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(qū)和機場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)濟實力和現(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?，F(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(biāo)的實時監(jiān)測，管理部門在巡檢間隔期無法即時體察風(fēng)險。同時，由于線路長、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，可達性不好，人員安全風(fēng)險高，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。伴隨國家“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)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(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)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，實現(xiàn)在位置和指標(biāo)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(fēng)險感知、病害巡查，到綜合數(shù)據(jù)存儲、運算管理，到風(fēng)險預(yù)(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(jié)合實施約束條件等要素，研究其物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)建和實施方案。流溪河特大橋主橋為3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，引橋為跨徑20~30 m小箱梁或板梁結(jié)構(gòu)。

1 運維需求與實施條件分析

橋梁物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要特點在于，面向大量橋梁的區(qū)域化運維管理，首選對結(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)計應(yīng)因地制宜，充分分析對象橋梁的結(jié)構(gòu)特點和運維環(huán)境特征，并結(jié)合系統(tǒng)實施階段的各項約束條件，從功能性、經(jīng)濟型和實施便利性等多方面選取“少而精”的最優(yōu)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(shù)量少于普通高速公路，但對偶發(fā)對象更不可忽視。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。

（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(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(biāo)。除主通航孔等重點橋跨采用連續(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。由于長線路橋梁的連續(xù)性和封閉性，引橋的運維安全同樣應(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)計中，除主橋外，應(yīng)選取部分小跨徑引橋予以監(jiān)測。同時，由于引橋結(jié)構(gòu)型式單一，可首先選取典型橋跨，其運維監(jiān)測數(shù)據(jù)亦可對近似橋跨提供參考。因而，在本文所依托的物聯(lián)網(wǎng)試點項目中，選取了主橋和一跨引橋作為實施對象。

（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，偶爾有大型運輸車輛通行，其共同特征在于通行速度快。因此，運維指標(biāo)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，常用連通管式靜力水準(zhǔn)儀對動態(tài)荷載下的液面波動較為敏感，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。對應(yīng)變監(jiān)測，常用振弦式應(yīng)變計對振動環(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。

主橋為連續(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，主跨主梁亦存在負彎矩向正彎矩區(qū)段的過渡，應(yīng)力分布復(fù)雜。對上部結(jié)構(gòu)主跨，可選取跨中、雙1/4跨、雙根部共5個關(guān)鍵截面；對邊跨，可選取跨中、根部共4個關(guān)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(yīng)通過優(yōu)化設(shè)計，使得傳感系統(tǒng)在有效反映結(jié)構(gòu)運維狀態(tài)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(shè)置人孔，因而監(jiān)測設(shè)備無法安裝在箱梁內(nèi)部，需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。實施過程中，除了關(guān)鍵截面的“點式”安裝，尚需布設(shè)設(shè)備之間的連接線路，因而安裝作業(yè)是一個連續(xù)的過程。對大交通量高速公路來說，必須在系統(tǒng)設(shè)計階段充分考慮對橋上交通的影響。

該橋為上下行分幅設(shè)計，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)向為多，適宜?？坑覀?cè)慢車道（應(yīng)急車道）對梁體右側(cè)面實施，對梁體左側(cè)實施則需從前方入口逆行上橋，實施風(fēng)險大，交通協(xié)調(diào)困難。

2 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

綜合考慮結(jié)構(gòu)受力特點和實施約束條件，優(yōu)選對主橋右側(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(biāo)，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(biāo)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)采用云平臺對區(qū)域化、長線路多座橋梁進行集約化管理。在對結(jié)構(gòu)運維指標(biāo)實施高頻度動態(tài)采集的同時，亦須綜合考慮數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸成本，亦不致使云平臺在多對象并發(fā)訪問中承擔(dān)過高的壓力。因而，可在運行先期設(shè)定1 Hz左右的全系統(tǒng)采集頻率，經(jīng)過一段時間數(shù)據(jù)積累和分析后，根據(jù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)特點和運維需求，適度調(diào)整數(shù)據(jù)采集制度。

（2）運維數(shù)據(jù)示例

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

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

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

圖2 全天24 h實時監(jiān)測數(shù)據(jù)

全天呈現(xiàn)大量“毛刺”型突變，高頻度動態(tài)采集所獲取的數(shù)據(jù)，可實時反映在高速通行車輛作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并可設(shè)置分級預(yù)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(fēng)險提示。

4 結(jié)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(jié)構(gòu)受力特征、運營期間實施條件等要素，從先進性、合理性、經(jīng)濟性、實施便利性等多角度，綜合論述安全運維物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)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(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)方案。依托背景項目，構(gòu)建了兼顧高頻度、實時性和長期性的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測和評估系統(tǒng)，長期為運維管理提供數(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，針對高頻度動態(tài)采集需求，對設(shè)備選型、數(shù)據(jù)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。