程 斌， 林贤光

(武汉城市职业学院， 湖北 武汉 430064)

0 引言

斜拉索是斜拉桥的重要组成部分，也是斜拉桥的主要承载部件。斜拉桥在运营期间由于拉索锚固区应力高度集中、环境引起拉索腐蚀以及振动等问题会引起索力的变化，如果索力变化过大会影响到斜拉桥受力的合理性和结构的安全性，所以及时对斜拉桥的索力进行测量是关系到在役斜拉桥能否正常运营和进行健康监测的关键环节[1]。

拉索索力的测量是工程界的一个难题，对索力的测量是国内外桥梁领域广泛重视的一项研究课题。目前比较常用的方法有压力表、压力传感器、磁通量、振动频率等测定法。在这些方法中，压力表测量法简单易行，但不适宜成桥后的测量；压力传感器测定法测量的索力值具有一定局限性，它只能代表索头的张力，不能代表整索的实际索力值；磁通量测定法在国外使用较广泛，国内应用较少，必须在拉索中安装磁通量传感器才能进行拉索索力测试；振动频率测定法是常用的方法，将加速度计固定在拉索的底端位置处，通过测量拉索振动的加速度信息来获得振动频率信息，该方法主要问题有： ① 接触式、单条拉索测量，效率低下； ② 测量位置在拉索底部，而不在测量最准确的拉索中间位置，所以测量值不准确； ③ 长时间加速度计测量将存在受温漂影响而产生较大偏置现象。

1 微变形雷达工作原理

基于微波干涉的索力遥感测量技术是一种全新索力测量技术，它结合了宽带信号脉冲压缩、相位干涉测量，目标检测和基频提取等技术，能够实现对索力的远程遥感测量，测试数据较为稳定，受环境影响较小[2]。

微变形雷达是一种基于干涉测量技术实现斜拉桥、悬索桥和吊杆拱桥等线缆体系桥梁拉索、吊杆受力状态检测的设备。另外，该设备在做好抗风和保护装置条件下，可用于测量拉索在大风、大雨条件下拉索振动位移。由于微变形雷达采用非接触式测量，不需要在拉索上安装任何辅助设施，检测效率得到了极大提高，同时可以实现多达10根以上拉索索力的测量；可以在进行索力振动测试的同时得出拉索的振动位移，这对于拉索较长的拉索风、雨振的研究有一定价值。

微变形雷达主要由脚架、电脑控制单元、能量供应单元及雷达控制单元等组成，雷达控制单元安装在配备有3D旋转头的三脚架上，以确保调节雷达监测方向，同时雷达单元配备有两个用于传输和接收电磁波信号的喇叭天线[3]。设备与测量对象有一定距离，发射微波信号，通过反射接收后的信号计算相位，以2次发射相位差测量拉索或吊杆的振动位移[4]，测试原理见图1。

图1 测试原理图

图1中d为两次测量间目标在雷达视线上的位移量，可用式(1)计算求得。

(1)

式中：λ为雷达工作波长；φ1为第一次目标测量相位；φ2为第二次测量相位。

通过雷达波的相位差对目标物位移进行精确测量，得到斜拉索位移的时程曲线，对测试位移时程曲线进行傅里叶变换得出拉索振动频率X(fd)：

(2)

式中:T为形变观测时间，T与频率分辨率fd成反比，测量慢速基频需要更长的观测时间，这一点与常规振动传感器要求一致。

利用微变形雷达测试的频率可以测定索力，测试场景见图2。雷达发出的微波呈扇形分布，在一定距离范围，若有多个测点在扇形区域内即可同时测得多根拉索索力，多根拉索同时测试见图3。

图2 测试场景

图3 多根拉索同时测试

首先从“1”位置开始测量，根据测量有效索数量，记录编号；测量完后，将设备移动到最后1根有效索末端，进行下次测量，记录编号，以此类推，确定每次测量对应拉索编号。

斜拉桥的每1根索通常长几十米乃至上百米，索的一端与桥塔固结，另一端则连接桥面。尽管每根索都由多根钢丝或钢绞线制作，但相对于整个索的长度及它所承担的张力，可近似看作两端固结、而自重又可忽略不计的理想拉弦形式。根据柔韧弦振动理论，可得出相应无阻尼自由振动方程：

(3)

式中:u(x，t)为索上各点在时刻t的横向位移；ρ为索的线密度；T为索内拉力。

由式(3)可以得到索力与频率之间的关系：

(4)

式中:l为斜拉索的计算长度；fn为第n阶固有频率；n为为振动阶次；f1为基频，通常利用频谱图中相邻两谐振峰之间的频率差求得基频。

根据拉索索力测定原理，确定索力的方法与拉索约束条件等有关。对于短索来说,受边界条件以及安装在拉索上的阻尼器影响，短索频率测试相对较为困难，但采取适当技术手段还是能够准确测试拉索频率。如采用传统的振动测试方法往往需要进行激励才能准确测试频率。采用微变形雷达测试拉索可以穿透护套，直接遇钢拉索进行反射，无需对拉索进行激励即可准确测试拉索频率[5]。

2 索力测量有效性判定

由于雷达技术为非接触测量，在实际索力测量过程中，如何判断测量数据的有效性，拉索是否漏测，可根据雷达回波“距离-幅度”图来判断有多少根拉索测量数据有效，距离-幅度图见图4。

图4 距离-幅度图

有效测量拉索判断：每个波峰是一根拉索回波，当幅度超过20，或明显比其它杂波能量更强时，可判别为有效索，图5距离-幅度分析图显示了一次测量5根有效拉索。

图5 距离-幅度分析图

漏索判断：如图5中每2根有效拉索波峰之间的距离基本上等分布(大多数情况下斜拉桥靠近桥塔位置前几根拉索间距会大点，不代表所有场合)，如果S1、S2、S3、S4相差较大，根据现场拉索实际分布情况，即可判断是否漏索。

3 微变形雷达监测系统

系统主要包括微变形雷拉索位移采集、基于WiFi/4G技术的无线数据传输、PC端数据处理分析几个部分。具有较大带宽，可实现较高距离分辨率；具有很好的环境适应性，不受光照影响，在雨、雪、雾等恶劣气候下全天候工作。通过微波干涉技术测量拉索变形，并将所有测点初始值和变形值通过无线WiFi实时传输至PC端，在PC端提前设置好数据文档格式，数据处理分析程序实时显示各目标实测变形值及索力值。

4 工程应用

4.1 测点布设

某双塔双索面矮塔斜拉桥为总计有60根拉索，拉索理论长度在11～66m，最短索长11.81m，拉索分布见图6。采用传统振动测试法和雷达技术进行索力测试来验证雷达索力测试的精度，寻找合适位置安放雷达，使雷达安放稳固，雷达发射波束组成的平面应尽量与待测所有斜拉索基本垂直；初步观察雷达反射波形，斜拉索反射的雷达回波与环境反射的雷达回波波形区别明显，雷达本身具有测距功能，可以通过距离远近数据判断每个雷达波形峰值依次对应由远而近的每根斜拉索，测量斜拉索到雷达的距离来进一步确认每根斜拉索对应的信号数据[6]，现场测试见图7。

图6 拉索分布

图7 现场测试图

4.2 对比分析

振动测试法(传统云智慧设备)和雷达技术测试法频率对比见表1。

表1 基频对比结果表拉索编号传统云智慧/Hz雷达/Hz两种方法偏差/%拉索编号传统云智慧/Hz雷达/Hz两种方法偏差/%L12.255 852.182 2733.26R12.255 852.258 600.12L22.460 932.472 2250.46R22.460 932.456 960.16L32.597 652.571 4201.01R32.734 372.685 871.77L42.871 092.807 9602.20R42.871 092.785 073.00L53.076 173.052 1000.78R53.144 533.128 400.51L63.076 173.090 3000.46R63.007 813.059 761.73L73.349 603.342 1000.22R73.417 963.372 601.33L83.828 123.868 6001.06R83.828 123.784 601.14L94.580 074.570 6000.21R94.511 714.524 800.29L105.673 825.699 8500.46R105.537 105.684 602.66L116.562 506.562 1000.01R116.562 506.554 400.12L126.835 936.653 6002.67R126.630 856.607 900.35L135.947 265.928 8000.31R135.742 185.821 901.39L144.648 434.601 1001.02R144.648 434.593 501.18L153.828 123.807 500 0.54R153.828 123.792 270.94L163.417 963.342 0802.22R163.466 793.471 800.14L173.076 173.059 8000.53R172.929 682.983 461.84L183.076 173.052 0000.79R183.222 653.136 062.69L192.832 032.869 0001.31R192.734 372.724 030.38L202.587 892.586 6800.05R202.685 542.678 240.27L212.441 402.411 1831.24R212.441 402.441 700.01L222.246 092.266 2000.90R222.294 922.266 211.25L234.882 814.852 9000.61R234.785 154.746 100.82L245.664 065.730 4001.17R245.566 405.600 700.62L257.031 257.004 6000.38R256.933 596.920 700.19L269.375 009.537 9001.74R269.375 009.309 000.70L278.984 379.141 1001.74R278.984 379.110 601.40L286.542 966.577 3000.52R286.738 286.615 501.82L295.517 575.524 4000.12R295.468 755.509 100.74L304.882 814.860 5000.46R304.882 814.860 500.46

2种测量结果对比统计：

①偏差<1%为35根，占比58.34%；②偏差≥1%且<2%为18根，占比30%；③偏差≥2%且<3%为5根，占比8.33%；④偏差≥3%且<4%为2根，占比3.33%。

2种方法最大偏差为3.26%，2%以下的总计有53根拉索，占比接近90%，表明2种测试方法结果准确，一致性较好。所以，使用微波索力检测仪测量拉索受力数据可信。

5 结语

研究了微变形雷达系统基本原理和索力测定方法，通过对具体斜拉桥索力进行对比性检测，探究了微波雷达检测性能及适用性，主要得到如下结论：

1) 微变形雷达检测技术具有亚毫米级的位移精度，可应用于斜拉桥索力检测，数据精确可信，具有单台设备可同时动态测量多个目标等优点。

2) 微变形雷达可实现远距离、无接触直接获得实时位移数据，并且能够有效消除检测现场外界因素干扰，可实现全天候测量，不受光线、大雾、灰尘、大雨等环境影响。具有传统检测设备不具备的优势，有较强的实用推广价值。