基于物联网技术的城市高速公路桥梁运维特征分析与管养建议

胡 杰，韩 鹏，李 苗

（1.广州快速交通建设有限公司，广东 广州 510475；2.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

1 概 况

1.1 政策背景

在“互联网+”战略背景下，国家加快推进道路交通基础设施与互联网深度融合，推动交通智能化发展。2016年7月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《国家信息化发展战略纲要》，要求加强顶层设计，提高城市基础设施、运行管理、公共服务和产业发展的信息化水平，分级分类推进新型智慧城市建设；加快电力、民航、铁路、公路、水路、水利等公共基础设施的网络化和智能化改造。同月，国家发改委、交通运输部联合发布了《推进“互联网+”便捷交通促进智能交通发展的实施方案》（发改基础[2016] 1681号），要求建设智能交通基础设施先进感知监测系统，加强交通基础设施网络基本状态的信息采集，推动国家公路网建设和运行的监测、管理和服务平台构建。

2017年5月，住房和城乡建设部、国家发改委印发《全国城市市政基础设施规划建设“十三五”规划》，要求提升市政基础设施智慧化水平和绿色发展水平，推进智慧城市建设，提高城市安全运行管理水平。同时在全国656个城市全面开展城市市政基础设施调查，开展市政基础设施信息化、智慧化建设与改造，建立全国城市市政基础设施数据库，依托已有基础建设完善全国城市市政基础设施监管平台。

1.2 运维需求

以机场高速公路为代表的城市高速公路，是诸多城市连接核心区和机场大型交通枢纽的重要通道。城市高速公路桥梁既承载着繁重的交通服务任务，又面临着诸多突发性和渐变性风险。现有管养体系主要以人工定期巡检为主，缺乏与运维安全相关指标的实时监测，管理部门在巡检间隔期无法即时体察风险，这使得运维管理工作对网络化、区域化、实时性监管技术的需求日趋迫切。以互联网为核心，基于现代传感技术、智能巡检技术、云平台数据管理技术的桥梁物联网平台，代表着“互联网+”时代城市基础设施运维安全管理的发展方向，成为中小型桥梁区域化管理的破局之道[1]。

桥梁物联网系统构架见图1。

图1桥梁物联网系统构架

桥梁物联网的核心技术构架为：面向大型桥梁的广泛应用，在结构关键部位，针对与安全直接相关的关键指标设置传感器，并可采用智能巡检的方式互补实现在位置和指标类别上的全覆盖。采用云平台集约化数据管理与网页、手机客户端轻量化使用相结合的服务模式，为桥梁区域化安全运维管理提供从风险感知、病害巡查，到综合数据存储、运算管理，到风险预（告）警、应急保通、维修养护全过程的产业化智慧服务。

本文结合广州机场高速流溪河特大桥，分析运维需求与关键安全指标，设计构建物联网系统，同时结合典型运维数据，分析阐释大桥当前运维特征，为运维管理提出相关建议，并为物联网技术在城市高速公路桥梁运维管理中的产业化推广应用提供策略建议。

2 系统设计概述

2.1 运维需求分析与关键安全指标阐释

流溪河特大桥主桥为3跨预应力混凝土连续刚构桥，跨径布置50 m+80 m+50 m，中墩为双柱薄壁墩；引桥为20 m～30 m跨径小箱梁或板梁结构。

以机场高速为代表的城市高速公路，其显著特点在于兼容了“高速公路”和“市政道路”的特征，车辆多、车速快，重车数量少于普通高速公路，但对偶发对象不可忽视。这对采集制度、告警规则的制定都有特定的要求，部分要素需要根据一定时期数据积累之后再优化，进而形成长线路城市高速公路特有的在线运维管理机制。

对城市高速公路中的混凝土梁式桥，其日常运营的主要荷载来自上部道路的通行车辆。上部结构挠度和关键部位的应变，是运维阶段需首要关注的关键指标。

2.2 系统设计要素和实施条件分析

城市高速公路的通行车辆以小型轿车为主，兼有部分中等载重量的客车、货车，偶尔有大型运输车辆通行，其共同特征在于通行速度快。因而运维指标采集系统应能够充分满足结构动态响应的需求。对挠度监测，推荐采用以机器视觉为核心技术的视频-靶标装置，开展高频度位移监测。对应变监测，推荐采用光纤光栅式应变采集设备。

流溪河特大桥为上下行分幅设计，重车以右侧车道行驶为主。对主桥单箱单室箱梁，通常在以右侧通行为主的重车荷载作用下，右侧腹板为荷载横向分布的承担主体。

流溪河特大桥在建造时并未设置人孔，监测设备无法安装在箱梁内部，须选用桥检车等大型机具，为安装人员实现梁体关键部位的可达性。根据道路通行特征和桥检车运行特点，优选在梁体右侧关键截面布设传感器，同时，传感器布点应尽可能不使桥检车操作进入桥下通航空间。

2.3 物联网系统设计方案

将主桥右侧腹板作为主要监测对象，在关键截面上下缘布设顺桥向应变计。同时，在主跨跨中设置靶标，在梁端设置视觉微动采集仪，监测主梁动态挠度。

对引桥简支小箱梁，则可在目标跨跨中，沿横桥向间隔布设顺桥向应变计。

系统传感器总体布置见图2。

图2 系统传感器总体布置（单位：m）

3 运维数据分析

3.1 主桥应变数据分析

提取1周内全时段温度和应变监测数据，如图3所示。

从图3可见：主桥中跨跨中这一关键应变指标的总体周期性变化趋势与温度变化一致；在每天夜间的应变动态变化幅值明显变大，这与夜间重载交通通行数量多有关。

以6月6日为例，提取24 h数据分析如图4所示。

从图 4 可见，在夜间 22：00 至早间 7：00，应变动态显著响应明显增多。该时段重车通行较多，且多沿道路右侧行驶，对主梁右侧影响较明显。

同时，对比应变与温度变化趋势可见，应变变化相比温度变化约有2 h左右的滞后，这与混凝土结构整体传热及相关变形速率有关。

提取重载通行高峰期2 h数据，如图5所示。可见主桥中跨跨中下缘应变受动态交通影响明显，在非通行间隔期则仅呈现微幅平稳变化。

图3 主桥1周全时监测数据

图4主桥24 h监测数据

3.2 主桥挠度数据分析

图5重载高峰期主桥中跨跨中应变显著响应

主桥动态挠度采用基于机器视觉的视频-靶标系统进行实时采集，主桥跨中挠度24 h监测数据如图6所示。

图6主桥主跨跨中挠度24 h监测数据

动态挠度监测亦显示在重载通行高峰期，挠度显著响应明显密集。

3.3 引桥应变数据分析

引桥采用并列小箱梁，从24 h跨中应变监测数据（图 7）可见，在夜间 22：00 至早间 7：00 应变动态响应显著，且响应变化幅度比主桥更大。

图7引桥小箱梁跨中应变24 h监测数据

提取重载通行高峰期2 h数据，如图8所示。

从图8可见，各并列小箱梁在重载通行的时间点应变变化幅值不同。第3监测点，即西侧第5片小箱梁应变变化幅值更甚，对应道路第2条车道。

图8 重载高峰期引桥跨中应变显著响应

动态响应的不同步，与车辆荷载横向分布、小箱梁间协调工作整体性均相关。

4 管养建议

4.1 桥梁工作特征和运维状态

分析物联网在线监测数据可见，流溪河特大桥挠度和应变数据伴随温度变化呈周期性变化，由重载交通通行导致的结构动态显著响应呈现明显的时段特征。

参照《城市桥梁养护技术规范》（CJJ 99—2017）、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）、《建筑与桥梁结构监测技术规范》（GB 50982—2014）以及《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011）等技术规程，流溪河特大桥的钢筋混凝土桥梁上部结构应变的动态变化限值可取-220～150 μm/m；在正常使用条件下，主桥中跨跨中挠度限值可取133 mm。

从监测数据可见，在温度变化和动载变化结合的条件下，应变和挠度数值均在正常范围内，引桥动态应变变化相对显著。

4.2 养护管理相关建议

桥梁物联网在线采集和分析数据，可为桥梁管养提供数据支撑和技术参考。根据流溪河特大桥监测数据，建议根据长期监测数据，配合日常巡检，体察监测引桥桥跨和类似跨径引桥铰缝的工作状态以及小箱梁整体特性。

远期可结合长期数据监测，设置分级预警限值，对结构超阈值响应作出及时告警，利用手机短信、客户端信息、电子邮件等方式向相关管理部门发送风险提示。

4.3 新技术产业化推广策略建议

在新型产业的推广中，以需求作为原动力，以政策作为助推力，以新理念提供引导力。在桥梁物联网新技术推广应用过程中，地方管理部门可结合住房和城乡建设部《全国城市市政基础设施规划建设“十三五”规划》指导要求，组建产业基金并与地方政府母基金或双创引导基金合作，以特定领域专项子基金形式支持地方智慧市政设施建设。利用产业基金投资成立的项目公司实施区域智慧市政设施提标改造，以政府购买服务作为基本稳定收益，以ABS资产证券化实现资金部分回笼。同时，聚焦高端传感器制造-行业物联网集成-系统产品应用三位一体创新链，以股权投资、科技输出和市场培育等多种形式支持地方特色园区创新创业企业发展，催生协同创新的产业集聚效应并辐射周边区域和市场，以“产+投”联动方式，在引入产业社会资本共同投入，吸引价值链相关产业、国际交流合作以及扩大社会影响力等方面形成综合杠杆效应。在吸引汇聚社会资本在区内形成产业资金池的同时，实现智慧市政设施快速推广、地方产业发展升级和基金超额收益这一多赢的局面。

5 结语

本文以广州机场高速流溪河特大桥为依托工程，在综合分析结构特点和运维需求的前提下，为大桥设计、物联网系统构建，选取典型时期、时段，分析了主桥和引桥的应变、挠度动态监测数据，并结合分析结果，为养护管理提出参考意见。同时，结合行业需求和业态特点，为物联网技术在城市高速公路桥梁运维管理中的产业化推广应用提供了策略建议。

在国家“互联网+”战略推进的浪潮下，构建桥梁安全运维智慧服务平台系统，基于云平台和大数据技术，由专业机构为主管部门长期提供桥梁安全监管的“一站式”智慧服务，将成为“智慧城市”战略构架中市政交通领域基础设施信息化提升的重要组成部分。