高层建筑动态监测中微波干涉测量的应用

桂芳茹

(四川建筑职业技术学院 四川德阳 618000)

高层建筑动态监测中微波干涉测量的应用

桂芳茹

(四川建筑职业技术学院 四川德阳 618000)

基于微波干涉测量技术(ISBS-S技术)的雷达系统具有可实现整体监测、采样频率高、精度高、非接触式测量等特点，被广泛应用到实时监测建(构)筑物的动态特性中。微波干涉测量技术的测量精度明显要高于GPS技术。文章首先阐述了微波干涉测量技术的特点，其次，分析了ISBS-S技术的理论测量精度与实际测量精度，并且以A高层建筑为例进行实例分析，得出结论：①高层建筑动态监测中微波干涉测量的应用是可行的，能够有效监测高层建筑的自振特性。②将微波干涉测量技术应用到高层建筑的动态监测中，可快速获取高精度的变形数据，对于动态评估高层建筑的整体安全状态是极为有效的。

高层建筑；动态监测；微波干涉测量；应用

0 引言

随着我国国民经济的迅猛发展，各地高层建筑工程项目日益增多，且高层建筑的结构日益复杂、高度日益增加，社会各界越来越重视高层建筑的安全性[1]。高层建筑在风荷载、雪荷载、地震等的作用下较易出现变形的情况，不仅有可能会对高层建筑的使用功能造成影响，甚至还有可能会让高层建筑结构性能埋下较多的安全隐患，所以，很有必要动态监测高层建筑的动态特性(振幅、振动频率等)，以便能够及时发现高层建筑结构中的损伤之处，确保高层建筑能够健康、稳定、安全运行[2]。

基于微波干涉测量技术(ISBS-S技术)的雷达系统具有可实现整体监测、采样频率高、精度高、非接触式测量等特点，被广泛应用到实时监测建(构)筑物的动态特性中。黄声享、罗力、何超等(2012)利用“基于微波干涉测量技术的雷达系统”来开展高层建筑的动态监测试验，精确地得出了振动频率与振动幅度[3]。李兆霞、李爱群等(2013)在动态测量阳逻长江大桥(湖北武汉市)的动挠度时，分别对比分析了微波干涉测量技术与GPS技术的优缺点，得出结论：微波干涉测量技术的测量精度明显要高于GPS技术[4]。本文就高层建筑动态监测中微波干涉测量的应用进行探讨。

1 微波干涉测量技术简介

近景摄影测量技术、加速度传感器法、全站仪法、激光铅直仪法均是建筑工程上较为常见的监测技术，但是它们的自动化程度较低、精度不高而不适合应用于动态监测。全球定位系统(GPS)技术因具有测量精度高、全天候测量、快速测量、自动化测量等特点而被广泛应用到对高耸结构物的动态特征进行监测。但是GPS所测得的数据中具有较大的多路径效应误差与随机噪声，较难分析数据，而微波干涉测量技术(ISBS-S技术)可有效弥补GPS技术之不足[5]。

微波干涉测量技术(ISBS-S技术)是一种应用较为广泛的远程监测系统，集成了Interferometry技术(干涉测量技术)与SF-CW技术(步进频率连续波技术)。微波干涉测量技术(ISBS-S技术)由意大利佛罗伦萨大学与意大利IDS公司通过6年的艰苦努力得出的科研成果，具有较多的应用特点：第一，ISBS-S技术的动态监测标称精度为0.01mm；第二，ISBS-S技术的距离分辨率为50cm，最大的测量距离可以达到1000m；第三，ISBS-S技术的处理能力、控制能力较强，且易于操作人员进行操作；第四，ISBS-S技术的最高采样频率为200Hz，且易于安装；第五，ISBS-S技术不太容易受到天气的影响，进而能够实现24h实时监测[6]。

1.1步进频率连续波技术

SF-CW技术(步进频率连续波技术)是系统在统一时间内向外发射出n个电磁波，且发射的步进频率各不相同。SF-CW技术能够实现长距离传输电磁波的功效，并且还能够让距离向分辨率Δr达到最高值，Δr的计算公式如公式(1)所示。

Δr=c/2B

(1)

其中，B——系统的带宽，c——光速。

通常而言，B=0.3G Hz，则其距离分辨率Δr=0.5m。

1.2干涉测量技术

干涉测量技术的工作原理为：目标位移的变化情况是通过对接收的电磁波与发射的电磁波之间的相位差进行测量来予以确定，通过对相位差φ进行对比，即可得出目标径向变形量d，如公式(2)所示。

d=λ/4πφ

(2)

ISBS-S技术能够全天候24h、大范围、远距离地监测目标区域，并且还可实现高精度监测目标物体的变形量。与此同时，ISBS-S技术可不在目标物附近安装光学目标或传感器的前提下可远距离观测目标物，尤其是能够精确监测那些变化较小的目标物(如高塔、高层建筑、桥梁等)，位移测量结果精度甚至可以达到亚毫米级。

2 微波干涉测量技术的测量精度

2.1ISBS-S技术的理论测量精度

ISBS-S技术可测量的最小变形量dmin为：

(3)

其中，λ——波长，(φ2-φ1)min——ISBS-S系统能够分辨出来的最小相位差。

通过计算公式(3)，即可得出ISBS-S技术可测量的最小变形量dmin=0.000 068mm。但是，在实际测量过程中往往还会存在着多种因素的作用及影响，因此，静态监测情况下ISBS-S技术的标称精度为0.1 mm，动态监测情况下ISBS-S技术的标称精度为0.01 mm。

2.2ISBS-S技术的实际测试精度

将ISBS-S系统架设在试验场地，并且在仪器旁边20 m处设置一个目标物，对目标物进行模拟变形。与此同时，目标物的变形量采用精度为0.02mm的游标卡尺来进行精确调节，对比分析ISBS-S系统测得的变形值与调节结果。为了确保整个试验过程的准确性，每次测试重复4次。目标物的变形量为3mm 和4mm时，ISBS-S精度测试结果如表1所示。

表1 ISBS-S精度测试结果 mm

3 应用案例分析

3.1A高层建筑概况

A高层建筑由4个部分组成，分别是悬臂、裙楼、塔楼1、塔楼2，高度为234m，整个建筑物的主体结构为钢结构，钢材是其主要建材，用钢量达12万吨。两座楼塔的地上层数分别为49层、52层，两座塔楼双向倾斜角度为6°，向外悬挑的楼层均为第37层，形成高度为14层的悬臂,其中，塔楼1悬臂部分的外伸距离为67.165m，塔楼2悬臂部分的外伸距离为75.165m。

3.2试验方案

采用环境激励法来开展试验，输出响应为A高层建筑的变形量，输入信号为一系列环境因素(包括施工荷载、风荷载、地脉动荷载等)，振动特性通过分析A高层建筑的结构频谱来获取。优点：环境激励法既不会影响到A高层建筑的正常施工，又不需要配备过多的额外设备。缺点：输入的环境激励能量较小，很难准确获得A高层建筑结构高阶振型的振动特性，所激发的振动只是低阶振型的振动特性[7]。

(1)采样频率

基于奈奎斯定理来看,fδ(试验的采样频率)应该要大于或者等于2倍fc(A高层建筑的最高自振频率)。为了对高层建筑原始振动信号进行准确采集，实际的采样频率通常应为4～5倍最高自振频率。由于环境激励法所激发的振动只是低阶振型的振动特性， A高层建筑的最高振动频率必然低于10Hz,所以，为了能够对原始振动信号进行准确采集，可将ISBS-S的采样频率设置为40Hz。

(2)观测区域及试验时间

由于A高层建筑的悬臂处于悬空状态，所以，务必要对其安全性进行评估。ISBS-S系统放置在悬臂的正下方，务必要瞄准悬臂，设置1号监测点。试验时间为2016年4月1日，持续时间为300s。

3.3试验结果与分析

(1)试验结果

干涉处理雷达影像(由ISBS-S系统获取)，即可得到干涉图。因为ISBS-S系统固定于地面,基线与地平面相平，可设置为0,所以干涉图中的相位信息Δφ不包括建筑结构的形状信息，只有误差和变形信息。视线向的一维变形值dφ可通过公式(4)所示。

dφ=λ/4πφ

(4)

其中，λ——波长。

利用与ISBS-S系统配套的SW软件可进行数据处理作业，分别可得出悬臂的加速度数据、速度数据和变形数据。本文由于篇幅有限，对A高层建筑悬臂的动态特性仅以1号监测点的监测结果来进行分析，图1为1号监测点的变形曲线，图2为1号监测点的速度曲线，图3为1号监测点的加速度曲线。由图可知，本试验的最大变形值仅为0.39mm,其标准差为±0.08mm，主要原因在于：输入信号为一系列环境因素(包括施工荷载、风荷载、地脉动荷载等)，其能量较小，自然就不会导致输出信号(A高层建筑的变形量)的数值较大。由此可见，本次试验所得的数据是较为准确、可靠的，可得到较高质量的观测效果，适用于分析高层建筑结构的自振特性。

图1 1号监测点的变形曲线

图2 1号监测点的速度曲线

图3 1号监测点的加速度曲线

(2)频谱分析

频谱分析的主要目的在于通过傅里叶变换将原本较为复杂的时域信号分解为多个谐波分量(均为单一性)，以此来获得信号的相位信息、谐波信息和频率结构。通过傅里叶变换来分析1号监测点的位移时间序列,即可得到1号监测点的频谱图，如图4所示。其最小频率为0.2Hz，最大频率为1.2Hz，最高振型(第3阶振型)的振动频率为0.381Hz。其次为第2阶振型，振动频率为0.322Hz,再次为第1阶振型，振动频率为0.239Hz。

图4 1号监测点的频谱图

(3)结果对比分析

将本试验的ISBS-S实测值与郭彦林、霍轶力(2008)[8]通过理论计算所得出的结果进行比较，如表2所示。由表2可以看出，第2阶振型和第3阶振型的ISBS-S实测值与自振频率计算值基本无差异，差异率低于1%。而第1阶振型的ISBS-S实测值与自振频率计算值有所差异，自振频率计算值要大于ISBS-S实测值，差异率为7%，但属于误差可接受范围。

4 结论

(1)虽然ISBS-S系统只能获取视线向的一维变形值，无法对A高层建筑结构三维方向的振动特性进行分析，但是前3阶振型的ISBS-S实测值与自振频率计算值基本吻合。由此可见，高层建筑动态监测中微波干涉测量的应用是可行的，能够有效监测高层建筑的自振特性。

(2)ISBS-S系统监测目标物具有全方位、高精度、非接触性等诸多特点，可对目标区域的微小形变量进行有效探测。与其它测量系统相比，ISBS-S系统的测量成本和测量时间无疑会大幅度缩短。将微波干涉测量技术应用到高层建筑的动态监测中，可快速获取高精度的变形数据，对于动态评估高层建筑的整体安全状态是极为有效的。

[1] 王新文,袁东.GPS在高层建筑动态变形测定中的应用[J].四川建筑科学研究,2009,35(4):177-179.

[2] 黄声享,刘经南,柳响林.小波分析在高层建筑动态监测中的应用[J].测绘学报,2003,32(2):153- 157.

[3] 黄声享,罗力,何超.地面微波干涉雷达与GPS测定桥梁挠度的对比试验分析[J].武汉大学学报(信息科学版),2012,43(10):1781-1786.

[4] 李兆霞,李爱群,陈鸿天,等.大跨桥梁结构以健康监测和状态评估为目标的有限元模拟[J].东南大学学报(自然科学版),2013,30(5):191-197.

[5] Atzeni,C.,Bicci,A.,Dei,D.,Fratini,M.,Pieraccini,M.Remote Survey of the Leaning Tower of Pisa by Interferometric Sensing[J].Geoscience and Remote Sensing Letters,IEEE,2010,55(14):2301-2308.

[6] Carmelo Gentile,Giulia Bernardini.An interferometric radar for non-contact measurement of deflections on civil engineering structures:laboratory and full-scale tests[J].Structure and Infrastructure Engineering,2010,58(17):1871-1876.

[7] Massimiliano Pieraccini,Guido Luzi,Daniele Mecatti,et al.Ground-based SAR for short and long term monitoring of unstable slopes[C].Proceedings of the 3rd European Radar Conference,2006:781-790.

[8] 郭彦林,霍轶力.CCTV新台址主楼抗震性能研究[J].建筑结构学报,2008,29(3):10- 23.

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