基于物聯網技術的城市高速公路橋梁運維特征分析與管養建議

胡 杰，韓 鵬，李 苗

（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）

1 概 況

1.1 政策背景

在“互聯網+”戰略背景下，國家加快推進道路交通基礎設施與互聯網深度融合，推動交通智能化發展。2016年7月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發了《國家信息化發展戰略綱要》，要求加強頂層設計，提高城市基礎設施、運行管理、公共服務和產業發展的信息化水平，分級分類推進新型智慧城市建設；加快電力、民航、鐵路、公路、水路、水利等公共基礎設施的網絡化和智能化改造。同月，國家發改委、交通運輸部聯合發布了《推進“互聯網+”便捷交通促進智能交通發展的實施方案》（發改基礎[2016] 1681號），要求建設智能交通基礎設施先進感知監測系統，加強交通基礎設施網絡基本狀態的信息采集，推動國家公路網建設和運行的監測、管理和服務平臺構建。

2017年5月，住房和城鄉建設部、國家發改委印發《全國城市市政基礎設施規劃建設“十三五”規劃》，要求提升市政基礎設施智慧化水平和綠色發展水平，推進智慧城市建設，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設施調查，開展市政基礎設施信息化、智慧化建設與改造，建立全國城市市政基礎設施數據庫，依托已有基礎建設完善全國城市市政基礎設施監管平臺。

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任務，又面臨著諸多突發性和漸變性風險?，F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，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。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]。

橋梁物聯網系統構架見圖1。

圖1橋梁物聯網系統構架

橋梁物聯網的核心技術構架為：面向大型橋梁的廣泛應用，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。

本文結合廣州機場高速流溪河特大橋，分析運維需求與關鍵安全指標，設計構建物聯網系統，同時結合典型運維數據，分析闡釋大橋當前運維特征，為運維管理提出相關建議，并為物聯網技術在城市高速公路橋梁運維管理中的產業化推廣應用提供策略建議。

2 系統設計概述

2.1 運維需求分析與關鍵安全指標闡釋

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20 m～30 m跨徑小箱梁或板梁結構。

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。

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。

2.2 系統設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應能夠充分滿足結構動態響應的需求。對撓度監測，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，推薦采用光纖光柵式應變采集設備。

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，通常在以右側通行為主的重車荷載作用下，右側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置人孔，監測設備無法安裝在箱梁內部，須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。根據道路通行特征和橋檢車運行特點，優選在梁體右側關鍵截面布設傳感器，同時，傳感器布點應盡可能不使橋檢車操作進入橋下通航空間。

2.3 物聯網系統設計方案

將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見圖2。

圖2 系統傳感器總體布置（單位：m）

3 運維數據分析

3.1 主橋應變數據分析

提取1周內全時段溫度和應變監測數據，如圖3所示。

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

以6月6日為例，提取24 h數據分析如圖4所示。

從圖 4 可見，在夜間 22：00 至早間 7：00，應變動態顯著響應明顯增多。該時段重車通行較多，且多沿道路右側行駛，對主梁右側影響較明顯。

同時，對比應變與溫度變化趨勢可見，應變變化相比溫度變化約有2 h左右的滯后，這與混凝土結構整體傳熱及相關變形速率有關。

提取重載通行高峰期2 h數據，如圖5所示?？梢娭鳂蛑锌缈缰邢戮墤兪軇討B交通影響明顯，在非通行間隔期則僅呈現微幅平穩變化。

圖3 主橋1周全時監測數據

圖4主橋24 h監測數據

3.2 主橋撓度數據分析

圖5重載高峰期主橋中跨跨中應變顯著響應

主橋動態撓度采用基于機器視覺的視頻-靶標系統進行實時采集，主橋跨中撓度24 h監測數據如圖6所示。

圖6主橋主跨跨中撓度24 h監測數據

動態撓度監測亦顯示在重載通行高峰期，撓度顯著響應明顯密集。

3.3 引橋應變數據分析

引橋采用并列小箱梁，從24 h跨中應變監測數據（圖 7）可見，在夜間 22：00 至早間 7：00 應變動態響應顯著，且響應變化幅度比主橋更大。

圖7引橋小箱梁跨中應變24 h監測數據

提取重載通行高峰期2 h數據，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變變化幅值不同。第3監測點，即西側第5片小箱梁應變變化幅值更甚，對應道路第2條車道。

圖8 重載高峰期引橋跨中應變顯著響應

動態響應的不同步，與車輛荷載橫向分布、小箱梁間協調工作整體性均相關。

4 管養建議

4.1 橋梁工作特征和運維狀態

分析物聯網在線監測數據可見，流溪河特大橋撓度和應變數據伴隨溫度變化呈周期性變化，由重載交通通行導致的結構動態顯著響應呈現明顯的時段特征。

參照《城市橋梁養護技術規范》（CJJ 99—2017）、《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）、《建筑與橋梁結構監測技術規范》（GB 50982—2014）以及《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21—2011）等技術規程，流溪河特大橋的鋼筋混凝土橋梁上部結構應變的動態變化限值可取-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。

從監測數據可見，在溫度變化和動載變化結合的條件下，應變和撓度數值均在正常范圍內，引橋動態應變變化相對顯著。

4.2 養護管理相關建議

橋梁物聯網在線采集和分析數據，可為橋梁管養提供數據支撐和技術參考。根據流溪河特大橋監測數據，建議根據長期監測數據，配合日常巡檢，體察監測引橋橋跨和類似跨徑引橋鉸縫的工作狀態以及小箱梁整體特性。

遠期可結合長期數據監測，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。

4.3 新技術產業化推廣策略建議

在新型產業的推廣中，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。在橋梁物聯網新技術推廣應用過程中，地方管理部門可結合住房和城鄉建設部《全國城市市政基礎設施規劃建設“十三五”規劃》指導要求，組建產業基金并與地方政府母基金或雙創引導基金合作，以特定領域專項子基金形式支持地方智慧市政設施建設。利用產業基金投資成立的項目公司實施區域智慧市政設施提標改造，以政府購買服務作為基本穩定收益，以ABS資產證券化實現資金部分回籠。同時，聚焦高端傳感器制造-行業物聯網集成-系統產品應用三位一體創新鏈，以股權投資、科技輸出和市場培育等多種形式支持地方特色園區創新創業企業發展，催生協同創新的產業集聚效應并輻射周邊區域和市場，以“產+投”聯動方式，在引入產業社會資本共同投入，吸引價值鏈相關產業、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。在吸引匯聚社會資本在區內形成產業資金池的同時，實現智慧市政設施快速推廣、地方產業發展升級和基金超額收益這一多贏的局面。

5 結語

本文以廣州機場高速流溪河特大橋為依托工程，在綜合分析結構特點和運維需求的前提下，為大橋設計、物聯網系統構建，選取典型時期、時段，分析了主橋和引橋的應變、撓度動態監測數據，并結合分析結果，為養護管理提出參考意見。同時，結合行業需求和業態特點，為物聯網技術在城市高速公路橋梁運維管理中的產業化推廣應用提供了策略建議。

在國家“互聯網+”戰略推進的浪潮下，構建橋梁安全運維智慧服務平臺系統，基于云平臺和大數據技術，由專業機構為主管部門長期提供橋梁安全監管的“一站式”智慧服務，將成為“智慧城市”戰略構架中市政交通領域基礎設施信息化提升的重要組成部分。