基于地基雷達的高鐵橋梁運營動態形變監測

陳思彤　邵益　劉偉　沈月　魏挺　劉小陽

摘? 要：我國高鐵線路中，大量以橋代路，橋梁結構占比極大。為保證動車組的安全運行，需對高鐵橋梁運營進行安全形變監測。針對傳統接觸式監測方法的不足，文章提出了基于地基雷達技術的高鐵橋梁運營形變監測方法。利用FastGBSAR系統對安定鎮段京滬高鐵31.5m簡支梁橋進行監測實驗，對監測結果進行了分析，結果表明地基雷達技術能有效應用于高鐵橋梁的動態形變監測。

關鍵詞：地基雷達;高鐵橋梁;動態形變;監測

中圖分類號：U446? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）17-0033-03

Abstract： In China's high-speed railway lines， a large number of bridges take the place of roads， and the bridge structure accounts for a large proportion. In order to ensure the safe operation of EMUs， it is necessary to monitor the safety deformation of high-speed railway bridge operation. In view of the shortcomings of the traditional contact monitoring method， this paper proposes a deformation monitoring method of high-speed railway bridge operation based on ground-based radar technology. The FastGBSAR system is used to monitor the 31.5m simply supported beam bridge of Beijing-Shanghai high-speed railway in Anding town. The results show that the ground-based radar technology can be effectively applied to the dynamic deformation monitoring of high-speed railway bridge.

Keywords： ground-based radar; high-speed railway bridge; dynamic deformation; monitoring

1 概述

隨著我國高速鐵路建設的快速發展，如何保障運營高鐵的安全已成為首要問題。我國高鐵建設中大量以橋代路，以京滬高鐵為例，其正線全長的86.5%是橋梁，如何監測這些橋梁運營安全更是重中之重。目前高鐵橋梁運營動態形變監測主要利用傳感器進行[1-4]，這些傳統形變監測方法技術成熟，但對于高架的高鐵橋梁，傳統接觸式測量方式存在數據采集設備安裝困難，不易固定，數據傳輸不穩定，工作效率低等問題。難以滿足我國快速發展的高速鐵路橋梁運營性能檢定的需求。針對傳統高鐵橋梁運營形變監測方法的不足，本文探索基于地基雷達技術的非接觸高鐵橋梁運營動態形變監測方法。

2 地基雷達測量原理

FastGBSAR是荷蘭Metasensing公司研制的一款基于全新調頻連續波技術（FMCW）地基雷達測量系統，該系統是一種主動式微波遙感，通過距離向采樣和方位向采樣生成影像的空間信息。每個像素點都提供一個復雜的存儲單元，振幅與散射信號的能量直接相關，從中可以獲得監測目標回波信號的相位信息與振幅信息。振幅表示目標的反射率，相位取決于目標和雷達距離以及大氣擾動等。通過計算兩幅相位差得到干涉相位：

式中，φdisp為物體相對雷達移動造成的相位差，φatm為大氣擾動引起的相位差，φnoise為噪聲引起的相位差，n為整周模糊度。

通過加權圓周中值濾波去除噪聲相位[5]，相位解纏得到整周模糊度n，短時間近距離監測時，在忽略大氣擾動相位情況下通過相位差解算得到視線向位移，進而獲得觀測對象的形變信息。

3 高鐵橋梁動態形變監測數據的獲取

本次選址北京市安定鎮的一段京滬高鐵31.5m簡支箱梁作為實驗觀測對象。該橋梁遠離市區和交通要道，避免了測量時外界震動因素的干擾。同時，動車組經過此地時，處于高速行駛狀態。

因高鐵大橋的形變本身就很微小，測量精度直接決定監測方案的可行性。FastGBSAR是一種在Ku波段工作的干涉雷達系統，實際測量精度可以達到0.01mm[6]。為減少觀測誤差，將儀器安置于三腳架上，固定于觀測橋梁正下方，保證觀測過程中儀器自身的穩定。由于監測時間短，故認為系統頻率能夠保持穩定，系統存在頻率偏移也極其微小，可忽略不計。距離測量目標最遠不超過10m，在此短距離內，大氣干擾也可以忽略不計。

觀測過程中，儀器對準目標是橋跨中央（如圖1），監測動車組通過時橋梁跨中豎向形變信息。因FastGBSAR系統只能監測到雷達視線向的位移，梁體豎向振動需通過幾何計算得到。圖2即為視線向位移與梁體垂直向形變關系圖。系統傳感器仰角α約為42度，傳感器距離橋梁底部高度h為3.5m，傳感器距離梁體跨中距離D為5.2m。由式（3）即可計算出梁體荷載作用下豎向形變量。

本次試驗從早上8點至下午16點，歷時近8個小時，共采集到26列動車組列車經過時橋梁豎向振動觀測數據，其中包括一對對向同時通過的列車。

4 數據處理與形變分析

4.1 數據處理

試驗數據利用ViMon軟件進行處理。數據處理中，設置10%采樣數據棄置率，去除不需要的信號后進行數據聚焦。依據傳感器的姿態和與觀測梁體目標位置進行設置，通過SNR（信噪比）選定觀測目標區域內的穩定點（PS點）進行分析（圖3）。當PS點被選擇以后，為檢查所選PS點信號質量，可以通過PS點極化圖在時間序列上對數據進行質量評定。極化圖由振幅和相位組成，其中徑向分量表示振幅，角度向代表相位。一個最佳時間序列具有恒定幅度，意味著位移或振動在圖中呈現出圓形或者扇形分布于圓心附近。圖4顯示所選PS點的時間序列較好，噪聲小，表明觀測數據質量較好。

4.2 形變分析

圖5為FastGBSAR實測得到的單次動車組高速運行下梁體跨4個PS點的豎向振動形變曲線。圖中可以清晰的看出16節動車組每節列車通過時跨中4個PS點豎向位移變化。動車組在62.5s抵達橋梁跨中監測點，橋梁在沖擊作用下產生了最大約0.74mm的豎向位移。因16節動車的持續沖擊，橋梁產生了約0.2mm的豎向振幅。動車組在67.2s離開，橋梁逐漸恢復平靜。動車組行駛時間約4.6s。已知編組16輛的高速動車組CRH380車長約400m，可知運行時速約310km/h。

圖6為實測得到上下行動車組同時通過橋梁時4個PS點的豎向振動形變曲線。在15.4s時，上行動車組抵達橋梁監測點，橋梁跨中最大產生了約0.70mm的豎向形變。上行動車組運行了第五節的時候，下行動車組進入測量橋梁，形變瞬間增加0.62mm，最大達到為1.38mm。當上行動車組離開后，最大豎向形變量恢復到約0.66mm，在約22.2s時，下行動車組離開，橋梁形變恢復正常。圖中可以看出，單次動車組沖擊下，橋梁豎向振幅約0.2mm，在上下行列車組同時沖擊下，橋梁豎向振幅約0.3mm。

為驗證形變監測結合的有效性，利用地基雷達實測動車組通過時橋梁跨中形變時程曲線，獲得橋梁跨中動撓度平均值，再依據運營車輛荷載換算至ZK靜活載的換算系數[7]，實際計算得到的撓跨比與傳統研究結果相吻合[1-2]。

5結束語

地基雷達作為一種高精度、高頻率的橋梁運營動態形變監測技術，相比傳統的橋梁變形監測方法，無需在橋梁上安裝任何裝置，且設站靈活，大大提高了監測效率，節約了成本。為我國高鐵橋梁運營性能檢測參數提供了一種新的測量方法。

參考文獻：

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[4]姚京川，尹京，王巍，等.高速鐵路橋梁運營性能檢定技術深化研究[R].北京：中國鐵道科學研究院，2014.

[5]劉小陽，孫廣通，李峰，等.地基SAR基坑微形變監測方法研究[J].紅外與激光工程，2018，47（3）：215-221.

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