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微波雷达法与振动法索力测试的对比研究
时间:2020-04-29 11:21 点击次数:
斜拉索作为斜拉桥主要承重构件,对桥梁的承载能力和使用有着重要影响,是确保桥梁线形美观、受力合理以及运营期桥梁健康安全状态的核心指标,因此索力测试在斜拉桥日常维修检测中具有举足轻重的地位。
在役斜拉桥索力测试的方法有很多,但频率法具有简单、方便、快捷、测试设备可重复使用等突出优点,故成为现阶段最受欢迎的测试方法[1]。频率法测试分为有接触式和非接触式两种方法,振动法是一种有接触式测试法,在拉索上布置加速度传感器,随机或采用人工激振的方式测量拉索的振动信号,通过数据采集仪采集振动数据,利用分析软件得到拉索的振动频率,此种方法得到的基频具有较高的精度,但是由于其在测量基频时需要进行复杂的布线,容易受天气、场地或斜拉索索长等因素的限制,影响传感器的精准布置,导致测试数据存在误差。微波雷达法是一种非接触式测试法,只需安放雷达装置,发射电磁波实时监测斜拉索的随机振动,通过软件分析得出斜拉索的振动频率。与接触式测试方法相比,此方法不需布置传感器和繁琐布线,是一种集无线、远程、无损检测于一体的测试方法,随着雷达技术的发展,雷达设备在民用领域应用越来越多。雷达设备发射经过特殊调制的无线电波适用于微小形变和振动测量,具有亚毫米级的位移精度[2]。将其应用于斜拉桥索力监测时可以克服天气、场地或斜拉索索长等因素限制,具有便捷、高效、精准、安全等优势。
微波雷达法与振动法索力测试原理
1、频率法测量索力原理
微波雷达法与振动法索力测试的方法均属于频率法。根据弦振动理论,张紧的拉索在各种环境因素的作用下通常会激发起微小的振动,通过使用高灵敏度的拾振传感器或微波雷达微波信号等方法,采用相应的数据采集设备和分析软件,由结构的振动分析出若干自振频率,最后由索力与其自振频率、边界条件、刚度等的关系式通过频率来反算索力。
弦振动理论动力平衡方程为[3]:

式中右边第二项是拉索抗弯刚度的影响,如不计这一项,索力表达式有如下简单形式:


如果索的两端是固结的,或一端固阶一端铰结,方程的解得形式都是超越函数。
由上式计算表明,对一般细长比极小的拉索,支座形式对索力的影响不大,可以直接采用上式进行索力计算。对于某一根确定的拉索,上式右边的都是已知值,只要能精确测得fn,就可求得索力T。
2、振动法索力测试原理
振动法测试索力的原理是利用加速度传感器将拉索的振动量转换成相应的电信号,经过信号调解电路改善信号的信噪比,再进行模数转换得到数字信号,最后送入计算机,通过分析软件输出测试的时程曲线,对数据进行频域分析获取拉索的频谱图,进而识别出拉索的各阶固有频率,然后再将实测的频率代入通过理论分析得到的频率与索力的关系式中,最终得到索力值。
加速度传感器一般可分为压电式加速度传感器、压阻式加速度传感器、电容式加速度传感器、和伺服式加速度传感器四种。振动法索力测试一般采用压电型加速度传感器,压电型加速度传感器的基本结构是将一定质量m的压电元件和管座一起,作用于压电元件上的惯性力F与加速度传感器的加速度a由牛顿第二定律式(5)表式,由式(4)和式(5)可得式(6),由于d,m一定(d为压电常数),产生的电荷Q与加速度a成正比。

 
 
微波雷达是基于干涉测量技术实现测试斜拉桥、悬索桥和吊杆拱桥等线缆体系桥梁拉索、吊杆受力状态的一款检测设备。测量时,微波雷达发射微波信号,遇到拉索后反射回来,得到相位变化;通过不断发射、反射得到一系列变化相位,从而计算出拉索的振动变化位移,经过快速傅立叶变换(FFT),得到频域特征值。位移时程曲线经过时频变换计算出振动频率或倍频特征,从而计算拉索索力。采用微波雷达测定斜拉索的振动频率的原理如下[2]:雷达产生宽带FMCW信号,经过射频放大后,通过宽带天线向探测区域进行辐射,该信号为:



工程测试对比分析案例
1、工程概况
此桥梁主桥为四跨连续(37.00m+70.00m+100.00m+56.00m)子母塔单索面的预应力混凝土斜拉桥,主塔采用塔、梁、墩固结体系,塔高度与中跨跨长之比为0.33,主梁主跨的高跨比为1/33;子塔采用塔、梁固结体系,索塔高度与中跨跨长之比为0.19。主塔斜拉索设11对,子塔设4组,均采用极限强度1860MPa高强度低松弛环氧钢绞线。
2、振动测试法
   振动法属于接触式测试方法,操作步骤为,第一,根据不同拉索的振动估算拉索的频率,选择合适的加速度传感器,将传感器绑在拉索上,安装位置应尽量靠近拉索中部(见图6)。第二,将传感器连接至索力测试仪或振动测试系统,测量拉索的随机振动信号,如测试信号不明显,需采取人工激励的方法。第三,对信号进行频谱分析得到拉索的自振频率。基频振动在拉索的中央有最大振幅,受测量条件所限,传感器很难安装在拉索的中部,因此需要判断低阶频率是否存在漏频现象。如未采到基频数据,则需通过前几阶自振频率中相邻阶的频率差值来计算出基频数据。
3、微波雷达测试法
微波雷达法属于非接触式测试方法,操作步骤为,第一,在测试对象合适范围内稳固安放雷达,不需在拉索或吊杆上安装任何辅助设施。第二,发射微波信号,调整雷达发射波束平面使之尽量与所测斜拉索保持垂直。第三,数据接收,观察雷达测到的反射波形,雷达会按照时间自动记录所有斜拉索的视距距离、振动幅度等测试数据,利用雷达具有的测距功能可分辨雷达波形峰值对应的斜拉索。第四,数据分析,将测量到的斜拉索时域信号转换到频域,通过反射接收后的信号计算相位,利用两次发射相位做差来测量拉索或吊杆的振动时程曲线,然后进行频谱分析计算拉索索力。

测试结果对比分析
本座桥梁共计测试拉索60根,本次选取10根有代表性的拉索进行数据列表说明,见表1。


两种测试方法的索力偏差率是微波雷达法相对于振动法的百分比,即(微波雷达法-振动法)/振动法×100%。由以上图表可以得出,在满足测试数据准确、可靠的前提下,两种测试方法测出的频谱分析图能清楚看到拉索明显基频信号,测试效果非常理想,经过数据处理分析均能满足桥梁索力的精度要求。在上述基础上,对两种方法所有测试数据进行对比分析,其测试结果基本吻合,索力最大偏差率为6.86%,测试结果在4%以下的总计有56根拉索,表明两种结果测试准确,一致性较好,见图4。

图4两种方法拉索索力测试结果对比分析饼状图
结 论
本文通过对同一座在役斜拉桥分别采用微波雷达法与振动法两种不同的索力测试法进行拉索测试,并对测试过程及测试结果进行对比分析,得出如下结论:
(1)两种测试方法均可为桥梁索力健康安全状态评判提供准确数据,且测试结果对比分析后偏差较小,结论基本一致。
(2)振动法需要人员将传感器安装在拉索中部才能测得准确数据,对操作人员有较高的要求和限制且会与交通产生相互影响,但雷达因其独特的测试原理可采集斜拉索任何部位的信号,不仅操作方便而且大幅降低测试误差。
(3)微波雷达法是一种集无线、远程、无损检测于一体的测试方法,相对振动法,特别是对于受天气、场地或斜拉索索长等因素限制的测试条件下,应用微波雷达法更加高效、便捷、安全、精准,使其更具有优势,故在工程实践中值得推广。

 

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