毫米波雷达在桥梁智慧化监测中的应用研究

2024-04-29周青松秦明霞

智能建筑与智慧城市 2024年4期

周青松，秦明霞

（1. 上海市建筑科学研究院有限公司；2. 上海市工程结构安全重点实验室）

1 引言

桥梁结构不仅方便人们出行，而且极大地促进了社会经济发展，保证桥梁结构的安全运营具有重要意义[1]。桥梁动挠度、结构基频作为判定桥梁刚度和承载能力的重要性能指标[2]，是评判桥梁结构健康状况的重要依据。因此利用各种方法实时监测桥梁动挠度以及基频对于判别桥梁的健康状况，保障桥梁安全运营具有重要作用。

目前用于测量桥梁挠度的方法主要有连通管、拉线式电测位移计、光电挠度仪和GNSS。连通管法主要用于静态测量，无法实现动挠度测量；拉线式电测位移计的最大适宜测量跨径为50m 左右，无法实现大跨径桥梁的动挠度测量；光电挠度仪设备价格昂贵，易受下雨、雾天等环境条件的影响[3]，无法实现在线实时测量；GNSS 采样频率较高，但竖向精度较低，无法满足实际工程测量精度要求[5]。

毫米波雷达测量技术具有高精度、高采样频率、受环境影响小的特性，满足桥梁动挠度监测的基本需求，随着毫米波雷达在车辆自动驾驶、高速宽带无线通信等技术的成功应用，该技术在桥梁智慧化监测中的应用研究得到广泛关注。

本文以一座跨径为80m 的系杆拱桥为案例，如图1 所示，对毫米波雷达在桥梁智慧化在线监测的应用进行研究，采用毫米波雷达对进行动挠度进行实时监测，并利用高频动挠度数据进行结构基频计算分析。

图1 案例桥梁示意图

2 毫米波雷达竖向位移测量原理

毫米波雷达是一种工作在毫米波段的电磁波，雷达射频前端发射电磁波，到达靶标后回波被雷达系统接收，通过对比发射波与回波的强度锁定靶标位置。当靶标发生位移时，雷达系统分析两次接收波形的相位差可确定位移变化量，毫米波雷达监测原理如图2所示。

图2 毫米波雷达监测原理图

测试时，雷达安装于相对固定的位置处，靶标固定于被测点位处，当桥梁产生向下挠度d时，雷达直接测量得到的位移变化量为dp，根据相似三角形可知：

dp：测点在雷达距离间的变化量，可通过雷达主机测量得到；α：雷达与测点之间的夹角

h：雷达与测点的垂直距离，需人工辅助测量得到；R：雷达与测点的距离，可通过雷达主机测量得到

将公式（1）（2）结合可得到挠度d

3 桥梁动挠度监测

3.1 测点布置

该系杆拱桥计算跨径80m，桥宽23m，上部结构采用下承式钢筋混凝土系梁拱桥，全桥由拱肋、系梁、横梁、吊杆及桥面系组成。采用桥梁有限元分析软件MIDAS/Civil 对该桥进行建模计算，该桥在车辆荷载作用下最大位移发生在桥跨四分点处，如图3所示。因此本次监测在桥梁四分点及跨中设置2个动挠度监测点，测点编号分别为测点1、测点2，毫米波雷达安装在相对固定的1 号桥台台身处，如图3所示。

图3 活荷载作用下最大位移图

3.2 测试结果

选取某一时间段一辆重车通过时毫米波雷达与光电挠度仪的动挠度测试结果对比如图4-5所示。

图4 1#测点动挠度对比图

图5 2#测点动挠度对比图

1 号测点的毫米波雷达测试峰值为1.47mm，光电挠度仪测试峰值为1.54mm；

2 号测点的毫米波雷达测试峰值为1.49mm，光电挠度仪测试峰值为1.43mm；

3.3 动挠度测试结果小结

毫米波雷达与光电挠度仪动挠度测试结果如下表1所示，结果基本一致，最大相对误差5%，毫米波雷达测试所得动挠度结果是可靠的。

表1 动挠度峰值监测结果对比表

4 桥梁基频监测

4.1 仿真分析

利用前述MIDAS有限元模型进行仿真分析，该桥的一阶频率为2.12Hz，一阶模态为反对称竖弯，如图6所示。

图6 一阶模态

4.2 测试结果

4.2.1 毫米波雷达测试结果

根据仿真分析，该桥一阶模态为反对称竖弯，最大位移在四分点位置，因此选取该桥四分点由毫米波雷达测得的某一时间段内桥梁动挠度如图7 所示，从该时程图可知，在0s～3s 之间挠度相对平稳，在3s～9s之间挠度逐渐增大，在9.52s时测得最大挠度为1.35mm，在9s～19s 之间挠度逐渐减小，在19s后逐渐减小为0，可知该段时间内发生了一次重车经过激发的振动。在时间为3s 到19s 范围内，该桥共发生36次周期性振动，换算频率为2.25Hz。