黃 僑,王翼超,任 遠(yuǎn),樊梓元,朱志遠(yuǎn)
(東南大學(xué)交通學(xué)院,江蘇 南京 210096)
對(duì)于纜索承重體系橋梁,索力是其重要力學(xué)特性指標(biāo)之一。橋梁結(jié)構(gòu)的剛度變化、邊界約束條件的改變以及超載、船撞等突發(fā)事件,均會(huì)引起索力改變[1-4]。因此,對(duì)于運(yùn)營(yíng)中的纜索承重橋梁,準(zhǔn)確、高效地獲取其索體系(包括懸索橋主纜與吊索、斜拉橋斜拉索)狀態(tài)極為重要,有助于橋梁管理人員及時(shí)掌握全橋的工作狀況。
目前,拉、吊索索力測(cè)量方法主要有油壓表讀數(shù)法、壓力傳感器讀數(shù)法、振動(dòng)頻率法和磁通量法等方法[5-6]。其中,油壓表讀數(shù)法不適用于已建成通車的橋梁[7-8];壓力傳感器無(wú)法加裝于運(yùn)營(yíng)中的橋梁,且傳感器成本較高[9-10];磁通量法前期成本高,尚未能在國(guó)內(nèi)得到大面積推廣[11];振動(dòng)頻率法基于弦振動(dòng)理論,利用橋索的固有振動(dòng)頻率與索力的關(guān)系,通過(guò)傳感器獲取拉索的振動(dòng)信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行頻譜分析,然后計(jì)算得到索的基頻,再換算得到該索的索力,是目前使用最廣泛的索力測(cè)量方法[12]。
目前索力測(cè)量采用的儀器主要為接觸式加速度計(jì),但用于檢測(cè)運(yùn)營(yíng)中的斜拉索存在以下問(wèn)題:檢測(cè)人員每次能檢測(cè)的斜拉索數(shù)量有限,且需要登高設(shè)備輔助,檢測(cè)效率較低;由于橋梁在運(yùn)營(yíng)中,接觸式測(cè)量增加了檢測(cè)人員的安全風(fēng)險(xiǎn);由于檢測(cè)點(diǎn)較低和受斜拉索端部阻尼器影響,接觸式加速度計(jì)的檢測(cè)精度也會(huì)受到影響[13]。
微波干涉雷達(dá)是一種新型的遠(yuǎn)距離無(wú)接觸橋梁動(dòng)態(tài)變形測(cè)量裝置,獲取的數(shù)據(jù)為結(jié)構(gòu)物表面的動(dòng)態(tài)變形值,而非傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置檢測(cè)的結(jié)構(gòu)物加速度信息。IBIS-S微波干涉雷達(dá)系統(tǒng)是由意大利IDS公司與佛羅倫薩大學(xué)共同開(kāi)發(fā)的基于微波干涉測(cè)量技術(shù)的變形監(jiān)測(cè)設(shè)備,近年來(lái),國(guó)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的試驗(yàn),驗(yàn)證了該系統(tǒng)的精確度,并得出該系統(tǒng)在測(cè)量橋梁構(gòu)件振動(dòng)響應(yīng)方面具有較好的適用性,具有非接觸、高精度、動(dòng)態(tài)測(cè)量、不受雨霧天氣影響等特點(diǎn)[14-17]。國(guó)內(nèi)學(xué)者主要將IBIS-S微波干涉雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用于高層建筑及橋梁的變形觀測(cè)領(lǐng)域,對(duì)其在索力測(cè)量領(lǐng)域的研究較少[18-23],且局限在索力測(cè)量可行性的研究,缺少針對(duì)微波干涉雷達(dá)索力測(cè)量方法實(shí)橋應(yīng)用細(xì)節(jié)的系統(tǒng)性研究,沒(méi)有形成微波干涉雷達(dá)索力測(cè)量理論體系和試驗(yàn)方法及索力測(cè)量作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化流程。為此本文提出了一種基于微波干涉雷達(dá)的斜拉索索力測(cè)量方法,并應(yīng)用IBIS-S微波干涉雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)橋斜拉索的索力測(cè)量。
微波干涉雷達(dá)作為一種動(dòng)態(tài)變形測(cè)量裝置,采用了步進(jìn)頻率連續(xù)波(stepped frequency continuous waveform, SFCW)技術(shù)與干涉測(cè)量技術(shù)[20-21],能夠同時(shí)對(duì)距雷達(dá)不同距離的目標(biāo)物體進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。微波干涉雷達(dá)利用SFCW技術(shù)提高雷達(dá)系統(tǒng)的距離分辨率,可檢測(cè)不同目標(biāo)索在雷達(dá)視線上的位置;采用干涉測(cè)量技術(shù),通過(guò)采集目標(biāo)物體反射的電磁回波相位信息分析相位差,得到目標(biāo)索的位移時(shí)程信息。為計(jì)算索力,采用快速傅里葉變換(fast Fourier transform, FFT)對(duì)微波干涉雷達(dá)采集到的各目標(biāo)位移時(shí)程信息進(jìn)行頻譜分析,提取目標(biāo)斜拉索的振動(dòng)基頻,最后根據(jù)振動(dòng)頻率法推算斜拉索索力。
采用SFCW技術(shù)的微波干涉雷達(dá)系統(tǒng)能夠發(fā)射N組頻率以Δf逐組遞增的電磁波。由于微波干涉雷達(dá)的掃頻帶寬(雷達(dá)發(fā)射和接收頻率的范圍)B=(N-1)Δf,SFCW技術(shù)能夠使微波干涉雷達(dá)系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)較大的有效帶寬。微波干涉雷達(dá)的距離分辨率Δr是沿雷達(dá)視線能夠區(qū)分出不同物體的最小間距,計(jì)算公式為
(1)
式中c為真空中的光速。
當(dāng)雷達(dá)掃頻帶寬B越大時(shí),Δr越小,因此SFCW技術(shù)能夠使雷達(dá)系統(tǒng)獲得一個(gè)非常高的距離分辨率,提高區(qū)分雷達(dá)視線上不同物體的能力。
通過(guò)SFCW技術(shù)可得到一個(gè)一維的雷達(dá)圖像輪廓(圖1)。從圖1可以看出,微波干涉雷達(dá)僅擁有一維成像能力。當(dāng)不同目標(biāo)與雷達(dá)距離不同時(shí),雷達(dá)可以單獨(dú)地檢測(cè)到每一個(gè)目標(biāo);若不同目標(biāo)與雷達(dá)距離相同時(shí),即使它們不在同一軸線上,雷達(dá)也無(wú)法進(jìn)行識(shí)別。不同目標(biāo)處于同一距離單元中,將會(huì)引起回波信號(hào)混疊。
圖1 雷達(dá)圖像輪廓Fig.1 Radar image profile
基于干涉測(cè)量技術(shù),微波干涉雷達(dá)可通過(guò)持續(xù)對(duì)觀測(cè)物發(fā)射電磁波來(lái)比較目標(biāo)在不同時(shí)刻反射的電磁波相位信息φ1、φ2,根據(jù)回波相位差可計(jì)算得到目標(biāo)物沿雷達(dá)視線方向的位移d(圖2):
(2)
圖2 干涉測(cè)量原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of interferometric measurement principle
式中λ為電磁波波長(zhǎng)。
振動(dòng)頻率法基于弦振動(dòng)理論,利用斜拉索固有振動(dòng)頻率與索力的關(guān)系,通過(guò)斜拉索的振動(dòng)基頻結(jié)合斜拉索計(jì)算長(zhǎng)度、線密度等計(jì)算斜拉索的索力。弦振動(dòng)理論的動(dòng)力平衡方程為
(3)
式中:EI為斜拉索的抗彎剛度,其中E為斜拉索截面的彈性模量,I為斜拉索截面的慣性矩;y為斜拉索振動(dòng)位移;x為沿斜拉索長(zhǎng)度方向的坐標(biāo);t為時(shí)間;T為實(shí)測(cè)索力;m為斜拉索每延米質(zhì)量。
若斜拉索兩端鉸接,式(3)可簡(jiǎn)化為
(4)
式中:l為斜拉索計(jì)算長(zhǎng)度;fn為斜拉索第n階固有振動(dòng)頻率;n為斜拉索振動(dòng)的階次。式(4)中第1項(xiàng)為理想弦模型下的計(jì)算公式,第2項(xiàng)為斜拉索抗彎剛度影響。若忽略第2項(xiàng)的影響,式(4)將進(jìn)一步簡(jiǎn)化為
(5)
本文設(shè)計(jì)的微波干涉雷達(dá)索力測(cè)量的作業(yè)流程如圖3所示。
圖3 基于微波干涉雷達(dá)的索力測(cè)量作業(yè)流程Fig.3 Operation flow chart of cable force measurement based on microwave interferometric radar
以南京浦儀公路大橋?yàn)槔?,在成橋狀態(tài)且尚未通車的條件下采用IBIS-S微波干涉雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)斜拉索索力進(jìn)行實(shí)橋測(cè)量,并以目前常用的DaspBCF手持索力測(cè)量?jī)x與JMM-268接觸式索力動(dòng)測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的結(jié)果作為對(duì)照,以驗(yàn)證IBIS-S微波干涉雷達(dá)系統(tǒng)索力測(cè)量結(jié)果的可靠性。
南京浦儀公路大橋?yàn)橐蛔p塔鋼結(jié)構(gòu)斜拉橋,結(jié)構(gòu)整體為縱向漂浮體系,主橋跨徑布置為50 m+180 m+500 m+180 m+50 m=960 m。主梁為扁平流線形分幅鋼箱梁結(jié)構(gòu),其上翼緣為正交異性板結(jié)構(gòu),兩幅鋼箱梁采用橫向聯(lián)系橫梁連接,橋梁全寬54.4 m,為目前國(guó)內(nèi)最寬的獨(dú)柱鋼塔斜拉跨江大橋。斜拉索采用1 860 MPa高強(qiáng)度平行鋼絲斜拉索,全橋共64對(duì)斜拉索,按中央雙索面扇形布置,西塔斜拉索布置如圖4所示,邊跨斜拉索由橋塔向過(guò)渡墩依次編號(hào)為B0~B15,中跨斜拉索由橋塔向跨中依次編號(hào)為Z0~Z15。
圖4 浦儀公路大橋斜拉索布置(單位:m)Fig.4 Stay cable layout plan of Puyi Road Bridge (unit: m)
現(xiàn)場(chǎng)采用IBIS-S微波干涉雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行索力測(cè)量。IBIS-S微波干涉雷達(dá)系統(tǒng)由傳感器單元、配套控制電腦以及供電單元三部分組成,采用SFCW技術(shù)通過(guò)發(fā)射多組連續(xù)頻率的電磁波對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行測(cè)量。IBIS-S微波干涉雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)量距離為1 000 m,雷達(dá)波頻段為16.6~16.9 GHz(Ku波段),距離分辨率為0.5 m,動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)精度為0.01 mm,最高采樣頻率為200 Hz。
綜合考慮IBIS-S微波干涉雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備的適用條件,在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中采用了兩種程序,分別采用不同的雷達(dá)架設(shè)位置與發(fā)射仰角。
a.測(cè)量方法一。為在一測(cè)站盡可能覆蓋多根斜拉索,測(cè)量方法一中雷達(dá)架設(shè)在橋面上近橋塔一側(cè)(圖5),以30°的仰角發(fā)射波束。根據(jù)橋梁平面圖進(jìn)行計(jì)算,若將雷達(dá)放置于橋面與橋塔相交位置處,理想狀態(tài)下B0~B8號(hào)斜拉索均能處于單獨(dú)的距離單元中,可一次直接獲得9根斜拉索的動(dòng)態(tài)信息。
圖5 測(cè)量方法一示意圖Fig.5 Schematic diagram of measuring method 1
b.測(cè)量方法二。為避免橋面上欄桿、路燈、監(jiān)控裝置等附屬設(shè)施的干擾,同時(shí)盡量保證采集到每根斜拉索中部動(dòng)態(tài)信息,測(cè)量方法二中雷達(dá)架設(shè)在橋面上目標(biāo)斜拉索的正下方(圖6),采用較大的仰角(70°~80°)向上方發(fā)射波束。
圖6 測(cè)量方法二示意圖Fig.6 Schematic diagram of measuring method 2
在采用上述兩種方法進(jìn)行雷達(dá)采樣時(shí),雷達(dá)由于放置在橋面上,采樣過(guò)程將受到橋梁環(huán)境振動(dòng)的影響。對(duì)于傳統(tǒng)加速度計(jì),由于加速度傳感器綁扎在斜拉索索體上,測(cè)量結(jié)果可有效避免橋梁梁體振動(dòng)的影響。因此,為驗(yàn)證微波干涉雷達(dá)索力測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性,采用DaspBCF手持索力測(cè)量?jī)x與JMM-268接觸式索力動(dòng)測(cè)儀兩種傳統(tǒng)加速度計(jì)進(jìn)行同步測(cè)量(圖7)。
圖7 傳統(tǒng)加速度計(jì)測(cè)量Fig.7 Measure by traditional accelerometer
根據(jù)采樣定理,當(dāng)形變測(cè)量頻率fs遠(yuǎn)高于斜拉索最高振動(dòng)頻率fh時(shí)(即滿足fs≥2fh),采樣樣本中包含原始信號(hào)中的所有信息,采樣樣本可以不失真地還原為斜拉索的原始振動(dòng)信號(hào)。因此測(cè)量中微波干涉雷達(dá)與傳統(tǒng)加速度計(jì)均采用40 Hz的采樣頻率。
2.4.1 數(shù)據(jù)處理流程
對(duì)IBIS-S微波干涉雷達(dá)采集到的信號(hào),采用配套的IBIS_DataViewer軟件并結(jié)合MATLAB平臺(tái)編程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。以14號(hào)測(cè)站為例,該測(cè)站觀測(cè)信號(hào)信噪比見(jiàn)圖8。由于雷達(dá)信號(hào)到達(dá)斜拉索等物體后會(huì)產(chǎn)生散射,在雷達(dá)圖像中產(chǎn)生雷達(dá)回波能量峰值點(diǎn),根據(jù)斜拉索至雷達(dá)的距離,取目標(biāo)斜拉索所在的距離單元進(jìn)行頻譜分析。以西塔南側(cè)B2號(hào)斜拉索為例,該斜拉索對(duì)應(yīng)的距離單元的位移時(shí)程曲線如圖9所示,該位移為斜拉索在雷達(dá)視線方向上的位移投影?;诳焖俑道锶~變換原理對(duì)位移時(shí)域信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,得到B2號(hào)索的頻譜特征,見(jiàn)圖10。
圖8 14號(hào)測(cè)站觀測(cè)信號(hào)信噪比Fig.8 SNR (signal-to-oise ratio) of observation station 14
圖9 B2號(hào)斜拉索雷達(dá)視線方向位移時(shí)程曲線Fig.9 Time history of displacement of Cable B2 in line of radar sight
圖10 B2號(hào)斜拉索頻譜Fig.10 Displacement spectrum of Cable B2
在采用簡(jiǎn)化計(jì)算式(式(5))計(jì)算索力時(shí),長(zhǎng)索采用高階頻率、短索采用低階頻率計(jì)算能夠較大幅度避免斜拉索垂度與抗彎剛度的影響[5]。圖10中B2號(hào)斜拉索各階頻率呈較好的倍數(shù)關(guān)系,因此采用B2號(hào)斜拉索的第6階頻率9.410 Hz計(jì)算得到基頻為1.568 Hz。結(jié)合該斜拉索的線密度51.788 kg/m及計(jì)算長(zhǎng)度90.021 m,代入式(5)即可計(jì)算得到西塔南側(cè)B2號(hào)斜拉索的索力值為4 129.082 kN。
2.4.2 測(cè)量結(jié)果可靠性分析
采用與前述相同的數(shù)據(jù)處理流程對(duì)所有測(cè)站的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算,結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 索力測(cè)量結(jié)果
由表1可見(jiàn),IBIS-S微波干涉雷達(dá)測(cè)得的索力與兩種傳統(tǒng)加速度計(jì)測(cè)得的索力的相對(duì)誤差最大值僅為-2.196%。兩類測(cè)量方法測(cè)得的索力之比(雷達(dá)測(cè)得的索力與加速度計(jì)測(cè)得的索力之比)均值為0.994 7,標(biāo)準(zhǔn)差為0.009 5,離散系數(shù)為0.009 5。兩類測(cè)量方法測(cè)得的索力結(jié)果相近,相對(duì)誤差較小,表明基于微波干涉雷達(dá)的索力測(cè)量方法具有可靠性,能夠滿足斜拉索索力測(cè)量的精度需求。
2.4.3 測(cè)量方法適用性分析
以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的7號(hào)測(cè)站與15號(hào)測(cè)站為例。7號(hào)測(cè)站采用了測(cè)量方法一的測(cè)量程序,雷達(dá)架設(shè)于橋梁縱軸線附近對(duì)西塔南側(cè)索面B5~B11號(hào)斜拉索進(jìn)行測(cè)量;15號(hào)測(cè)站采用測(cè)量方法二的雷達(dá)架設(shè)方案,將雷達(dá)架設(shè)在西塔南側(cè)索面Z0號(hào)斜拉索正下方。兩測(cè)站的雷達(dá)觀測(cè)信號(hào)如圖11與圖12所示。
圖11 7號(hào)測(cè)站雷達(dá)信號(hào)Fig.11 Radar signal of Observation Station 7
圖12 15號(hào)測(cè)站雷達(dá)信號(hào)Fig.12 Radar signal of Observation Station 15
7號(hào)測(cè)站可同時(shí)測(cè)得B6~B10共5根斜拉索的振動(dòng)基頻,15號(hào)測(cè)站可同時(shí)測(cè)得Z2~Z11共10根斜拉索的振動(dòng)基頻,根據(jù)振動(dòng)頻率法計(jì)算的各斜拉索索力見(jiàn)表1。從測(cè)量結(jié)果可知,對(duì)于微波干涉雷達(dá)索力測(cè)量方法,不同的雷達(dá)架設(shè)位置并不影響斜拉索振動(dòng)基頻與索力的測(cè)量精度,兩種測(cè)量方法均能充分發(fā)揮微波干涉雷達(dá)測(cè)量高效率、高精度的特點(diǎn)。
但相比測(cè)量方法二,測(cè)量方法一的雷達(dá)架設(shè)方式存在以下缺點(diǎn):
a.雷達(dá)視野內(nèi)存在較多橋上附屬設(shè)施,如路燈、護(hù)欄、監(jiān)控設(shè)備等。這些附屬設(shè)施同樣會(huì)散射雷達(dá)波,斜拉索的信號(hào)易被“淹沒(méi)”在噪聲之中。圖11中,B5和B6號(hào)斜拉索對(duì)應(yīng)的兩個(gè)距離單元間存在一處較大噪聲;隨距離增加,斜拉索散射回的信號(hào)能量衰減,B10號(hào)斜拉索所在的距離單元后斜拉索的信號(hào)強(qiáng)度與噪聲信號(hào)強(qiáng)度相當(dāng),斜拉索信號(hào)逐漸淹沒(méi)在欄桿、路燈等產(chǎn)生的噪聲中,導(dǎo)致區(qū)分困難。
b.由于IBIS-S微波干涉雷達(dá)自身距離分辨率限制,目標(biāo)斜拉索所在的距離單元內(nèi)易出現(xiàn)路燈、監(jiān)控?cái)z像頭等其他物體,導(dǎo)致位移信息混淆,難以直接提取斜拉索的振動(dòng)特性。如圖13所示,7號(hào)測(cè)站中B5號(hào)斜拉索所在的第41號(hào)距離單元產(chǎn)生了斜拉索與燈桿的混疊信號(hào),無(wú)法從頻譜圖中直接提取B5號(hào)斜拉索的基頻。為避免此情況,測(cè)量方法一在測(cè)量前往往需要花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行內(nèi)業(yè)計(jì)算,以保證盡可能多的斜拉索位于單獨(dú)的距離單元中。
圖13 7號(hào)測(cè)站第41號(hào)距離單元頻譜Fig.13 Displacement spectrum of Range Bin 41 at Station 7
測(cè)量方法二采取自下向上的測(cè)量方法能有效避免上述弊端,雷達(dá)視野內(nèi)僅存在待測(cè)斜拉索與極少數(shù)路燈,有利于獲得波峰突出、噪聲較小的雷達(dá)圖像(圖12),斜拉索所在距離單元更容易判斷,且一次可測(cè)得的斜拉索數(shù)量往往多于測(cè)量方法一。測(cè)量方法二能在大幅提高測(cè)量效率的同時(shí)有效避免雷達(dá)信號(hào)混疊,在實(shí)橋測(cè)量中具有更好的實(shí)用價(jià)值。
綜上所述,基于微波干涉雷達(dá)的斜拉索索力測(cè)量結(jié)果具有可靠性,自下向上的測(cè)量方法具有更好的適用性。此外,在實(shí)橋測(cè)量中,相比傳統(tǒng)接觸式測(cè)量方法,雷達(dá)索力測(cè)量方法具有以下優(yōu)點(diǎn):
a.節(jié)省人力成本,設(shè)備要求量少。全橋斜拉索測(cè)量?jī)H需1臺(tái)微波干涉雷達(dá),1或2名工作人員即可完成測(cè)量工作。
b.測(cè)量速度快,效率高,安全便捷。無(wú)需在索體上加裝傳感器、電磁波反射裝置以及布置專門測(cè)點(diǎn),每個(gè)測(cè)站安裝雷達(dá)僅需2 min,1臺(tái)雷達(dá)可同時(shí)對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。無(wú)須攀高設(shè)備輔助,大幅度降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。
c.不干擾交通,適用于各種情況下的橋梁[24]。對(duì)于運(yùn)營(yíng)中的公路橋梁或封閉的鐵路橋梁,可在人行道、非機(jī)動(dòng)車道、橋塔處或橋下架設(shè)微波干涉雷達(dá)測(cè)量拉索的面外振動(dòng)。對(duì)于施工或剛建成未通車的橋梁可在橋上架設(shè)雷達(dá),不論霧天、雨天均能正常開(kāi)展測(cè)量工作。
當(dāng)前微波干涉雷達(dá)索力測(cè)量方法仍存在著一些不足,如對(duì)于雙索面均位于橋梁軸線的橋梁或雙斜拉索橋梁,微波干涉雷達(dá)受限于距離分辨率,測(cè)量效果尚不理想,需開(kāi)展進(jìn)一步的研究探索。
a.微波干涉雷達(dá)可同時(shí)測(cè)量多根斜拉索的動(dòng)態(tài)響應(yīng),是一種非接觸的、精度可靠且高效率的索力測(cè)量方法,且安裝快捷,能夠大幅提高現(xiàn)場(chǎng)索力測(cè)量的工作效率。
b.雷達(dá)架設(shè)位置會(huì)直接影響現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量效果。在斜拉索下方架設(shè)雷達(dá)能有效規(guī)避橋面護(hù)欄與燈柱的影響。斜拉索在雷達(dá)視線方向上的間隔明顯,不僅可以方便判斷斜拉索編號(hào),還能保證滿足雷達(dá)距離分辨率要求,避免斜拉索之間產(chǎn)生信號(hào)混疊。
c.雷達(dá)波發(fā)射仰角對(duì)測(cè)量效果有一定影響。在橋面上以較大仰角發(fā)射雷達(dá)波束的方法相比以較小仰角發(fā)射雷達(dá)波束的方法更能有效規(guī)避橋上附屬設(shè)施等“噪聲”的影響,便于采集斜拉索中部的振動(dòng)信息。