城市道路智能限高架設計思路

管文中

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司）

1 引言

城市道路作為城市化建設進程的重要標志，在經(jīng)濟社會持續(xù)發(fā)展的利好背景下，其建設情況變得愈加復雜。同時，因其受到城市定向發(fā)展的局限，整體的交通結構也發(fā)生了不同程度的變化。在這樣的背景之下，智能限高架的應用既可提升城市道路車輛通行效率，又可降低車輛在行駛過程中安全風險，深受社會各界人士廣泛關注[1-2]。

2 限高架智能限高架設計目的

為了加強對城市道路的保護與車輛的運行安全，各個城市地區(qū)交通管理部門在相應的路段設置了限高架，其目的是限制重載車輛和超高車輛通過，起到保護城市道路和其他司乘人員安全的作用。但由于傳統(tǒng)限高架設計形式過于簡單，導致車輛與限高架碰撞事故時有發(fā)生，給車輛、限高架以及人員的人身安全造成了較大威脅。此外，傳統(tǒng)限高架以固定式鐵質龍門架為主，不具備應急處置能力，如果發(fā)生交通安全事故將會阻塞交通，并且當消防車、救護車或者救援車到達現(xiàn)場時會被限高架攔截，不利于盡快實施救援，甚至會加重人員生命和財產(chǎn)的損失。

文章結合實際案例，通過比較各城市地區(qū)限高架的設置和運行情況，設計出一款可以減少和降低此類交通事故的智能限高架交通基礎設施，對保證車輛安全和交通秩序有重要的現(xiàn)實意義。

3 案例概況

M 市城區(qū)因道路網(wǎng)建設不夠完善，市區(qū)內(nèi)缺少高效、快速的車輛通行系統(tǒng)，為滿足該市經(jīng)濟發(fā)展的實際需求，經(jīng)當?shù)卣块T研究決定，該市啟動了城市道路改造工程項目。該城市道路位于K5+231.6m處，與幸福路交叉，為保證車輛的快速通過，擬在交叉方向設置直線上跨，于幸福路上設置智能高架橋一座，橋面寬21m，按雙向四車道設計。

4 城市道路限高架智能限高架設計思路

4.1 智能限高架整體設計思路

智能限高架指的是通過利用智能化技術，借助主控操控系統(tǒng)對限高架實行遠程操控，智能限高架中的保護裝置、傳感器與系統(tǒng)模塊的連接可以實時檢測限高架的物理狀態(tài)，當限高架的外力超過一定范圍時，傳感器會自動將外力信息回傳給操控系統(tǒng)，觸動內(nèi)部報警裝置，給工作人員提供輔助信息，保證限高架正常運行。

智能限高架主要由前端設備、后臺系統(tǒng)以及前臺系統(tǒng)這三部分組成，整體設計建立在交通內(nèi)部網(wǎng)絡架構來實現(xiàn)和運行。其中，前端設備指的是施工現(xiàn)場所運用到的各類設備，比如攝像機傳感設施設備、顯示屏、工控機設施設備等，前端應用設備主要起到信息數(shù)據(jù)采集和保護作用；后臺系統(tǒng)指的是各類服務器，與前端設備之間起著重要的過渡作用，并保證所有的信息數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的標準規(guī)定傳輸；前臺系統(tǒng)主要是信息查詢，用來核定傳感器中搜集到的數(shù)據(jù)，進而分配，使智能限高架觸動響應機制，確保后續(xù)工作順利進行。智能限高架工作環(huán)境見表1。

表1 智能限高架工作環(huán)境

數(shù)據(jù)信息在智能限高架系統(tǒng)中的應用主要通過數(shù)據(jù)源層、數(shù)據(jù)存儲層和服務接口層提升信息數(shù)據(jù)的整體質量。

1）數(shù)據(jù)源層

數(shù)據(jù)源層實時測定智能限高架系統(tǒng)中傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)，如設備碰撞實時測定、高清接入實時測定等。

2）數(shù)據(jù)存儲層

數(shù)據(jù)存儲層對智能限高架系統(tǒng)中傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)起到分類與存儲的作用，比如分為圖片與視頻信息、碰撞參數(shù)信息以及車牌信息，通過數(shù)據(jù)存儲層減少數(shù)據(jù)信息使用和共享過程中存在的冗余問題。

3）服務接口層

服務接口層主要發(fā)揮響應的功能和作用，或當其為指令傳輸?shù)妮d體，確保所有信息數(shù)據(jù)操作的精準性和有效性，并為相關人員提供信息查詢的功能。

4.2 上部結構設計思路

智能限高架上部結構設計不僅需要符合審美標準，還要保證橋梁結構的安全性與穩(wěn)定性。

1）主橋上部結構設計

本項目主橋上部結構使用斜腹板方式設計，外懸臂長3.68m，跨中梁高2.5m，中間通過二次拋物線完成過渡，跨中腹板厚度從40cm 漸變至端部120cm；跨中頂板厚度從20cm 漸變至55cm；跨中底板厚度從35cm漸變至60cm。

2）主橋上部結構計算

主橋上部結構為預應力混凝土現(xiàn)澆梁，橋面寬21m，整座橋設計為單箱雙室截面，跨中梁高2.6m，支點處梁高3.2m。

3）承載能力狀態(tài)驗算

依據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）第5條第1款：智能限高架在保證結構穩(wěn)定和安全的前提下不得大于構件承載力設計值。

4）持久狀況狀態(tài)驗算

依據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）第6條第1款規(guī)定，智能限高架汽車荷載效應可以不計沖擊系數(shù)。

4.3 技術架構設計思路

4.3.1 伺服控制系統(tǒng)設計

伺服系統(tǒng)指的是前端設備、后臺系統(tǒng)以及前臺系統(tǒng)的聯(lián)動模塊，承接設備為馬達和減速機裝置，內(nèi)部控制模塊是精密型的PLC（可編程邏輯控制器）組件。假如整個智能限高架的外部荷載為150kg，基于機械設備實際運行情況，安全系數(shù)應超過1.8。

4.3.2 減速箱設計思路

減速箱設計有手動操控與自動操控，后者以智能限高架運行系統(tǒng)為基準，確保伺服系統(tǒng)及時響應終端設備的各項操作。由于智能限高架內(nèi)部機械設備具有自鎖控制功能，可通過感應外部環(huán)境溫度完成對應的運行情況。手動操控屬于備份設備，當整個智能限高架因客觀原因不能正常工作時，可以使用手動操控設備，實現(xiàn)對智能限高架的控制，保證整個智能限高架系統(tǒng)正常運行。此外，對智能限高架運行設備的荷載能力進行考量，還需根據(jù)工作特性精準分析其中產(chǎn)生的信息，合理設計系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)工作模式，利用模擬軟件核定數(shù)據(jù)信息的生成模式，模擬各種工序、驗證受力情況，得出智能限高架可以承受的最大極限值，并跟實際工作環(huán)境下的信息相對比，如一致說明該設計思路具備可行性，可以應用在實際工作環(huán)境中，確保各項工作順利開展。

4.3.3 升降裝置設計思路

升降裝置指的是限高架智能限高架的外部運行裝置，不僅發(fā)揮著重要的限高警示作用，還能幫助和引導車輛根據(jù)自身的高度選擇道路，當升降裝置橫桿受到外力作用時，外部傳感器可及時觸動報警系統(tǒng)。在本項目升降裝置設計中，升降橫桿材料的選擇應使用密度低的鋁管，以降低摩擦力。另外，在橫桿的尾部設置膠輪，以此保證自動化機械對橫桿的準確控制。由于考慮到橫桿需要設置在外部環(huán)境中，在具體的設計環(huán)節(jié)中其外觀必須具備一定的警示作用，比如可以增添反光膜、指示燈，且顏色符合國家規(guī)定的相關標準，以黑黃、紅白為主，對駕乘人員起到重要的警示作用。

4.4 紅外線自動檢測設備設計思路

限高架智能限高架如果使用紅外線傳感器，需在道路兩旁設置一對高度相同的紅外線傳感器，一個用來發(fā)射紅外光束，另一個用來接收紅外光束，當駛入的車輛高度低于紅外線高度時，紅外線傳感器正常接收光束，不會對車輛的正常行駛帶來任何影響。當汽車的高度高于紅外線時，傳感器會阻斷紅外線到達設備接收端，自動檢測設備檢測到這一變量，限高架智能限高架上的燈會亮起，提醒司乘人員已經(jīng)超高。同時，為保證紅外線自動檢測設備的正常運行，還可以將其與LED 控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)連接于一起，LED 燈可以通過文字的方式提醒司乘人員車輛的高度，聲控系統(tǒng)通過聲音的方式向司乘人員進行聲音提示，通過光、字和聲相結合的形式共同發(fā)出警告，以此確保司乘人員及時收到限高信息，并做好繞行的準備（見圖1）。

圖1 紅外線自動檢測設備限高示意圖

另外，科學合理的紅外線自動檢測設備設計思路還可以隨時監(jiān)測到限高架智能限高架運行的實際情況，當遇到突發(fā)的安全事故時在第一時間調動消防車、救援車和相關人員到達現(xiàn)場，引導車輛退出，保證道路上車輛的平安與暢通。

4.5 半固定可升降液壓限高架設計思路

目前，國內(nèi)所有的智能限高架都是固定的，一旦發(fā)生安全事故，造成的人員傷亡和經(jīng)濟損失比較嚴重。本文提出的半固定可升降液壓限高架設計思路指的是將橫梁的外側固定在限高架上，內(nèi)側以鏈條的形式橫掛在限高架上方，通過利用限高系統(tǒng)控制限高架升降的高度，保證限高架在2m～6m 之間自由調節(jié)。半固定可升降液壓限高架主要通過遙控按鈕控制限高架的升降，引導城市道路上的車輛有序通過。另外，半固定可升降液壓限高架可以根據(jù)不同時間段調整限高架的高度，緩解緊張的交通壓力，并在緊急狀態(tài)下手動調節(jié)限高架的高度。

智能限高架設計的根本目的是保證城市道路交通的暢通無阻，通過調節(jié)限高架的高度對過往車輛進行限制，比如，高峰時段禁止貨車通行，夜間和節(jié)假日時段要完全放開限高架高度以方便大眾出行，或者設計可以調節(jié)的智能限高架方便緊急情況下消防車輛、救護車輛和其他急救車輛可以快速通過限高架。

5 結語

綜上所述，在經(jīng)濟社會持續(xù)發(fā)展的利好背景下，智能高架橋勢必會成為節(jié)約城市空間、緩解緊張城市道路交通的重要途徑，科學合理的城市道路智能限高架設計思路不僅符合審美的標準，而且能保證道路交通的流暢性。為此，智能限高架設計應結合城市發(fā)展實際情況，注重結構選型，這樣才能滿足城市發(fā)展的實際需求。文章結合實際案例與多年工作經(jīng)驗，對城市道路智能限高架設計思路進行了分析。