基于微波雷达法与振动法索力测试的对比研究

基于微波雷达法与振动法索力测试的对比研究
肖春文*!朱明亮2,朱尚清2
（1.中铁七局集团有限公司，河南郑州450016；2.北京市政路桥管理养护集团有限公司，北京100097）
摘要：通过对微波雷达法与振动法测试斜拉桥索力的测试原理、测试步骤和数据处理结果进行对比分析，并对同一座在役斜拉桥用法振动法拉索测试，在2种测试方法及结果均足要的下，出［雷法在用中出便捷、高效、精准、安全等多方势的结论；为，在斜拉索桥索力测试中方法具有的推广价值&
关键词：桥梁;斜拉桥；索力测试;频率法;微波雷达法；振动法
中图分类号：U448.27；U446文献标志码：B文章编号：1009-7767（2020）S1-0132-04 Comparative Study of Cable Tension Measurement Based on Microwave
Radar Method and Vibration Method
Xiao Chunwen,Zhu Mingliang,Zhu Shangqing
斜拉索作为斜拉桥的主要承重构件，对桥梁的承载能力和使用有着重要影响；斜拉索力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点，为受的测试方法叫法测试为有接触式和2种&其中：振动法属于有
触式测试法,即在拉索上布置，随用振的方测拉索的振动，
振动，用件拉索的振动频&方法的频具有的，但是于其在测要复的线，受％
地斜拉索索等因的，影响的
置，测试在&法属于测试法，其安置，
测斜拉索的振动，便可件出斜拉索的振动频&测试方法，方法要置和线，是线％%检测于的测试方法，着的，备在用用多&备的%
的线用于形和振动测，具有米级的位移［2］，将用于斜拉桥索力测时可以克服气、地斜拉索索长等因，具有便捷％效％、安全等势。

1振动法与微波雷达法索力测试原理
1.1频率法索力计算的基本原理
法振动法的索力测试均属于率法&根据弦振动理论，张紧的拉索在各环境因的作用下常会起的振动，使用灵敏度的拾振器等，采用的
备和分析软件，由结构的振动，分析出若干自振率，后索力自振频率、边界条件、刚度等的关系率来反算索力&
弦振动理论动力平衡方程为［3］：
式中:!为单位索长的重量；（为重力加速度;"为垂直于索方向的横向坐标；#为时间；&为索方向的纵向坐标；'为索的张力；EI为索的抗弯刚度&如果索的两端是X结,则方程的解有简单的形式:
+2!2ei
丘厂&⑵式中:/.为索的第+阶频率;）为索长；+为振动阶数&中右边第2项是拉索抗弯刚的影响值，如不
计该项,则索力表达式有如下简单形式:
/ g
如果索的两端是固结的，或一端固结一端9结，则 方程的解得形式都是超越函数。

由式(2)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，可以直接采用式(3)进行 索力计算&对于某根确定的拉索,式(3)右边的w 、"、g 都是已知值，因此只要能精确测得£,就可求得索力
1.2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
的
，
解
的 比，进行数转换得数 ，
最后送入计算机，通 分析软件输出测试的时程
，
对数据进行 分 拉索的 ，进
拉索的 固有 盒，后将 的
入通
理论分得的 索力的 式，最得到
索力值。

加速度传感器一般可分 式、
式、 式
式4。

振动法索力试一般用 式加速
度传感器。

式加速度传感器的 结构是将一定
量'的
座，一 用于
的
力( 加速度传感器的加速度)，由
定
律式(5)表示，由式(4)和式(5)可得式(6)。

由于*(压电
数)、'一定，所以
的Q (电荷))
&
Q 二 *・(； (4)
(二(5)Q 二
(6)
1.3微波雷达法索力测试原理
是 于 量
试 拉 、
索
拉索、 力
态的一
& 量，
，
拉索后
，得
，通
、
得一列
，从计算拉索的振动
移，
快速傅立叶 换(FFT )，得 特征
值&移时程
换计算振动 或倍
特征，从 计算拉索索力&用
定 拉索振动
的原理如下［2］： 宽带FMCW ，
2
放大后，通过宽带天 向探测区域进行辐，该
S *(,):
S *(，) =rectjexp #2!伉t + —/,2) $，, %亍
$&⑺
式中:rect 为矩形函数*无为载频；&「为线性调频信号 扫 周期;/
*t 1个 制周期内的 间。

然后，去
接收，回
混， 滤后得 SMt )，最后对进行脉冲压缩，可得到高分辨的一维距离像，
即被场景的
像&根 原理，点目标的去接收
弦
，用快速傅立叶换
(FFT )，即可 脉冲压缩，得 被 场景的 像
S IF (.):
Sw(f )二
Si=[!&r (航-/ )]
(8)
式中：！为回波延迟，t =2R /c 注为目标与雷达之间的距离;C 为电磁波传播速度；/
像的频率值&
脉压之后，f 目标距离3的对
f ! 2rk /c ，
带入式(8)可得：
' c c /
式(9)中，雷达图像在r =R 处形成峰值，通过峰值 可定 观点在 像的置&该峰值点对
应的相位为！二4!C R /c = 4! R 仇，久为电磁波波长&
根 观 目标至雷达的距离，从 像定位波
峰位置，提取波峰对 的相位值 !(t s )(见 1)。

图1相位的形变测量原理
选某个时刻！°，根后续刻 像的 :与基准 之差，即可推算出观 目标的位移变化量
B (t s )。

B (,；)二几邸⑴-&
(10)
4!
式中:t s 为形变测量时刻，一般测量频率小于200 Hz & 由于 工 长较短，且 量精度高，因此可
以 很高的移 量精度&
式（10）得到了斜拉索位移的时程曲线d（!$）,对其进行离散傅立叶变换（DFT）得到斜拉索位移量的频域数据X（f d）$由于形变测量频率F s（即雷达数据更新率）远高于斜拉索的最高振动频率扎,即:F$!2!扎,根据采样定理则可以通过对斜拉索位移的时程曲线进行傅里叶变换,并无模糊地求出斜拉索的振动频率$
X（f d）*"d（!$）exp（-j2!f#!$）d!$（11）式中:T为形变观测时间,与频率分辨率成反比$因测
量慢速基频需要更长的观测时间,所以这一点与常规振动传感器的要求一致$
2工程实例
2.1项目概况
某桥梁主桥为4跨连续（37.00+70.00+100.00+ 56.00）m索面的斜拉桥，主塔采用塔、梁、墩固结体系，高度与中长之比为0.33,主梁的高跨比为1/33；、梁固结体系,索塔高度与中长之比为0.19；斜拉索11对, 4组,度1860MPa的高强度-线$
2.2实施测试
1）振动
振动为:1"根据不同拉索的振动估算拉索的频率，的速度传感器，传感器
拉索上，位量拉索中部（2）；2）
传感器索测振动测系，测量拉索的振动，测，则需
的；3）对进行频谱分析得到拉索的自振频率。

基频振动在拉索的中最振幅，测量-所，传感器拉索的中，因需要r 频率频$到基频数据，则需通过振频率中的频率出基频数据$
2）雷达
雷达为:1）测对
内稳固雷达，需在拉索
施；2）发射，调整雷达发射束平使之
量与所测斜拉索保持垂直；3"数据收,观察雷达测到的反射波形，雷达会按照时间动记录所斜拉索的视距距离、振动幅度等测数据，利用雷达具的测距功能可分辨雷达形峰对的斜拉索；4）数据分，
a）微波雷达法现场索力测试示意图
11
b）振动法现场索力测试示意图
图2微波雷达法与振动法现场索力测试示意对比图
将测量到的斜拉索时域信号转换到频域，通过反射接收后的位，利两次发射位做测量拉索的振动时程曲线，然后进行频分-算拉索索$
2.3微波雷达法优势
通过对一座役斜拉桥分别采用微波雷达法与振动进行拉索测试，雷达优势下：1）高效性$可以实时测量多根拉索，测试效率相对振动能够提高数倍，频域特征著，数据完整，可准确测得基频而无需干$
2）便捷安全性$非触式测，不需在拉索或
施，只需雷达，即可减少员登梯等高处业的风险，可避免桥车流与测过程的互干扰$
3）精准性$天气、场地或斜拉索索长等因素的限制，雷达可以集到拉索中最振数据，可以获得优异的信噪比，每根斜拉索的基频和高频率能直得到，并可较程度地避开斜拉索减器的$
3测试结果对比分析
该座桥梁共计测试拉索60根，其中选取10根有
代表性的拉索进行数据列表说明（见表1）,振动法与微波雷达法测试R1拉索的频谱图见图3。

表12种方法拉索索力测试结果对比分析表
测点微波雷达法振动法微波雷达法振动法索力偏编号基频/Hz基频/Hz索力/kN索力/kN差率/% R1 2.25585 2.2586062576272-0.24
R2 2.46093 2.45696633763170.32
R3 2.66602 2.6858762476341-1.47
R4 2.80274 2.7850757115639 1.27
R5 3.14453 3.1284058395780 1.03
R6 3.00781 3.0597629943098-3.37
R7 3.41796 3.3726029862907 2.71
R8 3.82812 3.7846028142751 2.31
R9 4.51171 4.5248027372753-0.58
R10 5.53710 5.6846028152967-5.12
a）振动法频谱图
b）微波雷达法频谱图
图3振动法与微波雷达法测试R1拉索的频谱图
2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%。

由表1%图3可以得出，在满足测试数据准确、可靠的前提下,2种测试方法测出的频谱分析图均能清楚明显地看到拉索的基频信号,测试效果非常理想,且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2种方法所有测试数据进行对比分析,其测试结果基本吻,索力偏差率 6.86%,测试结果在4%以下的有56拉索,表明2种结果测试准确，一致性较好，见图4。

4,7%
15,25%
偏差率VI%
■1%V偏差率V2%
■2%V偏差率V3%
3%V偏差率V4%
■4%＜偏差率＜7%图42种方法拉索索力测试结果对比分析饼状图
4结论
过对同一座在役斜拉桥分别采用微波雷达法与振动法进行拉索测试,并对测试过程及结果进行对比分析,得出下结论：
1）2种测试方法均可桥梁索力健康安全状态评判提准确数据,且测试结果对比分析偏差，结论基本一致。

2）振动法要在拉索能测得准确数据,对有较高的要求且
与相,微波雷达其的测试
理可采斜拉索的信号,方且可测试差。

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、场地斜拉索索的测试下，应用微波雷达法效、、、精准,有,在
参考文献:
⑴袁博.斜拉索索力测试影响因素分析及模型修正方法研究[D],
:长安大学,2008.
[2]王翔，潘中明，王波.基于雷达的斜拉索索力非接触遥测技术
研究[J].世界桥梁，2019,47（3）:49-50.
[3]何玉珊,程崇国,韩文元，等.公路水运工程试验检测专业技
职业资格考试用书:桥梁隧道工程[M].北京：人民交通出版社股份有限公司,2016：331.
收稿日期：2020-04-24
作者简介：肖春文，男，高级工程师,硕士，主要从事施工技术管理工作。