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虎门大桥突发“波浪式”抖动,物联网该出手了!

05月07日 20:55

5月5日下午,正值“五一”假期返程高峰,虎门大桥悬索桥桥面突发异常“波浪式”晃动,振幅较为明显,对行车造成不舒适感。情况发生后不少网友纷纷反映,“行车到虎门大桥桥面上有‘爆胎’的感觉”“感觉桥面波澜起伏,像坐船一样,感觉有点‘晕船’”“虎门大桥摇得人头晕,太恐怖了”……

随后,虎门大桥公司发布通告,宣布从2020年5月5日15时20分起,对虎门大桥实行全封闭交通管制。同时,为确保过往船舶航行安全,广东海事局与广东省交通运输厅商定,于5月5日18时15分实行临时水上交通管制,从19时起,对虎门大桥附近通航水域实施封航。

虎门大桥

一、虎门大桥简介

虎门大桥是中国第一座大型悬索桥,其主航道跨径888米,被誉为“中国第一跨”,桥梁结构与鹦鹉洲长江大桥相似。虎门大桥作为粤港澳大湾区关键通道,通车23年来,为粤港澳大湾区各城市互联互通和经济繁荣发展发挥了重要作用。与此同时,车流量的持续增长也造成这条交通大动脉不堪重负。据了解,虎门大桥的车流量由1997年建成时的日均1.84万标准车次,到最高日均17万标准车次,远超日均8万车次的设计标准,饱和度达2.1。

出现桥梁振动情况后,国内相关领域专家奔赴现场进行勘察,给出了目前最可信度最高的说法,初步认定此次虎门大桥的振动主要是因为沿桥跨边护栏连续设置水马(挡墙),破坏了大桥的断面流线型,在特定风环境条件下,产生了桥梁涡振现象。

虎门大桥桥梁专业人员第一时间回应称,目前虎门大桥桥梁主体结构未受损,同时,专家表示桥梁遇到特殊风况会晃动是正常的,一般遇到漩涡风桥面晃动比较大。

二、桥梁涡振现象产生原因

新华社报道,国内桥梁相关领域的专家也第一时间奔赴现场进行考察,12位国内知名桥梁专家连夜开会研判,给出权威解答:

虎门大桥悬索桥本次震动的主要原因是,由于沿桥跨护栏连续设置水马(挡墙),改变了钢箱梁的气动外形,在特定风环境条件下,产生的桥梁涡振现象。

大跨径悬索桥在较低风速下存在涡振现象,震动幅度较小且不易察觉,仅在特殊条件下会产生较大振幅,不会影响桥梁结构安全,但会影响行车的体验感和舒适性,易引发交通安全事故。

而根据现有对虎门大桥掌握的数据和观测到的现象分析来看,此次虎门大桥悬索桥“抖动”并未使其桥梁主体结构受损,也不会影响虎门大桥悬索桥后续使用的结构安全和耐久性。

不过,虽说“虎门大桥抖动”是虚惊一场,却也又给我们敲响了警钟。近年来,大桥坍塌的事件层出不穷,给人民的生命和财产都造成了巨大的威胁,导致了不少家庭支离破碎的悲剧发生。

关于大桥因外力坍塌最著名的例子是1940年塔科马海峡大桥,同样是悬索桥,但是在通车4个月后,突然被微风摧毁。回到国内,不久前长江鹦鹉洲大桥也出现类似现象。研究风力对桥梁的影响显得十分重要,因此需要了解桥梁为什么会在风力作用下产生摆动。

桥梁平面与风向相同,当风速不大时并不会产生振动,产生振动的原因是因为风速加快,会在桥梁平面上生成一个个气旋,这些气旋在桥梁左右两侧分布,这样就会产生振动频率与桥梁不同步,使桥梁产生振动,这就是桥梁涡振现象,其原理就是卡门涡街导致形成的。

东莞理工大学老师有专门做到这个卡门涡街实验,实验过程就是用一块纸条在吹风机下面,当风速比较小时,纸条基本不会摇摆。当调大吹风筒风速时,纸条的尾部就会摆动起来,实验虽然存在误差,但可以很好的解释桥梁在大风作用下产生摆动的原因。

虎门大桥监测系统

三、物联网在桥梁监测中的应用

近些年,一系列的桥梁损害甚至坍塌事故,都在提醒我们必须高度重视桥梁的健康检测与安全评估,及危桥的损伤检测和监控,争取消除隐患。所以对桥梁健康状况进行监测和评价,掌握其健康状况是有非常重要的意义的。桥梁结构的监测也成为桥梁结构安全养护和保障正常使用的主要技术手段。

显然,监测的过程仅靠人力是不可能的,费时费力费成本不说,还无法做到监测的实时性。因此,物联网技术在远程桥梁结构健康监测中,成为一个不可缺少的重要环节。

在20世纪80年代中后期,美国开始在一些桥梁上,布设用于检测环境、荷载、震动、局部应力等桥梁各类基本参数的传感器,力图通过数据分析,来寻求一些力学规律。

美国的Sunshine Skyway Bridge上面共计安装500多个传感器,这些传感器,主要用于采集桥梁建设、运营等各阶段的位移、应变和温度变化等,最终人们可以通过这些信息,找到桥体结构和桥体材料,随时间变化的规律。

在国内,虎门大桥、徐浦大桥、江阴长江等大桥在施工阶段,工程师已经在桥体上,布设了传感器,这些传感器,可以实时监测桥体的各项指标和参数。

香港青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥,还曾布设过当时世界上规模最大的实时安全监测系统,系统包括900个各类传感器、9台电脑控制信息收集系统、2台电脑工作站负责信息处理和分析系统。

根据论文显示虎门大桥监测系统加入了GPS位移、应变实时、长期形变、超限超载等监测系统,通过这些系统的作用,实时获取桥梁在各种情况下的受力、工作状态,以及抗风和抗震等结构参数,实现对桥梁的安全监测。

从虎门大桥监测系统的表现来看,融入物联网的基建监测系统未来的市场将会加速扩大。根据数据显示,国内目前铁路营运里程12.9万公里,桥梁20万座;公路总里程14.26万公里,82.55万座桥梁;还有一些2万余座水电站、200多个机场等大型公共基础设施。在这些大型基建里面,并不是所有的设施都有完整的安全监测系统,同时,在新基建的加持下,相关监测系统的需求和市场只会大幅增加。

四、物联网在桥梁检测的方案场景

上述文中提到了过重的超载行驶以及特殊的天气都会对桥梁本身产生影响,而除此之外,设计施工不合理、自然灾害、桥梁本身的病害以及其他的认为活动都有可能造成桥梁坍塌的悲剧产生。

而将新基建的“力量”融合进老基建中,运用物联网等技术的能力来保障“老基础设施”的安全性则大有可为。比如在传统桥梁中面临的人力成本、知识储备、实时监测等问题,会随着增加几个普通的传感器,布设并利用NB-IoT、4G网络进行信息传输而得到解决。像“南方澳大桥21年未做独立监测”的想象也有可能杜绝。

场景一:应对货车超载

在高架桥两端加装路面压力传感器,通过物联网进行车辆载重和类型识别,和摄像头联接获取违规车辆的车牌信息,在进行分级实时告警的同时,还可以统计路面总体载荷。

案例:目前,交通设施智能管理平台已在上海投入试运营。今后超载货运车一旦违规驶上高架桥梁,桥上埋设的线圈会自动感知微小受力变化,同步向智能管理平台报警。据相关工程技术专家介绍,以前高架桥梁对重车的监控大都是人工观察,今后可以通过在道路内植入带有信号发射功能的传感器,实时监测每一座设施的荷载和运作状况。一旦有超过该桥梁负荷的卡车出现,传感器能及时感应并向监控平台自动报警,工作人员上报信息,由执法者对违规卡车进行及时处理。目前,这项技术已经在松江辰塔大桥试运作。

场景二:对桥梁健康状况进行日常监测

在大桥中植入若干个不同种类的传感设备,另设立汇集节点/网关和实时监测平台,利用低功耗广域网等技术无线传输监测数据并发送数据至汇集节点,再将数据传入平台层进行储存、处理与分析,并根据分析结果及时采取应对措施,比如当桥梁极限承载力损失严重时,考虑将其拆除。

案例:在武汉市,中铁大桥科学研究院的技术人员为42座桥梁安装15种、共1929个传感器,硬件设备更是达到了25类、共3053套。技术人员将通过这些传感器和硬件设备对桥梁的结构安全(即应变、裂缝、位移、挠度、倾角、温湿度)、车辆荷载(即车型、车速、车重、轴重、车长)、独柱墩匝道倾覆及滑移(即应变、位移、倾角)、沉降及桥面线形(即挠度、GPS)等关键参数进行监测。桥梁的结构状况、基础沉降、车辆监测抓拍等各种监测数据将实时地通过互联网存储至云计算数据中心服务器中,从而实现“一桥一档”电子化户籍式管理。

其次,技术人员还会到现场对桥梁外观进行检查,并将检查结果通过手机APP上传。各级管理人员或技术人员可以通过任何一台电脑的浏览器或手机APP进行登录访问,实时掌握这42座桥梁的健康状况,有助于技术人员及时处理突发事件、及时修复病害桥梁、确保桥梁运营安全。

另外,“智慧桥梁”系统还能自动生成维修建议,并通过查阅系统中的监控视频、检测数据,为事后追溯、索赔提供依据。

场景三:对结构进行监测

这一点其实在虎门大桥的检测中也有体现,虎门大桥是中国第一座大型悬索桥。根据资料显示,虎门大桥在设计之初就加入了GPS位移、应变实时、长期形变、超限超载等检测系统,以便实时获取桥梁在各种情况下的受力能力、状态参数、抗震性能等信息,保证桥梁的安全。

当然,物联网技术也不只运用于桥梁,目前中国正处于大规模基础建设浪潮的渐渐消退,隧道、楼宇、轨道等各种结构物都开始进入长期的运营使用阶段。前期的设计、施工并不能确定结构物是否正常运营,必将需要一种更实时、快捷的方式对运营状态进行全面的精细化监测,尤其是对已经服役多年的老旧结构物。

专注于物联网结构监测领域的浩坤科技曾经总结过结构监测的市场现状,见下图:

以LoRa为代表的低功耗广域网络具有的超低功耗、更广覆盖、超大连接、低成本、高穿透等特点不仅能满足不同结构物在各种复杂环境下的大连接、高穿透等的监测需求,而且能为其提供精细化监测解决方案,如以下四方面优势:

(1)高穿透性、远距离、低功耗

由上图可以看出LoRa高达157db的链路预算使其通信距离可达15公里,且穿透性极强。其接收电流仅10mA,睡眠电流200nA,这大大提高了电池的使用寿命。高穿透性、远距离传输的特点解决了桥梁、隧道等内部震动监测信号在穿透多层混凝土结构或者岩壁后变弱的问题。低功耗的特点在提高设备持续长久安全监测稳定性之外,也减少了设备维护和结构巡检次数,从而提高了安全效率,降低了人力成本。

(2)基于该技术的智能网关支持多信道多数据速率的并行处理,系统容量大

网关是节点与IP网络之间的桥梁。每个网关每天可以处理500万次各节点之间的通信(假设每次发送10Bytes,网络占用率10%)。如果把网关安装在现有移动通信基站的位置,发射功率20dBm(100mW),那么在建筑密集的城市环境可以覆盖2公里左右,而在密度较低的郊区,覆盖范围可达10公里。这种大范围的覆盖对于隧道、桥梁等远距离,多节点的监测尤为重要。

(3)基于终端和网关的系统可以支持测距和定位

LoRa对距离的测量是基于信号的空中传输时间而非传统的RSSI(Received Signal Sterngth Ind-ication),而定位则基于多点(网关)对一点(节点)的空中传输时间差的测量。其定位精度可达5m(假设10km的范围)。从而保障监测数据的精准性。

(4)低成本、易于部署

LoRa是基于非授权频谱的技术,基础设施和节点(终端)部署成本低,能为结构监测大规模的应用降低大量成本。LoRa网络技术可以满足行业客户协议细节调整的需求,可快速帮助客户低成本地建设局域网以实现业务运营,同时不仅能适应分散性应用需求,还能很好地满足行业性应用需求。

虎门大桥悬索桥此次的“抖动”不可谓不适时,今年大事尤多,一系列的事件也让我们渐渐感受到科技的重要性。此次虎门大桥“虎躯一震”再次为我们敲响了警钟,在新基建火热进行的大背景下,希望新老基建融合带给我们更加安全、便捷、经济、高效的生活体验,也少些对这类事件的担惊受怕。

五、结构监测市场应运而生

不只是桥梁,随着中国大规模基础建设浪潮的渐渐消退,隧道、楼宇、轨道等各种结构物都开始进入长期的运营使用阶段。但是,在各种自然界的不确定外力加载下,以及经济发展的需求,致使各种结构物超载疲劳运营现象普遍出现。

中国结构监测的市场刚刚起步,结合着物联网,智慧城市的发展,未来五年内会滋生出数十亿的市场份额,同时随着现有建筑物的逐步老化,市场还会越来越大。鉴于传感器的生命周期一般为8年左右,所以也是一个无限循环的市场。如果新建筑物在施工阶段就采用物联网结构监测方案,那么整个市场无疑会扩大很多。

据统计,截止2015年,国内现有大小桥梁70多万座,隧道8000多座(总长度4000多公里),地铁总长度超过3000公里,大型体育场馆上千座,老旧建筑,高层建筑数量庞大,未来都有实时在线监测预警的需求。

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