毫米波雷達(dá)在橋梁智慧化監(jiān)測中的應(yīng)用研究

周青松， 秦明霞

（1. 上海市建筑科學(xué)研究院有限公司；2. 上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點實驗室）

1 引言

橋梁結(jié)構(gòu)不僅方便人們出行，而且極大地促進(jìn)了社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全運營具有重要意義[1]。橋梁動撓度、結(jié)構(gòu)基頻作為判定橋梁剛度和承載能力的重要性能指標(biāo)[2]，是評判橋梁結(jié)構(gòu)健康狀況的重要依據(jù)。因此利用各種方法實時監(jiān)測橋梁動撓度以及基頻對于判別橋梁的健康狀況，保障橋梁安全運營具有重要作用。

目前用于測量橋梁撓度的方法主要有連通管、拉線式電測位移計、光電撓度儀和GNSS。連通管法主要用于靜態(tài)測量，無法實現(xiàn)動撓度測量；拉線式電測位移計的最大適宜測量跨徑為50m 左右，無法實現(xiàn)大跨徑橋梁的動撓度測量；光電撓度儀設(shè)備價格昂貴，易受下雨、霧天等環(huán)境條件的影響[3]，無法實現(xiàn)在線實時測量；GNSS 采樣頻率較高，但豎向精度較低，無法滿足實際工程測量精度要求[5]。

毫米波雷達(dá)測量技術(shù)具有高精度、高采樣頻率、受環(huán)境影響小的特性，滿足橋梁動撓度監(jiān)測的基本需求，隨著毫米波雷達(dá)在車輛自動駕駛、高速寬帶無線通信等技術(shù)的成功應(yīng)用，該技術(shù)在橋梁智慧化監(jiān)測中的應(yīng)用研究得到廣泛關(guān)注。

本文以一座跨徑為80m 的系桿拱橋為案例，如圖1 所示，對毫米波雷達(dá)在橋梁智慧化在線監(jiān)測的應(yīng)用進(jìn)行研究，采用毫米波雷達(dá)對進(jìn)行動撓度進(jìn)行實時監(jiān)測，并利用高頻動撓度數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)基頻計算分析。

圖1 案例橋梁示意圖

2 毫米波雷達(dá)豎向位移測量原理

毫米波雷達(dá)是一種工作在毫米波段的電磁波，雷達(dá)射頻前端發(fā)射電磁波，到達(dá)靶標(biāo)后回波被雷達(dá)系統(tǒng)接收，通過對比發(fā)射波與回波的強度鎖定靶標(biāo)位置。當(dāng)靶標(biāo)發(fā)生位移時，雷達(dá)系統(tǒng)分析兩次接收波形的相位差可確定位移變化量，毫米波雷達(dá)監(jiān)測原理如圖2所示。

圖2 毫米波雷達(dá)監(jiān)測原理圖

測試時，雷達(dá)安裝于相對固定的位置處，靶標(biāo)固定于被測點位處，當(dāng)橋梁產(chǎn)生向下?lián)隙萪時，雷達(dá)直接測量得到的位移變化量為dp，根據(jù)相似三角形可知：

dp：測點在雷達(dá)距離間的變化量，可通過雷達(dá)主機測量得到；α：雷達(dá)與測點之間的夾角

h：雷達(dá)與測點的垂直距離，需人工輔助測量得到；R：雷達(dá)與測點的距離，可通過雷達(dá)主機測量得到

將公式（1）（2）結(jié)合可得到撓度d

3 橋梁動撓度監(jiān)測

3.1 測點布置

該系桿拱橋計算跨徑80m，橋?qū)?3m，上部結(jié)構(gòu)采用下承式鋼筋混凝土系梁拱橋，全橋由拱肋、系梁、橫梁、吊桿及橋面系組成。采用橋梁有限元分析軟件MIDAS/Civil 對該橋進(jìn)行建模計算，該橋在車輛荷載作用下最大位移發(fā)生在橋跨四分點處，如圖3所示。因此本次監(jiān)測在橋梁四分點及跨中設(shè)置2個動撓度監(jiān)測點，測點編號分別為測點1、測點2，毫米波雷達(dá)安裝在相對固定的1 號橋臺臺身處，如圖3所示。

圖3 活荷載作用下最大位移圖

3.2 測試結(jié)果

選取某一時間段一輛重車通過時毫米波雷達(dá)與光電撓度儀的動撓度測試結(jié)果對比如圖4-5所示。

圖4 1#測點動撓度對比圖

圖5 2#測點動撓度對比圖

1 號測點的毫米波雷達(dá)測試峰值為1.47mm，光電撓度儀測試峰值為1.54mm；

2 號測點的毫米波雷達(dá)測試峰值為1.49mm，光電撓度儀測試峰值為1.43mm；

3.3 動撓度測試結(jié)果小結(jié)

毫米波雷達(dá)與光電撓度儀動撓度測試結(jié)果如下表1所示，結(jié)果基本一致，最大相對誤差5%，毫米波雷達(dá)測試所得動撓度結(jié)果是可靠的。

表1 動撓度峰值監(jiān)測結(jié)果對比表

4 橋梁基頻監(jiān)測

4.1 仿真分析

利用前述MIDAS有限元模型進(jìn)行仿真分析，該橋的一階頻率為2.12Hz，一階模態(tài)為反對稱豎彎，如圖6所示。

圖6 一階模態(tài)

4.2 測試結(jié)果

4.2.1 毫米波雷達(dá)測試結(jié)果

根據(jù)仿真分析，該橋一階模態(tài)為反對稱豎彎，最大位移在四分點位置，因此選取該橋四分點由毫米波雷達(dá)測得的某一時間段內(nèi)橋梁動撓度如圖7 所示，從該時程圖可知，在0s～3s 之間撓度相對平穩(wěn)，在3s～9s之間撓度逐漸增大，在9.52s時測得最大撓度為1.35mm，在9s～19s 之間撓度逐漸減小，在19s后逐漸減小為0，可知該段時間內(nèi)發(fā)生了一次重車經(jīng)過激發(fā)的振動。在時間為3s 到19s 范圍內(nèi)，該橋共發(fā)生36次周期性振動，換算頻率為2.25Hz。

圖7 四分點動撓度時程曲線圖

4.2.2 加速度傳感器測試結(jié)果

在該橋上沿順橋向布置5 個加速度傳感器，測得的加速度時程曲線經(jīng)傅立葉變換后得到其一階基頻約為2.29Hz，頻譜圖如圖8所示。

圖8 傅立葉變換頻譜圖

4.3 基頻測試結(jié)果小結(jié)

一階反對稱豎彎基頻監(jiān)測結(jié)果對比如表2 所示，采用毫米波雷達(dá)測試所得基頻為2.25Hz，采用加速度傳感器測試所得基頻為2.29Hz，結(jié)果基本一致，毫米波雷達(dá)測試所得基頻是可靠的。

表2 基頻監(jiān)測結(jié)果對比表

5 結(jié)語

利用毫米波雷達(dá)對某系桿拱橋進(jìn)行動撓度監(jiān)測，得出如下結(jié)論：

①通過與現(xiàn)有其他非在線測量技術(shù)對比分析毫米波雷達(dá)監(jiān)測橋梁動撓度與結(jié)構(gòu)基頻所得數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確可靠的；

②毫米波雷達(dá)能對多個測點同時采集傳輸，且安裝簡單，能夠在橋梁智慧化監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用；

③毫米波雷達(dá)不受光線、灰塵、煙霧等環(huán)境影響，能實現(xiàn)真正全天候監(jiān)測。