高層建筑動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中微波干涉測(cè)量的應(yīng)用

桂芳茹

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川德陽 618000)

高層建筑動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中微波干涉測(cè)量的應(yīng)用

桂芳茹

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川德陽 618000)

基于微波干涉測(cè)量技術(shù)(ISBS-S技術(shù))的雷達(dá)系統(tǒng)具有可實(shí)現(xiàn)整體監(jiān)測(cè)、采樣頻率高、精度高、非接觸式測(cè)量等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)建(構(gòu))筑物的動(dòng)態(tài)特性中。微波干涉測(cè)量技術(shù)的測(cè)量精度明顯要高于GPS技術(shù)。文章首先闡述了微波干涉測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)，其次，分析了ISBS-S技術(shù)的理論測(cè)量精度與實(shí)際測(cè)量精度，并且以A高層建筑為例進(jìn)行實(shí)例分析，得出結(jié)論：①高層建筑動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中微波干涉測(cè)量的應(yīng)用是可行的，能夠有效監(jiān)測(cè)高層建筑的自振特性。②將微波干涉測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到高層建筑的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中，可快速獲取高精度的變形數(shù)據(jù)，對(duì)于動(dòng)態(tài)評(píng)估高層建筑的整體安全狀態(tài)是極為有效的。

高層建筑；動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；微波干涉測(cè)量；應(yīng)用

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，各地高層建筑工程項(xiàng)目日益增多，且高層建筑的結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜、高度日益增加，社會(huì)各界越來越重視高層建筑的安全性[1]。高層建筑在風(fēng)荷載、雪荷載、地震等的作用下較易出現(xiàn)變形的情況，不僅有可能會(huì)對(duì)高層建筑的使用功能造成影響，甚至還有可能會(huì)讓高層建筑結(jié)構(gòu)性能埋下較多的安全隱患，所以，很有必要?jiǎng)討B(tài)監(jiān)測(cè)高層建筑的動(dòng)態(tài)特性(振幅、振動(dòng)頻率等)，以便能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)高層建筑結(jié)構(gòu)中的損傷之處，確保高層建筑能夠健康、穩(wěn)定、安全運(yùn)行[2]。

基于微波干涉測(cè)量技術(shù)(ISBS-S技術(shù))的雷達(dá)系統(tǒng)具有可實(shí)現(xiàn)整體監(jiān)測(cè)、采樣頻率高、精度高、非接觸式測(cè)量等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)建(構(gòu))筑物的動(dòng)態(tài)特性中。黃聲享、羅力、何超等(2012)利用“基于微波干涉測(cè)量技術(shù)的雷達(dá)系統(tǒng)”來開展高層建筑的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，精確地得出了振動(dòng)頻率與振動(dòng)幅度[3]。李兆霞、李愛群等(2013)在動(dòng)態(tài)測(cè)量陽邏長江大橋(湖北武漢市)的動(dòng)撓度時(shí)，分別對(duì)比分析了微波干涉測(cè)量技術(shù)與GPS技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，得出結(jié)論：微波干涉測(cè)量技術(shù)的測(cè)量精度明顯要高于GPS技術(shù)[4]。本文就高層建筑動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中微波干涉測(cè)量的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 微波干涉測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)介

近景攝影測(cè)量技術(shù)、加速度傳感器法、全站儀法、激光鉛直儀法均是建筑工程上較為常見的監(jiān)測(cè)技術(shù)，但是它們的自動(dòng)化程度較低、精度不高而不適合應(yīng)用于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)因具有測(cè)量精度高、全天候測(cè)量、快速測(cè)量、自動(dòng)化測(cè)量等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用到對(duì)高聳結(jié)構(gòu)物的動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行監(jiān)測(cè)。但是GPS所測(cè)得的數(shù)據(jù)中具有較大的多路徑效應(yīng)誤差與隨機(jī)噪聲，較難分析數(shù)據(jù)，而微波干涉測(cè)量技術(shù)(ISBS-S技術(shù))可有效彌補(bǔ)GPS技術(shù)之不足[5]。

微波干涉測(cè)量技術(shù)(ISBS-S技術(shù))是一種應(yīng)用較為廣泛的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，集成了Interferometry技術(shù)(干涉測(cè)量技術(shù))與SF-CW技術(shù)(步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù))。微波干涉測(cè)量技術(shù)(ISBS-S技術(shù))由意大利佛羅倫薩大學(xué)與意大利IDS公司通過6年的艱苦努力得出的科研成果，具有較多的應(yīng)用特點(diǎn)：第一，ISBS-S技術(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)標(biāo)稱精度為0.01mm；第二，ISBS-S技術(shù)的距離分辨率為50cm，最大的測(cè)量距離可以達(dá)到1000m；第三，ISBS-S技術(shù)的處理能力、控制能力較強(qiáng)，且易于操作人員進(jìn)行操作；第四，ISBS-S技術(shù)的最高采樣頻率為200Hz，且易于安裝；第五，ISBS-S技術(shù)不太容易受到天氣的影響，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)24h實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[6]。

1.1步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)

SF-CW技術(shù)(步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù))是系統(tǒng)在統(tǒng)一時(shí)間內(nèi)向外發(fā)射出n個(gè)電磁波，且發(fā)射的步進(jìn)頻率各不相同。SF-CW技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)長距離傳輸電磁波的功效，并且還能夠讓距離向分辨率Δr達(dá)到最高值，Δr的計(jì)算公式如公式(1)所示。

Δr=c/2B

(1)

其中，B——系統(tǒng)的帶寬，c——光速。

通常而言，B=0.3G Hz，則其距離分辨率Δr=0.5m。

1.2干涉測(cè)量技術(shù)

干涉測(cè)量技術(shù)的工作原理為：目標(biāo)位移的變化情況是通過對(duì)接收的電磁波與發(fā)射的電磁波之間的相位差進(jìn)行測(cè)量來予以確定，通過對(duì)相位差φ進(jìn)行對(duì)比，即可得出目標(biāo)徑向變形量d，如公式(2)所示。

d=λ/4πφ

(2)

ISBS-S技術(shù)能夠全天候24h、大范圍、遠(yuǎn)距離地監(jiān)測(cè)目標(biāo)區(qū)域，并且還可實(shí)現(xiàn)高精度監(jiān)測(cè)目標(biāo)物體的變形量。與此同時(shí)，ISBS-S技術(shù)可不在目標(biāo)物附近安裝光學(xué)目標(biāo)或傳感器的前提下可遠(yuǎn)距離觀測(cè)目標(biāo)物，尤其是能夠精確監(jiān)測(cè)那些變化較小的目標(biāo)物(如高塔、高層建筑、橋梁等)，位移測(cè)量結(jié)果精度甚至可以達(dá)到亞毫米級(jí)。

2 微波干涉測(cè)量技術(shù)的測(cè)量精度

2.1ISBS-S技術(shù)的理論測(cè)量精度

ISBS-S技術(shù)可測(cè)量的最小變形量dmin為：

(3)

其中，λ——波長，(φ2-φ1)min——ISBS-S系統(tǒng)能夠分辨出來的最小相位差。

通過計(jì)算公式(3)，即可得出ISBS-S技術(shù)可測(cè)量的最小變形量dmin=0.000 068mm。但是，在實(shí)際測(cè)量過程中往往還會(huì)存在著多種因素的作用及影響，因此，靜態(tài)監(jiān)測(cè)情況下ISBS-S技術(shù)的標(biāo)稱精度為0.1 mm，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)情況下ISBS-S技術(shù)的標(biāo)稱精度為0.01 mm。

2.2ISBS-S技術(shù)的實(shí)際測(cè)試精度

將ISBS-S系統(tǒng)架設(shè)在試驗(yàn)場(chǎng)地，并且在儀器旁邊20 m處設(shè)置一個(gè)目標(biāo)物，對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行模擬變形。與此同時(shí)，目標(biāo)物的變形量采用精度為0.02mm的游標(biāo)卡尺來進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，對(duì)比分析ISBS-S系統(tǒng)測(cè)得的變形值與調(diào)節(jié)結(jié)果。為了確保整個(gè)試驗(yàn)過程的準(zhǔn)確性，每次測(cè)試重復(fù)4次。目標(biāo)物的變形量為3mm 和4mm時(shí)，ISBS-S精度測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 ISBS-S精度測(cè)試結(jié)果 mm

3 應(yīng)用案例分析

3.1A高層建筑概況

A高層建筑由4個(gè)部分組成，分別是懸臂、裙樓、塔樓1、塔樓2，高度為234m，整個(gè)建筑物的主體結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)，鋼材是其主要建材，用鋼量達(dá)12萬噸。兩座樓塔的地上層數(shù)分別為49層、52層，兩座塔樓雙向傾斜角度為6°，向外懸挑的樓層均為第37層，形成高度為14層的懸臂,其中，塔樓1懸臂部分的外伸距離為67.165m，塔樓2懸臂部分的外伸距離為75.165m。

3.2試驗(yàn)方案

采用環(huán)境激勵(lì)法來開展試驗(yàn)，輸出響應(yīng)為A高層建筑的變形量，輸入信號(hào)為一系列環(huán)境因素(包括施工荷載、風(fēng)荷載、地脈動(dòng)荷載等)，振動(dòng)特性通過分析A高層建筑的結(jié)構(gòu)頻譜來獲取。優(yōu)點(diǎn)：環(huán)境激勵(lì)法既不會(huì)影響到A高層建筑的正常施工，又不需要配備過多的額外設(shè)備。缺點(diǎn)：輸入的環(huán)境激勵(lì)能量較小，很難準(zhǔn)確獲得A高層建筑結(jié)構(gòu)高階振型的振動(dòng)特性，所激發(fā)的振動(dòng)只是低階振型的振動(dòng)特性[7]。

(1)采樣頻率

基于奈奎斯定理來看,fδ(試驗(yàn)的采樣頻率)應(yīng)該要大于或者等于2倍fc(A高層建筑的最高自振頻率)。為了對(duì)高層建筑原始振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確采集，實(shí)際的采樣頻率通常應(yīng)為4～5倍最高自振頻率。由于環(huán)境激勵(lì)法所激發(fā)的振動(dòng)只是低階振型的振動(dòng)特性， A高層建筑的最高振動(dòng)頻率必然低于10Hz,所以，為了能夠?qū)υ颊駝?dòng)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確采集，可將ISBS-S的采樣頻率設(shè)置為40Hz。

(2)觀測(cè)區(qū)域及試驗(yàn)時(shí)間

由于A高層建筑的懸臂處于懸空狀態(tài)，所以，務(wù)必要對(duì)其安全性進(jìn)行評(píng)估。ISBS-S系統(tǒng)放置在懸臂的正下方，務(wù)必要瞄準(zhǔn)懸臂，設(shè)置1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。試驗(yàn)時(shí)間為2016年4月1日，持續(xù)時(shí)間為300s。

3.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

(1)試驗(yàn)結(jié)果

干涉處理雷達(dá)影像(由ISBS-S系統(tǒng)獲取)，即可得到干涉圖。因?yàn)镮SBS-S系統(tǒng)固定于地面,基線與地平面相平，可設(shè)置為0,所以干涉圖中的相位信息Δφ不包括建筑結(jié)構(gòu)的形狀信息，只有誤差和變形信息。視線向的一維變形值dφ可通過公式(4)所示。

dφ=λ/4πφ

(4)

其中，λ——波長。

利用與ISBS-S系統(tǒng)配套的SW軟件可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理作業(yè)，分別可得出懸臂的加速度數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)和變形數(shù)據(jù)。本文由于篇幅有限，對(duì)A高層建筑懸臂的動(dòng)態(tài)特性僅以1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果來進(jìn)行分析，圖1為1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形曲線，圖2為1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度曲線，圖3為1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度曲線。由圖可知，本試驗(yàn)的最大變形值僅為0.39mm,其標(biāo)準(zhǔn)差為±0.08mm，主要原因在于：輸入信號(hào)為一系列環(huán)境因素(包括施工荷載、風(fēng)荷載、地脈動(dòng)荷載等)，其能量較小，自然就不會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)(A高層建筑的變形量)的數(shù)值較大。由此可見，本次試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)是較為準(zhǔn)確、可靠的，可得到較高質(zhì)量的觀測(cè)效果，適用于分析高層建筑結(jié)構(gòu)的自振特性。

圖1 1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形曲線

圖2 1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度曲線

圖3 1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度曲線

(2)頻譜分析

頻譜分析的主要目的在于通過傅里葉變換將原本較為復(fù)雜的時(shí)域信號(hào)分解為多個(gè)諧波分量(均為單一性)，以此來獲得信號(hào)的相位信息、諧波信息和頻率結(jié)構(gòu)。通過傅里葉變換來分析1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)間序列,即可得到1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的頻譜圖，如圖4所示。其最小頻率為0.2Hz，最大頻率為1.2Hz，最高振型(第3階振型)的振動(dòng)頻率為0.381Hz。其次為第2階振型，振動(dòng)頻率為0.322Hz,再次為第1階振型，振動(dòng)頻率為0.239Hz。

圖4 1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的頻譜圖

(3)結(jié)果對(duì)比分析

將本試驗(yàn)的ISBS-S實(shí)測(cè)值與郭彥林、霍軼力(2008)[8]通過理論計(jì)算所得出的結(jié)果進(jìn)行比較，如表2所示。由表2可以看出，第2階振型和第3階振型的ISBS-S實(shí)測(cè)值與自振頻率計(jì)算值基本無差異，差異率低于1%。而第1階振型的ISBS-S實(shí)測(cè)值與自振頻率計(jì)算值有所差異，自振頻率計(jì)算值要大于ISBS-S實(shí)測(cè)值，差異率為7%，但屬于誤差可接受范圍。

4 結(jié)論

(1)雖然ISBS-S系統(tǒng)只能獲取視線向的一維變形值，無法對(duì)A高層建筑結(jié)構(gòu)三維方向的振動(dòng)特性進(jìn)行分析，但是前3階振型的ISBS-S實(shí)測(cè)值與自振頻率計(jì)算值基本吻合。由此可見，高層建筑動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中微波干涉測(cè)量的應(yīng)用是可行的，能夠有效監(jiān)測(cè)高層建筑的自振特性。

(2)ISBS-S系統(tǒng)監(jiān)測(cè)目標(biāo)物具有全方位、高精度、非接觸性等諸多特點(diǎn)，可對(duì)目標(biāo)區(qū)域的微小形變量進(jìn)行有效探測(cè)。與其它測(cè)量系統(tǒng)相比，ISBS-S系統(tǒng)的測(cè)量成本和測(cè)量時(shí)間無疑會(huì)大幅度縮短。將微波干涉測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到高層建筑的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中，可快速獲取高精度的變形數(shù)據(jù)，對(duì)于動(dòng)態(tài)評(píng)估高層建筑的整體安全狀態(tài)是極為有效的。

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ApplicationofMicrowaveInterferometryinDynamicMonitoringofHigh-riseBuilding

GUIFangru

(Sichuan College of Architecture Technology,Deyang 618000)

The radar system based on microwave interferometry (ISBS-S) has the characteristics of realizing the whole monitoring,high sampling frequency,high precision and non-contact measurement.It is widely used to monitor the dynamic Feature.Microwave interferometry measurement accuracy is significantly higher than GPS technology.In this paper,the characteristics of microwave interferometry are briefly introduced.Secondly,the theoretical measurement accuracy and actual measurement accuracy of ISBS-S technology are analyzed,and an example of A high-rise building is analyzed.The conclusion is that:①The application of microwave interferometry in dynamic monitoring of high-rise buildings is feasible and can effectively monitor the self-vibration characteristics of high-rise buildings.② The application of microwave interferometry to the dynamic monitoring of high-rise buildings can obtain high-precision deformation data quickly,which is very effective for dynamically assessing the overall safety status of high-rise buildings.

High-rise building; Dynamic monitoring; Microwave interferometry; Application

TU198+.6

A

1004-6135(2017)11-0093-04

桂芳茹(1973.2- )，女，副教授。

E-mail:116211747@qq.com

2017-08-28