构建一个高效、可靠的桥梁自动化监测系统，关键在于根据监测目的、桥梁类型、易损部位和预算，选择合适的传感器和仪器。其核心思想是 感知-传输-管理-分析。四川合睿达将按照监测物理量的分类，对必要仪器进行阐述，让各位朋友了解一下桥梁结构自动化监测仪器配置。

一、系统核心组成部分

在分析具体仪器前，首先要理解一个自动化监测系统的构成：

传感器系统：过感知环境或设备运行状态，将非电信号转换为电信号进行信息处理，实现监测与控制功能。

数据采集与传输系统：负责收集传感器信号并远程传输到服务器。

数据处理与控制系统：负责数据存储、处理、展示和系统管理的中枢。

预警与评估系统：负责根据分析结果发出警报和进行安全评估的决策中心。

本文将重点分析第一部分的传感器系统，即各种必要仪器。

二、必要仪器分类分析

根据监测的物理量，可以将必要仪器分为以下几大类：

1. 结构响应监测

这是最核心的部分，直接反映桥梁结构的健康状况。

（1）变形与位移监测

必要性：桥梁的挠度、沉降、水平位移是判断其刚度和整体稳定性的最直接指标。

主要仪器：

GNSS（全球导航卫星系统）接收机：

功能：实时、全天候监测桥梁关键点（如主塔、主梁）的三维绝对位移。

优点：自动化程度高，能获得绝对坐标，适合大跨径桥梁（如斜拉桥、悬索桥）。

缺点：成本较高，精度为毫米级，在峡谷或城市高楼区可能信号受影响。

静力水准仪：

功能：高精度监测桥梁各测点相对于基准点的垂直沉降（挠度）变化。

优点：精度极高（可达0.1mm），非常适合监测桥墩不均匀沉降和梁体挠度。

缺点：需要布设管路，受温度影响较大。

倾角仪/倾斜计：

功能：监测桥墩、主塔、桥台等结构的倾斜角度变化。

优点：安装方便，成本相对较低，能有效反映基础的稳定性。

测量机器人（自动化全站仪）：

功能：自动追踪和测量布设在桥梁上的棱镜点的三维坐标。

优点：测量精度高，一台主机可监测多个测点。

缺点：受天气（雨、雾）影响大，需要稳定的基准点。

（2）应变与应力监测

必要性：直接监测构件的受力状态，发现应力集中和超载情况，是评估结构强度的关键。

主要仪器：

振弦式应变计：

功能：通过测量钢弦的振动频率换算成应变。这是目前最主流、最可靠的自动化应变传感器。

优点：长期稳定性好，抗干扰能力强，信号可长距离传输。

应用：布设在主梁关键截面、桥墩底部、索塔锚固区等。

光纤光栅应变传感器：

功能：通过测量光栅中心波长的漂移来测量应变。

优点：抗电磁干扰、耐久性好、可实现分布式测量（一根光纤即是传感器也是传输介质），适合长距离、大范围监测。

缺点：系统成本较高，数据处理相对复杂。

（3）振动与动态特性监测

必要性：桥梁的振动特性（频率、振型、阻尼比）是整体刚度和结构损伤的“指纹”。

主要仪器：

加速度传感器：

功能：测量桥梁在车辆、风荷载作用下的振动加速度。

类型：

力平衡式加速度计：精度高，动态范围大，适合低频振动监测。

MEMS加速度计：体积小，成本低，适合密集布设。

应用：通过分析加速度数据，可以识别结构的模态参数，一旦频率或振型发生显著变化，可能预示着结构损伤。

2. 环境与荷载监测

这部分监测的是引起结构响应的原因。

（1）荷载源监测

交通荷载：

仪器：动态称重系统、视频车检器。

必要性：记录交通流量、车型、车速和轴重，用于分析桥梁承受的实际活载，并与应变、振动数据关联。

风荷载：

仪器：超声风速仪/机械式风速风向仪。

必要性：对于大跨径柔性桥梁（斜拉桥、悬索桥），风是主要控制荷载。监测风速、风向，用于分析风致振动和颤振稳定性。

温度荷载：

仪器：温度传感器（如铂电阻、热电偶、光纤光栅温度传感器）。

必要性：温度变化会引起桥梁显著的伸缩和变形，是监测数据中必须分离的重要影响因素。通常与应变计、位移计等配套安装。

地震与船撞：

仪器：强震仪、冲击传感器。

必要性：记录地震或船舶撞击事件的结构响应，用于紧急状况下的快速安全评估。

3. 特定结构与构件监测

针对特殊桥梁类型和易损构件。

（1）索力监测（用于斜拉桥、悬索桥、拱桥）

必要性：拉索/吊杆是主要承重构件，其索力变化直接影响结构内力分布和安全。

主要仪器：

磁通量传感器：

功能：通过测量索内钢绞线的磁导率变化来推算索力。

优点：直接测量索体本身，精度高，长期稳定性好。

加速度传感器：

功能：通过测量拉索的振动频率，利用频率法间接计算索力。

优点：方法成熟，成本相对较低。

缺点：对于短索、端部带阻尼器的索，精度会下降。

（2）支座位移监测

仪器：位移计/拉线传感器。

必要性：监测支座在温度、荷载作用下的正常滑动或转动，发现支座卡死、异常位移等病害。

三、典型桥梁监测系统仪器配置建议

不同类型桥梁的结构特点、受力机制及主要风险点各不相同，因此其自动化监测系统的仪器配置需有明确的针对性。以下是针对几种典型桥梁的配置建议：

1.中小跨径梁桥

此类桥梁结构相对简单，监测重点在于基础的沉降、主梁的挠度变化以及整体结构的完整性。核心配置应以静力水准仪为核心，高精度监测桥墩不均匀沉降与主梁挠度；在关键截面（如跨中、墩顶）布设振弦式应变计，以感知混凝土的受力状态；同时，在桥墩和桥台处安装倾角仪，监控基础的转动与倾斜。辅以少量的加速度传感器监测结构整体振动特性，并结合温度传感器进行数据补偿，即可构成一个经济有效的监测系统。

2.大跨径连续刚构桥

其特点是桥墩与主梁刚性连接，对温度变化、混凝土收缩徐变以及墩柱位移极为敏感。监测系统需能精确捕捉主梁线形与关键截面的内力。因此，通常采用GNSS与静力水准仪组合的方案，全面监控主梁的三维位移与挠度曲线。在墩梁结合部等受力复杂区域，需密集布设振弦式应变计，监测应力集中现象。同时，必须在主梁和墩柱上同步安装温度传感器，以精确分离温度效应与荷载效应，并通过倾角仪监控高墩的稳定性。

3.斜拉桥

作为高次超静定结构，斜拉桥的健康状况极大地依赖于拉索系统。索力监测是其核心，首选长期稳定性极佳的磁通量传感器，或采用基于加速度传感器的频率法进行辅助验证。对于主梁线形与塔顶偏位，GNSS是理想选择。结构动态响应与风致振动是关键监测内容，需在主梁和索塔上布置加速度传感器阵列，并配备超声风速仪实时记录风荷载谱。此外，在索塔锚固区和主梁控制截面布设振弦式应变计，以全面掌握结构内力分布。

4.悬索桥

悬索桥作为柔性悬挂结构，对风荷载和变形极为敏感。监测核心围绕主缆线形、吊杆索力及加劲梁的动态性能展开。GNSS被广泛用于监测主缆、加劲梁和桥塔在风载与温度作用下的空间变位。吊杆索力可通过在其下端安装加速度传感器采用频率法进行监测。与斜拉桥类似，加速度传感器阵列和超声风速仪是分析桥梁气动稳定性的必备仪器。同时，在加劲梁和桥塔的关键部位布设应变计，以监测局部应力状态。

四、总结与选择要点

必要性不等于全部性：一个系统不一定要包含所有仪器。应根据桥梁特点、设计基准期内的风险评估和预算，选择最核心、最必要的仪器，优先保证对结构安全起控制作用的参数的监测。

可靠性优于先进性：在土木工程领域，传感器的长期稳定性、耐久性和抗干扰能力远比高精度和新颖性重要。振弦式传感器之所以成为主流，正是源于其数十年来验证的可靠性。

系统集成是关键：单个仪器性能再好，如果不能集成到一个统一的平台上进行数据同步采集、分析和展示，其价值将大打折扣。确保所有传感器能与数据采集仪良好通信。

考虑环境适应性：桥梁现场环境恶劣，所有仪器必须具备足够的防护等级（如IP67以上），并能适应当地的温度、湿度变化范围。

桥梁自动化监测系统的必要仪器是一个根据目标定制的传感器套餐，不是所有都可用，但变形、应变、振动、环境（温/风） 这四类监测构成了绝大多数系统的骨架。在此基础上，再根据桥梁类型增加如索力、支座位移等专项监测，从而形成一个完整、有效、经济的自动化监测系统。

监测规范

（1）《城市桥梁养护技术规范》CJJ99-2003

（2）《城市桥梁检测与评定技术规范》CJJ/T 233-2015

（3）《公路桥涵养护规范》JTG H11-2004

（4）《建筑与桥梁结构监测技术规范》GB50982-2014

（5）《结构健康监测系统设计标准》CECS-333-2012

（6）《公路桥梁结构安全监测系统技术规程》JT/T 1037-2016

（7）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62-2012

（8）《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2015

（9）《公路隧道交通工程设计规范》JTGT D71-2004

（10）《工程测量规范》GB50026-2020

（11）《公路桥梁结构安全监测系统技术规程》JT/T 1037-2016

（12）《公路桥梁结构监测技术规范》JTT 1037-2022