桥梁结构监测系统机电工程建设质量控制要点研究

摘要 该文首先分析了桥梁结构监测系统的重要性及其在保障桥梁安全运营中的作用。通过对某特大桥结构健康监测项目案例的分析，详细讨论了机电工程在桥梁结构监测系统中的设计、施工、维护等各个阶段的要点，指出了当前健康监测系统建设过程中机电工程存在的主要问题，并提出了相应的解决策略。最后，文章总结了机电工程对于提升桥梁结构监测系统建设质量的重要性，并对未来的发展趋势进行了展望。

关键词 桥梁结构监测系统；机电工程；质量控制；系统建设；安全运营

中图分类号 U446 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）23-0154-03

0 概述

桥梁是公路工程的关键节点。近年来，随着设计理念和施工技术的不断进步，我国公路桥梁建设已取得了世人瞩目的成就，一大批结构新颖、技术难度高的大跨径桥梁相继建成。根据交通运输部统计，截至2023年末，我国公路桥梁总数已突破百万座，高速公路里程以及桥梁数量均稳居世界第一，我国正由“桥梁大国”逐渐向“桥梁强国”稳步迈进。20世纪90年代，依托于江阴长江大桥，我国内地率先引进桥梁结构监测系统，自2003年起，国内一批大型结构桥梁先后完成健康监测系统建设，并投入运营。截至2023年底，第一批长大桥梁健康监测试点项目落下帷幕，共计600余座长大桥梁建立了健康监测系统。

桥梁结构监测系统是一种通过网络集成技术将分布在桥梁现场和监控中心的各类传感器、数据采集与传输、数据处理与管理、数据分析与应用的硬件设备、软件模块及配套设施连接在一起，具有对桥梁设定参数连续监测、自动记录、数据显示、报警评估的功能，辅助桥梁管理和养护决策的电子信息系统[1]。由于该系统建设离不开大量的传感器、采集设备等机电设施，同时系统的运行也需要做好供电系统和网络传输系统的建设，因此机电工程对于桥梁结构监测系统的建设是至关重要的一环。该文基于实际工程案例，研究机电工程的建设质量控制要点，为结构监测未来健康发展提出宝贵意见。

1 健康监测系统实施中的机电工程

宁德天池特大桥主桥为上承式箱型混凝土拱桥，主跨205 m，该桥位于《公路长大桥梁结构健康监测系统建设实施方案》（交办公路〔2021〕21号）文件要求的对在役和在建的单孔跨径200 m以上的拱桥构建结构健康监测系统实施清单内。

1.1 天池特大桥监测系统概况

健康监测系统主要包括传感器模块、数据采集与传输模块、数据处理与管理模块、结构安全预警及评估模块和可视化UI软件模块五个部分。其中传感器模块，共计投入118个监测传感器设备，涵盖了桥址处环境温湿度、车辆荷载、结构温度、地震作用、结构响应（含主拱圈位移、主梁位移、主梁应变、主拱圈振动等）、结构变化（含拱脚位移、结构裂缝等）。

1.2 监测方法设计要点

监测方法包括感知方法和数据采集方法，监测方法应满足监测量程、分辨力、精度、灵敏度、动态频响特性、长期稳定性、环境适应性等要求。考虑项目建成之后，需要提供5年的运维服务，为保障系统运营期数据的稳定性和准确性，工程中选用耐久性好、数据漂移小的监测方法。以该项目最多的传感器—应变传感器为例，共布设48个应变测点。当前应变监测常采用方法包括：光纤应变传感器、电阻应变传感器、振弦应变传感器，三者的优劣性比较见表1。

1.3 数据采集与传输设计要点

数据采集与传输模块是整个健康监测系统的中枢，主要完成原始数据的获取与传输，是连接现场采集设备和监控中心应用软件的中转站。该模块硬件部分，考虑该系统采用的传感测试设备类型较多，所以需要针对不同设备的特点和输出信号类型，采用不同的数据采集与传输方案，选用的数据采集设备、传输设备和供电设备均满足工业级要求[2]。

（1）数据采集

该项目系统数据采集模块处于TCP/IP参考模型中的网络接口层与网际层位置，主要涉及10余种监测设备，选用适宜的采集设备，包括振动电学信号调理仪、通用信号调理器和专用信号采集仪等。根据传感器输出信号以及各类采集软件的开发需求，将其分类进行数据采集设计研发。

（2）数据传输

数据传输以工业以太网交换机为核心，具备网关功能，防电磁干扰、防静电、抗雷击、抗干扰；支持双纤自愈环（包括相切环）、链型、星型等不同的网络结构。针对不同的数据信息类型，划分VLAN，抑制广播风暴影响。考虑数据传输安全性和可靠性，采用光纤工业以太环网方案。数据中心设置1个主干环网交换机，连接监管中心数据处理与控制服务器，对于一维数据环网，可对相应的交换机划分VLAN，方便数据的管理，防止发生大面积网络风暴，造成整个通信系统的瘫痪。

1.4 系统电力工程要点

该项目根据现场环境，运营监测系统供电方式为市电供电，市电接入点的供电功率满足交流电压220（1±10%）V，功率≥1 kW，接入点的距离≤2 km。该系统防雷应在桥梁整体防雷工程下进行，考虑强电防雷、弱电防雷和接地。防雷系统中主要针对直击雷和感应雷进行防护。

（1）直击雷防护：装设独立避雷针、避雷线、避雷网、避雷带是最常用的、较成熟的直击雷防护措施。直击雷防护可利用大桥自身比较完善的直击雷防护系统进行运营监测系统电子设备保护；

（2）感应雷防护：感应雷防护主要从电源系统和信号两部分进行防护。针对电源系统防雷，主要采取以下多重措施：1）采取电磁屏蔽措施；2）安装浪涌保护器；3）良好的接地系统。

2 监测系统机电工程的施工质量要点

（1）传感器的布设及安装要点

位置准确性：传感器的安装位置必须严格满足设计要求，确保监测数据的准确性和代表性，梁端位移传感器安装见图1。

牢固连接：传感器应通过可靠方式与被测结构物牢固连接（见图2），并采取适当的保护措施，防止因环境因素影响数据采集的稳定性。

核查与评估：对于主体结构施工过程中预安装的传感器，实施单位应进行核查，评估其使用功能和完好状况，若不满足要求，则需进行替换或修复。

（2）采集站的设置及调试要点

基本参数设置：采集站的基本参数设置应符合系统要求，包括站点编码、IP地址、子网掩码、服务地址、网关和MAC地址等。

参数信息获取：在采集站设置界面中，应能成功读取并显示当前采集站的参数信息，以确保调试的准确性。

设备树修订：在上线调试过程中，应根据实际设备配置修订设备树，确保所有设备正确配置并参与数据采集。

（3）电力的布设及接地要求

电力布设：电力布线应满足设计要求，确保供电稳定，当电压波动较大时，应加设交流稳压装置以保证监测设备正常运行。

接地要求：接地系统应确保接地电阻值符合规定，以保障系统安全和数据准确性。

（4）安全防护措施

个人防护：施工人员应配备必要的个人防护用品，如安全帽、手套、安全靴、护目镜等。

设备安全：施工设备、设施及各种装置应进行经常性的维护和定期检查、测试和保养工作，保证施工安全用具及设备处于正常工作状态。

信号装置：施工现场应设置必需的信号装置，包括标准道路信号、报警信号、危险信号等，以确保施工安全。

（5）验收指标及要求

系统测试：监测系统完工后，应进行系统测试，包括数据采集的准确性、系统的稳定性和响应速度等。

基准值建立：系统现场传感器、数据采集设备安装到位后应采集初始值，监测系统完工后应建立监测基准值，为后续的数据分析提供参考。

质量验收：按照相关规范进行质量验收，确保施工质量符合国家和行业标准。

3 监测系统机电工程的运维管养

运维工作对监测系统的正常运行和使用寿命至关重要，《公路桥梁结构监测技术规范》（JT/T 1037—2022）对系统运维的工作内容和频次给予了细致规定，包括硬件设施和软件系统的日常检查、定期维护、专项维护和应急维护[3]。

（1）运维管养制度建立

专业运维单位：应由专业运维单位负责桥梁结构健康监测系统的运行维护与管理，并配置相应专业的技术人员。

管理制度：运维单位应制定市政桥梁结构监测系统运行维护管理制度，按时检查系统运行情况，定期备份运行管理数据。

运维计划：合理制定系统运维计划，建立设备维护台账，提供备品备件清单。

记录与报告：日常管理、定期检查与维护和异常处置应分别填写完整的记录表并存档，记录表中正常和异常的判断应按照设计文件和标准的要求执行。

（2）硬件设施的日常维护要点

日常检查：硬件设施日常检查宜结合桥梁日常巡查工作开展，对监测设备的表观完好性及稳固性进行检查并记录。

数据及设备运行状态检查：对监测数据以及数据中心设备运行状态进行检查并记录。

问题处置：巡查中发现的问题或系统软件反馈的问题，应及时处置并记录。

定期维护：硬件设施定期维护不宜少于每半年1次，包括对数据采集机柜、监控中心机柜进行除尘维护，对连通管系统内的液体进行定期维护、补充至设计液位。

（3）定期开展系统联调联试，数据进行标定

系统联调联试：定期（专项）维护和应急维护中，应进行系统联调联试，确保监测数据的完整性、稳定性、准确性。

数据标定：对关键监测参数的传感器进行标定，确保传感器采集量值的准确性与后台数据的一致性。

时间同步误差、网络延迟误差、信号噪声量：在联调联试中，应确保各软件节点与外场传感器之间的时间同步误差、网络延迟误差、信号噪声量等满足设计文件规定。

4 结论

文章基于天池特大桥的结构健康监测系统建设项目，研究内容及成果总结如下：

（1）监测系统应具有完整的传感、调理、采集、传输、存储、数据处理及控制、预警及状态评估功能，保证监测系统功能完整性。

（2）监测系统对传感器的布设、数据采集的准确性和实时性有较高要求，需要研究有效的传感网络优化布设方法。

（3）《公路桥梁结构监测技术规范》（JT/T 1037—2022）对公路桥梁结构监测系统建设所涉及的各个环节、所开展的工作内容予以明确规定，提出详细技术要求，构建起结构监测系统建设体系。

（4）未来研究适用性更强的损伤识别指标是桥梁健康监测的核心技术问题，需要发展和建立可靠性强、灵敏度高、抗干扰性能良好的损伤识别指标。

通过对桥梁结构健康监测系统机电工程建设质量控制要点的研究，可以发现技术进步、系统完整性、传感器布设、损伤识别技术、环境参数变化对模态识别技术的影响、智能传感元件的耐久性以及大数据和智能化监控等方面是当前研究和实践中需要重点关注的问题。同时，系统的建设、验收、运维和数据管理也是确保桥梁结构健康监测系统长期稳定运行和发挥其功能的关键因素。

参考文献

[1]石渝丰.基于监测数据的系杆拱健康监测研究[D].重庆：重庆交通大学， 2024.

[2]崔玉，廖艳屏，陈钰婷，等.基于数据流驱动的BIM技术城市桥梁群监测系统设计研究[J].广西城镇建设， 2023（8）：62-67.

[3]叶志龙，李娜，李惠，等.读懂“健康手环”使用说明——《公路桥梁结构监测技术规范》（JT/T 1037—2022）解读[J].中国公路， 2022（10）：26-29.