橋梁結構監測系統機電工程建設質量控制要點研究

摘要 該文首先分析了橋梁結構監測系統的重要性及其在保障橋梁安全運營中的作用。通過對某特大橋結構健康監測項目案例的分析，詳細討論了機電工程在橋梁結構監測系統中的設計、施工、維護等各個階段的要點，指出了當前健康監測系統建設過程中機電工程存在的主要問題，并提出了相應的解決策略。最后，文章總結了機電工程對于提升橋梁結構監測系統建設質量的重要性，并對未來的發展趨勢進行了展望。

關鍵詞 橋梁結構監測系統；機電工程；質量控制；系統建設；安全運營

中圖分類號 U446 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）23-0154-03

0 概述

橋梁是公路工程的關鍵節點。近年來，隨著設計理念和施工技術的不斷進步，我國公路橋梁建設已取得了世人矚目的成就，一大批結構新穎、技術難度高的大跨徑橋梁相繼建成。根據交通運輸部統計，截至2023年末，我國公路橋梁總數已突破百萬座，高速公路里程以及橋梁數量均穩居世界第一，我國正由“橋梁大國”逐漸向“橋梁強國”穩步邁進。20世紀90年代，依托于江陰長江大橋，我國內地率先引進橋梁結構監測系統，自2003年起，國內一批大型結構橋梁先后完成健康監測系統建設，并投入運營。截至2023年底，第一批長大橋梁健康監測試點項目落下帷幕，共計600余座長大橋梁建立了健康監測系統。

橋梁結構監測系統是一種通過網絡集成技術將分布在橋梁現場和監控中心的各類傳感器、數據采集與傳輸、數據處理與管理、數據分析與應用的硬件設備、軟件模塊及配套設施連接在一起，具有對橋梁設定參數連續監測、自動記錄、數據顯示、報警評估的功能，輔助橋梁管理和養護決策的電子信息系統[1]。由于該系統建設離不開大量的傳感器、采集設備等機電設施，同時系統的運行也需要做好供電系統和網絡傳輸系統的建設，因此機電工程對于橋梁結構監測系統的建設是至關重要的一環。該文基于實際工程案例，研究機電工程的建設質量控制要點，為結構監測未來健康發展提出寶貴意見。

1 健康監測系統實施中的機電工程

寧德天池特大橋主橋為上承式箱型混凝土拱橋，主跨205 m，該橋位于《公路長大橋梁結構健康監測系統建設實施方案》（交辦公路〔2021〕21號）文件要求的對在役和在建的單孔跨徑200 m以上的拱橋構建結構健康監測系統實施清單內。

1.1 天池特大橋監測系統概況

健康監測系統主要包括傳感器模塊、數據采集與傳輸模塊、數據處理與管理模塊、結構安全預警及評估模塊和可視化UI軟件模塊五個部分。其中傳感器模塊，共計投入118個監測傳感器設備，涵蓋了橋址處環境溫濕度、車輛荷載、結構溫度、地震作用、結構響應（含主拱圈位移、主梁位移、主梁應變、主拱圈振動等）、結構變化（含拱腳位移、結構裂縫等）。

1.2 監測方法設計要點

監測方法包括感知方法和數據采集方法，監測方法應滿足監測量程、分辨力、精度、靈敏度、動態頻響特性、長期穩定性、環境適應性等要求。考慮項目建成之后，需要提供5年的運維服務，為保障系統運營期數據的穩定性和準確性，工程中選用耐久性好、數據漂移小的監測方法。以該項目最多的傳感器—應變傳感器為例，共布設48個應變測點。當前應變監測常采用方法包括：光纖應變傳感器、電阻應變傳感器、振弦應變傳感器，三者的優劣性比較見表1。

1.3 數據采集與傳輸設計要點

數據采集與傳輸模塊是整個健康監測系統的中樞，主要完成原始數據的獲取與傳輸，是連接現場采集設備和監控中心應用軟件的中轉站。該模塊硬件部分，考慮該系統采用的傳感測試設備類型較多，所以需要針對不同設備的特點和輸出信號類型，采用不同的數據采集與傳輸方案，選用的數據采集設備、傳輸設備和供電設備均滿足工業級要求[2]。

（1）數據采集

該項目系統數據采集模塊處于TCP/IP參考模型中的網絡接口層與網際層位置，主要涉及10余種監測設備，選用適宜的采集設備，包括振動電學信號調理儀、通用信號調理器和專用信號采集儀等。根據傳感器輸出信號以及各類采集軟件的開發需求，將其分類進行數據采集設計研發。

（2）數據傳輸

數據傳輸以工業以太網交換機為核心，具備網關功能，防電磁干擾、防靜電、抗雷擊、抗干擾；支持雙纖自愈環（包括相切環）、鏈型、星型等不同的網絡結構。針對不同的數據信息類型，劃分VLAN，抑制廣播風暴影響。考慮數據傳輸安全性和可靠性，采用光纖工業以太環網方案。數據中心設置1個主干環網交換機，連接監管中心數據處理與控制服務器，對于一維數據環網，可對相應的交換機劃分VLAN，方便數據的管理，防止發生大面積網絡風暴，造成整個通信系統的癱瘓。

1.4 系統電力工程要點

該項目根據現場環境，運營監測系統供電方式為市電供電，市電接入點的供電功率滿足交流電壓220（1±10%）V，功率≥1 kW，接入點的距離≤2 km。該系統防雷應在橋梁整體防雷工程下進行，考慮強電防雷、弱電防雷和接地。防雷系統中主要針對直擊雷和感應雷進行防護。

（1）直擊雷防護：裝設獨立避雷針、避雷線、避雷網、避雷帶是最常用的、較成熟的直擊雷防護措施。直擊雷防護可利用大橋自身比較完善的直擊雷防護系統進行運營監測系統電子設備保護；

（2）感應雷防護：感應雷防護主要從電源系統和信號兩部分進行防護。針對電源系統防雷，主要采取以下多重措施：1）采取電磁屏蔽措施；2）安裝浪涌保護器；3）良好的接地系統。

2 監測系統機電工程的施工質量要點

（1）傳感器的布設及安裝要點

位置準確性：傳感器的安裝位置必須嚴格滿足設計要求，確保監測數據的準確性和代表性，梁端位移傳感器安裝見圖1。

牢固連接：傳感器應通過可靠方式與被測結構物牢固連接（見圖2），并采取適當的保護措施，防止因環境因素影響數據采集的穩定性。

核查與評估：對于主體結構施工過程中預安裝的傳感器，實施單位應進行核查，評估其使用功能和完好狀況，若不滿足要求，則需進行替換或修復。

（2）采集站的設置及調試要點

基本參數設置：采集站的基本參數設置應符合系統要求，包括站點編碼、IP地址、子網掩碼、服務地址、網關和MAC地址等。

參數信息獲取：在采集站設置界面中，應能成功讀取并顯示當前采集站的參數信息，以確保調試的準確性。

設備樹修訂：在上線調試過程中，應根據實際設備配置修訂設備樹，確保所有設備正確配置并參與數據采集。

（3）電力的布設及接地要求

電力布設：電力布線應滿足設計要求，確保供電穩定，當電壓波動較大時，應加設交流穩壓裝置以保證監測設備正常運行。

接地要求：接地系統應確保接地電阻值符合規定，以保障系統安全和數據準確性。

（4）安全防護措施

個人防護：施工人員應配備必要的個人防護用品，如安全帽、手套、安全靴、護目鏡等。

設備安全：施工設備、設施及各種裝置應進行經常性的維護和定期檢查、測試和保養工作，保證施工安全用具及設備處于正常工作狀態。

信號裝置：施工現場應設置必需的信號裝置，包括標準道路信號、報警信號、危險信號等，以確保施工安全。

（5）驗收指標及要求

系統測試：監測系統完工后，應進行系統測試，包括數據采集的準確性、系統的穩定性和響應速度等。

基準值建立：系統現場傳感器、數據采集設備安裝到位后應采集初始值，監測系統完工后應建立監測基準值，為后續的數據分析提供參考。

質量驗收：按照相關規范進行質量驗收，確保施工質量符合國家和行業標準。

3 監測系統機電工程的運維管養

運維工作對監測系統的正常運行和使用壽命至關重要，《公路橋梁結構監測技術規范》（JT/T 1037—2022）對系統運維的工作內容和頻次給予了細致規定，包括硬件設施和軟件系統的日常檢查、定期維護、專項維護和應急維護[3]。

（1）運維管養制度建立

專業運維單位：應由專業運維單位負責橋梁結構健康監測系統的運行維護與管理，并配置相應專業的技術人員。

管理制度：運維單位應制定市政橋梁結構監測系統運行維護管理制度，按時檢查系統運行情況，定期備份運行管理數據。

運維計劃：合理制定系統運維計劃，建立設備維護臺賬，提供備品備件清單。

記錄與報告：日常管理、定期檢查與維護和異常處置應分別填寫完整的記錄表并存檔，記錄表中正常和異常的判斷應按照設計文件和標準的要求執行。

（2）硬件設施的日常維護要點

日常檢查：硬件設施日常檢查宜結合橋梁日常巡查工作開展，對監測設備的表觀完好性及穩固性進行檢查并記錄。

數據及設備運行狀態檢查：對監測數據以及數據中心設備運行狀態進行檢查并記錄。

問題處置：巡查中發現的問題或系統軟件反饋的問題，應及時處置并記錄。

定期維護：硬件設施定期維護不宜少于每半年1次，包括對數據采集機柜、監控中心機柜進行除塵維護，對連通管系統內的液體進行定期維護、補充至設計液位。

（3）定期開展系統聯調聯試，數據進行標定

系統聯調聯試：定期（專項）維護和應急維護中，應進行系統聯調聯試，確保監測數據的完整性、穩定性、準確性。

數據標定：對關鍵監測參數的傳感器進行標定，確保傳感器采集量值的準確性與后臺數據的一致性。

時間同步誤差、網絡延遲誤差、信號噪聲量：在聯調聯試中，應確保各軟件節點與外場傳感器之間的時間同步誤差、網絡延遲誤差、信號噪聲量等滿足設計文件規定。

4 結論

文章基于天池特大橋的結構健康監測系統建設項目，研究內容及成果總結如下：

（1）監測系統應具有完整的傳感、調理、采集、傳輸、存儲、數據處理及控制、預警及狀態評估功能，保證監測系統功能完整性。

（2）監測系統對傳感器的布設、數據采集的準確性和實時性有較高要求，需要研究有效的傳感網絡優化布設方法。

（3）《公路橋梁結構監測技術規范》（JT/T 1037—2022）對公路橋梁結構監測系統建設所涉及的各個環節、所開展的工作內容予以明確規定，提出詳細技術要求，構建起結構監測系統建設體系。

（4）未來研究適用性更強的損傷識別指標是橋梁健康監測的核心技術問題，需要發展和建立可靠性強、靈敏度高、抗干擾性能良好的損傷識別指標。

通過對橋梁結構健康監測系統機電工程建設質量控制要點的研究，可以發現技術進步、系統完整性、傳感器布設、損傷識別技術、環境參數變化對模態識別技術的影響、智能傳感元件的耐久性以及大數據和智能化監控等方面是當前研究和實踐中需要重點關注的問題。同時，系統的建設、驗收、運維和數據管理也是確保橋梁結構健康監測系統長期穩定運行和發揮其功能的關鍵因素。

參考文獻

[1]石渝豐.基于監測數據的系桿拱健康監測研究[D].重慶：重慶交通大學， 2024.

[2]崔玉，廖艷屏，陳鈺婷，等.基于數據流驅動的BIM技術城市橋梁群監測系統設計研究[J].廣西城鎮建設， 2023（8）：62-67.

[3]葉志龍，李娜，李惠，等.讀懂“健康手環”使用說明——《公路橋梁結構監測技術規范》（JT/T 1037—2022）解讀[J].中國公路， 2022（10）：26-29.