程 斌， 林賢光

(武漢城市職業(yè)學(xué)院， 湖北 武漢 430064)

0 引言

斜拉索是斜拉橋的重要組成部分，也是斜拉橋的主要承載部件。斜拉橋在運(yùn)營期間由于拉索錨固區(qū)應(yīng)力高度集中、環(huán)境引起拉索腐蝕以及振動等問題會引起索力的變化，如果索力變化過大會影響到斜拉橋受力的合理性和結(jié)構(gòu)的安全性，所以及時對斜拉橋的索力進(jìn)行測量是關(guān)系到在役斜拉橋能否正常運(yùn)營和進(jìn)行健康監(jiān)測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。

拉索索力的測量是工程界的一個難題，對索力的測量是國內(nèi)外橋梁領(lǐng)域廣泛重視的一項研究課題。目前比較常用的方法有壓力表、壓力傳感器、磁通量、振動頻率等測定法。在這些方法中，壓力表測量法簡單易行，但不適宜成橋后的測量；壓力傳感器測定法測量的索力值具有一定局限性，它只能代表索頭的張力，不能代表整索的實際索力值；磁通量測定法在國外使用較廣泛，國內(nèi)應(yīng)用較少，必須在拉索中安裝磁通量傳感器才能進(jìn)行拉索索力測試；振動頻率測定法是常用的方法，將加速度計固定在拉索的底端位置處，通過測量拉索振動的加速度信息來獲得振動頻率信息，該方法主要問題有： ① 接觸式、單條拉索測量，效率低下； ② 測量位置在拉索底部，而不在測量最準(zhǔn)確的拉索中間位置，所以測量值不準(zhǔn)確； ③ 長時間加速度計測量將存在受溫漂影響而產(chǎn)生較大偏置現(xiàn)象。

1 微變形雷達(dá)工作原理

基于微波干涉的索力遙感測量技術(shù)是一種全新索力測量技術(shù)，它結(jié)合了寬帶信號脈沖壓縮、相位干涉測量，目標(biāo)檢測和基頻提取等技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對索力的遠(yuǎn)程遙感測量，測試數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，受環(huán)境影響較小[2]。

微變形雷達(dá)是一種基于干涉測量技術(shù)實現(xiàn)斜拉橋、懸索橋和吊桿拱橋等線纜體系橋梁拉索、吊桿受力狀態(tài)檢測的設(shè)備。另外，該設(shè)備在做好抗風(fēng)和保護(hù)裝置條件下，可用于測量拉索在大風(fēng)、大雨條件下拉索振動位移。由于微變形雷達(dá)采用非接觸式測量，不需要在拉索上安裝任何輔助設(shè)施，檢測效率得到了極大提高，同時可以實現(xiàn)多達(dá)10根以上拉索索力的測量；可以在進(jìn)行索力振動測試的同時得出拉索的振動位移，這對于拉索較長的拉索風(fēng)、雨振的研究有一定價值。

微變形雷達(dá)主要由腳架、電腦控制單元、能量供應(yīng)單元及雷達(dá)控制單元等組成，雷達(dá)控制單元安裝在配備有3D旋轉(zhuǎn)頭的三腳架上，以確保調(diào)節(jié)雷達(dá)監(jiān)測方向，同時雷達(dá)單元配備有兩個用于傳輸和接收電磁波信號的喇叭天線[3]。設(shè)備與測量對象有一定距離，發(fā)射微波信號，通過反射接收后的信號計算相位，以2次發(fā)射相位差測量拉索或吊桿的振動位移[4]，測試原理見圖1。

圖1 測試原理圖

圖1中d為兩次測量間目標(biāo)在雷達(dá)視線上的位移量，可用式(1)計算求得。

(1)

式中：λ為雷達(dá)工作波長；φ1為第一次目標(biāo)測量相位；φ2為第二次測量相位。

通過雷達(dá)波的相位差對目標(biāo)物位移進(jìn)行精確測量，得到斜拉索位移的時程曲線，對測試位移時程曲線進(jìn)行傅里葉變換得出拉索振動頻率X(fd)：

(2)

式中:T為形變觀測時間，T與頻率分辨率fd成反比，測量慢速基頻需要更長的觀測時間，這一點(diǎn)與常規(guī)振動傳感器要求一致。

利用微變形雷達(dá)測試的頻率可以測定索力，測試場景見圖2。雷達(dá)發(fā)出的微波呈扇形分布，在一定距離范圍，若有多個測點(diǎn)在扇形區(qū)域內(nèi)即可同時測得多根拉索索力，多根拉索同時測試見圖3。

圖2 測試場景

圖3 多根拉索同時測試

首先從“1”位置開始測量，根據(jù)測量有效索數(shù)量，記錄編號；測量完后，將設(shè)備移動到最后1根有效索末端，進(jìn)行下次測量，記錄編號，以此類推，確定每次測量對應(yīng)拉索編號。

斜拉橋的每1根索通常長幾十米乃至上百米，索的一端與橋塔固結(jié)，另一端則連接橋面。盡管每根索都由多根鋼絲或鋼絞線制作，但相對于整個索的長度及它所承擔(dān)的張力，可近似看作兩端固結(jié)、而自重又可忽略不計的理想拉弦形式。根據(jù)柔韌弦振動理論，可得出相應(yīng)無阻尼自由振動方程：

(3)

式中:u(x，t)為索上各點(diǎn)在時刻t的橫向位移；ρ為索的線密度；T為索內(nèi)拉力。

由式(3)可以得到索力與頻率之間的關(guān)系：

(4)

式中:l為斜拉索的計算長度；fn為第n階固有頻率；n為為振動階次；f1為基頻，通常利用頻譜圖中相鄰兩諧振峰之間的頻率差求得基頻。

根據(jù)拉索索力測定原理，確定索力的方法與拉索約束條件等有關(guān)。對于短索來說,受邊界條件以及安裝在拉索上的阻尼器影響，短索頻率測試相對較為困難，但采取適當(dāng)技術(shù)手段還是能夠準(zhǔn)確測試?yán)黝l率。如采用傳統(tǒng)的振動測試方法往往需要進(jìn)行激勵才能準(zhǔn)確測試頻率。采用微變形雷達(dá)測試?yán)骺梢源┩缸o(hù)套，直接遇鋼拉索進(jìn)行反射，無需對拉索進(jìn)行激勵即可準(zhǔn)確測試?yán)黝l率[5]。

2 索力測量有效性判定

由于雷達(dá)技術(shù)為非接觸測量，在實際索力測量過程中，如何判斷測量數(shù)據(jù)的有效性，拉索是否漏測，可根據(jù)雷達(dá)回波“距離-幅度”圖來判斷有多少根拉索測量數(shù)據(jù)有效，距離-幅度圖見圖4。

圖4 距離-幅度圖

有效測量拉索判斷：每個波峰是一根拉索回波，當(dāng)幅度超過20，或明顯比其它雜波能量更強(qiáng)時，可判別為有效索，圖5距離-幅度分析圖顯示了一次測量5根有效拉索。

圖5 距離-幅度分析圖

漏索判斷：如圖5中每2根有效拉索波峰之間的距離基本上等分布(大多數(shù)情況下斜拉橋靠近橋塔位置前幾根拉索間距會大點(diǎn)，不代表所有場合)，如果S1、S2、S3、S4相差較大，根據(jù)現(xiàn)場拉索實際分布情況，即可判斷是否漏索。

3 微變形雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)

系統(tǒng)主要包括微變形雷拉索位移采集、基于WiFi/4G技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸、PC端數(shù)據(jù)處理分析幾個部分。具有較大帶寬，可實現(xiàn)較高距離分辨率；具有很好的環(huán)境適應(yīng)性，不受光照影響，在雨、雪、霧等惡劣氣候下全天候工作。通過微波干涉技術(shù)測量拉索變形，并將所有測點(diǎn)初始值和變形值通過無線WiFi實時傳輸至PC端，在PC端提前設(shè)置好數(shù)據(jù)文檔格式，數(shù)據(jù)處理分析程序?qū)崟r顯示各目標(biāo)實測變形值及索力值。

4 工程應(yīng)用

4.1 測點(diǎn)布設(shè)

某雙塔雙索面矮塔斜拉橋為總計有60根拉索，拉索理論長度在11～66m，最短索長11.81m，拉索分布見圖6。采用傳統(tǒng)振動測試法和雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行索力測試來驗證雷達(dá)索力測試的精度，尋找合適位置安放雷達(dá)，使雷達(dá)安放穩(wěn)固，雷達(dá)發(fā)射波束組成的平面應(yīng)盡量與待測所有斜拉索基本垂直；初步觀察雷達(dá)反射波形，斜拉索反射的雷達(dá)回波與環(huán)境反射的雷達(dá)回波波形區(qū)別明顯，雷達(dá)本身具有測距功能，可以通過距離遠(yuǎn)近數(shù)據(jù)判斷每個雷達(dá)波形峰值依次對應(yīng)由遠(yuǎn)而近的每根斜拉索，測量斜拉索到雷達(dá)的距離來進(jìn)一步確認(rèn)每根斜拉索對應(yīng)的信號數(shù)據(jù)[6]，現(xiàn)場測試見圖7。

圖6 拉索分布

圖7 現(xiàn)場測試圖

4.2 對比分析

振動測試法(傳統(tǒng)云智慧設(shè)備)和雷達(dá)技術(shù)測試法頻率對比見表1。

表1 基頻對比結(jié)果表拉索編號傳統(tǒng)云智慧/Hz雷達(dá)/Hz兩種方法偏差/%拉索編號傳統(tǒng)云智慧/Hz雷達(dá)/Hz兩種方法偏差/%L12.255 852.182 2733.26R12.255 852.258 600.12L22.460 932.472 2250.46R22.460 932.456 960.16L32.597 652.571 4201.01R32.734 372.685 871.77L42.871 092.807 9602.20R42.871 092.785 073.00L53.076 173.052 1000.78R53.144 533.128 400.51L63.076 173.090 3000.46R63.007 813.059 761.73L73.349 603.342 1000.22R73.417 963.372 601.33L83.828 123.868 6001.06R83.828 123.784 601.14L94.580 074.570 6000.21R94.511 714.524 800.29L105.673 825.699 8500.46R105.537 105.684 602.66L116.562 506.562 1000.01R116.562 506.554 400.12L126.835 936.653 6002.67R126.630 856.607 900.35L135.947 265.928 8000.31R135.742 185.821 901.39L144.648 434.601 1001.02R144.648 434.593 501.18L153.828 123.807 500 0.54R153.828 123.792 270.94L163.417 963.342 0802.22R163.466 793.471 800.14L173.076 173.059 8000.53R172.929 682.983 461.84L183.076 173.052 0000.79R183.222 653.136 062.69L192.832 032.869 0001.31R192.734 372.724 030.38L202.587 892.586 6800.05R202.685 542.678 240.27L212.441 402.411 1831.24R212.441 402.441 700.01L222.246 092.266 2000.90R222.294 922.266 211.25L234.882 814.852 9000.61R234.785 154.746 100.82L245.664 065.730 4001.17R245.566 405.600 700.62L257.031 257.004 6000.38R256.933 596.920 700.19L269.375 009.537 9001.74R269.375 009.309 000.70L278.984 379.141 1001.74R278.984 379.110 601.40L286.542 966.577 3000.52R286.738 286.615 501.82L295.517 575.524 4000.12R295.468 755.509 100.74L304.882 814.860 5000.46R304.882 814.860 500.46

2種測量結(jié)果對比統(tǒng)計：

①偏差<1%為35根，占比58.34%；②偏差≥1%且<2%為18根，占比30%；③偏差≥2%且<3%為5根，占比8.33%；④偏差≥3%且<4%為2根，占比3.33%。

2種方法最大偏差為3.26%，2%以下的總計有53根拉索，占比接近90%，表明2種測試方法結(jié)果準(zhǔn)確，一致性較好。所以，使用微波索力檢測儀測量拉索受力數(shù)據(jù)可信。

5 結(jié)語

研究了微變形雷達(dá)系統(tǒng)基本原理和索力測定方法，通過對具體斜拉橋索力進(jìn)行對比性檢測，探究了微波雷達(dá)檢測性能及適用性，主要得到如下結(jié)論：

1) 微變形雷達(dá)檢測技術(shù)具有亞毫米級的位移精度，可應(yīng)用于斜拉橋索力檢測，數(shù)據(jù)精確可信，具有單臺設(shè)備可同時動態(tài)測量多個目標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)。

2) 微變形雷達(dá)可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、無接觸直接獲得實時位移數(shù)據(jù)，并且能夠有效消除檢測現(xiàn)場外界因素干擾，可實現(xiàn)全天候測量，不受光線、大霧、灰塵、大雨等環(huán)境影響。具有傳統(tǒng)檢測設(shè)備不具備的優(yōu)勢，有較強(qiáng)的實用推廣價值。