桥梁卡住、道路弯曲——极端高温正在严重破坏美国老化的基础设施
2024 年夏季的创纪录高温给道路、铁路等交通基础设施带来了问题。纽约第三大道大桥横跨哈莱姆河，用于船舶通行。由于金属在高温下膨胀，桥身无法闭合，桥身被卡住了几个小时。在华盛顿州和威斯康星州等多个州，道路在炎热天气下出现弯曲。美国铁路公司在纽约和新泽西州之间全天停电前数小时警告乘客做好应对高温相关问题的准备；高温下电线和铁轨的风险是导致火车系统延误的一个日益严重的因素。
日益恶化的高温天气对已经陷入困境的美国基础设施系统造成了更严重的冲击。
美国土木工程师学会在 2021 年发布的最新国家基础设施报告卡中，将美国基础设施的总体评分定为 C-。尽管情况有所改善（约7.5% 的美国桥梁状况不佳，而十年前这一比例超过 12%），但许多桥梁正在老化，难以维护。40%的道路系统状况不佳或一般，维护成本大幅增加。
消防员试图给纽约市第三大道大桥降温，因为大桥的金属在高温下膨胀，导致大桥无法闭合。即使是相对较新的大桥（这座大桥于 2004 年部分重建）在高温下也会受到影响。
桥梁或道路的损坏速度不仅取决于所用的材料和施工方法，还取决于结构使用寿命期间的气候。极端高温尤其会严重影响交通基础设施。随着气候变化的加剧，热浪的频率和强度预计会增加，从而加剧这些问题。
我领导着德克萨斯大学阿灵顿分校的智能基础设施和测试实验室，我的团队致力于研究如何更好地监测基础设施的结构健康状况。以下是基础设施在高温下挣扎的原因，以及工程师们如何创新以延长其使用寿命。
弯曲的高速公路对驾驶员构成危险
修建道路时，会将其切割成几段，以便路面在高温时膨胀或在寒冷时收缩。如果没有这些空间，路面在道路材料升温时就会弯曲。混凝土路面弯曲已成为几个州的严重问题。
路面容易弯曲的原因有很多。道路的设计、路面所用的材料、修建时的气候和使用期间的天气都会影响路面的使用寿命，道路损坏和维修不当也会影响路面的使用寿命。
极端气温和强降水会对道路造成严重损坏，并危及铁路系统的结构完整性。此外，海平面上升正在加速海岸侵蚀，从而破坏道路和铁路线。路面恶化会导致交通延误和车辆受损。最重要的是，它可能导致交通事故。
今年夏天，威斯康星州各地的道路都出现变形。
热轨可能会膨胀，也可能弯曲
轨道扩张是另一个值得关注的问题，尤其是对于火车主线等连续焊接轨道而言。
当温度升高时，轨道会因受热而膨胀。这种膨胀会在轨道材料内产生高压和张力。再加上行驶的火车施加的力，这种压力会导致轨道向一侧弯曲并错位。有时这被称为“太阳扭结”。
弯曲的铁轨是严重的安全隐患，可能会导致脱轨。这就是 Amtrak在极端高温下放慢速度的原因之一，这经常导致列车延误。一旦铁轨温度达到 135 华氏度（57 摄氏度），华盛顿特区的地铁就会将列车速度降至最高 35 英里/小时。
预测这些热应力可能具有挑战性。仅靠轨道温度测量是不够的，因为与轨道结构及其移动方式相关的未知因素很多。这使得准确预测轨道将膨胀或收缩多少变得困难。
桥梁路面扫描图显示存在薄弱环节。图片来源：智能基础设施和测试实验室/德克萨斯大学阿灵顿分校
工程师可以通过使用耐热材料（例如过共析轨道钢和马氏体轨道钢）、调整轨道设计和确保及时修复来降低轨道扩张风险。
为了防止道路弯曲，工程师们还采取了保护措施，例如使用填充密封剂的单切锯缝，以提供灵活性，同时防止水进入。他们还可以实施寒冷天气混凝土浇筑方法，避免在低温或寒冷的地基上浇筑混凝土，并且可以使用更坚固、更耐用的混凝土。当路面开裂和损坏时及时进行修复也有助于避免弯曲。
保持基础设施健康
基础设施健康与人类健康相似：如果医生在后期才发现肿瘤或癌症等问题，通常为时已晚。与人体一样，基础设施需要从一开始就进行维护，以降低成本并增加有效康复的可能性。
我的部门研究的一个领域是无损评估方法，用于监测基础设施，而不会造成损坏或不需要长时间封闭道路。
安装在车辆上的设备可以快速扫描路面，查找薄弱之处和缺陷。它们就像移动 MRI 机器一样。图片来源：Suyun Paul Ham/德克萨斯大学阿灵顿分校，CC BY-ND
我们使用类似于便携式 MRI 机器的移动扫描系统来查找桥梁、道路和跑道的薄弱环节或缺陷。我们还在开发利用机械和磁场现象评估基础设施状况的先进传感器，并使用人工智能来发现材料中的问题。
随着气候变化以及道路、桥梁和其他基础设施的老化，基础设施将面临越来越多的挑战。今年夏天大量道路弯曲和其他问题凸显了弹性基础设施的迫切需求，以应对未来。
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