摘要 該文首先分析了橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)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(jié)構(gòu)健康監(jiān)測項目案例的分析，詳細討論了機電工程在橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)中的設(shè)計、施工、維護等各個階段的要點，指出了當前健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)過程中機電工程存在的主要問題，并提出了相應(yīng)的解決策略。最后，文章總結(jié)了機電工程對于提升橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)質(zhì)量的重要性，并對未來的發(fā)展趨勢進行了展望。

關(guān)鍵詞 橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)；機電工程；質(zhì)量控制；系統(tǒng)建設(shè)；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(guān)鍵節(jié)點。近年來，隨著設(shè)計理念和施工技術(shù)的不斷進步，我國公路橋梁建設(shè)已取得了世人矚目的成就，一大批結(jié)構(gòu)新穎、技術(shù)難度高的大跨徑橋梁相繼建成。根據(jù)交通運輸部統(tǒng)計，截至2023年末，我國公路橋梁總數(shù)已突破百萬座，高速公路里程以及橋梁數(shù)量均穩(wěn)居世界第一，我國正由“橋梁大國”逐漸向“橋梁強國”穩(wěn)步邁進。20世紀90年代，依托于江陰長江大橋，我國內(nèi)地率先引進橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，自2003年起，國內(nèi)一批大型結(jié)構(gòu)橋梁先后完成健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)，并投入運營。截至2023年底，第一批長大橋梁健康監(jiān)測試點項目落下帷幕，共計600余座長大橋梁建立了健康監(jiān)測系統(tǒng)。

橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)是一種通過網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)將分布在橋梁現(xiàn)場和監(jiān)控中心的各類傳感器、數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)處理與管理、數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用的硬件設(shè)備、軟件模塊及配套設(shè)施連接在一起，具有對橋梁設(shè)定參數(shù)連續(xù)監(jiān)測、自動記錄、數(shù)據(jù)顯示、報警評估的功能，輔助橋梁管理和養(yǎng)護決策的電子信息系統(tǒng)[1]。由于該系統(tǒng)建設(shè)離不開大量的傳感器、采集設(shè)備等機電設(shè)施，同時系統(tǒng)的運行也需要做好供電系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)的建設(shè)，因此機電工程對于橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)是至關(guān)重要的一環(huán)。該文基于實際工程案例，研究機電工程的建設(shè)質(zhì)量控制要點，為結(jié)構(gòu)監(jiān)測未來健康發(fā)展提出寶貴意見。

1 健康監(jiān)測系統(tǒng)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(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)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(gòu)建結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)實施清單內(nèi)。

1.1 天池特大橋監(jiān)測系統(tǒng)概況

健康監(jiān)測系統(tǒng)主要包括傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理與管理模塊、結(jié)構(gòu)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(jiān)測傳感器設(shè)備，涵蓋了橋址處環(huán)境溫濕度、車輛荷載、結(jié)構(gòu)溫度、地震作用、結(jié)構(gòu)響應(yīng)（含主拱圈位移、主梁位移、主梁應(yīng)變、主拱圈振動等）、結(jié)構(gòu)變化（含拱腳位移、結(jié)構(gòu)裂縫等）。

1.2 監(jiān)測方法設(shè)計要點

監(jiān)測方法包括感知方法和數(shù)據(jù)采集方法，監(jiān)測方法應(yīng)滿足監(jiān)測量程、分辨力、精度、靈敏度、動態(tài)頻響特性、長期穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)性等要求?？紤]項目建成之后，需要提供5年的運維服務(wù)，為保障系統(tǒng)運營期數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準確性，工程中選用耐久性好、數(shù)據(jù)漂移小的監(jiān)測方法。以該項目最多的傳感器—應(yīng)變傳感器為例，共布設(shè)48個應(yīng)變測點。當前應(yīng)變監(jiān)測常采用方法包括：光纖應(yīng)變傳感器、電阻應(yīng)變傳感器、振弦應(yīng)變傳感器，三者的優(yōu)劣性比較見表1。

1.3 數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)計要點

數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊是整個健康監(jiān)測系統(tǒng)的中樞，主要完成原始數(shù)據(jù)的獲取與傳輸，是連接現(xiàn)場采集設(shè)備和監(jiān)控中心應(yīng)用軟件的中轉(zhuǎn)站。該模塊硬件部分，考慮該系統(tǒng)采用的傳感測試設(shè)備類型較多，所以需要針對不同設(shè)備的特點和輸出信號類型，采用不同的數(shù)據(jù)采集與傳輸方案，選用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備、傳輸設(shè)備和供電設(shè)備均滿足工業(yè)級要求[2]。

（1）數(shù)據(jù)采集

該項目系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊處于TCP/IP參考模型中的網(wǎng)絡(luò)接口層與網(wǎng)際層位置，主要涉及10余種監(jiān)測設(shè)備，選用適宜的采集設(shè)備，包括振動電學信號調(diào)理儀、通用信號調(diào)理器和專用信號采集儀等。根據(jù)傳感器輸出信號以及各類采集軟件的開發(fā)需求，將其分類進行數(shù)據(jù)采集設(shè)計研發(fā)。

（2）數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸以工業(yè)以太網(wǎng)交換機為核心，具備網(wǎng)關(guān)功能，防電磁干擾、防靜電、抗雷擊、抗干擾；支持雙纖自愈環(huán)（包括相切環(huán)）、鏈型、星型等不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。針對不同的數(shù)據(jù)信息類型，劃分VLAN，抑制廣播風暴影響。考慮數(shù)據(jù)傳輸安全性和可靠性，采用光纖工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)方案。數(shù)據(jù)中心設(shè)置1個主干環(huán)網(wǎng)交換機，連接監(jiān)管中心數(shù)據(jù)處理與控制服務(wù)器，對于一維數(shù)據(jù)環(huán)網(wǎng)，可對相應(yīng)的交換機劃分VLAN，方便數(shù)據(jù)的管理，防止發(fā)生大面積網(wǎng)絡(luò)風暴，造成整個通信系統(tǒng)的癱瘓。

1.4 系統(tǒng)電力工程要點

該項目根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境，運營監(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)防雷應(yīng)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(tǒng)中主要針對直擊雷和感應(yīng)雷進行防護。

（1）直擊雷防護：裝設(shè)獨立避雷針、避雷線、避雷網(wǎng)、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(tǒng)進行運營監(jiān)測系統(tǒng)電子設(shè)備保護；

（2）感應(yīng)雷防護：感應(yīng)雷防護主要從電源系統(tǒng)和信號兩部分進行防護。針對電源系統(tǒng)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(tǒng)。

2 監(jiān)測系統(tǒng)機電工程的施工質(zhì)量要點

（1）傳感器的布設(shè)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(shè)計要求，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)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(yīng)通過可靠方式與被測結(jié)構(gòu)物牢固連接（見圖2），并采取適當?shù)谋Ｗo措施，防止因環(huán)境因素影響數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。

核查與評估：對于主體結(jié)構(gòu)施工過程中預安裝的傳感器，實施單位應(yīng)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(shè)置及調(diào)試要點

基本參數(shù)設(shè)置：采集站的基本參數(shù)設(shè)置應(yīng)符合系統(tǒng)要求，包括站點編碼、IP地址、子網(wǎng)掩碼、服務(wù)地址、網(wǎng)關(guān)和MAC地址等。

參數(shù)信息獲取：在采集站設(shè)置界面中，應(yīng)能成功讀取并顯示當前采集站的參數(shù)信息，以確保調(diào)試的準確性。

設(shè)備樹修訂：在上線調(diào)試過程中，應(yīng)根據(jù)實際設(shè)備配置修訂設(shè)備樹，確保所有設(shè)備正確配置并參與數(shù)據(jù)采集。

（3）電力的布設(shè)及接地要求

電力布設(shè)：電力布線應(yīng)滿足設(shè)計要求，確保供電穩(wěn)定，當電壓波動較大時，應(yīng)加設(shè)交流穩(wěn)壓裝置以保證監(jiān)測設(shè)備正常運行。

接地要求：接地系統(tǒng)應(yīng)確保接地電阻值符合規(guī)定，以保障系統(tǒng)安全和數(shù)據(jù)準確性。

（4）安全防護措施

個人防護：施工人員應(yīng)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(shè)備安全：施工設(shè)備、設(shè)施及各種裝置應(yīng)進行經(jīng)常性的維護和定期檢查、測試和保養(yǎng)工作，保證施工安全用具及設(shè)備處于正常工作狀態(tài)。

信號裝置：施工現(xiàn)場應(yīng)設(shè)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(tǒng)測試：監(jiān)測系統(tǒng)完工后，應(yīng)進行系統(tǒng)測試，包括數(shù)據(jù)采集的準確性、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度等。

基準值建立：系統(tǒng)現(xiàn)場傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備安裝到位后應(yīng)采集初始值，監(jiān)測系統(tǒng)完工后應(yīng)建立監(jiān)測基準值，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供參考。

質(zhì)量驗收：按照相關(guān)規(guī)范進行質(zhì)量驗收，確保施工質(zhì)量符合國家和行業(yè)標準。

3 監(jiān)測系統(tǒng)機電工程的運維管養(yǎng)

運維工作對監(jiān)測系統(tǒng)的正常運行和使用壽命至關(guān)重要，《公路橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（JT/T 1037—2022）對系統(tǒng)運維的工作內(nèi)容和頻次給予了細致規(guī)定，包括硬件設(shè)施和軟件系統(tǒng)的日常檢查、定期維護、專項維護和應(yīng)急維護[3]。

（1）運維管養(yǎng)制度建立

專業(yè)運維單位：應(yīng)由專業(yè)運維單位負責橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的運行維護與管理，并配置相應(yīng)專業(yè)的技術(shù)人員。

管理制度：運維單位應(yīng)制定市政橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)運行維護管理制度，按時檢查系統(tǒng)運行情況，定期備份運行管理數(shù)據(jù)。

運維計劃：合理制定系統(tǒng)運維計劃，建立設(shè)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(yīng)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(yīng)按照設(shè)計文件和標準的要求執(zhí)行。

（2）硬件設(shè)施的日常維護要點

日常檢查：硬件設(shè)施日常檢查宜結(jié)合橋梁日常巡查工作開展，對監(jiān)測設(shè)備的表觀完好性及穩(wěn)固性進行檢查并記錄。

數(shù)據(jù)及設(shè)備運行狀態(tài)檢查：對監(jiān)測數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)中心設(shè)備運行狀態(tài)進行檢查并記錄。

問題處置：巡查中發(fā)現(xiàn)的問題或系統(tǒng)軟件反饋的問題，應(yīng)及時處置并記錄。

定期維護：硬件設(shè)施定期維護不宜少于每半年1次，包括對數(shù)據(jù)采集機柜、監(jiān)控中心機柜進行除塵維護，對連通管系統(tǒng)內(nèi)的液體進行定期維護、補充至設(shè)計液位。

（3）定期開展系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試，數(shù)據(jù)進行標定

系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試：定期（專項）維護和應(yīng)急維護中，應(yīng)進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性、穩(wěn)定性、準確性。

數(shù)據(jù)標定：對關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù)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(shù)據(jù)的一致性。

時間同步誤差、網(wǎng)絡(luò)延遲誤差、信號噪聲量：在聯(lián)調(diào)聯(lián)試中，應(yīng)確保各軟件節(jié)點與外場傳感器之間的時間同步誤差、網(wǎng)絡(luò)延遲誤差、信號噪聲量等滿足設(shè)計文件規(guī)定。

4 結(jié)論

文章基于天池特大橋的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)項目，研究內(nèi)容及成果總結(jié)如下：

（1）監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具有完整的傳感、調(diào)理、采集、傳輸、存儲、數(shù)據(jù)處理及控制、預警及狀態(tài)評估功能，保證監(jiān)測系統(tǒng)功能完整性。

（2）監(jiān)測系統(tǒng)對傳感器的布設(shè)、數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)優(yōu)化布設(shè)方法。

（3）《公路橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（JT/T 1037—2022）對公路橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)所涉及的各個環(huán)節(jié)、所開展的工作內(nèi)容予以明確規(guī)定，提出詳細技術(shù)要求，構(gòu)建起結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)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(jiān)測的核心技術(shù)問題，需要發(fā)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(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)機電工程建設(shè)質(zhì)量控制要點的研究，可以發(fā)現(xiàn)技術(shù)進步、系統(tǒng)完整性、傳感器布設(shè)、損傷識別技術(shù)、環(huán)境參數(shù)變化對模態(tài)識別技術(shù)的影響、智能傳感元件的耐久性以及大數(shù)據(jù)和智能化監(jiān)控等方面是當前研究和實踐中需要重點關(guān)注的問題。同時，系統(tǒng)的建設(shè)、驗收、運維和數(shù)據(jù)管理也是確保橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行和發(fā)揮其功能的關(guān)鍵因素。

參考文獻

[1]石渝豐.基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的系桿拱健康監(jiān)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(shù)據(jù)流驅(qū)動的BIM技術(shù)城市橋梁群監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計研究[J].廣西城鎮(zhèn)建設(shè)， 2023（8）：62-67.

[3]葉志龍，李娜，李惠，等.讀懂“健康手環(huán)”使用說明——《公路橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（JT/T 1037—2022）解讀[J].中國公路， 2022（10）：26-29.