大交通量城市高速公路橋梁物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研究

麥 劍，韓 鵬

（1.廣州快速交通建設(shè)有限公司，廣東 廣州510475；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引言

以機(jī)場(chǎng)高速公路為代表的城市高速公路，是諸多城市連接核心區(qū)和機(jī)場(chǎng)大型交通樞紐的重要通道，是保障城市正常生產(chǎn)、生活的重要載體，也是區(qū)域經(jīng)濟(jì)實(shí)力和現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。城市高速公路橋梁既承載著繁重的交通服務(wù)任務(wù)，又面臨著諸多突發(fā)性和漸變性風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)有管養(yǎng)體系主要以人工定期巡檢為主，缺乏與運(yùn)維安全相關(guān)指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，管理部門在巡檢間隔期無法即時(shí)體察風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，由于線路長(zhǎng)、交通量大、環(huán)境復(fù)雜、橋梁體量大、并行構(gòu)造物阻隔等因素，大量道路、橋梁巡檢頻度不高，可達(dá)性不好，人員安全風(fēng)險(xiǎn)高，這使得運(yùn)維管理工作對(duì)網(wǎng)絡(luò)化、區(qū)域化、實(shí)時(shí)性監(jiān)管技術(shù)的需求日趨迫切。伴隨國(guó)家“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略的推進(jìn)，城市生活對(duì)安全、高效、便捷的需求不斷提升，客觀上要求構(gòu)建設(shè)施智能化、服務(wù)功能綜合化的現(xiàn)代道路交通服務(wù)體系。

以互聯(lián)網(wǎng)為核心，基于現(xiàn)代傳感技術(shù)、智能巡檢技術(shù)、云平臺(tái)數(shù)據(jù)管理技術(shù)的橋梁物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，代表著“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代城市基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維安全管理的發(fā)展方向，成為中小型橋梁區(qū)域化管理的破局之道[1]。

橋梁物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)構(gòu)架為：面向大量橋梁的廣泛應(yīng)用，在結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位，針對(duì)與安全直接相關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo)設(shè)置傳感器，并可采用智能巡檢的方式互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)在位置和指標(biāo)類別上的全覆蓋。采用云平臺(tái)集約化數(shù)據(jù)管理與網(wǎng)頁(yè)、手機(jī)客戶端輕量化使用相結(jié)合的服務(wù)模式，為橋梁區(qū)域化安全運(yùn)維管理提供從風(fēng)險(xiǎn)感知、病害巡查，到綜合數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)算管理，到風(fēng)險(xiǎn)預(yù)(告)警、應(yīng)急保通、維修養(yǎng)護(hù)全過程的產(chǎn)業(yè)化智慧服務(wù)。

本文以背景項(xiàng)目——廣州機(jī)場(chǎng)高速流溪河特大橋?yàn)橐劳?，針?duì)城市高速公路橋梁這類特定的長(zhǎng)線路橋梁，闡述其運(yùn)維管理需求，并結(jié)合實(shí)施約束條件等要素，研究其物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)建和實(shí)施方案。流溪河特大橋主橋?yàn)?跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，跨徑布置50 m+80 m+50 m，中墩為雙柱薄壁墩，引橋?yàn)榭鐝?0~30 m小箱梁或板梁結(jié)構(gòu)。

1 運(yùn)維需求與實(shí)施條件分析

橋梁物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要特點(diǎn)在于，面向大量橋梁的區(qū)域化運(yùn)維管理，首選對(duì)結(jié)構(gòu)安全最關(guān)鍵的指標(biāo)，在關(guān)鍵部位設(shè)置在線傳感設(shè)備。因而，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)因地制宜，充分分析對(duì)象橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)維環(huán)境特征，并結(jié)合系統(tǒng)實(shí)施階段的各項(xiàng)約束條件，從功能性、經(jīng)濟(jì)型和實(shí)施便利性等多方面選取“少而精”的最優(yōu)方案。

（1）運(yùn)維需求

以機(jī)場(chǎng)高速為代表的城市高速公路，其顯著特點(diǎn)在于兼容了“高速公路”和“市政道路”的特征，車輛多、車速快，重車數(shù)量少于普通高速公路，但對(duì)偶發(fā)對(duì)象更不可忽視。這對(duì)采集制度、告警規(guī)則的制定都有特定的要求，部分要素需要根據(jù)一定時(shí)期數(shù)據(jù)積累之后再優(yōu)化，進(jìn)而形成長(zhǎng)線路城市高速公路特有的在線運(yùn)維管理機(jī)制。

（2）實(shí)施對(duì)象

城市高速公路中的混凝土梁式橋，其日常運(yùn)營(yíng)的主要荷載來自上部道路的通行車輛。上部結(jié)構(gòu)撓度和關(guān)鍵部位的應(yīng)變，是運(yùn)維階段需首要關(guān)注的關(guān)鍵指標(biāo)。除主通航孔等重點(diǎn)橋跨采用連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu)，其余橋跨一般采用小跨徑小箱梁或板梁。由于長(zhǎng)線路橋梁的連續(xù)性和封閉性，引橋的運(yùn)維安全同樣應(yīng)受到重視。而且，與大箱梁結(jié)構(gòu)相比，小箱梁和板梁是橫橋向多片排布型式，其任一單片梁體的損傷都會(huì)影響到線路的整體安全，從該層意義上，小跨徑引橋的安全更應(yīng)引起足夠的重視。因而，在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)中，除主橋外，應(yīng)選取部分小跨徑引橋予以監(jiān)測(cè)。同時(shí)，由于引橋結(jié)構(gòu)型式單一，可首先選取典型橋跨，其運(yùn)維監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)亦可對(duì)近似橋跨提供參考。因而，在本文所依托的物聯(lián)網(wǎng)試點(diǎn)項(xiàng)目中，選取了主橋和一跨引橋作為實(shí)施對(duì)象。

（3）設(shè)備選型

城市高速公路的通行車輛以小型轎車為主，兼有部分中等載重量的客車、貨車，偶爾有大型運(yùn)輸車輛通行，其共同特征在于通行速度快。因此，運(yùn)維指標(biāo)采集系統(tǒng)應(yīng)能夠充分滿足結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的需求。對(duì)撓度監(jiān)測(cè)，常用連通管式靜力水準(zhǔn)儀對(duì)動(dòng)態(tài)荷載下的液面波動(dòng)較為敏感，不適用于持續(xù)大交通量的橋梁結(jié)構(gòu)，因而，推薦采用以機(jī)器視覺為核心技術(shù)的視頻-靶標(biāo)裝置，開展高頻度位移監(jiān)測(cè)。對(duì)應(yīng)變監(jiān)測(cè)，常用振弦式應(yīng)變計(jì)對(duì)振動(dòng)環(huán)境較為敏感，因而推薦采用光纖光柵式應(yīng)變采集設(shè)備。

（4）受力特征

流溪河特大橋?yàn)樯舷滦蟹址O(shè)計(jì)，重車以右側(cè)車道行駛為主。對(duì)主橋單箱單室箱梁，通常重車荷載作用下，右側(cè)腹板為荷載橫向分布的承擔(dān)主體。

主橋?yàn)檫B續(xù)剛構(gòu)橋梁，主墩為雙薄壁式橋墩，墩頂主梁在主跨和邊跨側(cè)梁端的彎矩和應(yīng)力分布不同，主跨主梁亦存在負(fù)彎矩向正彎矩區(qū)段的過渡，應(yīng)力分布復(fù)雜。對(duì)上部結(jié)構(gòu)主跨，可選取跨中、雙1/4跨、雙根部共5個(gè)關(guān)鍵截面；對(duì)邊跨，可選取跨中、根部共4個(gè)關(guān)鍵截面。

（5）實(shí)施條件

從安裝實(shí)施的安全性、便利度等要素考慮，應(yīng)通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得傳感系統(tǒng)在有效反映結(jié)構(gòu)運(yùn)維狀態(tài)的同時(shí)，減小安裝實(shí)施階段對(duì)交通的影響，降低人員可達(dá)性難度，提高安全保障水平。

以流溪河特大橋?yàn)榇淼闹T多早期建造的大跨度箱梁，在建造時(shí)并未設(shè)置人孔，因而監(jiān)測(cè)設(shè)備無法安裝在箱梁內(nèi)部，需選用橋檢車等大型機(jī)具，為安裝人員實(shí)現(xiàn)梁體關(guān)鍵部位的可達(dá)性。實(shí)施過程中，除了關(guān)鍵截面的“點(diǎn)式”安裝，尚需布設(shè)設(shè)備之間的連接線路，因而安裝作業(yè)是一個(gè)連續(xù)的過程。對(duì)大交通量高速公路來說，必須在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段充分考慮對(duì)橋上交通的影響。

該橋?yàn)樯舷滦蟹址O(shè)計(jì)，快車道設(shè)置在左側(cè)，一般不建議（多數(shù)情況下不允許）長(zhǎng)期占用快車道施工。而且，常用橋檢車懸臂以向右側(cè)轉(zhuǎn)向?yàn)槎?，適宜?？坑覀?cè)慢車道（應(yīng)急車道）對(duì)梁體右側(cè)面實(shí)施，對(duì)梁體左側(cè)實(shí)施則需從前方入口逆行上橋，實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)大，交通協(xié)調(diào)困難。

2 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

綜合考慮結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和實(shí)施約束條件，優(yōu)選對(duì)主橋右側(cè)腹板作為主要監(jiān)測(cè)對(duì)象，在關(guān)鍵截面上下緣布設(shè)順橋向應(yīng)變計(jì)。同時(shí)，在主跨跨中設(shè)置靶標(biāo)，在梁端設(shè)置視覺微動(dòng)采集儀，監(jiān)測(cè)主梁動(dòng)態(tài)撓度。

對(duì)引橋簡(jiǎn)支小箱梁，則可在目標(biāo)跨跨中，沿橫橋向間隔布設(shè)順橋向應(yīng)變計(jì)。

系統(tǒng)傳感器總體布置如圖1所示。

3 數(shù)據(jù)采集與分析

（1）數(shù)據(jù)采集制度

橋梁物聯(lián)網(wǎng)采用云平臺(tái)對(duì)區(qū)域化、長(zhǎng)線路多座橋梁進(jìn)行集約化管理。在對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)維指標(biāo)實(shí)施高頻度動(dòng)態(tài)采集的同時(shí)，亦須綜合考慮數(shù)據(jù)傳輸、云平臺(tái)訪問能力等要素，力求在獲得工程所需頻度的同時(shí)，不至于造成過高的數(shù)據(jù)傳輸成本，亦不致使云平臺(tái)在多對(duì)象并發(fā)訪問中承擔(dān)過高的壓力。因而，可在運(yùn)行先期設(shè)定1 Hz左右的全系統(tǒng)采集頻率，經(jīng)過一段時(shí)間數(shù)據(jù)積累和分析后，根據(jù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)特點(diǎn)和運(yùn)維需求，適度調(diào)整數(shù)據(jù)采集制度。

（2）運(yùn)維數(shù)據(jù)示例

引橋跨中24 h應(yīng)變和溫度時(shí)程數(shù)據(jù)如圖2所示。

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:結(jié)構(gòu)變形總體趨勢(shì)與溫度變化相符；相對(duì)于溫度變化，結(jié)構(gòu)變形總體趨勢(shì)約有1.5 h左右的響應(yīng)滯后。

圖1 系統(tǒng)傳感器總體布置（長(zhǎng)度單位：m；傳感器數(shù)量單位：個(gè)）

圖2 全天24 h實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

全天呈現(xiàn)大量“毛刺”型突變，高頻度動(dòng)態(tài)采集所獲取的數(shù)據(jù)，可實(shí)時(shí)反映在高速通行車輛作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并可設(shè)置分級(jí)預(yù)警限值，對(duì)結(jié)構(gòu)超閾值響應(yīng)作出及時(shí)告警，利用手機(jī)短信、客戶端信息、電子郵件等方式向相關(guān)管理部門發(fā)送風(fēng)險(xiǎn)提示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)以機(jī)場(chǎng)高速為代表的大交通量、長(zhǎng)線路城市高速公路橋梁，分析其運(yùn)維需求、結(jié)構(gòu)受力特征、運(yùn)營(yíng)期間實(shí)施條件等要素，從先進(jìn)性、合理性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)施便利性等多角度，綜合論述安全運(yùn)維物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)施策略，提出了適用于運(yùn)營(yíng)中城市高速公路橋梁的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案。依托背景項(xiàng)目，構(gòu)建了兼顧高頻度、實(shí)時(shí)性和長(zhǎng)期性的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)和評(píng)估系統(tǒng)，長(zhǎng)期為運(yùn)維管理提供數(shù)字化技術(shù)支撐。

本文通過前期調(diào)研和適用性、匹配性研究，針對(duì)高頻度動(dòng)態(tài)采集需求，對(duì)設(shè)備選型、數(shù)據(jù)傳輸、分析評(píng)估方法均提出了實(shí)用化建議，可供類似橋梁參考。