探究高層建筑動態(tài)監(jiān)測中微波干涉測量的使用

肖立福

（貴州中建建筑科研設(shè)計院有限公司 貴州貴陽 550000）

1 引言

隨著時代的發(fā)展，社會的進步，建筑物的高度也日漸增加，隨著高度增加而帶來的安全性問題也越來越被社會所關(guān)注?，F(xiàn)在我國高層建筑越來越多，建筑的結(jié)構(gòu)也較之以前更加復(fù)雜，也更加的高，高層建筑的安全性也愈加受到重視。高層建筑的結(jié)構(gòu)較易受到天氣的影響，雪荷載、風荷載、地震等的自然問題是較容易使高層建筑出現(xiàn)變形現(xiàn)象的，這種情況不單單是對高層建筑的使用功能有直接的影響，更有可能令高層建筑的結(jié)構(gòu)性能留下潛在的安全隱患。因此，動態(tài)的監(jiān)測高層建筑的振幅、振動頻率等等動態(tài)特性是勢在必行的，這樣可以更加及時的發(fā)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的受損部位，保證高層建筑可以穩(wěn)定、安全的工作運行。

微波干涉測量技術(shù)可以進行整體監(jiān)測，而且精度高、采樣的頻率快、采用非接觸式測量法，優(yōu)點眾多，目前被廣泛應(yīng)用于高層建筑的動態(tài)特性監(jiān)測中。

2 微波干涉測量

微波干涉測量技術(shù)也稱為ISBS－S技術(shù)，它是一類目前應(yīng)用比較廣泛的遠程監(jiān)測系統(tǒng)，將干涉測量技術(shù)和步進頻率連續(xù)波技術(shù)兩種技術(shù)集成于一體。微波干涉測量技術(shù)是意大利IDS公司和意大利佛羅倫薩大學共同努力，耗時六年研究出的成果，它的動態(tài)監(jiān)測標稱精度達0.01mm，測量的距離最大能夠?qū)崿F(xiàn)1000m，另外，它還有達到50cm的距離分辨率。微波干涉測量技術(shù)具有易于人工操作、控制能力強、處理能力強、易于安裝、不易被天氣影響、可以24h全程實時監(jiān)測的特點，應(yīng)用較為廣泛。

2.1 干涉測量技術(shù)

干涉測量技術(shù)工作原理：目標位移的變化情況是通過測量接收的電磁波和發(fā)射的電磁波兩者之間的相位差來確定的，然后與相位差φ對照，就可以得到目標徑向變形量d；列公式，如下：

微波干涉測量技術(shù)可以大范圍的、遠距離的、24h實時監(jiān)測目標區(qū)域，還能夠完成高精度監(jiān)測的任務(wù)。除此之外，該技術(shù)還能夠在不安裝傳感器或是光學目標于目標附近的前提下，實現(xiàn)遠距離觀測的目的。

2.2 步進頻率連續(xù)波技術(shù)

SF-CW技術(shù)即步進頻率連續(xù)波技術(shù)，該技術(shù)系統(tǒng)可在同一時間向外射出n個電磁波，其發(fā)射的步進頻率也不盡相同。步進頻率連續(xù)波技術(shù)可以長距離的傳輸電磁波，還可以使距離向分辨率Δr達到最高值，如公式所示：

B即系統(tǒng)帶寬；c代表光速。一般來說，B為GHz的時候，它的距離分辨率Δr=0.5m。

2.3 微波干涉測量技術(shù)測量精度

2.3.1 理論精度

此技術(shù)能夠測量的最小的變形量dmin=-λ/4π（是波長；φ2-φ1是微波干涉測量技術(shù)的可以分辨的最小相位差。

我們從計算公式中算得該技術(shù)可測得的最小變形量是0.000068mm。在實際應(yīng)用中還會出現(xiàn)許多干擾因素，所以在動態(tài)時，該技術(shù)的標稱精度為0.01mm。靜態(tài)時是0.1mm。

2.3.2 實際精度

把微波干涉測量技術(shù)系統(tǒng)安裝在試驗地點，在系統(tǒng)的附近20m設(shè)置一個待監(jiān)測的目標，對目標開始模擬變形。同一時間，目標的變形量使用0.02mm精度的游標卡尺實現(xiàn)精確調(diào)節(jié)，然后對比微波干涉測量技術(shù)的測量變形值和調(diào)節(jié)的數(shù)值。每一次的測試重復(fù)2～5次，以保證試驗的準確性。表1就是試驗測量得出的結(jié)果。

表1 精度測試的結(jié)果

3 案例分析

某高層建筑由懸臂、裙樓以及兩個塔樓組成，其高度234m，該高層建筑主體結(jié)構(gòu)是鋼結(jié)構(gòu)，主要的建材為鋼材，總共12萬t的用鋼量。其兩個塔樓的地上層數(shù)是49和52層，6°的雙向傾斜角度，向外懸挑的那個樓層都是第37層，形成的懸臂有14層高，一號塔樓的懸臂部分的外伸67.165m長，二號塔樓懸臂部分外伸75.165m長。

試驗應(yīng)用環(huán)境激勵法，該高層建筑的變形量作為輸出響應(yīng)，多種的環(huán)境影響作為輸入信號，然后，經(jīng)過分析其建筑物的結(jié)構(gòu)頻譜來得到振動特性。這樣的試驗方法（環(huán)境激勵法）不會對該建筑物的正常施工產(chǎn)生影響，也不用額外的準備過多的設(shè)備。但由于這種方法激發(fā)的只是低階的振型，對于該建筑物的高階振型極難能獲取到。為了取得該高層建筑更為準確的原始振動信號，采樣頻率一般為4～5倍的最高自振頻率，因為采取的環(huán)境激勵法只能采集到低階振型的振動特性，實驗人員為了更好更準確的采集數(shù)據(jù)，應(yīng)把微波干涉測量系統(tǒng)的采樣頻率定在40Hz。因為該建筑物的懸臂是空懸的，對它的安全性能評估是必不可少的，該測量系統(tǒng)要安裝在懸臂的正下方向，必須要瞄準好懸臂，借此設(shè)置了監(jiān)測點。最后，能夠得到微波干涉測量系統(tǒng)獲取的干涉圖，因該系統(tǒng)固定在地面上，它的基線和地平面是一致的，因此可設(shè)置成0，所得的干涉圖上的相位信息并不含有該高層建筑的形狀信息，能得到的只是誤差以及變形信息。公式如下：

dφ=λ/4πφ

與該系統(tǒng)配套的SW軟件可做后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，可算出懸臂吊的速度、加速度以及變形的數(shù)據(jù)。圖1～3分別是微波干涉測量系統(tǒng)在監(jiān)測點收集到的變形、速度和加速度的數(shù)據(jù)曲線。

圖1 收集的變形曲線

圖2 速度曲線

圖3 加速度曲線

根據(jù)以上的曲線我們可以發(fā)現(xiàn)，這次試驗所得出的最大變形值是0.39mm，它的標準差是0.08mm，這主要是因為選用的環(huán)境激勵法的輸入信號是多種環(huán)境因素影響，它們造成的輸入信號較小，使得輸出信號的數(shù)值也較小。因此，這次的試驗是準確、有效的，能夠達到高質(zhì)量的檢測結(jié)果。頻譜分析主要是為了經(jīng)傅里葉變換把本來比較復(fù)雜的信號變?yōu)槎鄠€都是單一向的諧波分量，然后得到信號的相位、頻率以及諧波的信息，圖4就是監(jiān)測到的頻譜圖。

圖4 頻譜圖

根據(jù)圖四頻譜圖可以知道，該監(jiān)測點的最小頻率是0.2Hz，最大頻率達1.2Hz，達到的最高振型為第三階振型，其振動的頻率達赫茲。然后是第二階振型的振動頻率是0.322Hz。最后第一階振型則是0.239Hz的振動頻率。

4 結(jié)束語

隨著時代的進步，社會的發(fā)展以及土地資源的緊缺，高層建筑已是未來的主流。目前，我國的高層建筑越來越多，越來越高，高層建筑的安全性問題也是備受關(guān)注的問題。高層建筑較容易被環(huán)境因素所影響其使用功能以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，一種合適的實時的監(jiān)測方法有助于問題的解決。因此，微波干涉測量技術(shù)動態(tài)監(jiān)測高層建筑系統(tǒng)便應(yīng)運而生。微波干涉測量技術(shù)精度高、不接觸式監(jiān)測，24h實時監(jiān)測等等特點使得它能夠勝任這項嚴峻的工作，有了該技術(shù)的實時監(jiān)測不僅使得對高層建筑的安全性、穩(wěn)定性信息有了及時逇掌握，也令得人們更加的放心，更加的安全。