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第52期 毫米波雷达技术在桥梁工程中的应用

2019-9-10 09:30

52监测网,监测专家报告分享第52期,报告来源,朱尚清教授在2019桥梁结构安全监测与检测技术交流会做的《毫米波雷达技术在桥梁工程中的应用》学术报告。 . ... ... ...


52监测网专家报告分享-第52期

毫米波雷达技术在桥梁工程中的应用
朱尚清 北京市政路桥管理养护集团有限公司瑞通十九处总经理助理
编前语

以下文章来源于检师学社,检师学社(微信号:jianshixueshe)为检测工程师提供基础设施养护管理相关的先进理念、知识、技术、软件以及检测设备等信息,为推动行业科技进步贡献力量。


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专家简介

朱尚清,北京市政路桥管理养护集团有限公司瑞通十九处总经理助理,硕士,教授级高工,主要从事桥梁检测、监测以及科研项目的研究工作。参加《桥梁混凝土结构无损监测技术规范》的编写。朱尚清学术报告的题目《毫米波雷达技术在桥梁工程中的应用》。

图1  学术报告

内容简介

专家观点解读

学术报告共分五部分来介绍毫米波雷达在桥梁工程中的应用:(1)结构的变形监测;(2)桥梁检测监测技术;(3)毫米波雷达测量技术原理;(4)毫米波雷达在桥梁检测中的应用;(5)毫米波雷达在桥梁监测中的应用。

1、结构的变形监测

由于毫米波雷达测试的是结构的微变形,结构的变形监测包括结构的外部变形和内部变形,其内涵较为丰富。而结构的变形监测也是桥梁工程检测监测的重要内容。在介绍毫米波雷达在桥梁工程中的应用前对结构变形的意义、内容进行梳理,以便于大家更好理解报告的内容。

(1)结构变形监测的涵义及意义
结构变形监测就是利用专用的仪器设备和方法对结构物的变形情况进行持续观测、对结构物变形形态进行分析、变形的发展态势进行预测等各项工作。
通过变形观测,一方面可以监视结构物的变形情况,一旦发现异常变形可以及时进行分析、研究,并采取措施加以处理,确保结构物在施工和运营过程中的安全,防止事故的发生。
另一方面,通过对结构物的变形进行分析研究,可以检验设计和施工是否合理、反馈施工的质量,并为今后的修改和制订设计方法、规范以及施工方案等提供依据,从而减少工程灾害、提高抗灾能力。

(2)结构变形监测的内容
变形包括外部变形和内部变形两个方面:外部变形是指变形体外部形状及其空间位置的变化;内部变形则是指变形体内部应力、温度、水位、渗流、渗压等的变化。
与常规测量相比,结构变形监测的测量精度要求较高,一般情况下也要达到毫米级,较为重要或者变形比较敏感的结构物则要达到0.1mm甚至0.01mm。因此,变形监测大多属于精密测量范畴。
结构变形监测首先要建立变形监测基准系统,然后进行位移、沉降、倾斜、裂缝、挠度、振动、应力等监测。
对于桥梁工程而言,外部变形主要指挠度、沉降、倾斜、裂缝、振动监测等;内部变形主要指应力监测。

2、桥梁检测、监测技术

本部分内容主要从桥梁检测内容、结构变形监测的方法、桥梁挠度测试方法的对比以及桥梁动挠度测试方法及评价目前仍存在的问题来介绍。

(1)桥梁检测的内容
桥梁检测的内容主要从目前我国公路桥梁现行规范的规定的内容进行分类:经常性检查、定期检测以及特殊检测等方面进行讲解。在技术交流环节很多嘉宾提到桥梁的检测与桥梁健康监测融合的问题。桥梁人工检测与桥梁健康监测其实是从不同的层面来反映桥梁结构的健康状况,目前现行的桥梁技术状况评定规范未能考虑桥梁健康监测数据的评定问题。笔者认为主要的原因是桥梁结构健康监测目前主要是针对特大型桥梁以及特殊结构的桥梁,针对常规桥梁的健康监测系统近几年才开始实施;另一方面桥梁健康监测系统海量的监测数据如何同桥梁的技术评定进行结合还需要大量的研究工作。因此对于桥梁检测和监测数据融合的问题在今后大数据的时代可能会真正的进行融合。此外在人工检测和智能化的监测中间可能会出现一种利用智能化的设备对桥梁健康状况检测的方法,如清华大学和相关单位联合开发敲击扫描检测车(详见检师学社相关文章),因此对于未来桥梁智慧化的桥梁管理养护这些技术将会进行有机的融合以实现桥梁的智慧化管理。
此外介绍了目前桥梁评价的内容:使用功能的评价和承载能力的评价。

(2)结构变形监测的方法
结构变形监测的测试方法根据测试的内容(挠度测试、应变测试以及振动测试)进行了梳理,见图2。

图2 结构变形监测的测试方法

对于结构的变形监测笔者将应变测试列入变形测试的内容,从应变的涵义可以清楚的理解其量值就是测试在一定标距范围内的微变形与标距的比值,其是一个无量纲的数值。在工程上可以用千分表以及其它高精度的测量变形的设备也可以组合进行应变的测试,目前也有利用高像素的光学仪器来进行应变测试。但是利用变形类测试设备有一个前提就是一定标距范围内的微变形与标距的比值应能达到με级。
重点介绍了桥梁动挠度的测试方法:电阻式挠度计、光学类挠度仪、基于图像的桥梁挠度仪、GPS以及激光位移计和毫米波雷达以及加速度传感器(淡丹辉教授的专利技术)的测试方法以及其适用范围。

(3)桥梁挠度测试方法的对比
桥梁挠度是确保结构在安全范围内运营的重要参数指标,几种常用桥梁挠度测试方法对比分析见图3:

图3 桥梁挠度测试方法的对比图

微波雷达(毫米波雷达)测试精度和采样频率较高,不仅能够测试桥梁静挠度和动挠度,还能实现多点同时采集,桥下无需搭设支架,不影响正常交通,受环境影响小,能实现长期监测。

(4)桥梁动挠度测试及评价存在的问题
1)  传统测量方法存在一些缺陷和不足
2)   桥梁动挠度测试方法制约桥梁动态测试技术的发展
 3)国外雷达测量动位移设备成本昂贵,制约其在工程中的应用推广
4) 目前规范中仅给出桥梁结构基频的评定标准,而对于桥梁动挠度还没有相应的评定标准

3、毫米波雷达技术的测量原理

(1)RADAR 电磁波探测和测距   Radio Detection and Ranging
雷达主要应用于检测目标物的存在性和测量目标物和设备之间的距离。脉冲雷达的测量原理见图4,其目标体之间能测试距离的分辨率为0.5m。

图4 脉冲雷达的原理

(2)差分干涉测量技术
差分干涉测量技术主要通过雷达波的相位差对目标物的位移进行精确测量。
雷达第一次发射和接收雷达波,确定了目标物所在的位置和波形相位信息;第二次发射和接收雷达波确定了第二个位置和相位信息,通过相位差确定精确的位移变化(图5)。理论上最小辨识的位移变化可达1mm,这个精度完全满足桥梁、建筑、高塔监测等业内的需求。

图5 干涉测量原理

通过该原理能够得到目标物在径向上的位移d,然后再依几何投影关系计算整个区域的位移。式中,dp为径向位移;r是从雷达发射接收器到测点的径向直线距离;h为被测点至雷达发射接收器单元的垂直高度,见图6。

图6 桥梁挠度测试示意图

4、毫米波雷达在桥梁检测中的应用

毫米波雷达在桥梁检测中的应用主要包括拉索索力测试、桥梁静载试验、桥梁动载试验以及桥梁科研中的应用几个方面来介绍。

(1)拉索索力测试
微波干涉测量技术主要通过雷达波的相位差对目标物的位移进行精确测量,对测试时程曲线进行傅里叶变换得出拉索振动频率,进而计算拉索的索力。雷达发出的微波呈扇形分布,在一定距离范围,若有多个测点在扇形区域内即可同时测得多根拉索的索力。该种测试方法最大的优点是非接触测量、测试效率高、同时实现多根拉索同步测量、测试精度高等(图7)。
传统测量方法由于需要在拉索安装加速度传感器,安装位置可能受操作限制可能距离阻尼器或边界条件近影响测试精度。用毫米波雷达可以选择测试拉索任意部位从而提高测试精度。在北京京藏高速一座斜拉桥采用安装加速度的方法测试结果不理想,采用毫米波雷达进行测试进行了对比试验,分别测试拉索不同部位的振动:在距离阻尼器较近的部位能得到拉索的基频,但随着测试部位离开阻尼器的距离越远(向拉索中部逐渐靠近),测试效果越好(见图8)。

图7 毫米波雷达测试索力的优点

图8 毫米波雷达测试拉索(底部安装阻尼器)效果对比图

(2)桥梁静载试验中的应用
峪道河大桥位于京加线,引桥为预应力混凝土连续箱梁(6×30m)。对引桥进行静载试验,引桥静挠度采用百分表和微波雷达分别测量。为了更好的与传统测量技术对比,在测点处安装角反射器,角反射器布置在连续箱梁底面,下图为连续梁采用微波雷达进行静载的现场测试照片,在桥下对各级加载过程进行连续测试。
静载加载过程分为四级加载后一次卸载的方式,在测试过程中雷达法能实时显示整个加载过程中的挠度值。在加载测试过程中能明显发现各级加载后时程曲线呈明显的台阶状分布,选取对应时间点附近稳定波动曲线的平均值作为该级静载的挠度读数。

图9 连续梁桥测试结果对比图

由测试结果对比可知,各级加载挠度最大差值为-0.33mm,最小差值为0.06mm。此外最大加载4级的弹性挠度值两者之间的差值为0.06mm,以百分表的弹性挠度值为基准,相对误差为1%。
峪道河大桥位于京加线,主桥为预应力钢筋混凝土矮塔斜拉桥(30+60+120+60+30m)。对主桥进行静载试验,主桥静挠度采用桥梁挠度仪和微波雷达分别测量。为了更好的与传统测量技术对比,在测点处安装角反射器,角反射器布置在斜拉桥横梁侧面,桥梁挠度仪的靶标安装位置与角反射器位置相同。

图10 斜拉桥静载试验测试照片

峪道河大桥主桥斜拉桥的静载挠度测试采用雷达法和桥梁挠度仪法进行了对比试验。表中雷达测点3#点和4#点为跨中附近对称点,其挠度理论计算值相同,桥梁挠度仪靶标布置在3#测点。

图11 斜拉桥静载试验结果对比

3#测点在4级加载下挠度仪测得的弹性挠度值为70.19mm,对应雷达测点弹性挠度值为70.19mm,两种方法测得的弹性挠度值相同; 3#和4#两对称测点的弹性挠度值相差0.14mm。说明对于大桥的静挠度测量,雷达同样能够获得较好的结果。

(3)桥梁动载试验中应用
采用微波雷达对峪道河大桥主桥(斜拉桥)进行桥梁动态测试,在各测点位置布置角反射器,微变形雷达同时对加劲梁上4个测点进行动挠度测试。利用微波雷达分别对斜拉桥在跑车、制动以及跳车条件下4个测点动挠度进行测试,测点布置见图12,测试结果见图13。

图12挠度测点布置图

图13 桥梁动载试验动挠度测试结果

与传统动挠度仪测试结果相比,微波雷达测试桥梁动挠度同样能得到较为满意的结果,而且微波雷达测试数据较为稳定,受环境影响较小。由于微波雷达在测点处安装的角反射器成本较小,因此角反射器无需取回,可固定于某一测点用于长期监测,因此在桥梁或者其他结构物动态测试中有较大优势。

(4)桥梁科研中的应用
兰州交通大学在2018年进行墩柱的抗震性能的科学实验,需要对墩柱不同高度处的多点动挠度进行测试。本科研试验采用微波雷达进行测试,解决了传统方式难以解决的技术难题,为科研的试验提供了准确的测试数据。微波雷达多点动挠度测量技术在科学研究方面显现出其先进性和广阔的应用前景。

图 14 雷达测点及位移测试结果

图14 桥墩抗震试验现场图

5、毫米波雷达在桥梁监测中的应用

雷达发出的微波呈扇形分布,在一定距离范围内,若有多个测点在扇形区域内即可同时测得各个测点的微变形。基于雷达干涉测量技术的上述特点,可以建立多点同时测量系统,便于结构物检测和监测过程中的多测点数据采集。通过对微波雷达检测仪进一步改进设计、优化硬件组成,对某一区域内的所有重要结构物关键位置安装角反射器,并在结构物附近合适位置安装微波雷达检测仪,实时将结构物的变形监测数据传输至云端数据库,实现技术人员对该区域内所有重要结构物的变形进行集群化管理。

动挠度能综合反映结构的动态响应和动态刚度,通过实时监测关键截面的动挠度变化来评定桥梁承载能力状况,为桥梁管理养护工作提供便利,监测系统如图所示。由于微波雷达测试的是竖向位移时程曲线,通过即时数据处理软件即可得到结构的振动基频,在监测变形的同时也能监测结构的刚度状况。

非接触挠度监测仪(毫米波雷达传感器),适用于桥梁、隧道、地铁、基坑等结构物动位移监测场景。目前已在某城市桥梁健康监测系统中应用,监测桥梁动挠度和基频。

图15 毫米波雷达在实桥的安装图

图16 实桥监测结果图

毫米波雷达应用展望

毫米波雷达检测技术除了在拉索、吊杆索力测试、桥梁静、动载试验、科研应用外,还能够用于结构物多点长期动态监测,在应用过程中与传统仪器相比不仅精度能够满足工程需要,而且还显现出安装操作方便、测试高效、受环境干扰小等优势,因此在其它工程领域也有较为广泛的应用前景。

1、公路边坡地灾、大坝结构变形测量、监测
2、隧道收敛、断面变形测量、监测
3、通过监测拉索动位移研究拉索风雨激振
4、利用车桥耦合振动的理论实现桥梁承载能力快速评定

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