湯振蘇 鄭七振 吳華勇 賈鵬飛
摘 要:針對(duì)傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測方式復(fù)雜且效率低等問題,本文闡述了IBIS-S系統(tǒng)的基本測量原理,介紹了雷達(dá)監(jiān)測的兩種關(guān)鍵技術(shù),與傳統(tǒng)的變形監(jiān)測手段相比,IBIS-S更具效率高、測量距離遠(yuǎn)、精確度高等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)了微變形系統(tǒng)以驗(yàn)證IBIS-S系統(tǒng)的精確性,試驗(yàn)分析表明IBIS-S的精確度較高,誤差較小,在監(jiān)測條件良好的情況下僅為5%;通過該雷達(dá)對(duì)某地鐵橋梁的實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)測,分析獲得的橋梁時(shí)序變形數(shù)據(jù),結(jié)果表明IBIS-S系統(tǒng)對(duì)橋梁動(dòng)態(tài)監(jiān)測的有效性。
關(guān)鍵詞:IBIS-S系統(tǒng);微變形監(jiān)測;精確度;橋梁監(jiān)測
中圖分類號(hào):P258? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào):1006—7973(2021)10-0155-03
地基干涉雷達(dá)測量是一種無接觸的具有高精度、測量距離遠(yuǎn)、效率高的一種新興的無損遙感技術(shù),目前正處于核心技術(shù)優(yōu)化,工程的變形監(jiān)測推廣階段[1]。目前,國內(nèi)外學(xué)者都對(duì)IBIS-S進(jìn)行了相關(guān)研究。刁建鵬等[2]使用了地基干涉雷達(dá)技術(shù)對(duì)中央電視臺(tái)發(fā)射塔進(jìn)行了變形監(jiān)測實(shí)驗(yàn); Sofi M[3]等使用IBIS-S對(duì)一座人行天橋進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測,并與加速度傳感器進(jìn)行比較,得出了兩種測量方式高度一致性結(jié)果。
本文使用IBIS-S系統(tǒng)與設(shè)計(jì)的微變形系統(tǒng)進(jìn)行變形對(duì)比,驗(yàn)證該雷達(dá)系統(tǒng)的精度,在室內(nèi)監(jiān)測情況下其相對(duì)誤差僅為5%;最后通過IBIS-S系統(tǒng)對(duì)上海某一地鐵橋梁的振動(dòng)測試,驗(yàn)證IBIS-S系統(tǒng)對(duì)橋梁動(dòng)態(tài)振動(dòng)監(jiān)測的有效性。
1 IBIS-S系統(tǒng)與基本原理介紹
IBIS-S系統(tǒng)(圖1所示)是由意大利IDS公司和佛倫倫薩大學(xué)經(jīng)過六年合作的成果[4],該系統(tǒng)主要監(jiān)測分析建筑物或者橋梁上每一點(diǎn)的變形振動(dòng)情況。
IBIS-S系統(tǒng)主要使用了兩種雷達(dá)技術(shù)來獲取建筑物的變形信息。步進(jìn)頻率波技術(shù)為IBIS-S系統(tǒng)提供了很高的距離分辨率,其距離向分辨率為0.5m[5],即每隔0.5m雷達(dá)就可獲得一個(gè)測量點(diǎn)的變形數(shù)據(jù)。干涉測量技術(shù)通過獲取雷達(dá)反射波的相位差求得物體的位移變化,其精度可達(dá)0.01mm。
1.1步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)
IBIS-S系統(tǒng)通過步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)能夠一段時(shí)間內(nèi)發(fā)射n組步進(jìn)頻率為的電磁波,這些電磁波是有規(guī)律地進(jìn)行階梯變化的雷達(dá)信號(hào),如圖2所示。雷達(dá)的距離分辨率R和帶寬B的關(guān)系如下式[6]:
由式(1)可得,距離分辨率僅僅與帶寬B有關(guān),其中C為光速。IBIS-S系統(tǒng)采用的系統(tǒng)帶寬0.3GHZ,由式(1)可得雷達(dá)的距離分辨率為0.5m。
1.2干涉測量技術(shù)
干涉測量技術(shù)是通過獲得不同時(shí)間內(nèi)的反射波的相位差異來獲取物體的位移,如圖3。雷達(dá)發(fā)射電磁波,在電磁波的傳播方向上由電磁波相位差獲取的物體位移為d。
將式子(3)和式子(4)帶入式子(2)可得d=0.000068mm,理論上精度為萬分之一毫米。但是由于實(shí)際情況,這個(gè)精度在觀測條件良好的情況下,監(jiān)測精度可達(dá)0.01mm。
2 IBIS-S與微變形系統(tǒng)的精度對(duì)比試驗(yàn)
為了驗(yàn)證IBIS-S的靜態(tài)精度,試驗(yàn)采用IBIS-S和微變形系統(tǒng)真值進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)的目標(biāo)為安裝有角反射器的微分頭微變形系統(tǒng),調(diào)節(jié)微分頭將IBIS-S監(jiān)測數(shù)據(jù)與微變形系統(tǒng)的真值進(jìn)行對(duì)比,現(xiàn)場試驗(yàn)布置如圖4所示。
實(shí)驗(yàn)中將微變形系統(tǒng)作為變形體,微變形表座的刻度為一圈50格,每格為0.01mm,即精度為0.01mm。本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了0.5mm、0.01mm兩種精度對(duì)比方案。
第一次試驗(yàn),向靠近雷達(dá)的方向調(diào)節(jié)角反射器移動(dòng)0.5mm共三次,最后退回調(diào)節(jié)前的位置。如圖5所示,角反射器經(jīng)過三次0.5mm移動(dòng)后,位移線在-0.5mm、-1mm和-1.5處波動(dòng),最后回到了原始位置處,雷達(dá)獲得的數(shù)據(jù)光滑平穩(wěn)。
第二次精度對(duì)比試驗(yàn)中角反射器先向雷達(dá)靠近0.01mm。使用真值變形量0.01mm與雷達(dá)的監(jiān)測變形量對(duì)比。由圖6可以看出,雷達(dá)測得的位移數(shù)據(jù)在-0.01mm處波動(dòng),其平均值為-0.0095mm,與真值的絕對(duì)誤差為0.0005mm,相對(duì)誤差僅為5%。
綜上所述,本次試驗(yàn)驗(yàn)證了雷達(dá)系統(tǒng)的精確度,該雷達(dá)系統(tǒng)的精度達(dá)到了亞毫米級(jí)別,能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測物體的微小位移。
3 IBIS-S的橋梁動(dòng)態(tài)監(jiān)測試驗(yàn)
3.1試驗(yàn)條件和數(shù)據(jù)采集
2020年9月27日,試驗(yàn)的對(duì)象為上海市某一地鐵橋梁,橋梁的跨度約75m,高度約19m的三跨連續(xù)梁。本次試驗(yàn)的設(shè)備垂直放置于橋梁1/4跨的底部(如圖8),雷達(dá)垂直照射梁底,雷達(dá)到測點(diǎn)的距離為18.35m。雷達(dá)設(shè)置的最大測量距離為25m,采樣頻率為98HZ,一共采集時(shí)間約11分鐘。
3.2結(jié)果分析
3.2.1變形分析
本次試驗(yàn)觀測D1號(hào)墩柱和D2號(hào)墩柱之間梁1/4跨處點(diǎn)的動(dòng)態(tài)位移(如圖8)。觀測到了兩班列車通過,第一列車由西向東行駛,第二輛列車由東向西行駛,從圖9可以看出,310s之前,D1和D2之間梁處于自由微振動(dòng)的狀態(tài),可以很好地說明雷達(dá)的精度。從310s到335s之間車輛向東行駛,列車先進(jìn)入D1柱和D2柱間,由于車重力,所以梁先下凹,當(dāng)經(jīng)過D2柱時(shí),由于連續(xù)梁D1和D2間梁體上凸,列車經(jīng)過D3柱,梁體再次下凹并恢復(fù)原有狀態(tài),四十秒后,另一列車由西向東行駛,變形的模式與前述模式相反,二者的變形模式與連續(xù)梁的位移影響線[7]相吻合。
3.2.2頻率分析
使用脈動(dòng)法對(duì)橋梁進(jìn)行振動(dòng)特性識(shí)別。由圖9可知,在310s之前,沒有車輛荷載的影響,橋梁由于周邊環(huán)境(大地脈動(dòng)、風(fēng)載)等隨機(jī)激勵(lì)而引起微幅振動(dòng)響應(yīng),此時(shí)的振動(dòng)變形經(jīng)過頻譜分析可得橋梁的自振頻率,如圖10所示。
當(dāng)有列車通過時(shí),橋梁在列車荷載的激勵(lì)下,便會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)[8],該振動(dòng)與橋梁的自身屬性有關(guān)。同時(shí),也可以用車輛余振法[9]獲得橋梁的自振頻率。如圖11所示,對(duì)330~460s的時(shí)間余振數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到的頻譜與脈動(dòng)法是幾乎一致的。
在圖9中可以看出,橋梁在314~330s經(jīng)歷了較大的振動(dòng),歷時(shí)約16s。列車的時(shí)速約80km/h,在16s內(nèi)列車前進(jìn)了355m,而該距離正好約等于該列車的長度和三跨連續(xù)梁的和。因此,該段時(shí)間為列車車頭進(jìn)入第一跨到車尾離開第三跨的時(shí)間。橋梁的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率為列車經(jīng)過車廂長度(23.54m)所需的時(shí)間的倒數(shù)[10],頻率為f=v/l 。列車速度為80km/h時(shí),從而可得強(qiáng)迫振動(dòng)頻率0.94Hz,這與圖12的試驗(yàn)結(jié)果(0.76Hz)相似。
綜上,IBIS-S雷達(dá)可以對(duì)橋梁振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行有效的檢測。
4結(jié)語
本文研究了IBIS-S雷達(dá)系統(tǒng)的基本原理,該系統(tǒng)的步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)、干涉測量的關(guān)鍵技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)的微變形監(jiān)測。采用IBIS-S系統(tǒng)對(duì)微變形系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測對(duì)比表明該雷達(dá)系統(tǒng)具有精確度高、穩(wěn)定性好、效率高等巨大優(yōu)點(diǎn)。IBIS-S系統(tǒng)不僅能對(duì)橋的位移影響線進(jìn)行監(jiān)測,也能獲得橋梁的模態(tài)參數(shù),更有利于對(duì)橋梁健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。
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