大交通量城市高速公路橋梁物聯網系統研究

麥 劍，韓 鵬

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

0 引言

以機場高速公路為代表的城市高速公路，是諸多城市連接核心區和機場大型交通樞紐的重要通道，是保障城市正常生產、生活的重要載體，也是區域經濟實力和現代化水平的重要標志。城市高速公路橋梁既承載著繁重的交通服務任務，又面臨著諸多突發性和漸變性風險。現有管養體系主要以人工定期巡檢為主，缺乏與運維安全相關指標的實時監測，管理部門在巡檢間隔期無法即時體察風險。同時，由于線路長、交通量大、環境復雜、橋梁體量大、并行構造物阻隔等因素，大量道路、橋梁巡檢頻度不高，可達性不好，人員安全風險高，這使得運維管理工作對網絡化、區域化、實時性監管技術的需求日趨迫切。伴隨國家“互聯網+”戰略的推進，城市生活對安全、高效、便捷的需求不斷提升，客觀上要求構建設施智能化、服務功能綜合化的現代道路交通服務體系。

以互聯網為核心，基于現代傳感技術、智能巡檢技術、云平臺數據管理技術的橋梁物聯網平臺，代表著“互聯網+”時代城市基礎設施運維安全管理的發展方向，成為中小型橋梁區域化管理的破局之道[1]。

橋梁物聯網的核心技術構架為：面向大量橋梁的廣泛應用，在結構關鍵部位，針對與安全直接相關的關鍵指標設置傳感器，并可采用智能巡檢的方式互補，實現在位置和指標類別上的全覆蓋。采用云平臺集約化數據管理與網頁、手機客戶端輕量化使用相結合的服務模式，為橋梁區域化安全運維管理提供從風險感知、病害巡查，到綜合數據存儲、運算管理，到風險預(告)警、應急保通、維修養護全過程的產業化智慧服務。

本文以背景項目——廣州機場高速流溪河特大橋為依托，針對城市高速公路橋梁這類特定的長線路橋梁，闡述其運維管理需求，并結合實施約束條件等要素，研究其物聯網系統的構建和實施方案。流溪河特大橋主橋為3跨預應力混凝土連續剛構橋，跨徑布置50 m+80 m+50 m，中墩為雙柱薄壁墩，引橋為跨徑20~30 m小箱梁或板梁結構。

1 運維需求與實施條件分析

橋梁物聯網系統的重要特點在于，面向大量橋梁的區域化運維管理，首選對結構安全最關鍵的指標，在關鍵部位設置在線傳感設備。因而，系統設計應因地制宜，充分分析對象橋梁的結構特點和運維環境特征，并結合系統實施階段的各項約束條件，從功能性、經濟型和實施便利性等多方面選取“少而精”的最優方案。

（1）運維需求

以機場高速為代表的城市高速公路，其顯著特點在于兼容了“高速公路”和“市政道路”的特征，車輛多、車速快，重車數量少于普通高速公路，但對偶發對象更不可忽視。這對采集制度、告警規則的制定都有特定的要求，部分要素需要根據一定時期數據積累之后再優化，進而形成長線路城市高速公路特有的在線運維管理機制。

（2）實施對象

城市高速公路中的混凝土梁式橋，其日常運營的主要荷載來自上部道路的通行車輛。上部結構撓度和關鍵部位的應變，是運維階段需首要關注的關鍵指標。除主通航孔等重點橋跨采用連續剛構結構，其余橋跨一般采用小跨徑小箱梁或板梁。由于長線路橋梁的連續性和封閉性，引橋的運維安全同樣應受到重視。而且，與大箱梁結構相比，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引起足夠的重視。因而，在物聯網設計中，除主橋外，應選取部分小跨徑引橋予以監測。同時，由于引橋結構型式單一，可首先選取典型橋跨，其運維監測數據亦可對近似橋跨提供參考。因而，在本文所依托的物聯網試點項目中，選取了主橋和一跨引橋作為實施對象。

（3）設備選型

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，偶爾有大型運輸車輛通行，其共同特征在于通行速度快。因此，運維指標采集系統應能夠充分滿足結構動態響應的需求。對撓度監測，常用連通管式靜力水準儀對動態荷載下的液面波動較為敏感，不適用于持續大交通量的橋梁結構，因而，推薦采用以機器視覺為核心技術的視頻-靶標裝置，開展高頻度位移監測。對應變監測，常用振弦式應變計對振動環境較為敏感，因而推薦采用光纖光柵式應變采集設備。

（4）受力特征

流溪河特大橋為上下行分幅設計，重車以右側車道行駛為主。對主橋單箱單室箱梁，通常重車荷載作用下，右側腹板為荷載橫向分布的承擔主體。

主橋為連續剛構橋梁，主墩為雙薄壁式橋墩，墩頂主梁在主跨和邊跨側梁端的彎矩和應力分布不同，主跨主梁亦存在負彎矩向正彎矩區段的過渡，應力分布復雜。對上部結構主跨，可選取跨中、雙1/4跨、雙根部共5個關鍵截面；對邊跨，可選取跨中、根部共4個關鍵截面。

（5）實施條件

從安裝實施的安全性、便利度等要素考慮，應通過優化設計，使得傳感系統在有效反映結構運維狀態的同時，減小安裝實施階段對交通的影響，降低人員可達性難度，提高安全保障水平。

以流溪河特大橋為代表的諸多早期建造的大跨度箱梁，在建造時并未設置人孔，因而監測設備無法安裝在箱梁內部，需選用橋檢車等大型機具，為安裝人員實現梁體關鍵部位的可達性。實施過程中，除了關鍵截面的“點式”安裝，尚需布設設備之間的連接線路，因而安裝作業是一個連續的過程。對大交通量高速公路來說，必須在系統設計階段充分考慮對橋上交通的影響。

該橋為上下行分幅設計，快車道設置在左側，一般不建議（多數情況下不允許）長期占用快車道施工。而且，常用橋檢車懸臂以向右側轉向為多，適宜停靠右側慢車道（應急車道）對梁體右側面實施，對梁體左側實施則需從前方入口逆行上橋，實施風險大，交通協調困難。

2 系統優化設計

綜合考慮結構受力特點和實施約束條件，優選對主橋右側腹板作為主要監測對象，在關鍵截面上下緣布設順橋向應變計。同時，在主跨跨中設置靶標，在梁端設置視覺微動采集儀，監測主梁動態撓度。

對引橋簡支小箱梁，則可在目標跨跨中，沿橫橋向間隔布設順橋向應變計。

系統傳感器總體布置如圖1所示。

3 數據采集與分析

（1）數據采集制度

橋梁物聯網采用云平臺對區域化、長線路多座橋梁進行集約化管理。在對結構運維指標實施高頻度動態采集的同時，亦須綜合考慮數據傳輸、云平臺訪問能力等要素，力求在獲得工程所需頻度的同時，不至于造成過高的數據傳輸成本，亦不致使云平臺在多對象并發訪問中承擔過高的壓力。因而，可在運行先期設定1 Hz左右的全系統采集頻率，經過一段時間數據積累和分析后，根據結構響應特點和運維需求，適度調整數據采集制度。

（2）運維數據示例

引橋跨中24 h應變和溫度時程數據如圖2所示。

監測結果表明:結構變形總體趨勢與溫度變化相符；相對于溫度變化，結構變形總體趨勢約有1.5 h左右的響應滯后。

圖1 系統傳感器總體布置（長度單位：m；傳感器數量單位：個）

圖2 全天24 h實時監測數據

全天呈現大量“毛刺”型突變，高頻度動態采集所獲取的數據，可實時反映在高速通行車輛作用下的結構響應，并可設置分級預警限值，對結構超閾值響應作出及時告警，利用手機短信、客戶端信息、電子郵件等方式向相關管理部門發送風險提示。

4 結語

本文針對以機場高速為代表的大交通量、長線路城市高速公路橋梁，分析其運維需求、結構受力特征、運營期間實施條件等要素，從先進性、合理性、經濟性、實施便利性等多角度，綜合論述安全運維物聯網系統的優化設計與實施策略，提出了適用于運營中城市高速公路橋梁的物聯網監測系統方案。依托背景項目，構建了兼顧高頻度、實時性和長期性的物聯網監測和評估系統，長期為運維管理提供數字化技術支撐。

本文通過前期調研和適用性、匹配性研究，針對高頻度動態采集需求，對設備選型、數據傳輸、分析評估方法均提出了實用化建議，可供類似橋梁參考。