基于非接触式微波测量的斜拉索振动测试研究

2019-04-16李海红王金权

中外公路 2019年3期

李海红，王金权

(1.同济大学，上海市 200092；2.宁波杭州湾大桥发展有限公司)

斜拉索是斜拉桥非常重要的受力构件，它的振动特性对索力测试、拉索减振等工作都非常重要。以索力测试为例，传统的频率法是将传感器固定在拉索上，测试其振动特性，得到其频率，该方法虽然准确，但随着桥梁结构的快速发展，其应用越发凸显局限性。非接触式微波测量是一种全新的斜拉索振动测试方法，它是通过发射和接收雷达波来测量拉索的频率等振动特性参数，从而得出拉索索力等。其优点主要有：① 不需要在斜拉索上固定任何测试设备，属于非接触式测量，有较强的适用性；② 可同时测量多根拉索，极大地提高了测试效率；③ 测试设备简便，占用场地小，极大降低安全风险。

国外一些学者对该方法进行了研究，C.Gentile等在西班牙的某桥使用该方法准确测试了悬索桥吊索的振动频率，而在中国的斜拉索测试应用领域，其研究相对较少。该文通过一个平行钢丝斜拉索和一个平行钢绞线斜拉索，对非接触式微波测量拉索索力进行对比分析研究。

1 微波测量振动原理

微波测量振动是基于雷达遥感和差分干涉测量技术，具体而言是指通过向被测量物体发射高频率雷达波，获得距离方向上的频率信息，再通过差分干涉测量技术，计算分析物体不同时刻反射回波的相位差，从而求出连续时间段内物体表面的高频微小形变信息，即物体振动的时域信号，再通过傅里叶变换，获得物体振动的频域信号，根据振动频谱分析获得基频结果。

雷达遥感技术目前主要采用步进频率连续波技术，该技术的基本原理是：雷达的距离分辨率Δr与单个雷达脉冲的持续时间t有以下关系：

(1)

式中：c为光速。

可以看出：要增加雷达的距离分辨率，可以减少t。但减小t，会造成脉冲波的频率增加，使得作用距离变短。为了保持一定的距离分辨率和一定的作用距离，采取步进频率连续波的发射方式，它是由一系列线性跳变的连续信号构成的，通过对其相干处理，可以得到合成的一维高分辨距离向影像。该方法具有在获得高分辨力的同时，降低对数字信号处理机的瞬时带宽要求的优点。

差分干涉测量技术是利用不同时刻物体回波信号的相位差来计算物体在雷达距离方向上的变形量d。

(2)

式中:λ为波长;Δφ为相位差。

微波测量振动系统主要技术参数如表1所示。

2 拉索索力测试原理

斜拉索索力测试目前基本采用频谱法进行。拉索的振动微分方程为：

(3)

式中:EI为拉索的弯曲刚度;P为索力;t为时间;y为拉索的振幅;x为拉索的纵向坐标;m为拉索单位长度的质量。

表1 微波测量振动系统技术参数

假定索的两端为铰支，由式(3)可得：

P=4ml2f2/K2-K2π2EI/l2

(4)

由于斜拉索细长比较小，在索力测试中，其弯曲刚度可以忽略不计，由此可得：

P=4ml2f2/K2

(5)

式(5)为斜拉索索力的计算公式，可以看出：频率f是斜拉索的索力计算中的重要参数，通过测试斜拉索的振动频率，即可换算得出斜拉索的索力；通过上述微波测量振动系统同样也可以测试出频率，并计算出斜拉索索力。

3 实桥测试及分析

3.1 测试概况

在两座斜拉桥上采用微波振动测量进行了测试，并使用加速度传感器的频率法进行了对比，对微波振动测量方法的测试结果精度、数据规律性、测试效率进行了分析比较。

测试时，将仪器架设在桥面通视条件较好的位置，向多根斜拉索发射微波，每根斜拉索会返回一个强反射信号和散射信号，根据强反射信号可确定斜拉索与测试仪器的距离，从而判断测试的斜拉索索号，由此找出对应斜拉索的散射信号，将振动时域信号通过傅里叶变换转化为频域信号，得到每根斜拉索的振动频谱图。

两座测试桥梁概况如表2所示。

表2 测试桥梁概况

3.2 测试结果分析

3.2.1 平行钢丝索测试结果分析

表3为双塔斜拉桥使用微波测量和加速度传感器两种方法的测试结果对比，由于数据量较大，此处列出典型拉索的测试结果，其中ES1为离主塔最近的斜拉索，长度91 m，ES24为离主塔最远的斜拉索，长度330 m，ES21和ES3为测试结果正负偏差最大的两根索。两种方法测试结果的偏差为-0.59%～6.36%，测试结果吻合性较好。