無接觸式微波測量方法的研究與應用

方顯華

安徽省高速公路路政支隊，安徽 合肥 230022

斜拉索是矮塔斜拉橋的重要組成構件，可以協助墩柱等下部結構承載荷載。矮塔斜拉橋在建設過程中由于施工方法不恰當、張拉設備不精確等問題，導致索力不合格問題時有發生，索力未張拉到設計值和超張拉均會導致結構構件受力不合理，最終影響結構壽命。因此，施工過程中斜拉索的實時監控變得尤為重要。斜拉索索力的測量屬于工程界的一個難題，逐漸成為研究熱點。目前索力監測的測定方法主要有壓力傳感器法、壓力表法、磁通量法、振動頻率法等。其中，壓力傳感器法測量索力值在一定范圍內具有局限性，該方法所測得的是索頭張力，不能代表整索的實際索力；壓力表法雖簡單易行，但無法進行高頻次的檢測；磁通量法使用不方便，必須在拉索中事先安好磁通量傳感器后，才能進行拉索索力測試；振動頻率測定法是目前國內最常用的方法，其原理是在拉索的底端位置處固定加速度計，通過一定的技術手段將拉索振動的加速度換算為振動頻率，該方法也存在一定的局限性，如效率低下、測量值不準確、受溫度等外界環境的影響較大。基于此，文章依托實際工程項目，探索無接觸式微波測索力技術，并研究其在索力測量中的應用，具有一定的現實意義。

1 項目概況

S327臨泉泉河大橋及接線工程由南向北延伸，從臨泉縣城關鎮程灣村于謝灣村中間穿過，跨越泉河大橋后于界首市磚集鎮榮莊村東部穿過，終點銜接S237界首段，實施路段全長2.14km。S327臨泉泉河大橋接線道路按一級公路建設，設計速度采用80km/h標準建設。主橋為跨徑170m的雙塔單索面預應力混凝土矮塔斜拉橋，一共采用44根平行鋼絞線斜拉索，斜拉索錨固在梁上，穿過橋塔而不錨固在橋塔上，橋寬32m，雙向六車道，橋涵設計荷載采用公路-I級。

2 測量方法工作原理

無接觸式微波測量方法主要依賴干涉測量技術和調頻連續波技術兩項核心技術，融合相位干涉測量、基頻提取、寬帶信號脈沖壓縮和目標檢測等技術，實現了遠程遙感測量索力，并具有測試數據穩定、抗干擾能力強等優點。

微變形雷達為該測量方法的核心部分，主要包括腳架、計算機控制單元和雷達控制單元三大組成部分。具體工作原理如下：將雷達控制單元安裝固定在腳架上，通過腳架上的3D旋轉頭實現全方位雷達監測，同時雷達控制單元配有2根喇叭天線，分別用于傳輸與接收電磁波信號。使用時與測量對象保持一個固定距離，先發射微波信號，通過接收反射后的微波信號，計算相位差，以相鄰2次微波信號相位差測量拉索或吊桿的振動位移。利用上述方法測得拉索一段時間內的振動位移后，繪制相應的振動位移時程曲線，通過傅里葉變換對振動位移時程曲線處理得出該拉索的振動頻率，利用拉索的振動頻率即可測定索力。在一定距離范圍內，雷達發射的微波呈扇形分布，因此在扇形區域內可以實現多個測點同時測量多根拉索的索力。

綜合上述非接觸微波索力測量原理可以發現，拉索約束條件與確定索力的方法等有關。但是，短索頻率測試相對困難，因為其受邊界條件及安裝在拉索上的阻尼器的影響。傳統的振動測試方法則需要預先進行錘擊激勵后，方可測試拉索的振動頻率，而無接觸式微波索力測量法中放射的微波則可以透過PE護套，在傳遞至鋼拉索后反射回接收器，測量結果相對比較準確、可靠。

3 無接觸式微波測量方法的應用實例

采用非接觸式微波測量方法對臨泉S237大橋中跨和邊跨靠近橋塔的8根斜拉索在施工階段進行了索力測量。具體測量數據如表1所示。

表1 橋梁的斜拉索索力數據

測量結果顯示，實測索力比設計索力小5%～20%，且中跨與邊跨的索力不均勻，中跨索力比邊跨索力大，索力張拉不滿足設計要求。針對以上調研結果，從人、機、料、法、環、測六個方面分析了問題的原因。

（1）人為原因。現場技術人員在張拉平行鋼絞線斜拉索時采用等值張拉法，隨著每股鋼絞線的張拉，橋梁結構均產生變形。主梁產生上撓、索塔產生壓縮，斜拉索梁端錨點與塔端錨點的相對距離不斷縮短，而后已張拉鋼絞線的工作長度同步縮短，最終導致已張拉鋼絞線所持索力不斷變小；現場技術人員在最初一批平行鋼絞線斜拉索施工時對斜拉索中的鋼絞線僅進行了平均張拉，即每根鋼絞線張拉力相等，未對鋼絞線采用逐次超張拉的方法，造成鋼絞線松弛，導致平行鋼絞線斜拉索索力變小，且不均勻。

（2）機械設備原因。施工單位使用的機械設備過于老舊，在張拉鋼絞線的過程中未對索力進行實時監測，使張拉力與設計索力不符。

（3）材料原因。收縮徐變是混凝土材料固有的時變特性，混凝土結構在鋼絞線過程中勢必存在收縮和徐變，從而對鋼絞線索力值產生影響。

（4）工法原因。沒有采用等值張拉法，導致后張拉的索影響了已經張拉的索，預拉值不夠。

（5）環境影響。在施工過程中，由于溫度的變化，主梁、主塔、斜拉索在不勻溫度荷載下的變形量不一致，對鋼絞線索力值產生了一定的影響。

（6）測試原因。測試設備的系統誤差和偶然誤差導致測量結果不準確；測試人員沒有按照規定章程操作導致測量誤差。

通過調查統計、觀察、測量等方法對鋼絞線斜拉索索力不均勻的原因進行分析和篩選，發現主要問題集中在測量方法方面。原有的測量采用的是傳統的振動法測量，測量頻率低，測量結果誤差大，施工班組張拉完拉索之后未及時得到反饋數據進行補張拉就進行下一階段的張拉，導致索力不合格。參考等值張拉基本理論，單根鋼絞線張拉力主要由單根鋼絞線設計索力和超張拉索力兩部分組成。在平行鋼絞線斜拉索等值張拉時，隨著每股鋼絞線的張拉，橋梁結構均產生變形。主梁產生上撓、索塔產生壓縮，斜拉索梁端錨點與塔端錨點的相對距離不斷縮短，已張拉鋼絞線的工作長度同步縮短，導致已張拉鋼絞線的所持索力不斷變小。超張拉索力值是影響鋼絞線最終張拉力的主要因素，也是張拉力計算的關鍵，更是保證斜拉索每股鋼絞線所持索力的均勻性及張拉完成后總索力滿足要求的原因之一。

為了解決索力測量不準確的問題，采用基于無接觸微波測量方法的索拉張拉檢測提升技術。對斜拉索進行高頻監測，一方面可以及時了解索力損失大小，另一方面可以及時讓工人補張拉索力。此外，施工單位應組織施工人員加強技術交底，提高現場作業能力，進行專業知識的培訓考核，對施工中存在的問題及時發現、及時改正，以免影響后續施工。同時，實行獎懲制度，每月進行月度評比，對質量、責任意識強的人員進行獎勵，對責任心不強的人員進行通報、批評。

在上述一系列措施的保障下，項目全部44根斜拉索張拉全部張拉到位，滿足設計要求，提高了矮塔斜拉橋斜拉索張拉質量，降低了復工率，增加了企業的經濟和社會效益。

4 結束語

文章針對施工過程中泉河大橋索力張拉不到位問題展開了調研分析，提出了基于無接觸式微波索力測量方法的高頻監測手段，實時反饋索力信息，及時提醒施工班組補張拉索力以達到設計標準值，為泉河大橋的結構安全和耐久性提供了保障。