起一个累积的数据集,从而为他们提供准确、实时的信息,了解桥梁的安全程度和需要维护的程度。这意味着公路运营商可以在任何事故发生之前实施维护或疏散和封锁该地区。这优化了维护周期的长期性,改善了战略规划。因此,在基于物联网技术的无线系统的帮助下,高速公路运营商可以对任何异常情况作出非常迅速的反应,帮助防止突然出现的问题,如坍塌,并为事故造成的更严重的损害和长期的停工期节省长期资金。

无线结构健康监测究竟是如何工作的?

"结构健康监测"(SHM)一词是最近才出现的标准,它是从一系列其他术语中产生的,如结构监测,或只是监测。在大多数发达国家,民用基础设施的SHM是一项法律要求;例如在英国,大坝必须由监督工程师通过收集运行数据进行持续监测。桥梁的SHM大约在20世纪50年代开始使用,当时华盛顿大学开始测量Tacoma Narrows大桥的性能。现在,大多数大型桥梁都有某种SHM计划。制定结构健康监测计划或战略的一个重大挑战是,每一块基础设施都是独一无二的,这意味着没有官方的 "正常 "结构性能或 "良好结构健康 "的衡量标准。运营商和基础设施团队负责人认为持续收集数据对他们的关键资产的SHM至关重要。

西索曼桥-印度尼西亚小型车辆穿过印度尼西亚西爪哇省普瓦卡尔塔县Cipularang或Purbaleunyi收费公路上受损的Cisomang桥。(JarkartaPost)

一个部署了先进无线监控的桥梁项目

基于物联网网络、传感器和软件的无线基础设施监测是 SHM 的新领域,因为它不仅能提供必要的实时数据,还能进行远程、远距离和低功耗的数据汇总和传输。例如,印度尼西亚Cisomang 桥的翻新工程就是因为桥身开始出现裂缝,桥柱逐渐变形。该桥被证明不稳定,卡车被禁止通过。最终,桥梁运营商决定需要一个长期的无线监控系统:Worldsensing 无线数据节点随后被连接到混凝土上的应变片上。

在这里对无线监控的投资是明智的,但也许有点太晚了。

如果大桥运营团队从一开始就对大桥进行监控,那么结构性问题就可以更早地被标示出来并得到修复,而不需要将人们的生命置于危险之中并停止交通的通行。这个迟到的决定造成了巨大的损失:发生的结构性问题对国家的整体物流产生了非常不利的影响,从而影响了经济,因为这座桥提供了从雅加达到万隆的重要路线,而万隆是国家最重要的城市之一。

拆除而不是维护

热那亚大桥是由预应力钢筋混凝土建造的,而不是现代桥梁的标准钢结构设计;热那亚大学的工程教授Brencich教授在大桥发生前几年就警告过大桥的坍塌。在2016年接受Primocanale的采访时,他说。"莫兰迪大桥被称为工程的杰作,实际上,它是一个破产[......]有一天,维护成本将超过重建成本,然后我们将不得不进行更换。"Brencich将混凝土的迅速恶化归因于从20世纪90年代开始需要进行的重大维修和更换;由于连接桥梁各部分的拉杆梁被包裹在混凝土中,因此永远不可能对其状况进行精确分析。他认为,维护桥梁的成本已经超过了拆除和重建的成本。热那亚商业联合会领导人乔瓦尼-卡尔维尼(Giovanni Calvini)对此也有同感,他在2012年表示,该桥在10年内有倒塌的危险,需要被替换。

总结

在莫兰迪大桥的故障案例中,可能没有维护或监控系统可以防止最终的坍塌。一个这样的系统可能通过允许当局在坍塌发生之前充分关闭桥梁来拯救生命,但最终良好的、经过深思熟虑的设计和材料选择对于确保基础设施的安全和持久性至关重要。基于物联网技术的新兴无线监测系统可以帮助后者,让运营商通过积累的数据来评估桥梁是否需要重建,是否有长期的前景。它们还可以用来确保建设和维护过程本身是安全和顺利的,因此提高了基础设施整个生命周期的安全性--从其建设到最终的静态寿命和维护。

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