橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)機(jī)電工程建設(shè)質(zhì)量控制要點(diǎn)研究

摘要 該文首先分析了橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要性及其在保障橋梁安全運(yùn)營(yíng)中的作用。通過(guò)對(duì)某特大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)項(xiàng)目案例的分析，詳細(xì)討論了機(jī)電工程在橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)等各個(gè)階段的要點(diǎn)，指出了當(dāng)前健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中機(jī)電工程存在的主要問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的解決策略。最后，文章總結(jié)了機(jī)電工程對(duì)于提升橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)質(zhì)量的重要性，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；機(jī)電工程；質(zhì)量控制；系統(tǒng)建設(shè)；安全運(yùn)營(yíng)

中圖分類號(hào) U446 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）23-0154-03

0 概述

橋梁是公路工程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。近年來(lái)，隨著設(shè)計(jì)理念和施工技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國(guó)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(yùn)輸部統(tǒng)計(jì)，截至2023年末，我國(guó)公路橋梁總數(shù)已突破百萬(wàn)座，高速公路里程以及橋梁數(shù)量均穩(wěn)居世界第一，我國(guó)正由“橋梁大國(guó)”逐漸向“橋梁強(qiáng)國(guó)”穩(wěn)步邁進(jìn)。20世紀(jì)90年代，依托于江陰長(zhǎng)江大橋，我國(guó)內(nèi)地率先引進(jìn)橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，自2003年起，國(guó)內(nèi)一批大型結(jié)構(gòu)橋梁先后完成健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)，并投入運(yùn)營(yíng)。截至2023年底，第一批長(zhǎng)大橋梁健康監(jiān)測(cè)試點(diǎn)項(xiàng)目落下帷幕，共計(jì)600余座長(zhǎng)大橋梁建立了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種通過(guò)網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)將分布在橋梁現(xiàn)場(chǎng)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(duì)橋梁設(shè)定參數(shù)連續(xù)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)記錄、數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警評(píng)估的功能，輔助橋梁管理和養(yǎng)護(hù)決策的電子信息系統(tǒng)[1]。由于該系統(tǒng)建設(shè)離不開(kāi)大量的傳感器、采集設(shè)備等機(jī)電設(shè)施，同時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)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(jī)電工程對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)是至關(guān)重要的一環(huán)。該文基于實(shí)際工程案例，研究機(jī)電工程的建設(shè)質(zhì)量控制要點(diǎn)，為結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)未來(lái)健康發(fā)展提出寶貴意見(jiàn)。

1 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施中的機(jī)電工程

寧德天池特大橋主橋?yàn)樯铣惺较湫突炷凉皹?，主?05 m，該橋位于《公路長(zhǎng)大橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)實(shí)施方案》（交辦公路〔2021〕21號(hào)）文件要求的對(duì)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(cè)系統(tǒng)實(shí)施清單內(nèi)。

1.1 天池特大橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概況

健康監(jiān)測(cè)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(yù)警及評(píng)估模塊和可視化UI軟件模塊五個(gè)部分。其中傳感器模塊，共計(jì)投入118個(gè)監(jiān)測(cè)傳感器設(shè)備，涵蓋了橋址處環(huán)境溫濕度、車(chē)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(dòng)等）、結(jié)構(gòu)變化（含拱腳位移、結(jié)構(gòu)裂縫等）。

1.2 監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)要點(diǎn)

監(jiān)測(cè)方法包括感知方法和數(shù)據(jù)采集方法，監(jiān)測(cè)方法應(yīng)滿足監(jiān)測(cè)量程、分辨力、精度、靈敏度、動(dòng)態(tài)頻響特性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)性等要求?？紤]項(xiàng)目建成之后，需要提供5年的運(yùn)維服務(wù)，為保障系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)期數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，工程中選用耐久性好、數(shù)據(jù)漂移小的監(jiān)測(cè)方法。以該項(xiàng)目最多的傳感器—應(yīng)變傳感器為例，共布設(shè)48個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。當(dāng)前應(yīng)變監(jiān)測(cè)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(jiàn)表1。

1.3 數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)計(jì)要點(diǎn)

數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊是整個(gè)健康監(jiān)測(cè)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(chǎng)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(cè)試設(shè)備類型較多，所以需要針對(duì)不同設(shè)備的特點(diǎn)和輸出信號(hào)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(jí)要求[2]。

（1）數(shù)據(jù)采集

該項(xiàng)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(cè)設(shè)備，選用適宜的采集設(shè)備，包括振動(dòng)電學(xué)信號(hào)調(diào)理儀、通用信號(hào)調(diào)理器和專用信號(hào)采集儀等。根據(jù)傳感器輸出信號(hào)以及各類采集軟件的開(kāi)發(fā)需求，將其分類進(jìn)行數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)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(jī)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(duì)不同的數(shù)據(jù)信息類型，劃分VLAN，抑制廣播風(fēng)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(gè)主干環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，連接監(jiān)管中心數(shù)據(jù)處理與控制服務(wù)器，對(duì)于一維數(shù)據(jù)環(huán)網(wǎng)，可對(duì)相應(yīng)的交換機(jī)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(fēng)暴，造成整個(gè)通信系統(tǒng)的癱瘓。

1.4 系統(tǒng)電力工程要點(diǎn)

該項(xiàng)目根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電方式為市電供電，市電接入點(diǎn)的供電功率滿足交流電壓220（1±10%）V，功率≥1 kW，接入點(diǎn)的距離≤2 km。該系統(tǒng)防雷應(yīng)在橋梁整體防雷工程下進(jìn)行，考慮強(qiáng)電防雷、弱電防雷和接地。防雷系統(tǒng)中主要針對(duì)直擊雷和感應(yīng)雷進(jìn)行防護(hù)。

（1）直擊雷防護(hù)：裝設(shè)獨(dú)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(hù)措施。直擊雷防護(hù)可利用大橋自身比較完善的直擊雷防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電子設(shè)備保護(hù)；

（2）感應(yīng)雷防護(hù)：感應(yīng)雷防護(hù)主要從電源系統(tǒng)和信號(hào)兩部分進(jìn)行防護(hù)。針對(duì)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(hù)器；3）良好的接地系統(tǒng)。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)機(jī)電工程的施工質(zhì)量要點(diǎn)

（1）傳感器的布設(shè)及安裝要點(diǎn)

位置準(zhǔn)確性：傳感器的安裝位置必須嚴(yán)格滿足設(shè)計(jì)要求，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和代表性，梁端位移傳感器安裝見(jiàn)圖1。

牢固連接：傳感器應(yīng)通過(guò)可靠方式與被測(cè)結(jié)構(gòu)物牢固連接（見(jiàn)圖2），并采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)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(píng)估：對(duì)于主體結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中預(yù)安裝的傳感器，實(shí)施單位應(yīng)進(jìn)行核查，評(píng)估其使用功能和完好狀況，若不滿足要求，則需進(jìn)行替換或修復(fù)。

（2）采集站的設(shè)置及調(diào)試要點(diǎn)

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(diǎn)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(dāng)前采集站的參數(shù)信息，以確保調(diào)試的準(zhǔn)確性。

設(shè)備樹(shù)修訂：在上線調(diào)試過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際設(shè)備配置修訂設(shè)備樹(shù)，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(jì)要求，確保供電穩(wěn)定，當(dāng)電壓波動(dòng)較大時(shí)，應(yīng)加設(shè)交流穩(wěn)壓裝置以保證監(jiān)測(cè)設(shè)備正常運(yùn)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(zhǔn)確性。

（4）安全防護(hù)措施

個(gè)人防護(hù)：施工人員應(yīng)配備必要的個(gè)人防護(hù)用品，如安全帽、手套、安全靴、護(hù)目鏡等。

設(shè)備安全：施工設(shè)備、設(shè)施及各種裝置應(yīng)進(jìn)行經(jīng)常性的維護(hù)和定期檢查、測(cè)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(hào)裝置：施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)設(shè)置必需的信號(hào)裝置，包括標(biāo)準(zhǔn)道路信號(hào)、報(bào)警信號(hào)、危險(xiǎn)信號(hào)等，以確保施工安全。

（5）驗(yàn)收指標(biāo)及要求

系統(tǒng)測(cè)試：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完工后，應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，包括數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度等。

基準(zhǔn)值建立：系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)系統(tǒng)完工后應(yīng)建立監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)值，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供參考。

質(zhì)量驗(yàn)收：按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)收，確保施工質(zhì)量符合國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)機(jī)電工程的運(yùn)維管養(yǎng)

運(yùn)維工作對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行和使用壽命至關(guān)重要，《公路橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（JT/T 1037—2022）對(duì)系統(tǒng)運(yùn)維的工作內(nèi)容和頻次給予了細(xì)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(hù)、專項(xiàng)維護(hù)和應(yīng)急維護(hù)[3]。

（1）運(yùn)維管養(yǎng)制度建立

專業(yè)運(yùn)維單位：應(yīng)由專業(yè)運(yùn)維單位負(fù)責(zé)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)與管理，并配置相應(yīng)專業(yè)的技術(shù)人員。

管理制度：運(yùn)維單位應(yīng)制定市政橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)管理制度，按時(shí)檢查系統(tǒng)運(yùn)行情況，定期備份運(yùn)行管理數(shù)據(jù)。

運(yùn)維計(jì)劃：合理制定系統(tǒng)運(yùn)維計(jì)劃，建立設(shè)備維護(hù)臺(tái)賬，提供備品備件清單。

記錄與報(bào)告：日常管理、定期檢查與維護(hù)和異常處置應(yīng)分別填寫(xiě)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(jì)文件和標(biāo)準(zhǔn)的要求執(zhí)行。

（2）硬件設(shè)施的日常維護(hù)要點(diǎn)

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(kāi)展，對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的表觀完好性及穩(wěn)固性進(jìn)行檢查并記錄。

數(shù)據(jù)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢查：對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)中心設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢查并記錄。

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

定期維護(hù)：硬件設(shè)施定期維護(hù)不宜少于每半年1次，包括對(duì)數(shù)據(jù)采集機(jī)柜、監(jiān)控中心機(jī)柜進(jìn)行除塵維護(hù)，對(duì)連通管系統(tǒng)內(nèi)的液體進(jìn)行定期維護(hù)、補(bǔ)充至設(shè)計(jì)液位。

（3）定期開(kāi)展系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試，數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定

系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試：定期（專項(xiàng)）維護(hù)和應(yīng)急維護(hù)中，應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的完整性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性。

數(shù)據(jù)標(biāo)定：對(duì)關(guān)鍵監(jiān)測(cè)參數(shù)的傳感器進(jìn)行標(biāo)定，確保傳感器采集量值的準(zhǔn)確性與后臺(tái)數(shù)據(jù)的一致性。

時(shí)間同步誤差、網(wǎng)絡(luò)延遲誤差、信號(hào)噪聲量：在聯(lián)調(diào)聯(lián)試中，應(yīng)確保各軟件節(jié)點(diǎn)與外場(chǎng)傳感器之間的時(shí)間同步誤差、網(wǎng)絡(luò)延遲誤差、信號(hào)噪聲量等滿足設(shè)計(jì)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(cè)系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目，研究?jī)?nèi)容及成果總結(jié)如下：

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

（2）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)傳感器的布設(shè)、數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)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(cè)技術(shù)規(guī)范》（JT/T 1037—2022）對(duì)公路橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)所涉及的各個(gè)環(huán)節(jié)、所開(kāi)展的工作內(nèi)容予以明確規(guī)定，提出詳細(xì)技術(shù)要求，構(gòu)建起結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)體系。

（4）未來(lái)研究適用性更強(qiáng)的損傷識(shí)別指標(biāo)是橋梁健康監(jiān)測(cè)的核心技術(shù)問(wèn)題，需要發(fā)展和建立可靠性強(qiáng)、靈敏度高、抗干擾性能良好的損傷識(shí)別指標(biāo)。

通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)機(jī)電工程建設(shè)質(zhì)量控制要點(diǎn)的研究，可以發(fā)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步、系統(tǒng)完整性、傳感器布設(shè)、損傷識(shí)別技術(shù)、環(huán)境參數(shù)變化對(duì)模態(tài)識(shí)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(dāng)前研究和實(shí)踐中需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。同時(shí)，系統(tǒng)的建設(shè)、驗(yàn)收、運(yùn)維和數(shù)據(jù)管理也是確保橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行和發(fā)揮其功能的關(guān)鍵因素。

參考文獻(xiàn)

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