基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市高速公路橋梁運維特征分析與管養(yǎng)建議

胡 杰，韓 鵬，李 苗

（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)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

1 概 況

1.1 政策背景

在“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略背景下，國家加快推進道路交通基礎(chǔ)設(shè)施與互聯(lián)網(wǎng)深度融合，推動交通智能化發(fā)展。2016年7月，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)了《國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略綱要》，要求加強頂層設(shè)計，提高城市基礎(chǔ)設(shè)施、運行管理、公共服務(wù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的信息化水平，分級分類推進新型智慧城市建設(shè)；加快電力、民航、鐵路、公路、水路、水利等公共基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)化和智能化改造。同月，國家發(fā)改委、交通運輸部聯(lián)合發(fā)布了《推進“互聯(lián)網(wǎng)+”便捷交通促進智能交通發(fā)展的實施方案》（發(fā)改基礎(chǔ)[2016] 1681號），要求建設(shè)智能交通基礎(chǔ)設(shè)施先進感知監(jiān)測系統(tǒng)，加強交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)基本狀態(tài)的信息采集，推動國家公路網(wǎng)建設(shè)和運行的監(jiān)測、管理和服務(wù)平臺構(gòu)建。

2017年5月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、國家發(fā)改委印發(fā)《全國城市市政基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃建設(shè)“十三五”規(guī)劃》，要求提升市政基礎(chǔ)設(shè)施智慧化水平和綠色發(fā)展水平，推進智慧城市建設(shè)，提高城市安全運行管理水平。同時在全國656個城市全面開展城市市政基礎(chǔ)設(shè)施調(diào)查，開展市政基礎(chǔ)設(shè)施信息化、智慧化建設(shè)與改造，建立全國城市市政基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)庫，依托已有基礎(chǔ)建設(shè)完善全國城市市政基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)管平臺。

1.2 運維需求

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(qū)和機場大型交通樞紐的重要通道。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)性和漸變性風險。現(xiàn)有管養(yǎng)體系主要以人工定期巡檢為主，缺乏與運維安全相關(guān)指標的實時監(jiān)測，管理部門在巡檢間隔期無法即時體察風險，這使得運維管理工作對網(wǎng)絡(luò)化、區(qū)域化、實時性監(jiān)管技術(shù)的需求日趨迫切。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)、云平臺數(shù)據(jù)管理技術(shù)的橋梁物聯(lián)網(wǎng)平臺，代表著“互聯(lián)網(wǎng)+”時代城市基礎(chǔ)設(shè)施運維安全管理的發(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)系統(tǒng)構(gòu)架見圖1。

圖1橋梁物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)架

橋梁物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)構(gòu)架為：面向大型橋梁的廣泛應(yīng)用，在結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位，針對與安全直接相關(guān)的關(guān)鍵指標設(shè)置傳感器，并可采用智能巡檢的方式互補實現(xiàn)在位置和指標類別上的全覆蓋。采用云平臺集約化數(shù)據(jù)管理與網(wǎng)頁、手機客戶端輕量化使用相結(jié)合的服務(wù)模式，為橋梁區(qū)域化安全運維管理提供從風險感知、病害巡查，到綜合數(shù)據(jù)存儲、運算管理，到風險預（告）警、應(yīng)急保通、維修養(yǎng)護全過程的產(chǎn)業(yè)化智慧服務(wù)。

本文結(jié)合廣州機場高速流溪河特大橋，分析運維需求與關(guān)鍵安全指標，設(shè)計構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，同時結(jié)合典型運維數(shù)據(jù)，分析闡釋大橋當前運維特征，為運維管理提出相關(guān)建議，并為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在城市高速公路橋梁運維管理中的產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用提供策略建議。

2 系統(tǒng)設(shè)計概述

2.1 運維需求分析與關(guān)鍵安全指標闡釋

流溪河特大橋主橋為3跨預應(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；引橋為20 m～30 m跨徑小箱梁或板梁結(jié)構(gòu)。

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(shù)量少于普通高速公路，但對偶發(fā)對象不可忽視。這對采集制度、告警規(guī)則的制定都有特定的要求，部分要素需要根據(jù)一定時期數(shù)據(jù)積累之后再優(yōu)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。

對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(jié)構(gòu)撓度和關(guān)鍵部位的應(yīng)變，是運維階段需首要關(guān)注的關(guān)鍵指標。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計要素和實施條件分析

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。因而運維指標采集系統(tǒng)應(yīng)能夠充分滿足結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的需求。對撓度監(jiān)測，推薦采用以機器視覺為核心技術(shù)的視頻-靶標裝置，開展高頻度位移監(jiān)測。對應(yīng)變監(jiān)測，推薦采用光纖光柵式應(yīng)變采集設(shè)備。

流溪河特大橋為上下行分幅設(shè)計，重車以右側(cè)車道行駛為主。對主橋單箱單室箱梁，通常在以右側(cè)通行為主的重車荷載作用下，右側(cè)腹板為荷載橫向分布的承擔主體。

流溪河特大橋在建造時并未設(shè)置人孔，監(jiān)測設(shè)備無法安裝在箱梁內(nèi)部，須選用橋檢車等大型機具，為安裝人員實現(xiàn)梁體關(guān)鍵部位的可達性。根據(jù)道路通行特征和橋檢車運行特點，優(yōu)選在梁體右側(cè)關(guān)鍵截面布設(shè)傳感器，同時，傳感器布點應(yīng)盡可能不使橋檢車操作進入橋下通航空間。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計方案

將主橋右側(cè)腹板作為主要監(jiān)測對象，在關(guān)鍵截面上下緣布設(shè)順橋向應(yīng)變計。同時，在主跨跨中設(shè)置靶標，在梁端設(shè)置視覺微動采集儀，監(jiān)測主梁動態(tài)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(shè)順橋向應(yīng)變計。

系統(tǒng)傳感器總體布置見圖2。

圖2 系統(tǒng)傳感器總體布置（單位：m）

3 運維數(shù)據(jù)分析

3.1 主橋應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

提取1周內(nèi)全時段溫度和應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)，如圖3所示。

從圖3可見：主橋中跨跨中這一關(guān)鍵應(yīng)變指標的總體周期性變化趨勢與溫度變化一致；在每天夜間的應(yīng)變動態(tài)變化幅值明顯變大，這與夜間重載交通通行數(shù)量多有關(guān)。

以6月6日為例，提取24 h數(shù)據(jù)分析如圖4所示。

從圖 4 可見，在夜間 22：00 至早間 7：00，應(yīng)變動態(tài)顯著響應(yīng)明顯增多。該時段重車通行較多，且多沿道路右側(cè)行駛，對主梁右側(cè)影響較明顯。

同時，對比應(yīng)變與溫度變化趨勢可見，應(yīng)變變化相比溫度變化約有2 h左右的滯后，這與混凝土結(jié)構(gòu)整體傳熱及相關(guān)變形速率有關(guān)。

提取重載通行高峰期2 h數(shù)據(jù)，如圖5所示。可見主橋中跨跨中下緣應(yīng)變受動態(tài)交通影響明顯，在非通行間隔期則僅呈現(xiàn)微幅平穩(wěn)變化。

圖3 主橋1周全時監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖4主橋24 h監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.2 主橋撓度數(shù)據(jù)分析

圖5重載高峰期主橋中跨跨中應(yīng)變顯著響應(yīng)

主橋動態(tài)撓度采用基于機器視覺的視頻-靶標系統(tǒng)進行實時采集，主橋跨中撓度24 h監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6主橋主跨跨中撓度24 h監(jiān)測數(shù)據(jù)

動態(tài)撓度監(jiān)測亦顯示在重載通行高峰期，撓度顯著響應(yīng)明顯密集。

3.3 引橋應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

引橋采用并列小箱梁，從24 h跨中應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)（圖 7）可見，在夜間 22：00 至早間 7：00 應(yīng)變動態(tài)響應(yīng)顯著，且響應(yīng)變化幅度比主橋更大。

圖7引橋小箱梁跨中應(yīng)變24 h監(jiān)測數(shù)據(jù)

提取重載通行高峰期2 h數(shù)據(jù)，如圖8所示。

從圖8可見，各并列小箱梁在重載通行的時間點應(yīng)變變化幅值不同。第3監(jiān)測點，即西側(cè)第5片小箱梁應(yīng)變變化幅值更甚，對應(yīng)道路第2條車道。

圖8 重載高峰期引橋跨中應(yīng)變顯著響應(yīng)

動態(tài)響應(yīng)的不同步，與車輛荷載橫向分布、小箱梁間協(xié)調(diào)工作整體性均相關(guān)。

4 管養(yǎng)建議

4.1 橋梁工作特征和運維狀態(tài)

分析物聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)可見，流溪河特大橋撓度和應(yīng)變數(shù)據(jù)伴隨溫度變化呈周期性變化，由重載交通通行導致的結(jié)構(gòu)動態(tài)顯著響應(yīng)呈現(xiàn)明顯的時段特征。

參照《城市橋梁養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》（CJJ 99—2017）、《公路鋼筋混凝土及預應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362—2018）、《建筑與橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB 50982—2014）以及《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）等技術(shù)規(guī)程，流溪河特大橋的鋼筋混凝土橋梁上部結(jié)構(gòu)應(yīng)變的動態(tài)變化限值可取-220～150 μm/m；在正常使用條件下，主橋中跨跨中撓度限值可取133 mm。

從監(jiān)測數(shù)據(jù)可見，在溫度變化和動載變化結(jié)合的條件下，應(yīng)變和撓度數(shù)值均在正常范圍內(nèi)，引橋動態(tài)應(yīng)變變化相對顯著。

4.2 養(yǎng)護管理相關(guān)建議

橋梁物聯(lián)網(wǎng)在線采集和分析數(shù)據(jù)，可為橋梁管養(yǎng)提供數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)參考。根據(jù)流溪河特大橋監(jiān)測數(shù)據(jù)，建議根據(jù)長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，配合日常巡檢，體察監(jiān)測引橋橋跨和類似跨徑引橋鉸縫的工作狀態(tài)以及小箱梁整體特性。

遠期可結(jié)合長期數(shù)據(jù)監(jiān)測，設(shè)置分級預警限值，對結(jié)構(gòu)超閾值響應(yīng)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(guān)管理部門發(fā)送風險提示。

4.3 新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化推廣策略建議

在新型產(chǎn)業(yè)的推廣中，以需求作為原動力，以政策作為助推力，以新理念提供引導力。在橋梁物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)推廣應(yīng)用過程中，地方管理部門可結(jié)合住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部《全國城市市政基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃建設(shè)“十三五”規(guī)劃》指導要求，組建產(chǎn)業(yè)基金并與地方政府母基金或雙創(chuàng)引導基金合作，以特定領(lǐng)域?qū)ｍ椬踊鹦问街С值胤街腔凼姓O(shè)施建設(shè)。利用產(chǎn)業(yè)基金投資成立的項目公司實施區(qū)域智慧市政設(shè)施提標改造，以政府購買服務(wù)作為基本穩(wěn)定收益，以ABS資產(chǎn)證券化實現(xiàn)資金部分回籠。同時，聚焦高端傳感器制造-行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)集成-系統(tǒng)產(chǎn)品應(yīng)用三位一體創(chuàng)新鏈，以股權(quán)投資、科技輸出和市場培育等多種形式支持地方特色園區(qū)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)企業(yè)發(fā)展，催生協(xié)同創(chuàng)新的產(chǎn)業(yè)集聚效應(yīng)并輻射周邊區(qū)域和市場，以“產(chǎn)+投”聯(lián)動方式，在引入產(chǎn)業(yè)社會資本共同投入，吸引價值鏈相關(guān)產(chǎn)業(yè)、國際交流合作以及擴大社會影響力等方面形成綜合杠桿效應(yīng)。在吸引匯聚社會資本在區(qū)內(nèi)形成產(chǎn)業(yè)資金池的同時，實現(xiàn)智慧市政設(shè)施快速推廣、地方產(chǎn)業(yè)發(fā)展升級和基金超額收益這一多贏的局面。

5 結(jié)語

本文以廣州機場高速流溪河特大橋為依托工程，在綜合分析結(jié)構(gòu)特點和運維需求的前提下，為大橋設(shè)計、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建，選取典型時期、時段，分析了主橋和引橋的應(yīng)變、撓度動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并結(jié)合分析結(jié)果，為養(yǎng)護管理提出參考意見。同時，結(jié)合行業(yè)需求和業(yè)態(tài)特點，為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在城市高速公路橋梁運維管理中的產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用提供了策略建議。

在國家“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略推進的浪潮下，構(gòu)建橋梁安全運維智慧服務(wù)平臺系統(tǒng)，基于云平臺和大數(shù)據(jù)技術(shù)，由專業(yè)機構(gòu)為主管部門長期提供橋梁安全監(jiān)管的“一站式”智慧服務(wù)，將成為“智慧城市”戰(zhàn)略構(gòu)架中市政交通領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施信息化提升的重要組成部分。