基于地基雷達(dá)的高鐵橋梁運(yùn)營動態(tài)形變監(jiān)測

陳思彤　邵益　劉偉　沈月　魏挺　劉小陽

摘? 要：我國高鐵線路中，大量以橋代路，橋梁結(jié)構(gòu)占比極大。為保證動車組的安全運(yùn)行，需對高鐵橋梁運(yùn)營進(jìn)行安全形變監(jiān)測。針對傳統(tǒng)接觸式監(jiān)測方法的不足，文章提出了基于地基雷達(dá)技術(shù)的高鐵橋梁運(yùn)營形變監(jiān)測方法。利用FastGBSAR系統(tǒng)對安定鎮(zhèn)段京滬高鐵31.5m簡支梁橋進(jìn)行監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了分析，結(jié)果表明地基雷達(dá)技術(shù)能有效應(yīng)用于高鐵橋梁的動態(tài)形變監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：地基雷達(dá);高鐵橋梁;動態(tài)形變;監(jiān)測

中圖分類號：U446? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）17-0033-03

Abstract： In China's high-speed railway lines， a large number of bridges take the place of roads， and the bridge structure accounts for a large proportion. In order to ensure the safe operation of EMUs， it is necessary to monitor the safety deformation of high-speed railway bridge operation. In view of the shortcomings of the traditional contact monitoring method， this paper proposes a deformation monitoring method of high-speed railway bridge operation based on ground-based radar technology. The FastGBSAR system is used to monitor the 31.5m simply supported beam bridge of Beijing-Shanghai high-speed railway in Anding town. The results show that the ground-based radar technology can be effectively applied to the dynamic deformation monitoring of high-speed railway bridge.

Keywords： ground-based radar; high-speed railway bridge; dynamic deformation; monitoring

1 概述

隨著我國高速鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，如何保障運(yùn)營高鐵的安全已成為首要問題。我國高鐵建設(shè)中大量以橋代路，以京滬高鐵為例，其正線全長的86.5%是橋梁，如何監(jiān)測這些橋梁運(yùn)營安全更是重中之重。目前高鐵橋梁運(yùn)營動態(tài)形變監(jiān)測主要利用傳感器進(jìn)行[1-4]，這些傳統(tǒng)形變監(jiān)測方法技術(shù)成熟，但對于高架的高鐵橋梁，傳統(tǒng)接觸式測量方式存在數(shù)據(jù)采集設(shè)備安裝困難，不易固定，數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定，工作效率低等問題。難以滿足我國快速發(fā)展的高速鐵路橋梁運(yùn)營性能檢定的需求。針對傳統(tǒng)高鐵橋梁運(yùn)營形變監(jiān)測方法的不足，本文探索基于地基雷達(dá)技術(shù)的非接觸高鐵橋梁運(yùn)營動態(tài)形變監(jiān)測方法。

2 地基雷達(dá)測量原理

FastGBSAR是荷蘭Metasensing公司研制的一款基于全新調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)（FMCW）地基雷達(dá)測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種主動式微波遙感，通過距離向采樣和方位向采樣生成影像的空間信息。每個像素點(diǎn)都提供一個復(fù)雜的存儲單元，振幅與散射信號的能量直接相關(guān)，從中可以獲得監(jiān)測目標(biāo)回波信號的相位信息與振幅信息。振幅表示目標(biāo)的反射率，相位取決于目標(biāo)和雷達(dá)距離以及大氣擾動等。通過計(jì)算兩幅相位差得到干涉相位：

式中，φdisp為物體相對雷達(dá)移動造成的相位差，φatm為大氣擾動引起的相位差，φnoise為噪聲引起的相位差，n為整周模糊度。

通過加權(quán)圓周中值濾波去除噪聲相位[5]，相位解纏得到整周模糊度n，短時間近距離監(jiān)測時，在忽略大氣擾動相位情況下通過相位差解算得到視線向位移，進(jìn)而獲得觀測對象的形變信息。

3 高鐵橋梁動態(tài)形變監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取

本次選址北京市安定鎮(zhèn)的一段京滬高鐵31.5m簡支箱梁作為實(shí)驗(yàn)觀測對象。該橋梁遠(yuǎn)離市區(qū)和交通要道，避免了測量時外界震動因素的干擾。同時，動車組經(jīng)過此地時，處于高速行駛狀態(tài)。

因高鐵大橋的形變本身就很微小，測量精度直接決定監(jiān)測方案的可行性。FastGBSAR是一種在Ku波段工作的干涉雷達(dá)系統(tǒng)，實(shí)際測量精度可以達(dá)到0.01mm[6]。為減少觀測誤差，將儀器安置于三腳架上，固定于觀測橋梁正下方，保證觀測過程中儀器自身的穩(wěn)定。由于監(jiān)測時間短，故認(rèn)為系統(tǒng)頻率能夠保持穩(wěn)定，系統(tǒng)存在頻率偏移也極其微小，可忽略不計(jì)。距離測量目標(biāo)最遠(yuǎn)不超過10m，在此短距離內(nèi)，大氣干擾也可以忽略不計(jì)。

觀測過程中，儀器對準(zhǔn)目標(biāo)是橋跨中央（如圖1），監(jiān)測動車組通過時橋梁跨中豎向形變信息。因FastGBSAR系統(tǒng)只能監(jiān)測到雷達(dá)視線向的位移，梁體豎向振動需通過幾何計(jì)算得到。圖2即為視線向位移與梁體垂直向形變關(guān)系圖。系統(tǒng)傳感器仰角α約為42度，傳感器距離橋梁底部高度h為3.5m，傳感器距離梁體跨中距離D為5.2m。由式（3）即可計(jì)算出梁體荷載作用下豎向形變量。

本次試驗(yàn)從早上8點(diǎn)至下午16點(diǎn)，歷時近8個小時，共采集到26列動車組列車經(jīng)過時橋梁豎向振動觀測數(shù)據(jù)，其中包括一對對向同時通過的列車。

4 數(shù)據(jù)處理與形變分析

4.1 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用ViMon軟件進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理中，設(shè)置10%采樣數(shù)據(jù)棄置率，去除不需要的信號后進(jìn)行數(shù)據(jù)聚焦。依據(jù)傳感器的姿態(tài)和與觀測梁體目標(biāo)位置進(jìn)行設(shè)置，通過SNR（信噪比）選定觀測目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的穩(wěn)定點(diǎn)（PS點(diǎn)）進(jìn)行分析（圖3）。當(dāng)PS點(diǎn)被選擇以后，為檢查所選PS點(diǎn)信號質(zhì)量，可以通過PS點(diǎn)極化圖在時間序列上對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評定。極化圖由振幅和相位組成，其中徑向分量表示振幅，角度向代表相位。一個最佳時間序列具有恒定幅度，意味著位移或振動在圖中呈現(xiàn)出圓形或者扇形分布于圓心附近。圖4顯示所選PS點(diǎn)的時間序列較好，噪聲小，表明觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。

4.2 形變分析

圖5為FastGBSAR實(shí)測得到的單次動車組高速運(yùn)行下梁體跨4個PS點(diǎn)的豎向振動形變曲線。圖中可以清晰的看出16節(jié)動車組每節(jié)列車通過時跨中4個PS點(diǎn)豎向位移變化。動車組在62.5s抵達(dá)橋梁跨中監(jiān)測點(diǎn)，橋梁在沖擊作用下產(chǎn)生了最大約0.74mm的豎向位移。因16節(jié)動車的持續(xù)沖擊，橋梁產(chǎn)生了約0.2mm的豎向振幅。動車組在67.2s離開，橋梁逐漸恢復(fù)平靜。動車組行駛時間約4.6s。已知編組16輛的高速動車組CRH380車長約400m，可知運(yùn)行時速約310km/h。

圖6為實(shí)測得到上下行動車組同時通過橋梁時4個PS點(diǎn)的豎向振動形變曲線。在15.4s時，上行動車組抵達(dá)橋梁監(jiān)測點(diǎn)，橋梁跨中最大產(chǎn)生了約0.70mm的豎向形變。上行動車組運(yùn)行了第五節(jié)的時候，下行動車組進(jìn)入測量橋梁，形變瞬間增加0.62mm，最大達(dá)到為1.38mm。當(dāng)上行動車組離開后，最大豎向形變量恢復(fù)到約0.66mm，在約22.2s時，下行動車組離開，橋梁形變恢復(fù)正常。圖中可以看出，單次動車組沖擊下，橋梁豎向振幅約0.2mm，在上下行列車組同時沖擊下，橋梁豎向振幅約0.3mm。

為驗(yàn)證形變監(jiān)測結(jié)合的有效性，利用地基雷達(dá)實(shí)測動車組通過時橋梁跨中形變時程曲線，獲得橋梁跨中動撓度平均值，再依據(jù)運(yùn)營車輛荷載換算至ZK靜活載的換算系數(shù)[7]，實(shí)際計(jì)算得到的撓跨比與傳統(tǒng)研究結(jié)果相吻合[1-2]。

5結(jié)束語

地基雷達(dá)作為一種高精度、高頻率的橋梁運(yùn)營動態(tài)形變監(jiān)測技術(shù)，相比傳統(tǒng)的橋梁變形監(jiān)測方法，無需在橋梁上安裝任何裝置，且設(shè)站靈活，大大提高了監(jiān)測效率，節(jié)約了成本。為我國高鐵橋梁運(yùn)營性能檢測參數(shù)提供了一種新的測量方法。

參考文獻(xiàn)：

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