毫米波雷達在橋梁智慧化監測中的應用研究

周青松， 秦明霞

（1. 上海市建筑科學研究院有限公司；2. 上海市工程結構安全重點實驗室）

1 引言

橋梁結構不僅方便人們出行，而且極大地促進了社會經濟發展，保證橋梁結構的安全運營具有重要意義[1]。橋梁動撓度、結構基頻作為判定橋梁剛度和承載能力的重要性能指標[2]，是評判橋梁結構健康狀況的重要依據。因此利用各種方法實時監測橋梁動撓度以及基頻對于判別橋梁的健康狀況，保障橋梁安全運營具有重要作用。

目前用于測量橋梁撓度的方法主要有連通管、拉線式電測位移計、光電撓度儀和GNSS。連通管法主要用于靜態測量，無法實現動撓度測量；拉線式電測位移計的最大適宜測量跨徑為50m 左右，無法實現大跨徑橋梁的動撓度測量；光電撓度儀設備價格昂貴，易受下雨、霧天等環境條件的影響[3]，無法實現在線實時測量；GNSS 采樣頻率較高，但豎向精度較低，無法滿足實際工程測量精度要求[5]。

毫米波雷達測量技術具有高精度、高采樣頻率、受環境影響小的特性，滿足橋梁動撓度監測的基本需求，隨著毫米波雷達在車輛自動駕駛、高速寬帶無線通信等技術的成功應用，該技術在橋梁智慧化監測中的應用研究得到廣泛關注。

本文以一座跨徑為80m 的系桿拱橋為案例，如圖1 所示，對毫米波雷達在橋梁智慧化在線監測的應用進行研究，采用毫米波雷達對進行動撓度進行實時監測，并利用高頻動撓度數據進行結構基頻計算分析。

圖1 案例橋梁示意圖

2 毫米波雷達豎向位移測量原理

毫米波雷達是一種工作在毫米波段的電磁波，雷達射頻前端發射電磁波，到達靶標后回波被雷達系統接收，通過對比發射波與回波的強度鎖定靶標位置。當靶標發生位移時，雷達系統分析兩次接收波形的相位差可確定位移變化量，毫米波雷達監測原理如圖2所示。

圖2 毫米波雷達監測原理圖

測試時，雷達安裝于相對固定的位置處，靶標固定于被測點位處，當橋梁產生向下撓度d時，雷達直接測量得到的位移變化量為dp，根據相似三角形可知：

dp：測點在雷達距離間的變化量，可通過雷達主機測量得到；α：雷達與測點之間的夾角

h：雷達與測點的垂直距離，需人工輔助測量得到；R：雷達與測點的距離，可通過雷達主機測量得到

將公式（1）（2）結合可得到撓度d

3 橋梁動撓度監測

3.1 測點布置

該系桿拱橋計算跨徑80m，橋寬23m，上部結構采用下承式鋼筋混凝土系梁拱橋，全橋由拱肋、系梁、橫梁、吊桿及橋面系組成。采用橋梁有限元分析軟件MIDAS/Civil 對該橋進行建模計算，該橋在車輛荷載作用下最大位移發生在橋跨四分點處，如圖3所示。因此本次監測在橋梁四分點及跨中設置2個動撓度監測點，測點編號分別為測點1、測點2，毫米波雷達安裝在相對固定的1 號橋臺臺身處，如圖3所示。

圖3 活荷載作用下最大位移圖

3.2 測試結果

選取某一時間段一輛重車通過時毫米波雷達與光電撓度儀的動撓度測試結果對比如圖4-5所示。

圖4 1#測點動撓度對比圖

圖5 2#測點動撓度對比圖

1 號測點的毫米波雷達測試峰值為1.47mm，光電撓度儀測試峰值為1.54mm；

2 號測點的毫米波雷達測試峰值為1.49mm，光電撓度儀測試峰值為1.43mm；

3.3 動撓度測試結果小結

毫米波雷達與光電撓度儀動撓度測試結果如下表1所示，結果基本一致，最大相對誤差5%，毫米波雷達測試所得動撓度結果是可靠的。

表1 動撓度峰值監測結果對比表

4 橋梁基頻監測

4.1 仿真分析

利用前述MIDAS有限元模型進行仿真分析，該橋的一階頻率為2.12Hz，一階模態為反對稱豎彎，如圖6所示。

圖6 一階模態

4.2 測試結果

4.2.1 毫米波雷達測試結果

根據仿真分析，該橋一階模態為反對稱豎彎，最大位移在四分點位置，因此選取該橋四分點由毫米波雷達測得的某一時間段內橋梁動撓度如圖7 所示，從該時程圖可知，在0s～3s 之間撓度相對平穩，在3s～9s之間撓度逐漸增大，在9.52s時測得最大撓度為1.35mm，在9s～19s 之間撓度逐漸減小，在19s后逐漸減小為0，可知該段時間內發生了一次重車經過激發的振動。在時間為3s 到19s 范圍內，該橋共發生36次周期性振動，換算頻率為2.25Hz。

圖7 四分點動撓度時程曲線圖

4.2.2 加速度傳感器測試結果

在該橋上沿順橋向布置5 個加速度傳感器，測得的加速度時程曲線經傅立葉變換后得到其一階基頻約為2.29Hz，頻譜圖如圖8所示。

圖8 傅立葉變換頻譜圖

4.3 基頻測試結果小結

一階反對稱豎彎基頻監測結果對比如表2 所示，采用毫米波雷達測試所得基頻為2.25Hz，采用加速度傳感器測試所得基頻為2.29Hz，結果基本一致，毫米波雷達測試所得基頻是可靠的。

表2 基頻監測結果對比表

5 結語

利用毫米波雷達對某系桿拱橋進行動撓度監測，得出如下結論：

①通過與現有其他非在線測量技術對比分析毫米波雷達監測橋梁動撓度與結構基頻所得數據是準確可靠的；

②毫米波雷達能對多個測點同時采集傳輸，且安裝簡單，能夠在橋梁智慧化監測中得到廣泛應用；

③毫米波雷達不受光線、灰塵、煙霧等環境影響，能實現真正全天候監測。