给老桥注入新生命

坦率地说，北卡罗来纳州有数百座桥梁——全国有数千座——都处于粗糙状态。

它们不能像以前那样承载那么多重量，交通官员也不能像他们想的那样迅速更换它们。但是来自北卡罗来纳州立大学的研究人员已经提出了一种改造这些桥梁的方法——恢复它们失去的能力，并为规划者提供时间来制定长期解决方案。

需要明确的是，我们不是在谈论设计用于承载40吨负载的大型公路桥。我们说的是设计为承载25吨或更小重量的桥梁，从乡村道路到城市大道，到处都有这种桥梁。

各种各样的桥梁都在老化——而且并不优雅。但是北卡罗来纳州立大学的新改造方案是专门为预应力混凝土梁制成的桥梁开发的。

预应力混凝土梁是桥梁施工中最常用的材料之一。它们是通过拉伸钢绞线，直到它们承受数千磅的张力，然后在钢绞线周围浇上混凝土制成的。

一旦混凝土凝固，绳子末端的张力就会释放。然后这些股试图恢复原状，这种力会压缩周围的混凝土。这种力量足以使混凝土弯曲，在梁上产生轻微的拱形或弯曲。

紧绷的钢绞线可以抵抗梁底部的张力，混凝土可以抵抗顶部的压力——这就是梁(和桥梁)如此坚固的原因。如果这两种力变得不平衡，梁就会失去能力，这意味着它不能承受那么多的重量。当然，这不是人们在桥上寻找的东西。

随着时间的推移，内部钢绞线可能会暴露在外部化学物质中，如道路盐。这会导致钢绞线腐蚀，膨胀金属并破坏周围的混凝土。这进一步暴露了钢绞线，加速了腐蚀过程。不出所料，腐蚀会导致钢绞线失去张力，削弱梁的强度。另一个常见的问题是，当超高层车辆撞到桥梁时，钢绞线会受损——这种情况发生的频率比你想象的要高。

所有这一切意味着，一座设计用于承载15吨负载的桥梁现在可能只能承载12吨或更少的负载。当这种情况发生时，交通官员在桥上发布了新的负荷限制。

换句话说，这座桥对于轻型车辆仍然是安全的，但对于较重的车辆，如校车、自卸卡车和农业设备，可能不得不绕道而行。这些弯路在时间和金钱上都是昂贵的。

输入布拉德·麦科伊他是美国陆军工程兵团(Army Corps of Engineers)的一名中校，2016年开始攻读为期三年的博士学位土木工程北卡罗来纳州立大学。

解决昂贵问题的经济有效的方法

McCoy与北卡罗来纳州土木、建筑和环境工程系的研究人员合作，提出了一种改造解决方案，为旧桥梁注入新的生命。

“通过将预应力纤维增强聚合物板连接到这些桥梁上，我们能够将桥梁恢复到原来的承载能力，使它们能够再次通过大型车辆，”5月10日毕业的McCoy说，他现在是美国军事学院土木与机械工程系的土木工程教授。

“这种改造方案旨在恢复至少三到五年的承载能力，让交通官员有时间计划、预算和建造永久性维修或桥梁更换。”

这是一种又长又薄的刚性板，只有4英寸宽，八分之一英寸厚，主要由防水聚合物包裹的碳和玻璃纤维组成。

McCoy说:“这些盘子已经上市了，我们可以得到我们需要的长度。”“这是一个显著的优势，因为我们不需要从头开始创造一些东西，然后再想办法扩大生产。尽管这些钢板已经问世好几年了，但我们是第一个对这种材料进行预应力以恢复预应力混凝土桥梁的承载能力的人。”

快速安装标牌非常重要，因为关闭桥梁会中断交通。

更重要的是，McCoy和他的合作者已经开发了一个系统来实施这个解决方案，应该允许交通官员在一到三天内对桥梁进行改造，这取决于桥梁的大小。

McCoy说:“快速安装车牌很重要，因为关闭桥梁会中断交通。”“我们希望确保这种解决方案能够快速恢复流量，并使用尽可能少的人力资源。”

研究人员已经在小范围内对相关材料进行了详尽的测试，现在正在北卡罗来纳州的建筑设施实验室(CFL)进行大规模测试。

比新的更好

“我们正在测试由北卡罗莱纳州交通部(NCDOT)提供的以前在北卡罗莱纳州桥梁上使用的混凝土大梁，”CFL的管理者格雷格·卢西尔(Greg Lucier)说。

研究人员已经测试了c槽梁，这种梁在全国各地的桥梁中都有，但在新建筑中不再常见。c槽梁长30英尺，重4吨，这让你对测试的规模有了一个大致的了解。结果超出了预期。

例如，在CFL中测试的一根c型通道大梁受损严重，其原始运行载荷能力下降到略低于70%——这是用来限制过桥车辆尺寸的标准。

但在应用了改造板后，北卡罗来纳州的研究人员发现它们实际上可以使钢梁的运行负荷增加15%超过了变质前的运行能力。

“这是一个成功，”McCoy说。“根据桥梁的需要，我们可以将主梁恢复到原来的工作载荷，也可以增加它，弹性都会增加。我们的目标是恢复三到五年的全部功能。我们开发的技术既能恢复全部功能，又能给NCDOT时间来更换受损的基础设施，同时最大限度地减少对当地人口和工业的影响。”

我们的目标是恢复三到五年的全部功能。

CFL团队现在正在测试空心核心板梁，这些梁比c型通道更大，直径40英尺，重7.5吨。这些也被广泛使用，并仍在新的建筑中使用。

与此同时，工程师们已经将他们的工作转移出了实验室。

现实世界的情况

今年4月，McCoy和NCDOT的一个维修团队在富兰克林县的一座双车道桥梁上安装了改装板。这座桥已经恶化到混凝土已经碎裂的地步，暴露出桥中央附近的部分钢绞线。

“这是真实世界的测试，”露西尔说，他是北卡罗来纳州立大学土木、建筑和环境工程的研究助理教授。“六个月后，当这座桥被替换时，我们将能够把这些梁带到CFL中，对改造系统在使用时的表现进行测试。”

这是真实世界的测试。

NCDOT的研发经理Neil Mastin说:“NCDOT在北卡罗来纳州维护着13000多座桥梁。”“管理这样一个庞大的网络需要许多工具来最大限度地利用有限的资源，并为公众提供一个安全和功能齐全的公路系统。我们在北卡罗来纳州立大学的研究项目和合作伙伴是扩展该工具集的关键组成部分。该研究项目有可能延长桥梁的使用寿命，直到可以更换。我们期待着北卡罗来纳州立大学团队在创新基础设施解决方案方面的更多工作。”

McCoy说:“我们很高兴看到我们的研究产生了真正的影响。”“这种新方法是一种具有成本效益的解决方案，可以以最少的人力和物质资源延长现有基础设施的使用寿命。在我们努力提高我国基础设施的整体可持续性之际，经济、环境和社会影响至关重要。”