运用毫米波雷达和振动法对桥梁振动幅值测试的对比分析

2022-03-29徐卫东

现代交通与冶金材料 2022年2期

徐卫东，徐赫

（1.江苏宁沪高速公路股份有限公司,江苏南京 210008；2.江苏百盛工程咨询公司,江苏南京 211800）

引言

桥梁的振动测试[1-2]包括桥梁结构的动力特性测试以及桥梁结构的动力响应测试。桥梁结构的动力特性测试通过自振频率、振型和阻尼比等参数对桥梁结构的动力特性进行评价。而桥梁结构的动力响应测试主要是通过车辆通过桥梁时振动响应，如动位移、动应变、振动加速度、冲击系数等，研究由于振动作用的结构是否安全可靠以及存在的主要问题。而桥梁振动幅值反映了车辆在行驶时由于桥面的不平整度、车-桥耦合振动等因素作用下动力响应，是评价桥梁振动“剧烈”程度的一项关键指标。

本文采用毫米波雷达和振动法对桥梁的振动幅值进行对比研究，对两种不同测试方法的数值进行对比分析，为桥梁振动幅值的测试提供科学的依据。目前针对桥梁振动幅值的测量方法，国内外学者做了诸多研究：金旭辉等[3]、汤振苏等[4]证明了地面微波干涉雷达可以精细地测量桥梁挠度的动态变化；张朋举等[5]验证了激光测振法在桥梁振动幅值测试中的应用。但关于毫米波雷达测试桥梁振动幅值的方法，仍然文献较少，有一些关键问题仍然值得深入研究[6-7]。研究结果表明毫米波雷达测试是桥梁振动幅值测试的有效方法，为今后采用振动幅值对桥梁振动大小的定量评定有重要的意义，同时将推动基于振动幅值对于桥梁评定规范化和标准化的研究。

1 桥梁振动幅值理论

桥梁动载试验通过车辆激励对桥梁的动力响应进行测试，根据桥梁动态测试的动应变、动挠度、冲击系数、阻尼比、振动幅值等对桥梁的行车性能进行评价。采用动挠度的测试方法在评价桥梁性能时通常进行时域分析其最大动挠度和振动幅值。

桥梁在跑车试验时的振动的幅值为动态测试时程曲线上最大动挠度的测试值减去最大静挠度值。最大静挠度值是指车辆静止加载使桥梁在动态测试中产生最大动挠度位置时桥梁的静挠度值。桥梁跑车时桥梁振动幅值的计算示意如图1所示。

桥梁振动幅值计算公式如下：

式中Ydmax为车辆通过桥梁时桥梁最大动挠度；Ysmax为车辆通过桥梁最大动挠度对应的最大静挠度值。

桥梁动态挠度最大值反映的是跑车试验挠度的最大值，其中包含车辆静荷载作用下的静态分量（低频）和车辆冲击、桥面的不平整度等动态分量两部分。静态分量指图1中虚线部分的曲线，而动态分量指图中在虚线附近波动的高频分量。桥梁挠度的振动幅值指动态分量在以静态分量基础上的变化幅值，其反映车辆对桥梁挠度的动力增大的作用。车辆荷载对桥梁的冲击作用通常采用冲击系数来表示，我国的早期规范冲击作用分不同桥型用桥梁跨度来描述其变化规律，现行规范冲击系数用桥梁的自振频率来表述其变化规律。

目前我国公路桥梁的规范中还没有对于桥梁挠度振动幅值的明确规定，如简支梁桥在正常行车条件下振动幅值多大是在合理范围内的。要通过振动幅值对车辆行驶条件下桥梁振动剧烈程度进行明确的分级评定，还需要对不同桥梁结构形式的振动幅值进行统计分析。

2 桥梁动挠度振动幅值的测试方法

目前桥梁动挠度测试的方法主要有毫米波雷达法、激光测振法、基于图像和光学的测试方法、位移计测试法等。

此外对于桥梁结构的振动法测试常采用加速度传感器、速度传感器等，利用动态采集设备对桥梁结构的模态、动力响应等进行测试。桥梁动态测试系统测试主要参数为加速度、速度、应变等参数，对桥梁结构的模态以及动力响应如加速度、速度和动应变等进行分析，从而分析桥梁结构的动力特性和桥梁行车性能。本文采用毫米波雷达和振动法两种方法对桥梁动挠度振动幅值进行测试。

2.1 毫米波雷达测试方法

毫米波雷达测试时，首先发射天线（TX）馈送微波信号，信号经与目标的相互作用形成后向散射信号，最终被接收天线（RX）接收，经过相关信号与数据处理，即可得到此次测量的一个采样复信号，其中包含了信号强度和观测相位值φ1。雷达系统持续对辐射场区的目标进行采样，假设第二次采样开始时目标发生了形变Δr，那么雷达得到的第二个采样复信号就包含了相应的信号强度和观测相位值φ2。

形变相位即为两个观测相位的差值，计算公式如下：

观测相位和相位差均被规划至区间[-π，π）中，计算角度差时需判断角度所处象限。为了避免频繁判断角度所处象限，通常利用复数的共轭相乘提取干涉相位。

由于采用了干涉法测量距离的变化，因此，视线上长度变化的测量精度可达0.01～0.1 mm。由于地基雷达系统在时间和空间上具有较高分辨率，从其形变监测数据中可提取多个连续分辨单元的形变时间序列，分析其挠度、线形和振动特征。对桥梁进行动挠度测试时，先将仪器置于桥底下面，调整仪器测量方向。对某一变形单元，仪器能测量出其中心到该单元的视线向长度（斜距）R及该视线向上长度的微小变化r，如图2所示。

要得到该单元在垂直方向的微小变化d，还需要进行必要的变换。为此，需要测量出仪器到桥底面的高度h，然后通过三角形相似关系，将视线向的变化量r转换到垂直方向的变化量d，如下式[3]：

2.2 振动测试方法

振动测试方法就是利用传统的振动测试系统（如图3所示）进行测试，测试时可以采用速度、加速度传感器作为动挠度振动幅值测试的拾振器。振动法测试在采用加速度、速度传感器进行测试时，由于目标参量为位移参量，因此需要利用参量之间的关系进行积分运算才能获得位移的时程曲线。

利用加速度和速度传感器进行振动测试，原则上通过积分可以得到位移的时程曲线，但是采用积分得到绝对位移需要非常低频的传感器和采用特殊的算法才能实现。

而采用振动传感器测试的加速度和速度曲线通过积分得出的“位移”曲线反映的车辆冲击以及桥面不平整度等因素产生“动态位移分量”，也就是桥梁动挠度的振动幅值。

2.3 两种测试方法的对比

利用加速度和速度传感器进行振动测试，原则上通过积分可以得到位移的时程曲线，但是采用积分得到绝对位移需要非常低频的传感器和采用特殊的算法才能实现。图4为同一测点位置采用速度传感器和毫米波雷达得到的位移时程曲线，左侧为加速度积分得到的位移曲线，右侧为毫米波雷达直接测试的时程曲线。从图4中可以看出采用振动传感器测试积分后的位移曲线不能真实的反映桥梁结构的挠度变化，因为振动传感器积分后得到的是幅值，没有方向性；而毫米波雷达测试的曲线能真实反映在跑车条件下的真实挠度曲线。两种测试挠度曲线最大的差别就是对于车辆通过桥梁的“静态分量”，毫米波雷达可以真实反映出来，而速度传感器积分对于低频的“静态分量”不能通过积分反映出来，仅能得到其高频分量。

4#测点跑车20 km/h的位移时程曲线，使用两种不同方法时，曲线对比图如图4所示。

通过以上分析可以看出：

（1）毫米波雷达在桥梁动态测试中可以真实获取桥梁动挠度的时程曲线，用于桥梁结构影响线、振动幅值、冲击系数、阻尼比以及其它动力响应参数的分析，测试数据中含有大量的数据信息。

（2）振动传感器测试中仅反映的桥梁在行车条件下的动态分量而忽略了静态分量，因此测试数据不能用于与“静态分量”有关的参数分析（如冲击系数、桥梁最大动挠度等），但可以用于桥梁振动幅值的分析。

3 实桥测试结果

3.1 实桥测试方案

为对毫米波雷达和振动传感器测试方法测试桥梁挠度振动幅值进行研究，对某简支梁桥进行现场对比测试。

本次测试桥梁的测试跨为跨径为20 m的简支梁，该桥跨径布置为3×20 m预应力混凝土简支T梁，梁宽为25.84 m，梁高为1.2 m。采用毫米波雷达测试时将雷达安放在第2跨跨中对应T梁底面的桥下位置，雷达对准梁底部位，梁体不需要安设任何反射装置（如角反射器）。右侧半幅挠度测点为7个，7台雷达测点从左至右编号为1#测点、2#测点、…、7#测点，如图5所示。

采用振动法测试的振动测试系统采用东方所生产的云智慧采集系统，振动传感器采用891-I型传感器，测试参数选择“速度档”。本桥测试时选择和毫米波雷达相同半幅桥梁，传感器布设在护栏侧桥梁跨中位置，如图5所示。测试数据分析时将测试的速度时程曲线利用DASP软件进行积分，得到桥梁振动位移的“动态分量”。

本文仅分析不同跑车工况下桥梁挠度的振动幅值，跑车速度分别为20，30和40 km/h，试验时车辆沿着图5中的车道3进行跑车试验。

3.2 测试数据对比分析

3.2.1 振动测试法

在跑车20，30和40 km/h三种不同工况中，桥梁测试速度时程曲线积分后的“位移时程曲线”如图6所示。从图中可以看出，采用振动法测试时，车辆跑车时车辆自重作用“静态”分量在时程曲线中无法体现，位移曲线仅能反映动力效应的高频分量的动挠度的“振动幅值”。为了与毫米波雷达测试结果进行对比，在图中分别拾取振动幅值最大的波峰-波谷值，作为计算振动幅值的基准。

3.2.2 毫米波雷达测试法

在跑车20，30和40 km/h三种不同工况中，采用毫米波雷达测试桥梁4#测点挠度时程曲线如图7～9所示。为与振动法测试的振动幅值进行对比，在时程曲线上标注最大挠度位置相邻的波峰、波谷值，取相邻波峰-波谷值作为振动幅值。

3.2.3 两种测试方法对比

根据以上两种测试方法的时程曲线，分别在最大值附近标注其量值，振动幅值取值为最大挠度处附近同一周期内波峰—波谷的差值。采用毫米波雷达和振动法测试得出桥梁在跑车工况下的振动幅值如表1所示。雷达各测点在不同车速下振动幅值变化趋势基本一致，与振动法得出的振动幅值基本一致。在不同跑车工况下，5#～7#雷达测点测试位置基本位于车道3的位置，其振动幅值略大于4#测点的幅值。由于振动传感布设在桥面的位置，雷达测点位置为主梁底面，使得两种测试方法数据有一定的偏差。