高層建筑動態(tài)監(jiān)測中微波干涉測量的應(yīng)用

桂芳茹

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川德陽 618000)

高層建筑動態(tài)監(jiān)測中微波干涉測量的應(yīng)用

桂芳茹

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川德陽 618000)

基于微波干涉測量技術(shù)(ISBS-S技術(shù))的雷達系統(tǒng)具有可實現(xiàn)整體監(jiān)測、采樣頻率高、精度高、非接觸式測量等特點，被廣泛應(yīng)用到實時監(jiān)測建(構(gòu))筑物的動態(tài)特性中。微波干涉測量技術(shù)的測量精度明顯要高于GPS技術(shù)。文章首先闡述了微波干涉測量技術(shù)的特點，其次，分析了ISBS-S技術(shù)的理論測量精度與實際測量精度，并且以A高層建筑為例進行實例分析，得出結(jié)論：①高層建筑動態(tài)監(jiān)測中微波干涉測量的應(yīng)用是可行的，能夠有效監(jiān)測高層建筑的自振特性。②將微波干涉測量技術(shù)應(yīng)用到高層建筑的動態(tài)監(jiān)測中，可快速獲取高精度的變形數(shù)據(jù)，對于動態(tài)評估高層建筑的整體安全狀態(tài)是極為有效的。

高層建筑；動態(tài)監(jiān)測；微波干涉測量；應(yīng)用

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，各地高層建筑工程項目日益增多，且高層建筑的結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜、高度日益增加，社會各界越來越重視高層建筑的安全性[1]。高層建筑在風(fēng)荷載、雪荷載、地震等的作用下較易出現(xiàn)變形的情況，不僅有可能會對高層建筑的使用功能造成影響，甚至還有可能會讓高層建筑結(jié)構(gòu)性能埋下較多的安全隱患，所以，很有必要動態(tài)監(jiān)測高層建筑的動態(tài)特性(振幅、振動頻率等)，以便能夠及時發(fā)現(xiàn)高層建筑結(jié)構(gòu)中的損傷之處，確保高層建筑能夠健康、穩(wěn)定、安全運行[2]。

基于微波干涉測量技術(shù)(ISBS-S技術(shù))的雷達系統(tǒng)具有可實現(xiàn)整體監(jiān)測、采樣頻率高、精度高、非接觸式測量等特點，被廣泛應(yīng)用到實時監(jiān)測建(構(gòu))筑物的動態(tài)特性中。黃聲享、羅力、何超等(2012)利用“基于微波干涉測量技術(shù)的雷達系統(tǒng)”來開展高層建筑的動態(tài)監(jiān)測試驗，精確地得出了振動頻率與振動幅度[3]。李兆霞、李愛群等(2013)在動態(tài)測量陽邏長江大橋(湖北武漢市)的動撓度時，分別對比分析了微波干涉測量技術(shù)與GPS技術(shù)的優(yōu)缺點，得出結(jié)論：微波干涉測量技術(shù)的測量精度明顯要高于GPS技術(shù)[4]。本文就高層建筑動態(tài)監(jiān)測中微波干涉測量的應(yīng)用進行探討。

1 微波干涉測量技術(shù)簡介

近景攝影測量技術(shù)、加速度傳感器法、全站儀法、激光鉛直儀法均是建筑工程上較為常見的監(jiān)測技術(shù)，但是它們的自動化程度較低、精度不高而不適合應(yīng)用于動態(tài)監(jiān)測。全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)因具有測量精度高、全天候測量、快速測量、自動化測量等特點而被廣泛應(yīng)用到對高聳結(jié)構(gòu)物的動態(tài)特征進行監(jiān)測。但是GPS所測得的數(shù)據(jù)中具有較大的多路徑效應(yīng)誤差與隨機噪聲，較難分析數(shù)據(jù)，而微波干涉測量技術(shù)(ISBS-S技術(shù))可有效彌補GPS技術(shù)之不足[5]。

微波干涉測量技術(shù)(ISBS-S技術(shù))是一種應(yīng)用較為廣泛的遠程監(jiān)測系統(tǒng)，集成了Interferometry技術(shù)(干涉測量技術(shù))與SF-CW技術(shù)(步進頻率連續(xù)波技術(shù))。微波干涉測量技術(shù)(ISBS-S技術(shù))由意大利佛羅倫薩大學(xué)與意大利IDS公司通過6年的艱苦努力得出的科研成果，具有較多的應(yīng)用特點：第一，ISBS-S技術(shù)的動態(tài)監(jiān)測標稱精度為0.01mm；第二，ISBS-S技術(shù)的距離分辨率為50cm，最大的測量距離可以達到1000m；第三，ISBS-S技術(shù)的處理能力、控制能力較強，且易于操作人員進行操作；第四，ISBS-S技術(shù)的最高采樣頻率為200Hz，且易于安裝；第五，ISBS-S技術(shù)不太容易受到天氣的影響，進而能夠?qū)崿F(xiàn)24h實時監(jiān)測[6]。

1.1步進頻率連續(xù)波技術(shù)

SF-CW技術(shù)(步進頻率連續(xù)波技術(shù))是系統(tǒng)在統(tǒng)一時間內(nèi)向外發(fā)射出n個電磁波，且發(fā)射的步進頻率各不相同。SF-CW技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)長距離傳輸電磁波的功效，并且還能夠讓距離向分辨率Δr達到最高值，Δr的計算公式如公式(1)所示。

Δr=c/2B

(1)

其中，B——系統(tǒng)的帶寬，c——光速。

通常而言，B=0.3G Hz，則其距離分辨率Δr=0.5m。

1.2干涉測量技術(shù)

干涉測量技術(shù)的工作原理為：目標位移的變化情況是通過對接收的電磁波與發(fā)射的電磁波之間的相位差進行測量來予以確定，通過對相位差φ進行對比，即可得出目標徑向變形量d，如公式(2)所示。

d=λ/4πφ

(2)

ISBS-S技術(shù)能夠全天候24h、大范圍、遠距離地監(jiān)測目標區(qū)域，并且還可實現(xiàn)高精度監(jiān)測目標物體的變形量。與此同時，ISBS-S技術(shù)可不在目標物附近安裝光學(xué)目標或傳感器的前提下可遠距離觀測目標物，尤其是能夠精確監(jiān)測那些變化較小的目標物(如高塔、高層建筑、橋梁等)，位移測量結(jié)果精度甚至可以達到亞毫米級。

2 微波干涉測量技術(shù)的測量精度

2.1ISBS-S技術(shù)的理論測量精度

ISBS-S技術(shù)可測量的最小變形量dmin為：

(3)

其中，λ——波長，(φ2-φ1)min——ISBS-S系統(tǒng)能夠分辨出來的最小相位差。

通過計算公式(3)，即可得出ISBS-S技術(shù)可測量的最小變形量dmin=0.000 068mm。但是，在實際測量過程中往往還會存在著多種因素的作用及影響，因此，靜態(tài)監(jiān)測情況下ISBS-S技術(shù)的標稱精度為0.1 mm，動態(tài)監(jiān)測情況下ISBS-S技術(shù)的標稱精度為0.01 mm。

2.2ISBS-S技術(shù)的實際測試精度

將ISBS-S系統(tǒng)架設(shè)在試驗場地，并且在儀器旁邊20 m處設(shè)置一個目標物，對目標物進行模擬變形。與此同時，目標物的變形量采用精度為0.02mm的游標卡尺來進行精確調(diào)節(jié)，對比分析ISBS-S系統(tǒng)測得的變形值與調(diào)節(jié)結(jié)果。為了確保整個試驗過程的準確性，每次測試重復(fù)4次。目標物的變形量為3mm 和4mm時，ISBS-S精度測試結(jié)果如表1所示。

表1 ISBS-S精度測試結(jié)果 mm

3 應(yīng)用案例分析

3.1A高層建筑概況

A高層建筑由4個部分組成，分別是懸臂、裙樓、塔樓1、塔樓2，高度為234m，整個建筑物的主體結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)，鋼材是其主要建材，用鋼量達12萬噸。兩座樓塔的地上層數(shù)分別為49層、52層，兩座塔樓雙向傾斜角度為6°，向外懸挑的樓層均為第37層，形成高度為14層的懸臂,其中，塔樓1懸臂部分的外伸距離為67.165m，塔樓2懸臂部分的外伸距離為75.165m。

3.2試驗方案

采用環(huán)境激勵法來開展試驗，輸出響應(yīng)為A高層建筑的變形量，輸入信號為一系列環(huán)境因素(包括施工荷載、風(fēng)荷載、地脈動荷載等)，振動特性通過分析A高層建筑的結(jié)構(gòu)頻譜來獲取。優(yōu)點：環(huán)境激勵法既不會影響到A高層建筑的正常施工，又不需要配備過多的額外設(shè)備。缺點：輸入的環(huán)境激勵能量較小，很難準確獲得A高層建筑結(jié)構(gòu)高階振型的振動特性，所激發(fā)的振動只是低階振型的振動特性[7]。

(1)采樣頻率

基于奈奎斯定理來看,fδ(試驗的采樣頻率)應(yīng)該要大于或者等于2倍fc(A高層建筑的最高自振頻率)。為了對高層建筑原始振動信號進行準確采集，實際的采樣頻率通常應(yīng)為4～5倍最高自振頻率。由于環(huán)境激勵法所激發(fā)的振動只是低階振型的振動特性， A高層建筑的最高振動頻率必然低于10Hz,所以，為了能夠?qū)υ颊駝有盘栠M行準確采集，可將ISBS-S的采樣頻率設(shè)置為40Hz。

(2)觀測區(qū)域及試驗時間

由于A高層建筑的懸臂處于懸空狀態(tài)，所以，務(wù)必要對其安全性進行評估。ISBS-S系統(tǒng)放置在懸臂的正下方，務(wù)必要瞄準懸臂，設(shè)置1號監(jiān)測點。試驗時間為2016年4月1日，持續(xù)時間為300s。

3.3試驗結(jié)果與分析

(1)試驗結(jié)果

干涉處理雷達影像(由ISBS-S系統(tǒng)獲取)，即可得到干涉圖。因為ISBS-S系統(tǒng)固定于地面,基線與地平面相平，可設(shè)置為0,所以干涉圖中的相位信息Δφ不包括建筑結(jié)構(gòu)的形狀信息，只有誤差和變形信息。視線向的一維變形值dφ可通過公式(4)所示。

dφ=λ/4πφ

(4)

其中，λ——波長。

利用與ISBS-S系統(tǒng)配套的SW軟件可進行數(shù)據(jù)處理作業(yè)，分別可得出懸臂的加速度數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)和變形數(shù)據(jù)。本文由于篇幅有限，對A高層建筑懸臂的動態(tài)特性僅以1號監(jiān)測點的監(jiān)測結(jié)果來進行分析，圖1為1號監(jiān)測點的變形曲線，圖2為1號監(jiān)測點的速度曲線，圖3為1號監(jiān)測點的加速度曲線。由圖可知，本試驗的最大變形值僅為0.39mm,其標準差為±0.08mm，主要原因在于：輸入信號為一系列環(huán)境因素(包括施工荷載、風(fēng)荷載、地脈動荷載等)，其能量較小，自然就不會導(dǎo)致輸出信號(A高層建筑的變形量)的數(shù)值較大。由此可見，本次試驗所得的數(shù)據(jù)是較為準確、可靠的，可得到較高質(zhì)量的觀測效果，適用于分析高層建筑結(jié)構(gòu)的自振特性。

圖1 1號監(jiān)測點的變形曲線

圖2 1號監(jiān)測點的速度曲線

圖3 1號監(jiān)測點的加速度曲線

(2)頻譜分析

頻譜分析的主要目的在于通過傅里葉變換將原本較為復(fù)雜的時域信號分解為多個諧波分量(均為單一性)，以此來獲得信號的相位信息、諧波信息和頻率結(jié)構(gòu)。通過傅里葉變換來分析1號監(jiān)測點的位移時間序列,即可得到1號監(jiān)測點的頻譜圖，如圖4所示。其最小頻率為0.2Hz，最大頻率為1.2Hz，最高振型(第3階振型)的振動頻率為0.381Hz。其次為第2階振型，振動頻率為0.322Hz,再次為第1階振型，振動頻率為0.239Hz。

圖4 1號監(jiān)測點的頻譜圖

(3)結(jié)果對比分析

將本試驗的ISBS-S實測值與郭彥林、霍軼力(2008)[8]通過理論計算所得出的結(jié)果進行比較，如表2所示。由表2可以看出，第2階振型和第3階振型的ISBS-S實測值與自振頻率計算值基本無差異，差異率低于1%。而第1階振型的ISBS-S實測值與自振頻率計算值有所差異，自振頻率計算值要大于ISBS-S實測值，差異率為7%，但屬于誤差可接受范圍。

4 結(jié)論

(1)雖然ISBS-S系統(tǒng)只能獲取視線向的一維變形值，無法對A高層建筑結(jié)構(gòu)三維方向的振動特性進行分析，但是前3階振型的ISBS-S實測值與自振頻率計算值基本吻合。由此可見，高層建筑動態(tài)監(jiān)測中微波干涉測量的應(yīng)用是可行的，能夠有效監(jiān)測高層建筑的自振特性。

(2)ISBS-S系統(tǒng)監(jiān)測目標物具有全方位、高精度、非接觸性等諸多特點，可對目標區(qū)域的微小形變量進行有效探測。與其它測量系統(tǒng)相比，ISBS-S系統(tǒng)的測量成本和測量時間無疑會大幅度縮短。將微波干涉測量技術(shù)應(yīng)用到高層建筑的動態(tài)監(jiān)測中，可快速獲取高精度的變形數(shù)據(jù)，對于動態(tài)評估高層建筑的整體安全狀態(tài)是極為有效的。

[1] 王新文,袁東.GPS在高層建筑動態(tài)變形測定中的應(yīng)用[J].四川建筑科學(xué)研究,2009,35(4):177-179.

[2] 黃聲享,劉經(jīng)南,柳響林.小波分析在高層建筑動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用[J].測繪學(xué)報,2003,32(2):153- 157.

[3] 黃聲享,羅力,何超.地面微波干涉雷達與GPS測定橋梁撓度的對比試驗分析[J].武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版),2012,43(10):1781-1786.

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ApplicationofMicrowaveInterferometryinDynamicMonitoringofHigh-riseBuilding

GUIFangru

(Sichuan College of Architecture Technology,Deyang 618000)

The radar system based on microwave interferometry (ISBS-S) has the characteristics of realizing the whole monitoring,high sampling frequency,high precision and non-contact measurement.It is widely used to monitor the dynamic Feature.Microwave interferometry measurement accuracy is significantly higher than GPS technology.In this paper,the characteristics of microwave interferometry are briefly introduced.Secondly,the theoretical measurement accuracy and actual measurement accuracy of ISBS-S technology are analyzed,and an example of A high-rise building is analyzed.The conclusion is that:①The application of microwave interferometry in dynamic monitoring of high-rise buildings is feasible and can effectively monitor the self-vibration characteristics of high-rise buildings.② The application of microwave interferometry to the dynamic monitoring of high-rise buildings can obtain high-precision deformation data quickly,which is very effective for dynamically assessing the overall safety status of high-rise buildings.

High-rise building; Dynamic monitoring; Microwave interferometry; Application

TU198+.6

A

1004-6135(2017)11-0093-04

桂芳茹(1973.2- )，女，副教授。

E-mail:116211747@qq.com

2017-08-28