微变形雷达在桥梁检测中的应用

2018-12-7 18:54

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笔者在前面文章中介绍了“一种快速检测拉索索力的新方式——微波雷达”，在朋友圈引起来很大的兴趣。很多朋友咨询微变形雷达仪器设备的相关问题。近两年来笔者针对微变形雷达在桥梁检测中的应用进行了大量的实桥应用 ...

笔者在前面文章中介绍了“一种快速检测拉索索力的新方式——微波雷达”，在朋友圈引起来很大的兴趣。很多朋友咨询微变形雷达仪器设备的相关问题。近两年来笔者针对微变形雷达在桥梁检测中的应用进行了大量的实桥应用研究和比对试验。测试索力只是微变形雷达一个方面的应用，非接触、高精度以及多点同步测量使其在桥梁及结构物的微变形测量中具有强大的功能。微变形雷达在桥梁检测中的应用主要包括（1）拉索或吊杆索力测试测试；（2）桥梁静载试验挠度测试；（3）桥梁自振特性的测试，包括桥梁的振型、自振频率、阻尼比参数的分析；（4）桥梁动态试验动挠度的测试；（5）桥梁结构动挠度影响线的测试。接下来从微变形雷达测试的原理以及在桥梁检测中的五个方面的应用进行介绍。

1.微变形雷达的原理

雷达首先发射天线（TX）馈送微波信号，信号经与目标的相互作用形成后向散射信号，最终被接收天线（RX）接收，经过相关信号与数据处理步骤，即可得到此次测量的一个采样复信号，其中包含了信号强度和观测相位值φ1 。雷达系统持续对辐射场区的目标进行采样，假设第二次采样开始时目标发生了形变Δr，那么雷达得到的第二个采样复信号就包含了相应的信号强度和观测相位值φ2。测试原理结构见图1。

图1 微变形雷达基本原理图

形变相位即为两个观测相位的差值，计算公式为：

观测相位和相位差均被规划至区间 [-π, π) 中，计算角度差时需判断角度所处象限[2] 。为了避免频繁判断角度所处象限，通常利用复数的共轭相乘提取干涉相位，其公式为：

式中，S 为采样复信号；A、φ分别为观测信号的强度和信号。

由于采用了干涉法测量距离的变化，因此，视线上长度变化的测量精度可达0.01～0.1mm。由于地基雷达系统在时间和空间上具有较高分辨率，从其形变监测数据中可提取多个连续分辨单元的形变时间序列，分析其挠度、线形和震动特征。

2.桥梁静载试验挠度测试

对桥梁进行静载试验时，先将仪器置于桥底下面，调整仪器测量方向。在桥梁静载测试控制截面安装角反射器，仪器能测量出其中心到该测点（角反射器）的视线向长度(斜距)Ｒ及该视线向上长度的微小变化r(如图2所示)。要得到该测点在垂直方向的微小变化d，还需要进行必要的变换。为此，需要测量出仪器到桥底面的高度h，然后通过三角形相似关系，将视线向的变化量 r转换到垂直方向的变化量d，（见图2）即：

图2 微变形雷达桥梁测试示意图

静载加载过程分为四级加载后一次卸载的方式，试验过程中分别记录挠度数据为：加载前初读数、1级加载读数、2级加载读数、3级加载读数、4级加载读数以及卸载后读数总共6级读数。由于微变形雷达测试采用连续的方式，测试过程应分别记录在加载过程中6次读数的稳定时间，在测试过程中能实时显示整个加载过程中的挠度值。在后处理过程中结合现场记录的测试加载前、4次分级加载以及卸载的时间结合对雷达测试的挠度时程曲线，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3为北京市某公路桥采用微变形雷达进行静载的现场测试场景图，角反射器布置在连续箱梁底面，在桥底对桥梁静载加载过程进行连续测试。图4为北京市某斜拉桥静载挠度测试角反射器安装图，角反射器安装在斜拉桥主梁横梁外侧。

采用微变形雷达测试连续梁静载挠度时同传统的悬垂法（采用百分表）进行了对比试验，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。两种桥型微变形雷达测试的对比结果见图5和图6，从图中对比数据可以看出微变形雷达精度误差很小。

图3 连续箱梁雷达静载测试现场

图4 某斜拉桥静载试验角反射器的安装图

图５连续梁桥微变形雷达与百分表测试结果对比

图6 斜拉桥微变形雷达与桥梁挠度仪测试结果对比

３.桥梁模态测试

　　桥梁的模态测试主要是利用自然脉动激励桥梁，测量桥梁的响应，分析桥梁的固有模态特性。在桥面无任何交通荷载以及桥址附近无规则振源的情况下，通过高灵敏度动力测试系统测定桥址处风荷载、地脉动、水流等随机荷载激振而引起桥跨结构的微小振动响应，测得结构的自振频率、振型和阻尼比等动力学特征。

　　采用微变形雷达进行测试的原理就是利用微变形雷达对桥梁在脉动条件下对各振动测点（安装角反射器），对测点的微小振动进行测试，分析桥梁结构的固有模态特性（振型、自振频率和阻尼比）。图7为连续梁模态测试测点的布设图，角反射器安装在平面图对应箱梁侧面，调整角反射器的开口方向使其朝向雷达的方向，雷达的测试位置的选择应使各测点在雷达覆盖位置。

图7 某连续梁模态测试角反射器安装平面示意图（单位：cm）

桥梁自振频率的分析是对各测点的挠度时程曲线进行傅里叶变化可以得出，阻尼比可以利用阻尼比分析软件对各测点的阻尼比进行分析。此外，将各测点动挠度测点的时程曲线利用专门的模态分析软件可以同时进行振型、频率以及阻尼比的分析计算。具体分析方法为：首先将微变形雷达测试的挠度时程曲线按照专门模态软件允许的数据格式导入模态分析软件；利用模态分析软件建立桥梁的空间模型；将上图中测点1~测点7对用挠度曲线耦合到桥梁模型对应位置的竖向；最后选择合适的模态分析方法进行模态分析。

4.桥梁动态试验

桥梁的动态试验主要包括跑车、跳车以及制动试验，主要目的是测试动态车辆荷载激励下桥梁结构的动力响应，用于评价桥梁结构的行车性能。利用微变形雷达进行桥梁动态试验就是对桥梁在跑车、跳车、以及制动条件下的动挠度进行测试来评价桥梁结构的行车性能。

微变形雷达测试尤其在桥梁的微小振动测试中具有很大的优势，在桥梁的动载测试中需要对跑车、跳车以及制动试验桥梁结构关键位置（如跨中位置）的动挠度进行测试，从而对桥梁结构在车辆激励下的动力性能进行评价。通过对北京市某简支梁的动载试验采用常规检测方法和微变形雷达分别对桥梁动态性能进行测试。该桥在桥梁跨中位置布设两个微变形雷达角反射器进行测试，分别对跑车和制动工况的跨中动挠度进行测试，微变形雷达测试结果见图8和图9。

图8 车速30km/h跑车试验的跨中动挠度测试曲线

图9 车速20km/h制动试验的跨中动挠度测试曲线

从图8可以看出，车辆在加载车驶入桥梁引起跨中2个测点最大动挠度均在1.0~2.0mm之间，车辆驶出桥梁后动挠度时程曲线恢复至0点附近波动。从图9中可以看出车辆以20km/h的速度驶入桥梁并在跨中紧急制动刹车，在车辆驶入跨中附近时动挠度逐渐增加，并在刹车时动挠度时程曲线波动较大，制动后车辆停在跨中位置时动挠度波动较小，当车辆启动驶出桥面时动挠度逐渐减小并恢复至原位处波动。

此外还对北京市公路某斜拉桥利用微变形雷达进行了桥梁动态测试，桥梁动态测试测点布置见图10，微变形雷达同时对桥梁上4个测点进行动挠度测试。利用微变形雷达分别对斜拉桥在跑车、跳车以及制动条件下4个测点动挠度进行了测试，图11为